五邑大学粉末冶金及陶瓷成型技术.ppt

第2章 金属的塑性成形,金属塑性成形的工艺基础 锻造 板料冲压 特种压力加工方法简介,2.1 金属塑性成形的工艺基础,一、金属塑性成形定义： 利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和机械性能的材料、毛坯或零件的成形工艺方法，称为金属的塑性成形（也称压力加工）。,塑性成形过程中作用于金属坯料上的外力性质： 主要有冲击力和压力,2.1.1 概述,二、金属塑性成形的基本生产方式*,1. 轧制 金属坯料在两个回转轧辊孔隙中受压变 形，以获得各种产品的加工方法。,2. 挤压 金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而 变形的加工方法。,3. 拉拔 将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的 加工方法。,4. 锻造 金属坯料在上下抵铁间或锻模模膛内受冲 击力而变形的压力加工方法。,5. 板料冲压 金属坯料在冲模之间受压分离或变形 的加工方法。,三、应用与特点：,常用的金属型材、板材、棒材、管材和线材等原材料，大多是通过轧制、拉拔、挤压等方法制成。 凡承受冲击或交变载荷作用的重要机器零件，通常采用锻件作毛坯，再经切削加工而制成，如主轴、曲轴、连杆、齿轮等。 板料冲压广泛用于加工板材，薄壁零件，如汽车、电器、仪表及日用品制造业等方面。 与铸造成形件相比，塑性成形件的力学性能较好，但塑性成形工艺一般不宜用来制造形状复杂的零件。同时塑性成形的设备费用也较高。,金属在外力作用下将产生变形，变形过程包括弹性变形和塑性变形。其中，弹性变形是可恢复的变形，不能用于成形加工，只有塑性变形才能用于成形加工。,2.1.2 金属变形过程中的组织与性能,一、 金属塑性变形的实质,1、单晶体的塑性变形,*金属塑性变形的实质是晶体内部产生滑移的结果。 而滑移是由位错运动产生的。,理论上：,实际上：,2、多晶体的塑性变形,包括晶内变形 晶间变形两方面：,引发组织与性能的变化：,(1)晶格沿变形最大的方向被拉长，形成纤维组织，性能趋于各向异性 (2)晶粒间产生碎晶，发生扭曲，位错密度增加，产生冷变形强化。 (3)晶粒择优取向，形成形变织构。 (4)产生残余内应力,常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响：,金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这一现象称为冷变形强化，又称加工硬化。,此现象 不稳定,二、冷变形后金属在加热时组织与性能的变化：,回复和再结晶,回复温度： T回=(0.250.3)T熔,再结晶温度: T再=0.4T熔,T回、T熔、T再分别是以绝对温度表示的金属回复、熔化、再结晶的温度。,塑性变形分为冷变形和热变形,冷变形：在再结晶温度以下的变形 热变形: 在再结晶温度以上的变形,对纯金属：,冷变形,热变形,热变形有再结晶现象，无加工硬化痕迹,塑性变形分,特点,问题：为什么锻件质量优于铸件？,冷变形无再结晶现象，只有加工硬化现象,三、热变形后金属的组织与性能,金属的致密度提高，消除了部分铸锭缺陷 组织细化，力学性能提高 出现锻造流线（亦即纤维组织），金属呈现各向异性,原因,纤维组织,铸锭在压力加工中产生塑性变形时,基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们沿变形方向被拉长，呈纤维形状,其中纤维状杂质不能经再结晶而消失,而在塑性变形后被保留了下来。这种结构称为纤维组织。,1、使金属在性能上具有方向性,纤维组织特点,2、变形程度越大，纤维组织越明显,3、纤维组织只能靠锻压方法改变。,零件使用和制造时 要充分考虑纤维组织！,2.1.3 合金的锻造性能及影响因素,是衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一个工艺性能。,*评定指标： 塑性 ，变形抗力,*影响因素：,一. 金属的本质,1. 化学成份的影响 2. 金属组织的影响,二. 加工条件,1. 变形温度的影响 2. 变形速度的影响 3. 应力状态的影响 4.坯料表面质量,2.2 锻造,利用冲击力或压力使金属坯料在上下抵铁间或锻模模膛内发生变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件，这种工艺方法称为锻造。,锻造方法：,2.2.1 锻造方法,一、自由锻,是利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁之间产生变形，从而达到所需形状及尺寸的锻件的工艺方法。,分类：手工锻造和机器锻造,所用设备分为：锻锤类、机械压力机、水压机三类,特点：,工具简单。 具有较大的通用性，可锻造的锻件质量为1kg300t。 在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一成型方法。,包括空气锤、 空气-蒸气锤,自由锻设备空气锤,锻造设备的规格以锤头的吨位表示。 空气锤（或空气-蒸气锤）的吨位是以其落下部分的重量来衡量的。通常在651000kg之间。,自由锻的工序：,1、基本工序 使金属坯料产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状和尺寸的工艺过程。,2、辅助工序 为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。,3、精整工序 是在完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸及位置精度的工序。,生产中常采用的有： 镦粗； 拔长； 冲孔； 弯曲；位错； 扭转； 切割等,如：压肩；倒棱；压钳口等,如：滚圆、平整等,自由锻工艺规程的制订,1、绘制锻件图 2、坯料重量及尺寸计算 3、选择锻造工序（工步）,1、绘制锻件图,敷料： 为了简化锻件形状、便于进行锻造而增加的一部分金属。,加工余量： 在零件的加工表面上增加供切削加工用的金属。,锻件公差： 锻件名义尺寸的允许变动量。,锻件图是设计和制造锻模，计算坯料和检查锻件的依据。是以零件图为基础，结合工艺特点绘制而成。,应考虑以下几个方面：,1、敷料、余量和公差,a) 锻件余量及敷料：1-敷料；2-余量； b) 锻件图,1,2,a）,b）,2、坯料重量及尺寸计算：,G坯料=G锻件+G烧损+G料头,先计算体积：V坯 = m坯 / 然后计算坯料的直径D0或边长A0,（1）坯料质量的确定,（2）坯料尺寸的确定,3、确定变形工艺方案：基本工序、辅助工序、修整工序,自由锻的工艺规程示例,二、胎模锻,是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。,胎模的种类有：,(2)胎模锻件的形状和尺寸基本与锻工技术无关，靠模具保证，对工人技术要求不高，操作简便，生产率较高；,(3)胎模锻造的形状准确，尺寸精度较高，因而敷料少，加工余量小；,(4)胎模锻件在胎模内成形，锻件内部组织致密，纤维分布更符合性能要求。,胎模锻与自由锻比较有以下特点：,(1)胎模锻造不需采用昂贵设备，并扩大了自由锻设备的生产范围；,(1)胎模锻造不需采用昂贵的较大吨位的设备，但工人的劳动强度大；,(2)胎模锻造工艺操作灵活，可以局部成形；,(3)胎模是一种不固定在锻造设备上的模具，结构较简单，制造容易，但模具寿命短。,胎模锻与模锻比较有以下特点：,(4)常用胎模锻生产批量不大的中小型模锻件。,三、 模 锻,与自由锻比较有如下优点： 生产率高； 锻件尺寸精确； 可以锻造出形状较复杂的锻件； 可以节省金属材料减少切削加工工作量。,是使金属坯料在冲击力或压力作用下，在锻模模膛内发生变形，从而获得所需形状和尺寸锻件的工艺方法。,（一） 锤上模锻,常用设备：,锻模结构,模锻模膛,制坯模膛,蒸汽空气锤,模锻模膛 ：分为终锻模膛和预锻模膛,1. 终锻模膛: 作用是使坯料最后变形到所要求的形状和尺寸。,(1) 形状应和锻件的形状相同 (2) 沿模膛四周有飞边槽 (3) 具有通孔的锻件会留有冲孔连皮,2. 预锻模膛： 作用是使坯料变形到接近锻件的形状和尺寸。,(1)圆角和斜度较大 (2)没有飞边槽 (3)形状简单或批量不大时可不用预锻模膛,飞边槽：,制坯模膛,对于形状复杂的模锻件，为了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膛，必须预先在制坯模膛内制坯。,(1)拔长模膛 (2)滚压模膛 (3)弯曲模膛 (4)切断模膛,有以下几种类型：,（二）压力机上模锻,曲柄压力机 摩擦压力机 平锻机,主要设备：,摩擦压力机,曲柄压力机,平锻机工作原理图,（四） 模锻工艺规程的制订,绘制模锻件图 坯料重量及尺寸计算 选择锻造工序（工步）,绘制模锻件图,模锻件图是设计和制造锻模，计算坯料和检查锻件的依据。是以零件图为基础，结合工艺特点绘制而成。,应考虑以下几个方面：,1、敷料、余量和公差 2、 分模面 3、模锻斜度 4、 模锻圆角半径 5、冲孔连皮,分模面,即是上下锻模在模锻件上的分界面。,分模面位置的确定原则：,a)保证模锻件能从模膛中取出；,b)选定分模面后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致；,c)最好把分模面选在能使模膛深度最浅处；,d)选定的分模面应使零件上所加的敷料最少；,e)最好使分模面为一平面，使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不宜过大。,3、模锻斜度,4、 模锻圆角半径,5、冲孔连皮,2.2.3 锻件结构的工艺性,一、自由锻件的结构工艺性,1. 锻件上具有锥体或斜面的结构，从工艺角度衡量是不合理的，应改斜为平。,2. 锻件由数个简单几何体构成时，几何体的交接处不应形成空间曲线，应改曲为直。,3. 锻件上不应设计出加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面，应加厚去筋，改凸为平。,4. 锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，应化整为零，每个简单件锻制成形后再用焊接机或机械连接方式构成整体零件。,a) 工艺性差的结构 b)工艺性好的结构 轴类锻件结构,改斜为平,a)工艺性差的结构 b) 工艺性好的结构 杆类锻件结构,改曲为直,a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构 盘类锻件结构,加厚去筋,改凸为平（凹）,a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构 复杂件结构,化整为零,二、模锻件的结构工艺性,应避免薄壁、 高肋、凸起 等外形结构,零件太扁、太薄,模锻件应避免 深孔或多孔结构,模锻件的整体结构 应力求简单,2.3 板料冲压,定义：利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。通常是在冷态下进行，所以又叫冷冲压。（只有在板厚大于8mm时，才进行热冲压）,用途：板料冲压广泛应用于制造金属成品的工业部门。在汽车、航空、电器、仪表及国防等工业中占有极其重要的地位。,板料冲压具有下列特点：,(1)可以冲压出形状复杂的零件，废料较少。 (2)产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性好。 (3)能获得质量轻，材料消耗少，强度和刚度较高的零件。 (4)冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，生产率高，故零件成本低。,缺点: 冲模制造复杂，只有在大批量生产中才显出其优越性。,基本工序：分为分离工序和变形工序,2.3.1 分离工序,使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。,二、修整： 利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉存留的剪裂带和毛刺。,三、切断： 用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序。,一、落料及冲孔(统称冲裁)： 使坯料按封闭轮廓分离的工序。 落料时，冲落部分是成品；冲孔时，冲落部分是废品。,落料：被分离的部分为成品，周边为废品。,冲孔：被分离的部分为废品，周边为成品。,1. 变形过程分为： 弹性变形阶段 塑性变形阶段 断裂分离阶段,断面特征,2. 凸凹模间隙,间隙的重要性,1.间隙是影响冲裁件质量的主要因素 2.间隙是模具寿命的主要影响因素 3.间隙对冲裁力、卸料力、推件力也有影响 间隙过小将增大冲裁力、卸料力和推件力。,凸凹模间隙计算公式： 单边间隙z的经验公式 ：z=m 材料厚度(mm) m与材料性能及厚度有关的系数,* 3. 凸凹模刃口尺寸的确定,设计落料模先确定凹模刃口尺寸。以凹模为基准，间隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得。 设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸。以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。,计算原则：,根据冲模在使用过程中的磨损规律，从保证零件的尺寸要求，并提高模具的使用寿命出发 设计落料模时，凹模基本尺寸应取工件的最小极限尺寸； 设计冲孔模时，凸模基本尺寸则取工件孔的最大极限尺寸。,落料时，凹模刃口尺寸 = 成品的最小极限尺寸 凸模刃口尺寸 =凹模刃口尺寸2 z = 成品的最小极限尺寸2 z,冲孔时，凸模刃口尺寸 = 成品的最大极限尺寸 凹模刃口尺寸 =凸模刃口尺寸+ 2 z =成品的最大极限尺寸+ 2 z,计算公式：,例：（见书P114）,4、冲裁力的计算,平刃冲模的冲裁力： F = K L ,K系数，一般取K=1.3； L冲裁周边长度（mm）； 坯料厚度（mm）； 材料抗剪强度（MPa）。,5 . 冲裁件的排样,无搭边排样 有搭边排样,修整工序：,2.3.2 变形工序,使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。,一、拉深：是将平板坯料制成开口空心（杯形或盒形）零件 的工序。,二、弯曲：坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度 的工序。,三、翻边：在带孔的平坯料上用扩孔的方法获得凸缘的工序。,四、成型：利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。 如：胀形、压筋等。,拉深工序：,拉深中的废品类别1拉穿,工艺措施：,拉深系数: m=d/D 0.50.8 若m过小 可多次拉深,凸凹模间隙取(1.11.2) ,拉深中的废品类别2起皱,工艺措施：,弯曲工序：,弯曲时，坯料内侧受压缩，外侧受拉伸，易产生破裂现象； 弯曲时应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向相垂直； 弯曲结束后会发生回弹现象。,翻边和成