金属工艺学第十章

1、本次课的内容本次课的内容n前言前言n压力加工基础理论压力加工基础理论n常用锻造方法（自由锻造）常用锻造方法（自由锻造）n自由锻零件结构的工艺性自由锻零件结构的工艺性n板料冲压板料冲压一、前言一、前言1 1、何为压力加工？、何为压力加工？ 压力加工是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、压力加工是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压锻造与冲压的总称，的总称，属于压力加工的范畴。属于压力加工的范畴。 锻压设备锻压设备 2. 2. 压力加工特点：压力

2、加工特点：n塑性变形是压力加工的基础，凡具有一定塑性的金属塑性变形是压力加工的基础，凡具有一定塑性的金属如钢及大多数有色金属，均可进行压力加工。如钢及大多数有色金属，均可进行压力加工。 与铸造相比，与铸造相比，锻造锻造的优点是：的优点是：金属铸锭经塑性变金属铸锭经塑性变形后，铸造组织的内部缺陷如气孔、缩孔、微裂纹等形后，铸造组织的内部缺陷如气孔、缩孔、微裂纹等得到焊合，再结晶后可细化晶粒，金属的各种力学性得到焊合，再结晶后可细化晶粒，金属的各种力学性能得到提高。能得到提高。冲压件冲压件又具有重量轻、精度高、刚性好又具有重量轻、精度高、刚性好等优点。等优点。 缺点缺点：（：（1 1）但由于锻压件

3、是在固态成形，金属的但由于锻压件是在固态成形，金属的流动受到限制。因此，对于形状复杂、尤其是内腔形流动受到限制。因此，对于形状复杂、尤其是内腔形状复杂的零件，从制造工艺上锻件远不及铸件容易实状复杂的零件，从制造工艺上锻件远不及铸件容易实现。（现。（2 2）锻件的成本比铸件高，材料利用率等方面也）锻件的成本比铸件高，材料利用率等方面也不如铸件。然而，从锻件力学性能的提高，锻造流线不如铸件。然而，从锻件力学性能的提高，锻造流线更加与受力条件相适应，在同样受力条件下，零件的更加与受力条件相适应，在同样受力条件下，零件的几何尺寸可以缩小的角度看，又可以大大降低原材料几何尺寸可以缩小的角度看，又可以大大

4、降低原材料的使用量，延长零件的使用寿命，节约金属。的使用量，延长零件的使用寿命，节约金属。 3. 3. 压力加工的方法压力加工的方法n轧制轧制n挤压挤压n拉拔拉拔n自由锻造自由锻造n模型锻造模型锻造n板料冲压板料冲压二、压力加工理论基础二、压力加工理论基础一）、金属的塑性变形概述一）、金属的塑性变形概述金属塑性变形理论，对于单晶体是由于金属原子金属塑性变形理论，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，即分晶格相对于某晶面沿一定方向发生切变，即滑移理滑移理论和孪生理论。论和孪生理论。

5、二）、锻造流线和锻造比二）、锻造流线和锻造比n 锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要锻造时，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，这样热锻后的金属组形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线，又叫纤锻造流线，又叫纤维组织维组织。锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法。通常锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法。通常用变形前后的用变形前后的截面比截面比、长度比或高度比来表示。、长度比或高度比来表示。三）、金属

6、的锻造性能三）、金属的锻造性能n是指金属经受锻压加工时成形的难易程度的工艺性能。是指金属经受锻压加工时成形的难易程度的工艺性能。其优劣常用其优劣常用塑性和变形抗力塑性和变形抗力综合衡量。塑性高、变形综合衡量。塑性高、变形抗力小则锻造性能好。它决定于金属的本质和变形条抗力小则锻造性能好。它决定于金属的本质和变形条件。件。（一）金属的本质（一）金属的本质1 1化学成分化学成分 纯金属一般具有良好的锻造性能。碳钢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。素的加入会劣化锻造性能。2 2金属组织金

7、属组织 纯金属及固溶体锻造性能好，而碳化物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。而又均匀晶粒结构的金属锻造性能好。（二）变形条件（二）变形条件 1 1变形温度变形温度 变形温度低，金属的塑性差、变形抗力变形温度低，金属的塑性差、变形抗力大，不但锻压困难，而且容易开裂。提高金属变形时大，不但锻压困难，而且容易开裂。提高金属变形时的温度，可使原子动能增加，原子间的结合力消弱，的温度，可使原子动能增加，原子间的结合力消弱，使塑性提高，变形抗力减小。使塑性提高，变形抗力减小。 锻造

8、温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔。锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。间隔。锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。2 2变形速度变形速度 变形速度指单位时间内的变形程度。变变形速度指单位时间内的变形程度。变形速度低时，金属的回复和再结晶能够充分进行，塑形速度低时，金属的回复和再结晶能够充分进行，塑性高、变形抗力小；随变形速度的增大，回复和再结性高、变形抗力小；随变形速度的增大，回复和再结晶不能及时消除冷变形强化，使金属塑性下降，变形晶不能及时消除冷变形强化，使金属塑性下降，变形抗力增加，锻造性能变差。常用的锻压设备不可能超抗力增加，锻造性能

9、变差。常用的锻压设备不可能超过过临界变形速度临界变形速度。 3 3应力状态应力状态 采用不同的变形方法，在金属中产生的采用不同的变形方法，在金属中产生的应力状态是不同的。应力状态对于塑性的影响为：压应力状态是不同的。应力状态对于塑性的影响为：压应力数目越多，塑性越好；拉应力数目越多，塑性越应力数目越多，塑性越好；拉应力数目越多，塑性越差；所以，在选择变形方法时，对于塑性高的金属，差；所以，在选择变形方法时，对于塑性高的金属，变形时出现拉应力有利于减少能量消耗；对于塑性低变形时出现拉应力有利于减少能量消耗；对于塑性低的金属应尽量采用三向压应力以增加塑性，防止裂纹。的金属应尽量采用三向压应力以增加

10、塑性，防止裂纹。4 4坯料表面质量坯料表面质量 表面粗糙或有划痕、微裂纹、粗大表面粗糙或有划痕、微裂纹、粗大夹杂都会在变形过程中产生应力集中，使缺陷扩展甚夹杂都会在变形过程中产生应力集中，使缺陷扩展甚至开裂。故塑性加工前应对坯料表面进行清理消除缺至开裂。故塑性加工前应对坯料表面进行清理消除缺陷，有时甚至需要进行表面预切削去掉坯料的表层金陷，有时甚至需要进行表面预切削去掉坯料的表层金属。属。 四）金属的塑性变形规律四）金属的塑性变形规律 1 1体积不变条件体积不变条件 由于塑性变形时金属密度的变化很小，所以可认由于塑性变形时金属密度的变化很小，所以可认为变形前后的体积相等。此假设称为体积不变条件

11、。为变形前后的体积相等。此假设称为体积不变条件。2 2最小阻力定律最小阻力定律 最小阻力定律是描述塑性变形流动规律的一种理最小阻力定律是描述塑性变形流动规律的一种理论，如果物体在变形过程中其质点有向各种方向移动论，如果物体在变形过程中其质点有向各种方向移动的可能性时，则物体各质点将向着阻力最小的方向移的可能性时，则物体各质点将向着阻力最小的方向移动。一般，金属内某一质点流动阻力最小的方向是通动。一般，金属内某一质点流动阻力最小的方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向。过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向。三三 常用锻造方法（自由锻）常用锻造方法（自由锻）n只用简单的通用性工具

12、，或在锻造设备的上、下砧铁只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧铁间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量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，这种方法称为自由锻。的锻件，这种方法称为自由锻。一）一） 自由锻设备自由锻设备 根据对坯料作用力的性质不同，自由锻设备可分根据对坯料作用力的性质不同，自由锻设备可分为产生冲击力的锻锤和产生静压力的压力机两大类。为产生冲击力的锻锤和产生静压力的压力机两大类。二）自由锻工艺规程的制订二）自由锻工艺规程的制订 （一）绘制锻件图（一）绘制锻件图 锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图是在

13、零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制的图。模锻件的锻件图还应考虑分艺余块等之后绘制的图。模锻件的锻件图还应考虑分模面的选择、模锻斜度和圆角半径等。模面的选择、模锻斜度和圆角半径等。 锻件图的绘制方法如下：锻件图的绘制方法如下： 1 1）锻件的形状用粗实线，同时用假想线（双点划）锻件的形状用粗实线，同时用假想线（双点划线）描绘出零件的形状。线）描绘出零件的形状。2 2）锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件）锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面或侧面。的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面

14、或侧面。3 3）图上无法标注的技术要求，如锻造温度范围、）图上无法标注的技术要求，如锻造温度范围、锻造比、氧化缺陷、脱碳层深度等以技术条件方式用锻造比、氧化缺陷、脱碳层深度等以技术条件方式用文字说明。文字说明。（二）计算坯料的重量和尺寸（二）计算坯料的重量和尺寸1 1坯料重量坯料重量 坯料的重量为锻件的重量与锻造时各种金坯料的重量为锻件的重量与锻造时各种金 属损耗的重量之和，可按下式进行计算：属损耗的重量之和，可按下式进行计算：m m坯坯=m=m锻锻+m+m烧烧+m+m芯芯+m+m切切 式中式中m m坯坯-坯料重量；坯料重量； m m锻锻-锻件重量；锻件重量； m m烧烧-加热时坯料表面氧化烧

15、损的重量。与所用加热时坯料表面氧化烧损的重量。与所用加热设备类型等因素有关，可参考相关资料；加热设备类型等因素有关，可参考相关资料； m m芯芯-冲孔时的芯料重量；冲孔时的芯料重量； m m切切-锻造中被切掉的金属重量。锻造中被切掉的金属重量。2 2坯料尺寸坯料尺寸 根据计算出的坯料重量即可计算杯料的根据计算出的坯料重量即可计算杯料的体积，最后依据选择的坯料截面尺寸确定其长度。体积，最后依据选择的坯料截面尺寸确定其长度。（三）选择变形工序（三）选择变形工序 通常，自由锻件的成形过程是由一系列变形工序通常，自由锻件的成形过程是由一系列变形工序组合而成的，工序的选择主要是根据锻件的形状和工组合而成

16、的，工序的选择主要是根据锻件的形状和工序的特点来确定。一般可将锻件分为六大类序的特点来确定。一般可将锻件分为六大类: :1 1轴杆类锻件轴杆类锻件 包括各种圆形截面实心轴，如传包括各种圆形截面实心轴，如传动轴、轧辊、立柱、拉杆等，还有矩形方形、工字形动轴、轧辊、立柱、拉杆等，还有矩形方形、工字形截面的杆件如摇杆、杠杆、推杆、连杆等，锻造轴杆截面的杆件如摇杆、杠杆、推杆、连杆等，锻造轴杆件的基本工序是件的基本工序是拔长拔长，但对于截面尺寸相差大的铸件，但对于截面尺寸相差大的铸件，为满足锻造比的要求，则需采取为满足锻造比的要求，则需采取镦粗一拔长镦粗一拔长工序。工序。 2 2空心类锻件空心类锻件

17、包括各种圆环、齿圈、轴承环和包括各种圆环、齿圈、轴承环和各种圆筒、缸体、空心轴等，锻造空心件的基本工序各种圆筒、缸体、空心轴等，锻造空心件的基本工序有有镦粗、冲孔、扩孔、芯棒拔长镦粗、冲孔、扩孔、芯棒拔长等。等。（三）选择变形工序（三）选择变形工序 3 3饼块类锻件饼块类锻件 包括各种圆盘、叶轮、齿轮、模块等，包括各种圆盘、叶轮、齿轮、模块等，其特点是横向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。锻其特点是横向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。锻造基本工序是造基本工序是镦粗镦粗，其中带孔的件需，其中带孔的件需冲孔冲孔。4 4曲轴类锻件曲轴类锻件 包括单拐和多拐的各种曲轴，目前锻包括单拐和多拐的各种曲轴，目

18、前锻造曲轴的工艺有造曲轴的工艺有自由锻、模锻、全流线挤压锻自由锻、模锻、全流线挤压锻等。其等。其中自由锻的力学性能差，加工余量大，只在单件或小中自由锻的力学性能差，加工余量大，只在单件或小批生产中应用，其基本工序有批生产中应用，其基本工序有拔长、错移和扭转拔长、错移和扭转。 5 5弯曲类锻件弯曲类锻件 包括各种具有弯曲轴线的锻件，如吊包括各种具有弯曲轴线的锻件，如吊钩、弯杆、曲柄、轴瓦盖等，基本工序是拔长、弯曲。钩、弯杆、曲柄、轴瓦盖等，基本工序是拔长、弯曲。6 6复杂形状锻件复杂形状锻件 包括阀体、叉杆、十字轴等，锻造包括阀体、叉杆、十字轴等，锻造难度大，应根据锻件形状特点，采用适当工序难度

19、大，应根据锻件形状特点，采用适当工序组合锻组合锻造。造。四、自由锻零件结构工艺性四、自由锻零件结构工艺性n1 1、零件结构应尽可能简单、对称、平直；、零件结构应尽可能简单、对称、平直；2 2、应避免零件上的锥形、楔形结构；如下图所示。、应避免零件上的锥形、楔形结构；如下图所示。 自由锻设计原则：加工的可行性，经济性。自由锻设计原则：加工的可行性，经济性。三、自由锻零件结构工艺性三、自由锻零件结构工艺性n3 3、应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交；、应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交； 三、自由锻零件结构工艺性三、自由锻零件结构工艺性n4 4、零件上不允许有加强筋；、零件上不允许有加

20、强筋；三、自由锻零件结构工艺性三、自由锻零件结构工艺性n5 5、对横截面尺寸相差很大或形状复杂的零件，应尽可、对横截面尺寸相差很大或形状复杂的零件，应尽可能分别对其进行锻造，然后用螺纹连接。能分别对其进行锻造，然后用螺纹连接。 n如下图：螺纹连接如下图：螺纹连接五、五、板料冲压板料冲压n板料冲压：使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称为板料冲压：使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称为冲压冲压。冲压生产的特点是冲压生产的特点是： 产品有较高的精度和较低的表面粗糙度值，互换性好，一般产品有较高的精度和较低的表面粗糙度值，互换性好，一般无需再进行切削加工；冷变形强化作用显著，零件的重量轻、强无需再

21、进行切削加工；冷变形强化作用显著，零件的重量轻、强度和刚度较高；能生产较复杂形状的平板类和中空类零件，工艺度和刚度较高；能生产较复杂形状的平板类和中空类零件，工艺过程便于机械化、自动化、生产效率高、废品率低、成本低。过程便于机械化、自动化、生产效率高、废品率低、成本低。冲压常用的设备有冲压常用的设备有剪床剪床和和冲床冲床等。剪床为冲床备料，将板料切成等。剪床为冲床备料，将板料切成条料；而冲压加工主要在各类冲床上进行。条料；而冲压加工主要在各类冲床上进行。一、冲压的基本工序一、冲压的基本工序（一）分离工序（一）分离工序 1 1切断（剪裁）切断（剪裁） 将材料沿不封闭的曲线分离的冲压方法称为切断。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。序的备料工序。 2 2冲裁冲裁 利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的冲压利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的冲压方法称为冲裁，冲裁是方法称为冲裁，冲裁是落料和冲孔落料和冲孔的总称。的总称。 3 3精密冲裁精密冲裁 用压边圈使板料冲裁区处于静液压作用下，抑制用压边圈使板料冲裁区处于静液压作