8.2 常用金属固态塑性成形技术
金属塑性成形技术的选择和实施，与材料、成形件的几何形状、工艺过程的实施条件（如压力、温度、速度）等有着密切关系。机械制造业中，人们充分利用冷、热塑性变形及其相应工艺的优点，生产出各类毛坯或零件。
8.2.1 自由锻造（简称自由锻）
自由锻是指利用冲击力或压力，使金属材料在上、下砧铁之间或锤头与砧铁之间产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种锻压加工方法。
1.自由锻成形的工艺特征
（1）成形过程中坯料整体或局部塑性成形，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料在水平方向能自由变形流动，不受限制，故无法精确控制变形的发展。自由锻锻件的形状和尺寸取决于操作者的技术水平，但锻件质量不受限制。
（2）自由锻要求被成形材料（钢铁金属或非铁合金）在成形温度下须具有良好的塑性。经自由锻成形所获得的锻件，其精度和表面品质差，故自由锻适用于形状简单的单件或小批量毛坯成形，特别是重型、大型锻件的生产。
（3）自由锻可使用多种锻压设备（如空气锤、蒸汽锤、机械压力机、液压机等），其锻造所用工具简单且通用性大，操作方便。但是，自由锻生产率低，金属损耗大，劳动条件较差等。
2.自由锻成形工艺过程
自由锻成形工艺流程如图8－13所示。
图8－13 自由锻成形工艺流程图
1）绘制自由锻工艺图
自由锻工艺图是以零件图为基础结合自由锻过程特征绘制的技术资料。一个零件的毛坯若是用自由锻生产，则应根据零件图中所示零件的形状及尺寸、技术要求、生产批量及所具有的生产条件和能力，结合自由锻过程中各种因素，用不同色彩的线条直接绘制在图纸上或用文字标注在图纸上，这就得到自由锻工艺图又称锻件图。绘制锻件图是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，锻件图是组织生产过程、制定操作规范、控制和检查产品品质的依据。
绘制锻件图要考虑下列因素。
（1）敷料 敷料是为了简化锻件形状便于锻造而增添的金属部分。由于自由锻只适宜于锻制形状简单的锻件，故对零件上一些较小的凹挡、台阶、凸肩、小孔、斜面、锥面等都应进行适当的简化，以减少锻造的困难，提高生产率。
（2）机加工余量 由于自由锻锻件的尺寸精度低、表面品质较差，需再经切削加工才能成为零件，所以，应在零件的加工表面上增加供切削加工用的金属部分，称为机加工余量。锻件机加工余量的大小与零件的形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等因素有关。通常，中小型自由锻锻件的加工余量为3～7mm，它与生产的设备、工装精度、加热的控制和操作技术水平有关，零件越大，形状越复杂，则余量就大。
（3）锻件公差 锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量。因为锻造操作中掌握尺寸有一定困难，外加金属的氧化和收缩等原因，使锻件的实际尺寸总有一定的误差。规定锻件的公差，有利于提高生产率。中小型自由锻锻件的公差一般为±1～±2mm。
自由锻锻件机加工余量和自由锻锻件公差的具体值可查锻造手册。
为了使锻工了解零件的形状和尺寸，有些工厂或企业直接在零件图上绘制锻件图，有些则另绘制锻件图并在锻件图上用双点画线画出零件主要轮廓形状并在锻件尺寸线下面用括弧标注出零件的名义尺寸。
例8－1 如图8－14所示的双联齿轮，批量为50件/月，材料为45钢。
由双联齿轮零件图可得:齿形、退刀槽及孔不锻出——用敷料，加工表面的机加工余量为半径加3.5mm、高度加3mm，锻件公差取±1mm。通过工艺设计后得到如图8－15所示的锻件图，这样，自由锻后就得到一圆盘形阶梯实体锻件。
图8－14 双联齿轮零件图
图8－15 锻件图
例8－2 如图8－16所示的轴齿轮零件，批量为60件/月，材料为40Cr钢。
由轴齿轮零件图可得:齿形、平台及小台阶不锻出——用敷料，加工表面的机加工余量为半径加4mm，总长度加10mm（单侧5mm）、其余7mm，锻件公差总长度取±1.5mm、其余±1mm。通过工艺设计后得到如图8－17所示的锻件图，这样，锻工就可按锻件图所给的形状和尺寸进行锻打（成形）。
2）坯料质量及尺寸计算
坯料质量的计算式为
G坯料＝G锻件＋G烧损＋G料头
式中:G坯料为坯料质量；G锻件为锻件质量；G烧损为加热时因坯料表面氧化而烧损的质量。通常，第一次加热取被加热金属的2%～3%，以后各次加热取1.5%～2%；G料头为在锻造中被切掉或冲掉的那部分金属质量。如用铸锭（如钢锭）时，则要考虑切掉钢锭头部和尾部的质量。
通常，对于中、小型锻件，都采用型材（使用最多的是圆截面如圆钢），这样，可不考虑料头因素，故可将上式简化为
G坯料＝（1＋K）G锻件
式中:K为一个与锻件形状有关的系数。对于实心盘类锻件，K＝2%～3%；对于阶梯轴类锻件，K＝8%～10%；对于空心类锻件，K＝10%～12%；对于其他形状的锻件，可视其复杂程度参照上述三类锻件取K值。
图8－16 轴齿轮零件图
图8－17 轴齿轮锻件图
锻件的质量是根据锻件的名义尺寸来计算的，即
在坯料质量求出后，需计算坯料的尺寸。对于圆截面坯料（如圆钢）有以下计算公式。
（1）当锻件锻造的第一工序为镦粗时，
且H应满足:1.25D≤H≤2.5D，这是因为在体积一定的情况下，坯料高度过大，则直径较小，镦粗时易镦弯；而直径过大，则下料困难且锻造效果不好。
（2）当锻造件的第一工序为拔长时，
要注意的是，圆钢直径的大小是有标准的，如Φ25，Φ30，Φ35，Φ40……如计算的坯料直径D与圆钢标准直径不符，则应将坯料直径就近取成圆钢直径，然后再重新计算坯料高度H或长度L。
例8－3 如图8－14所示双联齿轮锻件的坯料质量和尺寸计算。
由锻件图（见图8－15）可得
该锻件为盘类锻件，第一工序为镦粗，故坯料的直径为
坯料的高度
因此，该锻件的坯料尺寸为Φ65×81，质量为2.1kg。
例8－4 图8－16所示为轴齿轮的锻件坯料质量和尺寸计算。
由锻件图（见图8－16）可得
V锻＝π（7.8/2）2 2.7＋π（4.3/2）2×（17－2.7）≈129＋213.5＝342.7（cm3）
锻件的最大截面面积
F锻＝π（7.8/2）2≈47.8（cm2）
锻件的质量
G锻＝Vr＝342.5×7.8＝2 671.5（g）≈2.67（kg）
坯料的质量
G坯＝（1＋K）G锻，K取8%（该件为阶梯轴类锻件），故
G坯＝（1＋0.08）×2.6≈2.8（kg）
该锻件为轴类锻件，第一工序为拔长，故
F坯＝（1.3～1.5）F锻＝1.3×47.8＝62.1（cm2）
故坯料的尺寸为Φ90×60，质量为2.9kg。
3）选择锻造工序、确定锻造温度和冷却规范等
（1）选择锻造工序 自由锻中可进行的工序较多，通常分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。
基本工序是使坯料产生一定程度的热变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的成形过程。基本工序有镦粗（坯料高度减小而截面增大）、拔长（坯料截面减小而长度增大）、冲孔、切割、弯扭和错移等。
辅助工序是为了基本工序便于操作而进行的预先变形工序，如压肩、倒棱等。
精整工序是用以改善锻件表面品质而进行的工序，如整形、清除表面氧化皮等。精整工序用于要求较高的锻件，它是在终锻温度以下进行。
选择自由锻工序是根据锻件形状和要求来确定的。对一般锻件的大致分类及所采用的工序如表8－2所示。
表8－2 锻件分类及锻造用工序
续表
（2）锻造温度范围及加热冷却规范 金属的锻造是在一定温度范围内进行的。一些常用金属材料的锻造温度范围见表8－3。
表8－3 常用金属材料的锻造温度范围
金属坯料加热的常用设备为箱式加热炉（利用煤或油等燃烧产生的热能或利用电能加热金属坯料）。
为缩短加热时间，对塑性良好的中小型低碳钢坯料，把冷的坯料直接送入高温的加热炉中，尽快加热到始锻温度。这样，不仅可以提高生产率，还可以减小坯料的氧化和钢的表面脱碳，并防止过热。但快速加热会使坯料产生较大的热应力，甚至可能会导致内部裂纹。因此，对热导率和塑性较低的大型合金钢坯料，常采用分段加热，即先将坯料随炉升温至800℃左右，并适当保温以待坯料内部组织和内外温度均匀，然后再快速升温至始锻温度并在此温度保温，待坯料内外温度均匀后出炉锻造。
锻造后锻件的冷却也须注意。锻好后的锻件仍有较高的温度，冷却时由于表面冷却快，内部冷得慢，使锻件表里收缩不一致，可能会使一些塑性较低或大型复杂锻件产生变形或开裂等缺陷。锻件冷却方式常有下列三种。
①直接在空气中冷却（简称空冷） 此方法多用于wC≤0.5%的碳钢和wC≤0.3%的低合金钢中小锻件。
②在炉灰或干砂中缓冷 此方法多用于中碳钢、高碳钢和大多数低合金钢的中型锻件。
③随炉缓冷 锻后随即将锻件放入500～700℃的炉中随炉缓冷，多用于中碳钢和低合金钢的大型锻件以及高合金钢的重要锻件。
（3）锻造设备选择 中、小型自由锻件所采用的锻造设备主要是空气锤。空气锤吨位的选择见表8－4或查锻造手册。
表8－4 常用空气锤吨位选用参考表
4）自由锻典型锻造过程举例
（1）盘类锻件的锻造过程 由前述双联齿轮锻件图（见图8－15）可知其属盘类锻件，自由锻工艺的基本工序有镦粗、拔长、打圆，辅助工序有压肩；坯料已算出，锻造温度和设备等可查表或锻造手册。双联齿轮锻件（见图8－15）的锻造工艺过程卡如表8－5所示。
表8－5 双联齿轮自由锻过程卡
（2）轴类锻件的锻造过程 由前述轴齿轮锻件图（见图8－17）可知其属阶梯轴类锻件，自由锻工艺的基本工序有拔长、打圆，辅助工序有压肩；坯料已算出，锻造温度和设备等可查表或锻造手册。轴齿轮锻件（见图8－17）的锻造工艺过程卡如表8－6所示。
表8－6 轴齿轮自由锻过程卡
续表
注:表8－5、表8－6中的火次是指坯料或半成品的加热次数。
3.自由锻件结构技术特征
自由锻造属金属固态塑性成形的生产过程，由于受固态金属材料本身的塑性和外力的限制，加之自由锻过程的特点，使自由锻件的几何形状受到很大限制。因此，在保证使用性能的前提下，为简化锻造工艺过程，保证锻件品质，提高生产率，在零件结构设计时应尽量满足自由锻的技术特征要求。对于用自由锻制作毛坯的零件，其结构设计应注意以下原则。
（1）自由锻件上应避免锥体、曲线或曲面交接及椭圆形、工字形截面等结构。因为锻造这些结构须制备专用工具，锻件成形也比较困难，锻造过程复杂，操作极不方便。如图8－18所示。
图8－18 轴、杆类锻件结构比较
（2）自由锻件上应避免加强肋、凸台等结构。因为这些结构难以用自由锻获得。若采用专用工具或技术措施来生产，必将大大增加锻件成本，降低生产率。如图8－19所示。
图8－19 盘类锻件结构比较
（3）当锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时，可采用特别的技术措施或工具；或者将其设计成几个简单件构成的组合件，锻造后再用焊接或机械连接方法将几个简单锻件连成整体件。如图8－20所示。
图8－20 复杂件结构
1—锻件1；2—锻件2；3—焊缝
8.2.2 模型锻造
模型锻造包括模锻和镦锻，是将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形而获得锻件的锻造成形工艺方法。
1.模型锻造成形过程特征
（1）模型锻造时坯料是整体塑性成形的，坯料三向受压。坯料放于固定锻模模膛中，当动模作合模运动时（一次或多次），坯料发生塑性变形并充满模膛，随后，模锻件由顶出机构顶出模膛。热成形要求被成形材料在高温下具有较好的塑性，而冷成形则要求材料具有足够的室温塑性。热成形过程主要是模锻，可生产各种形状的锻件，锻件形状仅受成形过程、模具条件和锻造力的限制。
（2）热成形模锻件的精度和表面品质除锻模的精度和表面品质外，还取决于氧化皮的厚度和润滑剂等，一般都符合要求，但要得到零件配合面最终精度和表面品质，还须再进行精加工（如车削、铣削、刨削等），冷成形件则可获得较好的精度（≈±0.2mm）与表面品质，几乎可以不再进行或少进行机械加工。
（3）模锻可使用多种锻压设备（如蒸汽锤、机械压力机、液压机、卧式机械镦锻机等），所需设备要根据生产量和实际采用的成形工艺来选择。
鉴于模锻的优点，它广泛用于飞机、机车、汽车、拖拉机、军工、轴承等制造业中。据统计，如按质量计算，飞机上的锻件中模锻件约占85%，轴承上约占95%，汽车上约占80%，坦克上约占70%，机车上约占60%。最常见锻件的零件是齿轮、轴、连杆、杠杆、手柄等。但模锻常限于150kg以下的零件。冷成形工艺（如冷镦、冷锻等）主要生产一些小型制品或零件，如螺钉、钉子、铆钉、螺栓等。由于锻模造价高，制造周期长，故模锻适宜于大批量生产的锻件。
由于模锻是最主要且应用最多的模型锻造，故本节主要介绍模锻。
2.模锻工艺过程
模锻生产工艺的流程如图8－21所示。
图8－21 模锻生产工艺流程图
1）绘制模锻工艺图
如前所述，模锻工艺图是生产过程中各个坏节的指导性技术文件。在制定模锻工艺图时应考虑的因素如下。
（1）分模面 分模面即上、下锻模在锻件上的分界面，它很相似于铸造中的分型面。锻件分模面选择的好坏直接影响到锻件的成形、锻件出模、锻模结构及制造费用、材料利用率、切边等一系列问题。在制定模锻工艺时，须遵照下列原则确定分模面位置。
①要保证模锻件易于从模膛中取出，故通常分模面选在模锻件最大截平面上。
②所选定的分模面应能使模膛的深度最浅，这样，有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。
③选定的分模面应能使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，这样，在安装锻模和生产中发现错模时，便于及时调整锻模位置。
④分模面最好是平面，且上下锻模的模膛深度尽可能一致，便于锻模制造。
⑤所选分模面尽可能使锻件上所加的敷料最少，这样，既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。
如图8－22中c—c面就能满足上述原则。
图8－22 模锻件分模面选择比较图
（2）机加工余量、锻件公差和敷料 模锻件的尺寸精度较好，其加工余量和公差比自由锻件的小得多。小型模锻件的加工余量一般在2～4mm，锻件公差一般为±0.5～±1mm。模锻件加工余量及模锻件公差可查锻造手册或其他工程手册。
对于孔径d＞25mm的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮；冲孔连皮厚度与孔径有关，当孔径在30～80mm时，连皮厚度为4～8mm。
（3）模锻斜度 模锻件上凡平行于锻压方向的表面（或垂直于分模面的表面）都须具有斜度，如图8－23所示。这样便于从模膛中取出锻件。常用的模锻斜度系列为:3°，5°，7°，10°，12°，15°。模锻斜度与模膛深度有关，当模膛深度与宽度的比值（h/b）越大时，取较大的斜度值；内壁斜度（锻件冷却收缩时与模壁呈夹紧趋势的表面）应比外壁斜度大2°～5°；在具有顶出装置的锻压机械上，其模锻件上的斜度比没有顶出装置的小一级。
（4）模锻件圆角半径 模锻件上凡是面与面相交处均应做成圆角。如图8－23所示。这样，可增大锻件强度，利于锻造时金属充满模膛，避免锻模上的内尖角处产生裂纹，减缓锻模外尖角处的磨损，提高锻模的使用寿命。钢质模锻件外圆角半径（r）取1.5～12mm，内圆角半径比外圆角大2～3倍。模膛深度越深，圆角半径取值就越大。
例8－5 图8－24所示为一齿轮，材料为45钢，产量为3 000件/月，故选用模锻。
该件25的孔不锻出（因加机加工余量后孔径＜25），外径的加工余量放4mm（半径上加2mm），高度上加工余量放2.5mm。分模面选取如图8－25所示。凡垂直于分模面的立壁均放模锻斜度5°，通过工艺设计后得到如图8－25所示的模锻件图。
2）坯料质量和尺寸计算
模锻件坯料质量＝模锻件质量＋氧化烧损质量＋飞边（连皮）质量
图8－23 模锻斜度及模锻件圆角
1—飞边；2—锻件；3—连皮；4—锻模；5—分模面
图8－24 齿轮
图8－25 模锻件图
飞边质量的多少与锻件形状和大小有关，一般可按锻件质量的10%～20%计算。氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的3%～4%计算。
其他规则可参照自由锻坯料质量及尺寸计算。
3）模锻工序的确定
模锻工序与锻件的形状、尺寸有关。由于每个模锻件都必须有终锻工序，所以工序的选择实际上就是制坯工序和预锻工序的确定。
（1）轮盘类模锻件 轮盘类模锻件是指圆形或宽度接近于长度的锻件如齿轮锻件、十字接盘、法兰盘锻件等，如图8－26所示。这类模锻件终锻时金属沿高度和径向或长度、宽度方向均产生流动。
一般的轮盘类模锻件，采用镦粗和终锻工序；对于一些高轮毂、薄轮辐等模锻件，采用镦粗→预锻→终锻工序，如图8－26（c）、（e）所示。
（2）长轴类模锻件 这类锻件的长度与宽度之比较大，终锻时金属沿高度与宽度方向流动，沿长度方向流动不大。
长轴类锻件例如主轴、传动轴、转轴、销轴、曲轴、连杆、杠杆、摆杆锻件等，如图8－27所示。这类模锻件的形状多种多样，通常模锻件沿轴线在宽度或直径方向上的变化较大，这样，就给模锻带来不便和难度。因此，长轴类模锻件的成形较轮盘类模锻件困难，模锻工序也较多，模锻过程也较复杂。
长轴类模锻件工序选择有:①预锻→终锻；②滚压→预锻→终锻；③拔长→滚压→预锻→终锻；④拔长→滚压→弯曲→预锻→终锻等。工序越多，锻模的模膛数就越多，这样，锻模的设计和制造加工就越难，成本也就越高。
图8－26 轮盘类模锻件
图8－27 长轴类模锻件
模锻件成形过程中工序的多少与零件结构设计、坯料形状及制坯手段等有关。
由于在锻压机上不适宜进行拔长和滚压工序，因此锻造截面变化较大的长轴类锻件时，常采用断面呈周期性变化的坯料，如图8－28所示，这样，可省去拔长和滚压工序；或者用辊锻机来轧制原坯料代替拔长和滚压工序，如图8－29所示。这样，可使模锻过程简化，生产率提高。
图8－28 用周期性断面坯料模锻
图8－29 坯料的辊锻
1—扇形辊锻模；2—锻辊
图8－30所示为弯曲连杆在锤上模锻的过程示意图。
（3）修整工序 由锻模模膛锻出的模锻件，尚需经过一些修整工序才能得到符合要求的锻件。修整工序如下。
①切边与冲孔 刚锻制成的模锻件，通常其周边都带有横向飞边，有通孔的锻件还有连皮，须用切边模和冲孔模在压力机上将飞边和连皮从锻件上切除。
对于较大的模锻件和合金钢模锻件，常利用模锻后的余热立即进行切边和冲孔，其特点是所需切断力较小，但锻件在切边和冲孔时易产生轻度的变形；对于尺寸较小的和精度要求较高的锻件，常在冷态下切边和冲孔，其特点为切断后锻件切面较整齐，不易产生变形，但所需的切断力较大。
图8－30 弯曲连杆多膛模锻
1—料坯；2—拔长模膛；2′—拔长；3—滚压模膛；3′—滚压；4—弯曲模膛；
4′—弯曲；5—预锻模膛；5′—预锻；6—终锻模膛；6′—终锻；7—切边；8—锻件
切边模和冲孔模由凸模和凹模组成，如图8－31所示。切边凹模的通孔形状和锻件在分模面上的轮廓一样；一般凸模工作面的形状和锻件上部外形相符。冲孔凹模作为锻件的支座，应使锻件放在模中能对准冲孔中心，冲孔连皮从凹模孔落下。
当锻件批量很大时，切边和冲连皮可在一个较复杂的复合式连续模上联合进行。
②校正 在切边及其他工序中有可能引起锻件变形，因此对许多锻件特别是形状复杂的锻件在切边（冲连皮）之后还需进行校正。校正可在锻模的终锻模膛或专门的校正模内进行。
图8－31 切边模和冲孔模
1—凸模；2—凹模
③热处理 模锻件进行热处理的目的是为了消除模锻件的过热组织或加工硬化组织、内应力等，使模锻件具有所需的组织和性能。热处理一般用正火或退火。
④清理 清理是去除在生产过程中形成的氧化皮、所沾油污及其他表面缺陷，以提高模锻件的表面品质。清理有下列几种方法:滚筒打光、喷丸清理、酸洗等。
方法1:滚筒打光，将锻件装入旋转的滚筒内，靠锻件互相撞击打落氧化皮、光洁表面等，此法缺点是噪声大，刚性差的锻件可能产生变形。故一般适宜于清理小件。
方法2:喷丸清理，喷丸清理是在有机械化装置的钢丸喷射机上进行，清理时锻件一边移动一边翻转，同时受到0.8～1.5mm的钢丸高速冲击。这种设备生产率高，清理质量好且锻件表面留有残余压应力，但其投资较大。
方法3:酸洗，酸洗是在温度大约为55℃、浓度为18%～22%的稀硫酸溶液中进行，酸洗后的锻件须立即在70℃的水中洗涤。酸洗中因酸液挥发、飞溅等，会污染空气和环境，且劳动条件较差，故应用不多。
图8－32 精压
对于要求精度高和表面粗糙度低的模锻件，除进行上述各修整工序外，还应在压力机上进行精压。如图8－32所示。
4）锻模模膛
由上述模锻工序可知，模膛按其功用分为模锻模膛和制坯模膛两大类。
（1）模锻模膛 模锻模膛分为终锻模膛和预锻模膛两种。
①终锻模膛 其作用是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸。它的形状与锻件的形状相同；因锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量，一般钢件收缩量取1.2%～1.5%。另外，沿模膛四周有飞边槽，飞边槽的作用一主要是促使金属充满模膛，增加金属从模膛中流出的阻力，同时容纳多余的金属。对于具有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模的突出部分把金属完全挤压形成通孔，故终锻后在孔内留下一薄层金属即冲孔连皮。把飞边和连皮切除以后，才能得到模锻件。飞边槽见图8－33所示。
②预锻模膛 其作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，这样，再进行终锻时金属容易充满终锻模膛，同时也减小了终锻模膛的磨损，延长其使用寿命。预锻模膛和终锻模膛的主要区别是，前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。对于形状简单或批量不太大的模锻件可不设置预锻模膛。
图8－33 飞边槽的基本结构形式
注:（1）飞边槽除基本结构形式外，还有其他结构形式；
（2）飞边槽的尺寸与模锻件的材质、设备吨位有关，可查阅锻造手册。
（2）制坯模膛 对于形状复杂的模锻件（尤其是长轴类模锻件），为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布和很好地充满模膛，须预先在制坯模膛内制坯，然后再进行预锻和终锻。制坯模膛如下。
①拔长模膛 它是用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度，如图8－34所示。当模锻件沿轴向横截面相差较大时，用这种模膛进行拔长。此模膛一般设置在锻模的边缘，操作时坯料除送进外还需翻转。
②滚压模膛 用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。它主要是使金属按模锻件形状分布。滚压模膛分开式的闭式两种，如图8－35所示。当模锻件沿轴线的横截面积相差不很大或作修整拔长后的坯料时采用开式滚压模膛；当模锻件的最大和最小截面相差较大时，采用闭式滚压模膛，操作时需不断翻转坯料。
图8－34 拔长模膛
图8－35 滚压模膛
③弯曲模膛 对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛来弯曲坯料。坯料可直接或先经其他制坯工序后再放入弯曲模膛内进行弯曲变形，如图8－36所示。
④切断模膛 它是在上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属，如图8－37所示。单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口部金属；多件锻造时，用它来分离成单个件。
此外，尚有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。由于制坯模膛增加了锻模体积和制造加工难度，加之有些制坯工序（如拔长、滚压等）在锻压机上不宜进行，故对截面变化较大的长轴模锻，目前多用辊锻机或楔形模横轧来轧制原（坯）料以替代制坯工序，从而大大简化锻模。
图8－36 弯曲模膛
图8－37 切断模膛
根据模锻件的复杂程度，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。单膛锻模是在一副锻模上只有一个模膛，如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料直接放入单膛锻模中成形。多膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模，如图8－30所示的弯曲连杆模锻件的锻模即为多膛锻模。锻模的模膛数越多，设计、制造就越难，成本也就越高。
5）金属在模膛内的变形过程
将金属坯料置于终锻模膛内，从锻造开始到金属充满模膛锻成锻件为止，其变形过程可分为三个阶段。现以锤上模锻盘类锻件为例来说明。
第一阶段为充型阶段。在最初的几次锻击时，金属在外力作用下发生塑性变形，坯料高度减小，水平尺寸增大，并有部分金属压入模膛深处。这一阶段直到金属与模膛侧壁接触达到飞边槽桥口为止，如图8－38（a）所示。在这一阶段模锻所需的变形力不大，变形力与行程的关系如图8－38（d）所示。
第二阶段为形成飞边和充满阶段。在继续锻造时，由于金属充满模膛圆角和深处的阻力较大，金属向阻力较小的飞边槽内流动，形成飞边。此时，模锻所需的变形力开始增大。随后，金属流入飞边槽的阻力因飞边变冷而急剧增大，这个阻力一旦大于金属充满模膛圆角和深处的阻力，金属便向模膛圆角和深处流动，直到模膛各个角落都被充满为止。如图8－38（b）所示。这一阶段的特点是飞边完成强迫充填的作用。由于飞边的出现，变形力迅速增大，见图8－38（d）中P1P2线。
第三阶段为锻足阶段。如果坯料的形状、体积及飞边槽的尺寸等工艺参数都设计得恰当，则当整个模膛被充满之时，正好就是锻到锻件所需高度而结束锻造之时，如图8－38（c）所示。但是，由于坯料体积总是不够准确且往往都偏多或飞边槽阻力偏大，因而，虽然模膛已经充满，但上、下模还未合拢，需进一步锻足。这一阶段的特点是变形仅发生在分模面附近区域，以便向飞边槽挤出多余的金属，此阶段变形力急剧增大，直至达到最大值为止，见图8－38（d）中P2P3线。由上可知，飞边有三个作用:强迫充填；容纳多余的金属；减轻上模对下模的打击，起缓冲作用。
图8－38 金属在模膛内的变形过程
影响金属充满模膛的因素如下。
①金属的塑性和变形抗力 显然，塑性高、变形抗力低的金属较易充满模膛。
②金属模锻时的温度 金属的温度高，则其塑性好、抗力低，易于充满模膛。
③飞边槽的形状和位置 飞边槽部宽度与高度之比（b/h）及槽部高度h是主要因素。（b/h）越大，h越小，则金属在飞边流动阻力就越大。强迫充填作用越大，但变形抗力也增大。
④锻件的形状和尺寸 具有空心、薄壁或凸起部分的锻件难于锻造。锻件尺寸越大，形状越复杂，则越难锻造。
⑤设备的工作速度 一般而言，工作速度较大的设备其充填性较好。
⑥充填模膛方式 镦粗比挤压易充型。
⑦其他如锻模有无润滑、有无预热等。
6）模锻件结构技术特征
为了确保锻件品质，利于模锻生产和降低成本、提高生产率，设计模锻件时，应在保证零件使用要求的前提下，结合模锻工艺过程特点，使零件结构符合下列原则。
（1）模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、锻模制造容易。
（2）零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或者具有薄壁、高肋、高凸起等结构如图8－36所示，以便于金属充满模膛和减少工序。
（3）尽量避免有深孔或多孔结构。
（4）在可能的情况下，对复杂零件采用锻－焊组合，以减少敷料，简化模锻过程。
图8－39所示为模锻时零件结构技术特征（又称工艺性）差的零件。对于这些结构；若条件允许最好是改进结构，若条件不允许或有困难，可用敷料解决。另外，可考虑锻－焊组合结构。
图8－39 结构工艺性差的模锻件
8.2.3 胎模锻造
胎模锻造是在自由锻造设备上使用不固定在设备上的各种称为胎模的单膛模具，直接将已加热的坯料（或用自由锻方法预锻成接近锻件形状的坯）用胎模终锻成形的锻造方法。它广泛应用于中、小批量的中、小型锻件的生产。
与自由锻相比，胎模锻具有锻件品质较好（如表面光洁、尺寸较精确、纤维分布合理）、生产率高和节约金属等优点。
与固定锻模的模锻相比，胎模锻具有操作比较灵活、胎模模具简单、容易制造加工、成本低、生产准备周期短等优点。它的主要缺点有:胎模锻件比模锻件表面品质较差、精度较低、所留的机加工余量大、操作者劳动强度大、生产率和胎模寿命较低等。
胎模的种类较多，主要有以下几种。
（1）扣模 用于锻造非回转体锻件，具有敞开的模膛（见图8－40（a））。锻造时工件一般不翻转，不产生毛边。既用于制坯，也用于成形。
（2）套筒模 主要用于回转体锻件如齿轮、法兰等。有开式和闭式两种。
开式套筒模一般只有下模（套筒和垫块），没有上模（锤砧代替上模）。其优点为结构简单，可以得到很小或不带锻模斜度的锻件。取件时一般要翻转180°。缺点是对上、下砧的平行度要求较严；否则，易使毛坯偏斜或填充不满。
闭式套筒模一般由上模、套筒等组成（见图8－40（b））。锻造中金属处于模膛的封闭空间中变形，不形成毛边。由于导向面间存在间隙，往往在锻件端部间隙处形成纵向毛刺，需进行修整。此法要求坯料尺寸精确，否则，会增加锻件垂直方向的尺寸或充不满模膛。
（3）合模 合模一般由上、下模及导向装置组成（见图8－40（c））。用来锻造形状复杂的锻件。锻造过程中多余金属流入飞边槽形成飞边。合模成形与带飞边的固定模模锻相似。
锻造生产与铸造生产一样，也是机械制造中的基础生产。了解技术经济指标，促使锻压生产朝着优质、高产、低耗、无污染方向发展是很必要的。
1）锻件成本及降低成本的主要途径
（1）锻件成本由下列几项组成:
①原材料费用 主要是锯割好的各类型材或坯料的费用；
图8－40 胎模类型
②燃料费用 包括加热炉用的燃油、煤、煤气等的费用；
③动力费用 包括电力、蒸汽和压缩空气；
④生产工人工资及其附加费用；
⑤专项费用 如添置过程装备费用，购置锻模等；
⑥车间经费 包括为管理和组织车间生产所发生的各项费用，如车间管理人员的工资及附加费、办公费、水电费、折旧费、修理费、运输费、低值易耗品、劳动保护费、差旅费、停工损失、在存产品盘亏和损毁等。
⑦企业管理费在计算时，若把②～⑦项费用的总和分摊给全月完成工时总量，则得出单位小时生产费用成本；若把②～⑦项费用的总和分摊给全月锻件总质量，则得出每单位质量生产费用，即各种锻件的平均（kg）单位成本。再加上原材料费用，就可得到锻件的实际成本。
（2）降低成本的主要途径影响成本的因素较多，降低成本不外乎采用以下几项措施。
①提高锻件品质，减少废品损失，提高劳动生产率。减少废品损失就能减少原材料消耗和工时损失，为此，要不断采用新技术，改进产品设计和成形加工方法，提高操作者的技能和责任感，推行全面品质管理制度和责任制度等。
②尽量节省燃料和动力。锻造过程多数属于热加工，能源消耗量较大。因此，要尽量节省煤、燃油、电力、蒸汽等的消耗。
③改进管理工作，降低车间经费和节省企业管理费用。
2）锻造生产技术经济指标
锻造车间技术经济指标主要有下列几项:
①每一锻工锻件年产量（kg/人）；
②每一生产工人锻件年产量（kg/人）；
③车间总面积年产量（kg/m2）；
④车间生产面积年产量（kg/m2）；
⑤每104 kN锻压设备能力年产量（kg/104 kN）；
⑥锻件成品率（%）；
⑦锻件kg成本（元/kg）。它是各项技术经济指标最终的综合体现，该数值的大小与该车间生产规模、设备技术条件和产品品种等诸因素有关。
8.2.4 板料成形技术方法
板料成形（又称板料冲压）是利用压力装置和模具使板材产生分离或塑性变形，从而获得成形件或制品的成形方法。金属板料的厚度一般都在6mm以下，且通常是在常温下进行，故板料成形又常称为冷成形（冷冲压）。只有当板料厚度超过8mm时，才采用热成形（热冲压）。
目前，几乎所有制造加工金属制品的工业部门中，都广泛地采用板料成形，特别是在汽车、自行车、航空、电器、仪表、国防、日用器皿、办公用品等工业中，板料成形占有重要位置。由于板料成形模具较复杂，设计和制作费用高、周期长，故只有在大批量生产的情况下，才能显示其优越性。
板料成形用的原材料，特别是制造杯状和钩环状等零件的原材料，须具有足够好的塑性。常用的金属材料有低碳钢、高塑性合金钢、铜、铝、镁合金等，非金属材料如石棉板、硬橡皮、绝缘纸等也广泛采用板料冲压成形。
板料冷成形（冷冲压）过程的一般流程如图8－41所示。
图8－41 板料冷成形（冷冲压）过程
板料成形按特征分为分离（又称冲裁）过程及成形过程两大类。
1.板料的分离过程
分离过程是使坯料一部分相对于另一部分产生分离而得到工件或料坯，如落料、冲孔、切断、修整等。
分离过程用于生产有孔的、形状简单的薄板（一般铝板厚度＜3mm，钢板厚度≤1.5mm）件，以及作为成形过程的先行工序或者为成形过程制备料坯。除金属薄板外，还可是非金属板材。
分离过程所得到的制品精度较好，通常不需切削加工，表面品质与原材料相同；所用设备为机械压力机。
1）落料与冲孔
落料和冲孔又统称为冲裁。落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。这两个过程中的坯料变形过程和模具结构相同，只是用途不同。落料是被分离的部分为所需要的工件，而留下的周边部分是废料；冲孔则相反。为能顺利地完成冲裁过程，要求凸模和凹模都应有锋利的刃口，且凸模与凹模之间应有适当的间隙z。
冲裁件品质、冲裁模结构与冲裁时板料的塑性变形有关。
（1）金属板料冲裁成形过程 冲裁成形过程示意如图8－42所示。
开始时，金属板料被凸模（又称冲头）下压略有弯曲，凹模上的板料略有上翘，随着冲压力加大，在较大剪切应力作用下，金属板料在刃口处因塑性变形产生加工硬化，且在刃口边出现应力集中现象，使得金属的塑性变形进行到一定程度时，沿凸凹模刃口处开始产生裂纹，当上下裂纹相遇重合时，坯料被分离。
图8－42 冲裁成形过程
1—凸模；2—坯料；3—凹模
图8－43 冲裁件周边品质
冲裁件被剪断分离后，其断裂面分成两部分。塑性变形过程中，由冲头挤压切入所形成的表面很光滑，表面品质最佳，称为光亮带。材料在剪断分离时所形成的断裂表面较粗糙，称为剪裂带。
（2）凸、凹模间隙（z） 凸、凹模间隙不仅影响冲裁件断面品质，且影响模具寿命、卸料力、冲裁力、冲裁件尺寸精度等。间隙过小，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向外错开，上、下裂纹不能很好重合，导致毛刺增大。间隙过大，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向内错开，因此光亮带小一些，剪裂带和毛刺均较大，如图8－43所示。
冲裁过程中，凸模与冲孔之间，凹模与落料之间均有摩擦，间隙越小，摩擦越严重。实际生产中，模具受到制造误差和装配精度的限制，凸模不可能绝对垂直于凹模平面，间隙也不会均匀分布，所以过小的间隙对延长模具使用寿命很不利。因此，选择合理的间隙对冲裁生产是很重要的。选用时主要考虑冲裁件断面品质和模具寿命这两个因素。当冲裁件断面品质要求较高时，应选取较小的间隙值。对冲裁件断面品质无严格要求时，应尽可能加大间隙，以利于提高冲模寿命。
合理间隙z的数值可按经验公式计算，有
z＝ms
式中:s为材料厚度，mm；m为与材质及厚度有关的系数。
实用中，板材较薄时，m可按如下数据选用:
当板料厚度s＞3mm时，因冲裁力较大，应适当加大系数m。对冲裁件断面品质无特殊要求时，系数m可加大1.5倍。
（3）凸、凹模刃口尺寸确定 设计落料时，凹模刃口尺寸即为落料件尺寸，可用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值；设计冲孔模时，凸模刃口尺寸为孔的尺寸，然后用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值。
冲模在工作过程中必有磨损，落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大。而冲孔件尺寸则随凸模的磨损而减小。为保证零件的尺寸要求，提高模具的使用寿命，落料时取凹模刃口的尺寸靠近落料件公差范围的最小尺寸；而冲孔时则取凸模刃口的尺寸靠近孔的公差范围内的最大尺寸。
（4）冲裁力的计算 冲裁力是选用设备吨位和检验模具强度的一个重要依据。计算准确，有利于发挥设备的潜力；计算不准确，则有可能使设备超载而损坏，严重时造成事故。
平刃冲模冲裁力的计算式为
P＝kLsτ
式中:P为冲裁力，N；L为冲裁周边长度，mm；s为板料厚度，mm；τ为材料抗剪切强度，MPa；k为系数。
系数k是考虑到实际生产中的各种因素而给出的一个修正系数。这些因素有:模具间隙的波动和不均匀、刃口的钝化、板料力学性能及厚度的变化等。根据经验一般取k＝1.3。
2）切断
切断是指用剪刀或冲模将板料或其他型材沿不封闭轮廓进行分离的工序。
切断用以制取形状简单、精度要求不高的平板类工件或下料。
3）修整
如果零件的精度和表面粗糙要求较高，则需用修整工序将冲裁后的孔或落料件的周边进行修整，以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，以提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。
修整所切除的余量很小，一般每边为0.05～0.2mm，表面粗糙度可达Ra＝1.6～0.8μm，精度可达IT17～IT6。实际上，修整工序的实质属于切削过程，但比机械加工的生产率高得多。
2.板料的成形过程
板料的成形过程是使坯料发生塑性变形而形成具有一定形状和尺寸工件的过程，其主要工序有拉深、弯曲、翻边、成形等。
1）拉深
拉深是将平板板料放在凹模上，冲头推压金属料通过凹模形成杯形工件的工序。
其过程特点是一维成形，拉伸应力状态。一般可获得较好的精度（公差＜0.5% D）和接近原材料的表面品质；材料要求具有足够的塑性，如果变形较大，工件需进行中间退火。
广泛使用的机械设备是液压机，也可使用机械压力机。
冷拉深广泛用于生产各种壳、柱状和棱柱状杯等，如瓶盖、仪表盖、罩、机壳、食品容器等；热拉深通常用于生产厚壁筒形件，如氧气瓶、炮弹壳、桶盖、短管等。
拉深过程示意图如图8－44所示。进行拉深时，平板坯料放在凸模和凹模之间，并由压边圈适度压紧，以防止坯料厚度方向变形。在凸模的推压力作用下，金属坯料被拉入凹模，尔后变形成为筒状或匣状的工件。
拉深用的模具构造与冲裁模相似，主要区别在于工作部分凸模、凹模的间隙不同，而且拉深的凸、凹模上没有锋利的刃口，凸模与凹模之间的间隙z应大于板料厚度s，一般z＝（1.1～1.3mm）s。z过小，模具与拉深件间的摩擦增大，易拉裂工件，擦伤工件表面，降低模具寿命；z过大，又易使拉深件起皱，影响拉深件精度。拉深模的凸、凹模端部的边缘都有适当的圆角，r凹≥（0.6～1）r凸，圆角过小，则易拉裂产品。
由图8－44可见，在拉深过程中，工件的底部并未发生变形，而工件的周壁部分则经历了很大程度的塑性变形，引起了相当大的加工硬化作用。当坯料直径D与工件直径d相差越大，则金属的加工硬化作用就越强，拉深的变形阻力也就越大，甚至有可能把工件底部拉穿。因此，d与D的比值m（称为拉深系数）应有一定的限制，一般m＝0.5～0.8。拉深塑性高的金属，拉深系数m可以取较小值。若在拉深系数的限制下，较大直径的坯料不能一次被拉成较小直径的工件，则应采用多次拉深。二次拉深如图8－45所示。必要时在多次拉深过程中进行适当的中间退火，以消除金属因塑性变形所产生的加工硬化，以利进行下一次拉深。
图8－44 拉深过程示意图
1—坯料；2—凸模；3—压边圈；4—凹模；5—工件
图8－45 二次拉深示意图
1—凸模；2—压边圈；3—凹模
为减小摩擦、降低拉深件壁部的拉应力、减少模具的磨损，拉深时通常加润滑剂。
拉深过程中常见的一种缺陷是起皱，如图8－46所示。这是法兰部分在切向压应力作用下易发生的现象。拉深件若严重起皱，则法兰部分的金属不能正常通过凸、凹模间隙，致使坯料被拉断而报废；拉深件若轻微起皱，法兰部分勉强通过间隙，但在产品侧壁留下起皱痕迹，影响产品品质。实践证明，当板料厚度s与坯料直径D的关系为s/D×100＜2时，必须应用压边圈，否则，坯料边缘会因起皱而造成废品。
选择设备时，应结合拉深件所需的拉深力来确定。设备能力（吨位）应比拉深力大。对于圆筒件，最大拉深力的计算式为
图8－46 拉深起皱
图8－47 旋压工件简图
1—芯模；2—坯料；3—顶柱；4—压杆（压轮）
对于坯料尺寸的计算，可按拉深前后的面积不变的原则进行计算。具体计算中可先把拉深件划分成若干容易计算的几何体，分别求出各部分的面积，相加后即得所需坯料的总面积，然后再求出坯料直径。
对于有些拉深件还可以用旋压的方法来制造，旋压过程特点是整体成形，剪切应力状态。旋压在专用的旋压机上进行。图8－47所示为旋压工件简图。工作时先将预先下好的坯料2用顶柱3压在芯模1的端部，通常用木质的芯模固定在旋转卡盘上。推动压杆4，使坯料在压力作用下变形，最后获得与芯模形状一样的成品。旋压工艺常用于生产碗形件、钟形件、灯口、反光罩、炊具、空心轴等。这种方法的优点是不需要复杂的冲模，变形力较小。故一般用于中小批量生产。
2）弯曲与卷边
弯曲是用模具把金属坯料弯折成所需形状的工序。弯曲可以在各类机械或液压压力机上进行。弯曲过程如图8－48所示。金属坯料在凸模的压力作用下，按凸、凹模的形状发生整体弯曲变形。工件弯折部分的内侧被压缩，外侧则被伸长。这种塑性变形程度的大小与弯曲半径r的大小有关。r越小，变形程度越大，金属的加工硬化作用就越强。r太小，就有可能在工件弯曲部分的外侧发生开裂。因此，规定r值应大于（0.25～1）s；弯曲塑性高的金属，弯曲半径r可取较小值。
弯曲时应注意金属板料的纤维分布方向，如图8－49所示。
图8－48 弯曲过程示意图
1—凸模；2—工件；3—凹模
图8－49 弯曲线与纤维方向
1—弯曲线；2—工件
当弯曲变形完毕后，凸模回程时，工件所弯的角度会因金属弹性变形的恢复而略有增加，称为回弹现象。它主要与材质有关，某些材质的回弹角度甚至高达10°，故在设计模具时应考虑它的影响。
卷边也是弯曲的一种。板材经卷边成形可做成铰接耳，起加固和增强作用且美观。卷边过程如图8－50所示。
3）翻边
翻边是在带孔的坯料上获得凸缘的工序，如图8－51所示。当工件所需凸缘的高度较大，用一次翻边成形可能会使孔的边缘造成破裂，则可采用先拉深、后冲孔、再翻边成形的过程来实现。
图8－50 卷边示意图
图8－51 翻边示意图
1—凸模；2—坯料；3—凹模；4—工件
图8－52 成形示意图
4）成形与收口
成形是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序，如图8－52所示。主要用于成形刚性肋条，或增大半成品的局部半径等。成形过程中，工件置于模具中，对介质（弹性介质、液体介质）施加高压，能量通过介质传递到工件上使其成形。要求材料有足够高的塑性失稳应变。成品精度较好，表面品质主要取决于原坯。设备主要使用各类机械压力机和液压机。
收口是使中空件口部缩小的过程，如图8－53所示。
图8－53 收口示意图
图8－54 滚弯示意图
5）滚弯（含卷板）
滚弯是将板料（工件）送入可调上辊与两个固定下辊间，根据上、下辊的相对位置不同，对板料施以连续的塑性弯曲成形，如图8－54所示。改变上辊的位置可改变板材滚弯的曲率。还有一种滚弯是将板料一次通过若干对上、下辊，每通过一对上、下辊便产生一定的变形，最终使板料成形为具有一定形状的工件。
滚弯用于生产直径较大的圆柱、圆环、容器及各种各样的波纹板，以及高速公路护栏等，尤其厚壁件。要求材料有足够的塑性，使工件外表面的应变不超过断裂应变。精度一般符合要求，表面品质主要取决于原材料。设备主要用专门的滚弯机。
利用板料制造各种冲压产品零件时，各种工序的选择、过程顺序的安排和各工序的应用次数，都是以产品零件的形状和尺寸及每道工序中材料所允许的变形程度为依据的。形状比较复杂或者特殊的零件，往往要用几个基本工序多次冲压才能完成；变形程度较大时，还要进行中间退火等。
图8－55所示为一零件冲压过程，材质为Q235；图8－56所示为黄铜（H59）弹壳的冲压过程，弹壳壁要经过多次减薄拉深，由于变形程度较大，工序间要进行多次退火。
3.冲模的分类及构造
冲模是板料成形（冲压）生产中必不可少的模具。冲模结构是否合理对冲压生产的效率和模具寿命等都有很大影响。冲模按基本构造可分为简单模、连续模和复合模三类。
1）简单模
简单模是指在曲柄压力机（又称冲床）的一次行程中只能完成一个工序的冲模。图8－57所示为落料用的简单模。
2）连续模
把两个以上冲压工序安排在一块模板上，冲压设备在一次行程内可完成两个或两个以上的冲压工序的冲模。这种冲模提高了生产率。图8－58所示为落料冲孔连续模。设计此类模具要注意各工位之间的距离、零件的尺寸、定位尺寸及搭边的宽度等。
图8－55 某零件的冲压过程
图8－56 弹壳冲压过程
图8－57 简单模
1—模柄；2—上模板；3—导套；4—导柱；
5—下模板；6—压板；7—凹模；8—压板；
9—导板；10—凸板；11—定位销；12—卸料板
图8－58 连续模
1—落料凸模；2—定位销；3—冲孔凸模；4—卸料板；5—坯料；6—落料凹模；7—冲孔凹模；8—成品；9—废料
3）复合模
在冲压设备的一次行程中，在模具同一部位同时完成数道冲压工序的冲模。图8－59所示为落料冲孔复合模。此类模具的最大特点是有一个凹凸模，如图8－59所示的凹凸模的外端为落料的凸模刃口，而内孔则为冲孔的凹模，因此冲床一次行程内可完成落料和冲孔。复合模生产率较高，冲压件相互位置精度高、工件平整程度好。不足之处是冲模复杂，凹凸模的强度受冲压件形状影响。复合模适用于产量大、精度高的冲压件。
由图可见，上述各类冲模都是由工作部件（如凸模和凹模等），模架零件（如上模板、下模板等），固定板，卸料器件，定位、导向等零件组成。
图8－59 落料及冲孔复合模
1—模板；2—凸凹模；3—坯料；4—压板（卸件器）；5—落料凹模；6—冲孔凸模；7—零件
4.板料冲压件结构技术特征
板料冲压件通常都是大批量生产的，因此冲压件的设计不仅要保证它的使用性能要求，且还应具有良好的冲压结构技术特征。这样才能易于保证冲压件品质，减少板料的消耗，延长模具使用寿命，降低成本及提高生产率等。
冲压件的设计应注意下列事项。
1）冲压件的精度和表面品质
对冲压件的精度要求，不应超过冲压工序所能达到的一般精度，并应在满足需要的情况下尽可能降低要求，不然将增加过程的工序，提高冲压件成本，降低生产率。
冲压工序的一般精度为:落料不超过IT10，冲孔不超过IT9，弯曲不超过IT9～IT10，拉深件直径方向为IT9～IT10，高度尺寸为IT8～IT10。
一般对冲压件表面品质的要求，尽可能不要高于原材料所具有的表面品质；否则，将要增加切削加工等工序，使产品成本大为提高。
2）冲压件的形状和尺寸
（1）落料件的外形应能使排样合理，废料最少。如图8－60所示，两零件在使用功能上相同，可见图8－60（b）中无搭边排样的形状较图8－60（a）合理，材料利用率高达79%。另外，应避免长槽与细长悬臂结构，因这些结构模具制造困难、模具寿命低。
图8－60 零件形状与排样
（2）落料和冲孔的形状、大小应使凸、凹模工作部分具有足够的强度。因此，工件上孔与孔的间距不能太小，工件周边的凹凸部分不能太窄太深，所有的转角都应有一定的圆角等。一般这些与板料的厚度有关，如图8－61所示。
图8－61 冲裁件尺寸与厚度的关系
（3）弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径；弯曲件和拉深件上冲孔的位置应在圆角的圆弧之处，若孔的形状和位置精度要求较高时，应在成形后再冲孔。
（4）拉深件的外形应力求简单对称且不宜太高，以易于成形和减少拉深次数；拉深件的圆角半径在不增加成形过程工序的情况下，最小许可半径如图8－62所示；否则，将增加拉深次数和整形工件，增多模具数量和提高成本等。
图8－62 拉深件最小允许半径
3）结构设计应尽量简化成形过程和节省材料
（1）在使用功能不变的情况下，应尽量简化结构，以便减少工序，节省材料，降低成本。如消音器后盖零件，原结构设计如图8－63（a）所示，须由八道冲压成形工序完成；经改进后如图8－63（b）所示，只需三道冲压成形工序且材料节省50%。
（2）采用冲口，以减少一些组合件 如图8－64所示，原设计用三个件铆接或焊接组合而成，现采用冲口（切口－弯曲）制成整体零件，节省了材料，也简化了成形过程，提高了生产率。
（3）采用冲焊结构 对于某些形状复杂或特别的冲压件，可设计成若干个简单的冲压件，然后再焊接或用其他连接方法形成整体件。如图8－65所示的冲压件由两个简单冲压件1和2组成。
（4）冲压件的厚度 在强度、刚度允许的情况下，应尽量采用厚度较薄的材料来制作冲压件，以减少金属的消耗，减轻结构的质量。对局部刚度不够的地方，可采用加强肋，如图8－66（b）所示。
图8－63 消音器后盖零件结构
图8－64 冲口应用
图8－65 冲焊结构件
1—冲压件1；2—冲压件2
图8－66 使用加强肋
阅读资料8－1
金属塑性加工设备
1.锤类设备
锻锤是由重锤落下或强迫高速运动产生的动能，对坯料做功，使之塑性变形的机械。锻锤是最常见、历史最悠久的锻压机械。它结构简单、工作灵活、使用面广、易于维修，适用于自由锻和模锻。
1）空气锤
空气锤工作原理（见图8－67）:电动机通过减速机构和曲柄，连杆带动压缩气缸的压缩活塞上下运动，产生压缩空气。当压缩缸的上下气道与大气相通时，压缩空气不进入工作缸，电动机空转，锤头不工作，通过手柄或脚踏杆操纵上下旋阀，使压缩空气进入工作缸的上部或下部，推动工作活塞上下运动，从而带动锤头及上砧铁的上升或下降，完成各种打击动作。旋阀与两个气缸之间有四种连通方式，可以产生提锤、连打、下压、空转四种动作。操作灵活，广泛用于中小型锻件的生产。空气锤适用于各种自由锻造工序:如延伸、镦粗、冲孔、剪切、锻焊、扭转、弯曲等。使用垫模即可进行各种开式模锻。
C41－150空气锤（见图8－68）技术参数:落下部分质量150kg；打击能量2.5kJ；打击次数180次/分；工作区间高度370mm；可锻毛坯Φ145mm；电动机功率18.5 kW；机器质量:主机3 260kg，砧座重1 500kg；机器外形尺寸2 390mm×1 085mm×2 150mm。
图8－67 空气（蒸汽）锤工作原理简图
1—阀门；2—操纵阀；3—工作缸
图8－68 C41－150空气锤
2）电液锤
图8－69 放油打击型电液锤工作原理简图
1—油箱；2—液压泵；3—单向阀；4—操纵阀；5—工作缸；6—蓄能器；7—氮气瓶
图8－69所示为放油打击型电液锤的工作原理简图。当液压泵2启动后，高压油经单向阀3进入蓄能器6，待其蓄满后，即可操纵滑阀4，推入阀芯，工作缸5下腔进油，活塞上移并压缩上缸带压氮气，若拉出阀芯，下缸与油箱相通，上腔高压气体膨胀，推动活塞下行进行打击。由于液路利用蓄能器作恒压源，还降低了液压泵的排量要求和电机拖动功率（仅为直给型的1/5）。电液锤的工作原理简言之就是液压蓄能、气体膨胀和自重做功。
电液锤是一种节能、环保的新型锻造设备，有单臂电液锤、双臂电液锤之分，工作原理与电液动力头相同，但机身与蒸汽（空气）锤有所区别，锤头的导向改为“X”导轨，可使导轨间隙调到0.3mm以内，大大提高了电液锤的导向精度，提高了锻件质量、延长锤杆寿命。
图8－70 C66－35（1T）电液锤
电液锤可用于自由锻和模锻生产，操作机构可手动操作，也可脚踏操作。
C66－35电液锤（见图6－70）技术参数:落下部分质量1 300kg；打击能量35kJ；打击次数50～58次/分；工作区间高度1 000mm；主油泵型号A2F160R2P3；主电机功率55kW；机器外形尺寸3 600mm×1 500mm×6 000mm。
2.锻造操作机
该系列锻造操作机有全液压、机械液压混合等传动形式，图8－71所示为T系列锻造操作机。具有大车行走、夹钳夹紧、钳头旋转、钳架升降、钳架回转等功能。它主要用于夹持轴类锻件及坏料配合锻锤进行锻造操作，并且很大程度地提高生产效率和锻件质量，减轻工人劳动强度，实现锻件生产机械化。
图8－71 T系列锻造操作机
图8－72 JH21系列曲柄压力机
3.压力机
1）机械压力机
机械压力机（见图8－72）是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动，工作平稳、工作精度高、操作条件好、生产率高，易于实现机械化、自动化，适于在自动线上工作。
2）液压机
液压机是以高压液体（油、乳化液等）传送工作压力的锻压机械。液压机的行程是可变的，能够在任意位置发出最大的工作力。液压机工作平稳，没有振动，容易达到较大的锻造深度，最适合于大锻件的锻造和大规格板料的拉深、打包和压块等工作。液压机主要包括油压机（见图8－73）和水压机（见图8－74）。
图8－73 YM32B系列四柱通用液压机
图8－74 15 000t水压机锻造现场图
3）旋转锻压机
旋转锻压机是锻造与轧制相结合的锻压机械。在旋转锻压机上，变形过程是由局部变形逐渐扩展而完成的，所以变形抗力小、机器质量小、工作平稳、无振动，易实现自动化生产。辊锻机、成形轧制机、卷板机、多辊矫直机、辗扩机、旋压机等都属于旋转锻压机（见图8－75至图8－77）。
图8－75 辊锻机
图8－76 W11S－40X3200上辊万能式卷板机
辊锻机适用于模锻件的预锻，也可用于终锻成形。可与锻压机或螺旋压力机组成锻造生产线，配上机械手后可实现辊锻过程自动化。由于辊锻速度高，预锻和终锻可在一火内完成。辊锻与锤锻相比，具有生产效率高，噪声和振动小的优点。
旋压机用于壁厚不变或少许变化的雏形、筒形、曲母线形等特殊形状的零件各类复杂曲面的高效旋制加工。
（资料来源:http://www.newmaker.com/product/；http://www.sdhuaduan.cn/；http://www.cavee.cn/；http://image.baidu.com/i？tn＝baiduimage＆ct）
图8－77 XYK10－350数控旋压机床
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