材料成形原理与工艺第15章塑性加工工艺（ 锻造）.ppt

材料成形原理与工艺之塑性成形篇,吴国清,塑性加工工艺之锻造,第14章,“百炼成钢”,生铁中的含碳量比钢高（生铁碳含量2%-4.3%），生铁经过高温煅烧,其中的碳和氧气反应生成二氧化碳.，由此降低铁中的含碳量,就成了钢.多次冶炼精度更高。其化学方程式如下：C+O2=高温=CO2,3,4,锻造（forging）,一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。锻造工艺是获得高质量和高性能零部件的最好的一类加工方法。尽管锻件通常比其他加工件(如：铸件、粉末金属件、焊接件等)的加工成本高，但是锻造产品的高可靠性使得其应用非常广泛。,5,锻造加工历史,新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。商代中期用陨铁造武器，加热锻造工艺。春秋后期出现的块炼熟铁，就是经过反复加热锻造以挤出氧化物夹杂并成形的。14世纪后出现了畜力和水力落锤锻造。1842年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造进入应用动力的时代。19世纪末形成近代锻压机械的基本门类。20世纪初期，热模锻迅速发展。,越王勾践剑,6,锻件与铸件相比有什么特点？,锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织：粗大枝晶和柱状晶锻造组织：晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织压实和焊合偏析、疏松、气孔、夹渣等，组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。力学性能锻件铸件金属纤维组织的连续性纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能.,7,锻造工艺的主要生产工序,1.下料从适宜截面的轧制棒材上切取坯料2.加热提高金属的塑性，降低变形抗力3.锻造通过塑性变形得到所需锻件的形状和尺寸4.切边开式模锻需要切除横向飞边5.精加工、打磨、表面清洁等多火次锻造需要在工序2、3之间反复进行，,8,自由锻造,主要设备：锻锤：空气锤（100kg)和蒸汽空气锤(1500kg)液压机：水压机（300t)和油压机,利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法，简称自由锻。,锻造成形,自由锻,模锻,9,自由锻,10,11,各种自由锻加工,a.镦粗b.局部镦粗c.延伸d.带芯轴延伸e.冲孔f.扩孔g.弯曲h.切断,12,自由锻,特点及应用范围：采用通用工具、生产方式灵活机动、可用于单件或小批量毛坯生产、可加工小型和大型锻件（例如对几百吨的钢锭进行开坯锻）。缺点：加工表面粗糙，尺寸精度差，不能加工微细部位和斜面，需要留较大的加工余量，材料利用率低。,13,自由锻工序,基本工序,辅助工序,精整工序,基本工序：使金属产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状及尺寸的工艺过程，完成锻件的基本工艺过程。镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移和锻接,辅助工序：为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。压钳口、压钢锭棱边、切肩,精整工序：为减少锻件表面缺陷而进行的工序。整形,14,尽量避免锥体或斜面结构不能存有空间曲线尽量减少辅助结构复杂零件设计成组合体,自由锻结构工艺性,15,自由锻,自由锻工艺规程,绘制锻件图,锻件图,自由锻工艺规程的制定,16,自由锻,自由锻工艺规程,绘制锻件图,1.敷料,17,2.锻件余量,自由锻,自由锻工艺规程,绘制锻件图,18,3.锻件公差,自由锻,自由锻工艺规程,绘制锻件图,19,自由锻,自由锻工艺规程,坯料质量及尺寸计算,重量：G坯料=G锻件+G烧损+G料头,尺寸：与锻造过程中的变形程度有关例如：碳素钢锭拔长：Y拔长=F0/F2.53轧材作坯料：Y拔长=F0/F1.31.5,20,自由锻,自由锻工艺规程,选择锻造工序,盘类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔,轴类件:拔长（镦粗、拔长）、切肩、锻台阶,筒类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上拔长,环类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上扩孔,弯曲类件:拔长（镦粗、拔长）、弯曲,曲轴类件:拔长（镦粗、拔长）、错移、锻台阶、扭转,21,模型锻造,在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形的锻造方法。,与自由锻比较：尺寸精度高、表面质量好、加工余量小、材料利用率高；流线更合理，力学性能好，可批量生产、效率高，模具制造成本高、使用寿命低是模锻工艺发展的最大障碍。,锻造成形,自由锻,模锻,22,模锻分类,开式模锻上下模不全闭合，锻件上会形成横向飞边；闭式模锻不形成横向飞边，材料利用率和零件精度更接近使用要求。,23,模锻设备：模锻锤模锻压力机,1.锤上模锻2.压力机上模锻,模锻分类,24,25,开式模锻的过程,墩粗变形，变形受阻，金属沿高度方向流动开始形成飞边飞边变薄，温度下降，变形阻力加大，模腔内填满打靠合模，使高度符合尺寸，多余金属挤入飞边槽。,26,飞边槽的作用,造成足够大的阻力，促使模膛充满容纳坯料上的多余金属，起补偿调节作用,27,典型模锻件,28,锻模结构,模膛,模锻模膛,制坯模膛,拔长模膛,终锻模膛,预锻模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,29,锤上模锻,锻模结构,终锻模膛,30,锤上模锻,锻模结构,预锻模膛,预锻模膛与终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。,31,锤上模锻,锻模结构,拔长模膛,开式闭式,32,锤上模锻,锻模结构,滚压模膛,开式闭式,33,锻模结构,弯曲模膛,锤上模锻,34,锤上模锻,锻模结构,切断模膛,35,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,1.分模面,要保证模锻件能从模膛中取出,上下两模沿分模面的模膛轮廓一致,分模面能使模膛深度最浅,分模面应使零件上所加的敷料最少,x,x,x,分模面为平面，使上下锻模的模膛深度一致,36,2.余量、公差、敷料、冲孔连皮余量：14mm公差：冲孔连皮：d25mm,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,37,3.模锻斜度,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,38,4.模锻圆角半径,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,39,例,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,40,例,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,分模面,41,例,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,余量,42,例,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,模锻斜度,43,例,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,圆角,44,模锻工艺规程,确定模锻工步,长轴类模锻件,拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻等,锤上模锻,45,盘类锻件,镦粗、预锻、终锻,模锻工艺规程,确定模锻工步,锤上模锻,46,锤上模锻,模锻工艺规程,修整工序,切边和冲孔,热处理,校正,清理,精压,47,合金的锻造性能的影响因素,塑性若塑性低，每次允许变形量小，容易锻裂；变形抗力若变形抗力高，流动性差，要求设备吨位大，且充型能力差；锻造温度范围始锻与终锻之间的温度范围，若温度范围窄，则需增加锻造火次，增加锻造难度；应变速率敏感性限制锻造设备的加压速度；对生产加工效率有影响；应力状态敏感性如果材料对应力状态敏感，则只能采用压应力分量较多的封闭式模锻加工；,48,导热率若材料导热性差，易导致较大的热应力、表面对模具激冷敏感、快速变形时会引起剧烈升温，导致过烧缺陷；再结晶温度与速度影响动态回复与软化过程；可否相变重结晶若合金无多型性转变，则不能利用相变重结晶调整晶粒尺度，一旦发生过热造成晶粒粗大，就只能降级使用；,49,临界变形区域宽度当临界变形区过宽时，变形后容易出现晶粒大小不均匀；表面化学与组织稳定性表面氧化或元素损失严重时，锻造时需要特殊的保护加热，增加了工艺难度；冷作硬化倾向材料的加工硬化倾向大时，终锻温度要提高，变形速度要减慢；,50,锻造用材料,锻造零件用的坯料一般是轧制或挤压获得的合金棒料。碳钢、合金结构钢、锻造铝合金、锻造镁合金等固溶体合金（或处于单相固溶体状态时）具有良好的塑性，锻造性能比较好。难变形合金耐热钢、耐热合金、钛合金、高强钢和高强铝合金等，由于合金化程度高、强韧性高，故变形抗力大；或组织中存在大量强化相，易产生应力集中，难于锻造变形。而镁合金则由于晶体结构的局限性，变形性能不好。这些高性能的合金的锻件加工难度较大。,51,相图与合金的可锻性,固溶体合金具有良好的可锻性，共晶合金不利于锻造。,52,锻造温度,锻造温度范围越宽越有利于锻造操作,53,锻造温度始锻与终锻温度,54,自由锻造实例加工无缝链,55,难加工锻造实例叶片的锻造成形,叶片模锻,56,自由锻件的成本,金属材料的价格约占锻件成本的40%左右，有的合金钢甚至达到50%以上。因此，节约金属材料对于降低锻件成本有着重要的作用。在保证满足加工需要的同时，合理的选择锻造余量、尽量减少余量，可减小金属坯料和节约机加工时，从而降低锻件的生产成本。单件小批生产的自由锻件普遍存在“肥头大耳”的现象，造成金属材料和机加工工时的极大浪费。,57,锻造缺陷,产生锻造缺陷有两方面原因：由原材料引起的缺陷原坯料中存在偏析、夹杂、微裂纹，在锻造过程中扩大暴露为明显缺陷。锻造过程造成的缺陷流线不合理：锻造流线总是力图与最大拉应力平行。合理流线应与零件主应力方向平行。晶粒粗大或不均匀：组织粗大韧性降低，组织不均匀将导致力学性能不均匀；尺寸偏差大：模锻时充型不足造成；折叠和夹层：墩粗时高径比大于2.5，模锻园角过小，坯料尺寸不合适；压痕：氧化皮压入表面造成；锻裂：不均匀变形在锻件中（内部或表面）产生过大拉应力造成。,58,锻造缺陷开裂,59,锻造缺陷脱碳,60,避免锻造缺陷,轴心开裂是由于不均匀变形引起的附加应力所致,因此在两次锻击之间的时间间歇有利于再结晶过程进行,而金属温度愈高应力消除作用也愈大。加热可有效地制止毛坯中心的开裂。在操作上避免中心开裂应采取的措施:1)小送进量:2)“两轻一重”锻造:即开始和终了