材料成型技术范文

材料成型技术范文材料成型技术范文 1 1材料成形技术过程形态学模形简介一制造技术的主要研究内容制造 技术是以 设计 为中心的产品技术和以 工艺 为核心的过程技 术构成的两部分 过程技术的含义涵盖了把物化前的产品设计和构思制造成物化的具 体产品的全过程 因而过程技术不只是车 铣 刨 磨 铸 锻 焊 热处理等工艺技术 更包含了装配技术 工具技术 仪表测量 技术 生产组织技术 生产控制技术以及整个生产过程的构思 规 划和设计 过程技术的概念完善和推广了 工艺技术 的内涵 符合机械制造 业在新时期竞争要素发展的规律 有利于指导企业适应市场经济的 主体行为 本课程主要讲述过程技术中的液态成形 固态成形 固态连接 粉 末冶金 非金属材料成形及模具 二过程形态学的研究方法 一 过程形态学模形任何一种机械产品 产生性能变化 都是材料 能量 信息三个基本要素方面的变化 由于加工的主要目的不同 材料成形过程可能是加工工件材料加工 过程 能量转化过程 信息变化过程的某种组合 这就是机械工程材料加工的一般过程模形如图1 1所示 图1 1材料的过程模型1材料过程材料过程的三种主要形式贯通过程 对应于质量不变过程 发散过程 对应于质量减少过程 收敛过 程 对应于质量增加过程 包括装配或连接过程 2能量过程为了实 现材料过程必须通过传递媒体向加工工件材料提供能量 材料过程 和能量过程应综合考虑 配套选择 能量过程系统一般分为模具系统 或工具系统 与设备系统 模具 系统就是主要描述能量是如何加于加工工件材料的传递媒体 而设 备系统为描述设备提供的能量特点和所用能量的种类 如图1 2所示 3信息过程信息过程可以分为形状信息过程和性能信息过程 产品最终形状信息看成为加工工件材料初始形状信息与制造过程中 所施加的形状变化信息之和 对于某一给定的基本过程 加工工件材料所要求的集合形状 取决 于传递媒体与加工工件材料外形的相互作用 以及传递媒体和被加 工材料的运动方式例如外形形成的基本过程有四种可能 如图1 3所 示 a 自由成形b 二维成形c 一维成形d 整体成形图1 2机械基本过程图 1 3固体材料质量不变过程的信息传递1 2现代制造过程分类从机械工程材料的角度来分过程大体分为三类即 质量不变过程 质量减少过程 质量增加过程 一 质量不变过程加工材料在过程出始时的质量等于或近似等于 加工材料在过程结束时的最终质量 也就是说 材料在一定的受控 条件下改变了几何形状 材料的状态有固态和液态 质量不变过程主要包含三种成形方法锻造 滚轧 粉末压实 铸造 如图1 4所示 图1 4质量不变过程 二 质量减少过程质量减少过程的特点是零件 最终的几何形状局限在材料的初始几何形状内 形状改变是通过去除一部分材料形成的 质量减少过程仅涉及固体材料 主要有四种方法 1 第一种基本材料去除方法 包括所有常见的切削过程 一般为二 维成形 它主要有基本过程是通过加工材料与传递媒体刀具间的相对运动产 生材料分离 2 第二种基本材料去除方法 所需的能量和信息是通过固态颗粒 液态或气态介质传递的 一般为一维成形 主要有磨料切割 喷液切割 热力切割与激光切割等 3 第三种基本材料去除方法是通过刚性传递媒体传递信息 刚性传递媒体 工具 不与加工材料直接接触 因为基本过程所需 要的液态媒体 含固态微粒 充满工具与加工材料之间的间隙 如超声波加工 电火花加工和电解加工 4 第四种基本材料去除方法传递媒体机械断裂过程 刀具 模具 是刚性传递媒体 如落料 冲孔 剪切等 三 质量增加过程质量增加过程的特点是加工材料在过程开始的 质量比过程结束时的最终质量有所增加 如渗碳 渗氮 氰化处理 气相沉积 喷途 电镀 刷镀等表面处 理 零件装配 焊接 粘接以及使以及使用紧固件 还有快速原形 技术等 概述液态材料成形技术通常称为铸造 是材料成形技术之一 铸造成形技术几乎能用所有金属材料制造极为复杂的零件 主要担 负着毛坯成形及改性的功能 将原材料加工成尽量接近产品 零件 最终形状尺寸 并保证其组织 性能符合要求 安全可靠 铸造具有投资小 技术过程灵活性大和生产周期短等优点 而被广 泛应用于机械制造 矿山冶金 交通运输 石化通用设备 农业技 术 能源 轻工纺织 土建工程 电力电子 航天航空 国防军工 等领域 铸造成形也会带来某些缺陷 如铸造内部组织疏松 晶粒粗大 易 产生缩孔 缩松 气孔等缺陷 而外部易产生粘砂 夹砂 砂眼等 缺陷 由此 铸件力学性能低 特别是冲击韧性 比同样材料锻件的力学 性能低 正如铸件工序多 且难以精确控制 使得铸件品质不够稳定 铸造成形技术的方法很多 按生产方法分为砂形铸造和特种铸造 按冶金分类可分为铸铁 铸钢 铝合金 铜合金 镁合金 钛合金 2 1铸造成形技术过程特征及理论基础一液态金属的充形能力1液态金 属的充形能力与流动性 1 液态金属充满铸形形腔 获得形状完整 轮廓清晰的铸件的能 力 称为液态金属冲填铸形的能力 简称液态金属的充形能力 实践证明 同一种金属用不同铸造方法 所能铸造成形的铸件最小 壁厚不同 同样的铸造方法 不同的金属 所能得到的最小壁厚也 不同 因此 液态金属的充形能力主要取决于金属自身的流动性 还受外 部条件 如铸件性质 浇注条件 铸件结构等因素的影响 是各种 因素的综合放映 2 液态金属自身的流动能力称为 流动性 是金属的液态铸造 成形的性能之一 与金属的成分 温度 杂质含量及其物理性质有 关 金属的流动性通常用浇注螺旋形式样来衡量 由于影响液态金属充形能力的因素较多 很难对各种金属在不同的 铸造条件下的充形能力进行比较 因此尽管液态金属的充形能力与流动性是两个不同的概念 但通常 采用在相同条件下所测得的金属流动性来表示金属的充形能力 2影响液态金属充形能力的因素影响因素主要有四个方面 1 金属的性质包括金属的种类 成分 结晶特性及其他物理性能 等 决定金属自身的流动能力 流动性 2 铸形性质铸形的阻力影响金属液态的充形速度 铸形与金属的 热交换强度影响金属液保持流动的时间 铸形蓄热系数大 铸形的激冷能力就越强 充形能力下降 3 浇注条件浇注温度对液态金属的充形能力有决定性的影响 温 度越高 充形能力越好 浇注系统结构越复杂 流动阻力越大 液 态金属充形能力越低 液态金属在流动方向上所受压力越大 充形 能力就越好 4 铸件结构衡量铸件结构的因素是铸件的折算厚度R R 铸件体积 铸件散热表面积 V S 和复杂程度 如果铸件体积相同 在同样的浇注条件下 R大的铸件 由于与铸形 的接触表面积相对较小 热量散失比较缓慢 则充形能力较高 铸件的壁薄 R越小 则充形能力较弱 二铸件的收缩1收缩的基本概念铸件在液态 凝固和固态下继续冷却 过程中所产生的体积减小现象称为收缩 收缩是铸件的许多缺陷 如缩孔 缩松 热烈 应力变形和冷裂产 生的基本概念 为衡量铸件的收缩有两个指标 1 体积收缩率 2 线收缩率 液态金属浇入铸形后 从浇注温度冷却到保温都经 历了三个互相关联的收缩阶段 1 液态收缩阶段金属体积收缩表现为形腔内液面的降低 2 凝固收缩阶段取决于结晶温度范围 液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因 3 固态收缩阶段通常表现为铸件外形尺寸的减少 一般用线收缩 率表示 它对铸件的形状和尺寸精度很大 也是铸件产生应力 变形和裂纹 等缺陷的基本原因 金属的总体收缩为上述三个阶段收缩之和 2铸件的实际收缩前面所说的收缩为自由收缩 它只考虑了金属自身 的成分 温度和相变的影响 实际铸件是受阻收缩 它还受到以下 几种阻力 1 铸形表面的摩擦阻力 2 热阻力 铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力 3 机械阻力 铸件收缩时 受到铸形和形芯的阻力 因此 生产中采用的收缩率是铸造收缩率 或称铸件线收缩率 是 包括了各种阻力在内的实际收缩率 3铸件的缩孔和缩松液态金属在凝固过程中 由于液态收缩和凝固收 缩 往往在铸件最后凝固的部位出现大而集中的孔洞 称缩孔 细 小而分散的孔洞称为分散性缩孔 简称缩松 1 缩孔形成的基本条件是金属在恒温或很窄的温度范围内结晶 铸件由表及里逐层凝固 动画演示 2 缩松形成的基本原因是金属的液态收缩和凝固收缩大于固态收 缩 基本条件是金属的结晶温度范围较宽 呈体积凝固方式 也称为糊 状凝固方式 动画演示 3 影响缩孔 缩松形成因素1 金属的成分 2 浇注条件和铸形 性质 3 补缩压力和铸件结构 动画演示 4 缩孔 缩松的防止方法1 控制凝固方式 2 内浇口位置 3 冒口 补贴和冷铁 三铸造热力铸件在凝固和随后的冷却过程中 收缩受到阻碍而引起的内应力 称为铸造应力 阻碍按形成的原因不同 铸造应力也就相应分为热应力 相变应力 和机械阻碍应力 1热应力热应力是由于铸件壁厚不均 各部分冷却速度不同 收缩量 不同而产生的热阻碍所产生的 落砂清理后热应力仍存在于铸件内 是一种残余铸造应力 2相变应力铸件冷却过程中 有的合金要经历固态相变 比容发生变 化 当铸件各部位温度不同时 固态相变不同时发生 新旧两相的比容 差越大 相变应力越大 3机械阻碍应力铸件在冷却过程中因收缩受到箱带 形芯 浇注系统 和冒口等的机械阻碍而产生的应力为机械阻碍应力 4铸造应力对铸件质量的影响 1 易使铸件产生变形 2 冷裂 冷裂是铸件在低温时形成的裂纹 脆性大 塑性差的金属 如白口铸铁 高碳钢及某些合金钢铸件易 产生冷裂 大形复杂铸件也易形成冷裂纹 防止的方法是尽量减小铸造应力 四金属的吸气性金属在熔炼过程中溶解气体 在浇注过程中因浇包 未烘干 铸形浇注系统设计不当 铸形透气性差以及浇注速度控制 不当 或形腔内气体不能及时排出 都会使气体进入金属液 增加 金属中气体的含量 这就构成了金属的吸气性1金属液吸收气体的过 程1 气体分子撞击到金属液表面 2 在高温金属液表面上气体分 子理解为原子状态3 气体原子根据与金属元素之间的亲和力大小 以物理吸附方式或化学吸附方式吸附在金属表面 4 气体原子根据 扩散进入金属液内部 前三个过程是吸附过程 最后一个是扩散过 程 金属液温度越高 以达到饱和浓度以前 气体与金属接触时间越长 吸收气体就越多 一直达到该状态下饱和浓度为止 2气体在金属液中的溶解度在一定温度和压力条件下 金属吸收气体 的饱和浓度 称为该条件下气体的溶解度 常用每100克金属含有的气体在标准状态下的体积来表示 有时也用 溶解气体对金属的质量分数来表示 影响气体在金属液中的溶解度的因素是温度金属化学成分和气体在 金属液面上的平衡分压 如温度对气体在金属中溶解度的影响是随温度增高而增大 3气体的析出与气孔溶解于金属液中的气体 随温度下降则不断析出 1 气体以原子态扩散到金属表面 然后脱离吸附 这要在非常缓慢条件下才能充分进行 在实际生产条件下往往难于 实现 2 与金属内某些元素形成化合物 以非金属夹杂物形式排除 3 以气泡形式从金属液中逸出 当铸件表面已凝固 气泡来不及排出而保留 致使铸件产生析出性 气孔 4 气体对铸件品质的影响气孔不仅会减少铸件的有效截面积 而且 能使局部造成应力集中 成为零件断裂的裂纹源 尤其是形状不规 则的气孔 如裂纹状气孔和尖角形气孔不仅增加缺口的敏感性 使 金属强度下降 而且会降低零件的疲劳强度 五铸件的化学成分偏析铸件的凝固后 截面上不同部位 以在晶粒 内部 产生化学成分不均匀的现象 称为偏析 偏析 主要是由于合金在结晶过程中溶质再分配的结果 晶体在生产过程中 由于结晶速度大于溶质的扩散速度 使得初次 析出的固相与液相的浓度不同 先析出的晶体与后析出的晶体的化 学成分也不同 甚至同一个晶粒内先结晶出来的部分和后结晶出来 的部分也有差异 这样就形成了铸件各部分化学成分的不均匀性 偏析可大体分为两大类微观偏析和宏观偏析 微观偏析指微小范围内的化学成分不均匀现象 一般在一个晶粒尺 寸范围左右 包括晶内偏析和晶界偏析 宏观偏析也称为区域 其成分不均匀现象表面在较大的尺寸范围 主要包括正偏析和逆偏析 实际上铸件在凝固时 由于合金的类形不同 冷却条件的差异 等 轴晶的产生 结晶游离的存在 使铸件断面成分变的极为复杂 因 此对具体的铸件应做具体分析 2 2铸件的结构设计及几何形状特征在铸件成形技术中 铸件的结构设 计及几何形状是否合理 对铸件零件的品质 生产率及成本有较大 影响 应尽量符合液态金属铸造性能的需求 以避免出现如浇不足 冷隔 缩孔 缩松 变形 裂纹 气孔和偏析等缺陷 以及尽量使生产 技术中的制模 造形 制芯 合形和清理等环节简化 省时 省工 省材 提高尺寸精度和形状精度 防止废品产生 一铸件结构设计的一般原则二铸件的结构要素设计1铸件的最小壁厚 2铸件的临界壁厚由于厚壁铸件易产生缩孔 缩松 晶粒粗大 偏析 等缺陷 从而使铸件的力学性能下降 这对于各种铸件合金来说均存在一个临界壁厚 如果铸件壁厚超过 临界壁厚 铸件的承载能力并不按比例的随着铸件厚度的增加而增 加 而是显著的下降 所以 设计厚大件时 要避免以增加壁厚来 提高强度 砂形铸件各种铸造合金铸件的临界壁厚可按其最小壁厚的3倍来考虑 3铸件的内壁厚度砂形铸造时 散热条件差的铸件内壁 即使内壁厚 度与外壁厚度相等由于它的凝固速度比外壁慢 力学性能往往比外 壁的要低 同时在铸件过程中易在内壁 外壁交接处产生热应力致使铸件产生 裂纹 对于凝固收缩大的铸件内壁厚度小于外壁厚度 4铸件壁的过渡和连接图2 15铸件壁的连接示意图5肋为了增加铸件的力学性能和减轻铸件的质 量消除缩孔和防止裂纹 变形 夹砂等铸件结构设计中大量采用肋 6铸造斜度作加工面上的铸件壁的内 外两侧 沿起模方向应设计适 当的斜度 即结构斜度 三适宜铸造技术的铸件结构设计及几何形状特征铸件结构和几何形 状特征不仅应有利于保证铸件品质 而且应考虑模形制造 造形 制芯 合形和清理等操作方便 以利简化液态铸造成形技术过程 稳定产品品质 提高生产率和降低成本 四适宜铸造合金性能的铸件结构设计几何形状特征2 3金属的熔炼 自学 2 4浇注与冷凝 自学 2 5铸造成形技术过程在铸造成形技术过程中 近些年来有各种新的铸 形材料和造形方法不断问世并获得较大发展 单以黏土啥为主要铸 形材料的普通砂形铸造在铸造生产中仍然居主导位置 它是一种应用于广泛而重要的铸造技术方法 世界各国使用砂形铸造生产的铸件约占铸件总产量的80 90 它的特点是适应性大 技术灵活性大 不受零件的形状 大小复杂 程度及合金种类的限制 生产准备较简单 但生产的铸件其尺寸精度较差及表面粗糙度高铸 件内部品质也较低 所以在砂形铸造的基础上 通过改变铸形的材 料 浇注方法 液态金属充形的形式或铸件凝固条件等因素 又形 成了多种铸造成形过程有别于砂形铸造的技术方法 特种铸造 它包括熔模铸造 金属形铸造 压力铸造 离心铸造 低压铸造 实形铸造等 特种铸造的特点铸件的尺寸精度较高 表面粗糙度低 在生产一些 结构特殊的铸件时 具有较高的技术经济指标 生产过程易与实现 机械化 自动化 适用于大批大量生产 各种铸造方法的应用范围一砂形铸造以形砂为主要造形造形材料制 备铸形的铸造技术方法叫砂形铸造 常用的砂形有湿形 干形 表面干形和各种化学自硬砂 二特种铸造技术方法1熔模铸造也叫失蜡铸造 精密铸造 主要由蜡模铸造 铸形形壳的制取 金属浇注 铸件清理四个主要 过程组成 蜡料50 50 硬蜡酸动画演示2金属形铸造金属形铸造又称硬模铸造 永久形铸造 其铸形是采用金属材料制成的 动画演示3压力铸造压力铸造是液态或半液态金属在高压作用下以较 高的速度充填压铸形形腔 并在压力作用下结晶凝固而获得铸件的 铸造方法 常用的压射力为几十至几百个大气压 充填速度为0 5 50m s 动画演示4离心铸造离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸件中 使金 属液在离心力的作用下充填铸形结晶凝固而获得铸件的一种铸造方 法 离心铸造特点液态金属中的气体 非金属夹杂物在离心力作用下 密度较小而集中在铸件内表面 铸件凝固由表及里顺序凝固 其组织细密 气孔 缩孔 夹渣等缺 陷少 力学性能较好 动画演示5磁形 实形铸造利用聚苯乙烯泡沫塑料制成带有浇注系统 的模形 6陶瓷形铸造造形过程原理图7低压铸造低压铸造是将保温炉中的液 态金属在0 02 0 07MPa的气体压力作用下通过升液管由下而上的充填铸形形腔 并 在压力下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法 铸件在一定压力下 自上而下顺序凝固 系统补缩效果好 组织细 密 力学性能好 铸件成形性好 轮廓清晰 表面光洁 主要适用与有色合金铸造 另外还有挤压铸造连铸等 分形面选择假箱造形三箱造形挖沙造形活块造形3 1概述一基本问题 塑性成形是利用金属的塑性 在外力作用下使金 属发生塑性变形 从而获得所需形状和性能的工件的一种加工方法 因此 又称为塑 性加工或压力加工 金属成形过程通过改变固态金属原有的形状和尺寸而得到所需的形 状和尺寸 因而金属成形过程的成形原理属质量不变的 固态成形 任何固态材料态身都具有一定的形状和大小 固态成形就是要改变固体原有的形状和大小 从而获得预期的形状 和尺寸 根据加工时金属受力和变形特点的不同塑性成形可分为体积成形和 板料成形 前者的典形加工方法有锻造 轧制 挤压和拉拔等 后者则有冲裁 弯曲 拉延和成形 在生产实际中 这些加工方法可单独使用 亦可组合使用 并通过 各种加工方法相互渗透和合理组合 开发出许多新的塑性成形方法 使塑性成形的应用范围进一步扩大 塑性成形属质量不变过程 材料状态一般为固态 主要的基本过程 为机械过程 塑性变形 能源类形主要是电能 能量传递介质一般为钢性介质 工模具 形状信息由工模具 含有一定的形状信息量 和工模具与 加工材料的相对运动共同产生 性能信息材料自身性质和成形过程 中的转变特性 这样 尽管塑性成形方法多种多样 所要产生的零件或零件毛坯五 花八门 都可以从上述共同性特征中引伸出一些基本问题 1材料的塑性是塑性成形的前提条件 塑性好意味着材料对塑性成形 的适应能力强 如果材料没有塑性 则塑性成形就无从谈起 研究材料塑性变形的物理本质和机理 不同变形条件下 材料的塑 性行为和抗力行为 以及塑性变形所引起的组织性能的变化等就很 有必要 2塑性成形需要输入能量 即对加工材料施加外力和做功 只有对所 需成形的力和功的大小做出准确评价 才能正确选用加工设备和设 计成形模具 并通过对成形力的影响因素的分析 可为减小成形力 和节约能耗提供科学依据求解所需的成形力 从根本上说就是确定 工件内部的应力场 因为应力场的确定 自然包括与工模具接触表 面处应力分布的确定 进而就可求的成形力及模壁的压力分布 此外 应力场的确定 对于分析工件内部裂纹的产生和空洞的愈合 等也是必不可少的 3材料受到外力的作用而发生塑性流动时 其内部即存在位移场 应 变场 这些物理场变量的确定 一方面可以用来分析材料的瞬时流 动状态和形状尺寸的变化规律 为合理选择原毛坯 设计中间毛坯 及模具形腔形状提供科学依据 另一方面可以分析工件的内部性能 如硬度分布 纤维组织的形成 碳化物和非金属夹杂物的破碎和 再结晶晶粒度的变化等 将应力场与应变场相配合 再利用必要的判椐则可进一步预测工件 内部产生的缺陷 从而为控制产品质量提供理论依据 为确定应力场 位移场就需要研究塑性成形力学的基本方程和求解 方法等 4塑性成形需要输入形状信息 这些信息由含有形状信息量的工模具 和工模具与加工材料的相对运动共同产生 对于给定的塑性成形件 采用什么工艺方法 形状信息分几个阶段 输入 与其相应的模具结构和形状参数如何确定 设备系统如何选 择和控制等 都将是十分重要的 也是塑性成形需要研究的基本问题 二发展概况3 2金属塑性成形过程的理论基础虽然塑性成形方法多样 且具有各自 的个性特点 但他们都涉及一些共同性的问题 主要有塑性变形的 物理本质和机理 塑性变形过程中金属的塑性行为 抗力行为和组 织性能变化规律 变形体内部的应力 应变分布和质点流动规律 所需变形力和变形功的合理评估等 研究和掌握这些共性问题 对于保证塑性加工顺利进行和推动工艺的 进步均具有重要的理论指导意义 一金属塑性变形的能力塑性变形的能力又叫金属的可锻性 可锻性常用金属的塑性指标 延伸系数和锻面收缩率 和变形抗力 来衡量 金属可锻性的优劣受金属本身性质和变形加工条件的综合影响 1金属的本身的性质 1 化学成分的影响 2 内部组织的影响2变形的加工条件 1 变形的温度影响 2 变形速度 3 应力状态的影响压应力数目越多 塑性越好 拉应力数目多 塑性差 二金属塑性变形的基本规律1体积不变定理也叫质量不变定理 在每一工序中 坯料一个方向尺寸减 必然在其它方向尺寸有所增 加 2最小阻力定律金属在塑性变形过程中 其质点都将沿着阻力最小的 方向移动 成为最小阻力定律 金属有可能向各个方向变形时 则最大的变形向着大多数质点遇到 的最小阻力的方向 3 3锻造方法一锻造1锻造成形方法分类及工艺流程1 锻造成形方法分 类在加压设备及工模具的作用下通过金属体积的转移和分配来获得 机器零件或毛坯的塑性成形方法称为锻造 锻造多在热态下进行 故也常成为热锻 按所用工具 锻造可分为自由锻和模锻 使用自由锻设备及通用工具 如砧子 形砧 胎模等 使坯料变形 获得所需几何形状及内部质量锻件的锻造方法称为自由锻 其基本工序有镦粗 拔长 冲孔和错移等 利用模具使坯料变形获得锻件的锻造方法称为模锻按采用设备的不 同 模锻可分为锤上模锻和压力机上模锻 模锻还有开式模锻和闭式模锻 普通模锻和精密模锻之分 锤上模锻包括制坯预锻和终锻等工序 而制坯工序又可分为镦粗 拔长 滚挤 弯曲 长压和成形等 2 锻造工艺流程不同类形的锻件锻造工艺流程是不一样的 同一锻件 使用不同设备时 工艺流程也往往有所不同 以模锻为例 其锻造工艺流程是下料 加热 模锻 切边 冲孔热 校正 热处理 清理 冷校正和检验 其中模锻是基本工序 2自由锻基本工序及其主要工艺参数 1 镦粗镦粗是使毛坯高减少 截面增大的工序 镦粗工序主要用于锻制齿轮 法兰等饼类锻件 动画演示 2 拔长是使毛坯横截面减小 长度增加的工序 该工序主要用于制造轴类锻件或为后道工序制坯 动画演示 3 其它工序芯轴拔长 马架扩孔 错移和冲孔等几种常见自由锻 基本工序 二挤压3模锻变形工步及模锻变形特点 1 模锻变形工步模锻时 坯料在锻模的一系列模膛中变形 坯料 在每一模膛中的变形过程称为模锻工步 工步的名称和所用的模膛名称一致 例如 拔长工步所用的模膛叫拔长模膛 根据锻件形状的不同 锻件可分为饼类锻件和轴类锻件 在锻造过程中 饼类锻件的轴线与打击方向平行 而轴类锻件的轴 线与打击方向垂直 在模锻过程中 模锻工步根据其作用的不同可分为制坯工步 模锻 工步和切断工步三类 a制坯工步 制坯工步的作用是改变原毛坯的形状合理的分配材料以适应锻件横 截面的要求 使金属能较好的充满模膛 饼类锻件的制坯工步只有镦粗工步 用于减小坯料高度和减少终锻 形槽的磨损 轴类锻件的制坯工步有卡压 滚挤 拔长 弯曲 成形及压扁工步 其中前三种工步主要用于使材料沿轴线重新分配 弯曲和成形工步用于使坯料轴线形状符合锻件在分模面上的形状 压扁工步用于使坯料水平尺寸增大 以减小坯料在模锻形槽中的变 形程度 b模锻工步 模锻工步包括预锻工步和终锻工步 其作用是使坯料形成最终锻件 所要求的形状和尺寸 每类锻件都需要终锻工步 而预锻工步则应 根据具体情况来决定其取舍 预锻工步主要用于减小金属对终锻形槽的磨损 模锻件容易产生折迭和不易充满时常采用预锻工步 c切断工步 切断工步常用于多件模锻 其作用是将带毛边的锻件从棒料上分离 或切断夹钳部位的料头 2 锤上模锻的变形特点模锻过程可分为三个阶段第一阶段为镦挤 阶段 在此阶段一部分金属挤入模腔中的凹槽 而另一部分金属镦 粗向外侧流动 第二阶段为充填阶段 在此阶段坯料与模壁接触 部分金属通过飞边桥部向外流动 由于模膛侧壁阻力和飞边桥部摩擦阻力的作用 使分流层位置外移 迫使金属挤入模腔凹槽充满模膛 第三阶段为打靠阶段 在此阶 段多余金属流入飞边仓部 上下模打靠 与自由锻造不同的是 模锻的变形可以通过模具提供材料成形的尺 寸变化信息来控制金属的流动方向 3 压力机上模锻的变形特点锤上模锻时 金属沿高度方向的流动 和充填能力较强 而压力机上模锻时 金属沿水平方向的流动强烈 锤上模锻时 设备工作速度高 金属流动速度快 这将使摩擦系数 降低 金属的惯性和变形的热效应作用突出 对靠挤入方式成形的 锻件有利 在压力机上模锻时 由于滑块工作速度低 惯性作用不 明显 对主要靠挤入方式成形的锻件 应采用多模膛模锻使坯料逐 步成形 压力机上模锻具有静压力特征 金属在模膛内流动缓慢 这对变形 速度敏感的低塑性合金材料的成形十分有利 此外 由于金属变形在滑块一次行程中完成 坯料内外层几乎同时 变形 因此 变形深透均匀 流线分布连续 锻件各处力学性能一 致性较好 这有利于提高锻件的内部质量 锻件尺寸精度也高 1挤压成形方法及其分类坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用 从模具的孔口或缝隙挤出 使之横截面积减少 形成所需要制品 的加工方法称为挤压 按成形温度 挤压分为热挤压 温挤压和冷挤压三类 其中 热挤压主要用于大形钢锭 以获得具有相当长度的棒材或各 种形材的半成品 温挤压和冷挤压则主要用于小形坯料 可获得成 品零件或只需进行少量机加工的半成品 根据金属流动方向与凸模运动方向的关系 挤压成形还可分为正挤 压 反挤压和复合挤压 金属流动方向与凸模运动方向相同的变形方式称为正挤压 金属流 动方向与凸模运动方向相反的变形方式称为反挤压 一部分金属流 动方向与凸模运动方向相同 另一部金属流动方向与凸模运动方向 相反的变形称为复合挤压 正挤压反挤压复合挤压2挤压坯料的软化处理和润滑挤压成形时 单 位压力和摩擦阻力都很大 因此 坯料的软化处理和良好的润滑在挤压成形中占有非常重要的 位置 对冷挤压而言 为达到充分软化的目的 毛坯必须进行退火处理 需要进行多次挤压的工件 一般要在各道挤压工序之间进行中间退 火 对于有色金属 如铝合金和黄铜等 要求退火软化后的硬度控制在7 0HBS以下 低碳钢则为110 130HBS在挤压成形中 良好的润滑可以降低模具与变形金属之间的 摩擦力和挤压变形力 减少模具的磨损 延长模具的使用寿命 钢的冷挤压主要采用磷化 皂化处理 硬铝则广泛采用氧化处理和涂覆硬脂酸锌粉末的润滑方 法 3 4板料成形方法板料成形是指使用成形设备通过模具对金属板料在室 温下加压以获得所需形状和尺寸零件的成形方法 习惯上也称为冲 压或冷挤压 板料成形可分为分离工序与成形工序 分离工序俗称冲裁 包括落料 冲孔 修边等 成形工序包括弯曲 拉深 胀形 翻边等 加工的金属板料厚度一般都在6mm以下 一冲裁冲裁过程用于生产有孔的 形状简单的薄板件以及作为成形 过程的先进工序或为成形过程制备坯料 除金属薄板外 还可是非金属板料 冲裁过程所得到的制品精度较好通常不需切加工 表面品质与原材 料相同 所用设备为机械压应力 动画演示1冲裁加工特点 1 冲裁加工冲裁包括弹性变形 塑性变形和锻件分离三个阶段 当凸模与板料接触时 板料首先产生弹性变形并弯曲 随后 刃口附近材料屈服并产生滑移变形 随刃口的切入 塑性变 形区延之整个料厚 加工继续进行 当材料变形达到极限时 便产生裂纹 裂纹产生后 沿最大切应变速率方向扩展直至上下裂纹会合 板料最后分离 2 冲裁工艺参数在冲裁加工时 板料的变形区集中在凸模与凹模 刃口连线为中心的狭窄区域内 凸模与凹模间隙的微小变化对变形区的大小及变形区内材料所受应 力状态都有很大影响 因此 冲裁是冲裁工艺计算及模具设计中最主要的工艺参数 薄 软件材料 要求模具寿命长时取大值 经验公式z ms二板料成形成形过程是使坯料发生塑性变形而成一定 形状和尺寸的工件 动画演示1拉深拉深是将平板板料放在凹模上 冲头推压金属料通过 凹模形成杯形工件的过程 过程特点一维成形 拉伸应力状态 一般可获得较好的精度和拉近原材料的表面品质 材料要求具有足够的塑性 如果变形较大 工件进行中间退火 机械设备广泛使用的是液压机 也可使用机械压力机 应用冷拉深广泛用于生产各种壳 柱状 棱柱状杯等 热拉深长用 于生产厚壁筒形件 如氧气瓶 炮弹壳 桶盖等 拉深系数工件直径与坯料直径之比叫拉深系数 它们的倒数叫拉深 比 用这两个指标来反映拉深变形程度 在生产中M或R是进行工艺计算和模具设计的最主要参数 拉深用的模具构造与冲裁模相似 主要区别在于工作部分凸模与凹 模的间隙不同 而且拉深的凸凹模上没有锋利的刃口 2弯曲与卷边弯曲是用模具把金属坯料弯折成所需形状的过程 可在各类机械或液压压力机上进行 动画演示3翻边 4成形 收口 5滚弯 利用板料制造各种冲压产品 零件时 各种过程的选择 过程顺序的按排和各过程应用次数 都 是以产品零件的形状和尺寸及每道工序中材料所允许的变形程度为 依据 形状比较复杂或特殊的零件 往往要用几个基本过程多次冲压才能 完成 变形过程较大时 要进行中间退火 三冲模得分类及构造冲模是板料成形生产中必不可少的模具 冲模 结构是否合理对冲压生产的效率和模具寿命等都具有很大影响 冲模按基本构造可分为简单模 连续模 复合模 1简单模简单模是指在曲柄压力机的一次行程中只能完成一个过程得 冲模 2连续模把两个以上冲压工序安排在一块模板上 冲压设备在一次行 程内可完成两个或两个以上冲压工序的冲模也叫极进模 3复合模在冲压设备的一次行程中 在模具同一部位同时完成数道冲 压工序的冲模 四板料冲压件结构技术特征 自学 3 5其他塑性成形简介1挤压成形2辊轧成形3超塑性成形4摆辗4 1粉末 压制成形过程粉末压制 这里主要指粉末冶金 是用金属粉末 或者金 属和非金属粉末的混合物 做原料 经压制成形后烧结而制造各种类 形的零件和产品的方法 颗粒状材料兼有液体和固体的双重特性 即整体具有一定的流动性 和每个颗粒本身的塑性 人们正是利用这特性来实现粉末的成形 以获得所需的产品 粉末压制的特点1 能够生产出其他方法不能或很难制造的制品 可制取像难熔 极硬和特殊性能的材料 2 材料的利用率很高 接 近100 3 虽然用其他方法也可以制造 但用粉末冶金法更为经济 4 一般说来 金属粉末的价格较高 粉末冶金的设备和模具投资较 大 零件几何形状受一定限制 因此粉末冶金适宜于大批量生产的 零件 粉末压制生产技术流程如下4 1 1金属粉末的制取及其特性 1 金属粉末的制取金属粉末的生产有多种方法 其中主要有矿物还 原法 雾化法 机械粉碎法等 1 矿物还原法制取粉末矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被 还原后 得到一定形状和大小的金属料 然后将金属料经粉碎等处 理以获得粉末 矿物还原法主要适用于铁粉生产 铁粉纯度直接与铁矿石的纯度有 关 除铁粉外 用矿物还原法还能生产钴 钼 钙等粉末 例如 难熔的金属化合物粉末如碳化物 硼化物 硅化物粉末 是 通过金属氧化物粉末与碳 硼或硅粉末的化合作用或者化学置换的 方法而获得的 碳化物粉的制取 可采用碳黑粉直接还原金属氧化物 其反应如下M O MC泛指金属氧化物 金属碳化物这种还原过程所需温度比较高 如制取碳化钨粉时为1400 1600oC 通常在碳管炉中进行 反应过程中可通过氢气或在真空中 进行 2 电解法电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金 属颗粒或海绵状金属块 再用机械法进行粉碎 3 雾化法制取粉末雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流 空气或惰 性气体 水蒸汽或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化 而得到 金属粉末 示意图见图4 1 由于雾化法制得的粉末纯度较高 又可合金化 粉末有其特点 且 产量高 成本较低 故其应用发展很快 可用来生产铁 钢 铅 铝 锌 铜及其合金等的粉末 4 机械粉碎法机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块 或粒原料进行球磨 适宜于制备一些脆性的金属粉末 或者经过脆 性化处理的金属粉末 如经过氢化处理变脆的钛粉 2 金属粉末的特性金属粉末的特性对粉末的压制 烧结过程 烧结 前强度及最终产品的性能都有重大影响 金属粉末的基本性能包括化学成分 粒径分布 颗粒形状和大小以 及技术特征等 1 化学成分粉末的化学成分通常指主要金属或组分 杂质及气体的 含量 金属粉末中主要金属的含量大都不低于98 99 完全可以满足烧结机械零件等的要求 但在制造高性能粉末冶金材料时 需要使用纯度更高的粉末 金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物 氧化物使金属粉末的压缩性变坏 增大压模的磨损 有时 少量的易还原金属氧化物有利于金属粉末的烧结 由于金属粉 末的比表面大 体积小 在金属粉末颗粒表面吸附有大量气体 在金属粉末制取过程中还会有不少的气体溶解其中 金属粉末中含有的主要气体是氧 氢 一氧化碳及氮 这些气体使 金属粉末脆性增大和压制性变坏 特别是使一些难熔金属与化合物 如Ti Zr Cr 碳化物 硼化物 硅化物 的塑性变坏 加热时 气体强烈析出 可能会影响压坯在烧结时的正常收缩 因此 对一些金属粉末往往要进行真空脱气处理 2 颗粒形状和大小颗粒形状是影响粉末技术特征 如松装密度 流动 性等 的因素之一 通常 粉粒以球状或粒状为好 颗粒大小常用粒度表示 工业上制造的粉末粒度通常在0 1 500 m 150 m以上的定为粗粉 40 150 m定为中等粉 10 40 m的定为细粉 0 5 10 m为极细粉 0 5 m以下的叫超细粉 粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围 各种筛号表示每1平方英寸筛 网上的网孔数 粉粒大小直接影响粉末冶金制品的性能 尤其对硬质合金 陶瓷材 料等 要求粉粒愈细愈好 但制取细粉比较困难 经济性亦差 3 粒度分布指大小不同的粉粒级别的相对含量 也叫粒度组成 粉末粒度组成的范围广 则制品的密度高 性能也好 尤其对制品 边角的强度尤为有利 4 技术特征粉末的成形技术特征主要有 松装密度松装密度亦称松 装比 指单位容积自由松装粉末的质量 受粉末粒度 粒形 粒度组成及粒间孔隙大小决定 松装比的大小影响压制与烧结性能 同时对压模设计是一个十分重 要的参数 例如还原铁粉的松装密度一般为2 3 3 0g cm3 若采用松装密度为2 3g cm3的还原铁粉压制密度为6 9 g cm3的压坯 则压缩比 粉末的充填高度与压坯高度之比 为6 9 2 3 3 1 即若压坯高度为1cm时 模腔深度须大于3cm才行 流动性它是指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时 间 时间愈短 流动性愈好 流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉 压制性粉末的压制性包括压缩性与成形性 压缩性的好坏决定压坯的强度与密度 通常用压制前后粉末体的压 缩比表示 粉末压缩性主要受粉末硬度 塑性变形能力与加工硬化性决定 经退火后的粉末压缩性较好 为保证压坯品质 使其具有一定的强度 且便于生产过程中的运输 粉末需有良好的成形性 成形性与粉末的物理性质有关 此外还受到粒度 粒形与粒度组成 的影响 为了改善成形性 常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌 石蜡 橡胶等 通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成形性试验的指标 4 1 2粉末配混粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布 把各种金属粉末及添加物 如润滑剂等 进行充分地混合 此工序通 过混粉机完成 添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征 如加入润滑剂 如硬脂酸锌 质量比0 25 1 可改善混合粉的流动性 增加可压制性 压制后烧结前 润滑剂用加热方法 如硬脂酸锌在375 425oC的热空气中 排除 混合粉的特性常用混匀度表示 混匀度越大 表示混合越均匀 也就越有利于制品的性能要求 但粉末混合过程须谨慎 太激烈的混合将会引起变形硬化 颗粒相 互磨损 起层等 故一定要按照成形技术要求和规范进行 4 1 3压制成形粉末的压制成形是主要且基本的工序 它的过程包括称粉 装粉 压制 保压及脱模等 压制成形的方法有很多 如钢模压制 流体等静压制 三向压制 粉末锻造 挤压 振动压制 高能率成形等 常用的