锻造工艺与模具设计-绪论

锻造工艺与模具设计锻造工艺与模具设计谢利谢利材料工程材料工程学院学院1课程简介一、本课程的性质 研究如何利用各种锻造方法有效地控制锻件的成型和内部组织性能生产出高质量锻件的一门技术学科。二、本课程的任务 (1)基本掌握自由锻工艺设计、模锻工艺设计和锻模设计的方法； (2)具有初步的进行锻造工艺分析的能力； (3)具有初步分析和解决锻件质量问题的能力.2二、考核方式及成绩评定要求 (1)闭卷考试,考试成绩占总成绩60%，实验成绩20%，课堂讨论10%，平时成绩10%; (2)点名三次不到取消考试资格; (3)共5次作业,一次不交无平时成绩.三、三、教学参考书教学参考书 1 姚泽坤.锻造工艺学与模具设计M.北京：西北工业大学出版社，2007. 2 胡亚民，华林.锻造工艺过程及模具设计M. 北京：北京大学出版社，2006. 3夏巨谌.典型零件精密成形M. 北京：机械工业出版社，2008. 4李云江.特种塑性成形M. 北京：机械工业出版社，2008. 3课堂讨论题目:(1)锻造模具在国民经济和国防建设中的作用；(2)锻造模具国内外的发展现状；形式：两个班分成6个小组，自选讨论题目，查阅相关资料，做成PPT，推举一人上台汇报演讲，控制时间为10min；时间：初定第七周；成绩评定：根据小组汇报表现进行打分（占总成绩的10%）4第一章第一章 绪绪 论论5什么是锻造什么是锻造？金属塑性加工方法之一金属塑性加工方法之一锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件符合要求的零件。为了为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。6锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公元前可以追溯到公元前40004000年年甚至甚至80008000年。年。锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航空、锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航空、航天、兵器以及其它许多工业部门。航天、兵器以及其它许多工业部门。7航空航天8武器装备9交通运输1011121任务：解决锻件的成形及其内部组织性能的控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。2目的：锻造的根本目的是利用外加载荷（冲击载荷或静载荷）通过锻压设备或模具使金属毛坯产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件，同时使锻件机械性能和内部组织符合一定的技术的要求。3. 实质：锻造工艺的实质是如何利用金属的塑性使金属毛坯改变形状和性能而成为合格锻件的加工过程。锻造的任务、目的和实质131.1锻造生产的特点与作用（1）锻造生产的优点和缺点 优点：优质、高产、低消耗、灵活。 1）优质 指可以改善金属组织性能。金属零件的传统生产过程是：冶炼制坯切削加工热处理； 制坯有三条途径：铸造毛坯、轧制型材、锻造毛坯 铸造毛坯的组织性能差，只适用于性能要求低的零、部件14锻造：锻造：纤维组织纤维组织变形后的杂质变形后的杂质仍具有方向性，呈现纤维状仍具有方向性，呈现纤维状条纹条纹锻造锻造流线变形后杂质的流线变形后杂质的纤维分布，使组织、纤维分布，使组织、 性能呈性能呈方向性方向性15NoImage钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意162) 2) 高产高产 机械化机械化生产，生产率高生产，生产率高 二、三百件二、三百件/ /小时，现在更高了，一百多件小时，现在更高了，一百多件/ /分，分，1.21.2万件万件/ /小时。据统计，每模锻小时。据统计，每模锻100100万吨钢万吨钢，由于提高了生产率，可比切削加工减少，由于提高了生产率，可比切削加工减少2-32-3万万工人，少用工人，少用1500015000台机床。在现今技术水平条件台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成下，几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成半成品零件，只是难易程度不同而已。半成品零件，只是难易程度不同而已。17今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达到甚至超过机械加工的一般精度水平，如各种冷温挤压标到甚至超过机械加工的一般精度水平，如各种冷温挤压标准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等。准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等。西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线183) 3) 低消耗低消耗 少少、无切削，省工省料。、无切削，省工省料。 4)4) 灵活灵活 锻造锻造可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯等），也可锻制形状复杂、不需或只需少量切削加工的精等），也可锻制形状复杂、不需或只需少量切削加工的精密锻件（如曲轴、精锻齿轮等密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）；）；锻件的重量小的不到锻件的重量小的不到1 1公斤公斤 大的可达几百吨大的可达几百吨单件小批量生产单件小批量生产 大批量生产。大批量生产。19缺点：缺点： 1 1) )模具成本高，加工模具成本高，加工周期长周期长 2 2) )受锻造设备吨位的受锻造设备吨位的限制限制 一个解放车发动机的六拐曲轴的模锻需要12500吨压力机；飞机上的模锻件则需要3万吨甚至8万吨压力机才能实现.2012年12月11日，由我国自主设计研制的世界最大模锻液压机，在四川德阳中国第二重型机械集团进入调试阶段，于2013年4月10日投入试生产。这台8万吨级模锻液压机，地上高27米、地下15米，总高42米，设备总重2.2万吨。20锻造在工业生产中占有锻造在工业生产中占有举足轻重举足轻重的的地位；地位； 锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家的锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家的工业、农业、国防和科学技术的影响，难以工业、农业、国防和科学技术的影响，难以估量；估量；锻造生产的能力在一定程度上锻造生产的能力在一定程度上标志标志着一个国着一个国家的家的工业工业水平水平. .（2）锻造业的地位211.2锻件生产的分类及应用范围(1)(1)根据根据所用工具和生产工艺的不同可分为所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻自由锻造造、模锻模锻和和特种锻造特种锻造。 1) 1)自由自由锻造锻造 把加热好的坯料放在自由锻造把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间或简单的工具中进行锻造的方法称设备的平砧之间或简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。为自由锻。 一般一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。 手工锻造手工锻造 机械机械( (锤锤上自由锻和水压机上上自由锻和水压机上自由锻自由锻) )自由锻自由锻2223u自由锻造主要用于锻制自由锻造主要用于锻制钢锭钢锭和和形状简单、粗糙度形状简单、粗糙度要求较低、加工余量较大要求较低、加工余量较大的锻件生产。的锻件生产。u使用的是形状简单的使用的是形状简单的通用工具通用工具，灵活性大，生产，灵活性大，生产准备周期短，所以使用范围广。准备周期短，所以使用范围广。u锻件锻件力学性能和表面质量力学性能和表面质量受操作工人的影响较大受操作工人的影响较大，不易保证，生产效率低。，不易保证，生产效率低。24自由锻自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称还可以借助简单的模具进行锻造，称胎胎模锻模锻; ;胎胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预锻模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料放模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料放入胎模内入胎模内成形成形. .252)2)模锻模锻: :把把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的方法称为模锻。模具内进行锻造的方法称为模锻。由于模具型槽限制金属的变形，而获得与型槽形由于模具型槽限制金属的变形，而获得与型槽形状一致的锻件。状一致的锻件。根据根据变形变形特点特点( (有无飞边有无飞边) )，分为开式模锻和闭式分为开式模锻和闭式模锻。模锻。26根据根据设备结构特性和工艺特性设备结构特性和工艺特性的不同，分为的不同，分为锤上模锻（自由锻锤上模锻、高速锤上模锻锤上模锻（自由锻锤上模锻、高速锤上模锻）、摩擦压力机上模锻、热模锻压力机上模）、摩擦压力机上模锻、热模锻压力机上模锻、液压机上模锻、平锻机上模锻、专用锻锻、液压机上模锻、平锻机上模锻、专用锻压机上模锻等。压机上模锻等。模锻适用于形状复杂，尺寸精度较高，加工模锻适用于形状复杂，尺寸精度较高，加工余量小，余量小，批量生产的中、小型锻件批量生产的中、小型锻件。形状和尺寸靠模具保证，人为影响因素小。形状和尺寸靠模具保证，人为影响因素小。精密锻件精密锻件的成形也要通过模锻来实现的成形也要通过模锻来实现。273)3)特种特种锻造锻造 即在专用锻压设备上或在特殊模即在专用锻压设备上或在特殊模具型槽内使坯料成形的一种特殊锻造工艺。具型槽内使坯料成形的一种特殊锻造工艺。一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻造工艺。造工艺。如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆动如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆动辗压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和超辗压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和超塑性模锻等。塑性模锻等。28锻造锻造工艺流程工艺流程是指生产一个锻件所经过的锻造生是指生产一个锻件所经过的锻造生产产过程过程; ;以模锻为例，其锻造工艺流程是以模锻为例，其锻造工艺流程是：备料：备料加热加热模锻切模锻切边边热处理酸洗、清理热处理酸洗、清理校正校正; ;一般来说，一种锻件选用哪一种锻造方法生产，一般来说，一种锻件选用哪一种锻造方法生产，与形状、尺寸、技术要求和生产批量大小等很多与形状、尺寸、技术要求和生产批量大小等很多因素因素有关有关; ;通常，单件、小批量生产通常，单件、小批量生产 自由锻自由锻方法方法 大大批量批量 模锻模锻方法生产方法生产但但有些有些航空重要产品航空重要产品上的锻件，虽然批量不大，上的锻件，虽然批量不大，但由于流线和性能等方面的要求，要求工艺的一但由于流线和性能等方面的要求，要求工艺的一致性等，通常也采用模锻方法生产。致性等，通常也采用模锻方法生产。29(2)锻件生产的应用范围 几乎所有运动的重大受力构件都由锻造成形; 交通工具制造业的发展大大的推动了锻造(尤其是模锻)技术的发展,如:汽车和飞机制造业的发展 锻压零件在飞机中占85%; 汽车中占60%-70%; 在农机、拖拉机中占70%; 全世界仅钢模锻件的年产量就达数千万吨.301.3锻造工艺的历史及发展（一）锻造技术的发展简史（一）锻造技术的发展简史 人类人类在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国约在公元前制造装饰品和小用品。中国约在公元前20002000多年已应用多年已应用冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。 最初最初，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料。索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料。1414世世纪以后出现了畜力和水力落锤锻。纪以后出现了畜力和水力落锤锻。 3132为锻铜浮雕。为锻铜浮雕。是手工锻造作是手工锻造作品。手工锻造品。手工锻造是一种古老的是一种古老的金属加工工艺，金属加工工艺，是以手工锻打是以手工锻打的方式，在金的方式，在金属板上锻锤出属板上锻锤出各种高低凹凸各种高低凹凸不平的浮雕效不平的浮雕效果。果。33 1842 1842年，英国的内史密斯制成第一台年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤蒸汽锤，使锻造进入应用使锻造进入应用动力时代动力时代。以后陆续出现锻造水压。以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。夹板锤最早应用于美国内战夹板锤最早应用于美国内战( (1861-18651861-1865) )期间，用以期间，用以模锻武器的零件，随后在欧洲出现了模锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤蒸汽模锻锤，模锻工艺逐渐推广。到模锻工艺逐渐推广。到1919世纪末已形成近代锻压机世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。械的基本门类。 2020世纪初期，随着汽车开始大量生产，世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻热模锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。迅速发展，成为锻造的主要工艺。34l锻压经过100多年的发展，今天已成为一门综合性学科。l它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为理论基础，同时涉及传热学、物理化学、机械运动等相关学科，以锻造、冲压等为技术，与其它学科一起支撑机器制造业。我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比还有一定差距；表现在：1) 工业发达国家的模锻件已占全部锻件的70以上，而我国尚不足30； 2) 国外有成千条锻造自动生产线，大型自由锻造水压机普遍配备了锻造操作机等,而我国在这些方法还很薄弱.353)3)精精锻技术和大型锻件的生产水平与一些工业发展国家锻技术和大型锻件的生产水平与一些工业发展国家相比较低，一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由相比较低，一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由锻件还常常需从国外进口。锻件还常常需从国外进口。4)4)在在CAD/CAMCAD/CAM方面，一些发达国家已进入实用阶段，在方面，一些发达国家已进入实用阶段，在这些方面，我国还刚刚起步。这些方面，我国还刚刚起步。 36（2）锻造生产的发展趋势1) 1) 总趋势是使锻件形状、尺寸和表面总趋势是使锻件形状、尺寸和表面质量最大限度地与产品零件相接近，以质量最大限度地与产品零件相接近，以达到少、无切削加工的目的，为此应逐达到少、无切削加工的目的，为此应逐步发展和完善步发展和完善精密成形新技术精密成形新技术，发展高，发展高效精密的锻压效精密的锻压设备设备; ;2) 2) 为适应大批量生产的需要，应发展为适应大批量生产的需要，应发展专业化的连续生产线专业化的连续生产线，建立地区性的专，建立地区性的专门化锻造中心，如齿轮精锻中心、连杆门化锻造中心，如齿轮精锻中心、连杆锻造中心、标准件锻造中心等，以利于锻造中心、标准件锻造中心等，以利于进行技术改造及采用最新设备和先进进行技术改造及采用最新设备和先进工工艺艺. . 373) 为适应新产品开发，缩短研制周期，应发展柔性加工技术和CAD/CAM 技术; 锻模的CAD/CAM的主要优点有： 设计的速度快、准确性高，且可将设计人员从繁重的重复性劳动中解脱出来; 可以把多方面的经验和研究成果集中起来，方便地应用于设计加工，提高设计质量; 可以实现多方案比较设计，达到优化的目的; 提高锻件的内在质量; 提高机械化、自动化水平; 发展以煤气、油、电等为热源的先进加热技术，改善劳动条件.38