落下部分：图解解析

（一）活塞与活塞环

活塞是用45钢锻制并经热处理调质。活塞直径比气缸直径要小1～2.5mm。活塞有一定的高度H，使锤杆与活塞有足够的配合面。一般2t以下的锤H=d（d是锤杆直径），大于2t的锤取H=0.85d。

为使气缸上、下腔不串气，活塞上装有2～4个活塞环。活塞环由20钢制成，具有一定的弹力。由于钢环制造工艺复杂，对气缸套磨损严重，近年来一些工厂采用了聚四氟乙烯活塞环，它具有以下优点：①使用寿命约三个月，比钢环略长。②可在250℃温度下长期工作（蒸汽温度一般在200℃以下）。③具有很低的摩擦系数，并且硬度较低，因此气缸壁几乎不被磨损，从而可大幅度提高缸套的使用寿命。④塑料环在使用中虽有断碎现象，但因它强度低，不会产生卡缸现象。⑤制造工艺简单。

塑料环的材料成分除聚四氟乙烯外，还填有青铜粉15%，二硫化钼2%，石墨5%，提高了环的强度，加强了对缸套表面的润滑。塑料活塞环的尺寸见表3-3-7^[2]。

表3-3-7 塑料活塞环尺寸 （单位：mm）

当采用塑料环时，活塞结构作了相应的改进（见图3-3-14）。把原来三道活塞环窄槽，改为两道宽槽，活塞的上端部打四个φ8mm的孔，活塞槽的侧面钻φ3mm的孔，使蒸汽由顶端经侧孔进入槽内，迫使塑料环贴合在缸壁上。槽宽为20～25mm，槽深为27～30mm，环与槽高度方向间隙为0.1mm。

图3-3-14 宽槽活塞

（二）锤杆

自由锻锤锤杆材料一般用45钢或40Cr；模锻锤锤杆应力高，要用40CrNi。我国镍资源少，可采用Cr-Mo、Cr-Mo-V系列钢号做锤杆。一些工厂采用35CrMo、45Cr等材料做模锻锤锤杆。

锤杆（见图3-3-15）是典型的承受多次冲击载荷的零件。锻锤在打击时锤杆（特别是模锻锤锤杆）下端承受很大的冲击压缩应力，值得注意的是在活塞上移时，这种冲击压缩应力被会转变成拉应力波，并且其绝对值相当大^[3]；偏心打击时，锤杆还承受附加弯曲应力，所以锤杆是承受着交变的大压—小拉的轴向冲击载荷和附加弯曲应力的复合作用，在其表面层造成拉—压冲击应力。

锤杆的断裂多发生在锤头上方100～150mm处，一般是经多次冲击（几万次、几十万次甚至几百万次）后损坏，是冲击疲劳断裂。

模锻锤锤杆的使用寿命较短（平均不到3个月），无论国内还是国外，都是普遍存在的一个问题。锤杆的早期断裂，不仅造成大量的人力、物力浪费，而且因拆换锤杆消耗工时较长，严重影响锻件的生产。因此，提高锤杆的使用寿命是人们普遍关注的问题。

图3-3-15 锤杆

锤杆的使用寿命与锻造（锻比应大于3）、机加工、热处理、安装和使用情况诸因素有关。实践证明，应用多次冲击抗力理论，改进锤杆的热处理工艺，可较大幅度地提高模锻锤锤杆的使用寿命。

由于受传统观念的影响，人们常用缺口试样一次摆锤冲击弯曲试验所得到的冲击韧度α_K值作为衡量金属材料承受冲击载荷的抗力指标。这种所谓“冲击韧度”只能表示这种形式试样的特定条件下大能量一次冲击破断的抗力，并不反映实际机件在工作条件下抵抗冲击破断的抗力。因为承受冲击载荷的机件，并不是在大能量下一次冲击破坏的。机件在绝大多数破断过程是一个由多次冲击损伤积累导致裂纹的发生和发展的过程。这一点可从破断的断口清楚地得到证明。因此衡量材料承受冲击载荷的能力应该是材料对小能量多次冲击的抗力，而不是一次冲击的抗力^[4]。

根据西安交通大学金属材料及强度研究所20世纪60年代中提出的多次冲击抗力理论及其实践，在小能量冲击的范围内，材料对多次冲击的抗力是以强度为主导的，仅要求较低的塑性和冲击韧度。过去常因追求高的α_K值而不惜牺牲强度，如不必要的提高回火温度，结果由于强度降低，常常导致机件在小能量多次冲击载荷下过早断裂。

锤杆是在冲击几万次以上才破断的小冲击能量（指单位体积吸收的冲击功）范围内工作的，是属于小能量多次冲击范畴。因此锤杆的热处理工艺规范应运用多次重复冲击载荷下的破断抗力规律来选择，也就是应采用低中温回火，以提高其强度（硬度），延长其使用寿命。

试验和使用证明：锤杆的多次冲击抗力是以材料的强度性能为主导的；锤杆的使用寿命与锤杆的热处理后的硬度（强度）及金相组织情况有密切关系^[8]。在保证锤杆不开裂和允许的热处理变形量范围内，应采用较强烈的冷却（如水淬、水淬油冷、盐水淬），使其表面层获得马氏体、下贝氏体的混合组织。它们在回火后具有较好的强度性能（回火后的金相组织为回火托氏体）。较强烈的冷却还可获得较深的硬化层深度，这对提高锤杆中心部分的强度也是需要的。如淬火后得到的是上贝氏体甚至铁素体、珠光体组织（45Cr、35CrMo油淬就会出现这种情况），则强度性能很差。使用情况还表明，中碳钢和中碳合金钢淬火后采用中温（450～480℃）回火，其多冲抗力远高于高温（580～600℃）回火。洛阳拖拉机厂采用水淬油冷，中温回火空冷的热处理工艺后（锤杆表面硬度达38～43HRC），与老热处理工艺（油淬，中温回火空冷，241～275HBW）相比，5t、10t模锻锤的锤杆使用寿命分别提高了4倍和6倍，平均使用半年和一年以上^[8]。

35CrMo锤杆热处理的具体工艺参数见表3-3-8。该工艺的热处理硬度为38～43HRC。

表3-3-8 35CrMo模锻锤锤杆热处理工艺

锤杆疲劳源产生于表面，因此又要求表面有较大的残余压应力。滚压可以降低表面的粗糙度值，强化金属并产生残余的压应力，有利于锤杆使用寿命的提高。

锤杆的安装和使用也应特别注意，否则也会使锤杆过早损坏。安装时要保证锤杆中心线与锻锤中心线重合，以免锤杆受附加弯曲；导轨间隙要合理，间隙过大会使弯曲应力增加；锤杆与锤头的配合锥度要一致，否则会使锤杆在锤头锥孔内损坏。

在使用中要严防冷打，每次开锤前应将锤杆预热至120～150℃。

（三）锤头

锤头是在很大的冲击载荷下工作，除了要有足够的强度和冲击韧度外，在形状设计上应避免应力集中，以提高锤头的冲击抗力。锤头形状应力求简单、对称（图3-3-16），使锤头重心与锤杆中心重合，并便于制造。(www.xing528.com)

图3-3-16 重型锻锤锤头

锤头一般由45钢或35Cr钢锻制。

锤头要进行调质处理。调质处理后，在燕尾及导轨部分要进行表面淬火，使硬度达300～350HBW，以提高耐磨性。

锤头多半因燕尾槽底面至侧面过渡处出现裂纹而损坏。使用中导轨槽根部，固定键槽根部也会出现裂纹。

提高锤头寿命一般采用下列措施：

1）模具（砧块）安装在锤头上时，B平面应紧密接触，A平面应有0.5～1mm的间隙（图3-3-17）。

图3-3-17 锤头燕尾

2）燕尾槽底面至侧面的过渡圆角应足够大，以减小应力集中，并应注意降低过渡圆角的表面粗糙度值（英国“马赛”锻锤的锤头过渡圆角处的表面粗糙度为R_a1.6μm），以提高抗冲击疲劳的能力。圆角半径R的大小可按下式计算：

3t锤以上

3t锤以下

式中 H燕尾槽高度。

3）将燕尾槽两侧面前后均铣出一长100mm深5mm的凹槽（图3-3-18），使模具及楔铁的前后端不与锤头接触，这样锤头的受力点就向里移，改善了受力情况，避免锤头端部的开裂现象。

图3-3-18 改进后的锤头燕尾

4）把固定键槽的α角由10°改为20°，可减少轻型锤键槽根部的开裂（图3-3-19）。

图3-3-19 活塞与锤杆的连接形式

a）锥面连接 b）圆柱面连接

5）加大导轨槽的根部圆角，或把槽根部做成圆弧形。

6）增加锻锤锤头的前后尺寸（图3-3-16侧视图所示虚线），避免锥孔边缘因刚性不足而产生裂纹。

（四）锤杆与活塞、锤头的连接

活塞与锤杆通常做出1∶15的锥面（每边的倾斜角约2°），用热套的方法连接在一起。活塞的加热温度一般在450～500℃左右，以防止加热温度过高产生氧化皮，造成活塞脱落。热套后，锤杆顶部不应露出活塞之外，否则与保险活塞相碰时锤杆容易脱落。为此，在冷态试装时，锤杆顶部应比活塞顶部低一个“a”值。对不同吨位的锤可采用表3-3-9的数值。

表3-3-9 活塞与锤杆冷装控制尺寸

采用锥面配合，加工工艺性差，加工后需研配，如果研配质量差，活塞易脱落。一些工厂改用圆柱面连接（图3-3-19b），既克服了活塞脱落现象，又减少了机加工工时，大大有利于生产维修。为避免应力集中，圆柱配合面的根部过渡圆弧R要大。采用圆柱面连接时，活塞与锤杆采用过盈配合，热套在锤杆上。