金属材料成形基础知识

材料成形技术基础,金属材料成形基础,第三篇 金属的塑性成形工艺,锻造工艺,冲压工艺,轧制工艺,挤压工艺,其他特种成形工艺,塑性成型工艺（也称压力加工）：在不破坏金属自身完整性的情况下，利用,外力,的作用使金属发生,塑性变形,获得毛坯或零件的加工方法，称为。,外力：,冲击力,（锤类设备）,和,压力,（轧机和压力机）,1,金属塑性变形实质,近代物理的金属滑移与位错理论表明：金属的塑性变形是由于金属在外力作用下，晶粒之间产生相对移动的结果。,滑移面,整体刚性,滑移,线缺陷,多晶体的塑性变形可以看作是：,单个晶粒的位错及晶粒之间的滑动和转动的综合结果。,P,从以上的分析可知,：,金属在发生塑性变形时，是从弹性,塑性的过程，其中一定存在“残余”的弹,性变形，当外力去除后，弹性变形将恢复，,既“弹复”现象。,弹复现象的存在，对金属的压力加工精度,产生很大的影响。如：产生尺寸误差。,2 塑性变形后金属的组织和性能,一、金属塑性变形后的组织和性能,在常温下经塑性变形后，金属内部组织将发生如下变化,：,晶粒沿变形最大的方向伸长；,晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力；,晶粒间产生碎晶。,加工硬化,:,随着塑性变形量的增加，金属的强度和硬度逐渐升高，塑性、韧性逐渐降低的现象。又称冷变形强化。,有利：强化金属材料，可通过冷轧、喷丸等方法对金属进行强化的理论根据。,不利：进一步的塑性变形带来困难。,是一种不稳定现象，有自发回复到温度状态的倾向。,温度升高，原子获得了热能，热运动就会加剧，,使原子排列回复到正常状态，从而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化，这个过程称为,回复,。,T,回,=,(,0.25,0.3),T,熔,当温度继续升高时，金属原子获得更多的热能，开始以碎晶或杂质为核心结晶成细小而均匀的再结晶新晶粒，从而消除全部加工硬化，这个过程称为,再结晶,。,T,再,=,0.4,T,熔,在再结晶温度以上加热已产生加工硬化的金属，使其发生再结晶而再次获得良好的塑性，这种操作工艺称为,再结晶退火,。,这一特性在生产中得到广泛应用：,-如冷轧带钢通过再结晶退火，提高材料的综合性能，尤其是塑性。进一步可用冷轧带钢来加工钢窗型材等。,-如在板料拉深工艺中，通过退火提高塑性可增加变形程度。如日用品中的脸盆、饭缸等。,当金属在大大高于再结晶温度下受力变形时，冷变形强化和再结晶过程同时存在，变形中的强化和硬化随即被再结晶过程消除。,二、金属塑性变形分类,在再结晶温度以上的塑性变形称为,:,热变形,在再结晶温度以下的塑性变形称为,:,冷变形,1 .,热变形及其影响,1,）不产生加工硬化,2,）使组织得到改善，提高了力学性能,细化晶粒；,压合了铸造缺陷；,3,）形成纤维组织,组织致密。,2 .,纤维组织,铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都将沿着变形方向被拉长，呈纤维状，叫纤维组织。,变形程度越大，纤维组织越明显。为了获得具有最佳力学性能的零件，应充分利用纤维组织的方向性一般应遵循两项原则：,使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；,使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。,三、纤维组织的利用原则,存在纤维组织的金属，具有各向异性的性质,:,（,1,）在,平行,于纤维组织的方向上：塑性、韧性提高，材料的,抗拉强度提高,（,2,）在,垂直,于纤维组织的方向上：塑性、韧性降低，材料的,抗剪强度提高,四、,锻造比,金属的变形程度通常用锻造比来表示。即：,A,A,O,Y,拔,=,A,O,/A,Y,镦,=,H,O,/ H,0,H,H,A,O,、,A,坯料变形前、,后的截面积。,H,O,、,H,坯料变形前、,后的高度。,3 金属的可锻性,可锻性-,是综合衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度,的工艺性能。,一 . 金属的本质,(,内因,),1.,化学成分的影响,一般情况下，纯金属的可锻性比合金的好；碳钢含碳量越低，可锻性越好；合金中含有碳化物形成元素时，其可锻性显著降低。如铬、钼、钒、钨等合金钢都不易锻造。,可锻性,合金成分%,可锻性常用金属的,塑性,和,变形抗力,来综合衡量。塑性越好，变性抗力越,小，可锻性越好。,金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。,纯金属和固溶体（如奥氏体）可锻性好，,碳化物（如渗碳体）的可锻性差；,晶粒细小而又均匀的组织可锻性好于铸态柱状组织和粗晶粒组织。,2.金属组织的影响,二、加工条件的影响,(,外因,),1.变形温度的影响,变形温度：,变形温度越高，材料的可锻性越好。,注意,:,若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，产生“,过热,”。,后果与解决办法：锻造易击碎，退火消除。,若加热温度接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，金属失去塑性,而报废，这种现象称为“,过烧,”。,金属锻造加热时允许的最高温度称为,始锻温度,。,停止锻造时的温度称,终锻温度,。,锻造温度,是指始锻温度与终锻温度之间的温度。,2变形速度的影响,变形速度即单位时间内的变形程度。它对金属锻造性的影响可分为两个阶段。,3,、应力状态的影响,金属在进行不同方式的变形时，所产生应力的大小和性质(压应力或拉应力)是不同的。,实践证明,压应力数目越多，塑性越好。拉应力数目越多，塑性越差。,三向压应力,塑性最好、变形抗力最大。,三向拉应力,塑性最差,。,变形抗力最小,.,同号应力的变形抗力大于异号应力的变形抗力。,第二章 锻造,锻压成形工艺可分为：,自由锻造成形（也称自由锻）,模膛锻造成形,（也称模锻）,利用冲击力或压力使金属在砥铁或锻模中变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件的工艺方法。,一、自由锻造成形（也称自由锻）：,概念：,是用冲击力或压力使金属在锻造设备的上下砧块（或砥铁）间产生塑性变形，获得所需几何形状及内部品质的锻件加工方法。坯料在受力变形时可沿着变形方向自由流动，不受限制。又可分为手工自由锻（已逐渐被淘汰）和机器自由锻。,特点：,优点：使用工具简单、通用，生产周期短，灵活性大使用范围广。特别适合单件、小批生产，而且是大型锻件唯一的锻造方法。 缺点：生产效率低，对工人的操作技术要求高，工人劳动强度大，锻件精度差，后续机加工余量大。,1,锻造方法,自由锻设备：,锻锤,压力机,空气锤,蒸汽空气锤,水压机,油压机,65750,Kg,630,Kg5T,落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆,滑块运动到下始点时所产生的最大压力,锻锤吨位,=,压力机吨位 =,1,、自由锻工序,2,、锻件分类及基本工序方案,二、模膛锻造成形（也称模锻）：,概念：是使加热到锻造温度的金属坯料在锻模模膛内一次或多次承受,冲击力,或,压力,的作用，而被迫流动成形以获得锻件的压力加工方法。,特点（与自由锻相比）：,生产效率高；,锻件尺寸精度高，机加工余量小；,可锻造形状较复杂的锻件；,可实现大批量生产，节省金属材料，降低成本；,操作简单，易于实现机械化、自动化。,模锻按使用设备不同可分为：锤上模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、胎模锻等。,锤上模锻所用设备有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。一般工厂主要使用,蒸汽-空气锤,，其吨位为10160,N，,可锻造0.5150,kg,的锻件。,是由,上模,和,下模,两部分组成。上下模合在一起，中间部分形成完整的模膛。锻模上有,分模面,和,飞边槽,。,锻模,模膛,形成锻件基本形状和尺寸的空腔。,飞边槽,桥部,增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛。,仓部,容纳多余的金属,。,锤上模锻,:,模膛的分类,(,按功能,),模膛,模锻模膛,制坯模膛,终锻模膛,预锻模膛,拔长模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,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。,单膛锻模,：一副锻模上只具有一个终锻模膛。,多膛锻模,：是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。,弯曲连杆零件,2,、胎膜锻,在自由锻设备上利用胎具生产锻件的方法。先采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成形。,因此，其生产特点具有某些自由锻与模锻的特点。,胎模的种类主要有三种：扣模、筒模、合模。,与自由锻比较具有的特点：,（1）操作简便，生产率高，对工人技术要求不高。,（2）锻件形状、尺寸精度高，敷料少、加工余量小。,（3）内部组织致密，纤维组织分布更符合性能要求。,与模锻比较具有的特点：,（1）设备简单。,（2）工艺灵活，可以局部成形。,（3）胎具简单，制造容易。,（,1,）扣模,对坯料进行全部或局部扣形，生产长杆非回转体锻件；也可为合模进行制坯。,（,2,）筒模,主要用于锻造齿轮、法兰盘等盘类锻件。,（,d,）组合筒模,（,2,）合模,由上模和下模组成，并有导向机构，可生产形状复杂、精度较高的非回转体锻件。,2,锻造工艺规程的制定,锤上模锻工艺规程包括：绘制模锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步（选择模膛）、选择设备及安排修整工序。其中最主要的是模锻件图的绘制和模锻工步的确定。,模锻件图的绘制,模锻工步的确定及模膛种类的选择,模锻件的结构工艺性,1. 敷料,为简化,锻件形状、,便于进行锻造,而增加的一部,分金属。,2. 锻件余量,为保证,切削加工的,精度而增加,的尺寸。,3. 锻件公差,允许锻件,尺寸的变化,范围。,1,、,绘制锻件图,1),确定加工余量、公差和敷料,2,锻造工艺规程的制定,2,、下料坯料的质量、尺寸计算；,G,坯料,=G,锻件,+G,烧损,+G,料头,3,、锻造工序的确定：选择什么工序，工序顺序，控制工序 寸，画出工序草图；,4,、确定吨位，即选择设备；,5,、确定温度范围：主要根据相图和合金材料；,6,、热处理工艺：表面淬火、退火等；,7,、制订技术要求和合格检验要求；,8,、填写工艺卡片。,2,）分模面的选择,分模面应选在锻件的,最大截面处,；,分模面的选择应使模膛,浅而对称,；,分模面的选择应使锻件上所,加敷料最少,；,分模面应最好是,平直面,。上下锻模的模膛深度基本一致,便于锻模制造。,分模面是指上下锻模在模锻件上的分界面。,按上述原则综合分析，图中的,dd,面是最合理的分模面。,3,）设计模锻斜度,外壁斜度：,57,内壁斜度：,712,4,）设计模锻圆角,外圆角：,r = 1.512mm,内圆角：,R=,（,23,）,r,5,）确定冲孔连皮,:,当孔径为,2580mm,时,冲孔连皮厚度取,48mm.,模锻斜度：,515,。与模膛深度与宽度的比值（,h/b,）有关，比值越大，斜度值越大。,模锻件图绘制实例,：,10,5,R8,二、坯料重量和尺寸的确定,坯料重量可按下式计算：,G,坯料,=,G,锻件,+,G,烧损,+,G,料头,坯料,尺寸：按坯料的重量、截面形状及尺寸确定,锻件截面及尺寸。,三、,模锻工步的确定及摸膛种类的选择,圆盘类零件：镦粗 预锻 终锻,长杆类零件：制坯 预锻 终锻,1.尽量避免锻件上的斜面、锥体等复杂形面。,2.锻件体应由简单几何体构成且其交线为简单曲线、避免复杂曲线，如相贯线等。,3.锻件上不应设计筋条（板）、凸台、工字形等。,4.锻件的截面有急剧变化或形状复杂时，应设计成由几个简单体构成的组合体。,一、自于锻件的结构工艺性,3,模锻件结构工艺性,1.,有合理的分模面，保证锻件易于从锻模中取出锻件；,2.,零件的外形应力求简单、对称、平直；避免薄 壁、高筋、凸起等结构；,3.,非加工表面应设计模锻斜度；两个非加工面所形成的角都应按模锻圆角设计。,二、模锻件的结构工艺性,4.,避免设计深孔、多孔结构；,5.,采用锻焊组合工艺。,第三章 板料的冲压成形工艺,板料的冲压成形：是利用冲模使板料产生分离或变形的成形工艺。通常在常温下进行，所以又叫,冷冲压,。,当板厚,8-10,毫米时，才用热冲压。,便于实现自动化，生产率很高，操作简便。,冲压件一般不需再进行切削加工，因而节省原材料，节省能源消耗。,原材料是表面品质好的板料或带料，所以产品质量小、强度高、刚性好。,产品尺寸稳定， 互换性好，可以成形形状复杂的零件。,特点：,应用,：在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表、国防以及日用品工业中，冲压件占有相当大的比例。,常见冲压材料,-,低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢。非金属材料如橡胶、皮革、毛毡、硬纸板等。,设备及模具,-,板料冲压是在冲床上利用模具进行冲压加工。,拖拉机：,400,多个。,三米收割机：,1000,多个。,冲压设备,1.,剪床：,2.,冲床：,下料设备,1,）斜刃剪,2,）平刃剪,3,）圆盘剪,冲压设备,1,）开式冲床,2,）闭式冲床,第一节 分离工序,第二节 成形工序,第三节 冲模的分类和构造,内容：,1,分离工序,落料及冲孔,(,统称冲裁,):,是使坯料按封闭轮廓分离的工序。,落料,:,被,分离,的部分为,成品,，而,留下,的部分是,废料,；,冲孔,:,被,分离,的部分为,废料,，而,留下,的部分是,成品,。,例如冲制平面垫圈，制取外形的冲裁工序称为落料,而制取内孔的工序称为冲孔。,1,分离工序,：是使坯料的一部分相对于另一部分相互分离的工序，包括剪切、冲裁、修整等。,二、落料及冲孔,一、剪切：,使坯料沿不封闭轮廓产生分离。,包括：斜刃剪、平刃剪、圆盘剪。,(1),冲裁变形过程的三个阶段,当凸、凹模的间隙正常时，冲裁变形过程可分为三个阶段：,1,、冲裁变形过程, 弹性变形阶段。,塑性变形阶段,弹性变形阶段,断裂分,离阶段, 塑性变形阶段。, 断裂分离阶段。,圆角带,是材料被弯曲和拉伸变形的结果。,光亮带,是材料受到剪切和挤压应力的作用而形成的。,断裂带,是由于刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展断裂而形成的。,(2),冲裁件切断面上的区域特征,冲裁件的切断面不很光滑，并有一定锥度。它可分成三个较明显的区域,:,圆角带、光亮带、断裂带。,断面特点,:,断面上形成第二光亮带,缺点,:,增大了冲裁力、卸料力和推件力，加剧了凸、凹模的磨损，缩短了模具寿命。,板料在过小间隙冲裁时受到挤压而产生压缩变形，所以冲裁件的尺寸略有变化,:,落料件的外形尺寸增大；,冲孔件的孔腔尺寸缩小。,2,、凸、凹模间隙,凸、凹模的间隙不仅严重影响冲裁件的断面品质，而且影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。,(1),间隙过小,缺点,：因弹性回复而使落料件的外形尺寸缩小，冲孔件的内腔尺寸增大，品质较差。,(2),间隙过大,断面特点,：,切断面光亮带减小，圆角带与锥度增大，形成厚大的拉长毛刺。,优点,：推件力与卸料力减小，甚至为零，材料对凸、凹模的摩擦作用大大减弱，所以模具寿命较长。,应用,:,对于批量较大而公差又无特殊要求的冲裁件，可适当采用“大间隙”冲裁。,当间隙合理时，冲裁力、卸,料力和推件力适中，模具有足够,长的寿命。这时光亮带占板厚的,l,2,l,3,，圆角带、断裂带和,锥度均很小。零件的尺寸几乎与,模具一 致，完全可以满足使用,要求。,(3),间隙合理,合理的间隙值可,查表,选取对冲裁件品质要求较高时，可将表中数据减小,l,3,。,单边间隙,(c),的合理数值可按下述经验公式计算：,c,=,m,板料厚度。,m ,与板料厚度及性能有关的系数。,设计,冲孔模,：以凸模刃口作设计基准。,D,凸,= d,孔,，,D,凹,= D,凸,+ Z,注意：,冲孔凸模基本尺寸应取工件尺寸公,差范围内的最大尺寸。,3,凸、凹模刃口尺寸的确定,在冲裁件尺寸的测量和使用中，都是以,光亮带,的尺寸为基准的。,设计,落料模,：以凹模作为设计基准。,D,凹,= d,落,，,D,凸,= D,凹,- Z,注意：,落料凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的最小尺寸。,1,2,两种排样类型：,4,冲裁件的排样,排样,:,指落料件在条料、带料或板料上合理布置的方法。,排样合理可使废料最少，板料利用率最大。,有搭边排样。,无搭边排样。,三、修整,修整,:,利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉冲裁件切断面上存留的剪裂带和毛刺，从而提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度的一种工艺方法。,修整机理相当于切削加工，大间隙冲裁件，单边修整量约板厚的,10%,；小间隙冲裁件单边修整量取板厚的,8%,以下。,修整时应合理确定修整余量及修整次数。修整后冲裁件公差等级达,IT6,IT7,，表面粗糙度,Ra=0.8,1.6m,。,2,成形工序,成形工序,：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，如拉深、弯曲、翻边、胀型、旋压等。,一、拉深,拉深：利用拉深模使板料变成开口空心件的冲压工序。可以制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其它复杂形状的薄壁零件。,1,、拉深变形过程及特点,变形特点：,变形区是板料的凸缘部分，其它部分是传力区；,板料变形在切向压应力和径向拉应力的作用下，产生切向压缩和径向伸长的变形。,金属材料塑性流动越大，板料直径越大，拉探后筒形直径越小，其变形程度就越大。,防止措施：,正确选择拉探系数。,m=d/D,a),、,m0.5,0.8,；,b,）、多次拉深系数应一次比一次增大，且中间退火处理。,合理设计拉探凸、凹模的圆角半径。,r,凹,=10,r,凸,=(0.6,）,r,凹,合理设计凸、凹模的间隙。,c=,（,1.1,1.2),注意润滑。,2,拉深中常见的废品及其防止措施,(1),拉裂,防止：,可采用设置压边圈,通过增加毛坯的相对厚度或拉深系数的途径来防止。,(2),起皱,3.,旋压,旋压的基本要点：,合理的转速。,低碳钢：,400,600r,min,铝：,800,1200r,min,合理的过渡形状。,合理加力。,旋压是将毛坯（板料或块料）压紧在旋压机,(,可用普通车床代替,),的芯模上，使毛坯随旋压机的主轴一起旋转，同时操纵旋轮,(,或赶棒、赶刀,),，在旋转中加压于毛坯，毛坯逐渐紧贴芯模，从而达到零件所要求的形状和尺寸。,二、弯曲,弯曲是将板抖弯成一定角度、一定曲率而形成一定形状零件的工序。,变形特点：, 变形区域主要在圆角部位； 外层金属受拉应力，内层金属受压应力。,缺陷,：弯裂,防止,：,r,min,=(0.25,1),；,弯曲时还应尽可能使弯曲线与板料纤维方向垂直；,若弯曲线与纤维方向一致可用增大最小弯曲半径来避免破裂。,注意：,回弹现象。,三、其它冲压成形,1,胀形,胀形主要用于板料的局部胀形,(,或叫起伏成形,),，如压制凹坑、加强肋、起伏形的花纹及标记、管形料的胀形,(,如波纹管,),、板料的拉形等。,2,翻边,翻边是在带孔的平坯料上用扩孔的方法获得凸缘的冲压成形工艺。,1.,简单冲模,2.,连续冲模,3.,复合冲模,冲床在一次行程中只完成一个冲压工序。,冲床在一次行程中在模具的不同的部位同时完成两个以上冲压工序的模具。,冲床在一次行程中在同一部位同时完成两个以上的冲压,工序的模具。,3,冲模的分类和构造,落料冲模,落料及拉深复合模,冲孔落料连续模,