板料冲压技术

4　锻压技术与项目实训

锻压是锻造和冲压的总称。锻造和冲压都是借助外力的作用，使金属产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或机械零件的成形加工方法。

金属的锻压性能，以其锻造和冲压时的塑性和变形抗力来综合衡量。其中尤以材料的塑性对锻造性能的影响最为重要。因此，用于锻压的金属必须具有良好的塑性。

4.1　锻压项目实训

4.1.1　实训目的和要求

（1）了解锻造和冲压生产工艺过程、特点和应用。

（2）了解锻造时坯料加热的目的及常见加热缺陷。

（3）了解碳素结构钢锻造温度范围并能够通过火色观察大致鉴别其始锻温度和终锻温度。

（4）了解空气锤的结构、工作原理。

（5）熟悉自由锻造工艺特点，掌握自由锻造基本工序的特点及操作要领。

（6）了解胎模锻的特点和应用。

（7）了解冲床的结构和工作原理。

（8）了解冲模的基本结构及使用。

（9）了解板料冲压基本工序的特点及冲压工艺过程。

（10）了解常见冲压缺陷及其产生的原因。

4.1.2　实训安全守则

（1）操作前必须进行设备及工具检查，如空气锤上、下砧铁有无松动，锤把、火钳、垫铁、摔子、冲子等有无裂纹及铆钉是否有松动的现象。

（2）锻打时，锻件应在下砧铁的中部，锻件及垫铁等工具必须放正、放平，以防飞出伤人。

（3）选择的火钳口应与锻件的截面形状相适应，以保证夹持牢固。握钳时应握紧火钳的尾部，并把钳把置于体侧，严禁将钳把或其他带把工具的尾部对准身体的正面，或将手指放入钳口间。

（4）踩踏机器自由锻踏杆时，脚跟不许悬空，以保证操作的稳定和准确，非锤击时应随即将脚离开踏杆，以防误踏失事。

（5）严禁用锤头空击下砧铁，严禁将手、头伸入上、下砧铁之间，以防发生设备损坏或人身伤亡事故。

（6）两人或多人配合操作时，必须听掌钳工的统一指挥，锤工在击打前要注意观察周围情况，以免发生伤人事故。

4.1.3　项目实训内容

（1）手工锻造操作训练。

（2）空气锤镦粗操作训练。

4.2　锻造技术

锻造主要用来制造承受重载荷、动载荷、变载荷及高压力等重要机械零件或毛坯，如各种机床主轴、电动机曲轴等。因为锻造能压合铸造组织内部缺陷（如气孔、微小裂纹等）且能细化晶粒，显著提高金属的机械性能。锻件一般用低碳钢、中碳钢制造。因为低碳钢锻造性能很好，高碳钢锻造性能较差，高合金钢锻造性能更差，铸铁没有可锻性。

锻造一般可分为自由锻造、模型锻造（模锻）和特种锻造三类。

4.2.1　锻造工艺基础

锻造通常将坯料加热到再结晶温度以上进行。因为金属材料在常温下变形后，金属的强度和硬度升高，而塑性和韧度下降，这一现象称为加工硬化，加工硬化是一种不稳定的组织状态，常温下恢复到稳定状态极其缓慢，只有将其加热到适当的温度（再结晶温度以上），加工硬化现象才会消失，因此，为了增加金属的塑性并降低变形抗力，改善其锻造性能，通常将金属坯料加热到再结晶温度以上进行锻造。

1）锻造温度范围

虽然坯料加热后能显著提高其锻造性能，但如果加热温度过高或时间过长，则表面金属氧化和脱碳现象比较严重，甚至产生过热、过烧及裂纹等缺陷，因此，锻造必须严格控制在规定允许的温度范围内进行。

坯料的锻造温度范围是根据其化学成分确定的，不同金属的锻造温度范围是不同的，碳钢的锻造温度范围是根据相图来确定的。金属材料的锻造温度范围一般可查阅锻造手册、国家标准或企业标准。

从始锻温度到终锻温度即为锻造温度范围。始锻温度指坯料锻造时所允许的最高温度；终锻温度指坯料停止锻造的温度。在保证不出现加热缺陷的前提下，始锻温度尽量取高些，终锻温度应尽量低些，以便有较充足的时间锻造成形，使坯料在一次加热后完成较大的变形，减少加热次数，降低材料、能源消耗，提高生产率和锻件质量。几种常见材料的锻造温度范围见表4-2-1所示。

表4-2-1　常用材料的锻造温度范围

碳钢在加热及锻造过程中的温度变化，可通过观察火色（即坯料的颜色）的变化大致判断。表4-2-2为碳钢的加热温度与其火色的对应关系。

表4-2-2　碳钢的加热温度与其火色的对应关系

2）坯料加热设备

加热设备按其加热过程中所利用的热源不同，可分为火焰式加热炉和电加热炉。（1）火焰式加热炉

火焰式加热炉主要有明火炉（手锻炉）、反射炉和室式炉等。

①明火炉　明火炉即为将坯料直接放置在固体燃料上加热的炉子。又称手锻炉。主要用在手工锻造及小型空气锤上自由锻时的坯料加热。

明火炉结构简单、使用方便。但加热不均匀，燃料消耗大，生产率不高。

②反射炉　反射炉为燃料（烟煤）在燃烧室中燃烧，高温炉气（火焰）通过炉顶反射到加热室中进行加热坯料的炉子。其结构如图4-2-1所示。燃料在燃烧室燃烧，可使加热室的温度达到1350℃。

反射炉的结构较复杂、燃料消耗小，热效率高，是目前我国锻造车间广泛使用的加热设备。

图4-2-1　反射炉结构示意图

（2）电阻炉

电阻炉是利用电阻加热器通电时所产生的电阻热作为热源，以辐射方式加热坯料。电阻炉分为中温电炉（炉内温度1　100℃）和高温电炉（炉内最高温度为1　600℃）两种。图4-2-2为箱式电阻丝加热炉。

箱式电阻丝加热炉结构简单，操作方便，主要用于有色金属、高合金钢及精锻坯料的加热。

图4-2-2　电阻炉原理图

3）锻件冷却

锻件的冷却是保证锻件质量的重要环节。为防止锻件表面硬化以及锻件变形和开裂，锻件冷却速度不要太快并尽量使锻件各部分冷却、收缩均匀一致。锻件常用的冷却方法有三种：空冷、坑冷和炉冷。其中空冷是在无风的空气中，将锻件放在干燥的地面上冷却，空冷适用于塑性较好的中、小型低、中碳钢的锻件。坑冷是将锻件放在充填有石棉灰、砂子和炉灰等绝热材料的坑中，以较慢的速度冷却，坑冷适于塑性较差的高碳钢、合金钢锻件。炉冷是将锻件置于500～700℃的加热炉中，随炉缓慢冷却，炉冷适用于高合金钢、特殊钢的大型锻件及形状复杂的锻件。

4.2.2　自由锻造

只采用简单的通用性工具或在锻造设备的上、下砧之间使坯料产生塑性变形而获得锻件的方法称为自由锻造，简称自由锻。自由锻分手工自由锻和机器自由锻两种。

1）自由锻设备

自由锻设备主要有空气锤、蒸汽—空气自由锻锤和自由锻水压机等。其中，空气锤、蒸汽—空气自由锻锤主要用于锻造中、小型锻件；大型、特大型锻件则用自由锻水压机来锻造。

图4-2-3　空气锤外形结构及工作原理

空气锤既用于自由锻，也用于胎模锻。其外形结构及工作原理如图4-2-3所示。电动机经齿轮减速机构带动曲柄转动；连杆推动活塞在压缩缸内做上、下往复运动，把空气压缩；控制上、下旋阀，可使压缩空气交替进入工作气缸的上部或下部空间，推动工作气缸内的活塞连同锤杆和上砧铁一起上下运动，以实现金属坯料的锤打。

通过操作操纵手柄或操作脚踏杆控制旋阀的位置，可使锤头实现上悬、连续打击、单击、下压及空转等动作。锤头的行程和锤击力的大小可通过改变旋阀转角的大小来控制。

2）自由锻基本工序

锻件的自由锻成形过程是通过一系列的变形逐渐形成的。自由锻工序分基本工序、辅助工序和精整工序三类。基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、切割等。其中镦粗、拔长和冲孔最为常用。辅助工序有压肩、压痕等。修整工序主要有滚圆、摔圆、平整、校直等。

（1）镦粗

镦粗是使坯料整体或局部高度减小、截面积增大的锻造工序，如图4-2-4所示，有完全镦粗和局部镦粗两种。完全镦粗是将坯料直立在下砧上进行锻打，使其沿整个高度产生高度减小。局部镦粗分为端部镦粗和中间镦粗，需要借助于工具如胎模或漏盘（或称垫环）来进行。

为了保证锻件质量，除坯料要满足一定的工艺要求外，镦粗时必须采取正确的操作方法，才能使镦粗得以顺利进行，具体要求如下：

①坯料必须是圆形截面，否则，易使锻件表面形成夹层，如图4-2-5所示。

②坯料的高度h与其直径d的比值应小于2.5，否则易镦弯，镦弯的坯料要及时校正，如图4-2-6所示。

图4-2-4　镦粗

图4-2-5　方形截面镦粗

图4-2-6　镦弯的产生及矫正

③镦粗部分的坯料加热温度要高且均匀，其端部要平整并与其轴线垂直，镦粗时要使坯料不断地绕中心线转动，以便获得均匀的变形，以免坯料锻偏或锻弯。

④锤击力要足够，且坯料的高度h应不大于锤头最大行程的0.7～0.8倍，否则坯料将会被镦成细腰形，若不及时纠正，锻件将会出现夹层，如图4-2-7所示。

图4-2-7　细腰及夹层

镦粗适用于制造高度小、截面大的盘类锻件，如齿轮坯、圆盘、叶轮等；也可作为冲孔前的准备工序，使锻坯截面增大和平整，并减小冲孔高度；增加某些轴类坯料的拔长锻造比，提高力学性能，减少各向异性。

（2）拔长

拔长是使坯料长度增加、横截面积减小的锻造工序。拔长分平砧铁拔长、芯棒拔长和马杠（芯棒）扩孔等，如图4-2-8所示。其中，芯棒拔长是指在空心毛坯中加芯轴进行的拔长，以减小空心毛坯外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序（图4-2-8b）；马杠扩孔指利用上砧铁和马杠（芯棒）对空心坯料沿圆周依次连续压缩而实现扩孔的锻造工序（图4-2-8c）。

图4-2-8　拔长

拔长的工艺要求及操作要点如下：

①如果坯料在平砧铁上拔长时，应选用适当的送进量，以提高拔长效率。送进量一般为砧铁宽度的0.3～0.7倍。

②拔长过程中，要不断地翻转锻件，圆轴类锻件要逐渐锻成形，最后摔圆，如图4-2-9所示。

③拔长后的宽高比即a/h≤2.5，以免翻转90°后再次锻打会产生夹层。

④局部拔长时，必须先压肩，然后再拔长，以使过渡面平直、整齐。

⑤拔长后锻件必须进行修整，以使其表面平整。

拔长主要用于制造长轴类的实心或空心零件的毛坯，如轴、拉杆、曲轴、炮筒等。

图4-2-9　拔长操作法

（3）冲孔

冲孔指在实心坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工艺。冲孔主要有实心冲头冲孔、空心冲头冲孔和冲头扩孔等，其中实心冲头冲孔又分为单面冲孔和双面冲孔，如图4-2-10所示，其中，单面冲孔又称漏盘冲孔。

图4-2-10　实心冲头冲孔

4.2.3　模型锻造

模型锻造简称模锻，是将金属坯料放在固定于模锻设备上的上、下锻模的模膛内，施加冲击力或压力，使坯料在模膛所限制的空间内产生塑性变形，从而获得锻件的锻造方法。模锻生产率高，锻件精度高、表面粗糙度低，可以锻出形状复杂的锻件。与自由锻相比，金属消耗大大减少，但模锻设备及锻模费用高，锻件大小受限制，故只适于中、小锻件的大批量生产。

1）模锻设备

模锻设备主要有模锻锤、热模锻压力机、平锻机、螺旋压力机、高速锤、多向模锻水压机和模锻水压机等，其中以模锻锤应用最为广泛。在模锻锤上进行模锻称为锤上模锻，锤上模锻的主要设备为蒸汽—空气模锻锤。蒸汽—空气模锻锤的工作原理与蒸汽—空气自由锻锤基本相同，主要区别在于模锻锤与砧座形成一体，且锤头与导轨的间隙比较小，保证了锤头上、下运动的准确性，锤击时便于对准上、下锻模。

2）锻模及锻件成形过程

锻模是用专用模具钢制造的，由带燕尾的上、下锻模组成，并通过紧固楔铁分别固定在锤头和模座上。根据锻件的形状和模锻工艺的安排，上、下锻模中都设有一定形状的凹腔，称为模膛。

锻造形状简单的锻件时，锻模上一般只开设一个模膛，也称为终锻模膛。单模膛锻模及锻件形成过程如图4-2-11所示。终锻模膛四周设有飞边槽，其作用是在保证金属充满模膛的基础上，容纳多余的金属以防止金属溢出模膛。由于飞边槽的存在，会使锻件沿分模面周围形成一圈飞边，最后用压力机将其切除。

图4-2-11　单模膛锻模及锻件成形过程

锻造形状复杂的锻件时，锻模上则需要设置多个模膛，根据模膛的功能，将其分为制坯模膛和模锻模膛两大类，其中制坯模膛又分为拔长（即延伸）模膛、滚压模膛、弯曲模膛、成形模膛、镦粗台阶、压肩面和切断模膛等；而模锻模膛又可分为预锻模膛和终锻模膛。

图4-2-12所示为弯曲连杆在多模膛锻模中进行锤上模锻时的成形过程。其中延伸模膛、滚压模膛、弯曲模膛均属于制坯模膛，坯料依次在这三个模膛内锻打，使其逐步接近锻件的基本形状，然后再将其分别放入预锻模膛和终锻模膛内进行预锻和终锻，最后放入切边模内切去毛边，得到所需形状和尺寸的锻件。

图4-2-12　弯曲连杆的多模膛锻模及其成形过程

4.2.4　胎膜锻造

胎膜锻造是介于自由锻和模锻之间的一种锻造方法，是在自由锻设备上使用可移动的简单模具（胎膜）生产锻件的一种锻造方法。

与自由锻相比，胎膜锻锻件形状较准确，尺寸精度高，生产率较高。与模锻相比，胎膜结构简单，制造方便，无需昂贵的模锻设备，成本较低，因此，广泛用于中小锻件的中、小批量的生产。

胎模锻造时，一般先用自由锻造方法将坯料预锻成近似锻件的形状，然后将其放入胎膜模膛中，而胎膜不固定在锤头和砧座上，根据需要用工具夹持着自由地放在锤头下方的砧座上。用锻锤打至上、下模紧密接触时，坯料便会在模膛内形成所需要的锻件尺寸和形状。常用胎模的种类和结构及用途见表4-2-3所示。

表4-2-3　胎模的种类、结构和用途

续　表

4.2.5　特种锻造简介

1）精密模锻

精密模锻是在模锻设备上锻出形状复杂、精度较高锻件的模锻工艺。精密模锻时必须用相应的工艺措施来保证锻件的尺寸精度和表面质量等。如模具的设计与制造必须精确，一般要求锻模模膛的加工精度要高于锻件精度1～2级；严格控制坯料的下料尺寸精度；必须采用无氧化或少氧化的加热方法对坯料进行加热等。

2）粉末锻造

粉末锻造是将各种粉末压制成预制形坯，加热后再进行模锻，从而获得尺寸精度高、表面质量好、内部组织细密的锻件。粉末锻造是粉末冶金和精密模锻相结合的新工艺，其工艺流程为：制粉→混粉→冷压制坯→烧结加热→模锻→机加工→热处理→成品，如图4-2-13所示。

粉末锻造特点如下：

①锻件精度和表面质量均高于一般模锻件，可制造形状复杂的精密锻件，特别适合于热塑性不良材料的锻造，材料利用率高，可实现少或无切削加工。

②变形过程是压实和塑性变形的有机结合，通过调整预制坯的形状和密度，可得到具有合理流向和各向同性的锻件。

③变形力小于普通模锻。

图4-2-13　粉末锻造的流程图

3）超塑性模锻

超塑性模锻是超塑性成形方法之一。所谓超塑性是指当材料具有晶粒度为0.5～5μm的超细等轴晶粒，并在T＝（0.5～0.7）T熔的成形温度范围和ε＝（10-2～10-4）mm/s的低应变速率下变形时，某些金属或合金呈现出超高的塑性和极低的变形抗力现象。在超塑性状态下使金属或合金成形的工艺方法称为超塑性成形。超塑性成形方法主要有超塑性模锻、超塑性挤压、超塑性板料拉深、超塑性板料气压成形等。这里只介绍超塑性模锻。

超塑性模锻是指将已具备超塑性的毛坯加热到超塑性变形温度，并以超塑性变形允许的应变速率，在压力机上进行等温模锻，最后对锻件进行热处理以恢复其强度的锻造方法。超塑性模锻可对高温合金、钛合金等难成形、难加工材料锻造出精度高、加工余量小，甚至不需加工的零件。

超塑性模锻已成功应用于军工、仪表、模具等行业中，如制造高强合金的飞机起落架、燃汽涡轮零件、注塑模型腔及特种齿轮等，实现了锻件无切削或少切削加工的新途径。

4.3　板料冲压技术

冲压主要用来制造强度高、刚性大、结构轻的板壳类零件，如仪表罩壳、手表齿轮等。冲压件一般用低碳钢板、铜板或铝板等制造。

板料冲压是在压力机（冲床）上，通过冲模使金属或非金属板料产生分离或变形，从而获得所需形状和尺寸制件的加工方法。板料冲压一般在室温下进行，又称冷冲压。

4.3.1　冲压设备

板料冲压的主要设备是压力机，亦称冲床。压力机种类繁多，图4-3-1为开式双柱可倾式压力机（冲床）的外观图和传动简图。压力机由电动机驱动，经V带减速系统及离合器带动曲轴旋转；再通过曲柄连杆机构，使滑块沿导轨做上下往复运动。冲模的下模板固定在工作台上；上模板安装在滑块下端，随着滑块做上下往复运动，从而完成冲压动作。

图4-3-1　开式双柱冲床

4.3.2　冲压基本工序

冲压工艺按其变形性质可分为材料的分离与成形两大类，其中材料的分离主要包括剪切、冲裁（落料和冲孔）、切边、剖切等工序；材料的成形主要包括弯曲、卷圆、扭曲、拉深、翻边、胀形、挤压等工序。下面将简单介绍几种常见冲压工序。

1）剪切

剪切是使板料沿不封闭的轮廓分离的冲压工序，通常在剪床（剪板机）上进行，其目的是将原始板料剪切成一定宽度的长条坯料，以便在下一步的冲压工序中进行送料，因此，剪切工序通常作为其他冲压工序的准备工序。

2）冲裁

冲裁是使板料在冲模刃口作用下，沿封闭轮廓分离的冲压工序，冲裁包括落料和冲孔，如图4-3-2所示。落料和冲孔的操作方法和板料分离的过程是相同的，只是其用途不同。

图4-3-2　落料和冲孔

（1）落料

落料是用冲裁模从坯料上冲下所需要的块料，（图4-3-2a），冲下的部分作为工件或进一步加工的半成品，其余部分则为废料。

（2）冲孔

冲孔是用冲裁模在半成品工件（或坯料）上冲出所需要的孔洞（图4-3-2b）。冲下的部分是废料，而冲孔后的板料本身（周边）是工件。

3）弯曲

弯曲是利用弯曲模具将坯料（工件）弯成具有一定曲率和角度的冲压变形工序，如图4-3-3所示。金属坯料在凸模的压力作用下，按凸模和凹模的形状发生弯曲变形。弯曲变形不仅可以加工板料，也可加工管子等型材。

弯曲变形时，在弯曲部位，其内侧金属被压缩，容易起皱，外侧金属被拉伸，容易拉裂。而弯曲半径r越小，拉伸和压缩变形程度越大。按坯料的材质和厚度不同，对最小弯曲半径应有所限制，一般规定弯曲半径r值应大于（0.25～1）S，S为板厚。

由于在弯曲过程中，受弯部位金属发生弹—塑性变形，因此弯曲件的角度比弯曲模的角度略有增大（一般回弹角度为0°～10°）。

图4-3-3　弯曲过程简图

4）拉深

拉深是利用拉深模具将平直的板料压制成空心工件的冲压成形工序，如图4-3-4所示。将平直板料（坯料）放在凸模和凹模之间，并由压边圈适当压紧，其作用是防止坯料在厚度方向变形。在凸模的压力作用下，金属坯料被拉入凹模后变形，最终被拉制成杯形或盒形的空心工件，并且其壁厚基本不变。

图4-3-4　拉深

4.3.3　冲压模具

冲压模具（简称冲模）是使坯料分离或变形必不可少的工艺装备，按其功能不同，可分为简单模、连续模和复合模三种。

1）简单模

在冲床的一次行程中只完成一道冲压工序的模具称为简单模，如图4-3-5所示。简单模结构简单、制造容易，但其生产率低，只适用于小批量、低精度冲压件的生产。

图4-3-5　简单模

图4-3-6　落料和冲孔连续冲模

2）连续模

在冲床的一次冲程中，在模具的不同工位上能同时完成两道或两道以上冲压工序的模具，称为连续模，图4-3-6为落料和冲孔的连续模，即在一次冲程内，可同时完成落料和冲孔两个工序。连续模生产率较高，适合于大批量、一般精度冲压件的生产。

3）复合模

在冲床的一次冲程中，在模具的同一工位上能完成两道或两道以上冲压工序的模具，图4-3-7为落料及拉深复合冲模。复合模结构复杂，但其具有较高的生产率，适于大批量、高精度冲压件的生产。

图4-3-7　落料及拉深复合冲模

4.3.4　冲压新工艺简介

1）超塑性板料气压成形

将板料放在模具中，并与模具一起加热到超塑性温度后，将模具内的空气抽出（真空成形，见图4-3-8a）或向模具内吹入压缩空气（吹塑成形，见图4-3-8b），利用气压使板料紧贴在模具上，从而获得所需形状和尺寸的工件。

图4-3-8　超塑性板料气压形成

此种方法主要适合于成形钛合金、铝合金、锌合金等形状复杂的壳体零件，一般厚度为0.4～4mm的薄板用真空成形法，而厚度较大的板料用吹塑性法。

2）爆炸成形

爆炸成形是高能率成形方法之一，是利用高能炸药在爆炸瞬间释放出的巨大化学能，通过介质（水或空气）以高压冲击波作用于坯料，使其在极高的速度下变形的一种工艺方法。爆炸成形适用于加工形状复杂、难以用成对钢模成形的工件，主要用于板料的拉深、胀形、弯曲、翻边、冲孔、压花纹等冲压加工，图4-3-9所示为爆炸拉深示意图，图4-3-10所示为爆炸胀形示意图。

图4-3-9　爆炸拉深

图4-3-10　爆炸胀形

爆炸成形所用模具简单、无需冲压设备、成形速度快，能简单地加工出大型板材零件等，尤其适合于小批量或试制大型冲压件。

复习思考题

1.锻压成形的实质是什么？与铸造相比，锻压有哪些特点？

2.什么叫自由锻？试述自由锻的特点及应用？

3.自由锻件与模锻件在结构上有何不同？为什么？

4.剪切与冲裁、冲孔与落料各有何不同？

5.冲裁模与拉深模在结构上有何不同？为什么？

6.超塑性模锻与普通模锻相比，具有哪些特点？