工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)課件

第八章塑性加工1概述8.1金屬的塑性變形8．2鍛造成形8．3板料沖壓成形8．4擠壓、軋制、拉拔成形8．5塑性加工零件的結(jié)構(gòu)工藝性本章內(nèi)容2概述塑性加工利用被加工材料的塑性，通過外力作用改變坯料的形狀和性能，獲得毛坯、零件的工藝方法。分類鍛造1．自由鍛造2．模型鍛造3．胎模鍛造板料沖壓其它3特點(diǎn)1、改善金屬內(nèi)部組織2、節(jié)省金屬3、生產(chǎn)率高4、適應(yīng)性廣

應(yīng)用1、各類機(jī)械中受力復(fù)雜的重要零件2、據(jù)統(tǒng)計(jì)在飛機(jī)制造工業(yè)中，鍛壓件數(shù)量占其總量的85％；在汽車、拖拉機(jī)工業(yè)中占(60～80)％；電器、儀表及生活用品中的金屬制件，絕大多數(shù)都是沖壓件。4§8.1金屬的塑性變形金屬材料多為是多晶體結(jié)構(gòu)，它是由許多單晶體所組成。要了解實(shí)際金屬的多晶體塑性變形的實(shí)質(zhì)，首先必須掌握單晶體的塑性變形機(jī)理。58.1.1單晶體的塑性變形1、單晶體的塑性變形單晶體—原子排列方式完全一致單晶體塑性變形的主要基本方式:1）滑移

—晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著滑移面產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的現(xiàn)象滑移要點(diǎn):只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生6滑移沿著原子排列緊密的面(即滑移面)進(jìn)行滑移距離為一個(gè)或數(shù)個(gè)原子間距78滑移是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果2)孿晶9

2、多晶體的塑性變形多晶體塑性變形可以看成是組成多晶體的許多單晶體產(chǎn)生塑性變形的綜合效果變形方式如單晶體塑性變形方式，主要為滑移10多晶體的塑性變形比單晶體復(fù)雜晶界的影響晶粒位向的影響118.1.2塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1、鍛造比y—表示金屬變形程度的大小一般用鍛造過程中的典型工序的變形程度來表示例：鐓粗

y=H0／H拔長y=F0／F122、產(chǎn)生“冷變形強(qiáng)化”提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性的重要手段之一特別對(duì)于那些不能用熱處理方法強(qiáng)化的純金屬及某些合金尤為重要對(duì)進(jìn)一步加工帶來困難金屬的物化性能發(fā)生變化如電阻率增加和耐蝕性降低等133、組織的影響鑄造缺陷壓合碎晶及晶格畸變形成織構(gòu)現(xiàn)象呈現(xiàn)各向異性不利方面引起變形不均勻，產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象14有利方面如板料沖壓中的彎曲，應(yīng)使彎曲線與流線方向垂直，以保證減少裂紋產(chǎn)生的傾向在制作變壓器鐵芯的硅鋼片時(shí)，有意使特定的晶面和晶向平行于磁力線方向，可使導(dǎo)磁率顯著提高，減小磁滯損耗，大大提高效率154、存余殘余內(nèi)應(yīng)力降低工件的承載能力隨著時(shí)間的延長，應(yīng)力釋放，引起零件的尺寸和形狀的變化降低工件的耐腐蝕性168.1.3冷變形金屬在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變對(duì)塑性變形后的金屬加熱，隨著溫度的升高，其組織和性能將發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的變化過程。171、回復(fù)回復(fù)現(xiàn)象加熱溫度較低時(shí)，金屬晶粒大小和形狀并不發(fā)生明顯變化，故強(qiáng)度、硬度和塑性等性能變化不大的現(xiàn)象原因金屬原子的活動(dòng)能力較低，金屬內(nèi)部只有點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等作微量的遷移，從而使點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的數(shù)量減少，晶格畸變程度降低，殘余內(nèi)應(yīng)力部分消除。實(shí)際運(yùn)用例如，用冷拔鋼絲冷卷成彈簧后，常采用低溫退火，保持冷變形強(qiáng)化的特征，又降低了殘余內(nèi)應(yīng)力，減少脆性182、再結(jié)晶再結(jié)晶現(xiàn)象加熱到較高溫度時(shí)，是晶粒的形狀發(fā)生了變化，性能發(fā)生明顯的變化，如強(qiáng)度、硬度顯著降低，塑性、韌性明顯提高，殘余內(nèi)應(yīng)力基本消除，金屬恢復(fù)到變形前的性能。再結(jié)晶過程形成晶核晶核長大19原因金屬具有較強(qiáng)的原子擴(kuò)散能力。會(huì)在原塑性變形最激烈的區(qū)域自發(fā)地形成許多新的細(xì)小的等軸晶粒，代替原變形晶粒再結(jié)晶溫度指開始發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度

T再＝0.4T熔實(shí)際運(yùn)用在多次冷軋鋼板的生產(chǎn)中，安排中間退火，以恢復(fù)塑性，利于后道冷軋工序203、晶粒長大繼續(xù)升高溫度或延長保溫時(shí)間，則再結(jié)晶晶粒將聚集長大，形成粗大的晶粒，此時(shí)金屬的力學(xué)性能顯著降低214、熱變形和冷變形熱變形在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形塑性高，變形抗力小，且形變強(qiáng)化迅速被再結(jié)晶代替，具有再結(jié)晶組織和性能易發(fā)生表面氧化、表面質(zhì)量不高的現(xiàn)象常用于截面尺寸較大，變形量較大，或硬度高、脆性大的金屬制品或坯料中冷變形在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形常用于表面質(zhì)量要求高，變形量小，硬度、強(qiáng)度低的金屬制品或坯料中。228.1.4塑性加工性能及影響因素1、塑性加工性能及其指標(biāo)定義：材料塑性成形的難易程度。衡量標(biāo)準(zhǔn)材料塑性表現(xiàn)了材料塑性變形的能力，是變形的依據(jù)。變形抗力加工時(shí)，作用在工具表面上的變形力。反映了塑性變形的難易程度。232、影響因素1）合金的本質(zhì)（1）化學(xué)成分的影響碳及雜質(zhì)元素碳雜質(zhì)（S、P、N、H、O）合金元素的影響加入合金元素，會(huì)造成：晶體原子畸變產(chǎn)生硬而脆的化合物生成多相組織形成氧化物、硫化物雜質(zhì)影響晶粒長大含量越高，塑性加工性能越差。24（2）組織的影響單相組織多相組織、金屬化合物晶粒細(xì)化鑄造組織2）加工條件（1）變形溫度的影響一般加熱可提高鍛造性原子動(dòng)能大，原子引力減小，易滑移。有利于回復(fù)和再結(jié)晶過程。加熱應(yīng)在一定范圍內(nèi)，超過會(huì)產(chǎn)生：過熱過燒25（2）變形速度的影響變形速度：單位時(shí)間內(nèi)的變形程度。影響復(fù)雜產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化變形消耗能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，產(chǎn)生溫度效應(yīng)（3）應(yīng)力狀態(tài)的影響實(shí)驗(yàn)證明三個(gè)方向中，壓應(yīng)力數(shù)目越多，金屬塑性越好。但變形抗力越大26273）其它因素的影響毛坯表面狀況表面粗糙、劃痕、微裂紋會(huì)引起應(yīng)力集中，金屬塑性下降。潤滑條件環(huán)境條件28§8.2鍛造方法手工自由鍛自由鍛 錘上自由鍛機(jī)器自由鍛液壓機(jī)上自由鍛鍛造胎模鍛錘上模鍛模鍛壓力機(jī)上模鍛平鍛機(jī)上模鍛摩擦壓力機(jī)上模鍛

298.2.1自由鍛（1）自由鍛設(shè)備空氣錘蒸汽—空氣自由鍛錘水壓機(jī)（2）特點(diǎn)靈活性、通用性強(qiáng)；尺寸誤差大；生產(chǎn)效率低；適用于單件、小批及大型鍛件。30（3）自由鍛生產(chǎn)鍛件的典型結(jié)構(gòu)及其鍛造工序318.2.2模鍛概念利用模具使鍛坯變形而獲得鍛件的鍛造方法。特點(diǎn)能鍛出形狀較復(fù)雜、精度較高、表面粗造度較低的鍛件；能提高生產(chǎn)率及改善勞動(dòng)條件；模鍛設(shè)備及模具造價(jià)貴，消耗能量高；只適用于中、小型鍛件。32模鍛的設(shè)備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1、錘上模鍛331）鍛模結(jié)構(gòu)鍛模由帶模膛的上、下模塊及緊固件等組成。上、下模塊的尾部做成燕尾形，用楔鐵分別緊固在錘頭及模墊上。2）模膛分類模鍛模膛制坯模膛預(yù)鍛模膛終鍛模膛拔長模膛滾壓模膛彎曲模膛切斷模膛模段模膛制坯模膛34終鍛模膛特點(diǎn):

形狀同鍛件，尺寸放大一個(gè)收縮量通孔鍛件留有沖孔連皮分模面四周設(shè)有飛邊槽飛邊槽作用

:阻流:飛邊槽內(nèi)金屬先冷卻，阻止金屬外流，有利于充滿模膛容納余的金屬353）

模鍛工藝規(guī)程的制訂模鍛工藝規(guī)程內(nèi)容包括：

①根據(jù)零件圖繪制鍛件圖；

②計(jì)算坯料的質(zhì)量和尺寸；

③確定模鍛工序；

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確定鍛后熱處理規(guī)范；

⑦提出鍛件的技術(shù)條件和檢驗(yàn)要求；

⑧填寫工藝卡片。36繪制鍛件圖(1)選擇分模面①應(yīng)選在最大截面。②應(yīng)保證其上、下模膛的輪廓相同。③分模面選在能使模膛深度最淺的位置處。④應(yīng)選在敷料較小的地方。⑤分模面應(yīng)盡可能采用直線分模，上下模膛的深度基本一致，便于制造鍛模。37(2)確定加工余量和鍛造公差加工余量一般為1—4mm，極限偏差一般取0.3—3mm。確定方法①按照鍛錘的噸位確定；②按照零件的形狀尺寸和鍛件的精度等級(jí)確定。(3)確定沖孔連皮

孔徑d＞25mm且深度h≤2d的孔時(shí)，此孔應(yīng)鍛出?？讖絛＜25mm或孔深h≥3d時(shí)，只在沖孔處壓出凹坑。分類：平底連皮斜底連皮38(4)確定模鍛斜度和圓角半徑①模鍛斜度定義：為了使鍛件易于從模膛中取出，鍛件與模膛側(cè)壁接觸部分需帶一定斜度。外壁斜度取5°或7°

內(nèi)壁斜度取相應(yīng)的外壁斜度大一級(jí)。

②

圓角半徑：定義：為了使金屬在模膛內(nèi)易于流動(dòng)，防止應(yīng)力集中，模鍛件上的兩表面相交處都應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角過渡。外圓角半徑r取1.5～12mm；內(nèi)圓角半徑R比外圓角半徑大2～3倍。39繪制模鍛件圖上述各參數(shù)確定后便可繪制模鍛件的鍛件圖，繪制方法：以零件圖為基礎(chǔ)；以粗實(shí)線表示鍛件的形狀；用雙點(diǎn)劃線表示零件的形狀；標(biāo)注模鍛件尺寸。40計(jì)算毛坯質(zhì)量和尺寸（1）毛坯質(zhì)量模鍛件毛坯質(zhì)量的計(jì)算比自由鍛件要求更為準(zhǔn)確?？砂聪率接?jì)算：

m坯=m鍛+m飛+m燒式中m坯——毛坯質(zhì)量；

m鍛——模鍛件質(zhì)量；

m飛——飛邊質(zhì)量，取鍛件質(zhì)量的20％-25％；

m燒——毛坯加熱時(shí)燒損的金屬質(zhì)量，取鍛件與飛邊質(zhì)量之和的3％—4％。41（2）毛坯尺寸

①毛坯的質(zhì)量可以算出其體積V坯；

②再考慮變形方式、模膛種類等因素來確定毛坯的截面尺寸。

③確定毛坯長度尺寸。對(duì)于變形方式主要為鐓粗的盤類零件，可按下式計(jì)算圓鋼毛坯的直徑和長度：

m——毛坯的高徑比，一般取1．25—2．5。42確定模鍛工序包括三種類型的工步：模鍛工步(包括預(yù)鍛和終鍛)制坯工步(包括鐓粗、拔長、滾擠、卡壓、成形、彎曲等制坯工步)切斷修整工步(包括切斷、切邊、沖孔、校正、精壓等)。(1)圓餅類鍛件一般使用鐓粗制坯，形狀較復(fù)雜的采用成形鐓粗制坯。(2)長軸類鍛件由拔長、滾擠、彎曲、卡壓、成形等制坯工步組成。434）特點(diǎn)錘上模鍛具有工藝適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，但其在工作中存在震動(dòng)和噪音大，勞動(dòng)條件差，蒸汽效率低，能源消耗多等難以克服的缺點(diǎn)。442、曲柄壓力機(jī)上模鍛（1）無震動(dòng)，噪音?。?）工作時(shí)滑塊行程不變（3）能保證上下模腔對(duì)準(zhǔn)（4）能自動(dòng)頂出鍛件453、摩擦壓力機(jī)上模鍛特點(diǎn)：（1）工作過程中速度為0.5～1mm/s。使坯料變形具有一定的沖擊作用，且滑塊行程可控。（2）變形抗力由機(jī)架承受（3）有頂件裝置，取件容易464、平鍛機(jī)上模鍛平鍛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與曲柄壓力機(jī)相同，因滑塊做水平運(yùn)動(dòng)，故稱平鍛機(jī)。478.2.3胎模鍛

——是在自由鍛設(shè)備上使用可移動(dòng)的簡單模具（稱胎模）生產(chǎn)鍛件的一種方法。48胎模鍛特點(diǎn):

與自由鍛相比：優(yōu)點(diǎn)：

1)鍛件形狀較準(zhǔn)確，尺寸精度高，操作簡便、生產(chǎn)率高

2)力學(xué)性能較高胎模鍛與模鍛相比：優(yōu)點(diǎn)：

1)設(shè)備價(jià)廉（采用自由鍛設(shè)備）

2)胎模鍛鍛造工藝操作靈活，可以局部成形，能用較小設(shè)備制出較大模鍛件

3)胎模結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約模具用鋼，且周期短、成本低但胎模鍛件尺寸精度不如錘上模鍛件高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、胎模易損壞，生產(chǎn)率低。胎模鍛是模鍛與自由鍛的聯(lián)合，在中小批生產(chǎn)中被廣泛使用。49§8.3板料沖壓成形板料沖壓

——利用沖模使板料分離或變形，從而制成所需要的形狀和尺寸制件的方法。冷沖壓板厚≤8-10mm熱沖壓板厚＞8-10mm50板料沖壓的特點(diǎn)可以沖壓出形狀復(fù)雜的零件，廢料較少。產(chǎn)品具有足夠高的精度和較低的表面粗糙度，互換性能好。能獲得質(zhì)量輕、材料消耗少、強(qiáng)度和剛度較高的零件。沖壓操作簡單，工藝過程便于機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)率很高，故零件成本低。噪音大，手工操作易發(fā)生事故。模具價(jià)格昂貴，生產(chǎn)周期長。一般只適合于大批大量生產(chǎn)。51沖壓基本工序

變形工序落料沖孔彎曲拉深翻邊脹形精密沖裁分離工序沖裁切斷整修旋壓528.3.1分離工序

1、沖裁（1）落料與沖孔落料:是用沖裁取得一定外形的制件或坯料的方法。沖孔:是使坯料從封閉的輪廓分離開來得到帶孔制件的方法。（2）沖裁過程53（3）沖裁的變形過程

①彈性變形階段

②塑性變形階段

③斷裂分離階段（4）沖裁的質(zhì)量控制

①?zèng)_裁件的斷面組成：

圓角帶：刃口附近的材料產(chǎn)生彎曲和伸長變形。光亮帶：塑性剪切變形。質(zhì)量最好的區(qū)域。斷裂帶：裂紋形成及擴(kuò)展。54間隙正常、刃口鋒利情況下，沖裁變形過程可分為三個(gè)階段：

沖裁變形過程(1)彈性變形階段變形區(qū)內(nèi)部材料應(yīng)力小于屈服應(yīng)力。(2)塑性變形階段變形區(qū)內(nèi)部材料應(yīng)力大于屈服應(yīng)力。凸、凹模間隙存在，變形復(fù)雜，并非純塑性剪切變形，還伴隨有彎曲、拉伸，凸、凹模有壓縮等變形。(3)斷裂分離階段

變形區(qū)內(nèi)部材料應(yīng)力大于強(qiáng)度極限。裂紋首先產(chǎn)生在凹模刃口附近的側(cè)面凸模刃口附近的側(cè)面上、下裂紋擴(kuò)展相遇材料分離55②斷面質(zhì)量影響因素凸凹模間隙刃口鋒利程度模具結(jié)構(gòu)模具材料板材的材料及厚度(5)凸凹模刃口尺寸的確定凸模刃口尺寸凹模刃口尺寸落料模D凸=D凹-ZD凹=D工沖孔模D凸=D工D凹=D凸+Z56第二章沖裁工藝與沖裁模設(shè)計(jì)落料沖孔復(fù)合模1-下模板2-卸料螺釘3-導(dǎo)柱4-固定板5-橡膠6-導(dǎo)料銷7-落料凹模8-推件塊9-固定板10-導(dǎo)套11-墊板12、20-銷釘13-上模板14-模柄

15-打桿16、21-螺釘17-沖孔凸模18-凸凹模19-卸料板22-擋料銷

572、修整————用整修模將落料件的外緣或沖孔件的內(nèi)緣刮去一層簿的切削，以切去沖截面上的粗糙層，并提高尺寸精度3、切斷——用剪刃或沖模將板料沿不封閉的輪廓進(jìn)行分離的工序。

4、橡皮沖裁——是利用橡皮作用通過凸凹模進(jìn)行沖裁的方法。588.3.2成形工序

1、拉深

1）概念利用模具使沖裁后得到的平板毛坯或淺的開口中空件變成開口中空件或深的開口中空件的工序。

59

2）變形過程分析

a、筒底部分的金屬

(厚度基本保持不變)b、外部坯料

①徑向尺寸變大，受拉應(yīng)力。

②周向尺寸變小，受壓應(yīng)力。60

3）拉深中的廢品拉穿（裂）起皺

4）防止拉裂的措施

①凸凹模部分應(yīng)為圓角R>（0.1~0.3）t②凸凹模間隙應(yīng)合理Z=（1.1~1.5）t③凸凹模間加潤滑劑

④合理選擇拉深系數(shù)m，m一般取0.5~0.861拉深系數(shù)

m=d/D d——拉深件直徑

D——坯料直徑

m越小變形程度越大，坯料越難拉入凹模，越易拉裂。極限拉深系數(shù)mmin

當(dāng)m<mmin，須采用多次拉深。

M=m1×m2×···×mn62632、彎曲

1）概念在彎矩作用下，將板料、型材、管材彎成具有一定曲率和角度制件的方法。

2）彎曲過程

3）彎曲變形外側(cè)受拉（產(chǎn)生拉伸變形）內(nèi)側(cè)受壓中間中性層（應(yīng)力為0、變形為0）64

4）最小彎曲半徑rmin

通常rmin

≥0.25tt為板料厚度

5）rmin

影響因素材料力學(xué)性能板材纖維方向板材表面質(zhì)量653、脹形脹形是通過模具使平板、空心件或管狀坯料擴(kuò)張，脹出所需凸起曲面。66脹形機(jī)械脹形67脹形橡皮脹形68脹形液壓脹形694、翻邊翻邊是將制件的孔邊緣或外邊緣在模具的作用下翻出豎立或成一定角度的直邊。翻邊可分為內(nèi)孔翻邊和外緣翻邊兩種。外緣翻邊又可分為外凸外緣翻邊和內(nèi)凹外緣翻邊。70內(nèi)孔翻邊翻邊系數(shù)：翻邊前的孔徑與翻邊后的孔徑的比值，即：最小翻邊系數(shù)：翻邊時(shí)孔邊不破壞所能達(dá)到的最大變形程度。影響翻邊系數(shù)的因素：材料、孔邊緣的狀況、t/d、凸模形狀。718.2.3沖壓模具沖模的結(jié)構(gòu)主要包括如下的零部件：簡單沖模1工作零件凸模、凹模等2定位零件擋料銷、導(dǎo)正銷、定位銷、定位板等3導(dǎo)向零件導(dǎo)板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等4卸料與推件零件卸料板、壓料板等5連接固定零件上模板、下模板、模柄、壓模板等7273

沖模的分類

簡單沖模沖模

連續(xù)沖模

復(fù)合沖模5）沖模的結(jié)構(gòu)747576§8.5塑性加工零件的結(jié)構(gòu)工藝性8.5.1鍛件結(jié)構(gòu)工藝性1、自由鍛件結(jié)構(gòu)工藝性1）鍛件的形狀應(yīng)力求簡單、對(duì)稱、平直，以適應(yīng)鍛造設(shè)備下成形的特點(diǎn)。2）應(yīng)盡量避免錐體和斜面773）鍛