第三篇 金属压力加工

第三篇金属的压力加工 了解金属塑性成型的理论基础 掌握金属的塑性成型方法及工艺 掌握薄板冲压成形工艺 包括各种成形模具结构 基本工序和典形零件的工艺制定 本章重点 第三篇金属压力加工 塑性成形 plasticityforming 在外力作用下 金属发生塑性变形 从而获得具有一定形状 尺寸 组织和力学性能的工件的生产方法 又叫塑性加工或压力加工 常见的塑性成形方法 锻造 冲压 挤压 轧制 拉拔等 自由锻 模锻 冲压 轧制 拉拔 1 可实现无屑加工 2 产品力学性能好 尺寸精度高 3 自动化程度高 生产率高 4 材料利用率高 产品范围广泛 塑性加工特点 塑性成形广泛应用于机械制造 汽拖 容器 造船 建筑 包装 航空航天工业部门 大多数金属和合金均有一定的塑性 可进行各种塑性加工 金属的塑性变形是进行金属压力加工的理论依据 第一节金属塑性变形机理 单晶体的塑性变形方式 1 滑移 滑移系2 孪生 第一章金属的塑性变形 多晶体的变形是不均匀的 单晶体的塑性变形方式 晶内变形 低温 滑移和孪生晶间变形 高温 晶粒间的相对滑动和转动 多晶体金属塑性变形以单晶体的塑性变形为基础 受晶粒取向和晶界的影响 又有其自身的特点 一 金属的形变强化 加工硬化 冷作硬化 形变强化 冷变形金属 随着形变量增加 强度 硬度提高而塑性降低的现象 称为形变强化 原因 金属晶体组织发生了变化 见下页 形变强化的实际意义 1 形变强化可提高金属强度 纯金属和不能热处理的合金 2 电阻有所增大 抗蚀性降低缺点 加工硬化使金属塑性下降 需增加中间退火工序 第二节塑性变形对金属性能和组织的影响 二 塑性变形后金属组织结构变化1 晶粒拉长纤维组织2 晶格畸变 晶粒碎化 位错密度增加加工硬化 三 塑性变形金属加热时组织性能变化 回复 再结晶一 回复加工硬化使金属处于不稳定状态将冷成形后的金属加热至一定温度后 使原子回复到平衡位置 晶内残余应力大大减小的现象 称为回复 特点 使晶格畸变减轻或消除 但晶粒的大小和形状并无改变 消除了晶格扭曲及大部分内应力 力学性能变化不大 强度 硬度稍有降低 塑性略有提高 内应力大大降低 回复处理 低温退火或去应力退火 T回 0 25 0 3 T熔 K 回复和再结晶过程 二 再结晶 不是相变 塑性变形后金属被拉长了的晶粒出现重新生核 结晶 变为等轴晶粒的现象 称为再结晶 再结晶温度一般为0 4T熔 K 以上 T回 0 4T熔 特点 再结晶通过形核 长大的方式进行 得到细小均匀等轴晶粒 完全消除了残余应力和加工硬化现象 塑性提高 再结晶退火 晶粒长大 如温度继续升高或保温时间延长 晶粒会长大 使塑性 韧性明显下降 晶粒长大示意图 冷变形 再结晶温度以下的变形 只有加工硬化现象 可使金属获得较高的硬度和精度 提高产品性能 但变形程度不宜过大 热变形 再结晶温度以上的变形 加工硬化和再结晶过程同时存在 没有加工硬化痕迹 能以较小的功完成较大的变形 同时获得力学性能较高的再结晶组织 再结晶温度T再 0 4T熔 四 冷变形和热变形 纤维组织 热加工流线 塑性加工中 金属的晶粒形状和晶界分布的杂质沿变形方向被拉长 呈纤维状 纤维组织不能热处理消除 只能通过锻压改变其形状和方向 应用纤维组织使金属在纵向上的强度 特别是塑性和韧性比横向高 因此 在设计零件时 应使最大正应力方向与纤维方向一致 最大切应力与纤维方向垂直 工业生产中广泛采用模锻方法制造齿轮及中小型曲轴 用局部镦粗法制造螺栓 五 纤维组织及其利用 纤维组织沿工件外形轮廓连续分布 有利于工件受力 第三节金属的可锻性 一 金属的可锻性 塑性加工性能 定义 衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件难易程度的工艺性能 衡量指标 金属的塑性和变形抗力 塑性 变形抗力 可锻性 二 影响因素1 金属的本质 内在因素 a 化学成分 C 塑性 可锻性 纯金属 合金 碳化物形成元素使塑性加工性下降 第三节金属的可锻性 b 金属组织 晶体结构 面心 体心 密排六方组织状态 铸态组织 晶粒粗大 碳化物 纯金属及固溶体 2 加工条件 外部因素 a 变形温度 提高金属变形时的温度 是改善金属可锻性的有效措施 变形温度T 材料塑性 变形抗力P 可锻性 碳素结构钢 加热温度超过A3线 组织为单一A 适宜塑性加工锻造温度范围的确定 图5 17 始锻温度 固相线以下200 左右终锻温度 A1线以上800 750 之间注意事项 温度过高将产生过热 过烧 脱碳和严重氧化等缺陷 甚至使锻件报废 b 变形速度应变对时间的导数 量纲1 s时 变形抗力 塑性 可锻性 时 塑性 变形抗力 可锻性 变形速度较小时 以强化为主 较大时以热效应为主 变形速度对塑性及变形抗力的影响 均小于a c 应力状态压应力数目越多 塑性越好 拉应力的数目越多 金属的塑性越差 同号应力状态下的变形抗力 异号 第二章锻造 定义 利用冲击力或压力使金属在上 下两个抵铁之间产生塑性变形 从而得到所需锻件的锻造方法 a 自由锻b 胎模锻c 模锻d 锻件实例 第一节锻造方法一 自由锻 1 回顾自由锻的特点 1 坯料变形时 只有部分表面受到限制 其余可自由流动 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 也是大型锻件的唯一锻造方法 2 自由锻的方法 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常用设备是水压机 能加工300t质量的锻件 是重型机械厂锻造生产的主要设备 空气锤 双柱拱式蒸汽 空气锤 水压机 3 自由锻的工序 1 基本工序用来改变坯料的形状和尺寸的主要工序 主要包括 镦粗 拔长 冲孔 弯曲 扭转 错移 切割 2 辅助工序为了完成基本工序而进行的预先变形工序 基本工序前 主要包括 压钳口 倒棱 压肩等 3 修整工序用来提高锻件尺寸及位置精度的工序 基本工序后 主要包括 校正 滚圆 平整等 a 平砧间镦粗b 局部锻粗 拔长 单面冲孔 成形弯曲 扭转 圆料的压肩 滚圆 方形 矩形锻件的修整b 圆形锻件的修整拔长后的修整 二 模锻 模锻 坯料在模膛内受冲击力或压力产生变形 得到所需形状的锻造方法 按使用设备的不同 分为锤上模锻 曲柄压力机上模锻 摩擦压力机上模锻 胎模锻等 与自由锻相比 模锻的特点 生产率较高 锻件尺寸精确 加工余量小 可锻出形状复杂锻件 材料利用率高 锤上模锻是我国目前应用最多的一种模锻方法 其设备统称为模锻锤 模锻锤的吨位 落下部分的重量 为1 16吨 可锻制150Kg以下的锻件 锤上模锻用的上 下锻模分别放置在锤头与砧座之上 砧座与锤身连成一个整体 锤头与导轨之间的配合也比自由锻锤精密 因而锤头的运动精度较高 使上模和下模准确对位 可以获得形状和尺寸比较精确的锻件 1 锤上模锻 模具是模锻生产中最重要的要素 模具型腔 又称模膛 直接决定了最终锻件的形状尺寸 而锻件的形状尺寸又是由零件尺寸推算出来的 因此 模膛的设计通常是按零件 锻件 模膛顺序逐步计算得到的 下面以锤上模锻模具为例介绍模具设计 锤上模锻用的锻模结构 模膛设计 模膛根据其功用的不同可分为模锻模膛和制坯模膛两大类 模锻模膛分为终锻模膛和预锻模膛两种 终锻模膛 使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸 考虑到冷却时要收缩 终端模膛应比锻件尺寸放大一个收缩量 1 5 模膛四周留有飞边槽 2 带有冲孔连皮和飞边的模锻件 对于形状复杂的模锻件 为了使坯料能合理分布和很好地充满模膛 就必须预先在制坯模膛内制坯 制坯模膛 预锻模膛是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸 这样再进行终锻时 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 锻模可设计成单膛锻模或多膛锻模 制坯模膛 弯连杆的模锻过程及所用锻模 2 胎模锻 在自由锻设备上 采用不与上下砧座相连接的活动模具成型锻件的方法 胎模锻的特点1 与自由锻相比 锻件的形状较为复杂 尺寸精确 生产效率高 2 与模锻相比 可利用自由锻设备组织生产 胎模制造成本低 故胎模锻造适用于中 小批量生产 在缺少模锻的中小型工厂中应用较广 胎模的种类 按胎模的结构特点分为 1 扣模 2 套筒模 3 合模 1 扣模用于对坯料进行全面或局部扣形 主要生产杆状非回转体锻件 2 套筒模主要用于锻造齿轮 法兰盘等回转体类锻件 3 合模多用于生产形状较复杂的非回转体锻件 如连杆 叉形等锻件 避免锥面或斜面 避免相贯线 避免凸台 加强筋 做成组合件 自由锻件 锻件结构的工艺性 避免加强筋 工字形 椭圆形等复杂表面 自由锻件 避免叉形件内部的台阶 模锻零件结构工艺性 设计模锻零件时 应根据模锻特点和工艺要求 使零件结构符合下列原则 1 模锻零件必须具有一个合理的分模面 以保证模锻件易于从锻模中取出 敷料最少 锻模容易制造 2 由于模锻件尺寸精度高和表面粗糙度值低 因此 零件上只有与其它机件配合的表面才需进行机械加工 其它表面均应设计为非加工表面 零件上与锤击方向平行的非加工表面 应设计出模锻斜度 非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计 a 80与 160两截面尺寸相差过大b 尺寸8壁太薄c 凸起结构不宜模锻 4 应尽量避免有深孔或多孔结构 3 为了使金属容易充满模膛和减少工序 零件外形力求简单 平直和对称 尽量避免零件截面间差别过大 或具有薄壁 高筋 凸起等结构 下图所示为不宜采用模锻方法制造的几种零件示例 模锻件 5 可采用锻 焊组合工艺 以减少敷料 第三章板料冲压 利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法 板料冲压常用的设备是剪床和冲床 其中剪床用于下料 将板料剪成一定宽度的条料 以供冲压之用 因多数冲压件不需加热 故又称为薄板冲压或冷冲压 当板料大于8 10mm时 应采用热冲压 板料冲压的特点 1 零件形状复杂 废料少 2 产品精度高 互换性好 3 产品质量小 材料消耗少 强度 刚度高 4 操作简单 生产率高 成本低 冲压生产的基本工序 分离工序 落料 冲孔 切断 修整 变形工序 拉深 弯曲 翻边 成形 第一节分离工序 冲裁 落料与冲孔 使坯料按封闭轮廓分离 落料 制坯工序 被分离部分为成品 周边是废料 冲孔 加工工序 被分离部分是废品 周边是成品 1 冲裁变形过程 a 弹性变形 弯曲 上翘 b 塑性变形c 断裂分离d 落下部分的放大图落料和冲孔时金属板料的分离过程示意图 冲裁时金属板料的分离过程示意图 冲裁件断裂面有明显的区域特征光亮带 冲头挤压切入所形成的光滑表面 断面质量最佳剪裂带 是材料在剪断分离时所形成的断裂带 表面粗糙 2 凸凹模间隙凹凸模之间间隙z不仅严重影响冲裁件的断面质量 而且影响模具寿命 卸料力 推件力 冲裁力和冲裁件的尺寸精度 因此正确选择间隙值对冲裁生产至关重要 单边间隙c的经验公式 板料厚度 m相关系数 凸凹模间隙对冲裁件质量的影响 间隙小 间隙大 间隙适中 间隙过大 断面质量差 光亮带小一些 剪裂带和毛刺均较大间隙过小 断面质量好 光亮带增大 但毛刺也增大 模具磨损严重 寿命受影响 合理选择模具间隙 主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要的因素 一般说来 当对冲裁件断面质量要求较高时 应选取较小的间隙值 而当冲裁件的质量要求不高时 则应可能地加大间隙值 以利于提高冲模的寿命 3 凸凹模刃口尺寸的确定 4 冲裁件的排样 即零件在板料上的合理布置方法 排样合理可是废料最少 材料利用率高 二 修整修整是使落料或冲孔后的成品获得精确轮廓的工序 分离工序 三 切断用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 剪刃安装在剪床上 制作一定宽度的条料 供下一步冲压工序使用 冲模安装在冲床上 用以制取形状简单 精度要求不高的平板零件 分离工序 一 拉深原理 圆筒形件的拉深 利用冲模使毛坯变形制成开口空心零件的成形工序 1 拉深过程 1 筒壁部分变形区 2 筒底部分非变形区 3 筒底圆角部分危险区 第二节变形工序 拉深的特点 法兰部分向内收缩 毛坯变化图 板厚基本不变 压边力以法兰不起皱为准 模具间隙Z 1 1 1 2 s 拉深工序 一般情况下 拉深系数m不小于0 5 0 8 2 拉深系数的影响 1 拉深系数 拉深变形程度以工件筒形直径与毛坯板料直径之比表示 m d D 2 材料的极限拉深系数 多次拉深过程中加工硬化现象严重 为保证坯料具有足够的塑性 生产中坯料经过一两次拉深后 应安排工序间的退火处理 其次 在多次拉深中 拉深系数应一次比一次略大些 确保拉深件质量 使生产顺利进行 总拉深系数等于每次拉深系数的乘积 破裂多发生在直壁与底部的过渡圆角处 起皱多发生在拉深件的法兰部分 3 拉深废品拉穿与起皱 防止废品措施 1 拉深系数m 0 5 0 8 2 D 100 1 5 3 r凹 3 4 r凸 2 板材厚度 4 毛坯尺寸及拉深力的确定 1 毛坯尺寸计算按拉深前后的面积不变原则进行 2 拉深力P 3 b s D d r凹 选择设备时 应结合拉深件所需的垃深力来定 设备能力应比计算的拉深力大 二 弯曲变形 弯曲 将毛坯弯成一定角度各种形状的冲压变形工序 弯曲回弹一般回弹角为0 10 防止弯裂 1 弯曲的最小半径为rmin 0 25 1 t 2 弯曲时尽可能使弯曲线与坯料的纤维方向垂直 若弯曲线与纤维方向一致则容易产生破裂 此时可用增大最小弯曲半径来避免 3 胀形 胀形是利用坯料局部厚度变薄形成零件的成形工艺 主要有平板坯料胀形 管坯胀形 球体胀形 拉形 4 翻边使带孔坯料孔口周围获得凸缘的工序称为翻边 如图所示 图中d0为坯料上孔的直径 为坯料厚度 d为凸缘平均直径 h为凸缘的高度 成形工序 有些空心的回转体还可用旋压方法来制作 这种方法变形力较小 但生产率较低 5 旋压 冲压模具 1 简单冲模在冲床的一次冲程中只完成一个工序的模具 模具简单 造价低 第三节冲模简介 冲压模具 2 连续冲模在冲床的一次冲程中 在模具不同部位上同时完成数道冲压工序的模具 3 复合冲模在冲床的一次冲程中 在模具同一部位上同时完成数道冲压工序的模具 落料拉伸复合模 拉伸件 第四节冲压加工零件的结构工艺性 1 冲压件的形状和尺寸 1 冲裁件1 简单对称避免长槽悬臂2 冲孔时 孔径必须 板料厚度 孔与边缘之间