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锻件的结构设计及工艺性分析
2.1 对锻造零件结构工艺性的要求
1、结构力求简单、对称，横截面尺寸不应有突然变化。
2、锻模件应有合理的锻造斜度和圆角半径。
3、材料应具有良好的可锻性。
2.2 锻件组织特点
金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。[15]锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命
2.3 锻件的结构工艺性
锻件的结构工艺性是指锻件的结构设计在满足使用性能和保证质量的前提下，在一定的生产条件和生产规模下，能以最少的劳动量，最低的成本、最高的生产率的方法锻造成型的性质。
在进行锻件的结构设计时，应充分考虑到：1）锻件材料；2)锻造设备与工装；3）生产批量；4）零件的使用要求；5）零件的形状和尺寸特征等因素，从中寻求最合理的工艺过程所对应的具有良好工艺性的锻件结构。[14]因此，要求设计人员不但要熟练地掌握锻件的设计知识，而且还要很好的了解工艺知识。
2.3.1自由锻件的结构工艺性
1、自由锻件的分类
自由锻造是一种通用性很强的工艺方法，锻件结构品种繁多，复杂程度不等。自由锻件的成型过程均由一系列变形工序组合而成。因此，自由锻件可按锻造工艺特点，根据锻件的形状特征和变形性质加以分类。具体有：饼块类、空心类、轴杆类、曲轴类、弯曲类、复杂形状。
2、自由锻件结构设计要点
自由锻件的结构因受其加工使用设备和工具的限制，在设计时应考虑到锻造是否方便、经济和可能。因此，自由锻件的结构应力求简单、对称，由直线和平面或圆柱面组成的平滑形状。（具体要点有第三大节举例说明）
3、自由锻件的结构要素
a．余块的设计 为简化锻件外形及锻造过程，在自由锻件的某些地方添加一些大于余量的金属，这部分体积的金属成为余块。在设计余块时，应该注意：
ⅰ、对于短凸缘（法兰）的锻件，为了防止凸缘在锻造时的变形，应在轴向添加余块，使凸缘增长。
ⅱ、当零件相邻台阶直径相差不大时，可以在直径较小的地方添加径向余块。
ⅲ、当零件上较小的孔，窄的凹档以及难以用自由锻造成型的复杂形状，均可通过加设余块以使锻件外形得以简化。
ⅳ、对于需要试样检验以及需留有热处理或机械加工夹头的锻件，应在锻件的相应部位添加余块。
余块的添加虽然使锻造工艺得以简化，但金属的消耗以及机械加工工时也相应增加。这一问题应视锻件的生产批量和工具制造等情况综合考虑。
b.台阶与凹档的设计 为使自由锻件上的台阶和凹档在锻造时能够顺利进行，应对其最大高度和最小长度的几何参数加以限制。
c.法兰的设计 自由锻件的法兰可分为端部法兰和中间法兰两种形式。在进行锻件设计时，应对在指定的截面尺寸条件下可锻出法兰的最小厚度或长度这一几何参数加以限制。当锻件的法兰厚度或长度不满足条件时，应适当加大法兰厚度或长度方向的余量。对于端部法兰，亦可采用将两锻件连锻后切割的方法。
d.孔的设计 带孔的自由锻件可按其基本尺寸特征，分为盘类、环类、短筒类和长筒类四类。
在进行自由锻件孔的设计时，应考虑以下因素：
ⅰ、对于锤锻件，当孔径d<30mm时，H>3d或H≤3D、d≤0.5D的孔，一般均允许不锻出。
ⅱ、对于套筒件，当孔径d<30mm或壁厚t<12mm时，也可以不锻出。
ⅲ、对于水压机锻件，其孔径d<150mm时，可以不冲出。
ⅳ、所有带孔锻件的最小冲孔直径，均与锤锻的吨位有关。
e．凸台的设计 锻件上凸台的几何参数主要有高度尺寸h和宽度尺寸b（或直径d）
在设计凸台时应注意：
ⅰ、对于圆盘形锻件，当其直径D/d≤1.2，高度H≤4h时，凸台可以不锻出。
ⅱ、对于非圆形锻件，当其边长B/b≤1.2，高度H≤4h时，凸台亦可不锻出。
f．自由锻件的加工余量与公差 零件的公称尺寸、锻件的公称尺寸、加工余量和锻造公差之间存在一定的关系。
4、锻件图
锻模设计、工艺规程制订、模锻生产过程、锻模加工及锻件检验，都离不开锻件图。锻件图分为冷锻件图和热锻件图，冷锻件图用于最终锻件检验和热锻件图设计；热锻件图用于锻模设计与加工制造。习惯上将冷锻件图称为锻件图。冷锻件图根据零件图设计，通常要解决下列问题。
a.确定分模面
模锻件是在可分的模腔中成形，组成模具型腔的各模块的分合面称为“分模面”；分模面与锻件表面的交线称为锻件的“分模线”。锻件分模位置合适与否，直接关系到锻件成形、出模，材料利用率等一系列问题。因此，分模线是模锻件最重要、最基本的结构要素。
确定分模位置最基本的原则是：保证锻件形状尽可能与零件形状相同，容易从模腔中取出；此外应争取获得镦粗成形。故此，锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上。
为了提高锻件质量和生产过程的稳定性，除满足上述分模原则外，确定开式模锻件的分模位置还应考虑下列要求：
ⅰ、为使分模结构尽量简单和便于发现上下模在模锻过程中的错移，分模平面尽可能采用直线状，并应使分模线选在锻件侧面的中部；
ⅱ、头部尺寸较大的长轴类锻件，不宜直线分模，而应用折线分模，使上下模型腔深度大致相等，以确保尖角处能充填饱满；
ⅲ、为便于锻模加工制造和锻件切边，同时也为了节约金属材料，当圆饼类锻件的H≤（2.5～3）D时，则无论是在锤上锻造还是在曲柄压力机上锻造或螺旋压力机上锻造，都应考虑径向分模，而尽量不采用轴向分模。因径向分模的锻模型槽可车削加工，效率高，工时省，切边模刃口形状简单，制造方便；径向分模还可锻出内腔，节约金属。但当H/D较大时，锤上模锻时，显然不能再考虑径向分模。若仍采用径向分模，则因模具高度尺寸太大，锻造困难，锻锤打击能量下降，需要的出模力也大；
ⅳ、对金属流线有要求的锻件，为避免纤维组织被切断，应尽可能沿锻件截面外形分模，如肋顶分模。同时还应考虑锻件工作时的受力情况，应使纤维组织与剪应力方向垂直。
b 确定锻件的机械加工余量和公差
普通模锻方法很难满足机械零件的要求，一般来说存在如下两方面的问题，即：
ⅰ、锻件走样。由于欠压、锻模磨损、上下模错移、毛坯体积和终锻温度的波动，使得锻件的形状发生变化，尺寸在一定范围内波动；又由于锻件出模需要模膛带有斜度，锻件侧壁不得不添加敷料；形状复杂的长轴类锻件还可能发生翘曲歪扭，从而导致锻件与零件有较大的差别；
ⅱ、表面质量不易保证。由于锻件表面氧化与脱碳，合金元素蒸发与污染，表面裂纹时有发生；表面粗糙度也达不到零件图要求等，使得锻件的表面质量远远低于机械加工零件表面质量；
正是这两方面的原因，使得锻件设计时，不得不考虑添加一层包覆零件外层的金属，即余量，而且还得规定适当的公差，以保证锻件的误差落在余量范围之内。
自由锻件的锻件图时在零件图的基础上加上机械加工余量、锻造公差和余块等绘制成的。在锻件图上锻件的形状用粗实线绘制，零件的形状用双点划线在锻件图内绘制。锻件的公称尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件的公称尺寸和公差标注在尺寸线的下面，并且加以括号见图2-3-1。
图2-3-1 自由锻件的锻件图示例
Fig.3-1-1 Forging a free sample of forgings map
锻件上凡是需要机械加工的表面，都应给予加工余量。此外，对于重要的承力件，要求100%取样试验或为了检验和机械加工定位的需要，还得考虑必要的工艺余块。加工余量的大小与零件的形状复杂程度、尺寸精度、表面粗糙度、锻件材质和模锻设备等因素有关。过大的余量将增加切削加工量和金属损耗；加工余量若不足，又会使锻件废品率增加。
目 录
摘 要 I
Abstract II
前 言 1
第1章 绪论 3
1.1 目前锻件的应用 3
1.2 目前国内外发展概况和发展趋势 4
第2章 锻件的结构设计及工艺性分析 5
2.1 对锻造零件结构工艺性的要求 5
2.2 锻件组织特点 5
2.3 锻件的结构工艺性 5
2.3.1自由锻件的结构工艺性 5
2.3.2 模锻件的结构工艺性 9
第3章 锻件的结构设计错误示例及其改进 12
3.1 模锻件的分模位置问题 12
3.1.1 上下对称锻件的分模位置不应选在上平面或下平面 12
3.1.2 倾斜锻件不宜采用折线分模 13
3.1.3 左右对称的锻件，分模面不宜选在过度截面上 14
3.1.4 高度小于或者等于台阶直径的圆饼类锻件，不宜轴向分模 15
3.1.5 头部较大的轴类锻件不宜直线分模 16
3.2 模锻件的模锻斜度问题 17
3.2.1 模膛内侧不能与分模面垂直 17
3.2.2 同一锻件的内模斜度不应比外模斜度小 18
3.2.3 同一锻件上不宜出现多种模锻斜度 20
3.2.4 分模面两侧的模锻斜度不能相互错开 21
3.3 零件上过于复杂的部分不要锻出，应合理设计余块 21
3.3.1 对于有凸缘的锻件 22
3.3.2对于有难成形的复杂形状的锻件 23
3.3.3 对于零件相邻台阶直径相差不大的锻件 25
3.4 需增设定位块的锤上模锻件 26
3.5 模锻件连皮的问题 27
3.5.1 冲孔连皮不能太薄，也不宜太厚 27
3.5.2 锻件内孔较大时，不宜用平底连皮 28
3.5.3 锻件上的小孔不宜锻出连皮, 只进行压凹 29
3.6 对于法兰较薄的锻件，在锻件两侧各增加一块工艺凸台敷料 31
3.7 合理确定锻件的分合 32
3.7.1 单拐曲线两件合锻 32
3.7.2 轴套类零件两件合锻 33
3.7.3 复杂模锻件的分锻 34
3.7.4 有骤变横截面模锻件的分锻 35
3.8 合理确定锻件的凸肩 36
3.8.1 凸肩与锻件直径相差不大时不宜锻出凸肩 36
3.8.2 高度过小的凸肩不要锻出 37
3.9 自由锻件结构应力求简单 38
3.9.1 自由锻件应尽量避免有锥形和斜度平面 38
3.9.2 自由锻件应避免两曲面或曲面与棱柱面交接 40
3.9.3 自由锻件应避免加强筋 41
3.9.4 自由锻件不允许在基体上或在叉件内侧有凸台 42
3.9.5 大型锻件台阶余面的重量不能忽视,锻造设备不能选择过大，也不能选择太小 43
3.10 孔径小于30mm的孔，不宜锻出 45
3.11 模锻件应尽可能直接模锻成形 46
3.12 加大连接板的厚度 47
3.13 复杂锻件应成对称形状，可使模具和夹具通用 48
3.14 合理选择锻件上的倒圆半径 49
3.15 不能忽视预锻成型 50
3.16 平锻机上终锻成形时的冲孔芯料不能太薄 51
3.17 合理安排毛刺、飞边的位置 52
第4章 结论 54
参 考 文 献 55
致 谢 56
