压力加工及基础

6-1使金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的加工方法第11章压力加工压力加工方法：压力加工：轧制、挤压、拉拔、自由锻造、模型锻造、板料冲压等。压力加工的基本方法(1)轧制金属坯料在两个回转轧辊之间受压产生连续变形而形成各种产品的成形工艺称为轧制。金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的成形工艺称为挤压。(2)挤压金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的成形工艺称为拉拔。(3)拉拔金属坯料在上下砥铁间受冲击力或压力而变形的成形工艺称为自由锻。(4)自由锻金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的成形工艺称为模锻。(5)模锻金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的成形工艺称为冲压。(6)板料冲压(1)力学性能高压力加工的特点：压力加工在汽车、船舶、冶金等制造业以及国防工业中均获得广泛应用。与其他方法相比，其主要特点如下：晶粒细小、组织致密、焊合铸造组织的内部缺陷(2)节约金属力学性能好，使零件截面积减小；减少了切削加工的金属消耗。(3)生产率高(4)缺点:与铸造相比：成本较高，成形较困难，无法获得内腔复杂的产品第11-1压力加工理论基础一、金属的纤维组织及锻造比在热变形过程中，材料内部的夹杂物及其他非基体物质，沿塑性变形方向所形成的流线组织，称纤维(流线)组织。纤维组织的明显程度与锻造比有关。锻造比通常是用拔长时的变形程度来衡量，即：FFY0式中，Y——锻造比F0——拔长前坯料的横截面积；F——拔长后坯料的横截面积1.锻造比锻造比的大小影响金属的力学性能和锻件质量。一般Y＝2～5；Y5时，力学性能不会再提高，并各向异性增加。2.纤维组织纤维组织的稳定性很高，不会因热处理而改变，只能在设计和制造零件时，考虑纤维组织的合理分布，充分发挥其纵向性能高的优势，限制横向性能差的劣势。使零件工作时承受的最大正应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。并尽可能使纤维组织方向沿零件的轮廓分布而不被切断。如：设计原则：切削加工螺钉局部镦粗加工螺钉纤维组织的利用二、金属的锻造性能金属的锻造性能是衡量材料经受压力加工难易程度的工艺性能，它包括塑性和变形抗力两个因素。塑性高，变形抗力小，则锻造性能好；反之，锻造性能差。影响金属锻造性能的因素主要包括金属的本质和变形条件两个方面：1.金属的本质1)化学成分的影响：一般纯金属的锻造性能优于合金的锻造性能。低碳钢比高碳钢好，碳钢比合金钢好。2)组织结构的影响：①固溶体组织具有良好的锻造性能，合金中化合物的增加会显著降低其锻造性能。②单相状态锻造性能优于多相组织；③细晶组织的锻造性能优于粗晶组织。2.变形条件1)变形温度：温度的提高，使金属的塑性提高，变形抗力减小，改善了锻造性能。但必须控制在一定的范围，防止出现过热和过烧两种加热缺陷。必须合理控制锻造温度范围：加热温度过高或加热时间过长而引起晶粒粗大的现象，从而使其锻造性能变坏。可通过反复锻造和正火来细化晶粒过烧：过热：加热温度过高，接近金属的熔点时，使晶界出现氧化或熔化的现象。过烧后金属失去了锻造性能，不能挽回。也就是确定始锻温度与终锻温度范围始锻温度：锻造所允许的最高加热温度，不能产生过热和过烧缺陷终锻温度：金属停止锻造的温度不能过高，过高会使晶粒粗大不能过低，过低会使塑性变坏，变形抗力提高。始锻温度与终锻温度范围根据合金的相图确定2)变形速度：单位时间内的变形程度3)应力状态：变形方法不同，金属中的应力状态也不同。压应力多，则塑性好。同号应力状态，变形抗力大。塑性差的金属采用三向压应力成形方法，如挤压。塑性好的材料采用异号应力状态变形，减小变形抗力，如拉拔。三、金属的变形规律1.体积不变规律指金属坯料变形后的体积等于变形前的体积。2.最小阻力定律金属变形时首先向阻力最小的方向移动。如：第11-2常用的锻造方法一、自由锻造指用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧之间直接使坯料变形而获得锻件的方法。常用自由锻设备有：空气锤、蒸汽-空气锤和水压机。自由锻造可生产小到数克大到二三百吨的锻件，但其精度低，加工余量大，生产率低，主要用于单件、小批量生产空气锤双柱拱式蒸汽－空气锤水压机的结构示意图镦粗1.自由锻基本工序拔长弯曲冲孔2.自由锻工艺规程的制订1)绘制锻件图：锻件图是在零件图的基础上，考虑切削加工余量、锻件公差、工艺余块、锻件收缩、氧化烧损等所绘制的图样。如图：2)选择锻造工序：根据锻件的形状、尺寸、技术要求和生产数量等来确定锻造工序。各类自由锻件的基本的工序如表11-4所示。P1773)确定坯料质量和尺寸：坯料有铸锭和型材两种，前者用于大、中型锻件，后者用于中、小型锻件坯料的质量为锻件的质量和锻造时各种质量损耗。坯料的尺寸根据具体的锻造工序和变形程度确定4)选择锻压设备：根据坯料的种类、质量以及锻造基本工序、设备的锻造能力等因素，并结合工厂现有设备条件综合确定锻造设备。5)汽车半轴的自由锻造工序：二、模型锻造与自由锻相比，①模锻件尺寸精度高，机械加工余量小，②锻件的纤维组织分布更为合理，可进一步提高零件的使用寿命。③模锻生产率高，④操作简单，容易实现机械化和自动化。⑤但设备投资大，锻模成本高，生产准备周期长，⑥且模锻件的质量受到模锻设备吨位的限利，⑦因而适用于中、小型锻件的成批和大量生产。模型锻造是金属在外力作用下产生塑性变形并充满模膛而获得锻件的方法，常用模锻设备：模锻锤、热模锻压力机、平锻机和摩擦压力机等。按所用设备类型的不同，模型锻造可分为：锤上模锻、压力机上模锻等。1.锤上模锻锤上模锻所用的设备：蒸汽—空气模锻锤、无砧座模锻锤和高速锤等。1)锻模结构：锻模有带有燕尾的上模和下模组成。燕尾和斜楔配合分别安装在锤头和模座上；键槽和键配合，起定位作用，防止锻模前后移动；锁扣与上模凹入的部分配合，防止锤击时上、下模产生错移；起重孔是为安装锻模方便而设置的。锻模模膛分为：制坯模膛和模锻模膛制坯模膛：拔长、滚压、弯曲、切断模膛等模锻模膛：预锻模膛和终锻模膛保证金属变形均匀，纤维合理分布和金属顺利充满模膛。预锻模膛：保证终锻成形的质量和减少终锻模膛的磨损终锻模膛：保证尺寸、形状与锻件完全吻合2)模锻件图的绘制：（1）选择分模面：①分模面一般选在锻件最大尺寸的截面上，以保证锻件从模膛中顺利取出；②分模面处上下模膛轮廓应一致，防止错模；③应使模膛浅而宽，利于金属充满模膛；④应保证锻件上所加的余块最少。分模面为上、下模在锻件上的分界面。一般按以下原则确定：如图所示，取d—d面作分模面最为合适。（2）确定加工余量、公差、余块和连皮：连皮：模锻时不能直接锻出通孔，在该部位需留有一层较薄的金属，在锻造后与飞边一同切除。（3）确定模锻斜度和圆角半径：模锻斜度：便于顺利取出锻件圆角半径：使金属易于在模膛中流动，保持金属流线的连续性，提供锻件的质量和模具寿命3)变形工步的选择：根据锻件图的复杂程度确定变形工步，然后确定制坯模膛、预锻和终锻模膛。表11-7为锤上模锻的分类和变形工步示例。应用静压力，适于低塑性材料，如耐热合金和镁合金2.曲柄压力机上模锻3.平锻机上模锻适于棒料和管材，并有两个分模面，适于锻造带有侧凹和凸台的锻件。4.摩擦压力机上模锻5.胎模锻造利用自由锻设备并使用胎模来生产锻件的方法。6.精密锻造指在普通锻造设备上锻造高精度锻件的方法。工艺特点：使用两套不同精度的锻模。先使用普通锻模锻造，留有0.1—1.2mm的精锻余量，然后切下飞边并进行酸洗，再使用高精度锻模，直接锻造出满足精度要求的产品零件。在精密模锻过程中，要采用无氧化和少氧化的加热方法。提高锻件精度的另一条途径是在中温或常温下进行精密锻造三、锻造方法的选择在满足性能和质量要求的前提下，应选用生产成本低、生产效率高的方案。常用锻造方法的特点和应用比较见表11-8。