锻造工艺及结构设计

2.2.4　锻造工艺及结构设计

锻造工艺是指零件的锻造工艺过程和操作规范，主要包括绘制锻件图，计算坯料的质量和尺寸，确定变形工序，确定锻造温度范围及锻后处理规范等。

2.2.4.1　自由锻的锻造工艺

1.绘制锻件图

锻件图（forging drawing）是指在零件图的基础上，考虑加工余量、锻件公差、工艺余块等所绘制的图样。锻件的轮廓用粗实线表示，零件的轮廓用双点画线表示。锻件的基本尺寸和公差标注在尺寸线的上方或左方，零件的基本尺寸标注在尺寸线的下方或右方，并且加圆括号表示。图2-26所示是一个台阶轴的锻件图。锻件图是锻造生产、锻件检验与验收的主要依据。

图2-26　台阶轴锻件毛坯图

（1）锻件的加工余量及公差　锻件加工余量（allowance for finish）是指为使零件具有一定精度和表面质量，在锻件表面需要加工的部分提供切削加工的一层金属，如图2-27所示。锻件公差（allowance）是指规定的锻件尺寸的允许变动量。锻件的加工余量及公差可根据JB4249—86确定。

图2-27　余量和余块

（2）余块　余块（excess metal）是指为简化锻件的外形及锻造过程，在锻件的某些地方添加的一些大于余量的一块金属，如图2-27所示。增设余块方便了锻件成形，但增加了切削加工工时和金属的消耗量。是否添加工艺余块应根据实际情况综合考虑。

2.计算坯料的重量及尺寸

坯料的重量可用下式表示：

坯料重量＝锻件重量＋氧化损失＋截料损失

表2-8　钢料加热烧损率

锻件重量可以按锻件的密度和体积计算。金属的氧化损失与加热炉的种类有关（见表2-8）。钢料在火焰炉中加热时，首次加热的损失按锻件重量的2%～3%计算，以后每次加热的损失按重量的1.5%～2%计算。截料损失是指冲孔、修正锻件形状等截去的金属。截料损失的多少与锻件形状的复杂程度有关。用钢材作坯料时，截料的损失通常按锻件重量的2%～4%计算；用钢锭作坯料时，切除的钢锭头部和底部也应列入截料损失。确定坯料尺寸时，应考虑到坯料在锻造过程中必须的变形程度，即锻造比的问题。对于以碳素钢锭作坯料并采用拔长方法锻造的锻件，锻造比一般不小于2.5～3；如果采用轧制的钢锭作坯料，则锻造比可取1.3～1.5。

根据计算所得的坯料重量和截面大小，即可确定坯料长度尺寸或选择适当尺寸的钢锭。

3.确定变形工序

锻件锻造工序的选择一般是先将锻件根据其形状特征进行大致分类，然后再根据其形状、尺寸、各种锻造工序的特点及已有的实践经验，结合现场条件来进行安排。表2-9所示为常见的锻件分类及所需锻造工序。

自由锻工序的选择与整个锻造工艺过程中的加热火次和变形程度有关。坯料的加热次数及每一次坯料成形所经工序都需明确规定，并在工艺卡上标出。

表2-9　锻件分类及所需锻造工序

续表

4.确定锻造温度范围及锻后处理规范

坯料的锻造温度范围和加热方式、锻件的冷却方式、热处理工艺、检验标准和检验方法，都应根据技术要求和实际生产条件确定，并填写在工艺卡片上。

例　分析图2-26所示锻件图的绘制过程。设锻件材料选用45钢，生产5件，锻造精度要求达到F级，试拟定锻件的锻造工艺过程。

解　（1）分析该锻件图的绘制过程　根据零件图的尺寸查JB4249—86知，零件总长为630～1 000mm，零件最大直径为120～160mm，F级精度锻件的余量及公差为12±5mm。该锻件形状简单，不必增设工艺余块。于是，根据零件图及余量、公差可以绘制锻件图。

（2）计算坯料的重量及尺寸　锻件的重量可以根据锻件图计算。自左向右将锻件分为4个圆柱体，它们的重量分别为m₁、m₂、m₃、m₄，坯料的密度按7.8×10³ kg/m³计算，则

锻件重量

m＝m₁＋m₂＋m₃＋m₄

＝（6.86＋10.74＋16.05＋12.45）kg＝46.1kg

设锻件一火锻成，并在火焰炉中加热。加热烧损量按锻件重量的3%计算，即为1.38kg。截料的损失按锻件的4%计算，即为1.84kg，则坯料的重量为49.3kg。

该锻件以钢材为坯料，可不考虑锻造比，按锻件的最大截面选用φ142mm圆钢。但热轧圆钢的标准直径中没有φ142mm，则只能选用φ150mm的热轧圆钢。

根据钢材的密度可以计算出坯料的体积为6 320.5cm³，在除以φ150mm圆钢的截面积，可算出坯料的长度为358mm。

（3）确定变形工序　图2-26所示轴类零件，其主要变形工序是拔长。但为了提高生产率，还采用压肩、切割等辅助工序。压肩是指用局部切割方法以加速拔长的变形工序，如图2-28a所示。拔长后应按长度尺寸要求切掉料头，如图2-28b所示。台阶轴锻件一端成形后应掉头压肩、按尺寸φ100mm拔长，如图2-28c、d所示。最后，再根据台阶长度拔长右端φ84mm部分，并根据右端台阶轴长度尺寸切掉料头得到锻件，如图2-28e所示。

图2-28　台阶轴锻造工序

a）压肩　b）一端拔长并切掉料头　c）掉头压肩　d）拔长　e）右端拔长并切掉料头

（4）确定锻造温度范围及锻后处理规范　由图2-4及表2-2可知，45钢始锻温度为1 200℃，终锻温度为800℃。采用火焰炉加热，以适应单件生产条件。

锻件重量为46kg，属中小件。45钢塑性较好，故无需采用特殊冷却方式，堆放空冷即可。

为消除锻造过程中产生的内应力，应进行去应力退火。粗加工后可调质处理，保证良好的综合力学性能。要求不高时，可以用正火代调质，以降低成本。

2.2.4.2　模锻的锻造工艺

1.绘制模锻锻件图

模锻锻件图（die forging drawing）是根据零件图及模锻工艺特点制订的，它是确定变形工序、设计和制造锻模、计算坯料和检验锻件的依据。在确定模锻锻件图时需预先考虑锻件的分模面、加工余量、锻造公差、工艺余块、模锻斜度及圆角半径等因素。

（1）分模面　分模面（die parting face）即锻模上、下模或凸、凹模的分界面。分模面可以是平面，也可以是曲面。锻件分模面的位置选择是否合理，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。其选择原则是：分模面应选在模锻件具有最大水平投影尺寸的位置上，最好为锻件中部的一个平面，并使锻件上加工余块最少，上、下模膛深度最浅且尽可能基本一致。这样可使上、下模膛具有相同的轮廓，易于发现上、下模的错移，金属容易充满模膛，便于取出锻件，并利于锻模的锻造。图2-29a中以d-d分模面位置最佳，b图中分模面a-a明显优于b-b和c-c。

图2-29　分模面的选择

a）饼块锻件　b）连杆锻件

在保证上述基本原则的基础上，为提高锻件质量和生产过程的稳定性，还应考虑以下要求：

1）饼块类锻件的高度小于或等于直径时，应取径向分模（见图2-29a中的dd），而不能选轴向分模（见图2-29a中的b-b），以利于锻模、切边模的加工制造和减少余块等金属消耗。

2）如图2-30所示，对于头部尺寸明显偏大的锻件，最好用曲面（见图2-30b中的b-b）而不用平面（见图2-30a中的a-a）分模，可使上、下模膛深度大致相同，有利于整个锻件充填成形。

3）有流线方向要求的锻件，应考虑锻件工作时的受力特点。如图2-31中的a-a面工作时承受切应力，其流线方向应与切应力垂直，为避免流线组织被切断，应选b-b面为分模面。

（2）加工余量、模锻公差和工艺余块　模锻件的加工余量（allowance for finish）和模锻公差（die forging allowance）比自由锻件小得多，其数值根据锻件大小、形状和精度等级有所不同，一般余量为1～4mm，公差为±0.3～±3mm之间，用时可查有关手册。因为模锻为成批生产，应尽量少加或不加工艺余块（technology excess metal）。

图2-30　头部偏大锻件的分模位置

a）平面分模　b）曲面分模

图2-31　有流线要求锻件的分模位置

（3）模锻斜度　为使锻件易于从模膛中取出，锻件与模膛侧壁接触部分需带一定斜度。锻件上的这一斜度称为模锻斜度（draft angle），如图2-32所示。模锻斜度不包括在加工余量内，一般取5°、7°、10°、12°等标准值。模膛深度与宽度之比较大时应取较大斜度值。因冷却引起收缩，锻件的内壁斜度值β应比外壁斜度值α大一级。

图2-32　模锻斜度

图2-33　圆角半径

（4）圆角半径　模锻件上所有两平面的交角处均需做成圆角，如图2-33所示是不同情况下的圆角半径（punch radius）。其作用是锻造时金属易于充满模膛，便于取模，保证锻件质量；避免锻模凹角处产生应力集中，减缓模具外圆角处的磨损，提高模具寿命。钢的模锻件外圆角半径r取1～6mm，内圆角半径R是外圆角半径r的3～4倍。模膛深度越深，圆角半径取值越大。

图2-34为齿轮坯的模锻锻件图。图中双点画线为零件轮廓外形，分模面选在锻件高度方向的中部。轮辐部分不进行切削加工，故不留加工余量。图上内孔中部的两条直线为冲孔连皮切掉后的痕迹线。

2.确定模锻工步

模锻工步主要根据模锻件的形状和尺寸来确定。工步的名称和所用的模膛相一致，例如拔长工步所用的模膛叫拔长模膛等。模锻件按形状分为两大类：

图2-34　齿轮坯模锻锻件图

（1）长轴类　长轴（long axle）类锻件的长度明显大于其宽度和高度，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等，如图2-35所示。锻造时锤击方向垂直于锻件轴线，常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工步。因此，终锻时金属沿高度与宽度方向流动，而长度方向流动不明显。

图2-35　长轴类零件

由于在拔长、滚压等制坯工步时，坯料已沿轴线方向流动改变了形状，各横截面已和锻件相应的横截面面积与飞边截面积之和近似相等，所以能保证终锻时金属充满模膛，且各处飞边均匀。坯料的横截面面积大于锻件最大横截面面积时，可只选用拔长工步。而当坯料的横截面面积小于锻件最大横截面面积时，选用拔长和滚压工步。锻件轴线为曲线时应设弯曲工步。

对于小型长轴类锻件，为了减少钳口料和提高生产率，常采用一根棒料同时锻造几个锻件的锻造方法，因此，应增设切断工步，将锻好的工件切离。

图2-36　弯曲连杆的多模膛模锻

a）下模　b）切边模　c）工艺过程

—检验角　2—拔长模膛　3—滚压模膛　4—终锻模膛　5—预锻模膛　6—弯曲模膛　7—原始坯料　8—拔长　9—滚压　10—弯曲　11—预锻　12—终锻　13—飞边　14—锻件

对于形状复杂的锻件，还应增设预锻工步，最后在终锻模膛中模锻成形，如锻造弯曲连杆模锻件（见图2-36）。坯料经过拔长、滚压、弯曲等三个工步，形状接近于锻件，然后经预锻、终锻两个模膛制成带有飞边的锻件。至此，在锤上进行的模锻工步已经完成。再经切飞边等其他工步后即可获得合格锻件。

某些模锻件选用周期轧制材料时（见图2-37），可以省去拔长、滚压等工步，使模锻过程简化，提高生产率。

图2-37　用轧制坯料模锻

a）周期轧制材料　b）模锻后形状

（2）饼块类　饼块（round block）类锻件主轴尺寸较短，在分模面上投影为圆形或长宽尺寸相近，如齿轮、法兰、十字轴、万向节叉等（见图2-38）。模锻时，坯料轴线方向与锤击方向相同，金属沿高度、宽度和长度方向均产生流动。常采用镦粗或压扁等工步制坯，然后终锻。形状简单的锻件可直接终锻成形。

图2-38　饼块类锻件

3.坯料计算

坯料计算（billet calculation）方法与自由锻相同。坯料重量为锻件、飞边、连皮、钳口料头和氧化皮重量的总和，一般飞边是锻件重量的20%～25%，氧化皮重量是锻件、飞边、连皮等重量总和的2.5%～4%。

4.选择模锻设备

锤上模锻设备吨位的选择请参阅前面已述及的“模锻锤”部分的经验公式及表2-3。

5.模锻的后续工序

普通模锻件均带有飞边，带孔锻件还有冲孔连皮，通常采用冲切法去除飞边和连皮。切边-冲孔模分为简单模、级进模和复合模三种类型（见图2-39）。

图2-39　切边-冲孔模

a）简单模切边　b）简单模冲孔　c）级进模　d）复合模

1—凸模　2—凹模

其后尚有清除氧化皮及校正工序。清除氧化皮的方法有滚筒清理、喷丸清理等，以便于检验表面缺陷及切削加工；锻件在切边、冲孔、热处理及表面清理过程中若有变形应进行校正，大中型锻件在热态下校正，小锻件亦可冷态校正，此工序可在终锻模膛中进行，亦可在专门的校正模具中进行。

对于精度要求较高的锻件应进行精压。精压可全部或部分代替切削加工，分平面精压和体积精压两类（见图2-40）。

图2-40　精压

a）平面精压　b）体积精压

2.2.4.3　锻件的结构设计

不同金属材料的锻造性能不同，对结构的要求也不同。例如，w（C）≤0.65%的碳素钢塑性好，变形抗力较小，锻造温度范围宽，能够锻出形状较复杂、肋较高、腹板较薄、圆角较小的锻件；高合金钢的塑性差，变形抗力较大，锻造温度范围窄，若采用一般锻造工艺，锻件的结构形状应较简单，其截面尺寸的变化应较平缓。锻件的结构设计需遵循一定的原则。

1.自由锻件结构设计的原则

（1）形状简单　为减小锻造难度，又不增加过大的余量和余块，以锻件为毛坯的零件结构应设计得尽量简单。例如，图2-41a所示的锥形、楔形倾斜结构锻造困难，图2-42b所示的改进后的圆柱形、方形结构，都具有较好的锻造工艺性。

图2-41　避免倾斜结构

a）倾斜结构　b）不倾斜结构

（2）避免曲面交接　例如，图2-42a所示的圆柱面与圆柱面的相贯结构难以锻出，图2-42b所示的改进后的结构（圆柱面与平面交接）具有较好的锻造工艺性。

图2-42　避免曲面交接

a）圆柱面与圆柱面交接　b）圆柱面与平面交接

（3）避免锻肋　例如图2-43a所示的有肋连杆结构难以锻出，图2-43b所示的改进后的无肋连杆结构具有较好的锻造工艺性。

图2-43　避免肋结构

a）有加强肋　b）无加强肋

（4）凹坑代凸台　锻件上的凸台锻造困难，应设计成凹坑。例如，图2-44a所示的有凸台的底座锻造困难，图2-44b所示的改进后的有凹坑的底座，都具有较好的锻造工艺性。

图2-44　避免凸台结构

a）有凸台　b）有凹坑

2.模锻件结构设计的原则

1）必须具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径，以保证模锻件易于从锻模中取出。

2）在零件的非结合面、不需进行切削加工处，应有合理的模锻斜度和圆角。

3）为了减少工序，零件的外形应力求简单，最好是平直和对称的，截面的差别不宜过大，避免薄壁、高肋、凸起等外形结构，在分模面上避免小枝杈和薄凸缘。例如图2-45a所示的零件，若其最小截面与最大截面之比小于0.5，则不宜模锻。同时该零件的凸缘薄而高，中间凹下很深，也难用模锻方法锻造出来；图2-45b所示的零件太扁、太薄，锻造时，薄的部分因金属冷却过快，变形抗力增大，难以充满模膛；图2-45c所示的零件有一个高而薄的凸缘，使金属难以充满模膛，同时锻件锻后难以从模膛中取出，这种形状的锻模也难以制造。如将图2-45c所示的结构改为图2-45d所示的结构，则在不影响零件功用的前提下，可使模锻大为方便。

图2-45　模锻件结构

a）截面相差过大　b）过扁、过薄　c）凸缘高而薄　d）改进的凸缘结构

4）避免窄沟、深槽、深孔及多孔结构，以便于制造模具并延长模具寿命。孔径小于30mm和孔深大于直径两倍的孔结构均不易锻出，应尽量避免。

5）对于形状复杂的锻件（见图2-46），应尽量采用锻焊结构，以减少工艺余块，简化模锻工艺。

图2-46　锻焊结构模锻件

a）锻件　b）焊合件