金屬熱加工工藝塑性成形課件

1、單元三單元三 金屬熱加工工藝的基礎(chǔ)知識(shí)金屬熱加工工藝的基礎(chǔ)知識(shí) （塑性成型工藝）（塑性成型工藝） 概 述任務(wù)1 金屬塑性成形基礎(chǔ)任務(wù)2 常用的金屬塑性成形方法概述概述概念：金屬塑性成形是利用金屬材料所具有的塑性，在外力概念：金屬塑性成形是利用金屬材料所具有的塑性，在外力作用下通過(guò)塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能作用下通過(guò)塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的零件或毛坯的加工方法。由于外力多數(shù)情況下是以壓力的的零件或毛坯的加工方法。由于外力多數(shù)情況下是以壓力的形式出現(xiàn)的，因此也稱(chēng)為金屬壓力加工。形式出現(xiàn)的，因此也稱(chēng)為金屬壓力加工。特 點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：(1）消除缺陷，細(xì)化晶粒，提高金屬

2、的力學(xué)性能。 （2）材料利用率高。 （3）具有較高的生產(chǎn)率。例如，利用多工位冷鐓工藝加工內(nèi)六角螺釘，比用棒料切削加工工效提高約400倍以上。 （4）零件的精度較高，可實(shí)現(xiàn)少、無(wú)切削加工。 缺點(diǎn)：不能加工脆性材料和形狀特別復(fù)雜或體積特別大的零件或毛坯，且一次性投資較高。應(yīng)應(yīng) 用：金屬的塑性成形是生產(chǎn)金屬型材、板材、線材等的主用：金屬的塑性成形是生產(chǎn)金屬型材、板材、線材等的主要方法。此外，承受較大或復(fù)雜負(fù)荷的機(jī)械零件，如機(jī)床主要方法。此外，承受較大或復(fù)雜負(fù)荷的機(jī)械零件，如機(jī)床主軸、內(nèi)燃機(jī)曲軸、連桿以及工具、模具等通常需采用此成形軸、內(nèi)燃機(jī)曲軸、連桿以及工具、模具等通常需采用此成形方法。如飛機(jī)上的壓

3、力加工成形零件約占方法。如飛機(jī)上的壓力加工成形零件約占85%85%；汽車(chē)、拖拉；汽車(chē)、拖拉機(jī)上的鍛件占機(jī)上的鍛件占 60%60%80%80%。 任務(wù)任務(wù)1 金屬塑性成形基礎(chǔ)金屬塑性成形基礎(chǔ)一、金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)一、金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 二、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響二、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響三、金屬的鍛造性能三、金屬的鍛造性能一、金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)一、金屬塑性變形的實(shí)質(zhì) 各種金屬壓力加工方法都是通過(guò)金屬的塑性變形實(shí)各種金屬壓力加工方法都是通過(guò)金屬的塑性變形實(shí)現(xiàn)的。金屬受外力后，首先產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力超過(guò)一定現(xiàn)的。金屬受外力后，首先產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力超過(guò)一定限度后，才產(chǎn)生塑性變形。

4、限度后，才產(chǎn)生塑性變形。 彈性變形的實(shí)質(zhì)是在外力的作用下，金屬內(nèi)部的原彈性變形的實(shí)質(zhì)是在外力的作用下，金屬內(nèi)部的原子偏離了原來(lái)的平衡位置，使金屬產(chǎn)生變形，這會(huì)造成原子子偏離了原來(lái)的平衡位置，使金屬產(chǎn)生變形，這會(huì)造成原子位能的提高，而處于高位能的原子具有返回原來(lái)位能最低的位能的提高，而處于高位能的原子具有返回原來(lái)位能最低的平衡位置的傾向。因而，當(dāng)外力取消后，原子返回原來(lái)的位平衡位置的傾向。因而，當(dāng)外力取消后，原子返回原來(lái)的位置，變形也就消失了。置，變形也就消失了。 塑性變形的實(shí)質(zhì)是在外力的作用下金屬內(nèi)部的原子塑性變形的實(shí)質(zhì)是在外力的作用下金屬內(nèi)部的原子沿一定的晶面和晶向產(chǎn)生了滑移的結(jié)果。沿一定的

5、晶面和晶向產(chǎn)生了滑移的結(jié)果。 單晶體的塑性變形 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 實(shí)際使用的金屬材料都不相同的許多晶粒實(shí)際使用的金屬材料都不相同的許多晶粒所組成，故每個(gè)晶粒在塑性變形時(shí)，將受到周?chē)幌虿煌木Я＜熬M成，故每個(gè)晶粒在塑性變形時(shí)，將受到周?chē)幌虿煌木Я＜熬Ы绲挠绊懪c約束，即每個(gè)晶粒不是處于獨(dú)立的自由變形狀態(tài)。晶粒變界的影響與約束，即每個(gè)晶粒不是處于獨(dú)立的自由變形狀態(tài)。晶粒變形時(shí)既要克服晶界的阻礙，又需要其周?chē)ЯＭ瑫r(shí)發(fā)生相適應(yīng)的變形形時(shí)既要克服晶界的阻礙，又需要其周?chē)ЯＭ瑫r(shí)發(fā)生相適應(yīng)的變形來(lái)協(xié)調(diào)配合，以保持晶粒間的結(jié)合和晶體的連續(xù)性，否則將導(dǎo)致晶體來(lái)協(xié)調(diào)配合，以保持晶粒間的

6、結(jié)合和晶體的連續(xù)性，否則將導(dǎo)致晶體破裂。破裂。圖 單晶體的滑移示意圖 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)，對(duì)于單晶體是由于金屬原子某晶面兩側(cè)受切應(yīng)力作用產(chǎn)生相對(duì)滑移，或晶體的部分晶格相對(duì)于某晶面沿一定方向發(fā)生切變，即滑移理論和孿生理論。 單晶體塑性變形：滑移。 多晶體塑性變形：滑移+晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)。二、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響二、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1.1.冷塑性變形對(duì)組織的影響：冷塑性變形對(duì)組織的影響： 1 1）晶粒沿變形最大的方向伸長(zhǎng)晶粒沿變形最大的方向伸長(zhǎng)。 2 2）晶格晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。）晶格晶粒均發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。 3 3）晶粒間產(chǎn)生碎晶。）晶粒間產(chǎn)生碎晶。2.2.冷塑性變形

7、對(duì)組織的影響形變強(qiáng)化、加工硬化、冷作冷塑性變形對(duì)組織的影響形變強(qiáng)化、加工硬化、冷作硬化。硬化。 強(qiáng)度，硬度強(qiáng)度，硬度；塑性，韌性；塑性，韌性 原因：（微觀）碎晶，晶格扭曲，增大滑移阻力。原因：（微觀）碎晶，晶格扭曲，增大滑移阻力。3.冷變形和熱變形1）冷變形冷變形T再以下發(fā)生的變形。 冷變形后具有加工硬化組織，能獲得較高的表面光潔度及硬度，但變形程度不宜過(guò)大，避免破裂。 廣泛應(yīng)用于板料沖壓、冷擠壓、冷鐓及冷軋等常溫變形加工。 冷變形的特點(diǎn)：制作精度好、表面粗糙度小、勞動(dòng)條件好，可提高材料的強(qiáng)度和硬度，但變形抗力大，對(duì)工模具要求高，且易產(chǎn)生應(yīng)力、塑性下降。 冷變形常常需要中間退火。 冷變形后的件

8、若繼續(xù)加工，要再結(jié)晶退火。2）熱變形 熱變形T再以上發(fā)生的變形。 熱變形可得到再結(jié)晶組織，變形程度大，無(wú)加工硬化，獲得良好的機(jī)械性的組織。 自由鍛、熱模鍛、熱軋等都屬于熱變形的范疇。 熱加工的特點(diǎn)：塑性良好，變形抗力小，容易加工變形；但易氧化，制件的尺寸精度差，表面粗糙，勞動(dòng)條件差，需專(zhuān)門(mén)加熱設(shè)備。三、金屬的鍛造性能三、金屬的鍛造性能金屬在壓力加工時(shí)獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的難易程度稱(chēng)為金屬的鍛造性能。 包括方面： 1）塑性：變形時(shí)金屬不易開(kāi)裂。、k 2）變形抗力：省力，不易磨損模具，小設(shè)備，消耗能量小。 影響金屬鍛造性能的因素： （1）內(nèi)在因素： （2）加工條件：1.內(nèi)在因素： （1）化學(xué)成分：純金屬一

9、般具有良好的鍛造性能。碳鋼隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鍛造性能逐漸變差。合金元素的加入會(huì)劣化鍛造性能。 （2）金屬組織：純金屬及固溶體鍛造性能好，而碳化物的鍛造性能差。鑄態(tài)柱狀晶組織和粗晶結(jié)構(gòu)不如細(xì)小而又均勻晶粒結(jié)構(gòu)的金屬鍛造性能好。 （3） 晶體結(jié)構(gòu)：面心立方體心立方密排六方。2.2.加工條件：加工條件： 1 1）變形溫度：）變形溫度：t t 變形抗力變形抗力、塑性、塑性 鍛造性能鍛造性能 ；T T再以上，塑性再以上，塑性，如：碳鋼在，如：碳鋼在A3A3線上，組織為線上，組織為A A、面心、塑性面心、塑性 但但 t t過(guò)高，易產(chǎn)生過(guò)高，易產(chǎn)生“過(guò)熱過(guò)熱”、“過(guò)燒過(guò)燒”、“脫碳脫碳”、“嚴(yán)重氧化嚴(yán)重

10、氧化”。 鍛造溫度范圍是指鍛件由始鍛溫度到終鍛溫度的間隔。鍛造溫度范圍是指鍛件由始鍛溫度到終鍛溫度的間隔。鍛造溫度范圍的確定以合金狀態(tài)圖為依據(jù)。鍛造溫度范圍的確定以合金狀態(tài)圖為依據(jù)。 一般：始鍛溫度：一般：始鍛溫度：AEAE線下線下200200左右。左右。 終鍛溫度：終鍛溫度：800800（T T再以上）再以上）（2）變形速度：指單位時(shí)間內(nèi)的變形程度。 在一定的變形速度以下，可鍛性下降；當(dāng)超過(guò)某一變形速度時(shí)，可鍛性提高； 原因：原因：變形變形加工硬化加工硬化熱能熱能 再結(jié)晶再結(jié)晶 （3) 應(yīng)力狀態(tài)：一般說(shuō)來(lái)：壓應(yīng)力數(shù)目越多，塑性越好；拉應(yīng)力數(shù)目越多，塑性越差。 綜合上述，金屬的塑性和變形抗力是

11、受金屬的本質(zhì)與變形條件等因素所制約。在選用鍛壓加工方法進(jìn)行金屬成形時(shí)，要依據(jù)金屬的本質(zhì)和成形要求，充分發(fā)揮金屬的塑性，盡可能降低其變形抗力，用最少的能耗，獲得合格的鍛壓件。任務(wù)2 常用的金屬塑性成形方法一、自由鍛二、模鍛三、板料沖壓一、自由鍛造一、自由鍛造1.1.概念：概念：自由鍛是指金屬坯料在鍛錘或壓力機(jī)的上下抵鐵自由鍛是指金屬坯料在鍛錘或壓力機(jī)的上下抵鐵（上砧、下砧）間受沖擊力或壓力而變形的加工方法，如（上砧、下砧）間受沖擊力或壓力而變形的加工方法，如下圖。下圖。坯料坯料2.2.特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1）工具簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)； 2）應(yīng)用廣泛，幾克幾百?lài)?，機(jī)械性能高； 3）鍛件尺寸精度差，材料利用率低

12、； 4）只能用于形狀簡(jiǎn)單的鍛件； 5）勞動(dòng)強(qiáng)度大（尤其手工）；3.3.工序：工序： 自由鍛的工序分為基本工序、輔助工序和修整工序。自由鍛的工序分為基本工序、輔助工序和修整工序。 基本工序有鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、芯軸擴(kuò)孔、芯軸拔長(zhǎng)、彎曲、基本工序有鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、芯軸擴(kuò)孔、芯軸拔長(zhǎng)、彎曲、切割、錯(cuò)移、扭轉(zhuǎn)等；切割、錯(cuò)移、扭轉(zhuǎn)等； 輔助工序有壓鉗口、倒棱、切肩等；輔助工序有壓鉗口、倒棱、切肩等； 修整工序有校正、滾圓、平整等；修整工序有校正、滾圓、平整等；4.設(shè)備： 常用的自由鍛設(shè)備有鍛錘和液壓機(jī)兩大類(lèi)，其中鍛錘產(chǎn)生沖擊力使金屬坯料變形，常用的有空氣錘和蒸汽空氣錘?？諝忮N噸位較小，只用來(lái)鍛造小型件；

13、蒸汽空氣錘的噸位稍大（最大噸位可達(dá)50kN），可用來(lái)鍛造質(zhì)量小于1500kg的鍛件；液壓機(jī)產(chǎn)生靜壓力使金屬坯料變形，噸位較大的水壓機(jī)可以鍛造重量達(dá)300t的鍛件。 空氣錘空氣錘 a）外觀圖）外觀圖 b） 傳動(dòng)示意圖傳動(dòng)示意圖 1踏桿踏桿 2砧座砧座 3砧墊砧墊 4下抵鐵下抵鐵 5上抵鐵上抵鐵 6手柄手柄 7下旋氣閥下旋氣閥 8上旋氣閥上旋氣閥 9工作氣缸工作氣缸 10壓縮氣缸壓縮氣缸 11減速器減速器 12電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 13連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu) 14、15活塞活塞 二、模鍛二、模鍛1.1.概念：概念：模鍛是指金屬坯料在一定形狀的鍛模模膛內(nèi)受沖模鍛是指金屬坯料在一定形狀的鍛模模膛內(nèi)受沖擊力或壓力而變

14、形的加工方法擊力或壓力而變形的加工方法。2.原理： 模鍛的工作原理與蒸汽空氣自由鍛基本相同，只是其采用專(zhuān)用的鍛模對(duì)金屬材料進(jìn)行成形。 3.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）操作技術(shù)要求不高，生產(chǎn)率高； 2）尺寸精確，表面質(zhì)量好； 3）可鍛造形狀較復(fù)雜的鍛件； 4）節(jié)省材料，減少切削量，降低成本（批量）。 5）鍛件內(nèi)部流線分布更合理； 6）勞動(dòng)強(qiáng)度較低； 缺點(diǎn)：1）受設(shè)備噸位限制，質(zhì)量不能太大（150kg以下）； 2）鍛模成本高，不宜于小批、單件生產(chǎn)。 3）工藝靈活性較差，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)；4.分類(lèi)： 按使用設(shè)備的不同，模鍛主要有錘上模鍛、胎模鍛和其它設(shè)備上的模鍛。5.5.鍛模鍛模鍛模的結(jié)構(gòu)是由上下兩模塊組成。兩

15、模塊通過(guò)燕尾和楔鐵分別緊固在錘頭和模座上。上、下模接觸時(shí)，其接觸面上所形成的空間為模膛。 模鍛模膛按其結(jié)構(gòu)和功用可分為制坯模膛和模鍛模膛兩類(lèi)。 制坯模膛制坯模膛拔長(zhǎng)、滾壓、彎曲、切斷拔長(zhǎng)、滾壓、彎曲、切斷 模鍛模膛模鍛模膛預(yù)鍛模膛和終鍛模膛預(yù)鍛模膛和終鍛模膛（1 1）模鍛模膛）模鍛模膛 1）預(yù)鍛模膛 a.使坯料變形到接近于鍛件的形狀、尺寸，使金屬易于充滿(mǎn)終鍛模膛。 b.減少對(duì)終鍛模膛的磨損，提高鍛模壽命。與終鍛模膛區(qū)別：斜度和圓角大，沒(méi)有飛邊槽。形狀簡(jiǎn)單、小批量、可不用此模膛。 2）終鍛模膛：使坯料變形成鍛件圖上要求的形狀、尺寸和精度。 a.因熱脹冷縮，終鍛模膛尺寸要比鍛件尺寸放大一個(gè)收縮量。

16、 b.模膛四周有飛邊槽增加金屬?gòu)哪Ｌ胖辛鞒鲎枇?，容納多余的金屬。 c.對(duì)于有通孔件，留有沖孔連皮。 （2 2）制坯模膛）制坯模膛 作用：1）使坯料形狀和尺寸接近鍛件（為預(yù)鍛和終鍛做準(zhǔn)備） 2）清除坯料表面的金屬氧化皮 a. 拔長(zhǎng)模膛：減少某部分橫截面，以增加其長(zhǎng)度，一般設(shè)在鍛模邊緣，操作時(shí)需一邊送進(jìn)，一邊翻轉(zhuǎn)。 b. 滾壓模膛：減少某部分橫截面，以增加另一部分橫截面，使金屬按鍛件形狀分布。 c. 彎曲模膛：需彎曲的桿類(lèi)件，用彎曲模膛來(lái)彎曲坯料。 d.切斷模膛：它是在上、下模的角上組成一對(duì)刀口，單件時(shí)用來(lái)切下鍛件或切下鉗口；多件時(shí)，用它分離單件。三、板料沖壓三、板料沖壓凹模凹模凸模凸模坯料坯料1

17、.1.概念：概念：板料沖壓是指金屬板料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離板料沖壓是指金屬板料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離或變形的加工方法，如下圖?；蜃冃蔚募庸し椒ǎ缦聢D。 一般冷態(tài)下成型，一般冷態(tài)下成型，810mm810mm時(shí)，熱態(tài)成型時(shí)，熱態(tài)成型2.2.材料材料: : 原材料塑性高原材料塑性高低低C C鋼、鋁合金、銅合鋼、鋁合金、銅合金、鎂合金、塑性高的合金、鎂合金、塑性高的合金鋼。金鋼。3.3.設(shè)備：設(shè)備：剪床剪床剪料剪料 沖床沖床沖壓沖壓剪剪 床床沖沖 床床4.4.特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）可沖壓出成型復(fù)雜的件，廢料少；2）產(chǎn)品具有足夠高的精度和較低的表面粗糙度，互換性好。3）質(zhì)量輕，材料消耗少，強(qiáng)度、剛度高。4

18、）操作簡(jiǎn)單，便于自動(dòng)化，生產(chǎn)率高。5）模具復(fù)雜，適于大批量生產(chǎn)。 5.基本工序： 可分為分離工序和變形工序，前者主要指沖裁工序，后者包括彎曲、拉深和成形等。(1)(1)分離工序分離工序 1）沖裁 沖裁是利用凹、凸模使坯料按封閉輪廓分離的工序。落料和沖孔總稱(chēng)為沖裁。落料和沖孔的工藝過(guò)程完全相同，當(dāng)坯料被沖下的部分為成品時(shí)，該工藝過(guò)程稱(chēng)為落料；當(dāng)坯料的周邊為成品時(shí)，該工藝過(guò)程稱(chēng)為沖孔。 2）切斷 指將材料沿不封閉的曲線分離的沖壓方法稱(chēng)為切斷。主要用于將板料切成具有一定寬度的條料，為成形工序的備料工序。 3）切口 指將材料沿不封閉的曲線部分地分離開(kāi)，其分離部分的材料發(fā)生彎曲，此種沖壓方法稱(chēng)為切口。 （2 2）變形工序）變形工序-包括彎