金属材料的塑性成形
1 概述
金属材料的塑性成形又称金属压力加工，它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。
金属材料固态成形的基本条件：一是成形的金属必须具备可塑性；二是外力的作用。
一、金属塑性成形的方法：
（1）轧制 将金属材料通过轧机上两上相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材的加工方法。如图所示：压机开坯、轧板、轧圆钢等。
图2.1 轧制
（2）挤压 将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法。
图2.2 挤压
（3）拉拔 将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、其断面与模孔相同的加工方法。
图2.3 拉拔
（4）自由锻造 将加热后的金属坯料置于上下砧铁之间受冲击力或压力而变形的加工方法。
图2.4 自由锻造
（5）模型锻造（模锻） 将加热后的金属坯料置于具有一定形状的锻造模具模膛内，金属毛坯受冲击力或压力的作用而变形的加工方法。
图2.5 模锻
（6）板料冲压 金属板料在冲压模之间受压产生分离或变形而形成产品的加工方法。
图2.6 板料冲压
按金属固态成形时的温度，其成形过程分为两大类：
（1）冷变形过程 金属在塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。
冷变形的特征——金属变形后产生加工硬化。
（2）热变形过程 金属在塑性变形时的温度高于该金属的再结晶温度。
热变形的特征 —— 金属变形后会再结晶，塑性好，消除内部缺陷，产生纤维组织。
金属塑性加工的特点：
（1）材料利用率高
（2）生产效率高
（3）产品质量高，性能好，缺陷少。
（4）加工精度和成形极限有限。
（5）模具、设备费用高。
利用金属固态塑性成形过程可获得强度高、性能好的产品，生产率高、材料消耗少。但该方法投资大，能耗大，成形件的形状和大小受到一定限制。
二、金属塑性成形过程的理论基础
1、金属塑性变形的能力
金属塑性变形的实质——金属塑性变形是金属晶体每个晶粒内部的变形（晶内变形）和晶粒间的相对移动、晶粒的转动（晶界变形）的综合结果。
金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得毛坯或零件的难易程度。
可锻性用金属的塑性指标 （延伸系数δ和断面减缩率Ψ ）和变形抗力来综合衡量。
影响金属塑性的因素：
（1）金属本身的性质 —— 纯金属塑性优于合金；铁、铝、铜、镍、金、银塑性好；金属内部为单相组织塑性好；晶粒均匀细小塑性好。
（2）变形的加工条件
1）变形温度↑ ，塑性↑；
2）变形速度的影响；
3）压状态为三向压应力时塑性最好。
图2.7 低碳钢力学性能与温度变化
图2.8 变形速度对塑性及变形抗力的影响
2、金属塑性变形的基本规律
（1）体积不变定理
金属固态成形加工中金属变形后的体积等于变形前的体积。
根据体积不变定律，在金属塑性变形的每一工序中，坯料一个方向尺寸减少，必然在其他方向尺寸有所增加，在确定各中间工序尺寸变化时非常方便。
（2）最小阻力定律
金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动。
一般来说，金属内某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向就是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线的方向。应用最小阻力定律可以事先判定锻造时金属截面的变化。
2 金属的锻造
锻造是塑性加工的重要分支。它是利用材料的可塑性，借助外力的作用产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。锻造属于二次塑性加工，变形方式为体积成形。
锻造的分类：
锻造分为自由锻造和模锻两大类。
锻造材料：
锻造用材料涉及面很宽，既有多种牌号的钢及高温合金，又有铝、镁、钛、铜等有色金属；既有经过一次加工成不同尺寸的棒材和型材，又有多种规格的锭料。
锻造前的准备：
1．算料与下料
算料与下料是提高材料利用率，实现毛坯精化的重要环节之一。过多材料不仅造成浪费，而且加剧模膛磨损和能量消耗。下料若不稍留余量，将增加工艺调整的难度，增加废品率。此外，下料端面质量对工艺和锻件质量也有影响。
2．金属加热
加热目的 锻造和模锻前金属的加热目的是：提高金属的塑性，降低变形抗力，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。因此金属加热是热锻生产中不可缺少的重要工序之一。
金属锻造温度范围的确定 锻造温度范围时至始锻温度和终缎温度间的一段温度间隔。始锻温度主要受到过热和过烧的限制，它一般应低于熔点100～200℃。
对于碳钢，由状态图可看出，始锻温度应该随含碳量的增加而降低。对于合金钢，通常始锻温度随含碳量的增加降低得更多。
钢锭由于液态凝固时得到的原始组织比较稳定，过热的倾向小，因此钢锭的始锻温度可比同种钢的钢坯和钢材高20～50℃。
终锻温度主要应保证在结束锻造之前金属还具有足够的塑性以及锻件在锻后获得再结晶组织。但过高的锻造温度也会使锻件在冷却过程中晶粒继续长大，因而降低了力学性能，尤其是冲击韧度。
一、自由锻造
只用简单的通用工具，或在锻造设备的上、下铁砧间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需几何形状及内部质量的锻件的加工方法，称为自由锻造。
（一）自由锻造的基本工序
1．镦粗 使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序叫做镦粗，在坯料上某一部分进行的镦粗叫做局部镦粗。
镦粗用于由横断面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小的锻件。例如：冲孔前增大毛坯横断面积和平整毛坯端面；提高下一步拔长时的锻造比；提高锻件的力学性能和减少力学性能的异向性等。反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布。
镦粗时的注意事项：
1）为防止镦粗时产生纵向弯曲，圆柱体毛坯高度与直径之比不应超过2.5～3，在2～
2.2的范围内更好。对于平行六面体毛坯，其高度与较小的基边之比应小于3.5～4。
镦粗前毛坯端面应平整，并与轴心线垂直。
镦粗前毛坯加热温度应均匀，镦粗时要把毛坯围绕着它的轴心线不停的转动，毛坯发生弯曲时必须立即校正。
2）镦粗较高的毛坯（H/D≈3）时，常常先要产生双鼓形（图2.9），上部和下不变形大，中部变形小。毛坯更高（H/D＞3）时，镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴线不垂直，或毛坯有初弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时更易产生弯曲。弯曲了的毛坯如不及时校正而继续镦粗则要产生折迭。
图2.9 高毛坯镦粗时形成双鼓形
2．拔长 使毛坯横断面积减小而长度增加的工序叫拔长。有矩形断面毛坯的拔长和圆断面毛坯的拔长。拔长的主要问题是生产率和质量，主要的工艺参数时送进量（l ）和压下量(Δh) ，如图所示。
图2.10 拔长
1）矩形断面毛坯的拔长
矩形断面毛坯拔长时，送进量和压下量对质量的影响是很大的。送进量(l/h)过大时易产生外部横向裂纹、交裂和对角线裂纹。但当送进量过小，如l/h=0.25时，上部和下部变形大，中部变形小，变形主要集中在上、下部分，中间部分锻不透，而且轴心部分沿轴向受附加拉应力，在拔长锭料和大截面的低塑性坯料时，易产生内部横向裂纹。综上所述，可以看出送进量过大和过小都是不好的，因此，正确的选择送进量极为重要。根据试验和生产实践，一般认为l/h=0.5～0.8虽然较为合适，但由于工具摩擦和两端不变形部分的影响，一次压缩后沿轴向的变形分布仍然是不均匀的。为了获得较为均匀的变形，使锻件和锻后的组织和性能均匀，在拔长操作使，应使前后各遍压缩时的进料位置相互错开。
2）圆断面毛坯的拔长
用平砧拔长圆断面毛坯时，若压下量较小，则接触面积较窄较长，金属多作横向流动，不仅生产效率低，而且常易在锻件内部产生纵向裂纹，如图所示。
图2.11 平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯
图2.12 平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯时产生的纵裂
拔长圆断面毛坯通常采用下述两种方法：
（1）在平砧上拔长时先将圆断面毛坯压成矩形断面，再将矩形断面毛坯拔长到一定尺寸，然后再压成八角形，最后锻成圆形，其主要变形阶段是矩形断面毛坯在平砧上拔长
（2）在型砧（或摔子）内进行拔长，利用工具的侧面压力限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。与平砧比可提高拔长生产效率20%～40%。在型砧内（或摔子内）拔长似的应力状态，也能防止内部纵向裂纹产生。拔长用型砧有圆型砧和V 形砧两类，如图所示。
图2.13 型砧拔长圆断面毛坯
3．芯轴拔长
芯轴拔长是一种减小空心毛坯外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序，用于锻制长筒类锻件，如图所示。
图2.14 用芯轴拔长
4．冲孔 在坯料中冲出透孔或不透孔的锻造工序叫做冲孔。
（二）自由锻造工艺过程的制定
制定自由锻工艺过程的主要内容是：
1）根据零件图作出锻件图；
2）确定毛坯的重量和尺寸；
3）决定变形工艺和工具；
4）选择设备；
5）确定火次、锻造温度范围、加热和冷却规范；
6）确定热处理规范；
7）对锻件提出技术要求和检验要求；
8）编制工时定额。
1．锻件图的绘制
锻件图是根据零件图绘制的，在零件图的基础上考虑余块、机械加工余量和锻造公差三个因素而形成的。
锻件图上的锻件形状用粗实线描绘。为了便于了解零件的形状和检查锻造后的实际余量，在锻件图上用假象线（一线两点的点画线）或细实线画出零件的简单形状。锻件的公称尺寸和公差注在尺寸线上面，而机械加工后的零件工称尺寸注在尺寸线下面的括号内，加放余块的部分在尺寸线之间的括号内注上零件尺寸。在锻件图上还应注明锻件的总长和各部分的长度。
2 确定毛坯的重量和尺寸
1）毛坯重量的计算
锻制锻件所需毛坯重量为锻件重量与锻造时金属损耗的重量之和，计算重量的公式如下：
G 毛坯=G锻件+G切头+G烧损
式中 G 毛坯——所需原毛坯重量；
G 锻件——锻件的重量；
G 切头——锻造过程中切掉的料头等的重量；
G 烧损——烧损的重量。
当用钢锭作原毛坯时，上式中还应加上冒口重量G 冒口和底部重量G 底部。
锻件重量G 锻件根据锻件图决定。对于复杂形状的锻件，一般先将锻件分成形状简单的几个单元体，然后按公称尺寸计算每个单元体的体积，G 锻件可按下式求得：
G 锻件=γ（V 1+V2+„+Vn ）
式中 γ——金属的密度；
V 1、V 2、„V n ——各单元体体积。
2）毛坯尺寸的确定
毛坯尺寸的确定与所采用的第一个基本工序（镦粗或拔长）有关，所采用的工序不同，确定的方法也不一样。
（1）采用镦粗法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定
对于钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度H 不超过其直径D （或方形边长A ）的2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度H 不应小于1.25D （或A ），即
1.25D （A ）≤H ≤2.5D （A ）
对圆毛坯：
D=（0.8～1）
对方毛坯：
A=（0.75～0.9）坯
初步确定了D （或A ）之后，应根据国家标准选用直径或边长。最后根据毛坯体积V 坯和毛坯的截面积F 坯，即可求得毛坯的高度（或长度）。
H=V坯/F坯
（2）采用拔长法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定
对于钢坯，拔长时所用截面F 坯的大小应保证能够得到所要求的锻造比，即
F 坯≥YF 锻
式中 Y ——锻造比；
F 锻——锻件的最大横截面积。
按上式求出的钢坯的最小横截面积，并可进一步求出钢坯的直径（或边长）。最后，根据毛坯体积和确定的毛坯截面积求出钢坯的长度L 坯
L 坯=V坯/F坯
制定自由锻加工工艺规程举例
例1 齿轮零件自由锻造工艺
如图所示，该零件选择材料为45号钢，生产件数为30件，由于生产批量小，采用自由锻加工工艺锻制齿轮坯，其锻造工艺规程介绍如下。 坯
图2.15 齿轮
① 绘制锻件图 要求锻出齿轮零件图上的齿形和圆周上的狭窄凹槽，在技术上是不可能的，应加上余块，简化锻件外形。
根据《圆环类自由锻件机械加工余量和公差（JB4249.6—86）》查得：锻件水平方向的双边余量和公差为a=(12±5)mm ，锻件高度方向的双边余量和公差为b=(10±4)mm ，内孔的双边余量和公差为b=(14±6)mm ，由此绘出齿轮锻件图，如图所示。
图2.16 齿轮锻件图
② 确定齿轮变形工序及中间坯料尺寸 根据齿轮锻件图求出D=301mm，凸肩部分D 肩=301mm，d=131mm，H=62mm，凸肩部分高度H 凸=34mm，于是得到D 肩/d=2.29(1.63)，H/d=0.47，齿轮的变形工序可选为镦粗——拔长 ——扩孔。
A 、镦粗 由于齿轮锻件带有单面凸肩，须采用垫环镦粗，由此确定垫环尺寸，齿轮的锻造工艺过程如图所示。
图2.17 锻造工艺过程
垫环空腔体积V 垫应比锻件体积V 肩大10%～15%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取12%，经计算V 肩=753253mm3，于是V 垫=1.12V肩=1.12×753253=843643mm3。
考虑到冲孔时会产生拉缩，垫环高度H 垫应比锻件凸肩高H 肩增加15%～35%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取20%。
H 垫=1.2H肩=1.2×34=40.8mm，取40mm 。
垫环内径d 径根据体积不变条件求得，即
d 径=1.13V 垫
H 垫=1.13843643=164mm 40
垫环内比应有斜度（7º），上端孔径定为θ163mm ，下端孔径为θ154mm 。
为了去除氧化皮，在垫环上镦粗之前应进行自由镦粗，自由镦粗后坯料的直径应略小与垫环内径，而经垫环镦粗后上端法兰部分直径应比锻件最大直径小些。
B 、冲孔 冲孔应该考虑两个问题，即冲孔芯料损失要小，同时又要照顾到扩孔次数不能太多，冲孔直径d 冲应小于D/3，即≤D 213==71mm，实际选用d 冲=60mm。 33
C 、扩孔 总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即131－60=71mm。71mm 分三次扩孔，各次扩张量为21mm ，25mm ，25mm 。
D 、修正锻件 按齿轮锻件图进行最后修整。
③ 计算原坯料尺寸 原坯料体积V 0包括锻件体积V 锻和冲孔料芯体积V 芯和烧损体积，即
V 0=（V 锻+V芯）×（1+δ）
锻件体积按齿轮锻件图公称尺寸计算，V 锻=2368283mm3
冲孔芯料体积应考虑冲孔芯料厚度与毛坯高度有关。因为冲孔毛坯高度H 孔坯=1.05H锻=1.05×62=65mm，H 芯=(0.2～0.3) H孔坯，取0.2，则H 芯=0.2×65=13mm。因此，V 芯=π/4d2
23冲H 芯=π/4×60×13=36757mm.
烧损率δ取3.5%，则V 0=2489216mm3.
因为齿轮第一道工序是镦粗，所以坯料直径按以下公式计算：
D 0=(0.8～1.0) 0=108～135.8=120mm
取D 0=120mm， H 0=V 0
π2D 04=2
④ 选择设备吨位 根据锻件形状尺寸，查有关资料，可选用0.5t 自由锻锤。
⑤ 确定锻造温度范围 45钢的始锻温度为1200℃，终端温度为800℃。
⑥ 制定锻造工艺卡片（略）
例2 轴类零件自由锻造工艺
轴类零件自由锻加工工艺的基本工序是拔长，辅助工序是压肩。零件图如图所示。
图2.18 轴
轴自由锻造工艺：
压肩→拔长一端并切去料头→调头压肩→拔长、倒棱、滚圆→端部拔长并切去料头→全部滚圆并校直。其过程如图所示。
图2.19 锻造工艺过程
二、模型锻造成形工艺
模型锻造是用模具使坯料产生变形而获得锻件的锻造成形方法。在模型锻造时，金属时在锻模的模膛内成形。
利用模型锻造成形能减少金属的消耗和机加工量，缩短零件的制造周期。因此，人们利用模型锻造成形工艺可以获得尺寸和形状非常接近于完成零件的技术要求。模型锻造工艺效率高、其生产率是自由锻加工工艺的10倍左右。模型锻造的主要缺点是模具制造费用高。 模型锻造成形种类很多，根据使用的设备分为：锤上模锻，机械锻压机上模锻，平锻机上模锻等。
图2.20 锤上模锻
模型锻造工艺规程
模型锻造工艺规程内容包括：锻件图的制定、坯料的计算、工序的确定、和模锻模膛的设计、设备吨位选择、坯料的加热规范、热处理等。
1．模锻件图的制定 锻件图是根据产品零件图，结合技术条件和实际工艺而制订，它是用作设计及制造锻模、计算坯料及作为验收合格锻件的依据，是指导生产的重要技术文件。
在制定模锻件的锻件图时，需要正确的选择分模面，选定机械加工余量及公差，确定模
锻斜度与圆角半径、冲孔连皮，并在技术条件内说明在锻件图上不能标明的技术要求与允许偏差。
锻件图中锻件轮廓线用粗实线绘制；锻件分模线用点画线绘制；锻件尺寸数字标注在尺寸线的中上方，零件相应部分尺寸数字标注在该尺寸线的中下方括号内。
1）分模面的选择
所谓分模面是指上、下（或左、右）锻模在锻件上的分界面。它的位置直接影响到模锻工艺过程，锻模结构及锻件质量等。因此，分模面的选择是锻件图设计中的一项重要工作，需要从技术和经济指标上综合分析确定。选择分模面时首先必须保证模锻后锻件能完整地从模膛中方便地取出。还应考虑以下几点要求：
A 、最佳的金属充满模膛条件；
B 、简化模具制造，尽量选择平面；
C 、容易检查上下模膛的相对错移；
D 、有利于干净地切除飞边。
图2.21 合理选择分型面
2）机械加工余量和锻件公差
模锻件的加工余量和公差都较小。加工余量一般为1～4mm ，锻造公差一般取0.3～3mm 。具体数值可查阅JB/Z75-60(锤上模锻件机械加工余量和公差) 。
现举例说明模锻件确定加工余量和公差的方法。
例：零件名称：齿轮轴；
图2.22 齿轮轴
材料：45CrNi ；
生产条件：成批生产，在5t 模锻锤上锻造。
已知：零件最大高度H=80mm；最大长度L=350mm；最大宽度B=80mm；L/B=350/80=4.4；
2.43.5查资料得单边加工余量为3mm ，高度方向允许偏差为-=1.2；水平方向允许尺寸偏差为356-=1.8
2.0及80-+1.0。
3）确定模锻斜度
模锻件上与分模面相垂直的表面附加的斜度称为模锻斜度。模锻斜度的作用是使锻件很容易从模膛中取出，同时使金属更好的充满模膛。模锻斜度分外斜度和内斜度。锤上模锻的锻件外斜度值根据锻件各部分的高度与宽度之比值H/B，及长度与宽度之比值L/B查表（表8-2）确定。内斜度按外斜度增大2º或3º。
图2.23 模锻斜度
4）圆角半径的确定
模锻件上凡是面与面相交的地方都不允许有尖角，必须以适当的圆弧光滑的连接起来，这个半径称之为圆角半径。锻件上的凸角圆角半径为外圆角半径r ，凹角圆角半径为内圆角半径R 。外圆角的作用是便于金属充满模膛，并避免锻模的相应部分在热处理和模锻时因产生应力集中造成开裂；内圆角的作用是使金属易于流动充满模膛，避免产生折叠，防止模膛压塌变形，如图所示。圆角半径（R,r ）的数值根据锻件各部分的高度与宽度比值H/B查表确定。
图2.24 圆角半径
图2.25 圆角被压塌
5）冲孔连皮的选择
模型锻造时，不能直接锻出透孔，仅能冲出一个初孔形，而孔内还留有一层具有一定
厚度的金属称为冲孔连皮。冲孔连皮可以在切边压力机上冲掉或在机械加工时切除。模锻冲出初形孔，为的是使锻件更接近零件形状，减少金属的浪费，缩短机械加工时间，同时可以使孔壁的金属组织更致密。冲孔连皮可以减轻锻模的刚性接触，起到缓冲作用，以免损坏锻模。
冲孔连皮有四种型式，如图所示。冲孔连皮应有适当的厚度。在生产中是按锻件的外形轮廓、尺寸大小来选择连皮的型式及其厚度。
图2.26 冲孔连皮形式
2．坯料的质量和尺寸计算
模锻件坯料的计算涉及的因素较多，只能做粗略的估算。
模锻件坯料质量=模锻件质量+飞边质量+氧化烧损
根据模锻件的基本尺寸来计算质量，当有冲孔连皮时，应包括连皮量。飞边质量的多少与锻件的形状和大小有关，差别较大，一般可按锻件质量的20%～25%计算。氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的3%～4%计算。
模锻件坯料的尺寸与锻件的形状和所选的模锻种类有关。
1）盘形锻件 这类锻件的变形主要属于镦粗过程，因此坯料尺寸可按下式计算，防止镦弯。
1.25＜坯料高度＜2.5 坯料直径
坯料体积 锻件长度2）长轴类锻件 锻件沿轴线各处截面积相差不多，则坯料的尺寸可按下式计算： 坯料截面积=（1.05～1.3）
3）复杂锻件 形状复杂而各处截面积相差较大的锻件，金属的变形过程主要有拔长、滚压过程，使金属有积聚变形。坯料尺寸可按下式粗略计算：
坯料面积=（0.7～0.85）锻件最大部分的截面积（包含飞边）
3．模锻模膛设计
锤上模锻用的锻模是由带燕尾的上模和下模两部分组成，上、下模分别用楔铁固定在锤头和模座上，上、下模闭合所形成的空腔即为模膛。
模膛是进行模锻生产的工作部分，按其作用来分，模膛可分为模锻模膛和制坯模膛。
模锻模膛 模锻模膛包括终锻模膛和预锻模膛，所有的都要用终锻模膛锻件，而预锻模膛不一定都需要。
终端模膛：终端模膛是根据模锻锻件图设计并制造，它由模膛本体和飞边槽、钳口等组成。模膛形状及尺寸与锻件形状及尺寸基本相同，但因锻件的冷却收缩，模膛尺寸应比锻件大一个金属收缩量，钢件收缩量可取1.5%。沿模膛四周设有飞边槽，如图所示。飞边槽的作用是：容纳多余的金属；飞边槽桥部的高度小，对流向仓部的金属形成很大的阻力，可迫使金属充满模膛；飞边槽中形成的飞边能缓和上、下模间的冲击，延长模具的使用寿命。
图2.27 飞边槽结构
预锻模膛：预锻模膛是用来改善金属在终锻模膛中的流动条件，使其易于充满终端模膛，并提高模具使用寿命。因此对于形状较为复杂的锻件，常采用预锻模膛。
下列的几种锻件在模具设计时，一般都采用预锻模膛。
1） 带有工字形截面的锻件；
2） 需要劈开的叉形锻件；
3） 具有枝芽的锻件；
4） 具有高筋的锻件；
5） 具有深孔的锻件；
6） 形状复杂难充满的锻件；
7） 冷切边的锻件；
8） 为了提高模具使用寿命。
图2.28 需用预锻模膛的锻件
根据锻件复杂程度不同，锻模可分为单模膛锻模和多模膛锻模两种。单模膛锻模是在一副锻模上只有终端模膛，多模膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。
制坯模膛：对于形状复杂的锻件，为了使坯料形状、尺寸尽量接近锻件，使金属能合理分布及便于充满模锻模膛，就必须让坯料预先在制坯模膛内锻压制坯。制坯模膛主要有：
1） 拔长模膛 用来减小坯料某部分的横截面积增加该部分长度；
图2.29 拔长模膛
2） 滚压模膛 用来减小坯料某部分的横截面增大另一部分的横截面积；
图2.30 滚压模膛
3） 弯曲模膛 用于轴线弯曲的感形锻件的弯曲制坯；
此外还有切断模膛、镦粗台和击扁模膛等类型的制坯模膛。
图2.31 弯曲和切断模膛
模锻件分类
模锻件的分类是根据锻件的分模线的形状、主轴线的形状及模锻件形状等进行分类。
（1）长轴类锻件 常见的长轴类锻件有各种轴，如主轴、传动轴、和机车轴等。他们的分模线和主轴线都是直线。
图2.32 长轴类锻件
（2）短轴类锻件 （方圆类锻件） 常见的短轴类锻件有齿轮、法兰盘、十字轴和万向节叉等。这类锻件在平面图上两个相互垂直方向的尺寸大约相等。
图2.33 短轴类锻件
（3）弯曲类锻件 这类锻件的主轴线是弯曲线，而分模线是直线；或分模线是弯曲的，主轴线是直线；或者主轴线和分模线都是弯曲的。
（4）叉类零件 这类锻件主轴线仅通过锻件主体的一部分，而且在一定的地方主轴线通过锻件两个部分之间。
（5）枝芽类零件 这类锻件的主轴线是直线或曲线，而且在局部有圆滑的弯曲或急弯凸起部分，凸起的部分称为枝芽。
三、胎模锻
胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。所用的模具称为胎膜，胎膜不用固定在锤头和砧座上，用时才放上去。一般选用自由锻方法制坯，在胎模中最后成形。胎模锻是介于自由段和模锻之间的一种工艺，与自由锻和模锻相比有以下特点：
①模具简单，容易制造，使用方便；
②不需要贵重的模锻设备；
③可以生产形状较复杂的锻件，加工余量小，节约金属和加工工时；
④操作方便，生产率高。
⑤胎模锻的缺点是胎模寿命短，工人劳动强度大。
⑥胎模锻适用于中、小批量的锻件生产。
胎模的分类：
胎模的种类很多，主要有扣模、套筒模和合模三种。
①扣模 用来对坯料进行全部或局部扣形，主要生产非回转类锻件，如图2.34（a ）所示。 ②套筒模 锻模呈套通形，主要生产齿轮、法兰盘、等回转类零件，如图2.34（b ）和图
2.34（c ）所示。
③合模 通常由上、下模及导向装置组成，主要生产形状复杂的非回转体锻件，如图2.34（d ）所示。
胎模锻工艺过程包括制定工艺规程、制造胎模、下料、加热、锻制和后续工序等。
图2.34 胎膜锻
四、金属的其他塑性成形工艺
科学技术的不断发展，对压力加工生产提出了越来越高的要求：不仅要生产出各种毛坯，而且还要直接生产出各种形状复杂的零件；不仅能用易变形的材料进行生产，而且还要用难变形的材料进行生产。因此，近年来在压力加工生产中出现了许多新工艺、新技术，如超塑性成形、粉末锻造、零件的挤压、零件的轧制、精密锻造、多向模锻、旋转锻造、电镦成形、液态模锻以及高能高速成形等。这些压力加工新工艺的特点是：
①尽量使锻压件的形状接近零件的形状，达到少无切削加工的目的，从而可以节约原材料和切削加工工作量，同时得到合理的纤维组织，提高零件的力学性能和使用性能；
②具有更高的生产率；
③减小变形率，可以在较小的锻压设备上制造出大锻件；
④广泛采用电加热和少氧化、无氧化加热，提高锻压件表面质量，改善劳动条件。
（一）精密模锻
精密模锻是在锻造设备上锻造出形状复杂、高精度的锻件的成型工艺。锻件的精度达到精密级公差和余量标准（GB/T12362-1990）规定的锻造方法称为精密锻造。精密模锻工艺方法很多，这里是指在锤、摩擦压力机及曲柄压力机等普通锻压设备上的精密模锻。
1．精密模锻工艺过程
一般精密模锻的工艺过程大致是：先将原始坯料用普通模锻工艺制成中间坯料，接着对中间坯料进行严格清理，除去氧化皮和缺陷，最后在无氧化皮或少氧化皮气氛中加热，再进行精锻。为了最大限度的减少氧化皮，提高精锻件的品质，精锻过程的加热温度应较低一些。对于碳钢件，锻造温度在450～900℃之间，因此精锻也称为温模锻。精锻时，需要在中间坯料上涂敷润滑剂，以减少摩擦，延长锻模使用寿命，降低设备的功率消耗。
2．精密模锻工艺特点
1）需要精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料，否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。
2）需要细致清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层等。
3）为提高锻件的尺寸精度和降低表面粗糙度，应采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。
4）精密模锻的锻件精度在很大程度上取决于锻模的加工精度，因此，精锻模膛的精度必须很高，一般要比锻件精度高两级。精锻模一定要有导柱导套结构，保证合模准确。为排除模膛中的气体，减少金属流动阻力，使金属更好的充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。
5）模锻时要很好的润滑和冷却锻模。
6）精密模锻一般都在刚度大、精确度高的模锻设备上进行，如曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤等。
3．优点
1）锻件尺寸精度较高和表面粗糙度较低，可不经或只需少量机械加工，一般精密锻件的公差余量约为普通锻件的1/3，表面粗糙度为Ra2.5～3.2μm 。
2）节约金属，提高生产率。
3）具有良好的金属组织和流线，提高了零件的力学性能。
4）零件生产成本低。
（二）挤压成形
挤压是利用锻压设备的简单往复运动，使金属通过模具内具有一定形状和一定尺寸的孔，发生塑性变形而得到所需要的工件。
1．零件的挤压方式
根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向的关系，挤压具有四种基本方式，如图所示。
图2.35 正挤压
正挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压法适用于制造横截面是圆形、椭圆形、扇形、矩形等的零件，也可是等截面的不对称零件。
图2.36 反挤压
反挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压法适用于制造横截面为原形、方形、长方形、多层圆形、多格盒形的空心件。
图2.37 复合挤压
复合挤压 挤压时坯料的一部分金属流动方向与凸模运动方向一致，而另一部分金属流动方向则与凸模运动方向相反。复合挤压法适用于制造截面为圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、杯-杆类零件。
图2.38 径向挤压
径向挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直。此类成型过程可制造十字轴类零件，也可制造花键轴的齿形部分、齿轮的齿形部分等。
挤压设备为机械压力机或液压机。
2．挤压的特点及应用
根据挤压金属温度的不同，挤压可分为冷挤压、温挤压和热挤压三种。
1）冷挤压的特点及应用
金属材料在再结晶温度一下进行的挤压为冷挤压。对于大多数金属而言，其在室温下的挤压即为冷挤压。冷挤压的主要优点是：
①由于冷挤压过程中金属材料受三向压应力作用，挤压变形后材料的晶粒组织更加致密；金属流线沿挤压轮廓连续分布；加之挤压变形的加工硬化特性，使挤压件的强度、硬度及耐疲劳性能显著提高。
②挤压件的精度和表面品质较高。一般尺寸精度可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra=1.6～0.2μm 。故冷挤压是一种净形或近似净形的成型方法，且能挤出薄壁、深孔、异型截面等一些较难进行机加工的零件。
③材料利用率高，生产率也高。
冷挤压已在机械、仪表、电器、轻工、宇航、军工等部门得到应用。
但冷挤压的变形力相当大，特别是对较硬金属材料进行挤压时，所需的变形力更大，这就限制了冷挤压件的尺寸和质量；冷挤压模材质要求高，常用材料为W18Cr4V 、Cr12MoV 等；设备吨位大。而且，为了降低挤压力，减少模具磨损，提高挤压件表面品质，金属坯料常须进行软化处理，尔后清除其表面氧化皮，在进行特殊的润滑处理。
2）温挤压的特点及应用
把坯料加热到强度较低，氧化较轻的温度范围进行挤压成为温挤压。温挤压兼有冷、热挤压的优点，又克服了冷、热挤压的某些不足。对于一些冷挤压难以成形的材料如：不锈钢、中高碳钢、耐热合金、镁合金、钛合金等，均可用温挤压成形。而且坯料可不进行预先软化处理和中间退火，也可不进行表面的特殊润滑处理，有利于机械化、自动化生产。另外，温挤压的变形量较冷挤压大，这样可减少工序、降低模具费用，且不一定需要使用大吨位的专用挤压机。但温挤压件的精度和表面品质不如冷挤压。
3）热挤压的特点及应用
热挤压时，由于坯料加热至锻造温度，这使得材料的变形抗力大为降低；但由于加热温度高，氧化脱碳及热胀冷缩等问题，大大降低了产品的尺寸精度和表面品质。因此，热挤压一般都用于高强（硬）度金属材料如高碳钢、高强度结构钢、高速钢、耐热钢等的毛坯成形。如热挤发动机气阀毛坯，汽轮机叶片毛坯，机床花键轴毛坯等。
（三）内高压成型
1．成形原理
液力成形是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。按使用的坯料的不同，可以分为三种类型：板料液力成形、壳体液力成形和管坯液力成形。板料和壳体液力成形使用的成形压力一般较低，而管坯内成形的压力较高，一般要达到几千甚至上万大气压，故称为内高压成形。
内高压成形的原理是通过内部加压和轴向加力不了把管坯压入到模具型腔使其成形。其基本工艺过程为：首先将管坯放在下模内，然后闭合上模将管的两端用水平冲头和密封，并使管坯内充满液体，在加压胀形的过程中，两端的冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成形为所需的工件。
内高压成形使用与制造航空、航天、汽车行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形、截面或异型截面的空心构件以及管路配件等。如汽车方面的应用有：排气系统异型管件，副车架总成；底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架；发动机托架；棚顶托梁和内支架等多种空心轻体件。在飞机上的轻体构件有：空心结构框梁；发动机上中空轴类件；进排气系统异型管和复杂管接件等。
对于轴线为曲线的零件，还需要把管坯预弯成接近零件的形状，然后加压成形。用内高压成形可以一次成形出沿着构件的轴线截面不同的复杂零件，这是内高压成形的主要优点。
目前，该技术已用于汽车、飞机等机器制造领域的实际生产。在飞机、航天器和汽车等领域，减轻重量以节约材料和运行中的能量使人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术的发展趋势之一。进入20世纪90年代，由于燃料和原材料成本原因，即环保法规对废气排放的严格限制，使汽车结构的轻量化显得日益重要。除了在结构上采用轻合金材料外，减重的另一个主要途径就是在减重上采用“以实代空”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构即可以减轻重量节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。内高压成形正是在这样的背景下发展起来的一种制造空心轻体件的先进制造技术。
2．优点
与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形的主要优点有：
1）减轻重量节约材料。对于空心轴类零件可以减轻重量40%～50%，有些件甚至可达75%。
2）减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压成形件通常仅需要一套模具，而冲压间大多需要多套模具。
3）可减少后续机械加工和组装焊接量。
4）提高强度与刚度，尤其疲劳强度。
5）降低生产成本。据统计，内高压件比冲压件平均降低成本15%～20%，模具费用降低20%～30%。
（四）超塑性成形
1．金属的超塑性概念
一般工程上用延伸率δ来判断金属材料塑性的高低。通常在室温下，黑色金属的δ值一般不超过40%，有色金属也不会超过60%，即使在高温时也很难超过100%。但有些金属材料在特定的条件下，即材料具有等轴稳定的细晶组织（晶粒平均直径在0.5～5μm ）；变形
-5-2温度0.5～0.7T 熔；极低的形变速度ε=10～10m/s时可呈现超塑性，其延伸率δ超过100%，
如钢δ＞500%，纯钛δ＞300%，锌铝合金δ＞1000%。
超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，变形应力仅为常态下金属变形应力的几分之一到几十分之一。因此，该种金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂成形件。
目前常用的超塑性成形材料主要是锌合金、铝合金、钛合金及某些高温合金。
2．超塑性成形工艺的应用
①板料冲压 当零件直径较小，高度较高。选用超塑性材料可以一次拉深成形，拉深件品质很好，性能无方向性。
②板料气压成形 板料气压成形过程是：把超塑性金属板料放于模具中，板料与模具一起加热到规定温度，向模具内吹入压缩空气或抽出模具内的空气形成负压，板料浆紧贴在凹模或凸模上，获得所需形状的成形件。该法可加工厚度为0.4～4mm 的板料。
③挤压和模锻 高温合金及钛合金在常态下塑形很差，变形抗力大，不均匀变形引起各向异性的敏感性强，用常规工艺难以成形，材料损耗极大。如采用普通热模锻毛坯再进行机械加工的方法，金属损耗达80%左右，致使产品成本过高。如果在超塑性状态下进行模锻，就完全克服了上述缺点。
3．超塑性模锻工艺特点
①扩大了可锻金属材料的种类，如过去只能采用铸造成形的镍基合金，现在也可以采用超塑性模锻成形。
②金属填充模膛的性能好，可锻出尺寸精度高、机械加工余量很小甚至不用加工的零件。
③能获得均匀细小的晶粒组织，零件的力学性能均匀一致。
④金属的变形抗力小，可充分发挥中小设备的作用。
利用金属基合金的超塑性，为制造少无切削加工的零件开辟了一条新的途径。
（五）多向模锻
多向模锻是将坯料放入锻模内，用几个冲头从不同方向同时或依次对坯料加压，以获得形状复杂的精密锻件的成形新工艺。多向模锻能锻出具有凹面、凸肩或多向孔穴等形状复杂的锻件，这些锻件难以用常规的模锻设备制造。多向加压改变了金属的变形条件，提高了金属的塑性，适宜于塑性较差的高合金钢的模锻。由于多向模锻在实现锻件精密化和改善锻件品质等方面具有独特的优点，因此它在工业发达国家已被广泛采用。多向模锻过程如图所示。多向模锻一般需要在具有多向施压特点的专门锻造设备上进行。
图2.39 多向模锻
1．多向模锻的优点
①多向模锻采用封闭式锻模，不设计飞边槽，锻件可设计成空心的，精度高，锻件易于脱模，模锻斜度小，因此可节约大量金属材料。多向模锻的材料利用率为40%～90%。
②多向模锻尽量采用挤压成形，金属分布合理，金属流线较为理想。多向模锻件强度一般可提高30%以上，极有利于产品的精密化和小型化。因此，航空、空间技术、原子能工业中的受力机械零件广泛采用多向模锻件。
③多向模锻往往在一次加热过程中就完成锻压工艺，减少锻件的氧化损失，有利于模锻件的机械化操作，显著降低了劳动强度。
④多向模锻工艺本身可以使锻件精度提高到理想程度，从而减少了机械加工余量和机械加工工时，使劳动生产率提高，产品成本下降。
⑤对金属材料来说，多向模锻适用范围广泛，不但可应用于一般钢材与非铁合金材料，而且也可应用于高合金钢与镍铬合金等材料。在航空、石油、汽车、拖拉机、与原子能工业中的中空架体、活塞、轴类件、筒形件、大型阀体、管接头以及其他受力机械零件都可采用多向模锻件。
2．多向模锻的局限性
①需要配备适合于多向模锻工艺特点的专用多向模锻压力机，锻件成形压力高于一般模锻成形压力，需要大吨位的设备。
②送进模具中的坯料只允许极薄的一层氧化皮，要是多向模锻取得良好的效果，必须对坯料进行感应电加热或气体保护无氧化加热，因此电力消耗较大．
③坯料尺寸要求严格，质量偏差要小，因此下料时要对尺寸进行精密计算或试料。
（六）摆动碾压
1．摆动碾压的原理
摆动碾压简称摆碾，其工作原理可以从图9-15所示的运动轨迹为圆的摆头结构来分析。锥体模（上模）的轴线与放在下模的坯料轴线呈γ角度，上模作交变频率的圆周摆动，即一面绕轴心旋转，一面对坯体的顶端进行碾压。液压柱塞推动下摸使坯料不断向上移动，摆头每一瞬间能碾压坯料顶面的某一部分，使其产生塑性变形。当液压柱塞到达顶点位置时，即可获得所需的摆碾件。
图2.40 运动轨迹为圆的摆头结构
2．摆动碾压的类型
①按成型温度分为冷摆碾成形（温度低于T 再），温摆碾成形（温度等于T 再）及热摆碾成形（温度高于T 再）。
②按摆碾运动方式分为如图所示的三种类型。通过控制内外两层偏心套的偏心距传动摆头（锥体模），摆碾头的运动轨迹可以为圆、直线、螺旋线、菊花线和多叶玫瑰线等五种，以适应复杂零件的需要。
图2.41 摆辗的三种类型
3．摆碾的特点及应用
①坯料接触面积小, 故所需成形压力小，设备吨位仅为一般冷段设备吨位的5%~10%。 ②碾压属于冷变形，变形速度慢，且逐步进行，因此摆碾表面光滑，表面粗糙度R a =0.4~1.6μm; 尺寸精度高，尺寸误差为0.025mm 。
③能碾压成形高径比很小、一般锻造方法不能成形的薄圆盘件，如厚度为0.2mm 的薄圆片。
④设备占地面积小，周期短，投资少，易于机械化、自动化。
目前，冷摆碾除用来制造铆钉外，还用来冷摆碾成形各种形状复杂的轴对称件，如汽车和拖拉机的伞齿轮、齿环、推力轴承圈、端面凸轮、十字头、轴套、千斤顶、棘轮等。热摆碾多用来成形尺寸较大及精度要求高的件，如汽车半轴、法兰、摩擦盘、火车论、锣、钹、蝶形弹簧及铣刀片等。
（七）液态模锻
液态模锻的实质是把金属液直接浇入金属膜内，，然后在一定时间内以一定的压力作用于液态（或半液态）金属上使之成形，并在此压力下结晶和产生局部塑性变形。他是类似挤压铸造的一种先进工艺。
液态模锻实际上是铸造加锻造的组合工艺，它既有铸造工艺简单、成本低的优点，又有锻造产品性能好、品质可靠的优点。因此，在生产形状较复杂而在性能上又有一定要求的锻件时，液态模锻更能发挥其优越性。
1．液态模锻的工艺过程
液态模锻的工艺过程是把一定量的金属液浇入下模（凹模）形腔中，然后在金属液还处在熔融或半熔融状态（固相加液相）时便施加压力，迫使金属液充满型腔的各个部位而成形。
图2.42 液态模锻
液态模锻工艺流程为：原材料配制→熔炼→浇铸→加压成形→脱模→放入灰坑冷却→热处理→检验→入库。
液态模锻基本上是在液压机上进行的。摩擦压力机因为压力和速度无法控制，冲击力很大，而且无法保持恒压，故很少使用。液压机的压力和速度可以控制，操作容易，施压平稳，不易产生飞溅现象，故使用较多。
2．液态模锻工艺的主要特点
①在成形过程中，金属液在压力下完成结晶凝固，改善了锻件的组织和性能。
②已凝固的金属在压力作用下，产生局部塑性变形，使锻件外侧壁紧贴模膛壁，金属液自始至终处于等静压状态。但是，由于已凝固层产生塑性变形要消耗一部分能量，因此，金属液承受的等静压不是定值，而是随着凝固层的增厚而下降的。
③液态模锻对材料的适应范围很宽，不仅适用于铸造合金，而且适用于变形合金，也适用于非金属材料（如塑料等）。铝、铜等非铁金属以及钢铁金属的液态模锻已大量用于实际生产中。目前，铝、镁合金的半固态模锻也逐渐进入工业应用。
（八）粉末锻造
1．粉末锻造的原理
粉末锻造是粉末冶金成形和锻造相结合的一种金属成形工艺。普通的粉末冶金件的尺寸精度高，但塑性与冲击韧度差；锻件的力学性能好，但精度低。二者取长补短，就形成了粉末锻造。它的工艺过程，如图所示，是将粉末预压成形后，在充满保护气体的炉子中烧结制坯，将坯料加热至锻造温度后进行模锻。
图2.43 粉末锻造
2．粉末锻造的优点
①材料利用率高，可达90%，而模锻的材料利用率只有50%左右。
②力学性能好，材质均匀，无各向异性，强度、塑性和冲击韧度都很高。
③锻件精度高，表面光洁，可实现无切削或少切削加工。
④生产率高，每小时产量可达500～1000件。
⑤锻造压力小，如130汽车差速器星星齿轮，钢坯锻造需用2500～3000kN 的压力机，粉末锻造只需800 kN的压力机。
⑥可以加工热塑性差的材料，如难以变形的高温铸造合金；可以锻出形状复杂的零件，如差速器齿轮、柴油机连杆、链轮、衬套等。
（九）零件的轧制成形
用轧制方法除了可生产型材、板材和管材之外，还可生产各种零件，它在机械制造业中得到了越来越广泛的应用。零件的轧制有一个连续静压过程，没有冲击和振动，使它与一般锻造和模锻相比，具有一定的特点。
1．零件轧制的特点
①因为工件连续变形的每一瞬间，模具只与毛坯的一部分接触，，所以，所需设备结构简单，吨位小，投资少。
②震动小、噪声低，劳动条件好，生产率高，易于实现机械化和自动化。
③模具可用价廉的球墨铸铁或冷硬铸铁来制造，节约贵重的模具钢材，加工也较容易。 ④轧制时的金属纤维组织连续，按锻件外廓分布，故锻件力学性能好。
⑤材料利用率高，可达到90%以上。
2．零件轧制的类型
1）纵轧
纵轧是轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法如辊锻轧制、碾环轧制等。
①辊锻轧制 辊锻轧制是把轧制工艺应用到锻造生产中的一种新工艺。辊锻是使坯料通过装有扇形模块的一对相对旋转的轧辊时受亚尔变形的成形工艺，如图所示。它既可以作为模锻前的制坯工序，也可直接辊锻锻件。目前，成形辊锻适用于如扳手、活动扳手等扁截面的长杆件、汽轮机叶片及连杆类零件的生产。
图2.44 辊锻
②辗环轧制 辗环轧制是用来扩大环形坯料的外径和内径，从而获得各种无接缝环状零件的轧制成形工艺，如图2.45（a ）。图中辗压轮由电动机带动旋转，利用摩擦力使坯料在辗压轮和芯辊之间受压变形。辗压轮还可由油缸推动做上下移动，改变它与芯辊之间的距离，使坯料厚度减小、直径增大。导向辊用以保障坯料正确运送，信号辊用来控制环坯直径。如在环坯端面安装端面辊，则可进行径向-轴向辗环成形，如图2.45（b ）。
（a ）径向辗环 （b ）径向-轴向辗环
图2.45 碾环轧制
只需采用不同的辗压轮、端面辊机芯棍的截面形状，即可生产各种横截面的环类零件，如火车轮箍、轴承座圈、齿轮及法兰等。
2）横轧
横轧是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制成形工艺，如齿轮轧制等。
齿轮轧制是一种少无切削加工齿轮的新工艺。直齿轮和斜齿轮均可用热轧制造，如图所示。在轧制前将毛坯外缘加热，然后将带齿形的轧轮作径向进给，迫使轧轮与毛坯对辗。在对辗过程中，坯料上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部“反挤”而上升，形成齿顶。
图2.46 齿轮热轧
3）斜轧
斜轧又称螺旋斜轧，它是轧辊轴线与坯料轴线相交一定角度的轧制成形工艺，如周期轧制如图2.47（a ），钢球轧制，如图2.47（b ）、丝杠冷轧等。
（a ）周期轧制 （b ）钢球轧制
图2.47 斜轧
螺旋斜轧采用的轧辊带有螺旋型槽，相交成一定角度，并作同方向旋转，坯料在轧辊间既绕自身轴线转动，有向前进，与此同时受压变形获得所需产品。螺旋斜轧可以直接热轧出带螺旋线的高速滚刀体、、自行车后闸壳以及冷轧丝杠等。
螺旋斜轧钢球是使棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制并分离成但个球，轧辊每转一周即可轧制出一个钢球。轧制过程是连续的。
4）楔横轧
①楔横轧原理
利用轧件轴线与轧辊轴线平行，轧辊的辊面上镶有楔型凸棱，并作通向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的成形工艺成为楔横轧，如图所示。该工艺适用于成形高径比不小于1的回转体轧件。
图2.48 楔横轧
在楔横轧中，坯料的变形过程主要是靠两个楔型凸棱压缩坯料，使坯料的径向尺寸减小、轴向尺寸增大。
楔横轧机适合轧制各种实心、空心台阶轴，如汽车、摩托车、电动机上的各种台阶轴，凸轮轴等。
图2.49 两辊式楔横轧
2.3 金属板料成型
金属板料成形（板料冲压）是利用压力装置和模具，使板材产生分离或塑性变形，从而获得成形件或制品的压力加工方法。金属板料的厚度一般都在6mm 以下，且在再结晶温度以下（通常是在常温下）进行，故板料成形又常称为冷冲压（8mm 以上采用热冲压）。
冲压加工广泛的应用于军工和民用金属制品的生产中，尤其是汽车、拖拉机、航空、电器、仪表等工业中，冲压占有十分重要的地位。
冷冲压的一般流程为：
→工艺设计、原料准备
零件图 →成形→修整→检验→成品
→模具设计、模具制造
板料成形按特征分为分离（冲裁）过程和成形过程两大类.
一、板料分离过程
分离过程是使坯料一部分相对于另一部分产生分离而得到工件或者坯料，如落料、冲孔、
切断、修整等。
1．落料与冲孔
落料与冲孔统称为冲裁。在落料和冲孔过程中，坯料的变形过程和模具结构均相似，只是材料的取舍不同。落料是被分离的部分为成品，而留下的部分是废料；冲孔是被分离的部分为废料，而留下的部分是成品。例如冲制平面垫圈，制取外形的冲裁工序成为落料，而制取内孔的工序成为冲孔。
1）金属板料冲裁成形过程
冲裁件质量、冲裁模结构与冲裁时板料的变形过程密切相关。当凸、凹模的间隙正常时，冲裁变形过程可分为三个阶段，如图所示。
图2.50 冲裁变形过程
①弹性变形阶段 在凸模压力下，板料产生弹性压缩、拉伸和弯曲变形并向上翘曲，凸、凹模的间隙越大，板料弯曲和上翘越严重。同时，凸模挤入板料上部，板料的下部则略挤入凹模孔口，但板料的内应力未超过材料的弹性极限。
②塑性变形阶段 凸模继续压入，板料内的应力达到屈服点时，便开始产生塑性变形。随凸模挤入板料深度的增大，塑性变形程度增大，变形区板料加工硬化加剧，冲裁变形力不断增大，直到刃口附近侧面的板料由于拉应力的作用出现微裂纹时，塑性变形阶段结束。 ③断裂分离阶段 随凸模继续压入，已形成的上下微裂纹沿最大剪应力方向不断向板料内部扩展，但上下裂纹重合时，板料便被剪断分离。
2）剪切面特征带
冲裁件的切断面不很光滑，并有一定锥度。与冲裁过程各变形阶段相对应，冲出的工件断面具有明显的特征带，即圆角带、光亮带、断裂带和毛刺 。
图2.45 剪切面特征
圆角带是冲裁过程中刃口附近的材料被弯曲和拉伸变形的结果。在大间隙和软材料冲裁
时，圆角带尤为明显。
光亮带是塑性变形阶段刃口切入板料后，材料被模具侧面挤压而形成的表面。光亮带光滑、垂直，是剪切面上精度和质量最高的部分，通常光亮带占全断面的1/2～1/3。塑性好的材料，其光亮带大。
断裂带是由于刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，表面粗糙无光泽，略呈锥度。塑性差的材料，断裂带大。
毛刺是伴随裂纹的出现而产生的。当凸模和凹模件的间隙不合适或刃口变钝时，会产生较大的毛刺。
3）冲裁间隙
冲裁间隙是一个重要的工艺参数，它不仅对冲裁件的断面质量有极重要的影响，而且还应向模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度等。
①间隙过小 当间隙过小时，如图所示，凸模刃口处裂纹相对于凹模刃口裂纹向外错开，两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带。因间隙过小，凸、凹模受到金属的挤压作用增大，从而增加了材料与凸、凹模之间的摩擦力。这不仅增大了冲裁力、卸料力和推件力，还加剧了凸、凹模的磨损，缩短了模具的寿命。但是间隙小，光亮带增加，圆角带、断裂带和斜度都有所减小。只要中间撕裂不是很严重，冲裁件仍然可以使用。
（a ）间隙过小 （b ）间隙适中 （c ）间隙过大
图2.46 间隙对断面质量的影响
②间隙过大 当间隙过大时，如图所示，凸模刃口裂纹相对于凹模刃口裂纹向内错开，板料的弯曲与拉伸加大，易产生剪切裂纹，塑性变形阶段较早结束，致使切断面光亮带减小，圆角带与锥度增大，形成厚而大的拉长毛刺，且难以去除。同时冲裁件的翘曲现象严重。另一方面，推件力和卸料力大为减小，材料对凸、凹模的摩擦作用大大减弱，所以模具寿命较长。因此，对于批量较大而公差有无特殊要求的冲裁件，可适当采用“大间隙”冲裁。 ③间隙合理 当间隙合理时，如图所示，上、下裂纹重合一线，冲裁力、卸料力和推件力适中，墨具有足够长的寿命。这时光亮带占板厚的1/2～1/3，圆角带、断裂带和锥度均很小。
合理的间隙只可按表1选取。对冲裁间品质要求较高时，可将表中数据减小1/3。
4）凹凸模刃口尺寸的确定
设计落料模时，以凹模作为设计基准，即使落料模的凹模刃口尺寸等于落料件的尺寸， 而凸模的刃口尺寸等于凹模刃口尺寸减去双边间隙值。
设计冲孔模时，以凸模作为设计基准，使冲孔模的凸模刃口尺寸等于被冲孔径尺寸， 而凹模的刃口尺寸等于凸模刃口尺寸加上双边间隙值。
5）冲裁力的计算
冲裁力是确定设备吨位和检验模具强度的重要依据。冲裁力计算准确，有利于设备潜力的发挥；冲裁力计算不准确，有可能使设备超载而破坏，造成严重事故。
平刃冲模的冲裁力按下式计算： P=KLδη 式中， P ——冲裁力（N ）；
K ——系数，一般可取K=1.3； L=——冲裁件周边长度(mm)；
δ——冲裁间厚度(mm)；
η——材料的抗剪强度（Ｍpa ），可查有关手册确定，也可根据η=0.8ζb 估算。
6) 冲裁件的排样
排样是指落料件在条料、带料或板料上进行布置的方法。合排样理可减少废料，提高板料的利用率。图2.47所是为同一落料件的四中排样方式，分为无搭边排样，图2.47（d ）和有搭边排样，图2.47 (a、b 、c) 两种类型。无搭边排样是利用落料件的一个边作为另一个落料件的边。这种排样板料利用率最高，但落料件尺寸不易精确，毛刺不在同一平面上，质量较差，只有在对落料件品质要求不高时才采用。有搭边排样是在各个落料件之间均留有一定尺寸的搭边。其优点是毛刺小，而且在同一个平面上，落料件尺寸精确，品质较好，但板料消耗较多。
（a ） （b) （c ） （d ）
图2.47 同一落料件的四种排样方式
2．切断
切断是指用剪刃或冲模将板料或其他型材沿不封闭轮廓进行分离的工序。 切断用以制取形状简单、精度要求不高的平板类工件或下料。 3．修整
如果零件的精度和表面粗糙度要求较高，则需用修整工序将冲裁后的孔或落料件的周边进行修整，即利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，如图所示，以提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。
修正所切除的余量很小，一般每边约为0.02～0.05mm ，粗糙度可达Ra=1.6～0.8μm ，精度可达IT7～IT6。实际上，修正工序的实质属于切削过程，但比机械加工的生产率高得多。
图2.48 修整
二、板料成形过程
成形过程是使板料发生塑性变形而形成一定形状和尺寸的工件。主要有拉深、弯曲、翻边和成形等。
1．拉深
拉深是利用拉深模使板料变成开口空心件的冲压工序。拉深可以制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其它复杂形状的薄壁零件。
图2.49 拉深变形过程
与冲裁摸不同，拉深凸模、凹模都具有一定的圆角而不具有锋利的刃口，它们之间的单边间隙一般稍大于板料厚度。
拉深系数
拉深件直径d 与坯料直径D 的比值称为拉深系数，记为m ，即m=d/D，是衡量拉深变形程度的指标。拉深系数越小，变形程度越大，板料被拉入凹模越困难，因此越容易产生拉裂。一般情况下，拉深系数取0.5～0.8，塑性差的板料取上限值，塑性好的板料取下限值。如果拉深系数过小，不能一次拉深成形时，可采用多次拉深工艺。
拉深中常见的废品及其防止措施 （1）拉裂
拉深过程中，拉深件最危险的部位是直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的屈服点时，此处将被拉裂。应采用减少拉应力的措施防止拉裂。
（2）起皱
拉深时，毛坯法兰部分由于失稳而产生波浪形称为起皱。可以采用压边圈来防止起皱。
图2.50 拉深件起皱
图2.51 采用压边圈防止起皱
2．弯曲
弯曲是将板料弯成一定角度、一定曲率而形成一定形状零件的工序。
平板坯料→弯曲成形
图2.52 弯曲
弯曲变形的特点：
板料的内侧受压缩短，外侧受拉伸长，中性层长度不变。 板料的外侧会因受拉而开裂，因此要控制最小弯曲半径。 中性层长度不变可以用来计算弯曲毛坯的长度。 弯曲存在的回弹现象。
3．其它冲压工艺
除弯曲和拉深外，冲压成形还包括胀形、翻边、缩口和旋压等。这些成形工序的共同特点是板料只有局部变形。
（1）胀形
胀形主要用于板料的局部胀形（或叫起伏成形），如压制凹坑、加强筋、起伏性的花纹及标记等。另外，管形料的胀形（如波纹管）、板料的拉形等，均属胀形工艺。
胀形时，板料的塑性变形局限于一个固定的变形区之内，通常没有外来的材料进入变形区内。变形区内板料的变形主要是通过减薄壁厚、增大局部表面积来实现的。
由于胀形使板料处于两向拉应力状态，变形区的坯料不会产生失稳现象，因此，冲压成形的零件表面光滑，品质好。胀形所用的模具可分为钢模和软模两类。软模胀形使板料的变形比较均匀，容易保证零件的精度，便于成形复杂的空心零件，所以在生产中广泛应用。用软凸模胀形的两种方式如图所示。
图2.53 用软凸模的胀形
2．翻边
翻边是使材料的平面部分或曲面部分上沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成形工艺，在生产中应用较广。根据零件边缘的性质和应力状态的不同，翻边可分为内孔翻边，如图所示和外缘翻边。
图2.54 内孔翻边
圆孔翻边的主要变形是坯料的切向和径向拉伸，越接近孔边缘变形越大。因此，圆孔翻边的缺陷往往是边缘拉裂。翻边破裂的条件取决于变形程度的大小。圆孔便形程度可用下式表示：
K 0=d0/d
式中，K 0——翻边系数；d 0——翻边前孔径（mm ）；d ——翻边后孔径（mm ）。
显然，K 0值越小，变形程度越大。翻边时孔边不破裂所能达到的最小K 0值称为极限翻边系数。对于镀锡铁皮，K 0为0.65～0.7；对于酸洗钢，K 0为0.68～0.72。
当零件所需的凸缘较高，一次翻边成形有困难时，可采用先拉伸、后冲孔（按K 0计算得到的容许孔径）、再翻边的工艺来实现。
3．旋压
旋压过程的工艺过程是：用顶块把坯料压紧在模具上，机床主轴带动模具和坯料一同旋转，手工操作擀棒加压于坯料，反复辗压，使坯料逐渐贴与模具上成形。
旋压成形虽然是局部成形，但是如果坯料的变形量过大，也容易产生起皱甚至破裂缺陷。所以变形量大的旋压件需要多次旋压成形。对于圆筒旋压件，旋压成形的变形程度可用旋压系数m 表示，即：
m=d/ D
式中，d ——旋压件直径（mm ）；
D ——板料直径（mm ）；
m ——旋压系数，m=0.6～0.8。
相对厚度较小时，m 取上限；反之，m 取下限。
由于旋压件加工硬化严重，多次旋压时必须经过中间退火。 三、 冲模的分类及构造 冲模按基本构造分类：
（1）简单模 冲床的一次冲压过程中只完成一个冲压工序的冲模称为简单模。
图2.55 简单模
（2）连续模 冲床的一次冲压过程中，在冲模不同位置上，完成两个以上冲压工序的冲模称为连续模。
图2.56 连续模
（3）复合模 冲床的一次冲压过程中，在冲模的同一位置上，完成两个冲压工序的冲模称为复合模。
图2.56 复合模
金属材料的塑性成形
1 概述
金属材料的塑性成形又称金属压力加工，它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。
金属材料固态成形的基本条件：一是成形的金属必须具备可塑性；二是外力的作用。
一、金属塑性成形的方法：
（1）轧制 将金属材料通过轧机上两上相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材的加工方法。如图所示：压机开坯、轧板、轧圆钢等。
图2.1 轧制
（2）挤压 将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法。
图2.2 挤压
（3）拉拔 将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、其断面与模孔相同的加工方法。
图2.3 拉拔
（4）自由锻造 将加热后的金属坯料置于上下砧铁之间受冲击力或压力而变形的加工方法。
图2.4 自由锻造
（5）模型锻造（模锻） 将加热后的金属坯料置于具有一定形状的锻造模具模膛内，金属毛坯受冲击力或压力的作用而变形的加工方法。
图2.5 模锻
（6）板料冲压 金属板料在冲压模之间受压产生分离或变形而形成产品的加工方法。
图2.6 板料冲压
按金属固态成形时的温度，其成形过程分为两大类：
（1）冷变形过程 金属在塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。
冷变形的特征——金属变形后产生加工硬化。
（2）热变形过程 金属在塑性变形时的温度高于该金属的再结晶温度。
热变形的特征 —— 金属变形后会再结晶，塑性好，消除内部缺陷，产生纤维组织。
金属塑性加工的特点：
（1）材料利用率高
（2）生产效率高
（3）产品质量高，性能好，缺陷少。
（4）加工精度和成形极限有限。
（5）模具、设备费用高。
利用金属固态塑性成形过程可获得强度高、性能好的产品，生产率高、材料消耗少。但该方法投资大，能耗大，成形件的形状和大小受到一定限制。
二、金属塑性成形过程的理论基础
1、金属塑性变形的能力
金属塑性变形的实质——金属塑性变形是金属晶体每个晶粒内部的变形（晶内变形）和晶粒间的相对移动、晶粒的转动（晶界变形）的综合结果。
金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得毛坯或零件的难易程度。
可锻性用金属的塑性指标 （延伸系数δ和断面减缩率Ψ ）和变形抗力来综合衡量。
影响金属塑性的因素：
（1）金属本身的性质 —— 纯金属塑性优于合金；铁、铝、铜、镍、金、银塑性好；金属内部为单相组织塑性好；晶粒均匀细小塑性好。
（2）变形的加工条件
1）变形温度↑ ，塑性↑；
2）变形速度的影响；
3）压状态为三向压应力时塑性最好。
图2.7 低碳钢力学性能与温度变化
图2.8 变形速度对塑性及变形抗力的影响
2、金属塑性变形的基本规律
（1）体积不变定理
金属固态成形加工中金属变形后的体积等于变形前的体积。
根据体积不变定律，在金属塑性变形的每一工序中，坯料一个方向尺寸减少，必然在其他方向尺寸有所增加，在确定各中间工序尺寸变化时非常方便。
（2）最小阻力定律
金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动。
一般来说，金属内某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向就是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线的方向。应用最小阻力定律可以事先判定锻造时金属截面的变化。
2 金属的锻造
锻造是塑性加工的重要分支。它是利用材料的可塑性，借助外力的作用产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。锻造属于二次塑性加工，变形方式为体积成形。
锻造的分类：
锻造分为自由锻造和模锻两大类。
锻造材料：
锻造用材料涉及面很宽，既有多种牌号的钢及高温合金，又有铝、镁、钛、铜等有色金属；既有经过一次加工成不同尺寸的棒材和型材，又有多种规格的锭料。
锻造前的准备：
1．算料与下料
算料与下料是提高材料利用率，实现毛坯精化的重要环节之一。过多材料不仅造成浪费，而且加剧模膛磨损和能量消耗。下料若不稍留余量，将增加工艺调整的难度，增加废品率。此外，下料端面质量对工艺和锻件质量也有影响。
2．金属加热
加热目的 锻造和模锻前金属的加热目的是：提高金属的塑性，降低变形抗力，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。因此金属加热是热锻生产中不可缺少的重要工序之一。
金属锻造温度范围的确定 锻造温度范围时至始锻温度和终缎温度间的一段温度间隔。始锻温度主要受到过热和过烧的限制，它一般应低于熔点100～200℃。
对于碳钢，由状态图可看出，始锻温度应该随含碳量的增加而降低。对于合金钢，通常始锻温度随含碳量的增加降低得更多。
钢锭由于液态凝固时得到的原始组织比较稳定，过热的倾向小，因此钢锭的始锻温度可比同种钢的钢坯和钢材高20～50℃。
终锻温度主要应保证在结束锻造之前金属还具有足够的塑性以及锻件在锻后获得再结晶组织。但过高的锻造温度也会使锻件在冷却过程中晶粒继续长大，因而降低了力学性能，尤其是冲击韧度。
一、自由锻造
只用简单的通用工具，或在锻造设备的上、下铁砧间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需几何形状及内部质量的锻件的加工方法，称为自由锻造。
（一）自由锻造的基本工序
1．镦粗 使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序叫做镦粗，在坯料上某一部分进行的镦粗叫做局部镦粗。
镦粗用于由横断面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小的锻件。例如：冲孔前增大毛坯横断面积和平整毛坯端面；提高下一步拔长时的锻造比；提高锻件的力学性能和减少力学性能的异向性等。反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布。
镦粗时的注意事项：
1）为防止镦粗时产生纵向弯曲，圆柱体毛坯高度与直径之比不应超过2.5～3，在2～
2.2的范围内更好。对于平行六面体毛坯，其高度与较小的基边之比应小于3.5～4。
镦粗前毛坯端面应平整，并与轴心线垂直。
镦粗前毛坯加热温度应均匀，镦粗时要把毛坯围绕着它的轴心线不停的转动，毛坯发生弯曲时必须立即校正。
2）镦粗较高的毛坯（H/D≈3）时，常常先要产生双鼓形（图2.9），上部和下不变形大，中部变形小。毛坯更高（H/D＞3）时，镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴线不垂直，或毛坯有初弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时更易产生弯曲。弯曲了的毛坯如不及时校正而继续镦粗则要产生折迭。
图2.9 高毛坯镦粗时形成双鼓形
2．拔长 使毛坯横断面积减小而长度增加的工序叫拔长。有矩形断面毛坯的拔长和圆断面毛坯的拔长。拔长的主要问题是生产率和质量，主要的工艺参数时送进量（l ）和压下量(Δh) ，如图所示。
图2.10 拔长
1）矩形断面毛坯的拔长
矩形断面毛坯拔长时，送进量和压下量对质量的影响是很大的。送进量(l/h)过大时易产生外部横向裂纹、交裂和对角线裂纹。但当送进量过小，如l/h=0.25时，上部和下部变形大，中部变形小，变形主要集中在上、下部分，中间部分锻不透，而且轴心部分沿轴向受附加拉应力，在拔长锭料和大截面的低塑性坯料时，易产生内部横向裂纹。综上所述，可以看出送进量过大和过小都是不好的，因此，正确的选择送进量极为重要。根据试验和生产实践，一般认为l/h=0.5～0.8虽然较为合适，但由于工具摩擦和两端不变形部分的影响，一次压缩后沿轴向的变形分布仍然是不均匀的。为了获得较为均匀的变形，使锻件和锻后的组织和性能均匀，在拔长操作使，应使前后各遍压缩时的进料位置相互错开。
2）圆断面毛坯的拔长
用平砧拔长圆断面毛坯时，若压下量较小，则接触面积较窄较长，金属多作横向流动，不仅生产效率低，而且常易在锻件内部产生纵向裂纹，如图所示。
图2.11 平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯
图2.12 平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯时产生的纵裂
拔长圆断面毛坯通常采用下述两种方法：
（1）在平砧上拔长时先将圆断面毛坯压成矩形断面，再将矩形断面毛坯拔长到一定尺寸，然后再压成八角形，最后锻成圆形，其主要变形阶段是矩形断面毛坯在平砧上拔长
（2）在型砧（或摔子）内进行拔长，利用工具的侧面压力限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。与平砧比可提高拔长生产效率20%～40%。在型砧内（或摔子内）拔长似的应力状态，也能防止内部纵向裂纹产生。拔长用型砧有圆型砧和V 形砧两类，如图所示。
图2.13 型砧拔长圆断面毛坯
3．芯轴拔长
芯轴拔长是一种减小空心毛坯外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序，用于锻制长筒类锻件，如图所示。
图2.14 用芯轴拔长
4．冲孔 在坯料中冲出透孔或不透孔的锻造工序叫做冲孔。
（二）自由锻造工艺过程的制定
制定自由锻工艺过程的主要内容是：
1）根据零件图作出锻件图；
2）确定毛坯的重量和尺寸；
3）决定变形工艺和工具；
4）选择设备；
5）确定火次、锻造温度范围、加热和冷却规范；
6）确定热处理规范；
7）对锻件提出技术要求和检验要求；
8）编制工时定额。
1．锻件图的绘制
锻件图是根据零件图绘制的，在零件图的基础上考虑余块、机械加工余量和锻造公差三个因素而形成的。
锻件图上的锻件形状用粗实线描绘。为了便于了解零件的形状和检查锻造后的实际余量，在锻件图上用假象线（一线两点的点画线）或细实线画出零件的简单形状。锻件的公称尺寸和公差注在尺寸线上面，而机械加工后的零件工称尺寸注在尺寸线下面的括号内，加放余块的部分在尺寸线之间的括号内注上零件尺寸。在锻件图上还应注明锻件的总长和各部分的长度。
2 确定毛坯的重量和尺寸
1）毛坯重量的计算
锻制锻件所需毛坯重量为锻件重量与锻造时金属损耗的重量之和，计算重量的公式如下：
G 毛坯=G锻件+G切头+G烧损
式中 G 毛坯——所需原毛坯重量；
G 锻件——锻件的重量；
G 切头——锻造过程中切掉的料头等的重量；
G 烧损——烧损的重量。
当用钢锭作原毛坯时，上式中还应加上冒口重量G 冒口和底部重量G 底部。
锻件重量G 锻件根据锻件图决定。对于复杂形状的锻件，一般先将锻件分成形状简单的几个单元体，然后按公称尺寸计算每个单元体的体积，G 锻件可按下式求得：
G 锻件=γ（V 1+V2+„+Vn ）
式中 γ——金属的密度；
V 1、V 2、„V n ——各单元体体积。
2）毛坯尺寸的确定
毛坯尺寸的确定与所采用的第一个基本工序（镦粗或拔长）有关，所采用的工序不同，确定的方法也不一样。
（1）采用镦粗法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定
对于钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度H 不超过其直径D （或方形边长A ）的2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度H 不应小于1.25D （或A ），即
1.25D （A ）≤H ≤2.5D （A ）
对圆毛坯：
D=（0.8～1）
对方毛坯：
A=（0.75～0.9）坯
初步确定了D （或A ）之后，应根据国家标准选用直径或边长。最后根据毛坯体积V 坯和毛坯的截面积F 坯，即可求得毛坯的高度（或长度）。
H=V坯/F坯
（2）采用拔长法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定
对于钢坯，拔长时所用截面F 坯的大小应保证能够得到所要求的锻造比，即
F 坯≥YF 锻
式中 Y ——锻造比；
F 锻——锻件的最大横截面积。
按上式求出的钢坯的最小横截面积，并可进一步求出钢坯的直径（或边长）。最后，根据毛坯体积和确定的毛坯截面积求出钢坯的长度L 坯
L 坯=V坯/F坯
制定自由锻加工工艺规程举例
例1 齿轮零件自由锻造工艺
如图所示，该零件选择材料为45号钢，生产件数为30件，由于生产批量小，采用自由锻加工工艺锻制齿轮坯，其锻造工艺规程介绍如下。 坯
图2.15 齿轮
① 绘制锻件图 要求锻出齿轮零件图上的齿形和圆周上的狭窄凹槽，在技术上是不可能的，应加上余块，简化锻件外形。
根据《圆环类自由锻件机械加工余量和公差（JB4249.6—86）》查得：锻件水平方向的双边余量和公差为a=(12±5)mm ，锻件高度方向的双边余量和公差为b=(10±4)mm ，内孔的双边余量和公差为b=(14±6)mm ，由此绘出齿轮锻件图，如图所示。
图2.16 齿轮锻件图
② 确定齿轮变形工序及中间坯料尺寸 根据齿轮锻件图求出D=301mm，凸肩部分D 肩=301mm，d=131mm，H=62mm，凸肩部分高度H 凸=34mm，于是得到D 肩/d=2.29(1.63)，H/d=0.47，齿轮的变形工序可选为镦粗——拔长 ——扩孔。
A 、镦粗 由于齿轮锻件带有单面凸肩，须采用垫环镦粗，由此确定垫环尺寸，齿轮的锻造工艺过程如图所示。
图2.17 锻造工艺过程
垫环空腔体积V 垫应比锻件体积V 肩大10%～15%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取12%，经计算V 肩=753253mm3，于是V 垫=1.12V肩=1.12×753253=843643mm3。
考虑到冲孔时会产生拉缩，垫环高度H 垫应比锻件凸肩高H 肩增加15%～35%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取20%。
H 垫=1.2H肩=1.2×34=40.8mm，取40mm 。
垫环内径d 径根据体积不变条件求得，即
d 径=1.13V 垫
H 垫=1.13843643=164mm 40
垫环内比应有斜度（7º），上端孔径定为θ163mm ，下端孔径为θ154mm 。
为了去除氧化皮，在垫环上镦粗之前应进行自由镦粗，自由镦粗后坯料的直径应略小与垫环内径，而经垫环镦粗后上端法兰部分直径应比锻件最大直径小些。
B 、冲孔 冲孔应该考虑两个问题，即冲孔芯料损失要小，同时又要照顾到扩孔次数不能太多，冲孔直径d 冲应小于D/3，即≤D 213==71mm，实际选用d 冲=60mm。 33
C 、扩孔 总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即131－60=71mm。71mm 分三次扩孔，各次扩张量为21mm ，25mm ，25mm 。
D 、修正锻件 按齿轮锻件图进行最后修整。
③ 计算原坯料尺寸 原坯料体积V 0包括锻件体积V 锻和冲孔料芯体积V 芯和烧损体积，即
V 0=（V 锻+V芯）×（1+δ）
锻件体积按齿轮锻件图公称尺寸计算，V 锻=2368283mm3
冲孔芯料体积应考虑冲孔芯料厚度与毛坯高度有关。因为冲孔毛坯高度H 孔坯=1.05H锻=1.05×62=65mm，H 芯=(0.2～0.3) H孔坯，取0.2，则H 芯=0.2×65=13mm。因此，V 芯=π/4d2
23冲H 芯=π/4×60×13=36757mm.
烧损率δ取3.5%，则V 0=2489216mm3.
因为齿轮第一道工序是镦粗，所以坯料直径按以下公式计算：
D 0=(0.8～1.0) 0=108～135.8=120mm
取D 0=120mm， H 0=V 0
π2D 04=2
④ 选择设备吨位 根据锻件形状尺寸，查有关资料，可选用0.5t 自由锻锤。
⑤ 确定锻造温度范围 45钢的始锻温度为1200℃，终端温度为800℃。
⑥ 制定锻造工艺卡片（略）
例2 轴类零件自由锻造工艺
轴类零件自由锻加工工艺的基本工序是拔长，辅助工序是压肩。零件图如图所示。
图2.18 轴
轴自由锻造工艺：
压肩→拔长一端并切去料头→调头压肩→拔长、倒棱、滚圆→端部拔长并切去料头→全部滚圆并校直。其过程如图所示。
图2.19 锻造工艺过程
二、模型锻造成形工艺
模型锻造是用模具使坯料产生变形而获得锻件的锻造成形方法。在模型锻造时，金属时在锻模的模膛内成形。
利用模型锻造成形能减少金属的消耗和机加工量，缩短零件的制造周期。因此，人们利用模型锻造成形工艺可以获得尺寸和形状非常接近于完成零件的技术要求。模型锻造工艺效率高、其生产率是自由锻加工工艺的10倍左右。模型锻造的主要缺点是模具制造费用高。 模型锻造成形种类很多，根据使用的设备分为：锤上模锻，机械锻压机上模锻，平锻机上模锻等。
图2.20 锤上模锻
模型锻造工艺规程
模型锻造工艺规程内容包括：锻件图的制定、坯料的计算、工序的确定、和模锻模膛的设计、设备吨位选择、坯料的加热规范、热处理等。
1．模锻件图的制定 锻件图是根据产品零件图，结合技术条件和实际工艺而制订，它是用作设计及制造锻模、计算坯料及作为验收合格锻件的依据，是指导生产的重要技术文件。
在制定模锻件的锻件图时，需要正确的选择分模面，选定机械加工余量及公差，确定模
锻斜度与圆角半径、冲孔连皮，并在技术条件内说明在锻件图上不能标明的技术要求与允许偏差。
锻件图中锻件轮廓线用粗实线绘制；锻件分模线用点画线绘制；锻件尺寸数字标注在尺寸线的中上方，零件相应部分尺寸数字标注在该尺寸线的中下方括号内。
1）分模面的选择
所谓分模面是指上、下（或左、右）锻模在锻件上的分界面。它的位置直接影响到模锻工艺过程，锻模结构及锻件质量等。因此，分模面的选择是锻件图设计中的一项重要工作，需要从技术和经济指标上综合分析确定。选择分模面时首先必须保证模锻后锻件能完整地从模膛中方便地取出。还应考虑以下几点要求：
A 、最佳的金属充满模膛条件；
B 、简化模具制造，尽量选择平面；
C 、容易检查上下模膛的相对错移；
D 、有利于干净地切除飞边。
图2.21 合理选择分型面
2）机械加工余量和锻件公差
模锻件的加工余量和公差都较小。加工余量一般为1～4mm ，锻造公差一般取0.3～3mm 。具体数值可查阅JB/Z75-60(锤上模锻件机械加工余量和公差) 。
现举例说明模锻件确定加工余量和公差的方法。
例：零件名称：齿轮轴；
图2.22 齿轮轴
材料：45CrNi ；
生产条件：成批生产，在5t 模锻锤上锻造。
已知：零件最大高度H=80mm；最大长度L=350mm；最大宽度B=80mm；L/B=350/80=4.4；
2.43.5查资料得单边加工余量为3mm ，高度方向允许偏差为-=1.2；水平方向允许尺寸偏差为356-=1.8
2.0及80-+1.0。
3）确定模锻斜度
模锻件上与分模面相垂直的表面附加的斜度称为模锻斜度。模锻斜度的作用是使锻件很容易从模膛中取出，同时使金属更好的充满模膛。模锻斜度分外斜度和内斜度。锤上模锻的锻件外斜度值根据锻件各部分的高度与宽度之比值H/B，及长度与宽度之比值L/B查表（表8-2）确定。内斜度按外斜度增大2º或3º。
图2.23 模锻斜度
4）圆角半径的确定
模锻件上凡是面与面相交的地方都不允许有尖角，必须以适当的圆弧光滑的连接起来，这个半径称之为圆角半径。锻件上的凸角圆角半径为外圆角半径r ，凹角圆角半径为内圆角半径R 。外圆角的作用是便于金属充满模膛，并避免锻模的相应部分在热处理和模锻时因产生应力集中造成开裂；内圆角的作用是使金属易于流动充满模膛，避免产生折叠，防止模膛压塌变形，如图所示。圆角半径（R,r ）的数值根据锻件各部分的高度与宽度比值H/B查表确定。
图2.24 圆角半径
图2.25 圆角被压塌
5）冲孔连皮的选择
模型锻造时，不能直接锻出透孔，仅能冲出一个初孔形，而孔内还留有一层具有一定
厚度的金属称为冲孔连皮。冲孔连皮可以在切边压力机上冲掉或在机械加工时切除。模锻冲出初形孔，为的是使锻件更接近零件形状，减少金属的浪费，缩短机械加工时间，同时可以使孔壁的金属组织更致密。冲孔连皮可以减轻锻模的刚性接触，起到缓冲作用，以免损坏锻模。
冲孔连皮有四种型式，如图所示。冲孔连皮应有适当的厚度。在生产中是按锻件的外形轮廓、尺寸大小来选择连皮的型式及其厚度。
图2.26 冲孔连皮形式
2．坯料的质量和尺寸计算
模锻件坯料的计算涉及的因素较多，只能做粗略的估算。
模锻件坯料质量=模锻件质量+飞边质量+氧化烧损
根据模锻件的基本尺寸来计算质量，当有冲孔连皮时，应包括连皮量。飞边质量的多少与锻件的形状和大小有关，差别较大，一般可按锻件质量的20%～25%计算。氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的3%～4%计算。
模锻件坯料的尺寸与锻件的形状和所选的模锻种类有关。
1）盘形锻件 这类锻件的变形主要属于镦粗过程，因此坯料尺寸可按下式计算，防止镦弯。
1.25＜坯料高度＜2.5 坯料直径
坯料体积 锻件长度2）长轴类锻件 锻件沿轴线各处截面积相差不多，则坯料的尺寸可按下式计算： 坯料截面积=（1.05～1.3）
3）复杂锻件 形状复杂而各处截面积相差较大的锻件，金属的变形过程主要有拔长、滚压过程，使金属有积聚变形。坯料尺寸可按下式粗略计算：
坯料面积=（0.7～0.85）锻件最大部分的截面积（包含飞边）
3．模锻模膛设计
锤上模锻用的锻模是由带燕尾的上模和下模两部分组成，上、下模分别用楔铁固定在锤头和模座上，上、下模闭合所形成的空腔即为模膛。
模膛是进行模锻生产的工作部分，按其作用来分，模膛可分为模锻模膛和制坯模膛。
模锻模膛 模锻模膛包括终锻模膛和预锻模膛，所有的都要用终锻模膛锻件，而预锻模膛不一定都需要。
终端模膛：终端模膛是根据模锻锻件图设计并制造，它由模膛本体和飞边槽、钳口等组成。模膛形状及尺寸与锻件形状及尺寸基本相同，但因锻件的冷却收缩，模膛尺寸应比锻件大一个金属收缩量，钢件收缩量可取1.5%。沿模膛四周设有飞边槽，如图所示。飞边槽的作用是：容纳多余的金属；飞边槽桥部的高度小，对流向仓部的金属形成很大的阻力，可迫使金属充满模膛；飞边槽中形成的飞边能缓和上、下模间的冲击，延长模具的使用寿命。
图2.27 飞边槽结构
预锻模膛：预锻模膛是用来改善金属在终锻模膛中的流动条件，使其易于充满终端模膛，并提高模具使用寿命。因此对于形状较为复杂的锻件，常采用预锻模膛。
下列的几种锻件在模具设计时，一般都采用预锻模膛。
1） 带有工字形截面的锻件；
2） 需要劈开的叉形锻件；
3） 具有枝芽的锻件；
4） 具有高筋的锻件；
5） 具有深孔的锻件；
6） 形状复杂难充满的锻件；
7） 冷切边的锻件；
8） 为了提高模具使用寿命。
图2.28 需用预锻模膛的锻件
根据锻件复杂程度不同，锻模可分为单模膛锻模和多模膛锻模两种。单模膛锻模是在一副锻模上只有终端模膛，多模膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。
制坯模膛：对于形状复杂的锻件，为了使坯料形状、尺寸尽量接近锻件，使金属能合理分布及便于充满模锻模膛，就必须让坯料预先在制坯模膛内锻压制坯。制坯模膛主要有：
1） 拔长模膛 用来减小坯料某部分的横截面积增加该部分长度；
图2.29 拔长模膛
2） 滚压模膛 用来减小坯料某部分的横截面增大另一部分的横截面积；
图2.30 滚压模膛
3） 弯曲模膛 用于轴线弯曲的感形锻件的弯曲制坯；
此外还有切断模膛、镦粗台和击扁模膛等类型的制坯模膛。
图2.31 弯曲和切断模膛
模锻件分类
模锻件的分类是根据锻件的分模线的形状、主轴线的形状及模锻件形状等进行分类。
（1）长轴类锻件 常见的长轴类锻件有各种轴，如主轴、传动轴、和机车轴等。他们的分模线和主轴线都是直线。
图2.32 长轴类锻件
（2）短轴类锻件 （方圆类锻件） 常见的短轴类锻件有齿轮、法兰盘、十字轴和万向节叉等。这类锻件在平面图上两个相互垂直方向的尺寸大约相等。
图2.33 短轴类锻件
（3）弯曲类锻件 这类锻件的主轴线是弯曲线，而分模线是直线；或分模线是弯曲的，主轴线是直线；或者主轴线和分模线都是弯曲的。
（4）叉类零件 这类锻件主轴线仅通过锻件主体的一部分，而且在一定的地方主轴线通过锻件两个部分之间。
（5）枝芽类零件 这类锻件的主轴线是直线或曲线，而且在局部有圆滑的弯曲或急弯凸起部分，凸起的部分称为枝芽。
三、胎模锻
胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。所用的模具称为胎膜，胎膜不用固定在锤头和砧座上，用时才放上去。一般选用自由锻方法制坯，在胎模中最后成形。胎模锻是介于自由段和模锻之间的一种工艺，与自由锻和模锻相比有以下特点：
①模具简单，容易制造，使用方便；
②不需要贵重的模锻设备；
③可以生产形状较复杂的锻件，加工余量小，节约金属和加工工时；
④操作方便，生产率高。
⑤胎模锻的缺点是胎模寿命短，工人劳动强度大。
⑥胎模锻适用于中、小批量的锻件生产。
胎模的分类：
胎模的种类很多，主要有扣模、套筒模和合模三种。
①扣模 用来对坯料进行全部或局部扣形，主要生产非回转类锻件，如图2.34（a ）所示。 ②套筒模 锻模呈套通形，主要生产齿轮、法兰盘、等回转类零件，如图2.34（b ）和图
2.34（c ）所示。
③合模 通常由上、下模及导向装置组成，主要生产形状复杂的非回转体锻件，如图2.34（d ）所示。
胎模锻工艺过程包括制定工艺规程、制造胎模、下料、加热、锻制和后续工序等。
图2.34 胎膜锻
四、金属的其他塑性成形工艺
科学技术的不断发展，对压力加工生产提出了越来越高的要求：不仅要生产出各种毛坯，而且还要直接生产出各种形状复杂的零件；不仅能用易变形的材料进行生产，而且还要用难变形的材料进行生产。因此，近年来在压力加工生产中出现了许多新工艺、新技术，如超塑性成形、粉末锻造、零件的挤压、零件的轧制、精密锻造、多向模锻、旋转锻造、电镦成形、液态模锻以及高能高速成形等。这些压力加工新工艺的特点是：
①尽量使锻压件的形状接近零件的形状，达到少无切削加工的目的，从而可以节约原材料和切削加工工作量，同时得到合理的纤维组织，提高零件的力学性能和使用性能；
②具有更高的生产率；
③减小变形率，可以在较小的锻压设备上制造出大锻件；
④广泛采用电加热和少氧化、无氧化加热，提高锻压件表面质量，改善劳动条件。
（一）精密模锻
精密模锻是在锻造设备上锻造出形状复杂、高精度的锻件的成型工艺。锻件的精度达到精密级公差和余量标准（GB/T12362-1990）规定的锻造方法称为精密锻造。精密模锻工艺方法很多，这里是指在锤、摩擦压力机及曲柄压力机等普通锻压设备上的精密模锻。
1．精密模锻工艺过程
一般精密模锻的工艺过程大致是：先将原始坯料用普通模锻工艺制成中间坯料，接着对中间坯料进行严格清理，除去氧化皮和缺陷，最后在无氧化皮或少氧化皮气氛中加热，再进行精锻。为了最大限度的减少氧化皮，提高精锻件的品质，精锻过程的加热温度应较低一些。对于碳钢件，锻造温度在450～900℃之间，因此精锻也称为温模锻。精锻时，需要在中间坯料上涂敷润滑剂，以减少摩擦，延长锻模使用寿命，降低设备的功率消耗。
2．精密模锻工艺特点
1）需要精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料，否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。
2）需要细致清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层等。
3）为提高锻件的尺寸精度和降低表面粗糙度，应采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。
4）精密模锻的锻件精度在很大程度上取决于锻模的加工精度，因此，精锻模膛的精度必须很高，一般要比锻件精度高两级。精锻模一定要有导柱导套结构，保证合模准确。为排除模膛中的气体，减少金属流动阻力，使金属更好的充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。
5）模锻时要很好的润滑和冷却锻模。
6）精密模锻一般都在刚度大、精确度高的模锻设备上进行，如曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤等。
3．优点
1）锻件尺寸精度较高和表面粗糙度较低，可不经或只需少量机械加工，一般精密锻件的公差余量约为普通锻件的1/3，表面粗糙度为Ra2.5～3.2μm 。
2）节约金属，提高生产率。
3）具有良好的金属组织和流线，提高了零件的力学性能。
4）零件生产成本低。
（二）挤压成形
挤压是利用锻压设备的简单往复运动，使金属通过模具内具有一定形状和一定尺寸的孔，发生塑性变形而得到所需要的工件。
1．零件的挤压方式
根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向的关系，挤压具有四种基本方式，如图所示。
图2.35 正挤压
正挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压法适用于制造横截面是圆形、椭圆形、扇形、矩形等的零件，也可是等截面的不对称零件。
图2.36 反挤压
反挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压法适用于制造横截面为原形、方形、长方形、多层圆形、多格盒形的空心件。
图2.37 复合挤压
复合挤压 挤压时坯料的一部分金属流动方向与凸模运动方向一致，而另一部分金属流动方向则与凸模运动方向相反。复合挤压法适用于制造截面为圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、杯-杆类零件。
图2.38 径向挤压
径向挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直。此类成型过程可制造十字轴类零件，也可制造花键轴的齿形部分、齿轮的齿形部分等。
挤压设备为机械压力机或液压机。
2．挤压的特点及应用
根据挤压金属温度的不同，挤压可分为冷挤压、温挤压和热挤压三种。
1）冷挤压的特点及应用
金属材料在再结晶温度一下进行的挤压为冷挤压。对于大多数金属而言，其在室温下的挤压即为冷挤压。冷挤压的主要优点是：
①由于冷挤压过程中金属材料受三向压应力作用，挤压变形后材料的晶粒组织更加致密；金属流线沿挤压轮廓连续分布；加之挤压变形的加工硬化特性，使挤压件的强度、硬度及耐疲劳性能显著提高。
②挤压件的精度和表面品质较高。一般尺寸精度可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra=1.6～0.2μm 。故冷挤压是一种净形或近似净形的成型方法，且能挤出薄壁、深孔、异型截面等一些较难进行机加工的零件。
③材料利用率高，生产率也高。
冷挤压已在机械、仪表、电器、轻工、宇航、军工等部门得到应用。
但冷挤压的变形力相当大，特别是对较硬金属材料进行挤压时，所需的变形力更大，这就限制了冷挤压件的尺寸和质量；冷挤压模材质要求高，常用材料为W18Cr4V 、Cr12MoV 等；设备吨位大。而且，为了降低挤压力，减少模具磨损，提高挤压件表面品质，金属坯料常须进行软化处理，尔后清除其表面氧化皮，在进行特殊的润滑处理。
2）温挤压的特点及应用
把坯料加热到强度较低，氧化较轻的温度范围进行挤压成为温挤压。温挤压兼有冷、热挤压的优点，又克服了冷、热挤压的某些不足。对于一些冷挤压难以成形的材料如：不锈钢、中高碳钢、耐热合金、镁合金、钛合金等，均可用温挤压成形。而且坯料可不进行预先软化处理和中间退火，也可不进行表面的特殊润滑处理，有利于机械化、自动化生产。另外，温挤压的变形量较冷挤压大，这样可减少工序、降低模具费用，且不一定需要使用大吨位的专用挤压机。但温挤压件的精度和表面品质不如冷挤压。
3）热挤压的特点及应用
热挤压时，由于坯料加热至锻造温度，这使得材料的变形抗力大为降低；但由于加热温度高，氧化脱碳及热胀冷缩等问题，大大降低了产品的尺寸精度和表面品质。因此，热挤压一般都用于高强（硬）度金属材料如高碳钢、高强度结构钢、高速钢、耐热钢等的毛坯成形。如热挤发动机气阀毛坯，汽轮机叶片毛坯，机床花键轴毛坯等。
（三）内高压成型
1．成形原理
液力成形是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。按使用的坯料的不同，可以分为三种类型：板料液力成形、壳体液力成形和管坯液力成形。板料和壳体液力成形使用的成形压力一般较低，而管坯内成形的压力较高，一般要达到几千甚至上万大气压，故称为内高压成形。
内高压成形的原理是通过内部加压和轴向加力不了把管坯压入到模具型腔使其成形。其基本工艺过程为：首先将管坯放在下模内，然后闭合上模将管的两端用水平冲头和密封，并使管坯内充满液体，在加压胀形的过程中，两端的冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成形为所需的工件。
内高压成形使用与制造航空、航天、汽车行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形、截面或异型截面的空心构件以及管路配件等。如汽车方面的应用有：排气系统异型管件，副车架总成；底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架；发动机托架；棚顶托梁和内支架等多种空心轻体件。在飞机上的轻体构件有：空心结构框梁；发动机上中空轴类件；进排气系统异型管和复杂管接件等。
对于轴线为曲线的零件，还需要把管坯预弯成接近零件的形状，然后加压成形。用内高压成形可以一次成形出沿着构件的轴线截面不同的复杂零件，这是内高压成形的主要优点。
目前，该技术已用于汽车、飞机等机器制造领域的实际生产。在飞机、航天器和汽车等领域，减轻重量以节约材料和运行中的能量使人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术的发展趋势之一。进入20世纪90年代，由于燃料和原材料成本原因，即环保法规对废气排放的严格限制，使汽车结构的轻量化显得日益重要。除了在结构上采用轻合金材料外，减重的另一个主要途径就是在减重上采用“以实代空”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构即可以减轻重量节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。内高压成形正是在这样的背景下发展起来的一种制造空心轻体件的先进制造技术。
2．优点
与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形的主要优点有：
1）减轻重量节约材料。对于空心轴类零件可以减轻重量40%～50%，有些件甚至可达75%。
2）减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压成形件通常仅需要一套模具，而冲压间大多需要多套模具。
3）可减少后续机械加工和组装焊接量。
4）提高强度与刚度，尤其疲劳强度。
5）降低生产成本。据统计，内高压件比冲压件平均降低成本15%～20%，模具费用降低20%～30%。
（四）超塑性成形
1．金属的超塑性概念
一般工程上用延伸率δ来判断金属材料塑性的高低。通常在室温下，黑色金属的δ值一般不超过40%，有色金属也不会超过60%，即使在高温时也很难超过100%。但有些金属材料在特定的条件下，即材料具有等轴稳定的细晶组织（晶粒平均直径在0.5～5μm ）；变形
-5-2温度0.5～0.7T 熔；极低的形变速度ε=10～10m/s时可呈现超塑性，其延伸率δ超过100%，
如钢δ＞500%，纯钛δ＞300%，锌铝合金δ＞1000%。
超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，变形应力仅为常态下金属变形应力的几分之一到几十分之一。因此，该种金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂成形件。
目前常用的超塑性成形材料主要是锌合金、铝合金、钛合金及某些高温合金。
2．超塑性成形工艺的应用
①板料冲压 当零件直径较小，高度较高。选用超塑性材料可以一次拉深成形，拉深件品质很好，性能无方向性。
②板料气压成形 板料气压成形过程是：把超塑性金属板料放于模具中，板料与模具一起加热到规定温度，向模具内吹入压缩空气或抽出模具内的空气形成负压，板料浆紧贴在凹模或凸模上，获得所需形状的成形件。该法可加工厚度为0.4～4mm 的板料。
③挤压和模锻 高温合金及钛合金在常态下塑形很差，变形抗力大，不均匀变形引起各向异性的敏感性强，用常规工艺难以成形，材料损耗极大。如采用普通热模锻毛坯再进行机械加工的方法，金属损耗达80%左右，致使产品成本过高。如果在超塑性状态下进行模锻，就完全克服了上述缺点。
3．超塑性模锻工艺特点
①扩大了可锻金属材料的种类，如过去只能采用铸造成形的镍基合金，现在也可以采用超塑性模锻成形。
②金属填充模膛的性能好，可锻出尺寸精度高、机械加工余量很小甚至不用加工的零件。
③能获得均匀细小的晶粒组织，零件的力学性能均匀一致。
④金属的变形抗力小，可充分发挥中小设备的作用。
利用金属基合金的超塑性，为制造少无切削加工的零件开辟了一条新的途径。
（五）多向模锻
多向模锻是将坯料放入锻模内，用几个冲头从不同方向同时或依次对坯料加压，以获得形状复杂的精密锻件的成形新工艺。多向模锻能锻出具有凹面、凸肩或多向孔穴等形状复杂的锻件，这些锻件难以用常规的模锻设备制造。多向加压改变了金属的变形条件，提高了金属的塑性，适宜于塑性较差的高合金钢的模锻。由于多向模锻在实现锻件精密化和改善锻件品质等方面具有独特的优点，因此它在工业发达国家已被广泛采用。多向模锻过程如图所示。多向模锻一般需要在具有多向施压特点的专门锻造设备上进行。
图2.39 多向模锻
1．多向模锻的优点
①多向模锻采用封闭式锻模，不设计飞边槽，锻件可设计成空心的，精度高，锻件易于脱模，模锻斜度小，因此可节约大量金属材料。多向模锻的材料利用率为40%～90%。
②多向模锻尽量采用挤压成形，金属分布合理，金属流线较为理想。多向模锻件强度一般可提高30%以上，极有利于产品的精密化和小型化。因此，航空、空间技术、原子能工业中的受力机械零件广泛采用多向模锻件。
③多向模锻往往在一次加热过程中就完成锻压工艺，减少锻件的氧化损失，有利于模锻件的机械化操作，显著降低了劳动强度。
④多向模锻工艺本身可以使锻件精度提高到理想程度，从而减少了机械加工余量和机械加工工时，使劳动生产率提高，产品成本下降。
⑤对金属材料来说，多向模锻适用范围广泛，不但可应用于一般钢材与非铁合金材料，而且也可应用于高合金钢与镍铬合金等材料。在航空、石油、汽车、拖拉机、与原子能工业中的中空架体、活塞、轴类件、筒形件、大型阀体、管接头以及其他受力机械零件都可采用多向模锻件。
2．多向模锻的局限性
①需要配备适合于多向模锻工艺特点的专用多向模锻压力机，锻件成形压力高于一般模锻成形压力，需要大吨位的设备。
②送进模具中的坯料只允许极薄的一层氧化皮，要是多向模锻取得良好的效果，必须对坯料进行感应电加热或气体保护无氧化加热，因此电力消耗较大．
③坯料尺寸要求严格，质量偏差要小，因此下料时要对尺寸进行精密计算或试料。
（六）摆动碾压
1．摆动碾压的原理
摆动碾压简称摆碾，其工作原理可以从图9-15所示的运动轨迹为圆的摆头结构来分析。锥体模（上模）的轴线与放在下模的坯料轴线呈γ角度，上模作交变频率的圆周摆动，即一面绕轴心旋转，一面对坯体的顶端进行碾压。液压柱塞推动下摸使坯料不断向上移动，摆头每一瞬间能碾压坯料顶面的某一部分，使其产生塑性变形。当液压柱塞到达顶点位置时，即可获得所需的摆碾件。
图2.40 运动轨迹为圆的摆头结构
2．摆动碾压的类型
①按成型温度分为冷摆碾成形（温度低于T 再），温摆碾成形（温度等于T 再）及热摆碾成形（温度高于T 再）。
②按摆碾运动方式分为如图所示的三种类型。通过控制内外两层偏心套的偏心距传动摆头（锥体模），摆碾头的运动轨迹可以为圆、直线、螺旋线、菊花线和多叶玫瑰线等五种，以适应复杂零件的需要。
图2.41 摆辗的三种类型
3．摆碾的特点及应用
①坯料接触面积小, 故所需成形压力小，设备吨位仅为一般冷段设备吨位的5%~10%。 ②碾压属于冷变形，变形速度慢，且逐步进行，因此摆碾表面光滑，表面粗糙度R a =0.4~1.6μm; 尺寸精度高，尺寸误差为0.025mm 。
③能碾压成形高径比很小、一般锻造方法不能成形的薄圆盘件，如厚度为0.2mm 的薄圆片。
④设备占地面积小，周期短，投资少，易于机械化、自动化。
目前，冷摆碾除用来制造铆钉外，还用来冷摆碾成形各种形状复杂的轴对称件，如汽车和拖拉机的伞齿轮、齿环、推力轴承圈、端面凸轮、十字头、轴套、千斤顶、棘轮等。热摆碾多用来成形尺寸较大及精度要求高的件，如汽车半轴、法兰、摩擦盘、火车论、锣、钹、蝶形弹簧及铣刀片等。
（七）液态模锻
液态模锻的实质是把金属液直接浇入金属膜内，，然后在一定时间内以一定的压力作用于液态（或半液态）金属上使之成形，并在此压力下结晶和产生局部塑性变形。他是类似挤压铸造的一种先进工艺。
液态模锻实际上是铸造加锻造的组合工艺，它既有铸造工艺简单、成本低的优点，又有锻造产品性能好、品质可靠的优点。因此，在生产形状较复杂而在性能上又有一定要求的锻件时，液态模锻更能发挥其优越性。
1．液态模锻的工艺过程
液态模锻的工艺过程是把一定量的金属液浇入下模（凹模）形腔中，然后在金属液还处在熔融或半熔融状态（固相加液相）时便施加压力，迫使金属液充满型腔的各个部位而成形。
图2.42 液态模锻
液态模锻工艺流程为：原材料配制→熔炼→浇铸→加压成形→脱模→放入灰坑冷却→热处理→检验→入库。
液态模锻基本上是在液压机上进行的。摩擦压力机因为压力和速度无法控制，冲击力很大，而且无法保持恒压，故很少使用。液压机的压力和速度可以控制，操作容易，施压平稳，不易产生飞溅现象，故使用较多。
2．液态模锻工艺的主要特点
①在成形过程中，金属液在压力下完成结晶凝固，改善了锻件的组织和性能。
②已凝固的金属在压力作用下，产生局部塑性变形，使锻件外侧壁紧贴模膛壁，金属液自始至终处于等静压状态。但是，由于已凝固层产生塑性变形要消耗一部分能量，因此，金属液承受的等静压不是定值，而是随着凝固层的增厚而下降的。
③液态模锻对材料的适应范围很宽，不仅适用于铸造合金，而且适用于变形合金，也适用于非金属材料（如塑料等）。铝、铜等非铁金属以及钢铁金属的液态模锻已大量用于实际生产中。目前，铝、镁合金的半固态模锻也逐渐进入工业应用。
（八）粉末锻造
1．粉末锻造的原理
粉末锻造是粉末冶金成形和锻造相结合的一种金属成形工艺。普通的粉末冶金件的尺寸精度高，但塑性与冲击韧度差；锻件的力学性能好，但精度低。二者取长补短，就形成了粉末锻造。它的工艺过程，如图所示，是将粉末预压成形后，在充满保护气体的炉子中烧结制坯，将坯料加热至锻造温度后进行模锻。
图2.43 粉末锻造
2．粉末锻造的优点
①材料利用率高，可达90%，而模锻的材料利用率只有50%左右。
②力学性能好，材质均匀，无各向异性，强度、塑性和冲击韧度都很高。
③锻件精度高，表面光洁，可实现无切削或少切削加工。
④生产率高，每小时产量可达500～1000件。
⑤锻造压力小，如130汽车差速器星星齿轮，钢坯锻造需用2500～3000kN 的压力机，粉末锻造只需800 kN的压力机。
⑥可以加工热塑性差的材料，如难以变形的高温铸造合金；可以锻出形状复杂的零件，如差速器齿轮、柴油机连杆、链轮、衬套等。
（九）零件的轧制成形
用轧制方法除了可生产型材、板材和管材之外，还可生产各种零件，它在机械制造业中得到了越来越广泛的应用。零件的轧制有一个连续静压过程，没有冲击和振动，使它与一般锻造和模锻相比，具有一定的特点。
1．零件轧制的特点
①因为工件连续变形的每一瞬间，模具只与毛坯的一部分接触，，所以，所需设备结构简单，吨位小，投资少。
②震动小、噪声低，劳动条件好，生产率高，易于实现机械化和自动化。
③模具可用价廉的球墨铸铁或冷硬铸铁来制造，节约贵重的模具钢材，加工也较容易。 ④轧制时的金属纤维组织连续，按锻件外廓分布，故锻件力学性能好。
⑤材料利用率高，可达到90%以上。
2．零件轧制的类型
1）纵轧
纵轧是轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法如辊锻轧制、碾环轧制等。
①辊锻轧制 辊锻轧制是把轧制工艺应用到锻造生产中的一种新工艺。辊锻是使坯料通过装有扇形模块的一对相对旋转的轧辊时受亚尔变形的成形工艺，如图所示。它既可以作为模锻前的制坯工序，也可直接辊锻锻件。目前，成形辊锻适用于如扳手、活动扳手等扁截面的长杆件、汽轮机叶片及连杆类零件的生产。
图2.44 辊锻
②辗环轧制 辗环轧制是用来扩大环形坯料的外径和内径，从而获得各种无接缝环状零件的轧制成形工艺，如图2.45（a ）。图中辗压轮由电动机带动旋转，利用摩擦力使坯料在辗压轮和芯辊之间受压变形。辗压轮还可由油缸推动做上下移动，改变它与芯辊之间的距离，使坯料厚度减小、直径增大。导向辊用以保障坯料正确运送，信号辊用来控制环坯直径。如在环坯端面安装端面辊，则可进行径向-轴向辗环成形，如图2.45（b ）。
（a ）径向辗环 （b ）径向-轴向辗环
图2.45 碾环轧制
只需采用不同的辗压轮、端面辊机芯棍的截面形状，即可生产各种横截面的环类零件，如火车轮箍、轴承座圈、齿轮及法兰等。
2）横轧
横轧是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制成形工艺，如齿轮轧制等。
齿轮轧制是一种少无切削加工齿轮的新工艺。直齿轮和斜齿轮均可用热轧制造，如图所示。在轧制前将毛坯外缘加热，然后将带齿形的轧轮作径向进给，迫使轧轮与毛坯对辗。在对辗过程中，坯料上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部“反挤”而上升，形成齿顶。
图2.46 齿轮热轧
3）斜轧
斜轧又称螺旋斜轧，它是轧辊轴线与坯料轴线相交一定角度的轧制成形工艺，如周期轧制如图2.47（a ），钢球轧制，如图2.47（b ）、丝杠冷轧等。
（a ）周期轧制 （b ）钢球轧制
图2.47 斜轧
螺旋斜轧采用的轧辊带有螺旋型槽，相交成一定角度，并作同方向旋转，坯料在轧辊间既绕自身轴线转动，有向前进，与此同时受压变形获得所需产品。螺旋斜轧可以直接热轧出带螺旋线的高速滚刀体、、自行车后闸壳以及冷轧丝杠等。
螺旋斜轧钢球是使棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制并分离成但个球，轧辊每转一周即可轧制出一个钢球。轧制过程是连续的。
4）楔横轧
①楔横轧原理
利用轧件轴线与轧辊轴线平行，轧辊的辊面上镶有楔型凸棱，并作通向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的成形工艺成为楔横轧，如图所示。该工艺适用于成形高径比不小于1的回转体轧件。
图2.48 楔横轧
在楔横轧中，坯料的变形过程主要是靠两个楔型凸棱压缩坯料，使坯料的径向尺寸减小、轴向尺寸增大。
楔横轧机适合轧制各种实心、空心台阶轴，如汽车、摩托车、电动机上的各种台阶轴，凸轮轴等。
图2.49 两辊式楔横轧
2.3 金属板料成型
金属板料成形（板料冲压）是利用压力装置和模具，使板材产生分离或塑性变形，从而获得成形件或制品的压力加工方法。金属板料的厚度一般都在6mm 以下，且在再结晶温度以下（通常是在常温下）进行，故板料成形又常称为冷冲压（8mm 以上采用热冲压）。
冲压加工广泛的应用于军工和民用金属制品的生产中，尤其是汽车、拖拉机、航空、电器、仪表等工业中，冲压占有十分重要的地位。
冷冲压的一般流程为：
→工艺设计、原料准备
零件图 →成形→修整→检验→成品
→模具设计、模具制造
板料成形按特征分为分离（冲裁）过程和成形过程两大类.
一、板料分离过程
分离过程是使坯料一部分相对于另一部分产生分离而得到工件或者坯料，如落料、冲孔、
切断、修整等。
1．落料与冲孔
落料与冲孔统称为冲裁。在落料和冲孔过程中，坯料的变形过程和模具结构均相似，只是材料的取舍不同。落料是被分离的部分为成品，而留下的部分是废料；冲孔是被分离的部分为废料，而留下的部分是成品。例如冲制平面垫圈，制取外形的冲裁工序成为落料，而制取内孔的工序成为冲孔。
1）金属板料冲裁成形过程
冲裁件质量、冲裁模结构与冲裁时板料的变形过程密切相关。当凸、凹模的间隙正常时，冲裁变形过程可分为三个阶段，如图所示。
图2.50 冲裁变形过程
①弹性变形阶段 在凸模压力下，板料产生弹性压缩、拉伸和弯曲变形并向上翘曲，凸、凹模的间隙越大，板料弯曲和上翘越严重。同时，凸模挤入板料上部，板料的下部则略挤入凹模孔口，但板料的内应力未超过材料的弹性极限。
②塑性变形阶段 凸模继续压入，板料内的应力达到屈服点时，便开始产生塑性变形。随凸模挤入板料深度的增大，塑性变形程度增大，变形区板料加工硬化加剧，冲裁变形力不断增大，直到刃口附近侧面的板料由于拉应力的作用出现微裂纹时，塑性变形阶段结束。 ③断裂分离阶段 随凸模继续压入，已形成的上下微裂纹沿最大剪应力方向不断向板料内部扩展，但上下裂纹重合时，板料便被剪断分离。
2）剪切面特征带
冲裁件的切断面不很光滑，并有一定锥度。与冲裁过程各变形阶段相对应，冲出的工件断面具有明显的特征带，即圆角带、光亮带、断裂带和毛刺 。
图2.45 剪切面特征
圆角带是冲裁过程中刃口附近的材料被弯曲和拉伸变形的结果。在大间隙和软材料冲裁
时，圆角带尤为明显。
光亮带是塑性变形阶段刃口切入板料后，材料被模具侧面挤压而形成的表面。光亮带光滑、垂直，是剪切面上精度和质量最高的部分，通常光亮带占全断面的1/2～1/3。塑性好的材料，其光亮带大。
断裂带是由于刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，表面粗糙无光泽，略呈锥度。塑性差的材料，断裂带大。
毛刺是伴随裂纹的出现而产生的。当凸模和凹模件的间隙不合适或刃口变钝时，会产生较大的毛刺。
3）冲裁间隙
冲裁间隙是一个重要的工艺参数，它不仅对冲裁件的断面质量有极重要的影响，而且还应向模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度等。
①间隙过小 当间隙过小时，如图所示，凸模刃口处裂纹相对于凹模刃口裂纹向外错开，两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带。因间隙过小，凸、凹模受到金属的挤压作用增大，从而增加了材料与凸、凹模之间的摩擦力。这不仅增大了冲裁力、卸料力和推件力，还加剧了凸、凹模的磨损，缩短了模具的寿命。但是间隙小，光亮带增加，圆角带、断裂带和斜度都有所减小。只要中间撕裂不是很严重，冲裁件仍然可以使用。
（a ）间隙过小 （b ）间隙适中 （c ）间隙过大
图2.46 间隙对断面质量的影响
②间隙过大 当间隙过大时，如图所示，凸模刃口裂纹相对于凹模刃口裂纹向内错开，板料的弯曲与拉伸加大，易产生剪切裂纹，塑性变形阶段较早结束，致使切断面光亮带减小，圆角带与锥度增大，形成厚而大的拉长毛刺，且难以去除。同时冲裁件的翘曲现象严重。另一方面，推件力和卸料力大为减小，材料对凸、凹模的摩擦作用大大减弱，所以模具寿命较长。因此，对于批量较大而公差有无特殊要求的冲裁件，可适当采用“大间隙”冲裁。 ③间隙合理 当间隙合理时，如图所示，上、下裂纹重合一线，冲裁力、卸料力和推件力适中，墨具有足够长的寿命。这时光亮带占板厚的1/2～1/3，圆角带、断裂带和锥度均很小。
合理的间隙只可按表1选取。对冲裁间品质要求较高时，可将表中数据减小1/3。
4）凹凸模刃口尺寸的确定
设计落料模时，以凹模作为设计基准，即使落料模的凹模刃口尺寸等于落料件的尺寸， 而凸模的刃口尺寸等于凹模刃口尺寸减去双边间隙值。
设计冲孔模时，以凸模作为设计基准，使冲孔模的凸模刃口尺寸等于被冲孔径尺寸， 而凹模的刃口尺寸等于凸模刃口尺寸加上双边间隙值。
5）冲裁力的计算
冲裁力是确定设备吨位和检验模具强度的重要依据。冲裁力计算准确，有利于设备潜力的发挥；冲裁力计算不准确，有可能使设备超载而破坏，造成严重事故。
平刃冲模的冲裁力按下式计算： P=KLδη 式中， P ——冲裁力（N ）；
K ——系数，一般可取K=1.3； L=——冲裁件周边长度(mm)；
δ——冲裁间厚度(mm)；
η——材料的抗剪强度（Ｍpa ），可查有关手册确定，也可根据η=0.8ζb 估算。
6) 冲裁件的排样
排样是指落料件在条料、带料或板料上进行布置的方法。合排样理可减少废料，提高板料的利用率。图2.47所是为同一落料件的四中排样方式，分为无搭边排样，图2.47（d ）和有搭边排样，图2.47 (a、b 、c) 两种类型。无搭边排样是利用落料件的一个边作为另一个落料件的边。这种排样板料利用率最高，但落料件尺寸不易精确，毛刺不在同一平面上，质量较差，只有在对落料件品质要求不高时才采用。有搭边排样是在各个落料件之间均留有一定尺寸的搭边。其优点是毛刺小，而且在同一个平面上，落料件尺寸精确，品质较好，但板料消耗较多。
（a ） （b) （c ） （d ）
图2.47 同一落料件的四种排样方式
2．切断
切断是指用剪刃或冲模将板料或其他型材沿不封闭轮廓进行分离的工序。 切断用以制取形状简单、精度要求不高的平板类工件或下料。 3．修整
如果零件的精度和表面粗糙度要求较高，则需用修整工序将冲裁后的孔或落料件的周边进行修整，即利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，如图所示，以提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。
修正所切除的余量很小，一般每边约为0.02～0.05mm ，粗糙度可达Ra=1.6～0.8μm ，精度可达IT7～IT6。实际上，修正工序的实质属于切削过程，但比机械加工的生产率高得多。
图2.48 修整
二、板料成形过程
成形过程是使板料发生塑性变形而形成一定形状和尺寸的工件。主要有拉深、弯曲、翻边和成形等。
1．拉深
拉深是利用拉深模使板料变成开口空心件的冲压工序。拉深可以制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其它复杂形状的薄壁零件。
图2.49 拉深变形过程
与冲裁摸不同，拉深凸模、凹模都具有一定的圆角而不具有锋利的刃口，它们之间的单边间隙一般稍大于板料厚度。
拉深系数
拉深件直径d 与坯料直径D 的比值称为拉深系数，记为m ，即m=d/D，是衡量拉深变形程度的指标。拉深系数越小，变形程度越大，板料被拉入凹模越困难，因此越容易产生拉裂。一般情况下，拉深系数取0.5～0.8，塑性差的板料取上限值，塑性好的板料取下限值。如果拉深系数过小，不能一次拉深成形时，可采用多次拉深工艺。
拉深中常见的废品及其防止措施 （1）拉裂
拉深过程中，拉深件最危险的部位是直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的屈服点时，此处将被拉裂。应采用减少拉应力的措施防止拉裂。
（2）起皱
拉深时，毛坯法兰部分由于失稳而产生波浪形称为起皱。可以采用压边圈来防止起皱。
图2.50 拉深件起皱
图2.51 采用压边圈防止起皱
2．弯曲
弯曲是将板料弯成一定角度、一定曲率而形成一定形状零件的工序。
平板坯料→弯曲成形
图2.52 弯曲
弯曲变形的特点：
板料的内侧受压缩短，外侧受拉伸长，中性层长度不变。 板料的外侧会因受拉而开裂，因此要控制最小弯曲半径。 中性层长度不变可以用来计算弯曲毛坯的长度。 弯曲存在的回弹现象。
3．其它冲压工艺
除弯曲和拉深外，冲压成形还包括胀形、翻边、缩口和旋压等。这些成形工序的共同特点是板料只有局部变形。
（1）胀形
胀形主要用于板料的局部胀形（或叫起伏成形），如压制凹坑、加强筋、起伏性的花纹及标记等。另外，管形料的胀形（如波纹管）、板料的拉形等，均属胀形工艺。
胀形时，板料的塑性变形局限于一个固定的变形区之内，通常没有外来的材料进入变形区内。变形区内板料的变形主要是通过减薄壁厚、增大局部表面积来实现的。
由于胀形使板料处于两向拉应力状态，变形区的坯料不会产生失稳现象，因此，冲压成形的零件表面光滑，品质好。胀形所用的模具可分为钢模和软模两类。软模胀形使板料的变形比较均匀，容易保证零件的精度，便于成形复杂的空心零件，所以在生产中广泛应用。用软凸模胀形的两种方式如图所示。
图2.53 用软凸模的胀形
2．翻边
翻边是使材料的平面部分或曲面部分上沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成形工艺，在生产中应用较广。根据零件边缘的性质和应力状态的不同，翻边可分为内孔翻边，如图所示和外缘翻边。
图2.54 内孔翻边
圆孔翻边的主要变形是坯料的切向和径向拉伸，越接近孔边缘变形越大。因此，圆孔翻边的缺陷往往是边缘拉裂。翻边破裂的条件取决于变形程度的大小。圆孔便形程度可用下式表示：
K 0=d0/d
式中，K 0——翻边系数；d 0——翻边前孔径（mm ）；d ——翻边后孔径（mm ）。
显然，K 0值越小，变形程度越大。翻边时孔边不破裂所能达到的最小K 0值称为极限翻边系数。对于镀锡铁皮，K 0为0.65～0.7；对于酸洗钢，K 0为0.68～0.72。
当零件所需的凸缘较高，一次翻边成形有困难时，可采用先拉伸、后冲孔（按K 0计算得到的容许孔径）、再翻边的工艺来实现。
3．旋压
旋压过程的工艺过程是：用顶块把坯料压紧在模具上，机床主轴带动模具和坯料一同旋转，手工操作擀棒加压于坯料，反复辗压，使坯料逐渐贴与模具上成形。
旋压成形虽然是局部成形，但是如果坯料的变形量过大，也容易产生起皱甚至破裂缺陷。所以变形量大的旋压件需要多次旋压成形。对于圆筒旋压件，旋压成形的变形程度可用旋压系数m 表示，即：
m=d/ D
式中，d ——旋压件直径（mm ）；
D ——板料直径（mm ）；
m ——旋压系数，m=0.6～0.8。
相对厚度较小时，m 取上限；反之，m 取下限。
由于旋压件加工硬化严重，多次旋压时必须经过中间退火。 三、 冲模的分类及构造 冲模按基本构造分类：
（1）简单模 冲床的一次冲压过程中只完成一个冲压工序的冲模称为简单模。
图2.55 简单模
（2）连续模 冲床的一次冲压过程中，在冲模不同位置上，完成两个以上冲压工序的冲模称为连续模。
图2.56 连续模
（3）复合模 冲床的一次冲压过程中，在冲模的同一位置上，完成两个冲压工序的冲模称为复合模。
图2.56 复合模