第三章塑性成形

胎模结构可分为以下几类，如图3.12所示。
1）扣模，生产长杆非回转体锻件，扣形翻转90°，用 于平整侧面；
3）套筒模，用于镦粗锻件，可用来锻造齿轮、法兰盘 等回转体类零件；有整体模、镶块模等。 4）合模，用于锻造比较复杂的锻件。
4.精密模锻 精密模锻是在普通锻压设备上，安装具有模腔形状复 杂（近于产品零件形状）、尺寸精度高的锻模，直接锻造 出所要求的产品零件，如图所示的差速器行星锥齿轮。精 密模锻与一般模型锻造相比，其特点是： 1）锻件公差小，表面质量高； 2）锻件内部形成按轮廓分布的封闭纤维组织，力学性能好。 3）其缺点是模具制造复杂，对坯料尺寸和加热质量要求较 高，仅适于大批量生产。 工艺要点： 1）选择合理的成形工艺与制造精密锻造所用模具； 2）选好坯料和加热方法。
（4）精密冲裁。用压边圈使板料冲裁区处于静压作用下， 抑制剪裂纹的发生，实现塑性变形分离的冲裁方法，如图 3.17所示。目前已大规模采用。
3.1.3 板料冲压
板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压， 使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。 板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。 板料冲压的特点： 1）在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低 的变形抗力。 2）金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结 构轻巧，强度和刚度较高。
1. 自由锻设备 自由锻设备常用的有锻锤和压力机。
1）空气锤：它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能 量小，适用于小型锻件；其结构与原理如图所示。
2）蒸汽—空气锤：利用蒸汽或压缩空气作为动力，构造 及工作原理如图所示，适用于中小型锻件。 3）水压机：以压力代替锤锻时的冲击力，适用于锻造大 型锻件；其工作过程包括空程、工作行程、回程、悬空。 其原理和结构如图所示。
4）冲裁力计算。冲裁力是选用冲床吨位和检验模具强度 的主要依据，平刃冲模的冲裁力可用下式计算：
F KL 10
3
式中 F ——冲裁力，单位为kN；
0 ——板料剪切强度，单位为MPa；
K
——板料厚度，单位为mm；
L ——冲裁件周边长度，单位为mm；
——系数，与模具间隙、刃口、材料力学性能、 厚度等有关，常取1.3。
（1）制坯模膛。用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻 件的模膛。又可分为： 1）拔长模膛。减少坯料某部分横截面积，增加该部分长度， 如图3.5a所示。 2）滚压模膛。用来减小坯料某部的横截面积和增大另一部 分的横截面积，翻转操作使零件成形的模膛。如图3.5b所示。
3）弯曲模膛。使坯料弯曲的模膛，如图3.5-c所示。 4）切断模膛。如图3.5d所示。 （2）模锻模膛 1）预锻模膛。为改善金属流动条件，使锻件最终成形前 获得接近终锻形状的模膛。 2）终锻模膛。模锻时最后成形用模膛，需有飞边槽。 根据模锻件的复杂程度，可将锻模设计为单膛锻模和 多膛锻模，简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模；对弯 曲连杆可设计为多膛锻模，如图3.6所示。
3）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、 加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。
4）振动和噪声较小，劳动条件改善。
缺点： 1）设备费用高，模具结构复杂，仅在大型工厂采用； 2）滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此不能进行 拔长、滚压等制坯。 3）由于滑块行程一定，坯料一次成形， 其 表 面 形 成 的 氧 化皮不易去除，而被压入锻件表面，影响锻件质量。 4）由于一次成形，金属变形量过大，不易使金属填满模膛， 所以变形应分步进行，可分为预锻和终锻，如图3-8。
按使用设备不同，模锻可分为：锤上模锻、胎模锻、曲 柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻等。
1. 锤上模锻
锤上模锻即在模锻锤上的模锻。模锻锤的构造及锻模结 构 如 图 3.3 、 3.4 所 示 ， 由 带 有 燕 尾 的 上 模 和 下 模 组 成 。 模膛根据其功能不同可分为制坯模膛和模锻模膛两大类：
2）凸凹模间隙。间隙对冲裁件质量、冲裁力大小和模具 寿命影响很大。间隙合适，上下裂纹重合，断口表面平整， 毛刺小，冲裁力小。间隙太小，上下裂纹不重合，断口中 部出现撕裂，毛刺也会增大，还会加速模具模损，冲裁质 量很快恶化；间隙太大，材料的拉伸变形增大，塌角、毛 刺、剪裂带均增大，冲裁质量恶化。 模具间隙一般为板料厚度的5%～10%。 3）凹凸模刃口尺寸的确定。冲裁后，冲下件的尺寸和余 料的相应尺寸是不同的，二者相差数值为模具间隙的两倍。 故在设计冲孔模具时，应使凸模刃口尺寸等于孔的尺寸， 凹模刃口尺寸为孔的尺寸加两倍间隙值；落料模具时，凹 模刃口尺寸为成品尺寸，凸模刃口尺寸为成品尺寸减去相 应间隙值。
3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需 机械加工即可作零件使用。
4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自 动化。
5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。
6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适 用于大批量生产。 冲压工艺广泛应用于汽车、飞机、农业机械、仪表电 器、轻工和日用品等工业部门。
4）生产现场劳动条件较差。
3.1 塑性成形方法及其应用
常用塑性成形加工方法有：1）自由锻造；2）模型锻 造；3）挤压；4）拉拔；5）轧锻；6）板料冲压。如图 所示。 塑性成形主要用于主轴、曲轴、连杆、齿轮、叶轮、 炮筒、枪管、吊钩、飞机和汽车零件等力学性能要求高 的重要零部件。
3.1.1自由锻
自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁之间， 施加冲击力或压力，使之产生自由变形而获得所需形状的 成形方法。坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅助 工具接触的部分表ห้องสมุดไป่ตู้外，都是自由表面，变形不受限制， 锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具 通用性强。 自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产大型锻件 的唯一方法。
第3章
塑性成形
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
塑性成形方法及应用 锻造工艺设计 冲压工艺设计 锻压件的结构工艺性 塑性成形新发展
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塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形， 获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方 法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可 在冷态或热态下进行塑性成形加工。
4）生产率较高； 5）操作简单，易于实现机械化； 6）生产批量越大成本越低。
模锻的缺点：
1）模锻是整体成形，摩擦阻力大，故模锻所需设备吨位大， 设备费用高；
2）锻模加工工艺复杂，制造周期长，费用高。故只适用于 中小型锻件的成批或大批生产。如图3-2所示为典型模锻件。
模锻广泛应用于国防工业和机械制造业，按质量计算 模锻件在飞机上占85%，坦克占70%，汽车占80%，机 车占60%。
（3）摩擦压力机上模锻
摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形 能进行锻造的，属锻锤类锻压设备。其吨位一般为1000～ 3500KN，结构与传动原理如图3.10所示。 摩擦压力机上模锻的特点如下： 1）滑块运动速度低（仅为0.5～1.0m/s），可锻造低塑性合 金钢和有色金属； 2）承受偏心载荷能力差，仅适合单膛模锻（形状简单的锻 件）； 3）打击速度低，可采用组合模具，降低生产成本，缩短生 产周期；
1）冲裁过程分析。板料冲裁时有变形和分离两个过程；如 图所示，当凸模向下运动压住板料时，板料受到挤压，产 生弹性变形并进而产生塑性变形。当上下刃口附近材料内 的应力超过一定限度后，即开始出现裂纹，裂纹扩展，板 料切离。 冲裁区可分为塌角、光亮带、剪裂带和毛刺四部分， 如图3.15所示。光亮带具有最好的尺寸精度和光洁的表面。 其它三个区域降低冲裁件质量。这与凹凸模间隙、刃口锋 利程度、模具结构、材料的性质，板料厚度等有关。
（2） 平锻机上模锻 平锻机相当于卧式的热模锻压力机，它沿水平方向对坯 料施加锻造压力。其结构和原理如图3.9所示。 平锻机的吨位以凸模最大压力来表示，一般是500～ 31500KN，可锻造直径为25～230mm的棒料。 其特点是： 1）坯料都是棒料或管材，并且只进行局部（一端）加热和 局部变形加工，因此可锻造立式锻压设备上不能锻造的某 些长杆类锻件。 2）锻模可以有两个分模面，锻件出模方便，可以锻出在其 它设备上难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件。 3）需配备对棒料局部加热的专用加热炉。 4）是高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，但设 备结构复杂，价格贵，适用于大批量生产。
5）冲裁件的排样。排样指落料件在条料、带料或板料上 进行合理布置的方法。如图为四种不同排样方法消耗材 料的对比。排样可分为无搭边排样（图3-36d）和有搭边 排样（如图3-36a、b、c)。
（2）修整。利用修整模沿冲裁件的外缘或内孔，切去一 薄层金属，以除去塌角、剪裂带和毛刺，提高尺寸精度 和降低表面粗糙度。修整冲裁件的外形为外缘修整，修 整内孔为内缘修整。如图3.16所示。 （3）切断。指用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行 分离的工序。剪刃安装在剪床上，把大板料剪成条料或 平板零件。
2.压力机上模锻 （1）热模锻压力机上模锻 曲柄压力机的结构与传动原理如图3.7所示，吨位一般 为2000~12000kN；与锤上模锻比，具有下述特点： 优点： 1）锻造力是压力，坯料的变形速度较低，可锻造塑性较 低的合金； 2）锻造时滑块的行程不变，每个变形工步在一次行程中 即可完成，便于实现机械化和自动化，具有很高生产率；
4）滑块行程不固定，故工艺性广泛。
多用于锻造中小型锻件。
3. 胎模锻
胎模锻是在自由锻设备上使用简单的非固定模具 （胎模）生产模锻件的一种工艺方法。其特点是，与自 由锻相比，生产率和锻件精度较高，粗糙度低，节约金 属材料。与模锻相比，节约了设备投资，简化了模具制 造。但生产率和锻件质量比模锻低，劳动强度大，安全 性差，模具寿命低。胎模锻适用于小型锻件的中小批量 生产。
3.1.2 模锻
模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内，在锻压力 的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法。坯 料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获 得与模膛形状一致的锻件。 与自由锻相比，模锻的优点是：