《模具概論》第二節(jié)鍛造工藝及模具結(jié)構(gòu)

1、第四章其他模具第二節(jié)鍛造工藝及模具結(jié)構(gòu)中國(guó)古代鍛造史v-早在3000多年前，我國(guó)勞動(dòng)人民就己熟練地應(yīng)用鍛造方法制造生產(chǎn)工具和各' 類兵器。河北藁城出土商代遺址中有兵器、金絲、金箔。bml11wi丿一、鍛造工藝(-)鍛造工藝概述1. 鍛造定義對(duì)坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形、改變尺寸、形狀及改善性能，用以制造機(jī)械零件、 工件或毛坯的成形加工方法，如圖4-15所示圖4-15鍛造零件2鍛造成型分類：按所用的工具不同，鍛造可分為自由鍛和模鍛兩大類。3.鍛造生產(chǎn)的工藝過(guò)程為：下料一加熱一鍛造一熱處理一檢驗(yàn)。()自由鍛(open die forging)自由鍛造是利用沖擊力或壓力使金屬在上下砧面間

2、各個(gè)方向自由變形，不受任何限制而獲得所需形狀及尺寸和一定機(jī)械性能的鍛件的一種加工方法，稱為自由鍛。1. 自由鍛分類手工鍛造和機(jī)器鍛造兩種。手工鍛造只能生產(chǎn)小型鍛件，生產(chǎn)率也較低。機(jī)器鍛造是 自由鍛的主要方法。2. 自由鍛特點(diǎn)(1) 金屬坯料可朝各個(gè)方向自由流動(dòng)，不受限制；(2) 所用工具簡(jiǎn)單，設(shè)備和工具通用性強(qiáng)，成本低；(3) 鍛件精度較低，生產(chǎn)率低；(4) 其形狀和尺寸主要由操作者的技術(shù)來(lái)控制。自由鍛主要用于品種多，產(chǎn)量不大的單件小批量生產(chǎn)，也可用于模鍛前的制坯工序。3. 自由鍛設(shè)備：鍛錘(包含空氣錘、蒸汽一空氣錘)，如圖4-16(a)所示；液壓機(jī)，如 圖4-15所示。圖4-16 (a)空氣

3、錘圖4t6 (b)液壓機(jī)4. 自由鍛工序(1) 基本工序：鍛造過(guò)程屮直接改變坯料形狀和尺寸的工序。如徹粗、拔長(zhǎng)、沖孔、擴(kuò)孔、彎曲、鍛接等，如圖4-17所示。圖4-17基本工序（2）精整工序：修整鍛件最終形狀和尺寸、消除表面不平和歪斜的工序。如修整鼓形、 校平、校直等，如圖4-18所示。修整鼓形斷面校平彎曲校正圖4-18精整工序（3）輔助工序：為方便基本工序的操作而預(yù)先進(jìn)行局部小變形的工序。如倒棱、壓肩等,如圖4-19所不。圖4-19輔助工序5. 典型自由鍛工序加工及應(yīng)用（1）緻粗：是使坯料的截面增大，高度減小的鍛造工序。橄粗有完全徹粗、局部徹粗 和墊環(huán)徹粗等三種方式，如圖4-20所示。應(yīng)用場(chǎng)合

4、：高度小，截面大的盤類工件、齒輪、圓盤；沖孔前的準(zhǔn)備工序；提高力學(xué)性能。圖4-20徹粗2）拔長(zhǎng)：是使坯料長(zhǎng)度增加，橫截面減少的鍛造工序，乂稱延伸或引伸，如圖4-21 所示。應(yīng)用場(chǎng)合：拔長(zhǎng)用于鍛制長(zhǎng)而截面小的工件，如軸類、桿類和長(zhǎng)筒形零件。也）打完一面后胡轉(zhuǎn)9（） c（t»來(lái)冋翻轉(zhuǎn)9（rc鍛打圖4-21拔長(zhǎng)3）沖孔：是用沖子在坯料沖岀透孔或不透孔的鍛造工序，如圖4-22所示。應(yīng)用場(chǎng)合：空心零件。如齒輪坯、圓環(huán)、套筒。圖4-22沖孔6. 自由鍛造工序的選擇自由鍛鍛造工序的選取應(yīng)根據(jù)工序特點(diǎn)和鍛件形狀來(lái)確定。一般情況下，盤類零件多 采用繳粗（或拔長(zhǎng)一徹粗）和沖孔等工序；軸類零件多采用拔長(zhǎng)，

5、切肩和鍛臺(tái)階等工序。 一般鍛件的分類及采用的工序見(jiàn)表4-1 o表4-1鍛件分類及所需鍛造工序鍛件類別盤類零件鍛造工序徹粗(或拔長(zhǎng)一徹粗)，沖孔等筒類冬件徹粗(或拔長(zhǎng)一徹粗)，沖孔，在芯軸上拔長(zhǎng)等環(huán)類零件徹粗(或拔長(zhǎng)一徹粗)，沖孔，在芯軸上擴(kuò)孔等軸類零件拔長(zhǎng)(或徹粗一拔長(zhǎng))，切肩，鍛臺(tái)階等彎曲類零件拔長(zhǎng)，彎曲等7. 自由鍛工藝規(guī)程(1) 根據(jù)零件圖繪制鍛件圖計(jì)算坯料的質(zhì)量與尺寸(3)確定鍛造工序(4) 選擇鍛造設(shè)備(6)確定坯料加熱規(guī)范和填寫工藝卡片等。(三) 模鍛(clos die forging)利用模具使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法稱為模鍛。1. 模鍛特點(diǎn)(1) 生產(chǎn)效率較高。模鍛時(shí)，金屬

6、的變形在模膛內(nèi)進(jìn)行，故能較快獲得所需形狀。(2) 能鍛造形狀復(fù)雜的鍛件，并可使金展流線分布更為合理，提高零件的使用壽命。(3) 模鍛件的尺寸較精確，表面質(zhì)量較好，加工余量較小。(4) 節(jié)省金屬材料，減少切削加工工作量。在批量足夠的條件下，能降低零件成本。(5) 模鍛操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低。但模鍛生產(chǎn)受模鍛設(shè)備噸位限制，模鍛件的質(zhì)量一般在150kg以下。模鍛設(shè)備投資較 大，模具費(fèi)用較昂貴，工藝靈活性較差，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)。因此，模鍛適合于小型鍛件 的大批大量生產(chǎn)，不適合單件小批量生產(chǎn)以及屮、大型鍛件的生產(chǎn)。2. 模鍛設(shè)備按使用設(shè)備不同，模鍛可分為：(1) 錘上模鍛：在鍛錘上進(jìn)行;（2）胎模鍛：在自

7、由鍛設(shè)備上使用可移動(dòng)模具；（3）壓力機(jī)上模鍛：在壓力機(jī)上對(duì)熱態(tài)金屬進(jìn)行模鍛。3. 錘上模鍛的工藝錘上模鍛是將上模固定在錘頭上，下模緊固在模墊上，通過(guò)隨錘頭作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的 上模，對(duì)置于下模中的金屈坯料施以直接鍛擊，來(lái)獲取鍛件的鍛造方法。（1）錘上模鍛的工藝特點(diǎn)1）金屬在模膛中是在一定速度下，經(jīng)過(guò)多次連續(xù)錘擊而逐步成形的。2）錘頭的行程、打擊速度均可調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)輕重緩急不同的打擊，因而可進(jìn)行制坯 工作。3）由于慣性作用，金屈在上模模膛中具有更好的充填效果。4）錘上模鍛的適應(yīng)性廣，可生產(chǎn)多種類型的鍛件，可以單膛模鍛，也可以多膛模鍛。 由于錘上模鍛打擊速度較快，對(duì)變形速度較敏感的低塑性材料（如鎂合金

8、等），進(jìn)行錘上模鍛不如在壓力機(jī)上模鍛的效果好。（2）錘上模鍛的鍛模結(jié)構(gòu)鍛模結(jié)構(gòu):如圖4-23所示,錘上模鍛用的鍛模由帶燕尾的上模2和下模4兩部分組成, 上下模通過(guò)燕尾和楔鐵分別緊固在錘頭和模墊上，上、下模合在一起在內(nèi)部形成完整的模 膛。1錘頭2上模3 飛邊槽4下模5模墊6、7、10 緊固楔鐵8 分模面9模膛圖4-23錘上鍛模二、鍛造模具基本結(jié)構(gòu)與工藝性（-）模鍛模膛分類鍛造模具模膛分為制坯模膛和模鍛模膛。1.制坯模膛對(duì)于形狀復(fù)雜的模鍛件，為了使坯料基本接近模鍛件的形狀，以便模鍛時(shí)金屬能合理 分布，并很好地充滿模膛，必須預(yù)先在制坯模膛內(nèi)制坯。制坯模膛有以下幾種：(1)拔長(zhǎng)模膛 減小坯料某部分的橫

9、截面積，以增加其長(zhǎng)度。如4-24所示。(a)開式 (b)閉式 圖4-24拔長(zhǎng)模膛(2) 滾擠模膛減小坯料某部分的橫截面積，以增人另一部分的橫截面積。主要是使金屬坯料能夠按 模鍛件的形狀來(lái)分布。滾擠模膛也分為開式和閉式兩種，如圖4-25所示。(a)開式 (b)閉式 圖4-25滾擠模膛(3) 彎曲模膛使坯料彎曲，如圖4-26所示。圖4-26彎曲模腌(4) 切斷模膛在上模與下模的角部組成一對(duì)刃口，用來(lái)切斷金屬，如圖4-27所示?？捎糜趶呐髁仙?切下鍛件或從鍛件上切鉗口，也可用于多件鍛造后分離成單個(gè)鍛件。圖4-27切斷模膛此外，還有成形模膛、徹粗臺(tái)及擊扁面等制坯模膛。（-）模鍛模膛模鍛模膛包括預(yù)鍛模膛

10、和終鍛模膛。所有模鍛件都要使用終鍛模膛，預(yù)鍛模膛則要根 據(jù)實(shí)際情況決定是否釆用。1. 終鍛模膛使金屬坯料最終變形到所要求的形狀與尺寸，如圖4-23所示。由于模鍛需要加熱后進(jìn) 行，鍛件冷卻后尺寸會(huì)有所縮減，所以終鍛模膛的尺寸應(yīng)比實(shí)際鍛件尺寸放大一個(gè)收縮量, 對(duì)于鋼鍛件收縮量可取1. 5%。2. 預(yù)鍛模膛用于預(yù)鍛的模膛稱為預(yù)鍛模膛。終鍛時(shí)常見(jiàn)的缺陷有折迭和充不滿等，工字型截面鍛 件的折迭如圖4-28所示。這些缺陷都是由于終鍛時(shí)金屬不合理的變形流動(dòng)或變形阻力太大 引起的。為此，對(duì)于外形較為復(fù)雜的鍛件，常采用預(yù)鍛工步，使坯料先變形到接近鍛件的 外形與尺寸，以便合理分配坯料各部分的體積，避免折迭的產(chǎn)生，

11、并有利于金屬的流動(dòng)， 易于充滿模膛，同吋可減小終鍛模膛的磨損，延長(zhǎng)鍛模的壽命。預(yù)鍛模膛和終鍛模膛的主 要區(qū)別是前者的圓角和模鍛斜度較大，高度較大，一般不設(shè)飛邊槽。只有當(dāng)鍛件形狀復(fù)雜、成形困難,圖4-28工字型截而鍛件的折迭根據(jù)模鍛件的復(fù)雜程度不同，所需的模膛數(shù)量不等，可將鍛模設(shè)計(jì)成單膛鍛模或多膛鍛模。彎曲連桿模鍛件所用多膛鍛模如圖4-29所示。切邊模1 一拔長(zhǎng)模膛2滾擠模膛3終鍛模膛4一預(yù)鍛模膛5彎曲模膛 圖4-29彎曲連桿鍛模（下模）與模鍛工序（三）模鍛工藝規(guī)程的制定模鍛工藝規(guī)程的制定主要包括繪制模鍛件圖、計(jì)算坯料尺寸、確定模鍛工步、選擇鍛 造設(shè)備、確定鍛造溫度范圍等。1繪制模鍛件圖模鍛件圖

12、是設(shè)計(jì)和制造鍛模、計(jì)算坯料以及檢驗(yàn)?zāi)ｅ懠囊罁?jù)。根據(jù)零件圖繪制模鍛件圖時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。（1）分模面:上下鍛模的分界面。分模面的選擇應(yīng)按以下原則進(jìn)行。1）耍保證模鍛件能從模膛中順利取岀，并使鍛件形狀盡可能與零件形狀相同。一般分模面應(yīng)選在模鍛件最大水平投影尺寸的截面上。如圖4-30所示，若選而為 分模面，則無(wú)法從模膛中取出鍛件。圖4-30分模而的選擇2）按選定的分模面制成鍛模后，應(yīng)使上下模沿分模面的模膛輪廓一致，以便在安裝鍛 模和生產(chǎn)中容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)?，F(xiàn)象。如圖4-30所示，若選c-c面為分模面，就不符合此原則。3）最好使分模面為一個(gè)平面，并使上下鍛模的模膛深度基本一致，差別不宜過(guò)大，以 便于

13、均勻充型。4）選定的分模面應(yīng)使零件上所加的敷料最少。如圖4-30所示，若將b-b面選作分模面, 零件中間的孔不能鍛出，其敷料最多，既浪費(fèi)金屬，降低了材料的利用率，乂增加了切削 加工工作量，所以該面不宜選作分模面。5）最好把分模面選取在能使模膛深度最淺處，這樣可使金屬很容易充滿模膛，便于取 出鍛件，如圖4-30所示的b-b面就不適合做分模面。按上述原則綜合分析，選用如圖4-30 所示的d-d面為分模面最合理。（2）加工余量和鍛件公差為了達(dá)到零件尺寸精度及表面粗糙度的耍求，鍛件上需切削加工而去除的金屈層，稱 為鍛件的加工余量。（3）模鍛斜度為便于從模膛中取出鍛件，模鍛件上平行于錘擊方向的表面必須具

14、有斜度，稱為模鍛 斜度，一般為5°15°之間。模鍛斜度與模膛深度和寬度有關(guān)，通常模膛深度與寬度的 比值（h/b）較大時(shí)，模鍛斜度取較大值。此外，模鍛斜度還分為外壁斜度a與內(nèi)壁斜度b , 如圖4-31所示。外壁指鍛件冷卻時(shí)鍛件與模壁離開的表而；內(nèi)壁指當(dāng)鍛件冷卻時(shí)鍛件與模 壁夾緊的表面。內(nèi)壁斜度值一般比外壁斜度大2。5。生產(chǎn)屮常用金屬材料的模鍛斜度 范圍見(jiàn)表4-2 o圖4-31模鍛斜度表4-2各種金屬鍛件常用的模鍛斜度鍛件材料外壁斜度內(nèi)壁斜度鋁、鎂合金3° 5°5° 7。鋼、鈦、耐熱合金5° 7°7° 、 10

15、6; 、 12°（4）模鍛圓角半徑模鍛件上所有兩平面轉(zhuǎn)接處均需圓弧過(guò)渡，此過(guò)渡處稱為鍛件的圓角，如圖4-32所示。 圓弧過(guò)渡有利于金屬的變形流動(dòng)，鍛造時(shí)使金屬易于充滿模膛，提高鍛件質(zhì)量，并且可以 避免在鍛模上的內(nèi)角處產(chǎn)生裂紋，減緩鍛模外角處的磨損，提高鍛模使用壽命。圖4-32模鍛圓角半徑鋼的模鍛件外圓角半徑（匸）一般取1. 5mm12mm,內(nèi)圓角半徑（r）比外圓角半徑大23 倍。模膛深度越深，圓角半徑值越人。為了便于制模和鍛件檢測(cè)，圓角半徑尺寸已經(jīng)形成 系列，其標(biāo)準(zhǔn)是 1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12、15、20、25 和 30 等，單位為miiio（四）模鍛件

16、的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)模鍛零件時(shí)，應(yīng)根據(jù)模鍛特點(diǎn)和工藝要求，使其結(jié)構(gòu)符合下列原則：1. 模鍛零件應(yīng)具有合理的分模面，以使金屬易于充滿模膛，模鍛件易于從鍛模中取岀, h敷料最少，鍛模容易制造。2. 模鍛零件上，除與其它零件配合的表面外，均應(yīng)設(shè)計(jì)為非加工表面。模鍛件的非加 工表面之間形成的角應(yīng)設(shè)計(jì)模鍛圓角，與分模面垂直的非加工表面，應(yīng)設(shè)計(jì)出模鍛斜度。3. 零件的外形應(yīng)力求簡(jiǎn)單、平直、對(duì)稱，避免零件截面間差別過(guò)大，或具有薄壁、高 肋、等不良結(jié)構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，零件的最小截面與最大截面z比不要小于0.5,零件的凸緣 太薄、太高，中間下凹太深，金屬不易充型；零件過(guò)于扁薄，薄壁部分金屬模鍛吋容易冷 卻，不易鍛出，對(duì)保護(hù)設(shè)備和鍛模也不利。4. 在零件結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)盡量避免有深孔或多孔結(jié)構(gòu)。孔徑小于30mm或孔深大 于直徑兩倍時(shí)，鍛造困難。為保證纖維組織的連貫性以及更好的力學(xué)性能，常采用模鍛方 法生產(chǎn)，但齒輪上的四個(gè)20伽的孔不方便鍛造，只能采用機(jī)加工成形。5. 對(duì)復(fù)雜鍛件，為減少敷料，簡(jiǎn)化模鍛工藝，在可能條件下，應(yīng)采用鍛造一焊接或鍛 造一機(jī)械聯(lián)接組合工藝。（五）模鍛工藝流程隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)金屈塑性成形加工生產(chǎn)提出了越來(lái)越高的要求，不僅要 求生產(chǎn)各種毛坯，而且要求能直接生產(chǎn)出更多的具有較高精度與質(zhì)量的成品零件。其它塑 性成形方法在生產(chǎn)實(shí)踐屮也得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用