金工实训教程第3章课件

1、 第3章 锻压教学提示：教学提示：锻压是利用外力使金属坯料产生塑性变形，获得所需尺寸、形状及性能的毛坯或零件的加工方法。锻压是锻造和冲压的总称。它是金属压力加工的主要方式，也是机械制造中毛坯生产的主要方法之一。学习本章前，应预习工程材料中有关二元相图、塑性变形与再结晶的内容以及机械制图中有关三视图的内容，学习过程中，应与“金工实习”中实际操作相联系，理论联系实际。 教学要求：了解金属锻压的特点、分类及应用，理解金属塑性变形的有关理论基础，初步掌握自由锻、模锻和板料冲压的基本工序、特点及应用。锻压是机械制造中毛坯和零件生产的主要方法之一，常分为自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制等。 3.1

2、 锻压加工工艺基础金属材料经过锻压加工之后，由于产生了塑性变形，其内部组织发生很大变化，使金属的性能得到改善和提高，为锻压方法的广泛使用奠定了基础。因此只有较好地掌握塑性变形的实质、规律和影响因素，才能正确选用锻压加工方法，合理设计锻压加工零件。金属的锻造性能取决于材料的性质(内因)和加工条件(外因)。材料性质的影响2. 加工条件的影响 金属变形时的应力状态 3.1.2 锻造比及流线组织 流线组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。由于纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响，在设计和制造易受冲击载荷的零件时，一般应遵循

3、两项原则： (1) 零件工作时的正应力方向与流线方向应一致，切应力方向与流线方向垂直。 (2) 流线的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。 (a) 锻造曲轴 (b) 切削加工的曲轴 图 3-5 曲轴的流线分布不同成形工艺齿轮的流线组织 3.1.3 金属的塑性变形规律 锻压加工是利用金属的塑性变形而进行的，只有掌握其变形规律，才能合理制订工艺规程，达到预期的变形效果。金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律和体积(a) 圆形截面 (b) 方形截面 (c) 长方形截面 不同截面金属的流动情况3.2 常用锻造方法锻造是毛坯成形的重要手段，尤其在工作条件复杂、力学性能要求高的重要结构零件的

4、制造中，具有重要的地位。锻造是使加热好的金属坯料，在外力的作用下，发生塑性变形，通过控制金属的流动，使其成形为所需形状、尺寸和组织的方法。根据变形时金属流动的特点不同，可以分为自由锻和模锻两大类。 3.2.1 自由锻 将坯料置于铁砧上或锻压机器的上、下砥铁之间直接进行锻造，称为自由锻造(简称自由段)。前者称为手工自由锻(简称手锻)，后者称为机器自由锻(简称机锻)。 自由锻生产率低，劳动强度大，锻件的精度低，对操作工人的技术水平要求高。但其所用的工具简单，设备通用性强，工艺灵活。所以广泛用于单件、小批量零件的生产，对制造重型锻件，自由锻则是唯一的加工方法。自由锻的主要设备 自由锻常用的设备有空气

5、锤、蒸汽空气锤及水压机等。自由锻工具 自由锻工具按其功用可分为支持工具、打击工具、衬垫工具、夹持工具和测量工具 自由锻的基本工序及其操作 自由锻的基本工序分为基本工序、辅助工序和精整工序 3 类。基本工序是实现锻件基本成形的工序，如镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割等；辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压钳口、压肩、钢锭倒棱等；精整工序是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序，如校正、滚圆、平整等。 实际生产中最常用的是镦粗、拔长、冲孔 3 个基本工序。 (a) 完全镦粗 (b) 局部镦粗 图3-9 完全镦粗和局部镦粗(a) 送进量合适 (b) 送进量太大 (c) 送进量太小 图3-10

6、 拔长时的送进方向和送进量拔长时锻件的翻转方法冲孔 弯曲 切割 表3-1 自由锻件常见缺陷主要特征及产生原因3.2.2 模锻 模锻是将加热后的金属坯料，在冲击力或压力作用下，迫使其在锻模模膛内变形，从而获得锻件的工艺方法。 模锻按使用的设备不同分为：锤上模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、胎模锻等。 1. 与自由锻相比模锻的特点及应用 (1) 锻件形状可以比较复杂，用模膛控制金属的流动，可生产较复杂锻件(图3-18)。 (2) 力学性能高，模锻使锻件内部的锻造流线比较完整。 (3) 锻件质量较高，表面光洁，尺寸精度高，节约材料与机加工工时。(4) 生产率较高，操作简单，易于实现机械化，批

7、量越大成本越低。 (5) 设备及模具费用高，设备吨位大，锻模加工工艺复杂，制造周期长。 (6) 模锻件不能太大，一般不超过 150 kg。 因此，模锻只适合中、小型锻件批量或大批量生产。(a) 拔长模膛 (b) 滚压模膛 (c) 弯曲模膛 图3-21 制坯模膛 图 3-24 弯曲连杆模锻过程1原始坯料 2延伸 3滚压 4弯曲 5预锻 6终锻 7飞边 8锻件 9延伸模堂 10滚压模堂 11终锻模堂 3预锻模堂 13弯曲模堂 14切边凸模 15切边凹模表 3-3 分模面的确定原则分模面的选择比较示意图模锻工序的确定 模锻工序主要根据模锻件结构形状和尺寸确定。常见的锤上模锻件可以分为以下两大类： 长

8、轴类零件，如曲轴、连杆、台阶轴等，如图 3-29。锻件的长度与宽度之比较大，此类锻件在锻造过程中，锤击方向垂直于锻件的轴线，终锻时，金属沿高度与宽度方向流动，而沿长度方向没有显著的流动，常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工序。盘类零件，如齿轮、法兰盘等，如图 3-30 所示。此类模锻件在锻造过程中，锤击方向与坯料轴线相同，终锻时金属沿高度、宽度及长度方向均产生流动，因此常选用镦粗、预锻、终锻等工序。盘类模锻件图(a) 切边模 (b) 冲孔模 图 3-31 切边模和冲孔模设计模锻零件时，应使结构符合以下原则。 (1) 必须具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，并且使敷料最少

9、，锻模容易制造。 (2) 考虑斜度和圆角，模锻件上与分模面垂真的非加工表面，应设计出模锻斜度。两个非加工表面形成的角(包括外角和内角)都应按模锻圆角设计。 (3) 只有与其他机件配合的表面才需进行机械加工，由于模锻件尺寸精度较高和表面粗糙度值低，因此在零件上，其他表面均应设计为非加工表面。 (4) 外形应力求简单、平直和对称，为了使金属容易充满模膛而减少工序，尽量避免模锻件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、高台等结构。图 3-32(a)所示零件有一个高而薄的凸缘，金属难以充满模膛，且使锻模制造和成形后取出锻件较为困难；图3-32(b)所示模锻件扁而薄，模锻时，薄部金属冷却快，变形抗力剧增，易损

10、坏锻模。 应避免深孔或多孔结构，便于模具制造和延长模具使用寿命。3.3 板 料 冲 压3.3.1 板料冲压特点 板料冲压与其他加工方法相比具有以下特点。 (1) 板料冲压所用原材料必须有足够的塑性，如低碳钢、高塑性的合金钢、不锈钢、铜、铝、镁及其合金等。 (2) 冲压件尺寸精度高，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不需进行机械加工，可直接装配使用。 (3) 可加工形状复杂的薄壁零件。 (4) 生产率高，操作简便，成本低，工艺过程易实现机械化和自功化。 (5) 可利用塑性变形的加工硬化提高零件的力学性能，在材料消耗少的情况下获得强度高、刚度大、质量好的零件。 (6) 冲压模具结构复杂，加工精度要

11、求高，制造费用大，因此板料冲压只适合于大批量生产。 板料冲压广泛于汽车、拖拉机、家用电器、仪器仪表、飞机、导弹、兵器以及日用品的生产中。 板料冲压的基本工序可分为冲裁、拉伸、弯曲和成形等。 3.3.2 冲裁 冲裁是使坯料沿封闭轮廓分离的工序。包括落料和冲孔。落料时，冲落的部分为成品，而余料为废料；冲孔是为了获得带孔的冲裁件，而冲落部分是废料。 (a) 弹性变形阶段 (b) 塑性变形阶段 (c) 断裂分离阶段 图 3-37冲裁使板料变形与分离的过程(a) 合适的间隙 (b) 间隙过小 (c) 间隙过大 图 3-38 冲裁间隙对断面质量的影响(a) 外缘修整 (b) 内孔修整 1凸模 2凹模图 3

12、-39 修整工序3.3.3 拉伸 拉伸是利用模具冲压坯料，使平板冲裁坯料变形成开口空心零件的工序，也称拉延 图 3-40 拉伸过程示意图 1凸模 2压边圈 3坯料 4凹模拉伸过程变形分析 (1) 筒底区，金属基本不变形，只传递拉力，受径向和切向拉应力作用； (2) 筒壁部分，是由凸缘部分经塑性变形后转化而成，受轴向拉应力作用；形成拉伸件的直壁，厚度减小，直壁与筒底过渡圆角部被拉薄得最为严重； (3) 凸缘区，是拉伸变形区，这部分金属在径向拉应力和切向压应力作用下，凸缘不断收缩逐渐转化为筒壁，顶部厚度增加。3.3.4 弯曲 弯曲是利用模具或其他工具将坯料一部分相对另一部分弯曲成一定的角度和圆弧的

13、变形工序。 (a) 弯曲过程 (b) 变曲产品 图3-44 弯曲过程及典型弯曲件 1工件 2凸模 3凹模 (a) 合理 (b) 不合理 图 3-45 弯曲线方向3.3.5 成形 使板料毛坯或制件产生局部拉伸或压缩变形来改变其形状的冲压工艺统称为成形工艺。成形工艺应用广泛，既可以与冲裁、弯曲、拉伸等工艺相结合，制成形状复杂、强度高、刚性好的制件，又可以被单独采用，制成形状特异的制件。主要包括翻边、胀形、起伏等。 内孔翻边过程(a) 冲孔后翻边 (b) 拉伸后冲孔翻边 图3-.47 内孔翻边举例图3-48 球体胀形 图 3-49 管坯胀形 1-凸模 2凹模 3橡胶 4坯料 5外套 3.3.6 板料

14、冲压件的结构工艺性 在设计板料冲压件时，不仅应使其具有良好的使用性能，而且必须考虑冲压加工的工艺特点。影响冲压件工艺性的主要因素有冲压件的几何形状、尺寸以及精度要求等。 冲压件排样方式 (a) 无加强筋 (b) 有加强筋 图 3-53 加强筋的应用图3-54 冲压焊接结构件 图 3-55 冲口工艺结构3.4 现代塑性加工与发展趋势随着工业的不断发展，对塑性加工生产提出了越来越高的要求，不仅要能生产各种毛坯，更需要直接生产更多的零件。近年来，在压力加工生产方面出现了许多特种工艺方法，并得到迅速发展，如精密模锻、零件挤压、零件轧制及超塑性成形等。现代塑性加工正向着高科技、自动化和精密成形的方向发展

15、。 3.4.1 精密模锻 精密模锻是在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的锻造工艺。如精密锻造锥齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再切削加工。精密模锻件尺寸精度可达 IT3ITl5、表面粗糙度值 Ra为 3.2m1.6m。 3.4.2 挤压 挤压是使坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。 按金属的流动方向与凸模运动方向的不同，挤压可分为如下 4 种。 (1) 正挤压，金属的流动方向与凸模运动方向相同如图 3-60(a)所示。 (2) 反挤压，金属的流动方向与凸模运动方向相反如图 3-60(b)所示。 (3) 复合挤压，在挤压过程中，一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反如图 3-60(c)所示。 (4) 径向挤压，金属的流动方向与凸模运动方向呈 90 如图 3.60(d)所示。 根据金属坯料变形温度不同，挤压成形还有可分为冷挤压、热挤压和温挤压。 3.4.3 轧制成形 轧制工艺是生产型材、板材和管材的主要加工方法，因为它具有生产率高、质量好、成本低，并可大量减少金属材料消耗等优点，近年来在零件生产中也得到越来越广泛的应用。 根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制分为纵轧、横轧、斜轧、楔横轧等。 3.4.4 超塑性变形 延伸率是表示金属塑性的指标之一。通