金属的塑性成形

1第三章金属的塑性成形2一、工艺基础1、本质利用固态金属的塑性，使其受力，改变形状、尺寸并改善组织，性能，获得所需形状、尺寸和可靠性能的毛坯或零件。32、条件１）塑性材料。低碳钢、铝、铜合金最好；２）受力塑性变形、满足屈服条件：σσs（材料屈服强度）。4３、方法１）锻造自由锻造和模膛锻造自由锻造模膛锻造5２）板料冲压（又称薄板冲压和冷冲压）6３）冷拔和冷镦7４）轧制、挤压等8４、组织和性能１）冷变形后的组织与性能钢铁、铝、铜合金在室温下的塑性加工属于冷加工。特点：脆性碳化物晶粒破碎，固溶体晶粒被拉长，强度、硬度提高，塑性、韧性下降，出现冷变形强化且各向异性；伴随有残余应力产生。9２）加热时冷变形金属的组织与性能的改变•条件：加热温度高于再结晶温度，即：TT再＝（0.5～0.7）T熔（K）。•出现再结晶，原子重新排列。此称热变形。10性能变化：去除残余内应力；消除加工硬化（冷变形硬化）；恢复良好塑性；为进一步冷加工变形创造条件；组织变化：形成锻造流线，即纤维组织，凸显性能各向异性。11拔长时（轴、杆类零件）Y拔＝F0/F(横截面积比)；镦粗时（轮、饼类零件）Y镦＝H0/H(高度比)。前提：满足一定变形量的要求。变形量：用锻造比Y表示,一般控制在Y=2~3。应用：锻造纤维围绕零件外形连续分布而不被切断12３、钢的锻造性及其影响因素影响因素：合金成份、原晶体形态、变形温度、变形速度等。锻造性衡量指标：金属塑性和变形抗力。锻造性是衡量金属热态塑性变形的难易程度。13常用金属材料的锻造温度范围（始锻温度~终锻温度）碳钢：1200~800(℃)合金钢：1150~800(℃)合金工具钢（高速钢）：1180~900(℃)不锈钢：1300~850(℃)铝合金：480~380(℃)铜合金：900~700(℃)14复习题1.说明金属塑性成形的条件和方法。2.何谓金属冷变形和热变形？3.同种金属材料分别经过冷、热变形，其组织和性能有何差异？何谓金属再结晶？4.说明金属锻造性的意义，有哪些影响因素？5.什么是锻造流线（即）？在设计和制造零件时应如何分布锻造流线？6.金属锻造时，为什么要加热？钢的锻造温度大致限制在什么范围内？15二、锻造方法与工艺１、自由锻造垂直方向（Z向）受力；水平方向（X、Y向）自由变形。P16设备：空气锤、蒸汽空气锤；工具：平砧铁、V形砧等；17•工序：镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切断等；18•应用：单件、小批量生产,大型锻件的唯一锻造方法；19２、模膛锻造金属热坯在锻模模膛内三向压应力状态下的塑性变形。特点：锻件精度高，锻造曲线合理，力学性能好；生产效率高；金属消耗少。20应用：能锻制难以形成的复杂锻件，如汽车连杆、前梁、曲轴等。21１）锻模材料要求：高温下具有足够的强度、硬度、韧性耐磨性、抗热疲劳性、回火稳定性等。热处理：淬火＋中温回火（400~500℃）钢种：热作模具钢—５CrNiMo4Cr5MoSiV(H11)4Cr5MoSiV1(H13)等。工作温度：400~600℃３、锻模222）功能模膛上下模腔封闭时所构成的模膛，每个锻模模膛完成一定功能。23制坯模膛——改变坯料横截面积与形状，为最终成形做准备。包括：•拔长模膛：减小横截面积，增加长度。•滚压模膛：改变各横截面上坯料分布，滚圆。•弯曲模膛：改变坯料轴线呈弯曲坯料。拔长模膛滚压模膛弯曲模膛24成形模膛（模锻模膛）•预锻模膛：使坯料形状、•尺寸更接近锻件，一般•不设置飞边槽。•终锻模膛：最终变形到•所需要的外形与尺寸，•分模面四周设有飞边槽。25３）飞边与冲孔连皮•飞边——坯料沿分模面锻挤出来的部分多余金属，于飞边槽内积聚而成。•飞边槽的作用：容纳多余金属形成飞边；飞边先冷却，增加坯料流动阻力，便于金属充满模膛。26•冲孔连皮：•对于通孔锻件，孔的中部垂直横截面上下预留一薄层金属而不贯通，称为冲孔连皮，以防止上、下模的冲孔凸模不至直接相撞。•飞边与冲孔连皮通过切边与冲孔而至终消除。27４、模锻设备•模锻锤：通过压缩空气和高压蒸气推动活塞、锤杆、锻锤，对坯料产生强大冲击而使坯料锻造成形，既可用于自由锻，也可用于模膛锻造。吨位：以活塞、锤杆、锻锤质量和表示，即：m总＝m活塞＋m锤杆＋m锤如500kg空气锤：m总＝500kg10t模锻锤：m总＝10t28•热模锻压力机29吨位：滑块运行到接近下死点所产生的最大压力。东风公司锻造厂用于热模锻的曲柄压力机的吨位有2000t、4000t、8000t。最大吨位为12000t(1200MN)。优点：锻造成形原于静压力，无震动，噪音小；金属在模膛中流动稍缓，有利于成形和获得良好的力学性能；生产效率高，锻件质量好。30•平锻机即卧式曲柄压力机，主滑块为水平直线运动。主要用于锻造带凸缘的长轴类锻件（汽车半轴）、环形锻件（轴承套圈，双联齿轮锻件等）。31•水压机吨位（静压力）大，大型锻件生产的自由锻造设备。最大吨位达3.5万吨。32５、自由锻造工艺１）绘制锻件图在零件图中放上加工余量，规定锻件尺寸公差，追加工艺余块（简化形状，便于成形），用双点画线表示零件轮廓。33２）计算坯料及尺寸G坯＝G锻＋G烧损＋G料损烧损率：油炉2%~3%；煤气炉1.5%~2.5%；电阻炉1%~1.5%。3）确定锻造温度范围碳钢：始锻温度1200℃；终锻温度800℃。344）确定变形工序镦粗、拔长、弯曲、冲孔等。依零件不同而不同。35365）编写锻造工艺卡（以带中心孔的盘类锻件例）3738６、模锻工艺与锻模结构设计１）绘制模锻件图—锻模设计的依据39设计内容：•确定分模面－上、下锻模的分界面•原则：选择锻件最大水平投影面，模膛深度浅且沿分模面对称。40•追加加工余量、工艺余块，规定锻件公差。•设计模锻斜度和锻造圆角。41２）选定模锻工步，确定锻模模膛。一类是长轴类零件，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等。一般常采用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工步。•模锻件按形状可分为两类：•根据锻件的形状和尺寸来定。42另一类为盘类锻件，如齿轮、法兰盘等。一般常采用镦粗、预锻和终锻等工步。436）锻造生产自动线５）确定后续工序—切边、冲孔、校正、热处理及表面氧化皮清理等。４）选择锻造设备。447、锻件结构设计的工艺性要点零件结构要符合锻造工艺性要求，使之结构合理，锻造方便、节约金属、保证锻件质量和能够提高生产效率。自由锻件：1）自由锻件设计要避免锥体和斜面结构；452）锻件由数个简单几何体构成时，几何体的交接处不应保留空间相贯曲线；463）自由锻锻件上不允许设计出加强筋、凸台、工字形截面和空间无规则曲面形状；474）锻件形状较复杂时，可设计成几个简单件构成的组焊或装配结构；48模锻件：1）有一个合理的分模面；2）外形力求简单、平直和上下对称；3）对垂直于分模面的非加工表面应设计出模锻斜度和锻造圆角。494）避免薄壁、高筋、局部凸起等结构。505）在可能条件下，应采用锻—焊组合工艺，以简化锻造工艺和降低制造成本。51复习题1.自由锻造和模膛锻造有何区别？分别说明其一般工序或工步的安排。2.模膛锻造中，对锻模材料有何性能要求？一般选用哪些材料和热处理工艺？3.锻造（包括自由锻造和模膛锻造）要用到哪些设备?如何确定锻锤和压力机的吨位？4.编制自由锻造工艺包含哪些内容？525.编制模膛锻造工艺包含哪些内容？6.举例说明如何选择锻模分模面。分析飞边槽和冲孔连皮的作用。7.东风公司锻造厂在锻造生产自动线上生产汽车前梁等锻件的锻造工步是如何安排的?试以工步流程布置框图予以说明。8.分析锻件结构设计的工艺性。请在教材或参考书中自选典型图例加以说明和改进创新（至少五例）。53三、板料冲压（录象）前提：塑性良好的薄板容易成形，可以冲压成复杂空间立体零件，且省料、省力，产品精度高，表面质量好。54•板料要求：低碳钢、铝、铜、镁合金等。厚度一般不超过10mm，表面无伤痕。•设备：剪板机（剪成条料）、冲床、液压机等。55冲压基本工序１）金属板料的分离过程冲裁模的凸模（头）与凹模都有锋利刃口。两者间有间隙。１、分离工序（冲裁）包括落料和冲孔。分别在落料和冲孔模中进行。分两类：一类是分离工序；一类是变形工序。56板料分离过程三阶段：—弹性变形阶段；—塑性变形阶段，出现微裂纹；—断裂分离阶段。板料分离断口有：塌角（圆形）、光亮带、断裂带与毛刺四个区域。光亮带（垂直断面）所占板厚比例通常是1/2~1/3。该比例越大，表明零件尺寸精度越高。57２）冲裁模间隙：凸、凹模间合理间隙（双边间隙和）一般取板厚的1%左右。间隙既不能太小，也不能过大。关系到产品尺寸精度，也影响模具使用寿命。Z/2D凹D凸58落料模（D凸、D凹）凹模刃口尺寸等于工件外形尺寸。即：D凹＝D件；D凸＝D件－Z（间隙）。３）凸、凹模基本尺寸Z/2D凹D凸59Z/2d凹d凸冲孔模（d凸、d凹）以孔径先定凸模尺寸。即：d凸＝d孔；d凹＝d孔＋Z（间隙）。注意：落料件与孔径有公差时，D凹（落料）取工件最小极限尺寸（D－）；d凸（冲孔）取孔的最大极限尺寸（d+）。60４）冲裁力（F）的计算对于平刃冲模F＝KLS式中F—冲裁力（N）；L—冲裁周边长度（mm）；S—板材厚度（mm）；—抗剪强度（MPa或N/mm2）；K—经验系数，一般取K＝３。61５）排样即冲裁件在板料或条料件上的合理排列，以提高材料利用率。排样分为无搭边排样和有搭边排样。62２、变形工序包括弯曲、拉深、翻边和局部成形等。汽车车身覆盖件主要由这四大成形工序完成。63１）弯曲：弯曲在弯曲模中进行。以弯曲角和弯曲半径r表示弯曲变形量的大小。•坯料外层为拉伸变形，内层为压缩变形，•中部为中性层，应力、应变为零。64•最小弯曲半径rmin决定于板料厚度和板材塑性大小，可取：rmin（0.1~1）S•卸料（工件自模中托起）后，工件弯曲角增大，即出现回弹。模具设计时，要补偿回弹角，即：＝－式中：—工件弯曲角；—模具角；S—板厚，/mm65弯曲轴线与板料纤维流向垂直。66２）拉深意义：在拉深模中使平板件受力成形为空心立体件。67m：拉深变形后的制件直径d件与坯料直径D坯之比。即：m＝d件／D坯变形量控制—拉深系数m一般极限拉深系数取：mmin＝0.5~0.8（低碳钢板）m越小，一次拉深变形量大。m越大（1），则拉深变形量小。68如果总的拉深系数小于极限拉深系数，则需多次拉深才能最终成形。69•凸凹模间隙取Z＝（1.1~1.2）S（板厚）/mm。拉深模的结构参数•凸、凹模为圆角，不得为锋利刃口。取R凹＝（5～15）S（板厚）/mm；R凸＝（0.6~1）R凹/mm；70压边拉深时通常要对板料边缘进行压边，凹模内需要润滑。71拉深废品及缺陷起皱拉裂72变形量用翻边系数K控制，即K0＝d0/D式中d0—预制孔径（先冲孔得到）/mm；D—翻边后孔径/mm。３）翻边使带有预制孔的坯料沿孔口周围翻起而获得凸缘的工序。73４）局部变形包括胀形、旋压、压肋、压花（字）等。74旋压压肋753、冲压件的结构工艺性（1）对冲裁件的要求冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用，同时应避免长槽与细长悬臂结构，否则模具制造困难。冲裁件的内外转角处，也要圆弧连接，避免尖角。76（2）对弯曲件的要求弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径，并考虑材料纤维方向，以免成形过程中弯裂。77（3）对拉深件的要求拉深件外形应简单、对称，且不宜太高。以便使拉深次数尽量少，并容易成形。拉深件的圆角半径如图所示。应满足：rd≥s，R≥2s，r≥35。否则，应增加整形工序。78（4）改进结构可以简化工艺及节省材料1)采用冲焊结构对于形状复杂的冲压件、可先分别冲制若干个简单件，然后再焊接成整体件792)采用冲口工艺，以减少组合件数量803)在使用性能不变的情况下，应尽量简化拉深件结构，以便减少工序，节省材料，降低成本。如消声器后盖零件结构，通过结构改进，材料减少50％。814、冲压模分类及结构简单模（单工序模）82级进模（连续模）压机一次行程中，在模具不同工位同时完成多道冲压工序