金属压力加工

第十五章金属压力加工利用外力使金属产生塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法称为金属压力加工。压力加工的种类有：轧制、拉拔、挤压、锻造、板料冲压（见附图）§1.1金属塑性变形的实质●弹性变形在外力作用下，材料内部产生应力，应力迫使原子离开原来的平衡位置，改变了原子间的距离，使金属发生变形。并引起原子位能的增高，但原子有返回低位能的倾向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。第一章金属的塑性变形●塑性变形内应力超过金属的屈服点后，外力停止作用后，金属的变形并不完全消失。●滑移面在切向应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面产生相对滑移，该面称为滑移面。●位错运动引起塑性变形近代物理学证明，晶体不是在滑移面上，原子并不是整体的刚性运动而是以位错引起金属塑性变形。位错：沿滑移面旧原子对破坏，新原子对形成，图3-2●多晶体的塑性变形（晶内和晶间变形）晶内变形：外力作用下，某一晶粒的塑性变形。晶间变形：晶粒之间的相互位移或转动。在外力作用下，有的晶粒处于利于塑性变形位置，则首先塑性变形。有的处于不利于塑性变形的位置，则暂时不变形。晶粒间会移动、转动，这种利与不利位置在变化，塑性变形不断进行。图3-3§1.2塑性变形对金属组织和性能影响●金属在常温下经塑性变形后，内部组织将发生变化。⑴晶粒沿最大变形的方向伸长；⑵晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；⑶晶粒产生碎晶。●冷作硬化(见图3－4)＊现象：强度、硬度上升，而塑性、韧性下降。＊原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。●回复与再结晶＊回复：冷作硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定状态的倾向。室温下不易实现。当提高温度时，原子获得热能，热运动加剧，当加热温度T回(用K氏温标)T回=（0.25—0.3）T熔使原子回复到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工硬化得到部分消除。＊再结晶：当加热温度T再：T再=0.4T熔原子获得更多热能，开始的某些碎晶或杂质为核心构成新晶粒，因为是通过形核和晶核长大方式进行的，故称再结晶。再结晶后清除了全部加工硬化。再结晶后晶格类型不变，只改变晶粒外形。●加工硬化的利用、消除＊利用：冷加工后使材料强度↑硬度↑。如冷拉钢，不能热处理强化的金属材料。＊消除：再结晶退火（P29）650—750℃●冷变形和热变形＊冷变形在再结晶温度以下的变形；冷变形后金属强度、硬度较高，低粗糙度值。但变形程度不宜过大，否则易裂。＊热变形再结晶温度以上变形。变形具有强化作用，再结晶具有强化消除作用。在热变形时无加工硬化痕迹。金属压力加工大多属热变形，具有再结晶组织。热加工后组织性能变化：⒈粗大晶粒被击碎成细晶粒组织，改善了机械性能。⒉铸态组织中的疏松、气孔经热塑变形后被压实或焊合。⒊晶粒被拉长，非金属杂物被击碎，沿被拉长的晶粒界分布，形成纤维组织（流线）。变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工中常用锻造比y来表示变形程度。拔长时锻造比y拔=A0/A镦粗时锻造比y镦=H0/H纤维组织很稳定，不能（难以）用热处理方法来消除。只有经过锻压来改变其方向、形状。在设计和制造零件时，应使最大正应力的方向于纤维方向重合，最大切应力的方向于纤维方向垂直。尽量使纤维组织不被切断。§1.3金属的可锻性●金属的可锻性：材料经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。●可锻性的衡量：塑性（断面收缩率ψ，伸长率δ），变形抗力。塑性好，变形抗力小则可锻性好。●可锻性取决于：金属本质和加工条件。一、金属的本质⒈化学成分的影响纯金属的可锻性比合金好；有些元素可使可锻性显著下降（如铬，钨，钒等）。钢的含碳量越低，可锻性越好，⒉金属组织的影响＊组织不同，可锻性有很大差异：＊纯金属、固溶体（如奥氏体）可锻性好；碳化物可锻性差；＊铸态柱状组织和粗晶粒不如晶粒细小均匀。二、加工条件⒈变形温度的影响＊温度↑→原子的运动能力↑→容易滑移→塑性↑→变形抗力↓→可锻性改善.过热：超过一定温度，晶粒急剧长大，锻造性能↓，机械性能↓。已过热工件可通过锻造，控制冷却速度，热处理，使晶粒细化。过烧：接近材料熔化温度，晶间的低熔点物质开始熔化，且晶界上形成氧化层。金属失去锻造性能，一击便碎，无法挽回。＊锻造温度：始锻温度：碳钢比AE线低200C°左右终锻温度：800C°过低难于锻造，若强行锻造，将导致锻件破裂报废。图3-8⒉变形速度的影响变形速度--单位时间的变形程度＊变形速度u=dε/dtε—变形程度＊变形速度u↑⒊应力状态影响三向应力中，压力应力数目愈多，则塑性越好。塑性↓.变形抗力↑热能↑→塑性↑，变形抗力↓第二章锻造一、自由锻＊自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两个抵铁之间变形。从而获得所需形状及尺寸的锻件。在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。＊金属沿变形方向可以自由流动，不受限制。＊自由锻设备：锻锤依靠冲击力使金属变形，只能锻造中小锻件。液压机：依靠静压力使金属变形，可加工大型锻件。其中水压机可产生很大作用力，是重型机械厂锻造生产的主要设备。§2.1锻造方法⒈自由锻工序⑴基本工序镦粗：适于饼块类，盘套类拔长：适于轴类、杆类拔长、镦粗经常交替反复使用。有时一头镦粗，另一头拔长。（通孔、盲孔）冲孔，常用方法：镦粗—冲孔镦粗—冲孔—扩孔弯曲：工件轴线产生一定曲率。扭转：某一部分相对于另一部分转一定角度。错移：坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序，例如曲轴。切割：分割坯料，或去除锻件余量的工序。⑵辅助工序：在基本工序之前的预变形工序如压肩、压钳口等。⑶精整工序：完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸和形状精度的工序。⒉锻件分类及基本工序方案（表3-1锻件分类及所需锻造工序）二、模锻＊在压力或冲击力作用下，金属坯料在锻模模膛内变形，从而获得锻件的工艺方法。此法生产的锻件尺寸精确、加工余量较小，结构也可较复杂，生产率高。＊按使用设备不同分为：锤上模锻、胎模锻等。(见下页图)⒈锤上模锻＊锤上模锻所用设备为模锻锤。通常为蒸气-空气锤。对形状复杂锻件，先在制坯模膛内初步成形，然后在模锻模膛内锻造。⑴模锻模膛i)终锻模膛—作用：使坯料最后变形到锻件所要求的形状、尺寸。—尺寸比锻件尺寸放大一个收缩量，钢件约为1.5%。—四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出阻力，促使金属充满模膛，容纳多余的金属。—冲孔连皮：无法加工通孔而留下的一薄层金属。ii)预锻模膛—作用：使坯料变形到接近于锻件的形状尺寸，使终锻时，金属容易充满终锻模膛。延长终锻模膛的使用寿命。—批量不大，形状简单时可不设预锻模膛。—区别：预锻模膛的圆角、斜度较大，没有飞边槽。终锻模膛的圆角、斜度较小，有飞边槽。⑵制坯模膛＊对形状复杂的模锻件,为使坯料形状基本接近模锻件形状,使金属能合理分布和很好地充满模锻模膛，就必须预先在制坯模镗内制坯，因而设制坯模膛。i)拔长模膛增加某一部分长度。ii)滚压模膛减小某部分横截面积,以增大另一部分横截面积，坯料长度基本不变。iii)弯曲模膛弯曲工件。iv)切断模膛切断金属。此外还有成型模镗，镦粗台，击扁面等制坯模镗。＊模膛可分为单膛及多膛，图3-18是多镗模锻。⒉曲柄压力机上模锻⒊摩擦压力机上模锻⒋胎模锻＊胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法，一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成型。⑴扣模图3-22⑵筒模图3-23⑶合膜图3-24§2.2锻造工艺规程的制订一、绘制锻件图绘制锻件图是以零件图为基础，结合锻造工艺特点绘制而成的。⒈敷料、余量及公差＊敷料：为简化零件的形状和结构，便于锻造而增加的一部分金属为敷料。＊余量：零件表面为切削加工而增加的尺寸称余量。＊锻件公差：是锻件名义尺寸的允许变动量。查表而定。＊自由锻锻件图：图2-25⒉分模面＊分模面：上下模锻在模锻件上的分界面，关系到锻件成型，锻件出模，材料利用率，锻模加工等一系列问题。＊选分模面原则：1)应保证模锻件能从模腔中取出来。图3-26a-a2)应使上、下两模沿分模面的模腔轮廓一致。图3-26b-b3)分模面应选在能使模腔深度最浅的位置上。图3-26b-b4)使敷料最少。5)分模面最好是一个平面。图3-26中d-d面最合理。⒊模锻斜度＊模锻件上平行于锤击方向（垂直于分模面）的表面必须有斜度，以便取出锻件。模锻斜度与模镗深度和宽度有关。内侧斜度比外侧稍大些。图3-27模锻斜度⒋模锻圆角半径＊所有交角均做成圆角，可以易于充满模膛，避免尖角处产生裂纹，减缓锻件外尖角处的磨损。＊锻件内圆角R，锻件外圆角r见图。图3-28圆角半径＊圆角半径为1，1.5，2，3，4，5，6，8，10，12，15，20等标准值。⒌冲孔连皮＊孔径大于25mm,该孔应锻出；孔径为25~80时,冲孔连皮厚度取4~8mm。＊孔径小于25mm或孔深大于冲头直径3倍时,只压出凹穴。图3-29二、坯料重量和尺寸的确定＊坯料重量G坯G坯=G锻+G烧损+G料头式中：G锻—锻件重量G烧损—坯料因加热氧化而烧损G料头—在锻造过程中被冲掉或被切掉的金属＊锻造比对于以钢锭为坯料时,并采用拔长时,锻造比不小于2.5~3。轧材为坯料时，锻造比可取1.3~1.5。三、锻造工序（工步）的确定＊自由锻、按P98表3-1定＊模锻—长轴：常用拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻等，小型长轴常采用一根棒料锻几个锻件，模锻件采用周期轧制材料作坯料时可省去拔长滚压等工步。图3-30图3-31用轧制坯料模锻—短轴：常用镦粗、预锻、终锻等。图3-32四、锻造工艺规程中的其它内容＊始锻温度和终煅温度(P95图3-8)＊加热规范、冷却规范、对高合金钢尤为重要，以防因热应力引起变形或开裂。§2.3锻件结构的工艺性一、自由锻件的结构工艺性自由锻件不要有锥体，或斜面结构图3-33轴类锻件结构几何体的交接处不应形成空间曲线图3-34杆类锻件结构自由锻件上不应设计出加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面图3-35盘类锻件结构自由锻件横截面若有急剧变化或形状较复杂时，应设计成有几个简单件构成的组合体，再焊接或机械连接方法连接。图3-36复杂件结构二、模锻件的结构工艺性＊模锻件有一合理分模面，使工件容易取出，应使敷料少，锻模容易制造。＊零件上与其它零件配合时要机加工，其他面均应设计成非加工面。因此，要注意设计出模锻斜度，模锻圆角。＊锻件外形应力求简单、平直、对称，避免直径相差过大或具有薄壁、高筋、高台、深孔、多孔第三章板料冲压＊板料冲压又叫冷冲，但δ8～10mm时用热冲＊特点：(1)可冲形状复杂的零件，且废料少。(2)高精度，低粗糙度，零件互换性好。(3)重量轻，耗材少，强度刚度较好。(4)操作简单，生产率高。＊常用的材料：低碳钢、铜合金、铝合金等塑性好的材料。＊常用设备：剪床和冲床。＊基本工序：1、分离工序2、变形工序。一、落料及冲孔（统称冲裁）＊落料——落下部分为成品。＊冲孔——落下部分为废品。1、冲裁变形过程(1)弹性变形阶段§3.1分离工序(2)塑性变形阶段板料中的应力值达到屈服极限，板料金属产生塑性变形，产生硬化，凹凸模刃口处硬化加剧，出现裂纹。(3)断裂分离阶段上下裂缝重合，板料分离。分离面的质量主要和下列有关：a.间隙有关b.刃口锋利c.模具有关d.材料有关e.板厚有关……2、凹凸模间隙间隙影响：断面质量，模具寿命，卸料力，推件力，冲裁力，工件尺寸精度间隙过大：裂缝错开，边缘粗糙。卸料力，推件力小。间隙过小：上下裂缝错开，边缘粗糙。磨损严重。间隙可按下式计算:c=mδδ---板料厚度。m----系数，p115。3、凹凸模刃口尺寸的确定落料—以凹模刃口尺寸作为基准，根据间隙的大小确定凸模尺寸。（凹模尺寸等于零件的尺寸）冲孔—以凸模为基准，有间隙确定凹模的尺寸，即凸模尺寸同零件尺寸。考虑磨损：落料凹模尺寸靠近零件公差范围内的最小尺寸冲孔凸模尺寸靠近零件公差范围内的最大尺寸4、冲裁件的排样排样应使废料最少。排料有‘无搭边和有搭边’两种类型。noticea、前三图是“有搭边”优点是毛刺小，且在同一平面上，尺寸准确。b、D图“无搭边”毛刺不在同