金属塑性变形与压力加工.ppt

机械制造基础,制造科学与工程学院梅筱琴,第二章金属塑性变形与压力加工,本讲内容,一、金属塑性变形二、压力加工方法：自由锻三、压力加工方法：模锻四、锻造工艺五、锻件结构工艺性六、板料冲压七、特种压力加工方法简介,麻花钻制造,金属塑性变形与压力加工,压力加工利用外力使金属材料发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法压力加工基本生产方式锻造、轧制、挤压、拉拔、板料冲压应用范围原材料金属型材、板材、管材、线材零件主轴、齿轮、枪炮管、汽车覆盖件、日用五金,压力加工的生产特点,锻造组织均匀、致密、晶粒细小，形成了纤维组织，锻件力学性能优于其它制造方法制得的零件或毛坯，适合于重要机器零件（或毛坯）的制造冲压大部分制件有加工硬化现象，可提高制件的强度和硬度；制件精度高，可直接成形零件；生产率高，适合大批量生产轧制组织和性能兼有以上二者的特点；是各种型材的主要制造方式,一、金属塑性变形金属塑性变形机理,晶内变形单晶体滑移变形单晶体孪晶变形晶间变形,滑移带和多系滑移,滑移带的形成,50Mn18Cr4V钢多系滑移时的滑移带(500 x),单晶体孪晶变形（双晶变形）,晶体的一部分沿一定晶面和晶向产生一定角度的切变孪晶变形所需的切应力高于滑移变形所需的切应力,位错理论,晶体内部存在大量“缺陷”，这些缺陷使金属在塑性变形时，其变形抗力减小数千倍,晶体内部的缺陷,点缺陷只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷空位；填隙（间隙固溶体）；替位（置换固溶体）线缺陷沿晶格中某条线周围，多个原子间距范围内出现的晶格缺陷位错面缺陷沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧，大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷堆垛层错、小角晶界、孪晶界面等体缺陷晶粒内部包藏杂质、孔洞等,常见位错缺陷,刃型位错,螺型位错,多晶体塑性变形,多晶体塑性变形晶内变形+晶间变形晶粒大小对多晶体的塑性变形影响很大,(二)塑性变形对金属组织与性能的影响,1.组织和性能的变化内部组织晶粒沿最大变形方向伸长晶格畸变与晶粒扭曲，产生内应力晶粒间产生碎晶性能冷变形强化变形增大，强度、硬度提高，塑性、韧性下降晶格畸变和碎晶增大了继续滑移的阻力,塑性变形与性能的关系,冷变形强化材料强度、硬度升高，塑性、韧性下降,常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响,2.回复和再结晶,冷变形强化不稳定，有自发回复稳定状态的趋势变形后的金属加热，增强原子扩散能力，则原子容易恢复规则排列，晶格畸变大大减轻，内应力大大下降,2.回复和再结晶,回复T回（0.250.3）T熔（K）晶格畸变回复到稳定状态，内应力消除再结晶T再0.4T熔（K）除回复外，碎晶重新结晶，形成新的细小的等轴晶消除冷变形强化的方法？再结晶退火,冷变形和热变形,冷变形再结晶温度以下的塑性变形生产方法：冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等特点：利用加工硬化，尺寸精度高、表面质量好热变形再结晶温度以上的塑性变形强化与再结晶过程同时存在，强化消失生产方式：热锻、热轧、热挤压特点：冶金缺陷得到改善或消除，得到细小的等轴晶，组织致密，力学性能显著提高,热轧钢板的组织变化,试判断下列两种金属的变形属何种变形？,铅（熔点327）在0时的变形T再0.4T熔0.4（327273）K240K0273K：热变形钨（熔点3380）在1100时的变形T再0.4T熔0.4（3380273）K1461K11001373K：冷变形注意：冷变形不是“室温”下的变形,3.金属纤维组织和锻造流线,纤维组织又称锻造流线。是金属晶界上的夹杂物随晶粒沿变形最大方向被拉长得到的组织。,螺钉工作状态受力示意图,不同方法加工的齿轮纤维组织,3.金属纤维组织和锻造流线,纤维组织使金属力学性能呈方向性平行于纤维组织方向承受拉应力和压应力能力增强，承受剪切应力能力减小垂直于纤维方向承受压应力和剪切应力能力增加，承受拉应力能力减小纤维组织的稳定性很高，不能用热处理或其它方法加以消除，只有经过锻压使金属重新变形，才能改变其方向和形状。,金属塑性变形量-锻造比,锻造比衡量金属塑性变形大小。镦粗的锻造比Y镦=H坯/H件拔长的锻造比Y拔=L件/L坯Y锻1，Y锻越大则变形量越大。注意与拉深系数m的区别,(三)金属可锻性及其影响因素,金属可锻性金属材料通过压力加工获得合格零件的难易程度塑性好、变形抗力小，则金属的可锻性好影响金属可锻性的因素金属的本质化学成分内部组织加工条件变形温度变形速度应力状态,金属可锻性的影响因素,金属的本质化学成分纯金属的可锻性比合金的可锻性好钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。金属组织纯金属和固溶体(如奥氏体)的可锻性好；碳化物(如渗碳体)的可锻性差铸态组织和粗晶粒组织不如细晶而又均匀的组织可锻性好,加工条件-变形温度,随着温度升高，原子动能升高，则金属塑性提高，变形抗力减小，有效改善可锻性始锻温度金属在锻造前加热允许的最高温度钢：AE线以下200300过热与过烧终锻温度金属热变形允许的最低温度。钢：800左右终锻温度过高过低会产生什么影响？,常用钢材的锻造温度范围,锻造温度的判断-火色鉴别法,碳钢火色与加热温度的对应关系,讨论：“趁热打铁”,铁能打吗？工业上“铁”即是“铸铁”脆性材料，可锻性极差，绝对不能“锻打”热合适的锻造温度始锻温度终锻温度,加工条件-变形速度,一方面，变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，则金属塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏另一方面，在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好工业生产中如何利用？,加工条件-应力状态,拉应力易使缺陷扩展，不利于塑性变形，故压力加工时，尽可能使金属受压应力,二、自由锻,特点坯料沿各个方向自由变形流动适应性极强大型、特大型锻件唯一成形方法自由锻设备上下各一个抵铁中小型锻件：利用锻锤冲击力大型锻件：利用液（或水）压机的液压力,空气锤,自由锻基本工序演示,蒸汽锤,中国第一台万吨水压机,2008年我国建造的15000吨自由锻水压机,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工序基本工序,镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转,自由锻工步方案：盘类锻件,（局部）镦粗（局部拔长）冲孔,盘类零件锻造过程演示,自由锻工步方案：轴类锻件,（局部）镦粗拔长切肩锻台阶,大、中、小型轴类零件锻造过程演示,自由锻工步方案：筒类锻件,镦粗冲孔在芯轴上拔长,自由锻工步方案：环类锻件,镦粗冲孔在芯轴上扩孔,自由锻工步方案：曲轴类锻件,（局部）镦粗拔长错移锻台阶扭转,自由锻工步方案：弯曲类锻件,拔长弯曲,叉杆类零件锻造过程演示,三、模锻,把加热好的金属毛坯放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造。由型腔限制金属的变形，从而获得与型腔形状一致的锻件金属在锻模模膛内产生塑性变形和流动，其变形和流动均受到端模的限限制，因此：模锻件尺寸精确、结构可较复杂、生产率高按设备分类模锻液压机模锻锤螺旋压力机摩擦压力机上模锻机械压力机曲柄压力机上模锻,模锻的特点与应用,与自由锻相比：压应力数目多，有利于塑性变形，可制造较复杂的锻件锻造流线和纤维组织连续，零件综合力学性能较高锻件尺寸精度高操作简单，生产率高锻模成本高，适于中、小锻件大批量生产模具成本高设备成本高,锻模液压机俄罗斯75000吨模锻水压机,水压机是锻造万吨巨轮发动机主轴、大型发电机转子轴、大型轧钢机机架、炮管及导弹壳等不可缺少的设备。截至20世纪末，全世界共有万吨级模锻液压机40余台，美、俄各有10余台，约占总台数和总吨位的70，其建造背景均源于发展航空航天工业。60年代中期以后，由于锻压工艺的改进，需要的水压机规格有所降低，国外新制的自由锻造水压机一般都不超过8千吨。,重大设备-俄罗斯为法国制造65000吨模锻水压机,2008年我国建造的15000吨自由锻水压机,大型整体模锻和精密模锻是我国锻造行业的主流发展方向。大型模锻压机是生产航空大型模锻件、发展大型军事装备和其他大型民用装备必须的基础设备。中国目前最大的30000吨级模锻压机，无法满足对大型航空模锻件产品生产的需要，已立项建造10万、8万吨大型模锻液压机。,目前世界上最大的民航客机A380。虽然法国已有70年代向苏联订购的65000吨模锻液压机，但A380的钛合金起落架的成型，仍然需要到俄罗斯的75000吨压力机上完成。,450KG钛合金结构框,锤上模锻,锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头上下运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，从而获得锻件。,机械压力机曲柄压力机,螺旋压力机摩擦压力机,锻模结构,1锤头2上模3飞边槽4下模5模垫6/7/10楔铁8分模面9模膛,锻模件,模锻的变形工步及模膛,变形工步（模膛）包括:1.制坯工步（模膛）镦粗、拔长、滚挤、弯曲、切断（模膛）等2.模锻工步（模膛）预锻（模膛）终锻（模膛）,制坯模膛拔长,制坯模膛滚压,制坯模膛弯曲和切断,弯曲连杆的锻造过程,曲柄压力机用的锻模,胎模锻,在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件，即模具不固定在锤头和砧座上。结构简单，形式多种多样，介于自由锻和模锻之间。胎模锻特点可获得比自由锻形状复杂、尺寸精确的锻件；节省金属材料，提高生产效率与模锻相比，对设备要求较低，操作灵活，模具制造简单胎模锻分类扣模、筒模、合模,筒模,合模,四、锻造工艺,锻件图设计余量、公差、敷料分模面、飞边槽模锻斜度、模锻圆角半径、冲孔连皮坯料重量和尺寸计算G坯料G锻件G烧损G料头锻造工步设计其他问题设备选择，加热冷却范、辅助工序,1.绘制锻件图（1）余量、公差、敷料（余块）,（2）分模面选择,保证取件易于充满，模膛最浅上下模膛对称，简化模具制造易于及时发现错模尽量为平面，辅料最少,（3）飞边槽,桥部,仓部,作用：限制金属流出，使金属充满模膛容纳多余金属,（4）模锻斜度,作用？,（5）模锻圆角半径,作用？,（6）冲孔连皮,冲孔连皮的作用？,3.锻件毛坯计算,坯料重量计算依据锻件图和材料的密度G坯料G锻件G烧损G料头坯料尺寸计算依据总体积不变原理和锻造比Y计算,4.锻造工序（工步）设计,长轴类零件,7.锻造工序（工步）设计,短轴类零件,自由锻工艺实例1压盖自由锻工艺,自由锻工艺实例2氧化反应器筒体,五、锻件结构工艺性,锻件结构工艺性好锻造成型方便节约金属保证质量提高生产率工艺性原则：相对的,1.自由锻件,力求简单,1.自由锻件,避免锥面、斜面,1.自由锻件,避免锥面、斜面,1.自由锻件,杆类零件,避免复杂相贯线,1.自由锻件,杆类零件,避免非规则截面和非规则外形,1自由锻件,盘类零件,避免肋板、凸台和小孔等结构,1.自由锻件,盘类零件,避免肋板、凸台和小孔等结构,1.自由锻件,复杂、大型自由锻件采用锻焊组合结构,2.模锻件的结构工艺性,合理的分模面,2.模锻件的结构工艺性,结构力求简单对称避免薄片、高肋、高台等结构,2.模锻件的结构工艺性,结构斜度避免深孔、深槽和多孔等结构,2.模锻件的结构工艺性,复杂、对称型锻件采用锻焊组合结构,六、板料冲压,使板料经分离或变形而得到制件的工艺统称为冲压原料具有足够塑性的板料、带料、条料等低碳钢、不锈钢、高塑性合金钢、铜、镁、铝及其合金等金属材料；胶木、云母、纤维板、皮革等非金属材料冷冲压：常温下进行热冲压：810mm应用广泛：汽车、航空、电器,板料冲压演示,板料冲压工序,冲压生产特点,1.制件复杂，废料少；2.精细光滑，互换好；3.刚强较高，节省料；4.易于控制，效率高；5.大批生产，成本低。,1.分离工序,冲压过程中使冲压件与板料沿一定轮廓相互分离的工序。基本工序冲孔、落料、切断、切口、切边、剖切、整修等。,1.分离工序-冲裁,冲裁：落料及冲孔,冲裁件,断口包括：塌角光亮带断裂带毛刺,冲裁模,凸凹模都具有锋利的刃口，两者之间留有间隙Z间隙Z大小影响冲裁件精度和模具寿命过大：塌角、断裂带和毛刺带较大过小：二次光亮带、毛刺带大Zm,冲裁模具尺寸,考虑模具磨损落料件模具尺寸：D凹=D件min，D凸=D凹-Z冲孔件模具尺寸：D凸=D件max，D凹=D凸+Z,冲裁件排样,有搭边排样无搭边排样,修整：类似切削加工,2.变形工序,变形工序是使冲压板料在不被破坏的条件下发生塑性变形，以获得所要求的工件形状和精度的工序。,2.变形工序-弯曲,把平面毛坯料制成具有一定角度和尺寸要求的一种塑性成形工艺。,弯曲时的纤维方向,回复和中性层,变形工序-拉深,拉深中的废品,模具间隙C单边C(1.1-1.2)t过小：拉穿过大：皱褶拉深系数md/Dd拉深件直径D坯料直径m0.50.8,多次拉深,m太小则必须多次拉深由于加工硬化一次比一次严重m应该逐步变大,多次拉深演示,起皱拉深件,损坏零件侧面起皱痕迹拉断损坏拉深模板材越薄、m越小，越容易起皱,压边圈防止起皱,其他变形工序旋压拉深,其他变形工序翻边,其他变形工序成形/胀形,简单冲模,连续冲模（级进模）,连续模演示,电机转子多工位级进模,复合冲模,复合模演示,电机定子、转子复合模,易拉罐冲压工艺,3.冲压件的结构工艺性,避免长槽、长悬臂,节省材料,结构尺寸与板材厚度的关系,交接处：圆弧过渡,冲裁件结构设计,形状简单，多采用圆形、矩形等规则形状，便于模具