模块一铸、锻、焊工艺及应用——锻压ppt.ppt

1 4 2 5 3 6 概述 锻压工艺基础 自由锻 模锻 板料冲压 锻压件结构设计 模块一铸 锻 焊工艺及应用 3 1概述 锻压 一种借助工具或模具在冲击或压力作用下 对金属坯料施加外力 使其产生塑形变形 改变尺寸 形状及性能 用以制造机械零件或零件毛坯的成形加工方法 锻压又称作锻造或冲压 3 1 1锻压生产的特点优点 锻件的韧性好 纤维组织合理 尺寸稳定性好 锻件间性能变化小 图3 1三种金属加工方法所得零件低倍宏观流线 缺点 不能直接锻制成形状复杂的零件 锻件的尺寸精度不够高 锻压生产所需的重型的机器设备和复杂的工具 对于厂房基础要求较高 初次投资费用大 3 1 2锻压生产的实用范围类型 自由锻 模锻 特种锻造 锻件的适用范围很广 几乎所有运动的重大受力构件都是由锻压成形的 3 1 3锻压生产的发展趋势与当代的科学技术有很大的关系 首先 材料科学的发展对锻压技术有着最直接的影响 其次 新型科学的出现 缩短了锻件的生产周期 提高锻模设计和生产水平 第三 机械零件性能的要求使得研究和开发新的锻压件是必然的出路 3 1概述 3 2锻压工艺基础 3 2 1金属的塑形变形塑形 是金属的重要特性 具有一定塑性的金属坯料在外力作用下 当内应力达到一定的条件 就会发生塑性变形 由于金属材料都是晶体 故要说明塑性变形的实质 必须从其晶体结构来说明 单晶体的塑性变形滑移变形 晶体内的一部分相对另一部分 沿原子排列紧密的晶面作相对滑动 其变形过程如图3 2所示 晶体在晶面上的滑移 是通过位错的不断运动来实现的 如图3 3所示 当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带 如图3 4所示 形成可见的变形 2 多晶体的塑性变形 如图3 5所示 多晶体的晶内变形方式和单晶体一样 也是滑移和双晶 但各个晶粒所处的塑性变形条件不同 即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易 与外力成45度的滑移面最易变形 因为其产生的切应力最大 如图3 6反映了晶粒位向与受力变形的关系 3 2锻压工艺基础 3 2 2变形后金属的组织和性能1 加工硬化 回复和再结晶1 加工硬化指金属在低温下进行塑性变形时 金属的强度和硬度升高 塑性和韧性下降的现象 如图3 7所示 变形程度越大 冷变形强化现象越严重 2 回复指当温度升高时 金属原子获得热能 使冷变形时处于高位能的原子回复到正常排列 消除由于变形而产生的晶格扭曲的过程 可使内应力减少 3 再结晶指当温度升高到一定程度时 金属原子获得更高的热能 通过金属原子的扩散 使冷变形强化的结晶构造进行改变 成长出许多正常晶格的新晶粒 新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶 利用金属再结晶过程消除低温变形后的冷变形强化 恢复金属的良好塑性 以利于后继的冷变形加工 3 2锻压工艺基础 3 2 2变形后金属的组织和性能2 塑形变形的分类和对金属组织和性能的影响根据变形的温度 金属的塑形变形分为冷变形和热变形 冷变形 指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形 如冷冲压 冷弯 冷挤 冷镦 冷轧和冷拔 能获得较高的硬度及表面质量 热变形 指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形 如锻造 热挤和轧制等 能消除冷变形强化的痕迹 保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性 金属热变形时组织和性能的变化主要表现在以下几个方面 1 变形加工时 在金属铸锭中含有的夹杂物多分布在晶界上 在金属塑性变形时 晶粒沿变形方向伸长 塑性夹杂物也随着变形一起被拉长 呈带状分布 脆性夹杂物被打碎呈碎粒状或链状分布 通过再结晶过程 晶粒细化 而夹杂物却依然呈条状和链状被保留下来 形成锻造流线 动画演示 2 热变形加工可以使铸造毛坯中的组织缺陷得到明显改善 3 2锻压工艺基础 3 2 3金属的锻造性能金属的锻造性能是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度 是金属的工艺性能指标之一 常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量 塑性越好 变形抗力越小 则锻造性能越好 影响金属锻造性能的因素有 金属的本质和金属的变形条件 1 金属本质的影响1 金属的化学成分 化学成分不同 塑性不同 锻造性能不同 2 金属的组织状态 组织结构不同 锻造性能不同 单一固溶体组成的合金 塑性好 锻造性能好 铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构 金属内部有缺陷也不一样 2 金属的变形条件1 变形温度 温度升高 塑性上升 降低变形抗力 易于锻造 但温度过高也会产生相应的缺陷 如氧化 脱碳 过热和过烧等 故要严格控制锻造温度范围 3 2锻压工艺基础 2 变形速度 指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量 变形速度的影响较复杂 一方面变形速度增大 冷变形强化现象严重 变形抗力增大 锻造性能变坏 另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高 提高塑性 降低变形抗力 锻造性能变好 如图3 8所示 3 变形时的应力状态 不同压力加工方法 金属内部的应力状态是不同的 如图3 9所示 在金属塑性变形时 压应力数目越多 其塑性变形越好 因为压应力使滑移面紧密结合 防止产生裂纹 拉应力则使塑性变形降低 应为它使缺陷扩大 使滑移面分离 但压应力时变形抗力增大 故必须综合考虑塑性和变形抗力 3 3自由锻 3 3 1概述自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁之间 施加冲击力或压力 使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法 坯料在锻造过程中 除与上下抵铁或其它辅助工具接触的部分表面外 都是自由表面 变形不受限制 锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证 所用设备与工具通用性强 自由锻主要用于单件 小批生产 也是生产大型锻件的唯一方法 3 3 2自由锻设备自由锻设备常用的有锻锤和压力机 1 空气锤 它由电动机直接驱动 打击速度快 锤击能量小 适用于小型锻件 其结构与原理如图3 10所示 动画演示2 蒸汽 空气锤 利用蒸汽或压缩空气作为动力 构造及工作原理如图3 11所示 适用于中小型锻件 3 水压机 以压力代替锤锻时的冲击力 适用于锻造大型锻件 其工作过程包括空程 工作行程 回程 悬空 其原理和结构如图3 12所示 3 3自由锻 3 3 3 自由锻工序根据作用与变形要求的不同 可分为基本工序 辅助工序和精整工序 1 基本工序 改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序 包括镦粗 动画演示 拔长 动画演示 冲孔 动画演示 弯曲 动画演示 切割 扭转 错移 动画演示 等 最常用的是镦粗 拔长 冲孔 2 辅助工序 为了方便基本工序的操作 而使坯料预先产生某些局部变形的工序 如压钳口 倒棱和切肩 3 精整工序 修整锻件的最后尺寸和形状 消除表面的不平和歪扭 使锻件达到图纸要求的工序 如修整鼓形 平整端面 校直弯曲 3 3 4 自由锻件的分类和锻造过程1 饼块类锻件主要有圆盘 叶轮等零件的毛坯 工序 墩粗 基本工序 倒棱 滚圆 平整 辅助和修整工序 等工步 3 3自由锻 2 空心类锻件主要有圆环 齿圈 轴承环等零件的毛坯 工序 基本工序 墩粗 冲孔 扩孔或芯轴拔长辅助和修整工序 倒棱 滚圆 校正等工步3 轴杆类锻件主要有传动轴 轧辊 立柱 拉杆等零件 工序 基本工序 拔长或墩粗 拔长工步辅助和修整工序 倒棱 滚圆工步4 曲轴类锻件主要有曲轴 工序 基本工序 拔长 错移和扭转等工步辅助和修整工序 分段压痕 局部倒棱 滚圆和校正等工步 3 3自由锻 5 弯曲类锻件工序 基本工序 拔长 弯曲工步辅助和修整工序 分段压痕 滚圆和平整等工步6 复杂形状类锻件主要有阀体 叉杆 吊环体 十字轴等零件 锻造难度较大 模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内 在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法 坯料变形时 金属的流动受到模膛的限制和引导 从而获得与模膛形状一致的锻件 与自由锻相比 模锻的优点是 1 由于有模膛引导金属的流动 锻件的形状可以比较复杂 2 锻件内部的锻造流线比较完整 从而提高了零件的力学性能和使用寿命 3 锻件表面光洁 尺寸精度高 节约材料和切削加工工时 4 生产率较高 5 操作简单 易于实现机械化 6 生产批量越大成本越低 模锻的缺点 1 模锻是整体成形 摩擦阻力大 故模锻所需设备吨位大 设备费用高 2 锻模加工工艺复杂 制造周期长 费用高 故只适用于中小型锻件的成批或大批生产 如图3 13所示为典型模锻件 动画演示模锻广泛应用于国防工业和机械制造业 按质量计算模锻件在飞机上占85 坦克占70 汽车占80 机车占60 按使用设备不同 模锻可分为 锤上模锻 胎模锻 曲柄压力机上模锻 摩擦压力机上模锻 平锻机上模锻等 3 4模锻 3 4 1 锤上模锻锤上模锻即在模锻锤上的模锻 模锻锤的构造如图3 14a所示 锻模结构如图3 14b所示 由带有燕尾的上模和下模组成 模膛根据其功能不同可分为制坯模膛和模锻模膛两大类 1 制坯模膛 用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻件的模膛 又可分为 1 拔长模膛 减少坯料某部分横截面积 增加该部分长度 如图3 15a所示 2 滚压模膛 翻转操作使零件成形的模膛 如图3 15b所示 3 弯曲模膛 使坯料弯曲的模膛 如图3 15 c所示 4 切断模膛 如图3 15d所示 2 模锻模膛1 预锻模膛 为改善金属流动条件 使锻件最终成形前获得接近终锻形状的模膛 2 终锻模膛 模锻时最后成形用模膛 需有飞边槽 带冲孔连皮和飞边的锻件如图3 16所示 根据模锻件的复杂程度 可将锻模设计为单膛锻模和多膛锻模 简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模 对弯曲连杆可设计为多膛锻模 如图3 17所示 3 4模锻 3 4 2 曲柄压力机上模锻曲柄压力机的结构与传动原理如图3 18所示 吨位一般为200 1200kN 与锤上模锻比 具有下述特点 优点 1 锻造力是压力 坯料的变形速度较低 可锻造较低塑性合金 2 锻造时滑块的行程不变 每个变形工步在一次行程中即可完成 便于实现机械化和自动化 具有很高生产率 3 滑块运动精度高 并有锻件顶出装置 使模锻斜度 加工余量 锻造公差减小 锻件精度比锤上模锻高 4 振动和噪声较小 劳动条件改善 缺点 1 设备费用高 模具结构复杂 2 滑块行程和压力不能在锻造过程中调整 因此不能进行拔长 滚压等制坯 3 4模锻 3 4 3 平锻机上模锻平锻机相当于卧式的曲柄压力机 它沿水平方向对坯料施加锻造压力 其结构和原理如图3 19所示 其特点是 1 坯料都是棒料或管材 并且只进行局部 一端 加热和局部变形加工 因此可锻造立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件 平锻机上锻件如图3 20所示 2 锻模有两个分模面 锻件出模方便 可以锻出在其它设备上难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件 3 需配备对棒料局部加热的专用加热炉 4 是高效率 高质量 容易实现机械化的锻造方法 但设备结构复杂 价格贵 适用于大批量生产 3 4 4 摩擦压力机上模锻摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形能进行锻造的 属锻锤类锻压设备 其结构与传动原理如图3 21所示 摩擦压力机上模锻的特点如下 1 滑块运动速度低 可锻造低塑性合金钢和有色金属 2 承受偏心载荷能力差 仅适合单膛模锻 3 打击速度低 可采用组合模具 降低生产成本 缩短生产周期 4 滑块行程不固定 故工艺性广泛 3 4模锻 3 4 5其他模锻设备1 螺旋压力机一般适用于中 小批量生产的各种形状复杂的模锻件 尤其是适用于锻造轴对称性的锻件 2 液压机是一种用液体压力来传递能量的锻压设备 3 精压机精密模锻是在普通锻压设备上 装置具有模腔形状复杂 近于产品零件形状 尺寸精度高的锻模 直接锻造出所要求的产品零件 如图3 22所示的差速器行星锥齿轮 4 楔横轧机主要用来生产大批量的轴类锻件或预制毛坯 3 4模锻 3 5 1概述板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压 使之产生变形或分离 从而获得零件或毛坯的加工方法 板料冲压又称薄板冲压或冷冲压 1 板料冲压的特点和应用 1 在常温下加工 金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力 2 金属板料经冷变形强化 获得一定的几何形状后 结构轻巧 强度和刚度较高 3 冲压件尺寸精度高 质量稳定 互换性好 一般不需机械加工即可作零件使用 4 冲压生产操作简单 生产率高 便于实现机械化和自动化 5 可以冲压形状复杂的零件 废料少 6 冲压模具结构复杂 精度要求高 制造费用高 只适用于大批量生产 冲压工艺广泛应用于汽车 飞机 农业机械 仪表电器 轻工和日用品等工业部门 2 冲压设备 1 剪床 2 冲床 动画演示 3 5板料冲压 3 5 2板料冲压的基本工序板料冲压的基本工序按变形性质可分为分离工序和变形工序两大类 1 分离工序使坯料的一部分与另一部分分离的工序 主要有 1 冲孔和落料 冲裁 两个工序的变形过程和模具结构是一样的 冲孔是在板料上冲出孔洞 而落料是得到与孔洞同样形状的板料 如图3 23所示 1 冲裁过程分析 板料冲裁时有变形和分离两个过程 如图3 24所示 当凸模向下运动压住板料时 板料受到挤压 产生弹性变形并进而产生塑性变形 当上下刃口附近材料内的应力超过一定限度后 即开始出现裂纹 裂纹扩展 板料切离 冲裁区可分为塌角 光亮带 剪裂带和毛刺四部分 光亮带具有最好的尺寸精度和光洁的表面 其它三个区域降低冲裁件质量 这与凹凸模间隙 刃口锋利程度 模具结构 材料的性质 板料厚度等有关 3 5板料冲压 2 凸凹模间隙 间隙对冲裁件质量 冲裁力大小和模具寿命影响很大 间隙合适 上下裂纹重合 断口表面平整 毛刺小 冲裁力小 间隙太小 上下裂纹不重合 断口中部出现撕裂 毛刺也会增大 还会加速模具模损 冲裁质量很快恶化 间隙太大 材料的拉伸变形增大 塌角 毛刺 剪裂带均增大 冲裁质量恶化 3 凹凸模刃口尺寸的确定 冲裁后 冲下件的尺寸和余料的相应尺寸是不同的 二者相差数值为模具间隙的两倍 故在设计冲孔模具时 应使凸模刃口尺寸等于孔的尺寸 凹模刃口尺寸为孔的尺寸加两倍间隙值 落料模具时 凹模刃口尺寸为成品尺寸 凸模刃口尺寸为成品尺寸减去相应间隙值 模具间隙一般为板料厚度的5 10 4 冲压件的修整 利用修整模沿冲裁件的外缘或内孔 切去一薄层金属 以除去塌角 剪裂带和毛刺 提高尺寸精度和降低表面粗糙度 修整冲裁件的外形为外缘修整 修整内孔为内缘修整 如图3 25所示 3 5板料冲压 2 变形工序变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生相对位移而不破裂的工序 1 拉深 是使平面板料变为开口的中空形状零件的冲压工序 又称拉延 拉深件种类很多 大体可分为旋转件 矩形件和复杂件 如图3 26所示 对较深零件还可采用多次拉深法 如图3 27所示 1 拉深变形过程 拉深过程如图3 28所示 板料在拉深过程中的变形过程和应力分布如图所示 在凸模压力作用下 处于凸模底部的板料被压入凹模 形成筒底 在拉深过程中基本不变形 受径向和切向拉应力 拉深零件的侧壁由底部以外的环形部分变形后形成 受轴向拉应力 尚未进入凹模的环形区存在径向拉应力和切向压应力 2 拉深板料的计算 可以概略地按照拉深前后工件面积相等的原则计算 对圆筒状零件根据面积相等有 3 5板料冲压 3 拉深系数与拉深次数 拉深系数 板料拉深时的变形程度 即拉深后的工件直径与板料直径或半成品直径之比 拉深系数越小 生产率越高 拉深应力越大 能保证拉深过程正常进行的最小拉深系数 称为极限拉深系数 它与材料的内部组织 力学性能 板料相对厚度 冲模的圆角半径 间隙值及润滑条件有关 对不能一次拉制成形的可多次拉深 拉深系数可取大些 4 拉深废品及缺陷 拉深过程中 环状变形区的切向压力很大 当毛坯中多余三角形不能顺利变厚及沿高度方向伸长时 易使板料出现皱折 严重时导致坯料拉穿 如图3 29所示 预防措施 1 拉深模具的工作部分 应加工成合理的圆角 2 控制凸模和凹模之间的间隙 3 合理的拉深系数 4 为减少由于摩擦引起的拉深件内应力的增加及减少模具磨损 应涂润滑剂 5 为防止皱折 通常用压边圈将工件压住 但压力应适中 3 5板料冲压 2 弯曲 弯曲是将平直板料弯成一定角度和圆弧的工序 如图3 30所示变形区外层金属受切向拉应力作用 发生伸长变形 内层金属受切向压应力作用 产生压缩变形 在这两个应力 应变区之间存在一个不产生应力和应变的中性层 位置在板料的中心部位 弯曲变形区的外表层存在最大的切向拉应力和最大的伸长变形 是最危险的部位 如果最大拉应力超过材料的强度极限 则会造成板料破裂 最大拉应力与弯曲半径 板料厚度 材料性能有关 弯曲时应使实际弯曲半径大于材料允许的最小半径 并使拉应力方向和锻造流线方向一致 如图3 31所示 弹复 回弹 塑性弯曲使板料产生弹性变形和塑性变形 当外载荷去除后 弹性变形部分恢复 从而使板料产生与弯曲方向相反的变形 如图3 32所示 弹复现象会影响弯曲件的尺寸精度 材料的屈服强度越高 弹复角越大 弯曲半径越大 弹性变形所占比例越大 弹复角越大 弯曲半径不变时 弯曲角越大 弹复角越大 3 5板料冲压 克服弹复现象的措施有 1 增大凸模压下量 或适当改变模具尺寸 使弹复后达到零件要求 2 改变弯曲时的应力状态 把弹复现象限制在最小范围内 3 翻边 是使平板坯料上的孔或外圆获得内 外凸缘的变形工序 如图3 33所示 4 成形 利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序 如压肋 收口 胀形等 如图3 34所示为橡皮压肋和橡皮胀形 3 5板料冲压 在设计锻压件结构和形状时 除满足使用性能要求外 还应考虑锻压设备和工具的特点 良好的锻压件结构工艺性应以结构合理 锻造方便 减少材料和工时的消耗和提高生产率为目的加以确定 3 6锻压件结构设计 返回文档 图3 2单晶体的塑性变形 a 未变形前b 弹性变形c 弹 塑性变形d 塑性变形后 返回文档 图3 3位错运动形成滑移的示意图 返回文档 图3 4很多晶面滑移组成滑移带 返回文档 图3 5多晶体塑性变形示意图 a 变形前b 变形后 返回文档 图3 6多晶体晶粒位向与受力变形关系示意图 返回文档 图3 7常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响 返回文档 图3 8变形速度对塑性及变形抗力的影响1 变形抗力曲线2 塑性变化曲线 返回文档 图3 9不同变形方式时的应力状态 a 挤压b 拉拔c 自由锻 返回文档 图3 10空气锤 返回文档 图3 11双柱拱式蒸汽 空气自由锻锤 1 工作气缸2 落下部分3 机架4 砧座5 操作手柄6 滑阀7 进气管8 滑阀气缸9 活塞10 锤杆11 排气管 返回文档 图3 12自由锻水压机本体结构 1 工作缸2 工作柱塞3 上横梁4 活动横梁5 立柱6 下横梁7 回程缸8 回程柱塞9 回程横梁10 拉杆11 上砧12 下砧 返回文档 图3 13典型模锻件 返回文档 图3 14a模锻锤 图3 14b锤上锻模 1 锤头2 上模3 飞边槽4 下模5 模垫6 7 10 楔铁8 分模面9 模膛 返回文档 图3 15b滚压模膛 图3 15a拔长模膛 a 开式b 闭式 a 开式b 闭式 返回