哈工程材料成型课件-金属塑性成形技术

金属塑性成形技术金属塑性成形技术是指利用金属材料在压力作用下发生塑性变形来制造零件的工艺。它广泛应用于汽车、航空、船舶等各个领域。学习目标11.了解金属塑性成形的基本概念包括塑性成形定义、基本原理、金属塑性特性等。22.掌握塑性成形工艺包括锻造、冲压、挤压、拉伸等常见工艺的原理、特点和应用。33.了解塑性成形工艺参数包括工艺参数选择、成形缺陷及其预防、能量分析等。44.掌握塑性成形新技术包括新材料、新工艺、新设备等方面的最新发展趋势。什么是金属塑性成形金属塑性成形金属塑性成形是指在外部力的作用下，金属材料发生永久变形而不发生断裂的过程。成形方法常见金属塑性成形方法包括锻造、冲压、拉伸、弯曲、挤压等。应用广泛金属塑性成形广泛应用于汽车、航空航天、机械制造等各个领域。塑性成形的基本原理压力塑性成形需要施加足够大的压力，超过材料的屈服强度，使材料发生塑性变形。模具模具是塑性成形过程的关键要素，它为变形过程提供形状和尺寸控制。外力外力通过模具传递到坯料，引起材料的塑性变形，最终形成目标形状。金属流动在压力作用下，金属材料会发生流动，并填满模具腔体。金属塑性特性金属塑性特性是指金属在受外力作用下发生塑性变形的能力，是金属成形加工的重要基础。金属塑性特性受多种因素影响，包括材料的成分、组织结构、温度、变形速度等。应力-应变曲线及其应用应力-应变曲线是材料科学中的一个基本概念，它描述了材料在受力变形时的行为。1弹性阶段材料在卸载后恢复原始形状2屈服阶段材料开始发生永久变形3强化阶段材料抵抗变形的能力增强4颈缩阶段材料断裂前的局部缩颈现象应力-应变曲线可以用于预测材料的强度、韧性、塑性和延展性，以及预测材料在不同环境下的性能表现。塑性变形机理位错理论金属内部存在着大量的位错，这些位错是晶体结构中的缺陷，也是塑性变形的主要原因。位错运动导致材料变形，位错的移动需要克服晶格阻力，因此金属材料会表现出塑性变形。孪生孪生是指晶体的一部分通过原子排列方式发生重组，形成与母体晶体具有镜像对称关系的晶体。孪生变形主要是由于晶体滑移受阻，导致晶体内部发生原子重排，从而形成新的晶体结构。影响金属塑性变形的因素金属材料材料的强度、硬度、韧性、塑性等会直接影响金属塑性变形的难易程度。例如，高强度钢的塑性变形较难，而低碳钢的塑性变形相对容易。温度温度升高可以提高金属的塑性，降低其强度，使金属更容易变形。例如，在热加工过程中，金属通常被加热到高温状态，以提高其塑性。变形速度变形速度过快会使金属的塑性降低，而变形速度过慢则会使金属的塑性提高。变形方式不同的变形方式会影响金属的塑性。例如，拉伸变形比压缩变形更容易引起金属的塑性变形。金属塑性成形工艺坯料准备根据零件形状和尺寸选择合适的坯料，并进行切割、校平等预处理。成形利用模具和机械压力将坯料塑性变形，使其获得所需的形状和尺寸。热处理对成形后的零件进行热处理，以改善其机械性能和消除残余应力。表面处理对零件进行表面处理，如喷漆、电镀等，以提高其表面质量和耐腐蚀性。检验对成形后的零件进行尺寸、形状和性能检验，确保其符合设计要求。金属塑性成形工艺分类热加工在高温下进行，材料处于高温状态，塑性变形更易于进行，加工力小，但也容易产生氧化和变形。冷加工在室温或低温下进行，材料强度高，加工力大，但可以获得更高的精度和表面质量。温加工介于热加工和冷加工之间，温度较高，但低于材料的再结晶温度，可兼顾二者的优点。锻造成形锻造是一种利用锤击或压力使金属材料塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的加工方法。锻造工艺在金属成形领域扮演着重要角色，广泛应用于制造汽车零部件、航空发动机部件等。锻造工艺不仅可以提高材料强度和韧性，还可以改善材料的内部组织结构，从而提高材料的性能。压铸成形压铸成形是一种常见的金属成形工艺。通过将熔融金属注入模具，冷却固化成最终产品。压铸成形具有生产效率高、产品精度高、可实现复杂形状等优点。广泛应用于汽车、电子产品、机械零件等行业。压铸成形工艺包括模具设计、金属熔炼、充填、冷却等步骤。选择合适的模具材料、金属合金、工艺参数，可以获得高质量的压铸产品。挤压成形挤压成形是一种常见的金属塑性成形工艺。它通过模具和压力将坯料压缩，使其变形并形成所需的形状。挤压成形适用于各种金属材料，包括铝、铜、钢和钛。它被广泛应用于生产各种形状的零部件，例如管材、棒材、型材和轮毂。滚制成形滚制成形过程滚制成形是利用一对或多对滚轮，对坯料施加压力，使其产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的工件。滚制成形设备滚制成形设备主要由滚轮、机架、传动机构等组成，根据不同的加工工艺要求，可选择不同的滚轮材料、尺寸和形状。滚制成形产品滚制成形可用于生产各种形状的工件，例如管材、棒材、型材、薄板等。滚制成形应用滚制成形广泛应用于航空航天、机械制造、建筑工程等领域。冲压成形冲压成形是一种利用冲床对金属板材进行冲压加工的塑性成形工艺。该工艺可实现各种形状的金属零件，如汽车车身、电子产品外壳等。冲压成形具有生产效率高、材料利用率高、精度高、成本低的优点。拉伸成形拉伸成形是一种常见的金属塑性成形工艺，通过在模具中对坯料施加拉伸力，使其发生塑性变形，从而得到形状复杂的工件。拉伸成形工艺广泛应用于汽车、航空航天、电子等领域，例如汽车车身、航空机身、电子产品外壳等零件的制造。弯曲成形弯曲成形是一种常见的金属塑性成形工艺，通过外力使金属板料或型材发生塑性弯曲，形成所需的形状。弯曲成形广泛应用于制造汽车车身、飞机机身、船舶外壳等各种金属结构件。弯曲成形工艺通常使用专门的弯曲机床进行。弯曲机床可以根据工件形状和尺寸进行定制，并配备各种辅助设备，例如模具、夹具、压紧装置等。坯料选择与设计材质选择根据产品需求选择合适的金属材料，考虑强度、硬度、韧性、可加工性等性能。形状设计根据产品形状和尺寸设计坯料的形状和尺寸，确保成形过程中材料流动和填充。工艺匹配考虑成形工艺，选择合适的坯料尺寸、形状和表面质量，提高成形效率和产品质量。模具设计与制造模具设计模具设计是一个复杂的过程，需要考虑材料、尺寸、形状、精度等因素，并进行力学分析和热分析，确保模具的性能和使用寿命。同时，模具设计需要考虑生产效率和成本效益，例如模具结构、制造工艺、加工方式等。模具制造模具制造需要使用各种加工设备和工艺，例如CNC加工、电火花加工、线切割加工等，以确保模具的精度和表面质量。模具制造过程中需要严格控制加工精度，确保模具尺寸和形状符合设计要求，才能保证塑性成形的质量。塑性成形工艺参数的选择11.成形温度成形温度直接影响金属的塑性，过高或过低都会影响成形质量。22.成形速度成形速度影响金属的变形程度，速度过快可能导致变形不均。33.压力压力是使金属发生塑性变形的关键因素，压力过低无法使金属变形。44.模具形状模具形状决定了最终产品的形状和尺寸，合理的模具设计是关键。成形缺陷及其预防常见缺陷金属塑性成形过程中，常见的缺陷包括裂纹、起皱、尺寸偏差、表面粗糙等。这些缺陷会影响产品的质量和使用寿命，需要采取措施进行预防。预防措施合理的工艺参数选择、模具设计、材料选择以及操作规范等，是预防缺陷的关键。例如，优化成形工艺参数，例如变形量、变形速度和温度等，可以减少裂纹和起皱。塑性成形中的能量分析能量分析是评估塑性成形过程效率和可行性的重要环节。能量分析包括对各种能量形式的计算，例如外部输入能量、塑性变形功、摩擦功和热能。外部输入能量塑性变形功摩擦功热能机械设备消耗的能量材料塑性变形过程中的能量消耗工具与坯料之间的摩擦导致的能量消耗变形过程中产生的热量通过能量分析，我们可以优化工艺参数，提高效率，降低成本，并对塑性成形过程进行更深入的了解。塑性成形中的温度分析温度是影响金属塑性成形工艺的重要因素之一，对材料的流动性、变形抗力、表面质量和最终产品性能都有显著影响。温度控制是保证塑性成形产品质量的关键，需要根据材料特性和成形工艺要求进行精确控制。100C高温提高材料塑性，降低变形抗力200C中温适宜大部分塑性成形工艺50C低温提高材料强度，降低塑性残余应力及其影响内部应力塑性成形过程中，材料内部产生的应力。这些应力在成形结束后仍然存在，被称为残余应力。变形残余应力会导致零件发生变形，影响其尺寸精度和外观。疲劳强度残余应力会降低零件的疲劳强度，导致其在重复荷载下更容易失效。腐蚀残余应力会加速金属的腐蚀，缩短零件的使用寿命。金属塑性成形设备液压机液压机广泛用于金属塑性成形，提供强大的压力来改变金属形状。锻造锤锻造锤通过锤击作用使金属变形，主要用于锻造工艺，如锻造锤。卷板机卷板机用于弯曲金属板材，可制作各种曲面金属部件。挤压机挤压机利用压力将金属材料挤压成型，常用于生产各种截面形状的金属棒材和管材。金属塑性成形自动化11.自动化设备提高生产效率，降低人工成本，提高生产精度，例如机器人、自动控制系统。22.数字化管理通过数据采集和分析，优化生产流程，提升产品质量，例如MES系统、数据分析平台。33.人工智能技术预测性维护、工艺参数优化、缺陷检测，提高生产效率和产品质量。44.柔性生产满足多样化需求，快速调整生产线，提高生产灵活性，例如模块化生产单元。塑性成形工艺的优化1工艺参数优化通过调整压力、温度、速度等参数，提高成形效率和产品质量。2模具设计优化优化模具结构和材料选择，降低成形力，延长模具寿命。3材料选择优化选择最佳的材料，使产品性能符合要求，降低成本。4成形过程优化采用先进的成形技术，例如热成形、快速成形等，提升成形效率和产品质量。塑性成形工艺优化是提高产品质量、降低生产成本的重要手段。通过优化工艺参数、模具设计、材料选择和成形过程，可以提高成形效率，降低缺陷率，延长模具寿命，提高产品的性能。金属塑性成形新技术快速成形技术例如，快速原型制造(RP)技术，可以快速制作出复杂形状的金属部件。增材制造技术如3D打印技术，可以直接制造出金属零部件，无需传统的加工工序。数字化塑性成形利用计算机技术进行成形过程的模拟和优化，提高成形效率和产品质量。金属塑性成形的未来发展智能化发展结合人工智能和机器学习技术，实现塑性成形工艺的智能化控制，提高成形效率和精度，降低生产成本。例如，基于深度学习的模