金属压力加工1

第三篇金属的塑性成型 金属塑性成型的基本生产方法 轧制示意图 挤压示意图 金属塑性成型 由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 也称为压力加工 3 1概述 锻压生产方式示意图 3 2塑性成型理论的理论基础 一 金属塑性变形的实质 弹性变形在外力作用下 材料内部产生应力 应力迫使原子离开原来的平衡位置 改变了原子间的距离 使金属发生变形 并引起原子位能的增高 但原子有返回低位能的倾向 当外力停止作用后 应力消失 变形也随之消失 塑性变形内应力超过金属的屈服点后 外力停止作用后 金属的变形并不完全消失 滑移面在切向应力作用下 晶体的一部分相对于另一部分 沿着一定的晶面产生相对滑移 该面称为滑移面 位错运动引起塑性变形近代物理学证明 晶体不是在滑移面上 原子并不是整体的刚性运动而是以位错引起金属塑性变形 位错 沿滑移面旧原子对破坏 新原子对形成 图3 2 多晶体的塑性变形 晶内和晶间变形 晶内变形 外力作用下 某一晶粒的塑性变形 晶间变形 晶粒之间的相互位移或转动 在外力作用下 有的晶粒处于利于塑性变形位置 则首先塑性变形 有的处于不利于塑性变形的位置 则暂时不变形 晶粒间会移动 转动 这种利与不利位置在变化 塑性变形不断进行 图3 3 二 塑性变形对金属组织和性能的影响 金属在常温下经塑性变形后 内部组织将发生变化 晶粒沿最大变形的方向伸长 晶格与晶粒发生扭曲 产生内应力 晶粒产生碎晶 冷作硬化 见图3 4 现象 强度 硬度上升 而塑性 韧性下降 原因 滑移面附近的晶粒碎晶块 晶格扭曲畸变 增大滑移阻力 使滑移难以进行 回复与再结晶 回复 冷作硬化是一种不稳定的现象 具有自发恢复到稳定状态的倾向 室温下不易实现 当提高温度时 原子获得热能 热运动加剧 当加热温度T回T回 0 25 0 3 T熔使原子回复到正常排列 消除了晶格扭曲 使加工硬化得到部分消除 再结晶 当加热温度T再 T再 0 4T熔原子获得更多热能 开始的某些碎晶或杂质为核心构成新晶粒 因为是通过形核和晶核长大方式进行的 故称再结晶 再结晶后清除了全部加工硬化 再结晶后晶格类型不变 只改变晶粒外形 加工硬化的利用 消除 利用 冷加工后使材料强度 硬度 如冷拉钢 不能热处理强化的金属材料 消除 再结晶退火650 750 冷变形变形温度在再结晶温度以下时 金属在变形过程中具有加工硬化而无再结晶现象 变形后的金属具有冷变形强化现象 这种变形称为冷变形 热变形变形温度在再结晶温度以上时 变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消 变形后金属具有再结晶的细晶粒组织 而无任何加工硬化痕迹 这种变形称为热变形 冷变形及热变形 冷变形后金属强度 硬度较高 但变形程度不宜过大 否则易裂 变形具有强化作用 再结晶具有强化消除作用 在热变形时无加工硬化痕迹 金属压力加工大多属热变形 具有再结晶组织 热加工后组织性能变化 粗大晶粒被击碎成细晶粒组织 改善了机械性能 铸态组织中的疏松 气孔经热塑变形后被压实或焊合 晶粒被拉长 非金属杂物被击碎 沿被拉长的晶粒界分布 形成纤维组织 流线 变形程度越大 纤维组织越明显 压力加工中常用锻造比y来表示变形程度 拔长时锻造比y拔 A0 A镦粗时锻造比y镦 H0 H纤维组织很稳定 不能 难以 用热处理方法来消除 只有经过锻压来改变其方向 形状 当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时 螺钉头部与杆部的纤维被切断 不能连贯起来 受力时产生的切应力顺着纤维方向 故螺钉的承载能力较弱 如图示 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时 如图示 纤维不被切断且连贯性好 纤维方向也较为有利 故螺钉质量较好 实例 在设计和制造零件时 应使最大正应力的方向于纤维方向重合 最大切应力的方向于纤维方向垂直 尽量使纤维组织不被切断 三 影响塑性变形的因素 可锻性 常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示 可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形 而不破坏其完整性的能力 变形抗力是指金属对变形的抵抗力 金属的可锻性取决于材料的性质 内因 和加工条件 外因 材料性质的影响 内因 化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金的可锻性好 钢中合金元素含量越多 合金成分越复杂 其塑性越差 变形抗力越大 例如纯铁 低碳钢和高合金钢 它们的可锻性是依次下降的 金属组织的影响 纯金属及固溶体 如奥氏体 的可锻性好 而碳化物 如渗碳体 的可锻性差 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好 加工条件的影响 外因 在一定的变形温度范围内 随着温度升高 原子动能升高 从而塑性提高 变形抗力减小 有效改善了可锻性 若加热温度过高 晶粒急剧长大 金属力学性能降低 这种现象称为 过热 若加热温度更高接近熔点 晶界氧化破坏了晶粒间的结合 使金属失去塑性 坯料报废 这一现象称为 过烧 金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度 不能再锻 否则引起加工硬化甚至开裂 此时停止锻造的温度称终锻温度 变形温度的影响 变形速度的影响 一方面由于变形速度的增大 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 可锻性变坏 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 可锻性变好 应力状态的影响 挤压时为三向受压状态 拉拔时为两向受压一向受拉的状态 压应力的数量愈多 则其塑性愈好 变形抗力增大 拉应力的数量愈多 则其塑性愈差 1 特点 锻件成形主要靠工人的操作技能 采用通用设备和工具 只能生产形状简单的锻件 适用于单件小批生产 一 自由锻造 利用冲击力或静压力使经过加热的金属在锻压设备的上 下砧铁之间塑性变形 自由流动称为自由锻造 3 3锻造 一 锻造方法 2 基本工序镦粗 适于饼块类 盘套类拔长 适于轴类 杆类拔长 镦粗经常交替反复使用 有时一头镦粗 另一头拔长 通孔 盲孔 冲孔 常用方法 镦粗 冲孔镦粗 冲孔 扩孔弯曲 工件轴线产生一定曲率 扭转 某一部分相对于另一部分转一定角度 错移 坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序 例如曲轴 切割 分割坯料 或去除锻件余量的工序 镦粗 拔长 自由锻造设备 一 空气锤 利用压缩空气推动锻锤进行工作 以落下部分质量来表示锻造能力 常用吨位为65 750千克 用于锻造小型锻件 二 蒸汽 空气锤 三 液压机 利用一定蒸汽或压缩空气推动锻锤进行工作 常用吨位为1 5吨 用于锻造中型锻件 是模锻的主要设备 常用吨位为5 150吨 用于锻造大型锻件 是大型锻件的唯一设备 利用高压水为动力进行工作 靠静压力工作 空气锤 空气锤 液压机 液压机 液压机 液压机 油压机 油压机 二 模膛锻造成型工艺 1 胎模锻造成型工艺及应用 胎模锻造成型是在自由锻设备上 使用可移动的胎模具生产锻件的锻造方法 胎模成型与自由成型相比 具有较高的生产率 锻件质量好 节省金属材料 降低锻件成本 与固定模膛成型相比 不需要专用锻造设备 模具简单 容易制造 锻件质量不如固定模膛成型的锻件高 工人劳动强度大 胎模寿命短 生产率低 胎模成型只适用于小批量生产 多用在没有模锻设备的中小型工厂中 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 一般采用自由锻方法制坯 然后在胎模中成型 扣模图3 22 筒模图3 23 合膜图3 24 2 胎固定模膛成型工艺的分类及设备 固定模膛成型工艺主要分为锤上模膛成型工艺和压力机上模膛成型工艺 锤上模锻成型用于大批量锻件生产 所用设备有蒸汽 空气锤 无砧座锤 高速锤等 压力机上模膛成型常用的设备有曲柄压力机 摩擦压力机和平锻机 模锻水压机等 摩擦压机 摩擦压机 1 终锻模膛 终锻模膛的作用是 是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸 因此它的形状应和锻件的形状相同 终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量 钢件收缩量取1 5 沿模膛四周有飞边槽 用以增加金属从模膛中流出的阻力 促使金属充满模膛 同时容纳多余的金属 终锻后在孔内留下一薄层金属 称为冲孔连皮 三 模锻模膛及其功用 2 预锻模膛 预锻模膛的作用是 使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸 终锻时 金属容易充满终锻模膛 同时减少了终锻模膛的磨损 以延长锻模的使用寿命 预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大 没有飞边槽 四 制坯模膛 拔长模膛 用来减小坯料某部分的横截面积 以增加该部分的长度 滚压模膛 用来减小坯料某部分的横截面积 以增大另一部分的横截面积 主要是使金属按模锻件形状来分布 弯曲模膛 对于弯曲的杆类模锻件 需用弯曲模膛来弯曲坯料 切断模膛 上模与下模的角部组成的一对刀口 用来切断金属 二 锻造工艺规程的制订 一 绘制锻件图绘制锻件图是以零件图为基础 结合锻造工艺特点绘制而成的 敷料 余量及公差 敷料 为简化零件的形状和结构 便于锻造而增加的一部分金属为敷料 余量 零件表面为切削加工而增加的尺寸称余量 锻件公差 是锻件名义尺寸的允许变动量 查表而定 自由锻锻件图 图2 25 分模面 分模面 上下模锻在模锻件上的分界面 关系到锻件成型 锻件出模 材料利用率 锻模加工等一系列问题 选分模面原则 1 应保证模锻件能从模腔中取出来 图3 26a a2 应使上 下两模沿分模面的模腔轮廓一致 图3 26c c3 分模面应选在能使模腔深度最浅的位置上 图3 26b b4 使敷料最少 5 分模面最好是一个平面 图3 26中d d面最合理 模锻斜度 模锻件上平行于锤击方向 垂直于分模面 的表面必须有斜度 以便取出锻件 模锻斜度与模镗深度和宽度有关 内侧斜度比外侧稍大些 图3 27模锻斜度 模锻圆角半径 所有交角均做成圆角 可以易于充满模膛 避免尖角处产生裂纹 减缓锻件外尖角处的磨损 锻件内圆角R 锻件外圆角r见图 图3 28圆角半径 圆角半径为1 1 5 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20等标准值 冲孔连皮 孔径大于25mm 该孔应锻出 孔径为25 80时 冲孔连皮厚度取4 8mm 图3 29 二 坯料重量的确定 坯料重量G坯G坯 G锻 G烧损 G料头式中 G锻 锻件重量G烧损 坯料因加热氧化而烧损G料头 在锻造过程中被冲掉或被切掉的金属 三 锻造工序 工步 的确定 自由锻 按P111表3 1定 模锻 长轴 常用拔长 滚压 弯曲 预锻 终锻等 小型长轴常采用一根棒料锻几个锻件 模锻件采用周期轧制材料作坯料时可省去拔长滚压等工步 图3 30图3 31用轧制坯料模锻 短轴 常用镦粗 预锻 终锻等 图3 32 四 锻造工艺规程中的其它内容 始锻温度和终煅温度 加热规范 冷却规范 对高合金钢尤为重要 以防因热应力引起变形或开裂 三 锻件结构的工艺性 一 自由锻件的结构工艺性自由锻件不要有锥体 或斜面结构图3 33轴类锻件结构几何体的交接处不应形成空间曲线图3 34杆类锻件结构 自由锻件上不应设计出加强筋 凸台 工字形截面或空间曲线形表面图3 35盘类锻件结构 自由锻件横截面若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 再焊接或机械连接方法连接 图3 36复杂件结构 二 模锻件的结构工艺性 模锻件有一合理分模面 使工件容易取出 应使敷料少 锻模容易制造 零件上与其它零件配合时要机加工 其他面均应设计成非加工面 因此 要注意设计出模锻斜度 模锻圆角 锻件外形应力求简单 平直 对称 避免直径相差过大或具有薄壁 高筋 高台 深孔 多孔 模锻件的缺陷 1 错模锤头导轨的间隙过大 模具缺少平衡导锁以及模具安装不合理等原因都可能产生错模