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        鍛造工藝詳解及歷史

        2012-11-24 18:00:47 點擊數:

             鍛造是利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力,使其產生塑性變形,以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方法。鍛造和沖壓同屬塑性加工性質,統稱鍛壓。

        鍛造是機械制造中常用的成形方法。通過鍛造能消除金屬的鑄態疏松、焊合孔洞,鍛件的機械性能一般優于同樣材料的鑄件。機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件,除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊接件外,多采用鍛件。

        鍛造按坯料在加工時的溫度可分為冷鍛和熱鍛。冷鍛一般是在室溫下加工,熱鍛是在高于坯料金屬的再結晶溫度上加工。有時還將處于加熱狀態,但溫度不超過再結晶溫度時進行的鍛造稱為溫鍛。不過這種劃分在生產中并不完全統一。

        鋼的再結晶溫度約為460℃,但普遍采用800℃作為劃分線,高于800℃的是熱鍛;在300~800℃之間稱為溫鍛或半熱鍛。

        鍛造按成形方法則可分為自由鍛、模鍛、冷鐓、徑向鍛造、擠壓、成形軋制、輥鍛、輾擴等。坯料在壓力下產生的變形基本不受外部限制的稱自由鍛,也稱開式鍛造;其他鍛造方法的坯料變形都受到模具的限制,稱為閉模式鍛造。成形軋制、輥鍛、輾擴等的成形工具與坯料之間有相對的旋轉運動,對坯料進行逐點、漸近的加壓和成形,故又稱為旋轉鍛造。

        鍛造用料主要是各種成分的碳素鋼和合金鋼,其次是鋁、鎂、銅、鈦等及其合金。材料的原始狀態有棒料、鑄錠、金屬粉末和液態金屬。

        一般的中小型鍛件都用圓形或方形棒料作為坯料。棒料的晶粒組織和機械性能均勻、良好,形狀和尺寸準確,表面質量好,便于組織批量生產。只要合理控制加熱溫度和變形條件,不需要大的鍛造變形就能鍛出性能優良的鍛件。

        鑄錠僅用于大型鍛件。鑄錠是鑄態組織,有較大的柱狀晶和疏松的中心。因此必須通過大的塑性變形,將柱狀晶破碎為細晶粒,將疏松壓實,才能獲得優良的金屬組織和機械性能。

        經壓制和燒結成的粉末冶金預制坯,在熱態下經無飛邊模鍛可制成粉末鍛件。鍛件粉末接近于一般模鍛件的密度,具有良好的機械性能,并且精度高,可減少后續的切削加工。粉末鍛件內部組織均勻,沒有偏析,可用于制造小型齒輪等工件。但粉末的價格遠高于一般棒材的價格,在生產中的應用受到一定限制。

        對澆注在模膛的液態金屬施加靜壓力,使其在壓力作用下凝固、結晶、流動、塑性變形和成形,就可獲得所需形狀和性能的模鍛件。液態金屬模鍛是介于壓鑄和模鍛間的成形方法,特別適用于一般模鍛難于成形的復雜薄壁件。

        不同的鍛造方法有不同的流程,其中以熱模鍛的工藝流程最長,一般順序為:鍛坯下料;鍛坯加熱;輥鍛備坯;模鍛成形;切邊;中間檢驗,檢驗鍛件的尺寸和表面缺陷;鍛件熱處理,用以消除鍛造應力,改善金屬切削性能;清理,主要是去除表面氧化皮;矯正;檢查,一般鍛件要經過外觀和硬度檢查,重要鍛件還要經過化學成分分析、機械性能、殘余應力等檢驗和無損探傷。

        鍛壓是鍛造和沖壓的合稱,是利用鍛壓機械的錘頭、砧塊、沖頭或通過模具對坯料施加壓力,使之產生塑性變形,從而獲得所需形狀和尺寸的制件的成形加工方法。

        在鍛造加工中,坯料整體發生明顯的塑性變形,有較大量的塑性流動;在沖壓加工中,坯料主要通過改變各部位面積的空間位置而成形,其內部不出現較大距離的塑性流動。鍛壓主要用于加工金屬制件,也可用于加工某些非金屬,如工程塑料、橡膠、陶瓷坯、磚坯以及復合材料的成形等。

        鍛壓和冶金工業中的軋制、拔制等都屬于塑性加工,或稱壓力加工,但鍛壓主要用于生產金屬制件,而軋制、拔制等主要用于生產板材、帶材、管材、型材和線材等通用性金屬材料。

        人類在新石器時代末期,已開始以錘擊天然紅銅來制造裝飾品和小用品。中國約在公元前2000多年已應用冷鍛工藝制造工具,如甘肅武威皇娘娘臺齊家文化遺址出土的紅銅器物,就有明顯的錘擊痕跡。商代中期用隕鐵制造武器,采用了加熱鍛造工藝。春秋后期出現的塊煉熟鐵,就是經過反復加熱鍛造以擠出氧化物夾雜并成形的。

        最初,人們靠掄錘進行鍛造,后來出現通過人拉繩索和滑車來提起重錘再自由落下的方法鍛打坯料。14世紀以后出現了畜力和水力落錘鍛造。

        1842年,英國的內史密斯制成第一臺蒸汽錘,使鍛造進入應用動力的時代。以后陸續出現鍛造水壓機、電機驅動的夾板錘、空氣鍛錘和機械壓力機。夾板錘最早應用于美國內戰(1861~1865)期間,用以模鍛武器的零件,隨后在歐洲出現了蒸汽模鍛錘,模鍛工藝逐漸推廣。到19世紀末已形成近代鍛壓機械的基本門類。

        20世紀初期,隨著汽車開始大量生產,熱模鍛迅速發展,成為鍛造的主要工藝。20世紀中期,熱模鍛壓力機、平鍛機和無砧鍛錘逐漸取代了普通鍛錘,提高了生產率,減小了振動和噪聲。隨著鍛坯少無氧化加熱技術、高精度和高壽命模具、熱擠壓,成形軋制等新鍛造工藝和鍛造操作機、機械手以及自動鍛造生產線的發展,鍛造生產的效率和經濟效果不斷提高。

        冷鍛的出現先于熱鍛。早期的紅銅、金、銀薄片和硬幣都是冷鍛的。冷鍛在機械制造中的應用到20世紀方得到推廣,冷鐓、冷擠壓、徑向鍛造、擺動輾壓等相繼發展,逐漸形成能生產不需切削加工的精密制件的高效鍛造工藝。

        早期的沖壓只利用鏟、剪、沖頭、手錘、砧座等簡單工具,通過手工剪切、沖孔、鏟鑿、敲擊使金屬板材(主要是銅或銅合金板等)成形,從而制造鑼、鐃、鈸等樂器和罐類器具。隨著中、厚板材產量的增長和沖壓液壓機和機械壓力機的發展,沖壓加工也在19世紀中期開始機械化。

        1905年美國開始生產成卷的熱連軋窄帶鋼,1926年開始生產寬帶鋼,以后又出現冷連軋帶鋼。同時,板、帶材產量增加,質量提高,成本降低。結合船舶、鐵路車輛、鍋爐、容器、汽車、制罐等生產的發展,沖壓已成為應用最廣泛的成形工藝之一。

        鍛壓主要按成形方式和變形溫度進行分類。按成形方式鍛壓可分為鍛造和沖壓兩大類;按變形溫度鍛壓可分為熱鍛壓、冷鍛壓、溫鍛壓和等溫鍛壓等。
        熱鍛壓是在金屬再結晶溫度以上進行的鍛壓。提高溫度能改善金屬的塑性,有利于提高工件的內在質量,使之不易開裂。高溫度還能減小金屬的變形抗力,降低所需鍛壓機械的噸位。但熱鍛壓工序多,工件精度差,表面不光潔,鍛件容易產生氧化、脫碳和燒損。

        冷鍛壓是在低于金屬再結晶溫度下進行的鍛壓,通常所說的冷鍛壓多專指在常溫下的鍛壓,而將在高于常溫、但又不超過再結晶溫度下的鍛壓稱為溫鍛壓。溫鍛壓的精度較高,表面較光潔而變形抗力不大。

        在常溫下冷鍛壓成形的工件,其形狀和尺寸精度高,表面光潔,加工工序少,便于自動化生產。許多冷鍛、冷沖壓件可以直接用作零件或制品,而不再需要切削加工。但冷鍛時,因金屬的塑性低,變形時易產生開裂,變形抗力大,需要大噸位的鍛壓機械。

        等溫鍛壓是在整個成形過程中坯料溫度保持恒定值。等溫鍛壓是為了充分利用某些金屬在等一溫度下所具有的高塑性,或是為了獲得特定的組織和性能。等溫鍛壓需要將模具和坯料一起保持恒溫,所需費用較高,僅用于特殊的鍛壓工藝,如超塑成形。

        鍛壓可以改變金屬組織,提高金屬性能。鑄錠經過熱鍛壓后,原來的鑄態疏松、孔隙、微裂等被壓實或焊合;原來的枝狀結晶被打碎,使晶粒變細;同時改變原來的碳化物偏析和不均勻分布,使組織均勻,從而獲得內部密實、均勻、細微、綜合性能好、使用可靠的鍛件。鍛件經熱鍛變形后,金屬是纖維組織;經冷鍛變形后,金屬晶體呈有序性。

        鍛壓是使金屬進行塑性流動而制成所需形狀的工件。金屬受外力產生塑性流動后體積不變,而且金屬總是向阻力最小的部分流動。生產中,常根據這些規律控制工件形狀,實現鐓粗拔長、擴孔、彎曲、拉深等變形。

        鍛壓出的工件尺寸精確、有利于組織批量生產。模鍛、擠壓、沖壓等應用模具成形的尺寸精確、穩定??刹捎酶咝у憠簷C械和自動鍛壓生產線,組織專業化大批量或大量生產。

        鍛壓的生產過程包括成形前的鍛坯下料、鍛坯加熱和預處理;成形后工件的熱處理、清理、校正和檢驗。常用的鍛壓機械有鍛錘、液壓機和機械壓力機。鍛錘具有較大的沖擊速度,利于金屬塑性流動,但會產生震動;液壓機用靜力鍛造,有利于鍛透金屬和改善組織,工作平穩,但生產率低;機械壓力機行程固定,易于實現機械化和自動化。

        未來鍛壓工藝將向提高鍛壓件的內在質量、發展精密鍛造和精密沖壓技術、研制生產率和自動化程度更高的鍛壓設備和鍛壓生產線、發展柔性鍛壓成形系統、發展新型鍛壓材料和鍛壓加工方法等方面發展。

        提高鍛壓件的內在質量,主要是提高它們的機械性能(強度、塑性、韌性、疲勞強度)和可靠度。這需要更好地應用金屬塑性變形理論;應用內在質量更好的材料;正確進行鍛前加熱和鍛造熱處理;更嚴格和更廣泛地對鍛壓件進行無損探傷。

        少、無切削加工是機械工業提高材料利用率、提高勞動生產率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。鍛坯少、無氧化加熱,以及高硬、耐磨、長壽模具材料和表面處理方法的發展,將有利于精密鍛造、精密沖壓的擴大應用。

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