鍛造

鍛造

鍛造是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力,使其產生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法,鍛壓(鍛造與衝壓)的兩大組成部分之一。通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產生的鑄態疏鬆等缺陷,最佳化微觀組織結構,同時由於保存了完整的金屬流線,鍛件的機械性能一般優於同樣材料的鑄件。相關機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件,除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊接件外,多採用鍛件。

基本介绍

  • 中文名:鍛造
  • 外文名:Forging
  • 加工特點:塑性變形
  • 套用學科:機械工程、鍛壓、鍛造
變形溫度,鍛造類別,鍛模,滑塊,鍛造用材,分類,工藝流程,鍛件特點,鍛造操作,危險因素,注意事項,水平分析,重要性,

變形溫度

鋼的開始再結晶溫度約為727℃,但普遍採用800℃作為劃分線,高於800℃的是熱鍛;在300~800℃之間稱為溫鍛或半熱鍛,在室溫下進行鍛造的稱為冷鍛。
無錫透平葉片最大打擊力3.55萬噸螺旋壓力機無錫透平葉片最大打擊力3.55萬噸螺旋壓力機
用於大多數行業的鍛件都是熱鍛,溫鍛和冷鍛主要用於汽車、通用機械等零件的鍛造,溫鍛和冷鍛可以有效的節材。

鍛造類別

上面提到,根據鍛造溫度,可以分為熱鍛、溫鍛和冷鍛。
根據成形機理,鍛造可分為自由鍛模鍛、碾環、特殊鍛造。
1、自由鍛。指用簡單的通用性工具,或在鍛造設備的上、下砧鐵之間直接對坯料施加外力,使坯料產生變形而獲得所需的幾何形狀及內部質量的鍛件的加工方法。 採用自由鍛方法生產的鍛件稱為 自由鍛件。自由鍛都是以生產批量不大的鍛件為主,採用鍛錘、液壓機等鍛造設備對坯料進行成形加工,獲得合格鍛件。 自由鍛的基本工序包括鐓粗、拔長、沖孔、切割、彎曲、扭轉、錯移及鍛接等。自由鍛採取的都是熱鍛方式。
三峽升船機螺母柱毛坯三峽升船機螺母柱毛坯
2、模鍛。模鍛又分為開式模鍛和閉式模鍛.金屬坯料在具有一定形狀的鍛模膛內受壓變形而獲得鍛件,模鍛一般用於生產重量不大、批量較大的零件。
模鍛可分為熱模鍛、溫鍛和冷鍛。溫鍛和冷鍛是模鍛的未來發展方向,也代表了鍛造技術水平的高低。
按照材料分,模鍛還可分為黑色金屬模鍛、有色金屬模鍛和粉末製品成形。顧名思義,就是材料分別是碳鋼等黑色金屬、銅鋁等有色金屬和粉末冶金材料。
擠壓應歸屬於模鍛,可以分為重金屬擠壓和輕金屬擠壓。
兗礦集團150MN擠壓生產線,世界最大兗礦集團150MN擠壓生產線,世界最大
閉式模鍛和閉式鐓鍛屬於模鍛的兩種先進工藝,由於沒有飛邊,材料的利用率就高。用一道工序或幾道工序就可能完成複雜鍛件的精加工。由於沒有飛邊,鍛件的受力面積就減少,所需要的荷載也減少。但是,應注意不能使坯料完全受到限制,為此要嚴格控制坯料的體積,控制鍛模的相對位置和對鍛件進行測量,努力減少鍛模的磨損
3、碾環。碾環是指通過專用設備碾環機生產不同直徑的環形零件,也用來生產汽車輪轂、火車車輪等輪形零件。
4、特種鍛造。特種鍛造包括輥鍛、楔橫軋、徑向鍛造、液態模鍛等鍛造方式,這些方式都比較適用於生產某些特殊形狀的零件。
例如,輥鍛可以作為有效的預成形工藝,大幅降低後續的成形壓力;楔橫軋可以生產鋼球、傳動軸等零件;徑向鍛造則可以生產大型的炮筒、台階軸等鍛件。

鍛模

根據鍛模的運動方式,鍛造又可分為擺輾、擺旋鍛、輥鍛、楔橫軋、輾環和斜軋等方式。擺輾、擺旋鍛和輾環也可用精鍛加工。為了提高材料的利用率,輥鍛和橫軋可用作細長材料的前道工序加工。與自由鍛一樣的旋轉鍛造也是局部成形的,它的優點是與鍛件尺寸相比,鍛造力較小情況下也可實現形成。包括自由鍛在內的這種鍛造方式,加工時材料從模具面附近向自由表面擴展,因此,很難保證精度,所以,將鍛模的運動方向和旋鍛工序用計算機控制,就可用較低的鍛造力獲得形狀複雜、精度高的產品,例如生產品種多、尺寸大的汽輪機葉片等鍛件。
我國首台400MN(4萬噸)重型航空模鍛液壓機我國首台400MN(4萬噸)重型航空模鍛液壓機
鍛造設備的模具運動與自由度是不一致的,根據下死點變形限制特點,鍛造設備可分為下述四種形式:
1、限制鍛造力形式:油壓直接驅動滑塊的油壓機。
2、準衝程限制方式:油壓驅動曲柄連桿機構的油壓機。
3、衝程限制方式:曲柄、連桿和楔機構驅動滑塊的機械式壓力機
4、能量限制方式:利用螺旋機構的螺旋和磨擦壓力機。
重型航空模鍛液壓機進行熱試重型航空模鍛液壓機進行熱試
為了獲得高的精度應注意防止下死點處過載,控制速度和模具位置。因為這些都會對鍛件公差、形狀精度和鍛模壽命有影響。另外,為了保持精度,還應注意調整滑塊導軌間隙、保證剛度,調整下死點和利用補助傳動裝置等措施。

滑塊

還有滑塊垂直和水平運動(用於細長件的鍛造、潤滑冷卻和高速生產的零件鍛造)方式之分,利用補償裝置可以增加其它方向的運動。上述方式不同,所需的鍛造力、工序、材料的利用率、產量、尺寸公差和潤滑冷卻方式都不一樣,這些因素也是影響自動化水平的因素。
順利鍛造出首個大型盤類件產品順利鍛造出首個大型盤類件產品

鍛造用材

鍛造用料主要是各種成分的碳素鋼合金鋼,其次是、鎂、銅、鈦等及其合金。材料的原始狀態有棒料、鑄錠、金屬粉末和液態金屬。 金屬在變形前的橫斷面積與變形後的橫斷面積之比稱為鍛造比。正確地選擇鍛造比、合理的加熱溫度及保溫時間、合理的始鍛溫度終鍛溫度、合理的變形量及變形速度對提高產品質量、降低成本有很大關係。
鍛造
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械性能均勻、良好,形狀和尺寸準確,表面質量好,便於組織批量生產。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良的鍛件。
鑄錠僅用於大型鍛件。鑄錠是鑄態組織,有較大的柱狀晶和疏鬆的中心。因此必須通過大的塑性變形,將柱狀晶破碎為細晶粒,將疏鬆壓實,才能獲得優良的金屬組織和機械性能
經壓制和燒結成的粉末冶金預製坯,在熱態下經無飛邊模鍛可製成粉末鍛件。鍛件粉末接近於一般模鍛件的密度,具有良好的機械性能,並且精度高,可減少後續的切削加工。粉末鍛件內部組織均勻,沒有偏析,可用於製造小型齒輪等工件。但粉末的價格遠高於一般棒材的價格,在生產中的套用受到一定限制。
對澆注在模膛的液態金屬施加靜壓力,使其在壓力作用下凝固、結晶、流動、塑性變形和成形,就可獲得所需形狀和性能的模鍛件。液態金屬模鍛是介於壓鑄和模鍛間的成形方法,特別適用於一般模鍛難於成形的複雜薄壁件。
鍛造用料除了通常的材料,如各種成分的碳素鋼合金鋼,其次是鋁、鎂、銅、鈦等及其合金之外,鐵基高溫合金,鎳基高溫合金,鈷基高溫合金的變形合金也採用鍛造或軋制方式完成,只是這些合金由於其塑性區相對較窄,所以鍛造難度會相對較大,不同材料的加熱溫度,開鍛溫度與終鍛溫度都有嚴格的要求。

分類

1、飛機鍛件
2、柴油機鍛件
3、船用鍛件
4、兵器鍛件
5、礦山鍛件
6、核電鍛件
7、石油化工鍛件

工藝流程

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;沖孔;矯正;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,一般鍛件要經過外觀和硬度檢查,重要鍛件還要經過化學成分分析、機械性能、殘餘應力等檢驗和無損探傷。

鍛件特點

鑄件相比,金屬經過鍛造加工後能改善其組織結構和力學性能。鑄造組織經過鍛造方法熱加工變形後由於金屬的變形和再結晶,使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變為晶粒較細、大小均勻的等軸再結晶組織,使鋼錠內原有的偏析、疏鬆、氣孔、夾渣等壓實和焊合,其組織變得更加緊密,提高了金屬的塑性和力學性能。
鑄件的力學性能低於同材質的鍛件力學性能。此外,鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續性,使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致,金屬流線完整,可保證零件具有良好的力學性能與長的使用壽命採用精密模鍛、冷擠壓、溫擠壓等工藝生產的鍛件,都是鑄件所無法比擬的
鍛件是金屬被施加壓力,通過塑性變形塑造要求的形狀或合適的壓縮力的物件。這種力量典型的通過使用鐵錘或壓力來實現。鍛件過程建造了精緻的顆粒結構,並改進了金屬的物理屬性。在零部件的現實使用中,一個正確的設計能使顆粒流在主壓力的方向。鑄件是用各種鑄造方法獲得的金屬成型物件,即把冶煉好的液態金屬,用澆注壓射、吸入或其它澆鑄方法注入預先準備好的鑄型中,冷卻後經落砂、清理和後處理等,所得到的具有一定形狀,尺寸和性能的物件。

鍛造操作

“巨型重載鍛造操作裝備”研製成功並通過了專家驗收,填補了我國在大型鍛造操作機技術設備領域的空白。
該項目屬於國家863計畫先進制造領域課題,由中國第一重型機械股份公司承擔。通過苦攻關,已經成功研製出國內首台4000KNM鍛造操作機,並擁有完全自主智慧財產權。該4000KNM鍛造操作機一次熱試成功並已投入大鍛件生產,完成了11類30餘種鍛件的精準鍛造。
我國在大型鍛造操作機技術領域,長期被國外壟斷,我國亟需有自主智慧財產權的巨型重載鍛造操作裝備。4000KNM鍛造操作機的成功研製將大大提升我國大型鍛件產品的製造質量、環保性,能夠顯著降低成本和縮短周期。是我國大型鑄鍛行業大型鍛造能力技術改造和技術升級的重要標誌,今後將會在核電、造船、航空航天等多個領域發揮重要作用。

危險因素

鍛造生產危險因素及主要原因
一、在鍛造生產中,易發生的外傷事故,按其原因可分為三種:
第一、 機械傷——由機器、工具或工件直接造成的刮傷、碰傷;
第二、燙傷;
第三、 電觸傷。
二、從安全技術勞動保護的角度來看,鍛造車間的特點是:
1. 鍛造生產是在金屬灼熱的狀態下進行的(如低碳鋼鍛造溫度範圍在1250~750℃之間),由於有大量的手工勞動,稍不小心就可能發生灼傷。
2. 鍛造車間裡的加熱爐和灼熱的鋼錠、毛坯及鍛件不斷地發散出大量的輻射熱(鍛件在鍛壓終了時,仍然具有相當高的溫度),工人經常受到熱輻射的侵害。
3. 鍛造車間的加熱爐在燃燒過程中產生的煙塵排入車間的空氣中,不但影響衛生,還降低了車間內的能見度(對於燃燒固體燃料的加熱爐,情況就更為嚴重),因而也可能會引起工傷事故。
4. 鍛造生產所使用的設備如空氣錘、蒸汽錘、摩擦壓力機等,工作時發出的都是衝擊力。設備在承受這種衝擊載荷時,本身容易突然損壞(如鍛錘活塞桿的突然折斷),而造成嚴重的傷害事故。
壓力機(如水壓機、曲柄熱模鍛壓力機、平鍛機、精壓機)剪床等,在工作時,衝擊性雖然較小,但設備的突然損壞等情況也時有發生,操作者往往猝不及防,也有可能導致工傷事故。
5. 鍛造設備在工作中的作用力是很大的,如曲柄壓力機、拉伸鍛壓機和水壓機這類鍛壓設備,它們的工作條件雖較平穩,但其工作部件所發生的力量卻是很大的,如我國已製造和使用了12000t的鍛造水壓機。就是常見的100~150t的壓力機,所發出的力量已是夠大的了。如果模子安裝或操作時稍有不正確,大部分的作用力就不是作用在工件上,而是作用在模子、工具或設備本身的部件上了。這樣,某種安裝調整上的錯誤或工具操作的不當,就可能引起機件的損壞以及其他嚴重的設備或人身事故。
6. 鍛工的工具和輔助工具,特別是手鍛和自由鍛的工具、夾鉗等名目繁多,這些工具都是一起放在工作地點的。在工作中,工具的更換非常頻繁,存放往往又是雜亂的,這就必然增加對這些工具檢查的困難,當鍛造中需用某一工具而時常又不能迅速找到時,有時會“湊合”使用類似的工具,為此往往會造成工傷事故。
7. 由於鍛造車間設備在運行中發生的噪聲和震動,使工作地點嘈雜不堪入耳,影響人的聽覺和神經系統,分散了注意力,因而增加了發生事故的可能性。
三、 鍛造車間工傷事故的原因分析
1. 需要防護的地區、設備缺乏防護裝置和安全裝置。
2. 設備上的防護裝置不完善,或未使用。
3. 生產設備本身有缺陷或毛病。
4. 設備或工具損壞及工作條件不適當。
5. 鍛模和鐵砧有毛病。
6. 工作場地組織和管理上的混亂。
7. 工藝操作方法及修理的輔助工作做得不適當。
8. 個人防護用具如防護眼鏡有毛病,工作服和工作鞋不符合工作條件。
9. 幾個人共同進行一項作業時,互相配合不協調。
10. 缺乏技術教育和安全知識,以致採用了不正確的步驟和方法。

注意事項

鍛造過程應注意的地方
1.鍛造加工過程包括:將材料切割成所需尺寸、加熱、鍛造、熱處理、清理和檢驗。在小型人工鍛造中,所有這些操作都由數名鍛工上手和下手在狹小場所內進行。暴露於相同的有害環境和職業性危害中;在大型鍛造車間,危害隨工作崗位的不同而各異。
工作條件 儘管工作條件因鍛造形式不同而各異,但具有某些共同特點:中等強度的體力勞動,乾熱的小氣候環境,產生噪聲和振動,空氣受煙霧污染。
2.工人們同時暴露於高溫空氣和熱輻射下,導致熱量在體內積累,熱量加上代謝的熱量,會造成散熱失調和病理變化。8小時勞動的排汗量將隨小氣體環境、體力消耗以及熱適應性程度的不同而異一般在1.5~5升之間,或甚至更高。在較小鍛造車間或離熱源較遠處,貝哈二氏熱應激指數通常為55~95;但在大型鍛造車間,靠近加熱爐或落錘機的工作點可能高達150~190。易引起缺鹽和熱痙攣。在寒冷季節,暴露於小氣候環境的變化中可能在一定程度上促進其適應性,但迅速而過於頻繁的變化,可能構成對健康的危害。
大氣污染:作場所的空氣中可能含有煙塵、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫,或者還含有丙烯醛,其濃度取決於加熱爐燃料的種類和所含雜質,以及燃燒效率、氣流和通風狀況。
噪聲和振動:型鍛錘必然會產生低頻率噪聲和振動,但也可能有一定的高頻成分,其聲壓級在95~115分貝之間。工作人員暴露於鍛造振動中,可能造成氣質性和功能性失調,會降低工作能力和影響安全。

水平分析

中國鍛造行業是在引進、消化、吸收國外技術的基礎上發展起來的,經過多年的技術發展與改造,行業中領先企業的技術水平,包括工藝設計、鍛造技術、熱處理技術、機加工技術、產品檢測等方面均有了較大提高。
(1)工藝設計
先進廠家普遍採用了熱加工計算機模擬技術、計算機輔助工藝設計以及虛技術, 提高了工藝設計水平和產品製造能力。引入並套用DATAFOR、GEMARC/AUTOFORGE、DEFORM、LARSTRAN/SHAPE和THERMOCAL等模擬程式,實現計算機設計和熱加工的過程控制。
(2)鍛造技術
40MN及以上的水壓機多數配備了100-400t.m主鍛造操作機和20-40t.m的輔助操作機,相當數量的操作機採用計算機控制,實現了鍛件鍛造過程的綜合控制,使鍛造精度可控制在±3mm,鍛件的線上測量採用雷射尺寸測量裝置。
(3)熱處理技術
重點在於提高產品質量、提高熱處理效率以及節約能源、保護環境等。如採用計算機控制加熱爐和熱處理爐的加熱過程,控制燒嘴實現自動調節燃燒、調節爐溫、自動點火及加熱參數管理;餘熱利用、熱處理爐配備再生燃燒室等;採用具有低污染能力和能夠有效控制冷卻的聚合物淬火油槽,各種水性淬火介質逐漸取代傳統的淬火油等。
(4)機加工技術
行業內數控工具機的比例逐步提高,部分行業內企業設有加工中心,根據不同類型的產品配備了專有的加工機械,如五坐標加工中心、葉片加工機、軋輥磨、軋輥車床等。
(5)質量保障措施
國內部分企業已配備最新的檢測儀表和測試技術,採用計算機控制數據處理的現代自動化超音波探傷檢測系統,採用各種專用的自動超音波探傷系統,完成各種質量體系的認證等。高速重載齒輪鍛件產品的關鍵生產技術不斷被攻克,並在此基礎上實現了產業化生產。在引進國外先進生產技術和關鍵設備的基礎上,中國已能自己設計和製造高速重載齒輪鍛件的生產裝備,這些裝備已接近國際先進水平,技術和裝備水平的提升有力的促進了國內鍛造行業的發展。

重要性

鍛造生產是機械製造工業中提供機械零件毛坯的主要加工方法之一。通過鍛造,不僅可以得到機械零件的形狀,而且能改善金屬內部組織,提高金屬的機械性能和物理性能。一般對受力大、要求高的重要機械零件,大多採用鍛造生產方法製造。如汽輪發電機軸、轉子、葉輪、葉片、護環、大型水壓機立柱、高壓缸、軋鋼機軋輥、內燃機曲軸、連桿、齒輪、軸承、以及國防工業方面的火炮等重要零件,均採用鍛造生產。
因此,鍛造生產廣泛的套用於冶金、礦山、汽車、拖拉機、收穫機械、石油、化工、航空、航天、兵器等工業部門,就是在日常生活中,鍛造生產亦具有重要位置。
從某種意義上說,鍛件的年產量,模鍛件在鍛件總產量中所占的比例,以及鍛造設備大小和擁有量等指標,在一定程度上反映了一個國家的工業水平。

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