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1、锻压是利用金属的塑性变形特性，改变坯料的尺寸和形状，改善其内部组织和力学性能，获得所需毛坯或零件的成形加工方法。锻造和冲压是锻压成形的主要方法之一。锻造一般是将圆钢、方钢（中、小锻件）或钢锭（大锻件）加热到高温后进行加工。锻造能够改善铸态组织、锻合铸造缺陷（缩孔、气孔等），使锻件组织紧密、晶粒细化、成分均匀，从而显著提高金属的力学性能。因此，锻造主要用来制造那些承受重载、冲击载荷、交变载荷的重要的机械零件或毛坯，如各种机床的主轴和齿轮、汽车发动机的曲轴和连杆、起重机吊钩及各种刀具、模具等。,第三章 锻压成形,1,1,锻压、冲压材料,冲压一般是在常温下利用冲床、冲模对板料进行加工。冲压主要用来生
2、产强度高、刚度大、结构轻的板壳类零件，如手表齿轮、日用器皿、仪表罩壳、汽车覆盖件等。锻压是利用塑性变形的原理使材料成形的，因而用于锻压的材料必须具有良好的塑性，以免加工时破裂。各种钢材和大多数非铁金属及其合金都具有一定的塑性，可以用于锻压，如低碳钢、铜和铝及其合金都是常用的锻压材料；而铸铁是脆性材料，不能用于锻压。,2,2,3.1.1 金属的塑性变形,3.1 金属的塑性变形及锻造性能,3,动画1 单晶体正应力拉伸,1.塑性变形 金属在外力作用下，内部产生应力和应变。当应力小于屈服强度时，内部只发生弹性应变；当应力超过屈服强度时，迫使组成金属的晶粒内部产生滑移或孪晶，同时晶粒间也产生滑移和转动，
3、从而形成了宏观的塑性变形。1）弹性变形及破断 作用于金属的外力可分为正应力和切应力，正应力使金属产生弹性变形或破断,见动画1。,3,2）单晶体塑性变形,实验表明，晶体只有在切应力的作用下才会发生塑性变形。室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿滑移面作整体滑动，动画2为单晶体在切应力作用下的滑移变形过程。,4,动画2 单晶体在切应力作用下的滑移变形,4,孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿某个晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列呈镜面对称。单晶体在切应力 作用下的孪生变形过程见动画3。,动画3 孪生变
4、形,3）孪生,5,5,4）位错运动,由于位错运动只是少量原子的微量移动，因而其所需的临界切应力远远小于刚性滑移，这也就是塑性变形在外力远未达到理论临界切应力时就已发生的原因所在。,近代塑性理论研究与实践证明，晶体内的滑移或孪生不是晶体两部分之间的整体刚性滑动或转动，而是通过位错运动来实现的。位错是晶体内部的一种线缺陷，是局部晶体内某一列或若干列原子发生错排而造成的晶格扭曲现象，如动画4所示。,动画4 位错运动,6,6,多晶体是由许多晶格位向不同的晶粒所组成的，其塑性变形可视为各个单晶体塑性变形的综合效应（见视频1）。,5）多晶体塑性变形,教学视频1 多晶体塑性变形（点击画面启动视频）,7,7,
5、2.加工硬化,金属在室温下塑性变形时，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和晶间产生碎晶的综合影响，金属进一步滑移变形的阻力增加了，从而引起其强度及硬度上升而塑性和韧性下降,这种现象称为加工硬化。加工硬化在生产中很有实用意义，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，均可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。但在冷轧薄钢板、冷拉细钢丝及多道拉深的过程中，也会由于加工硬化造成后道工序的困难，甚至开裂报废。因此有时要在工序间适当穿插热处理工艺来消除加工硬化。,8,8,(2)通过加工硬化可以提高
6、金属的强度、硬度和耐磨性。(3)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。冷变形与加工硬化见视频2。,2）加工硬化对金属组织性能的影响,教学视频2 冷变形与加工硬化,10,(1)压力加工过程中，加工硬化增大了材料继续变形的阻力。,9,3.回复,将已产生加工硬化的金属加热到绝对温度回（0.250.3）熔 以上，使原子回复到正常排列位置，消除了晶格扭曲，降低了内应力，从而部分消除加工硬化。这种使金属强度、硬度略有下降，塑性、韧性略有上升的现象称为回复，见动画6。4.再结晶 若将硬化金属加热到绝对温度再 0.4熔以上，原来被拉长的晶粒将以碎晶或杂质为核心重新生核、结晶，变为细小的等
7、轴晶粒，从而完全消除加工硬化,这种现象称为再结晶（见视频3）。,动画6 硬化金属加热时组 织与性能的变化,11,10,在再结晶温度以下的变形称为冷变形。钨的再结晶温度为1210，因此钨即使在1000时的变形仍为冷变形。金属冷变形将产生加工硬化现象。冷变形的特点及应用：(1)冷变形时金属的塑性低，变形抗力大。(2)热压力加工能一次成形，而采用冷压力加工就可能要加压多次，在中间还可能需进行多次再结晶退火，设备也要求刚性好、吨位大。(3)冷变形后的产品精度高、表面光洁，常用于已热变形过的坯料的再加工，如冷轧、冷冲压、冷镦及冷拉等。,5.冷变形,13,11,6.纤维组织,坯料中的塑性夹杂物（MnS、F
8、eS等）沿最大变形方向伸长，而脆性夹杂物(FeO、SiO2等)被打碎呈链状，形成了永久性的点条状或链状的纤维组织。坯料中纤维组织的存在，造成了锻压件力学性能的各向异性。即纵向（平行于纤维方向）上的塑性、韧性高于横向（垂直于纤维,15,图1 纤维组织的合理分布,方向）。因此在设计锻件时，应使纤维方向与零件的轮廓相符合而不被切断，并使零件所受的最大拉应力方向与纤维方向一致，最大切应力方向与纤维方向垂直。纤维组织的合理分布如图1所示。,12,锻造性能（亦称可锻性）是指金属材料锻压加工成形的难易程度，以塑性和变形抗力综合衡量。通常认为材料塑性大、变形抗力小则其锻造性能好。影响锻造性能的因素主要是金属的
9、本质和工艺条件。1）金属的本质(1)化学成分。不同化学成分的金属锻造性能不同。纯金属的锻造性能比合金要好；合金元素的含量越多，锻造性能越差。如低碳钢的锻造性能很好，高碳钢的锻造性能比较差，高合金钢的锻造性能更差。,3.1.2 金属及合金的锻造性能 1.锻造性能,16,13,2）工艺条件,22,(2)金属组织。同一成分的合金，当组织结构不同时，其锻造性能也不同。单一固溶体组织的锻造性能好于化合物组织。,(1)变形温度。温度越高，原子活动能力越大，滑移所需的应力越小，因而变形抗力降低、塑性增加，所以加热有助于提高锻造性能。但加热不当会产生氧化、脱碳、过热等缺陷，甚至造成过烧使产品报废。所以金属的变
10、形必须严格控制在规定的温度范围内，见动画7。碳钢的锻造温度范围可依据相图来确定。常用金属的锻造温度范围见表1。,动画 7 碳钢加热温度范围,17,14,18,表1 常用金属材料的锻造温度范围,15,动画8 变形速度与变形抗力,(2)变形速度。采用常规锻压方法时，随着变形速度的增加，,回复和再结晶来不及充分进行，加工硬化未彻底消除，造成金属的塑性下降、变形抗力增加、锻造性能变差。所以常规锻造塑性较差的金属材料时应采用较低的变形速度（即用压机而不用锤）。在高速锤上锻造时，随变形速度的增加，变形时间缩短，由塑性变形功,19,转化而来的热量大大超过散失的热量，会明显提高变形温度，即热效应使塑性上升、抗
11、力变小，锻造性能反而变好，所以常规设备难以锻造的高强度低塑性合金可以采用高速锤锻造。变形速度对锻造性能的影响效果如动画8所示。,16,越好，但变形抗力增加。这是因为金属在拉应力作用下变形，内部的气孔、微裂纹等缺陷容易扩展，可能造成金属破坏而失去塑性；但在拉应力下金属滑移变形容易，所以变形抗力小。金属在压应力作用下变形时，内部的显微裂纹不易扩展，金属的塑性得到改善；但由于增加了金属内部的摩擦，使变形抗力增加。因此，不同的材料应选择不同的加工方式：本身塑性较好的材料，应选择拉应力状态下变形（如拉拔等），以减少能量消耗；本身塑性较差的材料，应尽量在三向压应力状态下变形（如挤压等），以免开裂。数目越多
12、，塑性越好，变形抗力越大。几种常用锻压方法的应力状态见动画9。,(3)应力状态。三向应力状态中，压应力数目越多，材料塑性,20,17,教学视频5 锻造性及其影响因素,22,综上所述，金属锻造性能不仅取决于金属的本质还取决于变形的工艺条件（见视频5）。因此，进行压力加工时,要力求创造最有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使能量消耗最少，用最经济的方法达到加工的目的。,18,3.2 锻造,在冲击力或静压力的作用下，使热锭或热坯产生局部或全部的塑性变形，获得所需形状、尺寸和性能的锻件的加工方法称为锻造。锻造分为自由锻造、模型锻造及胎模锻。,3.2.1 自由锻造,只采用通用工具或直接在锻
13、造设备的上、下砥铁间使坯料变形获得锻件的方法称为自由锻（见视频6）。自由锻的原材料可以是轧材（中小型锻件）或钢锭（大型锻件）。自由锻工艺灵活、工具简单，适合于各种锻件的单件或小批量生产，也是特大型锻件的唯一生产方法。,教学视频6 自由锻造,23,19,自由锻的设备有锻锤和液压机两大类。锻锤是以冲击力使坯料变形的，设备规格以落下部分的重量来表示。常用的有空气锤和蒸汽空气锤。空气锤的吨位较小，只有0.510kN，用于锻100kg以下的锻件；蒸汽空气锤的吨位较大，可达1050kN，可锻1500kg以下的锻件。液压机是以液体产生的静压力使坯料变形的，设备规格以最大压力来表示。常用的有油压机和水压机。水
14、压机的压力大，可达500015000kN，是锻造大型锻件的主要设备。,1.自由锻的主要设备,24,20,2.自由锻的基本工序,锻造过程中直接改变坯料形状和尺寸的工序。包括镦粗、拔长、弯曲、冲孔、扭转、错移等。最常用的是镦粗、拔长和冲孔。1）镦粗 使坯料整体或一部分高度减小、截面积增大的工序称为镦粗。,动画10 镦粗,25,(1)镦粗有完全镦粗、局部镦粗和垫环镦粗等(动画10，视频7)。,21,(2)镦粗操作要点。坯料原始尺寸的高径比h0/d02.5，以免镦弯；坯料两端面要平整且垂直于轴线；坯料加热要均匀且锻打时经常绕自身轴线旋转，以使变形均匀。(3)镦粗的应用。制造高度小、截面大的盘类工件，如
15、齿轮、圆盘等；作为冲孔前的准备工序，以减小冲孔深度；增加某些轴类工件的拔长锻造比，提高力学性能,减少各向异性、变形不均匀。性成形中，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。根据砧块的形状和限制金属流动的不同，有几种不同的金属流动情况。,(4)变形特点。镦粗时的最小阻力定理最小周边定则：在塑,27,22,(5)镦粗缺陷。,动画11 镦粗缺陷,28,只适用于高度较小的盘类零件的毛坯锻造，即,h0/d02.5。若长或高（h0）径（d0）比太大，镦粗易弯曲或形成双鼓形（见动画11）。,23,2）拔长,教学视频8 拔长,使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长（见视频8）。拔长主
16、要用于轴杆类锻件成形，其作用是改善锻件内部质量。(1)拔长的种类。有平砥铁拔长（见动画12）、芯轴拔长（见动画13）、芯轴扩孔等（见动画14）。,29,动画12 平砥铁拔长,24,31,动画15 拔长时送进量大的影响,动画16 拔长时送进量小的影响,(2)拔长时送进量 对拔长效率和拔长质量的影响见动画15、16。,图2 型砖拔长圆形断面坯料,25,与平砧比采用型砧可提高拔长效率20%40%（见图2）。锻造比（坯料变形前后的截面积之比）。即当送进量小于砧宽时，拔长效率才高，反之拔长效率低，甚至拔不长。但送进量也不能过小，因为过小会增加压下次数，这在一定程度上将降低拔长效率。拔长时坯料每送进压下一
17、次,其变形情况与镦粗变形有类似特征，即侧表面产生鼓形，内部形成不均匀变形。不同之处是：拔长时坯料要反复翻转压缩，因此难变形区和小变形区得到反复交换而使变形趋于均匀。,(3)拔长的变形特点。,32,26,(4)拔长的操作要点。坯料在平砥铁上拔长时应反复作90o翻转（如动画17,图3所示）,圆轴应逐步成形最后摔圆（图4为圆轴逐步拔长法示意图）。应选用适当的送进量,以提高拔长效率，一般取=(0.40.8)b；拔长后的宽高比a/h2.5，以免翻转90o后再拔长时弯折；芯轴上扩孔时，芯轴要光滑，而且直径d0.35L。,33,图3 90o翻转法,图4 圆轴逐步拔长法,动画17 翻转法拔长,27,采用冲子将
18、坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。其方法如动画18、19、20所示。,动画18 实心冲子冲孔,动画19 空心冲子冲孔,动画20 在垫环上冲孔,3）冲孔,34,28,4）弯曲 5）扭转,教学视频9 弯曲,教学视频10 扭转,将毛坯弯成所需形状的工序（见视频9）。在进行弯曲变形前，先要将毛坯锻成所需形状，使体积合理分配，便于获得合格产品。,将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序（自由锻扭转工序如视频10所示）。,35,29,6）切割,教学视频11 切割,将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序（见视频11），采用切割成形比单纯用切削加工的效率高得多。,36,30,3.辅
19、助工序,自由锻工序包括辅助工序（见视频12）、基本工序、精整工序。,教学视频12 辅助工序,37,31,2）自由锻工艺,43,表2 典型锻件的自由锻工艺示例,32,44,续表,33,45,典型锻件的自由锻工艺示例（续）,续表,34,(1)机械加工余量（简称余量）。锻件表面留有供机械加工用的金属，其大小取决于零件的形状、尺寸精度、表面粗糙度要求、锻造加热质量、设备、工具精度和操作技术水平等(非加工表面则无须加放余量)。(2)锻件公称尺寸。零件公称尺寸的加余量。(3)锻件公差。锻件公称尺寸与锻件实际尺寸的误差。(4)余块。为了简化锻件外形或根据锻造工艺需要，在零件上较小的孔、狭窄的凹档、直径差较小
20、而长度不大的台阶、难于锻造的地方，通常填满金属，这部分附加的金属叫锻造余块。,3）根据零件图绘制锻件图,46,35,件的形状用双点划线绘制；锻件的公称尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件公称尺寸标注在尺寸线下面并加括号，见动画21、22。,(5)锻件图的绘制方法。锻件图上的锻件形状用粗实线描绘，零,47,动画21 轴类零件自由锻件图的绘制,36,(1)变形工艺内容包括确保锻件成形必需的工序、决定工序顺序、设计工艺尺寸等。锻件分类(如动画23所示)及工序选择的一般原则如下：,4）选择变形工艺及锻造设备,49,短轴类(饼块类)锻件:工序为镦粗（有凸肩的局部镦粗，带孔的选镦粗冲孔），如齿轮坯：镦粗冲孔
21、。长轴类(轴类)锻件:工序拔长，如曲轴:拔长错移扭转。弯曲锻件:拔长弯曲(多次)。复杂形状的锻件：各种工序的组合。,37,式中：F0,H0,D0,F,H,D分别是锻造前后坯料的截面积、高度和直径。(3)锻造设备的确定。自由锻常用设备为锻锤和水压机。,(2)锻造比的确定。,51,锻锤主要用于中小型锻件的锻造。水压机主要用于大型锻件的锻造。,设备吨位选择原则:不能过小也不能过大,必须适当。,38,胎模锻是在自由锻设备上使用可移动的简单模具生产锻件的一种锻造方法。胎模锻造一般先采用自由锻制坯，然后在胎模中终锻成形。锻件的形状和尺寸主要靠胎模的型槽来保证。胎模不固定在设备上，锻造时用工具夹持着进行锻打
22、，见视频18。,3.2.2 胎模锻,教学视频18 胎模锻,53,与自由锻相比，胎模锻生产效率高，锻件加工余量小，精度高；与模锻相比，胎模制造简单，使用方便，成本较低，也不需要昂贵的设备。因此胎模锻曾广泛应用于中小型锻件的中小批量生产中。但胎模锻劳动强度大，辅助操作多，模具寿命低，在现代工业中已逐渐被模锻所取代。,39,1.胎模锻锻模的种类、结构及用途,54,表3 胎模的种类、结构和用途,40,续表,55,41,续表,56,42,2.典型锻件的胎模锻工艺过程,57,动画25 轴套胎模锻,1）轴套胎模锻（见动画25）,43,2）双联齿轮胎模锻（见动画26）,动画26 双联齿轮胎模锻,58,44,模
23、型锻造简称为模锻，是将加热到锻造温度的金属坯料放到固定在模锻设备上的锻模模膛内，使坯料受压变形，从而获得锻件的方法。与自由锻和胎模锻相比，模锻可以锻制形状较为复杂的锻件，且锻件的形状和尺寸较准确、表面质量好，材料利用率和生产效率高。但模锻需采用专用的模锻设备和锻模，投资大、前期准备时间长，并且由于受三向压应力变形，变形抗力大，故而模锻只适用于中小型锻件的大批量生产。1.模锻设备 生产中常用的模锻设备有模锻锤、热模锻压力机、摩擦压力机和平锻机等。其中模锻锤工艺适应性广，可生产各种类型的模锻件，设备费用也相对较低，长期以来一直是我国模锻生产中应用最多的一种模锻设备。,3.2.3 模型锻造,59,4
24、5,锤上模锻是在自由锻和胎模锻的基础上发展起来的，所用的锻模是由带有燕尾的上模和下模组成的（见视频19）。锤上锻模工作原理如动画27所示，下模固定在模座上，上模固定在锤头上，并与锤头一起作上下往复的锤击运动。,2.锤上锻模,教学视频19 锤上锻模,60,动画27 锤上锻模工作原理,46,锤上模锻最常用的设备为蒸汽空气模锻锤。此外，还有无砧座锤和高速锤等。模锻锤的砧座较大，机架直接用带弹簧的螺栓安装在砧座上，形成封闭结构；模锻锤的锤头与导轨间的间隙很小，并可调整，因此锤头运动精确，保证上、下模能准确对准，从而获得形状和尺寸准确的模锻件。模锻锤的吨位以锤杆落下部分的质量表示。常用模锻锤的吨位为11
25、6t，通常用以锻造0.5150kg的模锻件。,1）模锻锤,61,47,体积，使坯料形状基本接近锻件形状。制坯模膛分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、成形模膛、镦粗台及压扁面等。拔长模膛。减小坯料某部分横截面积以增加该部分的长度。滚压模膛。减小坯料某部分的横截面积以增加另一部分的横截面积。弯曲模膛。将坯料轴线由直线变成曲线形状。切断模膛。切断坯料。,62,(1)制坯模膛。制坯模膛主要作用是按照锻件形状合理分配坯料,根据锻件的形状和模锻工艺的安排，上、下模中都设有一定形状的凹腔，称为模膛。模膛根据功用分为制坯模膛和模锻模膛两大类。,48,预锻模膛。目的是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，以便在终锻
26、成形时金属充型更加容易，同时减少终锻模膛的磨损，延长锻模的使用寿命。预锻模膛的圆角、模锻斜度均比终锻模膛大，而且不设飞边槽。终锻模膛。可使坯料变形到热锻件所要求的形状和尺寸。待冷却收缩后即达到冷锻件的形状和尺寸。终锻模膛的分模面上有一圈飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。模锻件的飞边须在模锻后切除。实际锻造时应根据锻件的复杂程度相应选用单模膛锻模或多模膛锻模。一般形状简单的锻件采用仅有终锻模膛的单模膛锻模，而形状复杂的锻件（如截面不均匀、轴线弯曲、不对称等）则需采用具有制坯、预锻、终锻等多个模膛的锻模逐步成形。,63,(2)模锻模膛。分为预锻模膛和终锻
27、模膛两种。,49,3.典型锻件锤上模锻 工艺过程 图8为弯曲连杆在锤上模锻时的成形过程。,图312,66,图8 弯曲连杆在锤上模锻 时的成形过程,50,模锻工艺方法与锻件外形紧密相关。形状相似的锻件，其模锻工艺及锻模结构基本相同。1）锻件的类型 锤上模锻锻件的类型分为：长轴类锻件、短轴类（圆饼类）、顶镦类及复合类等锻件。,4.锤上模锻的工艺设计,67,51,制坯（如拔长、滚压、弯曲、成形）预锻终锻。,68,(1)长轴类锻件。模锻时毛坯轴线方向（长度方向）与锻击方向垂直，金属主要沿高度方向流动，沿长度方向流动很少，往往需制坯。其工艺过程为：,2）模锻工艺分析,52,(3)顶镦类锻件。采用顶镦工艺
28、实现锻件成形。分为热顶镦和冷顶镦。其工艺过程：聚料预成形终成形。(4)复杂类锻件。根据锻件的形状特点选用前三类锻件所需工步和设计方法进行。,(2)短轴类锻件。模锻时坯料轴线方向与打击方向相同，金属沿,69,高度、宽度和长度方向同时流动。其工艺过程：制坯（镦粗、压扁）终锻。,53,5.模锻图的绘制,分模面是指锻模上模与下模的分界面。模锻件分模面的选择关系到锻件成形、锻件脱模以及锻件质量等一系列问题。模锻分模面的选择方案见动画29。,70,动画29 模锻分模面的选择,1）选择分模面,54,2）确定机械加工余量和锻件公差,模锻件上凡需机械加工的部位均要求留有机械加工余量，并标注锻造公差。由于模锻件的
29、精度比自由锻高得多，因此模锻件的机械加工余量及锻造公差均比自由锻件小。通常模锻件的机械加工余量为14mm，锻造公差为0.33mm之间，具体数值可根据锻件尺寸、锻件形状复杂程度、锻件材料及精度要求等查阅有关手册。,71,55,3）确定模锻斜度,为了便于将模锻件从模膛中取出，锻件沿锤击方向的表面应留有一定的斜度，称为模锻斜度（如图9所示）。锻模斜度通常由专用的模具铣刀铣出，采用模具铣刀的标准角度有3、5、7、10、12等几种。由于锻模内壁在锻件冷却后容易被夹住，因此内壁斜度应略大于外壁斜度（21）。一般外壁斜度取5或7，内壁斜度取7或10。,72,图9 确定模锻斜度,56,4）确定圆角半径,模锻件
30、上所有转角处都应设计成圆角,以便金属在模膛中流动时保持金属纤维的连续性,提高锻件的质量并避免模锻件转角处产生应力集中及变形开裂现象,延长模具寿命。锻模上的圆角是由模具铣刀铣出，分别有1mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm、,图3-15,73,图10 确定圆角半径,6 mm、8 mm、10mm、12 mm、15 mm、20 mm、25mm、30 mm等多种。通常钢锻件内圆角半径如图10所示，r取14mm,外圆角半径 R是内圆角半径的34倍。模锻模膛越深，圆角半径应越大。,57,5）冲孔连皮,锤上模锻不能锻出通孔，而必须在孔内保留一层金属层，称为冲孔连皮。冲孔连皮锻后需在压力机上去除。
31、冲孔连皮常采用平底连皮、斜底连皮等形式，当孔较小、较浅时（孔径a为2560mm），采用平底连皮，平底连皮的厚度通常为,48mm之间；孔较大、较深时，为便于孔底金属向四周排除，应采用斜底连皮。模锻件上直径小于25mm的孔一般不予锻出（见图11）。,74,图11 冲孔连皮的孔径与与厚度,58,图13 长轴类模段件,6.模锻工序的选择,模锻工序主要按模锻件的形状和尺寸来确定。模锻件按其形状可分为长轴类零件（如台阶轴、曲轴、连杆等）和盘类零件（如齿轮、法兰盘等）两大类。图12为盘类模锻件，其模锻工序通常采用镦粗或压扁模膛制坯后终锻成形。图13为长轴类模锻件，其模锻工序通常采用拔长、滚挤、预锻、终锻和切
32、断等工序。,图3-19,75,图12 盘类模锻件,59,板料冲压是在冲床上用冲模使金属或非金属板料产生分离或变形而获得制件的加工方法。板料冲压通常在室温下进行，所以又叫冷冲压。用于冲压的材料必须具有良好的塑性。常用的有低碳钢、高塑性合金钢、铝和铝合金、铜和铜合金等金属材料以及皮革、塑料、胶木等非金属材料。冲压的优点是生产率高、成本低；成品的形状复杂、尺寸精度高、表面质量好且刚度大、强度高、重量轻，无需切削加工即可使用。因此在汽车、拖拉机、电机、电器、日常生活用品及国防等工业中有广泛应用。,3.3 板料冲压3.3.1 概述,1,(1)生产率高(靠模具设备成形，操作简便，易实现“两化”)。(2)可
33、获得复杂形状的制件，而且废料少，材料利用率高。(3)制件尺寸精度高，表面质量、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。(7)加工更为方便，可用较简单的工艺制造出更复杂的结构件。(8)可方便进行CAD/CAPP/CAM。,1.板料冲压特点,2,2.板料冲压应用,冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件，还能够制造精密(公差在微米级)和复杂形状的零件。,教学视频23 板料冲压的应用(点击画面启动视频),3,全世界钢产量中有60%70%以上的板材、管材及其他型材，大部
34、分是经过冲压制成的。冲压技术在制造业生产中得到了广泛的应用，如视频23所示。,冲压常用的设备有剪床和冲床等。剪床(见图14,动画34)的作用是把板料切成一定宽度的条料，为后续的冲压备料；冲床的作用是完成冲压的各道工序，生产出合格的产品。(冲压设备见视频25、图15)。,3.3.2 冲压设备,4,动画34 剪床工作原理,图14 剪床,1.冲孔和落料 冲压的工序有分离工序(见动画35)和变形工序(见动画36)。板坯在冲模刃口作用下沿封闭轮廓分离的工序称为冲孔或落料。,8,动画35 分离工序分类,动画36 变形工序分类,3.3.3 冲压的基本工序,冲孔是用冲裁模在工件上冲出所需的孔形；落料是用冲裁模
35、从坯料上冲下所需形状的板块，作为工件或进一步加工的坯料。,教学视频26 落料冲孔工序,9,冲孔和落料两者的模具结构基本相同，只是尺寸有所差别：冲孔模的凸模尺寸由工件尺寸决定，凹模比凸模间隙大；落料模的凹模尺寸由工件尺寸决定，凸模比凹模间隙小（见视频26）。,凸、凹模之间存在一定的间隙。冲裁时板料的变形过程，如动画37所示可分为三个阶段：,1）冲裁过程,(1)当凸模开始接触板料并下压时，板料产生弹性压缩、弯曲、拉伸等变形。(2)凸模继续下压，板料的应力达到屈服点，板料发生塑性变形。(3)当板料应力达到抗剪强度时，板料在与凸、凹模刃口接触处产生裂纹，当上下剪裂纹相连时，板料便分成了两部分。,动画3
36、7 冲裁区应力和应变情况,10,2）冲裁间隙,冲裁间隙是指冲裁凸模与凹模之间工作部分的尺寸之差，即 Z=D凹D凸 冲裁间隙对冲裁过程有很大的影响（见动画38），它不仅对冲裁件的质量起决定性的作用，而且直接影响模具的使用寿命。,动画38 冲裁间隙对冲裁过程的影响,11,弯曲是利用弯曲模使工件轴线弯成一定角度和曲率的工序（见动画39，视频27）。弯曲时应特别注意两个问题：,2.弯曲,(1)由于塑性变形中所包含的弹性变形部分在外力去除后会自动消失，从而造成工件的弯曲角度、曲率与模具不一致的现象，即回弹现象。因此在设计弯曲模时，应取模具的角度比成品角度小一个回弹角，以便在弯后得到准确的弯曲件形状。(2
37、)要注意弯曲件毛坯的下料方向，一般应使板料的纤维方向与弯曲件的弯曲线垂直，以防开裂。,动画39 弯曲,12,拉深是将平板材料通过塑性变形而制成的中空筒形零件的冲压工艺（见动画40，视频28）。拉深又称为拉延、引申、延深等。采用拉深方法可生产筒形、阶梯型、锥形、球形、方盒形及其他不规则形状的薄壁零件。因此，拉深工艺在汽车、拖拉机、电器、仪表工业中得到广泛的应用。,3.拉深,动画40 拉深,14,(1)拉深过程如动画41所示。拉深时需要合理确定拉深系数和拉深次数。拉深系数 m 等于拉深后的工件直径 d 与拉深前的毛坯直径D之比，即 m=d/D。m值越小，变形量越大，成形难度越大。,1）拉深工艺要求
38、,动画41 拉深过程,16,对于深腔拉深件（如弹壳、笔帽等）应采用多道拉深（见动画42）。但每次拉深的拉深系数m不能太小，一般控制在 m=0.50.8，而且 m1m2 mn，必要时还应在工序间穿插中间退火，以消除加工硬化。,2）拉深时的主要质量问题,拉深中极易产生起皱、失稳，和拉裂（在直壁底部，即凸模传力处，变形程度大，易拉裂）等缺陷（见图16）。因此要合理设计模具结构与尺寸，如设置压边装置（加压边圈，以控制变形程度）、加大凸模和凹模的圆角半径以及模具间隙，采用适当的润滑方式，可以防止上述缺陷的产生。,图16 拉深时主要质量问题,3）拉深模具的特点,拉深模与冲裁模相比较所具有的特点是：凸模与凹
39、模的转角处为圆角，且单边间隙Zt(料厚)；一般Z=(1.11.2)t；模具无刃口，呈圆角；模具间隙较大（见动画43）。,动画43 拉深模和冲裁模的比较,19,1）翻边 所谓翻边就是将零件的孔边缘或外边缘在模具作用下，翻成竖立边缘的一种冲压工艺方法（见动画44，视频29）。,4.其他成形工序简介,动画44 翻边工序,教学视频29 翻边工序,20,收口是将中空零件的口径缩小、使壁增厚，并获得所需形状的一种加工工序（见视频30）。,2）收口,教学视频30 收口工序,21,(1)胀形是利用压力将直径较小的筒形零件或锥形零件由内向外膨胀成为直径较大的凸出曲面零件，或者在板材上形成刚性筋条的一种塑性成形工
40、艺方法（见动画45）。图17为炮弹壳胀形。,3）胀形,动画45 胀形,图17 炮弹壳胀形,22,(2)胀形工艺主要用于圆柱形空心毛坯的胀形，其工序如视频,教学视频：胀型,教学视频31 胀形工序,31所示。管类毛坯的胀形(如波纹管)也常用于平板毛坯的局部胀形(如压制突起、凹坑、加强筋、花纹图案及标记等)。,23,教学视频32 压筋工序,4）压筋,压筋是在工件上压出局部凸凹形状的冲压工序（见视频32）。压筋能提高工件的刚度，是薄板件增加刚度的常用工序。,24,3.3.4 冲模,动画46 冲模工作剖视,25,冲模是冲压工序的重要工艺装备，工作时必须保证冲出合格的制件，并能适应生产规模的需要，还应使模
41、具制造及维修方便，操作简单、安全可靠。1.冲模的结构组成和作用 一副完整的冲模应由工作零件、定位零件、卸料零件、导向零件、基础零件及紧固零件六大部分组成，动画46是冲孔落料模的剖视图。,冲模的结构类型很多，为了研究方便，可以按冲模的不同特征进行分类。按冲模完成的工序性质可分为落料模、冲孔模、切断模、弯曲模、拉深模等几大类；按工序的组合方式可分为单工序的简单模和多工序的连续模以及复合模等三大类。,2.冲模的种类,1）简单模 在冲床的一次行程中只完成一道冲压工序的冲模称为简单模（见动画47）。其结构简单但效率低，适合于小批量、低精度的冲压件生产。,动画47 简单模,26,2）连续模,连续模(又称级
42、进模、跳步模)是指压力机在一次行程中，依次在几个不同的位置上同时完成多道工序的冲模。采用连续模冲压时，由于工件依次在不同的位置上逐步成形,为了控制工件的相,动画48 冲孔落料连续模,27,对位置精度应严格控制送料步距。连续模效率高且结构相对简单，适合于大批量、一般精度的冲压件生产。,3）复合模,复合模是指压力机在一次行程中，在同一中心位置上，同时完成几道工序的冲模。由于复合模是在同一中心位置上完成几道工序，因此它必须在同一中心位置上布置几套凸、凹模。复合模效率高但结构复杂，适合于大批量、高精度的冲压件生产。见动画49、50、51，视频33。,动画49 冲孔落料复合模,28,(1)黄铜弹壳的冲压
43、过程（见动画52）。,4）典型零件的冲压工艺过程,动画52 炮弹壳成形过程,32,(2)汽车消音器的冲压过程（见视频34，图18）。,教学视频34 汽车消音器冲压过程 图18 汽车消音器冲压,33,(3)鸣叫水壶的冲压成形（见动画53）。,动画53 鸣叫水壶冲压过程,34,3.4 粉末冶金3.4.1 粉末冶金的概念及工艺过程,粉末冶金是用两种以上的金属粉末或金属与非金属粉末经混合、压制成型和烧结制成金属材料或零件的方法(见视频35)。粉末冶金的工艺过程为：粉末制备、混料、压制成形、烧结 后处理等。(1)制取粉末。可采用机械破碎法、雾化法、氧化还原法及电解法制取金属粉末。(2)混料。在专用的混料
44、机中将不同成分的材料粉末按比例混合均匀，通常还加入少量的润滑剂（如机油、硬脂酸锌、石蜡等），以改善粉末的成形性和可塑性，从而提高压模的寿命。(3)压制成形。将已混合均匀的松散粉末置于模具型腔内加压，制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的型坯。,35,(4)烧结。将成形后的型坯放入具有保护性气氛（氢气、氮气、一氧化碳气等）的高温炉或真空炉中加热到规定的温度（低于基体金属的熔点），保温一段时间后取出，使型坯的孔隙减小、密度增高、强度增加，获得致密的烧结体。,粉末冶金的概念及工艺过程,教学视频35 粉末冶金工艺,36,些还需进行必要的后处理。如将烧结零件放入模具中进行精压处理，使零件精度和强度更加提高
45、；对不受冲击而硬度要求高的铁基粉末冶金零件整体淬火；对表面要求耐磨、心部要有足够韧度的铁基粉末冶金零件做表面淬火处理；对含油轴承在烧结后进行浸油处理；对不能用油润滑或在高速重载下工作的轴瓦，用烧结的铜合金在真空下浸渍聚四氟乙烯液，以制成摩擦系数小的金属塑料减摩件；将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结件的孔隙中，从而增加烧结件的密度、强度、硬度、塑性或冲击韧度等。,(5)后处理。,大多数粉末冶金制品在烧结后可直接使用，但有,37,3.4.2 粉末冶金的特点与应用 1.粉末冶金的特点（见视频36）,(1)能生产具有特殊性能的材料和制品，如用其他方法不能生产的含油轴承、过滤材料、热交换材料等多孔材料。(
46、2)能生产一般熔炼和铸造难以生产的难熔金属材料制品及复合材料制品，如高温合金、硬质合金、人造金刚石、摩擦材料、电接触材料、硬磁和软磁材料及金属陶瓷等。(3)能制成一些组元熔点相差悬殊、用普通熔化法生产会造成严重偏析和低熔点组元大量烧损的合金，如铜钨合金、银钨合金、铜钼合金、银钼合金等。(4)可直接制造出尺寸精确、表面光洁的零件，且省时、省料，实现近净成形和净终成形。由于粉末冶金制品的大小和形状受到设备吨位和模具的限制，而且制品强度不大、韧度较差，因此目前只能生产尺寸不大、形状不太复杂的零件。,38,2.粉末冶金的应用,(1)制造机械零件。如用锡青铜粉或铁粉与石墨粉可粉末冶金制成自润性良好的铜基
47、、铁基含油轴承；可粉末冶金制造摩擦离合器的摩擦片、刹车片等；可制造齿轮、链轮、凸轮、轴套、连杆等机械零件。(2)制造各种工具。用碳化钨与钴粉末冶金可制得YG类硬质合金刀具、模具和量具；用碳化钨、碳化钛和钴粉末冶金可制成YT类硬质合金刀具；用氧化铝、氮化硅与合金粉末冶金可制成金属陶瓷刀片等。(3)制造各种特殊用途的材料或元件。如制造用作磁芯、磁铁的强磁性铁镍合金；用于接触器或继电器上的铜钨、银钨触点；用于宇宙航行和火箭技术的耐热材料；用于原子能工业的核燃料元件和屏蔽材料等。,40,3.5 锻压新工艺,随着工业生产的发展和科学技术的进步，古老的锻压加工方法也有了突破性的进展，涌现了许多新工艺、新技
48、术，如超塑性成形、粉末锻造、液态模锻、高能率成形等。这些新工艺、新技术一方面极大地提高了制件的精度和复杂度，突破了传统锻压只能成形毛坯的局限，采用直接锻压成形使各种复杂形状的精密零件实现了近净成形和净终成形；另一方面，又使过去难以锻压或不能锻压的材料以及新型复合材料的塑性成形加工成为现实，从而为塑性成形提供了更为宽广的应用前景。,41,3.5.1 超塑性成形,1.超塑性成形的概念 超塑性（微细晶粒超塑性）是指当材料具有晶粒度等于0.55m的超细等轴晶粒，并在T（0.50.7）T熔的成形温度范围和（102104）m/s的低应变速率下变形时，某些金属或合金呈现出超高的塑性和极低的变形抗力的现象（见
49、视频37）。超塑性成形就是对超塑性状态的坯料进行锻造、冲压、挤压等加工，以制出高质量、高精度复杂零件的方法。目前常用的超塑性成形材料主要有锌合金、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金、不锈钢及高温合金等。,42,2.超塑性成形的特点,(1)金属材料具有超常规塑性，成形性极好，因而仅用一道工序就可获得形状复杂的薄壁工件。采用超塑性模锻成形技术使以前不能锻压的金属成为可能，从而扩大了可锻金属的范围。(2)变形抗力很小，因而可用小设备锻压大工件，而且延长了模具的使用寿命。(3)工件尺寸精密、形状复杂、晶粒细小、组织均匀且机械性能各向同性，是实现少、无切削加工的新途径。,44,3.超塑性成形的工艺,1）超塑
50、性模锻 超塑性模锻是将已具备超塑性的毛坯加热到超塑性变形温度，以超塑变形允许的应变速率，在液压机上进行等温模锻，最后对锻件进行热处理以恢复强度的方法。超塑性模锻需要在成形过程中保持模具和坯料恒温，故而在其锻模中设置有加热和隔热装置（如动画54的感应加热圈、隔热板等），这是与普通锻模最大的不同。,动画54 超塑性模锻,45,2）板料深冲,超塑性模锻已成功地应用于军工、仪表、模具等行业中，用于小批量生产高温合金和钛合金等难成形、难加工材料的高精度零件，如高强度合金的飞机起落架和涡轮盘、注塑模型腔、特种齿轮等，大大节约了原材料，降低了生产成本。,如动画55所示，在拉深模中对超塑性板料的法兰部分加热，
