第三篇压力加工

第三篇第三篇 金属塑性加工金属塑性加工第一章第一章 金属的塑性变形金属的塑性变形 第一节第一节 金属塑性变形的实质金属塑性变形的实质 弹性变形：金属在外力作用下，其内部必将产生应力此应力迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了原子间的距离，使金属发生变形，并引起原子位能的增高但处于高位能的原子具有返回到低位能平衡位置的倾向因而当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失金属的这种变形称为弹性变形 塑性变形：当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服极限之后，即使外力停止作用，金属的变形并不消失，这种变形称为塑性变形 一、单晶体的塑性变形 单晶体内的滑移变形如图10-1所示。图10-2是由位错运动引起的塑型示意图 二、多晶体的塑性变形 工业中实际使用的金属大多是由许多微小晶粒组成的多晶体。其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形(称为晶内变形)的综合效果。同时，晶粒之间也有滑动和转动(称为晶间变形)，如图10-3所示 由此可知，金属内部有应力就会发生弹性变形应力增大到一定程度后使金属产生塑性变形。因此，塑性变形过程中一定有弹性变形存在当外力去除后，弹性变形将恢复，称“弹复”现象。这种现象对有些压力加工件的变形和工件质量有很大影响，必须采取工艺措施来保证产品的质量 第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 金属在常温下经过塑性变形后，其内部组织将发生变化：晶粒沿最大变形的方向伸长；晶粒与晶格均发生扭曲并产生内应力；晶粒间产生碎晶 金属的力学性能随其内部组织的改变而发生明显变化变形程度增大时，金属的强度及硬度升高，而塑性和韧性下降(图10-4)术语介绍：加工硬化：随变形程度增大，强度和硬度上升而塑性下降的现象称为冷变形强化，又称加工硬化。回复：随着温度的提高，原子因获得热能，热运动加剧，使原子得到回复正常排列，晶格扭曲被消除，内应力明显下降，加工硬化也得到部分消除这一过程称为“回复”如图10-5（b）。再结晶：当温度继续升高到该金属熔点绝对温度的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，按变形前的晶格结构结晶成新的晶粒，从而消除了全部冷变形强化现象这个过程称为再结晶如图10-5(c)这时的温度称为再结晶温度，即 T再=0.4 T熔 式中：以绝对温度表示的金属再结晶温度。冷变形：金属在再结晶温度以下的变形叫冷变形变形过程中无再结晶现象，变形后的金属具有加工硬化现象 热变形：金属在再结晶温度以上的变形叫热变形变形后，金属具有再结晶组织，而无加工硬化痕迹金属只有在热变形情况下，才能以较小的功达到较大的变形。图10-6是铸锭热变形前后的组织 压力加工过程中，常用锻造比(y)来表示变形程度 拔长时的锻造比为 Y拔=A0/A 镦粗时的锻造比为 Y镦=H0/H 式中：H0、A0-分别为坏料变形前的高度和横截面积；H、A -分别为坯料变形后的高度和横截面积。纤维组织的利用如图10-7 第三节第三节 金属的可锻性金属的可锻性 金属的可锻性是衡量金属材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一个工艺性能金属的可锻性好，表明该金属适合于经受压力加工成形可锻性差，说明该金属不宜于选用压力加工方法成形 金属的塑性用金属的断面收缩率、伸长率 等来表示。金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。一、金属的本质 1化学成分的影响 2金属组织的影响 二、加工条件 1.变形温度的影响 图10-8所示为低碳钢在不同温度时的机械性能变化曲线。从图中可看到，在300以上随温度升高，金属的塑性上升，变形抗力下降。即金属的可锻性增加。但温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废所以应该严格控制 图10-8 低碳钢的机械性能与温度变化的关系锻造温度 锻造温度范围系指始锻温度(开始锻造的温度)和终锻温度(停止锻造的温度)间的温度区间。始锻温度和终锻温度的确定以合金状态图为依据碳钢的始锻温度和终锻温度如图10-9所示。2变形速度的影响变形速度是指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量它对金属可锻性的影响是矛盾的，一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大(图10-10)，可锻性变坏另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图10-10中a点以后)，可锻性变好但热效应现象除高速锤锻造外，在一般压力加工的变形过程中，因速度低故不甚明显。3应力状态的影响 图10-11是不同变形方法的金属应力状态。同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力，可用图10-12进行示意说明：第二章 锻造 第一节第一节 自由锻自由锻 自由锻是利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁之间产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。1.自由锻的优缺点 2.自由锻的设备 一、自由锻工序 自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。1基本工序 它是使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工艺过程。如镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等。实际生产中常采用的是镦粗、拔长和冲孔三个工序。2辅助工序 是指进行基本工序之前的预变形工序。如压钳口、倒棱、压肩等 3整理工序 它是在完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸及位置精度的工序。二、自由锻工艺规程的制订 制订自由锻的工艺规程包括绘制锻件图，确定变形工步，计算坯料的重量和尺寸，选定设备和工具，确定锻造温度范围和加热、冷却及热处理的方法和规范等。1绘制锻件图 绘制锻件图应考虑以下几个因素(1)敷料 如图11-1(a)所示(2)加工余量 (3)锻件公差 锻件图的画法如图111(b)所示，2坯料质量及尺寸计算 坯料质量可按下式计算；G坯料=G锻件+G烧损+G烧损 式中 G坯料坯料质量；G锻件锻件质量；G烧损加热时坯料表面氧化而烧损的质量第一次加热取被加热金属的23，以后各次加热取1.52.0，G烧损在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的质量如冲孔时坯料中部的料芯修切端部产生的料头等 当锻造大型锻件采用钢锭作坯料时，还要考虑切掉的钢锭头部和钢锭尾部的质量。3选择锻造工序 选择自由锻造工序，主要是根据工序特点和锻件形状来确定，对一般锻件的大致分类及所采用的工序如表11-1所示。三，自由锻锻件结构工艺性 1锻件上具有锥体或斜面的结构，从工艺角度衡量是不合理的如图112(a)。因为锻造这种结构，必须制造专用工具，锻件成形也比较困难，使工艺过程复杂化，操作很不方便，影响设备的使用效率，所以要尽量避免。应改进设汁，如图11-2(b)。1.2 锻件由数个简单几何体构成时，几何体的交接处不应形成空间曲线，如图11-3(a)所示结构这种结构锻造成形极为困难。应改成平面与圆柱、平而与平面相接，如图10-3(b)，消除空间曲线结构，使锻造成形容易。1.3自由锻锻件上不应设计出加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面，如图11-4(a)。该种结构难以用自由锻方法获得。如果采用特殊工具或特殊工艺措施来生产，必将降低生产率，增加产品成本。将锻件结构改成如图11-4(b)所示结构，则工艺性好，经济效益大。1.4 锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，如图11-5(a)，应设计成由几个简单件构成的组合体每个简单件锻制成形后，再用焊接或机械连接方式构成整体零件，如图11-5(b)。四、高合金钢锻造特点 1，备料特点 2加热特点和锻造温度范围 (1)低温装炉，缓慢升温 (2)锻造温度范围窄 3锻造特点 (1)控制变形量 (2)增大锻造比 高 (3)变形要均匀 (4)避免出现拉应力 4.锻后冷却 锻后将工件放入灰坑或干砂坑中冷却，或放人炉中随炉冷却等。第二节第二节 模锻模锻 模锻 是将加热后的坯料放在锻模模膛内，在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法。与自由锻相比，模锻的优点是：1生产率较高 2模锻件尺寸精确、加工余量较小。3可以锻造出形状比较复杂的锻件，而且锻件的纤维组织比较完整 4.模锻生产可以比自由锻生产节省金属材料，减少切削加工工作量 一、锤上模锻 主要设备：锤上模锻所用 设备有蒸气-空气锤、无砧座锤、高速锤等。一般工厂中主要使用蒸气-空气锤(图11-6).各种吨位模锻所能锻制的模锻件质量如表112。(一)锻模结构 锤上模锻生产所用的锻模如图11-7所示 1 模锻模膛 (1)终锻模膛 图11-8为终锻后的模锻件(2)预锻模膛 2制坯模膛 如图11-9所示 第三节第三节 胎模锻造胎模锻造 胎模锻造是在自由锻设备上使用胎模生产模缎件的压力加工方法 胎模按其结构大致可分为扣模、套模及台模3种类型 1扣模 如图11-21 2套筒模 如图11-22 对于形状复杂的胎模锻件，则需在组合筒模内进行，使坯料在两个半膜的模膛内成形(图11-23)，锻后先取出两个半模再取出锻件。3合模如图11-24表11-3为阀体的胎模锻造工艺卡。坯料先镦粗，然后放人胎模中焖形及冲孔。第四节第四节 其他设备上的模锻其他设备上的模锻 一、曲柄压力机上模锻 齿轮曲柄压力机模锻 曲柄压力机是一种机械压力机，其传动系统如图11-25所示。曲柄压力机的吨位一般是200012000kN 二、摩擦压力机上模锻 摩擦压力机的工作原理如图11-27所示。在摩擦压力机上进行模锻，主要靠飞轮、螺杆及滑块向下运动时所积蓄的能量来实现。吨位为3500kN的摩擦压力使用较多，最大吨位可达10000kN第三章第三章 冲压冲压 第一节第一节 分离工序分离工序 分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。如落抖、冲孔，切断和修整等。一、落料及冲孔(统称冲裁)冲裁是使坯料按封闭轮廓分离的工序。落料时，冲落部分为成品，而余料为废料，冲孔是为了获得带孔的冲裁件而冲落部分是废料。1冲裁变形过程 冲裁时板料的变形和分离过程对冲裁件质量有很大影响。其过程可分为如下3个阶段(图121)。(1)弹性变形阶段 (2)塑性变形阶段 (3)断裂分离阶段 2凸凹模间隙 凸凹模间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量，也影响着模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度 间隙过大，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向里错开一段距离，因此光亮带小一些，剪裂带和毛刺均较大间隙过小时，材料中拉应力成分减小，压应力增强，裂纹产生受到抑制，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向外错开一段距离，上下裂纹不能很好重合，致使毛刺增大。间隙控制在合理的范围内，上下裂纹才能基本重合于一线，毛刺最小 间隙对卸料力、推件力也有比较明显的影响。间隙越大，则卸料力和推件力越小 当冲裁件断面质量要求较高时，应选取较小的间隙值对于冲裁件断面质量无严格要求时，应尽可能加大间隙，以利于提高冲模寿命。合理的间隙值可按表12-1选取。对于冲裁件断面质量要求较高时，可将表中数据减小13。合理间隙z的数值也可按下述经验公式算出：Z=mS 式中 S-材料厚度，mm；m-与材料性能及厚度有关的系数。实用中，材料较薄时,m可以选用如下数据：低碳钢，纯铁 m=0.06O.09；钢、铝合金 m=0.060.1；高碳钢 m=0.08O.12。当材料厚度S3mm时，由于冲裁力较大，应适当把系数m放大。对冲裁件断面质量没有特殊要求时，系数m可放大1.5倍。3凸、凹模刃口尺寸的确定 设计落料模时，应先按落料件确定凹模刃口尺寸，取凹模作设计基准件，然后根据间隙z 确定凸模尺寸(即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值)。设计冲孔模时，先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，取凸模作设计基准件，然后根据间隙z确定凹模尺寸(即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值)。4冲裁力的计算 平刃冲模的冲裁力按下式计算：P=KLS 式中 P冲裁力，N；L-冲裁周边长度，mm;S-坯料厚度，mm;-材料抗剪强度，MPa；K-系数。5 冲裁件的排样如图12-2 二、修整 修整冲裁件的外形称外缘修整。修整冲裁件的内孔称内缘修整(图12-3)。三、切断切断是指用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 第二节第二节 变形工序变形工序 变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。如拉深、弯曲、翻边、成型等。一、拉深 拉深过程如图12-4所示。板料在拉深过程中的变形过程和应力分布如图12-5所示 拉深件的壁厚在不同的部位有减薄或增厚的变化，如图12-6所示。图12-7(b)所示为拉穿缺陷 图12-8为多次拉深工艺。图12-9为有压边圈的拉深。二、弯曲 弯曲是坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序(图12-10)弯曲时材料内侧受压缩，而外侧受拉伸 弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直(图12-11)若弯曲线与纤维方向一致，则容易产生破裂 三、翻边 翻边是在带孔的平坯料上用扩孔的方法获得凸缘的工序(图12-12)四、成形 成形是使扳料或半成品改变局部形状的工序，包括压肋、压坑、翻边等 图12-13所示是用刚模压坑 图12-14所示用软模压肋。(图12-15)为刚模胀形。(图12-16)为软模胀形。第三节第三节 冲压模具冲压模具 冲模是冲压生产中必不可少的模具。冲模结构合理与否对冲压件质量、冲压生产的效率及模具寿命等都有很大的影响冲模基本上可分为简单模、连续模和复合模3种。一、简单冲模 它是在冲床的一次冲程中完成一个工序的冲模。图12-17所示为落料用的简单冲模。二、连续冲模 它是在冲床的一次冲程中，在模具的不同部位同时完成数道工序的模具(图12-18)。三、复合冲模 它是在冲床的一次冲程中，在模具同一部位同时完成数道工序的模(图12-19)。第四节 冲压零件的结构工艺性 冲压件的设计不仅应保证它具有良好的使用性能而且也应具有良好的工艺性能。以减少材料的消耗、延长模具寿命、提高生产率、降低成本及保证冲压件质量等。影响冲压件工艺性能的主要因素有：冲压件的形状、尺寸、精度及材料等。一、冲压件的形状和尺寸 1落料与冲孔的形状要力求简化、对称、尽量采用规则形状，并使排样时材料利用率最高。另外还应避开长槽与细长悬臂结构，否则制造模具困难并使模具寿命降低。2.冲裁件的结构尺寸(如孔径、孔距等)必须考虑材料的厚度(图12-21)。3.冲孔及落料件的两条直线相交处或直线与曲线的相交处，都应采用圆弧连接，以避免尖角处因应力集中而被冲模冲裂最小圆角半径值如表12-22所示。二、对拉深件的要求 1拉深件的外形应简单、对称，且不宜太高，以便减少拉深次数。2拉深件上转角处的最小允许半径如图12-22所示。若不按图中指给的数值时，将增加拉深次数及整形工作。三、对弯曲件的要求 1.弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径，并应考虑材料纤维方向，以免成形过程中弯裂。2弯曲边过短不易弯成形，故应使弯曲边的平直部分H2S(图12-23)如果要求H很短，则需先留出适当的余量又增大H，弯好后再切去多余材料。3弯曲带孔件时，为避免孔的变形，孔的位置应如图12-24所示，图中L应大于(1.5-2)S。四、简化工艺及节省材料的设计 对于形状复杂的冲压件，可以将其分成若干个筒单件，分别冲压后，再焊接成为整体组合件(图12-25)采用冲口工艺，以减少组合件数量(图12-26)，节省材料和简化工艺过程 在使用性能不变的情况下，应尽量简化拉深件结构，以达到减少工序、节省材料和降低成本的目的如消音器后盖经改进后(图12-27)，冲压工序由八道减少为两道工序，同时，节省材料50。五、冲压件的厚度 在强度、刚度允许的条件下，应尽可能采用较薄的材料来制作零件，以减少金属的消耗对局部刚度不够的部位，可采用加强筋，以实现薄材料代替厚材料(图12-28)。六、冲压件的精度和表面质量 冲压件的一般精度如下：落料不超过IT1O冲孔不超过IT9弯曲不超过IT1OIT9拉深高度尺寸精度为IT1O IT8，经过整形后可以达到IT7IT6直径尺寸精度为ITIOIT9。第四章第四章 特种塑性加工方法简介特种塑性加工方法简介 第一节第一节 精密模锻精密模锻 精密模锻是在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的锻造工艺。如精密锻造锥齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再切削加工。精密模锻件尺寸精度可达ITl5ITl2、表面粗糙度值Ra3.21.6m。图13-1是差速齿轮锻件图。精密模锻工艺特点；(1)精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料否则会增大锻件尺寸公差、降低精度。(2)精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其他缺陷等 (3)采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。(4)精锻模膛的精度必须比锻件精度高两级。精锻模应具有导柱导套结构，以保证合模准确。精锻模上应开有排气小孔，以减小金属的变形阻力，更好地充满模膛。(5)模锻进行中要很好地冷却锻模和进行润滑精密模锻一般都在刚度大、运动精度高的设备(如曲柄压力机、摩擦压力机、高速锤等)上进行，它具有精度高、生产率高、成本低等优点。第二节第二节 零件挤压零件挤压挤压是使坯料在挤压膜内受压被挤出模孔而变形的加工方法按金属的流动方向与凸模运动方向的不同，挤压可分为以下4种。(1)正挤压-金属的流动方向与凸模运动方向相同，如图13-2(a)。(2)反挤压-金属的流动方向与凸模运动方向相反，如图13-2(b)。(3)复合挤压-在挤压过程中，一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反，如图13-2(c)。(4)径向挤压-金属的流动方向与凸模运动方向呈90，如图13-2(d)挤压又可按坯料的挤压温度不同分为：(1)热挤压 挤压时，坯料变形的温度高于再结晶温度，与锻造温度相同。(2)冷挤压 挤压时坯料变形温度低于再结晶温度，经常是在室温下。图13-3所示为纯铁底座零件，长期以来是采用切削加工方法制造，工序多。改用冷挤压成形后，一次挤压成形，尺寸精度完全符合设计要求，表面粗糙值为Ral.40.8m。(3)温挤压 温挤压时金属坯料变形的温度介于室温和再结晶之间(100-800)(图13-4)电机不锈钢接头外壳挤压过程。零件挤压工艺具有如下特点。(1)挤压时金属坯料处于三向受压状态，可提高金属坯料的塑性，因而适合于挤压的材料 品种多，如非铁金属、碳钢、合金钢、不锈钢及工业纯铁等在一定的变形量下，某些高碳钢、轴承钢，甚至高速钢等也可进行挤压。(2)可制出形状复杂、深孔、薄壁和异型断面的零件。(3)挤压零件的精度可达IT7IT6，表面粗糙度值可达Ra3.20.4m，从而可达到少、无切屑加工的目的 (4)挤压变形后，零件内部的纤维组织基本上是沿零件外形分布而不被切断，从而提高了零件的力学性能 (5)节省原材料其材料利用率可达70生产率也较高，比其它锻造方法提高几倍。第三节第三节 零件轧制零件轧制 一、纵轧 它是轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法。包括各种型材轧制、辊锻轧制、辗环轧制等。1.辊锻轧制 如(图13-5)。2辗环轧制 如(图13-6)。二、横轧 它是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制方法。(图13-7)是热扎齿轮示意图。三、斜轧 斜轧亦称螺旋斜轧。它是轧辊轴线与坯料轴线相交一定角度的轧制方法。如钢球轧制如图13-8(b)、周期轧制如图13-8(a)、冷轧丝杆等。四、楔横轧 利用两个外表面镶有楔形凸块，并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法称为楔横轧(图13-9).楔形凸块展开后如图13-10所示。轧件变形过程如图13-11所示。楔横轧主要用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯(图13-12)。楔横轧有如下特点 (1)生产效率高轧辊每转一转或轧板在一个行程内即可生产出一个或数个产品。现有楔横轧轧辊的转数一般为每分钟1025转，因此轧机每小时可生产上千件 (2)产品精度高热轧件径向尺寸公差可控制在0.2mm以内，长度尺寸公差可达O1至lmm。采用高刚度轧机或冷轧，尺寸精度还可以提高，甚至可以达到无屑加工要求。(3)设备投资少，模只寿命高。此外，生产中无冲击、噪声小，易于实现机械化与自动化。目前，权横轧在我国发展很快，主要用于大批量生产阶梯轴、锥形轴等对称形零件或毛坯 第四节第四节 超塑性成形超塑性成形 目前常用的超塑性成形材料主要是锌铝合金、铝基合金、钛合金及高温合金 一、超塑性的种类 1动态超塑性(相变超塑性或环境超塑性)这类超塑性不要求材料有超细的晶粒度，主要条件是在材料的相变或同素异构转变温度附近经过多次温度循环，则可以获得大延伸率 2静态超塑性(细晶粒超塑性或恒温超塑性)。实现细晶粒超塑性的必要条件是：(1)特定的等温变形，超塑性的变形温度一般在绝对熔点温度的(0.50.7)T熔左右。(2)极低的变形速度，超塑性的应变速率通常在l0-1一l0-5s之间。(3)常用形变和热处理的方法获得几个微米(10)的等轴细晶粒，晶粒大小是影响超塑延伸率的重要因素。二、超塑性成形工艺的应用及特点 目前常用的成形材料主要是锌铝合金、铝基合金、铜合金、钛合金及高温合金。不同材料具不同的超塑性变形温度如表13-1所示(一)超塑性成形工艺的应用 1板料冲压 如图13-13所示零件，该零件直径较小，但很高。选用超塑性材料可以一次拉深成形，质量很好，零件性能无方向性 2板料气压成形 如图13-14所示。3挤压和模锻 (二)超塑性模锻工艺特点 1扩大了可锻金属材料的种类如过去只能采用铸造成形的镍基合金，也可以进行超塑性模锻成形 2金属填充模膛的性能好，可锻出尺寸精度高、机械加工余量很小，甚至不用加工的零件。3能获得均匀细小的晶粒组织，零件机械性能均匀一致。4金属的变形抗力小、可充分发挥中、小设备的作用。总之，利用金属及合金的超塑性，为制造少、无屑零件开辟了一条新的途径。