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1、鍛造工藝與模具設計鍛造工藝與模具設計謝利謝利材料工程材料工程學院學院1課程簡介一、本課程的性質(zhì) 研究如何利用各種鍛造方法有效地控制鍛件的成型和內(nèi)部組織性能生產(chǎn)出高質(zhì)量鍛件的一門技術學科。二、本課程的任務 (1)基本掌握自由鍛工藝設計、模鍛工藝設計和鍛模設計的方法； (2)具有初步的進行鍛造工藝分析的能力； (3)具有初步分析和解決鍛件質(zhì)量問題的能力.2二、考核方式及成績評定要求 (1)閉卷考試,考試成績占總成績60%，實驗成績20%，課堂討論10%，平時成績10%; (2)點名三次不到取消考試資格; (3)共5次作業(yè),一次不交無平時成績.三、三、教學參考書教學參考書 1 姚澤坤.鍛造工藝學與模
2、具設計M.北京：西北工業(yè)大學出版社，2007. 2 胡亞民，華林.鍛造工藝過程及模具設計M. 北京：北京大學出版社，2006. 3夏巨諶.典型零件精密成形M. 北京：機械工業(yè)出版社，2008. 4李云江.特種塑性成形M. 北京：機械工業(yè)出版社，2008. 3課堂討論題目:(1)鍛造模具在國民經(jīng)濟和國防建設中的作用；(2)鍛造模具國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀；形式：兩個班分成6個小組，自選討論題目，查閱相關資料，做成PPT，推舉一人上臺匯報演講，控制時間為10min；時間：初定第七周；成績評定：根據(jù)小組匯報表現(xiàn)進行打分（占總成績的10%）4第一章第一章 緒緒 論論5什么是鍛造什么是鍛造？金屬塑性加工方法之一
3、金屬塑性加工方法之一鍛造是利用手錘、鍛錘或壓力設備上的模具對鍛造是利用手錘、鍛錘或壓力設備上的模具對加熱的金屬坯料施力，使金屬材料在不分離條加熱的金屬坯料施力，使金屬材料在不分離條件下產(chǎn)生塑性變形，以獲得形狀、尺寸和性能件下產(chǎn)生塑性變形，以獲得形狀、尺寸和性能符合要求的零件符合要求的零件。為了為了使金屬材料在高塑性下成型，通常鍛造是使金屬材料在高塑性下成型，通常鍛造是在熱態(tài)下進行，因此鍛造也禰為熱鍛。在熱態(tài)下進行，因此鍛造也禰為熱鍛。6鍛造是一種通過模具和工具利用壓力使工件成型鍛造是一種通過模具和工具利用壓力使工件成型的工藝方法，它是最古老的金屬加工方法之一，的工藝方法，它是最古老的金屬加工方
4、法之一，可以追溯到公元前可以追溯到公元前40004000年年甚至甚至80008000年。年。鍛造生產(chǎn)廣泛應用于機械、冶金、造船、航空、鍛造生產(chǎn)廣泛應用于機械、冶金、造船、航空、航天、兵器以及其它許多工業(yè)部門。航天、兵器以及其它許多工業(yè)部門。7航空航天8武器裝備9交通運輸1011121任務：解決鍛件的成形及其內(nèi)部組織性能的控制，以獲得所需形狀、尺寸和質(zhì)量的鍛件。2目的：鍛造的根本目的是利用外加載荷（沖擊載荷或靜載荷）通過鍛壓設備或模具使金屬毛坯產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的鍛件，同時使鍛件機械性能和內(nèi)部組織符合一定的技術的要求。3. 實質(zhì)：鍛造工藝的實質(zhì)是如何利用金屬的塑性使金屬毛坯改變
5、形狀和性能而成為合格鍛件的加工過程。鍛造的任務、目的和實質(zhì)131.1鍛造生產(chǎn)的特點與作用（1）鍛造生產(chǎn)的優(yōu)點和缺點 優(yōu)點：優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、靈活。 1）優(yōu)質(zhì) 指可以改善金屬組織性能。金屬零件的傳統(tǒng)生產(chǎn)過程是：冶煉制坯切削加工熱處理； 制坯有三條途徑：鑄造毛坯、軋制型材、鍛造毛坯 鑄造毛坯的組織性能差，只適用于性能要求低的零、部件14鍛造：鍛造：纖維組織纖維組織變形后的雜質(zhì)變形后的雜質(zhì)仍具有方向性，呈現(xiàn)纖維狀仍具有方向性，呈現(xiàn)纖維狀條紋條紋鍛造鍛造流線變形后雜質(zhì)的流線變形后雜質(zhì)的纖維分布，使組織、纖維分布，使組織、 性能呈性能呈方向性方向性15NoImage鋼錠鍛造過程中纖維組織形成的示意鋼錠
6、鍛造過程中纖維組織形成的示意162) 2) 高產(chǎn)高產(chǎn) 機械化機械化生產(chǎn)，生產(chǎn)率高生產(chǎn)，生產(chǎn)率高 二、三百件二、三百件/ /小時，現(xiàn)在更高了，一百多件小時，現(xiàn)在更高了，一百多件/ /分，分，1.21.2萬件萬件/ /小時。據(jù)統(tǒng)計，每模鍛小時。據(jù)統(tǒng)計，每模鍛100100萬噸鋼萬噸鋼，由于提高了生產(chǎn)率，可比切削加工減少，由于提高了生產(chǎn)率，可比切削加工減少2-32-3萬萬工人，少用工人，少用1500015000臺機床。在現(xiàn)今技術水平條件臺機床。在現(xiàn)今技術水平條件下，幾乎任何一種金屬材料都可用鍛造方法制成下，幾乎任何一種金屬材料都可用鍛造方法制成半成品零件，只是難易程度不同而已。半成品零件，只是難易程度
7、不同而已。17今天，鍛造生產(chǎn)率提高，其鍛件精度也愈來愈高，可以達今天，鍛造生產(chǎn)率提高，其鍛件精度也愈來愈高，可以達到甚至超過機械加工的一般精度水平，如各種冷溫擠壓標到甚至超過機械加工的一般精度水平，如各種冷溫擠壓標準件、精鍛齒輪、精鍛葉片、精鍛軸類件等。準件、精鍛齒輪、精鍛葉片、精鍛軸類件等。西航建成國內(nèi)最大航空發(fā)動機葉片精鍛生產(chǎn)線西航建成國內(nèi)最大航空發(fā)動機葉片精鍛生產(chǎn)線183) 3) 低消耗低消耗 少少、無切削，省工省料。、無切削，省工省料。 4)4) 靈活靈活 鍛造鍛造可以鍛制形狀簡單的鍛件（如模塊、齒輪坯可以鍛制形狀簡單的鍛件（如模塊、齒輪坯等），也可鍛制形狀復雜、不需或只需少量切削加工
8、的精等），也可鍛制形狀復雜、不需或只需少量切削加工的精密鍛件（如曲軸、精鍛齒輪等密鍛件（如曲軸、精鍛齒輪等）；）；鍛件的重量小的不到鍛件的重量小的不到1 1公斤公斤 大的可達幾百噸大的可達幾百噸單件小批量生產(chǎn)單件小批量生產(chǎn) 大批量生產(chǎn)。大批量生產(chǎn)。19缺點：缺點： 1 1) )模具成本高，加工模具成本高，加工周期長周期長 2 2) )受鍛造設備噸位的受鍛造設備噸位的限制限制 一個解放車發(fā)動機的六拐曲軸的模鍛需要12500噸壓力機；飛機上的模鍛件則需要3萬噸甚至8萬噸壓力機才能實現(xiàn).2012年12月11日，由我國自主設計研制的世界最大模鍛液壓機，在四川德陽中國第二重型機械集團進入調(diào)試階段，于20
9、13年4月10日投入試生產(chǎn)。這臺8萬噸級模鍛液壓機，地上高27米、地下15米，總高42米，設備總重2.2萬噸。20鍛造在工業(yè)生產(chǎn)中占有鍛造在工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重舉足輕重的的地位；地位； 鍛造生產(chǎn)能力及其工藝水平，對一個國家的鍛造生產(chǎn)能力及其工藝水平，對一個國家的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術的影響，難以工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術的影響，難以估量；估量；鍛造生產(chǎn)的能力在一定程度上鍛造生產(chǎn)的能力在一定程度上標志標志著一個國著一個國家的家的工業(yè)工業(yè)水平水平. .（2）鍛造業(yè)的地位211.2鍛件生產(chǎn)的分類及應用范圍(1)(1)根據(jù)根據(jù)所用工具和生產(chǎn)工藝的不同可分為所用工具和生產(chǎn)工藝的不同可分為自由鍛自由
10、鍛造造、模鍛模鍛和和特種鍛造特種鍛造。 1) 1)自由自由鍛造鍛造 把加熱好的坯料放在自由鍛造把加熱好的坯料放在自由鍛造設備的平砧之間或簡單的工具中進行鍛造的方法稱設備的平砧之間或簡單的工具中進行鍛造的方法稱為自由鍛。為自由鍛。 一般一般由鍛工控制金屬的變形方向和形狀尺寸由鍛工控制金屬的變形方向和形狀尺寸。 手工鍛造手工鍛造 機械機械( (錘錘上自由鍛和水壓機上上自由鍛和水壓機上自由鍛自由鍛) )自由鍛自由鍛2223u自由鍛造主要用于鍛制自由鍛造主要用于鍛制鋼錠鋼錠和和形狀簡單、粗糙度形狀簡單、粗糙度要求較低、加工余量較大要求較低、加工余量較大的鍛件生產(chǎn)。的鍛件生產(chǎn)。u使用的是形狀簡單的使用的
11、是形狀簡單的通用工具通用工具，靈活性大，生產(chǎn)，靈活性大，生產(chǎn)準備周期短，所以使用范圍廣。準備周期短，所以使用范圍廣。u鍛件鍛件力學性能和表面質(zhì)量力學性能和表面質(zhì)量受操作工人的影響較大受操作工人的影響較大，不易保證，生產(chǎn)效率低。，不易保證，生產(chǎn)效率低。24自由鍛自由鍛還可以借助簡單的模具進行鍛造，稱還可以借助簡單的模具進行鍛造，稱胎胎模鍛模鍛; ;胎胎模鍛造是把加熱好的坯料用自由鍛方法預鍛模鍛造是把加熱好的坯料用自由鍛方法預鍛成近似鍛件的形狀，然后在自由鍛設備上用胎成近似鍛件的形狀，然后在自由鍛設備上用胎模終鍛成形（形狀簡單的鍛件可直接把坯料放模終鍛成形（形狀簡單的鍛件可直接把坯料放入胎模內(nèi)入胎
12、模內(nèi)成形成形. .252)2)模鍛模鍛: :把把加熱好的坯料放在固定于模鍛設備上的加熱好的坯料放在固定于模鍛設備上的模具內(nèi)進行鍛造的方法稱為模鍛。模具內(nèi)進行鍛造的方法稱為模鍛。由于模具型槽限制金屬的變形，而獲得與型槽形由于模具型槽限制金屬的變形，而獲得與型槽形狀一致的鍛件。狀一致的鍛件。根據(jù)根據(jù)變形變形特點特點( (有無飛邊有無飛邊) )，分為開式模鍛和閉式分為開式模鍛和閉式模鍛。模鍛。26根據(jù)根據(jù)設備結構特性和工藝特性設備結構特性和工藝特性的不同，分為的不同，分為錘上模鍛（自由鍛錘上模鍛、高速錘上模鍛錘上模鍛（自由鍛錘上模鍛、高速錘上模鍛）、摩擦壓力機上模鍛、熱模鍛壓力機上模）、摩擦壓力機上
13、模鍛、熱模鍛壓力機上模鍛、液壓機上模鍛、平鍛機上模鍛、專用鍛鍛、液壓機上模鍛、平鍛機上模鍛、專用鍛壓機上模鍛等。壓機上模鍛等。模鍛適用于形狀復雜，尺寸精度較高，加工模鍛適用于形狀復雜，尺寸精度較高，加工余量小，余量小，批量生產(chǎn)的中、小型鍛件批量生產(chǎn)的中、小型鍛件。形狀和尺寸靠模具保證，人為影響因素小。形狀和尺寸靠模具保證，人為影響因素小。精密鍛件精密鍛件的成形也要通過模鍛來實現(xiàn)的成形也要通過模鍛來實現(xiàn)。273)3)特種特種鍛造鍛造 即在專用鍛壓設備上或在特殊模即在專用鍛壓設備上或在特殊模具型槽內(nèi)使坯料成形的一種特殊鍛造工藝。具型槽內(nèi)使坯料成形的一種特殊鍛造工藝。一般鍛造方法很難達到要求時，可用
14、特種鍛一般鍛造方法很難達到要求時，可用特種鍛造工藝。造工藝。如精密模鍛，溫熱擠壓，輥鍛，電鐓，擺動如精密模鍛，溫熱擠壓，輥鍛，電鐓，擺動輾壓，粉末鍛造，液態(tài)模鍛，等溫模鍛和超輾壓，粉末鍛造，液態(tài)模鍛，等溫模鍛和超塑性模鍛等。塑性模鍛等。28鍛造鍛造工藝流程工藝流程是指生產(chǎn)一個鍛件所經(jīng)過的鍛造生是指生產(chǎn)一個鍛件所經(jīng)過的鍛造生產(chǎn)產(chǎn)過程過程; ;以模鍛為例，其鍛造工藝流程是以模鍛為例，其鍛造工藝流程是：備料：備料加熱加熱模鍛切模鍛切邊邊熱處理酸洗、清理熱處理酸洗、清理校正校正; ;一般來說，一種鍛件選用哪一種鍛造方法生產(chǎn)，一般來說，一種鍛件選用哪一種鍛造方法生產(chǎn)，與形狀、尺寸、技術要求和生產(chǎn)批量大小
15、等很多與形狀、尺寸、技術要求和生產(chǎn)批量大小等很多因素因素有關有關; ;通常，單件、小批量生產(chǎn)通常，單件、小批量生產(chǎn) 自由鍛自由鍛方法方法 大大批量批量 模鍛模鍛方法生產(chǎn)方法生產(chǎn)但但有些有些航空重要產(chǎn)品航空重要產(chǎn)品上的鍛件，雖然批量不大，上的鍛件，雖然批量不大，但由于流線和性能等方面的要求，要求工藝的一但由于流線和性能等方面的要求，要求工藝的一致性等，通常也采用模鍛方法生產(chǎn)。致性等，通常也采用模鍛方法生產(chǎn)。29(2)鍛件生產(chǎn)的應用范圍 幾乎所有運動的重大受力構件都由鍛造成形; 交通工具制造業(yè)的發(fā)展大大的推動了鍛造(尤其是模鍛)技術的發(fā)展,如:汽車和飛機制造業(yè)的發(fā)展 鍛壓零件在飛機中占85%; 汽
16、車中占60%-70%; 在農(nóng)機、拖拉機中占70%; 全世界僅鋼模鍛件的年產(chǎn)量就達數(shù)千萬噸.301.3鍛造工藝的歷史及發(fā)展（一）鍛造技術的發(fā)展簡史（一）鍛造技術的發(fā)展簡史 人類人類在新石器時代末期，已開始以錘擊天然紅銅來在新石器時代末期，已開始以錘擊天然紅銅來制造裝飾品和小用品。中國約在公元前制造裝飾品和小用品。中國約在公元前20002000多年已應用多年已應用冷鍛工藝制造工具，如甘肅武威皇娘娘臺齊家文化遺址冷鍛工藝制造工具，如甘肅武威皇娘娘臺齊家文化遺址出土的紅銅器物，就有明顯的錘擊痕跡。出土的紅銅器物，就有明顯的錘擊痕跡。 最初最初，人們靠掄錘進行鍛造，后來出現(xiàn)通過人拉繩，人們靠掄錘進行鍛造
17、，后來出現(xiàn)通過人拉繩索和滑車來提起重錘再自由落下的方法鍛打坯料。索和滑車來提起重錘再自由落下的方法鍛打坯料。1414世世紀以后出現(xiàn)了畜力和水力落錘鍛。紀以后出現(xiàn)了畜力和水力落錘鍛。 3132為鍛銅浮雕。為鍛銅浮雕。是手工鍛造作是手工鍛造作品。手工鍛造品。手工鍛造是一種古老的是一種古老的金屬加工工藝，金屬加工工藝，是以手工鍛打是以手工鍛打的方式，在金的方式，在金屬板上鍛錘出屬板上鍛錘出各種高低凹凸各種高低凹凸不平的浮雕效不平的浮雕效果。果。33 1842 1842年，英國的內(nèi)史密斯制成第一臺年，英國的內(nèi)史密斯制成第一臺蒸汽錘蒸汽錘，使鍛造進入應用使鍛造進入應用動力時代動力時代。以后陸續(xù)出現(xiàn)鍛造水
18、壓。以后陸續(xù)出現(xiàn)鍛造水壓機、電機驅(qū)動的夾板錘、空氣鍛錘和機械壓力機。機、電機驅(qū)動的夾板錘、空氣鍛錘和機械壓力機。夾板錘最早應用于美國內(nèi)戰(zhàn)夾板錘最早應用于美國內(nèi)戰(zhàn)( (1861-18651861-1865) )期間，用以期間，用以模鍛武器的零件，隨后在歐洲出現(xiàn)了模鍛武器的零件，隨后在歐洲出現(xiàn)了蒸汽模鍛錘蒸汽模鍛錘，模鍛工藝逐漸推廣。到模鍛工藝逐漸推廣。到1919世紀末已形成近代鍛壓機世紀末已形成近代鍛壓機械的基本門類。械的基本門類。 2020世紀初期，隨著汽車開始大量生產(chǎn)，世紀初期，隨著汽車開始大量生產(chǎn)，熱模鍛熱模鍛迅速發(fā)展，成為鍛造的主要工藝。迅速發(fā)展，成為鍛造的主要工藝。34l鍛壓經(jīng)過100
19、多年的發(fā)展，今天已成為一門綜合性學科。l它以塑性成形原理、金屬學、摩擦學為理論基礎，同時涉及傳熱學、物理化學、機械運動等相關學科，以鍛造、沖壓等為技術，與其它學科一起支撐機器制造業(yè)。我國的鍛造生產(chǎn)與世界先進國家的水平相比還有一定差距；表現(xiàn)在：1) 工業(yè)發(fā)達國家的模鍛件已占全部鍛件的70以上，而我國尚不足30； 2) 國外有成千條鍛造自動生產(chǎn)線，大型自由鍛造水壓機普遍配備了鍛造操作機等,而我國在這些方法還很薄弱.353)3)精精鍛技術和大型鍛件的生產(chǎn)水平與一些工業(yè)發(fā)展國家鍛技術和大型鍛件的生產(chǎn)水平與一些工業(yè)發(fā)展國家相比較低，一些航空產(chǎn)品上的精鍛件和重要的大型自由相比較低，一些航空產(chǎn)品上的精鍛件和
20、重要的大型自由鍛件還常常需從國外進口。鍛件還常常需從國外進口。4)4)在在CAD/CAMCAD/CAM方面，一些發(fā)達國家已進入實用階段，在方面，一些發(fā)達國家已進入實用階段，在這些方面，我國還剛剛起步。這些方面，我國還剛剛起步。 36（2）鍛造生產(chǎn)的發(fā)展趨勢1) 1) 總趨勢是使鍛件形狀、尺寸和表面總趨勢是使鍛件形狀、尺寸和表面質(zhì)量最大限度地與產(chǎn)品零件相接近，以質(zhì)量最大限度地與產(chǎn)品零件相接近，以達到少、無切削加工的目的，為此應逐達到少、無切削加工的目的，為此應逐步發(fā)展和完善步發(fā)展和完善精密成形新技術精密成形新技術，發(fā)展高，發(fā)展高效精密的鍛壓效精密的鍛壓設備設備; ;2) 2) 為適應大批量生產(chǎn)的
21、需要，應發(fā)展為適應大批量生產(chǎn)的需要，應發(fā)展專業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)線專業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)線，建立地區(qū)性的專，建立地區(qū)性的專門化鍛造中心，如齒輪精鍛中心、連桿門化鍛造中心，如齒輪精鍛中心、連桿鍛造中心、標準件鍛造中心等，以利于鍛造中心、標準件鍛造中心等，以利于進行技術改造及采用最新設備和先進進行技術改造及采用最新設備和先進工工藝藝. . 373) 為適應新產(chǎn)品開發(fā)，縮短研制周期，應發(fā)展柔性加工技術和CAD/CAM 技術; 鍛模的CAD/CAM的主要優(yōu)點有： 設計的速度快、準確性高，且可將設計人員從繁重的重復性勞動中解脫出來; 可以把多方面的經(jīng)驗和研究成果集中起來，方便地應用于設計加工，提高設計質(zhì)量; 可以實現(xiàn)多方案比較設計，達到優(yōu)化的目的; 提高鍛件的內(nèi)在質(zhì)量; 提高機械化、自動化水平; 發(fā)展以煤氣、油、電等為熱源的先進加熱技術，改善勞動條件.38
鍛造工藝與模具設計-緒論
