設(shè)計(jì)材料與工藝課程 課件 2-3 金屬成型

金屬與金屬成形MetalandMetalForming主講人：吳訊、周海海DepartmentofIndustrialDesigninNUAA南京航空航天大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系PreparedbyXunwu，HaihaiZhou010203金屬的分類(lèi)2.1黑色金屬2.2有色金屬2.3合金金屬

金屬成形3.1液態(tài)成形3.2塑性成形3.3

固態(tài)成形金屬與金屬成形目錄金屬材料概述1.1金屬材料的定義1.2金屬材料應(yīng)用簡(jiǎn)史1.3金屬的性能0506金屬連接—焊接5.1金屬焊接加工原理及特點(diǎn)5.2金屬焊接加工方法分類(lèi)5.3焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇

5.4焊接結(jié)構(gòu)工藝性金屬的表面處理與裝飾技術(shù)6.1金屬材料的表面前處理6.2金屬材料的表面裝飾技術(shù)金屬與金屬成形目錄金屬切削4.1板材切削

4.2有屑切削4.3無(wú)屑切削

4.4火焰/激光切削0403金屬成形metalforming二/

金屬成形03金屬的成形方式主要有：（1）液態(tài)成形（2）塑性成形（3）固態(tài)成形液體態(tài)狀成型又稱鑄造，金屬受熱熔化并澆鑄到鑄型中。該工藝是一種獲得所需要的金屬工件的有效方法。塑性狀態(tài)成型又稱鍛造，棒料和預(yù)成形的零件被加熱到接近熔點(diǎn)溫度，使得它們?nèi)菀鬃冃?。各種鍛造工藝通常勞動(dòng)強(qiáng)度較大，但這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是提高了零件的強(qiáng)度。固體狀體成型，在固體狀態(tài)下，通常局限于板料、棒料和管材，并通常在室溫下進(jìn)行。這些工藝通常勞動(dòng)強(qiáng)度較大，但計(jì)算機(jī)控制加工和板料加工方面的新發(fā)展已經(jīng)大大減少了時(shí)間和成本。二/

金屬成形03液態(tài)成形(鑄造)是最早的制造工藝之一。對(duì)于加工一個(gè)復(fù)雜物體這常常是一種最經(jīng)濟(jì)的方法，為減少后續(xù)加工為目的，應(yīng)按照要求的厚度澆鑄金屬。三個(gè)相關(guān)的概念鑄型模型型腔3.1液態(tài)金屬成形型腔示意圖二/

金屬成形033.1液態(tài)金屬成形二/

金屬成形03鑄造設(shè)計(jì)原則

1、鑄件需要有拔模斜度，分模面應(yīng)該簡(jiǎn)單，不能過(guò)于復(fù)雜，同時(shí)不能位于拐角或邊緣處。

2、設(shè)計(jì)要保持鑄件壁厚是均勻的或是均勻變化的，厚度的突變將改變冷卻速率并會(huì)導(dǎo)致翹曲變形、熱裂和收縮；同時(shí)，要考慮提供補(bǔ)償量。

3、鑄件設(shè)計(jì)要避免有尖角和棱的出現(xiàn)，采用過(guò)渡曲線和圓角以確保金屬液的均勻流動(dòng)。要避免有較大的平面，因?yàn)檩^大的平面趨向于產(chǎn)生翹曲變形并且常常導(dǎo)致表面缺陷。3.1液態(tài)金屬成形二/

金屬成形033.1.1一次鑄型（損耗型鑄模）砂型鑄造是把潮濕的砂子壓實(shí)在有木模樣或金屬兩半模的砂箱中。所裝配的鑄型可以帶型芯或無(wú)型芯，熔化金屬澆鑄到最終形成的型腔中，取出零件時(shí)鑄型即被破壞。干砂型主要用于大型、重型鑄件中，它比濕砂型更堅(jiān)固。真空模塑又稱為V法造型，是新發(fā)展的一種革新工藝，適用于大型鑄件，該工藝借助真空吸力將加熱的塑料薄膜吸附在鑄型上。樹(shù)脂砂殼型由細(xì)砂混合熱固塑料制成，將這種混合物被吹附在金屬模型上，制成一個(gè)薄殼。所裝配鑄型可以是帶型芯或無(wú)型芯，熔化金屬澆鑄在最終形成的型腔中，取出零件時(shí)鑄型即被破壞。3.1液態(tài)金屬成形二/

金屬成形033.1.1一次鑄型（損耗型鑄模）3.1液態(tài)金屬成形真空模塑的砂型砂型的重力填充二/

金屬成形033.1.1一次鑄型（損耗型鑄模）3.1液態(tài)金屬成形自動(dòng)化的鑄型制造砂型鑄造的鋼鑄件二/

金屬成形033.1.1一次鑄型（損耗型鑄模）3.1液態(tài)金屬成形自動(dòng)化的鑄型制造砂型鑄造的鋼鑄件二/

金屬成形033.1.2實(shí)型鑄造（消失模鑄造）陶瓷殼型鑄造一種改良的新工藝，用一層薄的陶瓷涂在泡沫塑料的模樣上，用干砂做背襯，有使用真空來(lái)壓實(shí)砂粒形成一個(gè)堅(jiān)固的鑄型；或者是在澆鑄金屬之前，先加熱消除模樣，消除所產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體。3.1液態(tài)金屬成形二/

金屬成形033.1.2實(shí)型鑄造（消失模鑄造）熔模鑄造又稱失蠟鑄造．精密鑄造或整體型鑄造，其鑄型是由70%—80%的石膏和20%～30%的加強(qiáng)纖維制成的。工藝步驟A用蠟制作所要鑄造零件的模型；B附加橫澆道和澆口并把蠟?zāi)：冈跐沧⑾到y(tǒng)上(制成蠟?zāi)＝M)；C在熔模組表面浸涂上涂層料,模組留有直澆道和澆口杯；D當(dāng)上涂層料固定后，熔模組被翻轉(zhuǎn)、培燒，熔化的蠟從鑄型中排出，留下一個(gè)空腔。3.1液態(tài)金屬成形二/

金屬成形033.1.2實(shí)型鑄造（消失模鑄造）熔模鑄造又稱失蠟鑄造．精密鑄造或整體型鑄造，其鑄型是由70%—80%的石膏和20%～30%的加強(qiáng)纖維制成的。工藝步驟A用蠟制作所要鑄造零件的模型；B附加橫澆道和澆口并把蠟?zāi)：冈跐沧⑾到y(tǒng)上(制成蠟?zāi)＝M)；C在熔模組表面浸涂上涂層料,模組留有直澆道和澆口杯；D當(dāng)上涂層料固定后，熔模組被翻轉(zhuǎn)、培燒，熔化的蠟從鑄型中排出，留下一個(gè)空腔。3.1液態(tài)金屬成形熔模制造的鋁鑄件二/

金屬成形033.1液態(tài)金屬成形二/

金屬成形033.1.3永久鑄型石墨型鑄造石墨型是用石墨加工的整體型，它是難熔材料并且不像金屬型那樣需要陶瓷涂料。使用的金屬通常是鋅合金，鑄件的重量從28.35g-4.54kg。3.1液態(tài)金屬成形用石墨型鑄造的零件二/

金屬成形033.1.3永久鑄型金屬型鑄造金屬型通常是用鐵鑄成或是用各種不同的金屬機(jī)加工制成的。型芯可以是金屬的、砂子的或是砂殼的，鑄件材料限于鋁、鋅、某些黃銅、青銅或鉛。鑄型在型腔填充之前通常要涂一層陶瓷涂料。3.1液態(tài)金屬成形金屬型鑄造中鋁的重力填充二/

金屬成形033.1.3永久鑄型低壓鑄造在低壓鑄造中，金屬液2—7kg的空氣壓力下，從加熱坩堝中通過(guò)升液管被壓入鑄型，填充底部時(shí)消除了典型重力填充鑄造時(shí)所產(chǎn)生的湍流現(xiàn)象。鑄件凝固后，減小壓力，使剩余金屬流回到坩堝里。低壓鑄造的優(yōu)點(diǎn)包括密度增加，晶粒組織均勻，這樣確保了鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性和良好的公差。3.1液態(tài)金屬成形低壓鑄造工藝示意圖葉輪低壓金屬型鑄造二/

金屬成形033.1.3永久鑄型壓力鑄造壓力鑄型(模具)是用P形工具鋼加工的。熔化的鋁、鎂或鋅合金在高壓下被注入水冷模中然后開(kāi)模，頂出零件。通常由剪切模去除飛邊，并精整。壓力鑄型有兩類(lèi)設(shè)備：冷室壓鑄機(jī)和熱室壓鑄機(jī)。3.1液態(tài)金屬成形冷室壓鑄機(jī)示意圖熱室壓鑄機(jī)示意圖采用壓力鑄造工藝制造的鋁鎂合金輪架二/

金屬成形033.1.3永久鑄型真空壓力鑄造用于生產(chǎn)對(duì)精度和強(qiáng)度高要求的鑄件。該工藝中，將鋼模放入一個(gè)封閉罩里，并浸在金屬液中。在該腔內(nèi)抽真空使金屬流入澆道和進(jìn)入型腔中。3.1液態(tài)金屬成形真空壓力鑄造工藝采用真空成型鑄造的高爾夫擊球頭二/

金屬成形03

塑性成型是將金屬棒料加熱（但低于臨界溫度火溶點(diǎn)）成型的加工工藝。該工藝的目的不僅使金屬成形而且需要控制晶粒組織以提高零件的強(qiáng)度。該工藝有些比較昂貴，但它能夠?qū)崿F(xiàn)其他加工工藝所不可能實(shí)現(xiàn)的出眾的性能。3.2塑性成形二/

金屬成形033.2塑性成形二/

金屬成形033.2.1軋制在熱軋中，預(yù)熱的棒料或方坯通過(guò)一系列的軋輥擠壓，變薄或變形為板料、片料或結(jié)構(gòu)形狀。晶粒先被壓碎然后拉長(zhǎng)，在回復(fù)階段晶粒會(huì)再生長(zhǎng)，形成粗糙的表面（紅色顯示晶粒改變）。3.2塑性成形一/

金屬成形033.2.1軋制在冷軋中，預(yù)先熱軋過(guò)的板料通過(guò)軋輥(冷態(tài)下)進(jìn)一步壓平，碾碎并拉長(zhǎng)晶粒。但在加熱或退火階段，晶粒細(xì)化，形成光滑、細(xì)致的表面。該工藝改善了鋼板性能但增加了20%的成本（紅色顯示晶粒改變）。3.2塑性成形二/

金屬成形033.2.2鍛造3.2塑性成形鐓鍛—頭部分別在凸模和凹模中成型。二/

金屬成形033.2.3擠壓將加熱的圓形坯料放入壓力腔內(nèi)，通過(guò)液壓；中頭迫使其穿過(guò)凹模，成型出長(zhǎng)的側(cè)輪廓。3.2塑性成形零件通過(guò)從擠壓件上切下得到二/

金屬成形033.2.3擠壓3.2塑性成形二/

金屬成形033.2.3擠壓3.2塑性成形二/

金屬成形033.2.4沖擠在沖擠中，大型的沖壓機(jī)適用于薄壁和無(wú)拔模斜度的小零件及中等尺寸的零件。3.2塑性成形二/

金屬成形033.2.5拉拔如圖示，用拉力使大截面的金屬坯料強(qiáng)行穿過(guò)一定形狀的?？祝垣@得所需斷面形狀、尺寸的小截面毛坯或制品的工藝過(guò)程。

拉拔生產(chǎn)主要用來(lái)制造各種管材、棒材、線材和異形材等。可拔制的金屬材料：有低碳鋼、有色金屬及合金。3.2塑性成形二/

金屬成形03

固態(tài)成形是成型金屬板料、棒料、線材和管材的工藝，通常在室溫下進(jìn)行。有些情況下，如果是厚料，延展性差，或在成型過(guò)程中發(fā)生冷卻硬化時(shí)，就需要對(duì)這些材料加熱。板料通常限于厚度小于0．64cm的金屬。板料成型又稱為鈑金。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.1板料沖壓板料沖壓常簡(jiǎn)稱沖壓，是在壓力作用下利用模具使金屬板料分離或產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需工件的工藝方法。

沖壓通常在常溫下進(jìn)行，故又稱為冷沖壓。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.1板料沖壓沖壓加工生產(chǎn)的特點(diǎn)：（1）主要是對(duì)金屬板材進(jìn)行加工，制件一般不需進(jìn)行再處理；（2）沖壓生產(chǎn)率高，材料利用率高；（3）制件精度高、產(chǎn)品一致性高，可在平面方向制成復(fù)雜產(chǎn)品；（4）模具和設(shè)備要求高、適合大批量生產(chǎn)。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.1板料沖壓材料：板料沖壓的原材料主要是塑性好的金屬板材材，低碳鋼薄板材、有色金屬及合金板材。坯料厚度一般在4mm以下。

主要制品：沖壓加工，廣泛應(yīng)用在航空、汽車(chē)、電器等工業(yè)上和生活日用品的生產(chǎn)。如生活鋁制品、鋁、鎂合金材質(zhì)的電器殼體等。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.1板料沖壓沖壓工藝的分類(lèi)：沖壓加工因制件的形狀、尺寸和精度的不同，所采用的工序也不同。根據(jù)材料的變形特點(diǎn)可將冷沖壓工序分為分離工序和成形工序兩類(lèi)。

分離工藝——是指坯料在沖壓力作用下，變形部分的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限σb以后，使坯料發(fā)生斷裂而產(chǎn)生分離。分離工序主要有剪裁、沖孔、落料等。

成形工藝——是指坯料在沖壓力作用下，變形部分的應(yīng)力達(dá)到屈服極限σs，但未達(dá)到強(qiáng)度極限σb，使坯料產(chǎn)生塑性變形，成為具有一定形狀、尺寸與精度制件的加工工序。成形工序主要有彎曲、拉深、翻邊、旋壓等。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.1板料沖壓3.3固態(tài)成形分類(lèi)成形方法簡(jiǎn)圖特點(diǎn)及應(yīng)用范圍板料成形分離工序落料用模具沿封閉輪廓線沖切，沖下部分是零件。用于制造各種平板零件或者成形工序制坯沖孔用模具沿封閉輪廓線沖切，沖下部分是廢料。用于沖制各類(lèi)零件的孔形成形工序彎曲把板料沿直線彎曲成各種形狀，板料外層受拉伸力，內(nèi)層受壓縮力。可加工形狀復(fù)雜的零件二/

金屬成形033.3.1板料沖壓3.3固態(tài)成形分類(lèi)成形方法簡(jiǎn)圖特點(diǎn)及應(yīng)用范圍板料成形成形工序拉深法蘭區(qū)坯料載切向壓應(yīng)力、徑向拉應(yīng)力作用下向直壁流動(dòng)，制成筒形或帶法蘭的筒形零件脹形平板毛坯或者管坯載雙向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生雙向伸長(zhǎng)變形。用于成形凸包、凸筋或鼓凸空心零件翻邊在預(yù)先沖孔的板料或未經(jīng)沖孔的板料是上，載雙向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生切向伸長(zhǎng)變形，沖制帶有直邊的空心零件高速送料沖壓板材沖孔動(dòng)畫(huà)二/

金屬成形033.3.1板料沖壓拉深的工藝措施：（1）凹凸模必須有合理的圓角（2）合理的凹凸模間隙（3）合理的拉深系數(shù)（d/D）（4）潤(rùn)滑，為了減小摩擦，以降低拉深件壁部的拉應(yīng)力，減少模具的磨損3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.1板料沖壓

拉深中，沖頭將金屬擠壓到一個(gè)相匹配的模腔中，金屬板料成形出一個(gè)空心的形狀。在深度拉深中，通常經(jīng)過(guò)一些連續(xù)的步驟完成，空腔的深度是直徑的2倍或2倍以上。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.1板料沖壓3.3固態(tài)成形3.3.2彎曲（折彎）工藝折彎工藝是將管材或板料按設(shè)計(jì)要求彎成一定的角度和一定的曲率，形成所需形狀零件的沖壓工序。多用于工業(yè)產(chǎn)品的箱、柜、盒和一些結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，同工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品關(guān)系密切。二/

金屬成形033.3.2彎曲彎曲是坯料的一部分相對(duì)于另一部分彎曲成一定角度的工序。彎曲件的工藝性是指彎曲工件的形狀、尺寸、精度、要求、材料選用以及技術(shù)要求等是否符合彎曲加工的工藝要求。良好的工藝性不僅能夠簡(jiǎn)化模具設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化彎曲工藝過(guò)程和提高生產(chǎn)率，而且能夠提高彎曲件的精度，避免各種彎曲缺陷使之易于成型，提高材料利用率和降低成本。為防止彎裂，彎曲的最小半徑為（0.25～1）t，t為金屬板料的厚度。材料的塑性越好，其彎曲半徑越小。彎曲時(shí)還應(yīng)盡可能使彎曲線與坯料纖維方向垂直。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.2彎曲根據(jù)彎曲變形區(qū)斜載后產(chǎn)生回彈的規(guī)律，可采用改變彎曲件局部結(jié)構(gòu)—在彎曲變形區(qū)壓制加強(qiáng)肋的方法，改善彎曲回彈現(xiàn)象。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.2彎曲彎曲件的彎曲半徑不能小于材料允許的最小彎曲半徑rmin否則可以采用在彎角內(nèi)側(cè)開(kāi)槽的方法。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.2彎曲為保證彎曲件的直邊部分平直，彎曲件的直邊高度應(yīng)不小于2t；否則須在彎曲圓角處預(yù)先壓槽后再?gòu)澢?.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.2彎曲彎曲件的形狀一般要求彎曲件形狀對(duì)稱，彎曲半徑左右一致，則彎曲時(shí)坯料受力平衡而無(wú)滑動(dòng)。3.3固態(tài)成形二/

金屬成形033.3.2彎曲金屬板彎曲3.3固態(tài)成形小豬儲(chǔ)蓄罐用激光從不銹鋼板上切下并使用壓彎成型機(jī)成型。二/

金屬成形033.3.2彎曲金屬板彎曲3.3固態(tài)成形用于純彎曲的摩擦成型模滾軋彎曲示意圖二/

金屬成形033.3.2彎曲V形模彎曲V形模彎曲是最昂貴的彎曲加工工藝，因?yàn)樗褂门c凸模和凹模(或工具)相匹配的一套裝置，并且有復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。模具可以生產(chǎn)不同精度的彎曲件，通常是為特殊用途而設(shè)計(jì)的。3.3固態(tài)成形V形模彎曲示意圖二/

金屬成形033.3.2彎曲典型彎曲件的工序安排一次彎曲：3.3固態(tài)成形第一次彎曲二/

金屬成形033.3.2彎曲典型彎曲件的工序安排二次彎曲3.3固態(tài)成形第一次彎曲第二次彎曲二/

金屬成形033.3.2彎曲典型彎曲件的工序安排

三次彎曲3.3固態(tài)成形第一次彎曲第二次彎曲第三次