【教学课件】第3章金属的塑性成形.ppt
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1、利用外力使金属产生塑性变形,使其改变形状、尺寸和改善性能,获得型材或锻压件。锻压、挤压、轧制、拉拔,两个条件:外力、塑性,缺一不可 优点:金属组织致密、晶粒细小、力学性能提高;属于少、无切削加工,材料利用率高,生产效率高,应用:型材、板材、线材、承受较大负荷或复杂载荷的机械零件缺点:制件形状比铸件简单,生产条件较差,第3章 金属的塑性成形,第3章 金属的塑性成形,型材,线材,板材,轴,齿轮,其它,各种塑性成形产品,目录【】,第3章 金属的塑性成形,3.1 金属塑性成形基础3.2塑性成形方法3.2.1锻造1自由锻(P99)3.3.1 自由锻工艺设计(P122)3.2.1 锻造2模锻(P100)3
2、.3.2 锤模锻工艺设计(P125)3.2.2 冲压(P106)3.3.3 冲压工艺设计(P131),3.1 金属塑性成形基础,3.1.1 金属塑性变形的机理1单晶体的塑性变形,滑移:金属原子沿某些特定面移动(金属原子在外力作用下产生了位移),理想单晶体无缺陷晶格规则,滑移通过位错(晶体中的线缺陷)移动实现,结论:切应力引起塑性变形,正应力引起弹性变形 金属塑性变形的实质:原子的移动 塑性变形前后晶格类型保持不变,滑移,2多晶体的塑性变形,多晶体的塑性变形晶内变形+晶间变形,晶内变形:滑移晶间变形:晶粒间相对滑动和转动 各晶粒的变形是分批、逐步进行的(低温时多为晶内变形,变形量较小;高温时多为
3、晶间变形),多晶体的塑性变形,3.1.2 金属的加工硬化、回复和再结晶 1金属的加工硬化,组织变化:晶粒沿变形方向被拉长;滑移面附近晶格产生畸变;出现许多微小碎晶性能变化:强度和硬度增加;塑性、韧性下降,优点:强化金属,用于不能热处理强化的合金 缺点:继续塑性成形或切削加工难度加大,增大内应力,3.1.2 金属的加工硬化、回复和再结晶,金属在低于再结晶温度加工时,由于塑性应变而产生的强度和硬度增加的现象。,1-滑移面 2-碎晶 3-畸变的晶格,机设041,2,3,第四次课 第十二周周二下午5,6节,第十一周周五下午7,8节运动会放假,标记,2回复和再结晶(1)回复:减轻或消除晶格畸变,保 持较
4、高强度、降低脆性,晶粒大小形状不变 回复温度:T回=(0.250.30)T熔冷拔钢丝经冷卷成形后低温退火,可使弹簧定形且保持良好的弹性,(2)再结晶:塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生 核、结晶,变为等轴晶粒,完全消除加工硬化现象。T再0.4T熔(再结晶只是原子重新排列的过程)线材的多次拉拔和板料的多次拉深时,在工序间穿插再结晶退火,原始组织 塑性变形 回复 再结晶,回复和再结晶,3.1.3 金属的冷成形、热成形及温成形,冷成形:在回复温度以下,加工硬化(冷轧、冷锻、冷冲压、冷拔)提高强度和表面质量,用于制造半成品或成品。(变形材料应有较好的塑性且变形量不宜过大),热成形:在再结晶温度以上,加
5、工硬化+再结晶 且加工硬化被再结晶完全消除(热轧、热锻、热冲压、热拔)综合力学性能好,变形力小,变形程度大,用于制造毛坯或半成品,温成形:高于回复温度、低于再结晶温度,加工硬化+回复,无再结晶 较冷成形可降低变形力且利于提高金属塑性,较热成形可降低能耗且减少加热缺陷,用于:强度较高、塑性较差的金属(温锻、温挤压、温拉拔)制造:尺寸较大、材料强度较高的零件或半成品,3.1.3 金属的冷成形、热成形及温成形,3.1.4 锻造比与锻造流线1锻造比:锻造时变形程度的一种表示方法(y1)拔长时:镦粗时:,锻造比 致密晶粒 力学性能显著变化,锻造比的选取结构钢钢锭:24钢坯和轧材:1.11.3,3.1.4
6、 锻造比与锻造流线,2锻造流线 脆性杂质被打碎,顺着伸长方向呈碎粒状或链状分布;塑性杂质沿伸长方向呈带状分布;锻造后金属组织呈方向性,称为锻造流线。造成力学性能的方向性。,锻造流线影响的消除与利用:工作时的最大正应力方向与流线方向一致,切应力方向与流线方向垂直;锻造流线沿零件轮廓分布而不被切断.,2锻造流线,图3-8 曲轴流线分布示意图a)锻造成形 b)切削成形1轴肩 2裂纹,3.1.5 材料的塑性成形性塑性成形性:材料经过塑性变形不产生裂纹和破裂以获得所 需形状的加工性能。可锻性:材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。塑性和变形抗力综合衡量,2变形条件的影响(1)变形温度温度成形性;温
7、度过高过热、过烧、报废,1材料本质的影响(1)化学成分 纯金属合金;钢中含碳:C成形性;合金成分成形性;S,P 成形性(2)金属组织 固溶体机械混合物;细晶粗晶;热成形冷成形;热成形冷成形和铸态组织,3.1.5材料的塑性成形性,(2)应变速率(变形速度、应变速度)应变速率c:c 成形性;变形能转化成热能来不及传出,金属温度升高 强度高、塑性低、形状复杂的零件 宜高速锤锻造、爆炸成形,(3)应力状态:压应力防裂纹产生和扩展,主应力图,压应力数目 塑性;变形抗力;,低碳钢、铜:拉拔中碳钢:模锻,(2)应变速率(3)应力状态,3.1.6 金属塑性成形的基本规律,1、体积不变条件:由于塑性变形时金属密
8、度的变化很小,可认为变形前后的体积相等,此假设称为体积不变条件。,2、最小阻力定律:物体变形过程中某质点有向各种方向移动的可能性时,则其将向着阻力最小的方向移动。宏观上变形阻力最小的方向上变形量最大,根据体积不变条件和最小阻力定理可以分析塑性成形过程中金属坯料的变形趋势,可能出现的现象,产生缺陷的原因并采取相应的工艺措施,以保证生产过程和产品质量的控制。,3.1.6 金属塑性成形的基本规律,过程装备第10次课结束,第十四周周一下午7,8节,标记,第3章 金属的塑性成形,3.1 金属塑性成形基础3.2.1 锻造1自由锻(P99)3.3.1 自由锻工艺设计(P122)3.2.1 锻造2模锻(P10
9、0)3.3.2 锤模锻工艺设计(P125)3.2.2 冲压(P106)3.3.3 冲压工艺设计(P131),锻件,轧制,药芯焊丝成型拉拔生产线,挤压,冲压件,进口优质线材拉拔、热处理后表面镀铜,3.2 金属塑性成形方法,3.2 金属塑性成形方法,3.2.1 锻造 在加压设备及工(模)具的作用下,使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形,以获得具有一定几何形状、尺寸和质量的锻件。,1自由锻(P99)只用简单的通用性工具,或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件 部分表面受限制,其余自由表面设备:空气锤、蒸气空气自由锻锤、液压机等 基本工序:镦粗、拔长、冲孔,3.2.1
10、 锻造1自由锻(P99),空气锤,蒸汽-空气锤,32MN 水压机(3200吨),3T自由锻锤,自由锻锤件,各种锻造设备,镦粗,镦粗,拔长,拔长,冲孔,冲孔,弯曲使坯料弯成一定的角度和形状的工序,扭转 将坯料的一部分相对于另一部分旋转一定角度的工序,弯曲扭转,切割 分割坯料或切除锻件多余部分的工序,切割,变形特点:局部成形、效果叠加 优点:设备通用性好、工具简单;锻件组织细密、力学性能好;缺点:操作技术要求高,生产效率低;锻件形状较简单、加工余量大、精度低。,应用:a、小型锻件,成形为主;b、大型锻件(尤其是重要件)和特殊钢,以 改善内部质量为主。c、锻造钢锭:打碎粗晶,分散杂质,锻合内部缺 陷
11、,获合理分布的流线。用于单件、小批生产,是特大型锻件唯一的生产方法。,变形特点:应用,第3章 金属的塑性成形,3.1 金属塑性成形基础3.2.1 锻造1自由锻(P99)3.3.1 自由锻工艺设计(P122)3.2.1 锻造2模锻(P100)3.3.2 锤模锻工艺设计(P125)3.2.2 冲压(P106)3.3.3 冲压工艺设计(P131),画法:锻件轮廓:粗实线零件基本形状:双点划线锻件尺寸、公差:尺寸线上方零件公称尺寸:相应锻件尺寸 下方(或后方)的括弧内.,3.3.1 自由锻工艺设计(P122)内容:绘制锻件图、确定变形工序、计算坯料的 质量和尺寸,1绘制锻件图 余块:简化锻件形状,便于
12、锻造 余量:所有加工面都应添加加工余量锻件公差:所有锻件尺寸都应给出锻件公差,数值较大,3.3.1 自由锻工艺设计,2确定变形工序 依据锻件的结构形状进行确定,盘块类:锻粗冲孔;局部锻粗冲孔轴杆类:拔长;拔长切肩锻台阶;局部镦粗拔长 圆筒类:锻粗冲孔芯轴拔长 圆环类:锻粗冲孔芯轴扩孔弯曲类:拔长弯曲,2确定变形工序,芯轴拔长 减小空心坯料的壁厚而增加其长度,适用于锻造长筒形锻件,芯轴扩孔 使坯料的壁厚减薄,内、外径同时增大的工序,适用于锻造圆环类锻件,芯轴拔长芯轴扩孔,典型锻件的自由锻工艺示例,典型锻件的自由锻工艺示例1,典型锻件的自由锻工艺示例1,典型锻件的自由锻工艺示例1,3计算毛坯质量
13、m 坯=(m锻+m冲+m切)(1+)m坯毛坯重量(kg);m锻锻件重量(kg),根据锻件图计算;m冲冲孔芯料重量(kg),参照经验公式;m切切除料头重量(kg),参照经验公式;烧损率,燃料加热2%3%,电加热0.5%1%;,3计算毛坯质量,(1)首道工序为镦粗时:,将上述内容,按变形顺序,以简图形式绘于一张表格上,就是锻造工艺卡,用以指导自由锻生产过程的进行和自由锻件的检验。,(2)首道工序为拔长时:,4计算毛坯尺寸,V坯=m坯/,4计算毛坯尺寸,机设041,2,3,第五次课 第十二周周五下午7,8节(11月17日),标记,5零件结构的自由锻工艺性,避免锥面或楔形,避免立体相贯线,图3-51
14、避免锥面和楔形a)不合理结构 b)合理结构,图3-52 避免曲线和弧线a)不合理结构 b)合理结构,5零件结构的自由锻工艺性,避免肋板或凸台,采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构,自由锻件的设计应尽可能简单、平直、对称,图3-54 组合结构a)锻-螺纹连接结构 b)锻-焊结构 1、2焊缝,避免肋板或凸台,6自由锻工艺设计示例,1、零件结构分析 2、绘制锻件图 93,83,72 3、确定变形工序 拔长切肩锻台阶 4、计算坯料质量和尺寸,台阶轴零件如图所示,材料为45钢,小批生产。,6自由锻工艺设计示例,第3章 金属的塑性成形,3.1 金属塑性成形基础3.2.1 锻造1自由锻(P99)3.3.1 自
15、由锻工艺设计(P122)3.2.1 锻造2模锻(P100)3.3.2 锤模锻工艺设计(P125)3.2.2 冲压(P106)3.3.3 冲压工艺设计(P131),2模锻(P100)定义:利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。设备:蒸汽-空气模锻锤、锻造压力机,变形特点:整体成形、逐步逼近 优点:产品形状复杂、锻造流线分布合理、加工 余量小;表面质量较好;生产率高。缺点:需专用设备和模具、投资较大、锻件质量较小 应用:中、小型件的成批、大量生产,3.2.1 锻造2模锻(P100),(1)锤上模锻(分为锤模锻和胎模锻)在各种锻锤上进行的模锻 1)锤模锻 在各种模锻锤上进行的模锻,设备:空气-蒸汽模锻锤
16、。锤头运动精确,砧座重,结构刚度高。,模锻锤,模锻件,(1)锤上模锻,锤模锻工艺过程,锤模锻工艺过程,特点:工艺适应性强,可用于多种变形工步,锤击力及行 程可变动,可锻造多种类型的锻件;设备费用较低;工作时振动和噪音大;生产效率较低。国内应用最多,特点:,拔长:由凸台和凹腔构成,位于锻模边角处。用于长轴类锻件的局部拔长,兼有去除氧化皮作用。,滚挤(滚压):用于减小坯料某部分的截面,增大另一部分的截面,使金属按锻件形状分布。,锤模锻锻模常见的模膛形式及作用,过程装备第11次课结束,第十四周周六上午1,2节,标记,弯曲:改变坯料轴线形状,预锻:容积略大于终锻模膛,周边无飞边槽,坯料接近锻件形状和尺
17、寸。形状简单或批量小时可不设,终锻:形状符合锻件图,尺寸加热膨胀量,周边有飞边槽 用于:锻件最终成形,飞边槽作用:促使金属充满模膛,容纳多余金属,弯曲、预锻、终锻,模膛,锤模锻时,金属的变形是在模具的各个模膛中依次完成的,在每个模膛中的锻打变形称为一个工步。,1滚压(滚挤)件 2拔长件 3坯料 4弯曲件 5预锻件 6终锻件 7拔长模膛 8滚压模膛 9终锻模膛 10预锻模膛 11弯曲模膛,模膛,第3章 金属的塑性成形,3.1 金属塑性成形基础3.2.1 锻造1自由锻(P99)3.3.1 自由锻工艺设计(P122)3.2.1 锻造2模锻(P100)3.3.2 锤模锻工艺设计(P125)3.2.2
18、冲压(P106)3.3.3 冲压工艺设计(P131),3.3.2 锤模锻工艺设计(P125),保证取出锻件利于金属充填尽量采用平面尽量减少余块 利于发现错移,1锻件图绘制(1)分模面,内容:绘制锻件图 确定模锻工步 计算毛坯尺寸 设计锻模模膛,3.3.2 锤模锻工艺设计,(2)余块 窄槽、小孔(直径25mm)和妨碍锻件取出的横向孔:需锻出的孔内须留冲孔连皮48mm;,(3)机械加工余量和锻件公差 需切削加工的表面均应有机械加工余量,所有尺寸均应给出锻件公差。单边余量:14mm;公差值:13,(4)模锻斜度 锻件上垂直于分模面的表面需带一定斜度。外壁斜度通常为57;内壁斜度通常为710。,(2)
19、确定余块(3)确定机械加工余量和锻件公差(4)确定模锻斜度,(5)圆角半径:锻件上的转角处须采用圆角,凸圆角半径为r:单边加工余量或成品零件的加工余量,凹圆角半径为R=(23)r,齿轮锻件图,(5)确定圆角半径,2模锻工步选择 主要根据模锻方法和模锻件的结构形状确定,盘类 镦粗(预锻)终锻,直轴类 拔长(滚挤)滚压(预锻)终锻,弯轴类 拔长(滚挤)滚压弯曲(预锻)终锻,2模锻工步选择,3修整工序,切边,(2)冲连皮:一般和切边同时进行,(4)热处理和清理热处理:正火或退火清理:清除锻件表面缺陷或氧化皮,水洗、酸洗、碱洗、喷砂清理、喷丸清理,热切:较大的锻件和合金钢锻件冷切:尺寸小和精度要求高的
20、锻件,(3)校正:提高锻件形状精度热校:热切后,终锻模膛内冷校:热处理和清理后,校正模内,小型结构钢锻件或热处理、清理时易变形的工件。,3修整工序,4零件结构的模锻工艺性,应有合理的分模面(2)应有合适的结构斜度 和圆角(3)避免高肋、薄壁、细 深孔及多孔结构(4)采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构,4零件结构的模锻工艺性,5模锻工艺设计示例,齿轮类零件如图3-64a,材料为45钢,中批生产,试编制模锻工艺规程。,(1)零件结构分析不合理:结构斜度 结构圆角 腹板厚度,5模锻工艺设计示例,(3)变形工步 镦粗终锻,(4)修整工序选择 切边 冲连皮 校正 热处理(正火或退火)清理,(3)变形工步
21、(4)修整工序选择,(2)绘锻件图分模面余块(冲孔连皮)机械加工余量、锻件公差模锻斜度模锻圆角,2)胎模锻:在自由锻设备上使用可移动模具生 产模锻件的锻造方法。(P101),2)胎模锻,特点:模具简单,工艺灵活,劳动强度大,模具寿命低、生产效率低,常需多次加热且锻件表面质量较差。应用:无模锻设备,中、小批量生产,特点:,阀体胎膜锻工艺,阀体胎膜锻工艺,(2)锻造压力机模锻 1)液压机模锻 高压液体(水或油)来驱动安装在活动横梁上的锻模进行模锻,特点:形状较复杂的大型锻件,利于锻造塑性差的金属,2)锻造压力机模锻,适用:航空工业中铝、镁合金模锻件的生产,2)锻压机模锻:(热模锻机械压力机)通过曲
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