塑性加工工艺与设备

塑性加工工艺与设备第1页，共132页，2023年，2月20日，星期六第二节轧制轧制定义：

靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。第2页，共132页，2023年，2月20日，星期六一、轧制过程及其基本原理简单理想轧制过程：两个轧辊均被驱动、直径相等、转速相同；轧制过程中两个轧辊完全对称；轧辊为刚性的；轧件除受轧辊作用外，不受其它外力作用；轧件的机械性质均匀。第3页，共132页，2023年，2月20日，星期六变形区主要参数轧件在轧辊作用下产生变形的区域叫变形区，变形区以外两端不产生变形的区域叫外区或刚端。第4页，共132页，2023年，2月20日，星期六（1）压下量（2）变形区长度第5页，共132页，2023年，2月20日，星期六（3）延伸系数

λ=L1/L0

（4）压下率（5）宽展

=b1－b0

第6页，共132页，2023年，2月20日，星期六2.轧制过程中的金属流动前滑区后滑区中性面：轧件运动速度＝轧辊线速度的水平分量中性角：秒流量相等原则：单位时间内通过变形区内任一横断面的金属体积应该为一常数。

FHvH＝Fxvx＝Fhvh＝常数第7页，共132页，2023年，2月20日，星期六3.咬入条件

咬入时咬入后第8页，共132页，2023年，2月20日，星期六改善咬入条件的途径：（1）降低角：

（2）提高角：

第9页，共132页，2023年，2月20日，星期六4.轧制压力（1）轧制压力的基本概念轧制压力是轧制时轧辊施加于轧件使之变形的力。但通常把轧件施加于轧辊总压力的垂直分量称为轧制压力。第10页，共132页，2023年，2月20日，星期六第11页，共132页，2023年，2月20日，星期六一般通称的轧制压力或实测的轧制总压力，并非为轧制单位压力之合力，而是轧制单位压力、单位摩擦力的垂直分量之和。第12页，共132页，2023年，2月20日，星期六(2)轧制力的理论计算第13页，共132页，2023年，2月20日，星期六第14页，共132页，2023年，2月20日，星期六如果假定垂直应力为Pr（主应力1），水平应力x（主应力3），根据屈服准则，1－

3＝1.15s＝0*有：Pr－x＝0*

——冯.卡尔曼微分方程积分，采里科夫解，求得Pr与（即h）的关系式，则影响Pr的主要因素如下：第15页，共132页，2023年，2月20日，星期六轧制力的影响：

a.轧辊弹性压扁任何一台给定的轧机，都有一个最小可轧制厚度值，低于这一厚度，轧辊会产生很大变形，而被轧制的材料无任何塑性变形。

b.轧辊弯曲会导致所生产的金属板中心厚边缘薄。

c.轧机弹性或塑性轧辊分离力使机架产生变形，辊缝增大第16页，共132页，2023年，2月20日，星期六5.轧制力矩ψ为力臂系数，一般取ψ=0.3~0.6第17页，共132页，2023年，2月20日，星期六二、轧制方法按轧制温度热轧冷轧按轧件与轧辊的相对运动关系纵轧：轧辊的纵轴线相互平行，轧件运动方向与延伸方向与轧辊纵轴线垂直。斜轧：轧辊的纵轴线倾斜互成一定角度，轧件边旋转边沿自身纵轴线方向前进，且前进方向与轧辊纵轴线方向成一定角度。横轧：轧辊的纵轴线相互平行，轧件沿自己的横轴线方向运动前进，与轧辊纵轴线垂直。第18页，共132页，2023年，2月20日，星期六纵轧斜轧横轧3.按轧制生产过程半成品轧制—开坯成品轧制—粗轧、精轧第19页，共132页，2023年，2月20日，星期六三、板带材轧制特点：宽厚比（B/H）大规格：中厚板（中板4~20mm，厚板20~60mm，特厚板60mm以上）薄板和带材（0.2~4mm）极薄带材和箔材（0.001~0.2mm）技术要求：尺寸精度、板形、表面光洁度、性能第20页，共132页，2023年，2月20日，星期六1.中厚板轧制2.热连轧板带材生产与中厚板轧制的区别：不用展宽，采用立辊对宽度进行压缩。3.冷带钢生产厚度：0.1~3mm，宽度为100～2000mm优点：轧制速度高（可达40m/s以上），道次压下率大，产品表面光洁、板形平直、尺寸精度高和机械性能好。工艺特点：（1）加工温度低，产生加工硬化，需要中间退火。（2）采用工艺冷却和润滑（3）张力轧制第21页，共132页，2023年，2月20日，星期六四、管材轧制1.无缝钢管（1）穿孔第22页，共132页，2023年，2月20日，星期六（2）轧管：自动轧管机（3）均整：带芯棒斜轧（4）定径和减径：无芯棒连轧2.焊管将管坯（钢板或带钢）弯曲成所需的钢管形状，然后采用焊接法焊接成钢管。第23页，共132页，2023年，2月20日，星期六五、型材轧制型材轧制主要用于各种型钢生产。大多数有色金属型材主要采用挤压、拉拔的方法生产。型钢的轧制方法：在轧辊上加工出轧槽，把两个或两个以上轧辊的轧槽对应装配起来，形成孔型。轧制时，轧件通过一系列孔型，一般断面积由大变小，长度由短变长，以达到所要求的形状和尺寸。第24页，共132页，2023年，2月20日，星期六角钢槽钢工字钢

孔型系统示例第25页，共132页，2023年，2月20日，星期六六、线材轧制特点：（1）总的延伸率大，轧件温降快，头尾温差大，轧制速度高。（2）机架多、分工细，产品比较单一、轧机专业程度高。（3）高速无扭转轧机具有特殊的孔型系统。第26页，共132页，2023年，2月20日，星期六

Y型轧机45轧机第27页，共132页，2023年，2月20日，星期六第三节挤压一、挤压原理、基本方法及特点挤压定义：对放在挤压筒内的金属坯料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。挤压方法：可按挤压方向、变形特征、润滑状态、挤压温度、挤压速度、模具种类或结构、坯料形状或数目、制品形状或数目分类。第28页，共132页，2023年，2月20日，星期六常用挤压方法第29页，共132页，2023年，2月20日，星期六3.特点：具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性，获得大变形量。可加工用轧制或锻造加工有困难甚至无法加工的金属材料。可生产断面极其复杂的，变断面的管材和型材。灵活性很大，只需更换模具，即可生产出很多产品。产品尺寸精确，表面质量好。第30页，共132页，2023年，2月20日，星期六工艺流程简单，设备投资少，实现生产过程自动化和封闭化比较容易。金属的固定废料损失较大。压余量10～15％，轧件的切头尾损失仅为1～3％。加工速度低。沿长度和断面上制品的组织、性能不够均一。工具消耗较大。第31页，共132页，2023年，2月20日，星期六小结：挤压法非常适合于生产品种、规格、批数繁多的有色金属管、棒、型材及线坯。在生产断面复杂的或薄壁的管材和型材，直径与壁厚之比趋近于2的超厚壁管材，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面，挤压法是唯一可行的压力加工方法。第32页，共132页，2023年，2月20日，星期六二、挤压基本理论

正挤压时金属的流动正挤压反挤压ⅡⅠⅢ挤压力P挤压轴位移第33页，共132页，2023年，2月20日，星期六（1）填充挤压阶段：锭筒间隙，填充系数Rt=Ft/F0坯锭的长度与直径之比第34页，共132页，2023年，2月20日，星期六（2）基本挤压阶段挤压比＝锭坯断面积/制品断面积第35页，共132页，2023年，2月20日，星期六圆棒正挤压时子午面上网格变化示意图

锥模挤压平模挤压第36页，共132页，2023年，2月20日，星期六第37页，共132页，2023年，2月20日，星期六纵向线两次弯曲，弯曲角度由外向内逐渐缩小。压缩锥（变形区）。横向线弯曲。外层网格变形为平行四边形，说明承受了剪切变形，外层金属的主延伸变形比内层的大，沿纵向制品后端的主延伸变形比前端的大。使用平模或大模角锥模挤压时，都存在死区。模角增大、摩擦加大、挤压比减小、挤压速度降低，死区增大。死区的存在对提高制品表面质量极为有利。棒材前端横向线弯曲很小，制品头部晶粒粗大，机械性能低劣，应切除。第38页，共132页，2023年，2月20日，星期六（3）终了挤压阶段挤压力上升各种缩尾形成过程示意图

减少缩尾的措施：进行不完全挤压，留压余；脱皮挤压；机加工锭坯表面。第39页，共132页，2023年，2月20日，星期六2.反挤压时的金属流动第40页，共132页，2023年，2月20日，星期六第41页，共132页，2023年，2月20日，星期六第42页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压力比正挤压小30～40％，且与坯料长度无关。反挤压时的塑性变形区很小，集中在模孔附近，网格的横向线与筒壁基本上垂直，进入模孔时才发生剧烈的弯曲。不存在锭坯内中心层与周边层区域的相对位移，金属流动较均匀。产生挤压缩尾的倾向很小，压余可比正挤压时减少一半。挤压筒和模具的磨损小，寿命长。死区很小，恶化制品表面质量。第43页，共132页，2023年，2月20日，星期六3.影响金属流动的因素（1）挤压筒壁上的摩擦力（2）筒温（3）金属导热性（4）润滑剂的绝热性（5）合金相状态（6）金属的强度（7）模角（8）变形程度第44页，共132页，2023年，2月20日，星期六4.挤压力挤压杆通过挤压垫作用在锭坯上使之流出模孔的压力，称为挤压力。通常指Pmax。第45页，共132页，2023年，2月20日，星期六影响挤压力的因素（1）温度，金属变形抗力，挤压力。（2）变形程度，挤压力。（3）挤压速度第46页，共132页，2023年，2月20日，星期六（4）摩擦，挤压力。（5）模角（6）锭坯长度，挤压力（7）反挤压力比正挤压力低

20～30％。第47页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压机主体结构第48页，共132页，2023年，2月20日，星期六第49页，共132页，2023年，2月20日，星期六

后置式穿孔缸

第50页，共132页，2023年，2月20日，星期六

第51页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压机的主要零部件：模座机架压余分离装置调整装置挤压牵引机构第52页，共132页，2023年，2月20日，星期六（纵动式模座第53页，共132页，2023年，2月20日，星期六横动式模座第54页，共132页，2023年，2月20日，星期六回转式模座第55页，共132页，2023年，2月20日，星期六联合式模座第56页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压杆第57页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压垫片第58页，共132页，2023年，2月20日，星期六穿孔针第59页，共132页，2023年，2月20日，星期六四、挤压模具挤压模具类型整体模可拆卸模舌模分流组合模第60页，共132页，2023年，2月20日，星期六整体模第61页，共132页，2023年，2月20日，星期六可拆卸模具第62页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压模具的设计整体模的设计单孔模设计多孔模的设计舌形模的设计分流模的设计第63页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压模具的设计

单孔模设计

模角工作带长度模孔尺寸入口圆角半径模孔出口处直径模子外形尺寸第64页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压模具的设计

多孔模设计

模孔数目模孔排列原则型材模孔设计重心布置模孔布置工作带长度设计第65页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压模具的设计

分流组合模设计

挤压比分流比分流孔分流桥模芯焊合室第66页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压模具的制造模具材料的选择模具的加工机械加工热处理第67页，共132页，2023年，2月20日，星期六挤压工艺设计

锭坯尺寸的选择选择原则挤压比的确定锭坯长度的确定温度的选择速度的选择润滑剂的选择

第68页，共132页，2023年，2月20日，星期六第四节拉拔加工一、拉拔原理、方法、特点拉拔定义：在外加拉力的作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的制品的加工方法，称之为拉拔（或称为拉伸）。是生产管材、棒材、型材及线材的主要方法之一。第69页，共132页，2023年，2月20日，星期六拉拔成形原理示意图第70页，共132页，2023年，2月20日，星期六2.拉拔方法实心材拉拔—棒材、型材、线材空心材拉拔—管材第71页，共132页，2023年，2月20日，星期六3.特点（1）拉拔制品尺寸精度高，表面光洁度好。（2）工具与设备简单，维护方便。（3）最适合于连续高速生产断面尺寸小的长制品。（4）拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受到限制，工艺过程长。过大的道次加工率将导致制品尺寸、形状不合格，甚至被拉断。原因是变形区内为两压一拉应力状态，不利于充分发挥金属的塑性。第72页，共132页，2023年，2月20日，星期六二、拉拔基本原理圆棒拉拔时的应力与变形第73页，共132页，2023年，2月20日，星期六拉拔制品内部的周期性裂纹示意图第74页，共132页，2023年，2月20日，星期六2.管材拉拔时的应力与变形（1）空拉第75页，共132页，2023年，2月20日，星期六空拉时的主应力：

1—轴向应力l2—径向应力r3—切向应力空拉时的壁厚变化取决于r－mm＝（1+

2+3）/3r－m>0，管壁增厚r－m=0，管壁不变r－m<0，管壁变薄空拉能起到自动纠正管坯偏心的作用。第76页，共132页，2023年，2月20日，星期六（2）衬拉第77页，共132页，2023年，2月20日，星期六特点：芯头表面与管子内表面产生摩擦，拉拔力增大。内壁上径向应力不为零，管子内外层径向应力差值小，变形比较均匀。固定芯头拉拔第78页，共132页，2023年，2月20日，星期六特点：芯头表面与管子内表面产生摩擦，摩擦力与拉力方向相同，拉拔力减小。内壁上径向应力不为零，管子内外层径向应力差值小，变形比较均匀。长芯杆拉拔第79页，共132页，2023年，2月20日，星期六特点：芯头表面与管子内表面产生摩擦，方向与拉拔力相同，拉拔力减小。为了实现游动头拉拔，必须满足①α1＜β，②α1＜α。游动芯头拉拔第80页，共132页，2023年，2月20日，星期六拉拔力的理论计算棒材拉拔力的计算第81页，共132页，2023年，2月20日，星期六拉拔力的理论计算管材拉拔力的计算空位管材第82页，共132页，2023年，2月20日，星期六三、实现拉拔过程的必要条件由于拉拔是通过施加在制品上的拉力实现的，施加在制品断面上的拉力L必须小于金属出模口处的屈服强度s。否则，将会产生制品细颈、甚至拉断等现象。第83页，共132页，2023年，2月20日，星期六K=1.4~2.0，即L=(0.7~0.5)b。

K过小，意味着加工率过大，容易产生断头、拉断等现象；

K过大，表示道次加工率过小，没有充分发挥金属的变形能力。制品直径越小，壁厚越薄，K值应越大些。第84页，共132页，2023年，2月20日，星期六锥形模弧线模四、拉拔工具1.拉拔模

第85页，共132页，2023年，2月20日，星期六第86页，共132页，2023年，2月20日，星期六2.芯头实现游动芯头稳定拉拔的基本条件是，其中为芯头与管内壁之间的摩擦角。

第87页，共132页，2023年，2月20日，星期六第88页，共132页，2023年，2月20日，星期六第五节锻造1定义：是借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。2特点：在塑性变形中，能使坯料的粗晶粒破碎、疏松、孔隙被压实、焊合，锻件的内部组织和性能得到较大改善。第89页，共132页，2023年，2月20日，星期六第五节锻造一、自由锻用简单通用的工具，或是在锻压设备的上、下砧之间直接使坯料产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能锻件的加工方法。

第90页，共132页，2023年，2月20日，星期六特点：不需专用模具，由人工掌握，比较灵活，适合单件、小批及大型锻件的生产。在空气锤和蒸汽-空气锤上进行。大型锻件的加工通常是在油压机或水压机上进行。

第91页，共132页，2023年，2月20日，星期六主要工序有：镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、错移等。轴类和杆件以拔长变形为主，曲轴类还要加错移和扭转工序；饼类件以镦粗变形为主，孔心件还得加冲孔工序。复杂形状的锻件必须采用组合变形方法。第92页，共132页，2023年，2月20日，星期六镦粗：使毛坯高度减少，截面增大的工序齿轮、法兰等饼类锻件第93页，共132页，2023年，2月20日，星期六第94页，共132页，2023年，2月20日，星期六拔长：使毛坯横截面减小，长度增加的工序轴类锻件或为后道工序制坯第95页，共132页，2023年，2月20日，星期六适当减小送进量可提高拔长效率第96页，共132页，2023年，2月20日，星期六第97页，共132页，2023年，2月20日，星期六第98页，共132页，2023年，2月20日，星期六锻件类型第99页，共132页，2023年，2月20日，星期六二、模型锻造定义：在专用锻造设备上采用专用模具，使金属坯料产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和性能锻件的加工方法。特点：需专用锻模，生产率及锻件精度较高。一般处于三向压应力状态，有利于塑性较差材料的成形。材料的变形抗力较大，设备吨位要求较高。主要用于中小锻件的生产。批量足够大时才经济。第100页，共132页，2023年，2月20日，星期六第101页，共132页，2023年，2月20日，星期六第102页，共132页，2023年，2月20日，星期六第103页，共132页，2023年，2月20日，星期六锤上模锻：速度高、金属流动速度快，f降低，金属流动的惯性和变形的热效应突出，有利于挤入方式成形。压力机上模锻：在一次行程中坯料内外层同时变形，变形深透均匀、流线分布连续、锻件力学性能一致性较好。第104页，共132页，2023年，2月20日，星期六三、特种锻造1.辊锻定义：将坯料用一对装有模具转向相反的锻辊曳入，产生塑性变形，获得具有一定形状尺寸和性能锻件的加工方法称为辊锻，是来自于轧制的锻造成形方法。一般模锻：模具直线运动辊锻：模具旋转运动轧制：轧辊整个圆周都是工作部分，采用长坯料辊锻：只有扇形模一部分工作，短坯料第105页，共132页，2023年，2月20日，星期六辊锻示意图第106页，共132页，2023年，2月20日，星期六特点：（1）连续的静压过程，无冲击和振动。变形实质是坯料的拔长。（2）生产率高。（3）节约金属材料。（4）设备结构简单。（5）劳动条件好，易实现机械化和自动化。（6）节约模具钢材。（7）锻件质量好。第107页，共132页，2023年，2月20日，星期六2.摆动辗压摆辗是一种连续、局部、递增成形方法。特点：（1）变形力小，能耗低。只有一般锻造变形力的1/5~1/20；（2）制件质量好，无震动，低噪音，模具寿命高，投资少，设备费用低，易实现自动化。（3）上下接触面上的压力分布不同，上大下小；零件易出现上大下小或下大上小的蘑菇头形状；径向尺寸易增大，高度填充困难。主要用于辗制薄盘类、锥齿轮、万向节、非轴对称件等。第108页，共132页，2023年，2月20日，星期六第109页，共132页，2023年，2月20日，星期六第110页，共132页，2023年，2月20日，星期六第六节板材成形定义：通过模具和冲压设备，使板材产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件的加工方法。特点：生产效率高，产品尺寸精度稳定，材料利用率高，操作简便，易实现自动化。分类：分离（冲裁）—落料、冲孔、切割成形—弯曲、拉深、胀形、翻边第111页，共132页，2023年，2月20日，星期六一、剪切和冲裁第112页，共132页，2023年，2月20日，星期六冲裁间隙对冲裁质量、模具寿命和冲裁力都有很大影响，冲裁间隙过小易产生挤压毛刺，增大模具磨损；冲裁间隙过大，断面质量恶化，所以合理选择冲裁间隙很重要。一般为材料厚度的5％～10％。第113页，共132页，2023年，2月20日，星期六二、弯曲在弯曲力矩作用下，使平板毛坯、型材或管材等产生一定曲率和角度，形成一定形状冲压件的方法。

相对弯曲半径：r/t

第114页，共132页，2023年，2月20日，星期六应变中性层：外层受拉伸长而厚度减薄，内层受压缩短使板料增厚第115页，共132页，2023年，2月20日，星期六窄板b/t<3，宽度方向可自由变形，宽度方向应力近似为零；宽板b/t>3，宽度方向变形阻力大，弯曲后板宽基本不变，宽度方向应变近似为零。第116页，共132页，2023年，2月20日，星期六相对弯曲半径：（r/t）越小，板料减薄量越大，弯曲长度的增加量越大。

(r/t)min：弯曲加工极限。塑性好的材料，(r/t)min<1.0

一般为1～2第117页，共132页，2023年，2月20日，星期六三、拉深把冲裁后得到的平板毛坯成形成开口空心零件的冲压加工方法称为拉深。拉深件示意图第118页，共132页，2023年，2月20日，星期六切向压应力和负应变，径向拉应力和正应变，厚度方向负应力和正应变法兰部分是变形区，材料不断向外转移；壁部是已变形区，传力区；底部是承力区，很少发生变形。第119页，共132页，2023年，2月20日，星期六第120页，共132页，2023年，2月20日，星期六加工硬化使拉深力增大；法兰面积减小使拉深力降低毛坯直径D增大，拉深力增加。第121页，共132页，2023年，2月20日，星期六拉深系数：

d-零件的平均直径，D-毛坯直径拉深比：R＝1/m＝D/d拉深加工极限：

mmin，Rmax，一般首次mmin为