[工学]机械工程材料及成型基础第9章金属塑性成形 第10章金属的焊接连接课件

第9章金属塑性成形 9 1概述金属的塑性成形是利用金属材料在外力作用下所产生的塑性变形 来获得具有一定形状 尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法 它的基本工艺包括锻造与冲压 简称为锻压 塑性成形过程中 主要有冲击力和静压力这两种外力作用到金属坯料上 其中锤类设备提供的动力为冲击力 液压机与机械锻压设备提供的动力为静压力 9 1 1塑性成形的加工方法常用的塑性成形方法包括轧制 拉拔 挤压 锻造和板料冲压等基本方式 1 轧制轧制加工方法是利用金属坯料与轧辊接触面间的摩擦力 使得金属在两个回转轧辊的特定空间中产生塑性变形 以获得一定截面形状并改变其性能的塑性加工工艺 如图9 1所示 轧制工艺包括热轧工艺和冷轧工艺两种方法 通过轧制可获得各种钢板 型材和无缝钢管等产品 如图9 2所示 2 拉拔拉拔加工方法是金属材料在拉力作用下 通过一定形状 尺寸的模孔使其产生塑性变形 以获得与模孔形状 尺寸相同的小截面材料的塑性成形方法 如图9 3所示 拉拔工艺分为冷拔工艺和热拔工艺 在多数情况下采用冷拔工艺以提高产品的质量和尺寸精度 拉模孔的制造材料一般选用硬质合金 该种模具材料可以提高拉模孔几何形状的准确性和使用寿命 拉拔产品主要为各种细线材 薄壁管和各种特殊几何形状的型材 如电缆 及图9 4所示的各种型材 3 挤压挤压工艺是将金属毛坯放人挤压模具型腔内 在强大的压力和一定的速度条件下 迫使金属从模腔中挤出 从而获得所需形状 尺寸及具有一定力学性能的挤压件 根据金属流动方向和凸模运动方向之间的关系 将挤压工艺分为以下3种 l 正挤压 指金属被挤出的方向与凸模运动方向一致 图9 5 a 为实心件正挤压 图9 5 b 为空心件正挤压 挤压件的断面形状可以是圆形 椭圆形 扇形 矩形或棱柱形 也可以是非对称的等断面挤压件和型材 2 反挤压 指金属被挤出的方向与凸模运动方向相反 见图9 5 c 适用于制造断面为圆形 矩形 山形 多层圆筒和多格盒形的空心 3 复合挤压 指一部分金属的挤出方向与凸模运动方向相同 另一部分金属的挤出方向与凸模运动方向相反 如图9 5 d 所示 复合挤压适用于制造断面是圆形 方形 六角形等的杯一杯类 杯一杆类或杆一杆类挤压件 也可以是等断面的不对称挤压件 通过挤压工艺可以获得各种复杂截面的型材或零件 如图9 6所示 4 锻造锻造工艺指的是 在锻锤或模锻设备及工模具的作用下 使坯料 铸锭产生局部或全部的塑性变形 以获得一定几何尺寸 形状和质量的锻件的加工方法 锻造包括自由锻和模锻 它们都是通过金属体积的转移和分配来获得毛坯或零件的加工方法 加工过程一般都在热态下进行 l 自由锻 指在锻锤或水压机上 利用简单的通用性工具或在设备的上 下砧铁间直接使金属坯料产生塑性变形以获得所需形状和尺寸的加工方法 图9 7为一平砧墩粗示意图 2 模锻 指在模锻锤或热模锻压力机上 利用模具使毛坯变形而获得具有模膛外形的锻件的加工方法 图9 8为一齿轮毛坯的模锻示意图5 冲压冲压工艺是金属塑性加工的基本方法之一 它通过冲压机床经安装在其上的模具施加压力于板料或带料毛坯上 使毛坯全部或局部发生塑性变形 从而获得所需的零件形状 图9 9为一筒形件拉深示意图 9 1 2塑性成形的特点及应用塑性成形工艺与金属切削 铸造 焊接等加工工艺相比 具有以下几方面的特点 1 材料利用率高 金属塑性成形主要是依靠金属在塑性状态下的形状变化和体积转移来实现 不产生切屑 材料利用率高 可以节约大量的金属材料 2 力学性能高 金属塑性成形过程中 金属的内部组织得到改善 产品性能好 3 尺寸精度高 金属塑性成形的很多工艺方法已经达到少 无切削加工的要求 如齿轮精锻 冷挤压花键工艺 其齿形精度已达到可以使用的要求 精锻叶片的复杂曲面可达到只需磨削的程度 4 生产效率高 金属塑性成形工艺适合于大批量生产 随着塑性成形工 模具的改进及设备机械化 自动化程度的提高 生产效率得到大幅度提高 如在热模锻压力机上锻造一件汽车发动机用的六拐曲轴只需40S 在双动拉深压力机上成形一件汽车覆盖件仅需几秒钟 塑性成形工艺由于具有这些特点 使之广泛应用于机械 电子 交通运输 矿山 动力装备及军工产品的生产中 在国民经济中占有十分重要的地位 例如 各种受力复杂的承受重载 动载的重要零件 如主轴 曲轴 传动轴 齿轮 连杆等零件的生产 还有工具 模具上的主要零件 如各种模具中的模块 导杆 拉杆等 在军工机械中 如炮筒 枪械及其他零件 包括仪器仪表上的零件及日常生活用品大多数采用的冲压件 标准件 如螺钉 螺母 螺栓 销子等零件 都是塑性成形的产品 塑性成形的缺点是塑性成形过程中的变形量不能太大 工件的形状不能太复杂 而且塑性成形的设备及所使用的模具投资大 9 2塑性成形理论9 2 1载荷 应力 变形与断裂外力或载荷F作用到机械零件上 其受力的大小用应力a来表示 当单向拉伸时 应力的大小由表达式 a F S计算获得 式中 S表示试样的截面积 受力的结果是在零件的截面上产生了正应力和切应力 金属的塑性变形过程中 一部分功要转变为内应力残留于金属中 使金属的内能增加 所谓内应力即平衡于金属内部的应力 它是由于金属在外力的作用下 所产生的内部变形不均匀所引起的 金属的表层与心部的变形量不同 就会形成平衡于金属表层与心部的宏观内应 力 这种内应力也称为 第一类内应力 晶粒与晶粒之间或晶粒内不同区域之间的变形不均匀会形成微观内应力 这种内应力也称为 第二类应力 由于位错等晶格缺陷的存在而引起的缺陷附近晶格歪扭所形成的内应力称为 第三类内应力 第三类内应力是使金属产生强化的主要原因 也是变形金属中的主要内应力 第二类和第三类内应力在其随后的应力松弛过程中发生应力重新分布 会引起金属的变形 冷轧钢板在轧制过程中就会因其变形的不均匀性所产生的内应力而引起冷轧板的翘曲 零件在切削加工过程中所产生的变形也是由于这一原因 另外 金属中内应力的存在还会导致其抗腐蚀性能的降低 所谓变形是指在外力的作用下 或者发生在物体本身的物理一机械过程 温度变化 相变等 的作用下引起的物体尺寸或形状的改变 作用到固体上的外力总要有原子之间的反向作用力与其平衡 反向作用力也力图使原子回到势能最低的位置 原子从平衡位置相对移动的结果使物体发生了变形 弹性变形时 变形力和原子位移之间保持着比例关系 外力去掉后 物体就回复到原有的尺寸和形状 如果外力停止作用 物体不能完全恢复 则这部分剩余变形称为 塑性变形 在这种情况下 原子不能回复到原来的位置 而存在于新的稳定平衡的位置 塑性变形时 应力和变形之间一般是不存在直线关系的 所谓金属的塑性是指金属能够产生剩余变形而不破坏其完整性的能力 在塑性变形的方式中 滑移和孪晶是物体塑性变形的基本方式 滑移是金属晶体在切应力 作用下 晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生移动或切变 如图9 10所示 滑移一般发生在原子排列较紧密的晶面和晶向上 因为在紧密的晶面和晶向上滑移时所受到的阻力最小 具有大量此种晶面和晶向的金属 如立方晶格 其塑性就好 而具有密排六方晶格的金属 其塑性就低 具有密排六方晶格结构的金属 其塑性变形除滑移外 还能够产生 孪晶的变形方式 所谓 孪晶 是指晶体的一部分在切应力作用下 沿一定的晶面 孪晶面 发生剪切变形 使变形部分晶体的结晶位向发生了变化 以孪晶面为对称面 与未变形部分晶体呈镜面对称 这种变形方式称为 孪晶 与滑移相比 产生孪晶变形较为困难 对于面心立方晶格和体心立方晶格的金属 只有在很大的变形程度和低温的情况下才能产生孪晶变形 多晶体金属的塑性变形和单晶体金属的塑性变形一样 也是以滑移或孪晶的方式进行 所不同的是 多晶体金属是由很多晶粒所组成的 这些晶粒的结晶位向不相同 因此在多晶体金属进行塑性变形的过程中 既有单个晶粒内的塑性变形 又有晶粒和晶粒之间的塑性变形 另外 由于多晶体金属中晶界的存在 增加了晶体滑移的阻力 而且在多晶体金属中 各个晶粒的空间结晶位向不同 进行塑性变形时 当某一晶粒处于有利位置开始发生滑移时 必然受到周围的不同结晶位向的其他晶粒的阻碍 也增加了晶体滑移的阻力 金属晶体受到阻力必然会有反阻力来平衡 当反阻力大于阻力时 周围的一些晶粒就会发生相对位置的转动和 滑动 因此 在多晶体金属的塑性变形过程中 晶粒之间要通过转动和滑动 使各个晶粒的结晶取向基本上趋于一致 此种现象称为 变形织构 当更大程度的变形发生时 由于晶粒的滑移 晶粒自身的形状发生了改变 在变形前 晶粒是圆形的 塑性变形后由于按滑移面的移动 晶粒按作用力的方向被拉长 并形成了纤维状组织 同时 随着晶粒形状的改变 晶粒本身也产生了破碎 晶粒分裂成一些小碎片 晶界的完整性被破坏 产生了亚晶粒和亚晶界 晶粒中的小碎片称为 亚晶粒 小碎片的晶界称为 亚晶界 亚晶界的出现称为 亚晶细化 亚晶细化导致了材料强度和硬度的提高 以及韧性和塑性的降低 金属材料中这种力学性能的变化称为 冷变形强化 这是因为金属在大的塑性变形过程中 增加了金属结晶组织的缺陷 如位错 空位和间隙原子等 阻碍了位错的运动 提高了变形抗力 并阻止塑性变形的继续发展 由于变形的发生 位错密度增加 从而产生位错之间的相互作用 阻碍位错的相互移动 金属的密度减小 抗腐蚀能力减弱 而电阻提高了 当应力作用足够大时 变形过程结束 破坏随即开始 断裂破坏是因裂纹的产生和裂纹沿整个试样 零件 截面的扩展而形成 常见的断裂形式包括脆性断裂与韧性断裂 其中韧性断裂有明显的塑性变形 而脆性断裂时 塑性变形很小 这是由于裂纹的扩展速度不同引起的 韧性断裂是因裂纹的扩展速度很小而造成 脆性断裂时 裂纹的扩展速度很大 接近声速 根据断口的外观形貌 用肉眼可以观察到的纤维状断口是韧性破坏的特征 而有金属光泽的结晶状断口则是脆性破坏的特征 人们利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜能够更进一步地研究断裂的性质 断口表面上有韧窝的属于韧性断 裂 断口表面上有指纹状线条的属于脆性断裂 当沿晶界析出脆性微粒时 容易引起沿晶界的脆性断裂 一般来说 同一种成分的合金 由于加工工艺和试验方法的不同 既可产生韧性断裂 也可能产生脆性断裂 很多具有体心立方和面心立方晶格的金属 如Fe MO W等 由于所处的温度不同 它们的断裂既有可能是韧性的 也有可能是脆性的 随着温度的降低 金属的断裂由韧性断裂转变成脆性断裂 该现象称为 冷脆性 该转变温度称为 韧脆转折温度 因此 对于同一种材料 在比较高的温度下是韧性金属 而在比较低的温度下却转变成为脆性金属 9 2 2加热对变形金属的组织和性能的影响 在金属的变形过程中 大部分功 大于95 转变成热 金属被加热 其他部分的能量以组织缺陷 空位 主要是位错 的形式储存在金属中 由于变形引起残余应力的增大也证明了能量的积累 由此可见 冷变形强化状态的金属 从热力学来说是不稳定的 具有自发向稳定的低能量状态转变的倾向 只是在室温下 这种自发转变需要的时间很长 若对塑性变形后的金属加热 使原子活动能力增强 则将大大加快转变的过程 有利于金属迅速恢复到稳定的组织状态 研究表明 对变形后的金属进行加热时 其内部要进行回复与再结晶 并把性能回复到变形前的状态 1 回复把变形金属加热到比较低的温度 0 2 0 3T熔化 就开始了回复过程 由于减少了组织缺陷的密度 改善了冷变形强化金属的组织 这种加热过程中所发生的改变称为 回复 经过回复处理后的变形金属 其显微组织没有发生明显的变化 回复过程分为两个阶段 较低的温度 低于0 2T熔化 下进行回复的第一阶段 在这个阶段中点缺陷 空位 减少了 并发生了位错的重新分布 但不形成新的晶界 在第二阶段中 破碎的晶体转变成具有小角度晶界的亚晶粒 多边形 晶体变形时产生了位错 并无序地分布在滑移面上 加热时 原子能够进行自由扩散 残余的位错排列成位错壁 在多晶体的晶粒中形成了亚晶粒 多边形 并脱离了位错 成为相互间独立的多边形 在回复过程中 力学性能不发生变化 一些物理性能 如电阻 甚至在回复的第一阶段就完全回复了 这与减少空位密度和位错的重新分布有关 2 再结晶继续提高温度时 原子的活动能力增大 当达到一定温度时就形成了新的等轴晶粒 从图9 11可以看出 当加热到高于再结晶温度以前保留了变形的晶粒 当加热到高于再结晶温度时 就会在变形金属中形成新的结晶核心和新的晶粒的长大 冷变形强化的金属在加热时 不能回复旧的晶粒 而产生的是全新的晶粒 晶粒的大小与最初晶粒大小会有实质性的差别 新晶粒的形成取代了变形金属的纤维组织 称为 再结晶 新晶粒的形成 大大地降低了位错密度 释放出冷塑性变形过程中整体金属所积累的大部分能量 这是再结晶的热动力学的促进因素 由于再结晶 实际上全部消除了冷变形硬化 并使力学性能接近于原先的力学性能 再结晶时 强度 特别是屈服强度急剧地降低 而塑性提高 这是由于再结晶消除了晶格歪扭 并急剧地减少了位错密度才导致冷作硬化的消除 再结晶后 位错密度以 c 降低到 c 开始再结晶的最低温度称为 再结晶温度的起点 高于再结晶温度的起点时 会发生再结晶 消除冷作硬化 再结晶温度的起点是一个不定值 对于具体的金属 合金 来说 它取决于加热的保温时间 变形程度 变形前的晶粒大小等 变形程度愈大 加热时间愈长或变形前的晶粒愈小 再结晶温度的起点就愈低 对工业纯金属来说 进行大变形后的再结晶温度接近0 4T熔化 绝对熔化温度 纯金属降低到 0 1 0 2 T熔化 而固溶体合金则提高到 0 5 0 6 T熔化 要全部消除冷变形强化 必须把金属加热到更高的温度 才能保再结晶的高速度和再结晶的彻底性 这种热处理就称为 再结晶退火 3 聚集再结晶再结晶完成之后 金属获得均匀细小的等轴晶粒 这些细小的晶粒潜伏着长大的趋势 再继续加热将发生一些再结晶晶粒靠吞并其他的一些再结晶晶粒来进行自身的长大 新的再结晶晶粒继续长大的过程就称为 聚集再结晶 小晶粒长大后就可以减少晶界的总面积 降低总的晶界能量 趋向于减小晶界表面能是发生聚集再结晶的主要原因 晶粒长大 界面张力就减小 从热力学角度来说 就更加稳定 第二相的微粒能够阻止晶粒的长大 当加热温度高于聚集再结晶温变时 晶粒会过分长大 如图9 11 所示 金属的塑性降低 产生过热现象 再结晶完成后 继续升高温度或延长保温时间 晶粒会继续长大 从而使晶界减少 晶界能降低 这种长大称为正常长大 有时在加热到较高温度或保温很长时间时 晶粒会吞并周围晶粒而急剧长大 形成很大的晶粒 称为二次再结晶 这是由于晶界处存在弥散细小的杂质粒子或其他原因 如变形织构 阻碍着晶粒的长大 而当温度升高或保温时间延长使弥散的质点溶解时 阻止晶粒长大的因素消失 晶粒就会突然长大 1 再结晶后的晶粒大小再结晶晶粒的大小对金属的性能影响很大 具有细小晶粒的金属和合金 则具有较高的强度和韧性 冷塑性变形和再结晶后的晶粒大小与多种因素有关 如原始晶粒大 加热温度 保温时间 变形程度 合金的化学成分和夹杂物的多少等 变形量一定时 随着温度的提高和保温时间的延长 晶粒就越长 变形程度愈大时 再结晶晶粒就愈小 如图9 12所示 变形量很小时 加热也不发生再结晶 有3 15 的变形量时 退火后的晶粒急剧长大 并能很多倍地超过原始晶粒的大小 这种变形程度称为 临界变形程度 在临界 变形程度的情况下 压缩变形后也不按照新晶粒的形成和长大的机理发生再结晶 只有把经过临界变形处理的金属再加热才能引起一些原始的未再结晶晶粒靠吞并邻近的晶粒进行快速长大 这种再结晶的机理和二次再结晶的机理一样 是在小的变形程度下 根据各个晶粒的变形的不均匀性来解释 因此 加热时即使具有较低自由能的小变形量的晶粒靠具有较高自由能的大变形量的晶粒的长大也成为可能 临界变形程度愈小 退火温度就愈高 因此 把这种最小的变形程度称为 临界变形程度 高于临界变形程度加热时 二次再结晶才成为可能 2 再结晶织构进行大变形程度之后产生了织构 这种变形过程产生的织构往往又是随后加热时形翩耳结晶织构的原因 再结晶晶粒具有择优结晶位向 再结晶织构的特点取决于退火的条件 压力加工的形式 轧制 拉拔等 以及夹杂物的 数量和本性 具有面心立方晶格的金属进行低温退火时 再结晶织构和变形织构一样 但在高温下 再结晶织构和变形织构不一样 或者不产生再结晶织构 在铜 铝 铁和其他金属中 都能看到再结晶织构 形成再结晶织构时 金属就具有各向异性 如板材深拉伸时 为了避免褶皱 波浪状的边缘的形成 板材应该在所有的方向上变形都一样 因此在这种情况下是不希望各向异性的 但在变压器钢中 又利用它的各向异性 因为沿着 100 晶向平行于磁流的方向具有最大的磁穿透性 4 冷变形与热变形根据再结晶温度的不同 把变形分成冷变形和热变形 低于再结晶温度的变形称为 冷变形 冷变形过程中能够产生金属的强化 冷变形强化 高于再结晶温度的变形称为 热变形 在热变形过程中 塑性变形引起的强化又 被变形过程中同时发生的回复与再结晶全部消除 要保证全部消除冷作硬化 再结晶速度应大于变形速度 从金属学的观点来看 热变形与冷变形的根本区别在于其变形的温度是高于其再结晶温度 还是低于再结晶温度 热变形与冷变形不能以是否在加热条件下进行变形来判定 如铁的再结晶温度为450 这样 对铁来说 450 以下的变形都属于冷变形 铅的再结晶温度在室温以下 对铅来说 室温下的变形也属于热变形 9 2 3可锻性 可锻性是指金属材料经受压力加工时获得优质零件的难易程度的工艺性能 可锻性好表明金属适合于压力加工成形 可锻性差表明金属不宜于选用压力加工成形 可锻性常用金属的塑性和变形抗力来衡量 塑性越好 变形抗力越小 则其可锻性好 反之则差 金属的塑性常用金属的截面收缩率 延伸率表示 凡是 值越大或墩粗时不产生裂纹的情况下变形程度越大的 其塑性越高 变形抗力指在变形过程中金属抵抗工具作用的力 变形抗力越小 则变形中所消耗的能量也越小 金属的可锻性取决于金属材料的本质 材料的化学成分和组织 和加工条件 变形温度 变形速度和应力状态 影响因素主要有以下几种 1 材料的化学成分一般纯金属的可锻性比其合金要好 碳钢的可锻性随着其含碳量的增加而降低 对于合金钢 随着合金元素的增 加 其塑性降低 变形抗力增高 可锻性变差 2 材料的组织单相组织材料 如纯金属及固溶体金属 的可锻性比多相组织的好 细晶粒金属的塑性比粗晶的好 但其变形抗力较大 金属材料中的柱状晶 夹渣 偏析 疏松和气孔等铸造缺陷使其可锻性变差 3 变形温度对于大多数金属材料来说 温度升高 塑性增加 变形抗力降低 可锻性提高 金属的塑性随温度的变化趋势如图9 13所示 但温度过高 会产生过热 过烧 脱碳和严重氧化等缺陷 反而降低了塑性 甚至使锻件报废 温度升高时金属的塑性提高是由于温度升高 金属间的动能增加 原子间结合力减弱 温度升高 易产生回复和再结晶如图9 14所示 消除冷变形强化 有些金属材料 温度升高到一定值后 其组织由多相变为单相 4 变形速度变形速度即单位时间内的变形程度 它对可锻性的影响是双重的 这是由于随着变形速度的增大 回复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象 使得金属材料的塑性下降 变形抗力增大 图9 15 可锻性降低 同时 在金属的变形过程中 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 热效应越明显 使金属的塑性提高 变形抗力下降 可锻性变好 实际生产中 除高速锤锻造外 一般的压力加工方法形成的热效应均不明显 5 变形应力状态金属在变形过程中 由于加工方法不同 其所受的应力大小和性质 如压应力或拉应力 也各不相同 如图9 16和图9 17所示 实践证明 三个方向中压应力数目越多 则金属的塑性越好 但变形抗力增大 拉应力的数目越多 则金属的塑性越差 但变形抗力减小 因此 影响金属可锻性的因素比较复杂 但只要正确选用金 料 合理控制变形温度 变形速度 充分发挥金属的塑性 尽可能降低变形抗力 即可获得优质的压力加工零件 9 2 4热加工流线与锻造比金属的力学性能随其内部组织的改变而发生明显的变化 随变形程度增大 金属的强度及硬度升高 而塑性和韧性下降 该现象称为冷变形强化 亦称为加工硬化 见图9 18 冷变形强化是一种不稳定现象 具有自发地回复到稳定状态的倾向 金属在常温下经过塑性变形后 其内部组织发生了很大的变化 主要包括以下几个方面 1 晶粒沿变形最大的方向伸长 如图9 19所示 2 晶格与晶粒均发生扭曲 产生内应力 3 晶粒间产生碎晶 4 形成纤维组织 铸锭在塑性变形时 基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质沿变形方向被拉长 呈纤维状 因此该结构被形象地称为纤维组织 即热加工流线 也称锻造流线 纤维组织使金属的性能具有各向异性的特征 纤维组织越明显 各向异性就越明显 在平行于纤维方向上塑性和韧性提高 而垂直纤维方向 塑性和韧性降低 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 压力加工过程中 常用锻造比Y表示变形程度 Y拔长 S0 S 拔长时 9 1 Y镦粗 H0 H 镦粗时 9 2 式 9一l 式 9一2 中 S0为毛坯的初始截面积 S为变形后的截面积 H0为毛坯的初始高度 H为变形后的高度 锻造比对锻件的力学性能有较大的影响 因此 锻造碳素结构钢时锻造比取Y 2 3 锻造合金结构钢时 锻造比取Y 3 4 对某些高合金钢 为了打碎粗大的碳化物 并使碳化物细化和分散 应采取较大的锻造比 如高速钢取Y 5 12 不锈钢取Y 4 6 纤维组织的稳定性很高 不能用热处理的方法加以消除 只有用锻压的方法才能改变其方向和形状 为了获得具有良好力学性能的零件 在成形零件时 都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向重合 最大切应力方向与纤维方向垂直 并使纤维方向分布与零件的轮廓相符合 尽量使纤维组织不被切断 如图9 20和图9 21所示 9 3塑性成形工艺 9 3 1自由锻自由锻是利用冲击力或压力使金属坯料在上 下砧铁之间直接产生变形 以获得所需形状及尺寸锻件的方法 自由锻具有如下特点 工艺灵活 设备通用性好 适应性强 工具简单 成本低 生产率较低 操作强度大 锻件精度低 加工余量较大 适合于单件 小批生产 锻件形状简单 其尺寸和表面质量要求不能太高 自由锻是生产大型锻件的唯一锻造方法 1 自由锻的工序 1 基本工序 所谓基本工序是指使坯料产生变形并使之逐步接近锻件最终形状和尺寸的工序 如墩粗 拔长 冲孔 芯轴扩孔 芯轴拔长 弯曲 切割 错移 扭转 锻接等 其中墩粗 拔长 冲孔用得最多 2 辅助工序 所谓辅助工序是指 为完成基本工序而使坯料预先产生少量变形的工序 如钢锭倒棱 压钳把 分段压痕等 3 修整工序 所谓修整工序是指 为使锻件最终平整成形 消除锻件不平 歪扭 使锻件完全符合图样要求的工序 如鼓性滚圆 弯曲校直 断面平整等 2 自由锻件的分类及基本工序的选用1 轴杆类锻件其基本工序见表9一1 2 空心类锻件其基本工序见表9一2 3 弯曲类锻件其基本工序见表9一3 3 自由锻工艺规程1 绘制锻件图绘制时主要考虑以下三方面的因素 余块 敷料 如图9 22所示 所谓余块是指为简化锻件形状 便于锻造 在其难以锻造的部分增加一部分金属 增加的这部分金属称余块 加工余量 锻件余量 如图9 22所示 自由锻件尺寸精度和表面质量较差 一般都须经切削加工后制成零件 因此零件的加工表面应根据其尺寸精度的要求留有相应的加工余量 锻件公差 坯料在锻造时 由于受各种因素的影响 锻件的实际尺寸不可能锻得与锻件基本尺寸一样 允许有一定限度的偏差 一般锻件公差为加工余量的1 4 1 3 余块 加工余量和锻件公差确定后 即可绘制锻件图样 如图9 23所示 2 坯料质量及尺寸的计算锻件图样绘制好后 可根据它确定坯料尺寸和质量 m坯 m锻件 m烧损 m芯 m切 9 3 式中 m坯 坯料质量 kg m锻件 锻件质量 等于锻件体积与金属密度之积 kg m烧损 加热时坯料氧化烧损的质量 kg 对于普通钢材 第一次加热取被加热金属的2 3 第二次以后 每次加热烧损量取1 5 2 0 m芯 冲孔芯料的质量 kg 实心冲子冲孔时 m芯 1 18 1 57 d H 其中d为冲孔直径 mm H为冲孔坯料高度 mm m芯 锻造时切取料头的质量 kg 对于坯料尺寸的计算 根据坯料的质量 由下式求出坯料的体积 V坯 m坯 9一4 式中 P为材料的密度 3 确定锻造工序包括确定基本工序 辅助工序和精整工序 各工序的次序 坯料的尺寸以及完成各工序所需的工具等 4 确定锻造设备及其型号选用锻造设备及吨位的依据是锻件的尺寸和质量 同时还要考虑现有的设备条件 中小型锻件一般选用锻锤 大型锻件选用水压机 常用的自由锻造设备一般为空气锤 如图9 24所示 5 锻造温度范围的确定锻造温度是指始锻温度 开始锻造的温度 和终锻温度 停止锻造的温度 间的温度范围 始锻温度和终锻温度的确定以合金状态图为依据 碳钢的始锻温度和终锻温度如图9 25所示 始锻温度比AE线低200 左右 终锻温度约为800 左右 6 填写锻造工艺卡工艺卡片是指导生产和技术检验的重要文件 某型号半轴自由锻锻造工艺卡如表9一4所示 4 自由锻锻件结构工艺性自由锻造锻件结构设计的原则是 除满足使用性能要求外 还要考虑自由锻造的设备 工具及工艺特点 尽量使锻件外形简单 易于锻造 具体包括以下几方面 锻件上具有锥体或斜面的结构 从工艺角度讲是不合理的 图9 26 因为锻造斜面或锥面的结构 必须用专用工具 且成形困难 操作不便 影响生产率 锻件由数个简单几何体构成时 几何体的交接处尽量避免形成空间曲线 如圆柱与圆柱 或圆柱与其他几何体的交接处就是平面与平面或平面与柱面交接 图9 27 图9 28 图9 29 自由锻锻件上不应设计出加强筋 凸台 工字形截面或空间曲线表面 锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时 应设计成由几个简单件构成的组合体 9 3 2模锻模锻是将加热后的坯料放置在金属锻模模膛内 在冲击力或压力作用下 使坯料在模膛内产生塑性变形 以获得锻件的生产方法 模锻与自由锻相比具有以下特点 生产率较高 一般比自由锻高数倍 可以锻出形状比较复杂的锻件 图9 30 尺寸精确 加工余量小 强度高 使用 寿命长 锻件流线较合理 大大提高零件的力学性能和使用寿命 操作过程简单 易实现机械化 大批量生产时能降低成本 模锻件质量一般小于150kg 但制造锻模周期长 成本高等 常用的模锻方法包括锤上模锻 胎模锻 压力机上模锻 曲柄压力机 摩擦压力机和平锻机上模锻 等 1 锤上模锻锤上模锻所用设备有蒸气一空气锤 无砧座锤 高速锤等 蒸气一空气锤最常用 模锻锤的外形 结构及在锤上加工的典型件如图9 31所示 模锻锤的吨位 落下部分的质量 为10 160kN l 16t 模锻件质量为0 5 150kg 不同吨位模锻锤能锻造的模锻件的质量不同 1 锻模锤上模锻的锻模结构如图9 32所示 根据模膛的作用不同 可分为制坯模膛和模锻模膛两大类 模膛又根据模膛数量分为单膛模膛和多膛模膛 1 制坯模膛 对于形状复杂的锻件 为使坯料形状更为接近锻件形状 需预先制坯 制坯模膛有以下几种 拔长模膛 图9 33 滚压模膛 图9 34 弯曲模膛图 9 35 a 切断模膛 图9 35 b 2 模锻模膛 模锻模膛分为预锻模膛和终锻模膛 预锻模膛是指使坯料变形到接近锻件的形状和尺寸 终锻时容易充满终锻模膛 减少终锻模膛的磨损 延长锻模的寿命 终锻模膛是指使坯料变形到锻件的最终形状和尺寸 如图9 36所示为终锻后带有连皮 飞边的模锻件 2 制订模锻工艺规程 1 绘制模锻锻件图 模锻锻件图是制定变形工艺 设计锻模 计算坯料质量 尺寸及检验锻件的依据 绘制模锻件图应考虑以下几个方面的问题 确定分模面 图9 37 分模面是上 下模在锻件上的分界面 分模面的选择对锻件质量 模具加工 工步安排和金属材料的消耗都有很大影响 加工余量和公差 模锻件由于尺寸精确 表面光洁 其加工余量和公差范围比自由锻件小 一般加工余量在0 4 4mm之间 尺寸公差在0 3 3mm之间 模锻斜度 图9 38 为了便于将成形后的锻件从型腔中取出 锻模侧壁必须做成一定的斜度 锻件外壁上的斜度为外斜度 锻件内壁上的斜度为内斜度 锻件冷却时 外壁因收缩而离开型腔 容易出模 而锻件内壁收缩使锻件抱住型腔突出部分 出模困难 因此 内斜度应比外斜度大一级 为了减少材料消耗和机加工余量 应尽量选择小的模锻斜度 模锻件圆角半径 图9 39 为了便于金属在型腔内流动 避免产生折伤并保持金属流线的连续性 提高锻模使用寿命 锻件上的所有尖角应设计成圆弧 外圆角 凸角 半径为r 内圆角 凹角 半径为R 冲孔连皮 图9 36 具有通孔的零件 在模锻时不能直接锻出通孔 而在孔内留有具有一定厚度的金属层 称为冲孔连皮 孔径为30 80mm时 连皮厚度为4 8mm 孔径小于30mm时 一般不锻出 以上参数确定后 绘制模锻锻件图 如图9 40所示 2 确定模锻工步 根据锻件形状的复杂程度确定模锻的工步 然后根据已确定的工步设计模膛 对于长轴类模锻件 图9 41 如锻造弯曲连杆 图9 42 模锻件 毛坯料一般经过拔长 滚压 弯曲 预锻和终锻等工步 制成带有飞边的锻件 对于盘类模锻件 如图9 43所示的盘类零件 常选用墩粗 终锻等工步 3 确定修整工序 模锻后还需进行下一步的修整工序 才能获得合格的模锻件 修整工序包括以下几方面内容 切边和冲孔 图9 44 校正 热处理 一般采用正火或退火 以消除模锻件的过热组织或加工硬化组织 清理去除氧化皮 所沾油污及其他表面缺陷等 3 模锻件的结构工艺性设计模锻件时 应使结构符合以下原则 模锻零件应具有一个合理的分模面 以保证模锻件易于取出 所用敷料最少 锻模容易制造 零件外形力求简单 平直和对称 图9 45 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 使金属易充满模膛和减少工序 在零件结构允许时 尽量避免多孔 深孔 窄沟和深槽等结构 在模锻件上与分模面垂直的表面上应尽可能避免有凹槽和孔 与分模面垂直的非加工表面 应设模锻斜度 锻件上的孔不宜过深 当孔径小于30mm 孔深大于孔径两倍时 不宜采用模锻 对复杂形状零件用模锻制坯困难时 可采用锻一焊或锻造 螺钉连接等组合结构 如图9 46所示 2 压力机上模锻压力机是仅次于锻锤被广泛应用的模锻设备 近年来 在自动化 高效率生产与大批量流水线生产中 压力机上模锻已越来越多地代替锤上模锻 热模锻压力机又称锻压机 它是针对模锻锤的缺点由一般曲柄压力机发展而成的 工作时 依靠曲柄的传动 使得滑块上 下往复运动进行锻压 热模锻压力机的结构和工作原理如图9 47所示 其规格为6300 125000kN 1 热模锻压力机上模锻特点热模锻压力机具有压力机的特点 因此热模锻压力机上模锻具有以下特点 1 热模锻压力机滑块行程一定 速度慢 不能实现逐步变形 但在一次行程中金属变形量大 且金属容易向水平方向强烈流动 形成很大的飞边 造成型腔深处充不满 对于形状复杂 难于充满的锻件 必须经过制坯工步 使毛坯逐步接近锻件形状 因此需要正确地设计模锻工步 2 在热模锻压力机上需要采用拔长 滚压等预锻工步时就需要在其他设备 如辊锻机 平锻机 空气锤等 上进行制坯 在大批量生产时 也可采用周期性轧坯 3 为了获得精度高的锻件 清除氧化皮是一个重要问题 因此最好采用电加热或少 无氧化加热 或者在锻造前采取有效方法清除氧化皮 4 热模锻压力机导向精度高 并采用带有导向的模具 锻件精度高 模具可采用镶块式 可节约大量模具钢 同时方便更换镶块 2 锻件图的制定确定锻件图的原则和内容与锤上模锻相同 其不同点如下 1 热模锻压力机有顶出装置 锻件能方便地从深型腔内取出 因此 分模面可以灵活地选择 2 锻件拔模斜度一般比锤上模锻件小一级 3 终锻工步设计终锻工步是根据热锻件图设计的 其方法与锤上模锻相似 不同之处有以下几点 1 上 下模充满的难易程度无多大差别 因此 不一定要将形状复杂的部分安排在上模 而应考虑锻件的定位和取出方便 2 模具的型腔较深时 应设计排气孔 3 模具顶杆的端面是型腔面的一部分 设计时应予以考虑 4 直径小于26mm的孔 一般不冲出 需冲孔时 连皮厚度通常取S 6 8mm 5 飞边槽的形式与锤上模锻相似 不同之处在于仓部是开通的 如图9 48所示 4 预锻工步设计预锻工步设计原则与锤上模锻相似 预锻工步的设计对锻件质量 模具寿命等影响很大 设计时应着重考虑以下几点 1 预锻工步图的高度尺寸相应要比终锻大2 5mm 而宽度尺寸要比终锻小0 5 1mm 特别是对高肋和凸出部分 应取较大值 使毛坯在终锻时主要以墩粗成形为主 2 预锻工步的体积要比预锻工步略大 以保证终锻时更好地充满型腔 在预锻工步中金属应合理分配 避免终锻时产生折叠 3 在预锻工步图中 某些部位的形状和尺寸与终锻工步应基本吻合 以便在终锻时更好地定位和防止形成折叠 5 墩粗工步设计墩粗工步有封闭式墩粗和开式墩粗两种形式 1 封闭式墩粗 即在型腔内墩粗 如图9 49所示 经过封闭式墩粗后的坯料能达到一定的形状要求 使毛坯更接近于预锻 或终锻 工步图 从而改善金属在预锻 或终锻 成形型腔中的流动情况 更好地充满型腔 2 开式墩粗 即坯料在两个平面内进行墩粗 如图9 50 a b 所示 这种方法能很好地清除坯料侧面的氧化皮 除毛坯有特殊要求外 在一般情况下多采用开式墩粗 有时为了便于在预锻时定位 在墩粗平面上做成一定的凹槽 如图9 50 c d 所示 毛坯墩粗后的高度 一般情况下应等于锻件的最大高度或略小1 2mm 使毛坯的外径尽量接近锻件的外径 3 胎模锻胎模锻是在自由锻锤上采用活动锻模即简单的不固定模具 胎膜 的一种生产锻件的工艺方法 一般先用自由锻方法把坯料预锻成接近锻件的形状 然后在胎膜中最终锻制成形 1 胎模锻的特点胎模锻兼有自由锻和模锻的特点 与自由锻相比 胎模锻操作简单 生产率较高 锻件形状精确 尺寸精度较高 锻件组织致密 纤维分布更符合性能要求 与模锻相比 胎模锻不需采用昂贵的设备 而且扩大了自由锻设备的生产范围 其工艺操作灵活 可以局部成形 胎膜结构 较简单 容易制造 但锻件质量不如模锻件 工人劳动强度大 锻模寿命低 适于中 小批量生产 2 胎膜结构按照胎模结构形式 常用胎膜有以下三种类型 1 扣模 扣模用来对坯料进行全部或局部扣形 适于生产非回转体的扣形件或为合模锻造制坯 如图9 51所示 2 套筒模 套筒模可分为开式套筒模和闭式套筒模 如图9 52所示 套筒模主要用于锻造齿轮 法兰盘等回转体盘类锻件 开式套筒模只有下模 闭式套筒模由模套和上 下模垫组成 根据具体条件 套筒模可制成整体模 镶块模或带垫模的套筒模 套筒模又可分为简单筒套模 图9 53 和组合套筒模 图9 54 3 合模 合模一般由上 下模和导向装置 导柱和导销等 构成 如图9 55所示 合模有很好的通用性 多用于生产形状较复杂的非回转体锻件 如连杆 叉形件等 3 胎模锻工艺过程胎模锻工艺过程包括制订工艺规程 制造胎膜 备料 加热 锻制胎膜锻件及后续工序等 9 3 3板料冲压板料冲压是利用冲压设备和模具对板料加压 使板料产生分离或变形以制造薄壁零件或毛坯的加工方法 板料冲压的坯料通常都是厚度在1 2mm以下的金属板料 而且冲压时一般不需要加热 故又称为薄板冲压或冷冲压 简称冷冲或冲压 板料冲压能压制其他加工工艺难以加工或不能加工的形状复杂的零件 冲压件尺寸精度高 表面粗糙度值小 互换性强 冲压件可直接使用 冲压件质量轻 强度和刚度较高 材料利用率高 冲压操作简单 生产率高 便于机械化和自动化 故成本低 冲模要求高 制造复杂 成本高 只适合于大批量生产 常用冲压设备是剪床和冲床 按板料的变形方式 可将板料冲压的基本工序分为分离工序和变形工序 1 分离工序分离工序是坯料的一部分相对另一部分产生分离的工序 主要包括剪切 落料 冲孔 切断及修整等 1 冲裁冲裁是指使坯料沿着封闭的轮廓线产生分离的工序 一般指落料和冲孔 落料是被分离的部分成为成品 而周边是废料 冲孔是被分离的部分成为废料 而周边是成品 1 冲裁过程 冲裁过程可分为三个阶段 图9 56 弹性变形阶段 塑性变形阶段 断裂分离阶段 正常情况下 冲裁件的断面处有明显的四个区 即榻角 光亮带 剪裂带和毛刺 冲裁件断面质量主要与凹凸模间隙 刃口锋利程度有关 同时受模具结构 材料性能及厚度等因素的影响 2 冲裁间隙 凸模与凹模的间隙为冲裁间隙 它对冲裁件尺寸精度 断面质量 模具寿命 冲裁力 卸料力等均有很大影响 设计冲裁模时 应选择一个合理的间隙 在合理的冲裁间隙范围内 上 下裂纹能自然会合 光亮带约占板厚的1 3左右 冲裁件断面质量处于最佳状态 如果间隙过大 上下裂纹错开形成双层断裂层 光亮带会变小 断面粗糙 毛刺增大 间隙过小 上下裂纹不重合 光亮带较大 毛刺也较大 同时模具刃口易磨损 使用寿命降低 冲裁间隙由C mS计算到得 其中 S为材料厚 mm m为与材料性能有关的系数 实际中 材料较薄时 对于低碳钢 纯铁 铝及其合金 铜及其合金 常取优m 0 06 0 1 对于高碳钢 常取 m 0 08 0 12 当材料厚度S 3mm时 应把系数m适当放大 3 冲裁件的排样 排样是指落料件在条料 带料或板料上进行合理布置的方案 排样合理可使废料最少 材料利用率大为提高 落料件的排样按材料利用情况可分为三种方式 有废料排样 少废料排样和无废料排样 如图9 57所示 无废料排样材料利用率最高 但毛刺大 尺寸精度差 有废料排样则与无废料排样相反 按冲裁件在条料上的布置方式 排样又可分为直排 单排 多排 斜排 对排 混合排 少废料 无废料 裁搭边等 如图9 58所示 2 修整如图9 59所示 修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔削除一薄层金属 以切掉冲裁件断面上留存的断裂带和毛刺 提高冲裁件的尺寸精度和光亮带高度 改善断面质量 3 切断切断是指利用剪刀或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 剪刀安装在剪床上 把大板料剪成一定宽度的条料 供下一步冲压工序使用 冲模安装在冲床上 用以制成形状简单 精度要求不高的平板零件 以下实例图是汽车凸轮轴经滚挤备坯一终锻一切边成形的过程 2 变形工序变形工序是使坯料的一部分相对另一部分产生位移而不破坏的工序 包括弯曲 拉深 翻边等 1 弯曲弯曲是将板料 型材或管材在弯矩作用下 弯成具有一定的曲率和角度零件的成形方法 1 弯曲过程 弯曲过程及弯曲件如图9 60所示 变形时 坯料内侧受压缩 外侧受拉伸 随着弯曲变形程度的加剧 从内 外侧的表层逐步由弹性的压缩和拉伸变形向塑性的压缩和拉伸变形过渡 故弯曲时 表层主要是塑性变形 而板料中心部则为弹性变形 2 最小弯曲半径Rmin 为防止材料在弯曲时出现裂纹和断裂 内侧的最小弯曲半径Rmin 0 25 1 S 其中S为金属板料的厚度 材料塑性好 弯曲半径可取较小值 轧材 板材具有各向异性 应尽量使坯料的纤维方向与弯曲垂直 如图9 61所示 3 弯曲件的弹复现象 弯曲过程中 在外载荷作用下 板料产生的变形由塑性变形和弹性变形组成 当外载荷去除后 塑性变形保留下来而弹性变形恢复 此现象称为弹复 为抵消弹复现象对弯曲件质量的影响 在设计弯曲模时 应使模具角度比零件角度小一个弹复角 使零件在弯曲后得到所要求的角度 一般小于10 如图9 62所示 2 拉深拉深是将平板毛坯利用拉深模制成开口空心零件的成形工艺方法 也叫拉延 拉深件的形状有筒形 锥形 阶梯形 球形 方盒形等 拉深工艺在汽车 拖拉机 电器 仪表 电子等工业部门及日常生活中应用很广泛 1 拉深过程 拉深过程如图9 63所示 在凸模作用下 原始板料直径D 通过拉深后形成内径为d 有一定高度的空心筒件 2 拉深中的缺陷 拉深中的废品如图9 64所示 在拉深过程中 由于应力作用 坯料厚度的变化规律是 在筒壁上部厚度最大 在靠近筒底的圆角部位附近壁厚最小 此处是整个零件强度最薄弱的地方 当该处的拉应力超过材料的强度极限时 就会产生拉裂缺陷 在拉深过程中 凸缘区的切向压应力达到一定数值时 就将失去稳定而产生拱起 称为起皱 影响拉深质量的因素有 凸 凹模的圆角半径 凸 凹模间隙 拉深系数 润滑程度等 提高拉深件质量的措施 有 改进模具结构和参数 拉深时设置压边圈 图9 65 采用多次拉深工序 图9 66 拉深时在凹模上加润滑剂等 3 其他变形工序其他常用的冲压变形工序有翻边 扭转 收口 成形 胀形和旋压等 如图9 67所示 1 扭转 扭转是指将冲裁后的半成品扭转成有一定移动角度的工序 2 收口 收口是指在筒形零件的某个位置上 使其径向尺寸减小的工序 3 翻边 翻边是指将坯料孔的边缘或外缘翻出竖立于边缘的工序 4 胀形 胀形是指利用塑性物体或液体为传力介质 使拉深半成品径向局部扩胀成形的工序 5 成形 成形是指在板料毛坯或零件表面局部成形 制成各种形状突起或凹陷的零件的工序 6 旋压 旋压是指在旋转状态下 用压杆使板料逐步成形为回转体的工序 如图9 68所示 3 冲压件的结构工艺性冲压件设计不仅应保证它具有良好的使用性能 而且还应具有良好的工艺性能 因此对冲压件的设计在形状 尺寸 精度等方面提出了种种要求 目的是简化冲压生产工艺 提高生产效率 延长模具寿命 降低成本 保证冲压件质量 1 冲裁件的结构工艺性 1 冲裁件的外形和内孔形状应尽量简单 对称 最好是规则的几何形状 使排料合理 且b 2S 2 为避免应力集中而引 起开裂 冲裁件直线相接处均要以圆角过渡 一般圆角半径R 0 5S S指板厚 3 冲孔尺寸不能过小 一般冲孔的尺寸如图9 69所示 2 弯曲件的结构工艺性 1 为防止弯裂 弯曲时要考虑弯曲线垂直于纤维方向 弯曲件的圆角半径不要小于最小弯曲半径 也不能过大 2 弯曲件的形状应尽量对称 弯曲半径应左右对称 如图9 70所示 3 弯曲边高度不要过短 应使弯曲边平直部分的高度H 2S S指板厚 如图9 71 a 所示 4 弯曲带孔件时 为避免孔变形 孔的位置如图9 71 b 所示 L 1 5 2 S 3 拉深件的结构工艺性 1 为便于加工 拉深件形状应力求简单 避免圆锥形 球面形和空间复杂曲面形 尽量采用轴对称的形状 使零件变形均匀和模具加工制造方便 2 应使拉深件高度尽可能减低 过高 过深的拉深件易出现废品 需多次拉深 3 对带凸缘的拉深件 凸缘宽度要适当 过宽需增加拉深次数 过小则容易起皱 4 拉深圆筒形零件时 筒底与壁间的圆角半径尺Rp 3 5 S Rd 4 8 S 矩形盒角部的圆角半径R 3S 5 对于半敞开或不对称的拉深件可采用合冲工艺 即将两个或几个零件合并成对称形状 一起冲压 然后切开 图9 72 以减少工序 节约材料 易于变形形和 保证质量 4 冲模的分类和构造1 单工序模冲床滑块在冲床一次冲程中只完成一道冲压工序的冲模称为单工序模 图9 73所示是导柱式简单落料冲裁模的基本结构 凹模用压板固定在下模板上 下模板用螺栓固定在冲床工作台上 凸模用压板固定在上模板上 上模板通过模柄固定在冲床的滑块上 凸模可随滑块上下运动 为保证凸模与凹模能更好地对准并保持它们之间的间隙均匀 通常用导柱和导套导向 操作时 条料在凹模上沿导板送进 定位销控制每次送进的距离 冲模每次工作后 夹在凸模上的