金属塑性成形加工

第二章金属塑性成形压力加工,1,第一节概述,塑性成形又称压力加工。它是利用金属在外力作用下产生的塑性变形以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料(如金属型材、板材、管材和线材等)、毛坯或零件的生产方法。压力加工可生产出各种不同截面的型材(如板材、线材、管材等)和各种机器零件的毛坯或成品(如轴、齿轮、汽车大梁、连杆等)。,2,用于压力加工的金属必须具有良好的塑性。各种钢材与大多数有色金属及其合金都具有一定程度的塑性可以在不同温度下进行压力加工。但铸铁等脆性材料，以及形状复杂特别是具有形状复杂内腔的零件或毛坯(如箱体)，难以用压力加工方法制造。,3,塑性成形加工的方法及种类：锻造加工：自由锻造和模锻,4,自由锻造,模锻,板料冲压（又称薄板冲压和冷冲压）,5,轧制,轧制是借助于摩擦力和压力使金属坯料通过两个相对旋转的轧辊间的空隙而变形的压力加工方法。,挤压：,7,金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的压力加工方法。,挤压按金属流动方向与凸模运动方向的不同，可分为三种：正挤压：金属流动方向与凸模运动方向相同，如图(a)所示。反挤压：金属流动方向与凸模运动方向相反，如图(b)所示。复合挤压：一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反，如图(c)所示。,拉拔和冷镦,8,拉拔是利用拉力，将金属坯料拉过拉拔模的模孔而成形的压力加工方法，如图所示。拉拔一般是在室温下进行的，故又称冷拔。拉拔时坯料截面减小，长度增加。拉拔主要用于生产各种细线材、薄壁管和特殊几何形状截面的型材。,9,1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。,塑性成形（压力加工）的特点,1金属材料经塑性（压力加工）后，其组织性能得到改善和提高。,1）压合铸造缺陷，使组织致密、均匀；2）晶粒细化；（经过再结晶，可得到等轴细晶粒）3）形成纤维组织，使金属材料机械性能出现各向异性。,2节约材料,1）力学性能高，承载能力提高；2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比），可以做到少切削或无切削。,3生产率高,4适用范围广,第二节金属塑性成形工艺基础,10,各种压力加工方法，都是通过对金属材料施加外力，使之产生塑性变形来实现的。单晶体的塑性变形形式主要有滑移和孪生两种。,一、金属塑性变形的实质,1.单晶体的塑性变形,1）滑移：,晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。但实际金属的滑移是靠位错的移动来实现的。,11,2）孪生：,晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动。,2.多晶体的塑性变形,晶内变形,晶间变形,滑移,孪生,滑动,转动,多晶体塑性变形的实质：,晶粒内部发生滑移和孪生；同时晶粒之间发生滑移和转动。,二、塑性变形后金属的组织和性能,金属塑性变形时，在改变其形状和尺寸的同时，其内部组织结构以及各种性能均发生变化。塑性变形时的温度不同，金属变形后的组织和性能也有所不同。因此，金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种。冷变形是指金属在再结晶温度以下进行的塑性变形；热变形是指金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。,12,13,1.冷变形后金属的组织和性能,1）组织变化的特征：,晶粒沿变形最大方向伸长；,晶格与晶粒均发生畸变；,晶粒间产生碎晶。,2）性能变化的特征：,加工硬化：,随着变形程度的增加，其强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降。,单晶体发生晶内滑移，使晶格扭曲，内应力增大，即滑移阻力增大；晶粒间有碎晶使品粒滑动阻力增大结果使得进一步变形困难，,原因,加工硬化在工业生产中很有实用意义。某些不能通过热处理方法来强化的金属材料如低碳钢、纯铜、防锈铝、镍铬不锈钢等，可以通过冷轧、冷拔、冷挤压等工艺，使其产生加工硬化以此来提高其强度和硬度或提高其特殊性能。加工硬化可用于金属强化，但对压力加工不利，使金属变形抗力增加继续变形困难。,3）回复处理与再结晶退火,14,T回=（0.250.3）T熔,T再=（0.350.4）T熔,根据需要对冷变形金属进行回复处理与再结晶退火，前者使冷变形金属保持力学性能(如硬度、强度、塑性等)基本不变，部分地消除残余应力；后者使冷变形金属的强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力和加工硬化完全消除，金属又恢复到冷变形之前的状态，再次获得良好塑性。,加工硬化是一种不稳定现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向。加工硬化的消除方法主要有回复和再结晶。,部分原子回复到正常排列位置、减轻了晶格扭曲，消除了部分加工硬化。即强度、硕度略有下降，塑性、韧性略有提高,塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结品，变为等轴品粒，这一过程称为再结品。即温度再增加金属原子获得更多能量，则以碎晶和杂质为结鼎核重新结品成新的晶粒，从而完全消除加工硬化。,2.热变形后金属的组织和性能,15,1）不产生加工硬化,2）具有再结晶组织。使组织得到改善，提高了力学性能,细化晶粒；,压合了铸造缺陷；,3）形成纤维组织,组织致密。,纤维组织的稳定性很高，靠通常的热处理无法消除。只有经过锻压使金属变形，才能变其方向和形状。因此，在设计和制造零件时，为使零件具有良好的力学性能，应根据零件的工作条件，正确控制金属的变形流动和流线在锻件中的分布。,钢锭是压力加工中的原始毛坯，其内部存在着不溶于基体金属的非金属夹杂物。这些夹杂物在热变形中，将随金属品粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。当金属再结晶时被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒而纤维状夹杂物无再结晶能力仍然沿被拉长方向保留下来，形成纤维组织。,16,（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的塑性、韧性提高，抗拉强度增加。,（2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的塑性、韧性下降，抗剪能力提高。,纤维组织具有各向异性的特点：,为了充分利用纤维组织的性能设计制造零件应尽量使零件受最大拉应力方向与纤维方向一致受最大剪切应力方向与纤维方向垂直，并使纤维方向与零件的轮廓相符合而不被切断。,17,三、金属的塑性成形性能,是金属材料在压力加工时成形的难易程度。,1.衡量指标,1）塑性：,2）变形抗力：,材料的塑性越好，其塑性成形性能越好。,材料的变形抗力越小，其塑性成形性能越好。,2.影响因素,1）金属的化学成分及组织,化学成分：含碳量低，则塑性较好，塑性成形性能就好，一般纯金属的塑性成形性能好于合金；特别是含有形成强碳化物形成元素(如W、Cr、Mn、V、Ti等)，则塑性成形性能就差。,组织状态：纯金属、单相固溶体具有良好的塑性成形性能。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.,18,2）变形条件,变形温度：,应力状态：,变形速度：,T温越高，材料的可锻性越好。,V变越小，材料的可锻性越好。,三向压应力塑性最好、变形抗力最大。,三向拉应力塑性最差、变形抗力最大。,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。拉应力促使晶间变形，加速晶界破坏，裂纹扩展。,19,四、塑性成形的基本规律,1.体积不变定律,2.最小阻力定律,锻造温度范围,始锻温度：,终锻温度：,过热、过烧缺陷,加工硬化,45:1200800,指金属在塑性变形过程中，其体积保持不变。,变形过程中，金属各质点将沿着阻力最小的方向流动。,第三节锻压成形（锻造）加工,一、锻造加工的特点,20,具有较好的力学性能。节约材料。锻造毛坯是通过体积的再分配(非切削加工)获得的，且力学性能又得以提高，故可减少切削废料和零件的用料。生产率高。与切削加工相比，生产率高，成本低，适用于大批量生产。适应范围广。锻造的零件或毛坯的重量、体积范围大。锻件的结构工艺性要求高，难以锻造复杂的毛坯和零件。锻件的尺寸精度低，对于高精度要求的零件，还需经过切削加工来满足要求。,二、锻造加工方法,、自由锻造自由锻是利用冲击力或压力使在上、下面砧铁之间的金属材料产生塑性变形得到所需锻件的一种锻造加工方法。自由锻造时，金属变形的特点是：金属沿上、下砧块表面流动不受其他限制，虽然有时采用锻造工具控制局部金属的流动，但其他部分仍是自由流动。,21,22,自由锻造的特点是：a.工具简单，应用广泛，对设备精度要求低，生产周期短；但生产率低，b.尺寸精度不高，表面粗糙度差，加工余量大。对工人的操作水平要求高，自动化程度低。由于自由锻造具有上述特点，故只适用于形状简单的单件、小批量生产，但大型锻件仍采用自由锻造。自由锻造分手工锻造和机器锻造两种，前者用于生产率低的小型锻件生产，后者生产率高，为自由锻造的主要生产方法。自由锻造的主要设备有锻锤和液压机(如水压机)两大类。其中，锻锤有空气锤和蒸汽空气锤两种，锻锤的吨位用落下部分的质量来表示，一般在5t以下，可锻造1500kg以下锻件；液压机以水压机为主，吨位以最大实际压力来表示，为500一12000t，可锻造1一300t锻件。,空气锤,空气锤,液压机,应用：单件、小批量生产,大型锻件的唯一锻造方法；,23,压机拔长,24,改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，称为基本工序。,25,基本工序,根据作用与变形要求不同：自由锻工序一般分为：基本工序、辅助工序和精整工序三类。,镦粗,使坯料整体或一部分高度减小、截面积增大的工序称为镦粗。,镦粗有完全镦粗、局部镦粗和垫环镦粗等。,27,冲孔,采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。,拔长,使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长,拔长主要用于轴杆类锻件成形，其作用是改善锻件内部质量。拔长的种类。有平砥铁拔长、芯轴拔长、芯轴扩孔等。,弯曲,是将毛坯弯成所需形状的工序,在进行弯曲变形前，先要将毛坯锻成所需形状，使体积合理分配，便于获得合格产品。,扭转,将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。,切割,将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序。,（2）辅助工序,是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。如倒棱、压肩等工步。,修整锻件的最后尺寸和形状，提高锻件表面质量，使锻件达到图纸要求的工序叫修整工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲等工步。,（3）修整工序,锻件分类及基本工序方案,33,例题：如图所示的整体活塞采用自由锻制坯。试在右侧双点划线绘制的零件轮廓图上定性绘出锻件图，选择合理的坯料直径（现有圆钢直径有：120、110、100、90、80、70），并说明理由，拟定锻造基本工序，画出工序简图。R2H/R2H=1708160180/110218/100268/90=2.98坯料直径：100选择原因：局部镦粗时保证高径比2.5,下料,局部镦粗,拔长、切料头,例题2：为修复一台大型设备，需制造一个圆锥齿轮，如图7-4所示。试选择锻造方法，定性绘出锻件图，并制定锻造基本工序，画出工序简图。,自由锻,1下料,2镦粗,3冲孔,、模锻金属热坯在锻模模膛内三向压应力状态下的塑性变形。,36,特点：锻件精度高，锻造曲线合理，力学性能好；生产效率高；金属消耗少。,锻模,模锻工作示意图如图所示。锻模由上、下模组成。上模和下模分别安装在锤头下端和模座上的燕尾槽内，用楔铁紧固。上、下模合在一起，其中部形成完整的模膛。根据模膛功用不同，可分为模锻模膛和制坯模膛两大类。,应用：能锻制难以形成的复杂锻件，如汽车连杆、前梁、曲轴等。,38,39,3、锻件结构设计的工艺性要点,零件结构要符合锻造工艺性要求，使之结构合理，锻造方便、节约金属、保证锻件质量和能够提高生产效率。,自由锻件：1）自由锻件设计要避免锥体和斜面结构；,40,2）锻件由数个简单几何体构成时，几何体的交接处不应保留空间相贯曲线；,41,3）自由锻锻件上不允许设计出加强筋、凸台、工字形截面和空间无规则曲面形状；,42,4）锻件形状较复杂时，可设计成几个简单件构成的组焊或装配结构；,43,模锻件：,1）有一个合理的分模面；2）外形力求简单、平直和上下对称；3）对垂直于分模面的非加工表面应设计出模锻斜度和锻造圆角。,44,4）避免薄壁、高筋、局部凸起等结构。,45,5）在可能条件下，应采用锻焊组合工艺，以简化锻造工艺和降低制造成本。,第四节、板料冲压,板料冲压是借助于常规或专用设备，对坯料施加外力，并使其在模具内分离或变形，从而获得一定形状、尺寸的零件或毛坯的加工方法。冲压一般在冷态下进行，故又称冷冲压。,46,冲压生产中常用的板料有各种牌号的钢板与有色金属(铜、铝及其合金)板料。这里的板料泛指板、带、条和箔材。设备：剪板机（剪成条料）、冲床、液压机等。,47,冲压基本工序,48,金属板料的分离过程：弹性变形阶段、塑性变形阶段断裂分离阶段。先后在凸凹模刃口侧面出现微裂纹。凸模再继续加压，已形成的上下微裂纹逐渐扩大并向内延伸。如凸凹模间隙合适，上下裂纹就能相迎重合，实现分离。,、分离工序：使板料的一部分与另一部分相互分离的加工工序。包括（1）剪切：使板料沿不封闭的轮廓线分离的工序称为剪切。它属于备料工序，其任务是：根据冲压工艺的要求，将板料剪成条料。（2）落料和冲孔（冲裁）：使板料沿封闭的轮廓线分离的工序，分别在落料和冲孔模中进行。,、变形工序：使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。包括弯曲、拉深、翻边和局部成形、旋压等。,49,）弯曲：它是通过弯曲模将板料、型材或管材弯成一定的曲率或角度和形状的变形工序。常用的压弯设备有各类机械压力机、液压压力机、专用折弯机等。以弯曲角和弯曲半径r表示弯曲变形量的大小。坯料外层为拉伸变形，内层为压缩变形，中部为中性层，应力、应变为零。,50,六米大型数控折弯机,板料的厚度s越厚、弯曲半径r越小，表明弯曲变形程度越大，当板料的外侧拉应力超过坯料的抗拉强度时，即会造成弯裂。防止弯裂的方法应控制最小弯曲半径为rmin(0.251)s。板料弯曲时应尽可能使弯曲线与板料纤维方向垂直。回弹现象。一般板料的回弹角为010。因此在设计弯曲模时必须使模具的角度比工件角度小一个回弹角。，即：式中：工件弯曲角；模具角；,51,卷弯成形,弯卷成形是用金属板材在卷板机上弯卷而成筒形、弧形或其它形状工件。根据3点成圆的原理，利用工件相对位置变化和旋转运动使板材产生连续的塑性变形，以获得预定形状的工件。根据钢板的材质、厚度、弯曲半径、卷板机的形式和卷板能力，实际生产中筒节的弯卷基本上可分为冷卷和热卷。目前，板料的卷弯成形主要是采用辊式卷板机(辊床)卷制。卷板机多用三辊形式，也有采用四辊卷板机。现代的卷板机可卷制钢板最大厚度达250mm，热卷板厚度可达380mm。,52,图a)所示为对称式三辊卷板机断面图。上辊轴1能在垂直方向上、下调节，使通过上、下两辊轴之间的板料4得到不同的弯曲半径。电动机通过齿轮减速器带动下辊轴2旋转，上辊轴则为从动轴。工作时，板料置于上、下辊轴间，压下上辊轴，使板料在支承点间发生弯曲。两个下辊轴转动时，利用它们与板面的静摩擦力作用，驱动板料自动进给，产生均匀的弯曲。根据以上分析可知，板料的进入边和脱离边都有一部分不能同时进入三辊之间。就是说，这部分材料是不会弯曲的，称为剩余直边。剩余直边的长度约为两个下辊轴距离的12。,图(b)所示为不对称式三辊卷板机断面图。上辊轴1位于下辊轴2的正上方，导向辊3则在侧面位置。上、下两辊轴由电动机驱动反方向旋转，依靠辊轴与板料的静摩擦力，驱动板料自行进给。依靠导向辊的上、下调节，使板料弯成不同曲率的筒形柱面。这种三辊卷板机的优点是：能使板料两端通过调头进行卷压，可以减小直边现象。图(c)所示为四辊卷板机。四辊卷板机是在不对称式三辊卷板机的基础上增加了另一侧辊，从而有效地避免产生剩余直边现象。,）拉深意义：在拉深模中使平板件受力成形为空心立体件。,53,拉深废品及缺陷,54,起皱,拉裂,m：拉深变形后的制件直径d件与坯料直径D坯之比。即：md件D坯,55,变形量控制拉深系数m,一般极限拉深系数取：mmin0.50.8（低碳钢板）m越小，一次拉深变形量大。m越大（1），则拉深变形量小。,56,如果总的拉深系数小于极限拉深系数，则需多次拉深才能最终成形。m总m1.m2.m3且拉深系数应一次比一次略大，还应进行中间再结晶退火，以恢复塑性。,57,压边板料越薄，拉深系数越小，则越容易起皱。常用的防止起皱的方法是在拉深模上设置压边圈，通过压边圈的作用，使板料不易起皱，而达到防皱的目的。,变形量用翻边系数K控制，即K0d0/D式中d0预制孔径（先冲孔得到）/mm；D翻边后孔径/mm。,58,）翻边,使带有预制孔的坯料沿孔口周围翻起而获得凸缘的工序。,）局部变形包括胀形、旋压、压肋、压花（字）等。,59,60,旋压,压肋,单点渐进成形,单点渐进成形是在数控机床上通过计算机程序控制形状简单的成形工具，利用其沿着垂直方向的进给以及水平方向的运动轨迹逐层形成板类件的三维包络面，从而实现金属板料连续局部塑性成形的加工方法，在板类件成形领域有着广泛的应用前景。其起源可追溯到传统的旋压成形，而旋压成形是通过形状简单的工具成形三维曲面的技术，由于旋压成形原理所固有的缺陷只能加工轴对称回转体工件，因而提出并发展了单点渐进成形方法，随着计算机技术尤其是CAD/CAE/CAM/CAT技术以及数控技术的发展，而且市场需求的日趋多样化，基于产品的数字化信息促使单点渐进成形有了新的发展。单点渐进成形分为无模单点渐进成形和有模单点渐进成形。,61,（a）落料；（b）第一次拉深；（c）第二次拉深；（d）第三次拉深；（e）冲底孔；（f）内孔翻边；（g）外缘翻边；（h）切口。,举例汽车消音器零件的冲压工序,2如图所示冲压件，采用厚l.5mm低碳钢板进行批量生产。试确定冲压的基本工序。