第13章塑性成形工艺

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十三章 压力加工,第一节 压力加工基本原理,第二节 自由锻,第三节 模锻,第四节 板料冲压,压力加工：,使金属坯料在外力作用下产生 塑性变形，以获得所需形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯和零件的加工方法。,机械性能高,特点,节省金属,易实现机械化和自动化，生产效率高,第十三章 压力加工,第一节 压力加工基本原理,对金属坯料施加外力使应力超过材料,s,，材料会产生塑性变形。,按照变形后金属有无硬化现象，塑性变形可分为：,冷变形、热变形、温变形,。,1,、冷变形,金属在回复温度以下进行的塑性变形，变形后,有明显加工硬化现象,。,(,如：冷轧、拉、冲、挤）,大多数钢材和多数金属材料，冷变形是在室温下进行，可避免金属加热缺陷，获得较高的精度和表面质量，强度，硬度。,限于：低碳钢、有色金属及合金的薄件和小件加工,第一节 压力加工基本原理,第一节 压力加工基本原理,2,、,热变形,在再结晶温度以上进行，金属在热变形过程中既有加工硬化又有再结晶，但加工硬化会被回复和再结晶完全消除。,（如热锻、热轧、热挤压）,热变形温度比再结晶温度高得多。,材料,再结晶温度,热锻温度,钢材,480600,1250800,工业纯铜,200270,800600,第一节 压力加工基本原理,锻造比,在塑性成形时，常用锻造比,(Y),来表示变形程度。锻造比的计算公式与变形方式有关，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示：,拔长,y,拔,=A,0,/A,1,=L,1,/L,0,墩粗,y,墩,=A,1,/A,0,=H,0,/H,1,式中,A,0,、,A,1,毛坯变形前后的截面积；,H,0,、,H,1,毛坯变形前后的高度；,L,0,、,L,1,毛坯变形前后的长度。,第一节 压力加工基本原理,y5,纤维组织已非常明显，纵向性能不再提高，,而横向的塑性，韧性却逐渐下降,钢材,碳素结构钢,合金结构钢,高速钢,不锈钢,y,23,34,512,46,锻造流线,锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线，也称流纹。,第一节 压力加工基本原理,第一节 压力加工基本原理,3,温变形,金属在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形过程，温变形过程中有加工硬化及回复现象，但无再结晶，硬化只得到部分消除。,第一节 压力加工基本原理,与热变形相比：其坯料氧化和脱碳较少，利于提高工件,的精度与表面质量。,与冷变形相比：温变形使变形抗力减小，塑性增加，一,般不需要预先退火，表面处理和工序间退火。,适合：,变形抗力大、加工硬化敏感,的高碳钢，中高合金钢，,轴承钢，不锈钢等。,二、金属的可锻性能,(,塑性变形抗力）,衡量材料经受压力加工难易程度的工艺性能。,1.,金属的本质,第一节 压力加工基本原理,化学成分,元素种类 含量 可锻性,组织结构,单相比多相可锻性好，多相塑形,不同，变形不均引起内应力，导,致开裂,2,、变形的条件,变形温度,T,，原子动能,结合力，可锻性，,。,如右图所示，,碳钢的始锻温度比,AE,线低约,150250,，终锻温度为,800,左右。,碳素钢的锻造温度范围,变形速度的影响,变形速度,指单位时间的变形程度。,当变形速度,k,时，,s,原因,：回复，再结晶不能及时消除加工硬化效果,变形速度对金属可锻性的影响,当变形速度,k,时，,s,原因,： 变形过程中消耗于塑形变形的一部分能量转化为热能使,T,，,s,1,变形抗力曲线,2,塑性变化曲线,第一节 压力加工基本原理,应力状态,压应力数目越多，塑形越好，拉应力数目越多，塑形越差。,不同变形方法时金属的应力状态,第一节 压力加工基本原理,三、金属的变形规律,1,、体积不变定律：,由于塑性变形时金属密度的变化很小，可认为坯料变形前后的体积相等。,应用体积不变定律,计算坯料尺寸，工序尺寸，锻模尺寸,第一节 压力加工基本原理,第一节 压力加工基本原理,2,、最小阻力定律,金属受外力作用发生塑性变形时，如果某质点有向各种方向移动的可能性时，则质点将沿着阻力最小的方向移动，故宏观上变形阻力最小的方向上变形量最大。,金属镦粗变形,不同截面金属的流动情况,第二节 自由锻,自由锻,：,利用外力使金属在上下两个砧铁之间产生变形，从而得到所需形状及尺寸的锻件。,（坯料在砧铁间受力变形时，朝各个方向可以自由流动，不受限制。）,自由锻,手工锻造,机器锻造,锻锤,空气锤,蒸汽空气锤（,max,50kN,可生产,1500Kg,）,压力机,500t,（水压机）可锻,300t,锻件,自由锻,基本工序,辅助工序,预变形工序如压钳把、倒棱边、压痕,精整工序,清除表面凹凸不平及整形、减小锻件表面,缺陷。,使金属坯料产生一定程度的塑性变形，达到所需形状和尺寸,第二节 自由锻,（一）自由锻工艺规程的制定,1.,绘制锻件图,（,1,）加工余量,自由锻件表面留有供机械加工用的金属层，称为加工余量。,（,2,）锻造公差,在实际生产中，由于各种因素的影响，锻件的实际尺寸不可能达到锻件的公称尺寸，允许有一定限度的误差，叫做锻造公差。,（,3,）余块,为了简化锻件外形或根据锻造工艺需要，在零件的某些地方添加一部分大于余量的金属，这部分附加的金属叫做锻造余块，简称余块。,第二节 自由锻,第二节 自由锻,2,、,坯料的质量及尺寸计算,G,坯料,=,G,锻件,+,G,烧损,+,G,料头,G,烧损,加热时坯料表面氧化而烧损的重量。,第一次加热取被加热金属的,2%,3%,，以后各取（每次加热）,1.5%,2.0%,G,料头,在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的质量。,如冲孔时坯料中部分的料芯，修切端部产生的料头等。,第二节 自由锻,大型锻件要考虑切除钢锭头和钢锭尾部的质量,确定坯料尺寸,碳素钢锭拔长,锻造比,2.5,3,碳素钢轧材,锻造比,1.3,1.5,墩粗：,1.25,H,0,/D,0,2.5,H,0,/D,0,2.5,时 坯料过长，墩粗,易产生纵向弯曲,拔长,：,F,坯,/F,锻,=Y,（锻造比）应在,3,5,之间,第二节 自由锻,3,、选择锻造工序,制定变形工艺,基本工序,辅助工序,修整工序,应根据锻件的技术要求、坯料情况、生产批量确定工序顺序和设计工序尺寸 。,第二节 自由锻,4,、,选择锻造设备,墩粗,：,G=,（,0.002,0.003,）,KF,K,与材料强度,b,有关的系数（可查表）,F,锻件墩粗后与工具的接触面在水平方向投影面积,拔长,：,G=2.5F,F,坯料横截面积或根据最大尺寸查有关手册,5,、,确定锻造温度,如,45,#,始锻,1200, 终锻,800,第二节 自由锻,例：某减速器中的中间齿轮，锻造工艺规程制定。,齿轮零件图,第二节 自由锻,工艺：,绘制锻件图,齿轮的齿形，端面的凹槽,四孔,30,及键槽都不锻出，添加余块，简化外形,齿轮锻件图,第二节 自由锻, 选择锻件坯料质量及尺寸,G,锻,=V,锻,=,（,D,2,-d,2,）,H,/4,G,芯,=,（,1.18,1.57,）,d,2,H,G,烧,=,（,G,锻,+G,芯,）,2.5%,G=G,锻,+G,芯,+G,烧,第二节 自由锻, 变形工艺,H,0,/D,0,=1.5,V=,/4,D,0,2,H,0,=,/4,D,0,2,1.5D,0,=G/,自由锻工艺过程：,加热毛坯,墩粗毛锻件高度,滚圆,第二节 自由锻,用冲子两面冲孔,带着冲子滚圆,校正孔径,平整端面,选择锻造设备,根据锻件最大尺寸查有关手册，选用,0.5t,空气锤,第二节 自由锻,二、自由锻件结构工艺性,工艺要求,：在满足使用要求的前提下，锻件形状应尽量简单和规则。,1,、避免锥体和斜面结构,轴类锻件结构,（,a,）工艺性差的结构 （,b,）工艺性好的结构,第二节 自由锻,盘类锻件结构,（,a,）工艺性差的结构 （,b,）工艺性好的结构,2,、尽量减少辅助结构,不设计加强筋、凸台,第二节 自由锻,3,、不能有空间曲线,杆类锻件结构,（,a,）工艺性差的结构 （,b,）工艺性好的结构,第二节 自由锻,4,、复杂零件可设计成简单零件的组合,复杂件结构,（,a,）工艺性差的结构 （,b,）工艺性好的结构,第二节 自由锻,三、高合金钢锻造特点,合金元素含量很高，内部组织复杂、缺陷多、塑性差、锻造时难度较大,1,、,备料特点,不允许存在表面裂纹等缺陷,+,锻前退火,第二节 自由锻,2,、,加热及锻造温度特点,低温装炉，缓慢升温,若高温装炉、快速加热，则比产生较大的热应力，导,致坯料开裂。,第二节 自由锻,锻造温度范围窄，一般只有,100,200,高合金钢成分复杂，加热温度偏高时，分布在晶界的低熔点物质，金属基体晶粒将快速长大，容易产生过烧或过烧缺陷，故高温合金钢的始锻温度要比碳钢低。,由于高温合金的再结晶温度高，再结晶速度低，变形抗力大，塑性差，易断裂，故高温合金钢的终锻温度又要不碳钢高。,第二节 自由锻,3,、锻造特点,控制变形量,始锻和终锻时变形量要小，即要轻打，锻造过程中则要重打。,增大锻造比,高合金钢钢锭内部缺陷多，需通过反复镦拔，增大锻造比，才能消除钢中的缺陷，均匀细化碳化物，提高机械性能。,变形要均匀,避免出现拉应力,对于塑性低的高合金钢，拔长时最好在,V,形砧铁中进行，或者是上面用平砧下面用,V,形砧铁。如此可改变坯料变形中的应力状态，从而提高塑性，避免产生裂纹。,4,、,锻后冷却,缓冷（即炉冷，灰坑或沙坑中冷）,在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模腔，使坯料在模腔内手压变形，锻造终了得到和模腔形状相符的锻件。,第三节 模型锻造,第三节 模型锻造,特点：,生产率高，可锻造形状复杂，尺寸精确和表面较光洁的锻件，因而机械加工余量小，材料利用率高，成本较低；而且可使锻件的金属纤维组织分布更为合理，进一步提高了零件的使用寿命。,模锻设备投资大，锻模成本高，生产准备周期长，模锻件的质量受到模锻设备吨位的限制，一般在,150kg,一下。,在汽车、拖拉机、飞机和动力机械等工业中，得到广泛应用 。 在一些工业发达国家，生产的模锻件占锻件总质量的,70%,以上。,第三节 模型锻造,按使用设备可分为：,锤上模锻,胎模锻,压力机上模锻,第三节 模型锻造,一、 锤上模锻,在锻锤上进行的模锻称为锤上模锻。,第三节 模型锻造,1.,锻模结构,制坯模腔,模锻模腔,终锻模腔,预锻模腔,拔长模腔,滚压模腔,弯曲模腔,切断模腔,第三节 模型锻造,第三节 模型锻造,第三节 模型锻造,开式,闭式,第三节 模型锻造,第三节 模型锻造,第三节 模型锻造,2.,制定模锻工艺规程,（,1,）模锻件图的制订,1,）,分模面位置的选择,第三节 模型锻造,a,要保证模锻件能从模腔中取出。,b,上下两模沿分模面的模腔轮廓一致。,c,分模面能使模膛深度最浅。,d,分模面应使零件上所加的辅料最少。,e,分模面为平面，使上下锻模的模膛深度一致。,2,）,加工余量、公差和余块的确定,余量：,14mm,公差：,（,0.33,）,mm,3,）,模锻斜度的选择,为便于锻件从模膛中取出，模锻件上垂直于分模面的侧壁要有一定的斜度，称为模锻斜度。,第三节 模型锻造,4,）,圆角半径的确定,为了便于金属在模膛中流动，防止锻模开裂，保证锻造流线的连续性，提高锻模寿命，锻件上所有尖锐棱角都必须做成圆弧，圆弧的半径称为圆角半径。,第三节 模型锻造,5,）,冲孔连皮,具有通孔的锻件在模锻时不能锻出通孔，故孔内必须留有一定厚度的金属，称为冲孔连皮。,6,）,锻件图的技术条件,第三节 模型锻造,第三节 模型锻造,（,2,）确定模锻工步,长轴类模锻件,第三节 模型锻造,盘类模锻件,第三节 模型锻造,（,3,）修整工序,切边和冲孔,校正,热处理,清理,精压,切边模 冲孔模,第三节 模型锻造,3.,模锻零件结构工艺性,设计模锻零件是，应根据模锻特点和工艺要求，使零件结构符合下列原则，便于模锻生产和降低成本：,（,1,）,模锻零件必须具有合理的分模面，以满足制模方便，金属易于充满模腔，锻件便于出模及减少余量。,（,2,）,锻件上与分模面垂直的非加工表面应设计出结构斜度，非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。,第三节 模型锻造,（,3,）,零件外形力求简单，平直和对称，尤其应避免薄壁、高筋、凸起等结构，以使金属容易充满模膛和减少工序。,（,4,）,设计时应尽量避免深孔，深槽或多孔结构。,（,5,）,在可能的条件下，应采用锻,-,焊组合工艺，以减少敷料，简称为锻焊工艺。,第三节 模型锻造,胎膜锻,压力机上模锻,自学,第四节、板料冲压,冲压,：,通过模具对材料施以外力，使之产生塑性变形和分离从而获得一定形状、尺寸与机械性能的零件加工方法。,（此法常在室温进行故叫冷冲压、板料冲压）,板材冲压成形具有下列特点：,板材冲压生产主要是依靠冲模和冲压设备完成加工，工艺过程便于实现机械化和自动化，生产率很高，操作简便，故零件成本低。,可以冲压出形状复杂的零件，一般不需再进行切削加工，且废料较少，因而节省原材料和能源消耗。,板材冲压常用的原材料有低碳钢以及塑性高的合金钢和有色金属，多是表面质量好的板料、条料或带料，产品重量轻、材料消耗少、强度高、刚性好。,冲压件的尺寸公差主要由冲模来保证，因此产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，尺寸稳定，互换性好。但冲模制造复杂、成本高，只有在大批量生产条件下，其优越性才显得突出。,第四节、板料冲压,冲压常用材料：,常用金属,低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢等。,非金属,纸板、绝缘板、纤维板、塑料板、石棉板、硬橡胶等。,冲压生产中常用的设备是剪床和冲床,。,剪床,用来把板料剪切成一定宽度的条料，以供下一步的冲压工序。,冲床,用来实现冲压工序，制成所需形状和尺寸的成品零件供使用。,第四节、板料冲压,一、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。,如冲载、落料、冲孔、切断、修整。,1,、冲裁（落料及冲孔）,它是坯料按封闭轮廓分离的工序,落料,被分离部分为成品，而周边是废料,冲孔,被分离部分为废料，而周边是成品,第四节、板料冲压, 冲裁变形过程,弹性变形阶段,冲头接触板料继续向下运动初始阶段，板,料产生了弹性压缩。,塑性变形阶段,冲头继续压入，,s,产生塑性变形再继,续压入凹凸模刃口处材料硬化加剧，出现微裂,纹，塑性结束,断裂分离阶段,冲头再继续压入已形成上、下裂纹逐渐扩,展、重合，材料被剪短分离。,第四节、板料冲压,光亮带,塑性变形过程由冲头挤压切入所形成,的表面很光滑。,剪裂带,在剪短分离时所,形成的断裂表面较粗糙。,塌角,由于坯料被弯曲拉伸断裂时形成的，软料,硬料,第四节、板料冲压, 凹凸模间隙,间隙,合理,上下裂纹重合一线，毛刺最小,过大,拉应力增大，塑性变形结束较早，凹模刃口附近的剪裂纹较正常向里错开一段距离，光亮带小、毛刺,过小,拉应力减小，压应力增加，裂纹受到抑制，凸模刃口附近的剪裂纹向外错开，上下裂纹不重合，裂纹,第四节、板料冲压,正确选择合理间隙对冲载生产至关重要。选用时主要考虑冲载件断面质量与模具寿命。,Z=ms,其中：,Z,为间隙；,m,为与材料性能及厚度有关的系数（查表）,s,为材料厚度,第四节、板料冲压,当冲载件断面质量要求高时，应选用较小的间隙值。,当对冲载件断面质量无严格要求是，应尽量加大间隙，以利于提高冲模寿命。,落料,应先按落料件确定凹模刃口尺寸。,取凹模作为设计基准，根据间隙,Z,确定凸模尺寸。,例,取,100-4,为凹模尺寸，因凹模越用越大。,冲孔,应先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，取凸模作设计基准件根据间隙,Z,确定凹模尺寸，因凸模会磨损，越变越小。,例取,100+3,作凸模尺寸，取冲孔公差最大尺寸。, 凹凸模刃口尺寸的确定,第四节、板料冲压, 冲裁力的计算,根据冲裁力的大小选择冲床的吨位和检验模具强度,P=,kL,S ,其中,=0.8,b,b,=,k,k,为系数；,L,为冲表周长；,S,为坯料厚度；,为抗剪强度。,为简便估算：,P=L S ,b,第四节、板料冲压, 冲裁件的排样,排样,是指落料在条料，带料或板料上进行合理布置的方法。,排料合理则废料最少。,排料,无搭边,利用率高，毛刺不在同一平面，,尺寸不易准确，质量要求不高,有搭边,毛刺小，尺寸准确，但耗材多,搭边值根据料厚、形状、材料查表。,不同排样方式材料消耗对比,第四节、板料冲压,2,、,修整,利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属。,3,、切断,切断是指用剪刀（剪床）或冲模（冲床）将板料沿不封闭轮廓进行分离工序。,修整工序简图,1,凸模；,2,凹模,第四节、板料冲压,二、变形工序,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。,1,、拉深,利用模具使冲裁后得到的平板毛坯变成开口空心零件的工序。,第四节、板料冲压,拉伸件底部不变形，直臂与底直间的过渡圆角拉薄，直臂略变薄，最危险部位是过渡圆角（常裂）。,拉伸件出现裂纹与下列因素有关：,凹凸模的圆角半径,r,凹,=,10S,S,板厚,r,凸,=,0.6,1.0r,凹,r,凹,、,r,凸,两个圆角半径过小，则容易拉裂。,第四节、板料冲压,凸凹模具间隙,Z=1.1,1.2S,Z,过小，摩擦力大，易拉裂工件降低模具寿命。,Z,过大，易使拉伸件起皱。,拉深系数,m,m=d/D,d,拉伸件直径,D,坯料直径,m,0.5,0.8,，,塑性好，取,m=0.5,；,塑性差，取,m=0.8,m,则,d,变形 坯料被拉入凹模越困难，易拉裂。,第四节、板料冲压,润滑,为减少摩擦，降低拉深件臂部的拉应力及模具磨损应添加润滑剂。当料厚,S,则拉深程度，易起皱，为了防止起皱，应设置压边圈。,旋压,在旋压机上进行，用来制造大直径的拉深件及中小批量。生产率,第四节、板料冲压,2,、,弯曲,弯曲,是坯料一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序。,弯曲时材料内侧受压缩，而外侧受拉伸，当外侧拉应力,b,时则会开裂。,S,、,r,，则压缩及拉伸应力越大，易弯裂。,为防止裂纹，最小弯曲半径,r,min,=,（,0.25,1,）,S,。,弯曲结束后，坯料会略微弹回一点，使弯曲角度增大，称为,回弹现象,。,弯曲过程中金属变形简图,第四节、板料冲压,3,、翻边,翻孔,是在带孔的平坯料上用扩孔的方式获得凸缘的工序。,凸模圆角半径,r,凸,=4,9S,翻边孔径超过容许值，会使孔的边缘破裂。其容许值,K,0,，称,翻边系数,。,K,0,=d,0,/d0.7,翻边简图,第四节、板料冲压,4,、成型,成型,是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。,主要用于制造刚性的筋条，或增大半成品的部分内径等。,图,a,是用橡皮压筋；,图,b,是用橡皮芯子来增大半成品中间部分的直径，即,胀形,。,成形工序简图,第四节、板料冲压,三、板料冲压件的结构设计,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。,影响冲压工艺性能的因素：,1,、冲压件的形状与尺寸,第四节、板料冲压, 对落料和冲孔件的要求,落料件的外形和冲孔件的孔形应力要求简单、对称，尽可能采用圆形、矩形等。排料时应使废料降至最低，避免长槽与细长臂结构，否则模具制造困难，寿命短。,不合理的落料件外形,冲孔孔径,rS,（圆孔），方孔边长,a0.9S,，孔间距,1.5S,。,（外缘凸出和凹进的尺寸,1.5S,）,冲孔件尺寸与厚度的关系,第四节、板料冲压,外形上直线与直线，曲线与直线的交接处，均应用圆弧连接，以避免尖角处应力集中而被冲模冲裂，最小圆角半径值查表可得。,第四节、板料冲压,弯曲边的平直部分,H2S,，如果,H,很短，则放大尺寸弯曲，然后在切除多余部分。, 对弯曲件的要求, 弯曲件的形状应尽量,对称，弯曲半径不能小于最小允许弯曲半径,。并应考虑材料纤维方向。以免成形过程中弯裂。,弯曲边过短不易弯曲成型,弯曲边高,第四节、板料冲压, 弯曲带孔件时，要避免孔变形。孔的位置如图。,L1.5,2S,对拉深件的要求,拉深件外形应简单，对称，且不宜太高,。如果较高，则拉深次数多的时候不易成形。,带孔的弯曲件,第四节、板料冲压,拉伸件最小允许圆角半径, 拉深件的圆角半径在不增加工艺程序的情况下，最小许可半径,r3S,，有压边和较深的,r2S,，否则必将增加拉深次数和整形工作，增多模具数量，容易产生废品和提高成本。,第四节、板料冲压,2,、冲压件的厚度,在强度、刚度允许的情况下，应尽可能采用薄的材料来制作零件，以减少金属的消耗，对局部刚度不够的地方用加强筋以薄代厚。,3,、冲压件的精度和表面质量,对精度要求，不应超过冲压工艺所能达到的一般精度并在满足需要的情况下，尽量降低要求。,否则将增加工艺过程工序，降低生产率，提高成本。,使用加强筋举例,第四节、板料冲压,