材料成型概论第九讲锻造冲压生产工艺

第九讲锻造冲压生产9.1锻造生产9.1.1锻造成型的概念、特点和基本方法☆9.1.2锻造成型过程9.1.3锻造成型工艺和设备9.2冲压生产9.2.1冲压成型的概念、特点和基本方法☆9.2.2冲压成型过程9.2.3冲压成型工艺和设备锻造就是坯料经加热后用锻锤锤击或压力机施加压力，使其塑性变形以获得一定形状、尺寸和性能锻件的塑性成型方法。锻造的最大特点是，在塑性变形中，能使坯料的粗晶粒破碎，疏松、孔隙被压实、焊合，锻件的内部组织和性能得到较大改善。锻造广泛用于冶金、机械、造船、航空、航天等行业。9.1.1锻造成型的概念、特点和基本方法锻造成型的特点：1)锻件性能好，能承受大的冲击力作用；2)锻件接近零件的几何形状，节约原材料;3)模锻生产效率较高,适合小型锻件的大批量生产;4)灵活性大，自由锻适合于单件小批量生产;5)与轧制相比，生产率、机械化和自动化程度较低。锻造成型的特点锻造根据所使用工具和设备的不同，可分为：自由锻造、模型锻造和特种锻造三类。自由锻造分为手工锻、锤锻和液压自由锻。按变形特点分：开式模锻和闭式模锻模型锻造按所用设备分：锤上模锻、压力机模锻和平锻机模锻。按生产的锻件精度分:普通模锻和精密模锻锻造成型的基本方法简称为自由锻，它是利用冲击力或压力使金属在锻压设备的上、下两个抵铁之间直接产生塑性变形，金属沿垂直于作用力的方向上自由变形，获得具有一定形状、尺寸和性能锻件的加工方法。锻造成型的基本方法：自由锻造我国自行研制的万吨级水压机分手工锻和机器锻造两种.锤锻就是利用空气锤或蒸气一空气锤对放置在下抵铁的锻坯进行锤打以获得所要求形状和尺寸的锻造成型方法。锤锻的基本工序有：镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、错移等。生产质量小于500kg的锻件.锻造成型的基本方法：自由锻造自由锻基本工序液压自由锻是利用液压机的液压压力对锻坯进行压力锻造，以获得所要求形状和尺寸锻件的成型方法。液压自由锻与其它自由锻相比锻件质量要求高，工艺过程复杂，生产费用高。可以锻造质量达500t的锻件,用于大型锻件的加工。锻造成型的基本方法：液压自由锻自由锻造基本特点：①金属流动不受工具的限制；②锻件形状尺寸精确度低，加工余量大；③操作技术要求高，适于形状简单锻件的加工成型。自由锻造：基本特点利用高强度金属锻模模具使坯料在其内受压变形,获得锻件的锻造方法称为模锻。模锻成形的典型模锻件如下图所示。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等锻造成型的基本方法：模型锻造按模膛功用不同，锻模分为：模锻模膛、制坯模膛，此外还有成形模膛、镦粗台及击扁面等。基本特点：①生产率较高；金属变形在模膛内进行,金属流动受工具的限制,较快获得所需形状;②模锻件尺寸精确度高，加工余量小；③可以锻造出形状较复杂的锻件,锻件质量小于150kg,适合小型锻件的大批量生产;④模锻生产可比自由锻生产节省金属材料,减少切削加工工作量,批量足够下降低零件成本.锻造成型的基本方法：模型锻造锻造成型的基本方法：模型锻造万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环锻造成型的基本方法：模型锻造把轧制工艺应用到锻造生产中的一种新工艺。是使坯料通过装有圆弧形模块的一对旋转的轧辊时，受挤压而变形的轧制方法。它是成形轧制（纵轧）的一种特殊形式。辊锻可用于生产连杆、麻花钻头、扳手、道钉、锄、镐和透平叶片。锻造成型的基本方法：辊锻特点：具有设备结构较简单、生产平稳、振动和噪音小，便于实现自动化、生产效率高等优点。辊锻变形的实质是坯料的轧制延伸﹐坯料部分截面变小而面的幅度增加。当截面变形较大时﹐需要经多次辊轧完成。锻造成型的基本方法：辊锻一.锻造成型过程镦粗是锻造成型中最基本的工序,其作用就是减小坯料高度而增大横截面积。1.镦粗变形区沿坯料对称面分为三个变形区粘着变形区、塑性流动变形区、自由变形区粘着变形区：坯料与工具接触面的区域由于外摩擦影响，金属流动变形困难，且无加工硬化现象，又称为难变形区。9.1.2锻造成型过程镦粗时的变形区及金属流动锻造塑性变形时，金属的晶粒沿变形方向被拉长或压扁，变形后晶间杂质也沿变形方向排列，这种按照一定方向分布的晶界杂质称为锻造流线，锻造流线使金属的力学性能表现为各向异性，即不同方向上的力学性能有所不同，在机械零件中应注意：（1）流线与工件最大拉应力方向一致（2）流线与切应力，冲击力方向垂直（3）沿工件外轮廓连续健分布锻造流线1.镦粗变形区塑性流动变形区：坯料中心区域由于外摩擦影响较小且受外层金属限制，形成有利于金属变形的应力状态，变形程度较大且有加工硬化现象，又称为易变形区，或大变形区。自由变形区：坯料不与工具相接触的外层区域变形不受限制，变形后呈鼓形形状，鼓形部分存在切向拉应力，易引起侧表面的纵向裂纹。9.1.2锻造成型过程2.变形分布沿坯料高度方向的变形分布是不均匀的。变形的不均匀分布与外摩擦和变形区形状参数H/D(高宽比)有很大关系。当H/D＞1.5时,称为高件变形,压缩变形未渗透到锻件内部而产生表面变形,侧面呈双鼓形。当H/D=1.0～1.5时,称为中件变形,压缩变形逐渐渗透到锻件内部,侧面出现双鼓、无鼓到单鼓过度。9.1.2锻造成型过程2.变形分布当H/D＜1.0时,称为薄件变形,压缩变形完全渗透到锻件内部,中心层变形大于表面层，侧面呈单鼓形。9.1.2锻造成型过程不同高径比坯料锻粗之鼓形变化2.变形分布沿坯料径向的变形分布是不均匀的。与工具相接触的表面层中间部分受端面外摩擦影响较大，变形困难，边部影响较小，产生一定的变形，且部分侧面金属流动到端面上。在中心层，中部到边部由易变形区过渡到自由变形区，摩擦的影响逐渐增大，变形程度由大到小。9.1.2锻造成型过程锻造力工程上常用的锻造力P经验公式P=nvndFKF为变形后工具与金属的接触面积；K为金属的变形抗力，一般取1.15σsnv为速度影响系数nd为摩擦和几何形状尺寸影响系数9.1.2锻造成型过程生产工艺流程模锻一般工艺流程备料→加热→制坯（粗锻）→（加热→）模锻→切边→冷却→热处理→表面清理→矫正→防锈处理→检查→入库9.1.3锻造成型工艺和设备成型制度坯料制度、温度制度、变形制度和精整制度坯料制度:确定坯料的种类、重量和尺寸温度制度:与轧制成型类同，P41变形制度:应确定坯料的重量和尺寸，制定变形工艺时需确定选用工具、锻造设备的吨位并确定加热火次。精整制度:9.1.3锻造成型工艺和设备锻造成型设备按工具运动和传动方式分为三类：锻锤锻造机、液压锻造机、机械锻造机锻锤锻锤是依靠锤头升高的势能以冲击力完成锻造成型的设备。主要用于自由锻，也用于模锻。9.1.3锻造成型工艺和设备水压机依靠水压使锤头或上模运动完成锻造成型。工作特点：液压静压力，变形速度较慢；震动和噪音较小，工作条件较好。曲柄压力机依靠曲柄机构使锤头或上模运动完成锻造成型。工作特点：机械静压力，变形速度较慢；震动和噪音较小，工作条件较好。9.1.3锻造成型工艺和设备9.2.1冲压成型的概念、特点和基本工序借助冲压模具和冲压设备，使金属板料在由凸模与凹模组成的冲模中产生分离或成形的加工方法，简称冲压。冲压成型的对象多数为板材，故常称为板料冲压。冲压成型一般是在室温下进行，有时又称冷冲压。只有板料厚度超过8～10mm时采用热冲压;冲压成型广泛应用于汽车、航空、仪表、电器、国防等工业生产中。定义9.2.1冲压成型的概念、特点和基本工序典型冲压件一典型冲压件二1.生产率高易实现机械化自动化，适于大批量生产；2.成形精度高，制品尺寸稳定，互换性好；3.材料利用率高，一般可达70％～85％，且能耗低；4.操作简便，设备简单；5.可冲压出形状复杂的零件、表面光洁、废料较少;6.但冲模制造复杂，只有大批量生产才显出优越性。冲压成型的特点特点1.常用的有低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢；2.制造中空杯状和钩环状制品时原材料必须有足够的塑性；3.从形状上分,有板料、条料及带料。冲压成型的原材料原材料冲压成型主要由分离工序或成形工序组成。分离工序主要包括：剪切、冲裁。工艺性分离工序包括：修边(切边)、切口、剖切等。成形工序主要指：弯曲，拉深，胀形。工艺性成形工序包括：翻边、扩口、缩口、卷边、起伏、整形、校平、压印等。基本工序冲压成型的基本工序分离工序的分类成型工序的分类分离工序——剪切将板材剪切成条料、块料或具有一定形状毛坯的一种基本工序。特点是主要以剪刃为工具，切断线不封闭的直线或曲线。可分为：平剪、斜剪及震动剪。为了获得良好的剪切断面，可采用精密剪切。冲压成型的基本工序分离工序——冲裁冲裁是借助模具使板材按封闭轮廓分离的工序。冲裁分为落料和冲孔。落料：被分离的部分为成品，而周边是废料；冲孔：被分离的部分为废料，而周边是成品。冲压成型的基本工序冲裁原理示意图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，如拉伸、弯曲、翻边、胀形等拉伸利用模具使落料后得到的平板坯料变形成开口空心零件的成形工序。冲压成型的基本工序成形工序——弯曲将坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度零件的工序。弯曲时材料内侧受压，而外侧受拉。外侧拉应力超过坯料的抗拉强度极限时，会造成金属破裂。弯曲分为：冲压弯曲、拉伸弯曲和辊式弯曲用途：制造汽车纵梁、电器仪表及家用电器外壳、自行车车把和支架等。冲压成型的基本工序弯曲类型及原理示意图冲压弯曲拉伸弯曲辊式弯曲一.冲裁成型过程冲裁成形过程分为：弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段。弹性变形阶段：凸模下行至接触板料后，随凸模继续下行使板料内应力渐增，产生弹性压缩、弯曲和拉伸变形。此时，板料内应力小于屈服强度。9.2.2冲压成型过程塑性变形阶段：当凸模继续下行使板料内应力达到屈服强度时，板料开始产生塑性变形。随着凸模不断压下，板料的变形、拉应力以及加工硬化和变形抗力随之增大，直至内应力达到抗拉强度。此时，在凸凹模刃口处出现微裂纹。断裂分离阶段：随凸模继续下行，已成形的裂纹沿最大剪应变速度方向向材料内延伸，呈楔形状发展。一.冲裁成型冲裁件的断口具有明显的区域特征，一般由塌角、光亮带、剪裂带和毛刺四个部分组成。各区域带的宽度与板料的塑性有关。一.冲裁成型冲裁模间隙是指冲裁加工时凸模与凹模间横向间隙，用C表示。C直接影响板料和冲模的受力状态，从而影响冲裁件的断面质量、尺寸精度、冲裁力和模具寿命。冲裁模间隙通常按下式选取：C=mhh为板料厚度，m为与板料厚度和材质相关的系数。C值过小易产生挤压毛刺，增大模具磨损。一.冲裁成型h＜3mm，低碳钢m=0.06～0.09；高碳钢m=0.08～0.12；铜、铝合金m=0.06～0.09。h＞3mm，适当放大m值，质量要求不高时m可放大1.5倍。一.冲裁成型冲裁力——选用冲床吨位和设计、检验模具强度的一个重要依据。对于平刃模具P=KτLhP为冲裁力/N；τ为板料抗剪强度/Mpa；L为冲裁周边长度/mm；h为板料厚度/mm；K为安全系数，通常取K=1.3。一.冲裁成型直径为D的平板坯料被拉深变形成筒形空心零件。直径为D的平板坯料，在拉深过程中，其与凸模相接触的部分基本不变形，厚度也基本不变，它形成拉深件的筒底。非筒底的部分在切应力和径向拉应力作用下被强制拉入凸凹模的间隙产生塑性变形形成筒壁。筒壁与筒底间过渡处变薄较严重。二.拉伸(深)成型拉深过程示意图拉深系数m=d/Dd拉深件直径、D坯料直径，是衡量拉深成型中材料变形程度大小的指标。m值越小变形程度越大，导致破裂可能性越大。通常取m=0.5～0.8。为了避免破裂现象，往往采取多次拉深。m1m2……mn=mmn＞……＞m2＞m1二.拉伸(深)成型筒形件的多次拉深过程示意图冲压成型过程中，同时或先后包含两种或两种以上冲压基本工序的成形方式称为复合成形。盒形件成形属于拉深—弯曲复合成形；无底锥形件成形属于拉深—翻边复合成形。球形件成形属于胀形—拉深复合变形。对于拉深—胀形复合成形