模锻工艺优化过程的分析介绍

从原材料到生产出锻件，需要经过一系列的生产工序，这一系列生产工序构成的锻件生产过程，称为模锻工艺过程。模锻工艺过程是锻造车间整个生产过程中的一个重要组成部分。正确认识、分析和研究模锻工艺全过程，对于结合具体生产条件，合理地制订模锻工艺有非常重要的意义。

1.模锻技术内容

（1）模锻的工艺过程 模锻的工艺过程包括模锻件图的制订、坯料的计算、工序的确定和锻模的设计、模锻设计的选择、坯料的下料和加热、模锻变形工序，以及模锻件的整理工序（切边、冲孔、校正及热处理等）。因此，模锻的工艺过程主要是关于模锻件生产的次序和具体生产技术方面的问题。

从生产次序上看，原毛坯经过一系列加工工序制成模锻件，这些有机联系的加工工序构成模锻生产工艺过程。

1）备料工序。一般只是按变形工序要求的规格尺寸（或重量），将4～6m长的原材料切割成单件的原毛坯。特殊情况下，还包括原毛坯表面的除锈、防氧化和润滑处理等。

2）加热工序。按变形工序要求的加热温度和生产节拍，加热原毛坯或中间坯料。

3）变形工序。即锻造工序，可细化为制坯工序和模锻工序两种。制坯的方法比较繁多，模锻工序只分为预锻和终锻。变形工序是根据锻件类型利选用的模锻设备确定的。工序数目有多有少，但终锻工序是必不可少的。

4）锻后工序。这一类工序的作用是补充完成模锻工序和其他前期工序的不足，使锻件最后能完全符合锻件图（包括技术条件）的要求。这类工序包括有：切边、冲孔、弯曲、扭转、热处理、校正、表面清理、磨残余毛刺、精压（又称压印）等。

5）检验工序。分为工序间检验（又称作中间检验）和最终检验。工序间检验一般为抽检，并应发动生产工人自检，这对于避免造成成批的废次品和返修品是完全必要的。检验项目包括有：几何形状尺寸、表面质量、金属组织和力学性能等方面，具体的检验项目根据锻件的要求确定。

图1-14为一般的模锻工艺流程（工序组成的顺序）图。对于不同设备、不同锻件的工艺流程，要根据具体情况，对上述工艺流程中的工序有所合并和削减，但组成工序的顺序一般不会有大的改变。模锻生产组织按工艺流程一般划分为备料、模锻（包括加热、锻造、切边和冲孔、热校正等工序）和热处理（包括清理、冷校正、冷精压等工序）三个车间（或工段），通常由加热设备、模锻设备、切边设备（有时还包括有制坯设备和热校正设备）按工艺流程组成一个模锻机组。

图1-14 模锻工艺的一般流程

（2）模锻技术工作内容 模锻技术工作内容主要包含工艺设计与生产服务（现场技术）两方面的工作。

1）工艺设计。生产前的技术准备工作，其具体任务如下：

①根据零件产品的技术要求和生产批量，结合具体的生产条件，合理地选择模锻工艺方案。

②设计锻件图。

③确定模锻工艺流程———确定变形工序及其使用的模锻设备（包括制坯设备），确定其他各工序的工艺规程和使用的设备。

④设计变形工序及其他各工序使用的专用工模具———包括锻模、切边模、校正模、精压模等。

制订模锻工艺规程，包括设计锻件图、选择模锻工艺、确定锻造设备技术规格、坯料尺寸和模具设计。设计锻件图和选择模锻工艺为同时交叉进行，锻件图是选算模锻工艺的基本依据，而锻件图的设计又必须充分考虑不同模锻工艺方案的影响。

2）生产服务工作。在模锻生产中经常会出现各种问题，如锻件几何尺寸精度问题、表面缺陷问题、内部质量问题、锻模寿命问题等，分析问题产生的原因，找出解决问题的措施和方法，是生产服务的经常性工作。即使对于比较稳定的生产工艺，按照“多、快、好、省”的要求，也还有不断提高和改进的可能，这也应是生产服务工作的任务。锻造工艺人员不仅要熟悉模具的设计，而且还要熟悉热模锻工艺过程。

从完成工艺设计到投产，中间必须经过工艺调整和试生产，以暴露问题和解决问题，这既是工艺设计工作的延续，也是生产服务工作的任务。生产既是工艺设计的基础，又是工艺设计的服务对象。因此，从某种意义上说，生产服务工作较之工艺设计更重要。

2.型槽及变形工步

模锻成型是把形状简单的原始坯料，经过制坯型槽、预锻型槽、终锻型槽的连续的锻造变形，加工成所希望的最终形状。制坯型槽的作用是改变原坯料的形状、按锻件结构特点合理分配重量和体积；预锻型槽的作用是局部范围内调整制坯形状、为坯料充满终锻型槽作好形状准备；终锻型槽的作用是将制坯后的坯料锻成所要求的形状和尺寸的锻件。坯料逐次在锻模的每一型槽（见图1-16）中的变形过程就称为模锻工步。坯料在锻模的每一个型槽中的变形过程与使用的型槽名称相同，例如在滚压型槽中滚压就称为滚压工步。模锻件成形以型槽内金属变形为特征，模锻过程的金属流动是靠模具形状来控制的，模锻件的形状和尺寸是靠模具的形状和尺寸来保证的。模锻件在成形步骤上必须满足金属在型槽内成形并充满型槽的特点。

图1-15 连杆逐步变形的过程

1—坯料 2—拔长、滚压 3—预锻 4—终锻 5—切边

每类锻件都需要终锻工步。而预锻工序则应根据具体情况决定是否采用，例如模锻时容易产生折叠和不易充满的锻件常采用预锻工步。每类锻件所需的制坯是不同的，例如直长轴类锻件常用拔长、滚压、卡压等制坯工步；而弯轴类和带枝芽的锻件除需采用第一类制坯工步外，还需采用弯曲、成形等制坯工步；短轴类锻件一般都采用镦粗等制坯工步。顶镦类锻件常用的制坯工步有积聚和冲孔等。此外还有弯曲、压扁等。在使坯料逐渐接近最终形状的过程中，要考虑锻件的形状和复杂程度、材料的变形能力、材料的流动特性、节约用料以及模具寿命等问题。

模锻型槽的特点和作用见表1-2。(www.xing528.com)

图1-16 连杆成形型槽

1—拔长型槽 2—滚压型槽 3—预锻型槽 4—终锻型槽

表1-2模锻型槽的特点和作用

（续）

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3.体积分配和中间形状

模锻成形有点类似于铸造时液态金属充满型模的过程，所不同的是模锻成形是金属的固态流动，金属坯料存在着很强的保持自身形状的能力，同时，金属的流动受型槽中流动阻力的限制，因而，并不是随便一块坯料放到型槽中都能锻成型槽形状的锻件（见图1-17）。在实际生产中，对于较复杂的锻件，坯料不可能在预锻和终锻型槽中直接成形。为了终锻模锻时金属能很好地充满型槽，必须预先在制坯型槽内将等断面的型材或钢锭锻出与最终形状相应的中间坯料形状，完成坯料的重量和形状分配，形成锻件雏形。

（1）体积分配 体积分配是指产生一种横断面与最终形状的横断面相一致的中间形状。一般短轴形状的模锻件坯料（采用短的坯料或棒料），主轴线与变形方向相同，成形镦粗时能朝各个方向流动并均匀地充满型槽。但模锻较高的轮毂和销轴等时，就不能不考虑体积分配了，需要预镦粗或成形镦粗后再放到终锻型槽中成形。对于断面变化的长轴类锻件，由于长度与宽度（平均值）之比值较大，其变形流动为平面流动，轴向流动非常困难。在预锻模槽或终锻模槽中变形时，金属沿锻件长度上不能作长距离的流动。所以当锻件长度上的横断面积相差较大时，必须预先用拔长或滚挤等工步来改变坯料形状。同时，在模锻过程中，如要充满型槽并获得具有小而均匀飞边的锻件，那么就需要有一种较为理想的中间形状。

图1-17 未经制坯毛坯直接在锻模中锻造

（2）体积分配图 要求毛坯长度与锻件相等，而其上各横断面面积又等于相应长度上锻件横断面面积及飞边面积之和。体积分配图用于长轴类锻件，为了在轴线合理分配金属的重量。

在最终形状图上按适当的间隔距离量出垂直于纵轴线的断面尺寸，并标在分配图的长度坐标上，同时要考虑到这些断面上的模锻斜度和圆角半径。将各个测量点连成一条光滑曲线，该曲线以下的面积代表着最终形状的体积，据此就可计算出重量。如已知锻件的重量，这种计算就可以用来检查体积分配的正确性，其具体的计算和作图方法见2.2.4。

接着，在图中再标出必要的飞边断面，并同样连成一条光滑曲线。如此，中间坯料的断面便确定了，据此即可设计中间坯料的形状。

图1-18 曲轴中间弯曲形状

a）中间弯曲形状和中间弯曲中心线 b）终锻形状和终锻中心线

（3）中性线 中性线是锻件断面重心连线，主要适用于长轴类锻件，特别对于制坯弯曲有拉长现象，弯曲或成形后需要翻转90°放入预锻、终锻型槽的锻件。通过弯曲或扭转，使中间形状和最终形状的主轴线相一致。（见图1-18）。

简单截面的型槽如圆型槽、椭圆型槽、方形型槽和菱形型槽等的中性线，与这些断面的对称轴相重合。

对于非对称的、断面形状比较复杂的型槽，其中性线常用以下两种方法确定：

1）等面积法。型槽的中性线是型槽断面积的水平平分线，即在型槽断面上下面积相等处划水平线即为其中性线。此法比较简单，但实际应用效果不够理想。

2）重心法。通过型槽断面的重心划水平线，即为型槽的中性线。可用计算法确定重心，也可用吊线法确定重心。所谓吊线法是用硬纸板剪出型槽样板，用线栓起使其平衡，找出断面重心位置。

现在，应用计算机辅助设计可轻松求出截面中心。