第三章 压力加工

第3章压力加工什么是金属压力加工？借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件。也就是：锻压模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压一次塑性加工一次塑性加工二次塑性加工二次塑性加工二次塑性加工一次/二次塑性加工优点：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。第一节金属的塑性变形3.1金属的塑性变形一、金属塑性变形的实质塑性塑性成形塑性成形的目的——常用塑性成形方法——材料在外力作用下发生永久变形又不破坏其完整性的能力——材料在外力作用下，利用自身的塑性而使其加工成具有一定形状、尺寸及力学性能的工件的加工方法1.改变形状、尺寸2.改善组织及性能轧制挤压拉拔锻压冲压1.单晶体的塑性变形滑移——在力的作用下，晶体的一部分沿某些特定的晶面和晶向相对另一部分发生滑动。特征：①滑移只能在最小切应力的作用下产生；外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片特征：②是沿一定的晶面和晶向进行的；滑移面滑移方向•通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。•滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。•因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系滑移的机理：把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。多脚虫的爬行晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。210Kds①变形过程复杂②晶粒位相的影响③晶界的影响④多晶体滑移的不均匀性⑤晶粒大小的影响2.多晶体的塑性变形二、塑性变形对组织和性能的影响纤维组织的形成晶粒内产生亚结构形成形变织构产生残余应力产生加工硬化关于加工硬化（重点）加工硬化现象——随冷塑性变形量增加，金属强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。加工硬化产生原因关于加工硬化（重点）•1、随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.•2.随变形量增加，亚结构细化，空位密度增加•3.几何硬化：由晶粒转动引起5%冷变形纯铝中的位错网加工硬化后果及应用①强化金属的一个重要途径——对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要②某些冷加工工艺能够进行的重要因素——由于加工硬化,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形。没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形③可提高构件在使用过程中的安全性关于加工硬化（重点）三、回复与再结晶软化过程回复：加热温度较低，金属内微细结构变化，显微组织不变再结晶：加热温度较高，通过破碎晶粒重新形核长大，形成新的、无畸变的等轴晶粒。※再结晶温度：一定时间内完成再结晶所对应的最低温度晶粒长大冷变形金属的加工硬化及软化回复：基本保持加工硬化状态，内应力变形开裂耐蚀性应用——去应力退火再结晶：消除变形金属的组织特征、加工硬化及内应力，性能恢复到加工前状态应用——再结晶退火四、金属的热加工热（塑性）变形与冷（塑性）变形的区别定义：变形过程的区别：回复、再结晶是否进行？热（塑性）变形对金属的组织和性能的影响消除铸态金属的某些缺陷力学性能形成热变形纤维组织——流线形成带状组织T加工＞T再结晶热加工T加工＜T再结晶冷加工金属的可锻性是指金属经受锻造成形优质零件的能力，通常用塑性与变形抗力来衡量。塑性越高，锻造性能越好，越有利于加工成形。1)内在因素化学成分纯金属合金低碳钢高碳钢碳钢合金钢低合金钢高合金钢碳和合金元素含量越高，塑性越差，锻造性能越差。五、金属的可锻性金属组织单相固溶体多相合金第二相的性能、数量、形状、分布对多相合金的锻造性能有重要作用（Cm）。细晶粒金属粗晶粒金属细晶粒组织比粗晶粒具有更好的塑性和锻造性能。过高温度合理温度高温晶界脆化，锻造性能变差。2)加工条件变形温度变形温度温度越低，金属塑性越差，变形抗力越大，锻造性能越差，易开裂。常加热至奥氏体单相区进行锻造。温度过高，引起表面氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷，降低锻造性能。同时，应避免在部分金属的脆化温度区间锻造。形变热效应是指金属在锻造过程中，塑性变形功转化为热能，其中一部分留在金属内，使锻件升温的现象。应变速率低应变速率范围，变形时间过长，散失的变形热多，形变热效应越小，锻件温度下降，金属塑性降低。高应变速率范围，变形时间短，散失热量少，热效应大，金属塑性增加，变形抗力减小。但当速率过快时，来不及发生再结晶，加工硬化会导致零件开裂。变形速度应力状态挤压拉拔自由锻应力压应力数目越多，金属越密实，裂纹越少，晶间变形越小，塑性越高。拉应力越多，塑性越差。同号应力状态引起的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。三向压应力会增大内摩擦，提高变形抗力。第二节自由锻自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两个铁砧间产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件的一种加工方法。自由锻优点自由锻缺点一、自由锻工序自由锻造的工序可以分为三类，即基本工序、辅助工序和修正工序。基本工序：改变坯料形状和尺寸以获得锻件，如镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转和锻接。辅助工序：为了完成基本工序而使坯料预先产生某一变形，如钢锭倒棱、预压钳拔和分段压痕。修正工序：使锻件完全达到锻件图要求，精整锻件尺寸和形状，消除锻件平面不平、歪扭位置，如鼓形滚圆、端面平整、弯曲校直。复习•1、基本概念•2、Al、Mg、α-Fe塑性的比较•3、滑移的实质•4、加工硬化的概念及应用•5、再结晶温度二、自由锻工艺规程的制订自由锻工艺规程1.绘制锻件图1).锻件草图锻件图=零件图+加工余量、公差和敷料2).敷料敷料3).锻件余量锻件余量4).锻件公差（310）(240)(680)(190)280±2350±12760±12120±3(110)142+3-4(130)230±4自由锻工艺规程2.选择锻造工序盘类件:镦粗（拔长、镦粗）→冲孔轴类件:拔长（镦粗、拔长）→切肩→锻台阶筒类件:镦粗（拔长、镦粗）→冲孔→心轴上拔长环类件:镦粗（拔长、镦粗）→冲孔→心轴上扩孔弯曲类件:拔长（镦粗、拔长）→弯曲曲轴类件:拔长（镦粗、拔长）→错移→锻台阶→扭转①轴类件自由锻工序自由锻工艺规程3.坯料质量及尺寸计算重量：G坯料=G锻件+G烧损+G料头尺寸：与锻造过程中的变形程度有关例如：碳素钢锭拔长：Y拔长=F0/F2.5~3轧材作坯料：Y拔长=F0/F1.3~1.5自由锻工艺规程4.选择锻造设备空气锤是锻造小型锻件的常用设备（冲击载荷）。双柱式蒸汽－空气锤吨位都在lt以上（冲击载荷）。水压机自由锻使用的压力机一般是水压机。工作平稳，用于锻造大型、重型锻件（静载荷）的为主要设备。自由锻工艺规程5.确定锻造温度范围常见金属材料的锻造温度范围可查资料。自由锻工艺规程实例三、自由锻锻件的结构工艺性★避免锥体或斜面结构★几何体的交接处不应形成空间曲线★避免加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面★采用锻-焊、锻-螺纹连接工艺第三节模锻将金属坯料置于锻模模膛内，在冲击力或压力作用下产生塑性流动称为模锻。模锻的特点与应用特点：1）生产效率高；2）可锻出形状复杂、锻造流线完整的锻件；3）锻件表面光洁，尺寸精度高，加工余量少，节省材料和工时；4）操作简便，实现机械自动化；5）设备投资大、工艺复杂。应用：用于中小型锻件成批或大批量生产分类：锤上模锻、热模锻压力机上模锻、平锻机上模锻和螺旋压力机上模锻。典型模锻件模锻设备锻造力性质锻件精度生产率模锻锤冲击力较低较低曲柄压力机压力较高较高平锻机压力较高较高摩擦压力机冲击力~压力较高较低1、模锻锤可以镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形、预锻、终锻。2、曲柄压力机行程不能调节；不能拔长和滚挤；每个变形工步在一次行程中完成。3、平锻机4、摩擦压锻机螺杆与滑块非刚性连接，承受偏心能力差；滑块行程、打击能量可自动调节。一、锤上模锻1.锻模结构模膛模锻模膛制坯模膛拔长模膛终锻模膛预锻模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛制坯模膛拔长模膛开式闭式边送进边翻转（开式结构简单，效率低）减小坯料某部分横截面积，增加长度制坯模膛滚压模膛开式闭式边受压边转动，不做轴向送进减小坯料某部分横截面积以增大另一部分制坯模膛弯曲模膛弯曲后坯料翻转90°，再送入模锻模膛获得近似水平投影形状的坯料制坯模膛切断模膛位于锻模的边角上或另外设计，有刃口将已锻好的锻件从坯料上切下来制坯模膛作用：使坯料预变形而达到合理分配，使其形状基本接近锻件形状，以便更好地充满型腔。使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时金属易充满终锻模膛，并减少终锻模膛的磨损。使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，并放大一个收缩量，并设计飞边槽。终锻模膛预锻模膛预锻模膛与终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。模锻模膛模锻模膛1.飞边2.分模面3.冲孔连皮4.锻件模锻模膛作用：使坯料达到锻件所要求的形状和尺寸。弯曲连杆的多模膛锻模2.工艺规程的制定锤上模锻模锻工艺规程制定模锻件图1)分模面•要保证模锻件能从模膛中取出•上下两模沿分模面的模膛轮廓一致•分模面能使模膛深度最浅•分模面为平面，使上下锻模的模膛深度一致•分模面应使零件上所加的敷料最少，盘类采用径向分模2)余量、公差、敷料、冲孔连皮余量：1~4mm公差：冲孔连皮：d＝30~80，s＝4~8mmmm)3~3.0(3)模锻斜度:垂直于分模面表面要有一定斜度a.3°-15°；b.与(模膛深度h/相应宽度b)成正比；c.内斜度比外斜度大一级；d.3、5、7、10、12、15为标准度数。4).模锻圆角半径防止锻造过程中交角处应力集中而开裂。R=（2-3）r例分模面aa余量模锻斜度圆角模锻工艺规程确定模锻工步长轴类模锻件拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻等锤上模锻模锻工艺规程确定模锻工步锤上模锻盘类锻件镦粗、预锻、终锻锤上模锻模锻工艺规程确定坯料尺寸模锻件坯料的体积：V坯料＝(V锻件+V飞边+V连皮)(1+K)K-烧损系数，一般取2％－3.5%盘类锻件坯料直径：D计＝1.08m-坯料高径比，取1.8-2.2轴类锻件坯料直径：D计＝1.13K-模膛系数，不制坯或拔长k=1滚挤k=0.7-0.85V坯料/m3kF最大截面积锤上模锻模锻工艺规程修整工序切边和冲孔热处理校正清理精压消除变形，在校正模或终锻模膛中进行消除内应力，调整性能，退火或正火消除表面氧化层及表层油污等，喷丸、酸洗精度和表面质量要求高的工件，不需切削3.模锻件的结构工艺性★确定合理分模面，保证锻件易从锻模中取出，且余块最少，锻模制造方便。★锻模上与分模面垂直的表面，应设计模锻斜度；非加工表面缩形成的交角都应按模锻圆角设计。★避免有深孔或多孔结构，延长模具寿命★零件外形力求简单、平直和对称，尤其需避免零件截面间尺寸差别过大，或具有薄壁、高筋、凸起等结构。不合理合理★采用锻焊组合工艺，减少余块简化工艺复习•自由锻件的结构工艺性•模锻件的结构工艺性•预锻模膛与终锻模膛的区别•冲孔连皮•飞边槽的作用锤上模锻虽设备投资少锻件质量较好适应性强可实现多种变形工步锻制不同形状的锻件但是振动大、噪声大完成一次变形工步需要经过多次锤击难以实现机械化和自动化生产效率低。1.热模锻压力机上模锻（曲柄）特点：滑块行程固定采用组合模有导向、顶杆装置，斜度小静压力、噪声小氧化皮不易去除不能进行拔长或滚挤适用于大批量生产二、其他模锻方式2.摩擦螺旋压力机上模锻特点：行程可以自由调节滑块速度较慢