锻造冲压工艺学

1、锻造冲压工艺学 主讲：曹富荣 电话第一章第一章 锻造与冲压概论锻造与冲压概论 1 1、定义定义：锻压是锻造与冲压的简称。锻造是 采用锭材、棒材在设备及工（模）具作用 下，使坯料产生塑性变形，获得所需形状、 尺寸和质量的工件的加工过程。冲压是常 温下在机器上把板材加工成零件（冲压件） 的过程。 2、锻压加工的、锻压加工的主要方法主要方法如图如图1和图和图2所示。所示。 自由锻 在上下工具 之间成形 模锻 模腔中成形 冷挤冷锻 图1 锻造方法 热锻冷锻 冲裁 弯曲 深拉延 胀形 图2 冲压方法 3 3、锻压的历史、特点与发展方向、锻压的历史、特点与发展方向 3.1 历史历

2、史 a 久远，有几千年的历史，手工制作，例如：中国秦朝 兵马俑出土地的宝剑制作；西方damascus刀的制作； 金银首饰的制作等等。 b watt蒸汽革命之后机器驱动，出现了第一台简易平 锻机，至今有几百年的历史。 c 今天，大型现代化设备出现。门类比较齐全，应用于 机械制造、冶金、造船、航空航天、汽车、机车车、 电力、化工、兵器等部门。 3.2 3.2 特点特点 a 铸造是针对塑性较低的材料提供接近零件形状的毛坯。例如机 床床身、发动机机匣。 b 锻造一般采用热加工，得到高强度质量的零件。例如蜗轮叶片、 飞机起落架。 c 冲压一般是冷加工得到零件。例如飞机蒙皮、电子仪表、电子 接插件、电路板

3、等。 冲压与锻造的区别举例：一架飞机上有1000种锻压件，而机上 冲压件数量是锻压件的几倍。 d 锻压与其它成形方法（轧制、挤压、拉伸等）对比锻压指向品 种多而复杂的坯料或零件。轧制、挤压、拉伸等指向板、带、 条、箔、管、棒、型、线的一次加工产品，该产品尚需二次加 工（锻、冲、铆、焊）。例如：纯铝的保温瓶盖与医学用瓶盖， 其工艺为：冶炼铸锭热轧冷轧卷取冲压。 3.3 发展方向发展方向 a a 设备向巨型化发展。 一组数据说明：70万kn模锻水压力机（液体压力传动） 12万kn热模锻压力机（机械传动） 145万kj 对击锤 11万kn螺旋压力机 b b 设备专门化、精密化和程控化。主要是因为电子

4、技术的应用。 例如:cnc计算机数控技术的应用。造成无人化车间：柔性制造 系统（flexible manufacturing system(fms)）机器人使用 cad/cam技术应用。一句话，实现无人化、智能化的控制。 c c 提高锻压件的精度和模具寿命，实现锻压件的标准化、实现整 机制造中零件的系列化和通用化。例如各种零件中心（齿轮中 心、轴承中心、曲柄连杆加工中心、螺母与螺钉中心等）便是 上面“三化”的例子。 d d 模锻的比例加大，自由锻的比例减少。 e e 理论模拟或模型预报 锻压cad/cam技术的发展与应用，从微观角度（显微研究） 或有限元模拟角度进行。 例如上海交通大学和华中科

5、技大学的模具中心；哈尔滨工 业大学精密热加工中心。 f f 锻造新工艺：精锻、等温成形、精密碾压、电墩、旋锻、 辊锻、摆动碾压、超塑性成形等。 冲压新工艺：软模成形、差温拉深法、爆炸成形、电水成 形、电磁成形、旋压 4 4、锻压设备、锻压设备 锻压设备是制造产品的工具。 原机械部把锻压设备分为八大类，但是从 原理上划分可分为三种-锤类、曲柄压力 机类、液压机类。 4.1 锻锤 利用冲击能量，结构简单，工艺适 应性好，用于锻造。 缺点：振动/噪音大，因此大吨位锤受到限 制。 中国：蒸汽-空气锤在16t以下。对大吨位 的对击锤（国内1000kj，国外1400kj）， 因其不利因素（噪音/振动）被抑

6、制 。 4.2 曲柄压力机曲柄压力机 利用周期性的机械静压力 进行工作，用于锻造与冲压。 例如热模锻压力机最大达120mn；冲压最 大达80mn。 4.3 液压机液压机 利用液体压力进行工作，包括 水压机和油压机，国内120mn/350mn，国 外750mn。 5 锻压应用与工艺锻压应用与工艺 5.1 应用应用 锻造在冶金厂应用：高速钢、钛等高温合金 的锻造开坯，之后才进行轧或挤成板棒材。 锻造在机械厂应用：主要为重要零件准备毛 坯。例如圆饼锻造成齿轮毛坯。 冲压应用：制备各工业领域的零件。 5.2 工艺流程工艺流程 视具体零件加工/毛坯加工而定。但可以提炼 出模锻一般的工艺：下料加热模锻 （

7、切边、冲孔）酸洗与清理热处理去 氧化皮（打磨或刮削）涂漆检验等。 冲压：冲裁，弯曲，拉深，胀形等。 6 6 机械类制造厂的组成和锻压车间的生产特点机械类制造厂的组成和锻压车间的生产特点 6.1 机械类制造厂的组成机械类制造厂的组成 机制厂以产品来定厂名称和安排生产。 a a 生产流程完整的机制厂（例如飞机制造公司、发动机制造公司、 汽车厂、拖拉机厂等）一般包括三个部分。 i 生产车间（分厂）直接生产产品。 毛坯车间 为后续加工准备坯料或毛坯的车间。例如铸钢、铸铁、 有色铸造、自由锻、模具车间。 加工车间 加工上面毛坯成成品零件。例如金工、冲压、焊接、 热处理、电镀、油漆、油泵、起落架、机轮等车

8、间。 装配车间 零件装配成整机。包括部件装配和整机装配。即零件 集合成部件组装成整机。 ii 辅助车间 为生产车间服务。例如工具、模具、 机修、标准件等车间。 iii 动力车间 为全厂提供动力或能源。例如锅炉、 煤气、送变电、水泵等车间。 b b 生产流程不完整、以某一部分为主的厂子。 以毛坯车间为主的机制厂。 例如铸锻厂、汽车 锻件厂、机床铸造厂。 以加工和装配车间为主的机制厂。 例如冲压件厂、拖拉机配件厂、电机厂等。 6.2 锻压车间及其生产锻压车间及其生产特点特点 根据生产特点，将锻压车间分为大锻件自由锻车间、中小 锻件自由锻车间、热模锻车间、冷锻和冲压车间。 i 大锻件自由锻车间 产品

9、：几吨到几百吨的大型自由锻件。目前自由锻 的锻件重达260吨。 原材料：钢锭 生产方式：单件/小批量 设备：水压机（30-120mn） ii中小锻件自由锻车间 产品：小于1.5吨的自由锻件。 原材料：棒材或小钢锭 生产方式：小批量 设备：1-5t蒸汽-空气锤、65-750kg空气锤 中小型液压机、螺旋压力机 iii 热模锻车间 产品：模锻件 原材料：棒材 生产方式：大批量 设备：蒸汽-空气模锻锤 热模锻压力机 平锻机 螺旋压力机 模锻水压机 iiv 冷锻车间 产品：通用件或标准件 原材料：冷拉棒材、卷材 生产方式：大批量，多品种 设备：冷挤压机、冷墩机等 v 冲压车间 直接制产品。例如冲压焊、

10、铆接喷（涂）漆等。 6.3 锻压车间平面布置锻压车间平面布置 大型厂（汽车厂、飞机制造公司、拖拉机厂等）呈ii字 形或山字形。 中小型厂，呈“一”字形。 举例1：拖拉机厂 备料 检验 锤上模锻 热处理 中间库 压力机上模锻 成品 图3 字型拖拉机厂 工具模具库 模锻工段 自由锻工段 毛坯库 精整/酸洗 热处理 材料备 料段 焊接装配 喷漆等辅 助工段 冲压工段 图4 山字型auto厂图5 “一”字型冲压车间 举例3：冲压厂举例2：汽车制造厂 7 本课程的体系简介本课程的体系简介 7.1 拓宽成形知识面、巩固所学的塑性力学和金属学等课程。 7.2 获得毛坯、零件及其设计的基本知识。 7.3 学时

11、分配20学时（锻造10学时，冲压10学时） 课内：课外1：2分配。 7.4 参考书与杂志 1. 扬振恒，锻造工艺学，西北工业大学出版社，1984 2. 李云瑞等，塑性加工导论，西北工业大学出版社，1996 3. 王允禧等，锻造与冲压工艺学，冶金工业出版社，1997 4. 齐克敏等，材料成型工艺学，冶金工业出版社，2006 5. 傅老寿，锻压技术问答，机械工业出版社，1993 6. 金堂，机械工艺学读本，1999 7. 杨守山，有色金属塑性加工学，冶金工业出版社，1980 8. 李奎华，肖景容，冲压工艺学，1990 9. 吴诗敦，冲压工艺学，西北工业大学出版社，1987 10 . j.mater

12、 proc tech 11. met forming 12. met treatment 13. machine 而有压边圈的2=c(2-m)=c2-cm。 因为c2有压边圈2，表明无压边的2 比有压边的2要大，则发生材料的拱起，叫“起皱”，这是起皱 的物理本质。 2区 凹模转角区 作用：传力，形状过渡。 3区 筒壁区 作用：传力区。在弹性范围内。 4区 凸模圆角区 作用：传力，弯曲。有人称危险断面。 5区 筒底区 作用：传力区，处于平面应力状态。 9.2 拉深过程力学分析拉深过程力学分析 凸缘变形区的应力分布 r-外缘半径，r-内缘半径沿 r方向合力为零 （1+d1）(r+dr)t-1rt+

13、2(3tdr)sin(/2)=0(1) 数学简化，很小，sin(/2)/2，忽略d,dr高 阶无穷小，得微分平衡 方程 d1=-（1+3）dr/r(2) 由塑性条件 1-3 =s,取=1.1, 因为 30，取s为平均值sm， 所以 1+3=1.1sm(3) (3)代入（2） d1=-1.1smdr/r 边界条件：r=r时，1=0 边界上； r=r时，1=1 任意处 01d1-1.1smrrdr/r 1=1.1smln(r/r)(4) 上式是1由rr的分布规律，呈对数变化。 讨论：(1)r=r内缘，1最大，1max=1.1smln(r/r) r=r外缘，3最大，3max=1.1sm （2）刚开始

14、拉深时的拉应力 拉深刚开始时，r=d0/2，r=dp/2，式中，d0-变形前坯料的初始直径 dp-凸模直径，1=1.1smln(dp/dp)，定义m=dp/d0拉深系数。 图47 凸缘变形区的应力分布 凹模 凸模 板料 3 /2 r 1 2 、拉深力的计算 上面推导的为了计算拉深力。 主动力（拉深力）p要克服变形区阻力1和压边摩擦力2q引起的阻力m和 凹模圆角弯曲的阻力w 已知 m2q/（dpt） wb/2rd/t+1 （由弯与反弯功平衡原理得到） 单位拉深力 pp/dpt( 1+m)exp(/2)+ w 因为 exp(/2)=1+(/2)1+1.6 从而 p(1+m)(1+1.6)+ w (

15、1.1smln(r/r)+(2q)/( dpt)(1+1.6)+ b/(2rd/t+1) 进一步拉深力ppdpt 上式为所求的拉深力公式。 1 图48 拉深力确定 9.3 拉深工件的起皱与防止拉深工件的起皱与防止 定义：拉深时，如板坯较薄，很可能在切向压应力3的作用 下，造成板材失稳，发生起皱现象。 1 、影响毛坯起皱的因素 （1）板坯相对厚度t/d0, t/d0越小，抗失稳能力越差，越易起 皱。 （2）拉深系数m=d/d0,m越小，变形程度越大，sm增加， 3增加，所以起皱。 （3）凹模工作部分的几何形状。平端面凹模与锥模相比易起 皱。 2、 防止起皱方法 （1）减小拉深变形程度。可采取多次

16、拉深。 （2）锥模拉深代替平拉。 （3）加压边圈防皱。 9.4 拉深工艺计算拉深工艺计算 1、拉深系数m m=d/d0凸模直径除以板坯直径叫拉深系数。m 与变形程度成反比关系，所以m不能过小，否则拉裂。 2 、拉深次数n n=1+lgdn-lg(m1d0)/lgm 式中m-平均拉深系数，n-拉深道次，m1-第一道次拉深系数， dn-工件直径，d0-拉深坯料直径。 对于多次拉深，需要用上式计算（近似）拉深次数。 推导如下： 设 m2=m3=mn=m d0拉至 d1 d1m1d0 d1拉至 d2 d2 m d1 mm1 d0 d2拉至d3 d3 md2m2m1 d0 dn-1dn dn mn-1m

17、1 d0 取对数,lg dn =(n-1)lgm+lg(m1 d0) 所以 n=1+lg dn -lg(m1 d0)/lgm,得证。 复习思考题复习思考题 1、锻压加工主要有那些方法？ 2 、锻压与其它加工方法（铸造、轧制、挤压、拉伸）相比 有什么特点？ 3、 锻造在冶金厂和机械类厂有何应用？ 4 、生产流程完整的机制类厂一般包括那几个部分？ 5、模锻工艺一般由那些工序组成？ 6、 合金钢加热过程要注意那四个现象？锻造加热温度如何 确定？ 7、自由锻包括那些基本工序？其锻件分几类？ 8、名词解释：锻件图、余量、余块、公差 9 、自由锻工艺规程包含那些内容？ 10、 模锻如何分类？各生产何种形状的产品？ 11、 模锻分模面的确定遵循什么原则？ 12、 模锻为什么留圆角？ 13 、有孔件模锻为什么留冲孔连皮？有集中形式？ 14、飞边槽有什么作用？有几种形式？ 15 、列出可能的锻造新工艺？ 16 、有那些冲压方法？