02第二篇 金属的塑性成形工艺(17).doc

第二篇 金属的塑性成形工艺金属塑性成形在外力作用下，金属产生了塑性变形，以此获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件。此生产方法称金属塑性成形（也称压力加工）外力 冲击力锤类设备压力轧机、压力机有一定塑性的金属压力加工（热态、冷态）基本生产方法：1轧制钢板、型材、无缝管材（图6-1）（图6-2）2挤压低碳钢、非铁金属及其合金（图6-3）（图6-4）3拉拔各种细线材，薄壁管、特殊几何形状的型材（图6-5）（图6-6）4自由锻坯料在上、下砥铁间受冲击力或压力而变形（图6-7a）5模锻坯料在锻模模腔内受冲击力或压力而变形（图6-7b）6板料冲压金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法（图6-7c）金属的原材料，大部通过轧制、挤压、拉拔等制成。第六章 金属塑性成形的工艺理论基础压力加工对金属施加外力塑性变形金属在外力作用下，使其内部产生应力发生弹性变形 外力屈服应力 塑性变形塑性变形过程中一定有弹性变形存在，外力去除后，弹性变形将恢复“弹复”现象，它对有些压力加工件的变形和工件质量有很大影响，须采取工艺措施的保证产品质量。6-1 塑性变形理论及假设一、最小阻力定律金属塑性成形 问题 实质，金属塑性流动，影响金属流动的因素十分复杂（定量很困难）。应用最小阻力定律定性分析（质点流动方向）最小阻力定律受外力作用，金属发生塑性变形时，如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就沿着阻力最小的方向移动。利用此定律，调整某个方向流动阻力，改变金属在某些方向的流动量成形合理。（图6-10）最小阻力定律示意图在镦粗中，此定律也称最小周边法则二、塑性变形前后体积不变的假设弹性变形考虑体积变化塑性变形假设体积不变（由于金属材料连续，且致密，体积变化很微小，可忽略）此假设+最小阻力定律成形时金属流动模型三、变形程度的计算变形程度用“锻造比”表示拔长时锻造比为： T拔=Fo/F镦粗时锻造比： Y镦=Ho/H式中：H0、F0坯料变形前的高度和横截面积 H、F坯料变形后的高度和横截面积T锻=22.5 （要求横向力学性能）纵向Y锻由Y锻可得坯料的尺寸。如：拔长时，F坯料=Y拔F锻件 （F锻件锻件的最大截面积）L钢坯= （体积 / 横截面积）6-2 冷变形及热变形金属的塑性变形 冷变形在再结晶温度以下的变形热变形在再结晶温度以上的变形一、冷变形变形过程中无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化现象故变形过程中变形程度不宜过大，避免产生破裂。冷变形可获得较高硬度和低粗糙度，可提高产品的表面质量和性能。如：常温下进行的冷镦、冷挤、冷轧、冷冲压二、热变形变形后，金属具有再结晶组织，而无加工硬化痕迹。金属只有在热变形情况下，才能以较小的功达到较大的变形，同时能获得具有高力学性能的再结晶组织。故，金属压力加工多采用热变形来进行。如：自由锻、热模锻、热轧、热挤压等。6-3 纤维组织的利用原则压力加工最原始坯料铸锭（钢锭）内部组织很不均匀、晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。加热压力加工后塑性变形、再结晶改变粗大铸造组织获得细化再结晶组织，并使气孔、缩松、压合致密、力学性能铸锭在压力加工产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生变形沿着变形方向被拉长，呈纤维形状这种结构叫纤维组织。它使金属性能上具有方向性，对变形后的质量也有影响。顺纤维方向的力学性能优于横纤维方向；金属的变形程序越大，纤维组织越明显，力学性能的方向性也越显著。注纤维组织的化学稳定性强，不能用热处理方法加以消除，只有经过锻压，使金属变形，才能改变其方向和形状。因此，为获得具有最好力学性能的零件，设计、制造时，应充分利用纤维组织方向性。使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断。使零件所受最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。（图6-9） 切削加工与局部镦粗。6-4 影响塑性变形的因素金属的可锻性衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一个工艺性能。可锻性好适合于压力加工成形可锻性差不宜于选用压力加工可锻性常用 金属的塑性 变形抗力 综合衡量塑性越大、变形抗力越小可锻性好金属的塑性，用截面收缩率、延伸率、冲击韧性k表示，、k塑性，变形抗力金属对变形的抵抗力。变形抗力变形中所消耗的能量，金属的可锻性取决于材质和加工条件。一、材料性质的影响1化学成分的影响纯金属的可锻性比合金要好；如：纯铁、低碳钢、高合全钢可锻性依次下降2金属组织的影响内部的组织结构不同，可锻性差别很大纯金属及固溶体（如奥氏体）的可锻性好；碳化物（如渗碳体）的可锻性差铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。二、加工条件的影响1变形温度的影响提高变形时的温度改善可锻性，并对生产率、产品质量及金属的有效利用均影响大。但温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷锻件报废应严格控制锻造温度始锻温度和终锻温度间的温度范围（以合金状态图为依据）2变形速度的影响变形速度单位时间内的变形程度。其影响是矛盾的（图6-12）一方面，由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象金属塑性抗力可锻性变坏；另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使温度升高（热效应现象），使塑性变形抗力（图中a点以后）可锻性好，但热效应现象除高速锤锻造外，一般压力加工的变形过程不明显故采用较小的变形速度为宜。3应力状态的影响三向应力状态图中压应力数量塑性好 拉应力数量塑性差（图6-13）（图6-14）第七章 锻压成形工艺锻压成形 自由锻（无模自由成形） 模锻（模膛塑性成形）自由锻利用冲击力或压力使金属在上、下砥铁间产生塑性变形所需几何形状及内部质量的锻件。手工自由锻小型锻件，生产率低机器自由锻锤上自由锻空气锤、蒸汽空气锤（1500kg锻件） 液压机上自由锻水压机（300吨锻件） 生产巨型锻件唯一成形设备自由锻可分为基本工序、辅助工序、精整工序基本工序使金属坯料产生一定程度的塑性变形，满足形状、尺寸辅助工序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、切肩等）精整工序用以减少锻件表面缺陷注由于自由锻的生产效率低，对操作工人技艺要求高，劳动强度大，锻件精度差自由锻日趋衰落，而模锻逐渐取代自由锻国外工业发达国家，自由锻（中、小型）只占20%40%。7-1 模膛锻造成形模锻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，在变形过程中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。模锻与自由锻比较有如下优点。生产率较高模锻尺寸精确，加工余量小可锻出形状比较复杂的锻件节省金属材料，减少切削加工量操作简单，易于机械化、自动化模锻按使用的设备不同分为：锤上模锻（固定模腔成形）胎模锻压力机上模锻一、胎模锻造成形工艺及应用在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。两种方法：胎模放在砧座上，将加热后的坯料放入胎模，锻制成形自由锻预锻胎模终锻成形特点及应用生产率较高，锻件质量好，节省材料，成本低，不需专用锻造设备，模具简单，易制造，应用小批量生产（也逐渐淘汰）。二、固定模膛成形工艺的分类及设备成型设备不同：锤上模镗成形工艺大批量（蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤） 压力机上模镗成形工艺设备：曲柄压力机、摩擦压力机、平锻机、模锻水压机等7-2 锻模模膛及其功用（图7-2）锤上模锻用的锻模模膛根据功用的不同，可分为：模锻模膛（终锻模镗、预锻模镗）制坯模膛： 拔长模膛（图7-4）（预先制坯） 滚压模膛（图7-5）弯曲模膛（图7-6）a)切断模膛（图7-6）b） 终锻模镗形状同锻件，尺寸比锻件放大一个收缩量。（图7-3）预锻模镗形状、尺寸与锻件接近，无飞边槽，圆角和斜度较大注 按变形的模膛数：单膛锻模（如齿轮坯） 多膛锻模（图7-7）7-3 锤上模锻成形工艺设计模锻生产的工艺规程包括：制订锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步（选模膛）、选择设备及安排修整工序等。最主要是锻件图的制定和模锻工步的确定一、模锻锻件图的制定是设计和制造锻模、计算坯料、检查锻件的依据。制定时应考虑如下几个问题：1选择模锻件的分模面（图7-8） 选d-d是最合理的2余量、公差及敷料余量一般为14mm；公差一般取在0.33mm3模锻斜度 （图7-9）一般515 2-1=254模锻圆面半径 （图7-10） Rr5留出冲孔连皮d25mm 孔 带冲孔连皮 （图7-3） 连皮厚度 s与d有关，d =3080s=48mm （图7-11）齿轮坯模锻件图粗实线锻件的形状双点划线零件的轮廓形状二、模锻工步的确定及模膛种类的选择形状分 长轴类锻件 （图7-12） 盘类锻件 （图7-13）模锻工步确定后，再选择制坯模膛和模锻模膛。注：修整工序切边和冲孔 热处理正火、退火 校正防变形 清理去氧化皮等三、模锻成形件的结构工艺性便于模锻生产，降低成本原则：7-4 压力机上模膛成形由于模锻锤工作时震动、噪音大，劳动条件差，蒸汽效率低，能源消耗多等缺点。近年来，大吨位模锻锤有逐步被压力机所取代趋势。压力机有：摩擦压力机、曲柄压力机、平锻机、模锻水压机一、摩擦压力机上模锻（图7-17） 工作原理吨位350t1000t多用于中、小型锻件特点：结构简单，造价低，投资少，使用维修方便，基建要求不高、工艺用途广泛。中、小型工厂均有此类设备二、曲柄压力机模锻传动系统如（图7-18）吨位 200012000吨特点：锻件精度高，生产率高，劳动条件好，节省金属等适合于大批大量生产（造价高）三、平锻机上模锻（图7-19） 传动图 滑块水平运动吨位500kN31500kN（503150吨） 25mm230mm 棒料特点：7-5 模锻件的缺陷 1错模2欠压3局部充不满无法修正4折纹无法修正5凹坑6残留毛利第八章 板料的冲压成形工艺利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法板料的冲压成形常温下进行的，又叫冷冲压或薄板冲压。只有当板料厚度810mm时，采用热冲压，板料冲压的特点：（1）可冲出形状复杂的零件，废料较少；（2）产品精度高，表面粗糙度较低，互换性好；（3）能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件；（4）操作简单，工艺过程便于机械化，自动化，生产率很高成本低故应用广泛，特别在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表及国防等工业，占有极其重要的地位。常用金属材料低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢等。常用设备剪床、冲床冲压生产可进行多种工序，其基本工序：分离工序、变形工序8-1 分离工序使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。如：落料、冲孔、切断、精冲、修整等。一、落料及冲孔（统称冲载）使坯料按封闭轮廓分离的工序，其坯料变形过程和模具结构都是一样，只是取舍不同。落料被分离的部分为成品，而周边是废料冲孔被分离的部分为废料，而周边是成品如：平面垫圈： 制取外形落料 制取内孔冲孔1冲裁变形过程冲裁件质量、冲裁模结构与冲裁时板料变形过程关系密切，其过程分三个阶段（1）弹性变形阶段（图8-1）冲头接触板料后，继续向下运动的初始阶段，使板料产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形，板料中应力迅速增大。此时，凸模下的材料略有弯曲，凹模上的材料则向上翘，间隙弯曲、上翘（2）塑性变形阶段冲头继续压入，应力值屈服极限塑性变形，变形达一定程度时，位于凸、凹模刃口处的材料硬化加剧出现微裂纹；塑性变形阶段结束。（3）断裂分离阶段冲头继续压入，已形成的上、下微裂纹扩大向内扩展，上、下裂纹相遇重合时，材料被剪断分离。（图8-2）冲裁变形区的应力与变形情况和冲裁件的切断面的状况圆角带 光亮带 断裂带2凸、凹模间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量，而且影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。（图8-3a）间隙过小上、下裂纹向外错开，且材料与凸、凹模之间的摩擦力增加冲裁力、卸料力、推件力，磨损加剧模具寿命（图8-3）c 间隙过大上、下裂纹向内错开，光亮带减小，圆角带与锥度增大厚大的拉长毛刺，冲裁的翘曲现象严重。对于批量较大而公差又无特殊要求的冲裁件采用“大间隙”冲裁，提高模具寿命。（图8-3）b 间隙合适，上、下裂纹重合一线，冲裁力、卸料力、推件力适中，模具寿命足够，零件尺寸几乎与模具一样。（表8-1）冲裁模合理间隙值3凸、凹模刃口尺寸的确定落料、冲孔分别计算设计落料模落料件确定凹模刃口尺寸取凹模作设计基准件根据间隙z确定凸模尺寸（缩小凸模刃口尺寸保证间隙值）设计冲孔模冲孔件确定凸模尺寸，取凸模作设计基准件z确定凹模尺寸（用扩大凹模刃口尺寸保证间隙值）4冲裁力的计算冲裁力是选用冲床吨位和检验模具强度的一个重要依据。平刃冲模的冲裁力按下式计算 冲裁力（N）L冲裁周边长度（mm）S坯料厚度（mm）K系数，常取1.3材料抗剪强度（MPa） 查手册，或取5冲裁件的排样排样是指落料件在条料、带料或板料上合理布置的方法，排样合理可使废料最少，材料利用率（图8-4）不同排样方式材料消耗对比落料件的排样有两种类型：无搭边排样用落料件形状的一个边作为另一个落料件的边缘（图d），材料利用率很高，但毛刺不在同一平面上，且尺寸不易准确。有搭边排样各落料件之间均留有一定尺寸的搭边，优点：毛刺小，且在同一平面上，尺寸准确，质量高，但材料消耗多。二、修整利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺尺寸精度表面粗糙度（图8-5）a 外缘修整（图8-5）b 内孔修整修整后，冲裁件公差等级IT6IT7 表面粗糙度 Ra0.81.6m三、精密冲裁公差IT6IT8级，表面粗糙造度Ra0.80.4m，且生产率高。基本出发点改变冲裁条件，以增大变形区的静水压作用，抑制材料的断裂，使塑性剪切变形延续到剪切的全过程，与材料不出现剪裂纹的冲裁条件下实现材料的分离得到断面光滑而垂直的精密零件。（图8-6）精冲法与普通冲裁法所用模具的比较8-2 变形工序变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序如：拉深、弯曲、翻边、胀型、旋压等一、拉深1拉深过程及变形特点利用模具使平面坯料变成开口空心件的冲压工序；可制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其它复杂形状的薄壁零件。（图8-7）拉伸变形过程示意图2拉深中常见的废品及防止措施最危险部位直壁与底部过渡圆角处，拉应力材料强度极限时拉裂防裂措施（1）正确选择拉深系数 d拉深件直径； D 坯料直径md变形程度易成拉裂一般m0.50.8注 若m过小可采用多次拉深（图8-9）（2）合理设计拉深模工作零件凸、凹模圆角半径过小，易拉裂凸、凹模间隙z=（1.11.2）s（比冲裁模大）（3）注意润滑摩擦磨损加润滑剂（图8-10）起皱拉深件（图8-11）有压边圈的拉深3毛坯尺寸及拉深力的确定毛坯尺寸计算拉深前后的面积不变原则进行最大拉伸力（圆筒件） （具体说明P132）二、弯曲坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序。（图8-12）坯料内侧受压外侧受拉弯曲时，尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直（8-13）以免破裂三、其它冲压成形1胀形主要用于平板毛坯的局部胀形（或叫起伏成形），如：压制凹坑、加强筋、花纹、标记等。胀形时，毛坯两向拉应力状态，不会产生失稳起皱现象零件表面光滑、质量好模具：刚模 软模（图8-14）广泛采用2翻边在坯料的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成形工序。内孔翻边（图8-15） 不变薄翻边外缘翻边 变薄翻边3旋压（图8-16）旋压过程示意图旋压的基本要点 合理的转速 合理的过渡形状 合理加力8-3 冲模的分类和构造一、简单冲模（图8-17）二、连续冲模（图8-18）三、复合冲模（图8-19）第九章 金属的其它塑性成形工艺科学技术的不断发展，压力加工要求越高，不仅要生产各种毛坯，而且还要直接生产出各种形状复杂的零件；不仅能用易变形材料加工，而且还要用更难变形的材料进行生产近年来，出现了许多新工艺、新技术如：超塑性成形、粉末锻造、零件的挤压、精密模锻、零件的轧制、液态模锻、高能高速成形等。新工艺特点尽量使锻压件的形状接近零件的形状，以便少、无屑加工，节省原材料、切削加工工作量，提高力学性能和使用性能；具有更高的生产率；减小变形力，可在较小锻压设备上制造出大锻件；广泛利用电加热和少氧化、无氧化加热，提高锻件表现质量，改善劳动条件。9-1 零件的挤压使坯料在挤压筒中受强大的压力作用而变形的加工方法。一、挤压特点坯料在三向受压状态下变形，故可提高金属坯料的塑性。挤压材料不仅有铝、钢等塑性好的非铁金属，而且碳钢、合金结构钢、不锈钢及工业纯铁等也可用挤压工艺成形。在一定的变形量下某些高碳钢、轴承钢、甚至高速钢等也可进行挤压。可挤压动各种形状复杂、深孔、薄壁、异型断面的零件。零件精度高，表面粗糙度低一般尺寸精度为IT6IT7，表面粗糙度Ra3.20.4提高了零件的力学性能（纤维组织连续）节约原材料，材料利用率可达70%，生产率也高。二、分类1按金属流动方向和凸模运动方向分类正挤压金属流动方向与凸模运动方向相同（图9-1）反挤压金属流动方向与凸模运动方向相反（图9-2）复合挤压挤压时，坯料一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，而另一部分则相反（图9-3）径向挤压金属流动方向与凸模运动方向成90角（图9-4）2按金属坯料所具有的温度分类热挤压挤压时坯料变形温度高于材料的再结晶温度，与锻造温度相同。热挤压变形抗力小，允许每次变形程度较大，但产品表面粗糙。广泛用于冶金部门中生产铝、铜、镁及其合金的型材和管材。冷挤压坯料变形温度低于材料再结晶温度（经常在室温下）的挤压工艺。其变形抗力比热挤压高得多，但产品表现光洁，内部组织为加工硬化组织提高了产品强度。广泛用于制造机器零件和毛坯。温挤压介于热挤压和冷挤压之间的挤压方式，将金属加热到再结晶温度以下的某个合适温度（100800）进行挤压。不仅可挤压中碳钢，也可挤压合金钢零件。此外，还有静液挤压方法（图9-5），凸模与坯料不直接接触，给液体加压（30000个大气压以上），液体传给坯料，使金属通过凹模而成形。变形较均匀，挤压力较小，用于低塑性材料注挤压设备专用挤压机（液压式、曲轴式、肘杆式），也可在改进的曲柄压力机或摩擦压力机上进行。9-2 零件的轧制轧制除生产型材、板材和管材外，还可生产各种零件。零件的轧制具有生产率高、质量好，成本低，并可大量减少金属材料的消耗。一、零件轧制的特点设备结构简单，吨位小劳动条件好，易机械化，自动化，生产率高模具价廉球墨铸铁、冷硬铸铁质量好，力学性能好材料利用率高（90%以上）二、零件轧制的类型根据轧辊轴线与坯料轴线不同，分为：纵轧、横轧、斜轧、楔横轧1纵轧轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法。包括各种型材轧制、辊锻轧制、辗环轧制辊锻轧制（图9-6）把轧制工艺应用到锻造生产中，目前，成型辊锻适用于生产的三种类型锻件：扁断面的长杆件，如板手，活动板手，链环等带有不变形头部而沿长度方向横截面面积递减的锻件，如叶片连杆成型辊锻辗环轧制 （图9-7）2横轧轧辊轴线与坯料轴线互相平行（如齿轮轧制）（图9-8）3斜轧亦称螺旋斜轧、轧辊轴线与坯料轴线相交一定角度的轧制方法，如图9-9 b 钢球轧制 如图9-9 a 周期轧制 （此外，丝杠冷轧）4楔横轧利用两个表面镶有楔形凸块，并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法（图9-10）主要用于加工阶梯轴，锥形轴等各种对称的零件或毛坯。9-3 精密模锻在模锻设备上锻造形状复杂，锻件精度高的模锻工艺如：精密模锻伞齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再切削加工尺寸精度可达IT12IT15 Ra3.21.6一、工艺过程 （图9-20）二、工艺特点9-4 多向模锻将坯料放于锻模内，用几个冲头从不同方向同时或先后对坯料加压，以获得形状复杂的精密锻件（图9-21）凹面、凸肩、多向孔穴等，不需模锻斜度一、优点1提高材料利用率、节约金属材料（4090）2提高力学性能强度30%以上3降低劳动强度4节约设备，提高劳动生产率5应用范围广二、局限性需专用压力机，大吨位设备电力消耗量大（感应电加热，或气体保护无氧化加热）要求严格（毛坯尺寸）精密计算或试料9-5 径向（旋转）锻造（图9-22）两个以上锻模高频率、短冲程施加径向脉冲打击力坯料径向尺寸减小、轴向尺寸增大。（图9-23）径向锻造形式，特点及应用9-6 液态模锻铸造+锻造组合工艺，在压力铸造基础上发展起来。一、工艺过程（图9-26）工艺流程：原材料配制熔炼浇注加压成形脱模灰坑冷却热处理检验入库设备：液压机二、工艺