模具设计与制造第章冷锻工艺概述及其基本工序.ppt

第九章冷锻工艺概述及其基本工序,内容简介：,1、对冷锻工艺有所了解。2、掌握冷锻基本工序。3、认识冷锻的典型设备及其工作原理。,本章对冷锻的定义，特点及其发展作一简单介绍，并重点对冷锻工艺的基本工序进行阐述，如镦锻、型锻与压印、挤压和模锻。,学习目的与要求：,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,是指在冷态条件下的锻造加工，即在室温条件下，利用安装在设备上的模具将金属坯料压缩成形为具有一定形状及一定使用性能的零件的塑性加工方法。,第一节冷锻的定义,冷态实际上是指再结晶温度以下的温度状态，因此冷锻指的是在金属再结晶温度以下进行的各种体积成形。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,冷锻包括镦锻、模锻、挤压（正挤压、反挤压、复合挤压）、压印等工艺，其中挤压工艺的发展最为迅速。,第一节冷锻的定义,冷轧、冷拉、冷拔也属于冷体积变形范畴，这类塑性变形工艺主要用于金属板、线、管、棒等坯料的一次塑性加工，一般较少用于单个零件成形的二次塑性加工。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,冷锻与热锻、粉末冶金、铸造及切削加工相比：,第二节冷锻的特点,工件精度高，强度性能更好；节省原材料，且没有因加热而污染环境；生产效率高，易实现自动化；加工的综合成本低。,已经越来越多地用来大量生产软质金属，低碳钢、低合金钢零件。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,冷锻成形的特殊要求：,第二节冷锻的特点,由于变形抗力大，故要求设备吨位较大；对模具材料要求高，模具制造复杂；对所加工的原材料要求高；所有毛坯往往要进行软化退火和表面磷皂化等润滑处理。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第三节冷锻的发展,pp361自学,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,定义：冷镦锻是利用冷锻设备通过冷锻模具对金属坯料施加轴向压力，使其产生轴向压缩横向增粗的冷锻成形方法。,镦锻的特点是坯料的横截面积增大。根据坯料变形部位的不同以及模具工作部分形状的不同，镦锻可以分为镦粗（整体镦锻）、顶镦（镦头）、中间镦粗（见图161）螺母、螺钉、铆钉及双头螺栓类零件，就是分别经过镦粗、镦头及中间镦粗而成形出来（录像）,一、镦锻,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,（一）镦粗（整体镦锻）,定义：使整个坯料由轴向压缩转为横向扩展的一种镦锻工序。,主要工艺参数：高径比（坯料的高度与直径之比，是选择和计算坯料的参数，根据体积不变条件计算，一般不大于22.5）镦粗率（镦锻前后高度变化与原始高度之比,是一种相对应变，表示镦粗的变形程度，查表161）,一、镦锻（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,镦粗常见的缺陷及其预防轴向弯扭原因：高径比过大、坯料本身有弯曲、端面不平、冲头或凹模端面倾斜措施：分两次进行镦粗，先用内锥形上模预镦，再成形镦表面折叠表面裂纹原因：外侧金属受切向拉应力、材料本身表面有伤痕或纤维组织粗大措施：选用塑性好的材料、采用锥形模或半封闭模镦粗、改善端面润滑内部裂纹鼓形是镦粗变形规律的表现，不应该算缺陷措施：改善模具与毛坯接触面润滑、改自由镦粗为半封闭镦粗、铆镦,一、镦锻（续）,（一）镦粗（整体镦锻）（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,（二）顶镦（镦头）,定义：在坯料一端的头部产生轴向压缩、横向扩展的镦锻工序。,其变形本质与镦粗工序完全相同，其出现质量问题的原因及预防措施也相同，但在模具工作部分的设计存在不同之处：（1）顶镦所用凹模要有夹持好坯料不变形部分的功能，凹模口部边缘应有圆角。（2）顶镦外凸曲面形镦头件时，凸模工作部分的形状要有相应的内凹曲面形状。（3）当顶镦件头部外曲面的端面粗糙度要求不高，凸模内凹中心一般设计出气孔；若不允许，可用预成形或机加工后再镦。（4）形状复杂的头部，应多次顶镦逐步成形。,一、镦锻（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,（三）中间镦粗,定义：坯料的中间部位产生轴向压缩横向扩展的镦锻工序。,中间镦粗工序模具工作部分设计要点：凹模功能及工作部分设计原则与顶镦凹模相同。凸模工作部分要带有内孔，且孔口边缘要成圆角。中间形状要求较高时，应采用半封闭式镦锻。中间形状复杂的零件镦锻时，应按逐步成形多次镦锻的工艺方案进行模具设计。,一、镦锻（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,定义：利用冷锻设备通过模具对金属坯料施加压力使其横向压缩变形的冷锻成形方法。其特点是坯料的横截面变薄。由于实际生产中通常在锻锤的型砧上进行，故称为型锻。,根据坯料变形部位的不同，型锻可分为：端部拔长（使坯料的一端沿其横向压缩、轴向伸长）中间压扁（在坯料的中间部位沿其横向压缩而变薄）轴向伸长的压扁展宽压扁,二、型锻,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,定义：利用冷锻设备通过模具对金属坯料施加压力使其产生轴向压缩、横向不明显扩展的冷锻成形方法。其特点是压缩量不大，横向变形量及总体变形量不大，但压力很大。,根据坯料形状以及所用模具结构特点的不同，其分为：压花打印（在平板坯料的上、下表面上成形出深度浅而清晰的凸凹花纹、图案或文字符号的一种压印工序）压凹（在坯料的端面上成形出有一定深度的凹坑的压印工序）精压（为提高半成品的尺寸精度及形状精度而进行的轻微压缩变形的一种压印工序）,三、压印,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,冷挤压是在冷态下，将金属毛坯放入模具型腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从型腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。,四、挤压,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,根据金属被挤出方向与施加压力方向的关系：正挤压：金属被挤出方向与加压方向一致。（实心件正挤压、空心件正挤压）反挤压：金属被挤出方向与加压方向相反。复合挤压：正挤与反挤的复合。径向挤压：金属的流动方向与凸模轴线方向相垂直。减径挤压：一种变形程度较小的变态正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩减，主要用于制造直径相差不大的阶梯轴类挤压件以及作为深孔薄壁杯形件的修整工序，或挤压花键等。,（一）冷挤压工艺分类,四、挤压（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,正挤压变形分析,正挤压实心件的金属流动网格图正挤压时坯料大致分为：变形区、不变形区（又分为待变形区、已变形区和死角区）。挤压时变形区的应力状态是三向受压。其变形是两向收缩、一向伸长的应变状态。,四、挤压（续）,（二）冷挤压金属的变形分析,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序冷挤压,反挤压变形分析,反挤压的金属流动网格图；反挤压时坯料大致分为：已变形区、死角区、变形区、过渡区和待变形区。,复合挤压变形分析,复合挤压的金属流动网格图。,四、挤压（续）,（二）冷挤压金属的变形分析（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,表面折叠,定义：多余的表皮金属被压入毛坯表层所形成的缺陷。,四、挤压（续）,（三）冷挤压件的常见缺陷,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,四、挤压（续）,（三）冷挤压件的常见缺陷,表面折缝,定义：在变形过程中，多余的表皮金属受阻而在其边界处积聚，随着变形的继续进行深入到材料内部所形成的一种缺陷。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,缩孔,定义：变形过程中变形体一些部位上产生较大的空洞或凹坑的一种缺陷。,四、挤压（续）,（三）冷挤压件的常见缺陷（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,四、挤压（续）,（三）冷挤压件的常见缺陷（续）,裂纹,挤压裂纹分表面裂纹和内部裂纹。,附加应力与残余应力的影响,挤压中的附加应力也会引起裂纹。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,（四）挤压变形程度,（1）断面收缩率,（2）挤压比,（3）对数变形程度,四、挤压（续）,冷挤压变形程度,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,冷挤压许用变形程度,定义：每道冷挤压工序能挤出合格产品的最大变形程度。影响因素：模具许用单位压力：模具的强度越高、许用单位压力越大，则许用变形程度值越大。材料种类：被挤金属材料强度越大，挤压时变形抗力越大，则许用变形程度值就越小。挤压方式模具工作部分的结构形状润滑条件,四、挤压（续）,（四）挤压变形程度（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,冷挤压常用原材料,目前可供冷挤压的金属材料有：铅、锡、银、纯铝（L1L5）、铝合金（LF21、LY11、LY12、）、紫铜与无氧铜（T1、T2、T3、TU1、TU2等）、黄铜（H62、H68、等）、锡磷青铜（QSn6.5一0.1等）、镍（N1、N2等）、锌及锌镉合金、纯铁、碳素钢（Q195、Q215、Q235、Q255、)低合金钢（15Cr、20Cr、20MnB、16Mn、30CrMnSiA）和不锈钢（1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9Ti等）。,四、挤压（续）,（四）挤压变形程度（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第四节冷锻工艺的基本工序,不同材料的许用变形程度,有色金属冷挤压的单位压力较小，其许用变形程度较大，pp375，表162。黑色金属正挤压时毛坯材料硬度与许用变形程度的关系见pp375，图1624。黑色金属反挤压时，毛坯材料硬度与许用变形程度的关系见pp376，图1625。,四、挤压（续）,（四）挤压变形程度（续）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第五节冷锻坯料的制备,毛坯的下料方法：应根据坯料形状、精度要求、材料利用率及生产现场的实际条件等因素进行选择。,.切削在批量不大时常用车削、铣削、锯切法加工毛坯。.剪切剪切下料是在专用的棒料剪切机或冲剪机上进行的。.冲裁对于板形坯料，宜用冲裁方法加工。4.拉深、反挤压用于杯形毛坯加工。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第六节冷锻毛坯的软化与表面处理,1.毛坯的软化在冷锻之前及工序之间，大都需对毛坯或半成品进行软化热处理，其目的是减小材料的硬度和强度，提高塑性，得到良好的金相组织，以利于冷锻变形的进行。2.坯料的表面处理与润滑润滑对冷锻是非常重要的。冷锻时摩擦不仅影响到金属的变形及挤压件的质量，而且也直接影响到单位挤压力的大小、模具的寿命。所以要采用良好且可靠的润滑方法。冷挤压的毛坯进行表面处理可获得下列效果：降低毛坯与模具间的外摩擦阻力；避免毛坯表面与模具直接摩擦而引起的粘结现象；提高挤压件的表面质量，提高模具的寿命；减低挤压时的变形力及变形功的消耗。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第七节冷锻力的确定,一、压力行程曲线,第一阶段(镦粗与充满阶段)是材料充满凹模型腔的过程。第二阶段（稳定挤压阶段）冲头继续下压，材料不断地从稳定变形区往模孔中挤出。第三阶段（非稳定变形阶段）由于变形材料的厚度变得很小了，变形遍及与冲头端面相连的整个毛坯，金属变形异常困难，这时挤压力急剧增大。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第七节冷锻力的确定,二、影响单位冷锻力的因素,挤压金属的力学性能：强度指标和硬化指数越大，材料变形抗力也越大。,2.变形程度：如15号钢，正挤压单位压力随变形程度的增加而增加；反挤压单位压力存在有最低点。,3.变形方式：某些零件的成形加工，往往可以采用两种不同的方式。如杆形件，既可以采用正挤压成形，也可采用反挤压成形（如图），杯形件也是如此。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第七节冷锻力的确定,二、影响单位冷锻力的因素（续）,.模具几何形状模具的几何形状对单位挤压力影响很大，尤其是正挤压凹模形状和反挤压凸模的形状，对单位挤压力的影响更大。,.坯料的相对高度它反映了工件与模具间的摩擦阻力关系。,.润滑摩擦愈大，单位挤压力愈大。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第七节冷锻力的确定,三、冷锻力的计算,公式计算法PP390图算法PP394查表法PP402,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第七节冷锻力的确定,四、冷挤压机的选用,1)冷挤压工艺所需的压力应当低于所选择压力机的名义吨位2)要求有较大的能量。因冷挤压的力-行程图接近矩形，所需变形能量较大。3)要求有较好的刚性与导向精度。压力机的刚性与导向精度影响冷挤压模具上下模的同轴度与垂直度，影响模具寿命。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第七节冷锻力的确定,四、冷挤压机的选用（续）,4)最好有超载保险装置。5)最好在压力机上备有顶出装置。6)可以采用冷挤压压力机（机械传动或液压传动的）、通用机械压力机、通用液压机进行冷挤压生产，也可以在摩擦压力机上进行冷挤压。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第八节冷挤压的工艺设计,一、冷挤压的结构工艺性分析,对称性(如图）断面积差（如图）断面的合理过渡（如图）锥形（如图）断面形状阶梯形（如图）避免细小深孔件挤压的压余厚度不宜过小,否则会使单位挤压力急剧增大，并且会产生缺陷（如缩孔）。（如图）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第八节冷挤压的工艺设计,二、冷挤压工艺方案的制定,1冷挤压件图的制订确定冷挤压和进一步加工的工艺基准。对于不经机械加工的部位，不加余量，应按零件图的技术要求直接给出公差，而对于需进行机械加工的部位，应按冷挤压可以达到的尺寸精度给出公差。确定挤压完成后多余材料的排除方式。按照零件的技术要求及冷挤压可能达到的精度，确定表面粗糙度等级和形位公差值。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第八节冷挤压的工艺设计,二、冷挤压工艺方案的制定（续）,2制定冷挤压工艺方案的技术经济指标挤压件尺寸越大，所需设备吨位增大，采用冷挤压加工困难性增加。挤压件形状越复杂，变形程度越大，所需冷挤压工序数目就越多。挤压件可达精度和表面粗糙度有一定限度，增加修整工序可提高挤压件精度。挤压件材料影响挤压难度、许用变形程度。挤压件费用是一项综合指标，往往是决定工艺方案是否合理、可行的关键因素。挤压件的批量大时可以使总的成本降低。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第八节冷挤压的工艺设计,三、冷挤压工艺方案分析制定案例,1轴类零件图：当轴类零件不超过材料的许用变形程度时，一般用一次正挤压成形完成。2具有阶梯内孔零件：图示零件成形基本分为两道反挤压：第一次反挤孔（），第二次再反挤小孔（）3深孔薄壁零件(图）4.“山”形件（图）5.花键轴挤压图,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第九节冷挤压模具设计,一、典型的冷挤压模具,正挤压模具反挤压模具,录像资料冷挤压活塞销冷拉缝纫机送布牙热挤压氧气瓶,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第九节冷挤压模具设计,二、冷挤压的凸凹模设计,冷挤压凸模的结构设计：正挤压（实心件、空心件）凸模的结构设计(如图）,反挤压凸模的结构设计(如图）台底式有利于金属流动，是最常用的一种结构型式）锥底式有利于金属流动，多用于深孔件的挤压）平底式虽然不利于金属流动，但当挤压件要求孔底必须为平底时，则应采用平底式凸模。,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第九节冷挤压模具设计,二、冷挤压的凸凹模设计（续）,冷挤压凹模的结构设计：）凹模的形式（如图）整体式和组合式（预应力组合和分割型组合）。）正挤压凹模（如图）凹模入口角凹模工作带长度凹模的过渡部分均用圆角连接；)反挤压凹模（如图）,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,谢谢本课程到此结束！,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,冷挤压的基本工艺类型a）实心件正挤压b）空心件正挤压c）反挤压d）复合挤压,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,径向挤压,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,减径挤压,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,挤压花键,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,正挤压变形的网格示意图a）变形前b）理想变形c）理想润滑时的变形d）实际变形,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,反挤压的变形网格a）开始状态b）稳定变形状态c）终了状态,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,复合挤压变形的网格图,第九章冷锻工艺概述及其基本工序,第九