《金属工艺学基础》-《金属工艺学基础》-项目6

项目六金属压力加工任务６－１金属压力加工的认知任务６－２锻造结构工艺设计任务６－３板料冲压结构工艺设计返回任务６－１金属压力加工的认知一、金属塑性变形的实质金属在外力作用下首先要产生弹性变形，当外力增大到内应力超过材料的屈服强度时，就会产生塑性变形。金属的压力加工就是利用塑性变形实现的。金属塑性变形是由于金属在外力作用下，金属晶体每个晶粒内部的变形和晶粒间的相对移动、晶粒转动的综合结果。单晶体的塑性变形主要是通过滑移的形式实现的，即在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面产生滑移，如图６.２所示。单晶体的滑移是通过晶体内的位错运动来实现的，不是沿滑移面所有的原子同时做刚性移动的结果，只是位错中心附近的少数原子进行微量的位移，所以滑移所需要的切应力比理论值低得多。下一页返回任务６－１金属压力加工的认知图６.３所示为位错运动引起塑性变形。工程上使用的金属绝大多数是多晶体。多晶体中每个晶粒内部的变形情况与单晶体的变形情况大致相似，可以看作是单个晶粒的位错及晶粒之间的滑动和转动的综合结果。如图６.４所示，多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于４５°的晶粒，使位错在晶界附近塞积，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。上一页下一页返回任务６－１金属压力加工的认知二、塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过小，不能起到细化晶粒，提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再提高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。上一页返回任务６－２锻造结构工艺设计一、金属的可锻性金属的可锻性是指材料在锻压加工时的难易程度，它是金属工艺性能的一个重要指标，通常用塑性好坏和变形抗力大小两个指标来衡量。若金属材料在锻压加工时塑性好，变形抗力小，则可锻性好；反之，则可锻性差。金属的可锻性主要取决于材料的性质及其变形条件。二、锻造工艺方法（一）自由锻自由锻是指利用冲击力或压力，将加热好的金属坯料，用简单的通用性工具或在锻造设备的上、下砧铁之间，使坯料产生变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计坯料在锻造过程中，除与上、下砧铁或其他辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，故无法精确控制变形的发展。采用自由锻方法生产的锻件称为自由锻件。自由锻通常可分为手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻主要是依靠人力利用简单工具对坯料进行锻打，改变坯料的形状和尺寸从而获得所需锻件。手工锻造只能生产小型锻件，生产率低，劳动强度大，锤击力小，在现代工业生产中已为机器锻造所代替。机器自由锻主要依靠专用的自由锻设备和专用工具对坯料进行锻打，改变坯料的形状和尺寸，从而获得所需锻件。自由锻所用工具简单、通用性强、灵活性大，因而自由锻应用较为广泛，生产准备周期短；上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计但是由于锻件的形状与尺寸主要靠人工操作来控制，故存在锻件精度低、加工余量大、生产效率低及劳动强度大等缺陷。生产的自由锻件质量可以从１ｋｇ的小件到３００ｔ的大件，适合于单件和小批量生产，修配以及大型锻件的生产和新产品的试制等，特别是特大型锻件的生产，自由锻是唯一可行的加工方法，所以自由锻在重型工业中具有重要意义，例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件。（二）模型锻造将加热后的坯料放在模锻设备上的锻模模镗内，利用高强度锻模，使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的加工方法称为模型锻造（简称模锻）。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时可获得与模膛形状相符的模锻件。与自由锻相比，模锻具有如下优点：①生产效率较高。模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。②能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命。③模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。④节省金属材料，减少切削加工工作量。在批量足够的条件下，能降低零件成本。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计⑤模锻操作简单，劳动强度低，易于实现机械化。但是，模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在１５０ｋｇ以下。模锻设备投资较大，模具加工工艺复杂、制造周期长、费用高，工艺灵活性较差，生产准备周期较长。因此，模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的飞速进步，锻模的制造周期将大大缩短。模锻按使用的设备不同，可分为锤上模锻、压力机上模锻和胎模锻。（三）胎模锻胎模是一种不固定在锻造设备上的模具，结构较简单，制造容易。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计胎模锻是在自由锻设备上用胎模生产模锻件的工艺方法，因此胎模锻兼有自由锻和模锻的特点。胎模锻与自由锻相比，具有生产率高，锻件尺寸精度高，表面粗糙度值小，敷料少，节约金属等优点。与模锻相比，具有成本低，使用方便等优点。但胎模锻的锻件精度和生产率不如锤上模锻高，胎模寿命短。胎模锻造适用于中、小批量生产，小型多品种的锻件，特别适合于没有模锻设备的工厂。胎模种类很多，常用的胎模结构主要有扣模、套筒模和合模三种类型。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计①扣模。扣模用来对坯料进行全部或局部扣形，主要生产杆状非回转体锻件，也可为合模锻造制坯，生产过程中坯料不转动［图６.３５（ａ）］。②套筒模。套筒模呈套筒形，有开式和闭式两种，主要用于锻造齿轮、法兰盘等回转体类锻件［图６.３５（ｂ）、（ｃ）］。③合模。合模通常由上模和下模两部分组成［图６.３５（ｄ）］。合模成形时的多余金属流入飞边槽，为了使上下模吻合及不使锻件产生错模，经常用导柱等定位。合模多用于生产形状较复杂的非回转体锻件，如连杆、叉形件等。胎模锻的工艺过程主要包括工艺规程的制订、胎模的制造、备料、加热、锻制及后续工序等。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计在工艺规程的制定过程中，可灵活选取分模面，分模面数量不限于一个，而且在不同工序中可以选取不同的分模面，以便于制造胎模和使锻件成形。图６.３６所示为法兰盘胎模锻制过程。胎模选用套筒模，它由模筒、模垫和冲头组成。原始坯料加热后，先用自由锻镦粗，然后将模垫和模筒放在下砧铁上，再将镦粗的坯料平放在模筒中，压上冲头后终锻成形，最后将连皮冲掉，得到锻件。表６.１０所示为阀体的胎模锻工艺卡片，坯料加热后先镦粗，然后放入胎模中成形及冲孔。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计三、锻件的结构工艺性锻件的结构工艺性是指所设计的锻件在满足要求的前提下，制造的可行性和经济性。良好的结构工艺性是指在现有工艺条件下既能方便制造，又有较低的制造成本。另外，在设计锻压件结构和形状时，除满足使用性能要求外，还应考虑锻压设备和工具的特点。１.自由锻件的结构工艺性自由锻件的设计原则是在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计２.模锻件的结构工艺性为了便于模锻件生产和降低成本，设计模锻零件时，模锻件的形状应保证其能从模膛中顺利取出和容易充满模膛，并根据模锻特点和工艺要求，使其结构符合下列原则。①模锻零件应具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径。②由于模锻的精度较高，表面粗糙度值较小，因此零件的配合表面可留有加工余量；非配合面因一般不需要加工而不需留加工余量。③零件的外形应力求简单、平直、对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋等不良结构，以保证金属容易充满模膛、减少加工工序。上一页下一页返回任务６－２锻造结构工艺设计一般说来，零件的最小截面与最大截面之比不要小于０.５，图６.４２（ａ）所示零件的凸缘太薄、太高，中间下凹太深，金属不易充型。图６.４２（ｂ）所示零件过于扁薄，薄壁部分金属在模锻时容易冷却，不易充满模膛，对保护设备和锻模也不利。图６.４２（ｃ）所示零件有一个高而薄的凸缘，不仅难以充型，而且锻模的制造和锻件的取出都很困难。改成如图６.４２（ｄ）所示形状则较易锻造成形。④应尽量避免有窄槽、深孔或多孔结构。孔径小于３０ｍｍ或孔深大于直径两倍时，锻造困难。⑤对于复杂锻件，为减少敷料，简化模锻工艺，在可能条件下，应采用锻造－焊接或锻造－机械连接组合工艺，如图６.４３所示。上一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计一、板料冲压的特点冲压所用的材料，不仅要满足产品设计的技术要求，还应当满足冲压工艺的要求和冲压后续工序的加工要求（如切削加工、焊接、电镀等）。冲压常用原材料有低碳钢、奥氏体不锈钢、铜或铝及其合金等具有塑性的金属材料，也可以是胶木、云母、纤维板、皮革等非金属材料。板料冲压具有以下特点：①可冲出形状复杂的零件，废料较少，材料利用率高。②冲压件的尺寸精确，表面粗糙度值小，质量稳定，互换性好，一般不再进行机械加工，即可作为零件使用。下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计③金属薄板经过冲压塑性变形并产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。④冲压生产操作简单，生产率高，工艺过程易于实现机械化和自动化。⑤冲模是冲压生产的主要工艺装备，其结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压在大批量生产条件下采用才能降低产品成本。板料冲压是机械制造中的重要加工方法之一，冲压不仅能够制造尺寸很小的精密仪表零件，还能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件和复杂形状的零件。占全世界钢产量６０％～７０％以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计冲压在汽车、拖拉机、机械、家用电器、日常用品、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中，都有广泛的应用。二、冲压设备冲压设备主要有剪床和冲床两大类。１.剪床剪床是完成剪切工序，把板料切成需要宽度的条料以供冲压工序使用的主要设备。剪床的外形及传动机构如图６.４５所示。电动机１通过带轮使轴２转动，再通过齿轮传动及离合器３使曲轴４转动，于是带有刀片的滑块５便上下运动，进行剪切工作。剪床通常有平口剪床、斜口剪床和圆盘剪床三种类型。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计２.冲床冲床是进行冲压加工的主要设备，按其床身结构不同，有开式和闭式两种类型。按其传动方式不同，有机械式冲床与液压压力机两大类。冲床的主要技术参数是以公称压力来表示的，公称压力是以冲床滑块在下止点前工作位置所能承受的最大工作压力来表示的。我国常用开式冲床的规格为６３～２０００ｋＮ，闭式冲床的规格为１０００～５０００ｋＮ。３.冲模冲模是冲压加工中的主要工艺装备。冲模按组合方式可分为单工序模（简单冲模）、级进模（连续冲模）、组合模（复合冲模）三种。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计三、板料冲压的基本工序冲压基本工序可分为分离工序和变形工序两大类。１.分离工序分离工序是指冲压过程中，使板料的一部分沿一定的轮廓与另一部分分离的加工工序，如冲孔、落料、剪切、切口、切边、剖切、修整等。２.变形工序变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生塑性变形而不被破坏的工序，如弯曲、拉深和成形等。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计四、板料冲压件的结构工艺性板料冲压件的设计不仅要保证良好的使用性能，而且也应具有良好的工艺性能，以提高生产率、降低生产成本及保证产品质量。１.冲裁件结构工艺性冲裁件结构工艺性指冲裁件结构、形状、尺寸对冲裁工艺的适应性。主要包括以下方面。①冲裁件的形状应力求简单、对称，尽可能采用规则形状，如圆形、矩形等。在排样时要有利于合理利用材料，尽可能提高材料的利用率，如图６.６３所示。同时应避免长槽与细长悬臂结构，如图６.６４所示，否则制造模具困难。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计②冲裁件转角处应尽量避免尖角，以圆角过渡。一般在转角处应有半径Ｒ≥０.２５ｔ（ｔ为板厚）的圆角，以避免尖角处应力集中被冲模冲裂和减小角部模具的磨损。③对孔的最小尺寸及孔距间的最小距离等，也都有一定限制。冲裁件的有关尺寸如图６.６５所示。④冲裁件的尺寸精度要求应与冲压工艺相适应，其合理经济精度为ＩＴ９～ＩＴ１２，较高精度冲裁件可达到ＩＴ８～ＩＴ１０。采用整修或精密冲裁等工艺，可使冲裁件精度达到ＩＴ６～ＩＴ７，但成本也相应提高。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计２.弯曲件的结构工艺性弯曲件的结构工艺性如图６.６６所示。设计弯曲件时应考虑以下几方面：①弯曲件的弯曲半径ｒ不应小于材料允许的最小弯曲半径ｒｍｉｎ，并应考虑材料纤维方向，以避免弯裂。但弯曲半径ｒ也不宜过大，否则会造成回弹量过大，使弯曲件精度不易保证。②弯曲件形状应尽量对称，以防止在弯曲时发生工件偏移。③直边过短不易弯曲成形，应使弯曲件的直边高Ｈ＞２ｔ（ｔ为板厚）。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计④弯曲带孔的工件时，孔的位置应在变形区以外，孔与弯曲变形区的距离Ｌ≥（１.５～２）ｔ。⑤多向弯曲时，为避免角部畸变，应先冲工艺孔或切槽。３.拉伸件的结构工艺性拉伸件的尺寸要求如图６.６７所示，设计时主要考虑以下几个方面：①拉伸件的形状应力求简单、对称，以便使拉伸次数减少，容易成形。拉伸件的形状有回转体形、非回转体对称形和非对称空间形三类，其中以回转体形，尤其是直径不变的杯形件最易拉伸，模具制造也方便。上一页下一页返回任务６－３板料冲压结构工艺设计②尽量避免直径小而深度大，否则不仅需要进行多次拉伸，而且容易出现废品。③拉伸件的底部与侧壁，凸缘与侧壁应有足够的圆角；拉伸件底部或凸缘上的孔边到侧壁的距离要合理，最小允许半径和距离如图６.６７所示，否则容易出现废品和增加成本。另外，带凸缘拉伸件的凸缘尺寸要