《工程材料及成形技术基础》课件 第10章压力加工成形

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第十章压力加工成形掌握金属塑性变形的实质及其对金属组织和性能的影响、可锻性和变形规律；了解各种压力加工方法、压力加工产品、及其特点；理解自由锻的设备、基本工序、结构工艺要求及工艺规程的制订；了解冲压成形过程中出现的缺陷及原因、以及冲压设备的结构。主要内容压力加工理论基础冲压成形冷变形（加工硬化）热变形压力加工优缺点金属的可锻性第十章压力加工成形冲压成形的基本工序冲压模具与冲压设备锻造成形锻造的基本概念自由锻造的基本工序模型锻造的基本工序第十章压力加工成形压力加工成形的应用冲压车间冲压模具冲压件的应用金属材料进行压力加工的前提？金属材料须具有塑性变形的特性。以板材为例。压力加工的主要目的利用塑性变形加工硬化来提高零件的刚度和强度，从而获得的零件表面光洁，精度较好，尺寸稳定，互换性好。第十章压力加工成形什么是压力加工？利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，称为金属压力加工，又称金属塑性加工。材料、模具和压机是压力加工的三个必备要素。第一节压力加工概述压力加工三要素？单晶体的塑性变形方式：

滑移——滑移系（多晶）第一节压力加工概述压力加工理论基础一、金属塑性变形的实质金属在外力作用下，其内部必将产生应力。塑性变形的实质就是晶体内部产生滑移的结果。a)未变形d)塑性变形单晶体滑移变形示意图b)弹性变形ττc)弹塑性变形ττ位错引起滑移变形示意图d)塑性变形b、c)位错运动a)未变形ττ金属受外力晶内-滑移晶间-滑动、转动→宏观塑性变形◆弹复现象：

金属内部有了应力就会发生弹性变形。应力增大到一定程度后使金属产生塑性变形。当外力去除后，弹性变形将恢复。

◆实际金属：第一节压力加工概述二、塑性变形对金属组织和性能的影响金属在常温-塑性变形后，内部组织和性能将发生变化：

1、组织变化：

①

晶粒沿最大变形的方向伸长；

②

晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；

③

晶粒间产生碎晶。2、性能变化（冷变形强化）随变形程度的增加，强度、硬度增加，而塑性、韧性下降的现象——加工硬化第一节压力加工概述常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响冷变形强化（加工硬化）原因：碎晶块和附近晶格扭曲阻碍滑移；好处：提高金属的强度与硬度；害处：在压力加工生产中，加工硬化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。定义：将冷成形后的金属加热至一定温度后，使原子回复到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象；特点：使晶格畸变减轻或消除，但晶粒的大小和形状并无改变。消除了晶格扭曲及大部分内应力。回复处理：低温退火或去应力退火。T回=(0.25~0.3)T熔（K）回复第一节压力加工概述定义：当温度达到0.4T熔时，金属原子开始以某些碎晶或杂质为核心，按变形前的晶格结构结晶成新的晶粒，从而消除了全部冷变形强化现象。再结晶温度：T再=0.4T熔再结晶2）热变形(热加工)T加工

>T再时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的相同晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。即冷变形强化和再结晶过程同时存在。◆热变形结果：无加工硬化——加工硬化和再结晶同时进行。所以，经热变形的金属虽然没有加工硬化，但是其机械性能仍明显提高。可把粗大、不均匀结构→细化。第一节压力加工概述金属的可锻性碳钢的锻造温度范围定义：衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件难易程度的工艺性能。衡量指标：金属的塑性(δ)和变形抗力(σy)。塑性↑，变形抗力↓，可锻性↑。第一节压力加工概述影响因素：

1.金属的本质（内在因素）

a.化学成分：C%↑，塑性↓，可锻性↓。纯金属>合金；碳化物形成元素使塑性加工性下降。b.金属组织：晶体结构：fcc＞bcc＞hcp组织状态：铸态柱状组织↓，晶粒粗大↓，碳化物↓，纯金属及固溶体↑。第一节压力加工概述2.加工条件（外部因素）a.变形温度提高金属变形时的温度，是改善金属可锻性的有效措施。变形温度T↑，材料塑性δ↑，变形抗力σy↓，可锻性↑。始锻温度：固相线以下200℃左右。终锻温度：A1线以上，800～750℃之间。b.变形速度定义：单位时间的变形程度。它对可锻性的影响是矛盾的。a点左：变形速度↑，δ↓，σy↑，可锻性↓。a点右：变形速度↑，热效应现象越明显，δ↑，σy↓，可锻性↑。注意：温度过高将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废。热效应现象除在高速锤等设备的锻造较明显外，一般压力加工，不易出现。第一节压力加工概述c.应力状态金属经受不同方法变形时，所产生的应力性质（压应力或拉应力）和大小是不同的。三个方向应力中受压应力数目越多，δ↑

，可锻性↑;拉应力的数目越多，δ↓，可锻性↓。

体积不变定律（变形后体积=变形前体积）

最小阻力定律（金属变形时首先向阻力最小方向流动）金属变形规律金属加工应力状态不同截面金属的流动情况轧制、挤压、拉拔（受压力作用，主要生产各种型材：管、棒、型、线；板、带、条、箔）；自由锻造、模锻、板料冲压等（受冲击力作用，主要生产毛坯或零件）。第一节压力加工概述压力加工的分类上砧铁

下砧铁

坯料

轧制自由锻拉拔复合挤压模锻板料冲压压力加工的优点第一节压力加工概述（1）力学性能高：结构致密，组织改善，性能提高，强度、硬度、韧度俱高；（2）节省金属：少、无切削加工，材料利用率高。由于提高了金属的力学性能，在同样受力和工作条件下，可以缩小零件的截面尺寸，减轻重量，延长使用寿命；（3）生产效率高：多数压力加工方法，特别是轧制、挤压，金属连续变形，且变形速度很高，所以生产率高；（4）可以获得合理的流线分布（金属塑性变形是固体体积转移过程）。第一节压力加工概述压力加工的缺点（1）一般工艺表面质量差（氧化）；（2）压力加工与铸造方法相比也有不足之处，由于在固态下成形，无法获得截面形状，故不能成型形状复杂件；（3）设备庞大、价格昂贵；（4）劳动条件差（强度大、噪音大）。第二节锻造成形锻造成形是对处于再结晶温度以上的金属施加外力，使其产生塑性变形，从而获得所要求的形状、尺寸和组织性能的加工方法。一、锻造成形的定义碳钢的锻造温度范围锻造-重型锻造工艺第二节锻造成形锻造成形方法分为自由锻造和模型锻造两大类。二、锻造成形的方法自由锻造的定义自由锻造又称为自由锻，是利用冲击力或压力使金属在上下两个砧铁或锤头与砧铁之间产生变形，从而获得所需形状、尺寸和力学性能的锻件的成形过程。自由锻造的设备空气锤工作时，电动机通过曲柄连杆带动压缩缸内活塞运动，产生的压缩空气经控制阀送入工作缸的下腔或上腔，驱使上砧铁或锤头上下运动进行打击。空气锤第二节锻造成形自由锻造的工序自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序是使坯料产生一定程度的塑性变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转和错移等。辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预变形加工，如压肩、倒棱等。精整工序则是用以改善锻件表面质量而进行的加工，如整形、清除表面氧化皮等。镦粗：a）整体镦粗；b）局部镦粗拔长冲孔：a）双面冲孔；b）单面冲孔第二节锻造成形模型锻造的定义模型锻造又称为模锻，是利用压力或冲击力使金属毛坯在一定形状的锻模模膛内受压变形而获得锻件的锻造方法。模锻可分为锤上模锻、胎模锻和压力机上模锻。锤上模锻是指在蒸汽空气锤、高速锤等模锻设备上进行的模锻，其锻模由上、下模两部分组成。模锻时将加热好的坯料放在下模膛中，上模随同锤头一起上下往复运动锤击坯料，使其发生塑性变形并充满模膛，最终获得所需的锻件。锤上模锻工作示意图锻造-热模锻压力机生产线第二节锻造成形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使坯料初步成形，然后将坯料放在胎模模腔中终锻成形。胎膜结构：（a）扣模；（b）无上扣扣模；（c）套模；（d）无上模胎模锻虽然不及锤上模锻生产率高，精度也比较低，但它灵活，适应性强，不需昂贵的模锻设备，所用模具也较简单，成本低。胎模锻广泛用于中小批量的锻件生产。第三节冲压成形冲压成形是利用冲模使板料产生分离或变形以获得零件的加工方法，故也称为板料成形技术。一、冲压成形的定义冲压成形的工序冲压成形的基本工序有分离工序和变形工序两大类。什么是分离工序？分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断和修整等。（a）落料；（b）冲孔第三节冲压成形什么是变形工序？变形工序是使板料的一部分相对于另一部分在不开裂的情况下而产生位移的工序称为变形工序，如弯曲、拉深、翻边和成形（胀形）等。二、冲压设备与冲压模具冲压设备常用的冲压设备有剪床和冲床。其中冲床是冲压加工的基本设备。冲压模具冲压模具简称冲模，冲模的结构对冲压件的表面质量、尺寸精度、生产效率及模具的寿命等都有很大的影响。根据工序组合程度分类，冲模一般分为简单模、级进模和复合模三种。拉深第三节冲压成形冲压-冲压拉伸成型冲压-冲压弯曲成型第四节其它塑性成形技术在外加拉力的作用下，迫使金属坯料通过拉拔模的模孔使其变形的塑性加工方法称为拉拔成形。一、拉拔成形技术拉拔示意图：（a）线材拉拔；（b）不加芯轴管材拉拔；（c）加芯轴管材拉拔拉拔应力状态拉拔产品截面形貌图用于生产线材等；适用于加工低碳钢、有色金属及合金。

第四节其它塑性成形技术二、挤压成形技术挤压成形示意图挤压成形是使挤压筒中的坯料在强大的压力作用下从模具的出口或缝隙挤出，从而获得所需尺寸、形状零件的加工方法。挤压成形主要应用于金属型材和管材的生产。根据挤压时金属的流动方向和凸模运动方向的不同，挤压成形分为以正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。挤压应力状态典型挤压件第四节其它塑性成形技术铝型材挤压原理挤压钢管第四节其它塑性成形技术金属坯料在旋转轧辊的作用下产生连续塑性变形，从而获得所需截面形状的塑性加工方法称为轧制。常用的轧制方法有辊锻轧制、斜轧、横轧、辗环等。三、轧制成形技术辊锻轧制示意图辊锻轧制辊锻轧制是由轧制工艺应用到锻造生产中的一种新方法。当坯料通过一对相对旋转的扇形轧辊时，坯料受压而产生塑性变形，从而获得所需的锻件。第四节其它塑性成形技术用螺旋斜轧法生产钢球毛坯斜轧斜轧亦称螺旋斜轧，它是采用两个带有螺旋形槽的轧辊，互相交叉成一定角度并做相对旋转运动，使坯料在轧辊间既能绕自身轴线转动，又能向前推进，同时受压发生塑性变形而获得所需产品。第四节其它塑性成形技术辗环轧制示意图横轧轧辊轴线与轧件轴线平行，并且轧辊与轧件做相对转动的轧制方法称为横轧。横轧轧件内部的锻造流线与零件的轮廓一致，所以轧件的力学性能较高。环形毛坯在主动辊与从动辊之间受压变形，通过改变两辊间的距离，使坯料的厚度逐渐变小，直径逐渐增大，同时坯料的断面形状也发生变化。在扩