第4章 压力加工

第4章压力加工

压力加工基础知识4.1塑性成形理论基础

4.2锻造

4.3板料冲压

4.4压力加工件的结构工艺性4.54.1压力加工基础知识

4.1.1压力加工的分类（1）轧制。轧制是金属坯料在两个回转轧辊的缝隙中受压变形，以获得各种产品的加工方法。生产时，依靠摩擦力的作用，坯料连续通过轧辊间隙而受压变形。轧制常用于生产各种型材，如圆钢、方钢、角钢、铁轨等。（2）挤压。挤压是金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形，通过挤压作用将坯料挤成规则的形状。（3）拉拔。拉拔是将坯料在牵引力作用下通过模孔拉出，使之产生塑性变形而使之截面缩小、长度增加的工艺。（4）锻造。铸造是在锻压设备及工（模）具的作用下，使坯料或铸锭产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。锻造包括自由锻和模锻两种形式，前者在砧座间自由成形，如图4-7所示；后者在模膛内填充成形。（5）冲压。冲压是金属板料在冲模之间受压产生分离或成形的方法，通常用于在冷态下对薄板进行加工。4.1.2压力加工的特点和应用（1）压力加工件性能优良。金属坯料经锻造或轧制后结构致密、组织改善、性能提高。凡是受交变载荷、服役工作比较繁重的零件，通常使用压力加工方法制造毛坯。（2）材料利用率高。压力加工是金属在固体状态下体积的转移过程，它不像切削加工那样产生大量切屑，是一种无屑成形方法，可以获得合理的流线分布和较高的材料利用率。（3）零件精度较高。用压力加工生产的工件可以达到较高的精度，随着近年来先进技术和设备的使用，压力加工产品可以达到少切削或无切削的要求。例如，精密锻造的伞齿轮齿形部分的精度可达8级，可以不经切削加工直接使用。（4）生产率高。模锻、轧制、拉丝以及挤压等压力加工方法都具有较高的生产率。例如，在大型锻压设备上模锻汽车用曲轴仅需数十秒；使用自动冷锻机生产螺栓和螺母，每分钟可生产数百件。（5）固态成形。压力加工在固态下成形，相对液态成形来说更为困难，所以锻件和冲压件的形状都相对地较为简单，不像铸件具有复杂的外形、内腔和薄壁结构。4.1.3锻压安全文明操作规程

（1）操作前要穿戴好防护用品，做好防护工作。（2）车间所有的机械、电气设备、电源开关，未经允许，一律不能随意乱动。（3）两人以上共在一台设备上操作时，相互之间一定要密切配合，未做好准备工作，不能启动设备。（4）操作前要随时检查锤头、砧座及其他工具是否有裂纹或其他损坏现象。（5）手工锻时，要检查锤头是否松动，防止锤头飞出伤人。（6）非操作者不要站在离操作者太近的位置观看。（7）操作时，锤柄或钳柄都不能对着腹部。（8）不可以用手或身体的其他部位接触未冷却的金属料和锻件。（9）料头即将切断时，打击要轻，料头飞出方向不许站人。（10）坯料、工具、工件等应摆放整齐。操作结束后，应打扫干净现场。4.2塑性成形理论基础4.2.1塑性变形规律（1）最小阻力定律。塑性变形时，材料总是沿着阻力最小的方向移动，这就是最小阻力定律。（2）变形前后体积不变假设。在塑性变形过程中，假设变形前后材料的体积不变，这样可以方便在变形前计算毛坯的体积和重量4.2.2塑性变形的实质材料在外力作用下，其内部将产生内应力，在内应力的作用下，金属原子离开原来的平衡位置，使金属产生变形。当外力增大到使金属的内应力超过金属的屈服极限后，即使外力停止作用，金属的变形也不会消失，这种变形称为塑性变形。金属塑性变形的实质是晶体内部在外力作用下产生滑移和扭转，从而破坏了原来的晶格结构，晶粒之间产生“位错”现象。位错密度越大，变形越严重。4.2.3塑性变形后材料组织和性能的变化（1）晶粒沿变形方向伸长，性能趋于各向异性。例如，拔长后的材料的纵向力学性能远远优于其横向力学性能，能够承受较大的拉力作用。同样，盘类零件的横向性能优于纵向性能，能承受较大的压力作用。（2）产生加工硬化。金属塑性变形后，晶粒破碎，位错密度增加，强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。（3）产生残余内应力。塑性变形后，将在金属内部产生残余内应力，内应力释放后将导致工件变形。4.2.4纤维组织及其应用铸锭中通常都包含一定的杂质成分。铸锭在压力加工作用下产生塑性变形时，基体金属中的杂质也产生变形，并沿着变形方向拉长，呈纤维形状，称为纤维组织。

（1）尽量使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断。（2）使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致。（3）使零件所受的最大切应力与纤维方向垂直。4.2.5冷变形及热变形1．回复回复是指金属在较低温度下加热，其材料组织转变的过程。此时原子活动能力不大，故金属的晶粒大小和形状无明显变化，金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化也不大，但是足以消除工件的内应力。2．再结晶当变形金属加热至较高温度时，将形成一些位错密度很低的新晶粒，这些新晶粒不断生长，逐渐取代已变形的高位错密度的变形晶粒，这一过程称为再结晶。3．冷变形材料变形温度低于回复温度时，金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象，变形后的金属具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。4．热变形材料变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶晶粒组织，无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。4.2.6材料的可锻性1．化学成分对金属可锻性的影响纯金属的可锻性比合金好。钢中合金元素的含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。从纯铁、低碳钢到高合金钢，其可锻性依次下降。2．变形温度对金属可锻性的影响随着温度升高，原子动能升高，材料塑性提高，变形抗力减小，可锻性越好。3．变形速度对金属可锻性的影响随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，材料塑性下降、变形抗力增大，可锻性变差4．应力状态对金属可锻性的影响材料变形时，受到的压应力数量越多，其塑性越好；受到的拉应力数量越多，其塑性越差。4.3锻造4.3.1自由锻1．自由锻的应用自由锻所用工具和设备简单，通用性好，成本低。同铸造毛坯相比，自由锻消除了缩孔、缩松、气孔等缺陷，毛坯具有更高的力学性能。不过，自由锻主要依靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸，锻件形状简单、精度低，加工余量大，劳动强度大，生产率较低，主要应用于单件、小批量生产。2．自由锻基本工序（1）镦粗。①用于制造高度小而断面大的工件，如齿轮、圆盘、叶轮等。②作为冲孔前的准备工序。（2）拔长。①用于制造长而截面小的工件，如轴、拉杆、曲轴等。②制造空心零件，如套筒、圆环等。（3）弯曲。（4）错移。（5）冲孔。冲孔是在坯料上加工孔的工序。3．锻件分类及其成形方案4.3.2模型锻造1．模锻系统模锻系统由动力设备和锻模组成。常用的动力设备有空气锤、曲柄压力机、螺旋压力机、水压机等。1—踏板；2—机架；3—砧座；4—操纵杆

2．锻模上模2和下模4分别用楔铁10和楔铁7固定在锤头1和模垫5上，模垫用楔铁6固定在砧座上。9为模膛，8为分模面，3为飞边槽。工作时，上模随着锤头做上下往复运动。1—锤头；2—上模；3—飞边槽；4—下模；

5—模垫；6、7、10—楔铁；8—分模面；9—模膛3．锻件下图为锻造成形后的模锻件，其上带有飞边和冲孔连皮。1—飞边；2—分模面；3—冲孔连皮；4—锻件4．模膛种类及其功用（1）模锻模膛。预锻模膛：预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻模膛，同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模的使用寿命。终锻模膛：终锻模膛的作用是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此其形状应和锻件的形状相同。（2）制坯模膛。

拔长模膛：减小坯料某部分的横截面积，增加该部分的长度。滚压模膛：减小坯料某部分的横截面积，增大另一部分的横截面积，主要是使金属按模锻件的形状来分布。弯曲模膛：使零件产生弯曲变形。切断模膛：上模与下模组成一对刀口，用来切断金属。6．模锻工艺设计（1）选择分模面。①确保模锻件能从模膛中顺利取出，因此分模面应选在模锻件的最大截面上。②尽量使上下模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产时及时发现错模现象，并调整锻模位置。③最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处。④最好使分模面为一个平面，使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不宜过大，以便于制造锻模。（2）确定模锻件的机械加工余量、公差和敷料。

为了简化工件的形状和结构而在零件上增设的余量叫敷料。由于零件上的键槽、环形沟槽以及尺寸相差不大的台阶等结构不易锻出，通常使用敷料。

（3）确定模锻斜度。（4）确定模锻圆角半径。（5）设计冲孔连皮。（6）确定模锻工步并选择模膛种类。4.3.3胎模锻1．胎模的结构胎模的结构简单且形式较多，图示为其中一种合模，它由上、下模块组成。模块间的空腔称为模膛，模块上的导销和销孔可使上、下模膛对准，手柄供搬动模块用。1—上模块；2—手柄；3—下模块；

4—模膛；5—导销；6—销孔2．胎模锻的特点（1）与模锻相比，不需昂贵的模锻设备。（2）模具制造简单且成本较低。（3）加工精度不如模锻高，且劳动强度大、胎模寿命短、生产率低。（4）与自由锻相比，坯料最终是在胎模的模膛内成形，可以获得形状较复杂、锻造质量和生产率较高的锻件。3．胎模锻的应用胎模锻时，胎模不用固定在锤头或砧座上，可随时放在上下砥铁上进行锻造。加工时，先把下模放在下砥铁上，再把加热的坯料放在模膛内，然后合上上模，用锻锤锻打上模背部。待上、下模接触，坯料便在模膛内锻成锻件。由于胎模锻所用的设备和模具比较简单、工艺灵活多变，故在中、小工厂得到广泛应用，适合小型锻件的中、小批生产。4.4板料冲压4.4.1板料冲压的分类、特点和应用1．分类（1）冷冲压。金属在常温下的加工，一般适用于厚度小于4mm的坯料。优点为不需加热、无氧化皮、表面质量好、操作方便、费用较低；缺点是有加工硬化现象，严重时使金属失去进一步变形能力。（2）热冲压。热冲压是将金属加热到一定的温度范围的冲压加工方法。优点为可消除内应力，避免加工硬化，增加材料的塑性，降低变形抗力，减少设备的动力消耗。2．特点（1）生产率高，依靠模具设备成形，操作简便，易实现自动化。（2）可成形复杂形状的制件，而且废料少，材料利用率高。（3）制件尺寸精度高、表面质量好、互换性好，不需机加工。（4）制件强度高、刚性好、重量轻。（5）采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理。3．应用冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件；能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件，又能够制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。还可以将冲压零件使用焊接方法拼接成复杂零件。板料冲压在汽车、机械、家用电器、日常用品、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中都有广泛的应用。4.4.2冲压设备1．剪床1—电动机；2—传动轴；3—离合器；4—偏心轴；5—制动器；6—滑块；7—工作台2．压力机1—电动机；2—小带轮；3—大带轮；4—小齿轮；5—大齿轮；6—离合器；7—曲轴；8—制动器；9—连杆；10—滑块；11—上模；12—下模；13—垫板；14—工作台

3．冲模1—模垫；2—冲头压板；3—冲头；4—卸料板；5—导板；

6—定位销；7

—模柄；8—上模板；9

—导套；10

—导柱；

11—凹模；12—凹模压板；13—下模板

4.4.3分离工序（1）冲裁。落料和冲孔统称为冲裁，两者的加工原理基本相同。如果被分离的部分为成品，而周边是废料，则为落料；如果被分离的部分为废料，而周边是成品，则为冲孔。（2）修整。修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，从而提高冲裁件的尺寸精度，降低表面粗糙度。（3）切断。切断是指用剪刃或冲模将板料沿非封闭轮廓进行分离的工序，剪刃安装在剪床上，冲模安装在冲床上，可以用于制作形状简单、精度要求不高的平板件。4.4.4变形工序（1）拉深。拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变，直壁厚度有所减小。（2）弯曲。弯曲是将坯料弯成一定的角度和曲率的变形工序。

拉深弯曲4.5压力加工件的结构工艺性4.5.1自由锻件的结构工艺性（1）避免在锻件上设计锥体和斜面结构。（2）当锻件由数个简单几何体构成时，在交接处避免形成空间曲线（3）避免加强筋、凸台、工字型截面或空间曲线形表面等复杂结构

（4）锻件的横截面若有急剧变化或者形状较复杂时，应设计为几个简单件构成的组合体。

4.5.2模锻件的结构工艺性（1）模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、锻模容易制造。（2）零件上与锤击方向平行的非加工表面应设计出模锻斜