第12章 特 種 鍛 造

1、第12章特 種 鍛 造12.1擺動輾壓12.2旋轉(zhuǎn)鍛造12.3液態(tài)模鍛12.4等溫鍛造12.5輥鍛12.6楔橫軋12.7粉末鍛造12.8半固態(tài)金屬成形12.1擺動輾壓12.1.1擺動輾壓的工作原理12.1.2擺動輾壓的特點12.1.3擺動輾壓的分類與應(yīng)用 擺動輾壓是利用一個帶圓錐形的擺頭對毛坯局部加壓，并繞中心連續(xù)滾動的加工方法，如圖12-1所示。帶圓錐形的擺頭，其中心線OZ與機器主軸中心線OM相交成角(13)，給液壓缸稱為擺角。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，OZ軸繞OM軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)坯料沿軸向進給時，擺頭就對坯料進行連續(xù)局部加載，擺頭每旋轉(zhuǎn)一周，坯料將產(chǎn)生一個壓下量，最后達到整體成形的目的。擺動輾壓屬于連續(xù)的局

2、部加載、局部變形、整體受力的成形方法。采用擺動輾壓，用較小的力就可逐步成形較大的工件。12.1.1擺動輾壓的工作原理圖12-2擺動輾壓的成形方式a)局部鐓粗b)反擠c)開式模成形d)正反擠復(fù)合圖12-1擺動輾壓工作原理示意圖1擺頭2毛坯3滑塊4進給液壓缸12.1.2擺動輾壓的特點擺動輾壓具有以下優(yōu)點：1)省力。2)產(chǎn)品精度高，質(zhì)量好。3)擺動輾壓適合加工薄而形狀復(fù)雜的餅盤類鍛件。4)勞動環(huán)境好，勞動強度低。5)設(shè)備投資少，制造周期短，見效快，占地面積小，易于實現(xiàn)機械化、自動化。擺動輾壓的缺點主要有：1)擺動輾壓設(shè)備比一般壓力機多一套擺頭傳動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且機器受周期性偏心載荷，對設(shè)備的剛

3、度要求高。2)擺動輾壓對制坯要求嚴(yán)格。3)模具壽命較低。12.1.3擺動輾壓的分類與應(yīng)用圖12-3離合器盤轂擺動輾壓工藝過程a)溫鍛預(yù)制坯b)擺動輾壓終成形12.2旋轉(zhuǎn)鍛造12.2.1旋轉(zhuǎn)鍛造的原理及工藝特點12.2.2旋轉(zhuǎn)鍛造件的缺陷及預(yù)防12.2.3旋轉(zhuǎn)鍛造的分類與應(yīng)用12.2.1旋轉(zhuǎn)鍛造的原理及工藝特點旋轉(zhuǎn)鍛造工藝具有如下主要優(yōu)點：1)鍛件力學(xué)性能好，鍛件流線可沿零件外形分布。2)鍛件的精度高，表面粗糙度值小。3)材料利用率高，有些鍛件可以節(jié)約材料50%。4)生產(chǎn)效率高，由于鍛造機打擊頻率高，速度快，鍛打過程能自動控制，生產(chǎn)率可達150件/h以上。5)自動化程度高，新型徑向精密鍛造機上可

4、實現(xiàn)調(diào)整、上料、鍛打、過載保護、消振和排煙的自動化，因此勞動強度小，操作簡單。旋轉(zhuǎn)鍛造工藝也存在以下的缺點：1)不適于復(fù)雜的一般形狀的鍛造制品。2)由于是通過反復(fù)進行局部加工而成形，因此與常規(guī)鍛造相比，加工時間稍有延長。3)由于與模具的接觸時間延長、旋轉(zhuǎn)方向的接觸摩擦等原因，在熱、溫加工時，會使模具溫度上升，縮短模具壽命，有時需要對模具進行冷卻。圖12-4滾柱式旋轉(zhuǎn)鍛造機鍛造原理圖圖12-5旋轉(zhuǎn)鍛造時金屬的流動12.2.2旋轉(zhuǎn)鍛造件的缺陷及預(yù)防(1)尾部凹坑多數(shù)旋轉(zhuǎn)鍛造件的尾端心部會產(chǎn)生向里凹陷，稱為尾部凹坑。(2)棱角即鍛件上出現(xiàn)的明顯的多邊形。(3)螺旋形凹坑及時更換鍛模，清理毛坯氧化皮和

5、適當(dāng)降低始鍛溫度可以防止鍛件表面形成螺旋形凹坑。(4)螺旋形脊椎紋鍛件外表面有時會產(chǎn)生螺旋形凸起小塊，它很像動物脊椎骨的形狀。(5)尾部馬蹄形鍛件伸長變形不均勻，會導(dǎo)致尾部呈現(xiàn)馬蹄形。12.2.3旋轉(zhuǎn)鍛造的分類與應(yīng)用.冷鍛、溫鍛和熱鍛.無芯軸空心軸鍛造和有芯軸空心軸鍛造.逐段鍛造和連續(xù)鍛造圖12-6汽車底盤吸振器管狀活塞桿12.3液態(tài)模鍛12.3.1液態(tài)模鍛的原理12.3.2液態(tài)模鍛的分類12.3.3液態(tài)模鍛的特點12.3.4液態(tài)模鍛對設(shè)備的要求12.3.5液態(tài)模鍛對模具的要求12.3.1液態(tài)模鍛的原理圖12-7液態(tài)模鍛工藝流程a)澆注b)加壓c)頂出圖12-8平?jīng)_頭直接加壓法a)加壓前b)加

6、壓時12.3.2液態(tài)模鍛的分類(1)平?jīng)_頭上加壓法將熔化金屬液澆入凹模，平?jīng)_頭下行與凹模形成封閉模膛，使液態(tài)金屬在平?jīng)_頭的直接壓力下凝固成形，如圖12-8所示。(2)平?jīng)_頭下加壓法將液態(tài)金屬澆入下平?jīng)_頭與下模形成的儲料室內(nèi)，在上模與下模閉合后，下平?jīng)_頭將儲料室中的金屬液擠入封閉的模膛中，并使液態(tài)金屬在壓力的作用下凝固成形，如圖12-9所示。(3)異形沖頭加壓法根據(jù)沖頭結(jié)構(gòu)的不同，分為凸式?jīng)_頭加壓法、凹式?jīng)_頭加壓法和復(fù)合式?jīng)_頭加壓法三種。圖12-9平?jīng)_頭間接加壓法a)加壓前b)加壓時圖12-10異形沖頭加壓法a)凸式?jīng)_頭加壓法b)凹式?jīng)_頭加壓法c)復(fù)合式?jīng)_頭加壓法12.3.3液態(tài)模鍛的特點液態(tài)模

7、鍛工藝成形的主要特點有以下幾方面：1)在成形過程中，尚未凝固的金屬液自始至終經(jīng)受等靜壓，并在壓力作用下發(fā)生結(jié)晶凝固，流動成形。2)已凝固的金屬在成形過程中，在壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，使毛坯外側(cè)緊貼模膛壁，金屬液獲得并保持等靜壓。3)由于凝固層產(chǎn)生塑性變形，要消耗一部分能量，因此金屬液承受的等靜壓值不是定值，而是隨著凝固層的增厚而下降。4)固-液區(qū)在壓力作用下，發(fā)生強制性的補縮。主要應(yīng)用在以下幾方面：1)可用于生產(chǎn)各種類型的合金，如鋁合金、鋅合金、銅合金、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、碳鋼、不銹鋼等。2)適用于一些形狀復(fù)雜且性能有一定要求的產(chǎn)品。3)適用于壁厚適中的零件，否則將給成形帶來困難，甚至產(chǎn)生廢品。

8、圖12-11液態(tài)模鍛模型a)第一種模型b)第二種模型1外層硬殼2液固兩相區(qū)3中心液相區(qū)12.3.4液態(tài)模鍛對設(shè)備的要求在通用液壓機上進行液態(tài)模鍛時，液壓機應(yīng)滿足如下要求：1)有足夠大的壓力，并能在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定的鍛造力，以保證鍛造過程順利進行。2)有較快的空程速度，以提高液態(tài)模鍛的生產(chǎn)率。3)有足夠大的工作臺面積和足夠高的最大封閉高度，以便于液態(tài)模鍛模具的安裝和調(diào)整。4)剛性足夠。要求專用液壓機具有如下功能：1)有熔煉保溫爐，以供應(yīng)液態(tài)模鍛工作時所需要的合金液。2)液壓機應(yīng)有足夠大的壓力，以滿足液態(tài)模鍛時的要求。3)液壓機有預(yù)合模動作，以便實現(xiàn)液態(tài)模鍛工作的第一步，即鑄造成形。4)為了能

9、進行對向及多向鍛造，專用液壓機應(yīng)有下頂缸和側(cè)向加壓缸。5)對于全自動液壓機，應(yīng)有自動定量澆注機械手、自動噴涂機械手和自動取件機械手。12.3.5液態(tài)模鍛對模具的要求1)在高溫下應(yīng)有較高的強度、硬度、耐磨性和適當(dāng)?shù)乃苄?；在長期工作中，其組織與性能應(yīng)穩(wěn)定。2)應(yīng)有較好的導(dǎo)熱性和抗熱疲勞性能。3)在高溫下不易氧化，能抵抗液態(tài)合金的粘焊及熔蝕。4)淬透性好，熱處理變形小。5)線膨脹系數(shù)小。6)有良好的鍛造及可加工性。7)在修復(fù)或修改模具時能焊接。12.4等溫鍛造12.4.1等溫鍛造的原理12.4.2等溫鍛造的分類12.4.3等溫鍛造的特點12.4.4等溫鍛造模具設(shè)計的一般原則12.4.1等溫鍛造的原理

10、圖12-12等溫鍛造模具裝置原理圖1下模板2中間墊板3、8隔熱層4、5加熱圈6凸模7上模板9凹模10頂桿11墊板12.4.2等溫鍛造的分類(1)等溫精密模鍛即金屬在等溫條件下鍛造得到小斜度或無斜度、小余量或無余量的鍛件的方法。(2)等溫超塑性模鍛即金屬在等溫且極低的變形速率(10-4s-1)條件下，呈現(xiàn)出異常高的塑性狀態(tài)，從而使難變形金屬獲得所需的形狀和尺寸的方法。(3)粉末坯等溫鍛造即以粉末冶金預(yù)制坯(通過熱等靜壓或冷等靜壓)為等溫鍛造原始坯料，在等溫超塑性條件下，使坯料產(chǎn)生較大變形、壓實，從而獲得鍛件的方法。12.4.3等溫鍛造的特點等溫鍛造常用的成形方法也是開式模鍛、閉式模鍛和擠壓等，它

11、與常規(guī)鍛造相比，具有以下特點：1)鍛造時，模具和坯料要保持在相同的恒定溫度下。2)考慮到材料在等溫鍛造時具有一定粘性，即應(yīng)變速率敏感性，等溫鍛造時的變形速度應(yīng)很低，因此，一般在運動速度較低的液壓機上進行。3)可提高設(shè)備的使用能力。4)由于等溫鍛造時，坯料一次變形程度很大，如果再進行適當(dāng)?shù)臒崽幚砘蛐巫儫崽幚?，鍛件就能獲得非常細小而均勻的顯微組織。5)采用等溫鍛造工藝生產(chǎn)薄腹板的筋類、盤類、梁類、框類等精密件具有很大的優(yōu)越性。由等溫鍛造工藝特點所決定，等溫鍛件具有以下優(yōu)點：1)余量小，精度高，復(fù)雜程度高，鍛后加工余量小，或局部加工甚至不加工。2)鍛件纖維連續(xù)，力學(xué)性能好，各向異性不明顯。3)鍛件無

12、殘余應(yīng)力。4)材料利用率高。5)提高了金屬材料的塑性。12.4.4等溫鍛造模具設(shè)計的一般原則1)選擇形狀復(fù)雜、在常規(guī)鍛造時不易成形或需經(jīng)多火次成形的鍛件以及組織、性能要求十分嚴(yán)格的鍛件作為等溫鍛件。2)選擇開式或閉式模鍛方法，應(yīng)根據(jù)鍛件結(jié)構(gòu)、尺寸及后續(xù)加工要求和設(shè)備安?？臻g來確定。3)模具總體設(shè)計應(yīng)能滿足等溫鍛造工藝要求，結(jié)構(gòu)合理，便于使用和維護。4)鍛模工件部分應(yīng)有專門的加熱、保溫、控溫等裝置，并能達到等溫鍛造成形所需的溫度。5)除特殊鍛件需專用模具外，模具應(yīng)設(shè)計為通用型。6)應(yīng)合理選用模具各部分所用的材料，以保證模具零件在不同溫度下有可靠的使用性能。7)等溫鍛造模具溫度高，為防止熱量散失和

13、過多地傳導(dǎo)給設(shè)備，應(yīng)在模座和底板之間設(shè)置絕熱層，上下底板還應(yīng)開水槽通水冷卻；同時還應(yīng)注意電絕緣，以保證設(shè)備正常工作和生產(chǎn)人員安全。8)應(yīng)考慮導(dǎo)向和定位問題。12.5輥鍛12.5.1輥鍛的原理12.5.2輥鍛的分類及特點12.5.3輥鍛的咬入條件及前滑12.5.4輥鍛工藝與模具設(shè)計12.5.1輥鍛的原理圖12-13輥鍛工藝原理圖12-14輥鍛變形過程12.5.2輥鍛的分類及特點1)產(chǎn)品精度高，表面粗糙度值小。2)鍛件質(zhì)量好，具有好的金屬流線。3)材料利用率高，多型槽輥鍛成形毛坯的金屬消耗量比錘上多型槽模鍛降低6%10%。4)鍛輥連續(xù)轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)效率高。5)模具壽命長。6)所需設(shè)備噸位小。7)工藝過

14、程簡單，無沖擊、振動等，勞動條件好，易于實現(xiàn)自動化。12.5.3輥鍛的咬入條件及前滑1.金屬咬入條件2.前滑1.金屬咬入條件式中，是摩擦系數(shù)；是咬入角，即金屬開始咬入時的角度，端部自然咬入時，不超過25，而中間咬入時，可以增至3237。2.前滑圖12-15開始咬入時的作用力圖解圖12-16輥鍛時的前滑和后滑12.5.4輥鍛工藝與模具設(shè)計1.型槽分類2.上壓力與下壓力3.輥鍛中心線4.制坯輥鍛1.型槽分類輥鍛型槽分為開式和閉式兩種，如圖12-17所示。開式型槽中，毛坯易于展寬，型槽淺利于輥鍛，但不易獲得幾何形狀較精確的鍛件。閉式型槽的特點與之相反。3.輥鍛中心線圖12-17輥鍛型槽圖12-18上

15、、下輥徑不同的輥鍛圖12-19鍛輥中心線圖12-20型槽中性線4.制坯輥鍛圖12-21橢圓-方型槽系1毛坯2型槽圖12-22橢圓-圓型槽系圖12-23毛坯截面的軸長比12.6楔橫軋12.6.1楔橫軋的原理及特點12.6.2楔橫軋的分類及應(yīng)用12.6.3楔形模的參數(shù)及設(shè)計12.6.1楔橫軋的原理及特點與鍛造工藝相比，具有如下顯著優(yōu)點：1)工作載荷小。2)設(shè)備質(zhì)量輕。3)生產(chǎn)率高。4)產(chǎn)品精度高。5)工作環(huán)境好。6)易于實現(xiàn)機械化、自動化生產(chǎn)等。圖12-24楔橫軋的原理圖1帶楔形模具的軋輥2軋件3導(dǎo)板12.6.2楔橫軋的分類及應(yīng)用1)模具加工、檢驗與調(diào)整簡單。2)模具速度恒定不變，速度差小，因此變

16、形穩(wěn)定，有利于防止產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，并可提高模具壽命。3)毛坯的位置穩(wěn)定，不需側(cè)向支承導(dǎo)向尺，從而簡化了機器的結(jié)構(gòu)。圖12-25平面楔形模橫軋工藝原理圖12-26平面楔形模圖12-27楔形模型槽的斷面圖a)開式b)閉式圖12-28外回轉(zhuǎn)楔形模橫軋圖12-29內(nèi)回轉(zhuǎn)楔形模橫扎圖12-30雙頭套式螺母扳手圖12-31球頭銷平面楔形模橫軋工藝12.6.3楔形模的參數(shù)及設(shè)計1)模具設(shè)計成組裝式的，各組件可以單獨更換。2)為了保證型槽間正確地對準(zhǔn)，組裝模應(yīng)可橫向移動。3)模具各組件的大小要合適，尺寸過大不利于進行熱處理，尺寸過小不利于熱交換，工作時易使模具溫度升高，壽命降低。4)根據(jù)工藝上的要求，如橫軋非對

17、稱的工件有不同的楔角，則傾角也設(shè)計成不同的角度，以改善工件的表面粗糙度。5)模具上不希望有銳邊，如果工件的形狀允許，其圓角半徑應(yīng)大于1mm。圖12-32楔形模的結(jié)構(gòu)及受力分布圖12-33楔形軋制示意圖12.7粉末鍛造12.7.1粉末鍛造的特點、分類及應(yīng)用12.7.2金屬粉末的選用12.7.3預(yù)成形坯的制備12.7.4預(yù)成形坯的鍛造圖12-34粉末鍛造工藝過程12.7.1粉末鍛造的特點、分類及應(yīng)用1)材料利用率高。2)鍛件尺寸精度高，容易獲得形狀復(fù)雜的鍛件。3)鍛件力學(xué)性能高。4)模具壽命高。5)鍛件成本低，生產(chǎn)率高，容易實現(xiàn)自動化。6)由于金屬粉末合金化容易，因此有可能根據(jù)產(chǎn)品的服役條件和性能

18、要求，設(shè)計和制備原材料，從而改變傳統(tǒng)的鍛壓加工都是“來料加工”模式，有利于實現(xiàn)產(chǎn)品-工藝-材料的一體化。12.7.2金屬粉末的選用1.粉末的類型及純度2.粉末的合金化3.粉末的粒度12.7.3預(yù)成形坯的制備1.預(yù)成形坯的設(shè)計2.預(yù)成形坯的壓制3.預(yù)成形坯的燒結(jié)12.7.4預(yù)成形坯的鍛造(1)熱復(fù)壓法它類似于粉末體的壓制成形。(2)無飛邊閉式鍛造預(yù)成形坯一般設(shè)計得較為簡單，但重量公差同樣要求嚴(yán)格。(3)開式小飛邊鍛造預(yù)成形坯不像前兩種方法那樣嚴(yán)格，重量的波動可通過飛邊調(diào)節(jié)，鍛造成形時塑性變形量較大，如圖12-35c所示。圖12-35預(yù)成形坯鍛造成形方法a)熱復(fù)壓法(d/=1)b)無飛邊閉式鍛造(d/1)c)開式小飛邊鍛造(d/1)12.8半固態(tài)金屬成形12.8.1半固態(tài)金屬成形的特點12.8.2半固態(tài)金屬坯料的制備12.8.3半固態(tài)金屬成形的分類12.8.4半固態(tài)金屬觸變鍛造圖12-36A356半固態(tài)金屬坯料顯微組織12.8.