工艺技术_锻压成形工艺课件

第11章压力加工 概述 一 压力加工的概念压力加工是金属坯料在外力的作用下产生塑性变形 从而获得一定形状 尺寸和性能的原材料 毛坯或零件的加工方法 二 压力加工的特点和应用范围 1 力学性能高 既可以改变材料的形状和尺寸 又能改变材料的组织和性能 可以压合铸造组织的内部缺陷 使成分均匀 夹杂物均布 形成纤维组织 细化晶粒 所以 锻压件的机械性能好 近年来 采用形变热处理的方法 将压力加工与热处理工艺相结合 可同时获得形变强化和相变强化 进 步提高零件的强韧性 2 节省金属 由于提高了金属的力学性能 在同样受力和工作条件下 可以缩小零件的截面尺寸 3 生产率高 多数压力加工方法 特别是轧制 挤压 拉拔等 金属连续变形 且变形速度很高 故生产率高 压力加工与铸造相比 成本较高 成形较困难 由于是在固态下成形 无法获得截面形状 特别是内脏 复杂的产品 11 1压力加工理论基础 11 1 1金属的纤维组织及锻造比 锻造比 通常用拔长时的变形程度来衡量 纤维组织 热加工使得材料内部的各种可变形的夹杂物沿塑性变形方向拉长所形成的流线组织 纤维组织的明显程度与锻造比有关 热加工时应力求使流线合理分布 最大正应力与纤维方向一致 最大切应力与纤维方向垂直 并尽可能使纤维方向沿零件的轮廓分布而不被切断 11 1 2金属的锻造性能1 金属的锻造性 可锻性 是衡量材料在利用锻造成型时的难易程度的工艺性能 它是由材料的塑性和变形抗力两个因素决定 塑性好 变形抗力小的材料 锻造性能就好 反之依然 2 影响金属锻造性的因素1 金属的本质a 化学成分低碳钢 低合金钢及铝合金锻造性好 高合金钢的锻造性差 铸铁不能锻造 b 组织结构 具有细小的晶粒 单相组织 面心立方结构的合金具有好的锻造性 2 变形条件a 变形温度 锻造时 必须合理地控制锻造温度范围 即始锻温度与终锻温度之间的温度间隔 始锻温度是指金属开始锻造时的温度 般为锻造时所允许的最高加热温度 终锻温度是指金属停止锻造时的温度 在锻造过程中随着温度的降低 工件材料的变形能力下降 变形抗力增大 下降至终锻温度时 必须停止锻造 重新加热 以保证材料具有足够的塑性和防止锻裂 确定锻造温度范用的理论依据主要是合金状态图 常见加热缺陷有 氧化 脱碳 过热 过烧和开裂 过热 由于加热温度过高或高温下保温时间过长而引起晶粒粗大的现象 可通过正火细化晶粒 恢复锻造性能 过烧 加热温度过高接近金属熔点时 晶界出现氧化或熔化的现象 加热缺陷无可挽回 b 变形速度 变形速度 指单位时间内材料的变形程度 变形速度与锻造性能的关系如图 C 应力状态 变形方法不同 在金属中产生的应力状态也不同 即使同一种变形方式 金属内内部不同位置的应力状态也可能不同 金属在挤压时三向受压 图11 4 a 表现出较高的塑性和较大的变形抗力 拉拔时两向受压 一向受拉 图ll 4 b 表现出较低的塑性和较小的变形抗力 平砧墩粗时 图11 4 c 坯料内部处于三向压应力状态 但侧表面层在水平方向却处于拉应力状态 因而在工件侧表面容易产生垂直方向的裂纹 三向受压时金属的塑性最好 出现拉应力则使塑性降低 因为压应力阻碍了微裂纹的产生和发展 而金属处于拉应力状态时 内部缺陷处会产生应力集小 使缺陷易于扩展和导致金属的破坏 因此 选择变形方法时 对于塑性好的金属 变形时出现拉应力是有利的 可减少变形时的能量消耗 而对于塑性差的金属材料 应避免在拉应力状态下变形 尽量采用三向压应力下变形 在金属变形过程中遵循体积不变和最小阻力定律 金属变形时首先向阻力最小的方向流动 11 1 3金属的变形规律1 体积不变定律金属坯料变形后的体积等于变形前的体积 2 最小阻力定律金属变形时首先向阻力最小的方向流动 一 概述1 自由锻的概念将加热后的坯料放在铁砧上 在压力或冲击力的作用下使其自由变形获得锻件的方法 2 自由锻的分类手工自由锻和机器自由锻 3 自由锻的特点坯料的变形不受模具限制 设备和工具的通用性大 锻件的重量不受限制 是生产大型锻件的唯一方法 但是 生产率低 锻件精度低 加工余量大 只适合于单件小批量生产形状简单件 11 2常用锻造方法 11 2 1自由锻造 二 自由锻设备 1 空气锤利用电机作动力 结构小 打击速度快 锤击能量小 只适合于100Kg以下小件的锻造 2 蒸汽 空气锤以6 9个大气压的蒸汽或压缩空气为动力 适合于中型或较大锻件的锻造 3 水压机利用水泵产生的高压水作动力 具有行程大 变形速度慢 工件变形均匀等优点 并且产生的是静压力 可制成大吨位的设备 适合于锻造大型锻件 缺点是结构大 供水与操作系统复杂 基本工序有镦粗 拔长 冲孔 弯曲 切割等 三 自由锻的基本工序 1 绘制锻件图 在零件图基础上考虑加工余量 锻件公差 余块 其中余块是指为了简化锻件形状 便于锻造而增加的一部分金属 2 选择自由锻工序依据是锻件的形状 尺寸 技术要求和生产数量 3 计算坯料质量和尺寸4 选择锻造设备根据坯料的种类 质量以及锻造基本工序 设备的锻造能力并结合实际来确定5 确定锻造温度范围 四 自由锻工艺规程的制订 名词解释 flange 法兰 Aprotrudingrim edge rib orcollar asonawheelorapipeshaft usedtostrengthenanobject holditinplace orattachittoanotherobject 凸缘车轮或管道上突出的边 缘 肋条或环圈 用来增加物体强度 固定物体或使某一物体附着在另一物体上 Flange 一 概述1 模锻的概念将加热后的坯料放在锻模模膛内受压变形获得锻件的方法 2 模锻的分类锤上模锻和其它设备上模锻 曲柄压力机 平锻机 摩擦压力机等 3 模锻的特点生产率高 锻件形状可以较复杂 锻件尺寸精确 加工余量小 机械性能好 但是 锻模受较大的冲击力和热疲劳应力 需要专用模具钢 模具成本高 只适合于大批量生产中小件 11 2 2模型锻造 1 模锻设备蒸汽 空气锤 与自由锻的蒸汽 空气锤结构工作原理基本相同 与其它模锻设备相比 模锻锤的打击速度快 6 8m s 行程不固定 可在一副锻模的不同模膛完成多种工序 缺点 震动大 无顶出装置 只适合于高度较小的锻件及精度要求不高的锻件的锻造 2 锻模结构由带燕尾上模和下模组成 锻模模膛可分为 制坯模膛和模锻模膛 二 锤上模锻 1 绘制锻件图 选择分模面 加工余量和模锻公差 连皮 模锻斜度和圆角半径 2 计算坯料质量和尺寸3 选择模锻工序4 选择锻造设备5 确定锻造温度范围 3 模锻工艺规程的制订 选择分模面 确定加工余量 公差 余块和连皮 连皮是指模锻时不能直接锻出通孔 在该部位留有一层较薄的金属 确定模锻斜度和圆角半径 便于取出锻件 选择模锻工序变形工序的确定 根据锻件图复杂程度确定 之后设计模膛 与锤上模锻相比其特点 1 滑块行程固定 机身结构刚性大 导轨的导向精度高 2 设有上下顶出装置 可自动脱模 故锻件的模锻斜度小 3 变形是在滑块的一次行程中完成 变形比较均匀 力学性能均匀一致 生产率高4 对坯料产生的是静压力 这对变形速度敏感的低塑性材料的成型更有利 5 生产率高 无冲击和震动 故劳动条件好 但设备复杂 造价高 需要其它辅助设备 因此主要用于具有现代化辅助设备的大厂模锻件的大批量生产 三 曲柄压力机上模锻 1 摩擦压力机的工作原理 五 摩擦压力机上模锻 2 摩擦压力机锻造的特点及应用范围 摩擦压力机 图11 l8 是靠飞轮旋转所积蓄的能量转化为金属的变形能而进行锻造的 电动机经带轮 摩擦盘 飞轮和螺杆带动滑块作上 下往复运动 操纵机构控制左 右摩擦盘分别与飞轮接触 利用摩擦力改变飞轮转向 摩擦压力机的行程速度介于模锻锤和曲柄压力机之间 滑块行程和打击能量均可自由调节 坯料在一个模膛内可以多次锤击 能够完成镦粗 成形 弯曲 预锻等成形工序和校正 精整等后续工序 摩擦压力机构造简单 投资费用少 工艺适应性广 但传动效率低 广泛用于中批量生产的小型模锻件 以及某些低塑性合金锻件 是介于自由锻与锤上模锻之间的一种锻造方法 兼有两者的特点 一般先用自由锻方法使坯料预成形 然后放在胎模中终锻成型 胎模的结构形式很多 常用胎模结构如图11 20所示 扣模主要用于非回转体锻件的局部或整体成形 筒模主要用于锻造法兰盘 齿轮坯等回转体盘类零件 合模由上 下模两部分组成 主要用于锻造形状较复杂的非回转体锻件 胎模锻造的特点介于自由锻与锤上模锻之间 比自由锻生产率高 锻件质量较好 锻模简单 生产准备周期短 广泛用于中 小批量的小型锻件的生产 五 胎模锻 板料冲压是利用冲模在压力机上对板料施加压力使其变形或分离 从而获得一定形状 尺寸的零件的加工方法 板料冲压通常在常温下进行 又称冷冲压 只有当板厚大于8 10mm时才采用热冲压 冲压加工的应用范围广泛 既适用于金属材料 也适用于非金属材料 既可加工仪表上的小型制件 也可加工汽车覆盖件等大型制件 在汽车 拖拉机 电器 航空 仪表及日常生活用品等制造行业中 均占有重要地位 板料冲压具有下列特点 1 生产率高 操作简便 便于实现机械化和自动化 2 产品质量好 尺寸精度和表面质量较高 互换性好 一般不须进一步加工 3 板料利用率高 可冲制复杂的零件 废料少 11 3板料冲压 板料冲压的基本工序可分为 分离工序和成形 变形 工序两大类 1 分离工序利用冲模使冲压件与板料分离的工序 包括剪切 冲孔 落料等 剪切 使板料沿不封闭的轮廓分离 冲孔 落料 冲裁 使板料沿封闭的轮廓分离 如果落下去的是零件 周边是废料为落料 反之为冲孔 11 3 1板料冲压的基本工序 分离变形过程及影响分离质量的因素 分离变形过程包括弹性变形 塑性变形 断裂三个阶段 断口区域包括 塌角 光亮带 断裂带和毛刺等4部分 间隙 过大或过小都将使上下裂纹不重合 毛刺增大 刃口尺寸 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 然后根据间隙确定凸模尺寸 即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值 设计冲孔模时 应先按冲孔件确定凸模刃口尺寸 取凸模作设计基准件 然后根据间隙确定凹模尺寸 即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值 使板料的一部分相对于另一部分产生位移的工序 即板料只产生塑性变形而不破裂 如弯曲 拉深 翻边 旋压 成形等工序 2 成形工序 2 弯曲弯曲是将板料 型材或管材弯成一定角度或弧度的工序 板料弯曲时 内侧金属受切向压应力 产生压缩变形 外层金属受切向拉应力 产生伸长变形 表现为图11 29所示的板料上矩形网格发生变化 当拉应力超过材料的抗拉强度时 即会造成金属破裂 坯料厚度t越大 弯曲半径r越小 材料所受的内应力就越大 越容易弯裂 因此 必须控制最小弯曲半径 通常取 0 25 1 t 材料塑性好时取下限 弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直 图11 20 亦即使材料所受的拉应力与纤维方向一致 否则容易产生破裂 3 拉深拉深是将板料变形为中空形状零件的工序 可以生产筒形 锥形 球形 方盒形以及其他非规则形状的中空零件 图11 32 拉深过程为 在凸模作用下 板料被拉入凸模和凹模的间隙中 形成中空零件 其凸缘和凸模圆角部位变形最大 凸缘部分在圆周切线方向受压应力 压应力过大时 会发生折皱 图ll 34 坯料厚度愈小 拉探深度H愈大 愈容易产生折皱 为防止折皱 可采用有压板拉深 图11 35 凸模圆角部位承受筒壁传递的拉应力 材料变薄 容易在此处拉裂 为防止拉裂 拉深模具的凸 凹模必须具有一定的圆角 圆角半径r凸 r凹 5 10 t 且模具间隙z应稍大于板厚t 一般z 1 1 1 2 t 若拉深系数m d D d 筒径 D 坯料直径 过小 不能一次拉深成形时 可采用多次拉深工艺 并中间穿插再结晶退火 消除前面所产生的加工硬化现象 冲裁件 1 外形使排样时废料少 以提高材料的利用率 2 冲孔件力求简单 对称 尽可能采用规则形状 3 避免长槽与细长悬臂结构 孔与孔 孔与边缘的距离不小于板厚 4 圆孔直径大于板厚 方孔的边长大于0 9板厚 外缘