金属塑性成形工艺

第5章金属材料成形第一节金属液态成型工艺基础第二节金属塑性成形工艺基础第三节金属连接成形工艺基础第二节金属塑性成形工艺板料冲压锻造汽车锻件典型的冲压件塑性成形工艺金属塑性成形是在外力作用下通过塑性变形，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。金属塑性成形可分为：自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制，成形方式如图所示。常用压力加工方法a）自由锻b）模锻c）板料冲压d）挤压e）轧制f）拉拔压力加工与其它成形方法比较具有以下特点：（1）改善金属组织、提高力学性能。金属材料经压力加工后，其组织、性能都得到改善和提高。（2）提高材料的利用率。金属塑性成形主要靠金属在塑性变形时改变形状，使其体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。（3）具有较高的生产率。塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产效率高。（4）可获得精度较高的毛坯或零件。压力加工时坯料经过塑性变形获得较高的精度，可实现少或无切削加工。金属的塑性成形基础一、金属塑性变形的基本概念1、材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的塑性成形性越好，越适合压力加工。2、常用材料的伸长率δ和断面收缩率ψ来表示塑性指标。3、金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律、加工硬化和体积不变规律等最小阻力定律是指金属在塑性变形过程中，金属各质点将向阻力最小的方向移动。最小阻力定律符合力学的一般原则，是塑性成形加工中最基本的规律之一。加工硬化规律金属在常温下随着变形量的增加，变形抗力增大，塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。体积不变规律金属材料在塑性变形时，变形前与变形后的体积保持不变。根据此规律，可以确定毛坯的尺寸和确定变形工序。二、金属塑性变形对组织和性能的影响1.变形程度的影响压力加工时，塑性变形程度的大小常用锻造比Y锻来表示，拔长时的锻造比Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗时的锻造比Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。锻造比越大，毛坯的变形程度也越大。生产中以铸锭为坯料锻造时，碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取，合金结构钢的锻造比在3~4范围选取。以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1~1.3即可。2.冷变形与热变形在再结晶温度（T再＝0.4Tm）以下的塑性变形称为冷变形，因冷变形有加工硬化现象产生，故每次的冷变形程度不宜过大，否则会使金属产生裂纹。冷变形加工的产品具有表面质量好、尺寸精度高、力学性能好等优点。常温下的冷镦、冷挤压、冷拔及冷冲压都属于冷变形加工。热变形是在再结晶温度以上的塑性变形，热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在，而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。热变形可使金属保持较低的变形抗力和良好的塑性，可以用较小的力和能量产生较大的塑性变形而不会产生裂纹，同时还可获得具有较高力学性能的再结晶组织。但是，热变形是在高温下进行的，金属在加热过程中表面易产生氧化皮，精度和表面质量较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形加工。常用塑性加工方法一、自由锻自由锻是利用冲击力或压力，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。自由锻分为手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。机器锻造是自由锻的主要方法。优点：使用的工具简单；操作灵活；通过局部成形组合出所需锻件的形状、尺寸缺点：锻件的精度低，生产率低，工人技术水平要求高，劳动强度大应用：单件、小批、形状简单的锻件，大型、重型锻件，尤其是特大型锻件1、自由锻设备2、自由锻工序自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和修整工序三大类。一）基本工序基本工序包括镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等。实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个工序。１．镦粗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。镦粗时，坯料不能过长，高度与直径之比应小于2.5，以免镦弯，或出现细腰、夹层等现象。坯料镦粗的部位必须均匀加热，以防止出现变形不均匀。２．拔长拔长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。拔长时工件要放平，锻打要准，力的方向要垂直，并且拔长过程中要不断翻转和送进工件。３．冲孔利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。较薄的坯料通常采用单面冲孔；厚度较大的锻件，一般采用双面冲孔法冲孔工艺a）薄坯料冲孔b）厚坯料冲孔1－冲头2－坯料－垫环（二）辅助工序为使基本工序操作方便而进行的预变形工序称为辅助工序，例如，为方便挟持工件而进行的压钳口、局部拔长时先进行的切肩等工序都属于辅助工序。（三）修整工序用以减少锻件表面缺陷而进行的工序，如校正、滚圆、平整等。修整工序的变形量一般很小，而且为了不影响锻件的内部质量，一般多在终锻温度或接近终锻温度下进行。典型锻件图锻件余量及敷料1—敷料2—锻件余量二、模锻使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的加工方法称为模锻。由于模膛对金属坯料流动的限制，锻造终了时可获得与模膛形状相符的模锻件。备料热处理检查表面喷丸校正切除飞边预锻终锻制坯加热模锻具有如下优点：(1)生产效率较高。模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。(2)能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，从而进一步提高零件的使用寿命。(3)模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。(4)模锻件减少切削加工工作量。在批量足够的条件下，能降低零件成本。(5)模锻操作简单，劳动强度低。但模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在150kg以下。模锻设备投资较大，模具费用较昂贵，工艺灵活性较差，生产准备周期较长。因此，模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。模锻按所使用的设备不同，分为锤上模锻、压力机上模锻、胎模锻等。（一）锤上模锻的工艺特点锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头作上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。锤上模锻的工艺特点是：（1）金属在模膛中是在一定速度下，经过多次连续锤击而逐步成形的。（2）锤头的行程、打击速度均可调节，能实现轻重缓急不同的打击，因而可进行制坯工作。（3）由于惯性作用，金属在上模模膛中具有更好的充填效果。（4）锤上模锻的适应性广，可生产多种类型的锻件，可以单膛模锻，也可以多膛模锻。二）锤上模锻工艺规程的制定锤上模锻工艺规程的制定主要包括绘制模锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步、选择锻造设备、确定锻造温度范围等。1.绘制模锻件图模锻件图是设计和制造锻模、计算坯料以及检验模锻件的依据。根据零件图绘制模锻件图时，应考虑以下几个问题。（1）恰当的分模面、预留加工余量和锻件公差。模锻时金属坯料是在模锻模膛中成形的，因此模锻件尺寸较为精确，其公差和余量比自由锻件小的多。（2）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。对于锤上模锻，模锻斜度一般为5°～15°之间。模锻斜度还分为外壁斜度α与内壁斜度β，如图所示。内壁斜度值一般比外壁斜度大2°～5°。生产中常用金属材料的模锻斜度范围见表。锻件材料外壁斜度内壁斜度铝、镁合金钢、钛、耐热合金3°～5°5°～7°5°～7°7°、10°、12°（3）模锻圆角半径。模锻件上所有两平面转接处均需圆弧过渡，此过渡处称为锻件的圆角，如图所示。圆弧过渡有利于金属的变形流动，锻造时使金属易于充满模膛，提高锻件质量，并且可以避免在锻模上的内角处产生裂纹，减缓锻模外角处的磨损，提高锻模使用寿命。模锻圆角半径圆角的大小，用圆角半径表示，它受到许多因素的影响，如肋高、锻造方法、锻件材料以及操作条件等。钢的模锻件外圆角半径(ｒ)一般取1.5mm～12mm，内圆角半径(R)比外圆角半径大2～3倍。模膛深度越深，圆角半径值越大。为了便于制模和锻件检测，圆角半径尺寸已经形成系列，其标准是1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12、15、20、25和30等，单位为mm。（4）冲孔连皮。对于具有通孔的锻件，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，锻后利用压力机上的切边模将其去除。冲孔连皮可起到减轻锻模刚性接触的缓冲作用，避免锻模的损坏，并使金属易于充型，减小打击力，因此冲孔连皮不能太薄。常用的连皮形式是平底连皮，如图所示，连皮的厚度s通常在4～8mm范围内。各参数确定后，便可绘制锻件图。图所示为齿轮坯模锻件图。图中双点划线为零件轮廓外形，分模面选在锻件高度方向的中部。由于零件轮辐部分不加工，故无加工余量。图中内孔中部的两条直线为冲孔连皮切掉后的痕迹。2.计算坯料质量与尺寸模锻件坯料质量与尺寸的计算步骤与自由锻件相类似。坯料质量包括锻件、飞边、连皮、钳口料头以及氧化皮等的质量。通常，氧化皮约占锻件和飞边总和质量分数的2.5%～4%。3.确定模锻工序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。锻造的后期为修整工序：包括切边与冲孔；校正；热处理；清理；精压。4.选择锻造设备锤上模锻所用的设备有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。一般工厂中主要使用蒸汽-空气锤。模锻生产中所用的蒸汽-空气锤与自由锻锤基本相同。模锻设备的选择应结合模锻件的大小、质量、形状复杂程度及所选择的基本工序等因素确定，并充分考虑到工厂的实际情况。5.确定锻造温度范围模锻件的生产在一定温度范围内进行，碳钢上限为液相线以下200℃、下限为800℃左右。图2-11锻件余量及敷料1—敷料2—锻件余量锤锻模结构设计连杆锤用锻模图板料冲压1、板料冲压：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。2、板料冲压的特点：（1）冲压生产操作简单，生产率高，易实现机械化和自动化。（2）冲压件尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，可作为零件使用。（3）冲压塑性变形产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。（4）冲模结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。3、冲压基本工序：分离工序：落料、冲孔、切断等变形工序：拉深、弯曲、翻边和胀型等冲孔落料弯曲拉深翻边胀形冲压工艺分离工序变形工序切断冲压使金属板料在模具内受力成形。冲压工艺4、冲压设备：图4-17开式冲床工作原理、传动示意图及开式冲床实例1—脚踏板2—工作台3—滑块4—连杆5—偏心套6—制动器7—偏心轴8—离合器9—皮带轮10—电动机11—床身12—操作机构13—垫板5、冲压模具图4-31简单冲模1—固定卸料板2—导料板3—挡料销4—凸模5—凹模6—模柄7—上模座8—凸模固定板9—凹模固定板10—导套11—导柱12—下模座6、冲压产品7、冲压工序1）、冲裁利用模具使板料沿着一定的封闭轮廓产生分离的一种冲压工序。冲裁模冲裁模包括落料模和冲孔模分类普通冲裁精密冲裁基本工序：落料和冲孔冲裁件排样设计—材料的经济利用冲裁件在板料上的布置称为排样。排样合理，材料的利用率高。材料利用率：η=A0/A×100％式中：A0—零件实际面积；A—消耗板料面积。冲裁件的排样方法有三类：有搭边排样少搭边排样无搭边排样少、无搭边排样，材料的利用率高；有搭边排样，冲裁件尺寸精度高。搭边数值与材料硬度、板料厚度、零件形状等因素有关。2）弯曲：板料、型材等按要求弯成一定的角度或曲率，形成所需弯曲零件的冲压工序。典型弯曲零件（Ⅰ）典型弯曲零件（Ⅱ）典型弯曲零件（Ⅲ）弯曲件的弯曲方法模压拉弯滚压折弯3）、拉深工序拉深是使平面板料成形为中空形状零件的冲压工序。拉深变形过程及拉深件如图4-22所示，原始直径为D