【正文】 第4章 壓力加工 概述 鍛壓的概念 鍛壓是在外力作用下使金屬材料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得具有一定形狀和尺寸的毛坯或零件的加工方法。鍛壓是鍛造和沖壓的總稱，它們是屬于壓力加工的一部分。鍛造又可分為自由鍛和模鍛兩種方式。自由鍛還可分為手工自由鍛和機器自由鍛兩種。 用于鍛壓的材料應(yīng)具有良好的塑性和較小的變形抗力。以便鍛壓時產(chǎn)生較大的塑性變形而不致被破壞。在常用的金屬材料中，鍛造用的材料有低碳鋼、中碳鋼、低合金鋼、純金屬以及具有良好塑性的鋁、銅等有色金屬，受力大或有特殊性能要求的重要合金鋼零件；沖壓多采用低碳鋼等薄板材料。鑄鐵無論是在常溫或加熱狀態(tài)下，其塑性都很差，不能鍛壓。 在生產(chǎn)中，不同成分的鋼材應(yīng)分別存放，以防用錯。在鍛壓車間里，常用火花鑒別法來確定鋼的大致成分。 鍛造生產(chǎn)的工藝過程為：下料—加熱—鍛造—熱處理—檢驗。 在鍛造中、小型鍛件時，常以經(jīng)過軋制的圓鋼或方鋼為原材料，用鋸床、剪床或其它切割方法將原材料切成一定長度，送至加熱爐中加熱到一定溫度后，在鍛錘或壓力機上進行鍛造。塑性好、尺寸小的鍛件，鍛后可堆放在干燥的地面冷卻；塑性差、尺寸大的鍛件、應(yīng)在灰砂或一定溫度的爐子中緩慢冷卻，以防變形或裂紋。多數(shù)鍛件鍛后要進行退火或正火熱處理，以消除鍛件中的內(nèi)應(yīng)力和改善金屬基體組織。熱處理后的鍛件，有的要進行清理，去除表面油垢及氧化皮，以便檢查表面缺陷。鍛件毛坯經(jīng)質(zhì)量檢查合格后再進行機械加工。 沖壓多以薄板金屬材料為原材料，經(jīng)下料沖壓制成所需要的沖壓件。沖壓件具有強度高、剛性大，結(jié)構(gòu)輕等優(yōu)點。在汽車、拖拉機、航空、儀表以及日用品等工業(yè)的生產(chǎn)中占有極為重要的地位。 鍛造對零件力學(xué)性能的影響 經(jīng)過鍛造加工后的金屬材料，其內(nèi)部原有的缺陷（如裂紋，疏松等）在鍛造力的作用下可被壓合，且形成細(xì)小晶粒。因此鍛件組織致密、力學(xué)性能（尤其是抗拉強度和沖擊韌度）比同類材料的鑄件大大提高。機器上一些重要零件（特別是承受重載和沖擊載荷）的毛坯，通常用鍛造方法生產(chǎn)。使零件工作時的正應(yīng)力與流線的方向一致，切應(yīng)力的方向與流線方向垂直，如圖41所示。用圓棒料直接以車削方法制造螺栓時，頭部和桿部的纖維不能連貫而被切斷，頭部承受切應(yīng)力時與金屬流線方向一致，故質(zhì)量不高。而采用鍛造中的局部鐓粗法制造螺栓時，其纖維未被切斷，具有較好的纖維方向，故質(zhì)量較高。 有些零件，為保證纖維方向和受力方向一致，應(yīng)采用保持纖維方問連續(xù)性的變形工藝，使鍛造流線的分布與零件外形輪廓相符合而不被切斷，如吊鉤采用鍛造彎曲工序、鉆頭采用扭轉(zhuǎn)工序等。曲軸廣泛采用的“全纖維曲軸鍛造法” ，如圖42b所示?？梢燥@著提高其力學(xué)性能，延長使用壽命。圖41 螺栓的纖維組織比較 a)車削方法 b)鐓粗法 圖42 曲軸纖維分布示意圖 a) 纖維被切斷 b) 纖維完整分布 　 金屬的加熱與鍛件的冷卻 加熱的目的是提高金屬的塑性和降低變形抗力，即提高金屬的鍛造性能。除少數(shù)具有良好塑性的金屬可在常溫下鍛造成形外，大多數(shù)金屬在常溫下的鍛造性能較差，造成鍛造困難或不能鍛造。但將這些金屬加熱到一定溫度后，可以大大提高了塑性，并只需要施加較小的鍛打力，便可使其發(fā)生較大的塑性變形，這就是熱鍛。 加熱是鍛造工藝過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它直接影響鍛件的質(zhì)量。加熱溫度如果過高，會使鍛件產(chǎn)生加熱缺焰，甚至造成廢品。因此，為了保證金屬在變形時具有良好的塑性，又不致產(chǎn)生加熱缺陷，鍛造必須在合理的溫度范圍內(nèi)進行。各種金屬材料鍛造時允許的最高加熱溫度稱為該材料的始鍛溫度；終止鍛造的溫度稱為該材料的終鍛溫度。 一、鍛造加熱設(shè)備 鍛造加熱爐按熱源的不同，分為火焰加熱爐和電加熱爐兩大類。 圖43 明火爐結(jié)構(gòu)示意圖 1排煙筒 2坯料 3爐膛 4爐蓖 5風(fēng)門 5風(fēng)管 火焰加熱爐 采用煙煤、焦炭、重油、煤氣等作為燃料。當(dāng)燃料燃燒時，產(chǎn)生含有大量熱能的高溫火焰將金屬加熱?，F(xiàn)介紹幾種火焰加熱爐。 （1）明火爐：將金屬坯料置于以煤為燃料的火焰中加熱的爐子，稱為明火爐，又稱為手鍛爐。其結(jié)構(gòu)如圖43所示。由爐膛、爐罩、煙筒、風(fēng)門和風(fēng)管等組成。其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但生產(chǎn)率低，熱效率不高，加熱溫度不均勻和速度慢。在小件生產(chǎn)和維修工作中應(yīng)用較多。鍛工實習(xí)常使用這種爐子。因此，常用來加熱手工自由鍛及小型空氣錘自由鍛的坯料，也可用于桿形坯料的局部加熱。 （2）油爐和煤氣爐：這兩種爐分別以重油和煤氣為燃料，結(jié)構(gòu)基本相同，僅噴嘴結(jié)構(gòu)不同。油爐和煤氣爐的結(jié)構(gòu)形式很多，有室式爐、開隙式爐、推桿式連續(xù)爐和轉(zhuǎn)底爐等。如圖45所示，為室式重油加熱爐示意圖，由爐膛、噴嘴、爐門和煙道組成。其燃燒室和加熱室合為一體，即爐膛。坯料碼放在爐底板上。噴嘴布置在爐膛兩側(cè)，燃油和壓縮空氣分別進入噴嘴。壓縮空氣由噴嘴噴出時，將燃油帶出并噴成霧狀，與空氣均勻混合并燃燒以加熱坯料。用調(diào)節(jié)噴油量及壓縮空氣的方法來控制爐溫的變化。這種加熱爐用于自由鍛，尤其是大型坯料和鋼錠的加熱，它的爐體結(jié)構(gòu)比反射爐簡單、緊湊，熱效率高。 近年來，為提高鍛件表面質(zhì)量，通過控制燃燒爐氣的性質(zhì)，實現(xiàn)坯料的少或無氧化加熱。如圖46所示，為我國精鍛生產(chǎn)中采用的一室二區(qū)敞焰少無氧化加熱爐示意圖。 圖45 室式重油爐示意圖 圖46 一室二區(qū)敞焰少無氧化加熱爐示意圖 電加熱爐 電加熱爐有電阻加熱爐、接觸電加熱爐和感應(yīng)加熱爐等，如圖47所示。電阻爐是利用電流通過布置在爐膛圍壁上的電熱元件產(chǎn)生的電阻熱為熱源，通過輻射和對流將坯料加熱的。爐子通常作成箱形，分為中溫箱式電阻爐如圖48所示和高溫箱式電阻爐，如圖49所示。 前者的發(fā)熱體為電阻絲，如圖48所示。最高工作溫度950℃，一般用來加熱有色金屬及其合金的小型鍛件；后者的發(fā)熱體為硅碳棒，最高工作溫度為1350℃，可用來加熱高溫合金的小型鍛件。電阻加熱爐操作方便，可精確控制爐溫，無污染，但耗電量大，成本較高，在小批量生產(chǎn)或科研實驗中廣泛采用。 圖47 電加熱的方式(a)電阻加熱 (b)接觸電加熱 (c)感應(yīng)加熱 圖48 箱式電阻爐示意圖 1爐門；2電阻體；3熱電偶；4工件 圖49 紅外箱式爐示意圖 1踏桿 2爐門 3爐膛 4溫度傳感器 5硅碳棒冷端 6硅碳棒熱端 7耐火磚 8反射層 二、鍛造溫度范圍 坯料開始鍛造的溫度（始鍛溫度）和終止鍛造的溫度（終鍛溫度）之間的溫度間隔，稱為鍛造溫度范圍見表41。在保證不出現(xiàn)加熱缺陷的前提下，始鍛溫度應(yīng)取得高一些，以便有較充足的時間鍛造成形，減少加熱次數(shù)。在保證坯料還有足夠塑性的前提下，終鍛溫度應(yīng)選得低一些，以便獲得內(nèi)部組織細(xì)密、力學(xué)性能較好的鍛件，同時也可延長鍛造時間，減少加熱次數(shù)。但終鍛溫度過低會使金屬難以繼續(xù)變形，易出現(xiàn)鍛裂現(xiàn)象和損傷鍛造設(shè)備。 鍛造溫度的控制方法 (1) 溫度計法 通過加熱爐上的熱電偶溫度計，顯示爐內(nèi)溫度，可知道鍛件的溫度；也可以使用光學(xué)高溫計觀測鍛件溫度。 表41 常用鋼材的鍛造溫度范圍 材料種類 始鍛溫度表(℃) 終鍛溫度(℃) 材料種類 始鍛溫度(℃) 終鍛溫度(℃) 碳素結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 碳素工具鋼 合金工具鋼 鋁　合　金 12001250 11501200 10501150 10501150 450500 800 800850 750800