先进材料成形技术与理论3.ppt

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1、金属塑性成形种类与概述,金属材料的超塑性及超塑成形,复杂零件精密模锻及复杂管件的精密成形,板料精密成形,模具数字化制造技术,第三章 金属材料塑性精确成形工艺及理论,上 页,首 页,下 页,3.1.1金属塑性成形在国民经济中的地位 金属塑性加工是金属加工方法之一。它是利用金属的塑性，通过外力使金属发生塑性变形，成为具有所要求的形状、尺寸和性能的制品的加工方法。这种加工方法也称为金属压力加工或金属塑性加工。,上 页,首 页,下 页,3.1 金属塑性成形种类与概述,金属塑性加工是通过塑性变形得到所要制件的，是一种少(无)切屑加工方法。金属塑性加工时，一个零件是在设备的一个行程或几个行程内完成的，生产

2、率很高。对于一定重量的零件，从力学性能、冶金质量和使用可靠性看，金属塑性加工比铸造或机械加工方法优越。在汽车、拖拉机、宇航、船舶、兵工、电器和日用品等工业部门获得广泛应用。,上 页,首 页,下 页,3.1.2金属塑性成形方法的分类,（）体积成形,体积成形所用的坯料为棒材或扁坯。当体积成形时，坯料经受很大的塑性变形，使坯料的形状或横截面以及表面积与体积之比发生显著的变化。由于体积成形过程中工件上绝大部分经受较大的塑性变形。因而成形后基本上不发生弹性恢复现象。体积成形的典型塑性加工方法：挤压、锻造、轧制和拉拔等。,上 页,首 页,下 页,（）板料成形,所用坯料是各种板材或用板材预先加工成的中间坯科

3、。板料成形过程中，板坯的形状发生显著变化，其横截面形状基本上不变。当板料成形时，弹性变形在总变形中所占比例是比较大的，因此，成形后会发生弹性回复或回弹现象。,上页,首页,下页,3.1.3金属塑性成形方法的现状,20世纪，塑性成形技术取得了长足的进展。主要体现在:(1)塑性成形的基础理论已基本形成，包括位错理论、Tresca、Mises屈服准则、滑移线理论、主应力法、上限元法以及大变形弹塑性和刚塑性有限元理论等(2)以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为人们认识金属塑性成形过程的本质规律提供了新途 径，为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的 技术支持(3)计算机辅助技术(CAD C

4、AE CAM)在塑性成形领域的应 用不断深入，使制件质量提高，制造周期下降(4)新的成形方法不断出现并得到成功应用，如超塑性成 形、爆炸成形等,上页,首页,下页,3.1.4金属塑性成形方法的最新进展,（）微成形 产品的最小化的要求不仅是来自用户希望随身用的多功能电子器件小型化，而且还来自技术的需要，如医疗器械、传感器及电子器械的发展需要制造出微小的零件。目前对微零件的需求越来越多。由于塑性加工的方法最适于大批量低成本的生产微零件，所以近来得到很大发展。微零件通常的界定是至少有某一方向的尺寸小于100m。,图3-1典型的微成形零件,上页,首页,下页,（2）内高压成形 内高压成形是近10多年来迅速

5、发展起来的一种成形方法，它是结构轻量化的一种成形方法。液体以往多是用于设备的传动，如液压机用油或水传动，成形还是靠刚性模具进行。近年来由于液体压力提高到400MPa，甚至1000MPa，液体已经可以直接对工件进行成形。,图3-2内高压成形原理,（3）可变轮廓模具成形 对小批量多品种板料件成形，如舰艇侧面的弧形板、航空风洞收缩体板、飞机的蒙皮都是三维曲面，批量很小甚至是单件生产，由于工件尺寸大，模具成本很高，即使模具加工完成，也有一个需要修模与调节的过程，用可变轮廓模具成形是塑性加工界及模具界的研究方向之一。,图3-3可变轮廓成形模具,上页,首页,下页,（4）粘性介质压力成形(VPF)粘性介质压

6、力成形是近10年在美国刚开始出现的成形方法，顾名思义，成形时传力介质既不是液体，也不是固体，而是一种粘性介质，它适用于难成形材料的成形。,图3-4粘性介质压力成形过程示意图,上 页,首 页,下 页,3.1.5金属塑性成形方法的发展方向,金属塑性成形方法的发展方向可如图3-5具体包括有如下五个方面：,（1）设计数字化技术,（2）反求工程,（3）基于知识的工程设计,（4）分析数字化技术,（5）制造数字化技术,图3-5 金属塑性成形的发展方向,金属塑性成形方法的发展方向,返 回,(1)设计数字化技术,为了提高设计质量，降低成本，缩短产品开发周期，近年来，学术界提出了并行设计、协同设计大批量定制设计等

7、新的设计理论与方法。核心思想 借助专家知识，采用并行工程方法和产品族的设计思想进行产品设计，以便能够有效地满足客户需求。实施这些设计理论与方法的基础是数字化技术，其中基于知识的工程技术(KBE)和反求工程技术是两项重要支撑技术。,返 回,（2）反求工程,1)数据采集设备和思路2)数据前处理3)数据优化4)曲面重构研究,返 回,上 页,首 页,下 页,（3）基于知识的工程设计,1）KBE的特点,KBE是一个知识的处理过程，包含了知识的继承、繁 衍、集成和管理，它不仅处理显性知识，更关注Know how等隐性知识的显性化，因而是创新设计的重要使 能技术。KBE处理多领域知识和多种描述形式的知识，是

8、集成 化的大规模知识处理环境。KBE是面向整个设计过程，甚至是产品全生命周期的 各异构系统的集成，是一种开放的体系结构。KBE系统涉及多领域、多学科知识范畴是模拟和协助 人类专家群体的推理决策活动，往往具有分布、分层、并行的特点。,上 页,首 页,下 页,2）KBE技术在塑性成形领域的意义,KBE技术的研究与实施，将有助于提高传统塑性成形技术的创 新能力和竞争力，通过有效地组织和管理公共知识库体系，使之 成为推动塑性成形技术发展的强大动力。系统地对KBE技术在塑性成形领域进行研究与工程实施，在有 效地提升塑性成形开发技术的同时，有利于提高在其它相关领域 影响。基于以信息化带动塑性成形技术发展的

9、战略，实施KBE技术，将建立相关企业、研究机构有效整理、继承、运用和形成知识资 产的方法。KBE技术提供了多种获取知识和产生新知识的途径，为相关企 业和部门的知识积累和原创新能力的提高提供了有效的技术保证。KBE技术是人工智能技术与其它计算机辅助技术的有效集成，从而使计算机辅助技术充分集成了知识，充分模拟专家解决问题 的思路，使复杂工程问题的求解方法更有效。,返 回,3）KBE研究的重点,基于知识的产品建模工程知识的融合和繁衍技术工程知识的表示和推理技术,上 页,首 页,下 页,（4）分析数字化技术,1）数字化模拟,金属塑性成形过程的机理非常复杂，传统的模具设计也是基于经验的多反复性过程，从而

10、导致了模具的开发周期长，开发成本高。金属体积成形过程的数值模拟目前研究的热点主要有应力应变场、温度场和组织结构场的多物理场耦合技术、可以避开三维网格再划分这一瓶颈问题的基于任意的拉格朗日欧拉描述的有限元法和无网格分析法。板料成形过程的数值模拟研究的热点侧重于采用更为准确的材料性能模型和单元类型，提高数值模拟技术预测缺陷尤其是预测回弹的能力，同时，越来越多的研究人员开始考虑材料的晶体塑性对成形质量的影响。,返 回,2)虚拟现实,虚拟现实技术是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各

11、级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟现实从根本上改变了设计、试制、修改设计和规模生产的传统制造模式，在产品真正制造出来之前，首先在虚拟环境中生成虚拟产品原型进行性能分析和造型评估，使制造技术走出依赖经验的天地，发展到全方位预报的新阶段。,上 页,首 页,下 页,（5）制造数字化技术,1）高速制造,高速加工涉及到的新技术主要有:高速主轴 高速伺服进给系统 适于高速加工的数控系统 刀具技术 刀夹装置及快速刀具交换技术,2）快速原型,返 回,从RP/RT技术的现状来看，未来主要发展趋势：提高RP系统的速度、控制精度和可靠性；开发 专门用于检验设计、模拟制品

12、可视化，而对尺 寸精度、形状精度和表面粗糙度要求不高的概 念机。研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。研究开发新的成形方法。研究新的高精度快速模具工艺。,上 页,首 页,下 页,3.2金属材料的超塑性及超塑成形,3.2.1 金属超塑性的定义,是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。,上 页,首 页,下 页,3.2.2 超塑性的历史及发展,（1）先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材料

13、具有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。（2）高速超塑性的研究：提高超塑变形的速率，目的在于提高超塑成形的生产率；（3）研究非理想超塑材料（例如共货态工业合金）的超塑性变形规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求，而提高成形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围，使其发挥更大的效益。,上 页,首 页,下 页,3.2.3 超塑性的分类,（1）恒温超塑性或第一类超塑性（动态超塑）。根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。一般所指超塑性多属这类超塑性，其特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。,（2）相变超塑性或第二类超塑性（环境超塑性），亦称转变超塑性或变态超塑性。,3）其它超塑性（

14、或第三类超塑性）：在消除应力退火过程中在应力作用下可以得到超塑性。,上 页,首 页,下 页,3.2.4典型的超塑性材料,目前已知的超塑性金属及合金已有数百种，按基体区分，有Zn、Al、Ti、Mg、Ni、Pb、Sn、Zr、Fe基等合金。其中包括共析合金、共晶、多元合金、高级合金等类型的合金。表3-1,上 页,首 页,下 页,3.2.5超塑性的应用,由于金属在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。,(1)超塑性压力加工方面的应用,超塑性压力加工属于粘性和不完全粘性加工，对于形状复杂或变形量很大零件

15、，都可以一次直接成形。成形的方式有气压成形、液压成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、无模成形等多种方式。优点：流动性好，填充性好，需要设备功率吨位小，材料利用率高，成形件表面精度质量高。,上 页,首 页,下 页,(2)相变超塑性在热处理方面的应用,相变超塑性在热处理领域可以得到多方面的应用，例如钢材的形变热处理、渗碳、渗氮、渗金属等方面都可以应用相变超塑性的原理来增加处理效应。相变超塑性还可以有效的细化晶粒，改善材料品质。,上 页,首 页,下 页,(3)相变超塑性在焊接方面的应用,无论是恒温超塑性和相变超塑性都可以利用其流动特性及高扩散能力进行焊接。将两块金属材料接触，利用相变超塑性的原理，即

16、施加很小的负荷和加热冷却循环即可使接触面完全粘和，得到牢固的焊接，称之为相变超塑性焊接-TSW。相变超塑性焊接（TSW）所用的材料，可以是钢材、铸铁、Al合金、Ti合金等。焊接对偶可以是同种材料，也可以是异种材料。原则上具有相变点的金属或合金都可以进行超塑性相变焊接。非金属材料的多形体氧化物，如有代表性的陶瓷，ZrO2、MgAlO4/Al2O3、MgO/BeO、MgCrO4等同素异形转变，共晶反应，固溶体反应的材料等都可以发生相变超塑性，可以进行固相焊接。,上 页,首 页,下 页,(4)相变诱发塑性-TRIP的应用,根据TRIP的特性，可在许多方面获得应用。如，淬火时用卡具校形，在紧固力并不太

17、高的情况下能控制马氏体转变时的变形，是应用了TRIP的作用。有些不锈钢（AISI301）在室温压力加工时可以得到很大的变形，其中就有马氏体的诱发转变。如在变形过程中能够控制温度、变形速度及应变量，使马氏体徐徐转变，则会得到更良好的效果。在改善材质方面，有些材料经TRIP加工，可以在强度、塑性和韧性等方面获得很高的综合机械性能。一种典型的超塑性工艺：超塑成形-扩散焊复合工艺已在航空航天制造业中发挥着日益重要的作用。,上 页,首 页,下 页,3.3 复杂零件精密模锻及复杂管件的精密成形,3.3.1 绪论,（1）精密塑性体积成形的概念,是指所成形的制件达到或接近成品零件的形状和尺寸，它是在传统塑性加

18、工基础上发展起来的一项新技术。它不但可以节材、节能、缩短产品制造周期、降低生产成本，而且可以获得合理的金属流线分布，提高零件的承载能力，从而可以减轻制件的质量，提高产品的安全性、可靠性和使用寿命。近20多年,尤其在一些工业发达国家发展迅猛。目前，精密塑性体积成形技术作为先进制造技术的重要组成部分，已成为提高产品性能与质量、提高市场竞争力的关键技术和重要途径。,上 页,首 页,下 页,（2）精密塑性成形的精度,1）径向尺寸精度：一般热模锻件：0.51.0mm热精锻件：0.2 0.4mm温精锻件为：0.1 0.2mm冷精锻件为：0.010.1mm,2）表面粗糙度：一般热模锻件：Ra12.5冷精锻件

19、：Ra0.20.4,上 页,首 页,下 页,（3）影响锻件精度的因素,坯料的体积偏差（下料或烧损）、模膛的尺寸精度和磨损、模里温度和锻体温度的波动、模具和锻件的弹性变形、锻件的形状和尺寸、成形方案、模膛和模具结构的设计、润滑惰况、设备、工艺艺操作。,上 页,首 页,下 页,（4）拟定精密塑性体积成形工艺时应注意的问题,1)在设计精锻件图时，而只需保证主要部位尺寸精确，其余部位尺 寸精度要求可低些。2)对某些精锻件，适当选用成形工序，可以使坯料容易成形和保证 成形质量，而且可以有效地减小尽位变形力和提高校具寿命。3)适当地采用精整工序，可以有效地保证精度要求。4)坯料良好的表面质量(指氧化、脱碳

20、、合金元素贫化和表面粗糙 度等)是实现精密成形的前提。5)设备的精度和刚度对锻件的精度有重要影响，但模具精度的影响 比设备更直接、更重要些。6)在精密成形工艺中，润滑是一项极为重要的工艺因素，良好的润 滑可以有效地降低变形抗力，提高锻件精度和模具寿命。7)模具结构的正确设计，模具材料的正确选择以及模具的精确加 工，是影响模具寿命的重要因素。8)在高温和中温精密成形时，应对模具和坯料的温度场进行测量和 控制。,上 页,首 页,下 页,（5）精密塑性成形的应用,1)大批量生产的零件，例如汽车、摩 托车上的一些零件，特别是复杂形 状的零件。2)航空、航天等工业的一些复杂形状 的零件，特别是一些难切削

21、的复杂 形状的零件；难切削的高价零件(如钛、锆、钼、铌等合金)；要求性能高品质、使结构质量轻化 的零件等。,上 页,首 页,下 页,3.3.2 精密塑性体积成形的方法,（1）精密塑性体积成形的分类,1）按成形温度分类冷成形(冷锻)室温下的成形温成形(温锻)室温以上，再结晶温度 以下的成形热成形(热锻)在材料再结晶温度以上 的成形等温成形（等温锻）在几乎恒温条件 下的成形，变形温度通常在再结晶温 度以上。,上 页,首 页,下 页,2）按成形方法分类,模锻、挤压、闭塞式锻造、多向模锻、径向锻造、精压、摆动辗压、精密辗压、特种轧制、变薄拉深、强力旋压和粉末成形等。,上 页,首 页,下 页,热成形(热

22、锻)的优点：变形抗力低、材料塑性好、流动性好、成形 容易、所需设备吨位小。缺点：产品的尺寸精度低、表面质量差、钢件表面氧化严重、模具寿命低、生产条件差。冷成形(冷锻)的优点：产品的尺寸精度高、表面质量好、材料利用 率高。缺点：冷成形的变形抗力大、材料塑性低、流动性差。温成形(温锻)的特点：与冷锻比较，温锻时变形抗力小、材料塑性好，成形比冷锻容易，采 用比冷锻大的变形量，减少工序数目、减少模具费用和压力机吨位，寿命比冷锻时高；与热锻相比，温锻时加热温度低，氧化、脱碳减轻，产品的尺寸精度 和表面质量较好。主要用于冷锻变形时硬化剧烈或者变形抗力高的不 锈钢、合金钢、轴承钢和工具钢等；冷变形时塑性差、

23、容易开裂的材 料；冷态难加工，热态时严重氧化、吸气的材料；形状复杂，或为改 改善产品综合力学性能而不宜采用冷锻时；变形程度较大，或零件尺 寸较大，致冷锻时现有设备能力不足；为了便于组织连续生产时。等温成形(等温锻)的特点：等温成形是在几乎恒温的条件下成 形，模具也加热到与坯料相同的温度。主要用于铝合金、镁合金和 钛合金锻件的成形。,上 页,首 页,下 页,（2）小飞边和无飞边模锻,图3-6普通开式模锻时，金属的变形过程,上 页,首 页,下 页,小飞边模锻,图37小飞边模锻零件,上 页,首 页,下 页,无飞边模锻，亦称闭式模锻,图38无飞边闭式模锻模膛结构,上 页,首 页,下 页,无飞边模锻的优

24、点：有利于金属充满模腔，有利于进行精密模锻；减少了飞边损耗，并节省了切飞边设备；无飞边模锻时金属处于明显的三向压应力状态塑性材料的成形。无飞边模锻应满足的下列条件：坯料体积准确；坯料形状合理，并能在模膛内淮确定位；能够较推确地控制打击能量或模压力；有简便的取件措施或顶料机构。,上 页,首 页,下 页,（3）挤压,挤压是金属在三个方向的不均匀压应力作用下，从模孔中挤出或流人模膛内以获得所需尺寸、形状的制品或零件的塑性成形工序。挤压工艺不但可以提高金属的塑性，生产复杂截面形状的制品，而且可以提高锻件的精度，改善锻件的内部组织和力学性能，提高生产率和节约金属材料等。挤压的种类包括：正挤压（图39）、

25、反挤压（图310）、复合挤压（图311）、径向挤压（图312）。,图39正挤压示意图,图310反挤压示意图,返 回,图311复合挤压示意图,图312径向挤压示意图,返 回,上 页,首 页,下 页,挤压的变形过程包括四个阶段：充满阶段；开始挤出阶段；稳定挤压阶段；终了挤压阶段。,图313挤压变形曲线,图314挤压变形过程示意图,上 页,首 页,下 页,（4）闭塞式锻造,图315闭塞式锻造示意图,上 页,首 页,下 页,闭塞式锻造的优点是：1）生产效率高，一次成形便可以 获得形状复杂的精锻件2）由于成形过程中坯料处于强烈 的三向压应力状态，适于成形 低塑性材料3）流线沿锻件外形连续分布。因此，锻件

26、的力学性能好,上 页,首 页,下 页,（5）多向模锻,多向模锻是在几个方面同时对坯料进行锻造的一种新工艺，主要用于生产外形复杂的中空锻件。,图316多向模锻的过程示意图,上 页,首 页,下 页,典型的多向模锻件，如图317所示,图317典型的多向模锻件,上 页,首 页,下 页,1）多向模锻的变形过程第I阶段基本形成阶段由于多向模锻件大都是形状复杂的 中空锻件，而且通常坯料是等截面的，第I阶段金属的 变形流动特点主要是反挤镦粗成形和径向挤压成形。第II阶段充满阶段由第I阶段结束到金属完全充满模腔为 止为第II阶段，此阶段的变形量很小，但此阶段结束时 的变形力比第I阶段未可增大(23)倍。第III

27、阶段形成飞边阶段此时坯料已极少变形，只是在极 大的模压力作用下，冲头附近的金属有少量变形，并逆 着冲头运动的方向流动，形成纵向飞边。如果此时凹模 的台模力不够大时，还可能沿凹模分模面处形成横向飞 边。此阶段的变形力急剧增大。这个阶段的变形对多向 模锻有害无益，是不希望出现的，它不仅影响模具寿命，而且产生飞边后，清除也非常困难。,上 页,首 页,下 页,2）多向模锻的优点 与普通模锻相比，多向模锻能锻出形状更为复杂，尺小更 加精确的无飞边、无模锻斜度(或很小模锻斜度)的中空锻 件，使锻件最大眼度地接近成品零件的形状尺寸。从而显 著地提高材料利用率，减少机械加工工时，降低成本。多向模锻只需坯料一次

28、加热和压机一次行程便可使锻件成 形，可以减少模锻工序，提高生产效率，能节省加热设备 和能源，减少贵重金属的烧损、锻件表面的脱碳及合金元 素的贫化。一次加热和一次成形，意味着金属在一火之内 得到大变形量的变形，为获得晶粒细小均匀和组织致密的 铵件创造了有利条件，对无相变的高温合金有重耍意义。由于多向模锻不产生飞边，可避免锻件流线末端外露，提 高锻件的机械性能，尤其是抗应力腐蚀的性能。多向模锻时，坏料是在强烈的压应力状态下变形的，可使 金属塑性大为提高，这对锻造低塑性的难变形合金是很重 要的。,上 页,首 页,下 页,要求使用刚性好精度高的专用设备 或在通用设备上附加专用的模锻装 置 要求坯料的尺

29、寸与质量精确 要求对坯料进行少、无氧化加热或 设置去氧化皮的装置,3）多向模锻的缺点,上 页,首 页,下 页,（6）径向锻造,径向锻造是在自由锻型砧拔长的基础上发展起来的，用于长轴类件锻造的新工艺，用于锻造截面为圆形、方形或多边形的等截面或变截面的实心轴(图318a)、内孔形状复杂或内孔细长的空心轴(图318b)。,图318径向锻造零件,上 页,首 页,下 页,图319径向锻造工作原理,上 页,首 页,下 页,1）径向锻造的变形特点 径向锻造是多向同时锻打，可以有效地限制金属的横向流动，提高轴向的延伸效率。径向锻造是多向锻打，能够减少和消除坯料横断面内的径向拉应力，可以锻造低塑性，高强度的难熔

30、金属，如钨、钼、铌、锆、钛及其合金。径向锻造机的“脉冲加载”频率很高，每分钟在数百次甚至上千次以上，这种加载方式可以使金属的内外摩擦系数降低，使变形更均匀，更易深入内部，有利于改善锻件心部组织，提高其性能。径向锻造时每次锻打的变形量很小，变形区域小，金属移动的体积也很小。因此，可以减小变形力，减小设备吨位和提高工具的使用寿命。,上 页,首 页,下 页,2）径向锻造的加工质量 由于径向锻机的工作精确度高、刚度大和每次锻打的变形量小，因此径向锻造的锻件可以获得较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度 冷锻时：尺寸精度为(24)级，表面粗糙度为Ra(0.80.4)；热锻时：尺寸精度(67)级，表面粗糙度为R

31、a(1.63.2)。锻件的表面粗糙度随坯料横截面压缩量的增大而降低。,上 页,首 页,下 页,3）径向锻造的加工范围 径向锻造的锻件，其尺寸已达到相当大的范围。如，在滚柱式旋转锻机上锻制的锻件，其直径从15mm(实心的)到320mm(管)。目前国内使用的径向锻机可锻最大直径为250mm 的实心件、最长达6m。世界上已有可锻最大直径为900mm、长度达10m的径向锻机。,上 页,首 页,下 页,4）径向锻造的锻件品种 电机轴、机床主轴、火车轴、汽车、飞机、坦 克上的实心轴和锥度轴，以及自动步枪的活塞 杆等 带有来复线的枪管、炮管和深螺母、内花键等 有特定形状内孔的零件 各种汽车桥管、各种高压储气

32、瓶、炮弹、航家 用球形储气瓶、火箭用喷管等需缩口、缩径的 零件 矩形、六边形、八边形以及三棱刺刀等异形截 面的零件,上 页,首 页,下 页,（7）摆动辗压,摆动辗压是20世纪60年代出现的一种新的压力加工成形方法。它适于盘类、饼类和带法兰的轴类件成形，特别适用于较薄工件的成形。,摆头(上模)；2 坯料；3滑块；进给缸。,图320摆动辗压工作原理,上 页,首 页,下 页,a.厚件摆辗时的变形区 b.薄件摆辗时的变形区图321摆辗时的变形区,上 页,首 页,下 页,图322普通模锻与摆动辗压所需轴向力的比较,上 页,首 页,下 页,摆动辗压的优点包括：省力，可以用较小设备成形较大的锻件；因摆动辗压

33、是局部加载成形工艺，因此可以大大 降低变形力。加工相同锻件，其辗压力仅是常规 锻造方法变形力的1/51/20；产品质量高，可用于精密成形；可建立比较高的单位压力，如果工件较薄和模具 的尺寸精度和光洁度很高时，可以得到精密尺寸 的工件，表面粗糙度可达Ra(0.20.4)；机器的振动及噪声小，工作条件较好。典型摆辗零件：法兰盘、铣刀坯、碟形弹簧坯、汽车后半轴、扬声器导磁体、伞齿轮、端面齿轮等。,上 页,首 页,下 页,（8）等温模锻和超塑性模锻,等温模锻常用于航空、航天工业中钛合金、铝合金、镁合金等零件的精密成形，原因：1)在常规锻造条件下，这些金属材料的锻造温度范围比较 窄。尤其在锻造具有薄的腹

34、板和薄壁零件件时，不仅需 要大幅度地提高设备吨位，也易造成锻件和模具开裂。尤其是钛合金更为明显，等温模锻时的变形力、大约只 有普通模锻变形力的1/51/10。2)某些铝合金和高温合金对变形温度很敏感，如果变形温 度较低，变形后为不完全再结晶的组织则在固溶处理 后易形成粗晶，或晶粒粗细不均的组织，致使锻件性能 达不到技术要求。,上 页,首 页,下 页,1）锻造时，模具和坯料要保持在相同的恒定 温度下。这一温度是介于冷锻和热锻之间 的一个中间温度，对某些材料，也可等于 热锻温度。2）材料在等温锻造时具有一定的粘性，即应 变速率敏感性，等温锻造时的变形速度应 很低。采用等温锻造工艺生产薄腹板的肋 类

35、、盘类、梁类、框类等精锻件具有很大 的优越性。,等温锻造常用的成形方法也有开式模锻、闭式摸锻和挤压等。与常规锻造方法的不同点：,上 页,首 页,下 页,（9）精压,表面粗糙度 钢件：(3.21.6)；铝合金件：(0.80.4)。尺寸精度一般为(0.10.25)mm。根据金属变形情况，精压时可分为：平面精压、体积精压、局部体积精压。精压可以冷态、温态和热态下进行。,1）精压件的加工质量,上 页,首 页,下 页,2）提高精压件尺寸精度的工艺措施,降低精压时工件的平均单位压力q，具体措施：采用热精压、适当地进行润滑、控制每次精压 时的变形程度和精压余量。减小精压面积；提高精压模的结构刚度和模板材料的

36、硬度；其它工艺措施 如采用带限程块的精压模、将精压模板的工作 表面预先做成小心带凸起的形状或将精压件的 坯料预先做成中心凹陷的形状,上 页,首 页,下 页,3.4 板料精密成形,3.4.1 精冲技术的发展与应用,（1）精冲工艺的类型及其发展,相对于普通冲裁，精密冲裁就是采用各种不同的冲裁方法，直接用板料冲制出尺寸和形位精度高冲切面平整、光洁的精密冲裁件。表(3-2),（2）精冲技术的发展历史,上 页,首 页,下 页,（3）精冲技术的发展前景,1）精冲材料方面的发展,强力齿圈压板精冲对精冲材料的性能要求很高，该工艺从形式上看是冲切分离工序，但在精冲过程中，精冲件在最后从材料上分离出来之前，始终与

37、材料保持为一个整体，通过塑性变形冲出零件，最后靠凸模刃口与凹模刃口到达同一平面或凸模刃口进入凹模刃口而使其切断分离。因此，精冲材料必须具有良好的塑性。通常适合于冷挤或经过前处理可以冷挤的材料均可精冲。钢板精冲取决于其机械性能、化学成分、金相组织及外观质量。对钢而言，屈强比s/b60%，延伸率尽可能高，球化退化后b500MPa是其可否精冲的基本条件。为了突破上述极限，精冲高强度厚钢板，Feintool公司开发精冲性能好的高强度微量合金细晶粒钢获得突破。表3-3,上 页,首 页,下 页,表3-3Feintool公司开发的精冲新钢种,上 页,首 页,下 页,2）精冲零件结构工艺性及其扩展,精冲早已从

38、平面零件向各种立体成形零件延伸，包括：弯曲、拉伸、翻边、压形、冷挤、沉孔等精冲工艺作业。称为精密冲压。料厚的范围：t0.52.5mm，材料强度b：650MPa900MPa；精冲的最小边距、孔径及环宽：0.6t0.30t；精冲件尺寸越来越大：料厚t=7.lmm，外廓尺寸为 680mm794mm。,上 页,首 页,下 页,3）精冲模具的发展,精冲模向“高精度、高效率、高寿命”即所谓“三高”及大型化方向发展。影响精冲模寿命的因素很多，其工作零件的正确选材、制模工艺的先进合理及表面强化处理得当与减磨增寿措施到位，可提高精冲模寿命。通常情况下，精冲模寿命比普通冲压用全钢冲模要低。为了提高精冲模寿命近年来

39、国外采用化学气相沉积CVD 法和物理气相沉积PVD 法镀TiC和TiN来强化凸、凹模刃口，效果显著。精冲模设计中要特别注意主冲裁力、齿圈压边力、反顶压力的准确计算及精冲设备的选择。,上 页,首 页,下 页,3.4.2液压成形技术,（）管材液压成形,图323管材液压成形的原理,上 页,首 页,下 页,（）液压胀球,图324液压胀球技术的基本原理,上 页,首 页,下 页,理论依据：一是力学上的趋球原理,即曲率半径不同的壳体在趋球弯矩的作用下将逐渐趋于一致;二是金属材料存在塑性变形的自动调节能力,当某一区域的变形过为集中,则该区域将发生变形强化,塑性变形将转移至它处。,液压胀球关键点：传压介质的加载

40、,焊接质量。,液压胀球技术优点：不需大型的模具和压力机，产品初投资少，因而可大大降低成本；生产周期短，产品变更容易，下料组装简单；经过超载胀形，有效降低了焊接残余应力，安全性高。,上 页,首 页,下 页,（）板材液压成形,图325对向液压拉深技术原理,上 页,首 页,下 页,板材液压成形的进展：一方面对现有工艺的引深和扩展。板材成对液压成形工艺适用于箱体零件的成形。成形前需先将板材充液预成形,切边后再将周边焊接,然后在两板中间充入高压液体使其贴模成形。中间过程采用焊接,可使两块板材准确定位,保证了零件精度。同时焊接后再充液成形,能消除焊接引起的变形。另一方面则是技术的改进。由于压边力在成形中起

41、着重要的作用,对于不规则零件,在成形时法兰处材料的流动情况是不一样的,为了控制法兰不同区域材料的流动,有关专家研制出了多点压边系统。此系统具有多个液压缸,每个液压缸独立控制一个区域的压边力,这样就达到了不同区域所需压边力不同的目的，采用此系统可以大大提高成形极限和成形质量。,上 页,首 页,下 页,3.4.3金属板料数字化成形技术,主要特点：无模成形和数控渐进成形,上 页,首 页,下 页,数控渐进成形原理是日本学者松原茂夫几年前提出的（图3-28）,上 页,首 页,下 页,（1）无模多点成形的概念,上 页,首 页,下 页,（2）无模多点成形的类型,按照对基本体的控制方式可将基本体分为：主动型：

42、基本体在成形过程中可随意控制移动的方向、速度和位移。被动型：基本体在成形过程中不能随意控制、调节其位移、速度和方向，只是被施加以一定的压力后被动地产生位移。固定型：这种类型的基本体的相对位置在成形前调整，在成形过程中基本体的高度不变。,按照基本体调整方式，又可派生出不同的多点成形方法：多点模具成形、半多点模具成形、多点压机成形和半多点压机成形。,上 页,首 页,下 页,1）多点模具成形,上 页,首 页,下 页,2）半多点模具成形,上 页,首 页,下 页,3）半多点压机成形方式,上 页,首 页,下 页,4）多点压机成形方式,上 页,首 页,下 页,（3）无模多点成形工艺特点方法,1）实现板类件快

43、速成形,上 页,首 页,下 页,2）改善变形条件,传统模具成形时往往要设计较大的压边面来抑制皱纹的产生。在多点压机成形时情况就完全不同。从成形一开始，所有的基本体都可以与板料表面接触；在成形过程中所有的基本体始终与工件表面接触。一方面增加了对板料表面的约束，使工件产生皱纹的机会明显减少；另一方面还减少了单个基本体的集中载荷，减小压痕。,另外，如果进一步充分利用多点压机成形的柔性特点，在成形过程中适当控制工件变形的路经使工件处于最佳变形状态，可以更加提高板材的成形极限，有助于实现难加工材料的塑性变形，得到用传统的模具成形是难于实现或无法实现的效果。,上 页,首 页,下 页,上 页,首 页,下 页

44、,3）无回弹成形(springback free forming),上 页,首 页,下 页,4)无缺陷成形,上 页,首 页,下 页,5)小设备成形大型件,上 页,首 页,下 页,6)CAD/CAM/CAT一体化生产,在无模多点成形柔性成形系统中，所要成形曲面的规划、设计、成形、测试等一系列过程全部采用计算机技术，真正实现大型三维板材的无人化自动生产。,上 页,首 页,下 页,（4）金属板材无模成形,图3-42金属板材无模成形过程,上 页,首 页,下 页,图3-45 用HRPB-I型金属板料无模快速成形设备制作的部分制件,图3-43 金属板料无模快速成形过程片段,图3-44 HRPB-I型金属板

45、料无模快速成形设备,上 页,首 页,下 页,3.5 模具数字化制造技术,3.5.1模具的高速切削加工技术,由于采用模具高速切削技术可以明显提高模具生产效率和模具精度及使用寿命，因此正逐渐取代电火花精加工模具，并已被国外模具制造企业普遍采用，成为模具制造的大趋势。,上 页,首 页,下 页,（1）高速切削应用于模具加工的优势和现阶段 需要解决的问题,高速切削加工模具的优越性：高速切削粗加工和半精加工，大大提高金属切除率。采用高速切削机床、刀具和工艺，可加工淬硬材料。高速高精度硬切削代替光整加工，减少大量耗时的手工修磨，比电火花加工提高效率50%。硬切削加工最后成型表面，提高表面质量、形状精度（不仅

46、表 面粗糙度低，而且表面光亮度高），用于复杂曲面的模具加工 更具优势。避免了电火花和磨削产生的脱碳、烧伤和微裂纹现象，大大减 少了模具精加工后的表面损伤，提高模具寿命20%。工件发热少、切削力减小，热变形小，结合CAD/CAM技术用于 快速加工电极，特别是形状复杂、薄壁类易变形的电极。,上 页,首 页,下 页,（2）加工模具的高速切削机床,选择用于高速切削模具的高速机床时要注意：1）要求机床主轴功率大、转速高，满足粗、精加工。精加工模 具要用小直径刀具，主轴转速达到1500020000rmp以上。主 轴转速在10000rpm以下的机床可以进行粗加工和半精加工。2）机床快速进给对快速空行程要求不

47、太高。但要具有比较高的 加工进给速度（3060m/min）和高加减速度。3）具有良好的高速、高精度控制系统，并具有高精度插补、轮 廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。4）选用与高速机床配套的CAD/CAM软件，特别是用于高速切削模 具的软件。,上 页,首 页,下 页,在模具生产中五轴机床的应用逐渐增加，配合高速切削加工模具具有以下优点：可以改变刀具切削角度，切削条件好，减少刀具磨 损，有利于保护刀具和延长刀具寿命 加工路线灵活，减少刀具干涉，可以加工表面形状 复杂的模具以及深腔模具 加工范围大、适合多种类型模具加工,五轴机床常有工作台式和铣头式五轴机床两类，可针对模具类型进行选择。铣头

48、式五轴机床中，可更换铣头和更换电主轴头的五轴机床可分别用于模具的粗、精加工。,上 页,首 页,下 页,（3）高速切削模具的刀具技术,注意：根据不同加工对象，合理选择硬质合金涂层刀具、CBN和金刚石烧结层刀具。采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工，通常精 加工刀具直径10mm。根据被加工材料以及硬度，所选择的刀具直径也不同。选择合适的刀具参数，如负前角等。高速加工刀具 要求比普通加工时抗冲击韧性更高、抗热冲击能力 更强。采取多种方法提高刀具寿命，以降低刀具成本。采用高速刀柄。目前应用最多的是HSK刀柄和热压装 夹刀具，同时应注意刀具装夹后主轴系统的整体动 平衡。,上 页,首 页,下 页,（4）高

49、速切削模具的工艺技术,1）针对不同材料的高速切削模具工艺试验使用国外刀具，除了需要参考厂家提供的参数外，实际的工艺试验也是必要的。国内刀具厂家很少推荐高速铣削的技术参数，因 此选用国产刀具更有必要做试验。2）高速切削的加工刀具路径及编程刀具路径、进刀方式和进给量是主要内容。高速切削模具工艺中 的许多刀具路径处理方法是为了减少刀具磨损、延长刀具使用寿命，因此刀具在高速切削进给中的轨迹比普通加工复杂得多。,上 页,首 页,下 页,高速加工模具工艺处理原则：采用小直径刀具精加工时，切削速度随着材料硬度 的增加而降低。保持相对平稳的进给量和进给速度，切削载荷连续 并减少突变，缓进缓退。避免直接垂直向下

50、进刀而 导致崩刃：斜线轨迹进刀的铣削力逐渐加大，对刀 具和主轴的冲击小，可明显减少崩刃；螺旋式轨迹 进刀切入，更适合型腔模具的高速加工。小进给量、小刀纹切削。通常进给量小于铣刀直径 10%，进给宽度小于铣刀直径40%。保留均匀精加工余量。保持单刃切削。,上 页,首 页,下 页,通常使用的进给路径方式：尽量避免直拐角的铣削运动；拐角处用螺旋线进给 切削，保持切削载荷的平稳。尽量避免工件外的进刀与退刀运动，直接从轮廓进 入下一个深度。而是采用斜向逐渐进给切入或螺旋 线切入。恒定每刃进给，以螺旋线或摆线路径进给加工平面 并保持单刃切削。孔加工时采用铣削高速进给完 成，不仅可提高表面质量，而且可延长刀