金属塑性成形工艺讲解

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1、,第5章 金属材料成形,第一节 金属液态成型工艺基础 第二节 金属塑性成形工艺基础 第三节 金属连接成形工艺基础,第二节 金属塑性成形工艺,板料冲压,锻造,汽车锻件,典型的冲压件,塑性成形工艺 金属塑性成形是在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。 金属塑性成形可分为：自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制，成形方式如图所示。,常用压力加工方法 a）自由锻 b）模锻 c）板料冲压 d）挤压 e）轧制 f）拉拔,压力加工与其它成形方法比较具有以下特点：,（1）改善金属组织、提高力学性能。金属材料经压力加工后，其组织、性能都得到改善和提高。 （2）提高材

2、料的利用率。金属塑性成形主要靠金属在塑性变形时改变形状，使其体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。 （3）具有较高的生产率。塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产效率高。 （4）可获得精度较高的毛坯或零件。压力加工时坯料经过塑性变形获得较高的精度，可实现少或无切削加工。,金属的塑性成形基础 一、金属塑性变形的基本概念,1、材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的塑性成形性越好，越适合压力加工。 2、常用材料的伸长率和断面收缩率来表示塑性指标。 3、金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律、加工硬化和体积不变规律等 最小阻力定律 是指金属在塑性变形过程中，金属各质

3、点将向阻力最小的方向移动。最小阻力定律符合力学的一般原则，是塑性成形加工中最基本的规律之一。 加工硬化规律 金属在常温下随着变形量的增加，变形抗力增大，塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。 体积不变规律 金属材料在塑性变形时，变形前与变形后的体积保持不变。根据此规律，可以确定毛坯的尺寸和确定变形工序。,二、金属塑性变形对组织和性能的影响 1. 变形程度的影响 压力加工时，塑性变形程度的大小常用锻造比Y锻来表示，拔长时的锻造比Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗时的锻造比Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。锻造比越大，毛坯的变形程度也越大。生产中

4、以铸锭为坯料锻造时，碳素结构钢的锻造比在23范围选取，合金结构钢的锻造比在34范围选取。以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.11.3即可。 2. 冷变形与热变形 在再结晶温度（T再0.4Tm）以下的塑性变形称为冷变形，因冷变形有加工硬化现象产生，故每次的冷变形程度不宜过大，否则会使金属产生裂纹。冷变形加工的产品具有表面质量好、尺寸精度高、力学性能好等优点。常温下的冷镦、冷挤压、冷拔及冷冲压都属于冷变形加工。 热变形是在再结晶温度以上的塑性变形，热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在，而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。热变形可使金属保持较低的变形抗力和良好的

5、塑性，可以用较小的力和能量产生较大的塑性变形而不会产生裂纹，同时还可获得具有较高力学性能的再结晶组织。但是，热变形是在高温下进行的，金属在加热过程中表面易产生氧化皮，精度和表面质量较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形加工。,常用塑性加工方法,一、自由锻 自由锻是利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。 自由锻分为手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。机器锻造是自由锻的主要方法。,优点：使用的工具简单；操作灵活；通过局部成形组合出所需锻件的形状、尺寸 缺点：锻件的精度低，生产率低，工人技术

6、水平要求高，劳动强度大 应用：单件、小批、形状简单的锻件，大型、重型锻件，尤其是特大型锻件,1、自由锻设备,2、自由锻工序,自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和修整工序三大类。,一）基本工序 基本工序包括镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等。实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个工序。 镦粗 沿工件轴向进行锻打，使其长度减小，横截面积增大的操作过程。常用来锻造齿轮坯、凸缘、圆盘等零件，也可用来作为锻造环、套筒等空心锻件冲孔前的预备工序。 镦粗时，坯料不能过长，高度与直径之比应小于2.5，以免镦弯，或出现细腰、夹层等现象。坯料镦粗的部位必须均匀加热，以防止出现变形不均匀。,拔长 拔长是沿

7、垂直于工件的轴向进行锻打，以使其截面积减小而长度增加的操作过程，常用于锻造轴类和杆类等零件。 拔长时工件要放平，锻打要准，力的方向要垂直，并且拔长过程中要不断翻转和送进工件。,冲孔 利用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的操作过程。常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件，对于直径小于25mm的孔一般不锻出，而是采用钻削的方法进行加工。,较薄的坯料通常采用单面冲孔； 厚度较大的锻件，一般采用双面冲孔法,冲孔工艺 a）薄坯料冲孔 b）厚坯料冲孔 1冲头 2坯料 垫环,（二）辅助工序 为使基本工序操作方便而进行的预变形工序称为辅助工序，例如，为方便挟持工件而进行的压钳口、局部拔长时先进行的切肩等工序都属于辅助

8、工序。 （三）修整工序 用以减少锻件表面缺陷而进行的工序，如校正、滚圆、平整等。修整工序的变形量一般很小，而且为了不影响锻件的内部质量，一般多在终锻温度或接近终锻温度下进行。,典型锻件图,锻件余量及敷料 1敷料 2锻件余量,二、模锻,使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的加工方法称为模锻。由于模膛对金属坯料流动的限制，锻造终了时可获得与模膛形状相符的模锻件。,模锻具有如下优点： (1) 生产效率较高。模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。 (2) 能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，从而进一步提高零件的使用寿命。 (3) 模锻件的

9、尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。 (4) 模锻件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) 模锻操作简单，劳动强度低。 但模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在150kg以下。模锻设备投资较大，模具费用较昂贵，工艺灵活性较差，生产准备周期较长。因此，模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。,模锻按所使用的设备不同，分为锤上模锻、压力机上模锻、胎模锻等。 （一）锤上模锻的工艺特点 锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头作上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。,锤

10、上模锻的工艺特点是： （1）金属在模膛中是在一定速度下，经过多次连续锤击而逐步成形的。 （2）锤头的行程、打击速度均可调节，能实现轻重缓急不同的打击，因而可进行制坯工作。 （3）由于惯性作用，金属在上模模膛中具有更好的充填效果。 （4）锤上模锻的适应性广，可生产多种类型的锻件，可以单膛模锻，也可以多膛模锻。,二）锤上模锻工艺规程的制定 锤上模锻工艺规程的制定主要包括绘制模锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步、选择锻造设备、确定锻造温度范围等。 1. 绘制模锻件图 模锻件图是设计和制造锻模、计算坯料以及检验模锻件的依据。根据零件图绘制模锻件图时，应考虑以下几个问题。 （1）恰当的分模面、预留加工余

11、量和锻件公差。模锻时金属坯料是在模锻模膛中成形的，因此模锻件尺寸较为精确，其公差和余量比自由锻件小的多。,（2）模锻斜度。为便于从模膛中取出锻件，模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度，称为模锻斜度。对于锤上模锻，模锻斜度一般为515之间。模锻斜度还分为外壁斜度与内壁斜度，如图所示。内壁斜度值一般比外壁斜度大25。生产中常用金属材料的模锻斜度范围见表。,（3）模锻圆角半径。模锻件上所有两平面转接处均需圆弧过渡，此过渡处称为锻件的圆角，如图所示。圆弧过渡有利于金属的变形流动，锻造时使金属易于充满模膛，提高锻件质量，并且可以避免在锻模上的内角处产生裂纹，减缓锻模外角处的磨损，提高锻模使用寿命。

12、模锻圆角半径圆角的大小，用圆角半径表示，它受到许多因素的影响，如肋高、锻造方法、锻件材料以及操作条件等。钢的模锻件外圆角半径()一般取1.5mm12mm，内圆角半径(R)比外圆角半径大23倍。模膛深度越深，圆角半径值越大。为了便于制模和锻件检测，圆角半径尺寸已经形成系列，其标准是1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12、15、20、25和30等，单位为mm。,（4）冲孔连皮。对于具有通孔的锻件，由于锤上模锻时不能靠上、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，称为冲孔连皮，锻后利用压力机上的切边模将其去除。冲孔连皮可起到减轻锻模刚性接触的缓冲作用

13、，避免锻模的损坏，并使金属易于充型，减小打击力，因此冲孔连皮不能太薄。常用的连皮形式是平底连皮，如图所示，连皮的厚度s通常在48mm范围内。,各参数确定后，便可绘制锻件图。图所示为齿轮坯模锻件图。图中双点划线为零件轮廓外形，分模面选在锻件高度方向的中部。由于零件轮辐部分不加工，故无加工余量。图中内孔中部的两条直线为冲孔连皮切掉后的痕迹。,2. 计算坯料质量与尺寸 模锻件坯料质量与尺寸的计算步骤与自由锻件相类似。坯料质量包括锻件、飞边、连皮、钳口料头以及氧化皮等的质量。通常，氧化皮约占锻件和飞边总和质量分数的2.5%4%。 3. 确定模锻工序 模锻工序主要根据锻件的形状与尺寸来确定。根据已确定的

14、工序即可设计出制坯模膛、预锻模膛及终锻模膛。 锻造的后期为修整工序：包括切边与冲孔；校正；热处理；清理；精压。 4. 选择锻造设备 锤上模锻所用的设备有蒸汽-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。模锻生产中所用的蒸汽-空气锤与自由锻锤基本相同。 模锻设备的选择应结合模锻件的大小、质量、形状复杂程度及所选择的基本工序等因素确定，并充分考虑到工厂的实际情况。 5. 确定锻造温度范围 模锻件的生产在一定温度范围内进行，碳钢上限为液相线以下200、下限为800左右。,图2-11 锻件余量及敷料 1敷料 2锻件余量,锤锻模结构设计,连 杆 锤 用 锻 模 图,板料冲压,1、板料冲压

15、：利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。 2、板料冲压的特点： （1）冲压生产操作简单，生产率高，易实现机械化和自动化。 （2）冲压件尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，可作为零件使用。 （3）冲压塑性变形产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。 （4）冲模结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。 3、冲压基本工序： 分离工序：落料、冲孔、切断等 变形工序：拉深、弯曲、翻边和胀型等,冲压使金 属板料在模具内 受力成形。,冲压工艺,4、冲压设备：,5、冲压模具,6、冲压产品,7、冲压工序,基本工序：落料和

16、冲孔,冲裁件排样设计材料的经济利用,冲裁件在板料上的布置称为排样。排样合理，材料的利用率高。 材料利用率： =A0 /A100,式中： A0 零件实际面积； A 消耗板料面积。,冲裁件的排样方法有三类：,少、无搭边排样，材料的利用率高； 有搭边排样，冲裁件尺寸精度高。 搭边数值与材料硬度、板料厚度、零件形状等因素有关。,2）弯曲： 板料、型材等按要求弯成一定的角度或曲率，形成所需弯曲零件的冲压工序。,典型弯曲零件（）,典型弯曲零件（）,典型弯曲零件（）,弯曲件的弯曲方法,模压,拉弯,滚压,折弯,3）、拉深工序,拉深是使平面板料成形为中空形状零件的冲压工序。,拉深变形过程及拉深件如图4-22所示，原始直径为D的板料，经过凸模压入到凹模孔口中，拉深后变成内径为d、高度为h的筒形零件。,圆筒形件,拉深件类型,1）规则拉深件 a）轴对称旋转体 b) 盒形件 c) 不对称拉深件,不规则拉深件汽车覆盖件,拉深系数：拉深系数是衡量拉深变形程度大小的主要工艺参数，它用拉深件直径d与毛坯直径D的比值m表