工业设计工程基础

1、工业设计工程基础2.贾福春金属的塑性成形方法1、锻造2、冲压3、其它金属塑性成形方法(挤压、轧制、拉拔等)第一节 锻 造锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。按所用的设备和工（模）具的不同， 可分为自由锻和模锻两大类。一、自由锻造自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下两个砥铁之间产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。金属受力变形时在砥铁间向各个方向自由流动，不受什么限制。锻件形状和尺寸由操作工的操作技术保证。自由锻造分手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件。自由锻造应用极广，锻件质量从不及一公

2、斤到二三百吨，广泛应用在单件小批量生产中。大型零件在工作中都承受重大载荷，要求具有较高强度，故均应采用自由锻造制成的毛坯再经切削加工制成零件。自由锻造在重型机械制造中具有特别重要的意义，如水轮机的主轴、曲轴、连秆等。1 自由锻造设备自由锻造设备根据对锻件的作用力性质分为锻锤(空气锤、蒸汽-空气锤)和液压机(水压机、油压机)两大类。锻锤产生冲击力使金属变形，而液压机产生静压力使金属变形。吨位用落下部分的质量来表示。空气锤：吨位一般为501000kg，特点是操作方便，广泛用于小型锻件的生产。吨位的选择主要根据锻件尺寸和质量来定。蒸汽-空气锤：用0.410.9lMPa(49个大气压)蒸汽或压缩空气来

3、推动活塞，落下部分质量可显著增大，锻击功能大为提高。但须有一套辅助设备如蒸汽锅炉或空气压缩机等，故较空气锤复杂。蒸汽-空气锤的吨位一般为0.55t，适合锻造中型和较大型锻件。选择蒸汽-空气锤的吨位主要根据锻件质量及形状来确定。双柱拱式蒸汽锤的构造及工作原理3)水压机水压机的优点：以压力(上砥铁速度约为0.10.3m/s)代替锻锤的冲击力(锤头速度可达78m/s)，从而避免了对地基及建筑物的震动，而且工作条件较好和安全。金属在水压机上比在锻锤上锻造容易达到较大的锻透深度，可获得整个截面是细晶粒组织的锻件。水压机的缺点：设备庞大，必须有一套供水系统和操纵系统，造价较高。水压机的吨位用压力来表示，压

4、力可达50015000t (5150MN)，所锻钢锭的质量由l300t。2 自由锻造的基本工序。根据自由锻造变形工序变形性质和变形程度的不同，可将它分为基本工序、辅助工序和修整工序三大类。 辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形，如压钳口、压钢锭棱边及切肩等。修整工序是为了提高锻件质量，使之完全达到锻件图要求的工序，如端面平整、弯曲校直等。 基本工序是改变坯料的形状和尺寸以获得锻件的工序，它包括：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、错移和扭转等。1)镦粗镦粗是减小坯料高度而增大其横截面积的工序。目的：将高径(宽)比较大的坯料锻成高径(宽)比较小的饼块锻件；对于空心锻件，在冲孔前使坯料和横截面增

5、大和平整；轴杆类锻件可以提高后续拔长工序的锻造比，提高锻件的横向力学性能和减少力学性能的异向性等。镦粗可分为平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。二、模锻模锻是将金属坯料放入具有一定形状的锻模模膛内，使坯料受压而变形的压力加工方法。在变形过程中，金属的流动受到模膛形状的限制，金属充满模膛后就能得到与模膛形状相同的锻件。按使用的设备不同，模锻可分为锤上模锻、胎模锻和压力机上模锻等。与自由锻相比，模级具有如下优点；1)操作技术要求不高，但生产率高；2)锻件尺寸和形状精确，加工余量小；3)能锻造形状较为复杂的锻件，可节省金属材料。由于受到模锻设备吨位的限制，锻件质量不能太大，一般在150kg以下；因为锻模成

6、本高，故模锻只适用于大批量生产，广泛用于飞机、汽车、轴承等行业。典型模锻件1. 锤上模锻所用设备有蒸汽-空气锤、高速锤等。目前，我国一般工厂大都使用蒸汽-空气锤。主要特点：锤头与导轨间的间隙较小，机架直接与砧座连接，保证了锤头上下运动的精确性，能使上、下模块对准；砧座较重，约为落下部分质量的2025倍。模锻锤的吨位(落下部分的质量)为116t。模锻件的质量为0.5150kg。由于锤上模锻具有工艺适应性广的特点，故目前仍在锻件生产中得到广泛应用。但是，模锻锤锻造振动和噪声大，劳动条件差，能源耗费严重。近年来，成批及大量生产的模锻件越来越多地采用压力机进行模锻。平锻机上模锻平锻机有两个互相垂直的分

7、摸面，主分模面在凸模与凹模之间，另一个分模面在可分的两半凹模之间。吨位一般为l´1033.15´104kN。最适合的锻件是带头部的杆类和有孔的锻件，也可以锻造曲柄压力机上不能模锻的一些锻件。平锻机上模锻有如下特点：1、坯料长度不受设备工作空间的限制，可锻造其它立式锻压设备不能锻造的长杆类锻件；2、因为有两个分模面，故可以锻造在两个方向上有凹档、凹孔的锻件；3、锻件尺寸精确，表面粗糙度小；4、节省金属，材料利用率可达8595；5、难以锻造非回转体及中心不对称的锻件。三、锻模结构与模锻工步锤上模锻所用的锻模都由上模和下模组成。下模固定在砧座上，上模装在锤头上，锻造时随锤头一起上

8、下运动。根据锻件形状和模锻过程的需要，上、下模上设有一定形状的凹腔，上、下模合在一起形成模膛。根据其功能的不同可分为模锻模膛和制坯模膛。四、胎模锻造、胎模锻是在自由锻设备上采用胎模来生产锻件的方法。与自由锻相比，胎模锻有如下特点：1、操作简便，生产率高；2、锻件形状准确，尺寸精度较高；3、锻件内部组织致密，纤维分布更符合性能要求。与模锻相比，胎模模锻又有如下特点：1、胎模模锻不需采用昂贵设备；2、胎模锻可局部成形，故可用较小设备锻制较大模锻件；3、胎模锻锻模结构简单，容易制造，成本低。但胎模锻件的尺寸精度不如模锻件高，生产率较低，模具寿命短，且适合于中小批量的锻件生产中。几种胎模结构示意图第二

9、节 冲 压使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称。冲压与其它加工方法相比，其主要优点：1、生产率高，操作简便易于实现机械化和自动化，适合于大批量生产；2、制件精度较高，尺寸稳定，互换性好；3、是一种能耗低、材料利用率高的少、无切削加工方法；4、能加工壁薄、形状复杂、表面质量好、刚性好、重量轻的零件板料表面一般不受破坏。应用：汽车、拖拉机、电机、电器、仪表仪器、轻工和日用品及国防工业生产等领域。常用的冲压材料有低碳钢、高塑性合金钢、铝和铝合金、铜和铜合金等金属板料、带料与卷料，还可加工纸板、塑料板、胶木板、纤维板等非金属板料。单柱冲床、拉深变形过程与拉深系数m弹性变形 塑性变形。即拉深变形后制件

10、直径d与其毛坯直径D0之比。m=d/D0 （ m越小，表示变形程度越大）mmin为极限拉深系数：在工件不至拉裂的条件下，所能达到的最小拉深系数。多次拉深：当mmmin时，如拉深弹壳、笔帽等则要采用多次拉深。 mmin=0.50.8拉深次数45次，且要求m1m2mnm=m1 m2 mn翻边翻边是用扩孔的方法使带孔件在孔口周围冲制出竖直边缘的冲压成形工序。将带有预制孔的板坯放在凹模上，凸模向下运动，逐步压入凹模，板坯在凸模压应力作用下，沿孔口按凸模和凹模提供的形状翻出直边。变形程度极限受翻出直边的开口处周向拉应力限制，通常用翻边系数K0来表示：K0=d0/d1d0为翻边前板坯预制孔径；d1为翻边后

11、内孔径。旋压旋压是一种等截面或不等截面成形金属空心回转体的工艺方法。模具可用硬木制造，唯一要求是模具表面必须十分光滑，如要旋压大量诸如轮毂类零件，可用金属模具。旋压工艺无需专门设备，可用简单机床，工装费用低。很适用于小批量生产。它亦可在大批量生产中用来制造如灯的反射镜、碗形零件、钟形件、管(包括变径管)和车轮轮毂等。橡皮成形和液压成形橡皮成形是利用橡皮作为通用凸模(或凹模)进行板料成形的方法。其特点是金属板料的整体成形，变形区的压力状态包括弯曲和压缩的双重特点。橡皮成形工艺用于生产形状简单的薄板(铝板厚度小于3mm，不锈钢和低碳钢板厚小于1.5mm)的零件。如飞机制造业中用于少量复制件，制造食

12、品容器、电气工业零件等。液压成形是用液体(水或油)作为传压介质，使板料产生塑性变形，按模具形状成形的工艺方法。橡皮膜液压成形法，是采用可控的液体压力所支承的柔性膜取代橡皮垫，使较深的零件在完全均匀的液体压力下成形。其它金属塑性成形方法除了一般的锻造和冲压外，还包括辊轧、冷拔、挤压、径向锻造等生产方式。一、辊轧坯料靠摩擦力咬入轧辊，在轧辊相互作用下，产生连续变形的工艺。辊轧常用的有辊锻、斜轧、横轧、辗环等生产方式。辊轧生产率高、零件质量好、节约金属和成本低。1辊锻用一对相向放置的扇形模具使坯料产生塑性变形，从而获得所需锻件或锻坯的锻造工艺，称为辊缎。1、辊锻的扇形模具可以从轧辊上拆装更换。辊锻生

13、产率为锤上模锻的510倍，节约金属610。各种扳手、麻花钻、柴油机连杆、涡轮叶片等都可以辊锻成形，汽车发动机曲轴和前梁都已采用辊锻制坯。2、斜轧轧辊互相倾斜配置，以相同方向旋转，轧件在轧辊的作用下反向旋转，同时还可轴向运动，即螺旋运动，这种轧制称为斜轧，亦称为螺旋轧制或横向螺旋轧制。斜轧可以生产形状呈周期性变化的毛坯或零件，如冷轧丝杠等。3、横轧轧辊轴线与轧制件轴线平行且轧辊与轧制件作相对转动的轧制方法称为横轧。横轧件内部锻造流线与零件的轮廓一致，使轧制件的力学性能较高。横轧在国内外受到高度重视，可用于齿轮的热轧生产。4辗环环形毛坯在旋转的轧辊中进行轧制的方法。环形原毛坯在主动辊与从动辊组成的

14、孔型中扩孔，壁厚减薄，内外径增大，断面形状同时也发生变化。扩孔过程中，工件、从动辊与主动辊转向相反，导向辊、控制辊与主动辊转动方向相同。辗环变形实质上属于纵轧过程，用这种方法可以生产火车轮箍、轴承座圈、法兰等环形锻件。铁路车辆的车轮现在都用辗环成形。二、挤压挤压是坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出，使之横截面积减小，长度增加，成为所需制品的加工方法。根据挤压时金属流动方向和模具运动方向的关系，挤压分为正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压等挤压生产率高、节约金属、零件力学性能好、表面粗糙度小、尺寸精度高。但变形抗力大，模具磨损严重，要求良好润滑。挤压主要适于各种截面形状的中、小型

15、实心件和空心件。 正挤压：坯料从模孔中流出部分的运动方向与凸模运动方向相同的挤压方式。该方法可以挤压各种截面形状的实心和空心件。反挤压：坯料的一部分沿着凸模与凹模之间的间隙流出，其流动方向与凸模运动方向相反的挤压方式。该方法可挤压不同截面形状的空心件。复合挤压：同时兼有正挤压、反挤压时金属流动特征的挤压称为复合挤压。径向挤压：坯料沿径向挤出的挤压方式。可成形有局部粗大凸缘、有径向齿槽及筒形件等。挤压也常根据对坯料加热温度不同分为热挤压、冷挤压及温挤压等。三、冷拔室温坯料在牵引力作用下通过模孔拉出，使之产生塑性变形而得到截面缩小、长度增加的制品的工艺。冷拔的制品有线材、棒材、异型管材等。冷拔通常

16、有冷拨和拉丝之分。常温下的冷拔称为冷拔。冷拔制品的强度高、表面质量好。对直径为0.1410.00mm的黑色金属和直径为0.0l16.00mm的有色金属的冷拔称为拉丝。四、径向锻造对轴向旋转送进的棒料或管料施加径向脉冲打击力，锻成沿轴向具有不同横截面制件的工艺方法。径向锻造所需的变形力和变形功很小，脉冲打击使金属内外摩擦降低，变形均匀，对提高金属的塑性十分有利。径向锻造可采用热锻(温度为900l000)、温锻(温度为200700)和冷锻三种方式。径向锻造可锻造圆形、方形、多边形的台阶铀和内孔复杂或内孔直径很小而长度较长的空心轴。金属塑性成形方法的比较每种银压方法均有其工艺特点和适用范围。选择锻压

17、方法时必须对各种缎压方法进行比较，在满足零件的质量要求(形状、尺寸精度、力学性能、物理性能、化学性能等)和考虑零件的锻造性能(零件材料的锻造性、零件形状的复杂程度、壁厚差、不加工壁的最小尺寸和孔径等)的前提下，根据生产批量的大小、工厂设备、技术水平实际情况，结合各种锻压方法的工艺特点，选择工艺简便、质量稳定、生产率高、生产周期短和成本最低的锻造方法。铸造：沙铸、精铸、压铸.锻打：热锻、冷锻.，自由锻、模子锻.冲压：拉深、折弯、胀形.电加工：电解、电铸.塑料制品的成形工艺 模压成形：Ø 将塑料原料放入成型模加热熔化，加压，使塑料充满整个型腔，同时发生交联反应而固化。 模压成型主要用于热

18、固性塑料，适用于形状复杂或带有复杂嵌件的制品，但生产率低、模具成本较高。 注射成型：Ø 将塑料原料在注射机料筒内加热熔化，通过推杆或螺杆向前推压至喷嘴，迅速注入封闭模具内，冷却后即得塑料制品。 主要用于热塑性塑料。能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品。 挤出成型： 将原料在料筒中加热至流动状态，同时通过螺杆向前推压至机头，通过不同形状和结构的口模连续挤出，获得不同形状的型材，如管、棒、带、丝、板等。 挤出成形的生产效率高，可自动化连续生产，一般使用热塑性塑料作原料。 吹塑成形：Ø 熔融态的塑料陪坯通过挤出机或注射机挤出后，置于模具内，用压缩空气将此坯料吹胀，使其

19、紧贴模内壁成型而获得中空制品。真空成形（吸塑成形）：Ø 将热塑性塑料板（片）材置于模具上，四周加紧并加热；待塑料进入高弹态后，对模腔抽真空，使板材在大气压作用下紧贴模腔内壁，冷却后硬化成形。 浇注成形：又称浇溯法，根据浇注方式的差异可分为静态铸型、嵌铸型和离心铸型等。 在液态树脂中加入适量固化剂，然后浇入模具型腔中，在常压或低压及常温或适当加热条件下固化成型。此法主要用于生产大型制品，设备简单，但生产率低。橡胶的组分 橡胶是以生胶为主要成分，添加各种配合剂和增强材料制成的。1、生 胶 生胶是指无配合剂、未经硫化的橡胶。按原料来源有天然橡胶和合成橡胶。2、配合剂 用来改善橡胶的某些性能

20、。常用配合剂有硫化剂、硫化促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、防老化剂、着色剂等。 硫化剂: 用来使生胶的结构由线型转变为交联体型结构，从而具有一定强度、韧性、高弹性。常用硫化剂有硫磺和含硫化合物，有机过氧化物，胺类化合物、树脂类化合物、金属氧化物等。 硫化促进剂: 缩短硫化时间，降低硫化温度，改善橡胶性能。 常用促进剂有二硫化氨基甲酸盐、黄原酸盐类、噻唑类、硫脲类和部分醛类及醛胺类等有机物。 活化剂：用来提高促进剂的作用。 常用活化剂有氧化锌、氧化镁、硬酯酸等。 填充剂： 用来提高橡胶的强度、改善工艺性能和降低成本。用于提高性能的填充剂称为补强剂，如炭黑、二氧化硅、氧化锌、氧化镁等；另外还有用于

21、降低成本的填充剂，如滑石粉、硫酸钡等。 增塑剂： 用来增加橡胶的塑性和柔韧性。常用增塑剂有石油系列、煤油系列和松焦油系列增塑剂。 防老剂：用来防止或延缓橡胶老化。 主要有石蜡、胺类和酚类防老剂。 橡胶的制备及成形 A、硫 化 B、聚异戊二烯的硫化反应混 合生胶流动温度高、粘度大，它与各种配合剂的混合，需要通过塑炼和混炼来实现。1） 塑 炼： 强迫生胶反复通过两个转速不同的滚筒之间的间隙，使之在强剪切力作用下长分子链被切断，相对分子量减小，从而流动性增加（即塑性增加）的工艺过程。 塑炼一般在螺杆式塑炼机或两辊式塑炼机上进行。2） 混 炼： 将塑炼后的生胶和配合剂混合均匀的过程。混炼的加料顺序是：塑炼胶、防老剂、填充剂、增塑剂、硫化剂及硫化促进剂等。混炼时要注意严格控制温度和时间。 常用的混炼机有密炼机和开炼机，通常联合使用。成 形 大多数橡胶制品都是被加热到硫化温度以上