金属工艺 第三章压力加工.ppt

上次课内容的回顾 砂型铸造工艺对铸件结构的要求 铸件的外形设计 铸件的内腔设计 原则 外形设计应便于起模 简化造型工艺 铸件的外形应力求简化 造型时便于起模铸件的外形应尽可能使铸件的分型面数目最少 在铸件上设计结构斜度 合金铸造性能对铸件结构工艺性的要求 壁厚的设计 铸件壁与壁连接的设计 铸件的结构圆角 避免铸件壁的锐角连接 厚壁与薄壁间的连接要逐步过渡 合理设计铸件壁厚 1 对于较长易挠曲的梁形铸件 应将其截面设计成对称截面 2 铸件上易产生变形或裂纹的部位 设计加强筋结构 防止变形 其它 第三章压力加工 主要内容 3 1金属的塑性变形 3 2自由锻 3 3模锻 3 4板料冲压 3 5近净成形压力加工 3 6快速模具制造技术 本章重点 1 了解金属塑性成型的理论基础2 掌握金属的塑性成型方法及工艺3 掌握薄板冲压成形工艺 包括各种成形模具结构 基本工序和典型零件的工艺制定 概述 金属塑性成型 利用金属在外力作用下所产生的塑性变形 来获得具有一定形状 尺寸和力学性能的原材料 毛坯或零件的生产方法 也称为压力加工 常见的塑性成形方法 锻造 冲压 挤压 轧制 拉拔等 轧板 轧棒 挤压 挤压产品 拉拔 拉拔产品 锻造 特点 改善金属组织 提高力学性能材料的利用率高较高的生产率毛坯或零件的精度高压力加工所用的金属材料应具有良好的塑性不适合成形复杂的零件 金属塑性变形的规律 1 塑性变形前后体积不变的假设变形前物体的体积等于变形变形后的体积 2 最小阻力定律如果金属颗粒在几个方向上都可移动 那么金属颗粒就沿着阻力最小的方向移动 这就叫做最小阻力定律 圆形 方形 矩形截面上各质点在镦粗时的流动方向 3 1金属的塑性变形 金属的塑性变形是进行金属压力加工的理论依据 3 1 1金属塑性变形机理 外力作用 弹性变形 塑性变性 金属塑性变形的实质是 晶体内部产生滑移的结果 一 单晶体的塑性变形方式 单晶体塑性变形的实质是 晶体内部产生滑移的结果 滑移 在切应力的作用下 晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面产生相对滑动 二 多晶体的塑性变形 多晶体塑性变形的特征 扭转 滑移 多晶体塑性变形示意图 1 晶界对塑性变形的影响变形主要在晶内进行 而在晶界受阻 2 晶粒位向对塑性变形的影响多晶体不同位向的晶粒按不同的先后顺序变形 多晶粒变形的大小也不相同 多晶体的塑性变形中 除晶粒内部的滑移和转动外 晶粒之间也产生滑移和转动 即晶间变形 3 多晶体塑性变形的特点 1 变形的不均匀多晶体的各晶粒间有不同的位向并受晶界的牵制 先后不一 变形大小不同 这种变形的不均匀性导致晶粒内和晶粒单产生内应力 2 变形抗力比单晶体大由于各晶粒位向不同 晶界对变形的牵制 多晶体的塑性变形阻力较大 3 纤维组织和各向异性多晶体塑性变形后 晶粒沿变形方向拉长并向外力方向转动 当变形程度很大 75 多晶体晶粒将显著地沿同一方向拉长 形成纤维组织 此时 金属的性能出现各向异性 3 1 2塑性变形对组织和性能的影响 金属在常温下经塑性变形 内部组织和性能将发生一系列重大变化 晶粒沿变形方向伸长 性能趋向各向异性 晶粒破碎 位错密度增加 产生加工硬化 产生内应力 产生纤维组织 形成纤维状组织 晶粒沿变形方向拉长或成纤维状 纤维组织的出现是金属材料由原来的各向同性变形成各向异性 沿着纤维方向的强度大于垂直纤维方向 纯铁在塑性变形后的组织变化a 正火态b 变形40 c 变形80 金属发生冷塑性变形时 随变形程度增加 强度 硬度上升 塑性 韧性下降的现象称为加工硬化 又称冷变形强化 产生原因 随变形量 位错密度 位错在运动中相遇 缠结 位错运动阻力 变形抗力 强度 硬度 加工硬化 作用 a 难以继续变形 需退火软化b 强化手段之一 如形变铝合金 c 抵抗局部过载d 许多冷成型加工的保证 如冷拉 冷轧 产生内应力 定义 外力去处后 残留且平衡于金属内部的应力 产生原因 各部分及各晶粒之间变形不均匀和晶格畸变所产生的 另外 内应力的存在还会降低材料的抗腐蚀性等 即应力腐蚀 主要表面在处于应力状态的金属腐蚀速度快 变形的钢丝易生锈就是此理 内应力分为三类 第一类指由于金属表面与心部变形量不同而形成的平衡于表面与心部之间的宏观内应力 通常0 1 第二类指晶粒之间或晶内不同区域的变形不均匀而形成的微观内应力 1 2 之间 第三类指由晶格缺陷引起的晶格畸变内应力 第一类 二类内应力虽然占的比例不大 但是在一般情况下都会降低材料的性能 而且还会因应力松驰或重新分布而引起材料的变形 3 1 3回复 再结晶 将冷成形后的金属加热至一定温度后 使原子回复到平衡位置 晶内残余应力大大减小的现象 称为回复 特点 使晶格畸变减轻或消除 但晶粒的大小和形状并无改变 消除了晶格扭曲及大部分内应力 力学性能变化不大 强度 硬度稍有降低 塑性略有提高 内应力大大降低 回复处理 低温退火或去应力退火 T回 0 25 0 3 T熔 K 二 再结晶 不是相变 塑性变形后金属被拉长了的晶粒出现重新生核 结晶 变为等轴晶粒的现象 称为再结晶 再结晶温度一般为0 4T熔 K 以上 T回 0 4T熔 特点 再结晶通过形核 长大的方式进行 得到细小均匀等轴晶粒 完全消除了残余应力和加工硬化现象 塑性提高 再结晶退火 晶粒长大 如温度继续升高或保温时间延长 晶粒会长大 使塑性 韧性明显下降 金属回复与再结晶过程组织 a 塑性变形后的组织 b 回复后的组织 C 再结晶组织 形变强化金属的回复和再结晶示意图 3 1 4金属的热加工 由于金属在不同温度下变形后的组织和性能不同 因此在塑性加工中有冷变形与热变形之分 冷变形 再结晶温度以下的变形 其特征是存在加工硬化现象 可使金属获得较高的硬度和精度 提高产品性能 但变形程度不宜过大 热变形 再结晶温度以上的变形 其特征是加工硬化和再结晶过程同时存在 没有加工硬化痕迹 能以较小的功完成较大的变形 同时获得力学性能较高的再结晶组织 再结晶温度T再 0 4T熔 纤维组织的明显程度与金属的变形程度有关 变形程度越大 纤维组织越明显 工程常用锻造比Y表示变形程度 拔长锻造比 镦粗锻造比 纤维组织的形成使金属在性能上具有方向性 纤维组织的稳定性很高 纤维组织不能热处理消除 只能通过锻压改变其形状和方向 如图a所示的曲轴 纤维组织分布合理 而如图b所示是用切削加工出拐颈 纤维组织被切断 使用时容易沿轴肩断裂 曲轴中的纤维组织分布 a 锻造的拐颈b 切削的拐颈 3 1 5金属的可锻性 可锻性 常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示 可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形 而不破坏其完整性的能力 变形抗力是指金属对变形的抵抗力 金属的可锻性取决于材料的性质 内因 和加工条件 外因 1 材料性质的影响 内因 化学成分的影响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 例如纯铁 低碳钢和高合金钢 它们的可锻性是依次下降的 金属组织的影响纯金属及固溶体 如奥氏体 的可锻性好 而碳化物 如渗碳体 的可锻性差 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好 2 加工条件的影响 外因 1 变形温度的影响 在一定的变形温度范围内 随着温度升高 原子动能升高 从而塑性提高 变形抗力减小 有效改善了可锻性 若加热温度过高 晶粒急剧长大 金属力学性能降低 这种现象称为 过热 若加热温度更高接近熔点 晶界氧化破坏了晶粒间的结合 使金属失去塑性 坯料报废 这一现象称为 过烧 金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度 不能再锻 否则引起加工硬化甚至开裂 此时停止锻造的温度称终锻温度 碳素结构钢 加热温度超过A3线 组织为单一A 适宜塑性加工锻造温度范围的确定 始锻温度 固相线以下200 左右终锻温度 A1线以上800 750 之间 2 变形速度的影响 一方面由于变形速度的增大 回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象 金属则表现出塑性下降 变形抗力增大 可锻性变坏 另一方面 金属在变形过程中 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 3 应力状态的影响 挤压时为三向受压状态 拉拔时为两向受压一向受拉的状态 压应力的数量愈多 则其塑性愈好 变形抗力增大 拉应力的数量愈多 则其塑性愈差 1 纤维组织是怎样形成的 它对金属的力学性能有何影响 2 试分析用棒料切削加工成形和用棒料冷镦成形制造六角螺栓的力学性能有何不同 思考题 上次课内容的回顾 塑性变形理论及假设塑性变形机理 晶体内部产生滑移的结果 位错运动 造成晶体的塑性变形金属变形过程中的组织与性能获得细化的再结晶组织 气孔 缩松等被压合 形成纤维组织 特点 各个方向上的力学性能不相同冷变形及热变形冷变形 只有加工硬化而无回复与再结晶现象热变形 变形温度在再结晶温度以上 无任何加工硬化影响塑性变形的因数塑性和变形抗力内因 化学成分的影响 金属组织的影响外因 变形温度的影响 变形速度的影响 应力状态的影响 锻造 3 2自由锻3 3模锻 重点内容 1 初步掌握自由锻和模锻的基本工序 特点及应用 2 能够根据自由锻和模锻设备 工具及工艺特点 合理地设计自由锻和模锻件结构 定义 只用简单的通用性工具 或在锻造设备的上 下砧间直接使坯料变形而获得所需的锻件 这种方法称为自由锻 锻造坯料准备1 锻造用坯料 镦粗时 为避免锻弯 坯料的高径 H0 D0 不得超过2 5 为了下料方便 坯料高径比还应该大于1 25 2 坯料的加热 1 加热目的 坯料加热的目的是提高金属的塑性 降低变形力 以改善金属的锻造性能 使之易于流动成形并获得良好的锻后组织 2 锻造温度 金属坯料是在一定的温度范围内进行锻造的 3 2自由锻 自由锻的特点 1 坯料变形时 只有部分表面受到限制 其余可自由流动 2 所用设备及工具简单 适应性强 锻件重量不受限制 3 由人工控制锻件的形状和尺寸 锻件的精度低 生产率低 4 适用于单件小批生产 也是大型锻件的唯一锻造方法 自由锻的方法 1 手工锻造 2 机器锻造a 锻锤自由锻利用冲击力使坯料产生塑性变形常用设备有 空气锤 锻件重量范围是50 1000公斤 蒸汽 空气锤 锻件重量范围是20 1500公斤 b 液压机自由锻利用静压力使坯料变形常用设备是水压机 能加工300t质量的锻件 是重型机械厂锻造生产的主要设备 空气锤 双柱拱式蒸汽 空气锤 水压机 自由锻的工序 工序 基本工序 辅助工序和修整工序基本工序 用来改变坯料的形状和尺寸的主要工序 主要包括 镦粗 拔长 冲孔 弯曲 扭转 错移 切割 1 镦粗 使坯料高度减小 横断面积增大的锻造工序称为镦粗 a 平砧间镦粗b 局部锻粗 2 拔长 使坯料横断面积减小 长度增加的锻造工序称为拔长 3 冲孔 在坯料上冲出通孔或盲孔的锻造工序称为冲孔 1 双面冲孔法 用冲头在坯料上冲至2 3 3 4深度时 取出冲头 翻转坯料 再用冲头从反面对准位置 冲出孔来 2 单面冲孔法 厚度小的坯料可采用单面冲孔法 冲孔时 坯料置于垫环上 一略带锥度的冲头大端对准冲孔位置 用锤击方法打入坯料 直至孔穿透为止 单面冲孔 4 弯曲 采用一定的工模具将坯料弯成所规定的外形的锻造工序 称为弯曲 5 切割是指将坯料分成几部分或部分地割开 或从坯料的外部割掉一部分 或从内部割出一部分的锻造工序 6 扭转是将毛料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的锻造工序 该工序多用于锻造多拐曲轴和校正某些锻件 小型坯料扭转角度不大时 可用锤击方法 7 错移是指将坯料的一部分相对另一部分平行错开一段距离 但仍保持轴心平行的的锻造工序 常用于锻造曲轴零件 错移时 先对坯料进局部切割 然后在切口两侧分别施加大小相等 方法相反且垂直于轴线的冲击力或压力 使坯料实现错移 辅助工序 为了完成基本工序而进行的预先变形工序 基本工序前 主要包括 压钳口 倒棱 压肩等 精整工序 用来提高锻件尺寸及位置精度的工序 基本工序后 主要包括 校正 滚圆 平整等 3 2 2自由锻工艺规程的制定 制定工艺规程 编写工艺卡片是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作 是组织生产 规范操作和检查产品质量的依据 制定工艺规程 必须结合生产条件 设备能力的技术水平等实际情况 力求技术上先进 经济上合理 操作上安全 以达到正确指导生产的目的 自由锻工艺规程主要包括以下内容 设计锻件图 确定坯料质量和尺寸 确定变形工艺过程和锻造比 选择锻造设备等主要内容 1 绘制锻件图自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量 锻造公差 工艺余块等之后绘制的图 绘制自由锻件的锻件图可按以下步骤进行 1 简化锻件形状为了简化锻造工艺 零件上的小孔 凹档 台阶等部分 可加上余块而不予锻出 是否加余块要根据零件的形状 尺寸 锻造技术水平和经济效果来确定 1 余块 为了简化锻件外形以符合锻造工艺过程需要 零件上较小的孔 狭窄的凹槽 直径差较小而长度不大的台阶等难于锻造的地方 通常填满金属 这部分附加的金属叫做锻造余块 2 加工余量 一般锻件的尺寸精度和表面粗糙度达不到零件图的要求 锻件表面应留有供机械加工用的金属层 这层金属称为机械加工余量 简称余量 余量大小的确定与零件的形状尺寸 加工精度 表面品质要求 锻造加热品质 设备工具精度和操作技术水平等有关 对于非加工面则无须加余量 零件公称尺寸加上余量 即为锻件公称尺寸 3 锻件公差 锻造生产中 由于各种因素的影响 如终锻温度的差异 锻压设备 工具的精度和工人操作技术水平的差异 锻件实际尺寸不可能达到公称尺寸 允许有一定的偏差 这种偏差称为锻造公差 锻件尺寸大于其公称尺寸的部分称为上偏差 正偏差 小于其公称尺寸的部分称为下偏差 负偏差 锻件上各部位不论是否机械加工 都应注明锻造公差 通常锻造公差约为余量的1 4 1 3 锻件的余量和公差具体数值可查阅有关手册 或按工厂标准确定 在特殊情况下也可与机加工技术人员商定 锻件各种尺寸和余量公差关系 4 绘制锻件图 在余量 公差和各种余块确定后 便可绘制锻件图 锻件图中 锻件形状用粗实线描绘 为了便于了解零件的形状和检验锻后的实际余量 在锻件图内 用假想线 双点划线 画出零件形状 锻件尺寸和公差标注在尺寸线上面 零件的公称尺寸要加上括号 标注在相应尺寸线下面 典型锻件图 1 余块2 余量 2 坯料重量和尺寸的确定 自由锻用原材料有两种 一种是钢材 钢坯 多用于中小型锻件 另一种是钢锭 主要用于大中型锻件 1 毛坯质量的计算 毛坯质量G坯为锻件质量与锻造时各种金属损耗质量之和 式中G锻 锻件质量 kg 锻件质量按锻件的公称尺寸计算 G损 各种金属损耗质量 kg 包括钢料加热烧损G烧 冲孔心料损失G心 端部切头损失G切 用钢锭锻造时 还应考虑冒口质量和锭底质量 钢料加热烧损G烧 即为烧损率 一般以坯料质量的百分比表示 其数值与所选用的加热设备类型有关 冲孔心料损失G心 kg 取决于冲孔方式 冲孔直径d dm 和坯料高度H0 dm 在数值上可按以下公式计算 实心冲子冲孔 空心冲子冲孔 垫环冲孔 端部的切头损失G切 kg 为坯料拔长后端部不平整而应切除的料头质量 与切除部位的直径D dm 或截面宽度B dm 和高度H dm 有关 可按下式计算 圆形截面 矩形截面 在采用钢锭锻造时 为保证锻件品质 必须切除钢锭的冒口和锭底 切除的质量以占钢锭质量的百分比表示 2 坯料尺寸的确定 坯料尺寸与锻件形工序有关 采用的锻造工序不同 计算坯料尺寸的方法也不同 1 当头道工序采用镦粗方法制造时 为避免产生弯曲 坯料的高径比应小于或等于2 5 但坯料过短会使坯料的剪切下料操作困难 为便于剪切下料 高径比应等于或大于1 25 即1 25 H0 D0 2 5 将H0 1 25 2 5 D0代入到 得到坯料直径D0 或边长a0 3 锻造比的确定 锻造比 简称锻比 是表示锻件变形程度的一种方法 也是保证锻件品质的一个重要指标 锻比的大小能反映锻造对锻件组织和力学性能的影响 一般规律是 随着锻比增大 由于内部孔隙的焊合 铸态树枝晶被打碎 锻件的纵向和横向力学性能均得到明显提高 当锻比超过一定数值时 由于形成纤维组织 其横向力学性能 塑性 韧性 急剧下降 导致锻件出现各向异性 用钢材锻制锻件 莱氏体钢锻件除外 由于钢材经过了大变形的锻造或轧制 其组织与性能均已得到改善 一般不必考虑锻比 用钢锭 包括有色金属铸锭 锻制大型锻件时 就必须考虑锻比 锻比一般取2 4 合金结构钢比碳素结构钢铸造缺陷严重 锻比应大些 重要受力件的锻比要大于一般锻件的锻比 可达6 8 由于各锻造变形工序变形特点不同 则各工序锻比和变形过程总锻比的计算方法也不尽相同 可参照表计算 3 确定锻造工序 自由锻造工序是根据工序特点和锻件类型来确定 按外形特征及其成形方法 为6类 盘类 空心类 轴杆类 曲轴类 弯曲类 复杂形状类 1 盘类锻件 外形特征为横向尺寸大于高度尺寸 或两者相近 如圆盘 叶轮 齿轮 模块 锤头等 所用基本工序为镦粗 随后的辅助工序和修整工序为倒棱 滚圆 平整等 盘类锻件的自由锻过程 2 空心类锻件 外形特征有中心通孔 一般为圆周等壁厚中空锻件 轴向可有阶梯变化 如圆环 齿圈和各种圆筒 异形筒 缸体 空心轴等 空心类锻件的自由锻过程 所采用的基本工序为镦粗 冲孔 扩孔和轴拔长 辅助工序和修整工序为倒棱 滚圆 校正等 3 轴杆类锻件 外形特征为轴向尺寸远远大于横向尺寸的实轴轴杆 可以是直轴或阶梯轴 如传动轴 车轴 轧辊 立柱 拉杆等 也可以是矩形 方形 工字形或其他形状截面的杆件 如连杆 摇杆 杠杆 推杆等 轴类锻件的自由锻过程 基本工序是拔长 或镦粗加拔长 辅助工序和修整工序为倒棱 滚圆和校直 4 曲轴类锻件 外形特征不仅沿轴线有截面形状和面积变化 而且轴线有多方向弯曲的实心长轴 包括各种形式的曲轴 如单拐曲轴和多拐曲轴等 曲轴类锻件的锻造过程 锻造曲轴类锻件的基本工序是拔长 错移和扭转 辅助工序和修整工序为分段压痕 局部倒棱 滚圆 校正等 5 弯曲类锻件 外形特征是轴线有一处或多处弯曲 沿弯曲轴线 截面可以是等截面 也可以是变截面 弯曲可以是对称弯曲和非对称弯曲 弯曲类锻件的锻造过程 锻造弯曲锻件的基本工序是拔长 弯曲 辅助工序和修整工序是分段压痕 滚圆和平整 1 下料 120kg 2 压槽卡出两端 3 拔出中间部分 4 弯曲左端圆弧 5 弯曲右端圆弧 6 弯曲中间圆弧 6 复杂形状类锻件 复杂形状类锻件 外形特征除了上述五类锻件以外的其他形状锻件 也可以是由上述5类锻件特征所组成的复杂锻件 如阀体 叉杆 吊环体 十字轴等 复杂形状类 由于这类锻件锻造难度较大 所用辅助工序较多 因此 在锻造时应合理选择锻造工序 保证锻件顺利成形 制定自由锻工艺过程规程举例 以齿轮零件为例 制定自由锻工艺过程规程 该零件材料为45钢 生产批量小 采取自由锻锻造齿轮坯 图 1齿轮零件图 1 设计 绘制锻件图 自由锻工艺过程不可能锻出零件的齿形和圆周上的狭窄凹槽 应加上余块 简化锻件外形 根据JB4249 6 1986 圆环类自由锻件机械加工余量和公差标准 查得 锻件水平方向的双边余量和公差为a 12 5 mm 锻件高度方向双边余量和公差为b 7 2 mm 内孔双边余量和公差为 16 6 mm 绘制齿轮的锻件图 如图所示 图 2齿轮锻件图 2 确定变形工序及工序尺寸 由锻件图知D 292mm 凸肩部分D肩 198mm d 104mm H 57mm 凸肩部分高度H肩 30mm 得到D肩 d 1 9 H d 0 548 根据锻件形状特点 各工步坯料尺寸如下 变形工序为 镦粗 冲孔 冲子扩孔 根据锻件形状特点 各工序坯料尺寸确定如下 1 镦粗由于锻件带有单面凸肩 需采用垫环镦粗 如图所示 需确定垫环尺寸 图 3齿轮锻造工艺过程1 下料 2 镦粗 3 垫环局部镦粗 4 冲孔 5 冲子扩孔 6 修整 1 镦粗由于锻件带有单面凸肩 需用垫环镦粗 如图 2 则应确定垫环尺寸 垫环孔腔体积V垫应比锻件凸肩体积V肩大10 15 取13 由式V肩 D肩 d H肩 4 计算得V肩 668876 5mm 于是 V垫 1 13 668876 5 755830 4mm 因冲孔时会使坯料产生拉缩 所以H垫应比锻件凸肩高度H肩增大15 35 取20 为宜 H垫 1 2H肩 1 2 30 36mm垫环内径d垫根据体积不变原则得 d垫 1 13 V垫 H垫 163 7mm 垫环内壁应有斜度 7 上孔直径定为164mm 下端孔定位为155mm 为除去氧化皮 在垫环镦粗之前应进行自由镦粗 工艺过程如图 3所示 自由镦粗后坯料的直径应略小于垫环内径 而经垫环镦粗后上端法兰部分应比锻件最大直径略小 为除去氧化皮 在垫环镦粗之前应进行自由镦粗 工艺过程如图 3所示 自由镦粗后坯料的直径应略小于垫环内径 而经垫环镦粗后上端法兰部分应比锻件最大直径略小 2 冲孔冲孔时应注意两个问题 1 冲孔芯料损失小2 扩孔次数不能太多 冲孔直径d冲应小于D 3 即d冲 D 3 198 3 66mm 实际选用d冲 60mm 3 扩孔总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径 即104 60 44mm 按课本表3 4每次扩孔量为25 30mm 分配各次扩孔量 各次扩孔为20mm 24mm 4 修整锻件按锻件图 2进行最后修整 原坯料体积V0包括锻件体积V锻和冲孔芯料体积V芯 以及加热过程的烧损体积 即V0 V锻 V芯 1 锻件体积按锻件图公称尺寸计算 V锻 2247602 2mm 冲孔芯料体积 冲孔芯料厚度与毛坯厚度有关 因冲孔毛坯高度H孔坯 1 05H锻 1 05 57 59 85mm H芯 0 15 0 2 H孔坯 此处取0 2 则H芯 0 2 59 85 11 97mm 于是V芯 d冲 H芯 4 33844 4mm 烧损率 取3 5 则V0 2361297mm 由于第一道工步为镦粗 为防坯料失稳 则按一下公式计算坯料直径D0 0 8 1 0 V0 107 133mm 取D0 120mmH0 V0 D0 4 208 8mm取210mm 3 计算坯料尺寸 3 2 3自由锻锻件结构工艺性 设计选用自由锻加工零件时 应在保证使用要求的性能 结构的条件下 应充分考虑自由锻设备和工艺特点 只有这样 才能使所设计的零件具有较好的自由锻工艺性 因此合理的结构设计 可达到锻造方便 节约金属 保证质量及提高生产率的效果 1 尽量避免锻件上的斜面 锥体等复杂形面 锻造具有锥体或斜面结构的锻件 需制造专用工具 锻件成形也比较困难 从而使工艺过程复杂 不便于操作 影响设备使用效率 应尽量避免 2 锻件体应由简单几何体构成且其交线为简单曲线 避免复杂曲线 如相贯线等 图a所示的圆柱面与圆柱面相交 锻件成形十分困难 改成图b所示的平面相交 消除了空间曲线 使锻造成形容易 3 锻件上不应设计筋条 板 凸台 工字形 椭圆形或其它非规则截面及外形等 图a所示的锻件结构 难以用自由锻获得 若采用特殊工具或特殊工艺来生产 会降低生产率 增加产品成本 4 锻件的截面有急剧变化或形状复杂时 应设计成由几个简单体构成的组合体 3 3模锻 模锻 坯料在模膛内受冲击力或压力产生变形 得到所需形状的锻造方法 按使用设备的不同 分为锤上模锻 曲柄压力机上模锻 摩擦压力机上模锻 胎模锻等 与自由锻相比 模锻的特点 生产率较高 锻件尺寸精确 加工余量小 可锻出形状复杂锻件 材料利用率高 1 锤上模锻 锤上模锻是我国目前应用最多的一种模锻方法 其设备统称为模锻锤 模锻锤的吨位 落下部分的重量 为1 16吨 可锻制150Kg以下的锻件 锤上模锻用的上 下锻模分别放置在锤头与砧座之上 砧座与锤身连成一个整体 锤头与导轨之间的配合也比自由锻锤精密 因而锤头的运动精度较高 使上模和下模准确对位 可以获得形状和尺寸比较精确的锻件 模具是模锻生产中最重要的要素 模具型腔 又称模膛 直接决定了最终锻件的形状尺寸 而锻件的形状尺寸又是由零件尺寸推算出来的 因此 模膛的设计通常是按零件 锻件 模膛顺序逐步计算得到的 下面以锤上模锻模具为例介绍模具设计 锤上模锻用的锻模结构 模膛设计 模膛根据其功用的不同可分为模锻模膛和制坯模膛两大类 1 模锻模膛分为终锻模膛和预锻模膛两种 1 终锻模膛 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 考虑到冷却时要收缩 终端模膛应比锻件尺寸放大一个收缩量 1 5 模膛四周留有飞边槽 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 带有冲孔连皮和飞边的模锻件 具有通孔的锻件 终锻后在孔内留下一薄层金属 称为冲孔连皮 2 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 预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大 高度较后者高 宽度较后者窄 没有飞边槽 2 制坯模膛 对于形状复杂的模锻件 为了使坯料能合理分布和很好地充满模膛 就必须预先在制坯模膛内制坯 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 用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 主要是使金属按模锻件形状来分布 弯曲模膛 对于弯曲的杆类模锻件 需用弯曲模膛来弯曲坯料 切断模膛 上模与下模的角部组成的一对刀口 用来切断金属 锻模可设计成单膛锻模或多膛锻模 弯连杆的模锻过程及所用锻模 制坯工步 模锻工步 切断工步 2 模锻工艺规程的制定 模锻工艺规程包括 主要内容 6项绘制模锻件图 计算坯料的重量和尺寸 确定模锻工步 选择锻压设备 设计锻模模膛 确定锻造温度范围 加热和冷却规范 1 绘制模锻件图模锻件图 零件图 分模面 加工余量 模锻斜度 冲孔连皮 余块 圆角 公差1 确定分模面分模面 分模面即上 下模或凸 凹模的分界面 分模面可以是平面 也可以是曲面 选择原则 应选在锻件最大截面处 以利锻件脱模 尽量选用平面 以简化模具结构 方便制造 应选在上 下模膛轮廓相同的位置上 以便于及时发现错模 选在模膛深度最浅且上 下模深度基本一致的位置 以便于金属充满模膛 应使锻件余块最小 模锻分模面 分模面的选择比较 2 模锻件的机械加工余量及公差 机械加工余量一般为1 4mm 锻造公差一般取在 0 3 3mm之间 3 模锻斜度模锻件的侧面 即平行于锤击方向的表面必须具有一定的斜度 50 150 模锻斜度不包括在加工余量之内 一般应取5 7 10 12 等标准值 当模膛宽度b小而深度h大时 模锻斜度要取大些 内壁斜度要略大于外壁斜度 a2 a1 外壁斜度5 或7 内壁斜度7 或10 4 模锻圆角半径 锻件上两个面的相交处均应以圆角过渡 其作用是减少坯料流入模槽的摩擦阻力 使坯料易于充满模膛 避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断 减少模槽凹角处的应力集中 提高模具使用寿命等 内圆角r 1 4mm 外圆角R 3 4 r 5 留出冲孔连皮 锻件上直径小于25mm的孔 一般不锻出 或只压出球形凹穴 大于25mm的通孔 也不能直接模锻出通孔 而必须在孔内保留一层连皮 冲孔连皮的厚度s与孔径d有关 当d 30 80mm时 s 4 8mm 2 确定模锻工步 模锻工步主要根据模锻件形状和尺寸来确定 模锻件按形状分为以下两类 长轴类锻件模锻件的长度与宽度 或直径 之比较大 锻造时锤击方向垂直于锻件轴线 终锻时金属沿高度与宽度方向流动 长度方向流动不显著 长轴类锻件常选用拔长 滚压 弯曲 预锻和终锻等工步 短轴类锻件模锻件在分模面上的投影为圆形或长度与宽度相近 锻造时锤击方向与坯料轴线相同 终锻时金属沿高度 轴向 宽度及长度方向均产生流动 常选用镦粗 终锻等工步 形状复杂有深孔或高筋的锻件则要采用镦粗 预锻和终锻等工步 形状简单的锻件也可直接终锻成形 3 计算坯料尺寸 根据锻件质量和加热 锻造过程中的损耗计算 其步骤与自由锻件相似 短轴类锻件坯料体积按下式计算 V0 V锻 V连 V飞 1 K1 V连 冲孔连皮的体积 K1 烧损系数 2 4 短轴类锻件的坯料直径 D0 可下式计算 m 坯料高径比 取1 8 2 2长轴类锻件可根据锻件的最大截面 Fmax值 计算坯料直径 K 模膛系数 不制坯或有拔长工步时 K 1 有滚挤工步 K 0 7 0 85 计算方法与自由锻相同 坯料重量为锻件 飞边 连皮 钳口料头和氧化皮重量的总和 一般飞边是锻件重量的2 2 5 氧化皮是锻件 飞边 连皮等重量总和的2 5 4 6 修整工序 即模锻件成形后提高精度和表面质量的工序 切边 即带飞边的模锻件终锻后切除飞边的工序 冲连皮 即带孔的锻件经终锻后 冲除孔内连皮的工序 校正 即为消除锻件在锻后产生的弯曲 扭转等变形 使之符合锻件图技术要求的工序 分为热校和冷校 热处理和清理 模锻件经过修整后 一般还需通过热处理和清理 采用正火或退火 细化晶粒 清理表面缺陷或氧化皮 精压精度高和表面粗糙度值小的锻件 清理后还应在压力机上进行精压 3 模锻成型件的结构工艺性 模锻零件必须具有一个合理的分模面 以保证模锻件易于从锻模中取出 敷料最少 锻模容易制造 零件上与锤击方向平行的非加工表面 应设计出模锻斜度 非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计 为了使金属容易充满模膛和减少工序 零件外形力求简单 平直和对称 尽量避免零件截面间差别过大 或具有薄壁 高筋 凸起等结构 在零件结构允许的条件下 设计时尽量避免有深孔或多孔结构 在可能条件下 应采用锻 焊组合工艺 以减少敷料 简化模锻工艺 3 3 2压力机上模锻 常用的模锻压力机为曲柄压力机 摩擦压力机和平锻机 1 曲柄压力机上模锻 右图所示为连杆式热模锻压力机 电动机3的运动经带轮2和1及传动轴4传至一对齿轮6和7 再经过离合器8传至偏心轴 曲轴 9 然后通过连杆10带动滑块ll沿导轨15作上下往复运动 上 下锻模分别安装在滑块11的下端和工作台12上 1 锻造时滑块的行程不变 每个变形工步在滑块的运动下成形 便于实现机械化和自动化 具有很高的生产率 2 滑块运动精度高 并有锻件顶出装置 使锻件的模锻斜度 加工余量和锻造公差减小 因而锻件精度比锤上模锻件高 3 作用于坯料上的锻造力是静压力而不是冲击力 坯料的变形速度较低 这对于低塑性材料的锻造有利 4 工作时的振动和噪声小 劳动条件得到改善 这种模锻方法的主要缺点是设备结构复杂 价格高 模具结构也比一般锤上锻模复杂 同时 由于滑块行程不能在锻造过程中调节 因而不能进行拔长 滚挤等需要多次打击才能完成的工步的操作 特点 2 平锻机上模锻 相当于卧式的曲柄压力机 沿水平方向对坯料施加锻压力 平锻机上模锻的过程如图所示 首先将棒形坯料放入固定凹模的模槽内 并由挡板定位 在冲头前进的过程中 活动凹模迅速将坯料夹紧 同时挡板退出 冲头 凸模 对坯料施加锻压力 使其充满模腔 回程时冲头退出 活动凹模松开 坯料从凹模中取出或进入下一个模膛 同时挡板又进入工作位置 为下一个坯料的锻压做好准备 平锻机上模锻在工艺上特点 1 坯料都是棒料或管材 并且只进行一端局部加热和局部变形加工 因此可以完成在立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件 也可用长棒料连续镀造多个锻件 2 锻模有两个分模面 锻件出模方便 可以锻出在其他设备亡难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件 3 需配备对棒料局部加热的专用加热炉 适于在平锻机上锻造的锻件是有头的杆类锻件和有孔 通孔或盲孔 的锻件 也可进行管件的局部镦或胀形 3 摩擦压力机上模锻 摩擦压力机是靠飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形能进行锻造的 摩擦压力机的结构和工作原理如图所示 电动机1启动后 通过带传动系统2驱动摩擦盘3旋转 使左侧摩擦盘3与飞轮4接触 靠摩擦力作用使飞轮旋转 由于螺母6固定在机架上 故螺杆5旋转时带动飞轮及滑块7向下运动 当滑块向下运动一定距离后 及时将 手柄扳平 飞轮与摩擦盘脱离接触 落下部分靠自身能量继续下落并进行锻压 然后将手柄提起 使右侧圆盘与飞轮接触 飞轮作反向旋转 使滑块升起 将手柄松开 即完成一个工作循环 在批量生产时 将限位挡铁9调整到适当位置 即可准确控制压下力的大小及滑块的行程范围 1 滑块行程和打击能量都可自由调节 坯料在一个模腔内可以多次打击 因而摩擦压力机属于锻锤类设备 其工艺性能广泛 既可完成微租 成形 弯曲 预锻 终锻等成形工序 也可进行校正 稍整 切边 冲孔等后续工序的操作 2 滑块行程速度略高于热模锻压力机 比模锻锤低得多 锻压力仍接近于静压力性质 同时 由于飞轮的惯性大 其锻击频率低 因而生产率较低 3 金属在两次锻击之间可以充分进行再结晶 适合于再结晶速度较低的一些合金钢和有色金属的锻造 4 螺杆与滑块之间为非刚性连接 承受偏心载荷能力差 适合单模膛锻造 5 摩擦传动的效率低 只有10 15 设备吨位受限制 多为中小型设备 摩擦压力机上模锻特点 3 3 3胎模锻 在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法 称为胎模锻 1 胎模锻的特点和应用与自由锻相比的优点 1 成形质量高 2 生产效率高 3 能比较复杂的锻件 4 省时 省材 适用于中 小批量的锻件生产 2 胎模类型 常用的胎模有扣模 垫模 套模 合模 弯曲模 跳模 摔模等 常用三类 1 扣模扣模由上 下扣组成或上扣由上砧代替 锻造时锻件不转动 初锻成形后锻件翻转90 在锤砧上平整侧面 扣模常用来生产长杆非回转体锻件的全部或局部扣形 也可用来为合模制坯 2 套筒模 套模 分开式和闭式开式套模只有下模 上模用上砧代替 主要用于回转体锻件 如法兰盘 齿轮 的最终成形或制坯 当用于最终成形时 锻件的端面必须是平面 闭式套模由模套 模筒 上模垫及下模垫组成 下模垫也可由下砧代替 主要用于端面有凸台或凹坑的回转体类锻件的制坯和最终成形 有时也用于非回转体类锻件 3 合模合模由上 下模组成 为使上 下模吻合和不使锻件产生错移 常用导柱和导销定位 合模适于各类锻件的终锻成形 尤其是非回转体类复杂形状的接件 如连杆 叉形等锻件 下图为法兰盘胎模锻造过程 锻造时 先把下模放在下砥铁上 再把加热的坯料放在模膛内 然后合上上模 用锻锤锻打上模背部 待上 下模接触 坯料便在模膛内锻成锻件 胎模锻时 锻件上的孔也不能冲通 留有冲孔连皮 锻件的周围亦有一薄层金属 称为毛边 因此 胎模锻后也要进行冲孔和切边 以去除连皮和毛边 a 用胎模锻出的锻件b 用切边模切边c 冲掉连皮d 锻件 上次内容回顾 自由锻的工序 基本工序 辅助工序 精整工序 锻件图的绘制 模锻件图 零件图 分模面 加工余量 模锻斜度 冲孔连皮 余块 圆角 公差 自由锻锻件图 零件图 加工余量 余块 3 4板料冲压 主要内容3 4 1分离工序3 4 2成形工序3 4 3冲模 重点内容 1 初步掌握分离工序和变形工序的种类 特点及应用 2 根据各种工序的特点 合理地选择冲压工艺参数 正确设计冲压件结构 3 了解常用冲压模具的结构 特点及工作原理 利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法 板料冲压常用的设备是剪床和冲床 其中剪床用于下料 将板料剪成一定宽度的条料 以供冲压之用 因多数冲压件不需加热 故又称为薄板冲压或冷冲压 当板料大于8 10mm时 应采用热冲压 冲压所用的原料必须具有足够的塑性 常用的有低碳钢 高塑性合金钢 铜合金 铝合金等 板料冲压的特点 1 零件形状复杂 废料少 2 产品精度高 互换性好 3 产品质量小 材料消耗少 强度 刚度高 4 操作简单 生产率高 成本低 5 冲模制造复杂 周期长 大批量生产 6 板料必须具有一定塑性 且厚度受到一定限制 板料冲压的基本工序可分为分离工序和成形工序 3 4 1分离工序 分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序 如落料 冲孔 切断 精冲等 板料沿封闭轮廓分离的工序 落料是被分离的部分为成品 而周边是废料 冲孔是被分离的部分为废料 而周边是成品 1 冲裁 1 冲裁变形过程 弹性变形阶段 塑性变形阶段 断裂分离阶段 落料和冲孔时金属板料的分离过程示意图 弹性变形阶段 冲头接触板料后 继续向下运动的初始阶段 使板料产生弹性收缩 拉伸 弯曲等变形 应力迅速增大 凸模下材料略有弯曲 凹模上的材料则上翘 间隙 弯曲 上翘 冲头继续运动 板料中应力值达到屈服极限 塑性变形 变形达到一定阶段时 位于凹 凸模刃口处的材料硬化加剧 出现微裂纹 塑性变形阶段阶段结束 3 断裂分离阶段 冲头继续压入 已形成的上 下微裂纹扩大并向内延伸 上 下裂纹相遇重合时 材料被剪断分离 2 塑性变形阶段 冲裁件断裂面有明显的区域特征光亮带 冲头挤压切入所形成的光滑表面 断面质量最佳剪裂带 是材料在剪断分离时所形成的断裂带 表面粗糙 冲裁时金属板料的分离过程示意图 冲裁件断面质量及其影响因素 塌角a 它是在冲裁过程中刃口附近的材料被牵连拉入变形 弯曲和拉伸 的结果 光面b 它是在塑性变形过程中凸模 或凹模 挤压切入材料 使其受到剪切应力 和挤压应力 的作用而形成的 毛面 断裂带 c 它是由于刃口处的微裂纹在拉应力 作用下不断扩展断裂而形成的 毛刺d 冲裁毛刺是在刃口附近的侧面上材料出现微裂纹时形成的 要提高冲裁件的质量 就要增大光面的宽度 缩小塌角和毛刺高度 并减少冲裁件翘曲 冲裁件质量取决于 模具间隙 凹凸模刃口锋利程度 排样 2 凸凹模间隙 凹凸模之间间隙z不仅严重影响冲裁件的断面质量 而且影响模具寿命 卸料力 推件力 冲裁力和冲裁件的尺寸精度 因此正确选择间隙值对冲裁生产至关重要 单边间隙c的经验公式 板料厚度 m相关系数 间隙过大 断面质量差 光亮带小一些 剪裂带和毛刺均较大间隙过小 断面质量好 光亮带增大 但毛刺也增大 模具磨损严重 寿命受影响 当间隙合适时 这时光面约占板厚的1 2 1 3左右 切断面的塌角 毛刺和斜度均很小 零件的尺寸几乎与模具一致 完全可以满足使用要求 合理选择模具间隙 主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要的因素 一般说来 当对冲裁件断面质量要求较高时 应选取较小的间隙值 而当冲裁件的质量要求不高时 则应可能地加大间隙值 以利于提高冲模的寿命 3 凸凹模刃口尺寸的确定 在冲裁件尺寸的测量和使用中 都是以光面的尺寸为基准 落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的 孔的光面是凸模刃口挤切材料产生的 设计落料模时 应先按落料件确定凹模刃口尺寸 取凹模作设计基准件 然后根据间隙Z确定凸模尺寸 考虑到凹模磨损后落料尺寸增大 为提高模具使用寿命 因而凹模刃口的基本尺寸应接近落料件的最小极限尺寸 凸模的基本尺寸 凹模刃口的基本尺寸 最小合理间隙值 设计冲孔模时 先按冲孔件确定凸模尺寸 取凸模作设计基准件 然后根据间隙Z确定凹模尺寸 冲裁件刃口尺寸的计算直接关系到模具间隙和冲裁件的尺寸精度 是模具设计中最重要的尺寸 落料凹模和冲孔凸模尺寸 落料凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小的尺寸 冲孔凸模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸 4 冲裁件的结构工艺性 冲裁件的工艺性指 冲裁件对工艺的适应能力 即冲裁件的结构形状 尺寸大小 工件精度等在冲裁的难易程度 冲裁件形状尺寸要求 1 冲裁件的形状简单 对称 有利于材料的合理利用 2 外形内孔转角处避免过尖的锐角 3 冲孔的最小尺寸与材料 孔形料厚 是否采用护套有关 4 避免工件上有细长的悬臂和狭长的槽 以防凸模折断 5 冲裁件的孔与孔间 孔至边缘间距离不宜过小 6 在弯曲件和拉深件上冲孔时 其孔边与工件直壁间应保持一定的距离 7 如用条料冲裁端部带圆弧工件时 其端部半径应大于条料宽度B的一半 对弯曲件的要求 弯曲件形状应尽量对称 弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径 并应考虑材料纤维方向 以免成型过程中弯裂 弯曲边过短不易弯成型 故应使弯曲边高度H 2s 若H 2s 则必须压槽 或增加弯曲边高度 然后加工去掉 如图 弯曲带孔件时 为避免孔的变形 孔的边缘距弯曲中心应有一定的距离 如图 图中L 1 5 2s 当L过小时 可在弯曲线上冲工艺孔 如对零件孔的精度要求较高 则应弯曲后再冲孔 对拉伸件的要求 拉深件外形应简单 对称 且不宜太高 以便使拉深次数尽量少 并容易成型 拉深件的圆角半径 如图示 应满足 rd S R 2S r 3 5 S 否则 应增加整形工序 拉深件的壁厚变薄量一般要求不应超出拉伸工艺壁厚变化的规律 最大变薄率约在10 18 左右 2 修整 修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属 以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺 从而提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度 修整后冲裁件公差等级达IT6 IT7 表面粗糙度Ra为0 8 1 6 m 切断是指用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 剪刃安装在剪床上 制作一定宽度的条料 供下一步冲压工序使用 冲模安装在冲床上 用以制取形状简单 精度要求不高的平板零件 切断 3 4 2成形工序 成形工序是使板料的一部分相对其另一部分产生位移而不破裂的工序 如弯曲 拉深 翻边 胀形等 1 弯曲 弯曲是将坯料弯成一定的角度 一定的曲率形成一定形状零件的工序 防止破裂 弯曲的最小半径应为rmin 0 25 1 s s为金属板料的厚度 材料塑性好 则弯曲半径可小些 弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直 若弯曲线与纤维方向一致则容易产生破裂 此时可用增大最小弯曲半径来避免 回弹现象 由于弹性变形的恢复 坯料略微弹回一点 使被弯曲的角度增大 一般回弹角为0 10 与坯料纤维方向垂直 2 拉深 原理 圆筒形件的拉深 利用冲模使毛坯变形制成开口空心零件的成形工序 凸模和凹模有一定的圆角 其间隙一般稍大于板料厚度 拉深件的底部一般不变形 厚度基本不变 直壁厚度有所减小 拉深中常见的废品及防止措施 拉伸件中最危险的部位是直壁与底部的过渡圆角处 当拉应力超过材料的强度极限时 此处将被 拉裂 正确选择拉伸系数 拉深件直径d与坯料直径D的比值称为拉深系数 用m表示 即m d D 拉深系数不小于0 5 0 8 坯料的塑性差取上限值 塑性