先进成形与智能技术 习题及答案 第3章

第3章参考答案常见的塑性成形方法有哪些？各有什么特点?答：锻造：锻造件质量比铸件高，能承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也都比铸件高。节约原材料，缩短加工工时，生产效率高。轧制：主要用在金属材料型材、板、管材等。轧制使材料截面减小，长度增加。挤压：坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出使之横截面积减小长度增加。生产范围广，产品规格、品种多；生产灵活性大，适合小批量生产；产品尺寸精度高，表面质量好。拉拔：用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料断面的模孔中拉出。尺寸精确，表面光洁；工具、设备简单；连续高速生产断面小的长制品。冲压：靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离。可得到轻量、高刚性之制品；生产性良好，适合大量生产、成本低；可得到品质均一的制品，材料利用率高、剪切性及回收性良好。碳钢在锻造温度范围内变形时，是否会有冷变形强化现象？答：不会，碳钢的锻造温度一般都在再结晶温度之上，且碳钢在锻造温度范围内处于奥氏体单相组织（γ相），这种面心立方晶格的硬度较低，容易变形。在锻造温度范围内，碳钢会发生动态回复和动态再结晶，这些过程会消除因变形而产生的加工硬化效应。3.什么是金属的可锻性？影响可锻性的因素有哪些？答：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。影响可锻性的因素有：金属化学成分、金属组织结构、变形温度、变形速度、变形方式等。4.什么是热变形?什么是冷变形?各有何特点？生产中如何选用?答：热变形是指金属在再结晶温度以上的变形。其特点为：变形后沿着流线方向（纵向）的抗拉强度较高，而垂直于流线方向（横向）的抗拉强度较低。同时促进动态再结晶，从而减少加工硬化。冷变形是指金属在再结晶温度以下的变形，其特点为：冷变形工艺使金属获得较高的尺寸精度和表面质量，冷变形会产生加工硬化现象，残余应力较大。生产中的选用：冷变形常用于制造高强度、高硬度的零件，如板料冲压、冷挤压、冷锻和冷轧等。热变形常用于制造大型铸件、锻件等。5.铅在20℃、钨在1000℃时变形，各属哪种变形？为什么（铅的熔点为327℃，钨的熔点为3380℃）？答：铅在20℃时的变形：铅的熔点为327℃，再结晶温度的计算公式为0.4倍的熔点（绝对温度），即0.4×(327+273.15)K=258.26K=−14°C。因为20℃高于铅的再结晶温度（-14℃），所以铅在20℃时的变形属于热变形。钨在1000℃时的变形：钨的熔点为3380℃，再结晶温度的计算公式同样为0.4倍的熔点即0.4×(3380+273.15)=1461.26K=1188.26℃。因为1000℃低于钨的再结晶温度（1188.26℃），所以钨在1000℃时的变形属于冷变形。综上所述，铅在20℃时的变形是热变形，而钨在1000℃时的变形是冷变形。这是因为铅的变形温度高于其再结晶温度，而钨的变形温度低于其再结晶温度。流线组织是怎样形成的？它的存在有何利弊？答：流线组织：在锻造时，金属的脆性杂质被打碎，沿着金属的主要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织就具有一定的方向性，通常称为流线组织。利：提高力学性能：良好的流线可以使锻件的力学性能更好，尤其是沿流线纵向上的力学性能。提高零件承载能力：如果流线分布合理，可以显著提高零件的承载能力。例如，吊钩采用弯曲工序成形时，就能使流线方向与吊钩受力方向一致，从而可提高吊钩承受拉伸载荷的能力。弊：各向异性：金属流线的存在使得金属性能呈现各向异性，即沿着流线方向的抗拉强度较高，而垂直于流线方向的抗拉强度较低。质量问题：如果锻造流线方向和锻件将来的主要受力方向处理不好，容易出现锻件质量问题，如裂纹等。7.如REF_Ref168937310\h图3-66所示的钢制挂钩，拟用铸造、锻造、板料切割这三种工艺制造。试问用哪种工艺制得的挂钩承载力最大?为什么?图3-SEQ图10-\*ARABIC66钢制挂钩答：锻造工艺：锻造过程中，金属材料经过反复的变形和再结晶，金属的晶粒得到细化，内部的夹杂物和缺陷被压实或打破，从而提高了材料的密实度和均匀性。这种工艺保持了金属的连续纤维（流线），使得材料的力学性能在各个方向上都比较均匀，尤其是沿流线方向的力学性能最佳。铸造工艺：铸造件通常存在一些内部缺陷，如气孔、缩孔、缩松和夹杂等，这些缺陷会显著降低材料的承载能力。此外，铸造件的晶粒组织较为粗大，且各向异性明显，导致其力学性能不如锻造件。板料切割工艺：板料切割工艺是从轧制过的钢坯上直接切割成型，虽然避免了铸造中的一些缺陷，但由于没有经过锻造过程中的塑性变形，其内部组织和力学性能不如锻造件，尤其是没有保持完整的金属流线，因此在承载力上通常低于锻造件。综上所述，锻造工艺能够提供最佳的力学性能和最高的承载力，因此在制造需要承受大载荷的钢制挂钩时，锻造工艺是最合适的选择。8.试从生产率、锻件精度、锻件复杂程度等方面比较自由锻和模锻两种锻造方法？答：生产率：自由锻：自由锻造的灵活性大，生产效率相对较低，因为它依赖于操作工人的技能和经验，且不易实现机械化和自动化。模锻：生产效率高，劳动强度低，尺寸精确，加工余量小，并可锻制形状复杂的锻件；适用于批量生产。模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状，生产率高，一般比自由锻造高3～4倍，甚至十几倍。锻件精度：自由锻：锻件精度低，加工余量大，劳动强度大，生产率也不高，因此它主要应用于单件、小批量生产。锻件形状简单、尺寸精度低、表面粗糙。模锻：锻件尺寸较精确，能锻造出自由锻造很难锻出的形状，外形美观，呈流线形，表面质量较好，加工余量较小。模锻件尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。锻件复杂程度：自由锻：锻件形状简单，操作灵活，它在重型机器及重要零件的制造上有特别重要的意义。模锻：可以锻制形状复杂的锻件；由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂。模锻件成形是靠模膛控制，可锻出形状复杂、更接近于成品的锻件。9.进行自由锻件的结构设计时应注意哪些问题？答：锻件上应避免有锥形、斜面和楔形表面，锻造具有锥体或斜面结构的锻件，需制造专用工具，锻件成形也比较困难，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率，应改进设计。锻件由数个简单几何体构成时，几何体间的交接处不应形成空间曲线。自由锻锻件上不应设计出加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线表面。自由锻锻件的横截面若有急剧变化或形状较复杂时，应设计成由几个简单件构成的几何体。每个简单件锻制成形后，再用焊接或机械连接方式构成整体件。10.重要的轴类锻件为什么在锻造过程中安排有镦粗工序？答：减少焊合内部缺陷：锻件在制造过程中可能会存在缩孔、疏松、偏析等缺陷。合理的镦粗工序能够有效地焊合这些内部缺陷，减小偏析。提高机械性能：通过反复的镦粗工序可以提高锻件的综合机械性能。11.模锻模膛按功能分类哪几类？各有什么功能？答：预锻模膛：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时金属容易充满终锻模膛，同时也减小了终锻模膛的磨损，延长使用寿命。终锻模膛：使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸。它的形状与锻件的形状相同；由于锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量，一般钢件收缩量取1.2%～1.5%。12.改正REF_Ref168937190\h图3-67所示模锻件结构的不合理之处。图3-SEQ图10-\*ARABIC67模锻件结构答：原设计中垂直分模面的表面没有设计斜度，转角处没有设计圆角过渡，等。改进结构中将Φ90的表面增加斜度，转角处改为圆角，等。13.下列制品选用哪种锻造方法制作？答：活扳手（成批）；铣床主轴（成批）；大六角螺钉（成批）；起重机吊钩（小批）；万吨轮主传动轴（单件）活动扳手(成批):活动扳手通常采用模锻法进行大批量生产。铣床主轴(成批):铣床主轴适合采用模锻法进行成批生产。大六角螺钉(成批):大六角螺钉适合采用模锻法进行成批生产。起重机钓钩(小批):起重机钓钩适合采用自由锻法进行小批量生产。万吨轮主轴(单件):万吨轮主轴适合采用自由锻法进行单件生产。什么是冲裁工序、弯曲工序、拉深工序？它们各有何变形特点？答：冲裁工序：冲裁是利用模具在压力机上使材料与制件沿一定的轮廓线产生相互分离的工序，包括落料、冲孔、切断、修边、剖切等。弯曲工序：弯曲是将金属板料、棒料、管料或型材等毛坯按照一定的曲率和角度进行变形，从而得到定角度和形状零件的冲压工序。拉深工序：拉深（又称拉延）是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。设计冲压件结构时应考虑哪些原则？答：圆角过渡：冲裁件的直线或曲线连接处应有适当的圆角，以避免冲裁模制造困难和模具损坏。只有在采用少废料、无废料排样模具结构时可以不要圆角。最小圆角半径：冲裁件的圆角半径应根据材料厚度`t`来确定，当`t＜1mm`时，均以`t=1mm`计算。凸出或凹入部分的宽度：冲裁件凸出或凹入部分的宽度不宜太小，并应避免过长的悬臂。腰圆形冲裁件设计：腰圆形冲裁件的圆弧半径R应大于工件宽度的一半，以采用少废料排样。如果圆弧半径R等于工件宽度的一半，则不能采用少废料排样，否则会产生台肩。冲孔尺寸：冲孔时，孔的尺寸不宜过小，其最小尺寸与孔的形状、材料的机械性能、材料的厚度等因素有关。材料合理排样：冲裁件的形状应能符合材料合理排样，减少废料。用φ50mm冲孔模具来生产φ50mm落料件能否保证落料件的精度？为什么？答：不能保证，原因如下：间隙差异：由于冲孔模具和落料模具在设计时凸凹模间隙的确定方式不同，如果用冲孔φ50mm的模具来落料φ50mm落样件，落料件的尺寸会大一定的间隙尺寸，从而影响精度。断面质量及模具寿命：适当的凸凹模间隙对于保证断面质量、模具寿命以及成品的尺寸精度至关重要。而用φ50mm冲孔模具来生产φ50mm落料件，会导致间隙不合适，进而影响精度。落料模与拉深模的凸、凹模间隙有什么不同？为什么？答：落料是分离工序，凸凹模边缘是锋利的刃口，用于将材料从板料上剪切下来。落料的凸凹模间隙一般小于板的厚度，且要求间隙合适。通常，单边间隙z取为材料厚度的m倍，其中m是与材料性能及厚度有关的系数。拉深是变形工序，凸凹模边缘为圆角，以便于材料的流入和形状的形成。拉深模的凸模和凹模间隙一般大于板料的厚度。通常，单边间隙z1的取值范围为1.1至1.2倍的材料厚度。用φ60mm落料模具来生产φ60mm冲孔件能否保证冲压件的精度？为什么？用φ300mm×1.0mm的板料能否一次拉深成φ60mm的拉深件？应采用什么措施？答：用φ60mm落料模具来生产φ60mm冲孔件不能保证冲压件的精度，因为落料模和冲孔模在模具间隙和刃口磨损特性上存在差异。用φ300mm×1.0mm的板料不能一次拉深成φ60mm的拉深件，采取措施：

多次拉深，可以采用多次拉深的方法，每次拉深逐渐减小直径，使每次拉深系数都在材料允许的范围内。中间退火，在多次拉深过程中，由于材料加工硬化，可能需要进行中间退火处理，以恢复材料的塑性，便于下一次拉深。压边力控制，合理控制压边力，防止拉深过程中出现起皱现象。压边力过小，容易起皱；压边力过大，会增加拉深力，可能导致拉裂。材料的回弹现象对冲压生产有何影响？答：形状变形，回弹可能使冲压件的形状发生变形。在拉深或翻边等工序中，材料的回弹会导致冲压件的轮廓形状与模具形状不一致。模具设计难度增加，为了补偿材料的回弹，模具设计者需要在模具结构设计时考虑回弹量，并进行相应的修正。这增加了模具设计的复杂性和难度。

模具磨损加剧，由于回弹导致冲压件与模具的贴合度不佳，在冲压过程中可能会产生不均匀的受力，这会加速模具的磨损。生产周期延长，处理回弹问题需要进行多次调试和修正，无论是在模具设计阶段还是在生产过程中。这会导致生产周期延长，降低生产效率。工件拉深时为什么会出现起皱和破裂现象？应采取什么措施解决这些质量问题？答：1.起皱原因切向压应力过大：在拉深过程中，工件圆周方向（切向）会受到较大的压应力。当这个压应力达到一定程度时，工件的边缘部分材料就会失去稳定性，从而产生起皱现象。压边力不足：如果压边装置提供的压边力不够，就无法有效抑制材料在切向的流动，也容易导致起皱。解决措施增加压边力：通过调整压边装置，适当增加压边力，使材料在拉深过程中能够受到足够的约束，减少切向流动，从而防止起皱。不过，压边力也不能过大，否则可能会引起其他问题。采用拉深筋或拉深槛：在模具上设置拉深筋或拉深槛，能够增加材料在流入凹模过程中的阻力，限制材料的流动，起到防止起皱的作用。2.破裂原因径向拉应力过大：拉深时，工件径向（从中心到边缘的方向）会产生拉应力。当拉应力超过材料的强度极限时，材料就会发生破裂。例如，拉深系数过小（拉深变形程度过大），会使径向拉应力过