《锻压成型》PPT课件.ppt

第三章 锻压成型,固态金属在外力作用下，发生塑性流动，通过这种塑性变形，获得具有一定几何形状、尺寸和性能的毛坯（或零件）的成型方法，即：锻造（在工业生产中也称为金属压力加工）。,压力加工方式,主要用于生产重要零件毛坯,自由锻模锻板料冲压轧制挤压拉拔,主要生产薄壁件,主要生产截面形状不同的型材,使金属坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，改变其性能，获得所要求的截面形状的加工方法。,坯料在牵引力作用下通过拉拔模的模孔拉出，产生塑性变形，得到截面细小、长度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷态下进行。,将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出，横截面积减小，获得所需制品的加工方法。,能改善金属组织,提高金属的力学性能可提高材料的利用率生产效率比较高可获得精度比较高的毛坯(甚至零件)不能加工脆性材料,压力加工件的特点,3.1 金属的塑性变形与锻造性,一.金属的塑性变形1.基本概念,变形：固态金属在外力作用下所引起的形状和尺寸的改变。金属的塑性：金属材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。变形抗力：金属材料抵抗变形的能力。金属的塑性成型性能（可锻性）：衡量金属压力加工工艺性优劣的主要指标（包括塑性和变形抗力两个方面）。,金属塑性变形过程有两个阶段 弹性变形阶段：金属在某一程度的外力作用下，其内部产生应力，使原子离开原来的平衡位置，原子间的相互距离发生改变使得金属变形。外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。塑性变形阶段：当外力增大到使金属内部产生的应力超过该金属的屈服点，使其内部原子排列的相对位置发生不可逆转的变化而导致金属变形。外力停止作用后，变形也不消失。,金属塑性变形的实质单晶体的塑性变形,单晶体塑性变形的特征:滑移,滑移:单晶体承受切应力时，晶体会发生弹性变形，当切应力的数值超过某一临,界值时，晶体内的一部分相对于另一部分将沿着一定的晶面和晶向(称为滑移面)产生相对位移。,滑移面是晶体中原子排列最紧密的排面。,多晶体的塑性变形,多晶体塑性变形的特征:扭转+滑移,纯金属的塑性比合金好低碳钢的塑性比高碳钢好合金元素的含量越高，塑性越差,二.影响金属塑性变形的内在因素1.化学成分 不同化学成分的金属，其内部晶体结构不同，塑性就不同。,2.金属组织 同一种金属，其内部组织结构不同，塑性也就不同，如：单相固溶体的塑性比多相固溶体好。,当加热温度不高时，原子扩散能力不强，只能通过晶体错位消除晶格扭曲，产生塑性变形。这种现象称为回复。此时的变形称为冷变形。冷变形使加工硬化现象得到部分消除。冷变形时因存在加工硬化，因此，变形程度不宜过大，以免工件开裂。回复温度：T回=(0.250.3)T熔(K),三.影响金属塑性变形的外部条件1.变形温度 金属在加热时，其组织和性能的变化分为三个阶段：,加热到较高温度时，原子继续获得热能，扩散能力加强，并以冷变形时破碎的某些晶体（碎晶）或杂质为新的结晶核心，原子在金属内部重新排序，形成新的晶粒。这种现象称为再结晶。再结晶消除了全部加工硬化现象。此时的变形称为温变形。温变形时，变形抗力比冷变形小得多，塑性好得多，而工件表面氧化现象没有热变形严重，因此，工件表面质量比热变形时好。再结晶温度：T再=0.4 T熔(K),金属的回复和再结晶示意图,温度继续升高，金属继续变形。在这个阶段，同时存在着加工硬化和再结晶两种现象，称为动态再结晶。在这个阶段，金属的塑性好，变形抗力低。此时的变形称为热变形。热变形时，变形抗力小，塑性好，但工件表面氧化现象严重，因此，工件表面质量比较差。,2.变形速度（指单位时间内的变形量）,当变形速度低于临界值时，随着变形速度的提高，已变形金属产生的加工硬化来不及由再结晶消除，此时，加工硬化起主要作用，使金属,塑性降低，变形抗力增大，进一步变形困难。当变形速度高于临界值时，随着变形速度的提高，消耗于金属塑像变形的能量转化为热能，明显提高了金属的温度，可加速再结晶，从而使金属塑性提高，变形抗力降低，进一步变形相对容易。,塑性变形,变形抗力,变形速度,抗力塑性,临界点,3.应力状态,金属采用不同的变形方式，各个方向上承受的应力情况不同，所呈现的塑性和变形抗力也不同。,压应力不容易使晶体的滑移面分离，且气孔、缩孔、缩松等缺陷的影响也会减小，因此，压应力的数目越多，金属的塑性越好。反之，拉应力容易使晶体的滑移面分离，容易导致缺陷处应力集中，因此，拉应力的数目越多，金属的塑性越差。,四.金属塑性变形对其组织和性能的影响1.细化晶体组织 在金属塑性变形的过程中，坯料内部（坯料为钢锭）的气孔、缩孔、缩松等缺陷得到焊合，金属的致密性提高，粗大的铸态组织转变为细化的再结晶组织，力学性能得以提高。,钢锭变形前后组织的示意图,2.形成纤维组织 在金属塑性变形的过程中，晶粒除了被细化外，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状分布。使金属材料的机械性能出现各向异性：沿纤维方向比垂直于纤维方向的强度、塑性和韧性要高。,不同方法制造的曲轴的纤维组织分布,【各向同性】亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。所有的气体、液体（液晶除外）以及非晶质物质都显示各向同性。例如，金属和岩石虽然没有规则的几何外形，各方向的物理性质也都相同。【各向异性】亦称非均质性。物理性质随量度的方向而变化的通性，称为各向异性。各向异性是晶体的重要特征之一。即在各个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学、热学、电学、光学性质等。,自由锻造 自由锻是使坯料在外力作用下，部分金属塑性变形受限制，其余金属可自由流动而获得所需几何形状、尺寸及内部质量的锻件的一种工艺方法。,自由锻的生产特点所用设备及工具简单。工艺适应性强，特别适合生产单件或大型锻件。对于大型锻件，自由锻是唯一的方法。加工余量大，锻件的精度和表面粗糙度较差，且工件质量不稳定。金属的损耗大，劳动强度大，生产率较低。,3.2 自由锻造,工序的排列：辅助工序 基本工序 精整工序,一.自由锻的基本工序 自由锻的工序有三大类：,自由锻的工序,基本工序 使坯料产生一定程度的塑性变形，得到所需形状尺寸或改善材质性能的工序。辅助工序 为使基本工序操作方便而进行的预变形工序。精整工序 减少锻件表面缺陷而进行的工序。,锻造比(Y)锻造生产中，用来表示变形程度及锻造工作量大小的数据。,1镦粗：对工件轴向施加静压力或冲击力，使工件的横截面积增大而长度缩短的锻造工序。镦粗的特点与适用范围,镦粗,全 镦 粗 对整个坯料进行镦粗,局部镦粗 对坯料的某部分进行镦粗,镦粗的目的增大横截面积，降低高度，为冲孔作准备；反复镦粗拔长，使金属组织的晶粒细化，材质分布均匀，提高其机械性能；,镦粗的锻造比：Y镦=H0/H；Y镦 1；,镦粗的毛坯选择,镦粗时最佳高径比:H/D=12。,镦粗时的高径比：H/D2.5。,镦粗时的高径比：H/D22.5,拔长的送进量示意图,2拔长：对工件径向施加静压力或冲击力，使工件 的长度增加而横截面积减小的锻造工序。拔长的特点与适用范围 拔长时，大部分金属朝轴向流动，少部分朝横向流动。拔长过程中要不断翻动和送进工件。,拔长的锻造比：Y拔=S0/S；Y拔1；拔长的目的增加毛坯长度，主要用来生产 轴类、杆类零件毛坯；反复镦粗拔长，使金属组织的 晶粒细化，材质分布均匀，提 高其机械性能；,拔长的工艺方法,心轴拔长,拔 长,芯轴扩孔,3冲孔：利用冲头对坯料施加冲击力，在工件上冲出通孔或盲孔的锻造工序。一般用于套筒等零件的毛坯生产。,单面冲孔 对较薄的工件采用的方法。直接将冲孔处的金属切下来。,双面冲孔 对较厚的工件采用的方法。先冲至工件厚度的80%，再翻面冲穿。,空心冲子冲孔,实心冲子冲孔,注意：双面冲孔时坯料的直径与孔径之比：D/d2.5；坯料的高度 h坯料的直径 D；,弯曲错移切割扭转,（4）其他工序,切 割,先根据锻件的形状特征分类，再根据具体尺寸和各种锻造工序的特点，结合具体的生产条件进行按排。,盘类锻件：镦粗(或拔长+镦粗),冲孔。,二.自由锻的工艺分析,轴类锻件：拔长(或镦粗+拔长),切肩和锻台肩。,环类锻件：镦粗(或拔长+镦粗),冲孔，心轴扩孔。,曲轴类锻件 拔长(或镦粗+拔长),错移，锻台肩,扭转。,弯曲类锻件 拔长(或镦粗+拔长),弯曲。,（2）避免锥体或斜面结构,4.自由锻件的结构设计,（1）锻件形状力求简单,（3）锻件应由简单的几何体组成，避免曲线相交,（4）避免加强筋、表面凸台等结构,模型锻造 模型锻造简称模锻，是采用具有模膛的锻模，使坯料在模膛内受压变形，获得所需几何形状和尺寸锻件的锻造方法。,3.2 模型锻造,模锻的生产特点锻件的纤维组织分布合理，机械性能高，可以锻出形状比较复杂的锻件。锻件的精度和表面质量较高，加工余量小，甚至无切削。操作简便，劳动强度小，生产率高，适于小型锻件大批量生产。制模成本高,生产适应性差。,模锻锤曲柄压力机摩擦压力机平锻机,模锻,锤上模锻 在模锻锤上进行模锻。,压力机模锻 在压力机上进行模锻。,模锻设备,1.模锻的设备,模锻锤（多为蒸汽空气模锻锤）模锻锤的工作原理与自由锻锤相同，但锤头上安装上模，下砧座的模垫上安装下模，坯料放在下模膛内，模锻锤击打坯料，使其整体变形而获得所需形状和尺寸的锻件。,蒸气空气模锻锤曲柄压力机,2.锻模的结构,制坯模膛,预锻模膛,终锻模膛,拔长滚挤弯曲切断,模膛分类,模膛,模锻模膛,1下模 2上模 3锤头 4模座 5上模用楔 6上模用键 7下模用楔 8下模用键 9模座楔 10砧座 A坯料 B变形 C带飞边的锻件 D切下的飞边 E锻件,（1）制坯模膛功用 对于形状复杂的锻件,为了使金属能合理分配,很好的充满模膛,可先经制坯模膛,改变坯料的横截面积和形状，使坯料初步接近零件的几何形状。种类,拔长模膛,用于减小坯料某部分的横截面积，增加其长度。,滚压（挤）模膛,用于减小坯料某部分的横截面积，同时增加另一部分的横截面积。,弯曲模 膛,切断模膛,弯曲模 膛用于改变坯料轴线，使其弯曲。切断模膛上下模的角部组成一对刃口，用来切断金属。,（2）模锻模膛功用 模锻上进行最终锻造以获得锻件的工作部分，有预锻模膛和终锻模膛两种。预锻模膛 使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸,减少终锻变形量,以保证终锻时获得成形饱满、无折叠、裂纹或其它缺陷的优质锻件。预锻模膛没有毛(飞)边槽,模锻斜度和圆角半径较大。终锻模膛 用来完成锻件的最终成形。终锻模膛有毛(飞)边槽,模锻斜度和圆角半径较小。,飞边槽的作用,飞边槽作用,容纳多余的金属,增加充型力（增加金属从槽膛中外流的阻力）,预锻模膛与终锻模膛相比：宽度尺寸稍小（12mm）；高度尺寸稍大（2 5mm）。,模膛的布置原则,模锻模膛放在中间，制坯模膛放两边；模膛尽量按工序排列；第一个制坯模膛靠近加热炉；,弯曲连杆模锻模膛,弯曲连杆锻造过程,分模面的选择分模面应选择模锻件的最大截面模膛应尽量浅，且上下模膛深度基本相同分模面上下模的模膛轮廓一致选定的分模面应使敷料最少分模面应为平面,3.锤上模锻的工艺规程的制定,（1）绘制模锻件图,加工余量 为了达到零件尺寸精度和表面粗糙度的要求，锻件上需切削加工而去除的金属层。,确定锻件的加工余量和锻件公差,内、外表面的加工余量,锻件公差 零件名义尺寸的允许变动量（其数值比自由锻的小得多）。,锤上模锻水平方向尺寸公差,模锻斜度,为了使锻件便于从模膛中取出，锻件与分模面垂直的表面都应有一定斜度。,模锻圆角半径,锻件上所有平面交接处均做成圆角。作用：减小坯料流入模膛的摩擦阻力，便于充型；避免应力集中。,冲孔连皮,对于具有通孔的锻件，模锻时不能靠上、下模的突起部分把金属完全排挤掉，因此不能锻出通孔，终锻后，孔内留有金属薄层，即：冲孔连皮。,通孔直径 d 60 mm,设计平底连皮；通孔直径 d 60 mm,设计尖底连皮；,齿轮坯的模锻件图,坯料质量 模锻件质量+飞边与连皮质量+氧化损失坯料截面积(0.61.0)锻件最大部分截面积,（2）计算坯料的质量与尺寸,（3）确定模锻工序,与自由锻相似，主要根据锻件的形状和尺寸来确定。锻造工序确定后，即可设计制坯模膛，预锻模膛和终锻模膛。模锻件的形状主要分轴类与盘类两大类。,轴类锻件 拔长；滚挤；弯曲；预锻；终锻等。盘类锻件 镦粗；拔长；滚挤；（打扁）；终锻等。,轴类锻件,盘类锻件,必须有一个合理的分模面，模锻斜度与模锻圆角；,4模锻件的结构工艺性,外形力求简单,平直和对称,避免零件截面间差别过大,例如,薄壁、高筋、凸起等；,在结构设计时应避免有 深孔或多孔结构,简化模锻工艺,可采用 锻 焊组合工艺,注意模锻斜度和模锻圆角,胎模锻造 在自由锻设备上,采用不与上、下砧铁相连接的活动模具（即：胎模）生产模锻件的锻造方法。胎模锻的生产特点 与自由锻相比：形状和尺寸靠模具来保证，尺寸精度和表面质量高,加工余量小。纤维分布合理，内部组织致密，锻件质量较高。操作简便，生产率较高。,3.3 胎模锻造,生产工艺适应性较好,操作灵活。胎模结构较简单,制造容易,制造周期短，成本较低。不需要昂贵的设备,能用小设备锻制大锻件,适合中小批量生产。尺寸精度比模锻稍差。胎模的种类,与模锻相比：,胎模的种类,扣模,套模,合模,1.扣模,扣模一般用来生产非回转体锻件。扣模分有上扣和无上扣（上扣由上砧铁代替）两种。扣模锻造时，锻件不转动，初锻成型后，将锻件翻转90放在砧铁上，平整侧面。,2.套模,套模多用于生产回转体锻件，如：法兰盘，齿轮等。套模分为开式和闭式两种。开式套模只有下模和下模垫，用来生产上端面为平面的回转体锻件（若下端面为平面，可不用下模垫）；闭式套模有下模垫，也有上模垫，用来生产端面有凸台或凹坑的回转体锻件。,3.合模,合模一般用在生产连杆，叉形等较复杂锻件的终锻。合模通常由上模和下模两块组成，为了使上下模能吻合，锻件不产生错移，常用导柱或锁扣来定位。合模的结构比扣模和套模复杂，但通用性好，回转体和非回转体零件均能生产。,3.4 板料冲压,定义:利用冲模使板料产生分离或变形而得到冲压件的加工方法。,冲 压,冷冲压（4 mm）热冲压（8 mm）,特点：冲压件的尺寸精度和表面质量高。冲压件的互换性好,强度高,刚性好。生产零件尺寸的适应性强。生产率高，易实现机械化和自动化，适合大批量生产。冲模结构复杂，精度要求高，成本高。,一.板料冲压的基本工序,变形工序,分离工序,1.分离工序（1）切断：将板料沿不封闭的曲线（轮廓线）分离的冲压方法。主要用于备料。（2）冲裁：将板料沿封闭的曲线（轮廓线）分离的冲压方法。,切断,冲裁,弯曲,拉深,冲裁,落料,冲孔,冲下的部分为工件，带孔周边为废料。带孔周边为工件，冲下的部分为废料。,（1）弯曲 金属在弯矩作用下，坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的冲压工序。,弯曲工序示意图,2.变形工序：使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。,弯曲件的缺陷形式,弯曲件的弯曲部位破裂弯曲件的尺寸、形状不合格,原因：材料的强度偏低；弯曲半径太小；弯曲轴线与纤维方向平行；弯曲件的尺寸、形状不合格。,原因：弯曲回弹现象；零件形状不对称,弯曲过程中零件产生移动；弯曲件的直边高度太短；,拉深过程,（2）拉深(拉伸、拉延)材料在一拉一压的应力状态下变形为空心状的零件(杯状)的冲压工艺方法。,处于凸模底部的板料被压入凹模形成零件筒底；侧壁由底部以外的环形部分变形后形成。,起皱原因：切向压应力较大而使板料失稳；凸、凹模之间间隙偏大；拉裂原因：拉应力超过了材料的抗拉强度；凸、凹模之间间隙偏小；,拉深件的主要缺陷,1冲压模具的结构 冲压模具主要由以下几部分组成：,工作零件；定位零件；卸料装置零件；导向零件；固定支承零件；,此外，一付完整的模具还包括：紧固件（螺钉销钉等）、缓冲件（弹簧、橡皮）等。,二.冲压模具,2.冲压模具的类型,1凸模 2模柄 3上模座 4凸模固定板 5导套 6导柱 7凹模固定板 8导料板9凹模 10挡料销 11固定卸料板 12下模座,简单冲模：在一次冲程中，只完成一道冲压工序。,连续冲模：在一次冲程中，模具的不同部位上同时完成两道或两道以上的冲压工序。,1 落料凸模 2 拉深凸模 3 落料凹模 4 压板 5 拉深凹模 6 板料 7 挡料销 8910落料工件,复合冲模：在一次冲程中，模具的同一部位上同时完成两道或两道以上的冲压工序。,