第8章金屬固態(tài)塑

第8章金屬固態(tài)塑性成形技術(shù)1、金屬固態(tài)塑性成形技術(shù)理論基礎(chǔ)1）金屬固態(tài)塑性成形原理及工藝流程等鍛壓的原理、實(shí)質(zhì)、工藝流程、特點(diǎn)與應(yīng)用：鍛壓的原理：金屬固態(tài)塑變成形；實(shí)質(zhì)：在外力作用下金屬材料通過塑性變形，以獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的毛坯或者零件。工藝流程：鍛壓的工藝方法有許多，但其基本工序及流程相同。特點(diǎn)與應(yīng)用：①能改善金屬的內(nèi)部組織，提高或改善其力學(xué)性能等；②材料的利用率高；③較高的生產(chǎn)率；④多數(shù)工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品精度較高。缺點(diǎn)是不能壓力加工脆性材料（如鑄鐵，鑄鋁合金等）和形狀特別復(fù)雜（尤其是內(nèi)腔形狀復(fù)雜）或體積特別大的毛坯或零件，另外，多數(shù)壓力加工工藝的投資較大等。主要用于原材料的生產(chǎn)、承受沖擊或交變應(yīng)力的重要零件（如機(jī)床主軸、齒輪、曲軸、連桿等）毛坯及薄壁件生產(chǎn)等。鍛壓是鍛造和沖壓的統(tǒng)稱。它是通過金屬在I茸態(tài)下發(fā)生塑性變形實(shí)現(xiàn)的，是制造機(jī)械2）金屬（固態(tài)）塑性變形理論基礎(chǔ)要對金屬材料進(jìn)行固態(tài)塑性成形，則須對金屬在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)這類過程的可能性和局限性作出正確的評價(jià)，以便于掌握和運(yùn)用。有關(guān)金屬材料塑性變形的知識在工程材料學(xué)的第3章已有詳細(xì)的敘述，這里不再重復(fù)。（1）金屬的可鍛性及影響因素金屬的可鍛性決定于金屬本身的塑性(δ、Ψ)和變形抗力，金屬的塑性越好，變形抗力越小，則可鍛性越好。金屬的可鍛性除與金屬的本質(zhì)有關(guān)外，還決定于變形（加工）條件，其中最重要的因素是溫度。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)氖煎憽⒔K鍛溫度。變形速度的影響有雙重性，一般而言，提高變形速度，金屬的再結(jié)晶來不及消除加工硬化，使金屬的塑性下降，變形抗力增加，從而使可鍛性降低；但當(dāng)變形速度達(dá)到某一臨界值后，由于塑性變形的熱效應(yīng)，而導(dǎo)致溫度升高，從而又使可鍛性提高，高速錘鍛造就是利用這個原理；常用的各種鍛造方法，變形速度都低于臨界速度，對塑性差的材料，宜采用減慢變形速度的工藝，以防斷裂。應(yīng)力狀態(tài)對可鍛性也有影響，出現(xiàn)拉應(yīng)力會引起金屬內(nèi)部缺陷的擴(kuò)展，因而在各向受拉時(shí)，金屬呈現(xiàn)較小的塑形，而各向受壓時(shí)，則呈現(xiàn)較大的塑性。（2）金屬塑性變形的基本規(guī)律金屬的塑性變形屬固態(tài)成形，其遵循的基本規(guī)律主要有體積不變規(guī)律、最小阻力定律和加工硬化等。掌握和應(yīng)用這些基本規(guī)律，以便優(yōu)質(zhì)高效的生產(chǎn)出鍛（壓）件。（3）金屬塑性變形對組織和性能的影響a.冷變形(又叫冷成形)過程及其影響冷變形的特征是金屬塑性變形后具有加工硬化現(xiàn)象，即金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌度下降；冷變形制成的產(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好；對于那些不能或不易用熱處理方法提高強(qiáng)度、硬度的金屬構(gòu)件(特別是薄壁細(xì)長件)，利用金屬在冷成形過程中的加工硬化來提高構(gòu)件的強(qiáng)度和硬度不但有效，而且經(jīng)濟(jì)。例如各類冷沖壓件、冷軋冷擠型材、冷卷彈簧、冷拉線材、冷鐓螺栓等等，故冷變形加工在各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛。由于冷變形過程中的加工硬化現(xiàn)象，使金屬材料的塑性變差，給進(jìn)一步塑性變形帶來困難，故冷變形需重型和大功率設(shè)備；對加工坯料要求其表面干凈、無氧化皮、平整等；另外，加工硬化使金屬變形處電阻升高，耐蝕性降低等。b.熱變形(又叫熱成形)過程及其影響金屬在熱變形中始終保持著良好的塑性，可使工件進(jìn)行大量的塑性變形，又因高溫下金屬的屈服強(qiáng)度較低，故變形抗力低，易于變形；熱變形使金屬材料內(nèi)部的縮松、氣孔或空隙被壓實(shí)，粗大(樹枝狀)的晶粒組織結(jié)構(gòu)被再結(jié)晶細(xì)化，從而使金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)致密細(xì)小，力學(xué)性能(特別是韌度)明顯改善和提高；熱變形使金屬材料內(nèi)部晶粒間的雜質(zhì)和偏析元素沿金屬流動的方向呈線條狀分布，再結(jié)晶后，晶粒的形狀改變了，但定向伸長的雜質(zhì)并不因再結(jié)晶的作用而消除，形成了纖維組織，使金屬材料的力學(xué)性能具有方向性，且纖維組織形成后，不能用熱處理方法消除，只能通過鍛造方法使金屬在不同方向變形，才能改變纖維的方向和分布。熱變形廣泛應(yīng)用于大變形量的熱軋、熱擠以及高強(qiáng)度高韌度毛坯的鍛造生產(chǎn)等；但熱變形中，金屬表面氧化較嚴(yán)重，工件精度和表面品質(zhì)較冷變形的低；另外，設(shè)備維修工作量大，勞動強(qiáng)度也較大。2、常用金屬固態(tài)塑性成形技術(shù)金屬塑性成形技術(shù)的選擇和實(shí)施，與材料、成形件的幾何形狀、工藝過程的實(shí)施條件(壓力、溫度、速度等)等有著密切關(guān)系。機(jī)械制造業(yè)中，人們充分利用冷、熱塑性變形及其相應(yīng)工藝的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)出各類毛坯或零件。1）自由鍛造（簡稱自由鍛）（1）自由鍛工藝特點(diǎn)及應(yīng)用：①成形過程中坯料整體或局部塑性成形，除與上、下砧鐵接觸的金屬部分受到約束外，金屬坯料在水平方向能自由變形流動，不受限制，故自由鍛鍛件的形狀和尺寸取決于操作者的技術(shù)水平，但鍛件質(zhì)量不受限制。②自由鍛要求被成形材料(黑色金屬或有色金屬)在成形溫度下須具有良好的塑性。經(jīng)自由鍛成形所獲得的鍛件，其精度和表面品質(zhì)差。③自由鍛可使用多種鍛壓設(shè)備(空氣錘、蒸汽錘、機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)等)，其鍛造所用工具簡單且通用性大，操作方便。但是，自由鍛生產(chǎn)率低，金屬損耗大，勞動條件較差等。故自由鍛適用于形狀簡單的單件或小批量毛坯成形，特別是重型、大型鍛件的生產(chǎn)。（2）自由鍛工藝規(guī)程自由鍛工藝規(guī)程包括繪制鍛件圖、選擇鍛造工序、確定鍛造設(shè)備、確定鍛造溫度和冷卻規(guī)范等。鍛件圖的工藝設(shè)計(jì)中，加工余量和鍛造公差的概念較易理解，而敷料(余塊)的出現(xiàn)是為了簡化鍛件外形，利于鍛造而多留的金屬，但其取舍不僅會影響鍛造及其后續(xù)工序工時(shí)的分配、材料利用率等，而且還會影響流線組織的分布和零件的質(zhì)量，應(yīng)慎重對待。鍛造工序的確定應(yīng)根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及具體的生產(chǎn)條件，結(jié)合各變形工序的特點(diǎn)，綜合比較分析后確定。鍛造設(shè)備選用時(shí)，要大體知道各類設(shè)備的能力?？諝忮N噸位小于10kN，用于小型鍛件生產(chǎn)，蒸汽錘噸位在50kN以下，用于中小型鍛件生產(chǎn)。水壓機(jī)噸位可達(dá)l05kN以上，用于大型鍛件生產(chǎn)。此外，還應(yīng)根據(jù)鍛件尺寸，控制鍛件的加熱和冷卻速度。由于鍛造過程中的應(yīng)力的產(chǎn)生，因此應(yīng)配備以適當(dāng)?shù)臒崽幚?。?）自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性（又稱結(jié)構(gòu)技術(shù)特征）由于自由鍛本身的特點(diǎn)，鍛件外形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度受到很大限制。因此在設(shè)計(jì)自由鍛件時(shí)應(yīng)考慮鍛造是否可能、方便和經(jīng)濟(jì)。如錐面、斜面(鍛打過程中產(chǎn)生水平分力，不易操作)及其他復(fù)雜截面，非平面交接結(jié)構(gòu)以及加強(qiáng)筋、小凸臺等，均應(yīng)改為簡單的、平直的形狀。2）模型鍛造（簡稱模鍛）（1）模鍛工藝特點(diǎn)及應(yīng)用：①模型鍛造時(shí)坯料是整體塑性成形，坯料三向受壓。坯料放于固定鍛模模膛中，當(dāng)動模作合模運(yùn)動時(shí)(一次或多次)，坯料發(fā)生塑性變形并充滿模膛，隨后，模鍛件由頂出機(jī)構(gòu)頂出模膛。模鍛是熱成形過程，可生產(chǎn)各種外形的鍛件，鍛件形狀僅受成形過程、模具條件和鍛造力的限制。②熱成形模鍛件的精度和表面品質(zhì)除鍛模的精度和表面品質(zhì)外，還取決于氧化皮的厚度和潤滑劑等，一般都符合要求，但要得到零件配合面最終精度和表面品質(zhì)還須再進(jìn)行精加工(如車削、銑削、刨削等)。③模鍛可使用多種鍛壓設(shè)備(蒸汽錘、機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)、臥式機(jī)械鐓鍛機(jī)等)，所需設(shè)備要根據(jù)生產(chǎn)量和實(shí)際采用的成形工藝來選擇。但模鍛件的形狀和重量受到限制，且鍛模造價(jià)高，制造周期長等。模鍛適宜于大批量生產(chǎn)的中小型鍛件。2）模鍛工藝規(guī)程模鍛工藝規(guī)程包括繪制鍛件圖、選擇鍛造工序及鍛模模膛設(shè)計(jì)、確定鍛造設(shè)備、確定鍛造溫度和冷卻規(guī)范等。在模鍛件圖工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮分模面、公差、余量、模鍛斜度、圓角半徑、沖孔連皮等。其中分模面的選擇當(dāng)然是至關(guān)重要的，它決定了金屬在終鍛模膛中充填的難易，鍛件能否順利取出以及鍛模制造的繁簡等一系列問題。模鍛件的形狀決定了模鍛鍛造工序，如長軸類零件常選用拔長、滾壓、彎曲、預(yù)鍛和終鍛等工序，而盤類鍛件，一般無需制坯工序，只需將坯料墩粗一下，即可進(jìn)入終鍛模膛。鍛模模膛一般分為制坯模膛、預(yù)鍛模膛和終鍛模膛。終鍛模膛的形狀應(yīng)與鍛件形狀相同，尺寸要比鍛件尺寸放大一個收縮量；為便于坯料和鍛件出模，垂直于分模面的表面必須有斜度；在鍛模上兩個面相交處以圓角過渡，其作用是減小坯料流人模槽的摩擦阻力，減小轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中；模膛四周的飛邊槽以容納被擠出的多余金屬；對于通孔鍛件因無法直接沖出通孔，只能壓凹成盲孔，中間留有沖孔連皮，鍛后與飛邊一同切除。對于簡單鍛件只需終鍛模膛一次成形，但對于形狀復(fù)雜鍛件則需經(jīng)過制坯模膛和預(yù)鍛模膛逐步成形，使坯料變形接近于鍛件的形狀和尺寸。制坯模膛如滾壓模膛等實(shí)現(xiàn)坯料體積的重新分配。預(yù)鍛模膛不同于終鍛模膛之處在于預(yù)鍛模膛的圓角和斜度較大，沒有飛邊槽。（3）模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性（又稱結(jié)構(gòu)技術(shù)特征）要使金屬易于充填模膛，并注意合理的分模面、模鍛斜度和圓角半徑等。（4）對其他模鍛方法只需了解各自的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍即可。胎模鍛使用不固定在設(shè)備上的各種稱為胎模的單膛模具成形模鍛件，具有操作比較靈活，胎模模具簡單、容易制造加工、成本低，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短等。曲柄壓力機(jī)模鍛由于作用力的性質(zhì)是壓力而非沖擊力，因此具有高的模鍛精度。平鍛機(jī)相當(dāng)于臥式的曲柄壓力機(jī)，除具有曲柄壓力機(jī)的特點(diǎn)外，還因?yàn)樗哂袃蓚€分模面(凹?？煞?，因而特別適合鍛制帶頭部的桿類鍛件和帶孔的以及同時(shí)帶有凹擋的鍛件等。摩擦壓力機(jī)則主要適用于小型鍛件的批量生產(chǎn)。3）板料沖壓（1）特點(diǎn)及應(yīng)用板料沖壓常在室溫下進(jìn)行，由于塑性變形產(chǎn)生的加工硬化使沖壓件的強(qiáng)度、剛度提高，加上沖壓模具能保證相當(dāng)高的精度，因此無需進(jìn)一步加工即可直接作為零件使用，特別適宜于輕質(zhì)薄壁件生產(chǎn)，并且板料沖壓具有很高的生產(chǎn)率。由于板料成形模具較復(fù)雜，設(shè)計(jì)和制作費(fèi)用高、周期長，故只有在大批量生產(chǎn)的情況下，才能顯示其優(yōu)越性。（2）沖壓工序及變形特點(diǎn)沖壓工序分為分離和成形工序兩大類。如落料和沖孔時(shí)坯料的切離過程；彎曲時(shí)，板料各層的受力和變形情況；拉深時(shí)，板料各部分受力情況等。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)能正確分析出確保每一工序順利進(jìn)行，獲得符合要求的沖壓件的必要條件，如落料和沖孔時(shí)，凸模與凹模刃口要鋒利，兩者間隙合理；彎曲時(shí)注意控制相對彎曲半徑r／S；拉深時(shí)，凸、凹模的頂角要做成圓角，兩者有合理的間隙，并且有一定的拉深系數(shù)d／D（拉深后零件直徑d與拉深前的板料直徑D之比，一般為0.5～0.8)要求等。其他如旋壓、翻邊、脹形和沖口變形工序作一般性的了解。（3）沖壓模具（簡稱沖模）沖模按完成工序的多少和方式可分為簡單沖模、連續(xù)沖模和復(fù)合沖模三種。簡單沖模和復(fù)合沖模都只在一個工位上完成工作，在一次行程中，簡單沖模只完成一道工序，而復(fù)合沖模則完成多個工序。連續(xù)沖模是在一次行程中，在板料上順序完成多個工序。（4）沖壓件結(jié)構(gòu)工藝性沖壓件結(jié)構(gòu)工藝性是根據(jù)各工序的具體特點(diǎn)分別考慮。弄懂了沖壓過程中各工序的變形特點(diǎn)，就不難理解教材中的沖壓件結(jié)構(gòu)工藝性分析。3）其他鍛壓工藝簡介對一些先進(jìn)鍛壓工藝，只需作一般性了解。與常規(guī)模鍛工藝相比較，這些先進(jìn)的模鍛工藝其有下述