金屬塑性成形

1、金屬塑性成形第1頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三2概述 塑性成形又稱(chēng)壓力加工。它是利用金屬在外力作用下產(chǎn)生的塑性變形以獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料(如金屬型材、板材、管材和線材等)、毛坯或零件的生產(chǎn)方法。壓力加工可生產(chǎn)出各種不同截面的型材(加板材、線材、管材等)和各種機(jī)器零件的毛坯或成品(如軸、齒輪、汽車(chē)大梁、連桿等)。第2頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三3 用于壓力加工的金屬必須具有良好的塑性。各種鋼材與大多數(shù)有色金屬及其合金都具有定程度的塑性可以在不同溫度下進(jìn)行壓力加工。但鑄鐵等脆性材料，以及形狀復(fù)雜特別是具有形狀復(fù)雜內(nèi)腔的零件或

2、毛坯(如箱體)，難以用壓力加工方法制造。第3頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三4塑性成形加工的方法有：鍛造加工： 自由鍛造和模鍛自由鍛造模鍛上砥鐵下砥鐵坯料第4頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三5板料沖壓（又稱(chēng)薄板沖壓和冷沖壓）第5頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三6 軋制、擠壓第6頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三7拉拔和冷鐓第7頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三81）零件大小不受限制；2）生產(chǎn)批量不受限制。塑性成形（壓力加工）的特點(diǎn)1力學(xué)性能高1）組織致密；2）晶粒細(xì)化；3）壓合鑄

3、造缺陷；4）使纖維組織合理分布。2節(jié)約材料1）力學(xué)性能高，承載能力提高；2）減少零件制造中的金屬消耗（與切削加工相比）。3生產(chǎn)率高4適用范圍廣第8頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三9各種壓力加工方法，都是通過(guò)對(duì)金屬材料施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單晶體的塑性變形形式主要有滑移和孿生兩種。第一節(jié) 金屬塑性成形工藝基礎(chǔ) 一、金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)1.單晶體的塑性變形1）滑移：晶體的一部分相對(duì)一部分沿一定的晶面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。但實(shí)際金屬的滑移是靠位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第9頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三102）孿生：晶體的一部分相對(duì)一部分沿一定的晶面發(fā)生

4、相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。2. 多晶體的塑性變形晶內(nèi)變形晶間變形滑移孿生滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)多晶體塑性變形的實(shí)質(zhì)：晶粒內(nèi)部發(fā)生滑移和孿生；同時(shí)晶粒之間發(fā)生滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)。第10頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三11金屬塑性變形時(shí)，在改變其形狀和尺寸的同時(shí)，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以及各種性能均發(fā)生變化。塑性變形時(shí)的溫度不同，金屬變形后的組織和性能也有所不同。因此，金屬的塑性變形分為冷變形和熱變形兩種。冷變形是指金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形；熱變形是指金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形。二、塑性變形后金屬的組織和性能第11頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三121.冷變形后金屬的組織和性能

5、 1）組織變化的特征：晶粒沿變形最大方向伸長(zhǎng)；晶格與晶粒均發(fā)生畸變；晶粒間產(chǎn)生碎晶。2）性能變化的特征：加工硬化：隨著變形程度的增加，其強(qiáng)度和硬度不斷提高，塑性和韌性不斷下降。 單晶體發(fā)生晶內(nèi)滑移，使晶格扭曲，內(nèi)應(yīng)力增大，即滑移阻力增大；晶粒間有碎晶使品?；瑒?dòng)阻力增大結(jié)果使得進(jìn)一步變形困難，原因 加工硬化在工業(yè)生產(chǎn)中很有實(shí)用意義。某些不能通過(guò)熱處理方法來(lái)強(qiáng)化的金屬材料如低碳鋼、純銅、防銹鋁、鎳鉻不銹鋼等，可以通過(guò)冷軋、冷拔、冷擠壓等工藝，使其產(chǎn)生加工硬化以此來(lái)提高其強(qiáng)度和硬度或提高其特殊性能。加工硬化可用于金屬?gòu)?qiáng)化，但對(duì)壓力加工不利，使金屬變形抗力增加繼續(xù)變形困難。第12頁(yè)，共64頁(yè)，2022

6、年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三133） 回復(fù)處理與再結(jié)晶退火T回 = （0.250.3）T熔T再 = （0.350.4）T熔 根據(jù)需要對(duì)冷變形金屬進(jìn)行回復(fù)處理與再結(jié)晶退火，前者使冷變形金屬保持力學(xué)性能(如硬度、強(qiáng)度、塑性等)基本不變，部分地消除殘余應(yīng)力；后者使冷變形金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性和韌性顯著提高，內(nèi)應(yīng)力和加工硬化完全消除，金屬又恢復(fù)到冷變形之前的狀態(tài)，再次獲得良好塑性。 加工硬化是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，具有自發(fā)地回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。加工硬化的消除方法主要有回復(fù)和再結(jié)晶。部分原子回復(fù)到正常排列位置、減輕了晶格扭曲，消除了部分加工硬化。即強(qiáng)度、碩度略有下降，塑性、韌性略有提高塑性變形

7、后金屬被拉長(zhǎng)了的晶粒重新生核、結(jié)品，變?yōu)榈容S品粒，這一過(guò)程稱(chēng)為再結(jié)品。即溫度再增加金屬原子獲得更多能量，則以碎晶和雜質(zhì)為結(jié)鼎核重新結(jié)品成新的晶粒，從而完全消除加工硬化。第13頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三142.熱變形后金屬的組織和性能 1）不產(chǎn)生加工硬化2）使組織得到改善，提高了力學(xué)性能 細(xì)化晶粒； 壓合了鑄造缺陷；3）形成纖維組織 組織致密。纖維組織的穩(wěn)定性很高，靠通常的熱處理無(wú)法消除。只有經(jīng)過(guò)鍛壓使金屬變形，才能變其方向和形狀。因此，在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，為使零件具有良好的力學(xué)性能，應(yīng)根據(jù)零件的工作條件，正確控制金屬的變形流動(dòng)和流線在鍛件中的分布。 鋼錠是壓力加工

8、中的原始毛坯，其內(nèi)部存在著不溶于基體金屬的非金屬夾雜物。這些夾雜物在熱變形中，將隨金屬品粒的變形方向被拉長(zhǎng)或壓扁呈纖維狀。當(dāng)金屬再結(jié)品時(shí)被壓碎的晶?；謴?fù)為等軸細(xì)晶粒而纖維狀?yuàn)A雜物無(wú)再結(jié)晶能力仍然沿被拉長(zhǎng)方向保留下來(lái)，形成纖維組織。第14頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三15（1）在平行于纖維組織的方向上：材料的塑性、韌性提高，抗拉強(qiáng)度增加。（2）在垂直于纖維組織的方向上：材料的塑性、韌性下降，抗剪能力提高。纖維組織具有各向異性的特點(diǎn)：為了充分利用纖維組織的性能設(shè)計(jì)制造零件應(yīng)盡量使零件受最大拉應(yīng)力方向與纖維方向一致受最大剪切應(yīng)力方向與纖維方向垂直，并使纖維方向與零件的輪廓相

9、符合而不被切斷。第15頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三16三、金屬的可鍛性是金屬材料在壓力加工時(shí)成形的難易程度。1 . 可鍛性的衡量指標(biāo)1）塑性：2）變形抗力：材料的塑性越好，其可鍛性越好。材料的變形抗力越小，其可鍛性越好。2 . 影響可鍛性的因素1）金屬的化學(xué)成分及組織化學(xué)成分： 含碳量低，則塑性較好，可鍛性就好，一般純金屬的可鍛性好于合金；含有形成碳化物的元素(如W、Cr等)，則可鍛性就差。組織狀態(tài)：?jiǎn)蜗喙倘荏w具有良好的可鍛性。第16頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三172）工藝條件變形溫度：應(yīng)力狀態(tài)：變形速度：塑性、變形抗力塑性變形抗力T溫越

10、高，材料的可鍛性越好。V變?cè)叫。牧系目慑懶栽胶?。三向壓?yīng)力塑性最好、變形抗力最大。三向拉應(yīng)力塑性最差、變形抗力最大。第17頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三18四、塑性成形的基本規(guī)律1. 體積不變定律2. 最小阻力定律鍛造溫度范圍始鍛溫度：終鍛溫度：過(guò)熱、過(guò)燒 缺陷加工硬化45: 1200800指金屬在塑性變形過(guò)程中，其體積保持不變。變形過(guò)程中，金屬各質(zhì)點(diǎn)將沿著阻力最小的方向流動(dòng)。第18頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三19第二節(jié) 鍛造加工一、鍛造加工的特點(diǎn)具有較好的力學(xué)性能。節(jié)約材料。鍛造毛坯是通過(guò)體積的再分配(非切削加工)獲得的，且力學(xué)性能又得

11、以提高，故可減少切削廢料和零件的用料。生產(chǎn)率高。與切削加工相比，生產(chǎn)率高，成本低，適用于大批量生產(chǎn)。適應(yīng)范圍廣。鍛造的零件或毛坯的重量、體積范圍大。鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性要求高，難以鍛造復(fù)雜的毛坯和零件。鍛件的尺寸精度低，對(duì)于高精度要求的零件，還需經(jīng)過(guò)切削加工來(lái)滿足要求。鍛造加工概述第19頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三20二、鍛造加工方法、自由鍛造 自由鍛是利用沖擊力或壓力使在上、下面砧鐵之間的金屬材料產(chǎn)生塑性變形得到所需鍛件的一種鍛造加工方法。自由鍛造時(shí)，金屬變形的特點(diǎn)是：金屬沿上、下砧塊表面流動(dòng)不受其他限制，雖然有時(shí)采用鍛造工具控制局部金屬的流動(dòng)，但其他部分仍是自由流動(dòng)

12、。P第20頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三21自由鍛造的特點(diǎn)是：a.工具簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，對(duì)設(shè)備精度要求低，生產(chǎn)周期短；但生產(chǎn)率低，b.尺寸精度不高，表面粗糙度差，加工余量大。對(duì)工人的操作水平要求高，自動(dòng)化程度低。由于自由鍛造具有上述特點(diǎn)，故只適用于形狀簡(jiǎn)單的單件、小批量生產(chǎn)，但大型鍛件仍采用自由鍛造。自由鍛造分手工鍛造和機(jī)器鍛造兩種，前者用于生產(chǎn)率低的小型鍛件生產(chǎn)，后者生產(chǎn)率高，為自由鍛造的主要生產(chǎn)方法。自由鍛造的主要設(shè)備有鍛錘和液壓機(jī)(如水壓機(jī))兩大類(lèi)。其中，鍛錘有空氣錘和蒸汽空氣錘兩種，鍛錘的噸位用落下部分的質(zhì)量來(lái)表示，一般在5t以下，可鍛造1500kg以下鍛件；液

13、壓機(jī)以水壓機(jī)為主，噸位以最大實(shí)際壓力來(lái)表示，為500一12000t，可鍛造1一300t鍛件。空氣錘空氣錘液壓機(jī)第21頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三22應(yīng)用 ： 單件、小批量生產(chǎn), 大型鍛件的唯一鍛造方法；第22頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三23自由鍛工序一般分為基本工序、輔助工序和精整工序三類(lèi)。 基本工序第23頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三鐓粗 使坯料整體或一部分高度減小、截面積增大的工序稱(chēng)為鐓粗。鐓粗有完全鐓粗、局部鐓粗和墊環(huán)鐓粗等第24頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三拔長(zhǎng)使坯料橫截面減小而

14、長(zhǎng)度增加的鍛造工序稱(chēng)為拔長(zhǎng)拔長(zhǎng)主要用于軸桿類(lèi)鍛件成形，其作用是改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量。拔長(zhǎng)的種類(lèi)。有平砥鐵拔長(zhǎng)、芯軸拔長(zhǎng)、芯軸擴(kuò)孔等。第25頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三沖孔采用沖子將坯料沖出透孔或不透孔的鍛造工序叫沖孔。第26頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三彎曲 是將毛坯彎成所需形狀的工序在進(jìn)行彎曲變形前，先要將毛坯鍛成所需形狀，使體積合理分配，便于獲得合格產(chǎn)品。第27頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三扭轉(zhuǎn)將毛坯一部分相對(duì)于另一部分繞其軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的工序。第28頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三切割將

15、毛坯一部分或幾部分切掉以獲得所需形狀的鍛件的工序。第29頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三30鍛件分類(lèi)及基本工序方案第30頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三31、模鍛 金屬熱坯在鍛模模膛內(nèi)三向壓應(yīng)力狀態(tài)下的塑性變形。特點(diǎn)： 鍛件精度高，鍛造曲線合理，力學(xué)性能 好；生產(chǎn)效率高；金屬消耗少。第31頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三鍛模 模鍛工作示意圖如圖所示。鍛模由上、下模組成。上模和下模分別安裝在錘頭下端和模座上的燕尾槽內(nèi)，用楔鐵緊固。上、下模合在一起，其中部形成完整的模膛。根據(jù)模膛功用不同，可分為模鍛模膛和制坯模膛兩大類(lèi)。 第3

16、2頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三33 應(yīng)用 ： 能鍛制難以形成的復(fù)雜鍛件，如汽車(chē)連 桿、前梁、曲軸等。第33頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三343、鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工藝性 要點(diǎn) 零件結(jié)構(gòu)要符合鍛造工藝性要求，使之結(jié)構(gòu)合理，鍛造方便、節(jié)約金屬、保證鍛件質(zhì)量和能夠提高生產(chǎn)效率。自由鍛件： 1）自由鍛件設(shè)計(jì)要避免錐體和斜面結(jié)構(gòu) ；第34頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三352）鍛件由數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單幾何體構(gòu)成時(shí)，幾何體的交接 處不應(yīng)保留空間相貫曲線 ；第35頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三363）自由鍛鍛件上不允許

17、設(shè)計(jì)出加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、工字形截面和空間無(wú)規(guī)則曲面形狀；第36頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三374）鍛件形狀較復(fù)雜時(shí)，可設(shè)計(jì)成幾個(gè)簡(jiǎn)單件構(gòu)成的組焊或裝配結(jié)構(gòu)；第37頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三38模鍛件： 1）有一個(gè)合理的分模面； 2）外形力求簡(jiǎn)單、平直和上下對(duì)稱(chēng)； 3）對(duì)垂直于分模面的非加工表面應(yīng)設(shè)計(jì)出模鍛斜度和鍛造圓角。第38頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三394）避免薄壁、高筋、局部凸起等結(jié)構(gòu)。第39頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三405）在可能條件下，應(yīng)采用鍛焊組合工藝，以簡(jiǎn)化鍛造工藝 和

18、降低制造成本。第40頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三41第三節(jié)、板料沖壓 板料沖壓是借助于常規(guī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備，對(duì)坯料施加外力，并使其在模具內(nèi)分離或變形，從而獲得一定形狀、尺寸的零件或毛坯的加工方法。沖壓一般在冷態(tài)下進(jìn)行，故又稱(chēng)冷沖壓。 板料沖壓加工概述第41頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三42沖壓生產(chǎn)中常用的板料有各種牌號(hào)的鋼板與有色金屬(銅、鋁及其合金)板料。這里的板料泛指板、帶、條和箔材。設(shè)備： 剪板機(jī)（剪成 條料）、沖床、液壓機(jī)等。第42頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三43沖壓基本工序金屬板料的分離過(guò)程： 沖裁模的凸模（

19、頭）與凹模都有鋒利刃口。兩者間有間隙。、分離工序：包括（1）剪切（2）落料和沖孔（沖裁） ，分別在落料和沖孔模中進(jìn)行。 分兩類(lèi)：一類(lèi)是分離工序；一類(lèi)是變形工序。第43頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三44、變形工序包括彎曲、拉深、翻邊和局部成形等。第44頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三45）彎曲 ：它是通過(guò)彎曲模將板料、型材或管材彎成一定的曲率或角度的變形工序。 以彎曲角 和彎曲半徑 r 表示彎曲變形量的大小。 坯料外層為拉伸變形，內(nèi)層為壓縮變形，中部為中性層，應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榱?。?5頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三46 最小

20、彎曲半徑rmin 決定于板料厚度和板材塑性大小，可?。?rmin （0.251）S 卸料（工件自模中 托起）后，工件彎曲角增大，即出現(xiàn)回 彈。模具設(shè)計(jì)時(shí)，要補(bǔ)償回彈角，即 ： 式中： 工件彎曲角； 模具角；S板厚，/mm第46頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三47）拉深 意義：在拉深模中使平板件受力成形為空心立體件。第47頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三48 m ： 拉深變形后的制件直徑 d件 與坯料直徑 D坯 之比。即： md件D坯變形量控制拉深系數(shù) m一般極限拉深系數(shù)取： m min0.50.8（低碳鋼板） m越小，一次拉深變形量大。 m越大（

21、1）， 則拉深變形量小。第48頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三49 如果總的拉深系數(shù)小于極限拉深系數(shù)，則需多次拉深才能最終成形。第49頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三50壓邊拉深時(shí)通常要對(duì)板料邊緣進(jìn)行壓邊，凹模內(nèi)需要潤(rùn)滑。第50頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三51拉深廢品及缺陷起皺拉裂第51頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三52 變形量用翻邊系數(shù) K 控制，即 K0d0/D式中 d0預(yù)制孔徑 （先沖孔得到） / mm； D翻邊后孔徑 / mm。）翻邊 使帶有預(yù)制孔的坯料沿孔口周?chē)鸲@得 凸緣的工序

22、。第52頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三53）局部變形包括脹形、旋壓、壓肋、壓花（字）等。第53頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三54旋壓壓肋第54頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三553、沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性 （1）對(duì)沖裁件的要求 沖裁件的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)，有利于材料的合理利用，同時(shí)應(yīng)避免長(zhǎng)槽與細(xì)長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，否則模具制造困難。沖裁件的內(nèi)外轉(zhuǎn)角處，也要圓弧連接，避免尖角。第55頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三56（2）對(duì)彎曲件的要求 彎曲件形狀應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)，彎曲半徑不能小于材料允許的最小彎曲半徑，并考慮材料纖維方向，以免成形過(guò)程中彎裂。 第56頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三57（3）對(duì)拉深件的要求 拉深件外形應(yīng)簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)，且不宜太高。以便使拉深次數(shù)盡量少，并容易成形。拉深件的