精密模锻工艺.doc

第 10 章 精密模锻工艺10.1 概述与一般模锻相比，精密模锻能获得表面质量好、机械加工余量少和尺寸精度较高的锻件，从而能提高材料利用率，可使金属流线沿零件轮廓合理分布，提高零件的承载能力，精密模锻件不经机械加工或仅需很少机械加工即可装配使用精密模锻件并没有一个很确切的数据界限，分类方法也不一致，在 HB0-6-67 的模锻件余量及尺寸公差标准中，将模锻件精度等级分为五级：一级精度，用于模锻件冷精压表面间的尺寸公差；二级精度，用于模锻件热精压表面间的尺寸公差；三级精度，用于精制模锻件的尺寸公差；四级精度，用于一般模锻件的尺寸公差；五级精度，用于模锻件加工表面间的尺寸公差一般而言，前一、二、三级精度的模锻件就算精密模锻件了按照航标 HB5119-79，根据余量大小和尺寸精度可将模锻件分成四类粗模锻件具有粗大余量和大公差的锻件，腹板厚，凸、凹圆角半径大，模锻斜度约 7°或更大，尺寸精度满足 HB0-6-67 五级精度要求，全部需机械加工，其重量约为成品零件的 4 倍左右普通模锻件具有一般余量和一般公差的模锻件，腹板比较厚，凸、凹圆角半径比较大，模锻料斜度 3-7°，需机械加工表面占 60-80%，其非加工面尺寸精度满足 HB0-6-67 的四级，其重量约为成品零件的 3 倍左右。

半精密锻件具有较小余量和小公差的模锻件，凸、凹圆角半径小，模锻斜度 1-5°，机械加工表面占 10-60%，其非加工面的尺寸精度满足 HB0-6-67 的三级，其重量约为成品零件的 1.7 倍左右精密锻件用先进工艺和精密模具锻制的仅局部或孔洞部分进行机械加工的模锻件，凸、凹圆角半径小，模锻斜度 0-3°，尺寸精度不低于 HB0-6-67 的三级精度，其重量为成品零件的 1.2 倍左右如果精密模锻件的全部精度都高于普通模锻件，则称为完全精密模锻件；如果精密模锻件的部分精度高于普通模锻件，则称局部精密模锻件10.2 精密模锻的特点与普通模锻相比，精密模锻的主要优点是：机械加工余量少，甚至为零；原材料节省；劳动生产率高；零件的生产成本低；尺寸精度较高，精密模锻件的尺寸公差比普通模锻件的尺寸公差小，一般仅为普通模锻件公差的一半，甚至更小；表面质量好，精密模锻件的表面粗糙度较低，可达Ra0.8~3.2 m与切削加工相比，精密模锻的主要优点是：因锻件毛坯的形状和尺寸与成品零件接近甚至完全一致，因而材料利用率高；因精密塑性成形，金属纤维的分布与零件形状一致，因而使零件的力学性能有较大的提高，所以精密模锻也称少无切削工艺。

精锻件与普通模锻件相比有如下特点：精锻件的形状比一般模锻件复杂，一般模锻件可以通过增加余块来简化形状，而精锻件则接近于零件的形状；精锻件的壁厚、肋宽等尺寸比一般模锻件的小，因为一般模锻件有加工余量，而精锻件一般不留加工余量或少留加工余量；模锻斜度小，甚至无模锻斜度；精锻件的尺寸精度和表面质量比一般模锻件高；金属流线能围绕零件轮廓而不被切断，所以其机械性能和抗应力腐蚀性能高；精锻件的尺寸精度和表面质量要求高，常常在初步精成形后，还要再增加一道精整工序10.3 关于锻件精度问题的分析锻件的精度是一个综合性的技术问题，它与坯料体积的偏差、模具和锻件的弹性变形、模具和坯料（锻件）的热胀冷缩、模具设计和加工、设备精度等有关正确分析这些因素的影响并采取有效的解决措施是保证锻件精度的重要环节1）零件的结构工艺性由于精密模锻件是由毛坯在模膛中经塑性变形而获得，故零件的结构是影响锻件尺寸精度的一个因素这就要求零件设计者在可能范围内考虑锻造变形特点，设计适合精锻工艺的零件形状而在制定精密模锻工艺方案时，则应根据变形过程中金属的流动特点，考虑零件结构对锻件尺寸精度的影响，采取相应的技术措施2）坯料体积的偏差在开式精密模锻中，因为模腔周围设有飞边槽，毛坯体积波动并不影响锻件的尺寸。

在闭式精密模锻中，毛坯体积的波动直接引起锻件尺寸的变化当不产生飞边或飞边体积不大时，毛坯体积偏差增大，将使锻件尺寸偏差增大坯料体积的偏差是由两方面因素引起的：一是下料不准确，二是坯料加热时，坯料烧损的程度不一样目前精密下料可使坯料的重量偏差控制在 1%以内，而一般下料方法约为 3%-5%或更大因此，要提高锻件精度，首先要提高下料精度和改善加热情况，其次在锻件图设计和工艺设计时，应根据坯料体积可能的变化范围采取适当的措施3）模膛的尺寸精度和磨损模膛的尺寸精度和在模锻过程中的磨损对锻件尺寸精度有直接影响，在同一模膛的不同位置，由于变形金属的流动情况和所受到的压力不同，其磨损程度也不相同对于开式精密模锻，模膛水平方向的磨损会引起锻件外径尺寸增大和孔径尺寸减小，模膛垂直方向的磨损会引起锻件高度尺寸增大对于普通模锻，建议在大量生产中可采用如下模具磨损公差：模具的外长度、外宽度和外径尺寸的磨损公差是用外长度、外宽度和外径尺寸乘以表 10-l 中相应的材料系数而得，这个公差加在锻件外长度、外宽度和外径尺寸的正偏差上模具的内长度、内宽度和内径尺寸的磨损公差按同样方法计算，但这个公差加在内长度、内宽度和孔径尺寸的负偏差上。

模具内、外尺寸上单面公差均为计算总值的一半模具磨损公差不能应用于中心线到中心线间的距离尺寸表 10-1 计算模具磨损公差的材料系数锻件材料 系数 锻件材料 系数碳钢 0.004 难熔合金 0.012低合金钢 0.005 锻铝合金 0.0041Cr13、2Cr13 等马氏体不锈耐热钢 0.006 超硬铝合金 0.007镍铬奥氏体不锈钢(如 1Cr8Ni9Ti) 0.007 镁合金 0.006耐热合金 0.008 黄铜 0.002钛合金 0.009 铜 0.002内长度、内宽度和内径尺寸的模具磨损公差按同样方法计算，但这个公差加在内长度、内宽度和孔径尺寸的负偏差上内、外尺寸上单面模具磨损公差均为计算总值的一半模具磨损公差不能应用于中心线到中心线间的尺寸精密模锻时，坏料通常是没有或只有少量氧化皮模锻无氧化皮的坏料时，模具磨损量比模锻有氧化皮的坯料时减少约 l6%上述模具磨损公差可供设计精密模锻件参考若采用性能更好的模具材料以及对模具进行氮化等表面处理，可以较大地提高模具耐磨损性能同时，锻造时对模具进行良好的润滑和冷却，也可减少模具磨损所以，可根据实际情况确定模具磨损公差在闭式模锻时，模膛磨损对锻件尺寸的影响，如图 10-1 所示。

模膛磨损将引起锻件水平方向尺寸L（D）增大，若坯料体积不变，且不产生飞边（或飞边体积不变） ，此时为了获得充填良好的锻件，其高度尺寸 H 将减小在这种情况下，锻件高度尺寸的公差 H就不能由模膛垂直方向的磨损来决定，而应该是锻件水平方间尺寸磨损公差的函数在模具设计时，锻件水平方向尺寸应取最小值，而高度方向尺寸应取最大值当模具磨损达最大值时，锻件水平方向尺寸达最大值，而高度方向尺寸达最小值按体积不变条件，锻件高度尺寸公差由水平尺小公差决定，其关系式为：矩形截面锻件BHL （10-1）正方形截面锻件（ ）2(10-2)圆柱形锻件 DH(10-3)式中， BL和 －分别是锻件长边和短边的尺寸；和－分别是锻件长边和短边尺寸的偏差；和－分别是锻件直径尺寸和其偏差4）模具温度和锻件温度的波动热模锻时即使采取良好的冷却措施，模具温度一般也在 300℃以上室温下的冷态体积成形，由于金属变形发热导致模具升温，尤其在挤压成形时模具温度也常常升至 100℃以上甚至到 200℃模具温度的波动会引起模膛容积的变化，其变化值可按下式计算：3210Vt（10-4）式中， t－模膛容积变化值， 0Vtt；0－设计时，预定模具温度下的模膛容积；tV－锻造时实测模具温度下的模膛容积；1， 2和 3－三个垂直方向上模膛尺寸的相对改变量。

如果模具温度分布均匀，当模具实测温度与设计预定的模具温度相差为 t时，则：tVt0（10-5）式中， －模具材料的线膨胀系数对于淬硬钢，可取 012.，则有：tt036.（10-6）由模具温度和锻件温度波动引起的锻件尺寸改变，可按下式计算： 模模模 tLt（10-7）式中， － 方向锻件尺寸对公称尺寸的波动值；－在公称温度下 方向的锻件尺寸；图 10-1 闭式模锻锻件尺寸图t－模锻结束时锻件温度对公称温度的波动值；模L－在公称温度下 L方向的模膛尺寸；模t－模锻结束时模具温度对公称温度的波动值；－锻件材料的线膨胀系数；模－模具材料的线膨胀系数应用公式 10-7 时，应该注意，提高终锻时的锻件温度将使锻件尺寸减小，而提高模具温度则使锻件尺寸增大5）模具和锻件的弹性变形精密成形时，由于应力作用，模具和坯料均产生弹性变形，这对锻件的尺寸精度有较大的影响以模锻为例，模膛因受内压力作用，尺寸增大；而坯料受压则产生压缩弹性变形外力去除后，两者都向相反方向弹复，结果使锻件尺寸增大，其数值是模具和锻件弹性变形量的总和模具和锻件的弹性变形量，可根据材料的弹性模量、应力的数值和相应部分的尺寸来确定。

但是应用弹性理论算出弹复值是十分困难的，实际的弹复值通常是通过各种工艺实验确定的6）锻件的形状与尺寸锻件的形状与尺寸对可能达到的尺寸精度有一定的影响例如具有强薄壁高肋的锻件，模锻时常常不易充满；又如呈扭曲形状的汽轮机叶片，模锻后锻件上各处的弹复量和冷收缩量均不一样；再如某些轴线弯曲的轴类锻件，模锻时由于分模面不在同一平面内，有时产生的错移力较大，即使采取平衡错移力的措施，也不能完全消除，使尺寸偏差增大7）成形方案对一定形状的锻件，成形方案是否合理，对尺寸精度有很大影响例如轴承套圈在一般扩孔机上进行开式辗扩时，径向尺寸很难准确控制，椭圆度和锥度较大如果辗扩后增加一道精整工序，或在外径受限制的模具中辗扩时，尺寸精度和形位精度均可大幅度提高又例如用辊锻方法生产的叶片和连杆锻件，尺寸精度较低，如果辊锻后再增加一道精整工序，则可使锻件精度有较大提高再如齿轮类锻件，如齿形在端面，齿高较矮时，可利用带齿槽的冲头，在室温或中温（视材料硬度而定）直接压出齿形，而不必再精整形对于齿形在端面且齿较高的锥形齿轮，该类零件一般为钢件，变形抗力较大，应先采用高温（1000℃-1100℃）初成形，经切边和清理后再进行温热（750℃-850 ℃）精压。

温热精压是保证该类锻件尺寸精度和表面粗糙度的关键而对于一端带齿的小尺寸电机齿轮，采用挤压工艺可较好地保证齿形精度，不带齿的部分可作为挤压时的余料8）模膛和模具结构的设计模膛和模具结构的设比设计对锻件的精度有很大影响如模膛的设计精度，冷缩量和弹复量采用的是否适当，模具的导向精度和刚度等都会影响锻件的尺寸精度9）润滑情况润滑条件直接影响金属充满模膛的难易程度以及金属的变形抗力和弹复量的大小，从而影响锻件的尺寸精度10）设备设备的精度、刚度及其吨位大小对锻件尺寸精度有一定影响11）工艺操作实际的工艺操作是否符合技术操作规范，对锻件尺寸精度也有影响例如在坯料成形过程中，实际变形温度偏高或偏低部将都将影响冷缩量和弹复量的大小，从而引起锻件尺寸的波动综上所述，坯料的形状与尺寸、模具、设备、润滑、工艺操作等对锻件的精度都有重要影响成形方案、模具的正确设计和精确加工是保证锻件精度的最重要的环节所以，精密模锻时应该控制上述各种因素10.4 精密模锻的成形方法精密模锻方法，按锻造温度不同可分为热精密成形、冷精密成形和温热精密成形按模锻时的变形速度，可分为一般精密模锻和高速精密模锻，若按成形原理来分，则有小飞边开式模锻、闭式模锻、挤压、多向模锻、径向锻造、精密辗压、径向轧制、强力旋压、摆动辗压、粉末锻造、等温锻造、超塑成形等。

高温精锻（简称热精锻） 热精锻时坯料在控制气氛中加热，以防止坯料产生氧化和脱碳中温精锻（简称温精锻） 温精锻是在尚未产生强烈氧化的温度范围内加热坯料并完成精锻的一种加工方法温精锻是防止氧化与脱碳的另一条。