第4章 壓力加工

第4章壓力加工

壓力加工基礎(chǔ)知識4.1塑性成形理論基礎(chǔ)

4.2鍛造

4.3板料沖壓

4.4壓力加工件的結(jié)構(gòu)工藝性4.54.1壓力加工基礎(chǔ)知識

4.1.1壓力加工的分類（1）軋制。軋制是金屬坯料在兩個回轉(zhuǎn)軋輥的縫隙中受壓變形，以獲得各種產(chǎn)品的加工方法。生產(chǎn)時，依靠摩擦力的作用，坯料連續(xù)通過軋輥間隙而受壓變形。軋制常用于生產(chǎn)各種型材，如圓鋼、方鋼、角鋼、鐵軌等。（2）擠壓。擠壓是金屬坯料在擠壓模內(nèi)受壓被擠出?？锥冃?，通過擠壓作用將坯料擠成規(guī)則的形狀。（3）拉拔。拉拔是將坯料在牽引力作用下通過模孔拉出，使之產(chǎn)生塑性變形而使之截面縮小、長度增加的工藝。（4）鍛造。鑄造是在鍛壓設(shè)備及工（模）具的作用下，使坯料或鑄錠產(chǎn)生塑性變形，以獲得一定幾何尺寸、形狀和質(zhì)量的鍛件的加工方法。鍛造包括自由鍛和模鍛兩種形式，前者在砧座間自由成形，如圖4-7所示；后者在模膛內(nèi)填充成形。（5）沖壓。沖壓是金屬板料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離或成形的方法，通常用于在冷態(tài)下對薄板進行加工。4.1.2壓力加工的特點和應(yīng)用（1）壓力加工件性能優(yōu)良。金屬坯料經(jīng)鍛造或軋制后結(jié)構(gòu)致密、組織改善、性能提高。凡是受交變載荷、服役工作比較繁重的零件，通常使用壓力加工方法制造毛坯。（2）材料利用率高。壓力加工是金屬在固體狀態(tài)下體積的轉(zhuǎn)移過程，它不像切削加工那樣產(chǎn)生大量切屑，是一種無屑成形方法，可以獲得合理的流線分布和較高的材料利用率。（3）零件精度較高。用壓力加工生產(chǎn)的工件可以達到較高的精度，隨著近年來先進技術(shù)和設(shè)備的使用，壓力加工產(chǎn)品可以達到少切削或無切削的要求。例如，精密鍛造的傘齒輪齒形部分的精度可達8級，可以不經(jīng)切削加工直接使用。（4）生產(chǎn)率高。模鍛、軋制、拉絲以及擠壓等壓力加工方法都具有較高的生產(chǎn)率。例如，在大型鍛壓設(shè)備上模鍛汽車用曲軸僅需數(shù)十秒；使用自動冷鍛機生產(chǎn)螺栓和螺母，每分鐘可生產(chǎn)數(shù)百件。（5）固態(tài)成形。壓力加工在固態(tài)下成形，相對液態(tài)成形來說更為困難，所以鍛件和沖壓件的形狀都相對地較為簡單，不像鑄件具有復(fù)雜的外形、內(nèi)腔和薄壁結(jié)構(gòu)。4.1.3鍛壓安全文明操作規(guī)程

（1）操作前要穿戴好防護用品，做好防護工作。（2）車間所有的機械、電氣設(shè)備、電源開關(guān)，未經(jīng)允許，一律不能隨意亂動。（3）兩人以上共在一臺設(shè)備上操作時，相互之間一定要密切配合，未做好準備工作，不能啟動設(shè)備。（4）操作前要隨時檢查錘頭、砧座及其他工具是否有裂紋或其他損壞現(xiàn)象。（5）手工鍛時，要檢查錘頭是否松動，防止錘頭飛出傷人。（6）非操作者不要站在離操作者太近的位置觀看。（7）操作時，錘柄或鉗柄都不能對著腹部。（8）不可以用手或身體的其他部位接觸未冷卻的金屬料和鍛件。（9）料頭即將切斷時，打擊要輕，料頭飛出方向不許站人。（10）坯料、工具、工件等應(yīng)擺放整齊。操作結(jié)束后，應(yīng)打掃干凈現(xiàn)場。4.2塑性成形理論基礎(chǔ)4.2.1塑性變形規(guī)律（1）最小阻力定律。塑性變形時，材料總是沿著阻力最小的方向移動，這就是最小阻力定律。（2）變形前后體積不變假設(shè)。在塑性變形過程中，假設(shè)變形前后材料的體積不變，這樣可以方便在變形前計算毛坯的體積和重量4.2.2塑性變形的實質(zhì)材料在外力作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在內(nèi)應(yīng)力的作用下，金屬原子離開原來的平衡位置，使金屬產(chǎn)生變形。當(dāng)外力增大到使金屬的內(nèi)應(yīng)力超過金屬的屈服極限后，即使外力停止作用，金屬的變形也不會消失，這種變形稱為塑性變形。金屬塑性變形的實質(zhì)是晶體內(nèi)部在外力作用下產(chǎn)生滑移和扭轉(zhuǎn)，從而破壞了原來的晶格結(jié)構(gòu)，晶粒之間產(chǎn)生“位錯”現(xiàn)象。位錯密度越大，變形越嚴重。4.2.3塑性變形后材料組織和性能的變化（1）晶粒沿變形方向伸長，性能趨于各向異性。例如，拔長后的材料的縱向力學(xué)性能遠遠優(yōu)于其橫向力學(xué)性能，能夠承受較大的拉力作用。同樣，盤類零件的橫向性能優(yōu)于縱向性能，能承受較大的壓力作用。（2）產(chǎn)生加工硬化。金屬塑性變形后，晶粒破碎，位錯密度增加，強度和硬度上升，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。（3）產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。塑性變形后，將在金屬內(nèi)部產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力釋放后將導(dǎo)致工件變形。4.2.4纖維組織及其應(yīng)用鑄錠中通常都包含一定的雜質(zhì)成分。鑄錠在壓力加工作用下產(chǎn)生塑性變形時，基體金屬中的雜質(zhì)也產(chǎn)生變形，并沿著變形方向拉長，呈纖維形狀，稱為纖維組織。

（1）盡量使纖維分布與零件的輪廓相符合而不被切斷。（2）使零件所受的最大拉應(yīng)力與纖維方向一致。（3）使零件所受的最大切應(yīng)力與纖維方向垂直。4.2.5冷變形及熱變形1．回復(fù)回復(fù)是指金屬在較低溫度下加熱，其材料組織轉(zhuǎn)變的過程。此時原子活動能力不大，故金屬的晶粒大小和形狀無明顯變化，金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化也不大，但是足以消除工件的內(nèi)應(yīng)力。2．再結(jié)晶當(dāng)變形金屬加熱至較高溫度時，將形成一些位錯密度很低的新晶粒，這些新晶粒不斷生長，逐漸取代已變形的高位錯密度的變形晶粒，這一過程稱為再結(jié)晶。3．冷變形材料變形溫度低于回復(fù)溫度時，金屬在變形過程中只有加工硬化而無回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的金屬具有加工硬化組織，這種變形稱為冷變形。4．熱變形材料變形溫度在再結(jié)晶溫度以上時，變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有再結(jié)晶晶粒組織，無任何加工硬化痕跡，這種變形稱為熱變形。4.2.6材料的可鍛性1．化學(xué)成分對金屬可鍛性的影響純金屬的可鍛性比合金好。鋼中合金元素的含量越多，合金成分越復(fù)雜，其塑性越差，變形抗力越大。從純鐵、低碳鋼到高合金鋼，其可鍛性依次下降。2．變形溫度對金屬可鍛性的影響隨著溫度升高，原子動能升高，材料塑性提高，變形抗力減小，可鍛性越好。3．變形速度對金屬可鍛性的影響隨著變形速度的增大，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時克服加工硬化現(xiàn)象，材料塑性下降、變形抗力增大，可鍛性變差4．應(yīng)力狀態(tài)對金屬可鍛性的影響材料變形時，受到的壓應(yīng)力數(shù)量越多，其塑性越好；受到的拉應(yīng)力數(shù)量越多，其塑性越差。4.3鍛造4.3.1自由鍛1．自由鍛的應(yīng)用自由鍛所用工具和設(shè)備簡單，通用性好，成本低。同鑄造毛坯相比，自由鍛消除了縮孔、縮松、氣孔等缺陷，毛坯具有更高的力學(xué)性能。不過，自由鍛主要依靠人工操作來控制鍛件的形狀和尺寸，鍛件形狀簡單、精度低，加工余量大，勞動強度大，生產(chǎn)率較低，主要應(yīng)用于單件、小批量生產(chǎn)。2．自由鍛基本工序（1）鐓粗。①用于制造高度小而斷面大的工件，如齒輪、圓盤、葉輪等。②作為沖孔前的準備工序。（2）拔長。①用于制造長而截面小的工件，如軸、拉桿、曲軸等。②制造空心零件，如套筒、圓環(huán)等。（3）彎曲。（4）錯移。（5）沖孔。沖孔是在坯料上加工孔的工序。3．鍛件分類及其成形方案4.3.2模型鍛造1．模鍛系統(tǒng)模鍛系統(tǒng)由動力設(shè)備和鍛模組成。常用的動力設(shè)備有空氣錘、曲柄壓力機、螺旋壓力機、水壓機等。1—踏板；2—機架；3—砧座；4—操縱桿

2．鍛模上模2和下模4分別用楔鐵10和楔鐵7固定在錘頭1和模墊5上，模墊用楔鐵6固定在砧座上。9為模膛，8為分模面，3為飛邊槽。工作時，上模隨著錘頭做上下往復(fù)運動。1—錘頭；2—上模；3—飛邊槽；4—下模；

5—模墊；6、7、10—楔鐵；8—分模面；9—模膛3．鍛件下圖為鍛造成形后的模鍛件，其上帶有飛邊和沖孔連皮。1—飛邊；2—分模面；3—沖孔連皮；4—鍛件4．模膛種類及其功用（1）模鍛模膛。預(yù)鍛模膛：預(yù)鍛模膛的作用是使坯料變形到接近于鍛件的形狀和尺寸，終鍛時，金屬容易充滿終鍛模膛，同時減少了終鍛模膛的磨損，以延長鍛模的使用壽命。終鍛模膛：終鍛模膛的作用是使坯料最后變形到鍛件所要求的形狀和尺寸，因此其形狀應(yīng)和鍛件的形狀相同。（2）制坯模膛。

拔長模膛：減小坯料某部分的橫截面積，增加該部分的長度。滾壓模膛：減小坯料某部分的橫截面積，增大另一部分的橫截面積，主要是使金屬按模鍛件的形狀來分布。彎曲模膛：使零件產(chǎn)生彎曲變形。切斷模膛：上模與下模組成一對刀口，用來切斷金屬。6．模鍛工藝設(shè)計（1）選擇分模面。①確保模鍛件能從模膛中順利取出，因此分模面應(yīng)選在模鍛件的最大截面上。②盡量使上下模沿分模面的模膛輪廓一致，以便在安裝鍛模和生產(chǎn)時及時發(fā)現(xiàn)錯?，F(xiàn)象，并調(diào)整鍛模位置。③最好把分模面選在模膛深度最淺的位置處。④最好使分模面為一個平面，使上下鍛模的模膛深度基本一致，差別不宜過大，以便于制造鍛模。（2）確定模鍛件的機械加工余量、公差和敷料。

為了簡化工件的形狀和結(jié)構(gòu)而在零件上增設(shè)的余量叫敷料。由于零件上的鍵槽、環(huán)形溝槽以及尺寸相差不大的臺階等結(jié)構(gòu)不易鍛出，通常使用敷料。

（3）確定模鍛斜度。（4）確定模鍛圓角半徑。（5）設(shè)計沖孔連皮。（6）確定模鍛工步并選擇模膛種類。4.3.3胎模鍛1．胎模的結(jié)構(gòu)胎模的結(jié)構(gòu)簡單且形式較多，圖示為其中一種合模，它由上、下模塊組成。模塊間的空腔稱為模膛，模塊上的導(dǎo)銷和銷孔可使上、下模膛對準，手柄供搬動模塊用。1—上模塊；2—手柄；3—下模塊；

4—模膛；5—導(dǎo)銷；6—銷孔2．胎模鍛的特點（1）與模鍛相比，不需昂貴的模鍛設(shè)備。（2）模具制造簡單且成本較低。（3）加工精度不如模鍛高，且勞動強度大、胎模壽命短、生產(chǎn)率低。（4）與自由鍛相比，坯料最終是在胎模的模膛內(nèi)成形，可以獲得形狀較復(fù)雜、鍛造質(zhì)量和生產(chǎn)率較高的鍛件。3．胎模鍛的應(yīng)用胎模鍛時，胎模不用固定在錘頭或砧座上，可隨時放在上下砥鐵上進行鍛造。加工時，先把下模放在下砥鐵上，再把加熱的坯料放在模膛內(nèi)，然后合上上模，用鍛錘鍛打上模背部。待上、下模接觸，坯料便在模膛內(nèi)鍛成鍛件。由于胎模鍛所用的設(shè)備和模具比較簡單、工藝靈活多變，故在中、小工廠得到廣泛應(yīng)用，適合小型鍛件的中、小批生產(chǎn)。4.4板料沖壓4.4.1板料沖壓的分類、特點和應(yīng)用1．分類（1）冷沖壓。金屬在常溫下的加工，一般適用于厚度小于4mm的坯料。優(yōu)點為不需加熱、無氧化皮、表面質(zhì)量好、操作方便、費用較低；缺點是有加工硬化現(xiàn)象，嚴重時使金屬失去進一步變形能力。（2）熱沖壓。熱沖壓是將金屬加熱到一定的溫度范圍的沖壓加工方法。優(yōu)點為可消除內(nèi)應(yīng)力，避免加工硬化，增加材料的塑性，降低變形抗力，減少設(shè)備的動力消耗。2．特點（1）生產(chǎn)率高，依靠模具設(shè)備成形，操作簡便，易實現(xiàn)自動化。（2）可成形復(fù)雜形狀的制件，而且廢料少，材料利用率高。（3）制件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、互換性好，不需機加工。（4）制件強度高、剛性好、重量輕。（5）采用沖壓與焊接、膠接等復(fù)合工藝，使零件結(jié)構(gòu)更趨合理。3．應(yīng)用沖壓既能夠制造尺寸很小的儀表零件；能夠制造諸如汽車大梁、壓力容器封頭一類的大型零件，又能夠制造精密（公差在微米級）和復(fù)雜形狀的零件。還可以將沖壓零件使用焊接方法拼接成復(fù)雜零件。板料沖壓在汽車、機械、家用電器、日常用品、電機、儀表、航空航天、兵器等制造中都有廣泛的應(yīng)用。4.4.2沖壓設(shè)備1．剪床1—電動機；2—傳動軸；3—離合器；4—偏心軸；5—制動器；6—滑塊；7—工作臺2．壓力機1—電動機；2—小帶輪；3—大帶輪；4—小齒輪；5—大齒輪；6—離合器；7—曲軸；8—制動器；9—連桿；10—滑塊；11—上模；12—下模；13—墊板；14—工作臺

3．沖模1—模墊；2—沖頭壓板；3—沖頭；4—卸料板；5—導(dǎo)板；

6—定位銷；7

—模柄；8—上模板；9

—導(dǎo)套；10

—導(dǎo)柱；

11—凹模；12—凹模壓板；13—下模板

4.4.3分離工序（1）沖裁。落料和沖孔統(tǒng)稱為沖裁，兩者的加工原理基本相同。如果被分離的部分為成品，而周邊是廢料，則為落料；如果被分離的部分為廢料，而周邊是成品，則為沖孔。（2）修整。修整是利用修整模沿沖裁件外緣或內(nèi)孔刮削一薄層金屬，以切掉沖裁件斷面上存留的剪裂帶和毛刺，從而提高沖裁件的尺寸精度，降低表面粗糙度。（3）切斷。切斷是指用剪刃或沖模將板料沿非封閉輪廓進行分離的工序，剪刃安裝在剪床上，沖模安裝在沖床上，可以用于制作形狀簡單、精度要求不高的平板件。4.4.4變形工序（1）拉深。拉深件的底部一般不變形，厚度基本不變，直壁厚度有所減小。（2）彎曲。彎曲是將坯料彎成一定的角度和曲率的變形工序。

拉深彎曲4.5壓力加工件的結(jié)構(gòu)工藝性4.5.1自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性（1）避免在鍛件上設(shè)計錐體和斜面結(jié)構(gòu)。（2）當(dāng)鍛件由數(shù)個簡單幾何體構(gòu)成時，在交接處避免形成空間曲線（3）避免加強筋、凸臺、工字型截面或空間曲線形表面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)

（4）鍛件的橫截面若有急劇變化或者形狀較復(fù)雜時，應(yīng)設(shè)計為幾個簡單件構(gòu)成的組合體。

4.5.2模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性（1）模鍛零件必須具有一個合理的分模面，以保證模鍛件易于從鍛模中取出、敷料最少、鍛模容易制造。（2）零件上與錘擊方向平行的非加工表面應(yīng)設(shè)計出模鍛斜