机械工程材料成型及工艺10

第10章(金属)压力加工本次课的内容前言压力加工基础理论常用锻造方法（自由锻造）自由锻零件结构的工艺性前言利用外力使金属产生塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法称为金属压力加工。压力加工的种类有：

轧制、拉拔、挤压、锻造、板料冲压

压力加工的特点与铸造相比，压力加工的特点是：1.金属铸锭经塑性变形后，金属的各种力学性能得到提高；2.冲压件又具有重量轻、精度高、刚性好等优点；3.对于形状复杂、尤其是内腔形状复杂的零件，从制造工艺上锻件远不及铸件容易实现；4.锻件的成本比铸件高，材料利用率等方面也不如铸件；5.然而，从锻件力学性能的提高，锻造流线更加与受力条件相适应，在同样受力条件下，零件的几何尺寸可以缩小的角度看，又可以大大降低原材料的使用量，延长零件的使用寿命，节约金属。●

金属塑性变形理论，对于单晶体是由于金属原子某晶面两侧受切应力作用产生相对滑移，或晶体的部分晶格相对于某晶面沿一定方向发生切变，即滑移理论和孪生理论。

热加工后组织性能变化：⒈粗大晶粒被击碎成细晶粒组织，改善了机械性能。⒉铸态组织中的疏松、气孔经热塑变形后被压实或焊合。⒊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（流线）。

压力加工基础理论

变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工中常用锻造比y来表示变形程度。拔长时锻造比y拔=A0/A纤维组织很稳定，不能（难以）用热处理方法来消除。只有经过锻压来改变其方向、形状。在设计和制造零件时，应使最大正应力的方向于纤维方向重合，最大切应力的方向于纤维方向垂直。尽量使纤维组织不被切断。金属的塑性变形规律

1．体积不变条件

由于塑性变形时金属密度的变化很小，所以可认为变形前后的体积相等。此假设称为体积不变条件。

2．最小阻力定律

最小阻力定律是描述塑性变形流动规律的一种理论，如果物体在变形过程中其质点有向各种方向移动的可能性时，则物体各质点将向着阻力最小的方向移动。一般，金属内某一质点流动阻力最小的方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向。金属的可锻性●金属的可锻性：材料经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。●可锻性的衡量：塑性（断面收缩率ψ，伸长率δ），变形抗力。塑性好，变形抗力小则可锻性好。●可锻性取决于：金属本质和加工条件。一、、金金属属的的本本质质⒈化化学学成成分分的的影影响响纯金金属属的的可可锻锻性性比比合合金金好好；；有有些些元元素素可可使使可可锻锻性性显显著著下下降降（（如如铬铬，，钨钨，，钒钒等等））。。钢钢的的含含碳碳量量越越低低，，可可锻锻性性越越好好，，⒉金属属组组织织的的影影响响＊组织织不不同同，，可可锻锻性性有有很很大大差差异异；；＊纯金金属属、、固固溶溶体体（（如如奥奥氏氏体体））可可锻锻性性好好；；碳化化物物可可锻锻性性差差；；＊铸态态柱柱状状组组织织和和粗粗晶晶粒粒不不如如晶晶粒粒细细小小均均匀匀。。二、、加加工工条条件件⒈变变形形温温度度的的影影响响＊温度度↑↑→→原原子子的的运运动动能能力力↑↑→→容容易易滑滑移移→→塑塑性性↑↑→→变形形抗抗力力↓↓→→可可锻锻性性改改善善.过热热：：超过一定定温度，，晶粒急急剧长大大，锻造造性能↓↓，机械性能能↓。已已过热工工件可通通过锻造造，控制制冷却速度，，热处理理，使晶晶粒细化化。过烧：接近材料料熔化温温度，晶晶间的低低熔点物物质开始始熔化，且晶晶界上形形成氧化化层。金金属失去去锻造性性能，一击击便碎，，无法挽挽回。＊锻造造温度：：始锻温度度：碳钢比AE线低低200C°左左右终锻温度度：800C°过过低难于于锻造，，若强行锻造造，将导导致锻件件破裂报废。⒉变形速速度的影影响变形速度度--单单位时间间的变形形程度＊变形速度度u=dε/dtεε—变变形程度度＊变形速度度u↑⒊应力状状态影响响三向应力力中，压压力应力力数目愈愈多，则则塑性越越好。塑性↓.变形抗力力↑热能↑→塑性↑，变形抗抗力↓常用锻造造方法一、自由由锻＊自由锻是是利用冲冲击力或或压力使使金属在在上、下下两个砧铁之间变变形。从从而获得得所需形形状及尺尺寸的锻锻件。在重型机机械中，，自由锻锻是生产产大型锻锻件和特特大型锻件唯一一成型的的方法。。＊金属沿变变形方向向可以自自由流动动，不受受限制。。＊自由锻设设备：锻锤依靠冲击击力使金金属变形形，只能能锻造中中小锻件件。液压机：：依靠静压压力使金金属变形形，可加加工大型型锻件。。其中水压机机可产生生很大作作用力，，是重型型机械厂厂锻造生产的的主要设设备。自由锻工工序⑴基本本工序镦粗：适适于饼块块类，盘盘套类拔长：适适于轴类类、杆类类拔长、镦镦粗经常常交替反反复使用用。有时一一头镦镦粗，，另一一头拔拔长。。（通孔孔、盲盲孔））冲孔孔，常常用方方法：：镦粗粗—冲冲孔镦粗——冲孔孔—扩扩孔弯曲：：工件件轴线线产生生一定定曲率率。扭转：：某一一部分分相对对于另另一部部分转转一定定角度度。错移：：坯料料的一一部分分相对对于另另一部部分平平移错开的的工序序，例例如曲曲轴。。切割：：分割割坯料料，或或去除除锻件件余量量的工工序。。⑵辅辅助工工序：：在基本本工序序之前前的预预变形形工序序如压压肩、、压钳钳口等等。⑶精精整工工序：：完成基基本工工序之之后，，用以以提高高锻件件尺寸寸和形形状精精度的的工序序。二、模模锻（简单单介绍绍）＊在压力力或冲冲击力力作用用下，，金属属坯料料在锻锻模模模膛内内变形，，从而而获得得锻件件的工工艺方方法。。此法法生产产的锻锻件尺寸精精确、、加工工余量量较小小，结结构也也可较较复杂杂，生生产率高。。＊按使用用设备备不同同分为为：锤锤上模模锻、、胎模模锻等等。⒈锤上上模锻锻＊锤上模模锻所所用设设备为为模锻锻锤。。通常常为蒸蒸气-空气气锤。对对形状状复杂杂锻件件，先先在制制坯模模膛内内初步步成形，然然后在在模锻锻模膛膛内锻锻造。。⑴模模锻模模膛i)终终锻模模膛—作用用：使使坯料料最后后变形形到锻锻件所所要求求的形形状、、尺寸寸。—尺寸寸比锻锻件尺尺寸放放大一一个收收缩量量，钢钢件约约为1.5%。。—四周周有飞飞边槽槽，用用以增增加金金属从从模膛膛中流流出阻阻力，，促使金属属充满满模膛膛，容容纳多多余的的金属属。—冲孔孔连皮皮：无无法加加工通通孔而而留下下的一一薄层层金属属。ii)预预锻模模膛—作用用：使使坯料料变形形到接接近于于锻件件的形形状尺尺寸，，使终终锻时，金金属容容易充充满终终锻模模膛。。延长长终锻锻模膛膛的使使用寿寿命。。—批量量不大大，形形状简简单时时可不不设预预锻模模膛。。—区别别：预预锻模模膛的的圆角角、斜斜度较较大，，没有有飞边边槽。。终锻模模膛的的圆角角、斜斜度较较小，，有飞飞边槽槽。⑵制制坯模模膛＊对形状状复杂杂的模模锻件件,为为使坯坯料形形状基基本接接近模模锻件件形状状,使使金属属能合合理分分布和和很好好地充充满模模锻模模膛，，就必必须预预先在在制坯坯模镗镗内制制坯，，因而而设制制坯模模膛。。i)拔拔长长模膛膛增增加加某一一部分分长度度。ii)滚压压模膛膛减减小小某部部分横横截面面积,以增增大另另一部部分横横截面面积，，坯料料长度度基本本不变。。iii)弯弯曲模模膛弯弯曲曲工件件。iv)切断断模膛膛切切断断金属属。此外还还有成成型模模镗，，镦粗粗台，，击扁面面等制制坯模模镗。。锻造工工艺规规程的的制订订（自学学）一、绘绘制锻锻件图图绘制锻锻件图图是以以零件件图为为基础础，结合锻锻造工工艺特特点绘绘制而而成的的。⒈敷料料、余余量及及公差差＊敷料：：为简简化零零件的的形状状和结结构，，便于于锻造而而增加加的一一部分分金属属为敷敷料。。＊余量：：零件件表面面为切切削加加工而而增加加的尺尺寸称余余量。。＊锻件公差：：是锻件名名义尺寸的的允许变动动量。查表表而定。。＊自由锻锻锻件图：：图2-25⒉分模面面＊分模面：：上下模模锻在模模锻件上上的分界界面，关关系到锻件件成型，，锻件出出模，材材料利用率，锻锻模加工工等一系系列问题题。＊选分模面面原则：：1)应保保证模锻锻件能从从模腔中中取出来来。图3-26a-a2)应使使上、下下两模沿沿分模面面的模腔腔轮廓一一致。图3-26b-b3)分模模面应选选在能使使模腔深深度最浅浅的位置置上。图3-26b-b4)使敷敷料最少少。5)分模模面最好好是一个个平面。。图3-26中中d-d面最合合理。⒊模锻斜斜度＊模锻件上上平行于于锤击方方向（垂垂直于分分模面））的表面必须有有斜度，，以便取取出锻件件。模锻斜度度与模镗镗深度和和宽度有有关。内侧斜度度比外侧侧稍大些些。图3-27模锻锻斜度⒋模锻圆圆角半径径＊所有交角角均做成成圆角，，可以易易于充满满模膛，，避免尖角处产产生裂纹纹，减缓缓锻件外外尖角处处的磨损损。＊锻件内圆圆角R，，锻件外外圆角r见图。。图3-28圆圆角半半径＊圆角半径径为1，，1.5，2，，3，4，5，，6，8，10，12，15，20等标准准值。⒌冲孔连连皮＊孔径大于于25mm,该孔应应锻出；；孔径为为25~80时,冲孔孔连皮厚厚度取4~8mm。＊孔径小于于25mm或孔深大大于冲头头直径3倍时,只压出出凹穴。。图3-29二、坯料料重量和和尺寸的的确定＊坯料重量量G坯G坯=G锻+G烧损损+G料料头式中：G锻—锻锻件重量量G烧损——坯料因因加热氧氧化而烧烧损G料头——在锻造造过程中中被冲掉掉或被切掉的金金属＊锻造比对于以钢钢锭为坯坯料时,并采用用拔长时时,锻造造比不小于2.5~3。轧材为为坯料时时，锻造造比可取取1.3~1.5。三、锻造造工序（（工步））的确定定＊自由锻、、按P98表3-1定定＊模锻—长轴：：常用拔拔长、滚滚压、弯弯曲、预预锻、终终锻等，，小型长轴轴常采用用一根棒棒料锻几几个锻件件，模锻件采采用周期期轧制材材料作坯坯料时可省去拔拔长滚压压等工步步。图3-30图3-31用用轧制坯坯料模锻锻—短轴：：常用镦镦粗、预预锻、终终锻等。。图3-32四、锻造造工艺规规程中的的其它内内容＊始锻温度度和终煅煅温度(P95图3-8)＊加热规范范、冷却却规范、、对高合合金钢尤尤为重要要，以防因热热应力引引起变形形或开裂裂。锻件结构构的工艺艺性（重点））一、自由由锻件的的结构工工艺性自由锻件件不要有有锥体，，或斜面面结构图图3-33轴轴类锻件件结构几何体的的交接处处不应形形成空间间曲线图图3-34杆杆类锻件件结构自由锻件件上不应应设计出出加强筋、、凸台、、工字形形截面或空空间曲线线形表面面图3-35盘盘类锻件件结构自由锻件件横截面面若有急急剧变化或形状状较复杂杂时，应应设计成有几个个简单件件构成的的组合体，再焊焊接或机机械连接接方法连接。图3-36复杂件结结构第三节板料冲压压＊板料冲冲压又叫叫冷冲，，但δ>8～10mm时用热热冲＊特点：：(1)可可冲形状状复杂的的零件，，且废料料少。(2)高高精度，，低粗糙糙度，零零件互换换性好。。(3)重重量轻，，耗材少少，强度度刚度较较好。(4)操操作简单单，生产产率高。。＊常用的的材料：：低碳钢、、铜合金金、铝合合金等塑塑性好的的材料。。＊常用设设备：：剪床床和冲床床。＊基本工工序：：1、分离离工序2、变形形工序。。一、落料料及冲孔孔（统称称冲裁））＊落料———落下部部分为成成品。＊冲孔———落下部部分为废废品。1、冲裁裁变形过过程(1)弹弹性变形形阶段§3.1分离工工序(2)塑塑性变形形阶段板料中的的应力值值达到屈屈服极限限，板料料金属产产生塑性性变形，，产生硬硬化，凹凹凸模刃刃口处硬硬化加剧剧，出现现裂纹。。(3)断裂分离离阶段上下裂缝缝重合，，板料分分离。分离面的的质量主主要和下下列有关关：a.间隙隙有关b.刃口口锋利c.模具具有关d.材料料有关e.板板厚有关关……2、凹凸凸模间隙隙间隙影响响：断面面质量，，模具寿寿命，卸卸料力，，推件力力，冲裁裁力，工工件尺寸寸精度间隙过大大：裂缝缝错开，，边缘粗粗糙。卸卸料力，，推件力力小。间隙过小小：上下下裂缝错错开，边边缘粗糙糙。磨损损严重。。间隙可按按下式计计算:c=mδδδ---板料厚厚度。m----系数数。3、凹凸凸模刃口口尺寸的的确定落料—以以凹模刃刃口尺寸寸作为基基准，根根据间隙隙的大小小确定凸凸模尺寸寸。（凹凹模尺寸寸等于零零件的尺尺寸）冲孔—以凸模为为基准，，有间隙隙确定凹凹模的尺尺寸，即即凸模尺尺寸同零零件尺寸寸。考虑磨损损：落落料凹凹模尺寸寸靠近零零件公差差范围内内的最小小尺寸冲孔凸凸模尺寸寸靠近零零件公差差范围内内的最大大尺寸4、冲裁裁件的排排样排样应使使废料最最少。排排料有‘‘无搭边边和有搭搭边’两两种类型型。noticea、前三图图是“有有搭边””优点是是毛刺小小，且在在同一平平面上，，尺寸准准确。b、D图“无搭搭边”毛毛刺不在在同一平平面上。。尺寸不不易准确确。二、修整整修整———沿外缘缘或内孔孔刮削一一层金属属。机理理与切削削相似，，与冲裁不不同。精度———IT6～IT7，，粗糙度度Ra0.8～1.6。。修整量———单单边修整整量一般般为板厚厚δ的10%，，小间隙隙冲裁件件为δ的8%修整整量较多多时，或或板厚δδ>3mm，均均需要多次修修整。模具间隙隙——单单边取0.001～0.01mm.也也可为负负间隙。。三、切断断切断——是指用剪剪刃或冲模将将板料沿沿不封闭的的轮廓进进行分离的的工序。。一、拉深深1、拉深深过程底部金属属一般不不变性，，只起传传递拉力力作用，，厚度基基本不变变，坯料料外径D与内径径d之间间的环形形部分金金属切向向受压应应力的作作用,形形成拉深深件的直直壁，直直壁的厚厚度有所所减少。。§3.2变变形形工工序序2．拉拉深深中中的的废废品品拉深深件件主主要要受受拉拉应应力力，，应应力力超超过过强强度度极极限限时时出出现现废废品品，，最最危危险险处处是是直直壁壁和和园园角角的的过过渡渡处处。。拉穿现现象与与下列列现象象有关关：(1)凸凹凹模的的园角角半径径有关关，对对钢件件取r凹=10δ，，r凸=（0.6～1）r凹。(2)凹凸凸模的的间隙隙:拉拉深的的间隙隙较大大，一一般取取单边边间隙隙C=(1.1～1.2)δδ。间隙过过小：：摩擦擦力大大，易易拉穿穿工件件、擦擦伤表表面模具寿寿命低低。间隙过过大：：易使使工件件起皱皱。(3)拉深深系数数mm=d/Dm越小小，越越易产产生废废品，，一般般取m=0.5～0.8，塑塑性好取下下限0.5，塑塑性差差取上上限0.8拉深系系数过过小，，应分分多次次拉深深，每每一两两次中中间安安排退火，，以消消除加加工硬硬化，，多次次拉深深时m应渐渐增，，使m=m1×m2×m3………(4)润滑滑可减少少摩擦擦、降降低拉拉应力力和减减少模模具的的磨损损。(5)拉深深的另另一种种缺陷陷是起起皱，，可用用压边边解决决。3.旋旋压