《金属的塑性成形》PPT课件.pptVIP

1 压力加工 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 尺寸和机械性能的原材料 毛坯或零件的生产方法 各类钢和大多数有色金属及其合金都具有一定的塑性 都能在热态或冷态下进行压力加工 第3章金属的塑性成形 2 分类 3 压力加工的特点 与铸造比 1 优点 a 结构致密 组织细化 力学性能提高 强度 硬度 韧性 b 少无切削加工 材料利用率高 c 可以获得合理的流线分布 d 生产效率高 如 曲轴 螺钉 2 缺点 a 一般工艺表面质量差 氧化 b 不能形成形状复杂件 相对 c 设备庞大 价格昂贵 d 劳动条件差 强度高 噪音大 第一节金属的塑性变形一 金属塑性变形的实质塑性 金属在外力作用下 产生永久变形而不破坏的能力 金属变形过程 a 金属材料在外力作用下发生弹性变形 eb 当外力超过 s后产生塑性变形c 外力继续加大 发生断裂金属塑性变形的实质 a 晶粒内部滑移和孪生 单晶体 b 晶间滑移和晶粒转动 1 单晶体的塑性变形 1 单晶体滑移 单晶体受力后 外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力 正应力只能引起弹性变形及脆性断裂 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形 理论上 整体刚性滑移 滑移困难锌单晶理论计算 s 350kg mm2实测 s 0 1kg mm2实际上 位错的运动引起滑移 滑移容易 位错的运动引起滑移 刃位错的产生及运动 滑移面上位错的运动类似多脚虫爬行运动 整体切变与位错移动消耗能量对比 晶体产生滑移的最小切应力称临界切应力 通过位错运动产生滑移时 只在位错中心的少数原子发生移动 移动距离远小于一个原子间距 因而所需临界切应力小 滑移 晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面及此晶面上的一定晶向产生相对移动的现象 原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大 结合力最弱 产生滑移所需切应力最小 滑移面 原子排列最紧密的面滑移方向 原子排列最紧密的方向一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系 三种典型金属晶格的滑移系 滑移系越多 金属发生滑移的可能性越大 塑性也越好 其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大 金属的塑性 面心立方晶格 体心立方晶格 密排六方晶格 滑移时 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍 滑移的结果在晶体表面形成台阶 称滑移线 若干条滑移线组成一个滑移带 滑移后 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化 2 孪生 在切应力作用下 晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分产生一定角度的切变 发生切变的部分称孪生带或孪晶 发生孪生的晶面称孪生面 孪生的结果 使孪生面两侧的晶体呈镜面对称 与滑移相比 孪生使晶格位向发生改变 所需切应力比滑移大得多 变形速度极快 接近声速 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距 密排六方晶格金属滑移系少 常以孪生方式变形 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形 面心立方晶格金属 一般不发生孪生变形 但常发现有孪晶存在 是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的 称退火孪晶 多晶体的塑性变形工业中实际使用的金属大多是多晶体 1 多晶体的特征 a 晶粒的形状和大小不等b 相邻晶粒的位向不同c 多晶体内存在大量晶界2 多晶体的塑性变形 多晶体中单个晶粒变形与单晶体相似 多晶体变形比单晶体复杂 晶界对多晶体变形的影响 多晶体中当位错运动到晶界附近时 受到晶界的阻碍而堆积起来 称位错的塞积 要使变形继续进行 则必须增加外力 从而使金属的变形抗力提高 晶粒位向对多晶体变形的影响 多晶体中各相邻晶粒位向不同 当一个晶粒发生塑性变形时 为了保持金属的连续性 周围的晶粒若不发生塑性变形 则必以弹性变形来与之协调 这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力 由于晶粒间的这种相互约束 使得多晶体金属的塑性变形抗力提高 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45 的晶粒 当塞积位错前端的应力达到一定程度 加上相邻晶粒的转动 使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动 从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒 当有大量晶粒发生滑移后 金属便显示出明显的塑性变形 因此 多晶体的塑性变形可以看成是各个晶粒内部滑移和孪生的总和 各个晶粒间的变形 是产生内应力和开裂的原因 晶粒越细 单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多 滑移系越多 塑性变形可分散在更多的晶粒内进行 变形越均匀 在断裂前发生的塑性变形量越大 塑性越好 而且晶粒越细小 晶界面积越大 位错障碍越多 金属塑性变形的抗力越大 强度 硬度越高 同时晶界面积越大 对裂纹扩展的阻碍作用越大 金属在断裂前消耗的功越大 韧性就越好 因此细化晶粒既可以提高材料的强度和硬度 又可以提高塑性和韧性 结合多晶体的塑性变形过程 解释为什么细化晶粒既可以提高材料的强度和硬度 又可以提高塑性和韧性 二 塑性变形后金属的组织和性能1 组织 1 金属发生塑性变形时 不仅外形发生变化 内部的晶粒也相应地被拉长或压扁 2 当变形量很大时 晶粒将被拉长为纤维状 晶界变得模糊不清 晶格 晶粒均发生扭曲 产生内应力 3 塑性变形还使晶粒破碎产生碎晶 工业纯铁在塑性变形前后的组织变化 a 正火态 b 变形40 c 变形80 2 性能 加工硬化金属经过塑性变形后 强度和硬度上升 而塑性和韧性下降的现象 是冷轧 喷丸等强化金属的理论根据 原因 随变形量增加 位错密度增加 使变形抗力增加 产生碎晶 空位密度增加 晶格扭曲 增大滑移阻力 加工硬化是强化金属的重要手段之一 对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要 3 残余内应力内应力是指平衡于金属内部的应力 是由于金属受力时 内部变形不均匀而引起的 金属发生塑性变形时 外力所做的功只有10 转化为内应力残留于金属中 内应力分为三类 第一类内应力平衡于表面与心部之间 宏观内应力 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间 微观内应力 第一 二类内应力都使金属强度降低 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力 是形变金属中的主要内应力 也是金属强化的主要原因 内应力的存在 使金属耐蚀性下降 引起零件加工 淬火过程中的变形和开裂 因此 金属在塑性变形后 通常要进行退火处理 以消除或降低内应力 金属经冷变形后 组织处于不稳定状态 有自发恢复到稳定状态的倾向 在常温下 原子扩散能力小 不稳定状态可长时间维持 加热可使原子扩散能力增加 金属将依次发生回复 再结晶和晶粒长大 4 回复冷变形后的金属 在加热过程中 随温度的上升 原子热运动加剧 晶格扭曲被消除 内应力 电阻率等明显下降的现象 T回 0 25 0 3 T熔回复只能部分消除加工硬化 5 再结晶冷变形后的金属 加热到一定温度时 开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒 加工硬化完全消除 1 再结晶过程特点 a 原子热振动加剧b 以某些质点为核心重新结晶c 加工硬化全部消除 2 再结晶温度再结晶不是恒温过程 而是自某一温度开始 在一定温度范围内连续进行的过程 金属经大量塑性变形后开始再结晶的最低温度 称为再结晶温度 T再 0 4T熔 塑性变形的工业纯铁再结晶后的组织变化 再结晶也是晶核形成和长大的过程 但不是相变过程 再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同 冷变形黄铜组织性能随温度的变化 由于再结晶后组织复原 因而金属的强度 硬度下降 塑性 韧性提高 加工硬化消失 生产中 把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火 再结晶退火温度比再结晶温度高100 200 3 影响再结晶后晶粒大小的因素 a 变形程度实质上是变形均匀程度的影响当变形度很小时 晶格畸变小 不足以引起再结晶 当变形达到2 10 时 只有部分晶粒变形 变形极不均匀 再结晶晶粒大小相差悬殊 易互相吞并和长大 再结晶后晶粒特别粗大 这个变形度称临界变形度 当超过临界变形度后 随变形程度增加 变形越来越均匀 再结晶时形核量大而均匀 使再结晶后晶粒细而均匀 达到一定变形量之后 晶粒度基本不变 b 再结晶后状态金属在高温下停留 晶粒长大 力学性能变差 三 冷变形和热变形1 冷变形 冷加工 在再结晶温度以下进行的变形 1 生产方法 冷冲压 冷挤压 冷轧 冷拔等 2 特点 a 位错密度上升 显著加工硬化 强度 硬度上升 塑性 韧性下降 b 尺寸精度高 表面质量好 c 变形程度不宜过大 避免破裂 冷变形后的工件若继续进行冷加工 要进行再结晶退火 因此金属压力加工主要采用热变形来进行 2 热变形 热加工 在再结晶温度以上进行的变形 如Fe的熔点1538 其再结晶温度为451 其在400 以下的加工仍为冷加工 而Pb 熔点为327 的再结晶温度为 33 则其在室温下的加工为热加工 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消 因而热加工不会带来加工硬化效果 1 生产方式 热锻 热轧 热挤压 2 特点 a 加工硬化和再结晶同时发生 b 冶金缺陷得到改善或消除 c 最终得到细小的等轴晶 d 组织致密 力学性能显著提高e 变形程度大 四 纤维组织1 组织特征金属在塑性变形过程中 晶界上的杂质随晶粒一起沿变形方向被拉长后呈流线状分布 这种流线体现的组织称纤维组织 a 脆性杂质 被打碎并顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布b 塑性杂质 随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布c 晶粒 显著地沿同一方向被拉长 2 性能特点 具有各向异性a 纵向 平行于纤维方向 抗拉强度提高b 横向 垂直于纤维方向 塑性 韧性降低但抗剪切能力显著增强 3 纤维组织的应用纤维组织稳定性很高 不能用热处理方法消除 只有经过锻压使金属变形 才能改变其方向和形状 为提高零件机械性能 纤维组织的分布应遵循的原则 1 零件最大拉应力方向应与纤维组织平行 2 零件最大剪切应力方向应与纤维组织垂直 3 零件外形轮廓应与纤维组织的分布相符合 纤维组织不被切断 五 金属的可锻性可锻性是金属经受塑性成型的难易程度 是综合衡量材料在压力加工时获得优质零件的一项工艺性能 塑性好 变形抗力小 金属的可锻性就好影响金属可锻性的因素 1 化学成分a 纯金属比合金的可锻性好b 含合金元素少的合金比多的好2 组织a 单相组织 纯金属或固溶体 比多相好b 钢中碳化物呈弥散分布比网状分布好c 晶粒细化组织比粗大组织好 变形条件 1 加热温度a 滑移力减小加热温度高 b 再结晶过程加速可锻性好c 多相状态向单相转变但是 温度过高 会引起过烧或过热 过烧会破坏晶粒间的连接 过热会使晶粒过分长大 始锻温度 锻造温度的上限终锻温度 锻造温度的下限碳素钢的锻造温度范围1150 1250 800 850度 区 2 变形速度 金属材料在单位时间内的变形程度一方面随变形速度的增大 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 可锻性下降 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 可锻性提高 3 应力状态 挤压时 金属呈三向压应力 拉拔时 变形材料呈两向压应力和一向拉应力 压应力下变形 对塑性有利 阻止裂纹扩展 焊合孔 缝等缺陷 拉应力下变形 对塑性不利 气孔 裂纹等缺陷处易引起应力集中 缺陷扩展 导致破裂 a 压应力越多 材料的塑性越好 b 拉应力越多 塑性越差 第二节锻造技术一 金属塑性变形的流动规律1 最小阻力定律在金属塑性变形过程中 质点流动总是沿着阻力最小的方向进行 变形功最小 确定金属变形中质点的移动方向应用 控制金属坯料变形的流动方向降低能耗 提高生产率 2 体积不变定律金属在塑性变形前后的体积相等 即体积为常数 也称为不可压缩定律 3 临界切应力定律晶体滑移的驱动力是外力在滑移系上的分切应力 只有当滑移系上分切应力 达到一定值时 该滑移系才能开动 二 自由锻利用冲击力或压力使金属在上 下砧铁之间产生变形 从而获得得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法 1 自由锻的特点 1 坯料变形时 只有部分表面变形受到限制 其余表面可自由流动 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 是大型锻件的唯一锻造方法 2 自由锻的分类 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 只能锻造中小锻件常用设备有 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 可加工大型锻件常用设备是水压机 适用于大型锻件 3 自由锻的几个主要工序1 镦粗 使坯料的横截面增大 高度减小的工序 适于饼块类 盘套类应用a 小截面变成大截面 高度减小件 b 冲孔前 平整端面 c 提高机械性能 细化组织 破碎碳化物 与拔长配合 2 拔长 锻造时使坯料的长度增加 横截面减小的工序 适于轴类 杆类应用a 减小截面 增加长度 b 提高机械性能 与镦粗反复进行 3 冲孔 利用冲头在坯料上冲出通孔或盲孔的工序 应用 主要用于锻造空心件 4 自由锻工艺规程的制订自由锻工艺规程包括以下内容 1 自由锻锻件结构工艺性 选用自由锻加工零件时 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 使所设计的零件具有较好的自由锻工艺性 以达到锻造方便 节约金属 保证质量及提高生产率的效果 锻件结构设计原则 1 尽量避免锥体或斜面 2 锻件由几个简单几何体构成时 交接处不应形成空间曲线 避免交接处形成空间曲线 避免锥体或斜面 3 锻件不应设计凸台 筋板 4 避免椭圆形 工字形等 5 截面变化不宜太大 6 外表面不宜复杂 横截面有急剧变化或形状较复杂时 应设计成有几个简单件构成的组合体 再进行焊接或机械连接 避免凸台 筋板 2 绘制锻件图 锻件图 1 敷料 余块 为简化锻件形状 便于进行锻造而增加的一部分金属 锻件图 3 坯料质量及尺寸计算质量 G坯料 G锻 G烧 G料头按锻造比 坯料截面形状及尺寸确定锻件截面及尺寸 锻造比 金属的变形程度 Y拔 F0 FY镦 H0 H锻造比选择合适时 则毛坯内部缺陷被压合 树枝晶被打碎 晶粒显著细化 力学性能得到提高 锻造比过小 达不到性能要求 过大则增大工作量 引起各向异性 一般情况下 铸锭作为坯料时 锻造比不小于2 5 3 轧制型材作为坯料时 锻造比选择1 3 1 5 4 选择锻造工序 基本工序 用来改变坯料的形状和尺寸的工序辅助工序 为完成基本工序而进行的预先变形工序修整工序 用来减少锻件表面缺陷的工序 根据锻件技术要求 坯料情况 生产批量等确定锻造工序 一般情况下盘类 镦粗 或拔长 镦粗 冲孔 轴类 拔长 拔 镦粗 压肩 筒类 镦粗 镦 拔 冲孔 在心轴上拔长 环类 镦粗 拔 镦 冲孔 5 选择锻造设备根据锻件的尺寸 形状 材料等条件来选择设备种类及其规格 既保证锻透工件 有较高的生产率 又不浪费动力 并使操作方便 三 模锻使金属坯料在锻模模膛内产生塑性流动 获得与模膛形状相符的锻件的加工方法 1 模锻的特点a 锻件形状复杂 尺寸精确 表面光洁 b 加工余量小 节约材料和工时 c 锻造流线分布符合外形结构 力学性能高 d 生产效率高 e 模具费用高 生产周期长 f 锻件重量小 一般小于150公斤 2 分类按所用设备不同可分为锤上模锻 压力机上模锻 平锻机上模锻和旋转压力机上模锻等 3 锤上模锻工作原理与自由锻相似 区别在于上模固定在锻锤上 1 锻模结构与模膛a 锻模一般由上模和下模两部分组成 上下模合拢形成模膛 b 模膛按其功用不同分为制坯模膛 预锻模膛和终锻模膛 预锻模膛 使坯料变形接近锻件的形状和尺寸 有利于坯料充满终锻模膛 并减少终锻模膛磨损 延长终锻模膛的使用寿命 终锻模膛 使坯料最后变形到锻件所要求的形状 尺寸 尺寸比锻件尺寸放大一个收缩量 钢件约为1 5 四周有飞边槽 用以增加金属从模膛中流出阻力 促使金属充满模膛 容纳多余的金属 飞边由专门的切边模切除 制坯模膛 对形状复杂的模锻件 为使坯料形状基本接近模锻件形状 使金属能合理分布并能很好地充满模锻模膛 首先在制坯模镗内制坯 因而设制坯模膛 i 拔长模膛 增加某一部分长度 ii 滚压模膛 减小某部分横截面积 以增大另一部分横截面积 坯料长度基本不变 iii 弯曲模膛 弯曲工件 iv 切断模膛 切断金属 此外还有成型模镗 镦粗台 击扁面等制坯模镗 4 模锻工艺规程制定 1 根据锻件类型及具体生产条件确定合理工艺方案 2 由零件图及工艺方案绘制锻件图 1 分模面是上下锻模在模锻件上的分界面 关系到出模 成型 材料利用率等 选择原则 a保证锻件能完整地从模膛中取出 b使模膛浅而宽 便于加工 利于金属流动 c应使上 下模膛沿分模面的轮廓一致 便于检查上 下模错移 d分模面应使锻件上敷料最少 e分模面尽量选平面 f有流线要求时 依受载情况确定 2 确定敷料 余量 公差敷料 为了简化零件的形状和结构 便于锻造而增加的一部分金属 余量 在零件的加工表面上为切削加工而增加的尺寸 余量的大小与零件的形状 尺寸 结构的复杂程度和锻造方法有关 一般1 4mm 锻件公差 是锻件名义尺寸的允许变动量 其数值按锻件形状 尺寸 锻造方法等因素查表确定 一般 0 3 3mm 3 确定模锻斜度 模锻件上平行于锤击方向 垂直于分模面 的表面必须具有斜度 以便于从模膛中取出锻件 斜度大小与锻件形状尺寸 材料性质 摩擦系数 锻造方法等有关 一般钢件外模锻斜度 5 15 内斜度比外斜度大2 3 内壁斜度 2应比外壁斜度 1大 4 确定模锻圆角 锻件两平面交接处均要做成圆角 作用 a 金属易于充满模膛 b 避免锻模凹角处应力集中 产生裂纹 c 减轻尖角处磨损 提高模具寿命 d 避免拉断流线 5 冲孔连皮 模锻无法锻出通孔 需在孔中留出冲孔连皮以保护模具和设备3 确定工步 进行模膛设计和工步设计4 计算毛坯质量 尺寸 确定设备吨位5 设计锻模6 确定切边 冲孔工序并设计相应模具7 加热 冷却 热处理规范8 确定校正 清理工艺及设备 5 模锻零件结构工艺性 设计模锻件时 应根据模锻特点和工艺要求 使零件结构符合下列原则 以便于模锻生产 降低成本 1 必须具有合理的分模面 锻件易取出 敷料少 锻模易加工 2 模锻斜度 圆角 3 非加工面尺寸精度要符合模锻生产工艺 加工面留余量 4 锻件形状尽量简单对称 各截面差不可太大 5 尽量避免深孔 多孔 简化模具制造 提高寿命 6 若形状复杂 用锻焊结构 减少敷料 采用组合件 简化锻件结构 四 胎模锻胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法 胎模一般不固定在锻锤上 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 按胎模的结构特点分为 1 扣模 用于非回转体锻件的成形或制坯 2 筒模 圆筒形锻模 主要用于齿轮 法兰盘等回转体和盘类锻件 3 合模 由上下模组成 主要用于生产形状较复杂的非回转体锻件 第三节板料冲压板料冲压 利用冲模使板料产生变形或分离 从而获得具有一定形状和尺寸的锻件的工艺方法 加工范围 冷态下 8毫米 热态冲压 8 10毫米 设备及模具 冲床 剪床常见冲压材料 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 一 板料冲压的特点 1 可以冲压出形状复杂的零件 废料少 2 产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度 3 能获得质量轻 材料消耗少 强度和刚度较高的零件 4 操作简单 便于自动化 生产率高 5 模具复杂 适于大批量生产 二 板料冲压的基本工序1 分离工序 使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序 落料 冲孔 切断1 落料及冲孔 使坯料沿封闭轮廓分离的一种工序落料 被分离的部分为工件 周边为废料冲孔 被分离的部分为废料 周边是成品 1 冲裁变形过程 a 弹性变形阶段 冲头接触后 继续向下运动 产生弹性压缩 拉伸 弯曲等 b 塑性变形阶段 s产生塑变 冷态 加工硬化 b微裂纹c 断裂分离阶段 冲头继续压入 裂纹上 下扩展 重合 2 凸凹模刃口尺寸的确定 落料模 凹模刃口尺寸 工件要求尺寸 凸模刃口尺寸 凹模刃口尺寸 间隙值冲孔模 凸模刃口尺寸 工件要求尺寸 凹模刃口尺寸 凸模刃口尺寸 间隙值2 切断 用剪床或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 2 变形工序 使板料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的加工方法 包括弯曲 拉深 翻边 成形等工序 1 拉深 利用拉深模将板料冲压成一端开口的空心件的方法 拉深模的凸凹模工作部分无锋利刃口 拉裂原因 1 凸凹模圆角半径 不可太锋利 否则易拉裂 2 凸凹模间隙 过小 模具与拉深件间的摩擦力增大 3 拉深系数 m d D衡量拉深变形程度 m越小 变形越大 易拉穿 一般 m 0 5 0 8 4 润滑 加润滑剂 减小摩擦 降低拉力 减小模具磨损 起皱原因 板料厚度小 拉深系数小防止方法 压边圈 2 弯曲 坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序 1 受力分析 外侧受拉 内侧受压 2 最小弯曲半径rmin 0 25 1 S塑性大 rmin可小些 3 弯曲方向 弯曲时尽可能使弯曲线与毛坯的纤维方向一致 即弯曲轴线与纤维方向垂直 4 回