材料成形技术基础新编课件第三章.

1材料成形技术基础第三章固态材料塑性成形过程2第二章概述第三章概述概念它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。在工业生产中又称压力加工。3第二章概述第三章概述金属材料固态成形的基本成形条件:1.被成形的金属材料应具备一定的塑性;2.要有外力作用于固态金属材料上。金属固态成形受到内外两方面因素的制约。1.内在因素即金属本身能否进行固态变形和可形变的能力大小。2.外在因素即需要多大的外力。另外，外界条件（如温度等）对内外因素有相当大的影响，且成形过程中两因素相互影响。4第二章概述第三章概述金属塑性成形的主要方法5第二章概述金属固态塑性成形优缺点优点：⑴组织细化致密、力学性能提高；⑵体积不变的材料转移成形，材料利用率高;⑶生产率高，易机械化、自动化等。⑷可获得精度较高的零件或毛坯，可实现少无切削加工。缺点：⑴不能加工脆性材料；⑵难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品；⑶设备、模具投资费用大。6第二章概述第三章概述按金属固态成形时的温度分为两大类：⑴冷变形过程冷变形是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。冷变形过程的特征：变形后具有加工硬化现象，强度、硬度升高，塑性和韧度下降.⑵热变形过程是指金属材料在其再结晶温度以上进行的塑性变形。7第二章概述第三章概述冷变形过程的特征：变形后具有加工硬化现象，强度、硬度升高，塑性和韧度下降。热变形过程的特征：①金属在热变形中始终保持良好的塑性，可使工件进行大量的塑性变形；又因高温下金属的屈服强度较低，故变形抗力低，易于变形。②热变形使内部组织结构致密细小，力学性能特别是韧度明显改善和提高。因为金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压实，粗大（树枝状）的晶粒组织结构被再结晶细化。③形成纤维组织，力学性能具有方向性。8第二章概述第三章概述冷变形过程优点：①冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。②对于不能用热处理方法提高强度、硬度的金属构件（特别是薄壁细长件）利用加工硬化来提高构件的强度、硬度不但有效而且经济。冷变形过程缺点：①冷变形过程的加工硬化使金属的塑性变差，给进一步塑性变形带来困难。②对加工坯料要求其表面干净、无氧化皮、平整。③加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低。9第二章概述3.2金属塑性成形过程的理论基础一、金属塑性变形的能力（可锻性）指金属材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易程度。衡量因素——塑性指标和变形抗力；塑性越高，变形抗力越低，可锻性越好。10第二章概述影响金属塑性成形性能的因素：内在因素、加工条件、应力状态等。⑴内在因素：①化学成分—钢的含碳量越大，塑性成形性越好;钢的合金元素含量越高，塑性成形性能越差.②金属组织—单相固溶体的塑性成形性优于多相组织，常温下，均匀细晶的塑性成形性优于粗晶组织，钢中存在网状二次渗碳体时塑性成形性下降。3.2金属塑性成形过程的理论基础3.2金属塑性成形过程的理论基础11第二章概述⑵加工条件：①变形温度温度越高，塑性指标增加，变形抗力降低，可锻性提高。②变形速度一方面变形速度增大硬化速度随之增大，塑性指标下降，变形抗力增大，可锻性变坏；另一方面变形速度越大，热效应越明显，使塑性指标提高、变形抗力下降，可锻性变好。一般生产条件下采用较小变形速度。3.2金属塑性成形过程的理论基础12第二章概述3.2金属塑性成形过程的理论基础⑶应力状态：三个方向中的压应力数目越多，塑性越好，变形抗力增大；拉应力数目多，则金属的塑性就差，变形抗力降低。133.2.2塑性变形基本规律⑴体积不变规律金属固态成形加工中金属变形后的体积等于变形前的体积（又叫质量恒定定理）⑵最小阻力定律金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动。金属内某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向就是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线方向。143.3锻造方法3.3.1自由锻造⑴定义：自由锻造是利用冲击力或压力使金属材料在上下两个砧铁之间或锤头与砧铁之间产生变形，从而获得所需形状、尺寸和力学性能的锻件成形过程。153.3.1自由锻造自由锻优点16自由锻缺点3.3.1自由锻造173.3.1自由锻造⑵自由锻成形过程零件图--绘制锻件图--计算坯料质量和尺寸--下料--确定工序--加热温度--设备等--加热坯料、锻打--检验--锻件18第二章概述3.3.1自由锻造1）绘制锻件图绘制锻件图时要考虑:敷料加工余量锻件公差19第二章概述锻件加工余量：与零件的形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等因素有关，通常自由锻锻件的加工余量为4～6mm，它与生产的设备、工装精度、加热的控制和操作技术水平有关，零件越大，形状越复杂，则余量就大。锻件公差：锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量，因为锻造操作中掌握尺寸有一定困难，外加金属的氧化和收缩等原因，使锻件的实际尺寸总有一定的误差。规定锻件的公差，有利于提高生产率。自由锻锻件的公差一般为±（1～2）mm。3.3.1自由锻造20第二章概述3.3.1自由锻造2）计算坯料质量和尺寸①确定坯料质量：G坯料=G锻件+G烧损+G料头式中：G坯料——坯料质量。G锻件——锻件质量。G烧损——加热时坯料因表面氧化而烧损的质量，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——锻造过程中被冲掉的那部分金属的质量，如冲孔时坯料中部的料芯，修切端部产生的料头等。213.3.1自由锻造通常，对于中、小型锻件都用型材（使用最多的是圆钢），这样可不考虑料头因素，故可将上式简化为：G坯料=（1+K）G锻件K是一个与锻件形状有关的系数。对于实心盘类锻件，K=2％～3％；对于阶梯轴类锻件，K=8％～10％；对于空心类锻件，K：10％‾12％；对于其他形状的锻件，可视其复杂程度参照上述3类锻件取K值。锻件的质量是根据锻件的名义尺寸来计算的，即：.G锻件=r·V锻件223.3.1自由锻造②确定坯料尺寸对于圆型材料（如圆钢）：①当锻件锻造的第一工序为镦粗时，则：坯料直径：D=（0.8‾1）V11/3V1=G1／r式中V1——坯料的体积；G1——坯料的质量。坯料的高度或长度：H=V1／[π（D／2）2]，且H应满足：1.25D≤H≤2.5D。233.3.1自由锻造②当锻造件的第一工序为拔长时，则：F1≥Y锻F锻式中F1——坯料的截面积；Y锻——锻造比，对于圆钢，Y锻=1.3‾1.5；F锻——锻件的最大截面积。坯料的直径：D=2√F1／π坯料的长度：L=V1／F1要注意的是，圆钢直径的大小是有标准的，如Φ25，Φ30，Φ35，Φ40，…如计算的坯料直径D与圆钢标准直径不符，则应将坯料直径就近取成圆钢直径，然后再重新计算坯料高度日或长度L。243.3.1自由锻造⑶选择锻造工序、确定锻造温度和冷却规范等。①选择锻造工序分为基本工序、辅助工序、精整工序三类。基本工序：镦粗、拔长、冲孔等253.3.1自由锻造盘类锻件轴及杆类锻件可采用镦粗、冲孔、压肩、整修可采用拔长、压肩、整修263.3.1自由锻造筒及环类锻件弯曲类锻件可采用镦粗、冲孔、拔长、整修可采用拔长、弯曲27曲拐轴类锻件其他复杂锻件可采用拔长、分段、错移、整修可采用拔长、分段、镦粗、冲孔、整修3.3.1自由锻造283.3.1自由锻造辅助工序：压肩、倒棱、压钳口等。精整工序：整形、清除表面氧化皮等。29第二章概述3.3.1自由锻造②锻造温度范围及加热冷却范围常用金属材料的锻造温度范围合金种类始锻温度/℃终锻温度/℃碳素钢15，25，301200～1250750～80035，40，45120080060，65，T8,T101100800合金钢合金结构钢1150～1200800～850低合金工具钢1100～1150850高速钢1100～1150900有色金属H68850700硬铝47038030第二章概述3.3.1自由锻造锻后锻件的冷却：锻件仍有较高的温度，冷却时由于表面冷却快，内部冷的慢，锻件表里收缩不一，可能使一些塑性较低的或大型复杂锻件产生变形或开裂等缺陷。31第二章概述锻件冷却方式常有下列3种：1）直接在空气中冷却（空冷），此种多用于碳含量小于0.5%的碳钢和碳含量小于0.3%的低合金钢中小型锻件。2）在炉灰或干砂中缓冷对用于中碳钢、高碳钢和大多数低合金钢中的中型锻件。3）随炉缓冷锻后随即将锻件放入500到700摄氏度的炉中随炉缓冷，用于中碳钢和低合金钢的大型锻件以及高合金钢的重要锻件。3.3.1自由锻造323.3.1自由锻造⑷自由锻典型过程举例—轴类、盘类、环类、筒类、弯曲类等①轴类件自由锻工序333.3.1自由锻造锻件名称：齿轮轴坯料质量：2.8kg坯料规格：ф90x59mm锻件材料：40Cr锻造设备：150kg空气锤锻件图：火次温度（℃）操作说明简图11200～800镦粗拔长、打圆压肩拔长、打圆343.3.1自由锻造②盘类件自由锻工序353.3.1自由锻造锻件名称：双联齿轮坯料质量：2.1kg坯料规格：ф65x83mm锻件材料：45钢锻造设备：150kg空气锤锻件图：火次温度（℃）操作说明简图11200～800镦粗压肩拔长、打圆363.3.1自由锻造③环类件自由锻工序37第二章概述锻造设备：中小型锻件所采用的主要是空气锤，空气锤的吨位选择见下表或查锻造手册。锤的吨位/kg150250400560锻件质量/kg61026403.3.1自由锻造38⑸自由锻件结构技术特征①自由锻件上应避免锥体、曲线或曲线交接以及椭圆形、工字形截面等结构。3.3.1自由锻造39第二章概述3.3.1自由锻造40第二章概述②自由锻件上应避免加强筋、凸台等结构。3.3.1自由锻造41③当锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时，可将其设计成几个简单件构成的组合件，用焊接或机械连接方法连成整体件。3.3.1自由锻造42第二章概述复杂件结构成形性差的结构成形性好的结构3.3.1自由锻造43第二章概述3.3.2模型锻造定义：它是将坯料置于锻模模腔内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形而获得锻件的成形过程。模型锻造时坯料是整体塑性成形坯料三向受压。44第二章概述与自由锻相比，模锻具有如下优点:①生产效率高。②能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理。③模锻件的尺寸较精确，表面质量好，加工余量较小。④节省金属材料，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。3.3.2模型锻造45第二章概述缺点：模锻设备吨位限制，锻件质量一般在150kg以下。设备投资较大，模具费用高，工艺灵活性较差，生产准备周期较长。适合于小型锻件的大批、大量生产。3.3.2模型锻造46⑵模锻过程3.3.2模型锻造47第二章概述⑵模锻过程1)绘制模锻件图应考虑分模面、加工余量、锻件公差和敷料、模锻斜度、模锻件圆角半径等。①分模面确定分模面位置原则：a)要保证模锻件易于从模膛中取出，故通常分模面选择在模锻件最大截面上。b)所选定的分模面应能使模膛的深度最浅，这样有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。3.3.2模型锻造48c)选定的分模面应能使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，这样在安装锻模和生产中发现错模现象时，便于及时调整锻模位置。d）分模面最好是平面，且上下锻模的模膛深度尽可能一致，便于锻模制造。e)所选分模面尽可能使锻件上所加的敷料最少，这样既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。第2种孔不能锻。3.3.2模型锻造49第二章概述3.3.2模型锻造50第二章概述②加工余量、锻件公差和敷料模锻件的加工余量和公差比自由锻件的小得多。小型模锻件的加工余量一般在2～4mm，锻件公差一般为±0.5～±1mm。3.3.2模型锻造51第二章概述对于孔径d﹥25mm的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮；冲孔连皮厚度与孔径有关，当孔径为Ø30～80mm时，连皮厚度为4～8mm。3.3.2模型锻造52第二章概述③模锻斜度目的是便于从模膛中取出锻件。常用模锻斜度系列为：3°5°7°10°12°15°模锻斜度与模膛深度有关，当模膛深度与宽