金屬工藝學 課件8-10 金屬壓力加工基礎、常用的鍛造方法、板料沖壓

厚德博學追求卓越8金屬壓力加工基礎主要內容金屬塑性變形的實質一塑性變形對金屬組織和性能的影響二三金屬的可鍛性金屬壓力加工的概念

金屬壓力加工是指固態金屬在外力作用下產生塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的原材料、毛坯或零件的生產方法，又稱金屬塑性加工。金屬壓力加工的基本方法

鍛造擠壓板料沖壓軋制壓力加工的特點

6.不適合成形形狀較復雜的零件5.成型材料應具有良好的塑性4.毛坯或零件的精度較高3.較高的生產率1.改善金屬的組織、提高力學性能2.材料的利用率高壓力加工的應用

工程上承受沖擊或交變應力的重要零件（如機床主軸、齒輪、曲軸、連桿等），都應采用壓力加工方法制造毛坯或零件。2018年哈工大解決了深腔曲面件起皺與破裂并存的難題，國際上首次成形運載火箭大規格燃料貯箱薄壁整體箱底中科院金屬所研發的直徑16m的國產大型航空環軋件一、金屬塑性變形的實質1.1金屬的變形

金屬材料的塑性通常用斷后伸長率（A）和斷面收縮率（Z）來表示。A或Z越大，則金屬的塑性越好。良好的塑性是金屬材料進行壓力加工的前提條件。金屬在外力作用下

內部產生應力

使原子離開原來的平衡位置

改變了原子間距離

變形+原子位能的提高當外力撤消后金屬完全恢復原狀（彈性變形）當應力超過金屬的屈服點當外力撤消后不能完全恢復，產生部分永久變形（塑性變形）1.1金屬的變形金屬的變形彈性變形彈性變形外力去除以后是要完全回復的塑性變形塑性變形才能改變零件的尺寸、形狀所以，塑性變形是壓力加工的基礎，壓力加工也稱為金屬塑性成形。什么是塑性變形它的實質是什么它是如何產生的1.2金屬塑性變形的實質

金屬塑性變形的實質可用晶粒內部、晶粒間產生滑移和晶粒發生轉動來解釋。在常溫和低溫下單晶體的塑性變形主要是通過滑移、孿生等方式進行的。

1.單晶體塑性變形

單晶體的滑移變形是晶體在切應力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿著一定晶面（稱滑移面）和晶向（稱滑移方向）發生相對滑動的結果。完整晶體的剛性移動假設(理論)1.2金屬塑性變形的實質

1.單晶體塑性變形位錯運動引起塑性變形示意圖完整晶體的剛性移動類似毛毛蟲的整體拖動位錯運動就類似毛毛蟲的蠕動單晶體塑性變形主要方式是滑移，而滑移是位錯運動的結果ττ1.2金屬塑性變形的實質

1.單晶體塑性變形

孿生是在切應力的作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）產生一定角度的均勻切變過程。

與滑移相比，產生孿生所需的切應力很高，因此，只有在滑移很難進行的條件下，晶體才發生孿生變形。

孿生變形本身對晶體塑性變形的直接影響并不大，但可使其中某些原來處于不利滑移的取向轉變為有利于發生滑移的位向，從而激發滑移變形的進一步進行，使金屬的變形能力得到提高。單晶體塑性變形的主要方式是滑移和孿生1.2金屬塑性變形的實質

2.多晶體塑性變形

多晶體是由許多小的單晶體——晶粒構成的，其變形抗力遠遠高于單晶體。

多晶體塑性變形的基本方式仍然是滑移，但是由于多晶體中各個晶粒的空間取向互不相同以及晶界的存在，使多晶體的塑性變形過程比單晶體更為復雜。

為了協調相鄰晶粒之間的變形，使滑移能夠繼續進行，晶粒間將會發生相對移動和轉動，因此多晶體的塑性變形既有晶內變形（滑移和孿生）又有晶粒間的晶間變形（滑移和轉動）。變形的不同時性變形的不均勻性變形的相互協調性1.2金屬塑性變形的實質

2.多晶體塑性變形

每個晶粒內部都存在許多滑移面，因此整塊金屬的變形量可以比較大。

低溫時，多晶體的晶間變形不可過大，否則將引起金屬的破壞。1.2金屬塑性變形的實質

2.多晶體塑性變形

一般來說，同一成分的金屬，晶粒越細，其強度、硬度越高，而且塑性和韌性也越好。（為什么？）

金屬晶粒越細，晶界強化區越多，金屬的強度越高，同時晶粒越細，晶粒間變形的不均勻性減小，變形的分散度越大，所以塑性也越好，故晶粒細，金屬綜合機械性能好。二、塑性變形對金屬組織和性能的影響2.1金屬的加工硬化與回復、再結晶

金屬在常溫下經過塑性變形后，內部組織將發生變化：①晶粒沿最大變形的方向伸長；②晶格與晶粒均發生扭曲，產生內應力；③晶粒間產生碎晶。

金屬的力學性能隨其內部組織的改變而發生明顯變化。變形程度增大時，金屬的強度及硬度升高，而塑性和韌性下降。單晶體發生晶內滑移，使晶格扭曲，內應力增大，即滑移阻力增大；晶粒間有碎晶，使晶粒滑動阻力增大，結果使得進一步變形困難，宏觀表現即強度、硬度升高。2.1金屬的加工硬化與回復、再結晶

隨變形程度增大，強度和硬度上升而塑性下降的現象稱為冷變形強化，又稱加工硬化。

加工硬化是一種不穩定現象，具有自發地回復到穩定狀態的傾向，但在室溫下不易實現。

當提高溫度時，原子因獲得熱能，熱運動加劇，使原子排列回復到正常狀態，從而消除了晶格扭曲，致使加工硬化得到部分消除，這一過程稱為“回復”。T回＝(0.25~0.3)T熔

當溫度繼續升高到該金屬熔點絕對溫度的0.4倍時，金屬原子獲得更多的熱能，開始以某些碎晶或雜質為核心，按變形前的晶格結構結晶成新的晶粒，從而消除了全部冷變形強化現象。這個過程稱為“再結晶”。T再＝0.4T熔2.1金屬的加工硬化與回復、再結晶

利用金屬的加工硬化可提高金屬的強度和硬度，這是工業生產中強化金屬材料的一種重要手段。（請舉例說明？）

但在壓力加工生產中，加工硬化給金屬繼續進行塑性變形帶來因難，應加以消除。在實際生產中，常采用加熱的方法使金屬發生再結晶，從而再次獲得良好塑性，這種工藝操作稱為再結晶退火。（請舉例說明？）2.2冷變形與熱變形

冷變形與熱變形的區別是以金屬材料的再結晶溫度為分界。

在再結晶溫度以下的變形稱為冷變形。變形過程中無再結晶現象，變形后的金屬具有加工硬化現象，可獲得較高的強度、硬度和低粗糙度值，但易發生破裂，變形程度一般不宜過大。

工業生產中的板料沖壓、冷軋、冷拔、冷擠壓都屬于冷變形。

在再結晶溫度以上的變形稱為熱變形。熱變形時加工硬化和再結晶現象會同時出現，不過加工硬化過程隨時被再結晶過程消除，所以變形后具有再結晶組織，無加工硬化現象。

工業生產中的鍛造、熱軋、熱沖壓都屬于熱變形。冷變形、熱變形不是以材料加熱或不加熱來衡量的2.3纖維組織變化

金屬壓力加工生產采用的最初坯料是鑄錠，其內部組織很不均勻，晶粒較粗大，并存在氣孔、縮松、非金屬夾雜物等缺陷。

鑄錠加熱后經過壓力加工，由于塑性變形及再結晶，從而改變了粗大、不均勻的鑄態結構，獲得細化了的再結晶組織。同時可以將鑄錠中的氣孔、縮松等壓合在一起，使金屬更加致密，力學性能得到很大提高。

鑄錠在壓力加工中產生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質形狀都發生了變形，它們都將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀，這種結構稱為纖維組織。工業純鐵冷軋變形60%工業純鐵冷軋變形4%2.3纖維組織變化

纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對金屬變形后的質量也有影響。

纖維組織越明顯，金屬在縱向(平行纖維方向)上塑性和韌性提高，而在橫向(垂直纖維方向)上塑性和韌性降低。

纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關。變形程度越大，纖維組織越明顯。壓力加工過程中，常用鍛造比(y)來表示變形程度。拔長時的鍛造比為y拔=A0/A鐓粗時的鍛造比為y鐓=H0/H

試舉例說明自然界具有纖維組織特性的物體？

式中：H0、A0——分別為坯料變形前的高度和橫截面積；

H、A——分別為坯料變形后的高度和橫截面積。2.3纖維組織變化

纖維組織的穩定性很高，不能用熱處理方法加以消除，只有經過壓力加工使金屬變形，才能變其方向和形狀。應使零件在工作中產生的最大正應力方向與纖維方向重合，最大切應力方向與纖維方向垂直；使纖維分布與零件的輪廓相符合，盡量使纖維組織不被切斷；三、金屬的可鍛性金屬的可鍛性

金屬的可鍛性是衡量材料在經受壓力加工時獲得優質制品難易程度的工藝性能。

金屬的可鍛性好，表明該金屬適合于采用壓力加工成形；可鍛性差，表明該金屬不宜于選用壓力加工方法成形。

可鍛性常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。塑性越好，變形抗力越小，則金屬的可鍛性好。反之則差。

變形抗力是指在壓力加工過程中變形金屬作用于施壓工具表面單位面積上的壓力。變形抗力越小，則變形中所消耗的能量也越少。金屬的可鍛性取決于金屬的本質（內因）和加工條件（外因）3.1金屬的本質

1.化學成分的影響

不同化學成分的金屬，其可鍛性不同。

純金屬及固溶體的可鍛性比合金的可鍛性好。比如純鐵、固溶體中的鐵素體、奧氏體可鍛性都是比較好的。

碳鋼的含碳量越低，可鍛性越好。含碳量越低，鐵素體的量會越多，鐵素體是軟韌性，材料的塑性或可鍛性越好。鋼中含有形成碳化物的元素（如鉻、鉬、鎢、釩等）時，其可鍛性顯著下降。一般碳化物的脆硬相，它的數量增加會使金屬的可鍛性變差。3.1金屬的本質

2.金屬組織的影響

金屬內部的組織結構不同，可鍛性有很大差別。

純金屬及單一固溶體組成的合金（如奧氏體）的可鍛性好；而碳化物（如滲碳體）的可鍛性差；

由多種性能不同的組織組成的合金，可鍛性差。

鑄態柱狀組織和粗晶粒結構不如晶粒細、均勻的組織的可鍛性好。

鍛造時由于各組織的性能差別可能比較大，變形不均勻，晶粒間不能相互協調，容易導致裂紋；晶粒越細小，材料的綜合力學性能會越好，包括可鍛性也會變好。3.2加工條件

1.變形溫度的影響

提高金屬變形時的溫度，是改善金屬可鍛性的有效措施，并對生產率、產品質量及金屬的有效利用等均有極大的影響。

對鋼而言，必將產生過熱、過燒、脫碳和嚴重氧化等缺陷，甚至使鍛件報廢，所以應該嚴格控制鍛造溫度。

鍛造溫度范圍是指始鍛溫度（開始鍛造的溫度）和終鍛溫度（停止鍛造的溫度）間的溫度區間。

碳鋼的始鍛溫度比AE線低200℃左右，終鍛溫度為800℃左右。

加熱溫度過高，晶粒急劇長大，力學性能降低稱為“過熱”；溫度接近熔點，晶界氧化破壞了晶粒間結合，稱為“過燒”。3.2加工條件

2.變形速度的影響

變形速度指單位時間的變形程度，它對可鍛性的影響是矛盾的。一方面隨著變形速度的增大，回復和再結晶速度來不及完全消除金屬變形引起的冷變形強化，金屬則表現出塑性下降、變形抗力增大，可鍛性變壞；

另—方面，金屬在變形過程中，消耗于塑性變形的能量有一部分轉化為熱能（稱為熱效應現象），改善變形條件。

變形速度越大，熱效應現象越明顯，使金屬的塑性提高、變形抗力下降（中a點以右），可鍛性變得更好。

但這種熱效應現象除在高速錘等設備的鍛造中較明顯外，一般壓力加工的變形過程中，因變形速度低，不易出現。3.2加工條件

3.應力狀態的影響

擠壓變形時為三向受壓狀態；而拉拔時則為兩向受壓、一向受拉的狀態。

實踐證明，三個方向的應力中，壓應力的數目越多，則金屬的塑性越好；拉應力的數目越多，則金屬的塑性越差。

但壓應力使金屬內部摩擦阻力增大，變形抗力亦隨之增大，所以拉拔加工比擠壓加工省力。

對于本質塑性較好的金屬，變形時出現拉應力是有利的，可以減少變形能量的消耗。對于本質塑性較差的金屬，則應盡量在三向壓應力下變形，以免產生裂紋。路雖遠行則將至，

事雖難做則必成！——《荀子·修身》厚德博學追求卓越9常用的鍛造方法主要內容自由鍛一模鍛二三鍛造工藝規程的制定四鍛件的結構工藝性鍛造的概念

鍛造是使加熱好的金屬坯料，在外力的作用下發生塑性變形，通過控制金屬的流動，使其成形為所需形狀、尺寸和組織的方法。

根據變形時金屬流動的特點不同，可分為自由鍛和模鍛兩大類。

自由鍛:用簡單的通用性工具，在鍛造設備的上、下砧間使坯料變形而獲得所需的鍛件的方法。自由鍛的特點：生產效率低，加工余量大，金屬的塑性流動不受限制，鍛件的形狀和尺寸由操作工的操作技術來保證。手工自由鍛機器自由鍛鍛造的概念

模鍛:利用鍛模使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法。400MN(4萬噸)重型航空模鍛液壓機鍛造出首個大型盤類件產品8萬噸模鍛壓力機“相當于13層樓高，這是8萬噸大型模鍛壓機。”二重萬航C919型號總師羅恒軍介紹到，該模鍛壓機地上27米高，地下還有15米，總高42米，重約2.2萬噸，單件重量在75噸以上的零件68件，迄今為止，僅有美國、俄羅斯、法國3個國家有類似設備，最大鍛造等級為俄羅斯的7.5萬噸，而我國的達8萬噸。大型設備正在加工C919鈦合金零部件一、自由鍛1.1鍛造坯料準備

1.鍛造用坯料

鍛造中、小型鍛件一般用圓形、方形等截面的型材，如方鋼、圓鋼、扁鋼等。大型鋼鍛件多用鋼錠或鋼坯。鍛造前要把選定的原材料用剪切、鋸切、冷折、電火花線切割等方法切成所需的長度，然后加熱鍛造。

下坯料時除了根據鍛件圖計算鍛件重量外，還要考慮加熱燒損中的重量損失，以及工藝結構上要去除的部分重量，如沖孔、切邊等。

根據坯料重量確定坯料尺寸時，還要考慮到鍛造比的要求，并應該考慮變形工序對坯料尺寸的限制。1.1鍛造坯料準備

2.坯料的加熱

坯料加熱的目的：為了提高金屬的塑性，降低變形抗力，以改善金屬的鍛造性能，使之易于流動成形并獲得良好的鍛后組織。加熱對提高鍛造生產率、保證鍛件質量以及提高金屬的利用率都有重要的影響。

鍛造溫度：金屬坯料的鍛造溫度范圍，包含始鍛溫度和終鍛溫度。1.1鍛造坯料準備

3.加熱方法

根據坯料加熱時所用熱源不同，坯料加熱方法可分為火焰加熱與電加熱兩類。

常用的電加熱方法有電阻加熱，電接觸加熱以及電感應加熱。

火焰加熱常用的設備有箱式爐和連續式加熱爐。前者主要用于單件小批生產，而成批大量生產時多采用連續式加熱爐。連續式加熱爐感應加熱1.2自由鍛工序

1.基本工序

基本工序是使金屬坯料實現較大變形以獲得鍛件所需的基本形狀和尺寸的工序，包括鐓粗、拔長、沖孔、彎曲、錯移、扭轉和切割等。

（1）鐓粗：使坯料高度減小，橫截面積增大的鍛造工序。主要用于成形餅塊類鍛件、空心類鍛件及某些重要的軸桿類鍛件。（2）拔長：使坯料橫截面積減小、長度增加的鍛造工序。主要用于軸類、桿類鍛件的成形。

根據工序的作用不同，自由鍛的工序可分為基本工序，輔助工序和修整工序三大類。

整體（平砧）鐓粗

局部鐓粗

為達到規定的鍛造比和改變金屬內部組織結構，鍛制以鋼錠為坯料的鍛件時，拔長經常與鐓粗交替反復使用。反復翻轉拔長螺旋式翻轉拔長單面前后順序拔長1.2自由鍛工序

1.基本工序

（3）沖孔：在坯料上沖出通孔或盲孔的鍛造工序。主要用于帶孔的餅塊類鍛件及長筒類鍛件的成形。對圓環類鍛件，在沖孔后還要進行擴孔。（4）擴孔—空心坯料壁厚減薄而內徑和外徑增加的鍛造工序，常用的方法有沖子擴孔和芯軸擴孔，適用于鍛造空心環鍛件。（5）扭轉：將坯料的一部分相對另一部分繞其軸線旋轉一定角度的鍛造工序。

（6）切割：將坯料分成幾部分或部分地割開，或從坯料的外部割掉一部分，或從內部割出一部分的鍛造工序。1.2自由鍛工序

1.基本工序（7）錯移：將毛坯的一部分相對另一部分上、下錯開，但仍保持這兩部分軸心線平行，常用于鍛造曲軸。錯移前，毛坯須先進行壓肩等輔助工序。

輔助工序是為了完成基本工序而使坯料預先產生少量局部變形的工序，如壓肩、壓鉗口、鋼錠倒棱等。

修整工序是用來精整鍛件尺寸和形狀，使鍛件完全達到鍛件圖要求的工序，如滾圓、校直和平整端面等。

2.輔助工序

3.修整工序1.3自由鍛件分類及基本工序方案

二、模鍛2.1胎模鍛

1.胎膜的種類

胎模鍛是在自由鍛設備上使用可移動模具生產模鍛件的一種方法。胎模不固定在錘頭或砧座上，只是在使用時才放上去，它介于自由鍛和模鍛之間。

由于金屬是在模膛內變形，其流動受到模壁的限制，因而模鍛生產的鍛件尺寸精確、加工余量較小，結構可以較復雜，而且生產效率高。

胎模的種類很多，主要有扣模、筒模及合模三種。

模鍛可分為胎模鍛和固定模鍛兩類。

（1）扣模：用來對坯料進行全部或局部扣形，以生產長桿非回轉體鍛件。扣模也可以為合模鍛造制坯。2.1胎模鍛

1.胎模的種類

（2）筒模：主要用于鍛造齒輪、法蘭盤等盤類鍛件。組合筒模由于有兩個半模（增加一個分模面）的結構，可鍛出形狀更復雜的胎模鍛件，擴大了胎模鍛的應用范圍。

（3）合模：合模由上模和下模組成，并有導向結構，可鍛制形狀復雜、精度較高的非回轉體鍛件。2.1胎模鍛

2.胎模鍛的工藝舉例

胎模鍛的特點：

（1）與自由鍛相比，鍛件尺寸精度有了一定的提高，表面粗糙度也有一定的改善，因而鍛件加工余量減小，鍛造生產率也有相應的提高。

（2）不需要采用昂貴的設備，但是可以擴大自由鍛設備的應用范圍，工藝操作靈活，可以局部成形，從而可以利用較小的設備鍛造出較大的鍛件。

（3）由于需將胎模頻繁地搬上取下，因而工人勞動強度大；胎膜容易損壞，生產率不高，故胎模僅限于小型鍛件的中、小批量生產。2.2固定模鍛

1.錘上模鍛

錘上模鍛所用設備為模鍛錘，由它產生的沖擊力使金屬變形。其最常用的設備是蒸汽-空氣模鍛錘。

固定模鍛時，上、下鍛模是分別固定在鍛壓設備的錘頭（或滑塊）及下砧（或工作臺）上的。

固定模鍛根據所用設備不同可分為錘上模鍛和壓力機上模鍛。

由于所用設備的剛度好，導向精度較高，還有防止上、下模錯移的裝置等，所以鍛件的精度及生產率進一步提高，采用多模膛鍛模可鍛制形狀復雜的鍛件。2.2固定模鍛

（1）模鍛模膛

模膛根據其功用的不同，可分為模鍛模膛和制坯模膛兩大類。

模鍛模膛的作用是使坯料變形到鍛件所要求的形狀和尺寸。對于形狀復雜、精度要求較高、批量較大的鍛件，還需要分預鍛模膛和終鍛模膛。

預鍛模膛的作用是使毛坯變形到接近于鍛件的形狀和尺寸，這樣在進行終鍛時，金屬容易填滿模膛而獲得鍛件所需要的尺寸，同時減少終鍛模膛的磨損，延長鍛模的使用壽命。

1）預鍛模膛2.2固定模鍛

終鍛模膛的形狀應和鍛件的形狀相同，但因鍛件冷卻時要收縮，故終鍛模膛的尺寸應比鍛件尺寸放大一個收縮量。鋼鍛件收縮量取1.5％。

另外，沿模膛四周有飛邊槽，用以增加金屬從模膛中流出的阻力，促使金屬充滿模膛，同時容納多余的金屬。

帶孔的模鍛件在模鍛時不能直接獲得通孔，故在該部位留有一層較薄的金屬，稱為沖孔連皮。把沖孔連皮和飛邊沖掉后，才能得到有通孔的模鍛件。

2）終鍛模膛

終鍛模膛的作用是使毛坯最后變形到鍛件所要求的形狀和尺寸。預鍛模膛與終鍛模膛的主要區別—前者的圓角和斜度較大，沒有飛邊槽。2.2固定模鍛

1）拔長模膛——用來減少毛坯某部分的橫截面積，以增加該部分的長度。拔長模膛分為開式和閉式兩種。操作時毛坯除送進外還需翻轉。

對于形狀復雜的鍛件，為了使毛坯形狀基本符合鍛件形狀，以便使金屬能合理分布和很好地充滿模膛，就必須預先在制坯模膛內制坯。

（2）制坯模膛2）滾壓模膛——用來減少毛坯某一部分的橫截面積，以增加另一部分的橫截面積，從而使金屬按鍛件形狀來分布。滾壓模膛分為開式和閉式兩種。滾壓操作時需不斷翻轉坯料，但不作送進運動。2.2固定模鍛

3）彎曲模膛——對于彎曲的桿類模鍛件，需采用彎曲模膛來彎曲毛坯。毛坯可直接或先經其它制坯工序后放入彎曲模膛進行彎曲變形。彎曲后的毛坯須翻轉90°再放入模鍛模膛成形。

（2）制坯模膛

4）切斷模膛——在上模與下模的角部組成一對刃口，用來切斷金屬。

根據模鍛件的復雜程度不同，所需變形的模膛數量不等，以及實際生產需要，可將鍛模設計成單膛或多膛鍛模。2.2固定模鍛

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2.壓力機上模鍛

固定模鍛根據所用設備不同可分為錘上模鍛和壓力機上模鍛。

根據用于模鍛生產的壓力機類型不同，壓力機上模鍛可分為曲柄壓力機上模鍛、摩擦壓力機上模鍛等。

曲柄壓力機有以下特點：1)滑塊行程固定，一次往復行程中即可完成一個工步的變形，且坯料內外幾乎同時變形，提高了鍛件質量。2)曲柄壓力機設有頂出裝置，能使鍛件自動脫模，故模鍛斜度比錘上模鍛小。3)曲柄壓力機對坯料所施的作用力屬靜壓力，金屬在模膛內流動速度慢，這對變形速度敏感的低塑性合金的鍛造十分有利。4)生產率高，且無沖擊和振動。

摩擦壓力機有以下特點：

1)摩擦壓力機的滑塊行程不固定，并具有一定的沖擊作用，因而可實現輕打、重打，可在一個模膛內對金屬進行多次鍛擊。

2)由于滑塊運動速度低，金屬變形過程中的再結晶可以充分進行。

3)由于具有頂料裝置，故可以采用整體式鍛模，也可以采用特殊結構的組合式模具，使模具設計和制造簡化，節約材料，降低成本。三、鍛造工藝規程的制訂3.1繪制鍛件圖

1.機械加工余量、鍛造公差、余塊

制訂工藝規程、編寫工藝卡片是進行鍛造生產必不可少的技術準備工作，是組織生產過程、規定操作規范、控制和檢查產品質量的依據。

鍛件圖是根據零件圖繪制的。自由鍛件的鍛件圖是在零件圖的基礎上考慮了機械加工余量、鍛造公差、余塊等之后繪制的圖形。模鍛件的鍛件圖還應考慮分模面的選擇、模鍛斜度和圓角半徑等。

成形時為了保證機械加工最終獲得所需的尺寸而允許保留的多余金屬，稱為機械加工余量。

零件的基本尺寸加上機械加工余量稱為鍛件的公稱尺寸。鍛件的實際尺寸與公稱尺寸之間所允許的變動量稱為鍛造公差。3.1繪制鍛件圖

1.機械加工余量、鍛造公差、余塊

自由鍛件的鍛件圖如圖所示，圖中雙點畫線表示零件的輪廓，粗實線表示鍛件外形。鍛件的尺寸和公差標注在尺寸線上方，零件的尺寸加括號標注在尺寸線下方。

模鍛件成形時，是在鍛模的模膛中完成的，所以繪制模鍛件鍛件圖尚需考慮分模面、模鍛斜度、模鍛圓角半徑、連皮厚度等。

為了簡化零件的形狀和結構，便于鍛造而增加的一部分金屬，稱為余塊。如消除零件上的鍵槽、環形溝槽或尺寸相差不大的臺階而增加的金屬。3.1繪制鍛件圖

2.分模面

分模面是上、下鍛模的分界面。分模面可以是平面，也可以是曲面。其在鍛件上的位置是否合適，關系到鍛件成形和脫模、材料利用率以及鍛模加工等一系列問題。1應保證模鍛件能從模膛中取出2分模面應選在能使模膛深度最淺的位置上3選定的分模面應使零件上的余塊最少4應使上、下兩模沿分模面的模膛輪廓一致5分模面最好是一個平面分模面的選擇原則3.1繪制鍛件圖

3.模鍛斜度

為了使鍛件易于從模膛中取出，鍛件與模膛側壁接觸部分需帶一定斜度，這一斜度稱為模鍛斜度。對于錘上模鍛，模鍛斜度一般為3°~15°。

模鍛斜度與模膛深度和寬度有關。當模膛深度與寬度的比值(h/b)越大時，則取較大的斜度值。

α2為內壁(即當鍛件冷卻時，鍛件與模壁夾緊的表面)斜度，其值比外壁(即當鍛件冷卻時，鍛件與模壁離開的表面)斜度α1大2°~5°。3.1繪制鍛件圖

4.圓角半徑

圓角結構可增大鍛件強度，模鍛時金屬易于流動而充滿模膛，避免鍛模上的內尖角處產生裂紋，減緩鍛模外尖角處的磨損，從而提高鍛模的使用壽命。

模鍛件外圓角半徑（r）取2~12mm，內圓角半徑（R）比外圓角半徑大2~3倍。模膛越深，模鍛圓角半徑的取值就越大。

5.連皮厚度

由于模鍛無法直接鍛出透孔，需在該處留有較薄的金屬，稱為沖孔連皮（簡稱連皮）。3.1繪制鍛件圖

雙點線為零件輪廓外形，分模面選在鍛件水平方向的中部。零件輪輻部分不加工，故不留加工余量。圖中內孔中部的兩條水平直線為沖孔連皮切除后的痕跡線。3.2坯料重量和尺寸的確定

坯料重量可按下式計算：

G坯料=G鍛件+G燒損+G料頭式中：G坯料——坯料重量；G鍛件——鍛件重量；G燒損——加熱中坯料表面因氧化而燒損的重量（第一次加熱取被加熱金屬重量的2%?3%,以后各次加熱的燒損重量取1.5%-2.0%）；G料頭——在鍛造過程中沖掉或被切掉的那部分金屬的重量（如沖孔時坯料中部被沖落的料芯、修切端部切除的金屬及模鍛生產中連皮和飛邊的重量等；采用鋼錠做坯料時，料頭還包括所切掉的鋼錠頭部和尾部金屬的重量。

坯料的尺寸根據坯料重量和幾何形狀確定，還應考慮坯料在鍛造中所必需的變形程度，即鍛造比的問題。

對于以鋼錠作為坯料并采用拔長方法鍛制的鍛件，鍛造比一般不小于2.5~3。3.3鍛造工序的確定

鍛造工序都是根據工序特點和鍛件類型來確定的。采用模鍛方法生產模鍛件時，其工序根據模鍛件的形狀和尺寸確定。1.長軸類模鍛件鍛件的長度與寬度之比較大，如階梯軸、曲軸、連桿、彎曲搖臂等。

此類鍛件在鍛造過程中，錘擊方向垂直于鍛件的軸線。終鍛時，金屬沿高度與寬度方向流動，而沿長度方向沒有顯著的流動。常選用拔長、滾壓、彎曲、預鍛和終鍛等工序。3.3鍛造工序的確定

2.短軸類模鍛件

短軸類模鍛件在分模面上的投影為圓形或長度接近于寬度或直徑的鍛件，如齒輪、法蘭盤等。

此類模鍛件在鍛造過程中，錘擊方向與坯料軸線相同。終鍛時金屬沿高度、寬度及長度方向均產生流動。

常選用鐓粗、預鍛、終鍛等工序。四、鍛件的結構工藝性4.1自由鍛件的結構工藝性

設計鍛造成形的零件時，除應滿足使用性能要求外，還必須考慮鍛造工藝的特點，即鍛造成形的零件結構要具有良好的工藝性。（1）自由鍛件上應避免錐體、斜面、窄槽等結構。（2）自由鍛件上應避免出現空間曲線結構。4.1自由鍛件的結構工藝性

（3）自由鍛件上不允許有筋板、凸臺等結構。（4）合理采用組合鍛件，使成形方便。4.2模鍛件的結構工藝性

由于模鍛件是在鍛模模膛中最終成形的，模鍛件的成形條件比自由鍛件優越，因此，模鍛件的形狀可以比自由鍛件復雜。

但是模鍛件的結構仍然受到模鍛設備和工藝特點的限制，設計時應遵循以下幾條原則：

(1)模鍛件上必須有一個合理的分模面，以保證模鍛成形后，模鍛件能容易從模膛中取出。

(2)模鍛件形狀應力求簡單。4.2模鍛件的結構工藝性

(3)模鍛件上只有與其它機件配合的表面才需要進行機械加工，其它表面應設計為非加工表面。

零件上與錘擊方向平行的非加工表面應設計出斜度，非加工表面所形成的角應按圓角設計。如果鍛件的圓角半徑過小，或坯料的溫度不夠，有可能在鍛件上產生折疊現象。

(4)模鍛件的結構應避免深孔或多孔結構。

(5)模鍛件的整體結構應力求簡單。路雖遠行則將至，

事雖難做則必成！——《荀子·修身》厚德博學追求卓越10板料沖壓主要內容分離工序一變形工序二三沖壓件的結構工藝性四沖壓模具五思政育人小故事板料沖壓的概念

使板料經分離或成形而得到制件的工藝統稱為沖壓。

板料沖壓是壓力加工的重要方法之一。厚度小于4mm的金屬薄板通常是在常溫下進行沖壓，故稱冷沖壓。只有當板料厚度超過8～10mm時，才采用熱沖壓。板料沖壓的概念

板料沖壓所用的原材料，特別是制造中空杯狀和鉤環狀等成品時，必須具有足夠的塑性。

沖壓的設備主要有剪床和沖床。剪床用于冷剪板料，為沖壓提供一定尺寸的條料。沖床則是沖壓生產的主要設備。NC直截式油壓剪床通用型開式固定臺曲柄壓力機沖壓用板料

板料沖壓的特點

1便于實現自動化，生產率很高，操作簡便。2節省原材料，節省能源消耗。3產品重量輕、強度高、剛性好。4產品尺寸穩定，互換性好，可以加工形狀復雜的零件。一、分離工序1.1落料及沖孔

分離工序是使毛坯的一部分與另一部分相互分離的工序，如沖裁（落料、沖孔）、修整和切斷等。

沖裁是用沖模沿封閉輪廓切除材料，使其完全分離，包含落料和沖孔工序。

落料是為了制取工件的外形，沖下的部分為工件，帶孔的部分為廢料；沖孔則相反，是要制取工件上的孔，故沖下的部分為廢料，帶孔的部分為工件。1.1落料及沖孔

1.沖裁變形和分離過程

此過程分彈性變形、塑性變形、斷裂分離三個階段。(a）彈性變形

(b）塑性變形

（c）斷裂分離

板料產生彈性壓縮、拉伸與彎曲等成形；沖裁間隙Z越大，彎曲和上翹越明顯F形成的上、下微裂紋逐漸擴展，凸凹模間隙合適的時候，當上、下裂紋相遇重合時，板料被剪斷分離塑性變形程度逐漸增大，位于凸、凹模刃口處的板料硬化加劇，出現微裂紋1.1落料及沖孔

2.沖裁件的斷面質量

板料分離后所形成的斷口區域包括：圓角、光亮帶、斷裂帶和毛刺等4部分，其中光亮帶尺寸準確，表面質量最好，斷口其余部分的表面質量較差。

圓角（a）：該區域的形成主要是當凸模刃口剛壓入板料時，刃口附近的材料產生彎曲和伸長變形，材料被帶進模具間隙的結果。

光亮帶（b）：該區域發生在塑性變形階段，當刃口切入金屬板料后，板料與模具側面擠壓而形成光亮垂直的斷面。通常占全斷面的1/2～1/3。

斷裂帶（c）：該區域是在斷裂分離階段形成，是由刃口處產生的微裂紋在拉應力的作用下，不斷擴展而形成的。

毛刺（d）：在刃口附近的側面上材料出現微裂紋時形成的。沖裁件斷面質量的優劣，與沖模間隙、刃口鋒利程度和材料排樣方式密切相關。為了順利完成沖裁過程，保證沖裁件的斷面質量，要求凸模、凹模具有鋒利的刃口以及合理的模具間隙。1.1落料及沖孔

3.凸凹模間隙

凸凹模間隙是指凸模和凹模之間的尺寸差值，其不僅嚴重影響沖裁件斷面質量，也影響模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度。間隙過大，凸模刃口附近的剪裂紋較正常間隙時向里錯開一段距離，難以與凹模刃口附近的裂紋匯合，裂紋間的材料產生二次拉裂，沖裁件邊緣粗糙，翹曲現象嚴重。間隙過小間隙過大間隙適中間隙過小時，凸模刃口附近的剪裂紋較正常間隙時向外錯開一段距離，上下裂紋也不能很好重合，上下裂紋間的材料隨著凸模的繼續下壓產生二次剪切，出現二次光亮帶。工件質量較高，但模具壽命較低。間隙適中，光面約占板厚的1/2～1/3左右，切斷面的圓角、毛刺和斜度均很小。零件的尺寸幾乎與模具一致，完全可以滿足使用要求。

間隙的大小也影響模具的壽命。間隙越小，摩擦越嚴重，模具的壽命越低。間隙對卸料力、推件力也有明顯的影響。間隙越大，卸料力、推件力越小。1.1落料及沖孔

3.凸凹模間隙

正確合理的選用間隙值對沖裁生產至關重要。當沖裁件斷面質量要求較高時，應選取較小的間隙值。對沖裁件斷面質量無嚴格要求時，可適當加大間隙，以便提高沖模壽命。

單邊間隙(c)的合理數值可按下述經驗公式計算：c=mδ——δ為材料厚度，m為與材料性能及厚度有關的系數。實際生產中，板料較薄時，m可以選用如下數據：對于低碳鋼、純鐵，m=0.06～0.09mm；對于銅、鋁合金，m=0.06～0.1mm；對于高碳鋼，m=0.08～0.12mm；

當板料厚度δ>3mm時，由于沖裁力較大，應適當把系數m放大。對沖裁件斷面質量沒有特殊要求時，系數m可以放大1.5倍。1.1落料及沖孔

4.凸凹模刃口尺寸的確定原則

沖裁模刃口尺寸的計算直接關系到模具間隙和沖裁件的尺寸精度，是模具設計中最重要的尺寸。

刃口尺寸計算的原則如下：

(1)落料時，落料件的尺寸是由凹模刃口尺寸決定的，因此，應以落料凹模為設計基準。

考慮到凹模磨損后會使落料件尺寸增大，為提高模具使用壽命，因而凹模刃口的公稱尺寸應接近于落料件的最小極限尺寸。凸模的基本尺寸=凹模刃口的基本尺寸-最小合理間隙值

(2)沖孔時，沖孔件的尺寸是由凸模刃口尺寸決定的，因此，應以沖孔凸模為設計基準。

考慮到使用過程中，由于磨損會使沖孔件尺寸減小，故凸模刃口的公稱尺寸應接近于沖孔件的最大極限尺寸。凹模的基本尺寸=凸模刃口的基本尺寸+最小合理間隙值1.1落料及沖孔

5.沖裁力的計算

沖裁時材料對凸模的最大抗力稱為沖裁力，是合理選用沖壓設備和檢驗模具強度的一個重要依據。

其大小與材質、板料厚度及沖裁件周邊長度有關，另外，與刃口的鋒利程度相關。一般平刃沖模沖裁力的計算公式如下：F沖=KLtτ0或F沖≈LtRm

L——沖裁件周邊長度(mm)；K——系數，常取＝1.3；t——板料厚度（mm）；τ0——材料的拉剪強度(MPa)；Rm——材料的抗拉強度(MPa)

1.1落料及沖孔

6.沖裁件的排樣

排樣是指沖裁件在板料或條料上的合理布置方法即排樣方式。

排樣合理對材料的利用率、生產成本和產品質量均有較大影響。不同的排樣方式對材料消耗對比：生產同樣的沖壓件，但是排樣方式不一樣，材料的利用率有較大的差別。

d圖的排樣方式材料利用率最大，a圖最小。1.1落料及沖孔

6.沖裁件的排樣

排樣的方式按有無搭邊可分為有搭邊排樣和無搭邊排樣兩種。有搭邊：在各個落料件之間均留有一定尺寸的搭邊

優點：毛刺小而且在同一個平面上，沖裁件尺寸準確、質量較高，模具壽命也較長

缺點：材料利用率較低（大約77％）無搭邊：利用落料件的一個邊作為另一個落料件的邊緣

優點：可減少廢料，降低成本，材料利用率很高（高達94％以上）

缺點：毛刺不在同一個平面上，沖裁件尺寸精度不高1.2修整

修整是利用修整模沿沖裁件外緣或內孔刮削一薄層金屬，如圖10-5(a)、(b)所示，以切掉沖裁件上的斷裂帶和毛刺，從而提高沖裁件的尺寸精度(IT6～IT7)，降低表面粗糙度值（Ra可達0.8～1.6μm）。

修整的機理與沖裁完全不同，而與切削加工相似。對于大間隙沖裁件，單邊修整量一般為板料厚度的10%；對于小間隙沖裁件，單邊修整量在板料厚度的8%以下。當沖裁件的修整總量大于一次修整量時，或板料厚度大于3mm時，均需多次修整。

修整沖裁件的外形稱為外緣修整，修整沖裁件的內孔稱內孔修整。

外緣修整模的凸凹模間隙，單邊取0.001～0.01mm，也可以采取負間隙修整，即凸模刃口尺寸大于凹模刃口尺寸的修整工藝。二、變形工序2.1彎曲

彎曲是將坯料彎成具有一定角度和曲率的變形工序，彎曲的坯料可以是板料、型材，也可以是棒料、管材。

變形工序是使沖壓坯料產生不破裂的塑性變形獲得沖壓件的工序。彎曲、拉深、起伏、翻邊與翻孔、脹形等均屬于成形工序。

將預彎過的金屬板料放在可繞銷軸轉動的凹模上。當凸模將板料下壓時，使凹模繞銷軸轉動而完成工件的彎曲。2.1彎曲

彎曲過程中，坯料為板料時，板料彎曲部分的內側受壓縮，而外層受拉伸。當外側的拉應力超過板料的抗拉強度時，即會造成金屬破裂。

板料彎曲過程分析：

板料越厚，內彎曲半徑r越小，則外側受到的拉應力越大，越容易彎裂。

為防止彎裂，生產中常用最小相對彎曲半徑rmin/δ（δ為金屬板料厚度）來限制彎曲時的變形程度。通常情況下，最小彎曲半徑應為rmin=（0.25-1）δ（δ為金屬板料的厚度）。材料塑性好，則彎曲半徑可小些。2.1彎曲

彎曲時還應盡可能使彎曲線與板料纖維垂直。若彎曲線與纖維方向一致，則容易產生破裂，此時應增大彎曲半徑。

板料彎曲過程分析：

彎曲時，板料產生的變形由塑性變形和彈性變形兩部分組成。外載荷去除后，塑性變形保留下來，彈性變形消失，使板料形狀和尺寸發生與加載時變形方向相反的變化，從而消去一部分彎曲變形效果的現象，稱為回彈。

回彈使被彎曲的角度增大，一般回彈角為0°～10°。因此，在設計彎曲模時，必須使模具的角度比成品件角度小一個回彈角，以保證成品件的彎曲角度準確。2.2拉深

1.拉深的過程

變形區在一拉一壓的應力狀態作用下，使平板料（或淺的空心坯）成形為開口的空心件（深的空心件）而厚度基本不變的加工方法稱為拉深，也叫拉延。

將直徑為D的平板坯料放在凹模上，在凸模作用下，坯料被拉入凸模和凹模的間隙中，形成空心拉深件。

拉深件的底部金屬一般不變形，只起傳遞拉力的作用，厚度也基本不變。坯料外徑與內徑之間環形部分的金屬，切向受壓應力作用，徑向受超過屈服極限的拉應力作用，逐步進人凸模和凹模之間的間隙，形成拉深件的直壁。

直壁本身主要受軸向拉應力作用，厚度有所減小，而直壁與底部之間的過渡圓角部被拉薄得最為嚴重。2.2拉深

2.拉深缺陷及預防措施

在拉深過程中，拉深件主要受拉應力的作用。當拉應力超過材料的強度極限時，拉深件將被拉裂形成廢品。最危險的部位通常是直壁與底部過渡的圓角處。2.2拉深

2.拉深缺陷及預防措施產生拉裂的原因是拉深系數選得太小、拉深變形程度太大，板料厚度變小等。為防止拉裂通常采用如下的措施：凸凹模的圓角半徑應合適拉深模的工作部分不能是鋒利的刃口，必須做成一定的圓角。圓角半徑過小時，則容易將板料拉穿。對于鋼拉深件，取r凹=10t,r凸=（0.6~1）r凹

凸凹模的間隙應合適拉深模的凸凹模間隙遠比沖裁模大。間隙過小，模具與拉深件的摩擦力增大，易拉穿工件和擦傷工件表面，且降低模具壽命。間隙過大，又容易導致拉深件起皺，影響拉深件的尺寸精度。一般取Z=(1.1~1.2)t，t為板厚。2.2拉深

合理控制拉深系數拉深變形后拉深件的直徑與其坯料直徑之比稱為拉深系數（用m表示）。它是衡量拉深變形程度的指標。m越小，表明拉深件直徑越小，變形程度越大，坯料被拉入凹模越困難，易產生拉穿廢品。一般情況下，m不小于0.5?0.8，坯料塑性差取上限，坯料塑性好取下限。

如果拉深系數過小，不能一次拉深成形時，則可采用多次拉深工藝。但多次拉深過程中，容易產生加工硬化，使后續的拉深過程變得困難。

為保證坯料具有足夠的塑性，在一兩次拉深后，應安排工序間的再結晶退火處理。

另外，在多次拉深中，拉深系數應一次比一次略大一些，以確保拉深件的質量，使生產順利進行。總拉深系數值等于各次拉深系數值的乘積。使用拉深潤滑劑拉深時敷涂潤滑劑可減少摩擦，降低拉深件壁部的拉應力，減少模具的磨損。2.2拉深

3.起皺

當拉深變形區的坯料相對厚度較小時，在切向應力作用下，引起坯料失穩而形成折皺的現象。

嚴重起皺使金屬很難通過凸凹模間隙，坯料被拉穿而報廢。輕微起皺時，金屬勉強通過間隙，但也會在產品側壁留下起皺痕跡，影響產品質量。

為防止起皺，可采用設置壓邊圈來解決。起皺現象與坯料的相對厚度（δ/D）和拉深系數有關。相對厚度越小或拉深系數越小，越容易起皺。2.3其他成形工序

1.起伏

在板料或制品表面上通過局部變薄獲得各種形狀的凸起與凹陷的成形方法稱為起伏。2.翻邊與翻孔

在成形板坯的邊緣，沿一定的曲線翻出豎立邊緣的成形方法稱為翻邊。翻孔是翻邊的一種特殊形式，即在預先制好孔的半成品上沖制出豎直邊緣的成形工序。

3.脹形

在管坯內部或在板坯一側通以高壓液體﹑氣體或放入剛體瓣模﹐迫使管坯﹑板坯產生塑性變形﹐以制成工件的沖壓成形工藝。2.3其他成形工序

4.旋壓

旋壓是將平板或空心坯料固定在旋壓機的模具上，在坯料隨機床主軸轉動的同時，用旋輪或趕棒加壓于坯料，反復搟碾，使坯料產生塑性變形，逐漸貼于模具上而成形。

旋壓工藝無須專門設備，使用簡單機床便可。因此，旋壓工藝裝備費用低，很適用于小批生產。它亦可在大批、大量生產中用來制造如燈的反射鏡、碗形零件、鐘形件、管（包括變徑管）和車輪輪轂等。三、沖壓件的結構工藝性3.1沖壓件的形狀與尺寸

1.對沖裁件的要求

沖壓件的設計不僅應保證它具有良好的使用性能，而且應具有良好的結構工藝性。結構工藝性好的沖壓件，生產時可以減少材料的消耗，延長沖壓模具的使用壽命、提高生產率，降低生產成本及保證沖壓件的質量。

（1）落料件的外形和沖孔件的孔形應力求簡單、對稱。

沖壓件的結構工藝性主要取決于沖壓件的形狀與尺寸、工藝設計、板厚、精度和表面質量等因素。

盡可能采用圓形或矩形等規則形狀，應避免長槽或細長懸臂結構，否則使模具制造困難，降低模具壽命。

（2）設計合理的沖裁件外形，有利于材料利用率的提高。

落料件，在保持三個圓孔中心距尺寸不變的條件下，改成圖10-17(b)所示的形狀，材料的利用率則由38％提高到79％。3.1沖壓件的形狀與尺寸

1.對沖裁件的要求

（3）沖裁件的結構尺寸(如孔徑、孔距等)必須考慮材料的厚度。

為保證沖裁件的質量，沖裁件上的孔徑、孔距、孔邊距與材料的厚度都必須滿足一定關系。

（4）沖裁件的直邊與直邊（或直邊與曲邊）交接處，應采用圓弧過渡連接。

采用圓弧過渡可以避免尖角處因應力集中而被沖模沖裂，也可以避免模具因尖角處應力集中而導致模具損壞。3.1沖壓件的形狀與尺寸

2.對彎曲件的要求

（1）對于彎曲件，形狀應盡可能對稱，彎曲半徑不能小于材料許可的最小彎曲半徑，并要考慮材料的纖維方向，以免成形過程中彎裂。

（2）彎曲邊不能過短，否則難以彎成，應使彎曲邊高度H>2δ。若要求H很短，則必須壓槽，或增加彎曲邊高度，然后加工去掉。

（3）彎曲帶孔件時，為避免孔的變形，L應大于（1.5~2）δ所示。

若彎曲邊過短時，可在彎曲線上沖工藝孔，如對零件孔的精度要求較高，為確保成形件質量，則應彎曲后再沖孔。3.1沖壓件的形狀與尺寸

3.對拉深件的要求

（1）拉深件外形應簡單、對稱，深度不宜過大。

為防止拉深件在多次拉深的過程中產生加工硬化而導致塑性下降，其筒壁高最好小于筒徑的0.7倍，以便能夠一次成形。

（3）拉深件的壁厚變薄量一般要求不超出拉伸工藝壁厚變化的規律（最大變薄率約在10%～18%左右）。

（2）拉伸件的圓角半徑也應考慮板材厚度