工程材料及成形工艺 课件 第7章 金属锻压成形

工程材料及成形工艺第1章金属结构及性能第2章金属结晶及相图第3章金属热处理及工艺第4章钢铁材料及性能第5章非铁金属与非金属材料第6章金属铸造成形第7章金属锻压成形第8章金属焊接成形第9章机械零件材料及工艺选择第7章金属锻压成形7.1锻压成形原理7.1.1金属形变基本理论7.1.1.1晶粒内受力产生滑移7.1锻压成形原理7.1.1.2晶粒间受力滑移和转动7.1锻压成形原理7.1.2金属形变组织和性能7.1.2.1金属冷变形组织和性能（1）金属冷变形组织与强化金属塑性变形量不大时，位移原子堆积在晶界附近，随变形量增加而增多，将促使各破碎品粒成为细品粒，使晶格产生严重畸变。7.1锻压成形原理（2）冷变形金属残余应力金属塑性变形时，由于多晶体变形分布的严重不均匀性，使塑性变形后的金属存在残余内应力，这将导致零件在使用中发生变形。7.1.2.2金属加热组织与性能（1）低温加热回复组织将冷形变强化金属加热到一定温度后，金属原子获得热能而将恢复原位，但因加热温度低，原子扩散能力小，只能引起部分空位及位错原子作微量迁移，使缺陷数量减少，晶格畸变减轻，残余应力及硬化部分消除。7.1锻压成形原理（2）高温加热再结晶组织当变形金属加热到较高温度时，原子具有更大的扩散能力，这时组织中破碎拉长的晶粒，将会通过形核与长大的方式形成新的等轴晶粒，这些等轴晶粒完全代替碎晶后，即可完成再结晶过程。（3）再结晶温度及退火工艺金属开始再结晶的温度称为再结晶温度。7.1锻压成形原理7.1.2.3金属热变形组织和性能（1）热变形对金属组织的影响热变形可消除铸态组织、破碎并改善碳化物的分布。（2）热变形对金属性能的影响锻造使金属组织发生了一系列的变化，将必然会引起金属性能发生改变。7.1锻压成形原理（3）热变形程度的确定不同材料的热变形程度及不同性能要求，需选择不同的锻造比，通常为：7.1锻压成形原理（4）纤维组织性能的利用由于纤维组织可使锻件性能呈现各向异性，且纤维组织的化学稳定性很高，难以用热处理消除，而只能再用锻造改变其方向和分布状况。1）使零件工作时所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。2）使纤维组织与零件轮廓相符而不被切断。7.1锻压成形原理7.1.3金属的可变形性能7.1.3.1金属的本身性质（1）化学成分的影响金属中合金元素含量越少、塑性越好，一般情况下，纯金属的可变形性能比合金好。（2）金属组织的影响金属组织结构不同，可变形性能也不同。7.1.3.2金属的变形条件（1）变形温度的影响金属通过加热可有效地提高其可变形性能，如图7-8a所示，如低碳钢加热到300°C以上时，随着温度升高，金属内原子动能增加，原子间的结合力降低，使滑移变形抗力减小且塑性提高，从而改善了金属的锻造性能。7.1锻压成形原理7.1锻压成形原理（2）变形速度的影响一般情况下，提高变形速度，将会因塑性变形产生的加工硬化现象来不及消除，而导致金属的塑性降低，变形抗力增大（见图7-9a），可变形性能变差。7.1锻压成形原理（3）变形方式的影响采用的变形方式不同，金属内部产生的应力大小和状态不同，塑性也不同。7.1.3.3常用金属材料的可变形性能7.1锻压成形原理7.2.1自由锻方法及应用7.2.1.1自由锻分类及特点7.2.1.2自由锻造工序7.2.2自由锻件工艺拟定7.2.2.1绘制锻件图（1）确定锻件形状为了简化锻件形状、便于直接锻造成形，而在零件上某些难以锻出的凹档、台阶、凸肩、法兰和内孔等部位，添加上一部分多余（在切削加工余量以外）的金属，即称为余块，如图7-10a所示。7.2自由锻成形（2）确定锻件余量由于自由锻锻件尺寸精度低、表面质量较差，需再经切削加工制成成品零件，为此应在零件加工表面上增加供切削加工用的金属，称次锻件余量，其大小取决于零件形状和尺寸、精度和粗糙度要求等，零件越大、形状越复杂，则余量越大。（3）确定锻件公差零件基本尺寸加上加工余量为锻件基本尺寸。7.2自由锻成形（4）绘制锻件图绘制锻件图时，零件主要轮廓形状用双点画线表示，锻件轮廓用粗实线表示（见图7-10b），锻件尺寸和公差标注在尺寸线上面，零件尺寸加括弧标注在尺寸线下面，以供锻造者参考。7.2.2.2计算坯料质量及尺寸（1）坏料质量的计算根据锻件形状和尺寸，可先计算出锻件质量，再考虑加热时的氧化损失、冲孔时冲掉的料芯以及切头损失，即可计算出锻件所用坯料的质量，其计算公式为：7.2自由锻成形（2）坯料尺寸的确定坯料尺寸与所用第一个基本工序有关，若饼块类和空心类锻件用镦粗工序锻造时，为了避免镦弯，应使坯料高度日不超过直径D（或边长A）的2.5倍，即坯料高径比H/D不得超过2.5。7.2.2.3选择锻造工序（1）锻件分类及工序生产中常见锻件按其形状特点，可分为轴杆类、盘块类、空心类、曲轴类、弯曲类和复杂形类等。7.2自由锻成形7.2自由锻成形（2）制订变形工艺方案拟定变形工艺方案时，可根据锻件的形状特征、尺寸、技术要求、生产批量和生产条件等，结合基本工序、辅助工序和精整工序的变形特点，以及完成各工序所使用的工具，参考有关典型工艺具体确定。7.2自由锻成形7.2自由锻成形7.2.2.4选定锻造设备（1）经验类比法经验类比法是在统计分析生产实践数据的基础上，整理出经验公式、表格或图线，根据锻件某些主要参数（如质量、尺寸、接触面积），直接通过公式、表格或图线选定所需锻压设备吨位。（2）查表选定法对于低、中碳钢和普通低合金钢自由锻，可按表7-7选定锻锤吨位。7.2自由锻成形7.2.2.5确定锻造温度及规范（1）确定锻造温度范围各类合金的锻造温度范围概括于表7-8，可根据锻件材料性质从中查取。7.2自由锻成形（2）确定加热及冷却规范制订加热规范即确定加热过程不同时期的加热炉温、升温速度和加热时间。7.2自由锻成形（3）确定冷却方法及规范根据要求选择空冷、坑冷或炉冷。（4）确定热处理规范锻件常规热处理是将锻件冷却到室温后，再按工艺规程将锻件由室温重新加热进行热处理（见图7-12a），而锻件余热热处理，则是利用锻件锻后热量直接进行热处理。7.2自由锻成形7.2.3自由锻件结构设计7.2.3.1锻件形状应简单对称7.2.3.2锻件应避免锥面和斜面7.2.3.3锻件应避免加强肋或凸台7.2自由锻成形7.2.3.4锻件应避免空间曲线7.2.3.5锻件截面应力求简单7.2自由锻成形7.3.1模锻方法及锻模7.3模锻成形7.3.1.1锤上模锻（1）锻模结构及功能按照模锻镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形等各变形工序的不同，锻模可分为弯曲模、拔长模和切割模等。7.3模锻成形（2）模锻模膛结构特点终锻模膛形状与锻件形状相同，只比锻件尺寸放大一个收缩量（钢件收缩量一般取1.5%），且沿模膛周围设有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时还能容纳多余的金属。7.3模锻成形（3）多膛锻模的特点根据模锻件复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模（见图7-19）。7.3模锻成形7.3.1.2胎模模锻（1）胎模模锻特点及应用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，再在胎模中最后成形。（2）胎模分类及结构特点胎膜结构简单（见表7-9）、制造简便、耗用模具钢少，还可用一般合金钢代替模具钢，尽管模具易磨损和变形使寿命降低，但在模锻设备缺乏情况下，对于中小批量锻件的生产，可采用胎模锻成形。7.3模锻成形7.3模锻成形7.3.1.3压力机模锻分类及应用7.3模锻成形7.3模锻成形7.3.2模锻件工艺拟定7.3.2.1绘制模锻件图（1）模锻件分模面选择分模面即上、下锻模在模锻件上的分界面。7.3模锻成形（2）加工余量和锻造公差确定锻件上凡是需要机械加工的部位，均应预留机械加工余量，并且机械加工余量的大小主要取决于零件形状、尺寸、加工精度和表面粗糙度要求、生产批量、锻造方法等，一般根据经验确定，且要求尽量节约金属材料及工时。7.3模锻成形（3）模锻斜度选定模锻时便于金属快速充满模膛膛腔，并能从模膛膛腔中顺利取出锻件，一般锻件上垂直于分模面的侧表面将必须附加一定的斜度，而且斜度的大小与锻件材料、侧表面位置、模膛膛腔尺寸等因素有关。（4）模锻圆角半径确定为便于金属在膛腔内流动阻力小和增加锻件强度，避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断，以减少模具的磨损或裂纹，锻件上所有面与面的相交处，均必须采用圆角过渡形式（见图7-21b）。7.3模锻成形（5）冲孔连皮确定锤上模锻件不能直接锻出通孔，必须在孔内保留一定厚度的连皮（见图7-22a），等锻后再在压力机切断模上冲除。7.3模锻成形7.3.2.2确定变形工步（1）制坯和模锻工步确定饼块类锻件是在分模面上的投影圆形或长宽尺寸相近的锻件，如图7-23a所示。7.3模锻成形7.3模锻成形7.3模锻成形（2）切断和冲孔工步的确定终锻只是完成了锻件最主要的成形过程，尚需经过切边、冲孔、校正、清理等一系列精整工序，才能得到合格的锻件。（3）校正和精压工步的确定精度和粗糙度要求严格的锻件，还要进行校正和精压。7.3模锻成形7.3.2.3计算坯料质量及尺寸（1）短轴类锻件的尺寸如前所述，此类锻件一般用镦粗制坯，所以坯料尺寸应以镦粗变形为依据进行计算，且坯料的体积V坯（包括飞边、连皮）可根据下式计算：7.3模锻成形（2）长轴类锻件的尺寸这类锻件的坏料尺寸，可根据锻件的最大截面面积Smax值，计算坯料直径：7.3.2.4锻锤吨位确定7.3.2.5确定锻造加热冷却规范7.3.3模锻件结构设计7.3.3.1锻造工艺对结构设计的要求（1）合理设计锻件分模面模锻件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出，余块最少且容易制造。（2）正确设计锻件形状模锻件外形应力求简单、平直及对称，尽力避免零件截面差别过大或具有薄壁、高肋、高台和局部急剧突起等结构，以保证金属塑性变形后易于充满模膛，并使锻件易于从模膛中取出且锻模易于制造。7.3模锻成形7.3模锻成形（3）避免设计沟槽及深孔结构在零件结构允许条件下，设计模锻件时应尽量避免窄沟、深槽、深孔（深度大于直径两倍的孔为深孔）和多孔结构。7.3模锻成形（4）组合锻件设计对于形状复杂的锻件，为减少余块并简化模锻工艺，在可能条件下应尽量采用锻一焊、锻一切削加工或锻—切削加工一机械连接等组合工艺，分段锻造和加工成形，再组合成整体，如图7-28b和图7-28c所示。7.3.3.2锻造性能对结构设计的要求7.3模锻成形7.4.1模锻新工艺7.4.1.1液态模锻7.4锻压新技术（1）力学性能良好在液态模锻过程中，由于金属液体是在高压作用下凝固结晶，且金属锻模导热和散热较快，金属液凝固时间较短，一般仅为普通铸造时间的1/3~1/4。（2）尺寸精度较高液态模锻件尺寸精度较高，通常可达到I