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1、第三章 压力加工成型技术,本章主要内容,压力加工成型方法 金属材料的塑性成型基础 锻造 冲压,压力加工,塑性成形（plasticity forming）在外力作用下，金属发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸、组织和力学性能的工件的生产方法，又叫塑性加工或压力加工。,常见的塑性成形方法：锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。,自由锻,模锻,冲压,轧制,拉拔,某东风汽车大梁,齿轮,金属棒材,压力加工产品,压力加工的特点：,压力加工可生产出各种不同截面的型材和各种机器零件的毛坯或成品。它在机械、电力、交通、航空、国防等工业部门以至生活用品的生产中占用重要的地位。,（1）改善金属的内部组织，提高金属的力
2、学性能,（2）具有较高的劳动生产率,（3）节约金属材料,（4）适用范围广,3.1 压力加工成型方法,一、型材生产方法型材（extrudate）：铁或钢以及具有一定强度和韧性的材料（如塑料、铝、玻璃纤维等）通过轧制，挤出，等工艺制成的具有一定几何形状的物体。其断面形状又可分为工字钢、槽钢、角钢、圆钢等,一、型材生产方法,1.轧制生产 借助于坯料与轧辊之间的摩擦力，使金属坯料连续地通过两个旋转方向相反的轧辊的空隙而受压变形的加工方法。,轧制示意图 1-轧辊、2-轧件,轧制型材,主要用于生产各种规格的钢板、型钢和钢管等钢材,轧制产品形状,2.挤压生产,将金属坯料放入挤压模内，使其受压被挤出模孔而变形
3、的加工方法。,(a)挤压示意图；(b)部分挤压产品截面图,冷挤压产品,单螺杆挤压机,3.拉拔生产,将金属条料或棒料拉过拉拔的模孔而变形的压力加工方法。,（a）拉拔示意图（b）部分拉拔产品截面形状,二、机械零件的毛坯及产品生产,1.锻造,概念：在加压设备及模具的作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法，按所用的设备和工模具不同，可分为自由锻造和模型锻造两类。,2.冲压,概念：将金属板料放在冲模之间，使其受冲压力作用产生分离或变形的压力加工方法。,冲压,3.2 金属材料的塑性成型基础,一.金属塑性变形的实质,塑性成型：在外力作用下金属材料通过
4、塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。,.单晶体的塑性变形,滑移：单晶体中最主要的一种塑性变形方式。所谓滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。,特点：滑移只能在切应力的作用下发生；滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。,单晶体试样拉伸变形的示意图,位错：即原子的局部不规则排列；即晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。,晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图,是晶体中典型的线缺陷,.多晶体的塑性变形,多晶体的塑性变形：即每个晶粒的塑性变形仍以滑移或孪生方式进行。其变形过程比单晶体复杂得多。,多晶体的晶间变形情况,具有较大的变形抗力,总是一批一批
5、晶粒逐步发展的，从少量晶体开始逐步扩大到大晶粒发生滑移，从不均匀变形逐步发展到较均匀变形。,二、塑性变形对金属组织和性能的影响,1.组织变化,（c）晶体缺陷大量增加，空位浓度增加。位错密度增加。,（a）晶粒沿变形方向拉长，宏观：金属外形压扁或拉长；微观：晶粒破碎、拉长。,（b）产生形变织构,等轴晶粒,拉长晶粒,2、性能变化,金属材料在冷塑性变形时，其强度、硬度升 高，而塑性、韧性下降的现象冷变形强化,（c）内应力，经过塑性变形，外力对金属所作的功90以上在变形过程中变为热量消耗了，使金属温度升高。10的功转化为内应力残留在金属中，使金属内能升高。,（b）物理、化学性能的变化，物理性能：电磁性下
6、降；电阻升高；导磁率下降等。化学性能：耐腐蚀性下降。,（a）机械性能,3.加工硬化,概念：金属发生塑性变形,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化,也叫形变强化。,产生原因：金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。滑移面上产生许多晶格方向混乱的细小碎晶，它们的晶界是严重的晶格畸变区，增加了滑移阻力，加大了内应力。,加工硬化是强化金属的重要方法之一,加工硬化的利：,提高强度使变形均匀 提高安全性,加工硬化的弊：进一步塑性变形困难。,利用缺陷实现金属强化的重要方法之一，尤其是对不能热
7、处理强化的金属材料。,4.消除加工硬化的工艺方法：回复与再结晶,回复：加热温度较低，变形金属中的一些点缺陷和位错在某些晶内发生迁移变化，使原子回复到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象，称为回复。特点：使晶格畸变减轻或消除，但晶粒的大小和形状并无改变。消除了晶格扭曲及大部分内应力。力学性能变化不大，强度、硬度稍有降低；塑性略有提高；内应力大大降低。,回复处理:低温退火或去应力退火。,纯金属的回复温度：,T回=（0.250.3）T熔,T回：金属回复的绝对温度（K）；T熔：金属熔点的绝对温度（K）,再结晶：变形金属加热到较高温度时，原子具有较强的活动能力，有可能在破碎的亚晶界处重新形核和长大，使原
8、来破碎拉长的晶粒变成新的、内部缺陷较少的等轴晶粒。这一过程，使晶粒的外形发生了变化，而晶格的类型无任何改变，故称为“再结晶”。特点：再结晶通过形核、长大的方式进行，得到细小均匀等轴晶粒。完全消除了残余应力和加工硬化现象，塑性提高。再结晶退火。晶粒长大：如温度继续升高或保温时间延长，晶粒会长大，使塑性、韧性明显下降。,T再=0.4T熔,T再：金属再结晶的绝对温度（K）,消除加工硬化，提高塑性。再结晶速度取决于加热温度和变形程度。再结晶是一个形核、长大过程。,保持加工硬化，消除内应力。如冷卷弹簧进行去应力退火。,5.冷变形和热变形,冷变形：又叫冷成形过程，是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的
9、再结晶温度,特点：金属变形后具有加工硬化现象，即金属的强度、硬度升高，但塑性及韧度下降。冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。,热变形：又叫热成形过程。热变形是指金属材料在其再结晶温度以上进行塑性变形。,特点：变形抗力低，易变形；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；金属材料的力学性能具有方向性。,冷变形,加工硬化,冲压、冷弯、冷挤、冷轧,塑性好的材料,热变形,加工硬化+再结晶,锻造、热挤、轧制,变形量大，易氧化,6.纤维组织,形成过程：在再结晶时，金属晶粒恢复为等轴晶粒，而夹杂物依然呈条状保留下来，这样就形成了纤维组织，也成为锻造流线。纤维组织不能热处理消除，只能
10、通过锻压改变其形状和方向。纤维组织形成后，金属力学性能将出现方向性，即在平行纤维组织的方向上，材料的抗拉强度提高，而在垂直纤维组织的方向上，材料的抗剪强度提高。,锻造成型 切削成型,用不同加工方法得到的流线,工业生产中广泛采用模锻方法制造齿轮及中小型曲轴，用局部镦粗法制造螺栓。纤维组织沿工件外形轮廓连续分布，有利于工件受力。,塑性变形时，随着变形程度的增加，纤维组织形成更加明显。变形程度常用锻造比表示：,H0表示镦粗前金属坯料的高度；H表示镦粗后金属坯料的高度,F0表示拔长前金属坯料的横截面积；F表示拔长后金属坯料的横截面积,镦粗：,拔长：,3.3 锻造,一、金属材料的锻造性能,1.锻造性能及
11、评定指标,金属的锻造性能：是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成型的难易程度，是金属的工艺性能之一。常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。,2.影响金属锻造性能的因素,（1）金属 本质,金属的化学成分：纯金属锻造性能较好，合金较差,金属的组织状态：单一固溶体的较好，有化合物组 织的较差,（2）变形 条件,变形温度,变形速度（热效应）,变形时的应力状态,3.常用合金的锻造特点,（1）合金钢,首先，选择坯料时，表面不允许有裂纹存在，锻前需进行退火；其次，先加热至800保温，再加热到始锻温度，采用低温装炉及 缓慢升温；另外，始锻温度较低，终锻温度高。,合金钢的锻造需注意：（1）控制变形量；“两轻一重”（
12、2）增大锻造比；（3）保证温度、变形均匀；勤翻坯料，送进量均匀，砧铁预热（4）锻后缓冷：随炉缓冷,注意啦！,（2）有色金属,铝合金：锻造温度范围窄，导热性好，预热至250300，操作时，经常翻转，动作迅速；要求模内粗糙度Ra在0.8m以下，并采用润滑剂。,钛合金：操作时动作要快，减少热量损失；锻造温度一般钛为8501050，+钛为7501150，钛为9001150；要求模膛内粗糙度达到Ra0.2m0.4m。,二、自由锻造,概念：利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。自由锻造时，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝
13、其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。,特点：生产率低，工人劳动强度大，锻件精度低，材料消耗较多，锻件形状不能过于复杂，适用于品种多、产量不大的生产中。,工具简单、通用性强，生产准备周期短,1.自由锻造工序,沿工件轴向进行锻打，使其长度减小，横截面积增大的操作过程。常用来锻造齿轮坯、凸缘、圆盘等零件，也可用来作为锻造环、套筒等空心锻件冲孔前的预备工序。,（1）镦粗,镦粗a）全镦粗 b）局部镦粗,（2）拔长,概念：是沿垂直于工件的轴向进行锻打，以使其截面积减小，而长度增加的操作过程。常用于锻造轴类和杆类等零件。,拔长,使用V型砧铁拔长圆坯料,（3）冲孔,概念：利
14、用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的操作过程。常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件，对于直径小于25mm的孔一般不锻出，而是采用钻削的方法进行加工。,实心冲子冲孔,1毛坯 2冲垫 3冲子 4芯料,（4）扩孔,概念：为了减小空心坯料壁厚而增加其内外径的锻造工序。,冲子扩孔,芯轴扩孔,1扩孔砧子 2锻件 3芯轴 4支架,将坯料加工成规定形状的锻造工序成为弯曲。纤维组织不被切断，提高了锻件质量。,（5）弯曲,（6）扭转,将坯料的一部分相对于另一部分绕共同轴线旋转一定角度的锻造方法。,（7）错移,将坯料的一部分与另一部分错开一定距离，但仍保持轴线平行的锻造方法。,2.自由锻造工艺规程的制定,（1）锻件图的绘
15、制,敷料：为简化锻件形状而增加的那部分金属。,加工余量：在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量。,锻造公差：由于锻件的实际尺寸不可能达到公称尺寸，因此允许有一定的误差。为了限制其误差，经常给出其公差，成为锻造公差，约为加工余量的1/41/3。,锻件余量及敷料1敷料 2锻件余量,（2）坯料计算,锻造比：通常用制件变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。,坯料质量计算：,G坯=G锻+G烧+G料头（kg）,G坯 坯料质量；G锻 锻件质量；G烧 加热时坯料因表面氧化而烧损的质量，单位为kg；第 一次加热取被加热金属质量分数的2%3%，以后各 次加热取1.5%2.0%；G料头 锻造过程中被冲掉或切掉的
16、那部分金属的质量。,表3-1 典型锻件的锻造比,（3）正确设计变形工序,表3-2 一般锻件的分类及采用的工序,（4）选择设备,一般根据锻件的变形面积、锻件材质、变形温度等因素选择设备吨位。空气锤头落下部分的重量表示其吨位。,3.自由锻实例,表3-3 半轴自由锻工艺卡,4.自由锻件的结构工艺性,（1）尽量避免锥体或斜面结构,轴类锻件结构a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构,（2）避免几何体的交接处形成空间曲线,杆类锻件结构a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构,（3）避免加强肋、凸台，工字形、椭圆形或其它非规则截面及外形,盘类锻件结构a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构,（4）合理采用组合结
17、构,复杂件结构a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构,三、模型锻造和胎模锻造,1.模型锻造,概念：利用模具使加热后的金属坯料变形而获得锻件的锻造方法。在变形过程中，金属的流动受到模具的限制和引导，从而获得要求形状的锻件。,特点：a、锻件形状可以比较复杂；b、锻件内部纤维组织比较完整，从而提高零件的力学性能和使用寿命；c、锻件尺寸精度高，表面光洁，能节约材料和节约切削加工工时；d、生产率高，操作简单，易于实现机械化；e、适用于大批量生产，批量越大，成本越低；f、对设备要求较高。,（1）锻模结构（锤上模锻）,锤上锻模1锤头 2上模 3飞边槽 4下模 5模垫6、7、10紧固楔铁 8分模面 9模膛,制
18、坯模膛,拔长模膛,滚压模膛,弯曲模膛,拔长模膛a）开式 b）闭式,滚挤模膛a）开式 b）闭式,弯曲模膛,模锻模膛,预锻模膛,终锻模膛,飞边槽形式,（2）模锻工艺规程的制定,绘制模锻件图,选择分模面原则：,要保证模锻件能从模膛中顺利取出；按选定的分模面制成锻模后，应使上下模沿分模面的模膛轮廓 一致；选定的分模面应使零件上所加的敷料最少；模膛深度应尽量小，以利于金属充满模膛，便于取出锻件；分模面应为平直面，以简化模具加工。,分模面选择比较,模锻斜度,为便于从模膛中取出锻件，模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度，称为模锻斜度，一般为515之间。,圆角半径,模锻件上所有两平面转接处均需圆弧过渡，此
19、过渡处称为锻件的圆角。,模锻斜度,模锻圆角半径,冲孔连皮,由于锤上模锻时不能靠上、下模的突起部分把金属完全排挤掉，因此不能锻出通孔，终锻后，孔内留有金属薄层，称为冲孔连皮。,模锻件常用冲孔连皮,确定模锻工序步骤,模锻工序主要根据锻件的形状与尺寸来确定。根据已确定的工序即可设计出制坯模膛、预锻模膛及终锻模膛。,计算坯料,学生自己查看教材,设备吨位选择,根据锻件重量和形状，查阅锻工手册。,盘类零件：镦粗制坯-终锻成型,轴、杆类零件：拔长、滚压制坯-终锻成型,确定修整工序,切边和冲孔校正热处理清理精压（精度和表面粗糙度要求严格）,精压a)平面精压 b)体积精压,切边模及冲孔模a）切边模 b）冲孔模
20、1凸模 2凹模,（3）模锻件结构的工艺性,模锻零件应具有合理的分模面；,模锻零件上，除与其它零件配合的表面外，均应设计为非加工表面；,零件的外形应力求简单、平直、对称，避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高肋、等不良结构。,模锻件结构工艺性,2.胎膜锻造,胎模锻：是在自由锻设备上用胎模生产模锻件的工艺方法，因此胎模锻兼有自由锻和模锻的特点。适合于中、小批量生产小型多品种的锻件，特别适合于没有模锻设备的工厂。,（1）扣模,（2）筒模,开式筒模(a)整体筒模；(b)镶块筒模；(c)带垫模筒模,（3）合模,组合筒模 1筒模；2右半模；3冲头；4左半模；5锻件,3.4 冲压,冲压：,利用装在冲床上的冲
21、模，使板料产生分离和变形，从而获得毛坯活零件的压力加工方法。,冲压模具：,在冲压加工中，将材料加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冲压模具（俗称冲模）。,冲压生产场景,汽车覆盖件,飞机蒙皮,日常用品,一.冲压的特点及应用,利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。板料冲压的坯料厚度一般小于6mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压。,特点：冲压件的尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不再进行机械加工，即可作为零件使用；材料利用率高，一般可达70%80%；生产率高，每分钟可冲压百件至数千件，易于实现机械化和自动化，成本低；适应性强，金属和非金属材料
22、均可用冲压方法加工。,设备：剪床：完成剪切工序，为冲压生产准备原料的主要设备冲床：进行冲压加工的主要设备，按其床身结构不同，有开式和 闭式两类冲床,二.板料的冲压成型性能,1.冲压成型性能的表现形式,成形极限：材料的最大变形极限，如最小相对弯曲半径、极限拉伸系数等。,冲压件质量指标：厚度变薄率、尺寸精度、表面质量以及成型后材料的物理力学性能。,2.冲压成型性能与板料力学性能的关系,屈服极限s：s越小，材料容易屈服，变形抗力小，不易出现起皱，弯曲变形时回弹小。,屈强比s/b：屈强比小，容易产生塑性变形而不易产生拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。,延伸率：拉伸实验中，试样开始产生局部集中变形（缩
23、颈）的伸长率称为均匀延伸率u，表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力；翻孔或扩孔主要参数。,硬化指数n：表示在塑性变形中材料的硬化程度，n越大，在变形中材料加工硬化越严重，硬化使材料强度的提高得到加强，增大了均匀变形的范围。,厚向异性指数：单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比，表示板料在厚度方向上的变形能力。,3.常用冲压材料及其力学性能,结合课本P108表3-5,了解。,三.冲压基本工序,三.冲压基本工序,1.分离工序 使板料的一部分与其另一部分产生相互分离的工序，如落料、冲孔、切断和修整等。,1）冲裁,一般指落料和冲孔。,落料：冲落的部分为成品，周边为废料。,冲孔：冲落的部分为废料。,弹性
24、变形阶段,凸模接触板料后，开始使板料产生弹性压缩、拉伸和弯曲等变形。,塑性变形阶段,凸模继续压入，冲压力增加，材料应力达到屈服极限时，便开始进入塑性变形阶段。,断裂分离阶段,凸模继续深入，上下模微裂纹逐渐扩大向内延伸，当上下裂纹重合时，材料开始断裂分离。,冲裁过程分析,冲裁变形过程,冲裁模间隙,凸模和凹模刃口横向尺寸的差值的一半，常称作冲裁间隙，用c表示。c的大小影响冲裁时上下裂纹的会和，影响变形力的性质大小。,对断面质量的影响,间隙对裂纹重合的影响 a）间隙过大 b）间隙过小,间隙过大或过小时，均导致上、下面的剪切裂纹不能相交重合于一线。,间隙对冲裁件断面的影响(a)间隙过小(b)间隙合适(
25、c)间隙过大,对模具寿命的影响,间隙越小，凸模与冲孔壁、凹模与落料之间的摩擦越大。对冲裁件断面质量无严格要求时，应尽可能加大间隙，以利于提高冲裁模具的寿命。,凸模和凹模刃口尺寸的确定,冲裁力的计算,P=KLSb10-3（kN),K:系数，一般取K=1.3；L：冲裁件边长（mm）；S：冲裁件厚度（mm）；b：材料的抗剪强度（MPa）,冲裁件的排样,2）修整,如果零件的精度要求较高，表面粗糙度较低，在冲裁之后可把工件的孔或落料件进行修整。修整是利用修整模切掉冲裁件断面的剪裂带和毛刺。,2.变形工序,1）拉伸 使板料变形为空心件，而厚度基本不变的加工方法,拉伸件示意图,圆桶件的拉伸工序,板料的一部分
26、相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。,拉伸变形特点,拉伸件的法兰部分是拉伸的主要变形区，这部分材料沿圆周方向受到压缩，径向方向收到拉伸，产生很大程度的变形，其厚度有所增大，会引起较大的加工硬化。,拉伸注意问题,防止拉裂,a.拉伸模的凸、凹模应具有适当的圆角半径。b.拉伸模的凸、凹模应选择合理的间隙。c.每次拉伸中，应控制拉伸系数，避免拉裂。d.应保证拉伸中润滑良好。,拉伸件废品a）拉裂；b）起皱,防止起皱,起皱是法兰部分受切向压应力过大，板料失稳而产生的现象。,生产中常采用在模具中增加压边圈的方法，以增大坯料径向拉力而防止起皱。,有压边圈的拉伸,2）弯曲,弯曲过程 弯曲产品,3）翻边,翻边是
27、在带孔的平板料上用扩张的方法获得凸缘的变形工序。,翻边,回弹,四.冲压件的结构设计,1.对落料和冲孔的要求,（1）落料与冲孔的形状应便于合理排样，使材料利用率最高。,（2）落料与冲孔形状力求简单、对称，尽可能采用规则形状，并避免狭长的缺口和悬臂。,零件形状与材料利用率的关系,（3）冲孔时，冲孔尺寸与皮料厚度的关系合理。,（4）为了避免应力集中损坏模具，要求落料和冲孔的两条直线相交处或直线与曲线相交处必须采用圆弧连接。,落料和冲孔件最小圆角半径,2.对拉伸件的要求,（1）拉伸件最好采用回转体（轴对称）的零件，其拉深工艺性最好。使用条件允许时，应尽量简化拉伸件的外形。,（2）应尽量避免深度过大的冲
28、压件。,（3）带有凸缘的拉伸件，凸缘宽度应设计合理，不宜过大或过小。,（4）拉伸件的圆角半径在不增加工艺程序的情况下，最小许可半径应合理。,3.对弯曲件的要求,（1）弯曲件弯曲边的高度不能过小，当进行90弯曲时，弯曲边直线高度应不小于2倍板厚。,（2）弯曲件带孔时，为避免孔变形，孔的位置应在圆弧之外。,（3）弯曲时应考虑板料的纤维组织方向，并考虑弯曲半径不能小于最小弯曲半径。,见图3-57,（4）防止板料在弯曲时产生偏移和窜动,（5）局部弯曲时，应在交接处切槽或使弯曲线与直边移开；带竖边的弯曲件可将弯曲处部分竖边切去，以免起皱。,图3-58 弯曲件的定位,4.冲压件的精度和表面质量,对冲压件精度的要求不应超过冲压工序所能达到的一般精度。通常落料不超过IT10，冲孔不超过IT9，弯曲不超过IT10IT9。一般对冲压件表面质量所提出的的要求尽可能不高于原材料的表面质量。,5.合理设计冲压件的结构,（1）采用冲焊结构,（2）采用冲口工艺，减少组合数量,（3）采用加强筋,本周作业：第三章课后题P122：1、5、10 下周四交，学委催促提醒大家！,
