材料成型技术基础2

第二篇金属压力加工

MechanicalWorking压力加工：锻压、塑性成形Themetalisshapedthroughplasticdeformationinsolidstatebymechanicalforcep90主要生产：型材Shapemetalsuchasbar,plate,sheetandsection轧制、拉拔、挤压rolling,extrusion,drawing,pressing

毛坯、零件semi-finishedmetalorpart锻造、冲压

forgoing,stamping第一章金属的塑性变形

metalplasticdeformation复习第一节塑性变形的实质第二节塑性变形对金属组织和力学性能的影响1.塑性变形的实质晶体内部：位错滑移dislocationslip栾晶twin

多晶体：晶粒变形，晶界滑移宏观：外力，弹性变形，塑性变形2.塑性变形对金属组织和力学性能的影响StructureandPropertiesoftheDeformedMetals2.1常温下塑性变形的组织和性能对组织的影响晶体缺陷增加、晶格

畸变能提高亚结构细化晶粒拉长或破碎变形量很大时，形成变形织构纤维组织texturestructure对性能的影响

产生加工硬化（冷变形强化）workhardening随着变形程度的提高，金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象原因：位错密度增加，亚结构细化可能产生各向异性产生内应力变形开裂，抗腐蚀性降低去应力退火晶格严重畸变为再结晶提供了驱动力3.变形金属在加热时组织和性能的变化StructureandPropertiesoftheDeformedMetalsafterBeingHeated

金属经塑性变形→晶格畸变→内能↑加热→原子活力↑→晶格重构→内能↓温度低时，回复recovery：TR=0.25~0.3TM

冷变形金属加热时，显微组织变化之前，亚结构和性能变化过程位错运动重组，构成亚晶界力学性能变化不大，内应力↓↓温度升高，再结晶re-crystallization：T0=0.4TM冷变形金属在足够高温度下，通过形核与长大，以无畸变新晶粒取代变形晶粒4.热加工与冷加工热加工的概念：再结晶温度以上的变形过程动态回复与动态再结晶

T<T0ColdWorking；T>T0HotWorking

热加工的组织与性能p93

热加工金属的组织：再结晶组织与铸锭相比：晶粒细化，缺陷压合，致密度提高，性能提高热加工后性能提高，但纤维组织可能具有各向异性Anisotropy各向异性Anisotropy平行于纤维组织的方向，抗拉强度提高，剪切强度很低垂直于纤维组织的方向，抗拉强度很低，剪切强度高问：为什么重要受力零件都采用热加工制造？设计时应该注意什么问题？组织，性能，流线、拉应力、切应力、流线沿轮廓分布，不断p94第三节金属的可锻性

MalleabilityoftheMetal什么叫可锻性malleability？p94

金属经过压力加工时，获得优质制品的难易程度可锻性的内容金属的塑性plasticbehaviorofthemetal

变形抗力theresistancetodeformation影响可锻性的因素Variablesinfluencingmalleability

金属的本质、加工条件1.金属本质类型Metaltypesf.c.c＞b.c.c，铝铜镍＞铬钼钛化学成分纯金属>合金,碳钢>合金钢,低碳钢>高碳钢金属的组织相的组成及分布固溶体＞机械混合物＞化合物晶粒大小等轴晶＞柱状晶；细晶粒＞粗晶粒2.加工条件

变形温度温度↑塑性↑变性抗力↓始锻温度终锻温度碳钢的锻造温度范围始锻温度:低于AE线200℃左右终锻温度:约800～750℃为什么？温度↑塑性↑变性抗力↓温度过高→过热、过烧（晶界氧化、熔化）氧化、脱碳严重变形速度变形速率对塑性和变形抗力的影响1—变形抗力2—塑性为什么？变形速度＜a时加工硬化随变形速度↑，变形抗力↑，塑性↓变形速度＞a时再结晶内摩擦使T↑，塑性↑，变形抗力↓应力状态用不同锻造方法成型，应力状态不同，拉拔—二向压应力，一向拉应力三个方向中，压应力的数目越多，金属的塑性越好同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力挤压时的应力状态第二章锻造

Forging第一节锻造方法

ForgingMethodMetalisshapedbetweensmithanvilorforgoingdiebymechanicalforce(P97)问：锻造为什么要加热？自由锻SmithForging：在砧铁之间成形模锻DieForging：在模锻设备上用模具成形胎膜锻Swaging：在自由锻设备上用胎膜成形1.自由锻SmithForging

自由锻特点：设备简单生产率低，锻件精度、光洁度差通用性强，单件也能生产只能锻形状很简单的零件应用范围广：可锻零件重量1kg～300T

操作技术要求高国外工业发达国家，中小型自由锻件在其锻件总产量的为20-40%自由锻设备小型锻件—手工锻造，空气锤中型锻件—（<1500kg）蒸汽—空气锤大型锻件—（<300T）水压机自由锻工序基本工序、辅助工序、精整工序基本工序：镦粗拔长冲孔（扩孔）弯曲扭转错移切割辅助工序：压钳口，倒棱，压肩锻件分类及基本工序方案盘类锻件的主要工序为镦粗和冲孔轴类零件：拔长、切肩和锻台阶筒类零件：镦粗、冲孔、在心轴上拔长环类零件：镦粗、冲孔、在心轴上扩孔曲轴类零件：拔长、错移、锻台阶、扭转弯曲类零件：拔长、弯曲2.模锻

DieForging

定义：P98

与自由锻的特点正好相反精度高生产率高（可达几十倍）可锻重量0.5～150kg的工件只适合大量生产锻造设备锤上模锻DropForging：蒸汽—空气模锻锤曲柄压力机上模锻摩擦压力机上模锻胎模锻：用自由锻锤2.1.锤上模锻

DropForging蒸汽—空气模锻锤1、踏板2、机架3、砧座4、操纵杆与自由锻设备原理相同，运动副间隙小，动作精度高模锻锤的吨位：落下部分的质量，包括锤头、连杆、活塞吨位：1~16T锻件重量150kg以下模锻最重要的工装：锻模锻模模膛分类锻模模膛根据功用可分为模锻模膛和制坯模膛模锻模膛包括终锻模膛、预锻模膛常用制坯模膛有拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、切断模膛模锻模膛：金属在其中发生整体变形终锻模膛：锻件最终成形形状与锻件相同尺寸放大，钢1.5%结构：四周设飞边槽冲孔连皮模锻不能直接冲出通孔，上下模之间形成冲孔连皮，去掉飞边和冲孔连皮，得到具有通孔的模锻件1-锻锤2-上模3-飞边槽4-下模5-模垫6,7,10-楔铁8-分模面9-模膛锻模结构与模锻件模锻件用来容纳多余的金属阻挡金属外流，强迫金属充模缓冲作用飞边槽的作用预锻模膛与制坯模膛为了使金属更容易充满终锻模膛，减少其磨损，提高模具寿命，有时设预锻模膛预锻模膛使坯料变形到接近于锻件的形状、尺寸圆角斜度较大，没有飞边槽对于形状复杂的模锻件，使坯料形状基本接近锻件，必须在制坯模膛制坯制坯模膛

拔长模膛：某部截面↓，长度↑滚压模膛：某部截面↓，另一部分↑弯曲模膛：弯曲杆类零件切断模膛：切断金属拔长模膛和滚压模膛滚压模膛拔长模膛一般布置在模具的边上，用来减小坯料某部分的截面积，增加该部分的长度拔长操作时，坯料送进加翻转坯料长度不变，改变不同部位截面积变滚压操作时，坯料只翻转，不送进锻件截面相差较大时，用闭式结构弯曲和切断模膛弯曲和切断模膛弯曲模膛：用于弯曲的杆类模锻件，弯曲坯料切断模膛：用于坯料上切下锻件，锻件上切下钳口，或者多件锻造时分离锻件还有镦粗、成形和压扁模膛弯曲连杆锻造过程锻模可以只有一个模膛，称为单膛锻模多膛锻模在一副锻模上有2个以上模膛弯曲连杆的锻模为多膛锻模2.2曲柄压力机上模锻200t～12000t

造价高，适合中小件的大批量生产工作条件好生产效率高锻件精度高模具结构：镶块式(p102,fig3-20)坯料表面氧化皮不易清除不适合拔长和滚压工步1电动机23皮带轮4传动轴56齿轮7离合器15制动器8910曲柄连杆滑块11楔形工作台13楔铁12下顶杆16凸轮14顶料连杆2.3.摩擦压力机上模锻吨位：350t～1000t造价低，用途广泛特点：滑块行程不固定：有一定冲击螺杆螺母传动：滑块速度低模具结构：灵活多样承受偏心载荷能力差，只适合单膛模锻适合中小锻件的小中批量生产5电动机6皮带3飞轮4摩擦盘1螺杆2螺母7滑块8,9导轨10机座2.4.胎膜锻

Swaging

在自由锻设备上用可移动的简单模具生产模锻件与自由锻比：生产率高，加工余量小，精度高与模锻相比：设备简单，模具成本低，生产率低，精度低，劳动条件差胎模：制造成本低，不用固定，易损坏只适合没有模锻设备的工厂，中小批量生产胎膜结构扣模

筒模

合模

next扣模与合模合模由上下模组成，有导柱和导锁定位，适合与锻造形状复杂的、精度要求较高的非回转体锻件扣模主要用于对坯料进行局部或全部变形筒模筒模主要锻造盘类锻件：齿轮、法兰盘等设计为组合结构，用于较为复杂的胎膜锻件组合筒模常见结构镶块筒模带垫块的筒模双半模筒模第二节锻造工艺规程的制定锻件生产过程：零件图→锻件图→锻造方法→锻造工艺1.绘制锻件图锻件图：以零件为基础，结合锻造工艺特点绘制绘制锻件图应该考虑的内容包括：敷料、余量及公差分模面模锻斜度锻模圆角半径冲孔连皮等1.1敷料、余量及公差敷料—为简化锻件形状和结构增加的一部分金属例如一些沟槽、相差不大的台阶等余量—为切削加工，在加工面上增加的尺寸0.4～5mm，与锻件尺寸、加工精度有关公差—锻件尺寸允许的变动量，±0.3～3mm与锻件大小，模具精度，设备状态有关对于自由锻件，确定敷料、余量及公差后，就可以绘制锻件图对于模锻件，还需要考虑分模面、模锻斜度、圆角半径、冲孔连皮等自由锻造锻件图1.2分模面分模面—上下锻模在锻件上的分界面（1）出模：应保证模锻件能从模膛中取出（2）模具安装：上下模膛外形一致（3）金属充模：模膛具有最浅深度（4）敷料（余块）最少（5）模具加工和使用：分模面尽可能为平面分形面的选择示例

1.a-a2.c-c3.b-b4.b-b1.3模锻斜度模锻件在锤击方向必须有斜度模锻斜度比铸件大，锤上锻模一般取5～15°模锻斜度与模膛宽度和深度有关h/b越大，α越大α内＞α外2°~5°1.4模锻圆角半径和冲孔连皮模锻圆角半径有利于充型，减小应力集中，提高模具寿命外圆角半径1.5～2mm，内圆角半径2～3mm冲孔连皮模锻无法直接锻出通孔，冲孔连皮冲孔连皮的厚度由锻件孔径决定φ20～80mm的孔，冲孔连皮厚4～8mm齿轮坯模锻件图1分模面2加工余量、公差、敷料3模锻斜度5冲孔连皮4圆角半径（没有注明圆角半径都取R=2.5mm）2.坯料重量和尺寸的计算坯料重量G坯料=G锻件+G烧损+G料头G锻件→由锻件体积算出G烧损→与加热次数有关坯料的尺寸根据坯料重量和几何尺寸确定与选用的锻造工序有关、考虑锻造比settingratio碳钢，拔长锻造比≧3，镦粗锻造比≧2.5合金钢为3~4，对轧材取1.3～1.5应用镦粗工序：H/D<2.5,太大易弯3.制定锻造工序（工步）怎么锻（锻造工序）主要看零件是什么样的对于自由锻件，P98,table3-1

对于长轴类模锻件如台阶轴、曲轴、连杆弯曲摇臂等锻件的长度远大于宽度主要锻造工步包括拔长、滚压、预锻和终锻对于截面变化不大的模锻件，不用滚压用其他方法制坯，只需预锻和终锻对于小锻件，一模锻几件，要有切断工序长轴类模锻件盘类锻件：例如齿轮、法兰盘等对于盘类锻件（短轴类模锻件）主要工步为镦粗、预锻和终锻形状简单的锻件，只需镦粗和终锻4.锻造工艺规程中的其它内容（1）根据合金确定始锻及终锻温度（2）确定加热规范（加热温度、保温时间）（3）选择锻造设备（4）辅助工序（校正，切飞边、冲孔连皮）第三节锻件结构的工艺性1.自由锻件的结构工艺性避免具有锥体或斜面的结构避免形成空间曲线不应有加强筋、凸台工字型或空间曲面形表面复杂零件采用组合法2.模锻件的结构工艺性避免具有锥体或斜面的结构锻件有数个几何体构成时，避免形成空间曲线，改成平面与圆柱体、平面与平面相接自由锻件上不应有加强筋、凸台、工字型或空间曲面形表面截面急剧变化或形状复杂的零件，应设计成几个简单模锻件的组合体自由锻件的结构工艺性小结应具有合理的分模面，保证锻件取出。敷料最少，锻模易制造与分模面垂直的非加工面上要有模锻斜度，非加工面必须用圆角过渡模锻件结构应力求简单、平直和对称，保证金属充模，减少锻造工序为保证充模模锻件截面积不要急剧变化避免扁而薄的结构避免高而薄凸缘避免深孔（h/2d）或多孔结构锻件形状复杂时用组合工艺避免深孔（h/2d）或多孔结构当锻件形状复杂时要考虑组合工艺模锻件的结构工艺性小结应具有合理的分模面，保证锻件取出。敷料最少，锻模易制造与分模面垂直的非加工面上要有模锻斜度，非加工面必须用圆角过渡模锻件结构应力求简单、平直和对称，保证金属充模，减少锻造工序避免深孔（h/2d）或多孔结构当锻件形状复杂时要考虑组合工艺第三章板料冲压SheetStamping广泛应用于汽车、拖拉机、飞机、导弹、兵器、仪器仪表、家电和日用品的生产特点薄壁复杂零件零件精度高，粗糙度低，质量稳定，互换性好具有形变强化作用，零件强度、刚度好设备自动化程度高，操作简单，生产率高，零件成本低冲压模具结构复杂，制造成本高，只适合大批量生产什么叫冲压？StampingPartingorshapingthesheetmetalbymechanicalforcewithtools利用模具加压，使板料分离或变形的加工方法常用金属板料低碳钢，不锈钢，高塑性合金钢，铜铝镁合金等<8mm的板,冷冲压>8mm或材料塑性差,热冲压冲压生产基本工序：分离，变形

第一节分离工序parting定义(p114)Theprocesssplittingonepartfromtheotherpartofsheetmetal工序冲裁piercing—使板料按封闭轮廓分离的工序剪断shearing—使板料按不封闭轮廓分离的工序一般使用剪床修整：用修整模刃口的刮削作用，切掉冲裁件上的剪裂带和毛刺，提高冲裁件的精度，降低粗糙度单边修整量为板料厚度的10%(大间隙落料)或8%(小间隙落料)修整量过大或板厚超过3mm，可分多次修整修整模的间隙（单边）0.001～0.01或负值落料及冲孔（又称冲裁）落料—被分离部分是成品，周边是废料blanking冲孔—被冲落部分是废料，周边是成品punching1.冲裁变形过程弹性变形阶段→塑性变形阶段→断裂分离阶段2.凹凸模间隙凹凸模间隙影响冲裁件断口质量、冲裁件尺寸精度、模具寿命和卸料力、推件力、冲裁力间隙合理，凹凸模刃口冲裁产生的裂纹重合工件断面光洁，毛刺少间隙大工件被拉断，边缘粗糙冲裁件尺寸精度较低间隙小上下裂纹向外错开，形成毛刺和迭层模具与板料的摩擦严重，模具寿命下降卸料力、推件力、冲裁力大3.凹凸模刃口尺寸的确定冲孔模凸模作设计基准，然后根据间隙确定凹模尺寸考虑磨损，凸模尺寸靠近孔公差范围内的最大尺寸落料模保证凹模的尺寸，根据间隙确定凸模尺寸考虑磨损，取最小极限尺寸间隙选取原则当冲裁件断面质量要求较高时，选取较小间隙；反之取较大间隙间隙大小与板料厚度有关c=m•t4.冲裁件的排样blanklayout落料件在板料上布置方法合理排样可以提高材料的利用率有2种排样类型无搭边排样用一个落料件的边做另一个落料件的边缘材料利用率高毛刺不在同一平面尺寸不容易准确有搭边排样尺寸准确毛刺在同一平面材料消耗多第二节变形工序1.拉深

Drawing(or)Cupping变形工序板料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂拉深Drawing(or)Cupping

弯曲bending

翻边flanging

成形forming板料形成开口空心零件的工序拉深过程底面不变形，只传递拉力筒壁受拉应力，厚度减小两者过渡部分，拉薄得最严重影响拉深质量的因素凹凸模的圆角半径

r凹=10δ；r凸=(0.6~1)r凹；太小，易拉穿凹凸模的间隙C=(1.1～1.2)δ过小,摩擦大易擦伤工件表面,降低模具寿命过大，拉深件起皱拉深系数：拉深件直径与坯料直径的比值m=d/D；m≮0.5～0.8

过小，易拉穿，起皱；过大，变形强化效果差，不经济润滑条件拉深缺陷

拉断材料塑性模具结构拉深工艺

起皱毛坯相对厚度模具拉深系数用压边圈解决旋压压边圈对于小批量的空心回转体零件、厚板件和大型容器的封头，常采用旋压成型不需要复杂的冲模，变形力较小，但生产率低2.弯曲bending在板料被弯曲一定角度或曲率半径过程中内侧受压，外侧受拉板料越厚，曲率半径越小，越容易弯裂弯曲注意事项注意补偿板料回弹弯曲后弹性变形恢复，回弹角0～10°为了防止弯裂

最小弯曲半径rmin=（0.25～1）δ

弯曲时，弯取线垂直于板料的纤维方向3.翻边flanging

翻边是在带孔的平坯料上用扩孔的方法获得凸缘的工序翻边孔的直径超过允许值，孔的边缘会破裂允许值用翻边系数衡量K0=d0/dd0：翻边前的内孔尺寸d：翻边后的孔径尺寸翻遍模凸模圆角半径为板厚的4~9倍

凸缘高度大时，先拉深→后冲孔→再翻边4.成形forming利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序第三节冲模简介