《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第3章

第3章壓力加工成型技術(shù)3.1壓力加工成型方法

3.2金屬材料的塑性成型基礎(chǔ)

3.3鍛造3.4沖壓

壓力加工是在外力作用下，使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的一種加工方法。壓力加工主要依靠金屬的塑性變形而成型，要求金屬材料必須具有良好的塑性，因此只適應(yīng)于加工塑性材料，而不適應(yīng)于加工脆性材料，如鑄鐵、青銅等，也不適應(yīng)于加工形狀太復(fù)雜的零件。工業(yè)用鋼和大多數(shù)有色金屬及其合金均具有一定的塑性，能在熱態(tài)或冷態(tài)下進(jìn)行壓力加工。

壓力加工與其他加工方法相比，具有以下特點(diǎn)：

(1)改善金屬的內(nèi)部組織，提高金屬的力學(xué)性能。通過塑性變形能使金屬的內(nèi)部缺陷(如微裂紋、縮松、氣孔等)得到了壓合，使其組織致密，細(xì)化晶粒，并形成纖維組織，大大提高金屬的強(qiáng)度和韌性，使金屬材料得到了強(qiáng)化。

(2)具有較高的勞動生產(chǎn)率。以制造內(nèi)六角螺釘為例，用壓力加工成型后再加工螺紋，生產(chǎn)效率可比全部用切削加工提高約50倍；如果采用多工位次序鐓粗，則生產(chǎn)效率可提高到400倍以上。

(3)節(jié)約金屬材料。一些精密模鍛件的尺寸精度和表面粗糙度能接近成品零件的要求，只需少量甚至不需切削加工即可得到成品零件，從而減少了金屬的損耗。

(4)適用范圍廣。壓力加工件質(zhì)量小的可不到1千克，大的可重達(dá)數(shù)百噸，并可進(jìn)行單件小批量生產(chǎn)，又可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

壓力加工可生產(chǎn)出各種不同截面的型材(如板材、線材、管材等)和各種機(jī)器零件的毛坯或成品(如軸、齒輪、汽車大梁、連桿等)。壓力加工在機(jī)械、電力、交通、航空、國防等工業(yè)部門以至生活用品的生產(chǎn)中占有重要的地位，如鋼橋、壓力容器、石油鉆井平臺等廣泛采用型材；飛機(jī)、機(jī)車、汽車和工程機(jī)械上各種受力復(fù)雜的零件都采用鍛件；電器、儀表、機(jī)器表面覆蓋物及生活用品中的金屬制品，絕大多數(shù)都是沖壓件。

3.1.1型材生產(chǎn)方法

1.軋制生產(chǎn)

借助于坯料與軋輥之間的摩擦力，使金屬坯料連續(xù)地通過兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的軋輥的孔隙而受壓變形的加工方法稱為軋制，見圖3-1(a)。合理設(shè)計軋輥上的孔型，通過軋制可將金屬鋼錠加工成不同截面形狀的原材料，軋制出的型材如圖3-1(b)所示。3.1壓力加工成型方法

圖3-1軋制示意圖(a)軋制示意圖；(b)軋制型材

2.擠壓生產(chǎn)

將金屬坯料放入擠壓模內(nèi)，使其受壓被擠出?？锥冃蔚募庸し椒ǚQ為擠壓。生產(chǎn)中常用的擠壓方法主要有兩種，正擠壓和反擠壓。金屬流動方向與凸模運(yùn)動方向相一致的稱為正擠壓，如圖3-2(a)所示。金屬流動方向與凸模運(yùn)動方向相反的稱為反擠壓，如圖3-2(b)所示。

在擠壓過程中，坯料的橫截面依照模孔的形狀縮小，長度增加，從而獲得各種復(fù)雜截面的型材或零件，如圖3-3所示。圖3-2擠壓示意圖(a)正擠壓；(b)反擠壓擠壓不僅適用于有色金屬及其合金，而且適用于碳鋼、合金鋼及高合金鋼，對于難熔合金，如鎢、鉬及其合金等脆性材料也能適用。根據(jù)擠壓時金屬材料是否被加熱，擠壓又分為熱擠壓和冷擠壓。

圖3-3擠壓產(chǎn)品截面形狀圖

3.拉拔生產(chǎn)

將金屬條料或棒料拉過拉拔的?？锥冃蔚膲毫庸し椒ǚQ為拉拔，如圖3-4(a)所示。拉拔生產(chǎn)主要用來制造各種細(xì)線材、薄壁管和各種特殊幾何形狀的型材，如圖3-4(b)所示。多數(shù)拉拔是在冷態(tài)下進(jìn)行加工的，拉拔的產(chǎn)品尺寸精度較高，表面粗糙度Ra較小。塑性高的低碳鋼和有色金屬及其合金都可拉拔成型。

圖3-4拉拔(a)拉拔；(b)拉拔產(chǎn)品截面形狀圖3.1.2機(jī)械零件的毛坯及產(chǎn)品生產(chǎn)

1.鍛造

鍛造是在加壓設(shè)備及工模具的作用下，使坯料、鑄錠產(chǎn)生局部或全部的塑性變形，以獲得具有一定幾何尺寸、形狀和質(zhì)量的鍛件的加工方法，按所用的設(shè)備和工模具不同，可分為自由鍛造和模型鍛造兩類。

自由鍛造是將加熱后的金屬坯料，放在上、下砥鐵(砧塊)之間，在沖擊力或靜壓力的作用下，使之變形的壓力加工方法，如圖3-5(a)所示。

模型鍛造(簡稱模鍛)是將加熱的金屬坯料，放在具有一定形狀的鍛模模膛內(nèi)，在沖擊力或壓力的作用下，使金屬坯料充滿模膛而成型的壓力加工方法，如圖3-5(b)所示。

圖3-5鍛造與沖壓示意圖(a)自由鍛造；(b)模型鍛造；(c)沖壓

2.沖壓

沖壓是將金屬板料放在沖模之間，使其受沖壓力作用產(chǎn)生分離或變形的壓力加工方法。常用沖壓工藝有沖裁、彎曲、拉深、縮口、起伏和翻邊等，圖3-5(c)所示為拉深加工。

金屬在外力作用下產(chǎn)生的變形可分為三個連續(xù)的變形階段：彈性變形階段、彈塑性變形階段、塑性變形階段和斷裂階段。彈性變形在外力去除以后可自行恢復(fù)，塑性變形則不可恢復(fù)，是金屬進(jìn)行壓力加工的必要條件，也是強(qiáng)化金屬的重要手段之一。3.2金屬材料的塑性成型基礎(chǔ)3.2.1金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)

金屬的塑性是當(dāng)外力增大到使金屬內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力超過該金屬的屈服點(diǎn)時，使其內(nèi)部原子排列的相對位置發(fā)生變化而相互聯(lián)系不被破壞的性能。工業(yè)上常用的金屬材料都是由很多晶粒組成的多晶體，其塑性變形過程比較復(fù)雜。

1.單晶體的塑性變形

單晶體是指原子排列方式完全一致的晶體。當(dāng)單晶體金屬受拉力P作用時，在一定晶面上可分解為垂直于晶面的正應(yīng)力σ和平行于晶面的切應(yīng)力τ，如圖3-6所示。在正應(yīng)力σ作用下，晶格被拉長，當(dāng)外力去除后，原子自發(fā)回到平衡位置，變形消失，產(chǎn)生彈性變形。若正應(yīng)力σ增大到超過原子間的結(jié)合力時，晶體便發(fā)生斷裂，如圖3-7所示。由此可見，正應(yīng)力σ只能使晶體產(chǎn)生彈性變形或斷裂，而不能使晶體產(chǎn)生塑性變形。在逐漸增大的切應(yīng)力τ作用下，晶體從開始產(chǎn)生彈性變形發(fā)展到晶體中的一部分與另一部分沿著某個特定的晶面相對移動，稱為滑移。產(chǎn)生滑移的晶面稱為滑移面，當(dāng)應(yīng)力消除后，原子到達(dá)一個新的平衡位置，變形被保留下來，形成塑性變形，如圖3-8所示。由此可知，只有在切應(yīng)力作用下，才能產(chǎn)生滑移，而滑移是金屬塑性變形的主要形式。

圖3-6單晶體拉伸示意圖

圖3-7單晶體在正應(yīng)力作用下的變形(a)未變形；(b)彈性變形；(c)斷裂

圖3-8晶體在切應(yīng)力作用下的變形(a)未變形；(b)彈性變形；(c)彈

塑性變形；(d)塑性變形晶體在晶面上發(fā)生滑移，實(shí)際上并不需要整個滑移面上的所有原子同時一起移動，即剛性滑移。近代物理學(xué)理論認(rèn)為晶體內(nèi)部存在有許多缺陷，其類型有點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三種。由于存在缺陷，使晶體內(nèi)部各原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，高位能的原子很容易從一個相對平衡的位置移動到另一個位置上。位錯是晶體中典型的線缺陷。

滑移變形就是通過晶體中位錯的移動來完成的，如圖3-9所示。在切應(yīng)力的作用下，位錯從滑移面的一側(cè)移動到另一側(cè)，形成一個原子間距的滑移量，因?yàn)槲诲e移動時，只需位錯中心附近的少數(shù)原子發(fā)生移動，不需要整個晶體上半部的原子相對下半部一起移動，所以它需要的臨界切應(yīng)力很小，這就是位錯的易動性。因此，單晶體總的滑移變形量是許多位錯滑移的結(jié)果。

圖3-9位錯移動產(chǎn)生滑移的示意圖

2.多晶體的塑性變形

實(shí)際金屬是由許多大小、形狀、晶格位向各不同的晶粒組成的多晶體。各晶粒之間是一層很薄的晶粒邊界，晶界是相鄰兩個位向不同晶粒的過渡層，且原子排列極不規(guī)則。因此，多晶體的塑性變形要比單晶體的塑性變形復(fù)雜得多。

多晶體的變形首先從晶格位向有利于變形的晶粒內(nèi)開始，滑移結(jié)果使晶粒位向發(fā)生轉(zhuǎn)動，而難于繼續(xù)滑移，從而促使另一批晶粒開始滑移變形。因而，多晶體的變形總是一批一批晶粒逐步發(fā)展的，從少量晶體開始逐步擴(kuò)大到大量晶粒發(fā)生滑移，從不均勻變形逐步發(fā)展到較均勻變形。

圖3-10多晶體塑性變形圖與單晶體比較，多晶體具有較大的變形抗力，多晶體的塑性變形如圖3-10所示。這是因?yàn)橐环矫娑嗑w內(nèi)晶界附近的晶格畸變程度大，對位錯的移動起阻礙作用，表現(xiàn)為較大的變形抗力；另一方面，多晶體內(nèi)各晶粒位向不同，若某一晶粒要發(fā)生滑移，會受到周圍位向不同晶粒的阻礙，必須在克服相鄰晶粒的阻力之后才能滑移。這就說明，多晶體金屬的晶界面積及不同位向的晶粒越多，即晶粒越細(xì)，其塑性變形抗力就越大，強(qiáng)度和硬度越高。同時，由于塑性變形時總的變形量是各晶?；菩Ч目偤停ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)有利于滑移的晶粒數(shù)目越多，變形可分散在越多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，金屬的塑性和韌性便越高。

3.2.2塑性變形對金屬組織和性能的影響

金屬的塑性變形由金屬內(nèi)多晶體的塑性變形來實(shí)現(xiàn)。在塑性變形過程中金屬的結(jié)晶組織將發(fā)生變化，晶粒沿變形最大的方向伸長，晶格與晶粒發(fā)生扭曲，同時晶粒破碎。在變形過程中及變形后，金屬的力學(xué)性能也將發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖3-11加熱溫度對冷變形金屬組織性能的影響

1.回復(fù)與再結(jié)晶

金屬發(fā)生塑性變形以后處于一種不穩(wěn)定的組織狀態(tài)，高位能的原子有自發(fā)地回復(fù)到其低位能平衡狀態(tài)的趨勢，但在低溫下原子活動能力較低，若對它進(jìn)行適當(dāng)加熱，增加原子擴(kuò)散能力，原子將向低能量的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，如圖3-11所示。隨著加熱溫度的升高，這一變化過程可分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。

1)回復(fù)

回復(fù)階段由于加熱溫度不高，原子擴(kuò)散能力不強(qiáng)，通過原子的少量擴(kuò)散，可消除部分晶格扭曲，降低金屬的內(nèi)應(yīng)力。因其顯微組織無明顯變化，故金屬的強(qiáng)度和塑性變化不大，這一過程稱為回復(fù)。純金屬的回復(fù)溫度為

Ｔ回＝(0.25～0.3)Ｔ熔

式中：Ｔ回表示金屬回復(fù)的絕對溫度(Ｋ)；Ｔ熔表示金屬熔點(diǎn)的絕對溫度(Ｋ)。

2)再結(jié)晶

當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高到某一值時，由于原子獲得更多的能量，擴(kuò)散能力加強(qiáng)，就會以某些碎晶或雜質(zhì)為核心，并逐漸向周圍長大，形成新的等軸晶粒，這個過程稱為金屬的再結(jié)晶。再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度下降，塑性升高。能夠進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。純金屬的再結(jié)晶溫度為

Ｔ再＝0.4Ｔ熔

式中：Ｔ再表示金屬再結(jié)晶的絕對溫度(Ｋ)。

隨著溫度的升高，或者是在較高的溫度狀態(tài)下時間延長，再結(jié)晶后的晶粒還會聚合而長大。為了加速再結(jié)晶過程，再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100～200℃。但退火加熱溫度過高，保溫時間過長，均會使再結(jié)晶后的細(xì)晶粒長大成粗晶粒，導(dǎo)致金屬力學(xué)性能下降。

2.冷變形和熱變形

金屬在塑性變形時，由于變形溫度不同，對組織和性能將產(chǎn)生不同的影響。金屬的塑性變形分為冷變形和熱變形兩種。冷變形是指金屬在其再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形。因此，變形程度不宜過大，以避免制件破裂，冷變形能使金屬獲得較小的表面粗糙度并使金屬強(qiáng)化。

熱變形是指金屬在其再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行塑性變形。熱變形時，變形抗力低，可用較小的能量獲得較大的變形量，并可獲得具有較高力學(xué)性能的再結(jié)晶組織。但熱變形時金屬表面易產(chǎn)生氧化，產(chǎn)品表面粗糙度較大，尺寸精度較低。

3.加工硬化

當(dāng)用手反復(fù)彎鐵絲時，鐵絲越彎越硬，彎起來越費(fèi)力，這個現(xiàn)象就是金屬塑性變形過程中的加工硬化。即隨著塑性變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性下降，如圖3-12所示，金屬冷變形時必然產(chǎn)生加工硬化。但熱變形時，無加工硬化痕跡，主要由于變形是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的，變形時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶消除。

圖3-12低碳鋼冷變形程度與力學(xué)性能的關(guān)系產(chǎn)生加工硬化的原因有兩個方面：

一方面是由于經(jīng)過塑性變形晶體中的位錯密度增高，位錯移動所需的切應(yīng)力增大。

另一方面在滑移面上產(chǎn)生許多晶格方向混亂的微小碎晶，它們的晶界是嚴(yán)重的晶格畸變區(qū)，這些因素增加了滑移阻力，加大了內(nèi)應(yīng)力。

加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要方法之一，尤其是對純金屬及某些不能用熱處理方法強(qiáng)化的合金。例如冷拔鋼絲、冷卷彈簧等采用冷軋、冷拔、冷擠壓等工藝，就是利用加工硬化來提高低碳鋼、純銅、防銹鋁、奧氏體不銹鋼等所制型材及鍛壓件的強(qiáng)度和硬度。但加工硬化亦給進(jìn)一步加工帶來困難，且使工件在變形過程中容易產(chǎn)生裂紋，不利于壓力加工的進(jìn)行，通常采用熱處理退火工序消除加工硬化，使加工能繼續(xù)進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中可利用回復(fù)處理，可使加工硬化的金屬既保持較高的強(qiáng)度，適當(dāng)提高韌性，又降低了內(nèi)應(yīng)力。例如，冷拔鋼絲、冷卷彈簧后，采用250℃～300℃的低溫回火，就是利用回復(fù)作用，而再結(jié)晶后的金屬則完全消除了加工硬化組織。

4.纖維組織

金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時，晶粒沿變形方向伸長，分布在晶界上的夾雜物也沿著金屬的變形方向被拉長或壓扁，成為條狀。在再結(jié)晶時，金屬晶?；謴?fù)為等軸晶粒，而夾雜物依然呈條狀保留了下來，這樣就形成了纖維組織，也稱為鍛造流線。纖維組織形成后，金屬力學(xué)性能將出現(xiàn)方向性，即在平行纖維組織的方向上，材料的抗拉強(qiáng)度提高，而在垂直纖維組織的方向上，材料的抗剪強(qiáng)度提高。

另外，纖維組織很穩(wěn)定，用熱處理或其他方法均難以消除，只能再通過鍛造方法使金屬在不同的方向上變形，才能改變纖維組織的方向和分布。

在金屬發(fā)生塑性變形時，隨著變形程度的增加，纖維組織形成則愈加明顯。變形程度常用鍛造比來表示。

鐓粗工序的鍛造比Ｙ鐓為式中：Ｈ０表示鐓粗前金屬坯料的高度；Ｈ表示鐓粗后金屬坯料的高度。

拔長工序的鍛造比Ｙ拔為

式中：Ｆ０表示拔長前金屬坯料的橫截面積；Ｆ表示拔長后金屬坯料的橫截面積。

在一般情況下增加鍛造比，可使金屬組織細(xì)密化，提高鍛件的力學(xué)性能，但鍛造比增加到一定值時，由于纖維組織的形成，將導(dǎo)致各向異性。因此，選擇合適的鍛造比是很重要的。一般以軋材作為坯料鍛造時，取1.1～1.3，碳素鋼鋼錠取2～3，合金結(jié)構(gòu)鋼鋼錠取3～4；某些合金工具鋼應(yīng)選擇較大的鍛造比，以擊碎粗大的碳化物并使其均勻分布，如高速鋼取5～12。

由于纖維組織對力學(xué)性能的影響，特別是對沖擊韌性的影響，在設(shè)計和制造易受沖擊載荷的零件時，必須考慮纖維組織的方向，使零件工作時正應(yīng)力方向與纖維組織方向一致，切應(yīng)力方向與纖維組織方向垂直；而且使纖維組織的分布與零件的外形輪廓相符合，而不被切斷。

圖3-13是用不同方法制造螺栓的纖維組織分布情況。當(dāng)采用棒料直接用切削加工方法制造螺栓時，其頭部與桿部的纖維組織不連貫而被切斷，切應(yīng)力順著纖維組織方向，故質(zhì)量較差，如圖3-13(a)所示；當(dāng)采用局部鐓粗法制造螺栓時，如圖3-13(b)所示，纖維組織不被切斷，纖維組織方向也較為合理，故質(zhì)量較好。圖3-14是用不同成型方法制造的齒輪，從圖中可以看出其纖維組織的分布狀態(tài)。圖3-14(a)為軋制棒料用切削加工方法制成齒輪，原棒料的纖維組織被切斷，受力時齒根產(chǎn)生的正應(yīng)力與纖維組織方向垂直，質(zhì)量差；圖3-14(b)為將軋制棒料采用局部鐓粗鍛成齒輪坯，纖維組織被彎曲呈放射狀，加工成齒輪后受力時，所有齒根處的正應(yīng)力與纖維組織方向近于平行，質(zhì)量較好；圖3-14(c)為用熱鍛成型法或精密模鍛制造的齒輪，沿齒輪輪廓纖維組織全是連續(xù)的，承受力的情況好，質(zhì)量最好。

圖3-13螺栓的纖維組織比較

圖3-14不同成型方法制成齒輪的纖維組織

3.3.1金屬材料的鍛造性能

1.鍛造性能及評定指標(biāo)

金屬的鍛造性能是用來衡量金屬材料利用鍛壓加工方法成型的難易程度，是金屬的工藝性能之一。金屬的鍛造性能好，表明該金屬適于采用鍛壓加工方法成型。金屬的鍛造性能常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。塑性越好，變形抗力越小，則金屬的鍛造性能越好。在實(shí)際生產(chǎn)中，選用金屬材料時，優(yōu)先考慮的還是金屬材料的塑性。3.3鍛造

2.影響金屬鍛造性能的因素

金屬的鍛造性能主要取決于金屬的本質(zhì)和金屬的變形條件。

1)金屬的本質(zhì)

金屬的本質(zhì)是指金屬的化學(xué)成分和組織狀態(tài)。

(1)金屬的化學(xué)成分?；瘜W(xué)成分對金屬的鍛造性能影響很大，一般純金屬的鍛造性能較好。金屬組成合金后，強(qiáng)度提高，塑性下降，鍛造性能變差。碳素鋼的鍛造性能，隨著含碳量的增加，鍛造性能變差，因此，低、中碳鋼的鍛造性能優(yōu)于高碳鋼。鋼中合金元素的含量增多，鍛造性能也變差，尤其是金屬中含有提高高溫強(qiáng)度的元素，如鎢、鉬、釩、鈦等，因能與鋼中的碳形成硬而脆的碳化物，而使金屬的鍛造性能顯著降低。

(2)金屬的組織狀態(tài)。金屬的組織結(jié)構(gòu)不同，其鍛造性能有很大差別。由單一固溶體組成的合金具有良好的塑性，其鍛造性能較好，若金屬中有化合物組織，尤其是在晶界上形成連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀碳化物組織時，塑性很差，鍛造性能顯著下降。鋼的鑄態(tài)組織和粗晶組織，不如鍛軋組織和細(xì)晶組織的鍛造性能好。

2)變形條件

變形條件是指變形溫度、變形速度和變形時的應(yīng)力狀態(tài)。

(1)變形溫度。變形溫度是影響鍛造性能的重要因素。提高金屬的變形溫度可使原子動能增加，削弱原子間結(jié)合力，減少滑移阻力，從而提高了金屬的鍛造性能。因而，加熱是鍛壓加工成型中很重要的變形條件。金屬通過加熱可得到良好的鍛造性能，但是加熱溫度過高時也會產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷，如產(chǎn)生氧化、脫碳、過熱和過燒現(xiàn)象，造成鍛件的質(zhì)量變差或鍛件報廢。因此，必須嚴(yán)格控制加熱溫度范圍，確定金屬合理的始鍛溫度和終鍛溫度。

始鍛溫度為開始鍛造的溫度。在不出現(xiàn)過熱和過燒的前提下，提高始鍛溫度可使金屬的塑性提高，變形抗力下降，有利于鍛壓成型。一般選固相線以下100℃～200℃，如45鋼的始鍛溫度為1200℃。

圖3-15碳鋼的鍛造溫度范圍終鍛溫度為停止鍛造的溫度。終鍛溫度對高溫合金鍛件的組織、晶粒度和機(jī)械性能均有很大的影響。一般選高于再結(jié)晶溫度50℃～100℃，保證再結(jié)晶完全。當(dāng)終鍛溫度低于其再結(jié)晶開始溫度時，除了使合金塑性下降、變形抗力增大之外，還會引起不均勻變形并獲得不均勻的晶粒組織，并導(dǎo)致加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，變形抗力過大，易產(chǎn)生鍛造裂紋，損壞設(shè)備與工具。但如果終鍛溫度過高，則在隨后的冷卻過程中晶粒將繼續(xù)長大，得到粗大晶粒組織，這是十分不利的。通常，在允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)降低終鍛溫度并加大變形量，則可得到較為細(xì)小的晶粒。碳鋼的鍛造溫度范圍如圖3-15所示。碳鋼的終鍛溫度應(yīng)在GSE線以上，這時的碳鋼組織為單相奧氏體，具有良好的鍛造性能。為了擴(kuò)大鍛造溫度區(qū)間，減少加熱次數(shù)，實(shí)際的終鍛溫度，對低碳鋼定在Ａ3線之下，即在Ａ1～Ａ3溫度區(qū)間，此時的組織為鐵素體和奧氏體，兩種組織均有很好的塑性，故仍有較好的鍛造性能，如45鋼的終鍛溫度為800℃。對過共析鋼，定在Ａ1線以上(50℃～70℃)，鍛造時鋼中出現(xiàn)的滲碳體雖使鍛造性能有些降低，但可以阻止形成連續(xù)的網(wǎng)狀滲碳體，從而提高鍛件的力學(xué)性能。

圖3-16變形速度對金屬鍛造性能的影響

(2)變形速度。變形速度是指金屬在鍛壓加工過程中單位時間內(nèi)的變形量，表示單位時間內(nèi)變形程度的大小。變形速度對金屬鍛造性能的影響是復(fù)雜的，如圖3-16所示。一方面由于變形速度增快，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時消除加工硬化現(xiàn)象，加工硬化逐漸積累，使金屬的塑性下降，變形抗力增加，鍛造性能變差；另一方面，當(dāng)變形速度超過某一臨界值時，熱能來不及散發(fā)，而使塑性變形中的部分功轉(zhuǎn)化為熱能，致使金屬溫度升高，這種現(xiàn)象稱為“熱效應(yīng)”，于是，金屬塑性升高，變形抗力下降。一般來講，變形速度越快，熱效應(yīng)越顯著，鍛造性能越好。

在實(shí)際生產(chǎn)中，除高速錘鍛造外，一般常用的各種鍛造方法變形速度都低于臨界變形速度。因此，在一般鍛造生產(chǎn)中，對于鍛造性能較差的合金鋼和高碳鋼，應(yīng)采用減小變形速度的工藝，以防坯料被鍛裂。

(3)變形時的應(yīng)力狀態(tài)。變形方式不同，金屬在變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也不同。即使在同一種變形方式下，金屬內(nèi)部不同部位的應(yīng)力狀態(tài)也可能不同。擠壓時，三個方向均受壓；拉拔時，兩個方向受壓，一個方向受拉。自由鍛鐓粗時，坯料內(nèi)部金屬三向受壓，而側(cè)面表層金屬兩向受壓，一向受拉。

實(shí)踐證明，在金屬塑性變形時，三個方向中壓應(yīng)力的數(shù)目越多，則金屬的塑性越好，拉應(yīng)力的數(shù)目越多，則金屬的塑性越差。而且同號應(yīng)力狀態(tài)下引起的變形抗力大于異號應(yīng)力狀態(tài)下的變形抗力。如擠壓時，三向受壓，金屬塑性提高，但其變形抗力大；拉拔時，兩向受壓，一向受拉，金屬塑性降低，但其變形抗力比擠壓的變形抗力小。

3.常用合金的鍛造特點(diǎn)

各種鋼材、鋁、銅合金都可以鍛造加工。其中，Q195、Q235、10、15、20、35、45、50鋼等中低碳鋼、20Cr、銅及銅合金、鋁及鋁合金等鍛造性能較好。

1)合金鋼

與碳鋼比較，合金鋼具有綜合力學(xué)性能高、淬透性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但鋼中由于合金元素的加入，其內(nèi)部組織復(fù)雜、缺陷多、塑性差、變形抗力大、鍛造性能較差。因此，鍛造時必須嚴(yán)格控制工藝過程，以保證鍛件的質(zhì)量。

首先，選擇坯料時，表面不允許有裂紋存在，以防鍛造中裂紋擴(kuò)展造成鍛件報廢，并且為了消除坯料的殘余應(yīng)力和均勻內(nèi)部組織，鍛前需進(jìn)行退火。

其次，合金鋼的導(dǎo)熱性比碳鋼差，如果高溫裝爐，快速加熱，必然會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，致使金屬坯料開裂。因此，應(yīng)先加熱至800℃保溫，然后再加熱到始鍛溫度，即采用低溫裝爐及緩慢升溫。

另外，與碳鋼相比較，合金鋼的始鍛溫度低，終鍛溫度高。這是由于一方面合金鋼成分復(fù)雜，加熱溫度偏高時，金屬基體晶粒將快速長大，分布于晶粒間的低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，容易出現(xiàn)過熱或過燒缺陷，因此，合金鋼的始鍛溫度較低；另一方面合金鋼的再結(jié)晶溫度高，再結(jié)晶速度慢、塑性差、變形抗力大、易斷裂，故其終鍛溫度較高。

因此，合金鋼的鍛造溫度范圍較窄，一般只有100℃～200℃，增加了鍛造過程的困難，必須注意以下幾點(diǎn)：

(1)控制變形量。嚴(yán)格執(zhí)行“兩輕一重”的操作方法，始鍛和終緞時應(yīng)變形量小，中間過程變形量加大。因?yàn)楹辖痄搩?nèi)部缺陷較多，在始鍛時，若變形量過大，易使缺陷擴(kuò)展，造成鍛件開裂報廢。終鍛前，金屬塑性低，變形抗力增大，鍛造時變形量大也將導(dǎo)致鍛件報廢。而在鍛造過程中間階段如果變形量過小，則達(dá)不到所需的變形程度，不能很好地改變鍛件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，難以獲得良好的力學(xué)性能。

(2)增大鍛造比。合金鋼鋼錠內(nèi)部缺陷多，某些特殊鋼種，鋼中粗大的碳化物較多，且偏析嚴(yán)重，影響了鍛件的力學(xué)性能。增大鍛造比，能擊碎網(wǎng)狀或塊狀碳化物，可以消除鋼中缺陷，細(xì)化碳化物并使其均勻分布。

(3)保證溫度、變形均勻。合金鋼鍛造時要經(jīng)常翻轉(zhuǎn)坯料，盡量使一個位置不要連續(xù)受力，送進(jìn)量要適當(dāng)均勻，而且鍛前應(yīng)將砧鐵預(yù)熱，以使變形及溫度均勻，防止產(chǎn)生鍛裂現(xiàn)象。

(4)鍛后緩冷。合金鋼鍛造結(jié)束后，應(yīng)及時采取工藝措施保證鍛件緩慢冷卻。例如，鍛后將鍛件放入灰坑或干砂坑中冷卻，或放入爐中隨爐冷卻。這是因?yàn)楹辖痄摰膶?dǎo)熱性差，塑性低，且終鍛溫度較高，鍛后如果快速冷卻，會因熱應(yīng)力和組織應(yīng)力過大而導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)裂紋。

2)有色金屬

(1)鋁合金的鍛造特點(diǎn)。幾乎所有鍛造用鋁合金(變形鋁合金)都有較好的塑性，可鍛造成各種形狀的鍛件，但是鋁合金的流動性差，在金屬流動量相同的情況下，比低碳鋼需多消耗約30%的能量。鋁合金的鍛造溫度范圍窄，一般為150℃左右，導(dǎo)熱性好，應(yīng)事先將所用鍛造工具預(yù)熱至250℃～300℃。操作時，要經(jīng)常翻轉(zhuǎn)，動作迅速，開始時要輕擊，隨后逐漸加大變形量時，則應(yīng)重打。鋁合金的流動性差，模鍛時容易黏模，要求鍛模內(nèi)表面粗糙度Ra在0.8μm以下，并采用潤滑劑。

(2)鈦合金的鍛造特點(diǎn)。鈦合金是飛機(jī)、宇航工業(yè)常用的有色金屬材料。鈦合金可以鍛造成各種形狀的鍛件，鈦合金的可鍛性要比合金鋼差，其塑性隨著溫度的升高而增大，若在1000℃～1200℃下鍛造，變形程度可達(dá)80%以上。但隨著變形溫度下降，變形抗力急劇增大，因此，操作時動作要快，盡量減少熱損失。鍛造溫度范圍一般α鈦為850℃～1050℃，α＋β鈦為750℃～1150℃，β鈦為900℃～1150℃。因?yàn)殁伜辖鸬牧鲃有员蠕摬?，所以，模鍛時模膛的圓角半徑應(yīng)設(shè)計大些，而且鈦合金的黏?，F(xiàn)象比較嚴(yán)重，要求模膛表面粗糙度要達(dá)到Ra0.2μm～0.4μm。3.3.2自由鍛造

自由鍛造是利用簡單的通用工具或直接將加熱好的金屬坯料放在鍛造設(shè)備上、下砥鐵之間，施加沖擊力或壓力，使之產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需鍛件的一種鍛造方法，簡稱自由鍛，是鍛造工藝中廣泛采用的一種工藝方法。自由鍛有手工鍛造和機(jī)器鍛造兩種。手工鍛造生產(chǎn)率低，勞動強(qiáng)度大，錘擊力小，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器鍛造是自由鍛的主要生產(chǎn)方式。

自由鍛生產(chǎn)率低，工人勞動強(qiáng)度大，鍛件精度低，材料消耗較多，鍛件形狀不能過于復(fù)雜，因而，適用于在品種多、產(chǎn)量不大的生產(chǎn)中應(yīng)用。鍛件重量可從不足千克到二三百噸，但其所用設(shè)備及工具通用性大，便于更換產(chǎn)品，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，在國內(nèi)外的現(xiàn)代鍛造中，自由鍛仍占有重要地位。

對于大型鍛件，如水輪發(fā)電機(jī)機(jī)軸、軋輥等重型鍛件，自由鍛是唯一可能加工的一種工藝方法。自由鍛造時，金屬受力變形時在砥鐵間水平方向自由流動，變形不受限制，因此，鍛件的形狀及大小由工人的操作技術(shù)來保證，常用逐漸變形方式來達(dá)到成型目的，因而能以較小設(shè)備鍛制較大鍛件。

1.自由鍛造工序

自由鍛工序可分為基本工序、輔助工序和精整工序(修整工序)?；竟ば蛴戌叴?、拔長、沖孔、擴(kuò)孔、彎曲、扭轉(zhuǎn)、錯移等。輔助工序?yàn)槭够竟ば虿僮鞣奖愣M(jìn)行的預(yù)變形工序，如壓鉗口、切肩等。修整工序是用以減少鍛件表面缺陷而進(jìn)行的工序，如校正、滾圓、平整等。以下介紹基本工序的主要內(nèi)容。

1)鐓粗

在外力作用下使坯料高度減小、橫截面積增大的工序稱為鐓粗。鐓粗主要用于鍛制齒輪、法蘭盤之類的餅類零件，它能增大坯料橫截面積的平整端面，提高后續(xù)拔長工序的鍛造比，提高鍛件的力學(xué)性能和減少力學(xué)性能的各向異性等。如圖3-17所示，坯料鐓粗時，隨著高度減小，金屬不斷向四周流動，由于工具及砧面與坯料的接觸面上有摩擦力和冷卻作用存在，使坯料內(nèi)部的應(yīng)力分布和變形極不均勻。鐓粗后坯料的側(cè)面將成鼓形。設(shè)坯料高為H0，直徑為D，當(dāng)坯料高徑比H０／D＞2.5時，鐓粗中容易失穩(wěn)而產(chǎn)生彎曲。一般選擇H０／D＝0.8～2，可得到較均勻的變形，鼓形也較小，但需要很大的變形力。

2)拔長

拔長是使坯料的橫截面積減小、長度增加的鍛造工序，如圖3-18所示。拔長除用于軸類、桿類鍛件成型外，還常用來改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量。拔長從垂直于軸線方向?qū)ε髁线M(jìn)行逐段壓縮變形，是鍛件成型中耗費(fèi)工時最多的一種鍛造工序。

圖3-17鐓粗

圖3-18拔長

3)沖孔

用沖頭將坯料沖出通孔或不通孔的鍛造方法稱為沖孔。對于直徑小于25mm的孔一般不予沖出。沖孔主要用于鍛造空心鍛件、如齒輪壞、圓環(huán)、套筒等。生產(chǎn)中采用的沖孔方法有實(shí)心沖子沖孔(見圖3-19)、空心沖子沖孔(見圖3-20)和墊環(huán)沖孔(見圖3-21)三種。

圖3-19實(shí)心沖子沖孔

圖3-20空心沖子沖孔

圖3-21墊環(huán)沖孔

4)擴(kuò)孔

為了減小空心坯料壁厚而增加其內(nèi)外徑的鍛造工序稱為擴(kuò)孔。常用的擴(kuò)孔方法有沖子擴(kuò)孔(見圖3-22)和芯軸擴(kuò)孔(見圖3-23)，后者在軸承行業(yè)中廣泛采用。

圖3-22沖子擴(kuò)孔

圖3-23芯軸擴(kuò)孔

5)彎曲

將坯料加工成規(guī)定形狀的鍛造工序稱為彎曲。彎曲成型時金屬纖維組織不被切斷，從而提高了鍛件質(zhì)量。彎曲多用于鍛制鉤、夾鉗、地腳螺栓等彎曲類零件。

6)扭轉(zhuǎn)

將坯料的一部分相對于另一部分繞共同軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的鍛造方法稱為扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)用于鍛制曲軸、矯正鍛件等。

7)錯移

將坯料的一部分與另一部分錯開一定距離，但仍保持軸線平行的鍛造方法稱為錯移，如鍛制雙拐或多拐曲軸件。

自由鍛應(yīng)用上述基本工序生產(chǎn)不同類型的鍛件。圖3-24為齒輪坯自由鍛的工藝過程圖。

圖3-24齒輪坯自由鍛的工藝過程(a)下料；(b)鐓粗；(c)墊環(huán)局部鐓粗；(d)沖孔；(e)沖子擴(kuò)孔；(f)修整

3.自由鍛工藝規(guī)程的制定

自由鍛工藝規(guī)程是鍛造生產(chǎn)的依據(jù)。生產(chǎn)中根據(jù)零件圖繪制鍛件圖，確定鍛造工藝過程并制定工藝卡。工藝卡中規(guī)定了鍛造溫度、尺寸要求、變形工序和程序及所用設(shè)備等。

自由鍛工藝規(guī)程主要包括以下幾個內(nèi)容。

1)鍛件圖的繪制

鍛件圖是以零件圖為基礎(chǔ)，結(jié)合自由鍛工藝特點(diǎn)繪制而成的圖形，它是工藝規(guī)程的核心內(nèi)容，是制定鍛造工藝過程和鍛件檢驗(yàn)的依據(jù)。

繪制鍛件圖應(yīng)考慮以下內(nèi)容：

(１)敷料(余塊)。為簡化鍛件形狀而增加的那部分金屬稱為敷料。零件上不能鍛出的部分，或雖能鍛出，但從經(jīng)濟(jì)上考慮不合理的部分均應(yīng)簡化，如某些臺階、凹槽、小孔、斜面、錐面等。因此，鍛件的形狀和尺寸均與零件不同，需在鍛件圖上用雙點(diǎn)劃線畫出零件形狀，并在鍛件尺寸的下面用括號注上零件尺寸。

(２)加工余量。自由鍛件的精度及表面質(zhì)量較差，表面應(yīng)留有供機(jī)械加工的一部分金屬，即機(jī)械加工余量，又稱鍛件余量。余量的大小主要取決于零件形狀、尺寸、加工精度及表面粗糙度的要求，其數(shù)值的確定可查閱鍛工手冊。

(３)鍛造公差。由于鍛件的實(shí)際尺寸不可能達(dá)到公稱尺寸，因此允許有一定的誤差。為了限制其誤差，經(jīng)常給出其公差，稱為鍛造公差，其數(shù)值約為加工余量的14～13。

2)坯料計算

鍛造時應(yīng)按鍛件形狀、大小選擇合適的坯料，同時還應(yīng)注意坯料的質(zhì)量和尺寸，使坯料經(jīng)鍛造后能達(dá)到鍛件的要求。

坯料質(zhì)量可按下式計算：

Ｇ坯＝Ｇ鍛＋Ｇ燒＋Ｇ料頭

(kg)

式中：Ｇ坯表示坯料質(zhì)量(kg)；Ｇ鍛表示鍛件質(zhì)量(kg)；Ｇ燒表示加熱過程中坯料表面氧化燒損的那部分金屬的質(zhì)量(kg)，與加熱火次有關(guān)，第一次加熱取被加熱金屬的2%～3%，以后各次加熱取1.5%～2.0%；Ｇ料頭表示鍛造時被切掉的金屬質(zhì)量及修切端部時切掉的料頭的質(zhì)量(kg)。

坯料質(zhì)量確定后，還須正確確定坯料的尺寸，以保證鍛造時金屬得到必需的變形程度及鍛造的順利進(jìn)行。坯料尺寸與鍛造工序有關(guān)，若采用鐓粗工序，為防止鐓彎和便于下料，坯料的高度與直徑之比應(yīng)為1.5～2.5。若采用拔長工序，則應(yīng)滿足鍛造比要求。典型鍛件的鍛造比見表3-1。表3-1典型鍛件的鍛造比

3)正確設(shè)計變形工序

設(shè)計變形工序的依據(jù)是鍛件的形狀、尺寸、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)條件等。設(shè)計變形工序包括鍛件成型所必需的基本工序、輔助工序和精整工序，以及完成這些工序所使用的工具，確定各工序的順序和工序尺寸等。一般而言，盤類零件多采用鐓粗(或拔長

鐓粗)和沖孔等工序；軸類零件多采用拔長、切肩和鍛臺階等工序。一般鍛件的分類及采用的工序見表3-2。表3-2一般鍛件的分類及采用的工序

4)選擇設(shè)備

一般根據(jù)鍛件的變形面積、鍛件材質(zhì)、變形溫度等因素選擇設(shè)備噸位?？諝忮N頭落下部分的重量表示其噸位。空氣錘的噸位一般為650～1500N。合理地選擇設(shè)備噸位，可提高生產(chǎn)率，降低消耗。

除上述內(nèi)容外，鍛造工藝規(guī)程還應(yīng)包括加熱規(guī)范、加熱火次、冷卻規(guī)范和鍛件的后續(xù)處理等。

4.自由鍛實(shí)例

表3-3為半軸的自由鍛造工序。表3-3半軸自由鍛工藝卡5.自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性

由于鍛造是在固態(tài)下成型的，鍛件所能達(dá)到的復(fù)雜程度遠(yuǎn)不如鑄件，而自由鍛件的形狀和尺寸主要靠人工的操作技術(shù)來保證。因此，對自由鍛零件結(jié)構(gòu)工藝性總的要求是在滿足使用要求的前提下，零件形狀應(yīng)盡量簡單、規(guī)則，以達(dá)到方便鍛造、節(jié)約金屬和提高生產(chǎn)率的目的。自由鍛結(jié)構(gòu)工藝性如表3-4所示。但是不能由此認(rèn)為，自由鍛工藝只限于加工形狀簡單的零件，在實(shí)際需要時，依靠工人的技術(shù)并借助一些專用工具，自由鍛也可以鍛造出形狀相當(dāng)復(fù)雜的鍛件。表3-4自由鍛結(jié)構(gòu)工藝性3.3.3模型鍛造和胎模鍛造

1.模型鍛造

模型鍛造是利用模具使加熱后的金屬坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法。在變形過程中，金屬的流動受到模具的限制和引導(dǎo)，從而獲得要求形狀的鍛件。模型鍛造與自由鍛相比具有以下特點(diǎn)：

(１)由于有模具引導(dǎo)金屬的流動，鍛件的形狀可以比較復(fù)雜。

(２)鍛件內(nèi)部的纖維組織比較完整，從而提高了零件的力學(xué)性能和使用壽命。

(３)鍛件尺寸精度高，表面光潔，能節(jié)約材料和節(jié)約切削加工工時。

(４)生產(chǎn)率高，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。

(５)所用鍛模價格較昂貴，模具材料通常為5CrNiMo或5CrMnMo等模具鋼，而且模具加工困難，制造周期長，故模鍛適用于大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)批量越大，成本越低。

(６)需要能力較大的專用設(shè)備。由于模鍛是整體變形，并且金屬流動時與模具之間產(chǎn)生很大的摩擦力，因此所需設(shè)備噸位大。目前，由于設(shè)備能力限制，模鍛只適用于中、小型鍛件的大批量生產(chǎn)。鍛件的質(zhì)量為0.5kg～150kg。

按使用設(shè)備類型不同，模鍛又分為錘上模鍛、曲柄壓力機(jī)上模鍛、摩擦壓力機(jī)上模鍛、平鍛機(jī)上模鍛等。本節(jié)主要介紹錘上模鍛，其工藝適應(yīng)性廣泛，是典型的模型的常用鍛造方法。

1)鍛模結(jié)構(gòu)

如圖3-25所示，錘上模鍛用的鍛模由帶燕尾的上模和下模兩部分組成，上、下模分別用楔鐵固定在錘頭和模座上，上、下模閉合所形成的空腔即為模膛。模膛是進(jìn)行模鍛生產(chǎn)的工作部分，按其作用來分，模膛可分為模鍛模膛和制坯模膛。

圖3-25模鍛示意圖

(１)制坯模膛。對于形狀復(fù)雜的鍛件，為了使坯料形狀、尺寸盡量接近鍛件，使金屬能合理分布及便于充滿模膛，就必須讓坯料預(yù)先在制坯模膛內(nèi)制坯。制坯模膛主要有以下幾種形式。

①拔長模膛。拔長模膛是用來減小坯料某部分的橫截面積而增加該部分長度，如圖3-26所示。操作時，坯料要送進(jìn)，也需要翻轉(zhuǎn)。

②滾壓模膛。滾壓模膛是用來減小坯料某部分的橫截面積增大另一部分的橫截面積，如圖3-27所示。操作時，坯料需要不斷翻轉(zhuǎn)。

③彎曲模膛。彎曲模膛是用于軸線彎曲的桿形鍛件的彎曲制坯，如圖3-28所示。

圖3-26拔長模膛

圖3-27滾壓模膛

圖3-28彎曲模膛此外還有切斷模膛、鐓粗臺和擊扁面模膛等類型的制坯模膛。

(２)模鍛模膛。鍛模上進(jìn)行最終鍛造以獲得鍛件的工作部分稱為模鍛模膛。模鍛模膛分為預(yù)鍛模膛和終鍛模膛兩種。

①預(yù)鍛模膛。預(yù)鍛模膛的作用是使坯料變形到接近鍛件的形狀和尺寸，再進(jìn)行終鍛，金屬容易充滿模膛成型，以減小終鍛模膛的磨損。對形狀簡單、批量不大的鍛件，可不必采用預(yù)鍛模膛。

②終鍛模膛。模膛形狀及尺寸與鍛件形狀及尺寸基本相同，但因鍛件的冷卻收縮，模膛尺寸應(yīng)比鍛件大一個金屬收縮量，鋼件收縮量可取1.5%。終鍛模膛沿模膛四周設(shè)有飛邊槽，如圖3-29所示，其作用是容納多余的金屬；飛邊槽橋部的高度小，對流向倉部的金屬形成很大的阻力，可迫使金屬充滿模膛；飛邊槽中形成的飛邊能緩和上、下模間的沖擊，延長模具壽命。飛邊槽在鍛后利用壓力機(jī)上的切邊模去除。

圖3-29飛邊槽結(jié)構(gòu)終鍛模膛和預(yù)鍛模膛的區(qū)別在于預(yù)鍛模膛的圓角和斜度較大，并且沒有飛邊槽。

根據(jù)鍛件的復(fù)雜程度不同，鍛?？煞譃閱翁佩懩：投嗵佩懩煞N。單膛鍛模是在一副鍛模上只有終鍛模膛；多膛鍛模是在一副鍛模上具有兩個以上模膛的鍛模，比如可以有拔長、滾壓、預(yù)鍛和終鍛模膛。

2)模鍛工藝規(guī)程的制定

模鍛工藝規(guī)程包括繪制模鍛件圖、確定模鍛工序步驟、計算坯料、選擇設(shè)備噸位及確定修整工序等。

(１)繪制模鍛件圖。鍛件圖是鍛造生產(chǎn)的基本技術(shù)文件，是設(shè)計和制造鍛模、計算坯料和檢查鍛件的依據(jù)。其中模鍛件的敷料、加工余量和鍛造公差與自由鍛件的相同，但由于模鍛時金屬坯料是在鍛模中成型的，模鍛件的尺寸較精確，所需敷料少，加工余量和鍛造公差均較自由鍛件的小，具體數(shù)值的確定可參考鍛工手冊。另外，在繪制模鍛件圖時，還應(yīng)考慮下列內(nèi)容。

①選擇分模面。上模和下模在鍛件上的分界面稱為分模面。分模面的選擇將影響鍛件的成型質(zhì)量、材料利用率和成本等問題，對比圖3-30中鍛件的四種分模方案，可說明其選擇原則。

圖3-30分模面的選擇比較

(a)鍛件應(yīng)能從模膛中順利取出，以a-a面為分模面，鍛件無法取出。一般情況下，分模面應(yīng)選在鍛件最大截面處。

(b)應(yīng)使上、下模沿分模面的模膛輪廓一致，便于發(fā)現(xiàn)在模鍛過程中出現(xiàn)的上、下模間錯移，c-c面不符合要求，通常分模面應(yīng)選在鍛件外形無變化處。

(c)應(yīng)盡量減少敷料，以降低材料消耗和減少切削加工工作量，若以b-b作分模面，則孔不能鍛出，需加敷料。

(d)模膛深度應(yīng)盡量小，以利于金屬充滿模膛，便于取出鍛件，且利于模膛的加工，因此b-b面不適合作分模面。

(e)分模面應(yīng)為平直面，以簡化模具加工。

綜上所述，圖3-30中的d-d面作分模面是合理的。

②模鍛斜度。為便于從模膛中取出鍛件，鍛件上垂直于分模面的表面均應(yīng)有斜度，稱為模鍛斜度，如圖3-31所示鍛件外壁上的斜度α1叫外壁斜度，鍛件內(nèi)壁上的斜度α2叫內(nèi)壁斜度。鍛件的冷卻收縮使其外壁離開模膛，但內(nèi)壁收縮會把模膛內(nèi)的凸起部分夾得更緊。因此，內(nèi)壁斜度α2應(yīng)比外壁斜度α1大，鋼件的模鍛斜度一般為α1＝5°～7°，α2＝7°～12°。

圖3-31模鍛斜度與圓角半徑③圓角半徑。鍛件上凡是面與面的相交處均應(yīng)成圓角過渡，如圖3-31所示。這樣在鍛造時，金屬易于充滿模膛，減少模具的磨損，提高模具的使用壽命。外凸的圓角半徑r叫外圓角半徑，內(nèi)凹的圓角半徑Ｒ叫內(nèi)圓角半徑。圓角半徑的數(shù)值與鍛件的形狀、尺寸有關(guān)，通常取r＝1.5mm～12mm，R＝(2～3)r。模膛越深，圓角半徑取值越大。

④沖孔連皮?？讖絛＞30mm的孔可以鍛出，但不能鍛出通孔，必須留有一層金屬，稱為沖孔連皮，鍛后沖去沖孔連皮，才能獲得通孔鍛件。沖孔連皮的厚度S應(yīng)適當(dāng)，厚度太小，增大了鍛造力，加速了模具的磨損；厚度太大，不僅浪費(fèi)金屬，且使沖力增加。沖孔連皮厚度的數(shù)值與孔徑、孔深有關(guān)，當(dāng)d＝30mm～80mm時，一般取S＝4mm～8mm。

模鍛鍛件圖可根據(jù)上述內(nèi)容繪制，圖3-32為齒輪坯的模鍛件圖。圖3-32中雙點(diǎn)劃線為零件輪廓外形，分模面選在零件高度方向的中部。零件輪輻部分不加工，故不留加工余量，內(nèi)孔中部兩直線為沖孔連皮切掉后的痕跡。

圖3-32齒輪坯模鍛件圖

(２)確定模鍛工序步驟。確定模鍛工序步驟的主要依據(jù)是鍛件的形狀和尺寸。模鍛件按其外形可分為盤類鍛件和軸(桿)類鍛件。

盤類鍛件終鍛時，金屬沿高度、寬度及長度方向均產(chǎn)生流動。這類鍛件的變形工序步驟通常是鐓粗制坯和終鍛成型。形狀簡單的盤類零件，可只用終鍛成型工序。

軸(桿)類鍛件的長度與寬度(直徑)相差較大，鍛造過程中錘擊方向與坯料軸線垂直。終鍛時，金屬沿高度、寬度方向流動，長度方向流動不顯著，制造時需采用拔長、滾壓等工序制坯。對于形狀復(fù)雜的鍛件，還需選用預(yù)鍛工序，最后在終鍛模膛中模鍛成型。

(３)計算坯料。模鍛件的坯料質(zhì)量按下式計算：

Ｇ坯＝(Ｇ鍛＋Ｇ飛)(１＋δ％)(kg)

式中：Ｇ坯表示坯料質(zhì)量(kg)；Ｇ鍛表示模鍛件質(zhì)量(kg)；Ｇ飛表示飛邊質(zhì)量(kg)，與鍛件形狀和大小有關(guān)，差別較大，一般可按鍛件質(zhì)量的15%～25%計算，形狀復(fù)雜件取上限，形狀簡單件取下限；δ表示氧化燒損率，按鍛件與飛邊質(zhì)量之和的3%～4%計算。

模鍛件坯料尺寸與鍛件形狀有關(guān)。

對以鐓粗為主要變形的盤類鍛件，其坯料尺寸可按下式計算：

式中：Ｈ坯表示坯料高度(mm)；Ｄ坯表示坯料直徑(mm)。

對以拔長為主要變形的軸類鍛件，其坯料尺寸可按下式計算：式中：Ｌ坯表示坯料長度(mm)；Ｆ坯表示坯料截面積(mm２)；Ｖ坯表示坯料體積(mm3)；Ｄ坯表示坯料直徑(mm)。

(４)設(shè)備噸位選擇。鍛錘噸位可根據(jù)鍛件重量和形狀，查閱鍛工手冊。鍛錘噸位一般為75kN～160kN。

(５)確定修整工序。終鍛只是完成了鍛件最主要的成型過程，成型后尚需經(jīng)過切邊、沖孔、校正、熱處理、清理等修整工序，才能得到合格的鍛件。對于精度和表面粗糙度要求嚴(yán)格的鍛件，還要進(jìn)行精壓。

①切邊和沖孔。切邊是切除鍛件分模面四周的飛邊，如圖3-33(a)所示。沖孔是沖去鍛件上的沖孔連皮，如圖3-33(b)所示。切邊模和沖孔模均由凸模(沖頭)和凹模組成。切邊時，鍛件放在凹模內(nèi)孔的刃口上，凹模的內(nèi)孔形狀與鍛件和分模面上的輪廓一致。凹模的刃口起剪切作用，凸模只起推壓作用。沖孔時則相反，沖孔時凹模起支承作用，而帶刃口的凸模起剪切作用。

圖3-33切邊和沖孔模示意圖(a)切邊模；(b)沖孔模切邊與沖孔在壓力機(jī)上進(jìn)行，分為熱切(沖)和冷切(沖)。熱切(沖)是利用模鍛后的余熱立即進(jìn)行切邊和沖孔，其特點(diǎn)是所需切斷力小，鍛件塑性好，不易產(chǎn)生裂紋，但容易產(chǎn)生變形；冷切(沖)則在室溫下進(jìn)行，勞動條件好，生產(chǎn)率高，變形小，模具易調(diào)整，但所需設(shè)備噸位大，鍛件易產(chǎn)生裂紋。較大的鍛件和高碳鋼、高合金鋼鍛件常采用熱切；中碳鋼和低合金鋼的小型鍛件常采用冷切。

②校正。在模鍛、切邊、沖孔及其他工序中，由于冷卻不均、局部受力等原因而引起鍛件產(chǎn)生變形，如果超出允許范圍，則在切邊、沖孔后需進(jìn)行校正。校正分為熱校正和冷校正，熱校正一般用于大型鍛件、高合金鍛件和容易在切邊和沖孔時變形的復(fù)雜鍛件；冷校正作為模鍛生產(chǎn)的最后工序，一般安排在熱處理和清理工序之后，用于結(jié)構(gòu)鋼的中小型鍛件和容易在冷切邊、冷沖孔及熱處理和清理中變形的鍛件。校正可在終鍛模膛或?qū)ｉT的校正模內(nèi)進(jìn)行。

③熱處理。為了消除模鍛件的過熱組織或加工硬化組織，提高模鍛件的力學(xué)性能，一般采用正火或退火對模鍛件進(jìn)行熱處理。

④清理。模鍛或熱處理后的模鍛件還需進(jìn)行表面處理，去除在生產(chǎn)過程中形成的氧化皮、所沾油污和殘余毛刺等，以提高模鍛件的表面質(zhì)量，改善模鍛件的切削加工性能。

⑤精壓。這是一種提高鍛件精度和降低表面粗糙度的加工方法，通常在校正后進(jìn)行。精壓在精壓機(jī)上進(jìn)行，也可在摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行，精壓分為平面精壓和整體精壓，如圖3-34所示。平面精壓主要用來獲得模鍛件某些平行平面間的精確尺寸；整體精壓主要用來提高模鍛件所有尺寸的精度，減少鍛件質(zhì)量的差別。

圖3-34精壓

(a)平面精壓；(b)整體精壓

3)模鍛件結(jié)構(gòu)的工藝性

設(shè)計模鍛零件時，應(yīng)根據(jù)模鍛的特點(diǎn)和工藝要求，使零件結(jié)構(gòu)符合下列原則，以便于加工和降低成本：

(１)鍛件應(yīng)具有合理的分模面，以滿足制模方便、金屬容易充滿模膛、鍛件便于出模及敷料最少的要求。

(２)鍛件上與分模面垂直的非加工表面，應(yīng)設(shè)計有結(jié)構(gòu)斜度，非加工表面所形成的角都應(yīng)按模鍛圓角設(shè)計。

(３)在滿足使用要求的前提下，鍛件形狀應(yīng)力求簡化，尤其應(yīng)避免薄片、高筋、高臺等結(jié)構(gòu)，如圖3-35(a)所示的零件凸緣高而薄，兩凸緣間形成較深的凹槽，難于用模鍛方法鍛制。圖3-35(b)所示的零件扁而薄，模鍛對薄壁部分易冷卻，不易充滿模膛，同時對鍛模也不利。圖3-35(c)所示的零件有一高而薄的凸緣，使鍛模制造及取出鍛件困難，在不影響零件使用的條件下，改為圖3-35(d)所示的零件的形狀，則其工藝性大為改善。

圖3-35模鍛零件形狀

2.胎模鍛造

胎模鍛造是在自由鍛設(shè)備上使用胎模生產(chǎn)模鍛件的一種鍛造方法，簡稱胎模鍛。胎模鍛一般用自由鍛方法制坯，然后在胎模中最后成型。胎模是不固定在鍛造設(shè)備上的模具。

與自由鍛比較，胎模鍛的生產(chǎn)率高，鍛件質(zhì)量好，且鍛件尺寸精度較高，因而敷料少，加工余量小，成本低。與模鍛比較，胎模鍛不需用昂貴的模鍛設(shè)備，工藝操作靈活，可以局部成型，胎模制造簡單，但工人勞動強(qiáng)度較大，尺寸精度較低，生產(chǎn)率不夠高。

胎模鍛兼有自由鍛和模鍛的特點(diǎn)，在沒有模鍛設(shè)備的工廠，胎模鍛被廣泛地用于鍛件的批量生產(chǎn)。

胎?？煞譃榭勰！⑼材：秃夏Ｈ?。

1)扣模

扣膜由上、下扣組成，或只有下扣，上扣由鍛錘的上砥鐵代替，如圖3-36所示?？勰ｅ懺鞎r，工件不轉(zhuǎn)動，它常用于非回轉(zhuǎn)鍛件的整體成型或局部成型。

圖3-36扣模

2)筒模

筒模也叫套模，又分開式筒模和閉式筒模，主要用于齒輪、法蘭盤等回轉(zhuǎn)體盤類鍛件的生產(chǎn)。形狀簡單的鍛件，只用一個筒模就可生產(chǎn)，如圖3-37所示；而形狀復(fù)雜的鍛件，則需要用組合筒模，如圖3-38所示。

圖3-37筒模

圖3-38組合筒模

圖3-39合模

3)合模

合模屬于成型模，由上模和下模兩部分組成，如圖3-39所示。為防止上、下模間錯移，模具上設(shè)有導(dǎo)銷、導(dǎo)套或?qū)фi等導(dǎo)向定位裝置，在模膛四周設(shè)飛邊槽。合模的通用性強(qiáng)，適用于各種鍛件，尤其是形狀復(fù)雜的連桿、叉形等非回轉(zhuǎn)體鍛件的成型。

胎模鍛造的生產(chǎn)工藝過程包括制定工藝規(guī)程、胎模制造、備料、加熱、鍛制及后續(xù)工序等。其中在胎模鍛造工藝規(guī)程制定中，分模面可靈活選取，數(shù)量不限于一個，并且在不同工序中可以選取不同的分模面，以便于制造胎模和使鍛件成型。

3.4.1沖壓的特點(diǎn)及應(yīng)用

沖壓是利用裝在沖床上的沖模，使板料產(chǎn)生分離和變形，從而獲得毛坯或零件的壓力加工方法。一般板料是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行沖壓的，所以又叫冷沖壓，適用于厚度在6mm以下的金屬板料，而當(dāng)板料厚度超過8mm～10mm時，需采用熱沖壓。沖壓加工廣泛地應(yīng)用于各種金屬制品的生產(chǎn)中，尤其是在汽車、拖拉機(jī)、航空、軍事、電器、儀表等金屬加工領(lǐng)域中，沖壓占有十分重要的地位。3.4沖壓

沖壓具有以下的特點(diǎn)：

(１)可生產(chǎn)形狀復(fù)雜而有較高精度和較低表面粗糙度的沖壓件，沖壓件具有質(zhì)量輕、互換性好、強(qiáng)度高、剛性好的特點(diǎn)。

(２)材料利用率高，一般可達(dá)70%～80%。

(３)生產(chǎn)率高，每分鐘可沖壓百件至數(shù)千件，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，故零件成本低。

(４)適應(yīng)性強(qiáng)，金屬和非金屬材料均可用沖壓方法加工，沖壓件可大可小，小的如儀表零件，大的如汽車、飛機(jī)的表面覆蓋件等。

冷沖壓模具制造復(fù)雜，材料(一般用高速鋼、Cr12、Cr12MoV等)價格高，在大批量生產(chǎn)時沖壓加工方法的優(yōu)越性比較突出。沖壓生產(chǎn)通常采用具有足夠塑性的金屬材料，如低碳鋼、低碳合金鋼、銅、鋁、鎂及其合金等。非金屬材料也廣泛采用沖壓加工方法，如石棉板、塑料、硬橡皮、皮革等。沖壓原材料的形狀有板料、條料及帶料等。

沖壓生產(chǎn)常用的設(shè)備有剪床和沖床。剪床的用途是將板料切成一定寬度的條料，以供下一步?jīng)_壓工序用。常用的剪床有平刃剪、斜刃剪和圓盤剪等。沖床是沖壓的基本設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)沖壓工序，以制成所需形狀和尺寸的成品零件。3.4.2板料的沖壓成型性能

板料對各種沖壓成型加工的適應(yīng)能力稱為板料的沖壓成型性能。

1.沖壓成型性能的表現(xiàn)形式

沖壓成型性能是個綜合性的概念，可通過兩個主要方面體現(xiàn)，即成型極限和沖壓件

質(zhì)量。

在沖壓成型中，材料的最大變形極限稱為成型極限。對不同的成型工序，成型極限應(yīng)采用不同的極限變形系數(shù)來表示。例如彎曲工序的最小相對彎曲半徑、拉深工序的極限拉深系數(shù)等等。這些極限變形系數(shù)可以在各種沖壓手冊中查到，也可通過實(shí)驗(yàn)求得。如果沖壓成型過程中，板料的變形超過了成型極限，則會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，即受拉部位發(fā)生縮頸斷裂，受壓部位發(fā)生起皺。為了提高沖壓成型極限，必須提高板材的塑性指標(biāo)和增強(qiáng)抗拉、抗壓的能力。

沖壓零件不但要求具有所需形狀，還必須保證產(chǎn)品質(zhì)量。沖壓件的質(zhì)量指標(biāo)主要是厚度變薄率、尺寸精度、表面質(zhì)量以及成型后材料的物理力學(xué)性能等。

在伸長類變形時，板厚變薄，它會直接影響到?jīng)_壓件的強(qiáng)度，故對強(qiáng)度有要求的沖壓件往往要限制其最大變薄率。

影響沖壓件尺寸和形狀精度的主要原因是回彈與畸變。由于在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，卸載后會出現(xiàn)變形回復(fù)現(xiàn)象，即回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致尺寸及形狀精度的降低。沖壓件的表面質(zhì)量主要是指成型過程中引起的擦傷。產(chǎn)生擦傷的原因除沖模間隙不合理或不均勻、模具表面粗糙外，往往還由于材料黏附模具所致。

2.沖壓成型性能與板料力學(xué)性能的關(guān)系

板料沖壓性能與板料的力學(xué)性能有密切關(guān)系。一般來說，板料的強(qiáng)度指標(biāo)越高，產(chǎn)生相同變形量所需的力就越大；塑性指標(biāo)越高，成型時所能承受的極限變形量就越大；剛性指標(biāo)越高，成型時抗失穩(wěn)起皺的能力就越大。對板料沖壓成型性能影響較大的力學(xué)性能指標(biāo)有以下幾項(xiàng)。

1)屈服極限σs

屈服極限σs小，材料容易屈服，則變形抗力小，產(chǎn)生相同變形所需的變形力就小，并且屈服極限小，當(dāng)壓縮變形時，屈服極限小的材料因易于變形而不易出現(xiàn)起皺，對彎曲變形則回彈小。

2)屈強(qiáng)比σs／σb

屈強(qiáng)比小，說明屈服極限值小而強(qiáng)度極限值大，即容易產(chǎn)生塑性變形而不易產(chǎn)生拉裂，也就是說，從產(chǎn)生屈服至拉裂有較大的塑性變形區(qū)間。尤其是對壓縮類變形中的拉深變形而言，具有重大影響，當(dāng)變形抗力小而強(qiáng)度高時，變形區(qū)的材料易于變形而不易起皺，傳力區(qū)的材料又有較高強(qiáng)度而不易拉裂，有利于提高拉深變形的變形程度。

3)延伸率δ

拉伸試驗(yàn)中，試樣拉斷時的延伸率稱為總延伸率或簡稱延伸率δ。而試樣開始產(chǎn)生局部集中變形(縮頸時)的伸長率稱為均勻延伸率δu。δu表示板料產(chǎn)生均勻的或穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板料在伸長類變形中的沖壓成型性能，從實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，大多數(shù)材料的翻孔變形程度都與均勻延伸率成正比?？梢缘贸鼋Y(jié)論：延伸率或均勻延伸率是影響翻孔或擴(kuò)孔成型性能的最主要參數(shù)。

4)硬化指數(shù)n

單向拉伸硬化曲線可表示為公式σ＝Kεn，其中指數(shù)n即為硬化指數(shù)，表示在塑性變形中材料的硬化程度。硬化指數(shù)越大，在變形中材料加工硬化越嚴(yán)重。硬化使材料強(qiáng)度的提高得到加強(qiáng)，于是增大了均勻變形的范圍。對伸長類變形(如脹形)，硬化指數(shù)大的材料變形均勻，變薄趨勢減小，厚度分布均勻，表面質(zhì)量好，增大了極限變形程度，零件不易產(chǎn)生裂紋。

5)厚向異性指數(shù)γ

板料的力學(xué)性能因方向不同而出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象稱為各向異性。厚向異性系數(shù)是指單向拉伸試樣寬度應(yīng)變和厚度應(yīng)變之比，表示板料在厚度方向上的變形能力。厚向異性指數(shù)越大，表示板料越不易在厚度方向上產(chǎn)生變形，即不易出現(xiàn)變薄或增厚。厚向異性指數(shù)對壓縮類變形的拉深影響較大，當(dāng)厚向異性指數(shù)增大時，板料易于在寬度方向變形，可減小起皺的可能性，而板料受拉處厚度不易變薄，又使拉深不易出現(xiàn)裂紋，因此厚向異性指數(shù)較大時，有助于提高拉深變形程度。

3.常用沖壓材料及其力學(xué)性能

沖壓最常用的材料是金屬板料，表3-5列出了部分常用沖壓材料的力學(xué)性能。表3-5部分常用沖壓材料的力學(xué)性能3.4.3沖壓基本工序

沖壓生產(chǎn)的基本工序可分為分離工序和變形工序兩種。

1.分離工序

分離工序是使板料的一部分與其另一部分產(chǎn)生相互分離的工序，如落料、沖孔、切斷和修整等，并統(tǒng)稱為沖裁。在表3-6中給出了分離工序的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。表3-6分離工序的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1)沖裁

沖裁一般習(xí)慣上專指落料和沖孔。這兩個工序的板料變形過程和模具結(jié)構(gòu)都是一樣的，只是模具的用途不同。沖孔的目的是在板料上沖出孔洞，沖落部分為廢料；而落料相反，沖落部分為成品，周邊為廢料。

(1)沖裁變形過程分析。沖裁變形過程對控制沖裁件質(zhì)量、提高沖裁件的生產(chǎn)率、合理設(shè)計沖裁模結(jié)構(gòu)是很重要的。沖裁變形過程大致可分為彈性變形、塑性變形、斷裂分離三個階段，如圖3-40所示。

圖3-40沖裁變形過程①彈性變形階段。凸模接觸板料后，開始使板料產(chǎn)生彈性壓縮、拉伸和彎曲等變形。隨著沖頭繼續(xù)壓入，材料的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到彈性極限。此時，凸模下的材料略有彎曲，凹模上的材料則向上翹。凹、凸模間的間隙愈大，彎曲和上翹愈嚴(yán)重。

②塑性變形階段。當(dāng)凸模繼續(xù)壓入，沖壓力增加，材料的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，便開始進(jìn)入塑性變形階段。此時，材料內(nèi)部的拉應(yīng)力和彎矩都增大，位于凹、凸模刃口處的材料硬化加劇，直到刃口附近的材料出現(xiàn)微裂紋，沖裁力達(dá)到最大值，材料開始被破壞，塑性變形結(jié)束。

圖3-41沖裁件斷面特征③斷裂分離階段。當(dāng)凸模再繼續(xù)深入時，已形成的上、下微裂紋逐漸擴(kuò)大并向內(nèi)延伸，當(dāng)上、下裂紋相遇重合時，材料被剪斷分離而完成整個沖裁過程。

沖裁件被剪斷分離后斷面的區(qū)域特征如圖3-41所示。

沖裁件的斷面可明顯地分為塌角、光亮帶、剪裂帶和毛刺四個部分。圖3-41中，a為塌角。形成塌角的原因是當(dāng)凸模壓入材料時，刃口附近的材料被牽連拉入凹模變形而造成的；b為光亮帶，是模具刃口切入后，在材料和模具側(cè)面接觸當(dāng)中被擠光的光滑面，其表面質(zhì)量較佳；c為剪裂帶，是由裂紋擴(kuò)展形成的粗糙面，略帶有斜度，不與板料平面垂直，其表面質(zhì)量較差；d為毛刺，呈豎直環(huán)狀，是模具拉擠的結(jié)果。一般要求沖裁件有較大的光亮帶，盡量減小斷裂帶區(qū)域的寬度。由以上分析可見，一般沖裁件的斷面質(zhì)量不高，為了順利地完成沖裁過程和提高沖裁件斷面質(zhì)量，不僅要求凸模和凹模的工作刃口必須鋒利，而且要求凸模和凹模之間要有適當(dāng)間隙。

(２)沖裁模間隙。沖裁模間隙是一個重要的工藝參數(shù)，它不僅對沖裁件的斷面質(zhì)量有極重要的影響，而且還影響模具的壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度等。在實(shí)際沖裁生產(chǎn)中，主要考慮沖裁件的斷面質(zhì)量和模具壽命這兩個因素來選擇合理的沖裁模間隙。

①間隙對斷面質(zhì)量的影響。間隙過大或過小均導(dǎo)致上、下兩面的剪切裂紋不能相交重合于一線，如圖3-42所示。間隙太小時，凸模刃口附近的裂紋比正常間隙向外錯開一段距離。這樣，上、下裂紋中間的材料隨著沖裁過程的進(jìn)行將被第二次剪切，并在斷面上形成第二光亮帶，如圖3-42(b)和圖3-43(a)所示，中部留下撕裂面，毛刺也增大；間隙過大時，剪裂紋比正常間隙時遠(yuǎn)離凸模刃口，材料受到拉伸力較大，光亮帶變小，毛刺、塌角、斜度也都增大，如圖3-43(c)所示。因此，間隙過小或過大均使沖裁件斷面質(zhì)量降低，同時也使沖裁件尺寸與沖模刃口尺寸偏差增大。間隙合適，如圖3-43(b)所示，即在合理的間隙范圍內(nèi)，上、下裂紋重合于一線，這時光亮帶約占板厚的1／3左右，塌角、毛刺、斜度也均不大，沖裁件的斷面質(zhì)量較高，可以滿足一般沖裁要求。

圖3-42間隙對裂紋重合的影響(a)間隙過大；(b)間隙過小

圖3-43間隙對沖裁件斷面的影響(a)間隙過?。?b)間隙合適；(c)間隙過大②間隙對模具壽命的影響。在沖裁過程中，凸模與被沖的孔之間、凹模與落料件之間均有較大摩擦，而且間隙越小，摩擦越嚴(yán)重。在實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)槟＞呤艿街圃煺`差和裝配精度的限制，凸模不可能絕對垂直于凹模平面，間隙也不會均勻分布，所以過小的間隙對模具壽命不利，而較大的間隙有利于提高模具壽命。因此，對沖裁件斷面質(zhì)量無嚴(yán)格要求時，應(yīng)盡可能加大間隙，以利于提高沖裁模具的壽命。

在生產(chǎn)中，沖裁模的間隙值是根據(jù)材料的種類和厚度來確定的，通常雙邊間隙為板厚的5%~10%。

(３)凸模和凹模刃口尺寸的確定。沖裁件的尺寸和沖裁模間隙都取決于凸模和凹模刃口的尺寸。因此，必須正確地確定沖裁模刃口尺寸及其公差。在落料時，應(yīng)使落料模的凹模刃口尺寸等于落料件的尺寸，而凸模的刃口尺寸等于凹模刃口尺寸減去雙邊間隙值。在沖孔時，應(yīng)使沖孔模的凸模刃口尺寸等于被沖孔徑尺寸，而凹模刃口尺寸等于凸模刃口尺寸加上雙邊間隙值?？紤]到?jīng)_裁模在使用過程中有磨損，落料件的尺寸會隨凹模刃口的磨損而增大，而沖孔的尺寸則隨凸模刃口的磨損而減小。因此，落料時所取得凹模刃口尺寸應(yīng)靠近落料件公差范圍內(nèi)的最小尺寸，而沖孔時所取得凸模刃口尺寸應(yīng)靠近孔的公差范圍內(nèi)的最大尺寸。不論是落料還是沖孔，沖裁模間隙均應(yīng)采用合理間隙范圍內(nèi)的最小值，這樣才能保證沖裁件的尺寸要求，并提高模具的使用壽命。

(４)沖裁力的計算。沖裁力是確定設(shè)備噸位和檢驗(yàn)?zāi)＞邚?qiáng)度的重要依據(jù)。一般沖模刃口為平的，當(dāng)沖裁高強(qiáng)度材料或厚度大、周邊長的工件時，沖裁力很大，如超過現(xiàn)有設(shè)備負(fù)荷，必須采取措施降低沖裁力，常用的方法有采用熱沖，或使用斜刃口模具以及階梯形凸模等。

平刃沖模的沖裁力(P)可按下式計算：

Ｐ＝KLSτb×10－3(kN)

式中：Ｋ表示系數(shù)，一般可?。耍?.3；Ｌ表示沖裁件邊長(mm)；Ｓ表示沖裁件厚度(mm)；τb表示材料的抗剪強(qiáng)度(ＭＰａ)，為便于估算，可取τb＝0.8σb。

(５)沖裁件的排樣。為了節(jié)省材料和減少廢料，應(yīng)對落料件進(jìn)行合理排樣。排樣是指落料件在條料、帶料或板料上進(jìn)行布置的方法。圖3-44為同一落料件的四種排樣法，其中圖3-44(d)為無搭邊排樣，其用料最少，但落料件尺寸不易精確，毛刺不在同一平面，質(zhì)量較差。生產(chǎn)中大多采用有搭邊排樣法，其他三種均為有搭邊排樣法，而圖3-44(b)為最節(jié)省材料的布置方法。

圖3-44落料的排樣方法(a)、(b)、(c)有搭邊排樣；(d)無搭邊排樣２)修整

如果零件的精度要求較高，表面粗糙度較低，在沖裁之后可把工件的孔或落料件進(jìn)行修整。修整是利用修整模切掉沖裁件斷面的剪裂帶和毛刺。修整沖裁件的外形稱為外緣修整，修整沖裁件的內(nèi)孔稱為內(nèi)緣修整，如表3-6中的修整工序。修整所切除的余量較小，一般每邊約0.05mm～0.3mm，修整后的沖裁件精度可達(dá)IT6～I(xiàn)T7，表面粗糙度Ra值約為0.8μm～1.6μｍ。

2．變形工序

變形工序是使板料的一部分相對于另一部分產(chǎn)生位移而不破裂的工序，如拉伸、彎曲、翻邊、成型等。在表3-7中列出了變形工序的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。表3-7變形工序的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍以下主要介紹拉伸、彎曲、翻邊等工序的內(nèi)容，并以舉例說明。

１)拉伸

拉伸是利用模具將平板狀的坯料加工成中空形零件的變形工序，又稱為拉延或壓延，如圖3-45所示。

圖3-45拉伸工序

(１)拉伸過程的變形特點(diǎn)。將直徑為Ｄ的板料放在凹模上，在凸模的壓力作用下，金屬坯料被拉入凹模變形成空心零件。在拉伸過程中，與凸模底部相接觸的那部分材料基本不變形，最后形成拉伸件的底部，受到雙向拉伸作用，起到傳遞力的作用。環(huán)形部分在拉力的作用下，逐漸進(jìn)入凸模與凹模的間隙時，最終形成工件的側(cè)壁，基本不再發(fā)生變形，受到軸向拉應(yīng)力作用，坯料的厚度有所減小，側(cè)壁與底部之間的過渡圓角被拉薄得最為嚴(yán)重。拉伸件的法蘭部分是拉伸的主要變形區(qū)，這部分材料沿圓周方向受到壓縮，徑向方向受到拉伸，產(chǎn)生很大程度的變形，其厚度有所增大，會引起較大的加工硬化。

(２)拉伸過程中應(yīng)注意的問題。

①防止拉裂的措施。當(dāng)徑向拉應(yīng)力過大時，則使拉伸件被拉裂形成廢品，拉裂通常發(fā)生在側(cè)壁與底部之間的過渡圓角處，可通過合理設(shè)計模具和板料的工藝參數(shù)以及改善成型條件等來防止。防止拉裂的措施如下：

(a)拉伸模的凸、凹模應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膱A角半徑。對于鋼的拉伸件，一般取r凹＝10t，t為材料厚度，而r凸＝(0.6～1)r凹。若這兩個圓角半徑過小，坯料彎曲部位的應(yīng)力集中嚴(yán)重，則容易拉裂產(chǎn)品。

(b)拉伸模的凸、凹模應(yīng)選擇合理的間隙，一般取z＝(1.1～1.2)s，s為材料厚度。間隙過小，模具與坯料之間的摩擦力增大，容易拉裂，降低拉伸模的使用壽命；間隙過大，降低拉伸件的精度。

圖3-46拉伸件廢品(a)拉裂；(b)起皺

(c)每次拉伸中，應(yīng)控制拉伸系數(shù)，避免拉裂，如圖3-46(a)所示。拉伸系數(shù)是指拉伸件直徑d與坯料直徑Ｄ的比值，用ｍ表示，即ｍ＝d/D。拉伸系數(shù)越小，表明變形程度越大，坯料被拉入凹模越困難，越易產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象。一般取ｍ＝0.5～0.8，對于塑性好的金屬材料可取上限，塑性較差的金屬材料可取下限。若拉伸系數(shù)太小，不能一次拉伸成型時，則可采用多次拉伸工藝。在多次拉伸中，往往需要進(jìn)行中間退火處理，以消除前幾次拉伸中所產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象，使以后的拉伸能順利進(jìn)行。在多次拉伸中，拉伸系數(shù)ｍ值應(yīng)當(dāng)一次比一次略大些?？偟睦煜禂?shù)等于每次拉伸系數(shù)的乘積。

(d)拉伸過程應(yīng)具有良好的潤滑。通常在拉伸之前，坯料表面涂加潤滑劑(磷化處理)，以減少金屬流動阻力，減小摩擦，降低拉伸件的拉應(yīng)力，減小模具的磨損。

②防止起皺的措施。起皺是法蘭部分受切向壓應(yīng)力過大，板料失穩(wěn)而產(chǎn)生的現(xiàn)象，如圖3-46(b)所示。起皺與坯料的相對厚度(s/D，s為坯料厚度，D為坯料直徑)和拉伸系數(shù)有關(guān)，相對厚度越小或拉伸系數(shù)越小，則越容易起皺。

生產(chǎn)中常采用在模具中增加壓邊圈的方法，以增大坯料徑向拉力防止起皺，如圖3-47所示。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)坯料的相對厚度s/D×100＞2時，可以不用壓邊圈；當(dāng)s/D×100＜1.5時，必須用壓邊圈；當(dāng)s/D×100＝1.5～2時，可用也可不用壓邊圈，根據(jù)具體情況確定。

圖3-47有壓邊圈的拉伸２)彎曲

彎曲是使坯料的一部分相對于另一部分形成一定角度的變形工序，如圖3-48所示。彎曲過程中，坯料的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓縮變形，存在壓應(yīng)力；外側(cè)產(chǎn)生拉伸變形，存在拉應(yīng)力。

當(dāng)外側(cè)拉應(yīng)力超過坯料的抗拉強(qiáng)度時，會產(chǎn)生拉裂。盡量選用塑性好的材料，限制最小彎曲半徑rmin，使rmin≥(0.25～1)s，