工艺技术_金属材料成形基础知识

金属材料成形基础 第三篇金属的塑性成形工艺 锻造工艺冲压工艺轧制工艺挤压工艺其他特种成形工艺 塑性成型工艺 也称压力加工 在不破坏金属自身完整性的情况下 利用外力的作用使金属发生塑性变形获得毛坯或零件的加工方法 称为 外力 冲击力 锤类设备 和压力 轧机和压力机 1金属塑性变形实质 近代物理的金属滑移与位错理论表明 金属的塑性变形是由于金属在外力作用下 晶粒之间产生相对移动的结果 滑移面整体刚性滑移 多晶体的塑性变形可以看作是 单个晶粒的位错及晶粒之间的滑动和转动的综合结果 P 从以上的分析可知 金属在发生塑性变形时 是从弹性塑性的过程 其中一定存在 残余 的弹性变形 当外力去除后 弹性变形将恢复 既 弹复 现象 弹复现象的存在 对金属的压力加工精度产生很大的影响 如 产生尺寸误差 2塑性变形后金属的组织和性能 一 金属塑性变形后的组织和性能在常温下经塑性变形后 金属内部组织将发生如下变化 晶粒沿变形最大的方向伸长 晶格与晶粒均发生扭曲 产生内应力 晶粒间产生碎晶 加工硬化 随着塑性变形量的增加 金属的强度和硬度逐渐升高 塑性 韧性逐渐降低的现象 又称冷变形强化 有利 强化金属材料 可通过冷轧 喷丸等方法对金属进行强化的理论根据 不利 进一步的塑性变形带来困难 是一种不稳定现象 有自发回复到温度状态的倾向 温度升高 原子获得了热能 热运动就会加剧 使原子排列回复到正常状态 从而消除晶格扭曲 并部分消除加工硬化 这个过程称为回复 T回 0 25 0 3 T熔当温度继续升高时 金属原子获得更多的热能 开始以碎晶或杂质为核心结晶成细小而均匀的再结晶新晶粒 从而消除全部加工硬化 这个过程称为再结晶 T再 0 4T熔在再结晶温度以上加热已产生加工硬化的金属 使其发生再结晶而再次获得良好的塑性 这种操作工艺称为再结晶退火 这一特性在生产中得到广泛应用 如冷轧带钢通过再结晶退火 提高材料的综合性能 尤其是塑性 进一步可用冷轧带钢来加工钢窗型材等 如在板料拉深工艺中 通过退火提高塑性可增加变形程度 如日用品中的脸盆 饭缸等 当金属在大大高于再结晶温度下受力变形时 冷变形强化和再结晶过程同时存在 变形中的强化和硬化随即被再结晶过程消除 二 金属塑性变形分类在再结晶温度以上的塑性变形称为 热变形在再结晶温度以下的塑性变形称为 冷变形 1 热变形及其影响 1 不产生加工硬化 2 使组织得到改善 提高了力学性能 细化晶粒 压合了铸造缺陷 3 形成纤维组织 组织致密 2 纤维组织铸锭在压力加工中产生塑性变形时 基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都将沿着变形方向被拉长 呈纤维状 叫纤维组织 变形程度越大 纤维组织越明显 为了获得具有最佳力学性能的零件 应充分利用纤维组织的方向性 一般应遵循两项原则 使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断 使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致 最大切应力与纤维方向垂直 三 纤维组织的利用原则存在纤维组织的金属 具有各向异性的性质 1 在平行于纤维组织的方向上 塑性 韧性提高 材料的抗拉强度提高 2 在垂直于纤维组织的方向上 塑性 韧性降低 材料的抗剪强度提高 四 锻造比金属的变形程度通常用锻造比来表示 即 A 0H H AO A 坯料变形前 后的截面积 HO H 坯料变形前 后的高度 3金属的可锻性可锻性 是综合衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能 一 金属的本质 内因 1 化学成分的影响一般情况下 纯金属的可锻性比合金的好 碳钢含碳量越低 可锻性越好 合金中含有碳化物形成元素时 其可锻性显著降低 如铬 钼 钒 钨等合金钢都不易锻造 可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量 塑性越好 变性抗力越小 可锻性越好 金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件 纯金属和固溶体 如奥氏体 可锻性好 碳化物 如渗碳体 的可锻性差 晶粒细小而又均匀的组织可锻性好于铸态柱状组织和粗晶粒组织 2 金属组织的影响 二 加工条件的影响 外因 1 变形温度的影响变形温度 变形温度越高 材料的可锻性越好 注意 若加热温度过高 晶粒急剧长大 金属力学性能降低 产生 过热 后果与解决办法 锻造易击碎 退火消除 若加热温度接近熔点 晶界氧化破坏了晶粒间的结合 金属失去塑性而报废 这种现象称为 过烧 金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度 停止锻造时的温度称终锻温度 锻造温度是指始锻温度与终锻温度之间的温度 2 变形速度的影响 变形速度即单位时间内的变形程度 它对金属锻造性的影响可分为两个阶段 3 应力状态的影响金属在进行不同方式的变形时 所产生应力的大小和性质 压应力或拉应力 是不同的 实践证明 压应力数目越多 塑性越好 拉应力数目越多 塑性越差 三向压应力 塑性最好 变形抗力最大 三向拉应力 塑性最差 变形抗力最小 同号应力的变形抗力大于异号应力的变形抗力 第二章锻造 锻压成形工艺可分为 自由锻造成形 也称自由锻 模膛锻造成形 也称模锻 利用冲击力或压力使金属在砥铁或锻模中变形 从而获得所需形状和尺寸的锻件的工艺方法 一 自由锻造成形 也称自由锻 概念 是用冲击力或压力使金属在锻造设备的上下砧块 或砥铁 间产生塑性变形 获得所需几何形状及内部品质的锻件加工方法 坯料在受力变形时可沿着变形方向自由流动 不受限制 又可分为手工自由锻 已逐渐被淘汰 和机器自由锻 特点 优点 使用工具简单 通用 生产周期短 灵活性大使用范围广 特别适合单件 小批生产 而且是大型锻件唯一的锻造方法 缺点 生产效率低 对工人的操作技术要求高 工人劳动强度大 锻件精度差 后续机加工余量大 1锻造方法 自由锻设备 锻锤 压力机 空气锤 蒸汽 空气锤 水压机 油压机 65 750Kg 630Kg 5T 落下部分总重量 活塞 锤头 锤杆 滑块运动到下始点时所产生的最大压力 锻锤吨位 压力机吨位 1 自由锻工序 2 锻件分类及基本工序方案 二 模膛锻造成形 也称模锻 概念 是使加热到锻造温度的金属坯料在锻模模膛内一次或多次承受冲击力或压力的作用 而被迫流动成形以获得锻件的压力加工方法 特点 与自由锻相比 生产效率高 锻件尺寸精度高 机加工余量小 可锻造形状较复杂的锻件 可实现大批量生产 节省金属材料 降低成本 操作简单 易于实现机械化 自动化 模锻按使用设备不同可分为 锤上模锻 曲柄压力机上模锻 摩擦压力机上模锻 胎模锻等 锤上模锻所用设备有蒸汽 空气锤 无砧座锤 高速锤等 一般工厂主要使用蒸汽 空气锤 其吨位为10 160N 可锻造0 5 150kg的锻件 是由上模和下模两部分组成 上下模合在一起 中间部分形成完整的模膛 锻模上有分模面和飞边槽 锻模 模膛 形成锻件基本形状和尺寸的空腔 飞边槽 桥部 增加金属流动的阻力 促使金属充满模膛 仓部 容纳多余的金属 锤上模锻 模膛的分类 按功能 模膛 模锻模膛 制坯模膛 终锻模膛 预锻模膛 拔长模膛 滚压模膛 弯曲模膛 切断模膛 根据模锻件的复杂程度 所需变形的模膛数量不等 可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模 单膛锻模 一副锻模上只具有一个终锻模膛 多膛锻模 是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模 弯曲连杆零件 2 胎膜锻 在自由锻设备上利用胎具生产锻件的方法 先采用自由锻方法制坯 然后在胎模中成形 因此 其生产特点具有某些自由锻与模锻的特点 胎模的种类主要有三种 扣模 筒模 合模 与自由锻比较具有的特点 1 操作简便 生产率高 对工人技术要求不高 2 锻件形状 尺寸精度高 敷料少 加工余量小 3 内部组织致密 纤维组织分布更符合性能要求 与模锻比较具有的特点 1 设备简单 2 工艺灵活 可以局部成形 3 胎具简单 制造容易 1 扣模对坯料进行全部或局部扣形 生产长杆非回转体锻件 也可为合模进行制坯 2 筒模主要用于锻造齿轮 法兰盘等盘类锻件 d 组合筒模 2 合模由上模和下模组成 并有导向机构 可生产形状复杂 精度较高的非回转体锻件 2锻造工艺规程的制定 锤上模锻工艺规程包括 绘制模锻件图 计算坯料尺寸 确定模锻工步 选择模膛 选择设备及安排修整工序 其中最主要的是模锻件图的绘制和模锻工步的确定 模锻件图的绘制 模锻工步的确定及模膛种类的选择 模锻件的结构工艺性 1 敷料 为简化锻件形状 便于进行锻造而增加的一部分金属 1 绘制锻件图 1 确定加工余量 公差和敷料 2锻造工艺规程的制定 2 下料坯料的质量 尺寸计算 G坯料 G锻件 G烧损 G料头3 锻造工序的确定 选择什么工序 工序顺序 控制工序寸 画出工序草图 4 确定吨位 即选择设备 5 确定温度范围 主要根据相图和合金材料 6 热处理工艺 表面淬火 退火等 7 制订技术要求和合格检验要求 8 填写工艺卡片 2 分模面的选择 分模面应选在锻件的最大截面处 分模面的选择应使模膛浅而对称 分模面的选择应使锻件上所加敷料最少 分模面应最好是平直面 上下锻模的模膛深度基本一致 便于锻模制造 分模面是指上下锻模在模锻件上的分界面 按上述原则综合分析 图中的d d面是最合理的分模面 3 设计模锻斜度 外壁斜度 5 7 内壁斜度 7 12 4 设计模锻圆角 外圆角 r 1 5 12mm 内圆角 R 2 3 r 5 确定冲孔连皮 当孔径为25 80mm时 冲孔连皮厚度取4 8mm 模锻斜度 5 15 与模膛深度与宽度的比值 h b 有关 比值越大 斜度值越大 模锻件图绘制实例 10 5 R8 二 坯料重量和尺寸的确定坯料重量可按下式计算 G坯料 G锻件 G烧损 G料头 坯料尺寸 按坯料的重量 截面形状及尺寸确定锻件截面及尺寸 三 模锻工步的确定及摸膛种类的选择 1 尽量避免锻件上的斜面 锥体等复杂形面 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 3 锻件上不应设计筋条 板 凸台 工字形等 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 一 自于锻件的结构工艺性 3模锻件结构工艺性 1 有合理的分模面 保证锻件易于从锻模中取出锻件 2 零件的外形应力求简单 对称 平直 避免薄壁 高筋 凸起等结构 3 非加工表面应设计模锻斜度 两个非加工面所形成的角都应按模锻圆角设计 二 模锻件的结构工艺性 4 避免设计深孔 多孔结构 5 采用锻焊组合工艺 第三章板料的冲压成形工艺 板料的冲压成形 是利用冲模使板料产生分离或变形的成形工艺 通常在常温下进行 所以又叫冷冲压 当板厚 8 10毫米时 才用热冲压 便于实现自动化 生产率很高 操作简便 冲压件一般不需再进行切削加工 因而节省原材料 节省能源消耗 原材料是表面品质好的板料或带料 所以产品质量小 强度高 刚性好 产品尺寸稳定 互换性好 可以成形形状复杂的零件 特点 应用 在汽车 拖拉机 航空 电器 仪表 国防以及日用品工业中 冲压件占有相当大的比例 常见冲压材料 低碳钢 铜合金 铝合金 镁合金及塑性高的合金钢 非金属材料如橡胶 皮革 毛毡 硬纸板等 设备及模具 板料冲压是在冲床上利用模具进行冲压加工 拖拉机 400多个 三米收割机 1000多个 冲压设备 1 剪床 2 冲床 下料设备 1 斜刃剪 2 平刃剪 3 圆盘剪 冲压设备 1 开式冲床 2 闭式冲床 第一节分离工序第二节成形工序第三节冲模的分类和构造 内容 1分离工序 落料及冲孔 统称冲裁 是使坯料按封闭轮廓分离的工序 落料 被分离的部分为成品 而留下的部分是废料 冲孔 被分离的部分为废料 而留下的部分是成品 例如冲制平面垫圈 制取外形的冲裁工序称为落料 而制取内孔的工序称为冲孔 1 分离工序 是使坯料的一部分相对于另一部分相互分离的工序 包括剪切 冲裁 修整等 二 落料及冲孔 一 剪切 使坯料沿不封闭轮廓产生分离 包括 斜刃剪 平刃剪 圆盘剪 1 冲裁变形过程的三个阶段当凸 凹模的间隙正常时 冲裁变形过程可分为三个阶段 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 圆角带是材料被弯曲和拉伸变形的结果 光亮带是材料受到剪切和挤压应力的作用而形成的 断裂带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 2 冲裁件切断面上的区域特征 冲裁件的切断面不很光滑 并有一定锥度 它可分成三个较明显的区域 圆角带 光亮带 断裂带 断面特点 断面上形成第二光亮带缺点 增大了冲裁力 卸料力和推件力 加剧了凸 凹模的磨损 缩短了模具寿命 板料在过小间隙冲裁时受到挤压而产生压缩变形 所以冲裁件的尺寸略有变化 落料件的外形尺寸增大 冲孔件的孔腔尺寸缩小 2 凸 凹模间隙 凸 凹模的间隙不仅严重影响冲裁件的断面品质 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 1 间隙过小 缺点 因弹性回复而使落料件的外形尺寸缩小 冲孔件的内腔尺寸增大 品质较差 2 间隙过大 断面特点 切断面光亮带减小 圆角带与锥度增大 形成厚大的拉长毛刺 优点 推件力与卸料力减小 甚至为零 材料对凸 凹模的摩擦作用大大减弱 所以模具寿命较长 应用 对于批量较大而公差又无特殊要求的冲裁件 可适当采用 大间隙 冲裁 当间隙合理时 冲裁力 卸料力和推件力适中 模具有足够长的寿命 这时光亮带占板厚的l 2 l 3 圆角带 断裂带和锥度均很小 零件的尺寸几乎与模具一致 完全可以满足使用要求 3 间隙合理 合理的间隙值可查表选取 对冲裁件品质要求较高时 可将表中数据减小l 3 单边间隙 c 的合理数值可按下述经验公式计算 c m 板料厚度 m 与板料厚度及性能有关的系数 设计冲孔模 以凸模刃口作设计基准 D凸 d孔 D凹 D凸 Z注意 冲孔凸模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的最大尺寸 3 凸 凹模刃口尺寸的确定 在冲裁件尺寸的测量和使用中 都是以光亮带的尺寸为基准的 设计落料模 以凹模作为设计基准 D凹 d落 D凸 D凹 Z注意 落料凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的最小尺寸 两种排样类型 4 冲裁件的排样 排样 指落料件在条料 带料或板料上合理布置的方法 排样合理可使废料最少 板料利用率最大 有搭边排样 无搭边排样 三 修整 修整 利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属 以切掉冲裁件切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的一种工艺方法 修整机理相当于切削加工 大间隙冲裁件 单边修整量约板厚的10 小间隙冲裁件单边修整量取板厚的8 以下 修整时应合理确定修整余量及修整次数 修整后冲裁件公差等级达IT6 IT7 表面粗糙度Ra 0 8 1 6 m 2成形工序 成形工序 使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序 如拉深 弯曲 翻边 胀型 旋压等 一 拉深 拉深 利用拉深模使板料变成开口空心件的冲压工序 可以制成筒形 阶梯形 盒形 球形 锥形及其它复杂形状的薄壁零件 1 拉深变形过程及特点 变形特点 变形区是板料的凸缘部分 其它部分是传力区 板料变形在切向压应力和径向拉应力的作用下 产生切向压缩和径向伸长的变形 金属材料塑性流动越大 板料直径越大 拉探后筒形直径越小 其变形程度就越大 防止措施 正确选择拉探系数 m d Da m 0 5 0 8 b 多次拉