材料科學(xué)基礎(chǔ) 課件3-鍛壓

1、工程材料成形基礎(chǔ)第三章第三章 鍛壓鍛壓鍛壓3.1 概述 鍛壓鍛壓鍛壓是對(duì)坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，改變形狀、尺寸及改善性能，用以制造機(jī)械零件、工件或毛坯的成型加工方法。 優(yōu)點(diǎn)工件組織致密，力學(xué)性能高。生產(chǎn)效率高（自由鍛除外）。節(jié)約金屬材料。 鍛造和沖壓鍛造和沖壓鍛壓金屬的塑性變形 鍛壓時(shí)，金屬坯料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，最終達(dá)到所要求的形狀和尺寸，同時(shí)其內(nèi)部組織液發(fā)生改變，從而提高鍛壓件的力學(xué)性能。 了解金屬塑性變形的機(jī)理，對(duì)于從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)各種鍛壓方法的原理、工藝，都有重要的意義。鍛壓金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 金屬在外力作用下，其內(nèi)部必將產(chǎn)生應(yīng)力。此應(yīng)力迫使原子離開原來的平衡位置，從而改變了

2、原子間的距離，使金屬發(fā)生變形，并引起原子位能的增高。 處于高位能的原子具有返回到原來低位能平衡位置的傾向，當(dāng)外力停止作用后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失，金屬的這種變形稱為彈性變形。 當(dāng)外力增大到使金屬的內(nèi)應(yīng)力超過該金屬的屈服點(diǎn)之后，即使外力停止作用，金屬的變形并不消失這種變形稱為塑性變形。鍛壓金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)是晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移的結(jié)果。在切向應(yīng)力作用下，晶體的一部分與另一部分沿著一定的晶面產(chǎn)生相對(duì)滑移，從而造成晶體的塑性變形。當(dāng)外力繼續(xù)作用或增大時(shí)，晶體還將在另外的滑移面上發(fā)生滑移，使變形繼續(xù)進(jìn)行，因而得到一定的變形量。 以上理論所描述的滑移運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于滑移面上下兩部分晶體彼

3、此以剛性整體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)這種滑移所需的外力要比實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)大幾千倍，這說明實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)及其塑性變形并不完全如此。 實(shí)際晶體內(nèi)部存在大量缺陷。由于缺陷的存在，部分原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在比理論值低得多的切應(yīng)力作用下，處于高能位的原子很容易從一個(gè)相對(duì)平衡的位置上移動(dòng)到另一個(gè)位置上，從而就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)晶體的塑性變形。鍛壓金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 通常使用的金屬都是由大量微小晶粒組成的多晶體。其塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個(gè)晶粒產(chǎn)生變形（晶內(nèi)變形)的綜合效果。同時(shí)，晶粒之間也有滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)（晶間變形）。每個(gè)晶粒內(nèi)部都存在許多滑移面，因此整塊金屬的變形量可以比較大。 低溫時(shí)，多晶體的晶間變形不可過

4、大，否則將引起金屬的破壞。鍛壓金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 由此可知，金屬內(nèi)部有了應(yīng)力就會(huì)發(fā)生彈性變形。應(yīng)力增大到一定程度后使金屬產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)外力去除后，彈性變形將恢復(fù)，稱“彈復(fù)”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象對(duì)有些壓力加工件的變形和工件質(zhì)量有很大影響，必須采取工藝措施來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。低溫時(shí)，多晶體的晶間變形不可過大，否則將引起金屬的破壞。鍛壓塑性變形后的組織和性能 組織的變化 晶粒沿變形最大方向伸長(zhǎng)； 晶格與晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力； 晶粒間產(chǎn)生碎晶鍛壓塑性變形后的組織和性能 性能的變化-加工硬化 隨著塑性變形的進(jìn)行，強(qiáng)度硬度增加而塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。 可提高金屬的強(qiáng)度，硬度和耐磨性。 給繼續(xù)變形

5、造成困難。 消除-再結(jié)晶 當(dāng)經(jīng)冷變形的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上時(shí)，金屬以一些碎晶、雜質(zhì)為核心，形成細(xì)小的等軸晶粒,使加工硬化徹底消除，塑性完全恢復(fù)的現(xiàn)象。 T再0.4T熔鍛壓塑性變形后的組織和性能 冷變形冷變形-在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形。 精度高，表面質(zhì)量好 強(qiáng)度、硬度高 變形抗力大，內(nèi)應(yīng)力大 熱變形熱變形-在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形 晶粒得到細(xì)化 缺陷被消除 形成纖維組織，性能具有方向性。 平行于纖維組織的方向上：材料的抗拉強(qiáng)度提高。 垂直于纖維組織的方向上：材料的抗剪強(qiáng)度提高。鍛壓金屬的可鍛性 金屬的鍛造性是指金屬材料鍛造的難易程度。 可鍛性的衡量指標(biāo) 塑性塑性，材料的塑性越好，

6、其可鍛性越好。 變形抗力變形抗力，材料的變形抗力越小，其可鍛性越好。鍛壓影響可鍛性的因素 金屬本質(zhì)金屬本質(zhì) 化學(xué)成分 純金屬合金 組織狀態(tài) 固溶體化合物 變形條件變形條件 變形溫度，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高，可鍛性上升。 變形速度，在一般的情況下,變形速度的增加可鍛性下降。但在高速鍛造中，隨變形速度的增加，其熱效應(yīng)增加，工件的溫度上升，其可鍛性上升。 應(yīng)力狀態(tài)鍛壓3.2金屬的加熱和鍛件的冷卻加熱目的和加熱規(guī)范目的目的：提高金屬的塑性，降低變形抗力，即提高金屬的鍛造性能。始鍛溫度始鍛溫度：鍛造開始時(shí)坯料的溫度。坯料加熱溫度如果超過始鍛溫度會(huì)造成加熱缺陷，甚至使坯料報(bào)廢。終鍛溫度終鍛溫度：坯料經(jīng)

7、過鍛造成型，在停鍛時(shí)鍛件的瞬時(shí)溫度稱為終鍛溫度。在終鍛溫度下繼續(xù)鍛造，變形困難，還可能造成坯料開裂或模具損壞。鍛造溫度范圍鍛造溫度范圍坯料溫度的確定：儀表坯料溫度的確定：儀表/觀察火色觀察火色鍛壓加熱缺陷及其預(yù)防 氧化氧化 坯料表層生成FeO、Fe3O4、Fe2O3等氧化物。 脫碳脫碳 坯料表層含碳量減少。 過熱過熱 坯料的晶粒組織粗大。 過燒過燒 坯料失去可鍛性。 裂紋裂紋 坯料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。鍛壓加熱方法與加熱設(shè)備 火焰加熱火焰加熱 燃料來源方便，爐子修造簡(jiǎn)單，加熱費(fèi)用較低，對(duì)坯料的適用范圍廣等。因此，這種加熱廣泛用于各種大、中、小型坯料的加熱，在鍛造生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。 缺點(diǎn)：勞動(dòng)條件差，

8、加熱速度慢，加熱質(zhì)量難以控制等。 電加熱電加熱 加熱速度快，爐溫易控制，氧化脫碳少，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，勞動(dòng)條件好。 缺點(diǎn)：對(duì)毛坯的尺寸、形狀的變化適應(yīng)性不強(qiáng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資費(fèi)用較大，操作使用要求高。 電阻爐 感應(yīng)加熱鍛壓鍛件的冷卻 空冷空冷 冷卻速度較快，適用于塑性較好的中小型鍛件的冷卻。 坑冷坑冷 鍛件放在地坑或鐵箱中緩慢冷卻，適用于塑性較差的中型鍛件的冷卻。 爐冷爐冷 鍛件放入爐中緩慢冷卻，適用于塑性較差的大型鍛件、重要鍛件和形狀復(fù)雜鍛件的冷卻。鍛壓3.3 自由鍛 利用簡(jiǎn)單的通用工具，或在鍛造設(shè)備的上下砧板間直接使坯料變形而獲得所需的幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的方法。 手工自由鍛手

9、工自由鍛 機(jī)器自由鍛機(jī)器自由鍛 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 所用工具簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)、靈活性大，因此適合單件和小批鍛件。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 鍛件精度低，加工余量大，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。鍛壓自由鍛設(shè)備 空氣錘空氣錘 我國(guó)空氣錘的噸位一般為65750kg，可以鍛造小于50kg的鍛件。 蒸汽蒸汽-空氣錘空氣錘 利用蒸汽或壓縮空氣作為工作介質(zhì)。 噸位一般為15噸，適用于中小型鍛件的生產(chǎn)。鍛壓自由鍛設(shè)備 水壓機(jī)水壓機(jī) 水壓機(jī)的基本工作原理是帕斯卡定律，利用水為工作介質(zhì)，以靜壓力傳遞進(jìn)利用工作。 工作行程大，在全行程中都能對(duì)工件施加最大工作力，能更有效地鍛透大斷面鍛件，沒有巨大的沖擊和噪聲，勞動(dòng)條件較好，環(huán)境污染較小。水壓機(jī)特別適

10、用于鍛壓大型和難變形的工件 。 中國(guó)一重生產(chǎn)的1.5萬噸自由鍛造水壓機(jī)，可鍛件質(zhì)量600噸。鍛壓3.4 自由鍛的基本工序 自由鍛基本工序自由鍛基本工序 指能夠大幅度地改變坯料形狀和尺寸的工序，是主要變形工序。 鐓粗：鐓粗：毛坯高度減小,橫斷面積增大的鍛造工序。 H為坯料的高度；D為坯料的直徑。 用于鍛造齒輪坯、法蘭盤等零件毛坯。 拔長(zhǎng)：拔長(zhǎng)：使坯料橫截面減小而長(zhǎng)度增加的鍛造工序。 用于鍛造軸桿及套筒類零件毛坯。 沖孔：沖孔：采用沖子將坯料沖出透孔或不透孔的鍛造工序。 用于鍛造帶孔鍛件。鍛壓自由鍛的基本工序 自由鍛基本工序自由鍛基本工序 彎曲彎曲：將坯料彎成曲線或一定角度的鍛造工序。 用于鍛造各

11、種彎曲類鍛件 錯(cuò)移錯(cuò)移：將坯料的一部分相對(duì)另一部分相互平行錯(cuò)開一段距離的鍛造工序。 用于鍛造曲軸類鍛件。 扭轉(zhuǎn)：扭轉(zhuǎn)：將坯料的一部分相對(duì)另一部分繞其共同軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的鍛造工序。 用于鍛造多拐曲軸、麻花鉆等。 切割切割：切去坯料一部分。 用于切除鋼錠底部、夾持鍛件的鉗把部分、鍛件料頭以及分割鍛件等。鍛壓自由鍛的基本工序 自由鍛基本工序自由鍛基本工序 彎曲彎曲：將坯料彎成曲線或一定角度的鍛造工序。 用于鍛造各種彎曲類鍛件 錯(cuò)移錯(cuò)移：將坯料的一部分相對(duì)另一部分相互平行錯(cuò)開一段距離的鍛造工序。 用于鍛造曲軸類鍛件。 扭轉(zhuǎn)：扭轉(zhuǎn)：將坯料的一部分相對(duì)另一部分繞其共同軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的鍛造工序。 用于鍛

12、造多拐曲軸、麻花鉆等。 切割切割：切去坯料一部分。 用于切除鋼錠底部、夾持鍛件的鉗把部分、鍛件料頭以及分割鍛件等。鍛壓自由鍛工藝規(guī)程 自由鍛工藝規(guī)程的內(nèi)容： 根據(jù)零件圖繪制鍛件圖； 確定坯料的質(zhì)量和尺寸確定坯料的質(zhì)量和尺寸； 制訂變形工藝及選用工具制訂變形工藝及選用工具； 選擇設(shè)備噸位； 確定鍛造溫度范圍，制訂坯料加熱和鍛件冷卻規(guī)范； 制訂鍛件熱處理規(guī)范； 提出鍛件的技術(shù)條件和檢驗(yàn)要求； 填寫工藝規(guī)程卡片等。鍛壓繪制鍛件圖 鍛件余量：在零件的加工表面上為切削加工而增加的尺寸。 鍛件公差：鍛件實(shí)際尺寸和公稱尺寸所允許的偏差。 余塊（敷料）：為簡(jiǎn)化鍛件形狀便于鍛造而多留出的那一部分金屬。鍛壓計(jì)算坯

13、料的質(zhì)量和尺寸 G坯G鍛G燒G其它 G坯為坯料的質(zhì)量；G鍛為鍛的質(zhì)量；G燒為加熱時(shí)金屬的燒損的質(zhì)量；G其它為其它的質(zhì)量。 坯料尺寸應(yīng)根據(jù)坯料的體積和第一個(gè)基本工序的性質(zhì)(鐓粗或拔長(zhǎng))來確定。 鐓粗：H/D 2.5 拔長(zhǎng)：Y = F坯料/F鍛件 碳素鋼錠 Y=2.53，軋材 Y1.31.5。鍛壓鍛造工序的選擇 軸類鍛件：鐓粗（拔長(zhǎng)及鐓粗）、切肩和鍛臺(tái)階 筒類鍛件：鐓粗（拔長(zhǎng)及鐓粗）、沖孔、在芯軸上拔長(zhǎng) 環(huán)類鍛件：鐓粗（拔長(zhǎng)及鐓粗）、沖孔、在芯軸上擴(kuò)孔 盤類鍛件：鐓粗（拔長(zhǎng)及鐓粗）、沖孔 曲軸類鍛件：拔長(zhǎng)（或鐓粗及拔長(zhǎng)）、錯(cuò)移、鍛臺(tái)階、扭轉(zhuǎn) 彎曲類鍛件：拔長(zhǎng)、彎曲鍛壓3.5 模鍛 利用模具使坯料變

14、形而獲得鍛件的鍛造方法。 錘上模鍛 曲柄壓力機(jī)上模鍛 平鍛機(jī)上模鍛 摩擦壓力機(jī)上模鍛鍛壓錘上模鍛 與自由鍛相比，生產(chǎn)率高。 鍛件形狀較復(fù)雜，尺寸精度高。 切削余量小，材料利用率高。 操作簡(jiǎn)單及模具費(fèi)用高等特點(diǎn)。 適用于中小型鍛件的大批量生產(chǎn)。鍛壓胎膜鍛 自由鍛設(shè)備上使用可移動(dòng)模具生產(chǎn)模鍛件的一種鍛造方法（介于自由鍛和模鍛之間）。 胎模不固定。 不需要模鍛設(shè)備，鍛模簡(jiǎn)單，加工成本低。 工藝靈活，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。鍛壓3.6 沖壓設(shè)備與工藝 利用沖模對(duì)金屬板料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或變形獲得所需零件的工藝方法。 特點(diǎn)： 生產(chǎn)率高。 可成形復(fù)雜形狀的制件。 廢料少，材料利用率高。

15、 制件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、互換性好. 制件強(qiáng)度高、剛性好、重量輕。 加工成本低。 沖模制造成本高。鍛壓剪板機(jī) 剪板機(jī)是剪切方法使板料分離的機(jī)器。按傳動(dòng)形式分為機(jī)械剪板機(jī)和液壓剪板機(jī)。 圖示為機(jī)械剪板機(jī)，工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過減速器、離合器、曲柄連桿機(jī)構(gòu)，使帶有上刀片的滑塊上下運(yùn)動(dòng)，與裝在工作臺(tái)上的下刀片相互配合，進(jìn)行剪切。鍛壓壓力機(jī) 壓力機(jī)是一種能使滑塊作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并按所需方向給模具施加壓力的機(jī)器，是板料沖壓的基本設(shè)備。 按其床身結(jié)構(gòu)不同有開式和閉式兩種壓力機(jī)。鍛壓沖模 沖模是沖壓的專用模具，按工序組合可分為單工序模（簡(jiǎn)單模）、復(fù)合模和連續(xù)模（級(jí)進(jìn)模）。 單工序模是一次行程中完成一道工序的模具

16、。 連續(xù)模（級(jí)進(jìn)模）是在壓力機(jī)一次行程中，在模具的不同部位上同時(shí)完成數(shù)道沖壓工序的模。鍛壓沖模 復(fù)合模是在一次行程中，在模具的同一位置上完成兩道或兩道以上工序的模具。鍛壓沖壓基本工序 分離工序 切斷切斷 沖裁沖裁：使坯料按封閉輪廓分離。 落料落料：沖下部分為工件，周邊為廢料。 沖孔沖孔：沖下部分為廢料，周邊是工件。 凸凹模工作部分應(yīng)有鋒利的刃口。 凸凹模間應(yīng)有合理的間隙。鍛壓沖壓基本工序彎曲 成形工序 成形是使沖壓板料在不被破壞的條件下發(fā)生塑性變形，以獲得所要求的工件形狀和精度的工序。 彎曲彎曲是將板料、型材或管材在彎矩作用下彎成具有一定曲率和角度的制件的成形方法 。 防止彎裂防止彎裂 控制相對(duì)彎曲半徑 r