《机械制造技术》-第二章

2.1金属压力加工工艺基础2.1.1金属塑性成形工艺原理金属材料在压力加工过程中，遵守以下基本规律。1.金属的塑性变形各种金属压力加工方法都是通过金属的塑性变形实现的，如图2-2所示。金属受外力作用后，首先产生弹性变形，弹性变形的实质是在外力的作用下，金属内部的原子偏离了原来的平衡位置，使金属产生变形，当外力超过一定限度后，才产生塑性变形。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。下一页返回2.1金属压力加工工艺基础实际金属都是多晶体，多晶体的变形是与其中各个晶粒的变形行为有关。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。2.最小阻力定律在塑性变形过程中，如果金属质点有向几个方向移动的可能时，则将向阻力最小的方向移动，这是塑性成形加工中最基本的规律之一。这样，可以通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量，以便消除缺陷，合理成形。最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。3.体积不变规律金属材料在塑性变形前、后体积保持不变。上一页下一页返回2.1金属压力加工工艺基础2.1.2金属塑性变形分类通常将金属塑性变形分为冷变形和热变形，二者的分界是再结晶温度。纯金属的再结晶温度形。热变形时，加工硬化与再结晶同时存在，加工硬化又几乎同时被再结晶消除，塑性显著增高，变形抗力减小，应用于自由锻、热模锻、热轧、热挤压等加工。由于是在高温下进行的，金属表面易产生氧化皮，加工精度和表面质量较低。上一页下一页返回2.1金属压力加工工艺基础2.1.3影响金属塑性变形的因素1.化学成分纯金属的塑性成形性能比合金好。随着含碳量的增加，钢的塑性下降，合金元素含量越高，钢的塑性成形也越差。杂质元素磷会使钢出现冷脆性，硫会使钢出现热脆性，降低钢的塑性成形性能。2.金相组织纯金属和单相固溶体的合金塑性成形性能较好；具有均匀细小等轴晶粒的金属比晶粒粗大的柱状晶粒塑性成形性能好；钢中有碳化物和多相组织时，塑性成形性能变差；网状二次渗碳体使钢的塑性大大下降。上一页下一页返回2.1金属压力加工工艺基础3.变形温度温度升高，塑性提高，温度升高到再结晶温度以上时，加工硬化不断被再结晶软化消除，金属的塑性成形性能进一步提高。加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降，这种现象称为“过热”。如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至熔化，导致金属的塑性变形能力完全消失，这种现象称为“过烧”，坯料将报废。4.变形速度变形速度是指单位时间内变形程度的大小。当变形速度很大时，热能来不及散发，会使变形金属的温度升高，这种现象称为“热效应”,它有利于提高金属的塑性。上一页下一页返回2.1金属压力加工工艺基础2.1.4压力加工的特点1.提高力学性能金属材料经过压力加工后，能消除金属内部的气孔、缩孔和树枝状晶体等缺陷，并且经过塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织，形成纤维组织（沿着变形方向呈现为一条条的“锻造流线”，如图2-3示）,并通过控制使纤维组织合理分布，提高零件的抗冲击性能，从而能显著提高金属件的力学性能。上一页下一页返回2.1金属压力加工工艺基础2.提高材料的利用率由于锻件的强度高，承受同样载荷作用的锻件比铸件的截面尺寸小，节省了金属材料。尤其模锻，不仅提高了零件的力学性能，也节省了毛坯的切削加工工时和设备，节省了材料的消耗。3.较高的生产率塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产率高。4.毛坯或零件的精度较高应用先进的技术和设备，可实现无屑加工。上一页返回2.2自由锻造自由锻造简称自由锻，是利用冲击力或压力将加热好的金属坯料产生塑性变形，获得锻件的工艺方法，如图2-4所示。自由锻分为手工自由锻和机器自由锻两种。手工自由锻是在铁砧上利用大锤、小锤、冲子等工具使坯料变形制成锻件。机器自由锻是使用专用的设备和工具使坯料变形制成锻件，是自由锻造的主要方法。下一页返回2.2自由锻造2.2.1机器自由锻的设备机器自由锻的设备分为锻锤和液压机两类。1.锻锤（1）空气锤。以空气为传动介质，利用电机驱动活塞，产生压缩空气，使锤头上下往复运动进行锤击的锻造设备，其工作原理如图2-5所示。空气锤适用于锻造100kg以下的小型锻件。它主要由以下几个主要部分组成。①机架：机架又称锤体，由工作缸7、压缩缸10、锤身12和砧座2组成。②传动部分：由电动机14、减速器13、曲柄18、连杆17及压缩活塞16等组成。上一页下一页返回2.2自由锻造③操纵部分：由上旋阀9、下旋阀8、操纵手柄11、踏杆1组成。④工作部分：包括落下部分（工作活塞15、锤杆6和上砧铁5）和锤砧（下砧铁4、砧垫3、砧座2）。（2）蒸汽—空气锤。蒸汽—空气锤是利用压力为0.6～0.9MPa的蒸汽或压缩空气带动锤头工作的，主要用于质量小于150kg锻件的锤锻。蒸气或压缩空气由单独的锅炉或空气压缩机供应。常用的双柱式蒸气—空气锤的构造如图2-6所示，其主要组成部分简单介绍如下。①机架。机架又称锤身，由左右立柱15组成，并由螺栓紧固在底座16上，再用前后拉杆将两立柱连接起来，以增强刚性。②汽缸及缓冲机构。上一页下一页返回2.2自由锻造③落下部分。落下部分包括活塞8、锤杆7、导轨6、锤头5和上砧4等。④配气—操纵机构。配气机构位于汽缸侧面，由滑阀11和滑阀12组成。操纵机构由节气阀操纵杆14、滑阀操纵杆13等组成。操纵机构的作用是通过操作节气阀和滑阀，使锤头实现悬空、压紧工件、单次打击和连续打击等动作。⑤砧座。砧座由下砧3、砧垫2和砧座1组成。砧座的质量是落下部分质量的10～15倍，足够的质量可保证打击时不会产生弹跳和减弱打击，也不易产生下沉。上一页下一页返回2.2自由锻造2.液压机液压机是根据液体的静压力传动原理（即帕斯卡原理）设计制造的。液压机工作平稳，噪声小，静压力作用时间长，变形均匀，易达到较大的锻透深度，可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。大型锻造水压机的制造和拥有量是一个国家工业水平的重要标志。我国已经能自行设计制造125000kN以下的各种规格的水压机，结构如图2-7所示。是锻造大型锻件的主要设备。其主要组成部分简单介绍如下。①固定系统。主要由下横梁1、立柱3、上横梁6、工作缸9和回程缸10等组成，下横梁固定在基础上。上一页下一页返回2.2自由锻造②传动系统。主要由活动横梁5、工作柱塞8、回程柱塞11、回程横梁14和回程拉杆15等部分组成。③砧座部分。由下砧2和上砧4组成。④辅助件。由密封圈7和管道12、13组成。水压机的附属设备主要有水泵、蓄压器、充水罐和水箱等。2.2.2自由锻工艺1.绘制锻件图锻件图是以零件图为基础绘制而成的，绘制锻件图应考虑下列因素。（1）余块。零件上的某些小孔、台阶等难以用自由锻锻出，所以为了简化锻件形状而暂时增加的那一部分金属称为余块，余块大小一般根据经验或参考相关资料来确定，如图2-8所示。上一页下一页返回2.2自由锻造（2）锻件的加工余量与公差。在锻件表面增加供切削加工用的金属层称为锻件加工余量，而零件的基本尺寸与加工余量之和称为锻件的基本尺寸。实际生产中锻出的锻件的实际尺寸很难达到该标准，允许有一定的偏差。锻件公差通常为加工余量的1/4～1/3，典型锻件图如图2-9所示。2.计算坯料质量及尺寸坯料质量可按下式计算：m坯＝m锻＋m烧＋m芯＋m切式中m坯—坯料的质量；m锻—锻件的质量；m烧—加热时坯料表面氧化而烧损的质量；m芯—冲孔时芯料的质量；m切—锻造过程中修切端部金属的质量。上一页下一页返回2.2自由锻造3.锻造工序自由锻造的工序有基本工序、辅助工序和修整工序3类。基本工序是指为了达到工件的形状和尺寸而进行的使金属发生变形的工艺过程，主要包括镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割和扭转等。基本工序是锻造的主要工艺内容，介绍如下。（1）镦粗镦粗是减小坯料高度、增大其横截面的锻造工序。常用于锻制盘类锻件，为冲孔前的准备工作，以减小冲孔深度。镦粗有完全镦粗和局部镦粗两种，如图2-10所示。上一页下一页返回2.2自由锻造（2）拔长。拔长是使坯料的横截面积减小而长度增加的锻造工序。在平砧上拔长空心坯料，可在芯棒上拔长，如图2-14（a）所示；若局部切开后拔长如图2-14（b）所示。（3）冲孔。冲孔是利用冲头在镦粗的坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。为了保证冲孔位置准确，在孔的位置上轻轻冲出孔的痕迹，再冲出浅坑，如图2-15（a）所示；然后将孔冲到工件厚度2/3处，如图2-15（b）所示；最后翻转工件从反面冲通，如图2-15（c）所示。上一页下一页返回2.2自由锻造（4）弯曲。弯曲是将坯料弯成规定的形状的锻造工序，如图2-16所示，当坯料弯曲变形时，金属的纤维组织并未被切断，并沿锻件的外形连续分布，从而保证了力学性能。所以技术质量要求较高并具有弯曲轴线的锻件，如吊钩、链环、角尺等都是利用弯曲工序完成的。（5）扭转。扭转是使坯料的一部分相对于另一部分沿其轴线旋转一定角度的锻造工序，如图2-17所示。扭转时，金属变形剧烈，很容易产生裂纹，所以坯料扭转前应加热到始锻温度并做到均匀热透，扭转部分要求表面光滑、无裂纹、伤痕等缺陷，扭转后的锻件应缓慢冷却。上一页下一页返回2.2自由锻造（6）错移使坯料的一部分相对于另一部分错开，但两部分的轴线仍保持平行的工件的锻造工序，如图2-18所示。错移首先是在错移部位压肩，然后加垫板及支撑，再锻打错开，最后修整。（7）切割切割是将坯料切断，劈开或切除锻件的余料的工序。将工件放在砧面上，然后用錾子錾入一定的深度，然后将工件的錾口移到铁砧边缘錾断。辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压钳口、压钢锭棱边、压肩等，不受图样的约束。修整工序是用于减少锻件表面缺陷的工序，如凸凹不平等，此工序变形量很小，如滚光、整形等，使工件更好地符合图样要求。上一页下一页返回2.2自由锻造4.典型自由锻件的工艺过程（1）圆盘类。圆盘类锻件如圆盘、叶轮、齿轮、模块、锤头等，基本工序为镦粗、冲孔，辅助工序和修整工序为倒棱、滚圆、平整等。齿轮坯的锻造过程如图2-19所示。（2）空心类。空心类锻件如圆环、齿圈和各种圆筒、缸体、空心轴等，锻造的基本工序为镦粗、冲孔、扩孔和拔长，辅助工序和修整工序为倒棱、滚圆、校正等。圆环的锻造过程如图2-20所示。（3）轴杆类。轴杆类如传动轴、车轴、轧辊、立柱、拉杆等。锻造轴杆类锻件的基本工序是拔长或镦粗加拔长；辅助工序和修整工序为倒棱、滚圆和校直。上一页下一页返回2.2自由锻造5.锻造温度坯料在加热时，表面易被氧化产生氧化皮，造成脱碳现象，使表层变软，强度和耐磨性下降，影响锻件的质量。加热温度高，引起过热，导致晶粒粗化，易开裂；加热温度过高，锻打时间过长，坯料产生过烧现象，易脆断，造成废品。所以在加热时温度必须严格控制。不允许产生过热和过烧现象。加热的始锻温度一般取固相线以下100℃～200℃，以避免工件发生过热与过烧，终锻温度一般高于金属的再结晶温度50℃～100℃，以保证锻件内部得到细晶粒组织。金属材料的锻造温度范围见表2-1。上一页下一页返回2.2自由锻造6.锻件结构工艺性在设计自由锻件结构和形状时，应遵循以下原则。①自由锻件一般采用平直、对称、简单的形状，尽量采用平面或圆柱面。对小于25mm的孔或轴类锻件上的窄凹槽，则采用添加余块的方法简化锻件形状，如图2-22（a）所示。②锻件上尽量避免楔形、曲线形、锥形、椭圆形或工字形表面，如图2-22（b）所示；为便于切削加工或装配而设计的小凹台在锻件上也必须由沉孔代替，如图2-22（c）所示；锻件上尽量避免有加强筋，如图2-22（d）所示，可适当增加薄壁的厚度或锻好后再焊接加强筋。上一页下一页返回2.2自由锻造③不允许采用圆柱体与圆柱体相贯的锻件结构，如图2-22（e）所示，因无法锻出，可改用圆柱体与圆柱体的平面相交，或将各圆柱体锻出后再焊成整体。2.2.3自由锻特点①自由锻设备、工具简单，通用性强。②自由锻灵活性大，适合单件小批量生产。③锻件精度低，生产效率低，劳动条件差。上一页返回2.3模型锻造模型锻造简称模锻，是把加热好的坯料放在高强度金属制成的锻模模膛内施加压力，使坯料发生变形充满模膛，获得与模膛形状一致的锻件的锻造方法。按模锻所使用的设备，模锻分为锤上模锻、胎模锻及压力机上模锻3种。2.3.1锤上模锻锤上模锻是在机器自由锻设备上发展起来的，与机器自由锻的设备相同。锻模一般由上模和下模组成，如图2-23所示，上模固定在锤头上，随锤头一起作上下往复运动，下模固定在模垫上。上、下模压在一起时，中部形成完整的模膛。模膛根据功能不同，可分为制坯模膛和模锻模膛两类，模锻模膛又分为预锻模膛和终锻模膛两种。下一页返回2.3模型锻造一般只有在锻件形状复杂、成形困难，而且批量较大的情况下，才使用预锻模膛。1.制坯模膛形状复杂的锻件首先经制坯模膛将坯料几次模压变形，使之逐渐成为与锻件近似的毛坯，以利于金属均匀变形，得以顺利充满模膛，而便于下一道工序进行。2.预锻模膛预锻模膛斜度和圆角半径较大，高度较大，一般无飞边槽，以便于金属流动，易于充满模膛，同时减轻模膛的磨损，避免产生折叠，如图2-24所示。延长终锻锻模的使用寿命。上一页下一页返回2.3模型锻造3.终锻模膛终锻模膛是锻件最终成形的模膛，模膛形状与锻件吻合，但尺寸需比锻件大一个收缩量，如钢件则大15％。终锻模膛四周设有飞边槽，通过飞边桥与模膛相连。如图2-25所示，主要用于增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，因为锻造时部分金属先压入飞边槽内形成毛边，因毛边薄且冷却快，进而阻碍金属从模膛内流出。同时也便于容纳多余金属，还可以起到缓冲作用，减弱对上、下模的冲击强度，防止锻模开裂。上一页下一页返回2.3模型锻造2.3.2胎模锻与压力机上的模锻1.胎模锻胎模锻是在机器自由锻设备上，利用不固定在设备上的锻模（称为胎模）生产模锻件的一种工艺方法。胎模锻比自由锻操作简单，成形准确，节省材料，生产效率高，适用范围广；不足的是精度较低，工人劳动强度大，胎模相对易损坏，广泛应用于中、小型生产。图2-26（a）称为摔模（又称克子）,用于锻件成形前的整形、拔长、制坯、校正。摔模锻造时须不断旋转锻件。图2-26（b）为扣模，由上扣和下扣组成或只有下扣而上扣由自由锻的砧块代替，扣模既可制坯也能成形。上一页下一页返回2.3模型锻造图2-26（c）为套模，套模分开式和闭式两种，开式套模只有下模，上模由自由锻的上砧块代替，适用于回转体料的制坯或成形。闭式套模锻造时，除能完成制坯或成形外，还可以冲孔；图2-26（d）为合模，由上模和下模组成，模上设有导向装置，用于连杆、拨叉等非回转体的锻造；图２-26（e）为切边模，用于切除飞边。2.压力机上的模锻由于机器自由锻锻锤在工作中震动及噪声大，劳动条件差，蒸汽效率低，能源消耗大等，因此，近年来大吨位锻锤逐步被压力机取代，称为压力机上的模锻。使用的压力机有摩擦压力机、曲柄压力机和平锻机等。上一页下一页返回2.3模型锻造2.3.3模锻工艺模型锻造的工艺规程包括绘制模锻图、选择模锻工序、模锻件结构工艺性、选择模型锻造设备、确定模型锻造温度范围等。1.绘制模锻件图（1）确定分模面。分模面划分的基本原则是分模面应在模锻件中最大尺寸的截面上，以便于锻件从模膛中顺利取出；上、下模膛在分模面处的轮廓基本一致，避免错模现象；分模面处于模膛深度最浅的位置，而且上、下模膛深浅基本相同，便于金属均匀充型。所以图2-27中的d-d面作为分模面是正确的；a-a面若作分模面，锻件则无法从模膛中取出。上一页下一页返回2.3模型锻造ｃ—ｃ分模面不仅上、下模膛容量相差大，而且安装上、下模膛时易产生错模现象；ｂ—ｂ面若作为分模面，则模膛深度为所选分模面中最深的，同时零件中间的孔也不能锻出。（2）确定模锻斜度与圆角半径。模锻件上与分模面相垂直的表面都应加放一定的斜度，称为模锻斜度，如图2-28所示，模锻斜度分内壁斜度与外壁斜度。锻件的内壁斜度比外壁斜度大2°～5°，模锻斜度一般为5°～15°，模锻斜度与模膛深度和宽度有关，一般模膛深度与宽度的比值（h/d）大时，模锻斜度取大值。上一页下一页返回2.3模型锻造模锻件所有两平面转接处均需圆弧过渡，此处称为锻件的圆角，如图2-28所示，圆弧可避免锻模上的内角产生裂纹，有利于金属的流动，锻造时使金属易于充满模膛，同时还可减缓锻模外角处的磨损，钢的模锻件外圆角半径（r）一般为15～12mm，内圆角半径（R）比外圆角半径大2～3倍。模膛深度越深，圆角半径越大。（3）冲孔连皮。锤上模锻不能依靠上、下模的凸起部分锻出通孔，所以终锻后留着金属的部分称为冲孔连皮，如图2-29所示。当孔径ｄ≥30mm且ｈ/ｄ≤2（ｈ为孔的深度），连皮的厚度t通常为4～8mm，若孔径过大，可采用斜底形状连皮，如图2-30所示。当孔径ｄ＜25mm或冲孔深度大于冲头直径的３倍时，只能在冲孔处压出凹穴。上一页下一页返回2.3模型锻造2.选择模锻工序模锻工序主要是根据锻件的形状与尺寸决定的，如图2-31所示，根据模锻件的形状大体分为两类，即长轴类模锻件与盘类模锻件。（1）长轴类模锻件的模锻工序。长轴类模锻件常用的工序有拔长、滚挤、弯曲、预锻及终锻等。拔长和滚挤时，坯料沿轴向方向滚动，使坯料的各横截面积与锻件相应的横截面积近似相等。（2）盘类模锻件。盘类模锻件是指在分模面上的投影为圆形或长度接近于宽度的锻件，如齿轮、法兰盘等。上一页下一页返回2.3模型锻造对于形状简单的盘类锻件，可直接选用终锻工序成形；对于形状复杂、有深孔或高的锻件，则应增加镦粗、预锻等工序。（3）修整工序。修整工序包括切边、冲孔、校正、精压、热处理、清理等。模锻件需要使用压力机切除飞边及冲孔即冲击连皮，如图2-32所示。校正则是用校正模内或终锻模膛内对其他工序引起的锻件变形进行校正，精压主要是提高锻件精度和降低表面粗糙度，精压分为平面精压和体积精压。热处理主要是通过正火或退火来消除模锻件中的过热组织或加工硬化组织，从而提高锻件的力学性能。模锻件最后需要用喷砂法、酸洗法等去除表面的氧化皮、污垢及毛刺等其他表面缺陷。上一页下一页返回2.3模型锻造3.模锻件的结构工艺性设计模锻零件时，应尽量符合下述模锻特点和工艺要求。模锻件需要有合理的分模面，形状应力求简单、平直和对称，截面间最小与最大截面积之比不小于0.5，避免截面间差过大。如图2-33（a）所示模锻件凸缘太薄、太高，中间下凹太深，金属则不易充型；如图2-33（b）所示模锻件过于扁薄，薄壁部分金属冷却快，不易充满模膛；如图2-33（c）所示零件中高薄的凸缘使制造和模锻件取出困难，而在不影响技术要求的情况下改为图2-33（d）则较合理。在模锻件允许的条件下，应尽量避免窄沟深槽、深沟、深孔或多孔结构，孔径小于30mm或深度大于直径2倍，则不易锻出。对于形状复杂的锻件，可采用锻造—焊接或锻造—机械连接工艺。上一页下一页返回2.3模型锻造4.选择模锻设备在生产中常用的锤上模锻设备主要是蒸汽—空气模锻锤，其吨位为1～16t，可以锻造0.5～150kg的模锻件，如表2-2所示为不同吨位的模锻锤所能锻制的模锻件质量。5.确定模型锻造温度范围模锻件的生产温度范围，请参照自由锻生产温度选取上一页下一页返回2.3模型锻造2.3.4模锻的工艺特点模锻与自由锻造相比，有以下特点。（1）锻件尺寸准确，加工余量小，表面质量好。（2）可以锻造出形状较为复杂的锻件，生产率高，可降低劳动强度。（3）受模锻设备吨位的限制，不能锻制太大的锻件，重量一般在150kg以下。（4）制造模锻所需要的模具钢较贵重，形状复杂的模膛加工比较困难，费用较高。上一页返回2.4板料冲压板料冲压是冲模在压力作用下使板料产生分离或变形的加工方法。此种方法一般是在冷态下完成的，所以又称冷冲压，只有在板料厚度超过8～10mm时才采用热冲压板料冲压的材料必须具有足够的塑性，常用的材料有低碳钢、铜合金、镁合金、铝合金等。下一页返回2.4板料冲压2.4.1冲压设备1.剪床（剪板机）剪床用于把板料切成所需宽度的条料，以供冲压工序使用。如图2-34所示，电动机2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。6为工作台，7为滑块制动器。上一页下一页返回2.4板料冲压2.冲床冲床是冲压加工的基本设备，如图2-35所示，电动机5通过减速机构带动飞轮4旋转，踩下踏板6，离合器3闭合，由曲轴3和连杆8使原来处于最高极限位置的滑块7沿导轨向下运动，进行冲压，松开踏板6，飞轮4与曲轴2的连接脱开，滑块1在制动器1的作用下，停止在最高位置，完成一个单次冲击。如果不抬起踏板，可以进行连续冲压。上一页下一页返回2.4板料冲压2.4.2冲压模具按工序的组合方式，冲压模具可分为简单模、连续模和复合模3大类。1.简单模在压力机的一次行程中只完成一道工序的模具称为简单模。图2-36为落料用的简单模，条料在凹模上沿两个导板之间送进，碰到定位销为止，凸模向下冲压时，冲下部分进入凹模孔，而条料则夹住凸模一起回程向上运动，条料碰到卸料板时被推下，这样，条料继续在导板间送进，重复上述动作，可连续进行冲压，其结构简单，容易制造及维修，但效率不高，适用于小批量生产。上一页下一页返回2.4板料冲压2.连续模如图2-37所示，把两个或两个以上的简单模安装在一个模板上，在压力机的一次行程中，在模具的不同部位上同时完成两个或两个以上的多道冲压工序的模具称为连续模。连续模生产效率高，易于实现自动化。3.复合模如图2-38所示，利用压力机的一次行程，在模具的同一位置完成数道工序的模具称为复合模。复合模的最大特点就是模具中有一个凸凹模，凸凹模的外圆是落料凸模刃口，内孔则是冲孔凹模，当装在上模的凸凹模向下运动时，条料首先在凸凹模和落料凹模中落料，凸模向上冲孔，凹模随之向下运动进行拉深。推件块和推件杆在滑块的回程中分别将工件和冲孔废料推出模具。复合模适用于产量大、精度高的冲压件。上一页下一页返回2.4板料冲压2.4.3板料冲压的基本工序1.分离工序分离工序就是使板料的一部分与另一部分分开的工序，包括冲裁与切断等。切断是使板料按不封闭轮廓线分离的工序，切断一般都是在剪床上完成的。落料是从板料上冲出一定外形的零件或坯料的工序，冲下部分是成品，如图2-39（a）所示。冲孔是在板料上冲出孔，冲下部分是废料，如图2-39（b）所示。落料和冲孔统称为冲裁，一般是在冲床上完成的。为了提高冲裁件断面质量与加工精度，要利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，如图2-40所示。修整余量一般为0.1～0.4mm，可去除冲裁时留在断面上的圆角、毛刺及剪裂带等。上一页下一页返回2.4板料冲压2.成形工序成形工序是使金属板料在压力作用下发生塑性变形，以获得规定形状工件的工序，主要包括弯曲、拉深、翻边等。（1）弯曲。使坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序称为弯曲，如图2-41所示。弯曲可分为压弯、拉弯、折弯、滚弯等，生产中主要采用压力机上压弯。为防止破裂，弯曲的最小半径应为rmin=（0.25～1）t（板厚），当坯料塑性好时，弯曲半径可适当小些。上一页下一页返回2.4板料冲压（2）拉深。拉深又称为拉延，如图2-42所示，是将平板坯料经冲裁后在压力作用下变形为开口空心零件的工序。拉伸件在拉深过程中分为5个变形区，如图2-43所示，在大部分凸缘区域的最大应力为周向压应力，当应力过大而板料相对厚度较小时，板料就会起皱。如图2-44（a）所示，预防起皱可采用加压边圈的方法。在圆角区，应力主要为径向拉应力，此应力使此处的板料厚度变薄，当径向拉应力过大而板料相对厚度较小时，板料就会拉裂，拉裂一般出现在直壁与底部的过渡圆角处，如图2-44（b）所示。为防止平板坯料在拉深时断裂，在凸模和凹模的工作部分应加工成圆角，凸、凹模的间隙应略大于板料厚度，在板料上或凹模工作部分应涂以润滑剂。对变形量较大的拉深件，应采用多次拉深，以防止一次拉深起皱或拉裂。上一页下一页返回2.4板料冲压（3）翻边。翻边是在带孔的平板坯料上用扩孔的方法成形出凸缘的工序。如图2-45所示，翻边时，孔边坯料沿切向受拉而使孔径扩大，材料厚度变薄，如果翻边孔的直径超过允许值，则会使孔的边缘破裂。翻边的变形程度用k0＝d０/d表示，d0为预冲孔直径；d为翻边孔直径；k0值越小，变形程度越大，对于镀锡铁皮，k0不小于0.65～0.7；对于酸洗钢，k0不小于0.68～0.72。（4）成形。成形是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序，如压肋、胀形、缩口等，如图2-46所示。上一页下一页返回2.4板料冲压2.4.4板料冲压的特点①冲压件精度高，互换性好，表面光洁，一般不用再加工即可使用。②冲压应用范围广，便于自动化生产，生产效率高。③可以冲压成形状复杂、强度高、刚性好、重量轻的薄壁零件。④冲压模具精度高，成本高，仅适用于大批量生产。上一页返回2.5轧制轧制是使金属坯料通过旋转轧辊间产生塑性变形，其横断面面积减小，纵向长度增加的加工方法。根据轧辊间和轧辊与坯料的运动关系，轧制有纵轧、横轧、斜轧及楔横轧等方法。2.5.1纵轧纵轧是使金属坯料连续进入两个旋转方向相反的轧辊中产生塑性变形，且轧件的纵轴线与轧辊轴线相互垂直的轧制方法。下一页返回2.5轧制1.板材与型材的轧制板材与型材的轧制有热轧和冷轧两种。热轧是将钢坯加热到一定的温度后进行轧制，如图2-47所示。热轧时变形程度大，生产率高，能消除铸造缺陷，但是钢表面易氧化，表面粗糙，力学性能差，如轧制各种型材、钢板、无缝钢管等，如图2-48所示。冷轧一般是在室温下进行的，其目的是进一步减小热轧钢材的厚度，改善表面质量，同时产生加工硬化以提高钢材的强度和硬度，如轧制厚度小于2mm的冷轧钢板和有色金属板、带、箔材等。2.辊锻轧制辊锻轧制是金属坯料通过装有圆弧形模块的一对相反旋转的轧辊中产生塑性变形的轧制方法，如图2-49所示。它可作为模锻的制坯工序，也可直接生产锻件，如扳手、连杆、叶片等。上一页下一页返回2.5轧制3.辗环轧制辗环轧制利用摩擦力使金属坯料在驱动辊和芯辊之间受压产生塑性变形的轧制方法，如图2-50所示。驱动辊由电动机带动旋转，并由油缸控制上下移动，改变驱动辊与芯辊之间的距离。导向辊是保持坯料正确运送，信号辊用于控制环形坯料的直径。当环形坯料的直径达到需要的值而与信号辊接触时，驱动辊就停止工作。辗环轧制可用于制造各种的环形零件，如法兰、齿轮、轴承座圈及火车轮箍等。上一页下一页返回2.5轧制2.5.2横轧横轧是金属坯料的轴线与轧轮轴线平行的轧制方式，如图2-51所示。在轧制前，先将坯料外层加热，然后将带齿的轧轮对坯料做径向进给，伴随着轧轮的转动，迫使坯料与轧轮相对辗压，在对辗的过程中坯料上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部反挤形成齿顶。直齿轮、斜齿轮均可采用热轧制造，这种方法是无屑或少屑加工齿轮的新工艺。上一页下一页返回2.5轧制2.5.3斜轧斜轧又称螺旋斜轧，它是轧件轴线与轧辊轴线成一定倾斜角度，两轧辊旋转方向相同，轧件在轧制过程中，除有绕其轴线旋转运动外，还有前进运动，如图2-52所示。棒料在轧辊间的螺旋槽里受到轧制而被分离成单个钢球，轧辊旋转一周，轧制一个钢球。上一页下一页返回2.5轧制2.5.4楔横轧楔横轧是两个装有楔块的轧辊，其轴线平行于配置，以同方向旋转，带动棒料沿轧辊轴向作旋转进给轧制的方法。棒料在楔形模具的作用下，经成形、精整及切断，轧制成各种阶梯轴，如图2-53所示。楔横轧时，主要是靠两个楔形凸块挤压棒料。楔形凸块由3个部分组成，即楔入部分、展宽部分和精整部分，其展开图如

图2-54所示。楔入部分首先将坯料压出环形槽，即楔入；然后楔形凸块上展宽部分的侧面把环形槽逐渐扩展至所需宽度；最后由精整部分对轧件进行精整成形。上一页返回2.6挤压和拉拔2.6.1挤压挤压是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，产生塑性变形而流动形成产品的加工方法。根据金属坯料的流动方向与凸模运动方向之间的关系，可将挤压分为正向挤压、反向挤压、复合挤压和径向挤压４种类型。正向挤压如图2-55（a）所示，金属坯料的流动方向与凸模运动方向相同；图2-55（b）为反向挤压，金属坯料的流动方向与凸模运动方向相反，可以节省挤压力；图2-55（c）为复合挤压，金属坯料的一部分的流动方向与凸模运动方向相同，其他部分的金属坯料流动方向与凸模运动方向相反；2-55（d）为径向挤压，金属坯料的流动方向与凸模运动方向成90°角。下一页返回2.6挤压和拉拔根据挤压时金属坯料温度的不同，将挤压分为热挤压、冷挤压、温挤压3种方式。1.热挤压当变形温度高于金属材料的再结晶温度时的挤压，称为热挤压。每次挤压时金属坯料变形抗力较小，塑性较好，可承受较大程度的变形；缺点是产品的表面粗糙，尺寸精度较低。多用于机器零件及毛坯的生产，如生产铜、铝、镁及其合金的型材和管材及挤压尺寸较大、强度较大的中、高碳钢合金结构钢和不锈钢零件等。上一页下一页返回2.6挤压和拉拔2.冷挤压变形温度低于金属材料的再结晶温度（通常是室温）时的挤压，称为冷挤压。由于冷挤压时，金属坯料变形抗力较大，为了降低变形抗力，常在冷挤压前对坯料先进行退火处理。同时为了防止模具损坏，提高零件表面质量，采用矿物油、豆油、皂液等作表面润滑剂，由于冷挤压时单位压力大，润滑剂容易被挤掉，所以对钢零件坯料要采用磷化处理，造成坯料表面呈多孔结构，以储存润滑剂，在高压下起到润滑作用。冷挤压的零件尺寸精度较高，可达IT8～IT9，表面粗糙度为Ra=3.2～0.4，同时由于挤压作用，使金属组织产生加工硬化，提高了零件的强度。冷挤压已在汽车、军工、仪表等多个领域得到广泛应用。上一页下一页返回2.6挤压和拉拔3.温挤压温挤压是将坯料加热到再结晶温度以下而高于室温的某个合适温度下进行挤压的方法，是介于冷、热挤压之间的挤压方式，与热挤压相比，表面粗糙度小，零件尺寸精度较高，表面氧化脱碳少；与冷挤压相比，降低了坯料的变形抗力，提高了模具的使用寿命，坯料一般不用预先进行退火软化，其零件精度与力学性能略低于冷挤压零件。温挤压不仅用于挤压中碳钢，也用于挤压合金钢。上一页下一页返回2.6挤压和拉拔2.6.2拉拔拉拔是在室温下将金属坯料从小于坯料横截面尺寸的模孔中拉出，使其横截面积减小，图2-56拉拔示意图长度增加的加工方法，如图2-56所示。依据拉拔方法，可分为实心材拉拔与空心材拉拔两种。实心拉拔有棒材、异型材及线材等；空心拉拔有空心异型材、管材的拉拔等。拉拔生产适于加工低碳钢及大多数的有色金属及其合金。拉拔一般是在常温下进行的，但对一些常温下塑性差的金属材料也可以采用加低热后拉拔。拉拔可以生产直径大于500mm的管材，也可以拉拔出直径0.002mm的细丝，还能拉拔出热轧难以直接轧制出的极细钢管或无缝钢管等。拉拔工艺的特点是尺寸精确，表面粗糙度小，设备简单，投资小，维修容易。上一页返回2.7压力加工新技术简介1.高速高能成形随着科学技术的快速发展，将化学能、电能、电磁能及机械能以极快的速度在极短的时间内传递给被加工的金属坯料，使之快速成形。这样不仅加工精度高，加工时间短，设备费用低，而且可以加工难加工材料。（1）高速锤成形。高速锤成形是利用14MPa的高压气体在短时间内突然膨胀，推动锤头和框架系统作高速相对运动而产生悬空打击。高速锤的打击速度比普通锻锤快几倍，达到30m/s或更高，而金属坯料变形时间仅为0.001～0.002ｓ。下一页返回2.7压力加工新技术简介由于变形时间极短，产生的热量来不及排出，引起变形区金属温度迅速上升，降低了变形抗力，使锻件具有细晶组织和较高的力学性能，尤其表现在冲击韧度及疲劳强度方面有较大提高。由于采用少或无氧化加热，高速锤锻造时余量、公差、模锻斜度、圆角半径比普通模锻小得多，所以适于锻造形状复杂、薄壁高筋的锻件。由于高速锤的重量只是普通模锻锤的1/10～1/5,设备轻巧；而且锻件精度高，省料；对厂房、地基无特殊要求，投资少，应用前景十分广阔。上一页下一页返回2.7压力加工新技术简介（2）爆炸成形。爆炸成形是利用炸药爆炸的化学能使金属坯料产生塑性变形的方法。模膛内放置炸药，爆炸时瞬间产生大量高温高压气体，瞬间压力骤增，并传递给金属坯料使之瞬间冲击成形。爆炸成形适用于多品种、小批量生产和一些难加工的金属材料，如钛合金、不锈钢的成形等。（3）放电成形。放电成形是利用放电回路中产生强大的冲击电流，使电极附近的水汽化膨胀产生强大的冲击压力，完成金属坯料成形。放电成形只适用于管件的胀形加工。上一页下一页返回2.7压力加工新技术简介（4）电磁成形。电磁成形是将金属坯料放置于成形线圈内部，成形线圈中的脉冲电流可在极短的时间内迅速增长和衰减，并在周围空间形成一个强大的变化磁场。在这个变化磁场作用下，坯料内产生感应电流，坯料内感应电流形成的磁场与成形线圈磁场相互作用，使坯料在电磁力的作用下产生塑性变形。由于受到设备容量的限制，电磁成形只适于加工厚度不大的小零件、板材或管材。上一页下一页返回2.7压力加工新技术简介2.液态模锻液态模锻是将定量的液体金属浇入金属模内，并在一定时间内以一定的压力作用于液体或半液体金属上使之成形，是介于铸造与模锻之间的加工方法。由于是在一定的压力下完成结晶和塑性流动，改变了常态下结晶的组织结构，使组织致密，其强度指标接近或达到模锻件的标准，同时其表面粗糙度数值低，工件外形准确，有时无须再进行机械加工。与模锻相比，可不用多个模膛，设备吨位只是普通模锻设备的1/8～1/5。与压力铸造相比，液体模锻不像压铸那样快速冷却凝固，不会产生压铸时易出现的液体正面冲击和涡流现象及气孔等。液态模锻不需要专用的压铸机，而是通用设备。常用于液态模锻加工的金属有灰口铸铁、碳钢、不锈钢、铜合金、铝合金等。上一页下一页返回2.7压力加工新技术简介3.超塑性成形超塑性是指金属或合金在特定的条件下进行拉伸加工，其成形后的伸长率可超过100%。超塑性状态下的金属或合金在变形的过程中不会产生缩颈现象，变形应力可比常态降低几倍或几十倍。这种金属或合金的超塑性材料可一次拉伸成形，并可获得均匀细小的晶粒组织，零件整体力学性能均匀一致，锻件尺寸精度高，成形加工耗材比普通模锻加工耗材降低50%以上。目前常用的超塑成形材料有钛合金、高温合金、铝合金及锌铝合金等。上一页返回图2-2单晶体变形过程

返回（a）未变形；（b）弹性变形；（c）弹塑性变形；（d）塑性变形图2-3曲轴的流线分布

返回（a）锻造曲轴；（b）切削加工曲轴图2-4机器自由锻示意图返回图2-5空气锤

返回1-踏杆；2-砧座；3-砧垫；4-下砧铁；5-上砧铁；6-锤杆；7-工作缸；8-下旋阀；9-上旋阀；10-压缩缸；11-操纵手柄；12-锤身；13-减速器；14-电动机；15-工作活塞；16-压缩活塞；17-连杆；18-曲柄图2-6双柱式蒸气—空气锻锤返回1

-砧座；2

-砧垫；3

-下砧；4

-上砧；5

-锤头；6

-导轨；7-锤杆；8

-活塞；9-汽缸；10

-缓冲汽缸；11,12

-滑