材料成型技术-第三章-固态材料塑性成型过程

第三章 固态材料塑性成型过程,31 概述,一、金属固态塑性成形过程的概念及特点 1、概念 金属塑性变形是利用金属材料塑性变形规律，施加外力使之产生塑性变形而获得所需形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工工艺。 定义要点： （1） 金属塑性变形是有规律的。 （2）工艺目的不但包含形状和尺寸，同时包含力学性能。,2、塑性成形特点： （1）能改善金属的组织； （2）可提高材料利用率； （3）加工精度较高； （4）生产率较高。,s,弹性变形,塑性变形,二、金属塑性成形过程应满足的基本条件 要实现金属材料的塑性成形，必须要有两个基本成形条件，即 (1)被成形的金属材料具备一定的塑性。 (2)要有外力作用于固态金属材料上。 另外，外界条件(如温度等)对内外因素有相当大的影响，且成形过程中两因素相互影响。,三、工业中常用的金属塑性成形方法概述,1、轧制 将金属通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材(如钢板、圆钢、角钢、槽钢等)的加工方法。,2、挤压 将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法。 挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减小，坯料长度增加。挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。,3、拉拔 将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、其断面与模孔相同的加工方法。 它主要用于生产各种细线材、薄壁管和一些特殊截面形状的型材。,4、自由锻造 将加热后的金属坯料置于上下砧铁间受冲击力或压力而变形的加工方法。 5、模型锻造(又叫模锻) 将加热后的金属坯料置于具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。 6、板料冲压 金属板料在冲压模之间受压产生分离或变形而形成产品的加工方法。,四、金属固态成形的分类 按金属固态成形时的温度，其成形过程分为两大类： 冷变形 T塑T再结晶,1、加工硬化 金属在室温下塑性变形，由于内部晶粒沿变形最大方向伸长并转动、晶格扭曲畸变以及晶内、晶间产生碎晶的综合影响，增加了进一步滑移变形的阻力，从而引起金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。亦称为冷作硬化。 加工硬化是强化金属的重要方法之一。纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，如低碳钢、纯铜、防锈铝、奥氏体不锈钢、高锰钢等，可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。,加工硬化对金属组织性能的影响： 压力加工中，加工硬化增大了材料继续变形的阻力。 通过加工硬化可以提高金属强度、硬度和耐磨性。 加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向。,2、回复与再结晶 加工硬化是一种不稳定现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向。但在常温下，多数金属的原子扩散能力很低，加工硬化不会自发消除。而将硬化金属加热后，将相继发生回复、再结晶和晶粒长大现象，金属的组织和性能也随之变化。,回复 随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减小，内应力降低，但金属组织还没有显著变化的现象。 T回=（0.250.3）T熔 回复的应用： 经冷拉的钢丝卷成弹簧后的低温回火（加热到250300）,青铜丝弹簧加工后的回火处理(加热到120125)。,再结晶 随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或杂质为核心形成新的晶粒，从而消除了加工硬化的现象。 T再=0.4T熔,3、冷变形(又叫冷成形过程)冷变形是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。 冷变形的特征是： （1）金属变形后具有加工硬化现象。即金属的强度、硬度升高，塑韧度下降。 （2）冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。 （3）对于那些不能或不易用热处理方法提高强度、硬度的金属构件，特别是薄壁细长件，利用金属在成形过程中的加工硬化来提高构件的强度和硬度，则有效而经济。例如各类冷冲压件、冷轧冷挤型材、冷卷弹簧、冷拉线材、冷镦螺栓等等，可见冷变形加工在各行各业中应用广泛。,4、热变形(又叫热成形过程) 热变形是指金属在进行塑性变形时的温度高于该金属的再结晶温度。 特征： 金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑性变形。又因高温下金属的屈服强度较低，故变形抗力低，易变形。 热变形使金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压实，粗大(树枝状)的晶粒组织结构被再结晶细化，从而使金属内部组织结构致密细小，力学性能(特别是韧性)明显改善和提高。 成形后，材料的力学性能具有方向性。,30号钢锻造状态与铸造状态力学性能比较,32 金属塑性成形过程的理论基础,一、金属塑性变形的能力 金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易程度。 金属的可锻性好，表明该金属适合于塑性加工成形；可锻性差，说明该金属不宜于选用塑性成形加工。 可锻性常用金属的塑性指标(延伸系数和断面减缩率)和变形抗力来综合衡量，塑性指标越高，变形抗力越低，则可锻性越好。 金属可锻性的优劣受金属本身性质和变形加工条件的综合影响。,1、金属本身的性质 （1）化学成分的影响 不同种类的金属以及不同成分含量的同类金属材料的塑性是不同的。铁、铝、铜、镍、金、银等的塑性好；一般情况下，纯金属的塑性比合金的好；低碳钢的塑性比中高碳钢的好；碳素钢的塑性又比含碳量相同的合金钢的好。 （2）内部组织的影响 金属内部组织结构的不同，其可锻性有较大的差异。纯金属及固溶体(如奥氏体)组成的单相组织比多相组织的塑性好，变形抗力低；均匀细小的晶粒比铸态柱状晶组织和粗晶组织的可锻性好。,2、变形的加工条件 （1）变形温度的影响 就大多数金属材料而言，提高金属塑性变形时的温度，金属的塑性指标(延伸系数和断面减缩率)增加，变形抗力降低，是改善或提高金属可锻性的有效措施，故热变形中，都要将金属预先加热到一定的温度。 热变形中对金属加热还应使金属在加热过程中不产生微裂纹、过热(金属内晶粒急剧长大的现象)、过烧(晶粒间低熔点物质熔化，变形时金属发生破裂)，及出现严重氧化等缺陷，而且温度均匀，加热时间较短和节约燃料等。,为保证金属在热变形过程中具有最佳变形条件以及热变形后获得所要求的内部组织，须正确制定金属材料的热变形加热温度范围。,碳钢的始锻温度(开始锻造温度)比固相线温度低200左右，过高会产生过热甚至过烧现象；终锻温度(停止锻造温度)约为800，过低会因出现加工硬化而使塑性下降，变形抗力剧增，变形难于进行。,（2）变形速度的影响 变形速度指单位时间内的变形程度。它对金属可锻性的影响是比较复杂的。（临界值B） 一方面因变形速度的增大，会使再结晶来不及克服加工硬化现象，金属表现出塑性指标和下降、变形抗力增大，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换成热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。若变形速度足够大，热效应现象很明显，又使金属的塑性指标和提高、变形抗力下降，可锻性变好。,（3）应力状态的影响 金属材料在经受不同方法进行变形时，所产生的应力大小和性质(指压应力或拉应力)是不同的。 实践证明，金属塑性变形时，三个方向中压应力的数目越多，则金属表现出的塑性越好；拉应力的数目多，则金属的塑性就差。 压应力状态下塑性变形，金属内摩擦加剧，变形抗力增大； 金属材料塑性较低时，尽量在压应力状态下进行变形。,二、金属塑性变形的基本规律 1、体积不变定理 金属固态成形加工中金属变形后的体积等于变形前的体积，称为体积不变定理(又叫质量恒定定理)。因此在每一工序中，坯料一个方向尺寸减小，必然在其他方向尺寸有所增加。 2、最小阻力定律 金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动，称为最小阻力定律。因此，金属有可能向各个方向变形时，则最大的变形将向着大多数质点遇到的最小阻力的方向。,331 自由锻,常用的锻造方法有自由锻、模锻和胎模锻造。 自由锻造(又称自由锻)是利用冲击力或压力使金属材料在上下两个砧铁之间或锤头与砧铁之间产生变形，从而获得所需形状、尺寸和力学性能的锻件的成形过程。,一、自由锻成形的过程特征 成形过程中坯料的整体或局部发生塑性成形，金属坯料在水平方向可自由流动，不受限制。 自由锻要求被成形材料(黑色金属或有色金属)在成形温度下具有良好的塑性。 自由锻锻件的形状取决于操作者的技术水平。 工具简单，操作方便，通用性大。 自由锻存在生产率低、金属损耗大和劳动条件较差等缺点。 适用于形状简单的单件小批量毛坯成形，特别是重、大型锻件的生产。,二、锻压设备 自由锻可使用多种锻压设备(如空气锤、蒸气锤、电液锤、机械压力机和液压机等)，锻造工具简单且通用性大，操作方便。,1、空气锤 空气锤的吨位(锤头重量）一般为65-750Kg。它的特点是结构较简单，操作方便，维护容易，设备投资少，吨位不大，适用于生产小型锻件。,2、蒸汽-空气锤 它是利用0.70.8 MPa压力的蒸汽或0.60.8MPa 的压缩空气来工作的。,3、水压机 水压机也是特大型锻件自由锻造的主要设备。常用水压机的压力为5000-150000KN（50015000 t），可以锻造质量为1300t的锻件。,三、自由锻成形过程 自由锻成形过程的流程如下：,1、绘制锻件图 绘制锻件图是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，锻件图是组织生产过程、制定操作规范、控制和检查产品品质的依据。 绘制锻件图要考虑下列因素： （1）敷料 敷料是为了简化锻件形状便于锻造而增添的金属部分。零件上一些较小的凹挡、台阶、凸肩、小孔、斜面、锥面等都应进行适当的简化，以减少锻造的困难，提高生产率。,（2）加工余量 由于自由锻锻件的尺寸精度低、表面品质较差，需再经切削加工才能成为零件，所以，应在零件的加工表面上增加供切削加工用的金属部分，称为加工余量。锻件加工余量的大小与零件的形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等因素有关。通常自由锻锻件的加工余量为46mm。 （3）锻件公差 锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量。规定锻件的公差，有利于提高生产率。自由锻锻件的公差一般为12mm。 自由锻锻件机加工余量和自由锻锻件公差的具体值可查锻造手册。,为了使锻工了解零件的形状和尺寸，有些工厂或企业直接在零件图上绘制锻件图，有些则另绘制锻件图并在锻件图上用双点划线画出零件主要轮廓形状和在锻件尺寸线下面用括弧标注出零件的名义尺寸。,例如下图所示的双联齿轮，批量为10件月，材料为45号钢。 该双联齿轮属小批量生产，故采用自由锻。但因25mm的孔放机加工余量后小于20mm，无法锻出(即用敷料)，退刀槽用敷料，半径上机加工余量放3.5mm，高度上机加工余量放3mm，锻件公差取1mm。,双联齿轮,锻件图,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料头 式中： G坯料坯料质量； G锻件锻件质量； G烧损加热时因坯料表面氧化而烧损的质量。通常，第一次加热取被加热金属的23，以后各次加热取1.52； G料头指在锻造中被切掉或冲掉的那部分金属质量。如用铸锭(如钢锭)时，则要考虑切掉钢锭头部和尾部的质量。,对于中、小型锻件，都用型材(使用最多的是圆钢)，这样可不考虑料头因素，故可将上式简化为： G坯料(1十K) G锻件 K是一个与锻件形状有关的系数。 对于实心盘类锻件，K23； 对于阶梯轴类锻件，K810； 对于空心类锻件，K1012； 对于其他形状的锻件，可视其复杂程度参照上述三类锻件取K值。 锻件的质量是根据锻件的名义尺寸来计算的。 即 G锻件= V锻件 式中： 金属的密度； V锻件锻件体积。,在坯料质量求出后，需计算坯料的尺寸。对于圆型材料(如圆钢)： （1）当锻件锻造的第一工序为镦粗时，则,这是因为在体积一定的情况下，坯料高度过大，则直径较小，镦粗时易镦弯；而直径过大，则下料困难且锻造效果不好。,要注意的是，圆钢直径的大小是有标准的，如25，30，35，40，如计算的坯料直径D与圆钢标准直径不符，则应将坯料直径就近取成圆钢直径，然后再重新计算坯料高度H或长度L。,齿轮轴的锻件坯料质量和尺寸计算,3、选择锻造工序、确定锻造温度和冷却规范等 （1）选择锻造工序 自由锻中可进行的工序较多，通常分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。 自由锻的基本工序是使坯料产生一定程度的热变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的成形过程。基本工序有镦粗(坯料高度减小而截面增大)、拔长(坯料截面减小而长度增大)、冲孔、切割、弯扭和错移等。 辅助工序是为了基本工序便于操作而进行的预先变形工序，如压肩、倒棱等。 精整工序是用以改善锻件表面品质而进行的工序，如整形、清除表面氧化皮等。精整工序用于要求较高的锻件，它是在终锻温度以下进行。,锻件分类及锻造用工序,（2）锻造温度范围及加热冷却规范 金属的锻造是在一定温度范围内进行的。一些常用金属材料的锻造温度范围见下表,加热设备：箱式加热炉、电加热炉 加热规范： 对塑性良好的中小型低碳钢坯料，可把冷的坯料直接送入高温的加热炉中，尽快加热到始锻温度。这样不仅可提高生产率，而且可以减少坯料的氧化和钢的表面脱碳，并防止过热。 对热导率和塑性较低的大型合金钢坯料，常采用分段加热，即先将坯料随炉升温至800左右，并适当保温以待坯料内部组织和内外温度均匀。然后再快速升温至始锻温度并在此温度下保温，待坯料内外温度均匀后出炉锻造。,锻件冷却方式常用下列三种： 直接在空气中冷却(简称空冷)。此法多用于WC0.5%的碳钢和WC 0.3%的低合金钢中小锻件。 在炉灰或干砂中缓冷。多用于中碳钢、高碳钢和大多数低合金钢的中型锻件。 随炉缓冷。锻后随即将锻件放入500700的炉中随炉缓冷，多用于中碳钢和低合金钢的大型锻件以及高合金钢的重要锻件。,4、自由锻典型过程举例 齿轮轴自由锻过程,四、自由锻件结构技术特征 自由锻件的几何形状受到很大限制。因此，在保证使用性能的前提下，为简化锻造过程，保证锻件品质，提高生产率，在零件结构设计时应尽量满足自由锻的技术特征要求。零件结构设计时应注意以下原则：,1、自由锻件上应避免锥体、曲线或曲面交接以及椭圆形、工字形截面等结构。 因为锻造这些结构须制备专用工具，锻件成形也比较困难，使锻造过程复杂，操作极不方便。,(a)成形性好的结构 (b)成形性差结构,2、自由锻件上应避免加强筋、凸台等结构。 因为这些结构难以用自由缎获得。若采用特殊工具或技术措施来生产，必将大大增加锻件成本，降低生产率。,(a)成形性差的结构 (b)成形性好的结构,3、当锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时，可采用特别的技术措施或工具；或者将其设计成几个简单件构成的组合件，锻造后再用焊接或机械连接方法将几个简单锻件连成整体件。,332 模型锻造,模型锻造包括模锻和镦锻，是将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形而获得锻件的成形过程。,一、模型锻造成形过程特征 模型锻造时坯料是整体塑性成形，坯料三向受压。坯料放于固定锻模模膛中，当动模作合模运动时(一次或多次)，坯料发生塑性变形并充满模膛，随后，模锻件由顶出机构顶出模膛。热成形要求被成形材料在高温下具有较好的塑性，而冷成形则要求材料具有足够的室温塑性。热成形过程主要是模锻，可生产各种形状的锻件，锻件形状仅受成形过程、模具条件和锻造力的限制。,热成形模锻件的精度和表面品质除锻模的精度和表面品质外，还取决于氧化皮的厚度和润滑剂等，一般都符合要求，但要得到零件配合面最终精度和表面品质还须再进行精加工(如车削、铣削、刨削等)； 冷成形件则可获得较好的精度(0.2mm)与表面品质，几乎可以不再进行或少进行机械加工。,模锻可使用多种锻压设备(蒸汽锤、机械压力机、液压机、卧式机械镦锻机等)，所需设备要根据生产量和实际采用的成形过程来选择。 模锻广泛用于飞机、机车、汽车、拖拉机、军工、轴承等制造业中，最常见的零件是齿轮、轴、连杆、杠杆、手柄等。但模锻常限于150kg以下的零件。由于锻造造价高，制造周期长，故模型锻造仅适宜于大批量生产。,二、模锻过程 模锻生产过程的流程如下：,1、绘制模锻件图 模锻件图(又叫模锻过程图)是生产过程中各个环节的指导性技术文件。在制订模锻件图时应考虑的因素有： （1）分模面 分模面指上、下锻模在锻件上的分界面。 锻件分模面选择的好坏直接影响到锻件的成形、锻件出模、锻模结构及制造费用、材料利用率、切边等一系列问题。在制订模锻件图时，须遵照下列原则确定分模面位置。 要保证模锻件易于从模膛中取出。故通常分模面选在模锻件最大截面上。 所选定的分模面应能使模膛的深度最浅。这样有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。 选定的分模面应能使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，这样在安装锻模和生产中发现错模现象时，便于及时调整锻模位置。 分模面最好是平面，且上下锻模的模膛深度尽可能一致。便于锻模制造。 所选分模面尽可能使锻件上所加的敷料最少。这样既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。,图中c-c面满足上述原则。,（2）加工余量、锻件公差和敷料 模锻件的尺寸精度较好，其余量和公差比自由锻件的小得多。小型模锻件的加工余量一般在24mm，锻件公差一般为0.51mm。模锻件加工余量及模锻件公差可查锻造手册或其他工程手册。 对于孔径d25mm的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮；冲孔连皮厚度与孔径有关，当孔径为3080mm时，连皮厚度为48mm。,（3）模锻斜度： 模锻件上凡平行于锻压方向的表面(或垂直于分模面的表面)都须具有斜度，这样便于从模膛中取出锻件。 常用的模锻斜度系列为：3， 5，7，10，12，15。 模锻斜度与模膛深度有关，模膛深度与宽度的比值(h /b)越大，取较大的斜度值。 内壁斜度应比外壁斜度大25。 在具有顶出装置的锻压机械上，其模锻件上的斜度比没有顶出装置的小一级。,（4）模锻件圆角半径： 模锻件上凡是面与面相交处均应做成圆角，这样，可增大锻件强度，利于锻造时金属充满模膛，避免锻模上的内尖角处产生裂纹，减缓锻模外尖角处的磨损，提高锻模的使用寿命。 钢质模锻件： 外圆角半径r取1.512mm； 内圆角半径比外圆角半径大23倍。 模膛深度愈深，圆角半径取值就要越大。,例 齿轮，材料为45钢，产量为3000件月，故选用模锻。 该件25的孔不锻出(因放机加工余量后孔径25)，外径的加工余量放4mm(半径上放2mm)，高度上加工余量放2.5mm。分模面如图所示。凡垂直于分模面的立壁均放模锻斜度5o，如图所示。,2、坯料质量和尺寸计算 模锻件坯料质量模锻件质量+氧化烧损质量+飞边(连皮)质量。 飞边质量的多少与锻件形状和大小有关，一般可按锻件质量的2025计算。 氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的34计算。 其他规则可参照自由锻坯料质量及尺寸计算。,3、模锻工序的确定 （1）轮盘类模锻件 指圆形或宽度接近于长度的锻件，如齿轮、十字接盘、法兰盘等。 这类模锻件终锻时金属沿高度和径向或长度、宽度方向均产生流动。 一般的轮盘类模锻件，采用镦粗和终锻工序； 对于一些高轮毂、薄轮辐的模锻件，采用镦粗预锻终锻工序。,（2）长轴类模锻件 这类锻件的长度与宽度之比较大，如主轴、传动铀、转轴、销轴、曲轴、连杆、杠杆、摆杆等等。终锻时金属沿高度与宽度方向流动沿长度方向流动不大。 长轴类模锻件工序选择有： 预锻终锻； 滚压预锻终锻； 拔长滚压一预锻一终锻； 拔长滚压弯曲预锻终锻等。 工序越多，锻模的模膛数就越多，这样，锻模的设计和制造加工就越难，成本也就越高。,4、修整工序 由锻模模腔锻出的模锻件，尚需经过一些修整工序才能得到符合要求的锻件。修整工序有： （1）切边与冲孔 刚锻制成的模锻件，通常其周边都带有横向飞边，有通孔的锻件还有连皮。须用切边模和冲孔模在压力机上将飞边和连皮从锻件上切除。,（2）校正 在切边及其他工序中有可能引起锻件变形。因此对许多锻件特别是形状复杂的锻件在切边(冲连皮)之后还需进行校正。校正可在锻模的终锻模膛或专门的校正模内进行。 （3）热处理 模锻件进行热处理的目的是为了消除模锻件的过热组织或加工硬化组织、内应力等，使模锻件具有所需的组织和性能。热处理一般用正火或退火。 （4）清理 清理是去除在生产过程中形成的氧化皮、所沾油污及其他表面缺陷，以提高模锻件的表面品质。清理有下列几种方法：滚筒打光、喷丸清理、酸洗等。,5、锻模模膛 模膛按其功用分为模锻模膛和制坯模膛两大类： （1）模锻模膛 模锻模膛分为终锻模膛和预锻模膛两种。 终锻模膛 作用：使坯料最后变形到锻件所要求的尺寸， 形状：与锻件形状相同。,特点： 因锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量，钢件一般取1.2%1.5%。 沿模膛四周有飞边槽，其作用主要是促使金属充满模膛，增加金属从模膛中流出的阻力，同时容纳多余的金属。 对于具有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模的突出部分把金属完全挤压形成通孔，故终锻后在孔内会留下一薄层金属即冲孔连皮。把飞边和连皮切除后得到模锻件。,预锻模膛 作用： 使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，这样再进行终锻时，金属容易充满终锻模膛，同时也减小了终锻模膛的磨损，延长其使用寿命。 特点： 预锻模膛和终锻模膛的主要区别是，前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。 对于形状简单或批量不太大的模锻件可不设置预锻模膛。,（2）制坯模膛 对于形状复杂的模锻件(尤其是长轴类模锻件)，为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布和很好地充满模膛，须预先在制坯模膛内制坯，然后再进行预锻和终锻。 制坯模膛有： 拔长模膛 它是用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度，当模锻件沿轴向横截面相差较大时，用这种模膛进行拔长。,(a)开式 (b)闭式,滚压模膛 用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。它主要是使金属按模锻件形状分布。 弯曲模膛 对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛来弯曲坯料。坯料可直接或先经其他制坯工序后再放入弯曲模腔内进行弯曲变形。,滚压模膛(a)开式 (b)闭式,弯曲模膛,切断模膛 它是在上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属。,此外，尚有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。,根据模锻件的复杂程度，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。,弯曲连杆多膛模锻 (a)锻件图 (b)锻模 (c)模锻过程 (d)切边模 1-料坯；2-拔长模膛；2-拔长；3-滚压模膛； 3-滚压；4-弯曲模膛；4-弯曲；5-预锻模膛；5-预锻；6-终锻模膛；6-终锻；7-切边；8-锻件,6、金属在模膛内的变形过程 将金属坯料置于终锻模膛内，从锻造开始到金属充满模膛锻成锻件为止，其变形过程可分为三个阶段。现以锤上模锻盘类锻件为例来说明。 （1）充型阶段 在最初的几次锻击时，金属在外力的作用下发生塑性变形，坯料高度减小，水平尺寸增大，并有部分金属压入模膛深处。这一阶段直到金属与模膛侧壁接触达到飞边槽桥口为止。 特点：模锻所需的变形力不大，,（2）形成飞边和充满阶段 继续锻造时，由于金属充满模膛圆角和深处的阻力较大，金属向阻力较小的飞边槽内流动，形成飞边。此时，模锻所需的变形力开始增大。随后，金属流入飞边槽的阻力因飞边变冷而急速增大，当这个阻力一旦大于金属充满模膛圆角和深处的阻力时，金属便改向模膛圆角和深处流动，直到模膛各个角落都被充满为止。 这一阶段的特点是飞边进行强迫充填，变形力迅速增大。,（3）锻足阶段 如果坯料的形状、体积及飞边槽的尺寸等工艺参数都设计得恰当， 当整个模膛被充满时，也正好锻到锻件所需高度。但是，由于坯料体积总是不够准确且往往都偏多，或者飞边槽阻力偏大，导致模膛已经充满，但上、下模还未合拢，需进一步锻足。 这一阶段的特点是变形仅发生在分模面附近区域，以便向飞边槽挤出多余的金属。,变形力与行程关系 充型阶段、形成飞边和充满阶段 、锻足阶段,飞边的作用 飞边有三个作用： 强迫充填； 容纳多余的金属； 减轻上模对下模的打击，起缓冲作用。,影响金属充满模膛的因素有： 金属的塑性和变形抗力。显然，塑性高、变形抗力低的金属较易充满模膛。 金属模锻时的温度。金属的温度高，则其塑性好、抗力低，易于充满模膛。 飞边槽的形状和位置。飞边槽部宽度与高度之比(bh)及槽部高度h是主要因素。(b/h)越大，h越小，则金属在飞边流动阻力越大。强迫充填作用越大，但变形抗力也增大。 锻件的形状和尺寸。具有空心、薄壁或凸起部分的锻件难于锻造。锻件尺寸越大，形状越复杂，则越难锻造。 设备的工作速度。一般而言，工作速度较大的设备其充填性较好。 充填模膛方式。镦粗比挤压易充型。 其他如锻模有无润滑、有无预热等。,7、模锻件结构技术特征 为了确保锻件品质，利于模锻生产和降低成本、提高生产率，设计模锻件时，应在保证零件使用要求时前提下，结合模锻过程特点，使零件结构符合下列原则： （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、锻模制造容易。 （2）零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、高凸起等结构，以便于金属充满模膛和减少工序。 （3）尽量避免有深孔或多孔结构。 （4）在可能的情况下，对复杂零件采用锻-焊组合，以减少敷料，简化模锻过程。,333 胎模锻造,一、定义 胎模锻造是在自由锻造设备上使用不固定在设备上的各种称为胎模的单膛模具，将已加热的坯料用自由锻方法预锻成接近锻件形状，然后用胎模终锻成形的锻造方法。,二、胎模锻的特点及应用 1、优点： 与自由锻相比，胎模锻具有锻件品质较好(表面光洁、尺寸较精确、纤维分布合理)、生产率高和节约金属等优点。 与固定锻模的模锻相比，胎模锻具有操作比较灵活、胎模模具简单、容易制造加工、成本低 和生产准备周期短等优点。 2、缺点： 胎模锻件与模锻件相比，表面品质较差、精度较低、所留机加工余量大、操作者劳动强度大、生产率和胎模寿命较低等。 3、应用 胎模锻广泛用于中、小批量的中、小型锻件的生产。,三、胎模的种类 1、扣模 用于锻造非回转体锻件，具有敞开的模膛，锻造时工件一般不翻转，不产生毛边。既用于制坯，也用于成形。,2、套筒模 主要用于回转体锻件如齿轮、法兰等。,3、合模 合模一般由上、下模及导向装置组成，用来锻造形状复杂的锻件。锻造过程中多余金属流入飞边槽形成飞边。合模成形与带飞边的固定模模锻相似。,341板料成形概述,一、定义 板料成形(又叫板料冲压)是利用压力装置和模具使板材产生分离或塑性变形，从而获得成形件或制品的成形方法。 金属板料的厚度 6mm，常温冷成形。 只有金属板料的厚度8mm时，才采用热成形。,二、板料冲压特点 1、 生产率高(靠模具设备成形，操作简便，易实现“两化”)。 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、加工成本低。 6、采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理。,三、 应用 冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件，又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。 占全世界钢产60%-70%以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。 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。 成形原材料：低碳钢、高塑性合金钢、铜、铝、镁等金属材料；石棉板、硬橡皮、绝缘纸等非金属材料。,四、冷成形(冷冲压)过程的一般流程,五、板料成形方法分类 按特征分为： 分离（冲裁）过程 成形过程,342 板料分离过程,分离过程是使坯料一部分相对于另一部分产生分离而得到工件或者料坯。如落料、冲孔、切断、修整等。,分离过程多用于生产有孔的、形状简单的薄板件(一般铝板3mm，钢板1.5mm)以及作为成形过程的先行工序或者为成形过程制备料坯。 分离过程所得到的制品精度较好，通常不需切削加工，表面品质与原材料相同；所用设备为机械压力机。,一、落料与冲孔 落料和冲孔又统称为冲裁。落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。落料是被分离的部分为所需要的工件，而留下的周边部分是废料；冲孔则相反。 为能顺利地完成冲裁过程，要求凸模和凹模都应有锋利的刃口，且凸模与凹模之间应有适当的间隙Z。,1、金属板料冲裁成形过程 开始时，金属板料被凸模(又叫冲头)下压略有弯曲，凹模上的板料略有上翘，随着冲压力加大，在较大剪切应力作用下，金属板料在刃口处因塑性变形产生加工硬化，且在刃口边出现应力集中现象，使得金属的塑性变形进行到一定程度时，沿凸凹模刃口处开始产生裂纹，当上下裂纹相遇重合时，坯料被分离。 冲裁件被剪断分离后，其断裂面分成两部分。塑性变形过程中，由冲头挤压切入所形成的表面很光滑，表面品质最佳，称为光亮带。材料在剪断分离时所形成的断裂表面较粗糙，称为剪裂带。,2、凸凹模间隙(Z) 凸凹模间隙不仅影响冲裁件断面品质，且影响模具寿命、卸料力、冲裁力、冲裁件尺寸精度等。 间隙过小，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向外错开，上下裂纹不能很好重合，导致毛刺增大。 间隙过大，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向内错开，因此光亮带小一些，剪裂带和毛刺均较大。 冲裁过程中，凸模与冲孔之间，凹模与落料之间均有摩擦，间隙越小，摩擦越严重。过小的间隙对延长模具使用寿命很不利。,Z值选取原则： 选择合理的间隙对冲裁生产是很重要的。选用时主要考虑冲裁件断面品质和模具寿命这两个因素。 当冲裁件断面品质要求较高时，应选取较小的间隙值。 对冲裁件断面品质无严格要求时，应尽可能加大间隙，以利于提高冲模寿命。,合理间隙Z的数值可按经验公式计算： Z=mS 式中 S材料厚度； m与材质及厚度有关的系数。 实用中，板材较薄时，m可按如下数据选用： 低碳钢、纯铁 m0.060.09 铜、铝合金 m0.060.10 高碳钢 m0.080.12 当板料厚度S3mm时，因冲裁力较大，应适当放大系数m。对冲裁件断面品质无特殊要求时，系数m可放大1.5倍。,3、凸、凹模刃口尺寸确定 设计落料时，凹模刃口尺寸即为落料件尺寸，然后用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值。 设计冲孔模时，凸模刃口尺寸为孔的尺寸，然后用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值。 为保证零件的尺寸要求，提高模具的使用寿命，落料时取凹模刃口的尺寸应靠近落料件公差范围的最小尺寸；而冲孔时则取凸模刃口的尺寸靠近孔的公差范围内的最大尺寸。,4、冲裁力的计算 冲裁力是选用设备吨位和检验模具强度的一个重要依据。计算准确，有利于发挥设备的潜力。计算不准确，则有可能使设备超载而损坏，严重时造成事故。 对于平刃冲模的冲裁力可按下式计算： Pk LS 式中 P冲裁力； L冲裁周边长度； S板料厚度； 材料抗剪切强度； k系数。 系数k是考虑到实际生产中的各种因素而给出的一个修正系数。这些因素有：模具间隙的波动和不均匀、刃口的钝化、板料力学性能及厚度的变化等。根据经验一般取k=1.3。,二、切断 切断是指用剪刃或冲模将板料或其他型材沿不封闭轮廓进行分离的工序。 切断用以制取形状简单、精度要求不高的平板类工件或下料。,三、修整 如果零件的精度和表面粗糙要求较高，则需用修整工序将冲裁后的孔或落料件的周边进行修整，以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，以提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。 修整所切除的余量很小，一般每边约为0.050.2mm，粗糙度可达Ra1.60.8mm，精度可达IT7IT6。实际上，修整工序的实质属于切削过程，但比机械加工的生产率高得多。,343 板料成形过程,成形过程是使坯料发生塑性变形而成一定形状和尺寸的工件。主要有拉深、弯曲、翻边和成 形等。,一、拉深 拉深是将平板板料放在凹模上，冲头推压金属料通过凹模形成杯形工件的过程。,1、过程特点 一维成形，拉伸应力状态。一般可获得较好的精度(公差0.5D)和接近原材料的表面品质。 2、材料要求 具有足够的塑性。如果变形较大，工件进行中间退火。 3、机械设备 广泛使用的是液压机，也可使用机械压力机。 4、应用 冷拉深广泛用于生产各种壳、柱状和棱柱状杯等，例如：瓶盖、仪表盖、罩、机壳、食品容器等；热拉深通常用于生产厚壁筒形件，如：氧气瓶、炮弹壳、桶盖、短管等。,5、拉深用的模具,拉深用的模具构造与冲裁模相似，主要区别在于工作部分凸模与凹模的间隙不同，拉深的凸凹模上没有锋利的刃口。 凸模与凹模之间的间隙Z应大于板料厚度S，一般Z(1.11.3)S。 Z过小，模具与拉深件间的摩擦增大，易拉裂工件，擦伤工件表面，降低模具寿命； Z过大，又易使拉深件起皱，影响拉探件精度。凸凹模端部的边缘都有适当的圆角,圆角过小，则易拉裂产品。,6、拉深时容易出现的问题: （1）起皱 防止：加压边圈(控制变形程度)。 当板料厚度与坯料直径D，即/D1002时，必须应用压边圈，否则坯料外缘会起皱，造成废品。,（2）拉裂 在直壁底部（凸模传力处，变形程度大）易拉裂。 防止：控制变形程度。 计算拉深系数=dn/(dn-1) mmin , dn 拉深后筒形直径 dn-1拉深前筒形（毛坯）直径 一般m0.50.8。拉深塑性高的金属，拉深系数m可以取较小值。 在拉深系数的限制下，较大直径的坯料不能一次被拉成较小直径的工件，则应采用多次拉深。,7、最大拉深力的计算 选择设备时，应结合拉深件所需的拉深力来确定。设备能力(吨位)应比拉深力大。,对于坯料尺寸的计算，可按拉深前后的面积不变原则进行。 具体计算中可把拉深件划分成若干容易计算的几何体，分别求出各部分的面积，相加后即得所需坯料的总面积，然后再求出坯料直径。,二、弯曲与卷边 1、 弯曲 弯曲是用模具把金属坯料弯折成所需形状的过程。 弯曲可以在各类机械或液压压力机上进行。,弯曲过程简图 1-凸模；2-工件；3-凹模,（1）变形特点及应力分析 弯曲时毛坯上曲率发生变化的部分是变形区。 靠近曲率中心一侧(内层)：切向受压应力，产生压缩变形； 远离曲率中心一侧(外层)：切向受拉应力，产生伸长变形。 中性层不变(切向应力为0)。,弯曲变形程度的大小与弯曲半径r的大小有关。 r越小，变形程度越大，金属的加工硬化作用越强。 r太小，就有可能在工件弯曲部分的外侧发生开裂。 因此规定r值应大于(0.251)S。,（2）回弹(弹复): 当外力去除后,毛坯的塑性变形保留下来,而弹性变形完全消失,使其形状和尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化。这种现象称为回弹。 回弹大小与弯曲半径R、料厚t、材料等因素有关。回弹角一般都在0100。 克服:反变形法： 模具角度设计应比所需制件角度小一点(小几度左右)。,2、卷边 卷边也是弯曲的一种。板材经卷边成形可做成铰接耳，起加固和增强作用且美观。,三、翻边 翻边是在带孔的坯料上获得凸缘的过程。 当工件所需凸缘的高度较大，用一次翻边成形可能会使孔的边缘造成破裂，则可采用先拉深、后冲孔、再翻边成形的过程来实现。,翻边简图 1-凸模；2-工件；3-凹模,四、成形、收口 成形是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的过程。主要用于成形刚性筋条，或增大半成品的局部半径等。 收口是使中空件口部缩小的过程。,成形简图,收口简图,五、滚弯(含卷板) 滚弯是板料(工件)送入可调上辊与两个固定下辊间，根据上下辊的相对位置不同，对板施以连续的塑性弯曲成形。改变上辊的位置可改变板材滚弯的曲率。 滚弯用于生产直径较大的圆柱、圆环、容器及各种各样的波纹板以及高速公路护栏等，尤其厚壁件。,滚弯简图,典型零件的冲压工艺过程： 黄铜弹壳的冲压过程 盘类零件的冲压过程。,344 冲模的分类及构造,冲模按基本构造可分为简单模、连续模和复合模三类。 一、简单模 简单模是指在曲柄压力机(又叫冲床)的一次行程中只能完成一个过程的冲模。,固定卸料板,导料板,挡料销,凸模,凹模,模柄,上模座,凸模固定板,凹模固定板,导套,导柱,下模座,简单冲模图,二、连续模 把两个以上冲压工序安排在一块模扳上，冲压设备在一次行程内可完成两个或两个以上的冲压工序的冲模。这种冲模提高了生产率。,1-落料凸模；2-定位销；3-冲孔凸模； 4-卸料板；5-坯料；6-落料模腔； 7-冲孔模腔；8-成品；9-废料,三、复合模 在冲压设备的一次行程中，在模具同一部位同时完成数道冲压工序的冲模。 此类模具的最大特点是有一个凹凸模，凹凸模的外端为落料的凸模刃口，而内孔则为冲孔的凹模。因此冲床一次行程内可完成落料和冲孔。,落料及冲孔复合模 1-模板；2-凸凹模；3-坯料；4-压板(卸件器)； 5-落料凹模；6-冲孔凸模；7-零件,345 板料冲压件结构技术特征,板料冲压件通常都是大批量生产的，因此冲压件的设计不仅要保证它的使用性能要求，且还应具有良好的冲压结构技术特征。这样才能易于保证冲压件品质，减少板料的消耗，延长模具使用寿命，降低成本及提高生产率等。,冲压件的设计应注意下列事项： 一、冲压件的精度和表面品质 对冲压件的精度要求，不应超过冲压过程所能达到的一般精度，并应在满足需要的情况下尽可能降低要求，不然将增加过程的工序，提高冲压件成本，降低生产率。 冲压过程的一般精度为：落料不超过IT10，冲孔不超过IT9，弯曲不超过IT9IT10。拉深件直径在IT9 IT10，高度尺寸为IT8IT10。,二、冲压件的形状和尺寸 1、落料件的外形应能使排样合理，废料最少。,2、落料和冲孔的形状、大小应使凸、凹模工作部分具有足够的强度。 因此，工件上孔与孔的间距不能太小，工件周边的凹凸部分不能太窄太深，所有的转角都应有有一定的圆角等。,3、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； 4、拉深件的外形应力求简单对称且不宜太高，以便易于成形和减少拉深次数。,三、结构设计应尽量简化成形过程和节省材料 1、在使用功能不变的情况下，应尽量简化结构，以便减少工序，节省材料，降低成本。 2、采用冲口，以减少一些组合件。,冲口应用,(a)组合件 (b)利用冲口件,3、采用冲焊结构。对于某些形状复杂或特别的冲压件，可设计成若干个简单的冲压件，然后再焊接或用其他连接方法形成整体件。 4、冲压件的厚度 在强度、刚度允许的情况下，应尽量采用厚度较薄的材料来制作冲压件，以减少金属的消耗，减轻结构的质量。对局部刚度不够的地方，可采用加强筋。,冲焊结构件,使用加强筋举例 (a)无加强筋 (b)有加强筋,35 其他塑性成形简介,近年来，随着科技和工业的不断发展，在塑性成形加工方面出现了不少新技术，如零件的挤压、辊轧成形、超塑性成形、摆动辗压、液态模锻等。 一、挤压成形 1、零件的挤压方式 （1）正挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向一致。 （2）反挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。 （3）复合挤压 挤压时坯料的一部分金属流动方向与凸模运动方向一致，而另一部分金属的流动方向则与凸模运动方向相反。 （4）径向挤压 挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直。,2、冷挤压的特点及应用 金属材料在再结晶温度以下进行的挤压称为冷挤压。对于大多数金属而言，其在室温下的挤压即为冷挤压。冷挤压的主要优点是： （1）由于冷挤压过程中金属材料受三向压应力作用，挤压变形后材料的晶粒组织更加致密；金属流线沿挤压件轮廓连续分布；加之冷挤压变形的加工硬化特性，使挤压件的强度、硬度及耐疲劳性能显著提高。 （2）挤压件的精度和表面品质较高。一般尺寸精度可达IT7IT6，表面粗糙度Ra1.60.2。 （3）材料利用率高，生产率也较高。 冷挤压已在机械、仪表、电器、轻工、宇航、军工等部门得到应用。,3、热挤压的特点及应用 热挤压时，由于坯料加热至锻造温度，这使得材料的变形抗力大为降低；但由于加热温度高，氧化脱碳及热胀冷缩等问题，大大降低了产品的尺寸精度和表面品质。 热挤压一般都用于高强(硬)度金属材料如高碳钢、高强度结构钢、高速钢、耐热钢等的毛坯成形。如热挤发动机气阀毛坯，汽轮机叶片毛坯，机床花键轴毛坯等。,二、辊轧成形 三、超塑性成形 四、摆 辗 五、液态模锻,