材料科学基础 课件3-锻压

1、工程材料成形基础第三章第三章 锻压锻压锻压3.1 概述 锻压锻压锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变形状、尺寸及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成型加工方法。 优点工件组织致密，力学性能高。生产效率高（自由锻除外）。节约金属材料。 锻造和冲压锻造和冲压锻压金属的塑性变形 锻压时，金属坯料在外力作用下产生塑性变形，最终达到所要求的形状和尺寸，同时其内部组织液发生改变，从而提高锻压件的力学性能。 了解金属塑性变形的机理，对于从本质上认识各种锻压方法的原理、工艺，都有重要的意义。锻压金属塑性变形的实质 金属在外力作用下，其内部必将产生应力。此应力迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了

2、原子间的距离，使金属发生变形，并引起原子位能的增高。 处于高位能的原子具有返回到原来低位能平衡位置的倾向，当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失，金属的这种变形称为弹性变形。 当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点之后，即使外力停止作用，金属的变形并不消失这种变形称为塑性变形。锻压金属塑性变形的实质 金属塑性变形的实质是晶体内部产生滑移的结果。在切向应力作用下，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑移，从而造成晶体的塑性变形。当外力继续作用或增大时，晶体还将在另外的滑移面上发生滑移，使变形继续进行，因而得到一定的变形量。 以上理论所描述的滑移运动，相当于滑移面上下两部分晶体彼

3、此以刚性整体作相对运动。要实现这种滑移所需的外力要比实际测得的数据大几千倍，这说明实际晶体结构及其塑性变形并不完全如此。 实际晶体内部存在大量缺陷。由于缺陷的存在，部分原子处于不稳定状态。在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子很容易从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上，从而就实现了整个晶体的塑性变形。锻压金属塑性变形的实质 通常使用的金属都是由大量微小晶粒组成的多晶体。其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形（晶内变形)的综合效果。同时，晶粒之间也有滑动和转动（晶间变形）。每个晶粒内部都存在许多滑移面，因此整块金属的变形量可以比较大。 低温时，多晶体的晶间变形不可过

4、大，否则将引起金属的破坏。锻压金属塑性变形的实质 由此可知，金属内部有了应力就会发生弹性变形。应力增大到一定程度后使金属产生塑性变形。当外力去除后，弹性变形将恢复，称“弹复”现象。这种现象对有些压力加工件的变形和工件质量有很大影响，必须采取工艺措施来保证产品的质量。低温时，多晶体的晶间变形不可过大，否则将引起金属的破坏。锻压塑性变形后的组织和性能 组织的变化 晶粒沿变形最大方向伸长； 晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力； 晶粒间产生碎晶锻压塑性变形后的组织和性能 性能的变化-加工硬化 随着塑性变形的进行，强度硬度增加而塑性韧性下降的现象称为加工硬化。 可提高金属的强度，硬度和耐磨性。 给继续变形

5、造成困难。 消除-再结晶 当经冷变形的金属加热到再结晶温度以上时，金属以一些碎晶、杂质为核心，形成细小的等轴晶粒,使加工硬化彻底消除，塑性完全恢复的现象。 T再0.4T熔锻压塑性变形后的组织和性能 冷变形冷变形-在再结晶温度以下进行的塑性变形。 精度高，表面质量好 强度、硬度高 变形抗力大，内应力大 热变形热变形-在再结晶温度以上进行的塑性变形 晶粒得到细化 缺陷被消除 形成纤维组织，性能具有方向性。 平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高。 垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高。锻压金属的可锻性 金属的锻造性是指金属材料锻造的难易程度。 可锻性的衡量指标 塑性塑性，材料的塑性越好，

6、其可锻性越好。 变形抗力变形抗力，材料的变形抗力越小，其可锻性越好。锻压影响可锻性的因素 金属本质金属本质 化学成分 纯金属合金 组织状态 固溶体化合物 变形条件变形条件 变形温度，在一定温度范围内，温度升高，可锻性上升。 变形速度，在一般的情况下,变形速度的增加可锻性下降。但在高速锻造中，随变形速度的增加，其热效应增加，工件的温度上升，其可锻性上升。 应力状态锻压3.2金属的加热和锻件的冷却加热目的和加热规范目的目的：提高金属的塑性，降低变形抗力，即提高金属的锻造性能。始锻温度始锻温度：锻造开始时坯料的温度。坯料加热温度如果超过始锻温度会造成加热缺陷，甚至使坯料报废。终锻温度终锻温度：坯料经

7、过锻造成型，在停锻时锻件的瞬时温度称为终锻温度。在终锻温度下继续锻造，变形困难，还可能造成坯料开裂或模具损坏。锻造温度范围锻造温度范围坯料温度的确定：仪表坯料温度的确定：仪表/观察火色观察火色锻压加热缺陷及其预防 氧化氧化 坯料表层生成FeO、Fe3O4、Fe2O3等氧化物。 脱碳脱碳 坯料表层含碳量减少。 过热过热 坯料的晶粒组织粗大。 过烧过烧 坯料失去可锻性。 裂纹裂纹 坯料内部产生裂纹。锻压加热方法与加热设备 火焰加热火焰加热 燃料来源方便，炉子修造简单，加热费用较低，对坯料的适用范围广等。因此，这种加热广泛用于各种大、中、小型坯料的加热，在锻造生产中获得广泛应用。 缺点：劳动条件差，

8、加热速度慢，加热质量难以控制等。 电加热电加热 加热速度快，炉温易控制，氧化脱碳少，便于实现机械化、自动化，劳动条件好。 缺点：对毛坯的尺寸、形状的变化适应性不强，设备结构复杂，投资费用较大，操作使用要求高。 电阻炉 感应加热锻压锻件的冷却 空冷空冷 冷却速度较快，适用于塑性较好的中小型锻件的冷却。 坑冷坑冷 锻件放在地坑或铁箱中缓慢冷却，适用于塑性较差的中型锻件的冷却。 炉冷炉冷 锻件放入炉中缓慢冷却，适用于塑性较差的大型锻件、重要锻件和形状复杂锻件的冷却。锻压3.3 自由锻 利用简单的通用工具，或在锻造设备的上下砧板间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的方法。 手工自由锻手

9、工自由锻 机器自由锻机器自由锻 优点优点 所用工具简单，通用性强、灵活性大，因此适合单件和小批锻件。 缺点缺点 锻件精度低，加工余量大，生产率低，劳动强度大。锻压自由锻设备 空气锤空气锤 我国空气锤的吨位一般为65750kg，可以锻造小于50kg的锻件。 蒸汽蒸汽-空气锤空气锤 利用蒸汽或压缩空气作为工作介质。 吨位一般为15吨，适用于中小型锻件的生产。锻压自由锻设备 水压机水压机 水压机的基本工作原理是帕斯卡定律，利用水为工作介质，以静压力传递进利用工作。 工作行程大，在全行程中都能对工件施加最大工作力，能更有效地锻透大断面锻件，没有巨大的冲击和噪声，劳动条件较好，环境污染较小。水压机特别适

10、用于锻压大型和难变形的工件 。 中国一重生产的1.5万吨自由锻造水压机，可锻件质量600吨。锻压3.4 自由锻的基本工序 自由锻基本工序自由锻基本工序 指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是主要变形工序。 镦粗：镦粗：毛坯高度减小,横断面积增大的锻造工序。 H为坯料的高度；D为坯料的直径。 用于锻造齿轮坯、法兰盘等零件毛坯。 拔长：拔长：使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序。 用于锻造轴杆及套筒类零件毛坯。 冲孔：冲孔：采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序。 用于锻造带孔锻件。锻压自由锻的基本工序 自由锻基本工序自由锻基本工序 弯曲弯曲：将坯料弯成曲线或一定角度的锻造工序。 用于锻造各

11、种弯曲类锻件 错移错移：将坯料的一部分相对另一部分相互平行错开一段距离的锻造工序。 用于锻造曲轴类锻件。 扭转：扭转：将坯料的一部分相对另一部分绕其共同轴线旋转一定角度的锻造工序。 用于锻造多拐曲轴、麻花钻等。 切割切割：切去坯料一部分。 用于切除钢锭底部、夹持锻件的钳把部分、锻件料头以及分割锻件等。锻压自由锻的基本工序 自由锻基本工序自由锻基本工序 弯曲弯曲：将坯料弯成曲线或一定角度的锻造工序。 用于锻造各种弯曲类锻件 错移错移：将坯料的一部分相对另一部分相互平行错开一段距离的锻造工序。 用于锻造曲轴类锻件。 扭转：扭转：将坯料的一部分相对另一部分绕其共同轴线旋转一定角度的锻造工序。 用于锻

12、造多拐曲轴、麻花钻等。 切割切割：切去坯料一部分。 用于切除钢锭底部、夹持锻件的钳把部分、锻件料头以及分割锻件等。锻压自由锻工艺规程 自由锻工艺规程的内容： 根据零件图绘制锻件图； 确定坯料的质量和尺寸确定坯料的质量和尺寸； 制订变形工艺及选用工具制订变形工艺及选用工具； 选择设备吨位； 确定锻造温度范围，制订坯料加热和锻件冷却规范； 制订锻件热处理规范； 提出锻件的技术条件和检验要求； 填写工艺规程卡片等。锻压绘制锻件图 锻件余量：在零件的加工表面上为切削加工而增加的尺寸。 锻件公差：锻件实际尺寸和公称尺寸所允许的偏差。 余块（敷料）：为简化锻件形状便于锻造而多留出的那一部分金属。锻压计算坯

13、料的质量和尺寸 G坯G锻G烧G其它 G坯为坯料的质量；G锻为锻的质量；G烧为加热时金属的烧损的质量；G其它为其它的质量。 坯料尺寸应根据坯料的体积和第一个基本工序的性质(镦粗或拔长)来确定。 镦粗：H/D 2.5 拔长：Y = F坯料/F锻件 碳素钢锭 Y=2.53，轧材 Y1.31.5。锻压锻造工序的选择 轴类锻件：镦粗（拔长及镦粗）、切肩和锻台阶 筒类锻件：镦粗（拔长及镦粗）、冲孔、在芯轴上拔长 环类锻件：镦粗（拔长及镦粗）、冲孔、在芯轴上扩孔 盘类锻件：镦粗（拔长及镦粗）、冲孔 曲轴类锻件：拔长（或镦粗及拔长）、错移、锻台阶、扭转 弯曲类锻件：拔长、弯曲锻压3.5 模锻 利用模具使坯料变

14、形而获得锻件的锻造方法。 锤上模锻 曲柄压力机上模锻 平锻机上模锻 摩擦压力机上模锻锻压锤上模锻 与自由锻相比，生产率高。 锻件形状较复杂，尺寸精度高。 切削余量小，材料利用率高。 操作简单及模具费用高等特点。 适用于中小型锻件的大批量生产。锻压胎膜锻 自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法（介于自由锻和模锻之间）。 胎模不固定。 不需要模锻设备，锻模简单，加工成本低。 工艺灵活，适应性强等优点。 劳动强度大，效率低。锻压3.6 冲压设备与工艺 利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获得所需零件的工艺方法。 特点： 生产率高。 可成形复杂形状的制件。 废料少，材料利用率高。

15、 制件尺寸精度高、表面质量好、互换性好. 制件强度高、刚性好、重量轻。 加工成本低。 冲模制造成本高。锻压剪板机 剪板机是剪切方法使板料分离的机器。按传动形式分为机械剪板机和液压剪板机。 图示为机械剪板机，工作时，电动机通过减速器、离合器、曲柄连杆机构，使带有上刀片的滑块上下运动，与装在工作台上的下刀片相互配合，进行剪切。锻压压力机 压力机是一种能使滑块作往复运动，并按所需方向给模具施加压力的机器，是板料冲压的基本设备。 按其床身结构不同有开式和闭式两种压力机。锻压冲模 冲模是冲压的专用模具，按工序组合可分为单工序模（简单模）、复合模和连续模（级进模）。 单工序模是一次行程中完成一道工序的模具

16、。 连续模（级进模）是在压力机一次行程中，在模具的不同部位上同时完成数道冲压工序的模。锻压冲模 复合模是在一次行程中，在模具的同一位置上完成两道或两道以上工序的模具。锻压冲压基本工序 分离工序 切断切断 冲裁冲裁：使坯料按封闭轮廓分离。 落料落料：冲下部分为工件，周边为废料。 冲孔冲孔：冲下部分为废料，周边是工件。 凸凹模工作部分应有锋利的刃口。 凸凹模间应有合理的间隙。锻压冲压基本工序弯曲 成形工序 成形是使冲压板料在不被破坏的条件下发生塑性变形，以获得所要求的工件形状和精度的工序。 弯曲弯曲是将板料、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 。 防止弯裂防止弯裂 控制相对弯曲半径 r