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第三篇 固态金属塑性成形工艺,周志斌 2012.03.20,第六章 模锻工艺及锻模设计,一、金属塑性成形概述 概念 :在外力作用下，利用塑性变形获得所需的形状和力学性能的零件和毛坯的加工方法，也称为压力加工。 1.工艺方法及分类,1.轧制成形 轧制也叫压延，是金属坯料通过一对旋转轧辊之间的间隙而使坯料受挤压产生横截面减少、长度增加的塑性变形过程。 它是生产型材、板材和管材的主要方法。生产效率高、产品质量好、成本低、节约金属。,图6-1 轧制,挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯料产生定向塑性变形，并通过模具上的孔型，而获得具有一定形状和尺寸的零件的加工方法。,2. 挤压成形,图6-3 挤压,3. 拉拔成形 拉拔是使金属坯料通过一定形状的模孔，使其横截面减小、长度增加的加工方法，如图6-5所示。产品形状尺寸精确、表面质量好、机械强度高，常用于拔制金属丝、细管材和异型材等。,图6-5 拉拔,4. 自由锻,自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下砥铁之间，施加冲击力或压力，使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法。,坯料在锻造过程中，除与上下砥铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具通用性强。,自由锻主要用于： 单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。,5. 模锻,模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内，在锻压力的作用下迫使坯料变形而获 得锻件的一种加工方法。,坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。,曲轴锻模,模锻按使用的设备不同分为： 胎模锻 锤上模锻 压力机上模锻,1）由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂； 2）锻件内部的锻造流线比较完整，从而提高了零件的力学性能和使用寿命。 3）锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和切削加工工时； 4）生产率较高； 5）操作简单，易于实现机械化； 6）生产批量越大成本越低。,与自由锻相比，模锻的优点是：,1）模锻是整体成形，摩擦阻力大，故模锻所需设备吨位大，设备费用高； 2）锻模加工工艺复杂，制造周期长，费用高。故只适用于中小型锻件的成批或大批生产。,模锻广泛应用于： 国防工业和机械制造业，按质量计算模锻件在飞机上占85%，坦克占70%，汽车占80%，机车占60%。,模锻的缺点：,6. 板料冲压,板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。 板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。,冲压工艺广泛应用于：汽车、飞机、农业机械、仪表电器、轻工和日用品等工业部门。,板料冲压的特点：,1）在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力。 2）金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结构轻巧，强度和刚度较高。 3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需机械加工即可作零件使用。 4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。 5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。 6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适用于大批量生产。,带钢,各种型钢,曲轴与连杆,传动轴万向节毛坯,拖钩,吊环,第一节 毛胚加热与锻件冷却,一、毛胚的加热的方法（教材106页） 1.燃料加热 2.电加热 3.少无氧化加热 二、锻件的冷却方法 1.空冷 2.砂冷 3.炉冷,第二节 锻件分类及锻件图设计,模 膛,模锻模膛,制坯模膛,拔长模膛,终锻模膛,预锻模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,1 .预锻模膛,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，终锻时，金属容易充满终锻模膛。 同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模的使用寿命。,一、模锻模膛,预锻模膛和终锻模膛的区别： 预锻模膛的圆角、斜度较大，没有飞边槽。 终锻模膛的圆角、斜度较小，有飞边槽。,2. 终锻模膛,终锻模膛的作用是：是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。,沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。,终锻后无法加工通孔而留下的一薄层金属，称为冲孔连皮。,终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。钢件收缩量取1.5%,对形状复杂的模锻件,为使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布和很好地充满模锻模膛，就必须预先在制坯模镗内制坯，因而设制坯模膛。,二、制坯模膛,当模锻件沿轴向横截面积相差较大时，常采用这种模膛进行拔长。拔长模膛分为开式和闭式两种.一般情况下，把它设置在锻模的边缘处。生产中进行拔长操作时。坯料除向前送进外并需不断翻转。,1、拔长模膛用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。,滚压模膛分为开式和闭式两种： 当模锻件沿轴线的横截面积相差不很大或对拔长后的毛坯作修整时，采用开式滚压模膛。 当模锻件的截面相差较大时，则应采用闭式滚压模膛。,在坯料长度基本不变的前提下用它来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。,2、滚压模膛,滚压操作时需不断翻转坯料，但不作送进运动。,对于弯曲的杆类模锻件，需采用弯曲模膛来弯曲坯料。 坯料可直接或先经其它制坯工步后放入弯曲模膛进行弯曲变形。 弯曲后的坯料需翻转90再放入模锻模膛中成形。,单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口； 多件锻造时，用它来分离成单个锻件。,3、 弯曲模膛,4、切断模膛,它是在上模与下模的角部组成的一对刃口，用来切断金属。,根据模锻件的复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。 单膛锻模是在一副锻模上只有终锻模膛一个模膛。 如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料，直接放人单膛锻模中一次终锻成形。 多膛锻模是在一副锻模上具 有两个以上模膛的锻模。 如弯曲连杆模锻件的锻模即为 多膛锻模 。,弯曲连杆多模膛模锻过程,锻件图的设计,1)选择模锻件的分模面,分模面是指上下锻模在模锻件上的分界面。它在锻件上的位置是否合适，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率及锻模加工等一系列问题。选定分模面的原则是： (1) 应保证模锻件能从模膛中取出来。如图7-8所示轮形件，把分模面选定在aa面时，已成形的模锻件就无法取出。一般情况，分模面应选在模锻件的最大截面处。,(2) 按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，及时而方便地调整锻模位置。图7-8中的cc面被选定为分模面，就不符合此原则。,(3) 分模面应选在能使模膛深度最浅的位置上。 这样有利于金属充满模膛，便于取件，并有利于锻模的制造。图78中的b-b面，就不适合作分模面。,(4) 选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。 图78中的b-b面被选作分模面时，零件中间的孔不能锻出来，孔部金属都是敷料，既浪费金属，又增加了切削加工的工作量。所以该面不宜作分模面。,(5) 分模面最好是一个平面，以便于锻模的制造，并防止锻造过程中上下锻模错动。,按上述原则综合分析，图7-8中的d-d面是最合理的分模面。,敷料 为了简化零件形状、便于锻造而增加的一部分金属称为敷料(也称为余块)。如消除零件上的键槽、窄环形沟槽、齿谷或尺寸相差不大的台阶结构而增加的金属均属敷料。 机械加工余量 零件的加工表面上为机械加工而增加的一层金属。 锻件公差 锻件的实际尺寸与名义尺寸之间所允许的偏差，称为锻件公差。,2)确定敷料、机械加工余量和尺寸公差,机械加工余量一般为： 14mm,锻造公差一般取： 0.33 mm,尺寸余量和公差的影响因素 ： 1）锻件重量和轮廓尺寸 ； 2）锻件形状复杂系数 S，即：,式中锻件材质密度 ，g/ cm,圆形锻件的外廓包容体体积：,圆形锻件的外廓包容体重量：,非圆形锻件的外廓包容体重量和体积,3） 锻件材质系数（可锻性） 材料锻造难易程度，分为 两级：,分为普通 , 精密两级。精密级公差适用于精密锻件。,M1级 指碳的质量分数小于0.65的碳或合金 元素总量小于3.0 的合金钢。,M2级 指碳的质量分数等于或大于0.65的碳钢 或合金元素总量等于或大于3.0 的合金钢。,4）锻件精度等级,5）加热条件 主要影响收缩量和表层氧化。 为什么要全面综合考虑上述因素来确定加工余量和锻件公差呢？ 这是因为： 一是国内外市场对产 品精度要求越来越高； 二是企业为了降低原 材料消耗和加工成本。,锻件的各种尺寸和余量公差 见（GB/T-12362-1990）,三、模锻斜度（GB/T-12361-1990）,锻件出模受力分析 F取=（FT cosFsin） = F（cossin）,模锻斜度值依模膛深宽比（H/B）选用3、5、7、10、 12、15 等标准值，便于选用标准铣刀加工。,上、下模模膛的模锻斜度应相互衔接和匹配，即加上匹配 斜度，如图所示。,四、锻模圆角半径（ GB/T-12361-1990 ）,锻模圆角半径与 B/H 有关。H大，锻模圆角半径也 应增大。 锻件凸角处的最小半径 r = 余量+零件的倒角值； 按铣刀标准值选取：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、 4.0 、5.0 等,模锻件的圆角半径,圆角半径过小，导致 转角处出现开裂,圆角半径与质量关系,圆角半径对金属纤维的影响,折迭与圆角半径的关系 模锻前情况 b) 模锻中间情况 c) 模锻最后情况,五、冲孔连皮,对于d 25mm的加工孔，不予锻制。 对于d 25mm的加工孔，先锻制盲孔，用冲孔连皮隔离上下凸头。 冲孔连皮按锻孔直径大小分为平底连皮 、斜底连皮# 带仓连皮和拱底连皮四类。,平底连皮,斜底连皮,带仓连皮,拱底连皮,1、平底连皮,适于d2.5 h 或 25mm d 60 mm 的孔。 连皮厚度 s 按图确定或计算，,即,2、斜底连皮,斜底连皮 适用于 ： d2.5 h 或 d60 mm,3、带仓连皮,终锻模膛中采用。 厚度 s 和宽度 b，按飞边槽桥口值 h , b 确定。,4、拱底连皮 用于锻造大孔，孔高小。 连皮增加金属消耗。 可考虑用连皮形成小件，即采用合锻，一次得 到大小两件。,锻件图(冷锻件图)是 在零件图上画出加工余量 、