115? 第七章 模锻工艺 第一节 概论模锻时工件是整体变形,受设备能力限制,一般仅用于锻造 450kg 以下的中小型锻件. 按锻压设备不同类型,模锻工艺可分为锤上模锻、曲柄压力机模锻、平锻机模锻、螺旋压力机模 锻、水压机模锻、高速锤模锻及其它专用设备模锻.实质是是通过塑性变形迫使坯料在锻模型槽内成 形. 第二节 成形工序 锻造工艺流程的组成工序可以分为以下几类: 1.备料工序——将型材切割成变形工序要求的规格尺寸 2.加热工序——加热坯料. 3.变形工序——即锻造工序,可以分为制坯工序(步)和模锻工序(步).制坯的方法比较多. 模锻工序(步)只分为预锻和终锻..工序(步)数目取决于锻件的复杂程度,但终锻工序(步)是 必不可少的. 4.锻后工序——补充完成模锻工序不足,使锻件最后能完全符合锻件图及其技术条件的要求.这 类工序包括:切边、冲孔、弯曲、扭转、热处理、校正、表面清理、磨残余毛刺、精压等. 5.检验工序——分为工序间检验和最终检验.检验项目包括:几何形状尺寸、表面质量、金属组 织和力学性能等,具体的检验项目要根据锻件的要求确定. 第三节 模锻件图设计 锻件图是根据产品零件图设计的,它可分为冷锻件图和热锻件图.冷锻件图用于最终锻件检验, 也是机械加工部门制订加工工艺、设计加工夹具的依据.热锻件图是根据冷锻件图设计的,用于锻模 的设计和制造. 锻件图设计主要包括以下内容: 1)选择分模面的位置和形状; 2)确定机械加工余量、余块和锻件公差; 3)确定模锻斜度; 4)确定圆角半径; 5)确定冲孔连皮的形式和尺寸; 6)制定锻件技术条件; 7)绘制锻件图. 一、锤上模锻锻件图设计 1.分模面 分模面表现在锻件分模位置上是一条封闭的锻件外轮廓线.选择分模位置的最基本原则是,保证 116? 锻件容易从锻模模膛中取出,锻件形状尽可能与零件形状相同.此外,应争取获得锻模充填成形的良 好效果.如图 7-1 所示的连杆锻件,分模位置应选在 A—A 线上,而不应是 B—B 线或 C—C 线. 确定开式模锻的分模位置时,还应满足下列要求: 1)为了便于发现上、下模在模锻过程中的错移,分模位置应选在锻件侧面的中部,如图 7-2 所示,齿轮类锻件分模位置选在 A—A 线是正确的. 图7-1 连杆锻件分模位置 图7-2 齿轮锻件分模位置 2)为了使锻模结构简单,并防止上、下模错移,分模位置应尽可能用直线式,如图 7-3 中采用图 a 所示分模位置是合理的. 3)头部尺寸较大的长轴类锻件,不宜用直线式分模,如图 7-4 所示.为使锻件较深尖角处能充 满,应用折线式分模,使上、下模的模膛深度大致相等. 图7-3 锻件分模位置 图7-4 锻件分模位置 a)合理 b)不合理 a)合理 b)不合理 4)为了便于锻模、切边模加工制造和减少金属损耗,当圆饼类锻件的 H2.5h 或d>60mm 时采用.对于较大的孔,斜底连皮的特点 是,由于增加了连皮周边的厚度,既有助于排除多余金属,又可避免形成折迭.但斜底连皮在被切除 时容易引起锻件变形.斜底连皮主要尺寸为:? s? s? s? s? 65? .? 0? 35? .? 1? 2? 1 = =? 25? .? 0? (? 1 =? d? ~? d? )? 3? .? 0? 式中 s——按平底连皮计算的厚度(mm).? 1? d? ——考虑坯料在模膛中定位所需平台直径(mm). 图7-18 斜底连皮 图7-19 带仓连皮 121? 3)带仓连皮(图7-19) 比较大的孔预锻模膛中采用斜底连皮,而在终锻模膛中采用带仓连皮. 终锻成形时,内孔中多余的金属不是全部向外排出,而是挤入连皮仓部,这样可避免折迭产生. 带仓连皮的厚度 s 和宽度 b,按飞边槽桥口高度 h 和桥口宽度 b 确定.仓部体积应足够容纳预锻 后斜底连皮上多余的金属. 4)拱底连皮(图7-20) 锻件内孔大(d>15h),且高度又较小时,,应采用拱底连皮.拱底连皮可 避免在连皮周边产生折迭或穿筋裂纹;可以容纳更多的金属;且冲切时比较省力.其尺寸可按下式确 定:? d? s? 4? .? 0 =? h? R? 5? 2 =? 1? R?由作图决定 图7-20 拱底连皮 为了节约金属,在生产中可把连皮用来生产其它小锻件,或者同时模锻出两种锻件,常称为合锻 或复合模锻. 对于直径小于 25mm 的小孔一般不在锻件上锻出,采用压凹的形式以利小头成形. 6.锻件图和锻件技术条件 锻件图(冷锻件图)是在零件图的基础上,加上机械加工余量、余块或其它特殊留量后绘制的图 形.图中锻件外形用粗实线表示,零件外形用双点划线表示,以便区别各处的加工余量是否满足要 求.锻件的公称尺寸与公差标注在尺寸线的上面,而零件的尺寸标注在尺寸线下面的括号内.图7-21 给出了齿轮和立柱的锻件图实例.齿轮锻件图为示意图,未详细注明尺寸公差,立柱锻件图是生产用 图. 锻件图中无法表示的锻件质量和检验要求的内容,均应列入技术条件中加以说明. 一般锻件技术条件包括以下内容: 1)未注明的模锻斜度和圆角半径; 2)允许错移量和残余飞边的宽度; 3)允许的表面缺陷深度; 4)锻后热处理方法及硬度要求; 5)表面清理方法: 6)需要取样进行金相组织和力学性能试验时,应注明在锻件上的取样位置; 7)其他特殊要求,如直线度、平面度等. 122? 图7-21 锻件图 a)齿轮 b)立柱 二、热模锻压力机上模锻件图设计要点 根据热模锻压力机设备特点,其锻件图设计有以下特点. 1.由于热模锻压力机有顶出装置,使锻件可能顺利地从较深的模膛内取出,因此可按成形要求较 灵活地选择分模面.例如图 7-22 所示带有粗大头部的杆形锻件,在锤上模锻时应以 A—A 为分模面, 但头部沿轴向的内孔无法锻出,且飞边体积较多,金属浪费大.若在压力机上模锻,因模锻后可用顶 杆将锻件顶出,则可选取 B—B 为分模面. 2.热模锻压力机上模锻不用顶杆时,模锻件斜度与锤上模锻相同.若采用顶杆顶出锻件,则模锻 斜度一般比锤上模锻件小一级.外斜度为 3?~7?,一般常用 5?;内斜度为 7?~10?. 图7-22 杆形锻件的两种分模方法 123? 第四节 坯料尺寸的确定 一、长轴类锻件 长轴类锻件的坯料尺寸的确定应以计算毛坯图为依据,并考虑到不同制坯的需要,计算出各种模 锻方法所需的坯料截面积,然后再选取标准规格钢材,并确定坯料长度. 1.坯料截面积 1)不用制坯工步? 02? .? 1? ( 坯=? S? ~ 均)S? 05? .? 1? 2)用卡压或成形制坯? 05? .? 1? ( 坯=? S? ~ 均)S? 3? .? 1? 3)用滚压制坯? 05? .? 1? ( 滚坯==?S? S? ~ 均)S? 2? .? 1? 以上各式中 坯? S? ——坯料截面积; 均? S? ——计算毛坯图的平均截面积. 锻件只有一头一杆时,应选用上限大系数.锻件为两头一杆时,应选用下限小系数. 4)用拔长制坯 头头拔坯? L? V? S? S = = 式中 头? V? ——包括氧化皮在内的锻件头部体积; 头? L? ——锻件头部长度. 5)用拔长和滚压制坯 ( ) 滚拔拔坯? S? S? K? S? S - - = 确定原坯料截面积时要考虑滚压的作用,适当减少坯料的截面积.减少部分为 ( ) 滚拔? S? S? K - .计 算时,先分别求 拔? S? 和滚? S? ,然后计算 坯? S? . K?是计算毛坯直径图上杆部的锥度.求滚? S? 时,应取系数 等于 1.2. 6)用辊锻制坯 辊锻制坯时,坯料只能拔长,不能聚料,坯料尺寸按计算毛坯最大截面确定,即? MAX? S? S? 计坯=根据以上各式计算的坯料截面积,确定圆坯料的直径 坯? D? 或方坯料的边长 坯? A? : 坯坯? S? D? 13? .? 1 = 124? 坯坯? S? A = 按国家标准(GB702—72)选取标准所规定的圆钢或方钢. 2.坯料长度 坯料体积 坯? V? 按下式计算 ( )( )? %? 1 d + + + = 连飞件坯? V? V? V? V? 式中 件? V? ——锻件体积,包括锻件正公差之一半; 飞? V? ——飞边体积; 连? V? ——连皮体积; d ——烧损率,按表 7—2 确定,因此,坯料长度量 坯? L? 为钳坯坯坯? L? S? V? L + ? = 式中 坯? V? ——坯料体积; 坯? S? ——钢材截面积; 钳? L? ——钳夹头长度. 二、短轴类锻件 短轴类锻件坯料体积按前述方法计算.此类锻件常用镦粗制坯,坯料尺寸应以镦粗变形为依据进 行计算.坯料长度 坯? L? 与直径 坯? D? (或方形坯料边长 坯? a? )之比值 m 等于 1.8~2.2.由此坯料直径 坯? D? 或边长 坯? a? 可在下式范围内选择:? 8? .? 0? ( 坯=? D? ~? 3? 9? .? 0? 坯)V? 77? .? 0? a? ( 坯=~? 3? 82? .? 0? 坯)V? 计算出 坯? D? 或坯? a? 后,再按国家标准规格选用坯料 坯? D? 或坯? a? ,然后再按下式确定坯料的长度 坯? L? :? 2? 27? .? 1? 坯坯坯坯坯? D? V? S? V? L ? = ? = (圆形截面坯料) 125? 2? a?坯坯坯?=? V? L? (方形截面坯料) 第五节 设备吨位的确定 1. 模锻锤 根据锻件在分模面上的投影面积和锻件材料特点来计算. 双作用模锻锤? 35? .? 0? ( =? G? ~? KS? )? 63? .? 0? 单作用模锻锤? 5? .? 1? (? 1 =? G? ~? G? )? 8? .? 1? 无砧座锤? G? G? 2? 2 = 式中 G——锻锤吨位(N); K——材料钢种系数,可在 0.9~1.55 范围内查手册确定,高强度钢材选用上限大系数; S——锻件和飞边(按飞边仓的 50%计算)在水平面上的投影面积(mm 2 ). 双作用模锻锤吨位计算式中的系数 0.35 用于生产率不高或锻件形状简单的锻件;而系数 0.63 则 用于要求高,生产率或锻件形状复杂的锻件;一般情况下可取中间值. 例 某锻件材料为 35 钢,其水平投影面积为 16200mm 2 ,锻件长度为 20lmm,求所需双作用模锻锤 的吨位. 解 根据锻件投影面积计算换算直径和平均宽度为? mm? 144? 16200? 13? .? 1 = = 件? D? mm? 80? 201? 16200 = = 均? B? 若用经验公式? KS? G? 63? .? 0 = 计算,取K=l,则? 29560? )? 2? 25? 144? (? 4? 2 = ? + = p? G? mm 2? 18623? 29560? 63? .? 0 = ? =? G? N 若用? KS? G? 35? .? 0 = 计算,则? 10346? 29560? 35? .? 0 = ? =? G? N 计算表明,选用 1t 或2t 模锻锤均可.实际上 lt 模锻锤与 2t 模银锤的燕尾槽尺寸是相同的,可 互换使用. 事实上上述计算公式不能完全反映锻件的实际需要,可能偏大或偏小,但只要在一定范围内不致 于影响锻件成形即可. 126? 二、热模锻压力机吨位的确定 热模锻压力机吨位用公称压力表示,其吨位应根据锻件终锻时的最大变形力确定.当锻件变形力 超过公称压力时,常会发生闷车,引起设备事故,所选用的设备吨位应稍大于锻件的最大变形力. 经验公式 F=(6.4~7.3)KS 式中 F——模锻力(kN); K——钢种系数,一般取 0.9~1.25,高强度钢材选用大系数; S——包括飞边桥部在内的锻件在平面图上的投影面积(mm 2 ). 第六节 模锻工艺过程的制定和模锻工艺方案选择 一、模锻工艺过程的制定 模锻工艺过程制定包括以下内容: 1.根据产品零件的形状、尺寸、技术要求和生产批量,结合具体生产条件,合理地选择模锻工艺 方案. 2. 设计锻件图 1)确定所需的工序 2)确定模锻工艺流程并填写模锻工艺卡片. 二、模锻工艺方案选择 1.模锻工艺的选择 同一锻件可以在不同设备上采用不同的工艺制造.不同的工艺方案所用的工艺装备(设备和模具等) 不同,其经济效果也不同.当生产批量较大时,可采用模锻锤或热模锻压力机;若批量不太大时,可 采用螺旋压力机或在自由锻锤上胎模锻及固定模模锻. 2.模锻方法的选择 模锻方法即在某种设备上锻件生产可采用的不同方法,如单件模锻、调头模锻、一火多件、一模 多件、合锻等.合理选择模锻方法可以提高模锻生产率,简化模锻工步和降低材料消耗. 1)单件模锻,通常一个坯料只锻一个锻件,尤其是较大的锻件都采用单件模锻. 2)调头模锻 毛坯下料长度可供锻两个锻件,坯料整体加热,在第一个锻件锻完后,调转 180?, 用钳子夹住锻件,余下的坯料锻另一个锻件. 图7-28 调头模锻 3)一火多件 用一根加热好的捧料连续锻几个锻件,每锻完一个锻件从棒料上分离下来,再锻另 一个锻件.一火多件是平锻机上模锻常用的锻造方法,带杆锻件采用切断或空心锻件采用穿孔的方法 127? 使锻件分离.锤上一火多件模锻法利用切断模膛将锻件切下. 锤上模锻适于单件重量小于 2.5 kg 的小锻件.连续锻打的锻件数为 4~6 件.件数太多时棒料过 长操作不便,而且由于最后锻造的温度过低,影响锻模寿命和锻件质量. 4)一模多件 在同一锻模内一次模锻数个锻件,适用于重量在 0.5 kg 以下、长度不超过 80mm 的 小型锻件. 同时模锻的件数一般为 2~3 件(图7-29).一模多件有时结合采用一火多件,这时一根棒料所能 锻造出的锻件为 4~10 件.一模多件可以大大提高生产率,但对几个终锻模膛之间的位置精度应有更 加严格的要求. 图7-29 一模多件模锻 5)合锻 将两个不同的锻件组合在一起同时锻出,然后再行分开的锻造方法称为合锻.合锻可以 使锻件易成形,节省金属,减少模具品种,提高生产效率. 图7-31 是连杆和连杆盖、曲轴左拐和右拐合锻的例子.图7-32 是两种大小不同的圆形锻件组合 一起锻造的实例.大锻件的内孔连皮用来生产小锻件,这样可节省金属,同时模锻出两个锻件,提高 了生产率.此种方法也可称为套锻. 图7-31 锻件的合锻(1) 图7-32 锻件的合锻(2) 128? 复习思考题? 1.什么叫锻造?锻造有哪些工序和工步?? 2.冷锻件图和热锻件图有何差别?? 3.如何确定锻件的分模面?? 4.什么是余块、余量和公差? 5.坯料尺寸如何计算?? 6.如何确定锻造设备的吨位?? 7.如何制订模锻工艺流程?? 8.不同方法模锻方法是如何提高模锻生产率、简化模锻工步或降低材料消耗的?