第3章 锻压

第三章锻压教学重点金属的塑性变形理论，锻造工艺，板料冲压工艺。教学难点本课题重点与难点金属的加工硬化，回复和再结晶，纤维组织，金属的可锻性。第三章锻压1、何为锻压？锻压是利用外力使金属坯料产生塑性变形，获得所需尺寸、形状及性能的毛坯或零件的加工方法。3.1概述第三章锻压2、金属塑性加工的基本方法1)轧制使金属坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，改变其性能，获得所要求的截面形状的加工方法。轧制示意图挤压示意图2）挤压将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出，横截面积减小，获得所需制品的加工方法。第三章锻压3）拉拔坯料在牵引力作用下通过拉拔模的模孔拉出，产生塑性变形，得到截面细小、长度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷态下进行。拉拔示意图4）自由锻用简单的通用性工具或在锻造设备的上、下砧间，使坯料受冲击力作用而变形，获得所需形状的锻件的加工方法。自由锻示意图第三章锻压5）模锻利用模具使金属坯料在模膛内受冲击力或压力作用，产生塑性变形而获得锻件的加工方法。6）板料冲压用冲模使板料经分离或成形得到制件的加工方法。板料冲压示意图模锻示意图第三章锻压总结：在上述的六种金属塑性加工方法中，轧制、挤压和拉拔主要用于生产型材、板材、线材、带材等；自由锻、模锻和板料冲压总称锻压，主要用于生产毛坯或零件。第三章锻压3、锻压加工的特点（1）改善组织，细化晶粒，消除缺陷，提高力学性能；（2）减少加工损耗，省材省工，生产效率高；（3）能加工各种、形状重量的零件，适用范围广；（4）不能获得外形和内腔形状复杂的工件；（5）只能加工塑性材料，如钢和有色金属等，不能加工脆性材料，如铸铁等。第三章锻压3.2锻压工艺基础金属在常温下经塑性变形后，内部组织和性能将发生变化。•组织上的变化表现为：晶粒沿最大变形的方向伸长；晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；晶粒产生碎晶。•性能上的变化表现为：随着变形程度的增加，强度及硬度显著提高，而塑性和韧性则很快下降。变形度愈大，性能的变化也愈大。一、变形后金属的组织和性能第三章锻压1、加工硬化（冷作硬化）＊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。加工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。2、回复当加热温度(用K氏温标)T回=（0.25—0.3）T熔，冷变形金属的显微组织无明显变化，金属的力学性能没有显著变化（强度、硬度下降很少，塑性提高不多），只能使应力明显降低或消除。使加工硬化得到部分消除。第三章锻压3、再结晶当加热温度到绝对温度T再=0.4T熔，塑性变形后金属被拉长的晶粒重新形核、结晶变为等轴晶粒，称为再结晶。再结晶后金属的强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，消除了全部加工硬化。注意：再结晶后晶格类型不变，只改变晶粒外形。第三章锻压4、加工硬化的利用和消除加工硬化现象在工程技术中具有重要的实用意义：•加工硬化是强化金属的重要方法之一。纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。•加工硬化不利的一面。由于它使金属塑性降低，给进一步冷塑性变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大。为了消除加工硬化，恢复材料的塑性，以便继续进行变形加工，或为了消除变形过程中产生的内应力，就要对工件进行退火处理。第三章锻压冷变形变形温度在再结晶温度以下时，金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。热变形变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的组织，而无加工硬化现象，这种变形称为热变形。5、冷变形与热变形第三章锻压6、纤维组织定义：变形加工时，金属中的脆性杂质被击碎，并沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂质则沿变形方向被拉长呈带状分布，这种杂质的定向分布称为流线（纤维组织）。力学性能：具有纤维组织的金属，各个方向上的机械性能不相同。顺着纤维方向的机械性能比横纤维方向的好。金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能的方向性也就越显著。第三章锻压特点：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。应用：在设计和制造零件时，应尽可能使流线与零件的轮廓相符合而不被切断。使最大正应力的方向与纤维方向重合，最大切应力的方向与纤维方向垂直。第三章锻压当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时(如图a)，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱。当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图b)，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。实例：第三章锻压二、金属的锻造性金属的可锻性：是指金属材料锻压加工成形的难易程度。可锻性的衡量：塑性和变形抗力。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。第三章锻压1、金属的本质1）化学成分的影响纯金属的可锻性比合金好；合金元素的含量越多，可锻性越差。钢的含碳量越低，可锻性越好。2）金属组织的影响组织不同，可锻性有很大差异：＊纯金属、单一固溶体（如奥氏体）组织的锻造性能好于化合物组织，碳化物可锻性差。＊铸态柱状组织和粗晶粒不如细小均匀晶粒的可性好。第三章锻压2、加工条件1）变形温度的影响＊变形温度低，金属的塑性差，不但锻压困难，而且容易开裂。提高变形温度，塑性提高，变形抗力减小。加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，锻造性能下降，称为“过热”。如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至融化，导致金属的塑性变形能力完全消失，称为“过烧”。坯料如果过烧将报废。第三章锻压＊金属的变形温度必须严格控制在规定的范围内（碳钢的锻造温度范围依据相图来确定）。锻造温度：始锻温度：碳钢比AE线低200C°左右。终锻温度：800C°左右。过低难于锻造，若强行锻造，将导致锻件破裂报废。第三章锻压2)变形速度的影响变形速度--单位时间内的相对变形量。＊变形速度低，塑性高、变形抗力小；变形速度增大，金属塑性下降，锻造性能变差。常用的锻压设备不可能超过临界变形速度。3）应力状态影响三向应力中，压应力数目愈多，则塑性越好。第三章锻压3.3自由锻只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形获得所需的几何形状及内部质量的锻件。一、自由锻的特点及应用（1）自由锻工艺灵活，工具简单，设备和工具的通用性强。（2）应用范围广，可锻造的锻件质量由不及1kg到300t.在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一方法。（3）锻件精度低，加工余量大，生产率低。一般只适用于单件小批量生产。是锻制大型锻件的唯一方法。第三章锻压二、自由锻造设备空气锤——适用于小型锻件蒸汽锤——适用于中、小型锻件主要有空气锤、蒸汽锤、水压机、液压机等。第三章锻压水压机——适用于大型锻件大型水压机第三章锻压二、自由锻的基本工序1、镦粗使坯料整体或一部分高度减小、横截面面积增大的工序称为镦粗。镦粗主要用于适饼块类，盘套类。镦粗的种类：有完全镦粗、局部镦粗和垫环镦粗等。第三章锻压2、拔长使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长。•拔长主要用于轴杆类锻件成形。•拔长的种类：平砥铁拔长、芯轴拔长、芯轴扩孔等。第三章锻压3、冲孔采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。第三章锻压4、弯曲是将毛坯弯成所需形状的工序。在进行弯曲变形前，先要将毛坯锻成所需形状，使体积合理分配，便于获得合格产品。第三章锻压5、扭转将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。6、切割将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序。第三章锻压7、错移使坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序。第三章锻压胎模锻——在自由锻造的设备上用胎膜生产锻件的方法。与锤上模锻和压力机模锻不同的是，胎膜不与锤头和下模座连在一起。导销孔导销毛边槽模膛胎膜胎膜锻造工艺灵活，可提高锻件的精度和形状的复杂程度，减少了加工余量，提高了生产率。模型锻造（10）第三章锻压将金属坯料放在锻模模膛内，在锻压冲击力或压力下变形而获得锻件的方法。与自由锻相比，模型锻造的生产率高，锻件形状准确，可获得形状复杂的锻件，切削加工余量小。但需要专门模锻设备，故成本较高。适用于中小型、批量生产。分类：锤上模锻、胎膜锻、压力机上模锻等。3.4模锻第三章锻压1、锤上模锻——在专用的模锻空气锤或模锻蒸汽锤的锻锤和模垫上分别固定上下模，上下模经锤击合拢，而获得锻件的方法。锤上模锻具有一般模锻的优点，但冲击大、震动大、噪声大、效率低。一般仅用于中小吨位的锻锤。模座模垫下锻模上锻模锤头第三章锻压1）锻模模锻工作示意图如图所示。锻模由上、下模组成。上模和下模分别安装在锤头下端和模座上的燕尾槽内，用楔铁紧固。上、下模合在一起，其中部形成完整的模膛。根据模膛功用不同，可分为模锻模膛和制坯模膛两大类。第三章锻压（1）制坯模膛制坯模膛主要作用是按照锻件形状合理分配坯料体积，使坯料形状基本接近锻件形状。制坯模膛分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、切断模膛、镦粗台及压扁面等。•滚压模膛：减小坯料某部分的横截面积以增加另一部分的横截面积。•弯曲模膛：将坯料轴线由直线变成曲线形状。•切断模膛：切断坯料。•拔长模膛：减小坯料某部分横截面积以增加该部分的长度。制坯模镗第三章锻压（2）模锻模膛模锻模膛分为预锻模膛和终锻模膛两种。•预锻模膛：目的是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，以便在终锻成形时金属充型更加容易，同时减少终锻模膛的磨损，延长锻模的使用寿命。•终锻模膛：可使坯料变形到热锻件所要求的形状和尺寸。待冷却收缩后即达到冷锻件的形状和尺寸。终锻模膛的分模面上有一圈飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。模锻件的飞边须在模锻后切除。两者区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。第三章锻压4、典型锻件的锤上模锻过程图为弯曲连杆在锤上模锻时的成形过程。第三章锻压2、压力机上模锻——在压力机上的滑块和底座上分别固定上下模，上下模经下压合拢，而获得锻件的方法。压力机上模锻工作时冲击小、噪声小、操作安全，但生产率低。一般适用于中小批量生产。摩擦压力机底座滑块带传动摩擦盘飞轮丝杠第三章锻压3.5板料冲压用冲模使薄板料分离或变形的加工方法。板料冲压一般在冷态下进行，故称冷冲压。当板料厚度超过8∼10mm时，可采用热冲压。板料冲压的优点是：（1）操作简单，便于机械化和自动化生产，生产率高；（2）废料少，利用率高；（3）可直接获得强度高、刚度好、质量轻的零件；（4）冲压尺寸精度高，表面光洁，无须再加工,可压出形状复杂的零件；（5）缺点是冲模成本高；通常用于金属制品的大批量生产。第三章锻压一、冲压设备剪床——将板料剪成适当的条料，供冲压之用。冲床——（又称曲柄压力机）将条料冲压成型。剪床冲床冲模——用于冲压的模具。第三章锻压二、板料冲压基本工序1、分离工序原料刀片工作台坯料剪切（1）剪切用于将坯料切成具有一定宽度的条料，为成形工序做准备。第三章锻压（2）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。冲头坯料凹模落料、冲孔第三章锻压凹模冲头修整坯料坯料（3）修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉冲裁件上的剪裂和毛刺。第三章锻压2、变形工序1）拉深原始直径为D的板料，经拉深后变成内径为d的杯形零件。凸模压入过程中，拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。其余环形部分坯料经变形成为空心件的侧壁，厚度有所减小。侧壁与底之间的过渡圆角部位被拉薄最严重。拉深件的法兰部分厚度有所增加。拉深凹模坯料压板冲头第三章锻压拉深常见缺陷：第三章锻压拉深常见缺陷的预防：拉深件主要受拉应力，应力超过强度极限时出现拉裂，最危险处是直壁和圆角的过渡处。拉裂现象与下列现象有关：(1)凸凹模的圆角半径，取r凹=（5—10）δ，r凸=（0.6～1）r凹。(2)凹凸模的间隙:间隙过小：摩擦力大，易拉穿工件、擦伤表面，模具寿命