金属工艺学(压力加工上课)

1、金属工艺学安 农 大 工 学 院第三篇 金属压力加工v第一章 金属的塑性变形v第二章 锻造v第三章 板料冲压第一章 金属的塑性变形v第一节 金属塑性变形的实质v第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响v第三节 金属的可锻性第一节 金属塑性变形的实质一、金属的压力加工图图3-1 3-1 常用的压力加工方法常用的压力加工方法a）轧制 b）挤压 c）拉拔 d）自由锻 e）模锻 f）板料冲压 压力加工的特点压力加工的特点（1）改善金属的组织、提高力学性能。（2）材料的利用率高。（3）较高的生产率。（4）毛坯或零件的精度较高。 钢和非铁金属可以在冷态或热态下压力加工。可用作承受冲击或交变应力的重要零件，但

2、不能加工脆性材料（如铸铁）。二、单晶体塑性变形二、单晶体塑性变形 单晶体的塑性变形的基本方式：滑移和孪生。1. 1. 滑移滑移 滑移是晶体在切应力的作用下, 晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。滑移的观察 2.滑移特点(1)滑移只能在切应力作用下才会发生。 (2)滑移是通过位错的运动来实现的。 切应力作用下,一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动时, 晶体产生滑移。 位借运动造成滑移 (3)滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行。 (4)滑移必伴随着晶体向外力方向转动。三、多晶体的塑

3、性变形 1.金属晶粒越细，强度就越大,塑韧性越好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。 2.多晶体塑性变形不均匀。 多晶体中每个晶粒位向不一致。 一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始，同时位向转动变为硬位向，停止滑移，促进另一批晶粒滑移。第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响一、加工硬化 金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下，这种现象称为加工硬化, 也叫形变强化。 产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时,

4、 位错密度增加, 位错间的交互作用增强, 相互缠结, 造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。 另一方面由于晶粒破碎细化, 使强度得以提高。 在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。二、热加工与冷加工 金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。 热加工热加工: :在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工,例如钢材的热锻和热轧。 由于温度处于再结晶温度以上，发生再结晶过程。因此加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持良好的塑性状态。由于热变形是在高温下进行的，金属在加热过程中表面易产生氧化皮，使精度和表面质量较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变

5、形加工。 冷加工冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等。冷加工会产生加工硬化的现象导致强度和硬度升高，塑性和韧性下降，工件表面质量好。三、纤维组织三、纤维组织 金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长, 形成纤维组织。 纤维组织具有各向异性。 变形程度越大，纤维组织越明显。 锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。 拔长：Y锻=A0/A（A0、A分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）。 镦粗：Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料

6、的高度）。 在设计时应使零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合。 锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力。 曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂。 第三节 金属的可锻性 金属的可锻性金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。可锻性常用塑性和变形抗力来衡量。金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。一、一、 金属的本质金属的本质 1.1.化学成分的影响化学成分的影响 纯金属可锻性比合金好；碳钢的含碳量越低，可锻性越好。 合金元素含量越高，可锻性越差。 杂质元

7、素可锻性差。 2.2.金属组织的影响金属组织的影响 纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好；钢中有碳化物和多相组织时，塑性成形性能变差；具有均匀细小等轴晶粒的金属，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱状晶粒好；网状二次渗碳体，钢的塑性将大大下降。 二、加工条件二、加工条件 1.1.变形温度的影响变形温度的影响 温度升高，塑性提高，变形温度升高到再结晶温度以上时，加工硬化消除，金属的塑性成形性能进一步提高。但温度过高将发生过热、过烧、脱碳、氧化缺陷。 过热过热：加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降，这种现象称为“过热”。 过烧过烧：如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至熔

8、化，导致金属的塑性变形能力完全消失，这种现象称为“过烧”，坯料如果过烧将报废。 脱碳：脱碳：钢表面的碳被烧掉。 氧化：氧化：钢加热时，表面形成一层氧化皮。 锻造温度范围：锻造温度范围：始锻温度和终锻温度之间的温度区间。 2. 2.变形速度的影响变形速度的影响 变形速度：单位时间内变形程度的大小。 变形速度的增大，金属在冷变形时的加工硬化严重，可锻性差；当变形速度很大时，热能来不及散发，会使变形金属的温度升高，可锻性变好。 在锻压加工塑性较差的合金钢或大截面锻件时，都应采用较小的变形速度，若变形速度过快会出现变形不均匀，造成局部变形过大而产生裂纹。 3.3. 应力状态的影响应力状态的影响 在三向

9、应力状态下，压应力的数目越多，则其塑性越好；拉应力的数目越多，则其塑性越差。第二章 锻造v第一节 锻造方法v第二节 锻造工艺规程的制订v第三节 锻件结构的工艺性第一节 锻造方法一、自由锻 自由锻自由锻：利用冲击力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。 自由锻造时，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。 分类分类：手工锻造和机器锻造两种。 特点：特点：工具简单、通用性强，生产准备周期短。对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法。 锻件的精度较低，加工余量大，劳动强度

10、大，生产率低。 主要应用于单件、小批量生产，以及大型锻件的生产。 自由锻工序自由锻工序：基本工序、辅助工序和修整工序。 基本工序基本工序：使金属坯料产生一定程度的塑性变形，以得到所需形状、尺寸或改善材质性能的工艺过程。 它是锻件成形过程中必需的变形工序，如镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转和错移等。实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个工序。镦粗镦粗 沿工件轴向进行锻打，使其长度减小，横截面积增大的操作过程。 常用来锻造齿轮坯、凸缘、圆盘等零件，也可用来作为锻造环、套筒等空心锻件冲孔前的预备工序。拔长拔长 拔长是沿垂直于工件的轴向进行锻打，以使其截面积减小，而长度增加的操作过程,常用于锻造轴

11、类和杆类等零件。冲孔冲孔 利用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的操作过程。常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件。 辅助工序：辅助工序：为使基本工序操作方便而进行的预变形工序称为辅助工序（压钳口、切肩等）。 修整工序：修整工序：用以减少锻件表面缺陷而进行的工序（如校正、滚圆、平整等）。锻件分类及所需锻造工序二、模锻二、模锻 模锻模锻：毛坯在锻压设备动力的作用下，在模膛内受压产生塑性变形，而获得所需锻件（与模膛形状相符）的加工方法。 优点优点：(1) 生产效率较高。(2) 能锻造形状复杂的锻件，且尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。(3) 操作简单，劳动强度低。 缺点缺点：(1)设备投资大，一套模具

12、只能生产一种锻件，工艺灵活性较差。(2)模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在150kg以下。 模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。1.1.锤上模锻锤上模锻 锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头作上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。锻模结构锻模结构 锤上模锻用的锻模由带燕尾的上模2和下模4两部分组成，上下模通过燕尾和楔铁10、7分别紧固在锤头1和模垫5上，上、下模合在一起在内部形成完整的模膛9。 工作时，上模与锤头一起作上下往复运动，以迫使模膛内的金属受压变形，从而获得锻件。 上下

13、模的接触面叫分模面8。 模膛按其功能分模锻模膛、制坯模膛模锻模膛、制坯模膛。（一）模锻模膛（一）模锻模膛: :包括预锻模膛和终锻模膛 终锻模膛终锻模膛：使金属坯料最终变形到所要求的形状与尺寸。 特点：特点： a.由于模锻需要加热后进行，锻件冷却后尺寸会有所缩减，所以终锻模膛的尺寸应比实际锻件尺寸放大一个收缩量。 b.飞边槽 飞边槽用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满整个模膛，同时容纳多余的金属，还可以起到缓冲作用，减弱对上下模的打击，防止锻模开裂。飞边槽的常见形式飞边槽的常见形式 预锻模膛预锻模膛 用于预锻的模膛称为预锻模膛。 对于外形较为复杂的锻件，常采用预锻工步，使坯料先变形到接近

14、锻件的外形与尺寸，以便合理分配坯料各部分的体积，避免折迭的产生，并有利于金属的流动，易于充满模膛，同时可减小终锻模膛的磨损，延长锻模的寿命。 预锻模膛和终锻模膛的主要区别区别是预锻模膛的圆角和模锻斜度较大，高度较大，宽度较小，一般不设飞边槽。（二）制坯模膛（二）制坯模膛：对于形状复杂的模锻件，为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布且很好的充满模锻模膛，就必须预先在制坯模膛内制坯。拔长模膛拔长模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。当模锻件沿轴向横截面积相差较大时，常采用这种模膛进行拔长。 生产中进行拔长操作时，坯料除向前送进外并需不断翻转。(2)(2)滚挤模膛滚挤模膛

15、减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属坯料能够按模锻件的形状来分布。弯曲模膛弯曲模膛 使坯料弯曲，弯曲后坯料将翻转90。 切断模膛切断模膛 在上模与下模的角部组成一对刃口，用来切断金属。可用于从坯料上切下锻件或从锻件上切钳口，也可用于多件锻造后分离成单个锻件。 根据模锻件的复杂程度不同，所需的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。 弯曲连杆模锻件所用多膛锻模如图所示。2.2.曲柄压力机模锻曲柄压力机模锻 (1)曲柄压力机作用于金属上的变形力是静压力，因此工作时无震动，噪声小。 (2)曲柄压力滑块行程固定。 (3)锻件的余量、公差和模锻斜度都比锤上模锻的小。

16、(4)锻模都设计成镶块式模具。 (5)坯料表面上的氧化皮不易被清除掉，影响锻件质量。曲柄压力机上也不宜进行拔长和滚压工步。3.3.摩擦压力机上模锻摩擦压力机上模锻 摩擦压力机上模锻主要 靠飞轮、螺杆及滑块向下运 动吐所积蓄的能量来实现坯 料变形。 改变操作杆位置可使飞 轮分别与两个摩擦盘接触， 产生不同方向的转动，螺杆 也就随飞轮做不同方向的转 动。在螺母的约束下螺杆的 转动变为滑块的上下滑动， 实现模锻生产。 摩擦压力机上模锻的特点：摩擦压力机上模锻的特点： (1)摩擦压力机的滑块行程不固定，并具有一定的冲击作用，因而可实现轻打、重打。 (2)由于滑块运动速度低，金属变形过程中的再结晶可以充

17、分进行。 (3)摩擦压力机承受偏心载荷的能力差，通常只适用于单膛锻模进行模锻。三.胎模锻胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。因此胎模锻兼有自由锻和模锻的特点。胎模锻适合于中、小批量生产小型多品种的锻件，特别适合于没有模锻设备的工厂。 胎模锻一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成形。胎模主要有扣模、及合模三种。(1)(1)扣模扣模：扣模用来对坯料进行全部或局部扣形，以生产长杆非回转体,扣模锻造时，坯料不转动。 (2) (2)筒模筒模 筒模主要用于锻造齿轮、法兰盘等盘类锻件。 (3) (3)合模合模 合模由上模和下模组成，并有导向结构，可生产形状复杂,精度较高的非回转体锻件

18、。第二节 锻造工艺规程的制订一、绘制锻件图一、绘制锻件图 锻件图以零件图为基础，结合锻造工艺特点绘制而成。 1.1.敷料、余量及公差敷料、余量及公差 敷料:为了简化零件的形状和结构、便于锻造而增加的部分金属。加工余量：在零件加工表面上，为切削加工而增加的尺寸。锻件公差:是锻件名义尺寸允许的变动量。2.2.分模面：分模面：是指上下锻模在模锻件上的分界面。 选定分模面的原则是：选定分模面的原则是：(1) 应保证模锻件从模膛中取出。一般情况，分模面应选在模锻件 的最大截面处。故a-a不合理。(2) 应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便发现错模现象。 故c-c不合理。(3) 应选在能使模膛最浅的位

19、置上，以有利于金属充满模膛，并便 于取件。故b-b不合理。(4) 应使零件上所加的敷料最少。(5) 分模面最好是一个平面，以便于锻模的制造，并防止锻造过程 中上下锻模错动。 按上述原则综合分析，dd 面是最合理的分模面。3.3.模锻斜度模锻斜度 模锻件上平行于锤击方向 ( 垂直于分模面 ) 的表面必须具有斜度 ，以便于从模膛中取出锻件。4.4.模锻圆角半径模锻圆角半径 在模锻件上所有两平面交角处均做成圆角。圆角结构可使金属易于充模，避免锻模尖角处产生裂纹，从而提高锻模的强度。5.5.冲孔连皮冲孔连皮 对具有通孔的锻件，当孔径25mm时，该孔不锻出；当孔径25mm且孔的高度2孔径时，则终锻模膛内

20、可锻出带连皮的孔，即冲孔连皮。二、坯料重量和尺寸的确定二、坯料重量和尺寸的确定 G坯料G锻件 +G烧损 + G料头三、锻造工序三、锻造工序 ( ( 工步工步 ) ) 的确定的确定 锻造工序是根据模锻件形状和尺寸确定。1.1.长轴类模锻件长轴类模锻件 锻件的长度与宽度之比较大。常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等。 2. 2.盘类模锻件盘类模锻件 常选用镦粗、终锻等。 1.模锻件上必须有一个合理的分模面，以保证模锻成形后，容易从锻模中取出。 2.为了使金属容易充满模膛和减少工序，模锻件外形应力求简单、平直和对称，应避免零件截面间相差过大或具有薄壁、高筋、凸起结构。 模锻件的结构工艺性 3.应避免

21、深孔或多孔结构。多孔齿轮 4.为减少余块，在可能的条件下，可采取锻焊结构。 第三章 板料冲压 板料冲压板料冲压：利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法。 由于板料冲压通常是在冷态下进行的，因此又称冷冲压。而当板厚超过810mm时，采用热冲压。 特点：特点：操作简单，生产率高，易于实现机械化和自动化。冲压件的尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好。 冲压件质量轻、强度高和刚性好。冲模是冲压生产的主要工艺装备，其结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。冲压所用原材料必须具有足够的塑性，因此材料受到一定限制。常用材料包括：低碳钢、铜合金、铝合金

22、以及塑性高的合金钢板等。v第一节 分离工序v第二节 变形工序v第三节 冲模简介v第四节 冲压件的结构工艺性第一节 分离工序 分离工序是使板料的一部分与另一部分相分离的加工工序。一、剪切（切断）一、剪切（切断）：用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序。二、冲裁（分为落料及冲孔）：二、冲裁（分为落料及冲孔）：使坯料按封闭轮廓分离的工序。 落料与冲孔的区别落料与冲孔的区别： 落料时：中间被冲下的部分是工件，周边是废料。 冲孔时：中间被冲下的部分是废料，周边是工件。 落料 冲孔例：垫圈的落料与冲孔 剪切 落料 冲孔 1.1.冲裁变形过程冲裁变形过程 冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。普通冲裁的刃口必

23、须锋利，凸模和凹模之间留有间隙，板料的冲裁过程可分为三个阶段： 弹性变形阶段 塑性变形阶段 剪裂分离阶段 冲裁除剪切应力应变外，还有拉伸、弯曲和挤压等应力应变。 当模具间隙正常时，冲裁件的断面有圆角带、光亮带、剪裂带和毛刺四部分组成。 2.2.凸凹模间隙凸凹模间隙 如果间隙过大，会使得圆角带和毛刺加大，板料的翘曲也会加大。 如果间隙过小，会使冲裁力加大，不仅会降低模具寿命，还会使冲裁件的断面形成二次光亮带，在两个光面间夹有裂纹，这些都会影响冲裁件的断面质量。 合理的间隙值:Z =2Ct Z 凸模与凹模间的双面间隙，单位为 mm。C 与材料厚度、性能有关的系数。t 板料厚度，单位为 mm 。 3

24、.3.凸凹模刃口尺寸计算凸凹模刃口尺寸计算 落料模先确定凹模刃口尺寸，其基本尺寸应等于制件的最小极限尺寸。凸模刃口尺寸比凹模小一个最小合理间隙。 冲孔模先确定凸模刃口尺寸，其基本尺寸应等于制件的最大极限尺寸。凹模刃口尺寸比凸模大一个最小合理间隙。4.4.冲裁件的排样冲裁件的排样：冲裁件在条料上的布置方法称为排样排样。 有废料排样法：沿冲裁件周边都有工艺余料（称为搭边），冲裁沿冲裁件轮廓进行，冲裁件质量和模具寿命较高，但材料利用率较低。 无废料排样法：沿冲裁件周边没有工艺余料，采用这种排样法时，冲裁件实际是由切断条料获得，材料的利用率高，但冲裁件精度低，模具寿命不高。三、修整三、修整 修整是在模

25、具上利用切削的方法，将冲裁件的边缘或内孔切去一小层金属，从而提高冲裁件断面质量与精度的加工方法。第二节 变形工序 变形工序变形工序是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。一、拉深一、拉深 1.1.拉深过程拉深过程 拉深：使平面板料成形为开口空心件。 原始直径为D0的板料，经过凸模压入到凹模孔口中，拉深后变成内径为d、高度为h的筒形零件。拉深 2.2.拉深中的废品拉深中的废品 拉深过程中的主要缺陷是起皱和拉裂。（1 1）起皱）起皱：是拉深时由于较大的切向压应力使板料失稳造成的。 判断条件：相对厚度t/D0.015时，易起皱。 拉深系数m太小，也会起皱。 生产中常采用加压边圈的方法予

26、以防止。（2)2)拉裂拉裂 拉裂一般出现在直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的抗拉强度时，此处将被拉裂。 产生拉穿的原因：凸凹模圆角半径太小，凸凹模间隙太小，凸凹模之间的润滑作用不佳，压板力太大，拉深系数太小。 为防止拉裂，应采取如下工艺措施：限制拉深系数：限制拉深系数：是防止拉裂的主要工艺措施。 拉深系数拉深系数是衡量拉深变形程度大小的主要工艺参数，它用拉深后工件直径与拉深前工件（半成品）直径的比值 m 表示，即 m=d/D0 。 拉深系数越小，表明变形程度越大，拉深应力越大，容易产生拉裂废品。能保证拉深正常进行的最小拉深系数，称为极限拉深系数极限拉深系数。 生产中为减少拉深次数，一般

27、采用较小的但比极限拉深系数大的拉深系数。 拉深次数的确定拉深次数的确定 深度小的工件可一次拉深成形；深度大的工件需两次或多次拉深，每次的拉深系数应大于极限拉深系数，一般应不小于0.50.8。 若板料各次拉深系数分别用m1、m2、mn表示，则： ， ， m总=m1m2mn 式中 D0 毛坯直径，单位为mm； d 工件直径，单位为mm； d1、d2、dn-1为中间各次拉深坯的直径，最后一次拉深直径dn = d 。 多次拉深的圆筒直径变化如图所示。 凹凸模工作部分，必须加工成圆角。 凹模圆角半径为R凹=（510）t ，凸模圆角为半径 R 凸 =(0.71）t 。 合理的凸凹模间隙。 间隙过小，容易拉

28、穿；间隙过大，容易起皱。 一般，凸凹模之间单边间隙Z =（1.01.2）t 。 减小拉深时的阻力 压边力要合理不应过大；凸、凹模工作表面要有较小的表面粗糙度；在凹模表面涂润滑剂来减小摩擦。二、弯曲二、弯曲 将金属材料弯曲成一定角度和形状的工艺方法称为弯曲弯曲。 弯曲过程中，板料弯曲部分内侧受压缩，外层受拉伸。当外侧的拉应力超过板料的抗拉强度时，即会造成金属破裂。板料越厚，内弯曲半径r越小，则拉应力越大，越容易弯裂弯裂。为防止弯裂，弯曲半径不得小于允许的最小弯曲半径rmin=(0.251)（为金属板料的厚度）。材料塑性好，则弯曲半径可小些。 在变形区的厚度方向，缩短和伸长的两个变形区之间，有一层金属在变形前后没有变化，这层金属称为中性层中性层。中性层是计算弯曲件展开长度的依据。 由于材料的弹性恢复，会使弯曲件的角度和弯曲半径较凸模大，这种现象称为回弹回弹。回弹会影响弯曲件的精度，通常在设计弯曲模时，应使模具的弯曲角 减小一个回弹量 。三