材料成型-第二章

第二章金属压力加工成形,主要内容,压力加工理论基础,金属热锻成形工艺,板料冲压成形工艺,特种压力加工技术简介,J20J11J10,J31J15,第一节压力加工理论基础,金属塑性变形在外力作用下，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。,挤压：金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。正挤：金属流动方向与凹模运动方向相同。反挤：金属流动方向与凹模运动方向相反。轧制：金属坯料在两个回转轧辊的缝隙中受压变形以获得各种产品的加工方法。靠摩擦力，坯料连续通过轧辊间隙而受压变形。拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。,一次塑性加工：,自由锻：金属坯料在上、下砧铁间受冲击力或压力而变形。冲压：金属板料在冲模之间受压产生分离或成形。,二次塑性加工：,自由锻,模锻,轧制,拉拔,板料轧制,1、改善金属的组织，提高力学性能；2、材料利用率高；3、自动化程度高，生产效率高;4、毛坯或零件的尺寸精度高。,塑性加工特点:,大多数金属和合金均有一定的塑性，可进行各种塑性加工。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。,金属的锻造性及影响因素,金属材料通常情况下都是由无数小晶粒构成的多晶体。多晶体的变形与各个晶粒的变形行为有很大的关系。研究表明：晶体只有在切应力的作用下才会发生塑性变形。室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。,滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于晶体的另一部分沿滑移面作整体滑动，金属晶体在未受外力时，晶格处于正常排列状态。当切应力较小，未超过金属的屈服强度时，晶格产生歪扭，金属发生弹性变形。但当切应力进一步增大至超过金属的屈服强度时，晶体的一部分相对于另一部分沿受剪晶面产生滑移。外力去除后晶格弹性歪扭消失，但金属原子的滑移保留下来，金属产生塑性变形。,晶体在切应力作用下的变形过程,孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿某个晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列呈镜面对称。,孪生变形只有在滑移变形受到限制而无法进行的情况下才会发生。如镁、锌、镉等具有密排六方晶格的金属滑移变形比较困难，容易产生孪生变形；而面心立方晶格的金属一般不易发生孪生变形。体心立方晶格的金属也只有在低温或室温冲击载荷作用下才可能发生孪生变形。多晶体的塑性变形与单晶体基本相似，每个晶粒内的塑性变形仍以滑移和孪生两种方式进行。但多晶体由于存在晶界与许多不同位向的晶粒，其塑性变形抗力比单晶体高得多，变形被分配在各个晶粒内部进行，使各个晶粒的变形均匀而不致产生过分的应力集中。故金属晶粒越细，晶界越多，其强度就越高，塑性和韧性也越好。,单晶体在切应力作用下的孪生变形过程,塑性变形对组织和性能的影响,金属在常温下经塑性变形，内部组织和性能发生变化：晶粒沿最大变形方向伸长；晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化；晶格与晶粒均发生扭曲,产生内应力。,纯铁在塑性变形后的组织变化a)正火态b)变形40%c)变形80%,a),b),c),加工硬化：金属发生冷塑性变形时，随着变形量的增加，强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象称为加工硬化，又称冷变形强化。它是一种不稳定的现象。,回复与再结晶,回复温度,再结晶温度,晶粒长大示意图,金属的热加工,由于金属在不同温度下变形后的组织和性能不同，因此，在塑性加工中有冷变形与热变形之分。凡是在再结晶温度以下进行的变形称为冷变形，其特征是存在加工硬化现象。在再结晶温度以上进行的变形称为热变形，其特征是具有再结晶组织、无加工硬化痕迹。,冷变形和热变形冷变形：在再结晶温度以下的变形；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。,热变形：再结晶温度以上变形。变形具有强化作用，再结晶具有强化消除作用。无加工硬化痕迹。金属压力加工多数属热变形，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。晶粒被拉长，非金属杂物被击碎，沿被拉长的晶界分布，形成纤维组织（流线）。,纤维组织的明显程度与金属的变形程度有关，变形程度越大，纤维组织越明显。使金属在性能上具有方向性。,纤维组织的稳定性很高，热处理或其它方法都无法消除，只有经过锻造等压力加工手段才能改变它的方向和形状。,纤维组织：铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。,合理利用纤维组织,1、应使零件在工作中所受的最大正应力方向与纤维方向重合;2、最大切应力方向与纤维方向垂直;3、并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量不被切断。,金属的变形规律1、体积不变定律：由于塑性变形时金属密度的变化很小，可认为坯料变形前后的体积相等。应用体积不变定律计算坯料尺寸，工序尺寸，锻模尺寸,2、最小阻力定律金属受外力作用发生塑性变形时，如果某质点有向各种方向移动的可能性时，则质点将沿着阻力最小的方向移动，故宏观上变形阻力最小的方向上变形量最大。,金属镦粗变形,不同截面金属的流动情况,几种常用锻压方法的应力状态,锻造：利用冲击力或静压力使加热后的坯料在锻压设备上、下砧之间产生塑性变形，以获得所需尺寸、形状和质量的锻件加工方法称为锻造。常用的锻造方法为自由锻、模锻及胎模锻。,第二节金属热锻成形工艺,a)自由锻b)胎模锻c)模锻d)锻件实例,自由锻：利用外力使金属在上下两个砧铁之间产生变形，从而得到所需形状及尺寸的锻件。（坯料在砧铁间受力变形时，朝各个方向可以自由流动，不受限制。）,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，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。,自由锻,手工锻造机器锻造,锻锤,空气锤蒸汽空气锤（可生产1500Kg）,压力机500t（水压机）可锻300t锻件,自由锻,基本工序,辅助工序预变形工序如压钳把、倒棱边、压痕,精整工序清除表面凹凸不平及整形、减小锻件表面缺陷。,使金属坯料产生一定程度的塑性变形，达到所需形状和尺寸,一、自由锻工序,自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序。,1.基本工序,d)心轴上扩孔e)弯曲f)扭转,a)镦粗b)拔长c)冲孔,g)错移h)切割,使金属坯料实现主要的变形要求,达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工序。,镦粗：截面增加、高度减小的工序。,全镦粗,局部镦粗,应用：1）小截面变成大截面，高度减小件。2）冲孔前，平整端面。3）提高机械性能（细化组织、破坏碳化物,变形特点：变形不均匀在塑性成形中，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。三个变形区：区：难变形区区：大变形区区：小变形区,观看实际操作视频-镦粗4,拔长：毛坯横截面减小，长度增加。,V形砧铁,锤头（上砧铁）,砧座（下砧铁）,应用：1）减小截面，增加长度。2）提高机械性能（与镦粗反复进行）,变形特点：锻比坯料变形前后的截面积之比。即当送进量太大时,拔长效率低,甚至拔不长。但送进量也不能过小,因为过小会产生折叠，增加压下次数,这在一定程度上将降低拔长效率。拔长时坯料每送进压下一次,其变形情况与镦粗变形有类似特征,即侧表面产生鼓形,内部形成不均匀变形。所不同之处是：拔长时坯料要反复翻转压缩，因此，难变形区和小变形区得到反复交换而使变形趋于均匀。,观看实际操作视频-拔长5,冲孔：透孔、不透孔（盲孔）,H,2/3H,冲头,采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序。,2.辅助工序,3.精整工序,为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。如压钳口、压肩、倒棱等。,在完成基本工序之后，用以提高锻件表面质量及尺寸精度的工序。如校直、滚圆、平整等。,三、自由锻锻件的结构工艺性,1.尽量避免锥体和斜面结构,b)轴类、平面类锻件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构,锻造工艺复杂操作不方便成形困难降低设备的使用率,2.避免曲面相交的空间曲线,a)b)杆类锻件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构,3.避免加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面,a)b)盘类锻件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构,4.合理采用组合结构,a)b)复杂件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构,二、模锻将加热好的坯料放在由上、下模组成的锻模模膛内，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，模锻优点：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，从而提高了零件的机械性能和使用寿命。3）锻件表面光洁，尺寸精度高，加工余量小,节约材料和切削加工工时；4）材料利用率与生产率较高；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。,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%。,1、锤上模锻采用模锻锤进行模锻设备：蒸汽空气锤(模锻锤)特点：(与自由锻蒸汽空气锤相比)锤头大，打击刚度大；锤头运动精度高，上下模间错移量小；锤头行程不固定，工艺适应性强，模锻锤一般均由一名工人操纵。,按使用设备不同，模锻可分为：锤上模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻等。,视频a,模锻模具材料要求：锤上模锻模具在高温下具有足够的强度、韧性、硬度和耐磨性，良好的导热性、耐热疲劳性、回火稳定性和抗氧化性等。锻模结构：包括上、下模；模膛；分模面。,盘类锻件的模锻过程,模膛分类：根据其功能不同分为制坯模膛和模锻模膛两类制坯模膛：用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻件的模。使金属能合理分布，接近锻件形状，更容易地充满模膛。,拔长模膛：减少坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度，模锻件沿轴向横截面积相差较大时使用。滚压模膛：减少坯料某一部分的横截面积，以增加另一部分的横截面积。弯曲模膛：对于弯曲的杆类模锻件进行弯曲。IV切断模膛：在上模和下模的角部组成一对刃口，用来切断金属。,模锻模膛预锻模膛：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。进行终锻时，金属容易充满终锻模膛。可减小终锻模膛磨损，延长寿命。终锻模膛：使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，模膛形状应和锻件的形状相同；锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。有飞边槽，斜度、圆角小。,2、胎模锻,胎模锻是在自由锻设备上使用可移动的简单模具生产锻件的一种锻造方法。胎模锻造一般先采用自由锻制坯，然后在胎模中终锻成形。锻件的形状和尺寸主要靠胎模的型槽来保证。胎模不固定在设备上，锻造时用工具夹持着进行锻打。按其结构大致可分为扣模、套筒模及合模三种类型。,（1）扣模,（2）套筒模,套筒模简称套模，分开式套模和闭式套模两种。,（3）合模,胎模锻与自由锻相比，具有生产率较高，锻件形状准确，精度较高，余块少，内部组织致密，纤维分布更符合性能要求等优点。与模锻相比，具有成本低，操作灵活，使用方便等优点。但胎模锻的锻件精度和生产率不如锤上模锻高，工人劳动强度较大，胎模寿命短。胎模锻一般用于小型锻件的中、小批量生产，在没有模锻设备的中小型工厂应用较广泛。,2.3冲压成形板料冲压是利用装在冲床上的设备使板料产生分离或变形、从而获得零件或毛坯的一种塑性成形方法。板料冲压通常在室温下进行，故又称冷冲压。当板料厚度超过810mm时，需采用热冲压。,1、板料冲压分类按照冲压时的温度情况有冷冲压和热冲压两种方式。冷冲压：金属在常温下的加工，一般适用于厚度小于4mm的坯料。优点：不需加热、无氧化皮，表面质量好，操作方便，费用较低，缺点:有加工硬化现象，严重时使金属失去进一步变形能力。冷冲压要求坯料的厚度均匀且波动范围小，表面光洁、无斑、无划伤等。热冲压：将金属加热到一定的温度范围的冲压加工方法。优点：可消除内应力，避免加工硬化，增加材料的塑性，降低变形抗力，减少设备的动力消耗。,2、板料冲压特点工艺过程较简单，易实现机械化与工业化，生产率高，加工成本低。可成形复杂形状的制件，而且废料少，材料利用率高。制件尺寸精度高、表面质量好，不需机加工。制件强度高、刚性好、重量轻。(加工硬化)采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理，加工更为方便，可以用较简单的工艺制造出更复杂的结构件。,3、冲压设备冲压常用的设备有剪床和冲床等。剪床的主要用途是把板料切成一定宽度的条料，为后续的冲压备料。,冲床就是一台冲压式压力机。冲压工艺由于比较传统机械加工来说有节约材料和能源，效率高，对操作者技术要求不高及通过各种模具应用可以做出机械加工所无法达到的产品这些优点，因而它的用途越来越广泛。主要用来完成冲压的各道工序，生产出合格的产品。,冲床的设计原理是将圆周运动转换为直线运动，由主电动机出力，带动飞轮，经离合器带动齿轮、曲轴(或偏心齿轮)、连杆等运转，来达成滑块的直线运动，从主电动机到连杆的运动为圆周运动。,开式冲床MadeinChina,制动器,离合器,固定卸料板,导料板,挡料销,凸模,凹模,模柄,上模座,凸模固定板,凹模固定板,导套,导柱,下模座,简单冲模图,1板料冲压的基本工序,板料冲压的冲压方法可分为分离工序及变形工序两大类。分离工序是将冲压件或毛坯沿一定的轮廓相互分离。变形工序是在材料不产生破坏的前提下使毛坯发生塑性变形，形成所需形状及尺寸的工件。,（一）分离工序,1）落料与冲孔（冲裁）冲裁是将板料沿封闭轮廓线分离的工序。冲裁包括落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序。,板料冲裁过程如图1所示。凸模与凹模具有与工件轮廓一样的刃口，凸、凹模之间存在一定的间隙。当压力机滑块将凸模推下时，放在凸、凹模之间的板料冲裁成所需的工件。冲裁时板料变形过程分为三个阶段，如图2所示。当凸模开始接触板料并下压时，板料产生弹性压缩、弯曲、拉伸等变形；凸模继续下压，板料的应力达到屈服点，板料发生塑性变形；当板料应力达到抗剪强度时，板料在与凸、凹模刃口接触处产生裂纹，当上下剪裂纹相连时，板料便分成了两部分。,（1）冲裁变形过程,图1板料的冲裁示意图,图2冲裁时板料的变形过程,落料与冲孔板料变形过程和模具结构相同，只是作用不同。落料时，冲下来的部分为制件，带孔的周边为废料；冲孔时，冲落的部分是废料，留下的带孔部分为制件。,冲裁件的断口塌角带：刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，坯料被弯曲拉伸断裂时形成。光亮带：塑性剪切变形,表面质量最好的区域，表面光滑，断面质量最好。断裂带：材料在剪切分离时形成，表面粗糙，略带斜度。毛刺：微裂纹出现时产生，冲头继续下行时被拉长。,（2）凸凹模间隙,冲裁凸模与凹模之间工作部分的尺寸之差:Z=D凹D凸冲裁间隙对冲裁过程有很大的影响，它不仅对冲裁件的质量起决定性的作用，而且直接影响模具的使用寿命。影响间隙值的主要因素是板料厚度及材料性质。板料厚度愈大，间隙数值愈大，反之板料愈薄则间隙愈小。通常冲裁软钢、铝合金、铜合金等材料时，模具间隙取板厚的68，冲裁硬钢等材料时，模具间隙取板厚的812。实际生产中，模具的间隙数值可通过查表获得，合理的间隙值有相当大的变动范围，约为525，在保证冲裁件质量的前提下，应采用较大的间隙。,Z/2,凹模尺寸,凸模尺寸,圆角带,光亮带,剪裂带,毛刺,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，如拉深、弯曲、翻边等。,（二）变形工序,图3-34圆筒形工件拉深过程示意图,1.拉深利用拉深模具使冲裁后得到的平板坯料变形成开口空心件的冲压工序。拉深可以制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其它复杂形状的薄璧零件。拉深过程：把直径为D的平板坯料放在凹模上，在凸模作用下，坯料被拉入凸模和凹模的间隙中，形成空心拉深件。,拉深系数,传统工艺拉深LDR=1.90,振动拉深LDR=2.05,在拉深工艺设计时，必须知道冲压件需要几道工序才能完成，它直接关系到冲压件的质量及成本。拉深次数取决于每次拉深时允许的极限变形程度。拉深系数m是指每次拉深后筒形件直径与拉深前毛坯（或半成品）直径的比值，是衡量拉深变形程度的重要工艺参数，如图所示。,多次拉深时筒形件直径的变化,(2)拉深时的主要质量问题,起皱拉深时，凸缘部分是拉深过程中的主要变形区，而凸缘变形区的主要变形是切向压缩。当切向压应力较大而板料又较薄时，凸缘部分材料便会失去稳定而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲，这就是拉深时的起皱现象，如图所示。为防止起皱，实际生产中常采用压边圈来提高拉深时允许的变形程度。,拉裂经过拉深后，筒形件壁部的厚度与硬度都会发生变化。筒壁愈靠上，切向压缩愈大，壁部愈厚，变形量愈大，加工硬化现象严重，硬度愈高。筒壁的底部靠近圆角处，几乎没有切向压缩，变形程度小，加工硬化现象小，材料的屈服点低，壁厚变薄。整个筒壁部由上而下壁厚逐渐变小，硬、薄板料拉深时最容易产生破裂。拉裂是筒形件拉深时的最主要的破坏形式。拉深时，极限变形程度就是以不拉裂为前提的。,防止起皱的方法:设压边圈、增加板料厚度,拉深过程中另一种常见缺陷是起皱。为防止起皱，可采用设置压边圈来解决。也可以通过增加毛坯的相对厚度或拉深系数来解决。,2.弯曲,将金属材料沿弯曲线弯成一定的角度和形状的工艺方法称为弯曲。开始弯曲时，板料的弯曲内侧半径大于凸模的圆角半径，随凸模的下压，板料内侧半径逐渐减小，同时弯曲力臂也逐渐减小。当凸模、板料、凹模三者完全压合，板料的内侧半径及弯曲力臂达到最小时，弯曲过程结束。,弯曲时的回弹,弯曲件的结构工艺性,3.翻边将零件的孔边缘或外边缘在模具作用下，翻成竖立边缘的一种冲压工艺方法。,4.胀形利用压力将直径较小的筒形零件或锥形零件由内向外膨胀成为直径较大的凸出曲面零件，或者在板材上形成刚性筋条的一种塑性成形工艺方法。,5.缩口利用模具使空心件或管状件的口径缩小。,黄铜弹壳的冲压过程,特种压力加工技术,一、挤压使金属坯料在挤压模中受强大压力作用而变形的加工方法。（一）挤压的特点：1.挤压时金属坯料在三向压应力作用下变形，可以提高金属坯料的塑性。2.可以挤压出各种形状复杂、深孔、薄壁、异型断面的零件3.零件的力学性能好4.零件精度高，节省材料，材料利用率70%,欲完成挤压需有：1）产生动力的装置：挤压机2）传递动力、容纳坯料、控制制品尺寸和形状的工具：轴、筒、模、穿孔针、垫片、模座、锁键,过程：清理筒、装模、落锁键、送锭、放垫片、挤压、抬锁键、切压余、冷却（润滑）工具、重复下一次。,1）正向挤压,正挤压特点：1）存在较大的外摩擦（高温、高压），导致能耗大、变形不均匀（组织性能不均）,制品表面质量好；2）操作方便、适用范围广，是目前最广泛应用的方法。,根据变形特征分：正（向）挤压、反（向）挤压、复合挤压、径向挤压等,制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。,2）反向挤压：制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反,二轧制,指金属材料(或者非金属材料)在两个回旋轧辊的空隙中受压，产生连续塑性变形，获得需要的界面形状并改变其性能的成形方法。,1.辊锻,将坯料在装有扇形模块的一对相对旋转的轧辊中间通过，使坯料受压发生塑性变形，从而获得锻件或锻坯的锻压方法。与模锻件相比，辊锻件力学性能较好，尺寸稳定，可节省材料，但尺寸和形状精度不高并且只能使截面变小，不能使截面变大，故主要适用于生产长轴类、长杆类锻件或锻坯。目前，辊锻工艺已用于制造汽车、拖拉机的前梁、连杆、传动轴、转向节以及涡轮机叶片等零件。,辊锻示意图,2.横轧轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制方法。将带齿形的轧轮做径向进给，迫使轧轮与坯料对辗，在对辗过程中，坯料上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部“反挤”而形成齿顶。直齿和斜齿均可用热轧成型。,3.5.2辊轧成形,2）斜轧,斜轧是轧辊轴线与坯料轴线在空间相夹一定角度的轧制方法。斜轧工艺已广泛应用于生产钢球、热轧麻花钻、汽车防滑钉、多联齿轮以及管类零件或毛坯。,斜轧,2）螺旋斜轧：带螺旋槽的轧辊轴线相互交叉，同向旋转，轧坯作螺旋运动（绕自身轴反转，并轴向向前），同时受压塑性变形，获得制品。,3.5.2辊轧成形,超塑性成形,金属及合金在特定的组织条件、温度条件及变形速度下进行变形时，可呈现出异乎寻常的塑性(伸长率可超过100%，甚至1000%以上)，而变形抗力则大大降低（常态的1/5左右，甚至更低），这种现象称为超塑性。超塑性分为细晶超塑性(又称恒温超塑性)和相变超塑性(又称动态超塑性)等。细晶超塑性形成的主要条件是：采用变形和热处理方法获得0.55m的超细等轴晶粒；超塑性成形的温度控制在(0.50.7)T熔K；超塑性成形的变