塑性成形技術(shù)

1、第二章 塑性成形技術(shù)塑性成形技術(shù)： 利用外力使金屬材料產(chǎn)生塑性變形，使其改變形狀、尺寸和改善性能，從而獲得各種產(chǎn)品的加工方法。主要應(yīng)用： 1）生產(chǎn)各種金屬型材、板材和線材； 2）生產(chǎn)承受較大負(fù)荷的零件，如曲軸、連桿等；塑性成形特點： 1）產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)于鑄件和切削加工件； 2）材料利用率高，生產(chǎn)率高； 3）產(chǎn)品形狀不能太復(fù)雜； 4）易實現(xiàn)機械化、自動化 分類：1）軋制2）擠壓3）拉拔4）鍛壓：a鍛造（自由鍛，模鍛）。b 沖壓第一節(jié) 金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)一、塑性變形的實質(zhì) 宏觀：外力，彈性變形，塑性變形（分切應(yīng)力作用） 微觀（晶體內(nèi)部）：位錯滑移和孿晶 多晶體：晶粒變形、晶界滑移、晶粒轉(zhuǎn)動二、

2、塑性變形的分類冷塑性變形：低于再結(jié)晶溫度以下時發(fā)生的變形 鎢的再結(jié)晶溫度在1200度。熱塑性變形：高于再結(jié)晶溫度以上時發(fā)生的變形 鉛、錫等金屬再結(jié)晶溫度在零度以下。三、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響產(chǎn)生加工硬化：隨著變形程度的提高，金屬的強度和硬度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。 原因：位錯密度提高，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化2. 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：變形開裂，抗腐蝕性能降低，采用去應(yīng)力退火進(jìn)行消除。3. 晶粒拉長或破碎，可能產(chǎn)生各向異性的塑性變形晶格畸變 加工硬化內(nèi)能上升（不穩(wěn)定）加熱原子活力上升晶格重組內(nèi)能下降（溫度低時，回復(fù)。溫度高時，再結(jié)晶）4、 熱塑性變形對金屬組織和性能的影響一）、五種形態(tài)：靜態(tài)回復(fù)；靜態(tài)再

3、結(jié)晶；動態(tài)回復(fù)；動態(tài)再結(jié)晶；亞動態(tài)再結(jié)晶1、靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶：變形之后，利用熱變形后的余熱進(jìn)行，不需要重新加熱。2、動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶：熱變形過程中發(fā)生的。3、 亞動態(tài)再結(jié)晶：動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的熱變形過程中，終止熱變形后，前面發(fā)生的動態(tài)再結(jié)晶未完成而遺留下來的，將繼續(xù)進(jìn)行無孕育期的再結(jié)晶。二）、熱變形對金屬組織和性能的影響1. 使鑄錠或毛坯中的氣孔和疏松焊合，晶粒細(xì)化，改善夾雜物和第二相等形態(tài)和分布，偏析部分消除，使材料成分均勻。2. 使鑄態(tài)金屬中的各種偏析、第二相和夾雜物等沿變形方向延伸，形成條狀的纖維組織，使材料的塑性和沖擊韌性增加。3. 熱變形中各個相或晶內(nèi)偏析沿變形方向伸長成帶條狀

4、，冷卻時形成帶狀組織，使材料的橫向塑性和韌性降低。4. 細(xì)化晶粒。五、金屬的可鍛性 可鍛性：金屬經(jīng)過壓力加工時，獲得優(yōu)質(zhì)制品的難易程度。衡量標(biāo)準(zhǔn)：金屬的塑性：塑性越小，可鍛性越好變形抗力：變形抗力越小，可鍛性越好1、影響可鍛性的因素：金屬本質(zhì)、加工條件金屬本質(zhì)：面心體心密排六方化學(xué)成分：純金屬合金，碳鋼合金鋼，低碳鋼高碳鋼金屬的組織：相的組織及分布：固溶體機械混合物化合物 晶粒大小：等軸晶柱狀晶；細(xì)晶粒粗晶粒加熱條件：變形溫度 塑性 變形抗力 可鍛性變形速度 加工硬化塑性 變形抗力 可鍛性第二節(jié) 金屬的體積成形方法 使金屬材料在三維空間的三個方向上都發(fā)生變形的塑性成形方法一、鍛造： 概念：利用

5、鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定力學(xué)性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。 鍛件的力學(xué)性能一般優(yōu)于鑄件。 分類： 1). 作用力來源：手工鍛造和機械鍛造 2). 鍛造溫度：熱鍛（再結(jié)晶溫度以上）、溫鍛（回復(fù)和再結(jié)晶溫度之間）和冷鍛（回復(fù)溫度以下）。 3). 工藝特點：自由鍛和模鍛自由鍛：在砧塊之間成形模鍛：在模鍛設(shè)備上用模具成形自由鍛特點： 設(shè)備、工具簡單，生產(chǎn)率低 鍛件精度低，光潔度差 通用性強，單件也能生產(chǎn) 只能鍛形狀簡單的零件模鍛特點： 設(shè)備、工具復(fù)雜，生產(chǎn)率高 鍛件精度高，光潔度好 只適合大批量生產(chǎn)能夠鍛形狀復(fù)雜的零件自由鍛可鍛零件的重量為1kg-300T,模鍛

6、可鍛重量0.5-150kg。一）、自由鍛 定義：利用沖擊力或壓力使金屬在上下兩個砧鐵之間變形，從而獲得所需形狀及尺寸的鍛件。 變形特點：沿變形方向可以自由流動。1.自由鍛設(shè)備 鍛錘：依靠沖擊力使金屬變形，只能鍛造中小鍛件。 液壓機：依靠靜壓力使金屬變形，可加工大型鍛件。2. 自由鍛工序 基本工序：墩粗、拔長、沖孔、擴孔等。 輔助工序：壓鉗口、倒棱、壓肩等。精整工序：校正、滾圓等。1）鐓粗 定義：使坯料高度減小，截面積增大的工序。 適合范圍：塊狀和盤類。 分類：平粘墩粗、局部鐓粗、帶尾稍鐓粗、展平鐓粗A區(qū)變形程度最?。?）砧塊與金屬摩擦；2）溫度下降最快，變形抗力大。B區(qū)變形程度最大。C區(qū)變形程

7、度介于A和B之間。墩粗失穩(wěn)：雙鼓形和縱向彎曲圓柱體坯料的高度與直徑比2.5-3；平行六面體高度與較小邊比3.5-4.2）拔長 定義：垂直工件的軸向進(jìn)行鍛打，使其截面減小而長度增加。局部加載，局部受力，局部變形。 適用范圍：軸類、桿類 分類：矩形截面坯料的拔長、圓形截面坯料的拔長和空心坯料的拔長 矩形截面坯料的拔長： 圓形截面坯料的拔長：加載初期：接觸面為一條線，橫向阻力小，金屬向兩側(cè)流動，軸向流動量很小。1）加載初期：接觸面為一條線，隨后擴大，ABC先變形。2）當(dāng)接觸面加大時，由于坯料和工具的摩擦，及溫度的下降，變形抗力增加，ABC成為變形困難區(qū)。3）金屬沿著與AB和BC垂直的方向?qū)?yīng)力傳遞給

8、其他部位金屬，坯料中心收到合力作用，但合應(yīng)力小于上下兩端的壓應(yīng)力，變形集中在上下兩部分，軸心變形很小。 空心坯料的拔長 減小空心坯料外徑而增加其長度，一般叫芯軸拔長。A區(qū)：直接受力區(qū)，產(chǎn)生軸向和切向流動。 軸向流動時借助外端金屬拉著B區(qū)金屬沿軸向被拉長。 切向流動時受外端金屬阻礙，阻礙越大，越容易沿軸向流動。B區(qū)：間接受力區(qū)，在A區(qū)金屬的流動帶動下沿軸向被拉長。3). 沖孔 定義：坯料上鍛出通孔或盲口的工序。局部加載，整體受力，整體變形。 適用范圍：空心工件，如齒輪、圓環(huán)和套筒等。 空心沖頭沖孔：1）減少B區(qū)金屬切向拉應(yīng)力 2）去除坯料中心部分質(zhì)量不好的金屬。4). 擴孔 定義：減小空心坯料壁

9、厚而增加其內(nèi)、外徑，以芯軸代替下砧的鍛造工序。 適用范圍：環(huán)類零件。 分類：沖子擴孔、芯軸擴孔、輾壓擴孔等。5). 彎曲 定義：將坯料彎成所規(guī)定外形的鍛造工序。 適用范圍：彎曲類鍛件。二）、模鍛 定義：金屬坯料在沖擊力或壓力作用下，在鍛模模膛內(nèi)變形而獲得鍛件的工藝方法。 模鍛與自由鍛比較： 1）生產(chǎn)率高。生產(chǎn)率比自由鍛高3-4倍。 2）鍛件尺寸精確，表面光滑，加工余量小，節(jié)約材料和切削成本。 3）成形靠模膛控制，可鍛造形狀復(fù)雜的鍛件。 4）操作簡便，生產(chǎn)過程易于機械化，自動化。 5）成本高，周期長，適合大批量生產(chǎn)。 變形特點：模膛內(nèi)變形，流動受模壁限制。 分類：開始模鍛、閉式模鍛（模膛內(nèi)金屬流

10、動的特點）1.開式模鍛 定義：變形金屬的流動不完全受模膛限制的一種鍛造方法。存在飛邊，多余金屬沿飛邊流出。 開式模鍛過程：自由墩粗階段、形成飛邊階段、充滿模膛階段和打靠階段。2. 閉式模鍛定義：鍛造工序在閉式模具中進(jìn)行，鍛模不設(shè)飛邊槽。 閉式模鍛過程：自由墩粗階段、充滿模膛階段和結(jié)束階段。第一階段：坯料與上模膛表面接觸開始到與模膛最寬處側(cè)壁接觸為止。金屬充滿模膛最易充滿的位置。第二階段：金屬與模膛最寬處側(cè)壁接觸開始到金屬完全充滿模膛為止。隨著坯料變形的增大，模壁的側(cè)向壓力增大，直到模膛完全充滿。第三階段：多余金屬被擠出至上下模的間隙中形成少量縱向毛刺，鍛件達(dá)到預(yù)定高度。 閉式模鍛特點：凸凹模間

11、間隙的方向與模具運動方向平行，間隙很小，金屬流入間隙的阻力較大，有利于金屬充滿模膛。 閉式模鍛與開式模鍛相比： 1）減少切邊材料損耗； 2）節(jié)省切邊設(shè)備； 3）有利于金屬充滿模膛進(jìn)行精密模鍛； 4）金屬處于明顯的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于低塑性材料的成形。 二、擠壓 定義：金屬坯料在三個方向的不均勻壓應(yīng)力的作用下，從模具的孔口或縫隙中擠壓或流入模膛內(nèi)，使其截面積減小，長度增加，以獲得所需尺寸和形狀的制品的加工方法。 分類：根據(jù)金屬流動方向與沖頭運動方向分為正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓和徑向擠壓。1. 正擠壓：坯料從?？字辛鞒霾糠值倪\動方向與凸模運動方向一致。2. 反擠壓：坯料沿凸模與凹模之間的間隙流出

12、，流出方向與凸模運動方向相反，擠壓空心件。3. 復(fù)合擠壓：坯料的一部分的流動方向與凸模運動方向相同，另一部分的流動方向與凸模的運動方向相反。4. 徑向擠壓：金屬流出凹?？卓跁r的流動方向與凸模的運動方向相垂直。三、拉拔 定義：用外力作用于被拉金屬的前端，將金屬坯料從小于坯料截面的模孔中拉出，使其截面面積減小而長度增加的方法。 適用范圍：線材、棒材、管材等。 分類：線材拉拔和管材拉拔。1、線材拉拔： 1）采用模具的線材拉拔； 2）無模具的線材拉拔2. 、管材拉拔：固定芯頭拉拔、浮動芯頭拉拔、硬質(zhì)芯模拉拔、可變形芯模拉拔和無芯模拉拔固定芯頭拉拔： 優(yōu)點：減小筒坯直徑，管材壁厚，提高管材內(nèi)壁的表面質(zhì)量

13、和尺寸精度。 缺點：導(dǎo)致高的拉拔應(yīng)力和較低的拉拔極限。浮動芯頭拉拔： 優(yōu)點：具有更高的生產(chǎn)率，能夠制造更長的管材。 缺點：芯頭和筒壁件的摩擦很重要，當(dāng)摩擦系數(shù)小于某一臨界值時，芯頭無支撐作用；當(dāng)摩擦系數(shù)大于某一臨界值時，拉拔應(yīng)力增加，導(dǎo)致管材斷裂。硬質(zhì)芯模拉拔：芯模與管材同步，芯模與筒壁之間的摩擦可以忽略，減少拉拔應(yīng)力。使管材具有良好的同軸度和均勻的壁厚。可變形芯模拉拔：生產(chǎn)小直徑長薄壁管材的唯一手段。無芯模拉拔：拉拔應(yīng)力比較低，但壁厚不能減小，只能減小筒坯內(nèi)外徑。四、 軋制定義：具有一定塑性的金屬或其他材料強行通過軋輥而成形的加工工藝第3節(jié) 板料塑性成形方法 板料塑性成形：借助于常規(guī)或?qū)Ｓ脹_

14、壓設(shè)備的動力，使坯料在模具里經(jīng)分離或變形，從而獲得具有一定尺寸、形狀和性能的產(chǎn)品零件的生產(chǎn)技術(shù)，也稱沖壓。 分類：冷沖壓（常溫下進(jìn)行，厚度8mm的板材） 熱沖壓（加熱下進(jìn)行，厚度8mm的板材） 沖壓設(shè)備：剪床（下料）或沖床 剪床為沖床備料，將板料切成條料。 沖壓生產(chǎn)的特點 薄壁復(fù)雜零件，廢料少 零件精度高，粗糙度低，質(zhì)量穩(wěn)定，互換性好 具有形變強化作用，零件強度、剛度好 設(shè)備自動化程度高，操作簡單，生產(chǎn)率高，零件成本低 缺點：沖壓模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，只適合大批量生產(chǎn)。 應(yīng)用：廣泛應(yīng)用與汽車、拖拉機、飛機、導(dǎo)彈等。沖壓的基本工序：分離工序：切斷、沖裁、切口等 變形工序：拉深、彎曲、翻邊等一

15、、沖裁 定義：使坯料沿輪廓線分離的工序。 分類：落料、沖孔、切邊、切口等。落料和沖孔應(yīng)用最多。落料：被分離的部分為成品，而周邊是廢料。沖孔：被分離的部分為廢料，而周邊是成品。 過程：1. 彈性變形 2.塑性變形 3.斷裂分離凸凹模間隙：凸凹模刃口同位尺寸縫隙的距離。 影響沖裁分離面質(zhì)量：間隙合理，凸凹模刃口沖裁產(chǎn)生的裂紋重合，工件斷面光潔，毛刺少 影響沖裁件尺寸精度、模具壽命和卸料力、推件力、沖裁力 間隙大：沖裁件尺寸精度低 間隙小：卸料力、推件力、沖裁力大；模具與料板的摩擦嚴(yán)重，模具壽命下降。二 、彎曲 定義：利用模具或其他工具將板料、型材或管材彎成具有一定角度和圓角的塑性成形技術(shù)。 過程

16、見課本圖2.67 最小彎曲半徑 r=(0.25-1)t 彎曲時的回彈 定義：材料彎曲變形后，由于彈性變形的恢復(fù)，將使彎曲件的角度和彎曲半徑與模具的尺寸和形狀不一致的現(xiàn)象。三、拉深 定義：利用模具將沖裁后得到的平板坯料壓制成開口的空心零件，或?qū)⒁阎瞥傻拈_口空心件毛坯制成其他形狀空心零件的一種方法。過程見課本125圖2.69 變形特點：（圖見課本2.70）第一階段：在沖頭力作用下，平板毛坯逐漸被拉入凹模中，此時，與沖頭端面相接觸的部分毛坯區(qū)在拉深過程中始終保持平面狀態(tài)，基本不變形或產(chǎn)生少量的塑性變形，這部分起到傳遞力的作用。把沖頭對它的作用力傳遞給毛坯的圓筒側(cè)壁，而其本身是雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)。第二

17、階段：圓筒側(cè)壁在區(qū)傳遞的軸向拉力作用下被拉入凹模內(nèi)部，發(fā)生變形，它是由區(qū)部分轉(zhuǎn)化而成的。然后這個區(qū)也起著力的傳遞作用，把區(qū)傳遞的力傳到平面法蘭部分的 區(qū)。第三階段：區(qū)在徑向拉力作用下不斷被拉入凹模中。 拉深系數(shù)與拉深次數(shù)（圖課本2.72） 拉深系數(shù)m：拉深后零件的直徑d與拉深毛坯直徑D之比。 拉深系數(shù)是衡量變形程度的指標(biāo)：越小，拉深件直徑越小，變形程度越大。 拉深次數(shù)：拉深工序的次數(shù)。不宜過多，一般為4-5次。四、翻邊（課本圖2.74 2.75） 定義：成形坯料的平面或曲面部分上使板料沿一定的曲線翻成豎直邊緣的沖壓工序。 分類：內(nèi)孔翻邊和外緣翻邊第3節(jié) 鍛件結(jié)構(gòu)工藝性分析 1. 自由鍛件的結(jié)構(gòu)

18、工藝性1）盡量避免錐體或斜面結(jié)構(gòu) 鍛造具有錐體或斜面的鍛件，需制造專用工具，從而使工藝過程復(fù)雜，不便于操作，影響設(shè)備使用效率。2）避免圓柱面與圓柱面相交 兩圓柱體交接處的鍛造很困難，應(yīng)設(shè)計成平面與圓柱或平面與平面相接，消除空間曲線結(jié)構(gòu)，使鍛造容易進(jìn)行。3）避免橢圓形、工字形或其他非規(guī)則形狀 4）避免加強筋和凸臺等輔助結(jié)構(gòu)，以便于減少余塊和簡化鍛造工序5）復(fù)雜零件可設(shè)計成簡單件的組合體，可采用鍛-焊，鍛-螺紋連接2. 自由鍛工藝設(shè)計： 1）根據(jù)零件圖繪制鍛件圖； 2）確定坯料質(zhì)量和尺寸； 3）確定鍛造工序； 4）選擇鍛壓設(shè)備； 5）確定鍛造溫度范圍，加熱和冷卻規(guī)范； 6）填寫工藝卡片等工序1 ）

19、根據(jù)零件圖繪制鍛件圖（如圖2.104）鍛件圖是在零件圖基礎(chǔ)上，考慮敷料、機械加工余量和鍛件公差等因素繪制而成。 敷料：為了簡化鍛件形狀，以便進(jìn)行鍛件自由鍛造而增加的這部分金屬。 機械加工余量：鍛件加工表面增加供切削加工的余量。 鍛件公差：鍛造過程中，由于鍛造溫度、鍛壓設(shè)備等因素影響，使得鍛件實際尺寸允許有一定的誤差，成為鍛件公差。 繪制鍛件圖： 鍛件外形用粗實線，尺寸線上方或左面標(biāo)注鍛件的尺寸與公差 用點劃線畫零件的主要輪廓，在尺寸線下方或右面用圓括號標(biāo)出零件尺寸。2） . 確定坯料質(zhì)量M坯=（m鍛件+m芯料+m料頭）（1+） m坯：鍛造前的毛坯質(zhì)量 m鍛件：鍛造后的鍛件質(zhì)量 m芯料：沖孔芯料

20、損失的質(zhì)量 m料頭：鍛件拔長端部由于不平整而切除的料頭質(zhì)量，與鍛件拔長后的直徑D或截面寬度B和高度H有關(guān)。 圓形件： m料頭=（1.651.8）D3 矩形件：m料頭=（2.22.36）B2H:鋼料加熱燒損率，第一次加熱為金屬質(zhì)量的2%-3%，以后各次加熱取1.5%-2%。3）. 確定坯料尺寸 V坯=m坯/ 如第一步為墩粗：4） 確定鍛造工序（表2.5）鍛造變形工序應(yīng)依據(jù)鍛件的形狀、尺寸、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)條件等綜合考慮。 一般來說，盤類鍛件以墩粗為主，軸桿類鍛件以拔長為主，空心件肯定要沖孔（大孔還要進(jìn)一步擴孔），彎桿少不了彎曲.5）選擇鍛壓設(shè)備 錘鍛和液壓機兩種，根據(jù)變形面積、鍛件材質(zhì)和變形溫度等因素確定。鍛壓設(shè)備的噸位可以從相關(guān)手冊查到。6）確定鍛造溫度 鍛造溫度范圍是指始鍛溫度和終鍛溫度之間的溫度范圍。 始鍛溫度：為提高金屬的塑性，降低變形抗力，減小鍛造設(shè)備的噸位。在不出現(xiàn)過熱和過少的前提下盡量提高始鍛溫度，使材料具有較好的塑性和較低的變形抗力，減少鍛造次數(shù)。自由鍛工藝設(shè)計示例齒輪零件為例。材料為45鋼，生產(chǎn)數(shù)量為20件，小批量生產(chǎn)，所以采用自由鍛