模锻工艺中的分模面选取原则及锻件的成形过程

模锻是将加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形从而获得锻件的锻造成形工艺方法。

1.模锻成形过程特征

1）模锻时坯料是整体塑性成形，坯料三向受压。坯料置于固定锻模模膛中，当动模做合模运动时（一次或多次），坯料发生塑性变形并充满模膛，随后，模锻件由顶出机构顶出模膛。热成形要求被成形材料在高温下具有较好的塑性，而冷成形则要求材料具有足够的室温塑性。热成形过程主要是模锻，可生产各种形状的锻件，锻件形状仅受成形过程、模具条件和锻造力的限制。

2）模锻件的精度和表面质量除锻模的精度和表面质量外，还取决于氧化皮的厚度和润滑剂等，一般都符合要求，但要得到零件配合面最终精度和表面质量，还须再进行精加工（如车削、铣削、刨削等）；冷成形件则可获得较好的精度（≈±0.2mm）与表面质量，几乎可以不再进行或少进行机械加工。

3）模锻可使用多种锻压设备（蒸汽锤、机械压力机、液压机、卧式机械镦锻机等），所需设备要根据生产量和实际采用的成形工艺来选择。

鉴于模锻的优点，它广泛应用于飞机、机车、汽车、拖拉机、军工、轴承等制造业中。据统计，如按质量计算，飞机上的锻件中模锻件约占85%，轴承上约占95%，汽车上约占80%，坦克上约占70%，机车上约占60%。最常见锻件的零件是齿轮、轴、连杆、杠杆、手柄等，但模锻常限于150kg以下的零件。冷成形工艺（冷镦、冷锻）主要生产一些小型制品或零件，如螺钉、钉子、铆钉、螺栓等。由于锻模造价高，制造周期长，故模锻仅适宜于大批量生产。

2.模锻工艺过程

模锻生产工艺流程图3-24所示。

图3-24 模锻生产工艺的流程示意图

绘制模锻工艺图，如前所述，模锻工艺图是生产过程中各个环节的指导性文件。在制订模锻工艺图时应考虑以下几个因素。

（1）分模面 即上、下锻模在锻件上的分界面，它类似于铸造中的分型面。锻件分模面选择得好坏直接影响到锻件的成形、锻件出模、锻模结构及制造费用、材料利用率、切边等一系列问题。在制订模锻工艺时，须遵照下列原则确定分模面位置。

1）要保证模锻件易于从模膛中取出，故通常分模面选在模锻件最大截平面上。

2）所选定的分模面应能使模膛的深度最浅，这样有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。

3）选定的分模面能使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，这样在安装锻模和生产中发现错模现象时，便于及时调整锻模位置。

4）分模面最好是平面，且上下锻模的深度尽可能一致，这样便于锻模制造。

5）所选分模面尽可能使锻件上下所加的敷料最少，这样既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。

如图3-25中c-c面就满足上述原则。

（2）机加工余量、锻件公差和敷料 模锻件的尺寸精度较好，其余量和公差比自由锻件的小得多。小型模锻件的加工余量一般为2～4mm，锻件公差一般为±0.5～±1mm。模锻加工余量及模锻件公差可查锻造手册或其他工程手册。

对于孔径d>25mm的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮；冲孔连皮厚度与孔径有关，当孔径在φ30～φ80mm时，连皮厚度为4～8mm。

图3-25 模锻件分模面选择比较图

（3）模锻斜度 模锻件上凡平行于锻压方向的表面（或垂直于分模面的表面）都须具有斜度，如图3-26所示，这样便于从模膛中取出锻件。常用的模锻斜度系列为：3°，5°，7°，10°，12°，15°。模锻斜度与模膛深度有关，当模膛深度与宽度的比值（h/b）越大时，取较大的斜度值；内壁斜度（锻件冷却收缩时与模壁呈夹紧趋势的表面）应比外壁斜度大2°～5°；在具有顶出装置的锻压机械上，其模锻件上的斜度比没有顶出装置的小一级。

（4）模锻件圆角半径 模锻件上凡是面与面相交处均应做成圆角，如图3-26所示，这样可增大锻件强度，利于锻造时金属充满模膛，避免锻模上的内尖角处产生裂纹，减缓锻模外尖角处的磨损，提高锻模的使用寿命。钢质模锻件外圆角半径（r）取1.5～12mm，内圆角半径比外圆角大2～3倍。模膛深度越深，圆角半径取值越大。

（5）坯料质量和尺寸计算 模锻件坯料质量=模锻件质量+氧化烧损质量+飞边（连皮）质量。

飞边质量的多少与锻件形状和大小有关，一般可按锻件质量的10%～20%计算。氧化烧损按锻件质量和飞边质量综合的3%～4%计算。

其他规则可参照自由锻件坯料质量及尺寸计算。

（6）模锻工序的确定 模锻工序与锻件的形状、尺寸有关。由于每个模锻件都必须有终锻工序，所以工序的选择实际上就是制坯工序和预锻工序的确定。

1）轮盘类模锻件，指圆形或宽度接近于长度的锻件，如齿轮锻件、十字接盘、法兰盘锻件等，如图3-27、图3-28和图3-29所示。这类模锻件终锻时采用镦粗的方式，材料在长度（径向）、宽度方向均产生流动。

一般的轮盘类模锻件采用镦粗和终锻工序；对于一些高轮毂、薄轮辐等模锻件，采用镦粗—预锻—终锻工序，如图3-29所示。

图3-26 模锻斜度及模锻件圆角

图3-27 齿轮

图3-28 齿轮模锻件

长轴类模锻件选择工序有：①预锻—终锻；②滚压—顶锻—终锻；③拔长—滚压—顶锻—终锻；④拔长—滚压—弯曲—顶锻—终锻等。

2）长轴类模锻件，这类锻件的长度与宽度之比较大，终锻时金属沿高度与宽度方向流动，沿长度方向流动不大。工序越多，模锻的模膛就越多，这样，模锻的设计及制造就越困难，成本也就越高。

长轴类锻件如主轴、传动轴、转轴、销轴、曲轴、连杆、杠杆、摆杆锻件等，如图3-30所示。这类模锻件的形状多种多样，通常模锻件沿轴线在宽度或直径方向上的变化较大，这样一来就给模锻件带来一定的不便和难度。因此，长轴类模锻件的成形比轮盘类模锻件困难，模锻工序也较多，模锻过程也较复杂。

图3-29 轮盘类锻件

图3-30 长轴类锻件

模锻件的成形过程工序的多少与零件的结构设计、坯料形状及制坯手段等有关系。

由于在锻压机上不适宜进行拔长和滚压工序，因此锻造截面变化较大的长轴类锻件时，常采用断面呈周期性变化的坯料，如图3-31所示，这样可省去拔长和滚压工序；或者用辊锻来轧制原坯料代替拔长和滚压工序，如图3-32所示。这样可使模锻过程简化，生产率提高。图3-33所示为弯曲连杆多膛模锻的过程。

图3-31 周期性断面坯料模锻

a）周期性轧制坯料 b）弯曲 c）顶锻 d）终锻

图3-32 坯料的辊锻

a）原料 b）辊锻 c）坯料 1—扇形辊锻模 2—辊锻

图3-33 弯曲连杆多膛模锻

a）锻件图 b）锻模 c）模锻过程 d）切边模 1—料坯 2—拔长模膛 2′—拔长 3—滚压模膛 3′—滚压 4—弯曲模膛 4′—弯曲 5—预锻模膛 5′—预锻 6—终锻模膛 6′—终锻 7—切边 8—锻件

（7）修整工序 由锻模模膛锻出的模锻件，尚需经过一些修整工序才能得到符合要求的锻件。修整工序有以下几种。

1）切边与冲孔。刚锻制成的模锻件，通常其周边都带有横向飞边，有通孔的锻件还有连皮，须用切边模和冲孔模在压力机上将飞边和连皮从锻件上切除。

对于较大的模锻件和合金钢模锻件，常利用模锻后的余热立即进行切边和冲孔，其特点是所需切断力较小，但锻件在切边和冲孔时易产生轻度的变形；对于尺寸较小的和精度要求较高的锻件，常在冷态下切边和冲孔，且特点为切断后锻件切面较整齐，不易产生变形，但所需切断力较大。

切边模和冲孔模由凸模和凹模组成，如图3-34所示。切边凹模的通孔形状和锻件在分模面上的轮廓一样；一般凸模工作面的形状与锻件上部外形相符。冲孔凹模作为锻件的支座，应使锻件放在模中能对准冲孔中心，冲孔连皮从凹模孔落下。

当锻件批量很大时，切边和冲连皮可在一个较复杂的复合式连续模上联合进行。

图3-34 切边模和冲孔模

1—凸模 2—凹模

图3-35 精压

a）平面精压 b）整体精压

2）校正。在切边及其他工序中可能引起锻件变形，因此对许多锻件特别是形状复杂的锻件在切边（冲连皮）之后还需进行校正。校正可在锻模的终锻模膛或专门的校正模膛内进行。

3）热处理。模锻件进行热处理的目的是为了消除模锻件的过热组织或加工硬化组织、内应力等，使模锻件具有所需组织和性能。热处理一般用正火或退火。(www.xing528.com)

4）清理。清理时去除在生产过程中形成的氧化皮、所沾油污及其他表面缺陷，以提高模锻件的表面质量。清理有下列几种方法：滚筒清理、喷丸清理、酸洗等。

①滚筒清理。将锻件装入旋转的滚筒内，靠锻件互相撞击打落氧化皮、光洁表面等，此法缺点是噪声大，刚性差的锻件可能产生变形。故一般适宜清理小件。

②喷丸清理。喷丸清理是在有机械化装置的钢丸喷射机上进行，清理时锻件一边移动一边翻转，同时受到φ0.8～φ1.5mm钢丸的高速冲击。这种设备生产率高，清理质量好且锻件表面留有残余压应力，但其投资较大。

③酸洗。酸洗是在温度大约为55℃、浓度为18%～22%的稀硫酸溶液中进行，酸洗后的锻件须立即在70℃的水中洗涤。酸洗中因酸液挥发、飞溅等，会污染空气和环境，且劳动条件较差，故应用不多。

对于要求精度高和表面粗糙度值低的模锻件，除进行上述各修整工序外，还应在压力机上进行精压，如图3-35所示。

（8）锻模模膛 由以上模锻工序可知，模膛按其功用分为模锻模膛和制坯模膛两大类。

1）模锻模膛。模锻模膛分为终锻模膛和预锻模膛两种。终锻模膛的作用是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸。它的形状与锻件形状相同。

因锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量，一般钢件收缩量取1.2%～1.5%。另外，沿模膛四周有飞边槽，飞边槽的作用主要是促使金属充满模膛，增加金属从模膛中流出的阻力，同时容纳多余的金属。对于有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模的突出部分把金属完全挤出形成通孔，故终锻后孔内留下一薄层金属即连皮。把飞边槽和连皮切除后，才能得到模锻件。飞边槽如图3-36所示。

图3-36 飞边槽的基本结构形式

注：1.飞边槽除基本结构形式外，还有其他结构形式。 2.飞边槽的尺寸与模锻件的材质、设备吨位有关，可查阅锻造手册。

预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，这样在进行终锻时，金属容易充满终锻模膛，同时也减小了终锻模膛的磨损，延长其使用寿命。预锻模膛和终锻模膛的主要区别是，前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。对于形状简单或批量不太大的模锻件可不设置预锻模膛。

2）制坯模膛。对于形状复杂的模锻件（尤其是长轴类模锻件），为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布和很好地充满模膛，须预先在制坯模膛内制坯，然后再进行预锻和终锻。制坯模膛有以下几种：

①拔长模膛。它用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度，如图3-37所示。当模锻件沿轴向横截面相差较大时，用这种模膛进行拔长。此模膛一般设置在锻模的边缘，操作时坯料除送进外还需翻转。

②滚压模膛。用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。它主要是使金属按模锻件形状分布。滚压模膛分开式和闭式两种，如图3-38所示。当模锻件沿轴线的横截面积相差不是很大或作修整拔长后的坯料时，采用开式滚压模膛；当模锻件的最大和最小截面相差较大时，采用闭式滚压模膛。操作时不断翻转坯料。

③弯曲模膛。对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛来弯曲坯料。坯料可直接或先经其他制坯工序后再放入弯曲模膛内进行弯曲变形，如图3-39所示。

图3-37 拔长模膛

a）开式 b）闭式

图3-38 滚压模膛

a）开式 b）闭式

图3-39 弯曲模膛

④切断模膛。它是在上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属，如图3-40所示。单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口部金属；多件锻造时，用它来分离成单个零件。

图3-40 切断模膛

此外，还有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。由于制坯模膛增加了锻模体积和制坯加工难度，加之有些制坯工序（如拔长、滚压等）在锻压机上不宜进行，故对截面变化较大的长轴模锻，目前多用辊锻机或楔横轧机轧制原（坯）料以替代制坯工序，从而大大简化模锻。

根据模锻件的复杂程度，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。单膛锻模是在一副锻模上只有一个模膛，如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料直接放入单膛锻模中成形。多膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。如图3-33所示的弯曲连杆模锻件的锻模即为多膛模锻。锻模的模膛数越多，设计、制造就越难，成本也就越高。

（9）金属在模膛内的变形过程 将金属坯料置于终锻模膛内，从锻造开始到金属充满模膛锻成锻件为止，其变形过程可分为3个阶段。现以锤上模锻盘类锻件为例来说明。

第一阶段为充型阶段。在最初的几次锻击时，金属在外力作用下发生塑性变形，坯料高度减小，水平尺寸增大，并有部分金属压入模膛深处。这一阶段直到金属与模膛侧壁接触达到飞边槽桥口为止，如图3-41a所示。在这一阶段，模锻所需的变形力不大，变形力与行程的关系如图3-41d所示。

第二阶段为形成飞边和充满阶段。在继续锻造时，由于金属充满模膛圆角和深处的阻力较大，金属向阻力较小的飞边槽内流动，形成飞边。此时，模锻所需的变形力开始增大。随后，金属流入飞边槽的阻力因飞边变冷而急剧增大，这个阻力一旦大于金属充满模膛圆角和深处的阻力，金属便向模膛圆角和深处流动，直到模膛各个角落都被充满为止。如图3-41b所示，这一阶段的特点是飞边完成强迫充填的作用。由于飞边的出现，变形力迅速增大，如图3-41d中P₁P₂线。

第三阶段为锻足阶段。如果坯料的形状、体积以及飞边槽的尺寸等工艺参数都设计得恰当，则当整个模膛被充满之时，正好就是锻到锻件所需高度而结束锻造之时，如图3-41c所示。但是，由于坯料体积总是不够准确且往往都偏多或者飞边槽阻力偏大，因而，虽然模膛已经充满，但上下模还未合拢，需进一步锻足。这一阶段的特点是变形仅发生在分模面附近区域，以便向飞边槽挤出多余金属，此阶段变形力急剧增大，直至达到最大值为止，如图3-41d中的P₂P₃线。由上可知，飞边有3个作用：强迫充填；容纳多余的金属；减轻上模对下模的打击，起缓冲作用。

图3-41 金属在模膛内的变形过程

a）充型 b）形成飞边及充满 c）锻足 d）变形力与行程关系曲线

影响金属充满模膛的因素有以下几点。

1）金属的塑性和变形抗力。显然塑性高、变形抗力低的金属较易充满模膛。

2）金属模锻时的温度。金属的温度高，则其塑性好、抗力低，易于充满模膛。

3）飞边槽的形状和位置。飞边槽部宽度与高度之比（b/h）及槽部高度h是主要因素。b/h越大，h越小，则金属在飞边流动阻力越大。强迫充填作用越大，变形抗力也越大。

4）锻件的形状和尺寸。具有空心、薄壁或凸起部分的锻件难于锻造。锻件尺寸越大，形状越复杂，则越难锻造。

5）设备的工作速度。一般而言，工作速度较快的设备其充填性较好。

6）充填模膛方式。镦粗比挤压易充模。

为了确保锻件品质，利于模锻生产和降低成本、提高生产效率，设计模锻件时，应在保证零件使用要求的前提下，结合模锻工艺过程特点，使零件结构符合下列原则。

1）模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、锻模制造容易。

2）零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、高凸起等结构，以便于金属充满模膛和减少工序。

3）尽量避免有深孔或多孔结构。

4）在可能的情况下，对复杂零件采用锻、焊结合，以减少敷料，简化模锻过程。

图3-42所示为模锻时零件结构技术特征（又叫工艺性）差的零件。对于这些结构，若允许的话最好改进结构，若不允许或有困难的话，可用敷料解决。另外，可考虑锻_-焊组合结构。

图3-42 结构工艺性差的锻件

a）阶梯轴类 b）法兰类 c）丁形类 d）柱板结构类

3.胎模锻造

胎模锻造是在自由锻造设备上使用不固定在设备上的各种单模膛模具，直接将已经加热的坯料（或用自由锻方法预锻成接近锻件形状的坯）用胎模终锻成形。它广泛用于中、小批量的中、小型锻件的生产。

与自由锻相比，胎模锻具有锻件品质好（表面光洁、尺寸较精确、纤维分布合理）、生产率高和节约金属等优点。

与固定锻模的模锻相比，胎模锻具有操作比较灵活、胎模模具简单、容易制造加工、成本低、生产准备周期短等优点。它的主要缺点有：相比模锻件胎模锻件的表面品质较差、精度较低、所留的机加工余量大、操作者劳动强度大、生产率和胎模寿命较低等。

胎模的种类较多，主要有以下几种：

（1）扣模 用于锻造非回转体锻件，具有敞开的模膛，如图3-43a所示。锻造时工件一般不翻转，不生产飞边。既用于制坯，也用于成形。

图3-43 胎模类型

a）扣模 b）套筒模 c）合模

（2）套筒模 主要用于回转体锻件如齿轮、法兰等，有开式和闭式两种。

开式套筒模一般只有下模（套筒和垫块），没有上模（锤砧代替上模）。其优点为结构简单，可以得到很小或不带模锻斜度的锻件。取件时一般要反转180°。缺点是对上、下砧的平行度要求较严，否则易使毛坯偏斜或填充不满。

闭式套筒模一般由上模、套筒等组成，如图3-43b所示。锻造中金属处于模膛的封闭空间内变形，不形成飞边。由于导向面间存在间隙，往往在锻件端部间隙处形成纵向飞边，需进行修整。此法要求坯料尺寸精确，否则会增加锻件垂直方向的尺寸或充不满模膛。

（3）合模 合模一般由上、下模及导向装置组成，如图3-43c所示。用来锻造形状复杂的锻件。锻造过程中，多余金属流入飞边槽，形成飞边。合模成形与带飞边的固定模模锻相似。