金属塑性成形课件.pptx

,金属塑性成形,工程材料及成形工艺基础,1.1 金属塑性成形原理,金属塑性成形是指对金属材料施加外力作用，利用金属材料的塑性使其产生塑性变形，从而获得具有一定的形状、尺寸、组织和性能的工件或毛坯的加工方法，也称为塑性加工或压力加工。与液态成形方法相比，塑性成形是在固态下完成的，成形后不仅可以改变形状，还可以改变性能。与金属切削加工、铸造、焊接等加工工艺相比，塑性成形使金属组织致密、晶粒细小、力学性能提高。,1.1.1 金属的塑性变形,金属在外力作用下内部产生应力，该应力使原子偏离原来的平衡位置，使金属产生变形。如果外力比较小，当外力去除后，原子达到新的平衡状态，金属恢复不到原来的形状和尺寸，产生永久变形，这种变形称为塑性变形。 滑移是指在切应力作用下晶体的一部分相对于晶体的另一部分沿滑移面做整体滑动。如图8-1所示为单晶体在切应力作用下的滑移变形过程。,图8-1 单晶体在切应力作用下的滑移变形过程,孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿某个晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列成镜面对称。单晶体在切应力作用下的孪生变形过程如图8-2所示。孪生变形只有在滑移变形受到限制而无法进行的情况下才会发生。如镁、锌、镉等具有密排六方晶格的金属滑移变形比较困难，容易产生孪生变形；面心立方晶格的金属一般不易发生孪生变形；体心立方晶格的金属只有在低温或室温冲击载荷作用下，才可能发生孪生变形。,图8-2 单晶体在切应力作用下的孪生变形过程,1.金属塑性变形的分类 金属在不同温度下变形后的组织、性能不同，因此，金属的塑性变形根据变形温度的不同可分为冷变形和热变形两种。 变形温度在再结晶温度t再以下的变形称为冷变形，具有加工硬化现象，变形过程中需施加较大的力，并要避免变形过大和防止破裂。变形温度在再结晶温度t再以上的变形称为热变形，变形过程中施加较小的力可产生较大的变形，同时变形后，金属具有再结晶组织，机械性能优良，超过变形前的材料性能。因而金属压力加工中，多采用热变形。,例如，铸锭在热加工前内部组织不均匀，晶粒粗大且存在气孔、缩松等铸造缺陷。热加工后，金属经塑性变形及再结晶，细化了铸造组织，同时使气孔、缩松等压合在一起，增加了致密性，如图8-3所示。,图8-3 铸锭热变形前、后的组织,1.1.2 金属塑性变形后的组织和性能,2.金属冷变形后的组织与性能 金属在一定温度下变形时，内部组织会发生一系列变化，如图8-4所示。晶粒在外力作用下被扭曲、拉长，随着变形量的增加逐渐呈纤维状，并且有些晶粒破碎形成碎晶，扭曲的晶格和纤维状组织对金属进一步变形有阻碍作用，使金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。具有加工硬化现象的变形方式称为冷变形。,图8-4 变形前、后晶粒形状变化,3.金属热变形后的组织与性能1）回复、再结晶过程 金属冷变形后有一部分变形功（约110）会被金属吸收，储存在金属中（如晶格畸变、缺陷等），使金属内能升高且处于不稳定状态，有自发向稳定状态转变的趋势。在一般温度下原子扩散很慢，不易实现。当温度升高时，原子动能增加，金属内部组织会发生一系列变化，如图8-5所示。,图8-5 回复、再结晶过程,当温度较低时，显微组织没有变化，但晶体中的缺陷密度与分布会发生变化，此时金属的强度和硬度稍有降低，见图8-5（c），这一过程称为回复，此时的温度称为回复温度。一般情况下，纯金属的回复温度t回=0.250.3t熔。当温度进一步升高时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心形核并长大，直到全部冷变形晶粒消失也就消除了加工硬化。这个新晶粒的形核、长大过程称为再结晶。再结晶完成后如果保持温度，新晶粒会逐渐长大，见图8-5（d）。一般情况下，纯金属的再结晶温度t再=0.4t熔。,再结晶的新晶粒具有和冷变形基体相同的晶体结构，因此，再结晶不是相变，其晶粒均匀细化，塑性好。变形金属在加热时组织与性能的变化如图8-6所示。,图8-6 金属在加热时组织与性能的变化,2）纤维组织 铸锭中的杂质在变形过程中，沿变形方向被拉长呈纤维状，这种结构称为纤维组织。纤维组织的明显程度与变形程度有关，变形程度越大，纤维组织越明显。锻造中常用锻造比来表示变形程度。 纤维组织使金属性能产生方向性，当拉应力方向与纤维长度方向一致时，材料的塑性和韧性比拉应力方向垂直于纤维长度方向时高。因此，设计零件时，应尽量使纤维组织完整，与零件轮廓形状一致，使最大拉应力方向与纤维方向一致，使切应力方向与纤维方向垂直。如图8-7所示，铸锭纤维连贯，截面过渡处纤维与切应力成一定角度，提高了承载能力。,图8-7 典型零件的截面流线,4.金属温变形 金属温变形是介于热变形和冷变形之间的变形方式，其变形温度应严格控制在再结晶温度以下，且又要保证金属在锻造过程中能够发生回复。对于冷变形困难的金属，采用温变形可提高一次变形量，减小变形抗力。温变形时金属发生了回复作用，锻件强度较冷变形时低。如果热变形时氧化严重的金属可采用温变形来提高其表面质量。温变形中严格控制的因素是温度，因为在再结晶温度以下一定范围金属会脆化，硬度升高，所以温变形温度范围较窄。,5.影响金属塑性变形性能的因素 影响金属塑性变形性能的因素包括材料性质和变形条件两个方面。 1）材料性质的影响 材料性质的影响如下： （1）化学成分的影响。不同化学成分的金属的塑性变形性能不同。 （2）金属组织的影响。金属内部的组织结构不同，其塑性变形性能也有很大差别。单相组织比多相组织的变形性能好。,2）变形条件的影响 变形条件的影响如下： （1）变形温度的影响。一般来说，在一定的温度范围内，随着变形温度的提高，金属的塑性变形性能也提高。 （2）变形速度的影响。变形速度是单位时间内的变形程度，它对金属的塑性与变形抗力的影响如图8-8所示。,图8-8 变形速度对金属的塑性与变形抗力的影响1变形抗力曲线； 2塑性变化曲线,（3）应力状态的影响。金属在不同方向进行变形时，所产生的应力（压应力或拉应力）大小和性质不同。如图8-9所示，挤压变形时为三向受压状态，而拉拔变形时为两向受压一向受拉状态。,图8-9 应力状态示意图,1.2 金属塑性成形方法,1.2.1 锻造成形,1.自由锻造 自由锻造是在自由锻造设备的基础上，利用简单的通用性工具（如砧子、型砧、胎模等），使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。自由锻造主要用于单件、小批量生产，是大型锻件唯一的生产方法。 常用的自由锻造设备有空气锤、蒸汽空气自由锻锤、液压机等。自由锻造设备通用性好，工具简单，可锻大型件，锻件组织细密，力学性能好；但操作技术要求高，生产效率低。自由锻件形状较简单，加工余量大，精度低。一般小型自由锻件以成形为主，大型自由锻件（尤其是重要件）和特殊钢则以改善内部质量为主。 自由锻造的工序包括拔长、镦粗、冲孔、弯曲、切割、错移、锻接和扭转。,1）拔长 （1）在平砧上拔长。如图8-10（a）所示为在锻锤上、下砧间拔长。高度为H（或直径为D）的坯料由右向左送进，每次送进量为L。为了使锻件表面平整，L应小于砧宽B，一般L0.75B。对于重要锻件为了整个坯料产生均匀的塑性变形，L/H（或L/D）应为0.40.8。 （2）在芯棒上拔长。如图8-10（b）所示为在芯棒上拔长空心坯料。锻造时，先把芯棒插入冲好孔的坯料中，然后当做实心坯料进行拔长。拔长时，一般不是一次拔成，而是先将坯料拔成六角形，锻到所需长度后，再倒角滚圆，取出芯棒。为便于取出芯棒，芯棒的工作部分应有1100左右的斜度。这种拔长方法可使空心坯料的长度增加，壁厚减小，而内径不变，常用于锻造套筒类长空心锻件。,图8-10 拔长,2）镦粗 镦粗是使毛坯高度减小，横断面积增大的锻造工序。镦粗工序主要用于锻造齿轮坯、圆饼类锻件，可有效地改善坯料组织，减小力学性能的异向性。镦粗与拔长的反复进行，可以改善高合金工具钢中碳化物的形态和分布状态。 镦粗可分为完全镦粗、端部镦粗和中间镦粗三种形式。,图8-11 镦粗,3）冲孔 冲孔是用冲头在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。如图8-12所示，它可分为单面冲孔和双面冲孔两种，主要用于锻造空心锻件，如齿轮、圆环、套筒等。,图8-12 冲孔,4）弯曲 弯曲是采用一定的工具或模具将坯料弯成所规定的外形的锻造工序。常用的弯曲方法有锻锤压紧弯曲法和模弯曲法两种。 （1）锻锤压紧弯曲法。锻锤压紧弯曲法是坯料的一端被上砧、下砧压紧，用大锤打击或用吊车拉另一端，使其弯曲成形的方法，如图8-13所示。,图8-13 锻锤压紧弯曲法,（2）模弯曲法。模弯曲法是在垫模中弯曲得到形状和尺寸较准确的小型锻件的成形方法，如图8-14所示。,图8-14 模弯曲法,5）切割 切割是指将坯料分成两部分的锻造工序。切割的工具称为剁刀。切割常用于下料和切除锻件的余料。它可分为单面切割和双面切割，如图8-15所示。,图8-15 切割,6）错移 错移是指将坯料的一部分相对于另一部分平行错开一段距离，但仍保持轴心平行的锻造工序，常用于锻造曲轴零件。如图8-16所示，错移时先对坯料进行局部切割，然后在切口两侧分别施加大小相等、方向相反且垂直于轴线的冲击力或压力，使坯料实现错移。,图8-16 错移,7）锻接 锻接是将坯料在炉内加热至高温后用锤快击，使两者在固态结合的锻造工序。锻接的方法主要有咬接和搭接两种，如图8-17所示。锻接后的接缝强度可达被连接材料强度的70%80%。,图8-17 锻接,8）扭转 扭转是将坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的锻造工序。该工序多用于锻造多拐曲轴和校正某些锻件。小型坯料扭转角度不大时可用锤击方法，如图8-18所示。,图8-18 扭转,2.模型锻造1）锤上模锻 在锻锤上进行的模锻称为锤上模锻，如图8-19所示。常用的锤上模锻设备为蒸汽空气模锻锤。,图8-19锤上模锻成形的示意图1锤头； 2楔铁； 3上模； 4锻造中的坯料； 5下模；6模座； 7砧铁； 8坯料； 9带毛边和连皮的锻件；10毛边和连皮； 11锻件,（1）锻模结构。锤上模锻所用的锻模由上模和下模组成。上模和下模分别通过楔铁和键块固定在锤头下端和模座的燕尾槽内。锤上模锻成形时，上模和下模合在一起，金属在模膛内成形。 （2）模锻件图的制定。模锻件图的制定要考虑以下几个方面： 分模面位置的选择。确定分模面的原则是将分模面选在模锻件最大尺寸的截面上，使模膛深度最小、宽度最大，但模膛侧面不能有内凹的形状，以便锻件成形后顺利出模；分模面应尽量选在平面上；饼类锻件应尽量选用圆形的分模面；金属流线应符合锻件工作时的受力特点。 机械加工余量的确定。模锻件的尺寸较精确，其机械加工余量比自由锻造小得多。机械加工余量取决于零件的轮廓尺寸、重量大小、精度和表面粗糙度等。,模锻斜度的选择。为便于模锻件从模膛中取出，模锻件上垂直于分模面的侧壁要有一定的斜度，称为模锻斜度，如图8-20（a）所示。 圆角半径的确定。为了便于金属在模膛中流动，防止锻模开裂，保证锻造流线的连续性，提高锻模寿命，模锻件上所有尖锐棱角都必须做成圆弧状，圆弧的半径称为圆角半径，如图8-20（b）所示。 冲孔连皮。具有通孔的模锻件在模锻时不能锻出通孔，因此，孔内必须留有一定厚度的金属，称为冲孔连皮，如图8-20（c）所示。 锻件图的技术条件。,图8-20 模锻斜度、圆角半径和冲孔连皮的示意图,2）锻造压力机上模锻 锻造压力机上模锻包括热模锻压力机上模锻、螺旋压力机上模锻和平锻机上模锻。 （1）热模锻压力机上模锻。热模锻压力机采用整体床身或有预应力的框架式床身，通过曲柄连杆机构使滑块往复运动进行模锻，如图8-21所示。,图8-21 热模锻压力机上模锻的工作原理1下模； 2曲轴； 3带闸制动器； 4V形带；5电动机； 6轴； 7传动齿轮； 8摩擦离合器； 9连杆；10滑块,热模锻压力机滑块运动精确，其模具有导向装置，分为预成形、预锻、终锻等工序，如图8-22所示。,图8-22 热模锻压力机上模锻的工序,（2）螺旋压力机上模锻。螺旋压力机是利用飞轮旋转积蓄的能量，靠螺杆的旋转带动滑块上、下运动使坯料模锻成形的。摩擦螺旋压力机的工作原理如图8-23所示。 摩擦螺旋压力机模锻设备投资较低，工艺适应性强，但生产效率较低，适合于中、小型锻件的中、小批量生产，如阀体、螺钉、齿轮等。,图8-23 摩擦螺旋压力机的工作原理1工作台； 2导轨； 3滑块； 4电动机； 5摩擦轮； 6飞轮； 7固定螺母； 8螺杆； 9操纵杆,（3）平锻机上模锻。平锻机是具有镦锻滑块和夹紧滑块的卧式压力机，其主滑块水平运动。平锻机模锻件成形工序包括积累、预成形和终锻三个工序，如图8-24所示。,图8-24 平锻机模锻件成形工序,3.胎模锻造 胎模主要有扣模、套筒模和合模三种类型。 （1）扣模。扣膜用于锻造非回转体锻件，具有敞开的模膛，如图8-25（a）所示。锻造时工件一般不翻转，不产生毛边。扣膜既可用于制坯，又可用于成形。 （2）套筒模。套筒模主要用于锻造回转体锻件，如齿轮、法兰等。套筒模有开式套筒模和闭式套筒模两种类型。 开式套筒模。开式套筒模一般只有下模（套筒和垫块），没有上模（锤砧代替上模）。其优点为结构简单，可以得到很小或不带锻模斜度的锻件，取件时一般要翻转180；缺点是对上砧、下砧的平行度要求较严，否则易使毛坯偏斜或填充不满。,图8-25 胎模类型,闭式套筒模。闭式套筒模一般由上模、套筒等组成，如图8-25（b）所示。锻造中金属在模膛的封闭空间中变形，不形成毛边。由于导向面间存在间隙，往往在锻件端部间隙处形成横向毛刺，需进行修整。此方法要求坯料尺寸精确，否则会增加锻件垂直方向的尺寸或不能充满模膛。 （3）合模。合模一般由上模、下模及导向装置组成，如图8-25（c）所示。合模可用来锻造形状复杂的锻件。在锻造过程中多余金属流入飞边槽会形成飞边。,冲压成形主要应用于板料，是利用压力装置和模具使板材产生分离或塑性变形，从而获得成形件的塑性成形方法。板料冲压工艺在工业生产中有着十分广泛的应用，特别是在汽车、拖拉机、航空航天、电器、仪表及国防等工业中占有极其重要的地位。 板料冲压具有以下特点： （1）可冲压出形状复杂的零件，废料较少，材料利用率高。 （2）冲压件尺寸精度高，表面粗糙度低，互换性能好。 （3）可获得强度高、刚性好、质量轻的冲压件。 （4）冲压操作简单，工艺过程便于实现机械化、自动化，生产率高；但冲模制造复杂，要求高。因此，这种工艺方法用于大批量生产时才能使冲压产品成本降低。,1.2.2 冲压成形,1.冲压基本工序板料冲压的基本工序可分为分离工序和变形工序两步。1）分离工序 分离工序是将坯料的一部分和另一部分分开的工序，如剪切、落料和冲孔、整修等。,图8-26 落料的排样法,2）变形工序变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生塑性变形而不破裂的工序，如弯曲、拉深等。（1）弯曲。弯曲是使坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序。如图8-27所示为弯曲时金属变形简图。（2）拉深。拉深是使坯料变形成开口空心零件的工序。如图8-28所示为拉深过程简图。为减少坯料断裂，拉深模的凸模和凹模边缘都不能是锋利的刃口，而应做成圆角。,图8-27 弯曲时金属变形简图,图8-28 拉深过程简图,图8-29常用小型冲床的基本结构1制动器； 2曲轴； 3离合器； 4飞轮； 5电动机； 6踏板； 7工作台； 8滑块； 9连杆,2.冲压设备 冲压常用设备有剪床和冲床。剪床（也称为剪板机）的用途是将板料切成一定宽度的条料，以供冲压所用。冲床是冲压加工的基本设备。常用小型冲床的基本结构如图8-29所示。接通电源后，电动机5通过减速机构带动飞轮4旋转，踩下踏板6使离合器3闭合，通过曲轴2和连杆9使原处于最高极限位置的滑块8沿导轨向下运动，进行冲压。若踩下踏板6后立即抬起，使离合器3脱开，则在制动器1的作用下，使滑块8停止在最高位置上，完成一个单次冲压；若不抬起踏板6，则可进行连续冲压。,3.冲压模具1）简单模 简单模是在压力机的一次行程中只完成一道工序的模具。如图8-30所示为落料用的简单模。凹模8用凹模固定板12固定在下模座11上，下模座11用螺栓固定在冲床的工作台上。凸模3用凸模固定板4固定在上模座2上，上模座2通过模柄1与冲床的滑块连接，凸模3可随滑块做上、下运动。为了使凸模3向下运动时能对准凹模孔，并在凹模孔之间保持均匀间隙，通常用导套5和导柱6来保证。条料在凸模3上沿两个导向板7、13送进，碰到定位销9停止。凸模3向下冲压时，冲下部分进入凹模孔，而条料则夹住凸模3一起回程向上运动。条料碰到卸料板10时被推下，这样条料就可以继续沿两个导向板7、13送进。重复上述动作，即可连续冲压。,图8-30 落料用的简单模1模柄； 2上模座； 3凸模； 4凸模固定板； 5导套； 6导柱；7、13导向板； 8凹模； 9定位销； 10卸料板；11下模座； 12凹模固定板,2）连续模 连续模是把两个或两个以上的简单模安装在一个模板上，在压力机一次行程内在模具不同部位上同时完成两个以上冲压工序。该冲模生产效率高，易于实现自动化生产，但模板定位精度要求高，具有制造麻烦和成本高的缺点。3）复合模 复合模是利用压力机的一次行程，在模具的同一位置完成数道工序的模具。该冲模适用于产量大、精度高的冲压件。,1.2.3 拉拔、挤压和轧制成形1.拉拔成形 拉拔成形是靠拉拔机的钳口夹住穿过拉拔模孔的金属坯料，从模孔中拉出，从而获得与模孔形状、尺寸相同的产品的一种加工方法。它一般在冷态下进行，可拉拔断面尺寸很小的线材和管材，如直径为0.015 mm的金属线，直径为0.25 mm的管材等。拉拔制品的尺寸精度、表面光洁度和强度都很高，主要用于制造电线、电缆、金属网线和各种管材。2.挤压成形 挤压成形是使装入挤压筒内的坯料，在挤压筒后端挤压轴的推力作用下，从挤压筒前端的模孔流出，从而获得与挤压模孔形状、尺寸相同的产品的一种加工方法。挤压成形有正挤压成形和反挤压成形两种基本方式。正挤压成形时，挤压轴的运动方向与从模孔中挤出的金属流动方向一致；反挤压成形时，挤压轴的运动方向与从模孔中挤出的金属流动方向相反。挤压成形可用于加工各种复杂断面的实心型材、棒材、空心型材和管材。它是有色金属型材、管材的主要生产方法。,3.轧制成形 轧制成形是使通过两个或两个以上旋转轧辊间的轧件产生压缩变形，使其横断面面积减小并改变形状，从而使其纵向长度增加的一种加工方法。根据轧辊与轧件的运动关系，轧制成形有纵轧成形、横轧成形和斜轧成形三种方式。,1.绘制锻件图绘制自由锻件的锻件图可按以下步骤进行：,1.3 金属塑性成形工艺,1.3.1 锻压成形工艺,2.计算坯料质量与尺寸1）坯料质量坯料质量可按下式计算m坯料=m锻件+m烧损+m料头式中，m坯料为坯料质量（kg）；m锻件为锻件质量（kg）；m烧损为加热时由于坯料表面氧化而烧损的质量（kg），第一次加热时，m烧损取被加热金属的2%3%，以后每次加热，m烧损均取被加热金属的1.5%2.0%；m料头为在锻造过程中，冲掉或切掉的那部分金属的质量（kg），如冲孔时坯料中部的料芯和修切端部的料头等。 当锻造大型锻件时，若采用钢锭作为坯料，还要考虑应切掉的钢锭头部和尾部的质量。,2）坯料尺寸 根据坯料质量就可以确定坯料尺寸。在计算坯料尺寸前先要考虑锻造比。锻造比是指坯料在锻造前、后断面积的比值。 对于拔长工序，其锻造比可按下式计算,式中，Rd为拔长工序坯料的锻造比；S0为拔长前坯料的断面积（mm2）；S1为拔长后坯料的断面积（mm2）；L0为拔长前坯料的长度（mm）；L1为拔长后坯料的长度（mm）。 对于镦粗工序，其锻造比可按下式计算,3.制定锻造工序 根据不同类型的锻件制定不同的锻造工序。工序确定后，尚需确定所用工夹具、加热设备、加热和冷却规范及根据锻件质量确定锻造设备。4.选择锻造设备及模膛制造 应根据坯料的种类、质量以及锻造基本工序、设备的锻造能力等因素，结合工厂现有设备条件综合确定锻造设备。模膛制造主要根据锻件形状、尺寸及锻造工序等因素确定。5.修正工序 锻件经终锻成形后，为保证和提高锻件质量，还需安排以下修正工序。 1）切边和冲孔 2）校正 3）清理 4）精压6.热处理 为消除锻件加工硬化和过热组织，细化晶粒和满足其他所需的力学性能，一般应对锻件进行正火或退火处理。,1.3.2 冲压成形工艺1.冲压件的工艺性分析 冲压件的工艺性是指冲压件对冲压加工工艺的适应性。良好的冲压工艺性是在满足零件使用要求的前提下，能以最简单、最经济的冲压方式加工出冲压件。影响冲压件工艺性的主要因素有冲压件的形状、尺寸、精度及材料等。2.拟订冲压工艺方案 拟订冲压工艺方案包括选择冲压基本工序、确定冲压次数和冲压顺序。冲压顺序主要根据工序的变形特点和质量要求来安排，确定冲压顺序的一般原则如下： （1）对于有孔或有缺口的平板件，如选用简单模时，一般先落料，再冲孔或切口，使用连续模时，则应先冲孔或切口，后落料。 （2）对于带孔的弯曲件，孔边与弯曲件的间距较大，可先冲孔，后弯曲。如孔边在弯曲件附近或对孔与基准面有较高要求时，必须先弯曲后冲孔。,（3）对于带孔的拉深件，一般都是先拉深后冲孔，但是孔的位置在零件底部，且孔径尺寸要求不高时，也可先在毛坯上冲孔，后拉深。 （4）对于多角弯曲件，应从材料变形和弯曲时材料移动两方面考虑安排先后顺序，一般情况下先弯外角，后弯内角。 （5）对于形状复杂的拉深件，为便于材料变形和流动，应先成形内部形状，再拉深外部形状。 （6）整形或校平工序应在冲压件基本成形以后进行。3.确定模具类型与结构形式 根据确定的冲压工艺方案选用冲模类型，并进一步确定各零件、部件的具体结构形式。4.选择冲压设备 根据冲压工序的性质选择冲压设备的类型，根据所需冲压力和模具尺寸的大小选择冲压设备的技术规格。5.编写冲压工艺文件 冲压工艺文件一般以工艺过程卡形式表示。,1.4 金属塑性成形的结构设计,1.自由锻件的结构设计 设计自由锻件时，除满足使用性能要求外，还需考虑自由锻造的设备和工具的特点，零件的结构要符合自由锻造的工艺要求。由于自由锻造所用的设备和工具简单，且通用性强，锻件形状主要依靠工人的操作技术来保证。因此，自由锻件结构的设计原则是在满足使用要求的前提下，使锻件形状尽量简单，易于锻造。,1.4.1 锻压结构设计,1. 模锻件应具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径。,2. 在满足使用性能要求的条件下，零件形状应力求简化、平直和对称，尽量避免薄壁、高筋和高台等结构，在分模面上避免出现小枝杈和薄凸缘。,3. 应避免窄沟、深槽、深孔及多孔结构，以便于制造模具和延长模具使用寿命。,4. 对复杂锻件应减少工艺余块，简化工艺。,2.模锻件的结构设计,在满足使用性能的条件下，为节约材料，减少模具磨损，提高生产率，降低成本和保证质量，冲压件结构设计时应考虑以下因素：（1）落料与冲孔的形状应力求简单、对称，尽量采用圆形、矩形等规则形状，并应在排样时将废料降低到最少。（2）孔与有关尺寸应满足工艺要求。冲压件上应采用圆角代替尖角连接，以防应力集中而被冲裂；孔与沟槽应尽量在变形工序前的平板坯料上冲出，以免变形。（3）为防止板料在冲压时偏移和窜动，应利用坯料上已有孔，或另加定位孔与模具上的导正销配合定位。（4）弯曲件形状力求对称，弯曲半径不能小于坯料许可的最小弯曲半径。（5）拉深件形状应简单对称，不能过深，圆角半径不能太小，以便于模具制造，提高模具寿命，并减少拉深次数。（6）为减少组合键可采用冲口工艺。冲口工艺是指在冲压件口边上冲压出裂痕的工艺。（7）为减少冲力和模具磨损，节约材料，应尽量采用薄板。（8）冲压件的精度要求一般不能超过各冲压工序的经济精度。冲压件的表面质量要求一般应不高于原材料的表面质量。,1.4.2 冲压结构设计,1.5.1 精密模锻,1.5 金属塑性成形的新技术,1.金属的超塑性概念 一般工程上用延伸系数来判断金属材料塑性的高低。通常在室温下，黑色金属的延伸系数一般不超过40%，有色金属的延伸系数也不会超过60%，即使在高温时也很难超过100%。但有些金属材料在特定的条件下，即超细等轴晶粒、一定的变形温度、极低的形变速度，其相对延伸系数会超过100%，某些材料如铝锌铸造合金甚至超过1 000%。,1.5.2 超塑性成形,1. 超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，常态下金属的变形应力是超塑性状态下变形应力的几倍至几十倍。,2.超塑性成形可获得形状复杂、薄壁的工件，且工件尺寸精确，因此，为进行或近似进行精密加工开辟了一条新的途径。,3. 超塑性成形后的工件内部晶粒细小，组织均匀，力学性能较好，并且具有较高的抗应力腐蚀性能。,4. 在超塑性状态下，金属材料的变形抗力小，可充分发挥中、小型设备的作用。,2.超塑性成形的特点,3.超塑性成形的应用1）板料深冲 如图8-31（a）所示的工件，其直径小但很长。若用普通板料拉深，则需多次拉深及中间退火；若用铝锌铸造合金等超塑性板料拉深，则可一次拉深成形，如图8-31（b）所示，且产品品质好，性能无方向性。,图8-31 超塑性板料拉深1凸模； 2压板； 3加热元件； 4凹模； 5板料； 6高压油孔,2）超塑性挤压 超塑性挤压主要用于铝锌铸造合金、铝基轴承合金及铜基轴承合金。3）超塑性模锻 超塑性模锻主要用于镍基高温轴承合金及钛合金。其过程是首先是将合金在接近正常再结晶温度下进行热变形，以获得超细晶粒组织，然后在预热的模具（预热温度为超塑性变形温度）中模锻成形，最后对锻件进行热处理以恢复合金的高强度状态。,1. 爆炸成形能提高材料的塑性变形能力，适用于塑性差的难成形材料。,2.一般情况下，爆炸成形无须使用冲压设备，生产条件简化。,3.爆炸成形所采用的模具简单，仅用凹模即可。因此，节省了模具材料，降低了成本。,4.爆炸成形适用于大型零件成形。它不需专用设备，且模具及工装制造简单、周期短、成本低。,1.爆炸成形 爆炸成形是利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能对金属坯料进行加工的高能率成形方法。,1.5.3 高能率成形,2.电液成形 电液成形是利用在液体介质中高压放电时产生的高能冲击波，使坯料产生塑性变形的方法。高压直流电向电容器充电，电容器高压放电，在放电回路中形成强大的冲击电流，使电极周围介质中形成冲击波及液流波，并使金属板发生变形。电液成形速度接近于爆炸成形的速度。该方法生产率较高，易于实现机械化，但设备复杂，制件尺寸受设备功率限制，适于形状简单的中、小型零件的成形，特别适于细金属管胀形加工，由于受到设备容量限制，不适于大件成形。3.电磁成形 电磁成形是利用电磁力加压成形的工艺，也是一种高速成形的加工方法。电容器高压放电，使放电回路中产生很强的脉冲电流，由于放电回路阻抗很低，因而成形线圈中的脉冲电流在极短的时间内迅速变化，并在其周围空间形成一个强大的变化磁场。在变化磁场作用下，坯料内产生感应电流，形成磁场，并与成形线圈形成的磁场相互作用，电磁力使毛坯产生塑性变形。成形线圈放到管子内部，可使管子胀形；成形线圈放到管子外部，可使管子产生缩颈成形；平面螺形线圈可进行毛坯拉深成形。进行电磁成形的金属材料应具有良好的导电性，如铜、铝和钢。但不锈钢、镍基轴承合金和钛合金等实施电磁成形有一定难度。电磁成形主要用于普通冲压方法不易加工的零件的成形。,数字化成形是一种用CAD模型直接驱动，实现设计与制造一体化的柔性快速成形。其原理是采用快速原型制造技术的“分层制造”思想，将复杂的三维形状分解成一系列二维层上的数据，并根据工件的几何信息，用三轴数控设备控制一个成形工具头做三维曲线运动，逐层对板料进行塑性加工，使板料逐步成形。数字化成形技术是一种柔性加工工艺，它省去了产品设计过程中模具设计、制造、实验、修改等复杂过程所耗费的时间和资金，极大地降低了新产品开发的周期和成本。 数字化成形技术是采用CAD/CAM技术在加工中心上完成产品与模具的制造，并且采用柔性加工系统快速成形的方法来提高产品制造的生产率和生产周期的成形技术。数字化成形技术对于飞机、多品种小批量产品、家用电器等新产品的开发以及汽车新型样车试制等方面具有较大的经济价值。,1.5.4 数字化成形,谢谢观看！,工程材料及成形工艺基础,