9第九章--压力加工

,第九章金属塑性成形,第九章金属塑性成形,概述第一节金属塑性成形基础第二节常用的金属塑性成形方法第三节金属塑性成形的工艺与结构设计第四节金属塑性成形技术的发展,概述,概念：金属塑性成形是利用金属材料所具有的塑性，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。由于外力多数情况下是以压力的形式出现的，因此也称为金属压力加工。,特点：优点：（1）消除缺陷，细化晶粒，提高金属的力学性能。（2）材料利用率高。（3）具有较高的生产率。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。（4）零件的精度较高，可实现少、无切削加工。缺点：不能加工脆性材料和形状特别复杂或体积特别大的零件或毛坯，且一次性投资较高。,应用：金属的塑性成形是生产金属型材、板材、线材等的主要方法。此外，承受较大或复杂负荷的机械零件，如机床主轴、内燃机曲轴、连杆以及工具、模具等通常需采用此成形方法。如飞机上的压力加工成形零件约占85%；汽车、拖拉机上的锻件占60%80%。,第一节金属塑性成形基础,一、金属塑性变形的实质二、塑性变形对金属组织和性能的影响三、金属的锻造性能,一、金属塑性变形的实质,金属塑性变形的实质，对于单晶体是由于金属原子某晶面两侧受切应力作用产生相对滑移，或晶体的部分晶格相对于某晶面沿一定方向发生切变，即滑移理论和孪生理论。单晶体塑性变形：滑移。多晶体塑性变形：滑移+晶粒转动。,二、塑性变形对金属组织和性能的影响,1.冷塑性变形对组织的影响：1）晶粒沿变形最大的方向伸长。2）晶格晶粒均发生扭曲，产生内应力。3）晶粒间产生碎晶。2.冷塑性变形对组织的影响形变强化、加工硬化、冷作硬化。强度，硬度；塑性，韧性原因：（微观）碎晶，晶格扭曲，增大滑移阻力。,晶粒变形,加工硬化塑变程度增大，金属强度，硬度升高；塑性，韧性下降的现象。1）有利：强化金属，形变强化有害：变形抗力，继续压力加工困难，对模具不利，设备吨位加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态，具有自发恢复稳定状态的趋势（室温不行）2）消除方法：加热回复和再结晶,3.回复与再结晶：1）回复：金属冷变形后，加热到一定温度，原子恢复正常排列，消除了晶格扭曲，应力大大降低。加工硬化部分消除（晶粒形状、大小及金属的性能变化不大），原子获得能量。震动加剧，回复正常排列。T回（0.250.3）T熔（室温273）T回、T熔分别为金属回复、熔化的绝对温度。,2）再结晶：温度再增加，金属原子获得更多能量，则以碎晶和杂质为核结晶成新的晶粒。实质：无畸变组织代替变形组织，完全消除加工硬化。T再0.4T熔T再金属绝对再结晶温度。再结晶退火：经冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除变形强化和残余应力的工艺。高温下受力塑性变形硬化与再结晶同时存在。,4.冷变形和热变形1）冷变形冷变形T再以下发生的变形。冷变形后具有加工硬化组织，能获得较高的表面光洁度及硬度，但变形程度不宜过大，避免破裂。冷变形的特点：制作精度好、表面粗糙度小、劳动条件好，可提高材料的强度和硬度，但变形抗力大，对工模具要求高，且易产生应力、塑性下降。冷变形常常需要中间退火。冷变形后的件若继续加工，要再结晶退火。,2）热变形热变形T再以上发生的变形。热变形可得到再结晶组织，变形程度大，无加工硬化，获得良好的机械性的组织。热加工的特点：塑性良好，变形抗力小，容易加工变形；但易氧化，制件的尺寸精度差，表面粗糙，劳动条件差，需专门加热设备。5.锻造流线及锻造比1）锻造流线：锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这种热锻后具有一定方向性的金属组织，通常称为锻造流线，又叫纤维组织。,2）锻造比锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法。通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。锻造比对锻件的锻透程度和力学性能有很大影响。锻造比越大，热变形程度越大，金属的组织、性能的改善越明显。但当锻造比达到一定值时，锻件的力学性能不再上升，而且增加各向异性。一般，碳素结构钢取2-3，合金结构钢取3-4。对于某些高合金工具钢和特殊性能的合金钢，为促进合金碳化物分布的均匀化，击碎钢中的碳化物，常采用较大的锻造比，如高速钢取5-12，不绣钢取4-6。,锻造比越大，锻造流线越明显；锻造流线的稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。锻造流线使金属的力学性能呈各向异性，当分别沿着流线方向和垂直流线方向拉伸时，前者有较高的抗拉强度；当分别沿着流线方向和垂直流线方向剪切时，后者有较高的抗剪强度。故为了提高零件机械性能，应尽量做到：a)使纤维方向于零件的轮廓相符合，而不被切断。b)使零件受max拉应力与纤维方向一致。max与纤维垂直。,三、金属的锻造性能,金属在压力加工时获得优质产品的难易程度称为金属的锻造性能。包括方面：1）塑性：变形时金属不易开裂。、k2）变形抗力：省力，不易磨损模具，小设备，消耗能量小。影响金属锻造性能的因素：（1）内在因素：（2）加工条件：,（1）内在因素：1）化学成分：纯金属一般具有良好的锻造性能。碳钢随碳的质量分数的增加，锻造性能逐渐变差。合金元素的加入会劣化锻造性能。2）金属组织：纯金属及固溶体锻造性能好，而碳化物的锻造性能差。铸态柱状晶组织和粗晶结构不如细小而又均匀晶粒结构的金属锻造性能好。3）晶体结构：面心立方体心立方密排六方。,3)应力状态：一般说来：压应力数目越多，塑性越好；拉应力数目越多，塑性越差。,进入第二节,TheEndofThisPart,第二节常用的金属塑性成形方法,一、轧制二、挤压三、拉拔四、自由锻五、模锻六、板料冲压七、其他塑性成形方法,一、轧制,二、挤压,1.概念：挤压是指金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的方法，如下图。,2.特点：挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件，适用于加工低碳钢、非铁金属及合金。3.类型：,1）按金属流动方向和凸模运动的方向不同分：正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。2）按金属坯料所处的温度分：热挤压、冷挤压和温挤压。,三、拉拔,1.概念：拉拔是指将金属坯料强行拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法，如下图。,2.特点：多数情况下是在冷态下进行，所得产品具有较高的尺寸精度和低的表面粗糙度，常用于轧制件的再加工，可制造各种线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型材。,模孔常用硬质合金或其它耐磨材料制造。,四、自由锻造,1.概念：自由锻是指金属坯料在锻锤或压力机的上下抵铁（上砧、下砧）间受冲击力或压力而变形的加工方法，如下图。,2.特点：1）工具简单、通用性强；2）应用广泛，几克几百吨，机械性能高；3）锻件尺寸精度差，材料利用率低；,4）只能用于形状简单的锻件；5）劳动强度大（尤其手工）；3.工序：自由锻的工序分为基本工序、辅助工序和修整工序。基本工序有镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转等；辅助工序有压钳口、倒棱、切肩等；修整工序有校正、滚圆、平整等；,4.设备：常用的自由锻设备有锻锤和液压机两大类，其中锻锤产生冲击力使金属坯料变形，常用的有空气锤和蒸汽空气锤。空气锤吨位较小，只用来锻造小型件；蒸汽空气锤的吨位稍大（最大吨位可达50kN），可用来锻造质量小于1500kg的锻件；液压机产生静压力使金属坯料变形，吨位较大的水压机可以锻造重量达300t的锻件。,五、模锻,1.概念：模锻是指金属坯料在一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。,2.原理：模锻的工作原理与蒸汽空气自由锻基本相同，只是其采用专用的锻模对金属材料进行成形。,3.特点：优点：1）操作技术要求不高，生产率高；2）尺寸精确，表面质量好；3）可锻造形状较复杂的锻件；4）节省材料，减少切削量，降低成本（批量）。5）锻件内部流线分布更合理；6）劳动强度较低；缺点：1）受设备吨位限制，质量不能太大（150kg以下）；2）锻模成本高，不宜于小批、单件生产。3）工艺灵活性较差，生产准备周期较长；,5.锻模,锻模的结构是由上下两模块组成。两模块通过燕尾和楔铁分别紧固在锤头和模座上。上、下模接触时，其接触面上所形成的空间为模膛。模锻模膛按其结构和功用可分为制坯模膛和模锻模膛两类。制坯模膛拔长、滚压、弯曲、切断模锻模膛预锻模膛和终锻模膛,4.分类：按使用设备的不同，模锻主要有锤上模锻、胎模锻和其它设备上的模锻。,（1）模锻模膛,1）预锻模膛a.使坯料变形到接近于锻件的形状、尺寸，使金属易于充满终锻模膛。b.减少对终锻模膛的磨损，提高锻模寿命。与终锻模膛区别：斜度和圆角大，没有飞边槽。形状简单、小批量、可不用此模膛。2）终锻模膛：使坯料变形成锻件图上要求的形状、尺寸和精度。a.因热胀冷缩，终锻模膛尺寸要比锻件尺寸放大一个收缩量。b.模膛四周有飞边槽增加金属从模膛中流出阻力，容纳多余的金属。c.对于有通孔件，留有冲孔连皮。,（2）制坯模膛,作用：1）使坯料形状和尺寸接近锻件（为预锻和终锻做准备）2）清除坯料表面的金属氧化皮a.拔长模膛：减少某部分横截面，以增加其长度，一般设在锻模边缘，操作时需一边送进，一边翻转。b.滚压模膛：减少某部分横截面，以增加另一部分横截面，使金属按锻件形状分布。c.弯曲模膛：需弯曲的杆类件，用弯曲模膛来弯曲坯料。d.切断模膛：它是在上、下模的角上组成一对刀口，单件时用来切下锻件或切下钳口；多件时，用它分离单件。,六、板料冲压,4.特点：,1）可冲压出成型复杂的件，废料少；2）产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性好。3）质量轻，材料消耗少，强度、刚度高。4）操作简单，便于自动化，生产率高。5）模具复杂，适于大批量生产。5.基本工序：可分为分离工序和变形工序，前者主要指冲裁工序，后者包括弯曲、拉深和成形等。,(1)分离工序,1）冲裁冲裁是利用凹、凸模使坯料按封闭轮廓分离的工序。落料和冲孔总称为冲裁。落料和冲孔的工艺过程完全相同，当坯料被冲下的部分为成品时，该工艺过程称为落料；当坯料的周边为成品时，该工艺过程称为冲孔。2）切断指将材料沿不封闭的曲线分离的冲压方法称为切断。主要用于将板料切成具有一定宽度的条料，为成形工序的备料工序。3）切口指将材料沿不封闭的曲线部分地分离开，其分离部分的材料发生弯曲，此种冲压方法称为切口。,（2）变形工序-包括弯曲、拉深和成形,1）弯曲：指将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度的制件的成形方法称为弯曲。受力分析：外侧受拉，内侧受压，tb，外侧拉裂，板厚r则t易裂最小弯曲半径rmin=（0.251）塑性rmin可小些弯曲方向：弯曲时尽可能使弯曲线与毛坯的纤维方向一致回弹：回弹现象010防止方法：a.弯曲的模具角度小一个回弹角;b.弯曲时两端加拉力，压力拉力;,3)成形：指用各种局部变形的方式来改变工件或坯料形状的各种加工工艺方法。主要包括压肋、压坑、胀形、翻边等。压肋：压坑：指压制圆形加强窝。胀形：通过模具使空心件或管状坯料向外扩张，胀出所需的凸起曲面的成形方法。翻边：将制件的孔边缘或外边缘翻转成竖立或一定角度的直边的工艺方法。,七、其他塑性成形方法,1.精密模锻：指在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻工艺。工艺特点：1）精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料；2）精细清理表面，去氧化皮，脱碳层；3）采用无氧化或少氧化加热，减少氧化皮；4）采用高精度锻模；5）锻模应进行润滑，冷却（热胀冷缩）；6）采用刚度大，精度高的设备。应用：多用于中小型零件的大批生产。如各类医疗器械、汽车、拖拉机的直齿锥齿轮、飞机操纵杆及发动机涡轮叶片等零件。,2.超塑性成形,（1）概念：金属在特定的组织条件、温度条件和变形速度下变形时，塑性比常态下提高几倍到几十倍，而变形抗力降低到常态的几分之一，甚至几十分之一的特性。（2）类型：主要有细晶粒超塑性和相变超塑性两种。（3）应用：1）板料冲压，可拉深很深筒；2）板料气压成形；3）挤压、模锻，如钛合金；,进入第三节,TheEndofThisPart,第三节金属塑性成形的工艺与结构设计,一、自由锻的工艺与结构设计二、模锻的工艺与结构设计三、板料冲压的工艺与结构设计,一、自由锻的工艺与结构设计,一）自由锻的工艺设计自由锻工艺设计的主要内容包括：根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量和尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料加热规范和填写工艺卡片等。即：零件图绘制锻件图计算坯料质量和尺寸选择锻造工序设备和吨位加热规范规定技术要求检验要求编制劳动组织和工时,1.绘制锻件图,2.计算坯料质量和尺寸,1）坯料质量的计算：坯料质量为锻件的质量与锻造时各种金属损耗的质量之和，可按下式进行计算：m坯=（m锻+m芯+m切）（1）式中：m坯-坯料质量；m锻-锻件质量；m芯-冲孔时的芯料质量；m切-锻造中被切掉的金属质量。钢料加热损耗率，第一次加热取被加热金属的23，以后各次加热取1.52.0。2）确定坯料的尺寸：根据计算出的坯料质量即可计算杯料的体积，最后依据基本工序及锻造比计算坯料的截面面积、直径、边长等尺寸。,3.选择锻造工序,包括基本工序、辅助工序及修整工序。根据锻件技术要求，坯料情况，生产批量等确定。一般：盘类：镦粗、（或拔长、镦粗）冲孔。轴类：拔长（拔+镦粗）、压肩。筒类：镦粗（镦+拔）、冲孔、在心轴上拔长。环类：镦粗（拔+镦）、冲孔。详细情况见教材表9-1。,4.选择锻造设备锻造设备应根据锻件材料、尺寸（或质量）、锻造的基本工序、设备的锻造能力等因素进行选择，并应考虑工厂的现有设备条件。相关内容可查有关手册。5.确定坯料加热规范根据锻件的材料、尺寸、形状和生产批量等因素，查阅相关手册，确定坯料的加热规范。6.填写工艺卡片工艺卡的填写可参见教材表9-2，典型自由锻锻件的工艺卡。,二）自由锻件的结构设计,原则：满足使用性能要求，符合自由锻工艺要求，节约金属，保证质量，提高生产率。1.尽量避免锥体或斜面（因必用专用工具，成型困难）2.锻件由几个简单几何体构成时，交接处不应形成空间曲线。3.锻件不应设计出凸台、筋板。4.椭圆形、工字形等复杂截面应避免。5.截面变化不宜太大。锻造比太大6.外表面复杂的锻件不应设计，可采用分别锻造，然后焊接或机械联接。,二、模锻的工艺与结构设计,一）模锻的工艺设计模锻的工艺设计的主要内容包括：绘制模锻件图、计算坯料质量和尺寸、确定模锻工步（模膛）、安排修整工序等。1.绘制模锻锻件图模锻锻件图是制造和检验终锻模膛的依据。这是以零件图为基础，考虑了分模面的选择、加工余量、公差、余块、模锻斜度、圆角半径和冲孔连皮等绘制的。,（1）分模面的选择,原则：a、保证锻件能完整地从模膛中取出；b、使模膛浅而宽，便于加工、利于金属流动；c、应使上、下模膛沿分模面的轮廓一致，便于检查上、下模错移；d、分模面应使锻件上敷料最少；e、分模面尽量选平面；f、有流线要求时，依受载情况确定；应用实例：,c,返回,（2）确定余量、公差、敷料机械加工余量：一般14mm，比自由锻小的多。公差：一般0.33mm；敷料：为简化形状，d2530mm，孔不锻出，加敷料。相关具体数值可查锻工手册。（3）确定模锻斜度锻件上平行于锤击方向必有斜度，以利于取件。斜度大小与锻件形状尺寸、材料性质、锻造方法（如平锻有顶出装置，斜度小）等有关。一般钢件外模锻斜度=510，内斜度比外斜度大23，因为内壁冷缩，夹紧工件。,4）确定圆角半径：锻件两平面交接处均要做成圆角。a、金属易于充满模膛；b、模凹角处易应力集中、裂纹；c、凸尖角处有圆角磨损减轻，提高模具寿命；d、避免拉断流线；钢的模锻件外圆角半径取1.5mm-12mm，内圆角半径是外圆角半径的2-3倍。模膛深度越深，圆角半径取值越大。5）冲孔连皮：d25冲孔，连皮厚度与孔径d有关，d=3080mm时，s=48mm。,2.计算坯料质量和尺寸,坯料质量：G坯=G锻+G飞+G氧+G连皮式中，G飞=G锻（1525）%，G氧=（G锻+G飞）（34）%。坯料尺寸：盘类件：镦粗为主1.25H坯/D坯2.5长轴类：以拔长为主L坯=（1.051.30）V坯/F坯=（1.341.66）V坯/D2坯,3.确定模锻工步,二）模锻件的结构设计,设计模锻件时，应根据模锻特点和工艺要求，使零件结构符合下列原则，以便于模锻生产和降低成本。1)必须具有合理的分模面（锻件易取出，敷料少，锻模易做）。2)应有模锻斜度和圆角3）非加工面尺寸精度要符合模锻生产工艺，加工面留余量。4）锻件形状尽量简单对称，各截面差不可太大。5）尽量避免深孔、多孔。（简化模具制造、提高寿命）6）若形状复杂，用锻-焊结构，减少敷料。,三、板料冲压的工艺与结构设计,一）冲裁工艺与结构设计二）弯曲工艺与结构设计三）拉深工艺与结构设计,一）冲裁工艺与结构设计,1.冲裁件的尺寸和形状：1）落料件外形和冲孔件的孔形应力求简单、对称，排样时废料少，尽可能采用圆形、矩形，避免长槽、长悬臂结构。总之：应利于制造模具，提高模具寿命，节省材料。2）冲孔时圆孔dt方孔L0.9tt料厚；孔距、孔与边距t保证凹模寿命；外缘凸出或凹进的尺寸1.5t，保证件不变形。3）冲裁件：两相邻边要用圆弧联接，避免应力集中。,2.模具尺寸：（1）冲裁间隙：即凸凹模间隙。间隙大小影响断面质量、模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。间隙过大冲裁件断面质量粗糙，尺寸精度误差大；间隙过小冲模磨损严重，卸料、落料难。原则：冲裁件断面质量要求较高时，选较小间隙；冲裁件断面质量无严格要求时，选较大间隙；一般取（510%）S，以利于提高冲模寿命。,（2）刃口尺寸：冲孔模：1）以冲孔件确定凸模尺寸，考虑磨损，凸模选孔的最大尺寸（公差允许内）；2）以凸模为基准，加上间隙，设计凹模；落料模：1）以落料件确定凹模刃口尺寸，考虑凹模磨损，凹模刃口尺寸取公差范围最小值；2）以凹模尺寸为基准，减去间隙，设计冲模