鍛造加工工藝簡介

鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸的鍛造加工方法。鍛造和沖壓同屬塑性加工性質(zhì)，統(tǒng)稱鍛壓。

　　鍛造是機(jī)械制造中常用的成形方法。通過鍛造能消除金屬的鑄態(tài)疏松、焊合孔洞，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。機(jī)械中負(fù)載高、工作條件嚴(yán)峻的重要零件，除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊接件外，多采用鍛件。

　　鍛造按坯料在加工時的溫度可分為冷鍛和熱鍛。冷鍛一般是在室溫下加工，熱鍛是在高于坯料金屬的再結(jié)晶溫度上加工。有時還將處于加熱狀態(tài)，但溫度不超過再結(jié)晶溫度時進(jìn)行的鍛造稱為溫鍛。不過這種劃分在生產(chǎn)中并不完全統(tǒng)一。

　　鋼的再結(jié)晶溫度約為460℃，但普遍采用800℃作為劃分線，高于800℃的是熱鍛；在300～800℃之間稱為溫鍛或半熱鍛。

　　鍛造按成形方法則可分為自由鍛、模鍛、冷鐓、徑向鍛造、擠壓、成形軋制、輥鍛、輾擴(kuò)等。坯料在壓力下產(chǎn)生的變形基本不受外部限制的稱自由鍛，也稱開式鍛造；其他鍛造方法的坯料變形都受到模具的限制，稱為閉模式鍛造。成形軋制、輥鍛、輾擴(kuò)等的成形工具與坯料之間有相對的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，對坯料進(jìn)行逐點、漸近的加壓和成形，故又稱為旋轉(zhuǎn)鍛造。

　　鍛造用料主要是各種成分的碳素鋼和合金鋼，其次是鋁、鎂、銅、鈦等及其合金。材料的原始狀態(tài)有棒料、鑄錠、金屬粉末和液態(tài)金屬。

　　一般的中小型鍛件都用圓形或方形棒料作為坯料。棒料的晶粒組織和機(jī)械性能均勻、良好，形狀和尺寸準(zhǔn)確，表面質(zhì)量好，便于組織批量生產(chǎn)。只要合理控制加熱溫度和變形條件，不需要大的鍛造變形就能鍛出性能優(yōu)良的鍛件。

　　鑄錠僅用于大型鍛件。鑄錠是鑄態(tài)組織，有較大的柱狀晶和疏松的中心。因此必須通過大的塑性變形，將柱狀晶破碎為細(xì)晶粒，將疏松壓實，才能獲得優(yōu)良的金屬組織和機(jī)械性能。

　　經(jīng)壓制和燒結(jié)成的粉末冶金預(yù)制坯，在熱態(tài)下經(jīng)無飛邊模鍛可制成粉末鍛件。鍛件粉末接近于一般模鍛件的密度，具有良好的機(jī)械性能，并且精度高，可減少后續(xù)的切削加工。粉末鍛件內(nèi)部組織均勻，沒有偏析，可用于制造小型齒輪等工件。但粉末的價格遠(yuǎn)高于一般棒材的價格，在生產(chǎn)中的應(yīng)用受到一定限制。

　　對澆注在模膛的液態(tài)金屬施加靜壓力，使其在壓力作用下凝固、結(jié)晶、流動、塑性變形和成形，就可獲得所需形狀和性能的模鍛件。液態(tài)金屬模鍛是介于壓鑄和模鍛間的成形方法，特別適用于一般模鍛難于成形的復(fù)雜薄壁件。

　　不同的鍛造方法有不同的流程，其中以熱模鍛的工藝流程最長，一般順序為：鍛坯下料；鍛坯加熱；輥鍛備坯；模鍛成形；切邊；中間檢驗，檢驗鍛件的尺寸和表面缺陷；鍛件熱處理，用以消除鍛造應(yīng)力，改善金屬切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矯正；檢查，一般鍛件要經(jīng)過外觀和硬度檢查，重要鍛件還要經(jīng)過化學(xué)成分分析、機(jī)械性能、殘余應(yīng)力等檢驗和無損探傷。

　　鍛壓是鍛造和沖壓的合稱，是利用鍛壓機(jī)械的錘頭、砧塊、沖頭或通過模具對坯料施加壓力，使之產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的制件的成形加工方法。

　　在鍛造加工中，坯料整體發(fā)生明顯的塑性變形，有較大量的塑性流動；在沖壓加工中，坯料主要通過改變各部位面積的空間位置而成形，其內(nèi)部不出現(xiàn)較大距離的塑性流動。鍛壓主要用于加工金屬制件，也可用于加工某些非金屬，如工程塑料、橡膠、陶瓷坯、磚坯以及復(fù)合材料的成形等。

　　鍛壓和冶金工業(yè)中的軋制、拔制等都屬于塑性加工，或稱壓力加工，但鍛壓主要用于生產(chǎn)金屬制件，而軋制、拔制等主要用于生產(chǎn)板材、帶材、管材、型材和線材等通用性金屬材料。

　　人類在新石器時代末期，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2000多年已應(yīng)用冷鍛工藝制造工具，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。商代中期用隕鐵制造武器，采用了加熱鍛造工藝。春秋后期出現(xiàn)的塊煉熟鐵，就是經(jīng)過反復(fù)加熱鍛造以擠出氧化物夾雜并成形的。

　　最初，人們靠掄錘進(jìn)行鍛造，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。14世紀(jì)以后出現(xiàn)了畜力和水力落錘鍛造。

　　1842年，英國的內(nèi)史密斯制成第一臺蒸汽錘，使鍛造進(jìn)入應(yīng)用動力的時代。以后陸續(xù)出現(xiàn)鍛造水壓機(jī)、電機(jī)驅(qū)動的夾板錘、空氣鍛錘和機(jī)械壓力機(jī)。夾板錘最早應(yīng)用于美國內(nèi)戰(zhàn)(1861～1865)期間，用以模鍛武器的零件，隨后在歐洲出現(xiàn)了蒸汽模鍛錘，模鍛工藝逐漸推廣。到19世紀(jì)末已形成近代鍛壓機(jī)械的基本門類。

　　20世紀(jì)初期，隨著汽車開始大量生產(chǎn)，熱模鍛迅速發(fā)展，成為鍛造的主要工藝。20世紀(jì)中期，熱模鍛壓力機(jī)、平鍛機(jī)和無砧鍛錘逐漸取代了普通鍛錘，提高了生產(chǎn)率，減小了振動和噪聲。隨著鍛坯少無氧化加熱技術(shù)、高精度和高壽命模具、熱擠壓，成形軋制等新鍛造工藝和鍛造操作機(jī)、機(jī)械手以及自動鍛造生產(chǎn)線的發(fā)展，鍛造生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)效果不斷提高。

　　冷鍛的出現(xiàn)先于熱鍛。早期的紅銅、金、銀薄片和硬幣都是冷鍛的。冷鍛在機(jī)械制造中的應(yīng)用到20世紀(jì)方得到推廣，冷鐓、冷擠壓、徑向鍛造、擺動輾壓等相繼發(fā)展，逐漸形成能生產(chǎn)不需切削加工的精密制件的高效鍛造工藝。

　　早期的沖壓只利用鏟、剪、沖頭、手錘、砧座等簡單工具，通過手工剪切、沖孔、鏟鑿、敲擊使金屬板材(主要是銅或銅合金板等)成形，從而制造鑼、鐃、鈸等樂器和罐類器具。隨著中、厚板材產(chǎn)量的增長和沖壓液壓機(jī)和機(jī)械壓力機(jī)的發(fā)展，沖壓加工也在19世紀(jì)中期開始機(jī)械化。

　　1905年美國開始生產(chǎn)成卷的熱連軋窄帶鋼，1926年開始生產(chǎn)寬帶鋼，以后又出現(xiàn)冷連軋帶鋼。同時，板、帶材產(chǎn)量增加，質(zhì)量提高，成本降低。結(jié)合船舶、鐵路車輛、鍋爐、容器、汽車、制罐等生產(chǎn)的發(fā)展，沖壓已成為應(yīng)用最廣泛的成形工藝之一。

　　鍛壓主要按成形方式和變形溫度進(jìn)行分類。按成形方式鍛壓可分為鍛造和沖壓兩大類；按變形溫度鍛壓可分為熱鍛壓、冷鍛壓、溫鍛壓和等溫鍛壓等。

　　熱鍛壓是在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的鍛壓。提高溫度能改善金屬的塑性，有利于提高工件的內(nèi)在質(zhì)量，使之不易開裂。高溫度還能減小金屬的變形抗力，降低所需鍛壓機(jī)械的噸位。但熱鍛壓工序多，工件精度差，表面不光潔，鍛件容易產(chǎn)生氧化、脫碳和燒損。

　　冷鍛壓是在低于金屬再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的鍛壓，通常所說的冷鍛壓多專指在常溫下的鍛壓，而將在高于常溫、但又不超過再結(jié)晶溫度下的鍛壓稱為溫鍛壓。溫鍛壓的精度較高，表面較光潔而變形抗力不大。

　　在常溫下冷鍛壓成形的工件，其形狀和尺寸精度高，表面光潔，加工工序少，便于自動化生產(chǎn)。許多冷鍛、冷沖壓件可以直接用作零件或制品，而不再需要切削加工。但冷鍛時，因金屬的塑性低，變形時易產(chǎn)生開裂，變形抗力大，需要大噸位的鍛壓機(jī)械。

　　等溫鍛壓是在整個成形過程中坯料溫度保持恒定值。等溫鍛壓是為了充分利用某些金屬在等一溫度下所具有的高塑性，或是為了獲得特定的組織和性能。等溫鍛壓需要將模具和坯料一起保持恒溫，所需費(fèi)用較高，僅用于特殊的鍛壓工藝，如超塑成形。

　　鍛壓可以改變金屬組織，提高金屬性能。鑄錠經(jīng)過熱鍛壓后，原來的鑄態(tài)疏松、孔隙、微裂等被壓實或焊合；原來的枝狀結(jié)晶被打碎，使晶粒變細(xì)；同時改變原來的碳化物偏析和不均勻分布，使組織均勻，從而獲得內(nèi)部密實、均勻、細(xì)微、綜合性能好、使用可靠的鍛件。鍛件經(jīng)熱鍛變形后，金屬是纖維組織；經(jīng)冷鍛變形后，金屬晶體呈有序性。

　　鍛壓是使金屬進(jìn)行塑性流動而制成所需形狀的工件。金屬受外力產(chǎn)生塑性流動后體積不變，而且金屬總是向阻力最小的部分流動。生產(chǎn)中，常根據(jù)這些規(guī)律控制工件形狀，實現(xiàn)鐓粗拔長、擴(kuò)孔、彎曲、拉深等變形。

　　鍛壓出的工件尺寸精確、有利于組織批量生產(chǎn)。模鍛、擠壓、沖壓等應(yīng)用模具成形的尺寸精確、穩(wěn)定?？刹捎酶咝у憠簷C(jī)械和自動鍛壓生產(chǎn)線，組織專業(yè)化大批量或大量生產(chǎn)。

　　鍛壓的生產(chǎn)過程包括成形前的鍛坯下料、鍛坯加熱和預(yù)處理；成形后工件的熱處理、清理、校正和檢驗。常用的鍛壓機(jī)械有鍛錘、液壓機(jī)和機(jī)械壓力機(jī)。鍛錘具有較大的沖擊速度，利于金屬塑性流動，但會產(chǎn)生震動；液壓機(jī)用靜力鍛造，有利于鍛透金屬和改善組織，工作平穩(wěn)，但生產(chǎn)率低；機(jī)械壓力機(jī)行程固定，易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化。

　　未來鍛壓工藝將向提高鍛壓件的內(nèi)在質(zhì)量、發(fā)展精密鍛造和精密沖壓技術(shù)、研制生產(chǎn)率和自動化程度更高的鍛壓設(shè)備和鍛壓生產(chǎn)線、發(fā)展柔性鍛壓成形系統(tǒng)、發(fā)展新型鍛壓材料和鍛壓加工方法等方面發(fā)展。

　　提高鍛壓件的內(nèi)在質(zhì)量，主要是提高它們的機(jī)械性能(強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度)和可靠度。這需要更好地應(yīng)用金屬塑性變形理論；應(yīng)用內(nèi)在質(zhì)量更好的材料；正確進(jìn)行鍛前加熱和鍛造熱處理；更嚴(yán)格和更廣泛地對鍛壓件進(jìn)行無損探傷。

　　少、無切削加工是機(jī)械工業(yè)提高材料利用率、提高勞動生產(chǎn)率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。鍛坯少、無氧化加熱，以及高硬、耐磨、長壽模具材料和表面處理方法的發(fā)展，將有利于精密鍛造、精密沖壓的擴(kuò)大應(yīng)用。