第三章压力加工

第三章压力加工第1页，课件共92页，创作于2023年2月本章重点：了解金属塑性成形的理论基础；掌握金属的塑性成形方法及工艺；掌握薄板冲压成形工艺，包括各种成形模具结构、基本工序和典形零件的工艺制定。第2页，课件共92页，创作于2023年2月第一节压力加工概述第3页，课件共92页，创作于2023年2月主要内容：一、金属塑性成形的概念二、压力加工的基本生产方式三、压力加工的特点第4页，课件共92页，创作于2023年2月第一节概述一、金属塑性成形（压力加工）的概念压力加工——金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。利用外力使金属发生塑性变形，这是区别于其它工艺方法的不同之处。因此，用于压力加工的金属材料必须具有良好的塑性。大多数钢和有色金属及其合金都具有一定的塑性，可以在不同温度下进行压力加工。生铁和脆性有色金属不能进行压力加工。第5页，课件共92页，创作于2023年2月二、压力加工的基本生产方式1.轧制使金属坯料在回转轧辊的间隙中，靠摩擦力的作用，得以连续进行轧辊而变形的加工方法，称为轧制。轧制所用的坯料主要是钢锭。在轧制过程中，金属坯料截面变小，长度增加，从而获得各种形状的原材料。5．模型锻造1．轧制2．挤压3．拉拔4．自由锻造6．板料冲压轧辊和金属坯料间产生的摩擦力第6页，课件共92页，创作于2023年2月在旋转的轧辊间改变钢锭，钢坯形状的压力加工过程叫轧钢。轧钢的目的与其他压力加工一样，一方面是为了得到需要的形状，例如：钢板，带钢，线材以及各种型钢等；另一方面是为了改善钢的内部质量，我们常见的汽车板、桥梁钢、锅炉钢、管线钢、螺纹钢、钢筋、电工硅钢、镀锌板、镀锡板，包括火车轮都是通过轧钢工艺加工出来的。第7页，课件共92页，创作于2023年2月1—圆钢；2—方钢；3—扁钢；4—角钢；5—丁字钢；6—工字钢；7—槽钢；8—钢轨；9—Z字钢3469各种型钢示意图轧制示意图轧辊坯料槽钢和角钢第8页，课件共92页，创作于2023年2月二、压力加工的基本生产方式2.挤压将金属坯料放在模具内，用强大的压力，从一端的模孔中挤出而变形的加工方法，称为挤压。在挤压过程中，金属坯料的截面依照模孔的形状减小，长度增加，从而获得各种形状复杂的等截面型材或零件。适合于加工低碳钢、有色金属及其合金。1—凸模2—挤压筒3—金属坯料4—挤压模第9页，课件共92页，创作于2023年2月a正挤压b反挤压第10页，课件共92页，创作于2023年2月3.拉拔将金属坯料通过模孔拉出而变形的加工方法，称为拉拔。拉拔主要用于制造各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型材。拉拔示意图拉拔产品截面形状图拉拔模坯料第11页，课件共92页，创作于2023年2月拉拔所获得的产品具有较高的精度与表面光洁度，故亦常用于对轧制件（棒料、管材）的再加工，以提高产品质量。低碳钢和大多数有色金属及其合金都可以经拉拔成形。第12页，课件共92页，创作于2023年2月4.自由锻将金属坯料放在抵铁间受冲击力或压力而变形的加工方法，称为自由锻。上抵铁下抵铁坯料自由锻示意图第13页，课件共92页，创作于2023年2月5.模锻将金属坯料放在具有一定形状的锻模膛内，受冲击力或压力而变形的加工方法，称为模锻。模锻示意图下模坯料上模第14页，课件共92页，创作于2023年2月6.板料冲压将板材放在冲模之间，使其受压产生切离或变形的加工方法，称为板料冲压。第15页，课件共92页，创作于2023年2月1.轧制轧制示意图轧辊坯料第16页，课件共92页，创作于2023年2月2.挤压1—凸模2—挤压筒3—金属坯料4—挤压模第17页，课件共92页，创作于2023年2月3.拉拔拉拔模坯料第18页，课件共92页，创作于2023年2月上砥铁下砥铁坯料4.自由锻第19页，课件共92页，创作于2023年2月5.模锻第20页，课件共92页，创作于2023年2月6.板料冲压第21页，课件共92页，创作于2023年2月压力加工的六种基本生产方式：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻和板料冲压。其中轧制、挤压、拉拔主要用于生产金属型材、板材、管材、线材等原材料。自由锻和模锻用来制造机器零件或毛坯。凡承受重载荷的机器零件，通常需采用锻件做毛坯，再经过切削加工而成，如：机器的主轴、连杆、重要齿轮、炮筒和枪管等。板料冲压则广泛用于汽车制造、电器、仪表零件及日用品工业等方面。第22页，课件共92页，创作于2023年2月压力加工与铸造都是获得毛坯件的方法但是压力加工与铸造方法相比，也有不足之处，如：不能获得形状较为复杂的零件。第23页，课件共92页，创作于2023年2月三、压力加工的特点（1）改善金属的组织、提高力学性能

金属材料经压力加工后，其组织、性能都得到改善和提高，塑性加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，并由于金属的塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织，从而提高金属的力学性能。在零件设计时，若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能。（2）材料的利用率高

金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。

第24页，课件共92页，创作于2023年2月（3）较高的生产率

塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产效率高。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。（4）毛坯或零件的精度较高

应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。例如，精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用，复杂曲面形状的叶片精密锻造后只需磨削便可达到所需精度。第25页，课件共92页，创作于2023年2月用途：承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等），都应采用锻件毛坯加工。所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖拉机上的锻件质量分数约占60%~80%。缺点：不能加工脆性材料（如铸铁）和形状特别复杂（特别是内腔形状复杂）或体积特别大的零件或毛坯。第26页，课件共92页，创作于2023年2月第二节金属的塑性变形第27页，课件共92页，创作于2023年2月金属的塑性变形，是压力加工的基础，各种形状的锻件都是利用金属的塑性变形来制造的。因此，学习金属塑性变形的有关理论，对改进锻造方法，提高锻件质量，降低消耗都是十分必要的。第二节金属的塑性变形第28页，课件共92页，创作于2023年2月一、金属塑性变形的实质弹性变形在外力作用下，材料内部产生应力，应力迫使原子离开原来的平衡位置，改变了原子间的距离，使金属发生变形。并引起原子位能的增高，但原子有返回低位能的倾向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。如图3-1（b）所示。第29页，课件共92页，创作于2023年2月塑性变形内应力超过金属的屈服点后，外力停止作用后，金属的变形并不完全消失。如图3-1（c）（d）所示。滑移面在切向应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面产生相对滑移，该面称为滑移面。位错运动引起塑性变形近代物理学证明，晶体不是在滑移面上，原子并不是整体的刚性运动而是以位错引起金属塑性变形。位错：沿滑移面旧原子对破坏，新原子对形成，如图3-2所示。第30页，课件共92页，创作于2023年2月第31页，课件共92页，创作于2023年2月图3-3多晶体塑性变形示意图多晶体的塑性变形（晶内和晶间变形）晶内变形：外力作用下，某一晶粒的塑性变形。晶间变形：晶粒之间的相互位移或转动。在外力作用下，有的晶粒处于利于塑性变形位置，则首先塑性变形。有的处于不利于塑性变形的位置，则暂时不变形。晶粒间会移动、转动，这种利与不利位置在变化，塑性变形不断进行。如图3-3所示。第32页，课件共92页，创作于2023年2月金属的压力加工就是要施加大于屈服极限的外力，使其产生永久性变形。用一定的方法获得人们所需要的形状和尺寸。第33页，课件共92页，创作于2023年2月二、塑性变形对金属组织和性能影响金属的塑性变形在不同的温度下产生。由于变形时的温度不同，塑性变形对金属组织和性能产生不同的影响。在不同温度下，发生塑性变形时，产生加工硬化、回复、再结晶现象。金属在常温下经塑性变形后，内部组织将发生变化：⑴晶粒沿最大变形的方向伸长；⑵晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；⑶晶粒产生碎晶。第34页，课件共92页，创作于2023年2月二、塑性变形对金属组织和性能影响1.加工硬化金属的力学性能随内部组织变形程度的增加，强度和硬度上升，而塑性、韧性下降(如图3-4)，这种现象被称为加工硬化（或冷作硬化）第35页，课件共92页，创作于2023年2月原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。故加工硬化对于塑性变形过程是不利的。消除：再结晶退火650—750℃

但加工硬化在生产中很有实用意义，对于某些不能通过热处理来强化的金属材料，如低碳钢、镍铬不锈钢等，可以采用冷轧、冷拔、冷挤等工艺来提高强度和硬度，已达到使用要求。第36页，课件共92页，创作于2023年2月2.回复：加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定状态的倾向。室温下不易实现。当提高温度时，原子获得热能，热运动加剧，当加热温度T回(用K氏温标)T回=（0.25—0.3）T熔

使原子回复到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工硬化得到部分消除。这一过程称为回复。第37页，课件共92页，创作于2023年2月第38页，课件共92页，创作于2023年2月3.再结晶：当加热温度T再：

T再=0.4T熔原子获得更多热能，开始的某些碎晶或杂质为核心构成新晶粒，因为是通过形核和晶核长大方式进行的，故称再结晶。再结晶后清除了全部加工硬化。再结晶后晶格类型不变，只改变晶粒外形。第39页，课件共92页，创作于2023年2月冷变形和热变形冷变形在再结晶温度以下的变形叫冷变形。冷变形后金属强度、硬度较高，低粗糙度值。但变形程度不宜过大，否则易裂。热变形再结晶温度以上变形，叫热变形。变形具有强化作用，再结晶具有强化消除作用。在热变形时无加工硬化痕迹。金属压力加工大多属热变形，具有再结晶组织。第40页，课件共92页，创作于2023年2月热加工后组织性能变化：粗大晶粒被击碎成细晶粒组织，改善了力学性能。铸态组织中的疏松、气孔经热塑变形后被压实或焊合。晶粒被拉长，非金属杂物被击碎，沿被拉长的晶粒界分布，形成纤维组织（流线）。第41页，课件共92页，创作于2023年2月变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工中常用锻造比y来表示变形程度。一般控制在y=2~3拔长时锻造比y拔=A0/A（横截面积比，如轴、杆类零件）镦粗时锻造比y镦=H0/H（高度比，如轮、饼类零件）纤维组织很稳定，不能（难以）用热处理方法来消除。只有经过锻压来改变其方向、形状。第42页，课件共92页，创作于2023年2月在设计和制造零件时，应使最大正应力的方向与纤维方向重合，最大切应力的方向与纤维方向垂直。尽量使纤维组织不被切断。（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高（2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高第43页，课件共92页，创作于2023年2月三、金属的可锻性金属的可锻性：材料经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。可锻性的衡量：塑性（断面收缩率ψ，伸长率δ），变形抗力。塑性好，变形抗力小则可锻性好。可锻性取决于：金属本质和加工条件。第44页，课件共92页，创作于2023年2月（一）金属的本质⒈化学成分的影响纯金属的可锻性比合金好；有些元素可使可锻性显著下降（如铬，钨，钒等）。钢的含碳量越低，可锻性越好，⒉金属组织的影响组织不同，可锻性有很大差异：纯金属、固溶体（如奥氏体）可锻性好；碳化物可锻性差；铸态柱状组织和粗晶粒不如晶粒细小均匀。第45页，课件共92页，创作于2023年2月（二）加工条件⒈变形温度的影响温度↑→原子的运动能力↑→容易滑移→塑性↑，变形抗力↓，可锻性改善。若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。已过热工件可通过锻造，控制冷却速度，热处理，使晶粒细化。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，一击便碎，无法挽回。这一现象称为“过烧”。金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称终锻温度。第46页，课件共92页，创作于2023年2月锻造温度：始锻温度：碳钢比AE线低200C°左右终锻温度：800C°过低难于锻造，若强行锻造，将导致锻件破裂报废。第47页，课件共92页，创作于2023年2月常用金属材料的锻造温度范围（始锻温度~终锻温度）碳钢：1200~800(℃)合金钢：1150~800(℃)合金工具钢（高速钢）：1180~900(℃)不锈钢：1300~850(℃)铝合金：480~380(℃)铜合金：900~700(℃)第48页，课件共92页，创作于2023年2月2.变形速度的影响一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好。第49页，课件共92页，创作于2023年2月3.应力状态的影响挤压时为三向受压状态。拉拔时为两向受压一向受拉的状态。压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。第50页，课件共92页，创作于2023年2月复习题说明金属塑性成形的条件和方法。何谓金属冷变形和热变形？同种金属材料分别经过冷、热变形，其组织和性能有何差异？何谓金属再结晶？说明金属锻造性的意义，有哪些影响因素？什么是锻造流线（即纤维组织）？在设计和制造零件时应如何分布锻造流线？金属锻造时，为什么要加热？钢的锻造温度大致限制在什么范围内？第51页，课件共92页，创作于2023年2月第三节锻造第52页，课件共92页，创作于2023年2月第三节锻造一、自由锻自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两个抵铁之间变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。金属沿变形方向可以自由流动，不受限制。第53页，课件共92页，创作于2023年2月自由锻设备：锻锤：包括空气锤和蒸汽—空气锤。依靠冲击力使金属变形，只能锻造中小锻件。液压机：包括水压机和油压机。依靠静压力使金属变形，可加工大型锻件。其中水压机可产生很大作用力，是重型机械厂锻造生产的主要设备。自由锻工序：包括基本工序、辅助工序和精整工序三大类第54页，课件共92页，创作于2023年2月1.自由锻工序（1）基本工序：是实现锻件成形的工序。是使金属产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状及尺寸的工艺过程。基本工序主要包括：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、切割、错移、锻接等。第55页，课件共92页，创作于2023年2月⒈自由锻工序⑴基本工序镦粗：适于饼块类，盘套类拔长：适于轴类、杆类拔长、镦粗经常交替反复使用。有时一头镦粗，另一头拔长。冲孔（通孔、盲孔），常用方法：镦粗—冲孔镦粗—冲孔—扩孔弯曲：工件轴线产生一定曲率。扭转：某一部分相对于另一部分转一定角度。错移：坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序，例如曲轴。切割：分割坯料，或去除锻件余量的工序。第56页，课件共92页，创作于2023年2月第57页，课件共92页，创作于2023年2月图扭转图

镦歪的产生和矫正a)细腰形

b)夹层图细腰形及夹层的产生第58页，课件共92页，创作于2023年2月a)完全镦粗

b)局部镦粗

图3-2

镦弯的产生和矫正a)镦弯的产生

b)镦弯的矫正图

镦粗第59页，课件共92页，创作于2023年2月a)角度弯曲

b)成形弯曲第60页，课件共92页，创作于2023年2月⑵辅助工序：在基本工序之前的预变形工序，如压肩、压钳口、倒棱等。是为方便基本工序的操作而对坯料预先进行的少量变形工序。⑶精整工序：完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸和形状精度的工序。主要有矫正、滚圆、摔圆等。第61页，课件共92页，创作于2023年2月图压肩a)方料压肩b)圆料压肩第62页，课件共92页，创作于2023年2月⒉锻件分类及基本工序方案（P98表3-1锻件分类及所需锻造工序）第63页，课件共92页，创作于2023年2月3.自由锻工艺规程的制定1.锻件图的绘制1）机械加工余量2）公差3）敷料（余块）（1/3~1/4）余量上图a）中：1——余块2——机械加工余量自由锻只能锻造形状较简单的锻件，余块是为了简化锻件的形状，便于锻造而附加上去的一部分金属。如零件上的某些凹档、台阶、小孔、斜面、锥面等都要适当简化，以便与自由锻操作。阶梯轴锻件图第64页，课件共92页，创作于2023年2月2.坯料重量和尺寸的计算G坯=（1+k）G锻G坯=G锻+G料头+G芯料+G烧K—消耗系数关于消耗系数K：锻造阶梯轴时：K=8~10%锻造空心件时：K=10~12%锻造实心盘体时：K=2~3%根据锻件的形状和尺寸，可以确定锻件重量，再考虑加热时的氧化损失，冲孔时冲掉的料头以及切头损失等，就可以计算出锻件所用坯料的重量。第65页，课件共92页，创作于2023年2月当锻造大型锻件时，采用钢锭做坯料，还要考虑切掉的锭头和锭尾。确定坯料尺寸时，还应考虑到坯料在锻造过程中必须的变形程度即锻造比的问题。对于以碳素钢钢锭为坯料并用拔长方法锻制的锻件，锻造比应不小于2.5～3.0；如用轧材作坯料，则锻造比可取1.3～1.5。第66页，课件共92页，创作于2023年2月模锻：在压力或冲击力作用下，金属坯料在锻模模膛内变形，从而获得锻件的工艺方法。二、模型锻造（一）模锻与自由锻相比有以下特点：1）生产率高；2）锻件的尺寸精度和表面质量高；3）材料利用率高；4）可锻造形状较复杂的零件；5）模具成本高、设备昂贵；6）锻件不能任意大。一般不得超过150kg。第67页，课件共92页，创作于2023年2月（二）锻模结构锻模模膛飞边槽桥部仓部—形成锻件基本形状和尺寸的空腔。—容纳多余的金属。—增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛1-锤头；2-上模；3-飞边槽；4-下模；5-模座；8-分模面；9-模膛；6、7、10-紧固楔铁；11-砧铁（抵铁）11第68页，课件共92页，创作于2023年2月（三）模膛的分类模膛模锻模膛制坯模膛终锻模膛预锻模膛延伸模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛第69页，课件共92页，创作于2023年2月按使用设备不同分为：锤上模锻、胎模锻等。⒈锤上模锻锤上模锻所用设备为模锻锤,通常为蒸气-空气锤。对形状复杂锻件，先在制坯模膛内初步成形，然后在模锻模膛内锻造。⑴模锻模膛

i)终锻模膛作用：使坯料最后变形到锻件所要求的形状、尺寸。尺寸比锻件尺寸放大一个收缩量，钢件约为1.5%。四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出阻力，促使金属充满模膛，容纳多余的金属。冲孔连皮：无法加工通孔而留下的一薄层金属。第70页，课件共92页，创作于2023年2月ii)预锻模膛作用：使坯料变形到接近于锻件的形状尺寸，使终锻时，金属容易充满终锻模膛。延长终锻模膛的使用寿命。批量不大，形状简单时可不设预锻模膛。区别：预锻模膛的圆角、斜度较大，没有飞边槽。终锻模膛的圆角、斜度较小，有飞边槽。第71页，课件共92页，创作于2023年2月第72页，课件共92页，创作于2023年2月⑵制坯模膛对形状复杂的模锻件,为使坯料形状基本接近模锻件形状,使金属能合理分布和很好地充满模锻模膛，就必须预先在制坯模镗内制坯，因而设制坯模膛。

i)拔长模膛增加某一部分长度。

ii)滚压模膛减小某部分横截面积,以增大另一部分横截面积，坯料长度基本不变。

iii)弯曲模膛弯曲工件。

iv)切断模膛切断金属。此外还有成型模镗，镦粗台，击扁面等制坯模镗。

第73页，课件共92页，创作于2023年2月第74页，课件共92页，创作于2023年2月模膛可分为单膛及多膛，图3-18是多镗模锻。第75页，课件共92页，创作于2023年2月⒉曲柄压力机上模锻第76页，课件共92页，创作于2023年2月⒊摩擦压力机上模锻第77页，课件共92页，创作于2023年2月⒋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，一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成型。⑴扣模图3-22⑵筒模图3-23