锻造新工艺

10.1等温锻造（Isothermal forging）10.2粉末锻造（Powder forging）10.3精密模锻(Precision forging)10.4半固态模锻(Semi-solid forging)10.5超塑性锻造(Superplastic forging)10.6连铸连锻(Continuous casting and forging)10.7液态模锻(Liquid die forging)10.8辊锻（Roller forging）10.9 环轧（Ring rolling）10.10摆动辗压(Swing rolling)10.11横轧与斜轧（Cross rolling and skew rolling）10.12 径向锻造（Radial forging）第10 章锻造新工艺我们知道，金属加工的最终目的是提供零件，这些件来自于铸造（液态金属凝固）、粉末冶金（金属粉末压实）、（固体金属的）成形和（切除金属的）切削。

锻造实际是固体金属成形的一种金属加工方法。

锻造与其它方法结合便涌现出一系列新的方法，即锻造新工艺。

因此，锻造新工艺是在相关理论和工艺的基础上发展而来的。

有的工艺目前处于应用研究阶段，有的处于探索阶段。

本章介绍一些新工艺的概念、原理及工艺参数等。

10.1等温锻造（Isothermal forging）顾名思义，等温锻造为恒定温度下的锻造，而常规锻造为一定温度区间（始锻温度-终锻温度）内的锻造。

前者具有明显的优点，由于等温锻造，必然组织均匀，制品性能均匀。

10.2粉末锻造（Powder forging）与铸造相比，粉末锻造之前的铸造过程被粉末处理过程所替代，因此粉末锻造的工艺发生了变化。

粉末热锻的工艺流程为：粉末原料→预成形坯→烧结→加热→锻造。

由于粉末锻造是在普通粉末冶金和精密模锻工艺基础上发展而来的，因此它具有如下特点：1）粉末预成形坯通过加热锻造的途径，提高了制品的密度，因此使制品的性能接近甚至超过同类熔铸制品的水平；2）保持了粉末冶金工艺制造坯料的特点，因为粉末预成形坯含有80%左右的孔隙，其锻造应力比普通熔铸材料要低很多；3）材料的利用率达80%以上；4）制品的精度高、组织结构均匀、无成分偏析；5）能够锻造难于锻造的金属或合金和各种复杂形状的制品，例如难变形的高温铸造合金。

10.3精密模锻（精锻）(Precision forging)精锻的方法有三种：高温精锻（热精锻）、中温精锻（温精锻）和室温精锻（冷精锻）。

高温精锻时坯料在控制气氛中加热，以防止坯料产生氧化和脱碳。

通常采用的是少氧化火焰加热炉，炉温1200℃时，CO2/CO≤0.3，H2O/ H2≤0.8，便可以实现少氧化加热，此时的空气过剩系数控制在0.5左右。

中温精锻是在尚未产生强烈氧化的温度范围内加热坯料并完成精锻的一种加工方法。

例如，45号钢的抗拉强度到600℃时为室温时的一半。

600℃以上的抗拉强度较低，碳钢在600-850℃范围内无强烈的氧化现象，因此此种条件下锻造可使锻件达到较高的精度和较低的表面粗糙度。

室温精锻取消了毛坯锻前加热，不存在坯料氧化问题。

但是为了顺利进行冷精锻，常须进行润滑处理改善表面的状态。

10.4半固态模锻(Semi-solid die forging)半固态模锻是将半固态坯料加热至半固态温度后，迅速转移至金属模膛中，在机械静压力作用下，使处于半熔融态的金属产生粘性流动、凝固和塑性变形复合，从而获取毛坯或零件的一种锻造新工艺。

10.5超塑性锻造(Superplastic forging)超塑性锻造指在利用材料的超塑性性能进行的锻造。

超塑性指材料在一定的组织和热力学条件（温度、应变速率、应变）下获得大于100%拉断延伸率的一种成形方式。

不同的材料在不同的条件下可以展现超塑性。

经典超塑性材料要求组织为细晶、热稳定、应力小、应变速率低、应变速率敏感性为0.5左右。

近年来出现了金属间化合物、陶瓷、复合材料的超塑性，发展和丰富了经典超塑性的内容，出现了溶质拖曳蠕变较高的延伸率和高应变速率超塑性。

普通锻造是热成形过程，应变速率比较高。

为了获得较好的塑性，需要在高温低应变速率下进行锻造。

一些先进材料超塑性成形的条件如表1所示表1一些先进材料超塑性成形的条件材料晶粒尺寸温度应变速率m值延伸率µm K 1/s %Ti-25Al-10Mo-3V-1Mo 1223 8×10-50.5-0.6 887Fe3(Al,Si) 100 1123 10-4100Ni3Al 10 1373 10-3541TiAl 60 1373 10-30.2-0.3 >100Ni3Si 15 1353 10-30.5 650 SiCw/2124 20%vol 748-823 3×10-30.33 300SiCp/2024 15%vol 753 4×10-40.4 34910.6连铸连锻(Continuous casting and forging)它是先铸造后立即锻造的铸锻联合的先进工艺。

实质是铸造与锻造的结合。

这一点和连铸连轧、连续铸轧、连续铸挤发生联系，都属于冶金短流程的工艺。

短流程的工艺带来能耗的降低、流线缩短、占地面积减少。

进一步的情况请见所附文献或相关杂志。

10.7液态模锻(Liquid die forging)液态模锻工艺集热模锻和全液态压铸优点于一身。

该工艺将熔融金属液注入开式模膛内,然后合模实现充填成形,在压力作用下凝固并有少量塑性变形。

该工艺可获得力学性能接近锻件的制件,可在一个工步内完成较复杂制件的成形。

铝合金液态模锻是液态模锻工艺中发展最成熟、应用最广泛的工艺,其典型产品为汽车活塞。

10.8辊锻(Roller forging)辊锻是使毛坯在装有扇形模块的一对旋转的轧辊中通过，借助模槽产生塑性变形，从而获得所需要的锻件或锻坯，如图1所示。

辊锻工艺分类及其应用范围如表2所示。

图1 辊锻示意图1-轧辊2-扇形模块3-锻件表2 辊锻工艺分类及其应用范围分类变形过程特点应用制坯辊锻单型槽辊锻在开式型槽内一次或多次辊锻，或用闭式型槽一次辊锻用于毛坯端部拔长或用于模锻前的制坯工序，例如搬手的杆部延伸多型槽辊锻在几个开式型槽中连续辊锻，或在闭式与开式的组合型槽中辊锻主要用于模锻前的制坯工序，例如汽车连杆的制坯辊锻成形辊锻完全成形辊锻在辊锻机上完成锻件的全部成形过程。

可在开式型槽、闭式型槽或开式闭式型槽中辊锻适用于小型锻件及叶片类锻件的直接辊锻成形，例如各类叶片的冷、热精密辊锻和医疗器械的冷辊锻预成形辊锻锻件在辊锻机上基本成形，即完成相当于模锻工艺的预锻或超过预锻的成形程度。

在辊锻后需要其他设备进行最终整形适用于辊制截面差较大、形状较为复杂的锻件，例如内燃机连杆、拖拉机履带节的预成形部分成形辊锻锻件的一部分形状在辊锻机上成形，而另外部分采用模锻或其他工艺成形适用于辊制具有长杆类或板片类锻件。

例如锄头、梨刀、汽车变速器操纵杆、剪刀股等辊锻工艺是轧制、模锻两种工艺的结合，它集中了这两种工艺的优点，所以辊锻工艺具有如下的特点：（1）产品精度高，表面粗糙度小。

（2）锻件质量高，具有良好的金属流线。

（3）生产效率高。

这是由于辊锻过程中锻辊是连续转动的，间隙时间短。

（4）模具寿命长。

（5）所需设备吨位小。

（6）工艺过程简单，易于实现机械化自动化，而且劳动条件好。

10．9环轧(Ring rolling)10．9．1环轧原理环形件辗轧简称环轧，有称为环形件扩孔。

其原理如图2所示。

辗压轮1与芯轴辊2旋转中心轴平行，辗环时，电动机通过减速箱驱动辗压轮旋转，辗压轮通过它与环形坯件之间的摩擦力曳入毛坯并连续地施压，环形坯与芯辊之间的摩擦力带动芯辊转动，同时辗压轮与芯辊之间的中心距逐渐缩小，直至变形结束。

经辗环变形的工件，截面积和径向厚度都减小，环形件外径和孔径都相应地增加。

因此，环轧主要是径向压缩切向延伸的锻造过程。

图2 环轧原理图10．9．2环形件的分类根据环壁截面形状，环形件可分为矩形、锥形、十字形、沟槽形和法兰形等五类，如图3所示。

按直径尺寸分为：超小型（φ50mm以下）、小型（φ50~200mm）、中型（φ200~500mm）、大型（φ500~1500mm）和超大型（φ1500mm以上）。

图3 环形锻件分类（a）矩形（b）锥形（c）十字形（d）沟槽形(e)法兰形10．9．3环轧工艺特征环形件辗轧工艺，按其受压变形方向不同可分为径向辗轧和径向-轴向辗轧两类。

径向辗轧在辗轧过程中，环壁径向受压缩，金属沿切线方向延伸。

而轴向即使不受轧辊限制，环壁的宽展量仍然很小。

径向辗轧工艺主要适用于矩形截面、沟槽形截面、十字形截面类环件，这种工艺所用的设备简单，如图4所示。

径向-轴向辗轧这是在径向辗轧的基础上，加端面轧辊，使其产生轴向变形的环轧工艺。

这种工艺主要适用于壁厚较大或截面较复杂的环件，见图5 。

图4径向辗轧示意图图5径向-轴向辗轧1-芯辊2-主轧辊3-锻件1-芯辊2-主轧辊3-锻件4-端面轧辊10．9．4环轧工艺的特点（1）可轧制接近零件外廓形状的锻件。

（2）环壁切向的机械性能好。

因为变形均匀，金属流线沿圆周方向分布。

（3）生产效率高，环轧工艺生产率比自由锻高10~20倍。

（4）环形件尺寸几乎不受限制，直径为25~6000mm，重量为0.4kg~(6~8)t的环形件，均可用环轧工艺制造。

（5）设备简单、造价低，对厂房要求不高，劳动条件较好。

10．10摆动辗压(Swing rolling)摆动辗压属于热锻与锻造工艺结合的新工艺。

属于摆动式精密锻造技术。

该工艺节省时间、费用低、制品质量高。

10．10．1摆动辗压基本原理摆动辗压（简称摆辗）是指上模的轴线与被辗压工件（放在下模）的轴线（称主轴线）倾斜一个小角度，模具一面绕主轴旋转，一面对坯料连续进行压缩，这种连续累计的成形方法称为摆动辗压。

它具有省力、无冲击振动、无噪声、劳动条件好、工件精度高、设备制造费用低等优点，已在世界各国工业生产中得到广泛的应用。

锻造所需要的变形力的大小是由模具与工件接触区域内的平均单位压力及接触投影面积之积来确定的。

因此减小变形力的一个途径就是减少模具与工件间的接触面积，经若干次的局部连续成形而达到整体成形，摆辗就是基于这种思想产生的，其成形原理如图6所示。

图6工作原理示意图1-上模2-毛坯3-滑块4-液压缸10．10．2摆辗特点（1）辗压力小。

加工相同的零件，仅为普通锻造方法的1/20~1/5，所以小功率的摆动辗压机可加工较大的锻件。

（2）产品尺寸精度高，质量好，不易开裂。

这是压缩变形特点决定的。

（3）适合于加工薄盘类零件成形。

但摆动辗压使用上有其局限性。

以往生产薄盘类零件，用普通锻压方法加工时，因摩擦力的影响，则所需要的压力可能超过模具材料的强度极限，而造成无法继续加工。