工程材料与成型工艺课件锻压.ppt

1、第九章 压力加工,定义：利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善性能、获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法。,主要方法有： 锻造；冲压；轧制；拉拔；挤压,锻压与其它加工方法相比，具有以下特点:,1）能改善金属组织，提高力学性能。 这是因为材料通过压力加工后可压合坯料疏松，提高金属致密度；能使金属坯料中的晶粒细化并使其均匀分布；能形成合理的锻造流线。,（2）材料的利用率高。 金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。,（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，生产效率高。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加

2、工工效提高约400倍以上。,（4）毛坯或零件的精度较高 。应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。,（5）锻压成形困难，对材料的适应性差。锻压是在固态下成形，与铸造相比，金属的流动受到限制，一般需要采取加热等工艺措施才能实现。形状复杂的工件难以锻造成形，塑性差的金属材料也不能进行锻压。必须选择塑性优良的材料才能进行锻压。,第一节 金属的塑性变形,金属在外力作用下将产生变形 , 其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。,【弹性变形】是指除去外力后，物体完全恢复原状的变形。,【塑性变形】是指作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。塑性变形不仅能用于成形加工，还会对

3、金属的组织和性能产生很大影响。,一、塑性变形的实质,1.单晶体的塑性变形,主要方式,滑移变形,单晶体的塑性变形过程：,一般规律： 滑移面：原子排列最紧密的面 滑移方向：原子排列最紧密的方向,理论上，整体刚性滑移滑移困难； 实际上，位错移动滑移容易。 滑移变形实质：晶体的一部分相对另一部分的移动是位错在切应力作用下沿滑移面的运动。,2.多晶体的塑性变形,工业中实际使用的金属大多是多晶体。多晶体塑性变形是各个晶粒塑性变形的综合结果。此外,在多晶体晶粒之间还有少量的相互移动和转动, 这部分塑性变形为晶间变形。,晶内变形晶粒内部的滑移变形，以它为主。 晶间变形晶粒间的移动和转动。,动画,二、冷变形对金

4、属组织结构和性能的影响,冷变形是指在某一温度以下进行的塑性变形。,冷变形过程中会出现加工硬化，即随着塑性变形的增加，金属的强度和硬度增加，塑韧性下降的现象。,三、回复和再结晶,1.回复,定义：指将冷变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。,回复时不改变晶粒形状，回复后，因显微组织没有明显变化，金属的强度、硬度略有下降；塑性、韧性有所回升；内应力有较明显下降。回复只能部分消除加工硬化。,2.再结晶,定义：当加热温度较高时，金属原子开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，从而完全消除加工硬化的现象。,【再结晶温度】再结晶是在一定的温度范围内进行的, 开始产

5、生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。,纯金属的再结晶温度为: T再0.4T熔 合金的再结晶温度为: T再（0.40.9T）熔 式中 T 熔 纯金属熔化的绝对温度,K。,再结晶过程后，组织发生变化，加工硬化消除。金属的强度和硬度下降，而塑韧性提高。,【注意】再结晶只是改变了晶粒的形状，消除了因变形而产生的某些缺陷，再结晶没有改变晶格的类型，再结晶不是相变过程。,【再结晶实质】新晶粒重新形核和长大的过程。,四、热变形对金属组织和性能的影响,【热变形】变形温度在再结晶温度以上的变形 。,变形过程中既有加工硬化，又有再结晶，且加工硬化被再结晶完全消除。,热加工后组织性能变化： 1）粗大晶粒被击碎成细

6、晶粒组织，改善了机械性能。 2）铸态组织中的疏松、气孔经热塑变形后被压实或焊合。 3）晶粒被拉长，非金属杂物被击碎，沿被拉长的晶粒界分布，形成纤维组织（锻造流线）。,动画,锻造流线的特点：锻造流线的稳定性很高，形成后不能用热处理方法消除，只有经过塑性加工使金属变形才能改变其方向和形状。故设计、锻造铸件时，对其的合理分布要充分考虑，应遵循以下原则：,（ 1）零件最大拉应力方向应与锻造流线平行； （ 2）零件最大剪切应力方向应与锻造流线垂直； （ 3）零件外形轮廓应与锻造流线的分布相符合而不被切断。,五、金属的变形程度,塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过小，不能起到细化晶粒

7、提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，,对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。 锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。,碳素结构钢的锻造比在23范围选取，合金结构钢的锻造比在34范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y锻=512），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。,拔长：Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）； 镦粗：Y镦=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。,第二节 金属压力加工分类及锻造性能,一、常见压力加

8、工方法,1.轧制,定义：在上、下轧辊的压力下，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的方法。主要生产型材。,动画,2. 挤压,定义：在挤压模中受压应力，使之发生塑变而获得所需制品的压力加工方法。,分类：按坯料流动方向和凸模运动方向的不同可 分为-正挤压，反挤压，复合挤压 ，径向挤压。,正挤压 反挤压 复合挤压 径向挤压,3. 拉拔,定义：坯料在拉力作用下，通过拉拔模的模孔而使截面减小变形，适于线材，型材。,动画,二、金属塑性变形的基本规律,1.体积不变定理,金属固态成形加工中金属变形后的体积等于变形前的体积。,根据体积不变定律，在金属塑性变形的每一工序中，坯料一个方向尺寸减少，必然在

9、其他方向尺寸有所增加，在确定各中间工序尺寸变化时非常方便。,2.最小阻力定律,金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动。,一般来说，金属内某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向就是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线的方向。应用最小阻力定律可以事先判定锻造时金属截面的变化。,【金属的锻造性能】是指锻造金属材料时获得合格制品的难易程度。生产中常用金属塑性和变形抗力两个因素来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。,三、金属的锻造性能,影响锻造性能的两个因素：金属的本质和加工条件。,1.金属的本质,（1）化学成分 a）纯金属比合金的可锻性好 b）含合金元素少的合金

10、比多的好,（2）内部组织 a）单相组织（纯金属或固溶体）比多相好； b）钢中碳化物呈弥散分布比网状分布好； c）晶粒细化组织比粗大好。,2.加工条件,（1）加热温度 加热温度高，可锻性好。但是，温度过高，会引起过烧或过热。过烧会破坏晶粒间的连接，过热会使晶粒过分长大。,（2）变形速度：金属材料在单位时间内的变形程度。 a）变形速度不大时，回复和再结晶来不及消除加工硬化，可锻性下降； b）变形速度大于一定值后，由于塑性变形的热效应使材料温度升高，回复再结晶充分，可锻性提高。,（3）应力状态 1）挤压时，金属呈三向压应力 2）拉拔时，变形材料呈两向压应力和一向拉应力理论和实践表明：a）压应力越多，

11、材料的塑性越好； b）拉应力越多，塑性越差,挤压,拉拔,第三节 自由锻造,【自由锻】：利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法 。,【自由锻分类】：手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。机器锻造是自由锻的主要方法。,【自由锻的特点】：工具简单、通用性强，生产准备周期短。自由锻件的质量范围可由不及一千克到二、三百吨，对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，这使得自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用，例如水轮机主轴、重要的齿轮等零件。,动画,一、基本工序及设备,1.基本工序,自由锻的基本变形工序有：镦粗、拔

12、长、冲孔、弯曲、切割、锻接、扭转、错移等。生产中最常见的是镦粗、拔长、冲孔。,（1） 镦粗。是指使毛坯高度减小，横截面积增大的锻造工序。这种工序主要用于锻造齿轮坯、圆饼类锻件。,（2）拔长。使毛坯横截面积减少，长度增加的锻造工序。常用于锻造轴类和杆类等零件。,（）冲孔。利用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的操作过程。常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件 。,动画,动画,动画,2.自由锻设备,（1）空气锤,利用压缩空气推动锻锤进行工作。以落下部分质量来表示锻造能力；常用吨位为65750千克，用于锻造小型锻件。,（2）蒸汽空气锤,利用一定蒸汽或压缩空气推动锻锤进行工作。常用吨位为15吨，用于锻造中型锻件

13、，是模锻的主要设备。,（3）液压机,利用高压水为动力进行工作。靠静压力工作。常用吨位为5150吨，用于锻造大型锻件，是大型锻件的唯一设备。,二、自由锻工艺规程制定,自由锻工艺规程：根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量与尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料加热规范和填写工艺卡片等。,1.绘制锻件图,自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制的图，它是计算坯料、设计工具和检验锻件的依据。,在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为加工余量，也称锻件余量。零件的基本尺寸加上加工余量即锻件的名义尺寸。,（1）加工余量,（2）工艺余块,对键槽、齿槽、退刀槽以

14、及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金属以简化锻件的形状。为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属，称为工艺余块，也称为敷料。,（3）锻件公差,允许锻件的实际尺寸与名义尺寸间有一定的偏差，即锻造公差。一般锻造公差约为加工余量的1415。,2.确定坯料的质量及尺寸,（1）确定坯料质量,自由锻所用坯料的质量为锻件的质量与锻造时各种金属消耗的质量之和，可由下式计算：,G坯料= G锻件+G烧损+G料头,式中 G坯料 坯料质量，单位为kg； G锻件 锻件质量，单位为kg； G烧损 加热时坯料因表面氧化而烧损的质量，单位为kg；第一次加热取被加热金属质量分数的2

15、%3%，以后各次加热取1.5%2.0%；,G料头 锻造过程中被冲掉或切掉的那部分金属的质量，单位为kg。,对于大型锻件，当采用钢锭作坯料进行锻造时，还要考虑切掉的钢锭头部和尾部的质量。,（2）确定坯料尺寸,根据塑性加工过程中体积不变原则和采用的基本工序类型（如拔长、镦粗等）的锻造比、高度与直径之比等计算出坯料横截面积、直径或边长等尺寸。,（3）选择锻造工序,自由锻锻造工序的选取应根据工序特点和锻件形状来确定。,轴类件:拔长（镦粗、拔长）、切肩、锻台阶,筒类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上拔长,环类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上扩孔,弯曲类件:拔长（镦粗、拔长）、弯曲,曲轴类件:拔长（

16、镦粗、拔长）、错移、扭转,三、自由锻件的结构工艺性,自由锻件的设计原则是：在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。,零件形状应力求简单,尽量避免锥体或斜面结构,应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交,应避免加强筋、凸台等结构,合理采用组合结构,第四节模型煅造,定义：利用模具使毛坯变形而获得锻件的煅造方法。 简称模锻。,模锻与自由锻相比，具有以下特点： 1）生产率高、易于机械化，可成批大量生产； 2）锻件尺寸精度高、表面粗糙度值小，可以减少机械加工余量和余块的数量，节省材料和加工工时。 3）能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命。 但是，模具费用昂

17、贵，需要能力较大的专用设备，所以只有在大批大量生产时采用模锻才是经济合理的，模锻件的重量一般在 150kg以下。,分类： 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。,应用：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%，汽车占80%，机车占60%。,一、锤上模锻,锤上模锻即在模锻锤上的模锻。所用设备为模锻锤。通常为蒸气-空气锤。其工作原理与自由锻相似，区别在于上模是固定在锻锤上的。,动画,1.锻模结构,锤上模锻用的锻模由带燕尾的上模和下模组成，上下模通过燕尾和楔铁分别紧固在锤头和模垫上，上、下模合在一起

18、在内部形成完整的模膛。,根据模膛功用不同，分为模锻模膛和制坯模膛。,模 膛,模锻模膛,制坯模膛,拔长模膛,终锻模膛,预锻模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,（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。主要包括： 拔长模膛：减小横截面积，增加长度。 滚压模膛：改变各横截面上坯料分布，滚圆。 弯曲模膛：改变坯料轴线呈弯曲坯料。 切断模膛：其作用是切断金属。,（2） 模锻模膛,1）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。 2）终锻模膛。模锻时最后成形用模膛，需有飞边槽。带冲孔连皮和飞边的锻件所示。,二、胎模锻,定义：是在自由锻设备上使用简单的非固定模具

19、（胎模）生产模锻件的一种工艺方法。,特点：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，如图所示。 1）扣模，用于平整侧面，生产长杆，非回转体锻件；,3）套筒模，用于镦粗锻件，生产齿轮，法兰等； 4）合模，用于锻造比较复杂的锻件。,三、模锻工艺规程的制定,锤上模锻工艺规程的制定主要包括绘制模锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步、选择锻造设备、确定锻造温度范围等 。,1.绘制模锻件图,（1）分模面：上下锻模的分界面。,

20、分模面的选择应按以下原则进行 ：,要保证模锻件能从模膛中顺利取出，并使锻件形状尽可能与零件形状相同，一般分模面应选在模锻件最大水平投影尺寸的截面上。如图2-27所示，若选-面为分模面，则无法从模膛中取出锻件。,应使上、下两模沿分模面的模腔轮廓一致，如图2-27所示，若选-面为分模面，就不符合此原则。,最好使分模面为一个平面，并使上下锻模的模膛深度基本一致,选定的分模面应使零件上所加的敷料最少，如图2-27所示，若将面选作分模面，零件中间的孔不能锻出，其敷料最多。,（2）加工余量和锻件公差,锻件公差：是锻件名义尺寸的允许变动量。,加工余量：为了达到零件尺寸精度及表面粗糙度的要求，锻件上需切削加工

21、而去除的金属层。,模锻件的加工余量和公差比自由锻件小得多，其数值根据锻件大小、形状和精度等级有所不同，一般余量为1mm-4mm，公差为+0.3mm- +3mm之间，用时可查有关手册。,（3）模锻斜度,模锻斜度：为便于从模膛中取出锻件，模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度。一般为515之间。,（4）模锻圆角半径,模锻件上所有两平面转接处均需圆弧过渡，此过渡处称为锻件的圆角 。,钢的模锻件外圆角半径()一般取1.5mm12mm，内圆角半径(R)比外圆角半径大23倍。模膛深度越深，圆角半径值越大。,2.选择锻造设备,锤上模锻的设备：蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。,3.确定模锻工序,模锻工步主

22、要根据模锻件的形状和尺寸来确定。模锻件按形状分为两大类：,(1) 长轴类 此类锻件的长度明显大于其宽度和高度，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等。锻造时锤击方向垂直于锻件轴线，常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工步。,(2) 短轴类 此类锻件主轴尺寸较短，在分模面上投影为圆形或长宽尺寸相近，如如齿轮、法兰、十字轴、万向节叉等。常用镦粗、预锻、终锻等。,4.计算坯料质量与尺寸,坯料质量包括锻件、飞边、连皮、钳口料头以及氧化皮等的质量。通常，氧化皮约占锻件和飞边总和质量分数的2.5%4%。,5.模锻的后续工序 坯料在锻模内制成模锻件后，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、校正

23、、热处理、清理和精压。,四、模锻件结构工艺性,（1）模锻件应具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径。,（2）零件的外形应力求简单、平直和对称。,（3）避免薄壁、高筋、局部凸起等结构。,（4）深小孔不易锻出。,这4个小孔不能锻！,（5）减少余块以简化模锻工艺，形状复杂的锻件应采用锻-焊或锻-机械加工联接的方法。,第五节 板料冲压,定义：利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法,板料冲压的坯料厚度一般小于6mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压。当板料厚度超过8-10mm时，对其必须加热，故采用热冲压。,板料冲压所用的设备有冲床和剪床。剪床是完成剪切工序，为冲压生产准备原料的主要

24、设备。冲床是进行冲压加工的主要设备。,常用的材料 ：低碳钢、铜合金、铝合金等塑性好的材料。,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。,剪床,冲床,一、冲压工艺,冲压基本工序可分为分离工序和变形工序两大类。,1. 分离工序,【分离工序】是使板料的一部分与另一部分分离的加工工序。它包括剪切、落料和冲孔，冲孔和落料又统称为冲裁。,剪切：使板料按不封闭轮廓线分离的工序； 落料：是从板料上冲出一定外形的零件或坯料，冲下部分是成品。如下图所示。 冲孔：指在坯料上冲出透孔或不透过的锻造工序。冲下部分是废料。如下图所示,2. 变形工艺,【变形工艺】指使板料的一部分相对于另一部分产生位移而不破坏的加工方法。它包括拉伸、弯曲、翻边、成型等。,（1）拉伸：是利用拉深模使板料变成开口空心件的冲压工序。拉深可以制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其它复杂形状的薄壁零件。,动画,拉深中常见的废品及其防止措施：,1）拉裂。拉深过程中，拉深件