金属工艺学-3

1、,-2,主讲：朱明 高级技师、经济师、工程师 高级技能专业技术教师 汽车维修高级考评员,第三章 金属塑性成形,金属塑性成形加工包括锻造、冲压、拉拔、轧制等，是利用金属的塑性，使坯料改变形状、尺寸和改善性能，以获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法。 金属塑性成形加工的主要方法有轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。其中轧制、拉拔、挤压主要用于生产各种板材、管材、线材等；锻造主要生产重要的、承受重载荷的机器零件或毛坯；冲压则是主要用于加工板料，故又叫板料冲压。下面是金属塑性成形加工的示意图。,图3-1 各种塑性成形方法,先讲讲塑性成形的基本规律 1.体积不变定律金属塑性变形前后的体积相等，即体积

2、为常数，也称为“不可压缩定律”； 2.临界切应力定律晶体滑移的驱动力是外力在滑移系上的分切应力。只有当滑移系上分切应力()达到一定值时，则该滑移系才能开动； 3.最小阻力定律在变形过程中，如果金属质点有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力最小方向移动 。（质点流动阻力最小方向是通过该质点指向金属变形部分周边的法线方向。）,一、自由锻 自由锻（造）是利用锻压设备的上、下砧块和一些简单的工具，使坯料在压力作用下产生塑性变形。坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具通用性强。 自由锻主要用于单

3、件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。,1.自由锻设备 自由锻设备常用的有锻锤和压力机。 空气锤：它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适用于小型锻件。 蒸汽空气锤：利用蒸汽或压缩空气作为动力，适用于中小型锻件。 水压机：以压力代替锤锻时的冲击力，适用于锻造大型锻件；其工作过程包括空程、工作行程、回程、悬空。,图3-20 空气锤,水压机,模锻锤 蒸汽空气自由锻锤,2.自由锻工序 根据作用与变形要求的不同，可分为基本工序、辅助工序和精整工序。 基本工序：改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等。最常用的是镦粗、拔长、冲孔。 辅助工序：

4、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。如压钳口、倒棱和切肩。 精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲。 （基本工序见下面各示意图。）,镦粗工序示意图 拔长工序示意图,冲孔工序示意图 错移工序示意图,扩孔工序示意图,碳钢的锻造温度,单晶体滑移变形,位错运动引起塑性变形,金属的回复和再结晶,塑性变形后 回复后 再结晶,不同工艺方法对纤维组织形状的影响,曲轴流线分布 a:锻造变形 b:切削加工,吊钩中的纤维组织,二、模锻 模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内，在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加

5、工方法。坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。 1.与自由锻相比，模锻的优点是： 由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂； 锻件内部的锻造流线比较完整，从而提高了零件的力学性能和使用寿命。 锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和切削加工工时；,生产率较高； 操作简单，易于实现机械化； 生产批量越大成本越低。 2.模锻的缺点： 模锻是整体成形，摩擦阻力大，故模锻所需设备吨位大，设备费用高； 锻模加工工艺复杂，制造周期长，费用高。故只适用于中小型锻件的成批或大批生产。 模锻广泛应用于国防工业和机械制造业，按质量计算模锻件在飞机上占85%，坦克占70%，汽

6、车占80%，机车占60%。 按使用设备不同，模锻可分为：锤上模锻、胎模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻等。,3.锤上模锻 锤上模锻即在模锻锤上的模锻。模锻锤的构造和锻模结构由带有燕尾的上模和下模组成。 模膛根据其功能不同可分为制坯模膛和模锻模膛两大类： （1）制坯模膛。用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻件的模膛。又可分为： 拔长模膛。减少坯料某部分横截面积，增加该部分长度， 滚压模膛。翻转操作使零件成形的模膛。 弯曲模膛。使坯料弯曲的模膛， 切断模膛。,锤上模锻,（2）模锻模膛 预锻模膛。为改善金属流动条件，使锻件最终成形前获得接近终锻形状的模膛。 终锻模膛。模锻时最后成

7、形用模膛，需有飞边槽。带冲孔连皮和飞边的锻件。 根据模锻件的复杂程度，可将锻模设计为单膛锻模和多膛锻模，简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模；对弯曲连杆可设计为多膛锻模。,典型模锻件,锤上锻模 带冲孔连皮和飞边的模锻齿轮坯,1锤头 2上模 3飞边槽 4下模 5模垫 6、7、10楔铁 8分模面 9模膛,1飞边 2分模面 3冲孔连皮 4锻件,a）开式 b）闭式,a）开式 b）闭式,拔长模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,弯曲连杆的模锻过程,4.热模锻压力机上模锻 热模锻压力机的结构与传动原理如下图所示，吨位一般为2001200kN；与锤上模锻比，具有下述特点： 优点： 锻造力是压力，坯料的变形速度较

8、低，可锻造较低塑性合金； 锻造时滑块的行程不变，每个变形工步在一次行程中即可完成，便于实现机械化和自动化，具有很高生产率； 滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。 振动和噪声较小，劳动条件改善。,缺点： 设备费用高，模具结构复杂； 滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此不能进行拔长、滚压等制坯。,热模锻压力机,曲柄压力机 1电动机 2小带轮 3大带轮（飞轮） 4传动轴 5小齿轮 6大齿轮 7离合器8偏心轴 9连杆 10滑块 11楔形工作台 12下顶杆 13楔铁 14顶出机构15制动器 16凸轮,5.平锻机上模锻 平锻机相当于卧式的曲柄压力

9、机，它沿水平方向对坯料施加锻造压力。其结构和原理如下图所示。其特点是： 坯料都是棒料或管材，并且只进行局部（一端）加热和局部变形加工，因此可锻造立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件。 锻模有两个分模面，锻件出模方便，可以锻出在其它设备上难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件。 需配备对棒料局部加热的专用加热炉。 是高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，但设备结构复杂，价格贵，适用于大批量生产。,（平锻压力机）,平锻机的工作情况和传动系统 1电动机 2飞轮 3离合器 4传动轴 5制动器 6曲轴 7连杆 8主滑块 9 滚轮 10凸模 11挡板 12固定凹模 13坯料 14活动凹模 15横滑

10、块 16杠杆系统 17侧滑块 18滚轮 19凸轮,6.摩擦压力机上模锻 摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形能进行锻造的，属锻锤类锻压设备。其结构与传动原理如下图所示。 摩擦压力机上模锻的特点如下： 滑块运动速度低，可锻造低塑性合金钢和有色金属； 承受偏心载荷能力差，仅适合单膛模锻； 打击速度低，可采用组合模具，降低生产成本，缩短生产周期； 滑块行程不固定，故工艺性广泛。,1电动机 2V带 3摩擦盘 4飞轮 5螺杆 6螺母 7滑块 8导轨 9机架 10工作台 12操纵机构,摩擦压力机,7.胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上使用简单的非固定模具（胎模）生产模锻件的一种工艺方法。其特点是

11、，与自由锻相比，生产率和锻件精度较高，粗糙度低，节约金属材料。与模锻相比，节约了设备投资，简化了模具制造。但生产率和锻件质量比模锻低，劳动强度大，安全性差，模具寿命低。胎模锻适用于小型锻件的中小批量生产。胎模结构可分为以下几类： 摔模，用于锻造回转体锻件； 扣模，用于平整侧面； 套筒模，用于镦粗锻件； 合模，用于锻造比较复杂的锻件。,胎模种类 a）摔模 b）扣模 c）开式套筒模 d）闭式套筒模 e）合模,三、板料冲压 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。板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。 (一）板料冲压的特点： 在常温下加工，金属板料必须

12、具有足够的塑性和较低的变形抗力。 金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结构轻巧，强度和刚度较高。 冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需机械加工即可作零件使用。 冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。,可以冲压形状复杂的零件，废料少。 冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适用于大批量生产。 冲压工艺广泛应用于汽车、飞机、农业机械、仪表电器、轻工和日用品等工业部门。,（二）冲压设备（冲床）,（三）冲压工序 板料冲压的基本工序按变形性质可分为分离工序和变形工序两大类。 1.分离工序：使坯料的一部分与另一部分分离的工序。主要有： 冲孔和落料（冲裁 ） 两个工序的

13、变形过程和模具结构是一样的，冲孔是在板料上冲出孔洞，而落料是得到与孔洞同样形状的板料。 修整：利用修整模沿冲裁件的外缘或内孔，以除去塌角、剪裂带和毛刺，提高尺寸精度和降低表面粗糙度。 切断：指用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序。,精密冲裁：用压边圈使板料冲裁区处于静压作用下，抑制剪裂纹的发生，实现塑性变形分离的冲裁方法。目前已大规模采用。 切口：将材料沿不封闭的曲线部分地分离开，其分离部分的材料发生弯曲的冲压方法。,a）落料 b) 冲孔 落料与冲孔示意图,外缘修整 内缘修整 1-凸模 2-凹模 修正工序简图,2.变形工序（又称成形工序） 变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生相对

14、位移而不破裂的工序。 拉深：是使平面板料变为开口的中空形状零件的冲压工序，又称拉延。拉深件种类很多，大体可分为旋转件、矩形件和复杂件，对较深零件还可采用多次拉深法。 弯曲：弯曲是将平直板料弯成一定角度和圆弧的工序。当中会出现弹复（回弹）：塑性弯曲使板料产生弹性变形和塑性变形，当外载荷去除后，弹性变形部分恢复，从而使板料产生与弯曲方向相反的变形 。 翻边：是使平板坯料上的孔或外圆获得内、外凸缘的变形工序。 成形：利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。如压肋、收口、胀形等。,拉深工序图 1坯料 2第一次拉深的产品（第二次拉深的坯料） 3凸模 4凹模 5成品,弯曲过程中金属变形简图 a）弯曲过程

15、 b）弯曲产品 1工件 2凸模 3凹模,翻边简图 1坯料 2翻边 3凸模 4凹模,压肋工序 胀形工序 成形工序简图,关于拉深系数与拉深次数的讨论 拉深系数，板料拉深时的变形程度，即拉深后的工件直径与板料直径或半成品直径之比。拉深系数越小，生产率越高，拉深应力越大。能保证拉深过程正常进行的最小拉深系数，称为极限拉深系数。它与材料的内部组织、力学性能、板料相对厚度、冲模的圆角半径、间隙值及润滑条件有关。对不能一次拉制成形的可多次拉深，拉深系数可取大些。 拉深废品及缺陷：拉深过程中，环状变形区的切向压力很大，当毛坯中多余三角形不能顺利变厚及沿高度方向伸长时，易使板料出现皱折，严重时导致坯料拉穿。 (

16、见下图）,各向异性导致的“制耳”,预防拉深废品的措施： 1）拉深模具的工作部分，应加工成合理的圆角， 2）控制凸模和凹模之间的间隙； 3）合理的拉深系数； 4）为减少由于摩擦引起的拉深件内应力的增加及减少模具磨损，应涂润滑剂。 5）为防止皱折，通常用压边圈将工件压住，但压力应适中。,（6）对拉深件的要求 拉深件外形应简单、对称，且不宜太高。以便使拉深次数尽量少，并容易成形。拉深件的圆角半径如图所示。应满足：rds，R2s，r35。否则，应增加整形工序。,关于冲压件弹复现象的讨论： 弹复现象会影响弯曲件的尺寸精度。材料的屈服强度越高，弹复角越大；弯曲半径越大，弹性变形所占比例越大，弹复角越大；弯

17、曲半径不变时，弯曲角越大，弹复角越大。 克服弹复现象的措施有： 1）增大凸模压下量，或适当改变模具尺寸，使弹复后达到零件要求。 2）改变弯曲时的应力状态，把弹复现象限制在最小范围内。,3.模具的种类和构造 简单模：在压力机的一次行程中只完成一道工序的模具，模具结构简单，制造方便，适于小批量生产。 连续模：连续模又称级进模，在冲床的一次行程中，在模具不同部位上同时完成数道冲压工序的模具。连续模生产效率高、易于实现自动化，但定位精度要求高，制造成本高，适于大批量生产。 复合模：在压力机的一次行程中，在模具的同一位置完成一道以上工序的落料拉深复合模。零件精度高、平整性及生产率高，但模具制造复杂成本高

18、，适于大批量生产中小型零件。,四、其他塑性加工方法 （一）精密模锻 精密模锻是在普通锻压设备上，装置具有模腔形状复杂（近于产品零件形状）、尺寸精度高的锻模，直接锻造出所要求的产品零件。精密模锻与一般模型锻造相比，其特点是： 1.锻件公差小，表面质量高； 2.锻件内部形成按轮廓分布的封闭纤维组织，力学性能好； 3.其缺点是模具制造复杂，对坯料尺寸和加热质量要求较高，仅适于大批量生产。 工艺要点： 1.选择合理的成形工艺与制造精密锻造所用模具； 2.选好坯料和加热方法。,（三）轧制 轧制也叫压延，是金属坯料通过一对旋转轧辊之间的间隙而使坯料受挤压产生横截面减少、长度增加的塑性变形过程。它是生产型材、板材和管材的主要方法。生产效率高、产品质量好、成本低、节约金属。 按轧辊的形状、轴线配置等的不同，轧制可分为：辊锻、辗环、横轧、斜轧。 1.辊锻：使坯料通过一对旋转的装有圆弧形模块的轧辊时受辗压而变形的加工方法。这种方法用于制造扳手、钻头、连杆等。 2.辗环：通过扩大环形坯料的内、外径来获得各种环形零件的工艺方法。这种方法用于加工火车轮箍、轴承座圈、齿轮及凸缘等。,3.横轧：轧辊轴线与坯料轴线平行，