工程材料及其成形技术基础课件课件

1、1第八章 塑性加工2n概 述n8. 1金属的塑性变形n82锻造成形n83板料冲压成形n84挤压、轧制、拉拔成形n85塑性加工零件的结构工艺性本章内容3概 述n塑性加工n利用被加工材料的塑性，通过外力作用改变坯料的形状和性能，获得毛坯、零件的工艺方法。n分类n锻造n1自由锻造 n2模型锻造n3胎模锻造 n板料冲压n其它4n特点1、改善金属内部组织2、节省金属3、生产率高4、适应性广 应用1、各类机械中受力复杂的重要零件2、据统计在飞机制造工业中，锻压件数量占其总量的85；在汽车、拖拉机工业中占(6080)；电器、仪表及生活用品中的金属制件，绝大多数都是冲压件。5 8.1 金属的塑性变形n金属材料

2、多为是多晶体结构，它是由许多单晶体所组成。n要了解实际金属的多晶体塑性变形的实质，首先必须掌握单晶体的塑性变形机理。 68.1.1 单晶体的塑性变形1、单晶体的塑性变形单晶体原子排列方式完全一致单晶体塑性变形的主要基本方式:1）滑移 晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面产生相对移动的现象 滑移要点:n只能在切应力的作用下发生7n滑移沿着原子排列紧密的面(即滑移面)进行n滑移距离为一个或数个原子间距89n滑移是位错运动的结果2)孪晶10 2、多晶体的塑性变形n多晶体n塑性变形可以看成是组成多晶体的许多单晶体产生塑性变形的综合效果n变形方式如单晶体塑性变形方式，主要为滑移11n多晶体的塑性变形比单

3、晶体复杂n晶界的影响n晶粒位向的影响128.1.2 塑性变形对金属组织和性能的影响1、锻造比y表示金属变形程度的大小n一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示例：n镦粗 y =H0Hn拔长 y = F0F132、产生“冷变形强化”n提高强度、硬度和耐磨性的重要手段之一n特别对于那些不能用热处理方法强化的纯金属及某些合金尤为重要n对进一步加工带来困难n金属的物化性能发生变化n如电阻率增加和耐蚀性降低等143、组织的影响n铸造缺陷压合n碎晶及晶格畸变n形成织构现象呈现各向异性不利方面 引起变形不均匀， 产生“制耳”现象15有利方面如板料冲压中的弯曲，应使弯曲线与流线方向垂直，以保证减少裂纹产生的

4、倾向在制作变压器铁芯的硅钢片时，有意使特定的晶面和晶向平行于磁力线方向，可使导磁率显著提高，减小磁滞损耗，大大提高效率164、存余残余内应力n降低工件的承载能力n随着时间的延长，应力释放，引起零件的尺寸和形状的变化n降低工件的耐腐蚀性178.1.3 冷变形金属在加热时的组织转变n对塑性变形后的金属加热，随着温度的升高，其组织和性能将发生回复、再结晶和晶粒长大的变化过程。181、回复n回复现象 加热温度较低时，金属晶粒大小和形状并不发生明显变化，故强度、硬度和塑性等性能变化不大的现象n原因n金属原子的活动能力较低，金属内部只有点缺陷、位错等作微量的迁移，从而使点缺陷和位错的数量减少，晶格畸变程度

5、降低，残余内应力部分消除。n实际运用n例如，用冷拔钢丝冷卷成弹簧后，常采用低温退火，保持冷变形强化的特征，又降低了残余内应力，减少脆性192、再结晶n再结晶现象n加热到较高温度时，是晶粒的形状发生了变化，性能发生明显的变化，如强度、硬度显著降低，塑性、韧性明显提高，残余内应力基本消除，金属恢复到变形前的性能。n再结晶过程n形成晶核n晶核长大20n原因n金属具有较强的原子扩散能力。会在原塑性变形最激烈的区域自发地形成许多新的细小的等轴晶粒，代替原变形晶粒n再结晶温度n指开始发生再结晶的最低温度 T再0.4T熔n实际运用n在多次冷轧钢板的生产中，安排中间退火，以恢复塑性，利于后道冷轧工序213、晶

6、粒长大n继续升高温度或延长保温时间，则再结晶晶粒将聚集长大，形成粗大的晶粒，此时金属的力学性能显著降低224、热变形和冷变形n热变形n在再结晶温度以上的塑性变形n塑性高，变形抗力小，且形变强化迅速被再结晶代替，具有再结晶组织和性能n易发生表面氧化、表面质量不高的现象n常用于截面尺寸较大，变形量较大，或硬度高、脆性大的金属制品或坯料中n冷变形n在再结晶温度以下的塑性变形n常用于表面质量要求高，变形量小，硬度、强度低的金属制品或坯料中。238.1.4 塑性加工性能及影响因素1、塑性加工性能及其指标定义：材料塑性成形的难易程度。n衡量标准n材料塑性n表现了材料塑性变形的能力，是变形的依据。n变形抗力

7、n加工时，作用在工具表面上的变形力。反映了塑性变形的难易程度。242、影响因素1）合金的本质（1）化学成分的影响n碳及杂质元素n碳n杂质（S、P、N、H、O）n合金元素的影响n加入合金元素，会造成：n晶体原子畸变n产生硬而脆的化合物n生成多相组织n形成氧化物、硫化物杂质n影响晶粒长大n含量越高，塑性加工性能越差。25（2）组织的影响n单相组织n多相组织、金属化合物n晶粒细化n铸造组织2）加工条件（1）变形温度的影响n一般加热可提高锻造性n原子动能大，原子引力减小，易滑移。n有利于回复和再结晶过程。n加热应在一定范围内，超过会产生：n过热n过烧26（2）变形速度的影响n变形速度：单位时间内的变形

8、程度。n影响复杂n产生冷变形强化n变形消耗能量转变为热能，产生温度效应（3）应力状态的影响 实验证明三个方向中，压应力数目越多，金属塑性越好。但变形抗力越大27283）其它因素的影响n毛坯表面状况n表面粗糙、划痕、微裂纹会引起应力集中，金属塑性下降。n润滑条件n环境条件29 8.2 锻造方法 手工自由锻 自由锻 锤上自由锻 机器自由锻 液压机上自由锻 锻造 胎模锻 锤上模锻 模锻 压力机上模锻 平锻机上模锻 摩擦压力机上模锻 308.2.1 自由锻（1）自由锻设备n空气锤n蒸汽空气自由锻锤n水压机（2）特点n灵活性、通用性强；n尺寸误差大；n生产效率低；n适用于单件、小批及大型锻件。31（3）

9、自由锻生产锻件的典型结构及其锻造工序328.2.2模锻n概念 利用模具使锻坯变形而获得锻件的锻造方法。n特点n能锻出形状较复杂、精度较高、表面粗造度较低的锻件；n能提高生产率及改善劳动条件；n模锻设备及模具造价贵，消耗能量高；n只适用于中、小型锻件。 33模锻的设备锤上模锻 曲柄压力机上模锻 平锻机上模锻摩擦压力机上模锻1、锤上模锻 341）锻模结构 锻模由带模膛的上、下模块及紧固件等组成。上、下模块的尾部做成燕尾形，用楔铁分别紧固在锤头及模垫上。2）模膛分类模锻模膛制坯模膛预锻模膛终锻模膛 拔长模膛滚压模膛 弯曲模膛 切断模膛模段模膛制坯模膛35终锻模膛特点:形状同锻件，尺寸放大一个收缩量通

10、孔锻件留有冲孔连皮分模面四周设有飞边槽飞边槽作用 :阻流:飞边槽内金属先冷 却，阻止金属外 流，有利于充满模 膛容纳余的金属363） 模锻工艺规程的制订模锻工艺规程内容包括： 根据零件图绘制锻件图； 计算坯料的质量和尺寸； 确定模锻工序； 选择锻压设备； 确定锻造温度范围、加热和冷却规范； 确定锻后热处理规范； 提出锻件的技术条件和检验要求； 填写工艺卡片。37绘制锻件图(1)选择分模面应选在最大截面。应保证其上、下模膛的轮廓相同。分模面选在能使模膛深度最浅的位置处。应选在敷料较小的地方。分模面应尽可能采用直线分模，上下模膛的深度基本一致，便于制造锻模。38(2)确定加工余量和锻造公差n 加工

11、余量一般为14mm， 极限偏差一般取0.33mm。n确定方法按照锻锤的吨位确定；按照零件的形状尺寸和锻件的精度等级确定。(3)确定冲孔连皮 孔径d25mm且深度h2d的孔时，此孔应锻出。 孔径d 25mm或孔深h3d时 ，只在冲孔处压出凹坑。 分类：平底连皮 斜底连皮 39(4)确定模锻斜度和圆角半径模锻斜度n定义：为了使锻件易于从模膛中取出，锻件与模膛侧壁接触部分需带一定斜度。n 外壁斜度 取5或7 内壁斜度 取相应的外壁斜度大一级。 圆角半径： 定义：为了使金属在模膛内易于流动，防止应力集中，模锻件上的两表面相交处都应有适当的圆角过渡。 外圆角半径r 取1.512mm； 内圆角半径R 比外

12、圆角半径大2 3倍。40绘制模锻件图n上述各参数确定后便可绘制模锻件的锻件图，绘制方法：n以零件图为基础；n以粗实线表示锻件的形状；n用双点划线表示零件的形状；n标注模锻件尺寸。41计算毛坯质量和尺寸（1）毛坯质量 模锻件毛坯质量的计算比自由锻件要求更为准确。可按下式计算： m坯=m锻+m飞+m烧 式中 m坯 毛坯质量； m锻 模锻件质量； m飞飞边质量，取锻件质量的20-25； m烧 毛坯加热时烧损的金属质量，取锻件与飞边质量之和的34。42（2）毛坯尺寸 毛坯的质量可以算出其体积V坯； 再考虑变形方式、模膛种类等因素来确定毛坯的截面尺寸。 确定毛坯长度尺寸。 对于变形方式主要为镦粗的盘类零

13、件，可按下式计算圆钢毛坯的直径和长度： m毛坯的高径比，一般取12525。43确定模锻工序包括三种类型的工步：n模锻工步(包括预锻和终锻)n制坯工步(包括镦粗、拔长、滚挤、卡压、成形、弯曲等制坯工步)n切断修整工步(包括切断、切边、冲孔、校正、精压等)。(1)圆饼类锻件 一般使用镦粗制坯，形状较复杂的采用成形镦粗制坯。 (2)长轴类锻件 由拔长、滚挤、弯曲、卡压、成形等制坯工步组成。444） 特点 锤上模锻具有工艺适应性广的特点，但其在工作中存在震动和噪音大，劳动条件差，蒸汽效率低，能源消耗多等难以克服的缺点。 452、曲柄压力机上模锻 （1）无震动，噪音小 （2）工作时滑块行程不变 （3）能

14、保证上下模腔对准 （4）能自动顶出锻件463、摩擦压力机上模锻特点：n（1）工作过程中速度为0.51mm/s。使坯料变形具有一定的冲击作用，且滑块行程可控。 （2）变形抗力由机架承受 （3）有顶件装置，取件容易 474、平锻机上模锻n平锻机的主要结构与曲柄压力机相同，因滑块做水平运动，故称平锻机。 488.2.3胎模锻 是在自由锻设备上使用可移动的简单模具（称胎模）生产锻件的一种方法。49胎模锻特点: 与自由锻相比： 优点： 1)锻件形状较准确，尺寸精度高，操作简便、生产率高 2)力学性能较高胎模锻与模锻相比： 优点： 1)设备价廉（采用自由锻设备） 2)胎模锻锻造工艺操作灵活，可以局部成形，

15、能用较小设备制出较大模锻件 3)胎模结构简单，节约模具用钢，且周期短、成本低但胎模锻件尺寸精度不如锤上模锻件高，工人劳动强度大、胎模易损坏，生产率低。 胎模锻是模锻与自由锻的联合，在中小批生产中被广泛使用。 50 8.3 板料冲压成形板料冲压 利用冲模使板料分离或变形，从而制成所需要的形状和尺寸制件的方法。n冷冲压 板厚8-10mmn热冲压 板厚8-10mm51 板料冲压的特点n可以冲压出形状复杂的零件，废料较少。n产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性能好。n能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件。n冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，生产率很高，故零件成本低。n噪音大

16、，手工操作易发生事故。n模具价格昂贵，生产周期长。n一般只适合于大批大量生产。52 冲压基本工序 变形工序变形工序落 料冲 孔弯 曲拉 深翻 边胀 形精 密 冲 裁分离工序分离工序冲 裁切 断整 修旋 压538.3.1分离工序1、冲裁（1）落料与冲孔n落料:是用冲裁取得一定外形的制件或坯料的方法。n冲孔:是使坯料从封闭的轮廓分离开来得到带孔制件的方法。（2）冲裁过程54（3）冲裁的变形过程 弹性变形阶段 塑性变形阶段 断裂分离阶段（4）冲裁的质量控制 冲裁件的断面组成： 圆角带圆角带：刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形。光亮带光亮带：塑性剪切变形。质量最好的区域。断裂带断裂带：裂纹形成及扩展。5

17、5间隙正常、刃口锋利情况下，冲裁变形过程可分为三个阶段： 冲裁变形过程(1)弹性变形阶段弹性变形阶段 变形区内部材料应力小于屈服应力 。(2)塑性变形阶段塑性变形阶段 变形区内部材料应力大于屈服应力。 凸、凹模间隙存在，变形复杂，并非纯塑性剪切变形，还伴随有弯曲、拉伸，凸、凹模有压缩等变形。 (3)断裂分离阶段断裂分离阶段 变形区内部材料应力大于强度极限。裂纹首先产生在凹模刃口附近的侧面凸模刃口附近的侧面上、下裂纹扩展相遇材料分离 56断面质量影响因素n凸凹模间隙n刃口锋利程度 n模具结构n模具材料n板材的材料及厚度(5)凸凹模刃口尺寸的确定凸模刃口尺寸凹模刃口尺寸落料模D凸=D凹-ZD凹=D

18、工冲孔模D凸= D工D凹= D凸+Z57第二章 冲裁工艺与冲裁模设计落料冲孔复合模1-下模板 2-卸料螺钉 3-导柱 4-固定板 5-橡胶 6-导料销 7-落料凹模 8-推件块 9-固定板 10-导套 11-垫板 12、20-销钉 13-上模板 14-模柄 15-打杆 16、21-螺钉 17-冲孔凸模 18-凸凹模 19-卸料板 22-挡料销 582、修整用整修模将落料件的外缘或冲孔件的內缘刮去一层簿的切削，以切去冲截面上的粗糙层，并提高尺寸精度3、切断用剪刃或冲模将板料沿不封闭的轮廓进行分离的工序。 4、橡皮冲裁是利用橡皮作用通过凸凹模进行冲裁的方法。598.3.2成形工序1、拉深 1）概念 利用模具使冲裁后得到的平板毛坯或浅的开口中空件变成开口中空件或深的开口中空件的工序。 60n 2）变形过程分析 a、筒底部分的金属 ( 厚度基本保持不变) b、外部坯料 径向尺寸变大，受拉应力。 周向尺寸变小，受压应