第8章 压力加工成型.ppt

1、第8章 压力加工成型,8.1 概述,一、压力加工成型的基本方法,压力加工成型的基本方法主要包括轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等。 压力加工成型是指在外力作用下使材料产生塑性变形，从而获得所需的形状、尺寸和力学性能的毛坯、零件或原材料。 各类钢、大多数非铁金属及其合金、非金属材料都具有一定塑性，可以在热态或冷态下进行塑性成形。,图8-1用压力加工方法加工的各种精密冷轧管材和各种精密合金管,表8-1 压力加工成型的基本方法,二、压力加工基本原理,1、冷变形加工和热变形加工 加工硬化：金属经过塑性变形后，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降的现象。 回复是指将加工硬化的金属稍微加热，其歪扭的晶格得到恢复，

2、塑性、韧度略有提高。 再结晶是指将加工硬化的金属或合金，加热到一定的温度，晶粒重新结晶成新的晶粒，金属的硬化组织完全消除。,再结晶温度是指根据实验，每一种金属开始产生再结晶现象的最低温度。 T再0.4T熔 式中，T再金属再结晶温度（K）； T熔金属的熔点（K）。 加工硬化：金属经过塑性变形后，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降的现象。,金属的塑性变形加工，据再结晶温度的高低分为冷变形加工和热变形加工,冷变形加工（又称冷加工）是指的在再结温度以下，对金属进行塑性变形加工。如板料冲压、冷拔等。 。,热变形加工（又称热加工）是指在再结晶温度以上，对金属进行的塑性变形加工。如锻造生产。,热变形过程中，其

3、内部脆性夹杂质沿主变形方向分布，再结晶时，仍以条状或链状被保留下来，形成了纤维组织。 纤维组织的化学稳定性强，通过热处理是不能消除的，只能通过锻压才能改变其形状与分布。 随着变形程度的增加，金属的纤维组织愈明显，呈流线形分布（锻造流线），使得金属的力学性能呈各向异性。,2、锻造温度范围,锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔。 始锻温度是指材料加热的允许最高温度。 终锻温度是指金属允许的最低锻造温度。,确定锻造温度范围的原则是：,保证金属在锻造过程中具有良好的锻造性能，即塑性好，变形抗力小以及在锻后能获得良好的内部组织； 锻造温度范围要尽可能宽一些，以便有足够的时间进行锻造成形，从而减

4、少加热次数，降低材料消耗，提高生产率。,表8-2 常用金属材料的锻造温度范围,3、锻后冷却,锻后冷却是保证锻件质量的重要环节。 冷却过程中温度与时间的关系称为冷却规范。 采用不同的冷却方法，可得出不同的冷却规范。 冷却规范通常用冷却时间温度曲线表示。 冷却方式不当，会使锻件产生内应力、变形、甚至裂纹。冷却过快还会使锻件表面产生硬皮，难以切削加工。,常见的冷却方法有：空冷、堆冷、坑冷、灰砂冷、炉冷。,热锻成形的锻件，通常要根据其化学成分、尺寸、形状复杂程度等来确定相应的冷却方法。 低、中碳钢小型锻件锻后常采用空冷或堆冷的方式进行冷却； 低合金钢锻件及截面宽大的锻件则需要坑冷或灰砂冷； 高合金钢锻

5、件、大型锻件、及其形状复杂的重要大型锻件的冷却速度要缓慢，通常要随炉缓冷。,三、锻造加热产生的缺陷及其防止方法,金属在加热过程中可能产生的缺陷有：氧化、脱碳、过热、过烧和内部裂纹等。,1、氧化及烧损,氧化是指金属加热时，炉气中的氧化性气体（O2，CO2，H2O和SO2等）与金属表面发生化学反应，其生成物FeO4，Fe3O4和Fe2O3等氧化物的总称为氧化皮，它造成了金属材料的损耗、锻件的质量和炉子的使用寿命。 烧损(又称火耗)是指坯料在加热过程中因生成氧化皮而造成的损失。减少氧化烧损的方法是在保证加热质量的前提下尽量采用快速加热并避免金属在高温下停留时间过长，在燃料完全燃烧的前提下尽量减少空气

6、送进量，并注意减少燃料中的水分和硫的含量。,2、脱碳,脱碳是指在高温下钢料表层的碳与氧或氢产生化学反应，生成的一氧化碳或甲烷被烧掉，造成金属材料表层碳含量降低。 脱碳的多少及脱碳层深度与炉气成分、加热温度、加热时间等因素有关。 为了减少脱碳、应快速加热，重要的零件加热前要在坯料表面涂以保护涂料，缩短高温阶段的加热时间。加热好的坯料要尽快出炉锻打。,3、过热,过热是指把金属由于加热温度过高或高温下保持时间过长引起晶粒粗大的现象。 过热的金属材料晶粒粗大，塑性下降，锻件的力学性能降低。 己产生过热但尚未锻造的坯料可用冷却后重新加热的方法来挽救。 锻后的粗晶组织，可通过热处理如正火的方法细化晶粒。,

7、4、过烧,过烧是指加热温度超过始锻温度过多，使晶粒边界出现氧化及熔化的现象。 过烧的金属晶粒间的低熔点物质熔化、氧化后形成脆壳，破坏了晶粒间的联系，一经锻打即破碎而成为废品，是加热中不可挽救的缺陷。,5、内部裂纹,大型及复杂锻件的坯料在加热过程中，若装炉温度过高或加热速度过快，可能造成表面与中心的温度差过大，从而使同一锻件上内外或各部分之间膨胀系数不一致而形成内部裂纹。 低碳钢和中碳钢塑性好，一般不会形成裂纹； 高碳钢及某些高合金钢由于导热性低、塑性差，较易形成裂纹。 对于这类钢坯的加热，要严格遵守加热规范，一般可采用预热措施，使内外温度一致后再加热到始锻温度。,8.2 自由锻,自由锻造实例,

8、按使用设备不同，锻造工艺分为：自由锻、模锻、胎模锻等。 自由锻造（简称自由锻）是指在锻造设备的上、下砧或简单通用性工具直接使坯料变形的方法。 自由锻造分为手工自由锻和机器自由锻两种。,8.2.1 自由锻的基本工艺规程,自由锻工艺规程是指将坯料锻成锻件的技术文件，体现锻件锻制的方法、方式、技术及其经济性。它是锻造操作、生产管理及质量检验的依据。 自由锻造的工艺规程主要内容包括：根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量和尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料锻造温度范围和填写工艺卡。车间人员根据工艺卡的规定组织生产。,1、绘制锻件图,锻件图是指在零件图的基础上，考虑加工余量、锻造公差、余块等因素后

9、绘制的工艺图。 余块（也称敷料）是指为便于锻造而增加的那一部分金属。如较小孔、槽等。 加工余量是指锻件表面留有供机械加工的金属层，一般为520mm。 锻造公差是指锻件尺寸相对于公称尺寸所允许的变动量。,图8-2 据零件图绘制的锻件图,2、计算坯料的质量和尺寸,坯料尺寸应根据坯料重量和锻造比确定。 一般小的锻件使用棒料，大的锻件使用钢坯或钢锭。将坯料锻造成锻件，其体积基本不变，锻件的尺寸也已由锻件图确定，再根据锻件的体积，求得需要坯料的尺寸。 锻造比是指锻件在锻造成形时的变形程度。锻造比过小，达不到性能要求，过大则增大工作量，引起各向异性。 一般情况下，铸锭作为坯料时，锻造比不小于2.53；轧制

10、型材作为坯料时，锻造比选择1.31.5。,3、确定自由锻的基本工序,自由锻的工序分为基本工序、辅助工序和修整工序三类。 基本工序是指用来改变坯料的形状和尺寸的工序，其名称及应用如表8-3所示。 辅助工序是指为了完成基本工序而进行的预先变形工序，主要包括：压钳把、倒棱、压痕等。 修整工序是指用来减少锻件表面缺陷的工序，主要包括：校正、滚圆、平整等。,表8-3 自由锻基本工序的名称及应用,4、选择自由锻设备生产时应根据锻件的尺寸、形状、材料等条件来选择设备种类及其规格，以保证锻件质量好、成本低、生产率高。,自由锻锤一般包括空气锤（锻件重量范围是501000公斤）和蒸汽空气自由锻锤（锻件重量范围是2

11、01500公斤）。,水压机，适用于大型锻件。,图8-3 空气锤,图8-4 水压机,5、锻件的热处理与清洗,锻件的热处理的目的是为了消除加工硬化和改善组织，保证所要的力学性能。 一般来说，对锻件要进行退火和正火处理。 锻件的清理是为了清除锻件表面的氧化皮。 常用滚筒法、喷丸法或酸洗法进行清理。,8.2.2 自由锻件的结构工艺性,1、锻件上应避免锥面和斜面的结构,图8-5 轴类锻件结构,工艺性差的结构,工艺性好的结构,2、锻件上应避免形成空间曲线,图8-6 杆类锻件结构,工艺性差的结构,工艺性好的结构,图8-7 盘类锻件结构,工艺性差的结构,工艺性好的结构,3、锻件上应尽量避免加强肋、凸台、工字形

12、截面或空间曲面,4、锻件结构应避免截面尺寸的急剧变化,图8-8 复杂件结构 (a) 工艺性差的结构， (b) 工艺性好的结构,8.2.3 典型锻件的自由锻过程,盘类典型锻件齿轮坯的自由锻工艺过程（如表8-4所示）。,表8-4 齿轮坯的自由锻工艺过程,8.3 模锻,模锻是利用模具使坯料变形，获得锻件的锻造方法。 模锻实质：金属的变形受到锻模模膛的限制。 模锻一般适用于大批量，中、小型锻件。 模锻与自由锻比较有如下特点：生产率较高；模锻件尺寸精确，加工余量小；锻件的精度高；可以锻造形状比较复杂的锻件，如图8-9所示。,图8-9 典型模锻件,模锻分为固定模锻与胎模锻。,固定模锻按其锻造设备的不同，又

13、分为锤上模锻、压力机模锻和平锻机模锻等。,8.3.1 锤上模锻,锤上模锻(也称模锻锤上模锻)是指锻模的上、下两部分分别固定在锤头与砧铁上，坯料置于下模的模膛上，上模随着锤头向下运动对坯料施加压力，使其变形充满模膛，从而获得与模膛形状一致的锻件。 常用的模锻锤是蒸汽空气模锻锤。,图8-10 锤上模锻过程示意图,模锻模膛的制造精度决定模锻件的精度。,图8-11多模膛模锻过程示意图,锤上模锻工艺主要包括模锻工艺规程与模锻工艺过程。 模锻工艺规程的主要内容是：绘制模锻件图，坯料计算，设计锻模、切边模和校正模，以及确定模锻设备的吨位等。 模锻的工艺过程为：下料（轧材棒料）加热模锻切边校正模锻件热处理模锻

14、件的表面清理。,锤上模锻的优缺点：,优点：设备投资少，锻件质量较好，适应性强，可实现多种变形工步，可锻制不同形状的锻件等,缺点：振动大、噪声大、完成一个变形工步需要经过多次锤击，难以实现机械化和自动化，生产率在模锻中相对较低。,8.3.2 胎模锻,胎模锻是指在自由锻设备上，使用可移动的胎模具生产锻件的锻造方法。 锻造时，胎模放在砧座上，将加热后的坯料放入胎模，锻制成形；也可先将坯料经过自由锻，预锻成近似锻件的形状，然后用胎模终锻成形。 这种锻造方法介于自由锻与模锻之间，被广泛应用。,摔模 扣模 开式套模 闭式套模 合模 图8-12 胎模种类,胎模锻常用胎模有：,摔模（又称摔子）：常用来锻制回转

15、体锻件。 扣模：常用于非回转体锻件的制坯。 套模：一般分为开式与闭式两种。开式套模无上模，锤头直接接触金属，使其在模内成形。套模用于锻制法兰、齿轮坯等锻件。 合模：一般由上、下模组成，常用于锻制连杆和叉形锻件。,胎实例膜锻,胎模锻与自由锻比较：,优点：胎模锻具有较高的生产率，锻件质量好，节省金属材料，降低锻件成本。与模锻相比较，不需要专用锻造设备，模具简单，容易制造。,缺点：锻件质量稍差，劳动强度大，生产率低，胎模寿命短。,胎模锻适用于中、小批量，小型锻件的生产。,8.3.3 其它模锻,1、曲柄压力机模锻 曲柄压力机(又称热模锻曲柄压床)（如图8-13所示） 其优点是：锻件精度高，节约金属，生

16、产率高，无震动，噪声小，劳动条件好。 其缺点是：设备价格较高、锻造时，锻件的氧化皮无法清除，不适宜锻造较长的以延伸变形为主的锻件。,图8-13 曲柄压力机,2、摩擦压力机模锻,摩擦压力机(如图8-14所示)，由于摩擦压力机的压力有限并难于调节、而且生产率低，所以通常只用于单模膛、小型锻件的终锻加工。 摩擦压力机因其压力平缓，可用于塑性差的金属加工变形。,图8-14 双盘摩擦压力机,3、平锻机模锻,平锻机(如图8-15所示)，主要进行以局部镦粗为主的锻制工作，也可进行压肩、冲孔、弯曲与切断等，最适合于锻制带头部的长杆类锻件和套圈类锻件，如汽车半轴、双联齿轮等。 锻件的尺寸比较精确，表而光洁，节约

17、金属，生产效率高。 平锻机的造价高，投资大，在大型汽车制造厂得到广泛应用。,图8-15 平锻机,8.4 特种模锻,先进的锻压工艺方法,先进锻压工艺方法的主要特点是尽量使锻压件形状接近零件的形状，以便达到少切削或无切削的目的，提高尺寸精度和表面质量，提高锻压件力学性能，节省金属材料，降低生产成本，改善劳动条件，大大提高生产率并能满足一些特殊工作要求。,如高速高能成型、精密模锻、超塑性模锻、液态模锻等。,8.4.1高速高能成型,高速高能成型有多种加工形式，其共同特点是在极短的时间内，将化学能、电能、电磁能和机械能传递给被加工的金属材料，使之迅速成型。 高速高能成型分为：高速锤成型、爆炸成型、放电成

18、型、电磁成型等。 高速高能成型的速度高，可以加工难加工材料，加工精度高、加工时间短，设备费用也较低。,1、高速锤成型 高速锤成型是利用14 MPa 的高压气体的短时间突然膨胀，推动锤头和框架系统作高速相对运动而产生悬空打击，使金属坯料在高速冲击下成型。 在高速锤上可以锻打强度高、塑性低的材料。 一般常用的材料有铝、镁、铜、钛合金，高强度钢、耐热钢、工具钢、高熔点合金等。 在高速锤上可以锻出叶片、涡轮、壳体、接头、齿轮等数百种锻件。,高速锤成型的主要特点是：,(1) 工艺性能好。 (2) 锻件质量好。 (3) 锻件精度高。 (4) 节约材料。 (5) 设备轻巧，投资少。 (6) 锻件加热条件要求

19、高，需采用无氧化加热，且高速锤锻模寿命较低。,2、爆炸成型 爆炸成型是利用炸药爆炸的化学能使金属材料高速高压成型的方法。 3、放电成型 放电成型是通过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，从而产生很强的冲击压力使坯料成型。 4、电磁成型 电磁成型是利用电磁力来加压成型的。这种成型方法所用的材料应当是具有良好导电性能的铜、铝和钢。如需加工导电性差的材料，则应在毛坯表面放置有薄铝板制成的驱动片，用以带动毛坯成型。,8.4.2 精密模锻,精密模锻是在普通的模锻设备上锻制形状复杂的高精度锻件的加工方法。,精密模锻工艺特点如下：,(1) 应精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。 (

20、2) 需要仔细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其他缺陷等。 (3) 尽量采用少、无氧化加热方法，尽量减少坯料表面形成氧化皮。 (4) 精锻模膛的精度一般要比锻件高两级。 (5) 严格控制模具温度、锻造温度、润滑条件及操作方法。如摩擦压力机或高速锤等。,8.4.3 液态模锻,液态模锻是将金属液直接浇入金属模的型腔内，然后对熔融或半熔融的金属施以机械静压力，使液态金属充满型腔并在压力下结晶凝固，发生塑性变形，获得毛坯或零件的加工方法。 液态模锻工作过程主要包括浇注、加压成形和脱模，如图8-16所示。,a)注入金属液 b)加压成形 c)脱模 图8-16液态模锻工作过程原理图,1、液态模锻

21、方法,(1)平冲头加压法 将金属液浇入凹模后，冲头下行与凹模构成封闭型腔，加压使熔融或半熔融金属结晶凝固，同时进行塑性成形。 (2)异形冲头加压法 异形冲头加压使金属液向上翻滚。有凸式冲头加压法和凹式冲头加压法等。 (3)间接加压液态模锻法 将金属液浇人下模后，上模与下模合成模腔，上模下行挤压金属液，使其以低速流人模腔而成形的工艺。,2、液态模锻的工艺特点,液态模锻实质上是铸造与锻造的组合工艺，兼具铸造工艺简单，成本低和锻造产品性能好，质量可靠等优点，克服了铸锻两种工艺的缺点。 液态模锻的特点为：凝固结晶与塑性变形两过程同时存在；质量好，精度高；高性能、成本低；力学性能高。 液态模锻锻件的强度

22、高于普通轧材，但塑性较差。,四、超塑性模锻,超塑性是指金属或合金在特定条件下进行拉伸试验，其伸长率超过100 以上的特性。如纯钛可超过300，锌铝合金可超过1000。 超塑性模锻是指在较低的成形速率下，在可调速的水压机或液压机上使超塑性金属模锻变形，模锻时变形速率逐渐减小的加工方法。 常用的超塑性成型材料主要是锌铝合金、铝基合金、钛合金及高温合金。,超塑性模锻工艺特点如下：,1、显著提高材料的工艺塑性，扩大了可锻金属的种类。如以前只能采用铸造成形的某些合金，现也可用超塑性模锻成型。 2、金属填充模膛性能好。锻件尺寸精度高，机械加工余量小，甚至可以不再加工。这种成形工艺比普通模锻降低金属消耗50

23、以上，这对很难加工的钛合金和高温合金特别有利。 3、零件整体力学性能均匀一致。 4、适于一次锻造出形状复杂、薄壁和高筋的锻件。,图 8-17 超塑性模锻普通模锻比较示意图,8.5 板 料 冲 压,板料冲压(又称冷冲压)是利用模具使板料分离或变形，以获得薄壁金属制品的加工方法，一般情况下在室温进行。 板料冲压加工方法要求金属具有较好的塑性，如碳含量为0.1左右的碳钢或合金钢，形变铝合金，铜合金等。 板料冲压的生产率高，易于实现机械化与自动化生产，制品的尺寸精确，互换性好，节约金属，操作简便；但模具制造复杂，成本较高，适用于大批量生产。 用于汽车、拖拉机、火箭、仪表、轻工及日用品等。,图8-18 板料冲压产品,板料冲压示例,8.5.1 冲压基本工序,板料冲压时，使金属分离或变形的基本方法称为冲压基本工序，分为分离工序与变形工序两大类。,1、分离工序,分离工序是利用冲模或剪刀使坯料分离的操作方法 。它包括剪切、冲裁和整修等。 (1) 剪切是在使坯料沿不封闭轮廓线分离的方法。 (2) 冲裁是利用冲模将板料沿封闭的轮廓线与坯料分离的冲压方法。它包括落料与冲孔。落料是利用冲裁取得一定外形的制件（或坯料）。冲孔是将冲压坯料，沿封闭轮廓线分离开来，得到带孔制件的冲裁 方法。 (3) 整修 整修是利用整修模沿冲裁件外缘或内孔刮去一层薄薄的切屑，以提高冲裁件的加工精度和降低断面的粗糙度值的