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第四章 锻压工艺

第一节 概述
质量不变工艺通常称为金属成形工艺，就是通过材料的塑性变形把材料加工成所需的几何形状。
金属成形工艺的种类较多，应用也日益广泛。本章重要介绍锻压工艺。

锻压是运用锻压设备并借助工、模具对坯料施加外力使其产生塑性变形，从而改变坯料的尺寸和
形状，并改善其内部组织和力学性能，获得所需毛坯或零件的成形加工方法。
锻压属于金属压力加工的范畴，涉及锻造和冲压，其本质都是运用金属塑性变形的原理使材料成
形的。因此，供锻压用的金属材料应一方面具有良好的塑性。如：低碳钢、铜及铜合金、铝及铝合金等
都是常用的锻压材料；而铸铁是脆性材料，不能锻压。
锻压不仅是一种材料成形的加工方法，还是一种改善材料性能的加工方法。与其他方法相比，锻
压具有以下特点：

1. 锻件组织致密、晶粒细化
通过锻压加工，铸锭中原有的粗大的柱状晶被打坏，缩孔、气孔、微裂纹等缺陷被压合，非金属
夹杂物被分散而呈规律性的流线分布。因而锻件组织致密、晶粒细化、成分均匀，金属材料的力学性
能得到显著提高。
2. 材料的运用率高
锻压重要通过坯料体积的重新分派获得所需的形状和尺寸，成形中材料的损耗小，因而采用锻压
制坯后再经切削加工获取零件比直接切削加工要节省大量的金属材料，并减少切削加工工时。
3. 难以获得形状复杂的产品
由于锻压生产是在固态下进行的，成形较困难，与铸造相比，锻压件的形状较为简朴。
锻压生产的特点使锻压在工业生产中占有举足轻重的地位，在航天、航空、汽车、机械、电器等
工业领域中得到了广泛的应用。
如：飞机上的锻压件重量约占85%，坦克上的锻压件重量占70%，大炮、枪支上的大部分零件也
都是锻制而成的。随着科学技术和社会文明的不断进步，古老的锻压工艺也在不断地改革和创新，涌
现了许多少切削、无切削的新工艺、新方法，锻件精度和表面质量越来越高，已达成甚至超过机械加
工的一般水平。
如：冷镦、冷挤压所生产的螺钉、螺母等标准件以及精密锻造的齿轮、叶片等不需要切削加工即
可直接装机使用，生产效率和材料运用率大幅提高。同时，锻压设备的高速化与自动化以及生产过程
的计算机控制有效地改善了生产环境、减轻了工人的劳动强度。所有这一切进步，都为锻压在现代材
料成形和产品制造中的应用开辟了广阔的前景。

第二节 固态材料的质量不变工艺的特点
第三节
一 金属的塑性变形
当外力作用在金属上时，金属内部要产生应力。当应力超过一定值时，会迫使原子离开本来的平
衡位置，从而改变原子间的距离，使金属发生变形，并引起原子位能升高。处在高位能的原子具有返
回到低位能平衡位置的倾向，因而当外力停止作用时，应力消失。假如此时变形也随之消失，则这种
变形称为弹性变形。但外力增大到使应力超过该金属的屈服极限后，外力停止作用时，变形并不消失，这种变形称为塑性变形。

1. 塑性变形的实质
2.
所有的金属都是晶体结构。工业上常用的金属材料都是由很多晶粒组成的多晶体。多晶体的塑性
变形的过程比较复杂，因此，在分析多晶体塑性变形的实质前，一方面分析单个晶粒或单晶体的塑性变
形实质。

（1） 单晶体的塑性变形
（2）
单晶体的塑性变形有两种方式：滑移与孪晶。其重要方式是滑移，只有当滑移过程很难进行时，
才有也许发生孪晶变形。
滑移——晶体在切应力τ的作用下，其中一部分相对另一部分沿着晶面作相对滑动。
单晶体塑性变形的过程：

Ⅰ：晶体在没有受到外力作用时，晶格内的原子处在平衡位置的状态。

Ⅱ：当晶体在外力（切应力τ）作用下，内部产生了应力。应力迫使原子离开了本来的平衡位置，改变了原子间的互相位置，产生了变形。并引起某些原子的位能增高。但处在高位能的原子具有返回
本来低位能平衡位置的倾向。当切应力τ去掉后，应力消失，变形也随之消失。这种变形就是弹性变形。
Ⅲ：当切应力τ继续增长，晶体内滑移面上的切应力τ超过屈服极限σs 时，晶体的一部分相对
另一部分发生滑移。此时的变形为弹、塑性变形。

Ⅳ：晶体发生滑移后，除去外力，晶体也不能所有回复到原始状态，滑移后的原子在新的位置上
重新平衡下来。这就产生了塑性变形。

我们在解释单晶体的塑性变形时，将每个晶格中原子的排列都看作是非常完整并且是有规律的。
但在事实上，由于种种因素（如：结晶条件、压力加工等）其局部区域原子的排列往往受到干扰和破
坏，呈现不完整性，通常将这种不完整性的原子排列称为晶体的缺陷。

晶体的缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷三种。我们要讨论的是线缺陷——位错。
位错——在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。

Ⅰ：晶体内存在着线缺陷——位错。

Ⅱ、 Ⅲ： 由于位错的存在，使部分原子处在不稳定状态，在切应力τ的作用下，处在高位能的
原子很容易地从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上。形成位错运动。

Ⅳ：位错运动到晶体表面，就实现了整个晶体的塑性变形。

（2） 多晶体的塑性变形
工业上用的金属绝大部分是多晶体。
多晶体的塑性变形与单晶体的塑性变形相比并无本质区别，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移方式
进行，但由于晶界的存在和各个晶粒的位向不同，多晶体的塑性变形可分为晶内变形和晶间变形两个
方面。（48页 图4-2）
晶内变形——晶粒内部的塑性变形。
晶间变形——晶粒与晶粒之间的移动或转动。

金属的晶粒愈细，晶界面积愈大，每个晶粒周边具有不同位向的晶粒数目也愈多，金属对塑性变
形的抗力也就愈大，强度愈高。
晶粒愈细，金属的塑性变形就会分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，
应力集中较小，因此，金属的塑性就愈好。
晶粒愈细，晶界曲折愈多，愈不利于裂纹的传播，金属的冲
击韧性也就愈高。
生产中为了保证金属具有较高的强度、塑性和韧性，一般都规定尽量获得细晶粒组织。
在低温时，晶界的强度一般比晶粒内部强度高，变形抗力大，不易变形；在高温时，晶界强度降
低，晶粒与晶粒之间容易互相移动和转动。

纵上所述：金属塑性变形的实质是：晶粒内部产生滑移，晶粒间也产生滑移和晶粒发生转动。

3. 塑性变形对金属组织和性能的影响
4.
（1） 加工硬化 （冷作硬化）
——金属材料在常温下产生塑性变形时，随着变形限度的增长，金属的强度、硬度升高，而塑性
和韧性下降的现象。

加工硬化现象在生产中具有实际意义，它可以强化金属材料，特别是对于纯金属和那些不能用热
解决强化的合金。如：奥氏体不锈钢、形变铝合金等，可用冷轧、冷挤、冷拔或冷冲压等加工方法来
提高其强度和硬度 。

产生加工硬化的因素：
1） 滑移面上晶粒破碎，晶面粗糙，滑移困难；
2） 晶格扭曲，发生畸变，增长了滑移阻力，使滑移更困难。
应用：
1） 冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧由于冷加工变形而提高其强度和弹性极限；
2） 坦克、拖拉机的履带，铁路道叉运用加工硬化提高了硬度、耐磨性。

加工硬化使金属进一步的塑性变形变得很困难，在工艺过程中安排中间退火工序，可以消除加工
硬化，恢复金属原有的塑性和韧性。
（3） 回复与再结晶
（4）
加工硬化的结果，使金属的结晶结构处在一种不稳定的状态，它具有自发地回复到稳定状态的倾
向。但是在低温下，由于原子的活动能力很弱，所以不易实现。只有提高温度，使金属原子获得动能，热运动加剧，才干促使其完毕。

① 回复
②
将变形后的金属，加热到某一个不太高的温度，由于温度升高，增大了原子的活动能力，使原子
从不稳定的位置恢复到较为稳定的位置，让原子的排列变得比较规则，使扭曲的晶格复位，内应力明
显降底，使加工硬化得到小部分消除。但晶粒的形状、大小以及强度、塑性变化不大，这一过程称为
回复。这时的温度称为回复温度。
回复温度：
T回 = ( 0.25 ~ 0.30 ) T熔

T回——金属回复的绝对温度。（ K ）
T熔——金属熔化的绝对温度。（ K ）

③ 再结晶
④
当进一步升高加热温度时，金属原子获得更多的热能，原子的扩散能力增大了，开始以一些碎晶
粒或杂质为核心，生成新的晶粒，从而消除了所有加工硬化现象和内应力，使金属的组织和力学性能、物理性能所有恢复到变形以前的状态，这一过程称为再结晶。这时的温度称为再结晶温度。

再结晶温度：

T再 = （0.35 ~ 0.4 ）T熔

T再——金属再结晶的绝对温度。（ K ）
T熔——金属熔化的绝对温度。（ K ）

在常温下通过塑性变形后的金属，假如经加热再结晶后，一般均能得到细小均匀的晶粒。但是，
当加热温度过高或加热速度太慢，则晶粒又会继续长大、变粗。金属的力学性能变差，强度、塑性、
韧性都会减少。

（3） 冷变形

——变形温度低于再结晶时，金属在变形过程中只有加工硬化而无再结晶现象，变形后的金属具
有加工硬化组织。
钢在常温下进行的冷镦、冷挤、冷轧以及冷冲压都属于冷变形。

（4） 热变形
——变形温度在再结晶温度以上。在变形过程中既产生加工硬化，又有再结晶现象，但加工硬化
被再结晶所消除。变形后的金属具有再结晶的细晶组织，而无任何硬化痕迹。
自由锻、模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形。
判断热变形和冷变形的分界线是再结晶温度。

（5） 纤维组织
（6）
金属压力加工最原始的坯料是铸锭（铸钢锭，含碳量小于0.4％）。铸锭的内部组织很不均匀，晶
粒较粗大，并存在气孔、缩孔、夹杂物等缺陷。
将钢锭加热后进行压力加工，金属通过塑性变形及再结晶，改变了粗大的铸造组织，获得细化的
再结晶组织。同时，还可以将铸钢锭中的气孔、缩孔等锻合在一起，使金属组织更加致密，其力学性
能会有很大的提高。

在金属铸锭中具有的夹杂物多分布在晶界上，有塑性夹杂物，如：硫化铁，尚有脆性夹杂物，如：氧化物。
在金属变形时，晶粒沿变形方向伸长，塑性夹杂物也随变形一起被拉长，而脆性夹杂物则被
打坏呈链状分布。通过再结晶过程，晶粒细化，而夹杂物却仍然呈条状或链状被保存下来，形成了纤维组织。
纤维组织的形成限度，重要决定于金属的变形限度。随着变形限度的增长，纤维组织愈明显。
纤维
组织的化学稳定性很高，只有通过锻压才干改变其分布方向，用热解决是不能消除或改变纤维组织的方
向和形状。
纤维组织使金属的力学性能具有明显的方向性，锻件在平行于纤维方向的塑性和韧性增长，而在
垂直于纤维方向的塑性和韧性减少。但强度在不同方向上的差别不大。

为了获得具有最佳力学性能的零件，在设计和制造零件时，必须遵守以下两点：
1. 零件在工作中产生的最大正应力（拉应力）方向与纤维方向一致，最大切应力（剪应力）方向与
纤维方向垂直。
2. 纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维不被切断。
3.

二 金属的可锻性

金属的锻造性是衡量材料在经受压力加工时，获得优质零件难易限度的一个工艺性能。
金属的锻造性好，表白该金属适合于经受压力加工成形；金属的锻造性差，表白该金属不宜选用
压力加工成形。锻造性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
金属的锻造性取决于金属的本质和加
工条件。

1. 金属的本质
（1） 化学成分的影响
△ 纯铁的锻造性比碳钢好；
△ 碳钢的锻造性比合金钢好；
△ 低合金钢的锻造性比高合金钢好。
（2） 金属组织的影响
单相组织比多相组织的塑性好，变形抗力小，即锻造性好。碳钢锻造时，希望加热到单相的奥氏
体区域。

2. 加工条件

（1） 变形温度的影响
（2）
提高金属塑性变形时的温度，是改善金属锻造性的有效措施。热变形的变形抗力通常只有冷变形
的1/15 ~ 1/10。

（2） 变形速度的影响

——变形速度指单位时间内产生的变形量。
变形速度对金属锻造性的影响是矛盾的。
一方面，由于变形速度的增长，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属表现出变形抗力
增大，塑性下降，则锻造性变差；
另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属的温度升高
（称为热效应现象）。变形速度愈大，热效应现象愈明显，当变形速度超过某一值时，使金属的变形抗
力减少，而塑性提高，锻造性变好。
但热效应现象只有在高速锤上锻造时才干体现出来，而一般的设备
无法达成如此高的变形速度。
对塑性较差的材料，如高合金钢等或大型的锻件还是应采用变形速度比较低的锻造方法好。（用压力机，不用锻锤。以防坯料锻裂。）
（3） 应力状态的影响
当采用不同的压力加工方法对金属进行加工时，所产生的应力性质是不同的。如：挤压，三向受压；
拉拔，两向受压，历来受拉。
在金属塑性变形时，应力状态中的压应力数目愈多，材料的塑性愈好；拉应力数目愈多，材料的
塑性减少。但压应力会增长金属变形时的内部摩擦，使变形抗力增大。要相应增长锻压设备的吨位。

金属的锻造性能应从塑性和变形抗力两个方面的因素进行综合衡量。而金属的塑性和变形抗力又
受金属的本质和加工条件等因素的制约。

三 金属的加热

金属在热变形的条件下，表现出较好的塑性和较小的变形抗力。加热的目的就在于提高金属的可
锻性。钢锻件常用中、高碳钢材料，使钢加热到AC3或Accm线以上时，其组织为单一的奥氏体组织，且原子动能增长，使钢的塑性增长，变形抗力减少，为钢的塑性变形发明了有利的条件。但加热温度
太高，反而使锻坯的可锻性变差，锻件质量下降，甚至导致废品。
金属的加热应控制在一定的温度范围内。

1. 加热的缺陷
2.
钢加热超过一定温度时，奥氏体晶粒会迅速长大，形成粗大晶粒，这种现象叫做过热。加热温度
越高，时间越长，过热现象越严重。过热使钢的可锻性及锻件的力学性能下降，应尽量避免。但过热
缺陷可通过多次锻造及热解决方法消除。
假如钢长时间在高温炉内的氧化介质中加热，由于炉气中的氧渗入金属内部，使晶界氧化，晶粒
之间失去联结力，这种现象叫做过烧。过烧的钢料，在锻造时会碎裂成为废品，且无法补救，在加热
时必须严加防止。

2. 加热温度范围

锻造温度——指始锻温度和终锻温度间的温度范围。

始锻温度比钢的固相线低200℃左右；
锻温度为800 ℃左右。
始锻温度过高—产生过热、过烧、脱碳、氧化。
终锻温度过低—金属的加工硬化现象严重，变形抗力也会急剧增长，使加工难以进行。如强行锻
造，将导致锻件破裂。

复习思考题（62页）

1. 什么是热变形？什么是冷变形？各有何特点？生产中如何应用？
2. 什么是加工硬化？加工硬化对工件性能及加工过程有何影响？
3. 金属在规定的合理锻造温度范围以外进行锻造，也许会出现什么问题？
4. 什么是可锻性？其影响因素有哪些？

第三节 锻造工艺

第三节 锻造工艺

锻造是运用工、模具，在冲击力或静压力的作用下，使金属材料产生塑性变形，从而得到所需形
状及尺寸的锻件的加工方法。
锻造生产的工艺方法是多种多样的，并且还在不断发展。根据所用工具的不同，目前重要有两种
工艺方法，即自由锻造和模型锻造。

一 自由锻造

运用简朴工具，或在锻造设备的上、下砧铁之间，直接使金属坯料变形而获得锻件的工艺方法，
称为自由锻。
自由锻分手工自由锻和机器自由锻。

1. 自由锻设备及工具
（1） 自由锻造的重要设备：
锤上自由锻（冲击力）
空气锤：锻造100公斤以下的小型锻件。
蒸汽—空气锤：锻造1500公斤以下的中型锻件。
水压机自由锻（静压力）
水压机：锻造300吨以下的大型锻件。

（3） 自由锻造的工具
（4）
自由锻造的工具重要有夹持工具、衬垫工具和支持工具（铁砧）等。

3. 自由锻造基本工序
4.
自由锻造的基本工序分为三大类：
基本工序（使金属产生一定限度的变形，以达成所需形状和尺寸的工艺过程）；
辅助工序（为使基本工序操作便利而进行的预先变形工序：压钳口、压棱边等）；
精整工序（用于减少锻件表面缺陷，提高锻件表面质量的工序：整形等）。
基本工序有：镦粗、拔长、冲孔、切割、扭转、弯曲等。常用的基本工序有：镦粗、拔长、冲孔。*
（1） 镦粗
（2）
——使坯料的截面增大，高度减小的工序。
用于生产盘类锻件。如：齿轮坯、圆盘等。

镦粗规则：

① 原始坯料的高度 Ho 与直径 Do 之比，应小于等于 2.5，否则会镦弯。（Ho／Do ≤ 2.5）
② 镦粗时，锤击力要重，否则会出现双鼓形。
（2） 拔长

——使坯料的截面减小，长度增长的工序。
用于生产轴类锻件。如：光轴、阶台轴、连杆等。

拔长规则：
① 坯料沿着砧铁上摩擦阻力小的方向送进。
② 每次锤打时，坯料的送进量 L0 为锤宽 C 的（0.4 ~ 0.8）倍。
③
（3） 冲孔
（4）
——用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的工序。
用于齿轮、套筒和圆环等锻件。
直径小于25mm的孔不冲。
冲通孔时：小于450mm的孔，用实心冲子；大于450mm的孔，用空心冲子。

（5） 芯轴拔长（孔不变，长度拔长）
（6）
锻造工序：镦粗——冲孔——芯轴拔长

（5） 芯轴扩孔
锻造工序：镦粗——冲孔——芯轴扩孔

二 自由锻造工艺规程的制订

自由锻造工艺规程的制订，应根据锻件的生产批量、技术条件等并结合具体的生产条件诸多因素
综合加以考虑。它涉及绘制锻件图、计算坯料的质量和尺寸、拟定锻造工序、选择锻造设备、拟定坯
料加热、锻件冷却和热解决方法。

1. 绘制锻件图

自由锻造前，一方面要绘制锻件图。锻件图是在零件图的基础上，考虑敷料、切削加工余量和锻件
公差等因素而绘制的。

2. 计算坯料的重量和尺寸

3. 拟定锻造工序
4.
（1） 盘类锻件
锻造工序：镦粗； 拔长——镦粗。
（2） 轴类锻件
锻造工序：拔长； 局部镦粗——拔长； 镦粗——拔长。
（3） 筒类锻件
锻造工序：镦粗——冲孔——芯轴拔长。

（4） 环类锻件
锻造工序：镦粗——冲孔——芯轴扩孔。
（5） 弯曲类锻件
锻造工序：拔长——弯曲。
（6） 曲轴类锻件
锻造工序：拔长——错移； 拔长——错移——扭转。
（7） 复杂类锻件
（8）

4. 选择锻造设备

根据锻件的重量、尺寸和类型选择相应的锻造设备。
如选择锻造设备的吨位过大，导致能量的浪费；如选择锻造设备的吨位过小，则会使锻件锻不透
而使锻件报废。
对于中小型锻件一般采用锻锤，对大型锻件则用水压机。

5. 拟定坯料加热、锻件冷却和热解决方法
6.
△ 加热规范：根据不同的钢种拟定锻造温度范围。

△ 加热火次：按锻件的复杂限度拟定加热的次数。

△ 冷却规范：空冷、坑冷、炉冷。

△ 热解决工艺：退火、正火。
7. 带法兰的传动轴锻造工艺过程
8.

先拔长φ53mm的台阶，再用垫环镦粗φ106mm的法兰头部，然后再拔长φ37mm的杆部。

8. 齿轮坯的自由锻工艺过程
9.

三 自由锻造锻件的结构工艺性

1. 避免锥面或斜面结构

2. 避免空间曲线结构

3. 避免带加强筋和凸台的结构

5. 添加敷料、简化锻件的形状

锻件上窄的凹槽、小孔等不易锻出的部分，可用添加敷料的方法简化锻件的形状，以便锻造。零
件的最终形状和尺寸，用切削加工获得。但增长机加工工时和材料的消耗。
5. 避免横截面有急剧变化和形状复杂的结构

四 模型锻造

模锻——将加热后的坯料放在锻模模膛内，在锻压力的作用下，迫使坯料变形，获得锻件的一种
加工方法。

坯料在变形时，金属的流动（指固态）受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。
与自由锻相比，模锻有以下优点：
1） 由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂。而自由锻需加敷料来简化外形。
2） 锻件内部的锻造流线比较完整，因此，经加工后零件具有较高的力学性能和使用寿命。

3） 锻件的尺寸精度高，表面粗糙度小，节约金属材料和切削加工工时。

4） 生产率高。金属的变形在模膛内进行，能较快地获得所需形状和尺寸的锻件，并且锻件的形状和
尺寸具有一致性。
5） 操作简朴，容易实现机械化。

6） 生产批量越大，成本越低。

模锻是整体成形，金属在流动时，与模膛之间产生很大的摩擦阻力，因此模锻的局限性：

1） 坯料在三向压应力下变形，变形抗力大，所需设备吨位大，设备费用高。

2） 锻模加工工艺复杂，制造周期长。

3） 锻模用钢价格较贵。
模锻合用于150kg以下的中小型锻件的成批或大批量生产。

模锻按使用的设备不同，可分为锤上模锻和压力机上模锻。

1. 锤上模锻
2.
锤上模锻使用的设备是蒸汽—空气锤。
与自由锻使用的设备蒸汽—空气锤相比，其工作原理相同。不同之处是结构上有两大重要改善：
一是砧座增大了近一倍，机架直接安装在砧座上，形成封闭的框架结构，提高了设备的刚度；二是导
轨加长，锤头与导轨之间的间隙减小，锤头在上下运动时的导向精度提高。这样就使上模和下模在锻
造过程中，能准确地对中，保证获得形状和尺寸精确的模锻件。

锻模结构：

飞边槽的作用：

① 增长金属从模膛中流出的阻力，促进金属充满模膛。
② 金属充满模膛后，容纳多余金属。
③
（1） 制坯模膛

对于形状复杂的模锻件，为了使金属能合理分布和很好地充满模膛，就必须要预先在制坯模膛内
制出形状基本接近模锻件的坯件。
制坯模膛又可分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、切断模膛等。

（2） 模锻模膛

模锻模膛分为预锻模膛和终锻模膛两种。

① 预锻模膛
②
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，再进行终锻时，金属容易充满终锻模
膛。有了预锻模膛先进行粗锻，减小了终锻模膛的磨损，延长了终锻模膛的使用寿命。
预锻模膛和终锻模膛的区别：预锻模膛有较大的圆角和斜度，没有飞边槽。
对于形状简朴或批量不
大的模锻件，可以不用预锻模膛。

③ 终锻模膛
④
终锻模膛的作用是使坯料最后变形到锻件所规定的形状和尺寸，因此，它的形状应和锻件的形状
相同。考虑到锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。钢件的收缩量取
1.5％。此外，沿着模膛的四周有飞边槽。对于具有通孔的锻件，由于不能靠上、下模的突起部分把
金属完全挤压掉，故终锻后，在孔内留下一层薄金属，称为冲孔连皮。

3. 胎模锻
4.
——在自由锻设备上（空气锤、蒸汽 - 空气锤、液压机），使用可移动模具（胎模）生产模锻件
的一种锻造方法。
胎模锻一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中最后成形。
和自由锻相比，胎模锻可锻造较为复杂的锻件，生产率高、成本低、质量好；和模锻相比，其设
备造价低，胎模制造简朴，但劳动强度较大，生产率低。因此，胎模锻合用于多品种，中、小型锻件
的中、小批量生产。

（1） 摔模

由上摔模和下摔模组成，用于锻件成形前的整形、摔光、校正等场合。
用摔模锻制圆料时，锻件需不断旋转，因此，合用于锻制回转体锻件，如：光轴、台阶轴等。
（2） 扣模

由上扣模和下扣模组成，或只有下扣模，而上扣模由锤头代替。
扣模既能制坯，也可成形，具有平直侧面的非回转体锻件，采用扣模锻制。
（3） 套筒模

套筒模重要用于锻造齿轮、法兰等盘类锻件。
形状简朴的套筒模只有下模，上模由锤头代替。形状比较复杂，如：双联齿轮这类具有侧凹的胎
模锻件，应选用组合筒模。

（4） 合模

合模由上模和下模两部分组成，为了保证上、下模的轴线重合，采用导柱和导套定位。把加热后
的坯料放入下模内，以导柱和导套定位，合上上模，用锤头锻打，到上、下模接触时，坯料就在模膛
内成形了。搬开上模，就可取出锻件。

复习思考题（62页）

5. 自由锻有哪些重要工序？试比较自由锻造与模锻的特点及应用范围。

第四节 板料冲压

6.

第四节 板料冲压

板料冲压是运用安装在冲床上的冲模，使板料产生分离或变形，以获得冲压件的一种高生产率的
压力加工方法。这种加工方法通常是在冷态下进行的，所以又称冷冲压。只有当金属板料的厚度超过
8 ~ 10mm时，才采用热冲压。

板料冲压的特点：

1. 应用范围广。
既可冲压金属板料（如：含碳量为0.1％的低碳钢、铜、铝及其合金等），也可冲压非金属材料
（如：胶木板、云母片、皮革等），不仅能制造小到拉线开关内的铜质弹簧片，并且能制造汽车
大梁等大型零件。
2. 可冲压形状复杂的零件，废料较少，材料运用率可达70 ~ 85％。
3.
4. 冲压件尺寸精度高，表面粗糙度小，互换性强，不需机械加工就可直接使用（如：钟表齿轮）。
5.
4. 冲压件的强度和刚性好，有助于减轻结构的重量。（如：铸铁浴缸改为搪瓷钢板浴缸）。
5.
5. 冲压操作简便，生产率高（每分钟达数百件），易于实现机械化和自动化。（对工人技术规定不高，有些简朴零件在盲人工厂也能生产，有光敏管保证安全）。
冲压件质量的优劣由冲模的精度决定的，而冲
模的制造又比较复杂，只有在大批量的生产条件下（几十万件、几百万件），这种加工方法的优越性才显得更为突出。

冲压件常用的金属材料是1 ~ 2 mm的板料，甚至更薄。从金属材料的形状来分：有板料、条料和带料。冲压生产常用的设备有冲床和剪床。剪床是把板料剪切成一定宽度的条料，以供下一步冲压工序用。
冲床的传动一般采用曲柄滑块机构，将电动机的旋转运动转变为滑块的上、下往复运动。

一 冲压基本工序

冲压生产可以进行很多工序，其基本工序有分离工序和变形工序两大类。

分离工序——使坯料的一部分与另一部分互相分离的工序。如：冲孔、落料、切断、修整等。分
离工序也称冲裁。
变形工序——使坯料的一部分相对与另一部分产生位移而不破裂的工序。如：拉深、弯曲、翻边、成型等。

1. 冲裁（落料及冲孔）
2.
——使坯料按封闭轮廓分离的工序。

落料——周边是废品，分离部分是成品。
冲孔——周边是成品，分离部分是废品。

（1） 冲裁变形过程
① 弹性变形阶段

② 塑性变形阶段
④ 断裂分离阶段
⑤
冲裁件被剪断分离后，其断裂面分为四部分：毛刺、断裂带、光亮带和塌角。其中的光亮带部分
质量最佳。
（2） 冲裁间隙

凹模和凸模刃口尺寸之差称为冲裁间隙。一般称之为模具间隙。用“Z”表达。凹、凸模间隙的大小，不仅影响冲裁件的断面质量，并且影响模具寿命、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。

① 间隙 Z 对断面质量的影响

间隙过大，撕裂现象严重，塌角、毛刺、断裂带均增大，而光亮带小，断面质量差；间隙过小，
上、下裂纹不重合，毛刺增大，断面质量差。当间隙控制在合理范围内，上、下裂纹能基本重合于一
线，断面光洁，毛刺最小或几乎没有毛刺。
② 间隙 Z 对模具寿命的影响
在冲裁过程中，凸模与被冲材料的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，间隙愈小，摩擦愈严重。
在实际生产中，间隙也不会是均匀分布的，过小的间隙对模具的使用寿命极为不利。间隙愈小，模具
寿命愈短；间隙较大，摩擦减小，模具的使用寿命延长。

③ 间隙 Z 对冲裁力的影响
间隙很小时，冲裁力较大；随着间隙增大，冲裁力减少。当间隙值合理时，冲裁力较小。这是因
为上、下裂纹重合所致。

⑤ 间隙 Z 对尺寸精度的影响
⑥
间隙较大时：落料件尺寸偏小，冲孔件尺寸偏大。间隙较小时：落料件尺寸偏大，冲孔件尺寸偏
小。

通过以上的分析，可以看出，对的选用合理的间隙对冲裁生产是至关重要的。选用时，重要考虑
冲裁件的断面质量和模具寿命两个因素。当冲裁件的断面质量规定较高时，应选取较小的间隙值；对
冲裁件的断面质量无严格规定期，应尽也许加大间隙，以提高模具的使用寿命。

合理间隙值 Z 的经验计算公式：Z＝m t

m —系数。 t — 材料厚度mm。

（3） 凸模、凹模刃口尺寸的拟定

① 设计落料模时，取凹模作设计基准，考虑磨损（凹模磨损后尺寸增大），凹模的刃口尺寸应靠近落
料件公差范围内的最小尺寸。将凹模的刃口尺寸减去间隙 Z 就是凸模的刃口尺寸。

② 设计冲孔模时，取凸模作设计基准，考虑磨损（凸模磨损后尺寸减小），凸模的刃口尺寸应靠近冲孔件公差范围内的最大尺寸。将凸模的刃口尺寸加上间隙 Z 就是凹模的刃口尺寸。
③
（4） 冲裁力
冲裁力是选用冲床吨位和检查模具强度的重要依据。

（5） 排样
排样是指落料件在板料上进行合理布置的方法，以提高材料运用率。

（6） 修整
修整是运用修整模沿冲裁件的外缘或内孔刮削一薄层金属，以切除冲裁件断面上存留的断裂带和
毛刺。从而提高冲裁件的尺寸精度和减少表面粗糙度。

2. 弯曲

——坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序。
弯曲变形的特点：
弯曲时，材料的内侧受压缩，而外侧受拉伸。当外侧拉应力超过坯料的抗拉强度
极限时，会导致金属的破裂。坯料愈厚，内侧的弯曲半径愈小，则压缩及拉伸应力愈大，愈容易弯裂。为了防止弯裂，弯曲半径不能太小。

① 弯曲的最小半径

Rmin＝（0.25 ~ 1）t
材料塑性好，则弯曲半径可小些。

② 弯曲线

弯曲时，尽也许使弯曲线与坯料的纤维方向垂直。若弯曲线与坯料的纤维方向一致，则容易产生
破裂。此时可用增大弯曲的最小半径Rmin来避免。

④ 回弹现象

在弯曲结束后，由于弹性变形的恢复，坯料略微弹回一点，使被弯曲的角度增大。此现象称为回
弹现象。一般的回弹角为0 ~ 10°因此，在设计弯曲模时，必须使模具的角度比成品件角度小一个回
弹角。以便在弯曲后，通过回弹，得到准确的弯曲角度。

3. 拉深
4.
——运用模具，使冲裁后得到的平板毛坯变形成开口空心零件的工序。

① 拉深过程

把直径为 D 的平板坯料放在凹模上，在凸模的压力作用下，板料被拉入凸模和凹模的间隙中，
形成空心零件。
拉伸件的底部一般不变形，只起传递拉力的作用，厚度基本不变。
零件的直壁由坯料外径 D 减去拉伸件直径 d 的环形部分所形成。重要受拉力作用，厚度有所变
化。上部壁厚增长18％t（板厚），底部转角处壁厚减薄9％t。

② 拉深中的废品
③
在拉深过程中，零件最容易出现的废品是拉穿和起皱。

拉深件出现拉穿现象与下列因素有关：

△ 凸、凹模的圆角半径

拉深模的工作部分不能是锋利的刃口，必须做成一定的圆角。

r凹＝10 t r凸＝（0.6 ~ 1）r凹

△ 凸、凹模的间隙

拉深模的凸、凹模之间的间隙远比冲裁模大，一般取：Z／2＝（1.1 ~ 1.2）t

拉深用的凸、凹模：
1. 有圆角半径； 2. Z＞t。
2.
落料（冲孔）用的凸、凹模：
1. 有锋利的刃口； 2. Z＝0.1t。
2.
③ 拉深系数 m

——拉深件直径 d 与坯料直径 D 的比值。
m ＝ d／D

拉深系数是衡量拉深变形限度的指标。拉深系数愈小：表白拉深件直径愈小，而变形限度愈大，
坯料被拉入凹模愈困难，因此也容易产生拉穿废品。一般情况下，拉深系数 m ＝ 0.5 ~ 0.8
假如拉深
系数太小，不能一次拉深成形时，则可采用多次拉深工艺。
多次拉深过程中，必然会产生加工硬化现象。为保证坯料具有足够的塑性，坯料通过一、二次拉
深后，应安排工序间的再结晶退火（消除加工硬化）。另一方面，在多次拉深过程中，拉深系数应一次比一
次略大些，保证拉深件质量和生产顺利进行。总拉深系数等于每次拉深系数的乘积。

④ 防止起皱

起皱是由于法兰部分（当毛坯相对厚度t／D 较小时）在切向力作用下导致的结果。

解决途径：设立压边圈；增长毛坯的相对厚度 t／D；增大拉深系数 m；控制凸、凹模间隙。

4. 成形

运用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序，用于制造增长刚度的筋或增大成品的部分内径等。
（1） 压起伏筋。

（2） 胀形

5. 翻边
——将板料的外缘或孔的边沿翻成竖立的边沿的工序。

汽车消音器零件的冲压工序：
消音器筒
口直径相差较大，根据坯料所允许的变形限度需三次拉深成形；零件底部的翻边孔径较大，只能在拉深后再冲孔，若先冲孔，则拉深难以进行。筒底和外缘都可一次翻边成形。

二 冲压模具

（一）冲模的结构组成和作用

1. 工作零件：凸模、凹模、凸凹模等。用于完毕板料的分离工序或变形工序。
2.
2. 定位零件：导料板、定位销等。控制坯料的送进方向和送进距离。
3. 卸料零件：卸料板、顶板等。每次冲压后，从模具上卸下坯料或工件。
4.
4. 导向零件：导柱、导套等。保证上模的运动精度，使上模和下模的轴线重合。

5. 基础零件：上模座、下模座、模柄等。用于模具与冲床的连接，并传递压力。
6. .
7. 紧固零件：紧固螺钉、定位销等。将模具零件总装成上模和下模。

（二）冲模的种类

1. 简朴冲模
——一次冲程只完毕一个工序的冲模。也称单工序模。

2. 连续冲模（级进模）

——一次冲程，在模具的不同部位完毕数道冲压工序的冲模。

3. 复合冲模
——一次冲程，在模具的同一部位完毕数道冲压工序的冲模。

三 冲压件的结构工艺性

在满足使用性能的条件下，为节约材料，减少模具磨损，提高生产率，减少成本和保证质量，冲
压件的结构应具有良好的工艺性能。
设计时应考虑以下因素：

1. 落料与冲孔的形状应力求简朴、对称，尽量采用圆形、矩形等规则形状，并应使在排样时将废料
减少到最小。

2. 孔与有关尺寸应满足下图规定。冲压件上应采用圆角代替尖角连接，以防应力集中而被冲裂；孔
与沟槽应尽量在变形工序前的平板坯料上冲出，以免变形。

3. 拉伸件形状应简朴对称，不要过深，以使模具制造简便、寿命长，并能减少拉深次数。
4. 零件的圆角半径应按图拟定，否则会增长拉深次数和整形工作，或产生拉裂。

5. 为简化冲压工艺，节约材料，对形状复杂的冲压件可分别冲成若干个简朴件，最后再焊成整体件，
即采用冲-焊结构。

6. 为减少组合件，可采用冲口工艺。（原结构为三件铆接或焊接）

7. 为减小冲压力和模具磨损，并节约材料，应尽量采用薄板。若局部刚性不够，可采用加筋结构。

复习思考题（62页）

8. 冲压有哪些基本工序？各工序的工艺特点是什么？