石大机械制造基础课件02热加工工艺-2锻压

第2章锻压3、1锻压工艺基础3.2.1金属的塑性变形

轧制、锻造挤压、冲压、拉拔等成形加工工艺都是金属发生大量塑性变形的过程，而且在车、铣、刨、钻等各种切削加工工艺中，也都发生金属的塑性变形。塑性变形不仅可以使金属获得一定的形状和尺寸，而且还会引起金属内部组织与结构变化，使铸态金属的组织与性能得到一定的改善。（1）塑性变形的实质

塑性变形的实质是在外力的作用下金属内部的原子沿一定的晶面和晶向产生了滑移的结果。1）单晶体的塑性变形

室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿滑移面作整体滑动，右图为单晶体在切应力作用下的滑移变形过程。实验表明，晶体只有在切应力作用下才会发生塑性变形。2）多晶体的塑性变形

大量实验结果表明：多晶体的塑性变形正是由于存在着晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要比同种金属的单晶体高得多。3.2.2变形后金属的组织和性能1.加工硬化、回复和再结晶

金属材料经塑性变形后，其组织和性能变化组织上的变化表现为：晶粒沿金属流动方向伸长，晶格畸变，位错密度增加，产生内应力，产生碎晶。性能上的变化表现为：随着变形程度的增加，强度及硬度显著提高，而塑性和韧性则很快下降。变形度愈大，性能的变化也愈大。1）加工硬化由于塑性变形的变形度增加，使金属的强度、硬度提高，而塑性下降的现象称为加工硬化或冷作硬化。

加工硬化现象在工程技术中具有重要的实用意义：加工硬化更是唯一有效的强化方法。加工硬化还可以在一定程度上提高构件在使用过程中的安全性。加工硬化也有其不利的一面。由于它使金属塑性降低，给进一步冷塑性变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大。为了消除加工硬化效应，恢复材料的塑性，以便继续进行变形加工，或为了消除变形过程中产生的内应力，就要对工件进行退火处理。2）回复经塑性变形后的工件，在退火加热温度不太高时，冷变形金属的显微组织无明显的变化，只能使内应力明显降低和消除，金属的力学性能没有显著变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多，这一过程称为回复。3）再结晶当加热温度较高，塑性变形后金属被拉长的晶粒重新形核、结晶，变为等轴晶粒，称为再结晶。纯金属的再结晶温度与熔点的大致关系是Ｔ再≈0.4Ｔ熔（Ｋ）。（2）塑性变形的分类和对金属组织和性能的影响

根据变形时的温度，金属的塑性变形分为冷变形和热变形。1）冷变形金属在其再结晶温度以下进行塑性变形称为冷变形。冷变形加工后金属内部形成纤维组织，变形后金属具有明显的加工硬化现象，所以冷变形的变形量不宜过大，避免工件撕裂或降低模具寿命。冷变形加工具有精度高、表面质量好、力学性能好的特点，广泛应用于板料冲压、冷挤压、冷镦及冷轧等常温变形加工。2）热变形金属在其再结晶温度以上进行变形加工称为热变形。金属热变形时组织和性能的变化主要表现在以下几个方面：变形加工时，金属中的脆性杂质被破碎，并沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂质则沿变形方向呈带状分布，这种杂质的定向分布称为流线。通过热变形可以改变和控制流线的方向和分布，加工时因尽可能使流线与零件的轮廓相符合而不被切断。曲轴的流线分布示意图a）切削b）锻造3.2.3金属的锻造性能金属的锻造性能是衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。金属的锻造性能的优劣，常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。金属塑性好，变形抗力低，则锻造性能好，反之则差。影响金属材料塑性和变形抗力的主要因素有两个方面。3.3自由锻3.3.1概述

自由锻是将加热好的金属坯料，放在锻造设备的上、下砧铁之间，施加冲击力或压力，使之产生塑性变形，从而获得所需锻件的一种加工方法。自由锻的优点是：所用工具简单、通用性强、灵活性大，适合单件和小批锻件，特别是特大型锻件的生产。自由锻的缺点是：锻件精度低、加工余量大、生产效率低、劳动强度大等。自由锻通常可分为手工自由锻和机器自由锻。3.3.3自由锻工序根据作用与变形要求不同，自由锻的工序分为基本工序、辅助工序和精整工序三类。基本工序指改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，称为基本工序。包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等工步。辅助工序是为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如倒棱、压肩等工步。修整工序修整锻件的最后尺寸和形状，提高锻件表面质量，使锻件达到图纸要求的工序叫修整工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲等工步。1.基本工序1）镦粗

使坯料整体或一部分高度减小、截面积增大的工序称为镦粗。镦粗有完全镦粗、局部镦粗和垫环镦粗等2）拔长使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长拔长主要用于轴杆类锻件成形，其作用是改善锻件内部质量。拔长的种类。有平砥铁拔长、芯轴拔长、芯轴扩孔等。3）冲孔采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。4）弯曲是将毛坯弯成所需形状的工序在进行弯曲变形前，先要将毛坯锻成所需形状，使体积合理分配，便于获得合格产品。5）扭转将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。6）切割将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序。（2）辅助工序3.3.4自由锻件的分类和锻造过程

按自由锻件的外形及其成形方法，可将自由锻件分为六类：饼块类、空心类、轴杆类、曲轴类、弯曲类和复杂形状类锻件。1.饼块类锻件这类锻件主要有圆盘、叶轮、齿轮、模块等零件的毛坯。其所采用的基本工序是镦粗工步。随后的辅助工序和修整工序有：倒棱、滚圆、平整等工步。2.空心类锻件

这类锻件主要有各种圆环、齿圈、轴承环、缸体、空心轴等零件的毛坯。所采用的基本工序有镦粗、冲孔、扩孔或芯轴拔长等工步。辅助工序和修整工序有：倒棱、滚圆、校正等工步。3.轴杆类锻件

这类锻件可以是直轴或阶梯轴，如传动轴、轧辊、立柱、拉杆等；也可以是矩形、方形、工字形或其他截面的杆件，如连杆、摇杆、杠杆等。锻造轴杆类锻件的基本工序有拔长或镦粗+拔长工步。辅助工序和修整工序有倒棱和滚圆工步。4.曲轴类锻件

锻造曲轴类锻件的基本工序有拔长、错移和扭转等工步。辅助和修整工序有：分段压痕、局部倒棱、滚圆和校正等工步。（1）下料（2）压槽（卡出II段）（3）错移、压出II拐扁方（4）压槽（I、III分段）（5）压出I、III拐扁方（6）压槽（I、III与轴端分段）（7）摔出中间、两端轴颈（8）扭转I、III拐各30º5.弯曲类锻件

锻造这类锻件的基本工序有拔长、弯曲工步。辅助工序和修整工序有：分段压痕、滚圆和平整等工步。6.复杂形状类锻件

这类锻件主要有阀体、叉杆、吊环体、十字轴等。其形状较复杂，锻造难度比较大，所用辅助工具也较多。因此在锻造时应选择合理的锻造工序，保证锻件顺利成形。3.4模锻1、概述模锻是在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形，由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。模锻的优点：锻件的形状和尺寸比较精确，机械加工余量较小，节省加工工时，材料利用率高；可以锻制形状较为复杂的锻件；生产率较高；操作简单，劳动强度低,对工人技术水平要求不高，易于实现机械化；锻件内流线分布更为合理，力学性能高。2、锤上模锻锤上模锻是在自由锻和胎模锻的基础上发展起来的，所用的锻模是由带有燕尾的上模和下模组成的。锤上锻模工作原理如图所示，下模固定在模座上，上模固定在锤头上，并与锤头一起作上下往复的锤击运动。（1）模锻锤锤上模锻使用的设备有蒸汽－空气模锻锤、无砧底锤、高速锤等。一般工厂企业中主要使用蒸汽－空气模锻锤，其工作原理与蒸汽－空气自由锻锤基本相同，但由于模锻时受力大，要求设备的刚性好，导向精度高，以保证上下模对准。模锻锤的机架与砧座直接连接，形成封闭结构，锤头与导轨之间间隙小；模锻锤的吨位以锤杆落下部分的质量表示。常用模锻锤的吨位为1～16t，通常用以锻造0.5～150kg的模锻件；砧座较重，约为落下部分质量的20～25倍。（2）锻模

模锻工作示意图如图所示。锻模由上、下模组成。上模和下模分别安装在锤头下端和模座上的燕尾槽内，用楔铁紧固。上、下模合在一起，其中部形成完整的模膛。根据模膛功用不同，可分为模锻模膛和制坯模膛两大类。1）制坯模膛制坯模膛主要作用是按照锻件形状合理分配坯料体积，使坯料形状基本接近锻件形状。制坯模膛分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、成形模膛、镦粗台及压扁面等。滚压模膛：减小坯料某部分的横截面积以增加另一部分的横截面积。弯曲模膛：将坯料轴线由直线变成曲线形状。切断模膛：切断坯料。拔长模膛：减小坯料某部分横截面积以增加该部分的长度。制坯模镗

2）模锻模膛

模锻模膛分为预锻模膛和终锻模膛两种。预锻模膛：目的是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，以便在终锻成形时金属充型更加容易，同时减少终锻模膛的磨损，延长锻模的使用寿命。终锻模膛：可使坯料变形到热锻件所要求的形状和尺寸。待冷却收缩后即达到冷锻件的形状和尺寸。终锻模膛的分模面上有一圈飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。模锻件的飞边须在模锻后切除。长轴类模锻件锻件的长度与宽度之比较大，锻造过程中锤击方向垂直于锻件的轴线，常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工序。盘类模锻件锻件为圆形或长度接近于宽度，锻造过程中锤击方向与坯料轴向相同，终锻时金属沿高度、宽度及长度方向产生流动，因此常选用镦粗、终锻等工步。对于形状简单的盘类锻件，可只用终锻工步成形。3）修整工序

坯料在锻模内制成模锻件后，尚须经过一系列修整工序后才能保证和提高锻件质量。切边和冲孔：刚锻制成的模锻件，一般都带有毛边和连皮，须在压力机上使用切边模将它们切除。校正：在切边和其他工序中都可能引起锻件变形，因此切边后可在终锻模膛内或专门的校正模内进行校正。热处理：热处理的目的是为了消除锻件在锻造过程中产生的过热组织或加工硬化，改善锻件组织和切削加工性，提高锻件的力学性能，一般采用正火或退火。清理：为了提高模锻件的表面质量，模锻件需要进行表面清理(如喷砂法、酸洗法等)去除锻件表面的氧化皮、污垢及其他表面缺陷(如毛刺)等。精压：对于要求精度高，表面粗糙度低的模锻件，清理后还应在压力机上进行精压。3.5板料冲压

3.5.1概述

板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。板料冲压的坯料通常都是较薄的金属板料，而且，冲压时不需加热，故又称为薄板冲压或冷冲压，简称冷冲或冲压。（1）板料冲压的特点和应用

与锻造和其它加工方法相比，板料冲压具有下列特点：它是在常温下通过塑性变形对金属板料进行加工的，因而，原材料必须具有足够的塑性，并应有较低的变形抗力。金属板料经过塑性变形的冷变形强化作用，并获得一定的几何形状后，具有结构轻巧、强度和刚度较高的优点。冲压件尺寸精度高、质量稳定、互换性好，一般不再进行切削加工，即可作为零件使用。冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。冲压模具结构复杂、精度要求高、制造费用高，只有在大批量生产的条件下，采用冲压加工方法在经济上才是合理的。3.5.2板料冲压的基本工序板料冲压的基本工序有冲裁、弯曲、拉深、成形等。（1）冲裁冲裁是使板料沿封闭的轮廓线分离的工序，包括冲孔和落料。这两个工序的坯料变形过程和模具结构都是一样的，二者的区别在于冲孔是在板料上冲出孔洞，被分离的部分为废料，而周边是带孔的成品；落料是被分离的是的部分是成品，周边是废料。（2）弯曲弯曲是将平直板料弯成一定角度和圆弧的工序弯曲时，坯料外侧的金属受拉应力作用，发生伸长变形。坯料内侧金属受压应力作用，产生压缩变形。在这两个应力--应变区之间存在一个不产生应力和应变的中性层，其位置在板料的中心部位。

（3）拉深

拉深是利用拉深模使平面板料变