金属材料成型基础4

1、 第三章第三章 金属的塑性成形（压力加工）金属的塑性成形（压力加工） 重点重点： 1）金属塑性成形工艺原理）金属塑性成形工艺原理 2）塑性成形工艺方法）塑性成形工艺方法 3）锻件、冲压件结构工艺性）锻件、冲压件结构工艺性 难点难点： 1）金属塑性成形工艺原理金属塑性成形工艺原理 2）塑性成形工艺方法塑性成形工艺方法 概概 述述 一、金属塑性成形一、金属塑性成形 金属材料在金属材料在外力外力作用下产生作用下产生塑性变形塑性变形，获得具有一定，获得具有一定形形 状、尺寸和力学性能状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。的毛坯或零件的生产方法。 二、金属塑性成形的基本生产方式二、金属塑性成形的基本

2、生产方式 1 1轧制轧制 2 2挤压挤压 3 3冷拔冷拔 上砥铁 下砥铁 坯料 4 4自由锻造自由锻造 5 5模型锻造模型锻造 6 6板料冲压板料冲压 三、塑性成形（压力加工）的特点三、塑性成形（压力加工）的特点 1 1力学性能高力学性能高 1 1）组织致密；）组织致密； 2 2）晶粒细化；）晶粒细化； 3 3）压合铸造缺陷；）压合铸造缺陷； 4 4）使纤维组织合理分布。）使纤维组织合理分布。 1 1）零件大小不受限制；）零件大小不受限制； 2 2）生产批量不受限制。）生产批量不受限制。 2 2节约材料节约材料 1 1）力学性能高，承载能力提高；）力学性能高，承载能力提高； 2 2）减少零件制

3、造中的金属消耗（与切削加工相比）。）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。 3 3生产率高生产率高 4 4适用范围广适用范围广 1-1 1-1 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 第一节第一节 金属塑性成形工艺原理金属塑性成形工艺原理 一、金属塑性变形的实质一、金属塑性变形的实质 1. 1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 1 1）滑移：）滑移： 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。 但实际金属的滑移是靠位错的移动来实现的。 2 2）孪生：）孪生： 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动。晶体的一部分相对一部分

4、沿一定的晶面发生相对转动。 2. 2. 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 晶内变形晶内变形 晶间变形晶间变形 滑移滑移 孪生孪生 滑动滑动 转动转动 多晶体塑性变形的实质：多晶体塑性变形的实质： 晶粒内部发生滑移和孪生；同时晶晶粒内部发生滑移和孪生；同时晶 粒之间发生滑移和转动。粒之间发生滑移和转动。 孪晶面孪晶面 孪晶面孪晶面 二、塑性变形后金属的组织和性能二、塑性变形后金属的组织和性能 1. 1.冷变形对金属组织和性能的影响冷变形对金属组织和性能的影响 1 1）组织变化的特征：）组织变化的特征： 晶粒沿变形最大方向伸长；晶粒沿变形最大方向伸长； 晶格与晶粒均发生畸变；晶格与晶粒均发生畸变；

5、 晶粒间产生碎晶。晶粒间产生碎晶。 2 2）性能变化的特征：）性能变化的特征： 加工硬化：加工硬化： 随着变形程度的增加，其随着变形程度的增加，其 强度和硬度不断提高，塑强度和硬度不断提高，塑 性和韧性不断下降。性和韧性不断下降。 有利：强化金属材料有利：强化金属材料 不利：进一步的塑性变形带来困难不利：进一步的塑性变形带来困难 02040 6080% 变形程度 360 320 280 240 200 160 120 80 40 700 600 500 400 300 200 100 0 220 180 160 140 120 延 伸率 % 冲 击韧度/J cm -2 HB 强度极 限/MPa

6、 强度极 限 布氏硬度 延 伸率 % 冲 击韧度 2. 2. 温度对冷变形后金属组织和性能的影响温度对冷变形后金属组织和性能的影响 T回 回 =(0.25 0.3)T熔熔 3 3）再结晶）再结晶T再 再 =( 0.350.4)T熔熔 (K) (K) 1)1)回复回复 组织：与冷变形后基本形同组织：与冷变形后基本形同 性能：仅物理性能改变性能：仅物理性能改变 组织：恢复到冷变形前的状态组织：恢复到冷变形前的状态 性能：加工硬化消除性能：加工硬化消除 3. 3. 热变形及其影响热变形及其影响 1 1）不产生加工硬化）不产生加工硬化 2 2）使组织得到改善，提高了力学性能）使组织得到改善，提高了力学

7、性能 细化晶粒；细化晶粒； 压合了铸造缺陷；压合了铸造缺陷； 组织致密。组织致密。 T T再 再冷变形冷变形热变形热变形 以上以上以下以下 发生了动态恢复和动态再结晶发生了动态恢复和动态再结晶 3 3）形成纤维组织）形成纤维组织 在热变形过程中，材料内部的夹杂物及其它非基体物质。沿在热变形过程中，材料内部的夹杂物及其它非基体物质。沿 塑性变形方向所形成的流线组织，称为纤维（流线）组织。塑性变形方向所形成的流线组织，称为纤维（流线）组织。 （1 1）在）在平行平行于纤维组织的方向上：材料的于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高抗拉强度提高 （2 2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的）在垂直于纤维

8、组织的方向上：材料的抗剪强度提高抗剪强度提高 第二节第二节 金属塑性成形工艺方法金属塑性成形工艺方法 2-1 2-1 自由锻造自由锻造 一、自由锻设备一、自由锻设备 锻锤锻锤 压力机压力机 空气锤空气锤 蒸汽蒸汽空气锤空气锤 水压机水压机 油压机油压机 65750Kg 630Kg5T 落下部分总重量落下部分总重量 = = 活塞活塞+ +锤头锤头+ +锤杆锤杆 滑块运动到下始点时所产生的最大压力滑块运动到下始点时所产生的最大压力 锻锤吨位锻锤吨位 = = 压力机吨位压力机吨位 = = 二、自由锻基本工序二、自由锻基本工序 基本工序基本工序 完成锻件基本变形和成形的工序。完成锻件基本变形和成形的工

9、序。 H 完全礅粗 局部礅粗 ，S S 1.25 H0/D0 2.5 3. 3. 冲孔：冲孔： 4. 4. 弯曲：弯曲： 5. 5. 扭转：扭转： 6. 6. 错移：错移： 1. 1. 礅粗：礅粗： 2. 2. 拔长：拔长： ，S S L L 芯轴拔长 芯轴扩孔 2-2 2-2 模型锻造模型锻造 模型锻造模型锻造 将金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛将金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛 内受压、变形，获得锻件的方法。内受压、变形，获得锻件的方法。 特点：特点：1 1）生产率高；）生产率高； 2 2）锻件的尺寸精度和表面质量高；）锻件的尺寸精度和表面质量高； 3 3）材料利用率高；）材料利用率高

10、；4 4）可锻造形状较复杂的零件；）可锻造形状较复杂的零件； 5 5）模具成本高、设备昂贵；）模具成本高、设备昂贵； 6 6）锻件不能任意大。）锻件不能任意大。一般不得超过一般不得超过150kg150kg。 一、锤上模锻一、锤上模锻 （一）锤上模锻设备（一）锤上模锻设备 蒸汽蒸汽空气模锻捶空气模锻捶 应用：形状较复杂的中小型锻件的成批、大量生产。应用：形状较复杂的中小型锻件的成批、大量生产。 （二）锻模结构（二）锻模结构 锻模锻模 模膛模膛 飞边槽飞边槽 桥部桥部 仓部仓部 形成锻件基本形状和尺寸的空腔。形成锻件基本形状和尺寸的空腔。 容纳多余的金属。容纳多余的金属。 增加金属流动的阻力，促使

11、金属充满模膛。增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛。 （三）模膛的分类（三）模膛的分类 模膛模膛 模锻模膛模锻模膛 制坯模膛制坯模膛 终锻模膛终锻模膛 预锻模膛预锻模膛 延伸模膛延伸模膛 滚压模膛滚压模膛 弯曲模膛弯曲模膛 切断模膛切断模膛 （四）锻模工艺规程的制定（四）锻模工艺规程的制定 1. 1. 绘制锻件图绘制锻件图 1 1）分模面的选择）分模面的选择 分模面应选在锻件的分模面应选在锻件的最大截面处最大截面处； 分模面的选择应使模膛分模面的选择应使模膛浅而对称浅而对称； 分模面的选择应使锻件上所分模面的选择应使锻件上所加敷料最少加敷料最少； 分模面应最好是分模面应最好是平直面平直面。 a

12、a cc dd b b 2)2)确定加工余量、公差和敷料确定加工余量、公差和敷料 加工余量：加工余量：14mm14mm 公差：公差：0.33mm0.33mm 3 3）设计模锻斜度）设计模锻斜度 外壁斜度：外壁斜度：57 57 0 0 内壁斜度：内壁斜度：712 712 0 0 4 4）设计模锻圆角）设计模锻圆角 外圆角：外圆角：r = 1.512mmr = 1.512mm 内圆角：内圆角：R=R=（2323）r r 5 5）确定冲孔连皮）确定冲孔连皮 2. 2. 确定模锻工序确定模锻工序 1 1）基本工序）基本工序 圆盘类零件：镦粗圆盘类零件：镦粗 预锻预锻 终锻终锻 长杆类零件：制坯长杆类零

13、件：制坯 预锻预锻 终锻终锻 2 2）修正工序）修正工序 切边；冲孔； 校正； 热处理；清理。 汽车凸轮轴汽车凸轮轴 工序：拔长、滚挤、预锻、终锻、切边。工序：拔长、滚挤、预锻、终锻、切边。 2-3 2-3 板料冲压板料冲压 利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获 得所需零件的工艺方法。得所需零件的工艺方法。 冷冲压冷冲压： t 8 mm 拖拉机：拖拉机：400400多个。多个。 三米收割机：三米收割机：10001000多个。多个。 一、冲压设备一、冲压设备 1. 1. 剪床：剪床： 2. 2. 冲床：冲床： 下料设备下料设备 1 1）

14、斜刃剪）斜刃剪 2 2）平刃剪）平刃剪 3 3）圆盘剪）圆盘剪 冲压设备冲压设备 1 1）开式冲床）开式冲床 2 2）闭式冲床）闭式冲床 二、冲压基本工序及变形特点二、冲压基本工序及变形特点 （一）分离工序（一）分离工序 使坯料的一部分相对另一部分产生分离的工序。使坯料的一部分相对另一部分产生分离的工序。 （冲孔、落料、修正、剪切、切边等）（冲孔、落料、修正、剪切、切边等） 1. 1. 冲裁（落料、冲孔）冲裁（落料、冲孔） 1 1）冲裁的变形过程）冲裁的变形过程 弹性变形阶段弹性变形阶段 塑性变形阶段塑性变形阶段 断裂、分离阶段断裂、分离阶段 塑性变形阶段塑性变形阶段 弹性变形阶段弹性变形阶段

15、 断裂分离阶断裂分离阶 段段 使坯料沿封闭轮廓分离的工序。使坯料沿封闭轮廓分离的工序。 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1塌角区塌角区 2 2光亮带区光亮带区 3 3 剪裂带区剪裂带区 4 4毛刺毛刺 2 2）冲裁模设计及冲裁工艺特点）冲裁模设计及冲裁工艺特点 凸凹模要具有锋利的刃口凸凹模要具有锋利的刃口 凸凹模间隙要合理凸凹模间隙要合理 Z Z 双边间隙双边间隙Z = （5%10%）t 凸凹凸凹模刃口尺寸要正确模刃口尺寸要正确 落料：以凹模为设计基准落料：以凹模为设计基准 D凹 凹 = d落落 D凸 凸= D凹凹 - Z D凸 凸 = d孔孔 D凹 凹 = D凸凸 + Z 冲孔：以凸模为

16、设计基准冲孔：以凸模为设计基准 排样要合理排样要合理 排样：冲裁件在板料上的布置方式。排样：冲裁件在板料上的布置方式。 有接边排样有接边排样 少无接边排样少无接边排样 1 2 （二）变形工序（二）变形工序 使坯料的一部分相对一部分产生位移而不被破坏的工序。使坯料的一部分相对一部分产生位移而不被破坏的工序。 （拉深、弯曲、翻边、成形等）（拉深、弯曲、翻边、成形等） 1 . 1 . 拉深拉深 D 2 dD h 使坯料在凸模的作用下压入凹模，使坯料在凸模的作用下压入凹模， 获得空心体零件的冲压工序。获得空心体零件的冲压工序。 1 1）拉深变形过程）拉深变形过程 d d d h h 2 2）拉深废品）

17、拉深废品 拉裂（拉穿）拉裂（拉穿） 起皱起皱 3 3）拉深模设计及工艺特点）拉深模设计及工艺特点 凸凹模的工作部分必须具有一定的圆角；凸凹模的工作部分必须具有一定的圆角； r r凹 凹=(6 =(610)t r10)t r凸 凸= =（ （0.60.61 1）r r凹 凹 凸凹模间隙要合理凸凹模间隙要合理 Z =Z =（1.1-1.21.1-1.2）t t Z Z 单边间隙单边间隙 控制拉深系数（控制拉深系数（mm） m = d/D =m = d/D =（0.5-0.80.5-0.8） D=100d=20；h=42 d1=55d2=32 32/55=0.5832/55=0.58 d3=20 2

18、0/32=0.62820/32=0.628 设置压边圈设置压边圈 涂润滑油涂润滑油 2. 2. 弯曲弯曲 将平直板料弯成一定的将平直板料弯成一定的 角度或圆弧的工序。角度或圆弧的工序。 1 1）弯曲的变形特点）弯曲的变形特点 变形区域主要在圆角部位；变形区域主要在圆角部位； 外层金属受拉应力，内层金属受压应力。外层金属受拉应力，内层金属受压应力。 2 2）弯曲缺陷）弯曲缺陷 弯裂弯裂回弹回弹 3 3）弯曲工艺特点）弯曲工艺特点 弯曲半径弯曲半径 rrrrmin min= =（ （0.25-10.25-1）t t ； 毛刺应位于内侧；毛刺应位于内侧； 弯曲线应尽量与坯料纤维方向垂直；弯曲线应尽量与坯料纤维方向垂直； “ “回弹回弹”问题问题 a a）设计补偿角）设计补偿角 b b）对工件进行）对工件进行退火退火 c c）设计加强筋）设计加强筋 3. 3. 翻边、成形翻边、成形 1 1）翻边）翻边 在带孔的平坯料上在带