锻造工艺的种类
发布时间：
2020-04-08
制造锻件的基本方法（或工艺）主要有三种。
模压锻造
模压锻造 通过将金属置于两副模具（称为工装）之间进行压制，而这些模具上已预先刻有所需零件的轮廓。采用这一工艺可生产重量从几盎司到6万磅不等的零件。其中一些小型零件甚至是在冷态下进行锻造的。
工艺操作
流程步骤的图形化展示。
过程能力
通常称为闭式模锻，对钢、铝、钛及其他合金进行的模压成形工艺，能够生产出种类几乎无限的三维零件，其重量范围从几盎司到超过25吨不等。模压件通常在液压机、机械压力机和锤锻机上制造，这些设备的公称力分别可达5万吨、2万吨和5万磅。
顾名思义，当锻坯发生塑性变形时，两个或多个带有零件形状压印的模具相互贴合。由于金属流动受到模具轮廓的约束，该工艺能够获得比自由锻更为复杂的形状和更严格的公差。此外，在进入精整模进行最终成形之前，通过多种预成形工序（有时还包括弯曲）进一步提升了对对称与非对称形状的成形灵活性。
零件的几何形状范围很广，从最易锻造的简单球形、块状长方体和盘状结构，到具有薄而长的截面、并包含细薄筋板以及较高垂直凸起（如加强筋和凸台）的复杂构件，不一而足。尽管许多零件总体上呈对称结构，但也有不少零件集成了各种设计特征（如法兰、凸出部、孔、腔体、凹槽等），从而使锻件呈现出高度非对称的形态。此外，这些零件还可能在单个或多个平面内发生弯曲或曲面成形，无论其基本形状是纵向的、等截面的还是扁平的。
大多数工程金属和合金均可采用传统的模锻工艺进行锻造，其中包括：碳钢与合金钢、工具钢、不锈钢、铝及铜合金，以及部分钛合金。而对于应变率与温度敏感的材料（如镁、高合金镍基高温合金、难熔合金以及某些钛合金），则可能需要更为复杂的锻造工艺和/或专用的模锻设备。
冷锻
大多数锻造工艺均在热态下进行，温度可高达2300华氏度；然而，模锻的一种变体——冷锻，则是在室温或更低的条件下实施。冷锻涵盖多种工艺，包括弯曲、冷拔、冷镦、压印、挤压等，能够生产出形状各异的零件。用于冷锻的金属温度范围可从室温直至数百摄氏度不等。
工艺操作
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过程能力
冷锻工艺涵盖多种工序，包括弯曲、冷拔、冷镦、压印、挤压、冲孔、滚丝等，可生产出种类繁多的零件形状。这些零件包括各类轴类部件、杯形件、带杆和轴的空心件、各种镦粗（头部成形）与弯曲结构，以及多种组合形式。
最近，采用温挤压工艺已成功制造出多种径向流动结构件，包括带中心法兰的圆形构件、矩形件以及具有三重和六重对称性的非轴对称件。而在钢棒、钢丝或钢条的冷锻成形中，带有三平面弯曲及头部结构特征的轴类零件亦屡见不鲜。
典型零件在重量10磅及以下时最具成本效益；对称性较好的零件在7磅以内也易于实现自动化加工。材料选择范围涵盖低合金钢和碳素钢、300系列与400系列不锈钢、精选铝合金、黄铜及青铜等。
有时，对于高碳钢牌号或可省去工序间退火的工况，会优先采用温锻工艺而非冷锻工艺。
冷锻件常被用于诸如内置凸缘和凸台等整体结构设计中，广泛应用于汽车转向与悬架部件、防抱死制动系统、五金件、国防零部件以及其他对高强度、高精度公差和大批量生产有需求的领域，因其兼具经济性而备受青睐。
在此过程中，经过化学润滑处理的棒材坯料在极高的压力下被强制送入闭式模具中。由于未加热，金属便沿模具型腔流动并成形为所需形状。如图所示，正向挤压时，金属流动方向与压头施加的力方向一致，适用于减小棒材直径、同时增加长度的情形。反向挤压则使金属流动方向与压头施加的力相反，可用于生产空心件。而在镦粗工艺中，金属流动方向与压头施加的力垂直，从而实现直径增大、长度缩短的效果。
自由锻
开式模锻 该工艺在无预切轮廓的平板模具之间进行，模具本身不参与成形。工件的运动是这一方法的关键。对于重量超过20万磅、长度达80英尺的大型零件，均可采用此法进行锤击或压力成形。
工艺操作
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过程能力
自由锻可生产重量从几磅到超过150吨的锻件。之所以称为“自由锻”，是因为在锻造过程中，金属并未受到模膛的侧向限制；该工艺通过逐次变形，将初始坯料逐步加工成所需形状，最常见的是在两块平砧之间进行。实际上，自由锻包含多种工艺变体，能够制造出极为广泛的形状与尺寸。事实上，当设计要求对大型金属构件实现最佳结构完整性时，自由锻凭借其卓越的尺寸适应性，使其成为优于非锻造工艺的首选方案。在尺寸范围的高端，自由锻件的极限仅受初始坯料尺寸的制约，即所能铸造的最大钢锭的规格。
几乎所有的可锻铸铁和有色金属合金均可进行自由锻，其中包括一些特殊材料，如时效硬化高温合金和耐腐蚀耐火合金。
自由锻造的成形能力确实十分广泛。除了圆形、方形、矩形、六角形等基本截面形状外，自由锻造工艺还可生产：
- 阶梯轴和实心轴（主轴或转子）在其纵向轴线上多个位置处的直径发生增大或减小（呈阶梯状变化）。
- 空心圆柱形，通常其长度远大于零件的直径。长度、壁厚、内径和外径均可按需调整。
- 环状构件的外形可类似于垫圈，或在高度与壁厚之比不同时呈近似空心圆柱体的形态。
- 轮廓成型的金属壳体，如压力容器，可集成挤压式接管及其他结构特征。
与在一套模具中依次进行的连续锻造工序类似，多个开式模锻工序也可组合使用，以获得所需的成形形状。同时，这些锻造工艺还可根据具体需求加以优化，以实现恰当的总变形量和最佳的晶粒流动组织，从而最大限度地提升材料性能并满足特定应用的最终要求。例如，锻造整体式齿轮毛坯与轮毂时，可能需要先经过多次拔长或镦粗等工序，再实施镦粗；同样，环类零件的毛坯也可通过先对铸锭进行镦粗、再钻孔中心的预处理工艺制备，随后再进行环件的锻造。
无缝轧制环形锻件
无缝轧制环形锻件 通常的做法是在一块厚实的圆形金属坯料上冲出一个孔（形成环形），然后将该环状坯料轧制并挤压成薄环（在某些情况下亦可采用锤击的方式）。环的直径范围可从几英寸到30英尺不等。
工艺操作
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过程能力
采用无缝环轧工艺锻造的环件，重量可从不足1磅至35万磅不等，外径则覆盖从几英寸到30英尺直径的范围。在性能方面，用于能源发电、矿山开采、航空航天、非公路设备及其他关键领域的圆形截面锻环，可谓无出其右。
无缝环形构件可呈扁平状（如垫圈），亦可具有较高的垂直壁面（近似于中空圆柱段）。轧制环件的高度范围从不足一英寸直至超过9英尺。根据所采用的设备不同，环件的壁厚与高度之比通常介于1:16至16:1之间，但通过特殊工艺也可实现更高的比值。事实上，直径达48英寸、长度超过20英尺的无缝管材，可在2万至3万吨级的锻造压力机上挤压成型。
尽管矩形截面的基本形状最为常见，但具有复杂且功能性强的截面轮廓的环件亦可锻造而成，以满足几乎任何设计需求。顾名思义，这类异形轧制环件可在内径和/或外径上呈现多种多样的轮廓造型，其形状种类多达数千种。异形环件的一大优势在于大幅减少机加工工序。毫不意外，定制化异形环件往往能够实现零部件的整合，从而带来成本节约。与平面端面的无缝轧制环件相比，异形轧制环件的最大尺寸（端面高度与外径）虽略低，但仍具有相当可观的规格。
优异的切向强度与良好的塑性使锻造环件特别适用于承受扭矩与压力的零部件，如齿轮、航空发动机轴承、轮毂轴承、联轴器、转子隔圈、密封盘与壳体、法兰、压力容器以及阀体等。其材料不仅涵盖碳钢与合金钢，还涉及铝、铜、钛等有色金属合金，以及镍基合金。 https://www.forging.org/types-of-forging-processes#2
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