《材料成型锻造》PPT课件.ppt

序言,液态成型能够完成所有的材料成形任务吗？哪些材料或零件不能由铸造独立完成？汽车车身门窗模具轴还能有哪些材料成形技术可供选择？,第二章 塑性加工成形,成形原理自由锻模型锻造板料成形其他塑性成形,2023/7/18,2,第六讲,2023/7/18,3,2.1 金属塑性成形原理,一、塑性变形的基本问题塑性成形的目的？成形+改性材料塑性成形的科学依据？塑性流动材料塑性成形的技术关键？变形控制+组织控制塑性变形的实质：晶体内部产生滑移的结果。.如何实现成形过程的控制？变形温度的控制变形速度的控制变形量的控制变形方式的控制,2023/7/18,3,2023/7/18,4,2.1 金属塑性成形原理,二、金属的可锻性定义：材料经受塑性变形而不开裂的能力表征：塑性面缩率、伸长率变形抗力屈服强度影响因素金属本身：化学成分、组织类别加工条件：变形温度、应变速率、应力状态,2023/7/18,4,2023/7/18,5,2.1 金属塑性成形原理,三、塑性成形过程的特殊现象：（1）变形热效应：（2）变形死区：（3）摩擦：造成墩粗时的鼓肚、充不满。（4）弹复：弹性恢复四、技术优势和不足优势产品组织均匀、细小服役性能稳定、可靠不足：对形状和材质适应性差,2023/7/18,5,2023/7/18,6,2.1 金属塑性成形原理,五、分类：根据变形温度分类 冷变形：变形温度低于回复温度的变形，只有硬化没有回复和再结晶。温变形；变形温度高于回复温度，低于再结晶温度的变形。变形过程既有硬化、又有软化现象。热变形：变形温度高于在结晶温度、且变形速度不太高的变形。变形过程发生再结晶。根据成形方式分类轧制锻造挤压冲裁,2023/7/18,6,2023/7/18,7,2.1 金属塑性成形原理,六、塑性成形的三个基本定律（1）剪应力定律：工件内部最大剪应力达到临界值才能发生塑性变形变形条件。（2）体积不变定律：变形前后金属的体积相等工艺设计的依据。（3）最小阻力定律：变形体内各质点优先向阻力最小方向流动。确定流动方向的依据。圆柱墩粗后为何仍为圆形？沿半径方向路程最短。矩形断面坯料墩粗时，质点沿距周边的最短法向流动，形成椭圆形。,2023/7/18,7,2023/7/18,8,2.1 金属塑性成形原理,2023/7/18,8,塑性成形工艺原理联系图,塑性成形案例研究,拟成形的零件：必须探究的问题：零件毛坯的结构设计；锻造成形工艺方案设计；可能的质量问题和预防措施,塑性成形案例研究,研究步骤查找资料，得到拟成形的零件图进行塑性成形毛坯结构设计，得到毛坯图进行塑性成形工艺方案设计，得到锻造工艺图缺陷分析与预测，提出预防措施总结上述工作，写出研讨报告准备PPT文件,研究型教学案例举例,零件图,技术要求,要求在转速6500-20000rpm的高转速条件下长期安全可靠地工作。用于液态食品的分离净化。要求应符合GB 10897“碟式分离机技术条件”；检验内容：材料成分、超声波探伤检查、金相组织检查、硬度检查、机械性能检查,2023/7/18,13,七、锻造方法,自由锻模锻锤上模锻曲柄压力机上模锻摩擦压力机上模锻胎膜锻,2023/7/18,13,2.2 自由锻造,2023/7/18,14,2023/7/18,15,一、几个概念,定义：不用锻模，利用静压力或冲击力在抵铁间成形变形特点：应力状态不好，拉应力数目较多坯料质量的确定：G坯料=G锻件+G烧损+G切锻造比：拔长：Y=F坯料/F锻件墩粗：Y=H坯料/H锻件,2023/7/18,15,二、自由锻的工序,基本工序获得需要的形状和尺寸燉粗：高度减小，截面加大拔长：长度加大，截面减小冲孔：形成孔形弯曲：两部分形成一定角度切割：两部分分离扭转：两部分 产生相对转动错移：两部分相对平移,二、自由锻的工序,辅助工序预变性切肩得到变截面轴的台阶压痕便于找基准、定位压钳口便于加持精整工序收尾在锻造温度以下进行校正弯曲及扭转,锻件分类,三、自由锻工序选择例,思考：1、坯料形状与尺寸2、确定需要哪些工序3、确定锻造工序流程,:锻造工艺卡,工序：燉粗、冲孔、扩孔、修正,四、自由锻件结构工艺性,2.3 模锻,2023/7/18,24,2023/7/18,25,2023/7/18,25,模锻：利用型腔成形与自由锻比较有如下特点：1生产率较高2模锻件尺寸精确，加工余量小。3可以锻造出形状比较复杂的锻件4模锻生产可以比自由锻生产节省金属材料，减少切削加工工作量。在批量足够的条件下能降低零件成本。5.模锻件不能太大6.成本很高,不适合于小批和单件生产。,一、模锻的特点,2023/7/18,26,2023/7/18,26,图325典型模锻件,常见模锻件,2023/7/18,27,2023/7/18,27,锤上模锻、胎模锻、压力机上模锻等。,1、模锻分类,二、模锻的分类和应用,2、模锻应用,在国防工业和机械制造业中广泛应用 飞机上的锻件中模锻件占85%，坦克上占70%，汽车上占80%，机车上占60%,2023/7/18,28,2023/7/18,28,3、锤上模锻,锤上模锻所用设备有蒸汽空气锤、无砧座锤、高速锤等。一般工厂中主要使用蒸汽空气锤。,图3-26蒸汽空气模锻锤,2023/7/18,29,2023/7/18,29,锤上模锻的锻模结构,1-锤头2-上模3-飞边槽4-下模5-模垫6.7.10-紧固楔块8-分模面9-模膛,图3-27 锤上模锻,模锻锤的特点,与自由锻锤相比：砧座与锤身连为一体，能量损耗小，吨位大。锤头在导轨内运动，能保证上、下模的对中。行程不固定，可完成不同的工序，适应性强。,2023/7/18,31,4、压力机上模锻（1）曲柄压力机上模锻,图250曲柄压力机用的锻模1、2-顶杆，3-导柱齿轮，4-、5模膛，6、7-模板，8-螺栓，9-压板,图3-51曲柄压力机传动图,1-滑块，2-制动器，3-带轮，4-电机，5-转轴，6-小齿轮，7-大齿轮，8-离合器，9-曲轴，10-连杆，11-工作台，12-楔形垫铁,曲柄压力机模锻的特点,与模锻锤相比：1、提供的是静压力，无震动、噪音，效率高，适于合金钢模锻2、是机械传动，行程由曲柄尺寸决定，运动精度高3、有顶件装置4、抗偏载能力较强,2023/7/18,33,（2）摩擦压力机上模锻,1一螺杆2一螺母3一飞轮4一圆轮 5一电动机6一皮带；7一滑块9一导轨10一机座图247摩擦压力机传动简图,摩擦压力机模锻的特点,速度：提供的是冲击力，60-1000吨滑块的行程可控变形抗力由机架承担，行程封闭力系。带有顶件装置,2023/7/18,35,1一固定模2一活动模3一凸模4一挡料板图24 平锻机上模锻过程,特点：1、主滑块作水平运动平锻2、有两个分模面，适用范围更广。3、精度高、材料利用率高4、适用于局部燉粗和冲孔5、造价高，适于大批量生产,平锻机上模锻过程,2023/7/18,36,三、模锻的模膛,模锻模膛预锻模膛：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸。不留收缩率和飞边槽，圆角和斜度较大终锻模膛：使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸。留收缩率和飞边槽,2023/7/18,36,1一飞边；2一分模面；3一冲孔连皮；4一锻件图328带有冲孔连皮及飞边的模锻件,四、模锻工艺设计,1、分模面的选取,2、余量、公差和敷料,3、模锻斜度 模锻件上平行于锤击方向的表面4、模锻圆角半径,2023/7/18,38,2023/7/18,38,a)要保证模锻件能从模膛中取出。一般情况，分模面应选在模锻件最大尺寸的截面上。,图332分模面的选择比较图,1、分模面选取的一般原则,2023/7/18,39,2023/7/18,39,应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，及时调整锻模位置。cc面选做分模面时，就不符合此原则 最好把分模面选在能使模膛深度最浅的位置处。这样可使金属很容易充满模膛，便于取出锻件，并有利于锻模的制造。b-b面，就不适合做分模面。选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。如bb面,其敷料最多（拨摸斜度）最好使分模面为一个平面，深度基本一致，差别不宜过大，以便于制造锻模,2023/7/18,40,2023/7/18,40,2、余量、公差和敷料 模锻件的尺寸较精确，其公差和余量比自由锻件小得多。余量一般为1-4mm，公差一般取在0.3-3mm之间 对于孔径d25mm的带孔模锻件孔应锻出，但需留冲孔连皮。冲孔连皮的厚度与孔径d有关，当孔径为30-80mm时，冲孔连皮的厚度为4-8mm。,2023/7/18,41,2023/7/18,41,3、模锻斜度 模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度(图233)，以便于从模膛中取出锻件。4、模锻圆角半径 在模锻件上所有两平面的交角处均需做成圆角(图234),图233模锻斜度 图234圆角半径,五、模锻工序的设计,基本工序加热拔长燉粗冲孔切边修正热处理,2023/7/18,42,2023/7/18,43,2023/7/18,43,模锻件按形状可分为两大类：一类是长轴类零件。如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等(图236a)。另一类为盘类模锻件。如齿轮、法兰盘等(图2-36b)。,图336长轴类锻件,图3-37盘类锻件,模锻件分类,(1)长轴类模锻件的工序,思考：1、坯料形状与尺寸 2、确定需要哪些工序 3、确定锻造工序流程,2023/7/18,45,2023/7/18,45,工序：拨长滚压-成圆锥形杆弯曲预锻终锻,2023/7/18,46,2023/7/18,46,常用：终锻也用：镦粗+终锻复杂、深孔、带筋,(2)盘类锻件的模锻工序,2023/7/18,47,2023/7/18,47,(l)切边和冲孔切边模(图238a)由活动凸模和固定的凹模组成冲孔模(图238b)凹模作为锻件的支座，凹模的形状做成使锻件放到模中时能对准中心。冲孔连皮从凹模孔落下。,a)切边模 b)冲孔模 图3-40切边模及冲孔模,修整工序,2023/7/18,48,2023/7/18,48,(2)校正：消除翘曲、扭转、弯曲等变形 热校正：放回终锻模膛进行 冷校正：在校正模内进行,(4)清理和精压 清理方法：酸洗去油，喷丸、滚压 精压方法：平面精压和整体精压，图2-39,热处理目的：消除模锻件的过热组织 消除加工硬化组织，使模锻件具有所需的机械性能。,热处理工序,工艺：正火或退火。,2.4 胎膜锻造,2023/7/18,50,定义：在自由锻设备上利用可移动的胎膜生产模锻件的方法,过程:自由锻制坯，胎膜中成形,胎膜类别:扣模、套筒模、合模,2023/7/18,51,1、胎模锻与自由锻比较有如下特点：(1)胎模锻件的形状和尺寸基本与锻工技术无关，靠模具来保证，对工人技术要求不高，操作简便，生产率较高。(2)胎模锻造的形状准确，尺寸精度较高，因而敷料少、加工余量小。既节约了金属，也减轻了后续加工的工作量。(3)胎模锻件在胎模内成形，锻件内部组织致密，纤维分布更符合性能要求。,特点分析,2023/7/18,52,胎模锻与模锻比较有如下特点：(1)胎模锻造不需采用昂贵设备，并扩大了自由锻设备的生产范围。(2)胎模锻造工艺操作灵活，可以局部成形。这样就能用较小设备锻制出较大的模锻件。(3)胎模是一种不固定在锻造设备上的模具，结构较简单，制造容易，且周期短。可降低锻件的成本。,不足：胎模锻件的尺寸精度不如锤上模锻件高，工人劳动强度较大，胎模容易损坏，生产率不够高。胎模锻造适合于中小批量生产，多用在没有模锻设备的中小型工厂中。,2023/7/18,53,(1)扣模,图345 扣模,(2)简模（套筒模）,图346 简模,第六讲 第2课时,胎模种类,2023/7/18,54,(3)合模 通常由上模和下模两部分组成(图348)多用于生产形状较复杂的非回转体锻件。如连杆、叉形件等锻件。,图348合模,2023/7/18,55,例：,2023/7/18,56,三、锻件结构的工艺性,1、自由锻件的结构工艺性避免斜面,2023/7/18,56,避免空间曲线,2023/7/18,57,避免凸台、加强筋,2023/7/18,58,复杂件改为简单件组合,2023/7/18,59,2023/7/18,60,2、模锻件的结构工艺性,（1）模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、锻模容易制造。,2023/7/18,60,大小截面直径差距过大,过于扁、薄,不合理的模锻件结构,高而薄的凸缘,合理结构,2023/7/18,61,2023/7/18,61,（2）由于模锻件尺寸精度高和表面粗糙度低，因此零件上只有与其它机件配合的表面才需进行机械加工，其它表面均应设计为非加工表面。零件上与锤击方向平行的非加工表面（3）设计出模锻斜度。非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。（4）为了使金属容易充满模膛和减少工序，零件外形力求简单、平直和对称。尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、凸起等结构。(图342a),图2-40 模锻零件形状,2023/7/18,62,2023/7/18,62,（4）在零件结构允许的条件下，设计时尽量避免有深孔或多孔结构,图2-41所示,图2-41多孔齿轮,a)模锻件b)焊合件,图2-42 锻焊结构模锻零件,（5）在可能条件下，应采用锻-焊组合工艺，以减少敷料，简化模锻工艺(图3-39)。,2023/7/18,63,四、锻造工艺规程的制订,1、绘制锻件图确定余块、机加工余量和锻造公差，查表选择分模面：与分型面类似模锻斜度：锤上模锻5-15度模锻圆角：外圆角R1.5-12mm，内圆角是外圆角的2-3倍。连皮厚度：4-8mm样图：P82，图2-15,2023/7/18,63,锻件图样图：P82，图2-15,粗实线表示锻件轮廓，双点划线表示零件轮廓。尺寸线上方标注锻件尺寸和公差，下方括号内标注零件尺寸,2023/7/18,64,2023/7/18,67,2、坯料重量和尺寸的确定,坯料重量 G坯料=G锻件+G烧损+G料头G锻件，按毛坯图计算G烧损：第1次加热取2-3%，以后各次取1.5-2.0%G料头：被切掉的部分（圆形料约21-23%，方形料28-30%）坯料尺寸的确定保证锻比Y不小于拔长：Y=F坯料/F锻件墩粗：Y=H坯料/H锻件,2023/7/18,67,练习1,图2-101自由锻工艺结构,练习2,图2-102 锻件图及坯料计算,图2-105，绘制模锻件图,练习3,图2-103模锻工艺结分析,练习4,图2-104模锻件分模面选取,2.3 板料冲压,2023/7/18,74,2.3 板料冲压,定义：利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法,2023/7/18,74,特点可以冲压出形状复杂的零件，废料较少。产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性能好。能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件。冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，生产率很高,故零件成本低。但冲模制造复杂。只有在大批量生产条件下，这种加工方法的优越性才显得更为突出。,分离冲孔、落料变形拉深、弯曲、翻边、成形,2023/7/18,75,2023/7/18,75,一、分离工序落料及冲孔,图357冲裁变形过程,1、变形过程(1)弹性变形阶段(2)塑性变形阶段(3)断裂分离阶段,2023/7/18,76,分离工序的技术关键,技术关键之一：凸凹模间隙间隙过大，材料中的拉应力增大，塑性变形阶段结束较早间隙也是影响模具寿命的最主要的因素间隙对卸料力、推件力也有比较明显的影响技术关键之二：凸、凹模刃口尺寸落料模按落料件确定凹模刃口尺寸，取凹模作设计基准件冲孔模按冲孔件确定凸模刃口尺寸，取凸模作设计基准件,2023/7/18,76,2023/7/18,77,分离工序的技术关键,技术关键之三冲裁力 平刃冲模的冲裁力按下式计算：P=kLS式中P-冲裁力，N；L-冲裁周边长度mm;S坯料厚度mm；-材料抗剪强度MPa;k系数 系数k是考虑到实际生产中的各种因素而给出的一个修正系数。这些因素包括：模具间隙的波动和不均匀、刃口的钝化、板料机械性能和厚度的变化等。根据经验一般可取k1.3,2023/7/18,77,2023/7/18,78,分离工序的技术关键,技术关键之四：材料利用率排样：搭边和不搭边,2023/7/18,78,补图1 不同排样方式材料消耗对比a)182.7mm2；b)117mm2；b)112.63mm2；d)97.5mm2,2023/7/18,79,分离工序的工艺流程：排样切断修整,2023/7/18,79,a)外缘修整 b)内孔修整1一凸模；2一凹模图259修整工序简图,2023/7/18,80,2023/7/18,80,1一坯料；2一第一次拉深产品即第二次拉深的坯料；3-凸模;4-凹模；5-成品图262拉深工序,二、变形工序,1、拉深（变形）,2023/7/18,81,2023/7/18,81,拉深中的废品：拉裂或拉穿(l)凸凹模的圆角半径(2)凸凹模间隙(3)拉深系数：一般情况下，拉深系数m不小于0.50.8(4)润滑,图361拉穿废品,2023/7/18,82,2023/7/18,82,拉深缺陷：起皱(图264),原因：由于法兰部分在切向压应力作用下而发生的现象解决办法：可采用设置压边圈的方法解决(图266),图264 起皱拉深件,图266 有压边圈的拉深,2023/7/18,83,2023/7/18,83,工艺设计：毛坯尺寸及拉深力的确定大拉深力可按下式计算:,拉深变形的工艺设计,Pmax最大拉深力，N；b材料的抗拉强度，MPa；s材料的屈服强度，MPa；D毛坯直径，mm；d拉深凹模直径，mm；r凹拉深凹模圆角半径，mm；S材料厚度，mm。,练习：比较厚度2mm和10mm的Q23板的拉深力抗拉强度350MPa拉深凹模直径150mm圆角半径8mm毛坯直径250mm,2023/7/18,84,2023/7/18,84,a)弯曲过程；b)弯曲产品图260 弯曲过程中金属变形简图,2、弯曲（变形）,2023/7/18,85,2023/7/18,85,使弯曲线与坯料纤维方向垂直,图367 弯曲时的纤维方向,纤维,2023/7/18,86,2023/7/18,86,图368翻边简图,翻边系数。,d0翻边前的孔径尺寸d翻边后的内孔尺寸。,3、翻边（变形）,2023/7/18,87,2023/7/18,87,图268 成型工序简图,4、成型（变形）,2023/7/18,88,三、板料冲压的结构工艺性,可能的问题,2023/7/18,88,合理,2023/7/18,89,三、板料冲压的结构工艺性,1、落料和冲孔件的要求圆孔直径大于板厚方孔边长大于0.9板厚孔边间距大于板厚外凸台高度大于1.5板厚内凹台高度大于1.5板厚,2023/7/18,89,2023/7/18,90,2023/7/18,90,2、对弯曲件的要求(1)圆角半径不能过小(2)H2S（3)L应大于(1.52)s,三、板料冲压的结构工艺性,2023/7/18,91,2023/7/18,91,3、对拉深件的要求（1）避免急剧转角或凸台（2）拉深深度尽量小（3）圆角半径不能过小，R=5-10S,图3-60 拉深件最小允许半径,三、板料冲压的结构工艺性,2023/7/18,92,2023/7/18,92,4、冲压件的精度和表面质量 冲压工艺的一般精度如下：落料不超过IT10，冲孔不超过IT9，弯曲不超过IT9IT10。拉深件高度尺寸精度为IT8IT10，经整形工序后的精度可达IT6IT7。拉深件直径尺寸精度为IT9IT10。,三、板料冲压的结构工艺性,练习1,冲压件结构合理性分析,练习2,图2-106制订冲压工艺,2023/7/18,95,2.4特种塑性加工方法,一、精密模锻：精密下料坯料表面清洁减少氧化（加热与冷却）高精度模具严格控制锻造温度,2023/7/18,95,主要技术措施,2023/7/18,96,二、零件挤压,加压和流动的方向：相同、相反、混合挤压分类：正挤压、反挤压、复合挤压,2023/7/18,96,挤压金属在模内受压而被挤出模空的加工成型方法。,静液挤压,压应力数目多，不易开裂,三、拉拔,定义：坯料在拉力作用下被拉出拉拔模孔德成形方法,2023/7/18,99,四、零件轧制,纵轧：轧辊轴线与坯料轴线垂直辊锻变截面杆件辗（zhan）环轮箍横轧：轧辊轴线与坯料轴线平行回转体楔横轧：轧辊上带有楔形模具斜轧：轧辊轴线与坯料轴线成一定角度,2023/7/18,99,2023/7/18,100,2023/7/18,100,横轧,楔横轧,2023/7/18,102,2023/7/18,102,斜轧,2023/7/18,103,2023/7/18,103,返回,五、纵轧（辊锻）,五、纵轧（辗环）,六、旋压,2023/7/18,106,七、粉末锻造,过程：粉末压实烧结锻造方法：等温锻造超塑性锻造连续挤压,2023/7/18,106,2023/7/18,107,八、数控冲压定义：利用数字化技术对板料进行冲压特点：提高了冲床的通用性可采用批量生产的模具，调整时间短九、液态模锻定义：对液态金属进行锻造成型,2023/7/18,107,2023/7/18,108,总结,2023/7/18,108,第12周周二课安排自我探究实践,每人选定一个零件，完成如下工作，准备好讲稿或报告，要求给出工件图纸分析工件的技术要求和塑性成形的难点选择塑性成形工艺方法，进行工艺结构的优化设计设计塑性成型具体的工艺方案，包括毛坯设计、坯料设计、工序设计、分模面、成形位置、模腔设计、收缩率、加工余量等。可能的缺陷和防止措施各组推举一人发言：讲10min，答辩5min。,各组工件分类,第一组 组长 白杨，盘类和轴类锻件第二组 组长 洪赐发，套筒环类锻件第三组 组长 李承武，齿轮类锻件第四组 组长 陈天雄，弯曲杆架类锻件第五组 组长 龙飞，板料成型类零件。,第12周周五课安排组内交流课,各组组织进行组内交流、讨论，修改完善各自的报告，13周周五课前上交电子版各组确定发言人，并准备发言用讲稿。试答辩：讲10min，答辩5min,实验安排,时间：第13周周二3-4节（12月4日）地点：机械试验馆303内容：锻造组织观察、纤维组织观察指导教师：李卫晶老师,2023/7/18,112,