金属塑性成形工艺及模具设计.docx

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材料成型及控制工程塑性加工工艺基础1. 锻造是在一定温度条件下，利用工具或模具对坯料施加载荷，使金属产生塑性变形，从而使坯料发生体积的转移和形状的变化，以获得所需形状、尺寸和组织性能的锻件。2. 锻造工艺的特点：锻造加工生产率高；节约原材料和机械加工工时；锻件的形状和尺寸稳定性好；锻件具有最佳的综合力学性能。3. 阻力最小定律：如果物体在变形过程中质点有向各个方向移动的可能性时，则物体内各质点将是向着阻力最小的方向移动的。4. 金属塑性变形不均匀性包括两方面的含义：塑性变形程度的不均匀性；塑性变形的不同时性。5. 工具形状对金属变形和流动的影响：控制锻件的最终形状和尺寸；控制金属的流动方向；控制塑性变形区；提高金属的塑性控制坯料失稳，提高成形极限。6. 局部加载时沿加载方向的应力分布规律：局部加载时沿加载方向的正应力随受力面积不断扩大，其绝对值逐渐减小（对弹性状态和塑性状态均适用）7. 降低冲裁力的方法：斜刃冲模冲裁；阶梯凸模冲裁；加热冲裁。锻造的热规范一 金属的锻前加热1. 加热的目的：提高金属的塑性，降低变形抗力，使其易于流动成形并获得良好的锻后组织。2. 加热方法：火焰加热；电加热（电阻加热：电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热；感应电加热。）3. 加热引起的缺陷：氧化、脱碳、过热、过烧、裂纹。4. 钢的锻造温度范围是指从开始锻造温度（始锻温度）至结束锻造温度（终锻温度）的一段温度范围。确定锻造温度范围的基本原则是：要求在锻造温度范围内金属具有良好的塑性和较低的变形抗力；能锻出优质锻件，避免锻件开裂、氧化、脱碳、过热和过烧等加热缺陷；锻造温度范围尽可能宽广些，以便减少加热火次，提高锻件生产率。确定锻造温度范围的基本方法是：以合金平衡相图为基础，再参考塑性图、抗力图和再结晶图，从塑性、质量和变形抗力三个方面加以综合分析，从而定出始锻温度和终锻温度。5. 金属的加热规范：所谓加热规范，是指坯料从装炉开始到加热完了整个过程对炉子温度和坯料温度随时间变化的规定。（加热规范通常包括装炉温度、加热各个阶段炉子的升温速度、各个阶段加热（保温）时间和总的加热时间以及最终加热温度、允许的加热不均匀性和温度头等）二 金属的锻后冷却金属的锻后冷却：所谓锻后冷却，是指结束锻造后从终锻温度冷却至室温的过程。常见缺陷：裂纹、白点、网状碳化物、石状端口。冷却方法：在空气中冷却，速度较快；在坑（箱）内冷却，速度较慢；在炉内冷却，速度最慢。三 锻件的热处理机械加工前的热处理称为锻件热处理；机械加工后的热处理称为零件热处理。 锻后热处理的目的：调整锻件的硬度，以利锻件进行切削加工；消除锻件内应力，以免在机械加工时变形；改善锻件内部组织，细化晶粒，为最终热处理做好准备；对于不再进行最终热处理的锻件，应保证达到规定的力学性能要求。自由锻主要工序分析一 镦粗1. 使坯料高度减小，横截面增大的成形工序称为镦粗。2. 自由锻工艺过程的实质是利用简单的工具逐步改变坯料的形状、尺寸和状态，以获得所要求形状、尺寸和性能的锻件的加工工序。3. 镦粗工序的变形流动特点：（圆截面坯料镦粗时，金属的变形流动情况与坯料的高径比有关）一般坯料镦粗时，金属的变形是不均匀的，外观呈现鼓形，即中间直径大，两端直径小。第区变形程度最小，第区变形程度最大，第区变形程度居中。原因：主要是工具与坯料端面之间摩擦力的影响，摩擦力使金属变形困难，使变形所需的单位压力增高。在平板间热镦粗坯料时，产生变形不均匀的原因除工具与毛坯接触面的摩擦影响外，温度不均也是一个很重要的因素。4. 坯料镦粗时的主要质量问题有：1） 侧面易产生纵向或呈45方向的裂纹；2） 锭料镦粗后上、下端常保留铸态组织；3） 高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲等。镦粗时的侧面裂纹和内部组织不均匀都是由于变形不均匀引起的。镦粗时产生这种变形不均匀的原因，一是工具与坯料接触的摩擦影响；二是与工具接触的部分金属由于温度降低快，s较高。解决措施：使用润滑剂和预热工具；采用凹形毛坯；采用软金属垫板；采用铆镦、叠镦和套环内镦粗；采用反复镦粗拔长的锻造工艺（可以提高坯料的锻比，同时可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布）。二 拔长1. 使坯料横截面减小而长度增加的成形工序称为拔长。2. 矩形截面坯料的拔长：拔长是在长坯料上局部进行压缩，属于局部加载，局部受力，局部变形的情况。其变形区的变形和流动与镦粗相近，但又区别与自由镦粗，因为它是在两端带有不变形金属的镦粗。这时，变形金属的变形和流动除了受工具的影响外，还受其两端不变形金属的影响。在平砧上拔长锭料和低塑性材料（如高速钢等）的钢坯时，在坯料外部常常引起表面横向裂纹和角裂，在内部常引起组织和性能不均匀、内部的纵裂纹和横向裂纹等。拔长时，外端的存在加剧了轴向的附加应力。尤其在边角部分，由于冷却较快，塑性降低，更易开裂。高合金工具钢和某些耐热合金拔长时，常易产生角裂，操作时需注意倒角。拔长高合金钢时，当送进量较大，并且在坯料同一部位反复重击时，常易沿对角线产生裂纹。lh过大时，产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹的可能性也增大。解决措施：一般认为lh=0.50.8 时相对较为合适；拔长高速钢时，应采用“两轻一重”的操作方法；拔长低塑性钢材和铜合金时，锤砧应有较大的圆角，或沿送进方向做成一定的凸弧或斜度；在大型锻件的锻造中，拔长时一般采用宽砧、大送进量，用走扁方的方法进行锻造；表面降温锻造法则可以用来生产一些重要的轴类锻件。3. 拔长过程中常易产生的另一些质量问题是表面折叠、端面内凹和倒角时对角线裂纹等。表面折叠是由于送进量很小，压下量很大，上、下两端金属局部变形引起的。避免产生这种折叠的措施是增大送进量，使两次送进量与单边压缩量之比大于11.5（即2lh11.5）。侧表面折叠是由于拔长时压缩得太扁，翻转90立起来再压时，由于坯料弯曲并发展而形成的。避免产生这种折叠的措施是减小压缩量，使每次压缩后的锻件宽度与高度之比小于22.5，即anhnD镦D2范围内。轮毂较高的锻件：为保证轮毂成形和防止产生折叠，镦粗后坯料直径D镦应在D1+D22D镦D2范围内。轮毂高且有内孔和突缘的锻件：为便于坯料在终锻模膛中定位，有利于轮毂处充满，需采用镦粗成形镦粗终锻工步。8. 采用预锻工步的主要目的：1） 使金属易于充填终锻模膛，避免折叠等缺陷；2） 增加终锻工步飞边槽的桥口阻力，减少流入飞边槽的金属量；3） 改变坯料的流线分布，使得终锻工步易于实现锻件的流线控制；4） 减小终锻模膛磨损，延长锻模寿命。锻造模具设计方法一 锻件图设计1. 锻件图的内容包括分模面、机械加工余量及公差、锻模斜度和圆角、冲孔连皮和锻件收缩率等。2. 分模面是上、下锻模的分截面.分模面选择原则:1) 要保证模锻件能够从模膛中顺利取出,并使锻件形状尽可能与零件形状相同,一般分模面应选在模锻件最大水平投影尺寸的截面上；2) 按选定的分模面制成锻模后,应使上、下模沿分模面的模膛轮廓一致,以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象;3) 分模面应为一个平面,使上、下锻模的模膛深度基本一致,差别不宜过大,以便制造锻模；4) 选定的分模面应使零件上所加的敷料最少；5) 最好把分模面选取在能使模膛深度最浅处,这样可使金属很容易充满模膛,便于取出锻件,并有利于锻模的制造；6) 为了使金属不溢出,且能充满模膛,在模膛的周围开了飞边槽以容纳多余的金属。3. 为了达到零件尺寸精度及表面粗糙度的要求,锻件上需切削加工去除的金属层称为锻件的加工余量。对于深而窄的锻模形膛，为了便于起模，而且不致过多地增加余块，可采用双级模锻斜度。4. 为了便于从模膛中取出锻件,模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度,称为模锻斜度,一般为515。5. 模锻件上所有平面转接处均需圆弧过渡,此过渡处称为锻件的圆角。圆弧过渡有利于金属的变形流动，锻造时使金属易于充填模膛，提高锻件质量；并且可以避免在锻模上的内角处产生裂纹，减缓锻模外角处的磨损，提高锻模使用寿命。6. 由于锤上模锻时不能靠上、下模的突起部分把金属完全排挤掉，因此不能锻出通孔。终锻后孔内留有的金属薄层，称为冲孔连皮。冲孔连皮通常有：平底连皮、斜底连皮、带仓连皮、拱式连皮。7. 锻件图上需用双点画线标出零件的轮廓；技术要求包括清理方式、热处理方式和硬度。二工艺方案的制定1. 模锻工步包括预锻工步和终锻工步，其作用是使经制坯的坯料得到最终锻件所要求的形状和尺寸。2. 工艺方案选择的基本原则是保证锻件生产的技术可能性和经济合理性。3. 模锻模膛：根据已确定的工步选择相应的制坯模膛和模锻模膛1） 制坯模膛：拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、切断模膛（还有镦粗、压扁等制坯模膛）2） 模锻模膛：预锻模膛：（常见缺陷有折叠、充不满、带枝芽的锻件模锻时，常常在枝芽处充不满）使坯料变形到接近于锻件的形状、尺寸，使金属易于充满终锻模膛；减少对终锻模膛的磨损，提高锻模寿命；终锻模膛：使坯料变形成锻件图上要求的形状、尺寸和精度。终锻模膛设计时因热胀冷缩，终锻模膛尺寸要比锻件尺寸放大一个收缩量；模膛四周有飞边槽以增加金属从模膛中流出阻力，容纳多余的金属；对于有通孔件，应留有冲孔连皮。三模锻模膛设计1. 模膛设计的主要内容是绘制热锻件图，确定飞边槽尺寸及钳口尺寸。2. 飞边槽的作用：飞边槽可以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满整个模膛，同时容纳多余的金属；还可以起到缓冲作用，减弱对上、下模的打击，防止锻模开裂；另外还便于切边。3. 钳口的作用：钳口是指在锻模的模锻模膛前面所做的空腔，由夹钳口与钳口颈组成，其用途是：夹钳口在模锻时用来放置棒料及钳夹头，钳口颈用于加强夹钳了头与锻件之间的连接强度，齿轮类锻件在模锻时无夹钳料头，钳口作为锻件起模之用，在锻模制造时，钳口作为浇铸模膛检验件（金属盐或铅）的浇口。四 锻模结构设计1. 锤上模锻用的锻模由带燕尾的上模和下模两部分组成，上、下模通过燕尾和楔铁分别紧固在锤头和模垫上，上、下模合在一起内部形成完整的模膛。2. 锤锻模的结构设计应着重解决模膛的布排、错移力的平衡以及导向、锻模的强度、模块尺寸等问题。3. 模膛的布排应根据模膛数以及各模膛的作用及操作方便安