第3章-金属压力加工(新)

工程学院·机械系主讲：刘天祥Tel:13836969101E-mail:[e-mail]第三章压力加工工程学院·机械系凡具有一定塑性的金属，均可在热态或冷态下进行压力加工。常用的压力加工方法:轧制、挤压、拉拔、锻造和冲压等。第三章压力加工利用外力使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法，又称金属塑性加工。压力加工工程学院·机械系压力加工的优点：（1）力学性能高；（2）节省材料；（3）生产率高；（4）适用范围广。第三章压力加工工程学院·机械系第三章压力加工3.1金属的塑性变形3.2自由锻3.3模锻3.4板料冲压3.5特种压力加工工程学院·机械系3.1.1金属塑性变形的实质3.1.2塑性变形对组织和性能的影响3.1.3回复与再结晶3.1.4金属的热加工3.1.5金属的可锻性3.1金属的塑性变形工程学院·机械系3.1.1金属的塑性变形单晶体金属在变形前，其原子按一定规则排列。在外力作用下其内部将产生应力，迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了原子间的距离，使金属发生变形。3.1金属的塑性变形金属的变形分为弹性变形和塑性变形。金属的塑性变形的实质:晶体内部产生滑移的结果单晶体滑移变形示意图工程学院·机械系3.1.1金属的塑性变形现代位错理论研究证明:滑移是通过晶体中位错缺陷的移动来实现的。由于位错的存在，部分原子处于不稳定状态，在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子很容易从一个相对平衡的位置移动到另一个位置,形成位错运动。3.1金属的塑性变形a)b)c)位错运动引起塑性变形示意图a)未变性b)位错运动c)塑性变性工程学院·机械系3.1.2塑性变形对组织和性能的影响金属在常温下经塑性变形，内部组织和性能发生变化：①晶粒沿最大变形方向伸长；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化；③晶格与晶粒均发生扭曲,产生内应力。a)b)c)纯铁在塑性变形后的组织变化a)正火态b)变形40%c)变形80%3.1金属的塑性变形工程学院·机械系加工硬化：金属发生冷塑性变形时，随着变形量的增加，强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象称为加工硬化，又称冷变形强化。它是一种不稳定的现象。3.1金属的塑性变形360320280240200160120804036322824201612847006005004003002001000220180160140120020406080αKδHBSσbσb/MPaαK/(J/cm2)Δ(%)硬度/HB变形程度/%工程学院·机械系3.1.3回复与再结晶熔再TT4.0熔回TT3.0~25.0回复温度再结晶温度金属回复与再结晶过程组织a)塑性变形后的组织b)回复后的组织c)再结晶组织a)b)c)3.1金属的塑性变形工程学院·机械系3.1.4金属的热加工由于金属在不同温度下变形后的组织和性能不同，因此，在塑性加工中有冷变形与热变形之分。凡是在再结晶温度以下进行的变形称为冷变形，其特征是存在加工硬化现象。在再结晶温度以上进行的变形称为热变形，其特征是具有再结晶组织、无加工硬化痕迹。3.1金属的塑性变形工程学院·机械系●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。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。无加工硬化痕迹。金属压力加工多数属热变形，具有再结晶组织。热加工后组织性能变化：3.1金属的塑性变形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。⒊晶粒被拉长，非金属杂物被击碎，沿被拉长的晶界分布，形成纤维组织（流线）。工程学院·机械系纤维组织的明显程度与金属的变形程度有关，变形程度越大，纤维组织越明显。使金属在性能上具有方向性。纤维组织的稳定性很高，热处理或其它方法都无法消除，只有经过锻造等压力加工手段才能改变它的方向和形状。3.1金属的塑性变形纤维组织：铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。工程学院·机械系3.1.5金属的可锻性金属的锻造性：衡量材料经受压力加工时成形难易程度的一项工艺性能。3.1金属的塑性变形锻造性的好坏，一般常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。塑性越好，变形抗力越小，则认为该金属的锻造性好，反之则差。低的变形抗力使设备耗能少，良好的塑性使产品获得准确的外形。金属的锻造性一般取决于金属的本质和压力加工条件。工程学院·机械系（1）化学成分的影响:1.金属的本质3.1金属的塑性变形（2）组织结构的影响:纯金属及固溶体（如奥氏体）的可锻性好，而化合物（如渗碳体）的可锻性差。粗晶粒结构不如均匀细晶粒组织可锻性好。低碳钢的可锻性比高碳钢好，碳素钢的可锻性比合金钢好，低合金钢的可锻性比高合金钢好。工程学院·机械系（1）变形温度的影响2.压力加工条件3.1金属的塑性变形一般来说，随着变形温度的升高，可锻性明显改善。加热温度超过一定范围后，将出现过热、过烧、氧化、脱碳。在锻造温度范围内进行锻造，始锻温度与终锻温度间的温度区间。碳钢的锻造温度范围工程学院·机械系（2）变形速度的影响变形速度对金属可锻性的影响有两种情况:1、加工硬化被再结晶消除程度的影响;2、变形过程中热效应的影响。变形速度ua塑性变形抗力塑性变形抗力变形速度对塑性及变形抗力的影响3.1金属的塑性变形工程学院·机械系（3）应力状态的影响压应力的数目越多，金属的塑性越好；拉应力的数目越多，金属的塑性越差。3.1金属的塑性变形a)b)不同变形方法的金属应力状态a)挤压b)拉拔工程学院·机械系自由锻是指金属坯料在锻造设备的上、下抵铁或简单的工具之间，受冲击力或压力产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件的压力加工方法。由于金属坯料在抵铁间受力变形时，沿变形方向可以自由流动，不受限制。3.2自由锻工程学院·机械系自由锻设备锻锤压力机空气锤蒸汽—空气锤水压机油压机65~750Kg630Kg~5T落下部分总重量=活塞+锤头+锤杆滑块运动到下始点时所产生的最大压力锻锤吨位=压力机吨位=3.2自由锻工程学院·机械系3.2.1自由锻工序3.2.2自由锻工艺规程的制定3.2.3自由锻锻件的结构工艺性3.2自由锻工程学院·机械系3.2.1自由锻工序自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。1.基本工序d)心轴上扩孔e)弯曲f)扭转a)镦粗b)拔长c)冲孔g)错移h)切割3.2自由锻是使金属坯料实现主要的变形要求,达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工序。工程学院·机械系2.辅助工序3.精整工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。如压钳口、压肩、倒棱等。是在完成基本工序之后，用以提高锻件表面质量及尺寸精度的工序。如校直、滚圆、平整等。3.2自由锻工程学院·机械系3.2.2自由锻工艺规程的制定1.绘制锻件图锻件图是以零件图为基础，绘制时主要考虑余块、加工余量和锻件公差。3.2自由锻工程学院·机械系1）余量：在零件加工表面上为切削加工而增加的尺寸。2）公差：3）余块:(敷料)为了简化零件的形状和结构、便于锻造而增加的一部分金属。是锻件名义尺寸的允许变动量（1/3~1/4）余量3.2自由锻a)锻件的余块及加工余量b)锻件图的公差工程学院·机械系2.计算坯料质量和尺寸3.确定锻造工序自由锻锻造的工序是根据工序特点和锻件类型来确定的。一般锻件的大致分类及所采用的工序。料头烧损锻件坯料GGGG3.2自由锻工程学院·机械系3.2自由锻工程学院·机械系工程学院·机械系3.2.3自由锻锻件的结构工艺性1.尽量避免锥体和斜面结构a)b)轴类、平面类锻件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构3.2自由锻锻造工艺复杂操作不方便成形困难降低设备的使用率工程学院·机械系2.避免曲面相交的空间曲线a)b)杆类锻件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构3.2自由锻工程学院·机械系3.避免加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面a)b)盘类锻件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构3.2自由锻工程学院·机械系4.合理采用组合结构a)b)复杂件结构a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构3.2自由锻工程学院·机械系模锻是在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形，由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造完成时能得到和模膛形状相符的锻件。模锻按使用设备的不同，可分为锤上模锻、压力机上模锻、胎模锻。3.3模锻工程学院·机械系与自由锻相比，模锻的优点是：1、操作简便，生产率高；2、可以锻造形状较复杂的锻件；3、锻件的尺寸精确、表面较光洁，因而机械加工余量小，材料利用率高，成本较低；4、锻件的金属纤维组织分布更加合理，进一步提高了零件的使用寿命。3.3模锻工程学院·机械系3.3.1锤上模锻3.3.2压力机上模锻3.3.3胎模锻3.3模锻工程学院·机械系3.3.1锤上模锻1.模锻结构3.3模锻锤上模锻用锻模1—锤头2—上模3—飞边槽4—下模5—模垫6、7、10—紧固楔铁8—分模面9—模膛工程学院·机械系模膛根据其功用不同，分为模锻模膛和制坯模膛两种。（1）模锻模膛模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两种。（2）制坯模膛制坯模膛有以下几种：1）拔长模膛2）滚压模膛3）弯曲模膛4）切断模膛3.3模锻c)弯曲模膛d)切断模膛开式闭式开式闭式a)拔长模膛b)滚压模膛工程学院·机械系根据模锻件的复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模和多膛锻模。3.3模锻工程学院·机械系2.模锻工艺规程的制定（1）绘制模锻锻件图1）分型面：①要保证锻件能从模膛中顺利取出;②选定的分模面应使零件上所加的余块最少，以节省金属材料;③盘类锻件的高度小于或等于直径时，应取径向分模，而不宜用轴向分模;3.3模锻工程学院·机械系④应尽可能采用直线分模，并使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致;⑤考虑到锻件工作时的受力情况，应使纤维组织与最大切应力方向垂直;⑥锻件较复杂的部分应尽可能安排在上模。因为金属流动的惯性作用，上模充型效果比下模要好得多。3.3模锻工程学院·机械系分模面选择比较图分模位置a)b)直线分模与折线分模a)直线分模b)折线分模分模位置a)b)有纤维组织方向要求的锻件分模位置a)正确b)不正确3.3模锻工程学院·机械系2）加工余量和锻件公差模锻斜度模锻圆角半径3.3模锻加工余量：1~4mm公差：0.3~3mm5）冲孔连皮3）模锻斜度4）模锻圆角半径外壁斜度：5~70内壁斜度：7~120外圆角：r=1.5~12mm内圆角：R=（2~3）r工程学院·机械系上述各参数确定后，便可绘制锻件图。如图所示为齿轮坯的模锻锻件图。分模面选在锻件高度的中部。零件轮辐部分不加工，故不留加工余量。图中内孔中部的两条水平直线为冲孔连皮切除后的痕迹线。3.3模锻工程学院·机械系（2）计算坯料质量和尺寸其坯料质量包括锻件、飞边、冲孔连皮、钳口料头以及加热产生的氧化皮等的质量。（3）确定模锻工步1）长轴类模锻件常用的工步有拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等。2）盘类模锻件常用镦粗、终锻等工序。（4）确定修整工序包括切边、冲孔、热处理、清理、校正等。3.3模锻工程学院·机械系1）应设计合理的分模面位置、模锻斜度、模锻圆角半径。2）为了使金属容易充满模膛和减少模锻工步，锻件形状应力求简单、平直和对称，并避免截面尺寸差别过大和薄壁、高筋、凸起等结构。3.模锻件的结构工艺性3.3模锻工程学院·机械系3）应避免深孔或多孔结构锻件上直径小于30mm的孔或深度大于直径两倍的孔，均不易锻出，只能设计余块，锻后机械加工成形。4）为减少余块，简化模锻工艺，在可能的条件下，应采用锻—焊组合工艺。3.3模锻工程学院·机械系常用的模锻压力机有曲柄压力机、摩擦压力机、平锻机等。3.3.2压力机上模锻1.曲柄压力机上模锻1234