【精品课件】金属压力加工.ppt

第一节轧制第二节锻造第三节板材冲压第四节挤压第五节拉拔,第三章金属压力加工,通过铸造方法得到的金属坯件大多不能直接使用，还需要进一步的加工成形，如轧制、挤压、拉拔等。,压力加工是指在不破坏金属自身完整性的条件下，利用外力作用使金属产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法，也称位塑性成形或塑性加工。,第一节轧制,轧制最早在16世纪后期发展起来，目前约有90的金属材料涉及轧制工艺。,轧制概述：,极限轧制量：,极限轧制量：,其中：为轧辊与工件之间的摩擦系数,轧制力：,轧制力函数：,其中：Yavg为工件受轧时的平均真应力,轧件的组织变化：,轧机的轧辊数：,轧机有不同的轧辊配置，如：二辊式、三辊式、四辊式、多辊式和串连式等，可以对材料施加前张紧力或后张紧力，以提高工艺可行性或减小轧制力。,冷轧是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷轧产品尺寸精度高，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。,现代化的连续轧制生产线,根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制可分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧。,轧制的主要工艺类型,纵轧：轧辊轴线与坯料轴线方向平行。,斜轧：轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度。,在轧制过程中，金属棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制，并被分离成单个的小球，轧辊每旋转一周即可轧制出一个钢球。,轧制时坯料径向尺寸减小，长度增加,金属变形过程,楔横轧主要,用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。,楔横轧：利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。,连铸连轧技术已经实用化。,连铸连轧：,第二节锻造,锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公元前4000年甚至8000年。,锻造最初是通过石制工具锤打的方法来制造珠宝、钱币和各种器具，再发展成铁匠这一古老的职业。,铸造生产的C5A运输机着陆齿轮构件,锻造概述：,基本步骤：,右图表示的是锻造锥齿轮轴的步骤。（美国锻造工业协会提供）,流线组织：,锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。,锻造缺陷：,冲锻时，锻件可能留下贯穿组织的流线，这些晶界,直接暴露在外，容易被环境腐蚀，产生粗糙表面，应力集中。,445MN（50000t）水压机,自由锻造：,定义：是指借助锻压设备上下砧块的压力使坯料成形的压力加工方法，在锻造过程中，金属沿垂直于作用力的方向上自由变形。,基本工艺过程：,主要工序：,1、实心圆截面光轴及阶梯轴,3、单拐及多拐曲轴,5、空心筒,特点和应用：1、锻件的质量范围宽，操作工具简单；2、生产效率低，劳动强度大，金属损耗大；3、锻件尺寸精度低，形状不太复杂；4、适于单件小批量生产和锻造大型零件毛坯。,基本工艺过程：,1、普通模锻,2、模锻切边,3、一模多锻,基本工序：,1、盘状锻件,3、弯轴类锻件,拔长,终锻,滚压,（预锻）,弯曲,5、枝芽类锻件,特点和应用：1、生产效率高；2、锻件尺寸精确，表面光洁、加工余量小，节约材料；3、成形依靠模膛控制，可锻造复杂形状的零件；4、适于中小型复杂锻件的大批量生产。,基本工艺过程：,常见的胎模有扣模、套筒模及合模三大类。,特点和应用：1、生产效率较自由锻高，但比模锻低；2、锻件尺寸精确较自由锻高，但比模锻低；3、与模锻相比，设备简单，锻模易加工；4、适于批量锻造中小型零件。,基本工艺过程：,特点和应用：1、模膛表面精度要求高，并开排气小孔；2、精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料；3、精细清洁坯料表面和模膛内表面；4、在锻造过程中，应避免因加热引起的锻件表面氧化；5、模锻时要润滑和冷却锻模；6、模锻设备应具有刚度大、精度高等特点；7、适于锻造超高精度的中小型零件。,超塑性模锻：,定义：是指在较低的成形速率下，在可调速的水压机或液压机上使超塑性金属模锻变形，模锻时变形速率逐渐减小的工艺方法。,基本工艺过程：,特点和应用：1、显著提高材料的工艺塑性；2、极大降低金属的变形抗力；3、金属充填性能良好，尺寸精度高，切削余量小；4、可获得均匀细小晶粒，综合机械性能好；5、适于一次锻造出形状复杂、薄壁和高筋的锻件。,第三节板材冲压,板材冲压时利用冲模使薄板产生分离或变形的加工方法。通常用于加工表面积与厚度之比很大的工件，与体积成形工艺（如锻造）不同，板料成形时材料的厚度通常不会减少，目的是避免缩颈和撕裂。,与铸造、锻造出来的零件相比，薄板冲压的零件有着重量轻、形状多变的优点。由于低碳钢价格低，具有足够的强度及良好的成形性能，所以它是最常用的金属薄板料。而航空宇航业则常选用铝和钛薄板料。,冲压概述：,冲压的主要参数：,冲压的变形区域：,当间隙C增加时，材料倾向于被拉进定模内，而不是被剪切。在实际生产中，间隙C控制在板厚的210。,C表示冲头与定模之间的间隙,冲剪变形区域的显微硬度分布,当应力到达上屈服点时，在试样应力集中处首先开始塑性变形，能在试样表面观察到与纵轴呈约45的应变痕迹，称为吕德斯带。与此同时，应力降到下屈服点，吕德斯带就沿试样长度方向扩展，此即屈服延伸阶段。,低碳钢的屈服现象,低碳钢薄板表面的吕德斯带,吕德斯带：,1、吕德斯带对冲压制品的危害制品表面粗糙，增加机加工工序，浪费原材料。,3、吕德斯带现象的消除利用应变时效理论解决这一问题。将薄板在冲压之前进行一道微量冷轧工序（12的压下量），或向钢中加入少量的Ti或Al，C，N等间隙原子形成化合物，以消除屈服点，随后再进行冷压成形，便可保证工件表面平滑光洁。,制耳现象的处理：1）严格控制轧制板材的压下量。2）拉深前对轧制板材适当退火。3）对有制耳的产品进行机加工。,根据板料在加工过程中其整体性是否破坏，板料冲压可以分为分离工序和变形工序两大类。,冲压的主要工艺类型,3、冲孔,冲孔,4、切口,5、切边,在坯料上沿不封闭轮廓冲出缺口，切口部分发生弯曲，如通风板。,4、剖切,把半成品切成两个或多个制件，常用于成双冲压。,2）最小弯曲半径：,薄板发生弯曲时，弯曲应变可以用以下函数关系表示。,当r/减小，即弯曲半径r与板厚的比值变小，薄板外侧金属的应变将增加，直至材料最终出现裂纹。,裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小弯曲半径。,讨论,1、对相同厚度的薄板，塑性越好，则弯曲半径越小；2、对相同塑性的薄板，板料越厚，则弯曲半径越小。,裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小弯曲半径。,4）弯曲的主要工艺类型：,自由弯曲,模弯,双模卷绕,单模卷绕,四模弯曲,2、成形,1）定义：成形是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。该工序常用于形成刚性筋条，或增大半成品内径（胀形）。,模压成形,橡胶胀形,液体胀形,2、翻边,3、旋压成形,4、爆炸成形,爆炸成形是利用化学能在10-1210-7s的时间内转换为冲击波能量，并以脉冲波的形式作用在坯料上，使其产生塑性变形的加工方法。,5、电磁成形,首先，绕在坯料上的线圈由于脉冲电流作用，将产生一个交变磁场；相,应地，坯料内产生感应电流，感应电流产生的磁场与线圈磁场相互作用，线圈和坯料之间就出现斥力，最终导致坯料以较大的运动速率和模具贴合而成形。,第四节挤压,挤压是将金属坯料放入挤压模具中，在压力作用下使坯料从模孔中挤出而变形的加工工艺。,多数实心或空心截面都可以通过挤压成形获得。由于挤出过程中，模具的几何形状不变，因此挤出件具有恒定的截面。,挤出成形可在室温或高温下成形，这主要取决于材料的塑性。由于要用到模膛，每个毛坯要单独挤压，因此挤压是一种分批的或半连续的成形工艺。,挤压概述：,挤压过程示意图,挤压主要的影响因素：,在挤压的主要影响因素中，挤压模的角度和坯料挤出前后的横截面积之比A0/Af（称为挤压比）属于几何变量；此外，坯料的温度、挤出的速度以及润滑剂的种类对挤压工艺来说也相当重要。,挤压成形的特点：,1、挤压时金属坯料在三向受压状态变形，因此可提高金属坯料的塑性；2、可挤各种形状复杂、深孔、薄壁、异性断面的零件；3、零件精度高、表面粗糙度低；4、挤压件内部的纤维组织提高了力学性能；5、节约原材料，生产率较高。,挤压的主要工艺类型：,根据金属的流动方向和凸模运动方向，挤压分为正挤、反挤、复合挤压和径向挤压。另外，还有静液挤压等。,反挤压：,金属流动方向与凸模运动方向相反的挤压方式。,复合挤压：一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，另一部分金属流向相反的挤压方式。,复合挤压,静液挤压：,静液挤压主要利用液体对坯料施加压力，使金属坯料通过凹模成形。,一般，静液挤压时的挤压力较其他挤压方法小1050，这是因为静液挤压不存在摩擦力。,静液挤压适于低塑性材料成形、常规材料的大变形量成形和复杂零件的成形。,第五节拉拔,拉拔是在公元10001500年之间发展起来的一种成形工艺，在此工艺中，实心棒材、线材和管材通过模具而横截面被减小或变形。,常用拉拔零件的横截面,拉拔是指将金属坯料拉拔通过具有一定形状的模孔而使其横截面积减小、长度增加的加工方法。,线材拉拔：,其中：Yavg为工件受拉拔时的平均真应力,（方程描述了无摩擦情况下拉拔力的函数变化情况。）,