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1、第三章塑性成形及工艺控制 塑性成形 加工 指固态金属在外力作用下产生塑性变形 获得所需形状 尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法 具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形 塑性成形加工的特点 优点 1 改善金属的组织 提高金属的力学性能 2 节约金属材料和切削加工工时 提高金属材料的利用率和经济效益 材料利用率一般可达到60 70 先进的可达到85 90 3 具有较高的生产率 4 适应性广 缺点 1 锻件的结构工艺性要求较高 内腔复杂零件难以锻造 2 锻造毛坯的尺寸精度不高 一般需切削加工 3 需重型机器设备和较复杂模具 设备费用高 4 生产现场劳动条件较差 常用
2、塑性成形加工方法有 1 自由锻造 2 模型锻造 3 挤压 4 拉拔 5 轧制 6 板料冲压 如图3 1所示 塑性成形主要用于主轴 曲轴 连杆 齿轮 叶轮 炮筒 枪管 吊钩 飞机和汽车零件等力学性能要求高的重要零部件 图3 1各种塑性成形方法 第1节塑性成形理论基础 3 1 1塑性成形基本规律 3 1 2金属的塑性成形性能 3 1 1塑性成形基本规律 塑性成形规律 就是塑性成形时金属质点流动的规律 即在给定条件下 变形体内将出现什么样的位移速度场和位移场 以确定物体形状 尺寸的变化及应变场 从而为选择变形工步和设计成形模具奠定基础 1 体积不变定律金属塑性变形前后体积不变 实际中略有缩小 可计算
3、各工序尺寸 2 最小阻力定律塑性变形时金属质点首先向阻力最小方向移动 一般金属某质点移动时阻力最小方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向 如图3 15 图3 16所示 图3 15不同截面的金属流动情况 a 圆形b 正方形c 长方形 图3 16金属镦粗变形 3 1 2金属的塑性成形性能 也可称为金属的可锻性 金属的可锻性是用来衡量金属材料在经受塑性成形加工时获得优质零件难易程度 是金属的工艺性能指标之一 常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量 可锻性的衡量指标 1 塑性 2 变形抗力 材料的塑性越好 其可锻性越好 是指压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力 材料
4、的变形抗力越小 其可锻性越好 金属可锻性的影响因素 1 金属本质的影响1 金属的化学成分 化学成分不同 塑性不同 可锻性不同 a 纯金属比合金的塑性好 变形抗力小 因此纯金属比合金的可锻性好 b 合金元素的含量越高 锻造性越差 因此低碳钢比高碳钢的可锻性好 相同碳含量的碳钢比合金钢的锻造性好 低合金钢比高合金钢的可锻性好 C 钢中含P S H杂质元素越多 可锻性越差 2 金属的组织状态 组织结构不同 可锻造性不同 单一固溶体组成的合金 塑性好 可锻性好 铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构 金属内部有缺陷也不一样 1 变形温度 温度升高 塑性上升 降低变形抗力 易于锻造 但温度过高也会
5、产生相应的缺陷 如氧化 脱碳 过热和过烧等 故要严格控制锻造温度范围 锻造温度范围指始锻温度与终锻温度间的温度范围 以合金状态图为依据 对始锻温度 原则是在不出现过热和过烧的前提下 尽量提高始锻温度 碳钢的始锻温度为AE线下2000C 终锻温度即停止锻造的温度 对于锻件质量有很大影响 终锻温度太高 停锻后晶粒会重新长大 降低锻件力学性能 太低 再结晶困难 冷变形强化现象严重 变形抗力太大 甚至产生锻造裂纹 也易损坏设备和工具 碳钢锻造温度见图3 17b 2 金属的变形条件 返回文档 图3 17b碳钢的锻造温度范围 表3 1常用金属材料的锻造温度范围 11 2 变形速度 应变速率 指金属在锻压加
6、工过程中单位时间内的相对变形量 变形速度的影响较复杂 一方面变形速度增大 冷变形强化现象严重 变形抗力增大 可锻性变坏 另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高 提高塑性 降低变形抗力 可锻性变好 3 变形时的应力状态 不同压力加工方法 金属内部的应力状态是不同的 如图所示 在金属塑性变形时 压应力数目越多 其塑性变形越好 因为压应力使滑移面紧密结合 防止产生裂纹 拉应力则使塑性变形降低 应为它使缺陷扩大 使滑移面分离 但压应力时变形抗力增大 故必须综合考虑塑性和变形抗力 三向压应力 塑性最好 变形抗力最大 三向拉应力 塑性最差 变形抗力最小 第2节塑性成形方法 3 2 1锻造 3 2
7、1 1自由锻 自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁 砧块 之间 施加冲击力或压力 使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法 坯料在锻造过程中 除与上下抵铁或其它辅助工具接触的部分表面外 都是自由表面 变形不受限制 所用设备与工具通用性强 自由锻主要用于单件 小批生产 也是生产大型锻件的唯一方法 1 自由锻设备自由锻设备常用的有锻锤和压力机 1 空气锤 它由电动机直接驱动 打击速度快 锤击能量小 适用于小型锻件 其结构与原理如图所示 65 750Kg2 蒸汽 空气锤 利用蒸汽或压缩空气作为动力 构造及工作原理如图所示 适用于中小型锻件 630Kg 5T3 水压机 以压力代替锤锻时的冲击力 适
8、用于锻造大型锻件 500 1500t 其原理和结构如图所示 落下部分总重量 活塞 锤头 锤杆 工作液体产生的最大压力 锻锤吨位 压力机吨位 图3 20空气锤 图3 21双柱式蒸汽 空气自由锻锤 1 工作气缸2 落下部分3 机架4 砧座5 操作手柄6 滑阀7 进气管8 滑阀气缸9 活塞10 锤杆11 排气管 图3 22自由锻水压机本体结构 1 工作缸2 工作柱塞3 上横梁4 活动横梁5 立柱6 下横梁7 回程缸8 回程柱塞9 回程横梁10 拉杆11 上砧12 下砧 1 基本工序 改变坯料的形状和尺寸以使锻件基本成形的工序 包括镦粗 拔长 冲孔 弯曲 切割 扭转 错移等 最常用的是镦粗 拔长 冲孔
9、 2 自由锻工序根据作用与变形要求的不同 可分为基本工序 辅助工序和精整工序 H 完全礅粗 局部礅粗 S 1 25 H0 D0 2 5 3 冲孔 4 扩孔 6 扭转 7 错移 1 礅粗 2 拔长 S L 芯轴扩孔 5 弯曲 2 辅助工序 为了方便基本工序的操作 而使坯料预先产生某些局部变形的工序 如压钳口 倒棱和切肩 3 精整工序 是为减少锻件表面缺陷而进行的后处理工序 如消除表面的不平和歪扭 修整鼓形 平整端面 校直弯曲 3 自由锻的特点优点 1 自由锻使用工具简单 有很大的通用性 不需要造价昂贵的模具 2 可锻造各种重量的锻件 从不足1Kg到上百吨 对大型锻件 它是唯一方法3 由于自由锻的
10、每次锻击坯料只产生局部变形 变形金属的流动阻力也小 故相同重量的锻件 自由锻比模锻所需的设备吨位小 缺点 1 锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证 故尺寸精度低 加工余量大 金属材料消耗多 2 锻件形状比较简单 生产率低 劳动强度大 故自由锻只适用于单件或小批量生产 3 2 1 2模锻 模型锻造 模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内 在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法 坯料变形时 金属的流动受到模膛的限制和引导 从而获得与模膛形状一致的锻件 与自由锻相比 模锻的优点是 1 由于有模膛引导金属的流动 锻件的形状可以比较复杂 2 锻件内部的锻造流线比较完整 从而提高了零件的力学性
11、能和使用寿命 3 锻件表面光洁 尺寸精度高 节约材料和切削加工工时 4 生产率较高 5 操作简单 易于实现机械化 6 生产批量越大成本越低 模锻的缺点 1 模锻是整体成形 摩擦阻力大 故模锻所需设备吨位大 设备费用高 2 锻模加工工艺复杂 制造周期长 费用高 故只适用于中小型锻件 150Kg 的成批或大批生产 如图所示为典型模锻件 模锻广泛应用于国防工业和机械制造业 按质量计算模锻件在飞机上占85 坦克占70 汽车占80 机车占60 图3 23典型模锻件 按使用设备不同 模锻可分为 锤上模锻 曲柄 热模锻 压力机上模锻 摩擦压力机上模锻 平锻机上模锻等 1 锤上模锻锤上模锻即在模锻锤上的模锻
12、模锻锤的构造如下图所示 锻模结构如下图所示 由带有燕尾的上模和下模组成 锻模结构 锻模 模膛 飞边槽 形成锻件基本形状和尺寸的型腔 容纳多余的金属 返回文档 模锻锤 锤上锻模 1 锤头2 上模3 飞边槽4 下模5 模垫6 7 10 楔铁8 分模面9 模膛 图3 10盘类锻件的模锻过程 25 模膛根据其功能不同可分为制坯模膛和模锻模膛两大类 1 制坯模膛 用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻件的模膛 又可分为 1 拔长模膛 减少坯料某部分横截面积 增加该部分长度 如图3 25a所示 a 开式b 闭式 图3 25a拔长模膛 2 滚压模膛 减少坯料某部的横截面积和增加另一部分的横截面积 起分配金属和
13、光整表面的作用 如图3 25b所示 a 开式b 闭式 图3 25b滚压模膛 3 弯曲模膛 使坯料弯曲的模膛 如图3 25 c所示 4 切断模膛 是在上模与下模的角部形成的一对刀口 用来切断金属坯料 如图3 25d所示 图3 25c弯曲模膛 图3 25d切断模膛 图3 26带冲孔连皮和飞边的模锻齿轮件 1 飞边2 分模面3 冲孔连皮4 锻件 弯曲连杆的锻模及成形过程示意图 弯曲连杆的锻模及成形过程示意图 视频锤上模锻 锤上模锻操作简便 工艺适应性广 在中 小锻件的生产中得到广泛的应用 但锤上模锻锻造时振动及噪声大 劳动条件差 蒸汽作功效率低 能源消耗大 近年来大吨位的模锻机有逐步被压力机取代的趋
14、势 生产上常用的压力机有摩擦压力机 曲柄压力机 平锻压力机等 2 曲柄压力机 热模锻压力机 上模锻 工作原理 曲柄压力机的工作原理如图3 24所示 电动机4通过V形皮带带动带轮3转动 带轮3通过传动轴经小齿轮6 大齿轮7带动曲轴9 并经连杆10将曲轴9的旋转运动变成滑块1的往复运动 冲模的上模固定在滑块上 从而完成对坯料的加压过程 图3 24曲柄压力机工作原理示意图 1 滑块 2 制动器床身 3 带轮 4 电动机 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 楔形垫块 曲柄压力机的吨位一般为200 1200kN 与锤上模锻比 具有下述特点 优点 1 锻
15、造力是压力 坯料的变形速度较低 可锻造较低塑性合金 2 锻造时滑块的行程不变 每个变形工步在一次行程中即可完成 便于实现机械化和自动化 具有很高生产率 3 滑块运动精度高 并有锻件顶出装置 使模锻斜度 加工余量 锻造公差减小 锻件精度比锤上模锻高 4 振动和噪声较小 劳动条件改善 缺点 1 设备费用高 模具结构复杂 2 滑块行程和压力不能在锻造过程中调整 因此不能进行拔长 滚压等制坯 3 摩擦压力机上模锻 摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形能进行锻造的 属锻锤类锻压设备 其结构与传动原理如图所示 摩擦压力机上模锻的特点如下 1 滑块运动速度低 可锻造低塑性合金钢和有色金属 2
16、承受偏心载荷能力差 仅适合单膛模锻 3 打击速度低 可采用组合模具 降低生产成本 缩短生产周期 图3 26摩擦压力机工作原理示意图 1 螺杆 2 螺母 3 飞轮 4 左 右摩擦轮 5 电动机 6 皮带 7 带轮 8 滑块 9 导轨 10 工作台 11 操纵手柄 4 滑块行程不固定 故工艺性广泛 4 平锻机上模锻平锻机相当于卧式的曲柄压力机 它沿水平方向对坯料施加锻造压力 其结构和原理如图3 31所示 其特点是 图3 25平锻机的工作原理示意图 1 电动机 2 传动带 3 离合器 4 带轮 5 传动轴 6 凸轮 7 曲轴 8 齿轮 9 连杆 10 小凸轮 11 主滑块 12 凸模 13 挡料板 14 固定凹模 15 活动凹模 16 杠杆17 副滑块 其特点是 1 坯料都是棒料或管材 并且只进行局部 一端 加热和局部变形加工 因此可锻造立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件 平锻机上锻件如图3 32所示 2 锻模有两个分模面 锻件出模方便 可以锻出在其它设备上难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件 3 需配备对棒料局部加热的专用加热炉 4 是高效率 高质量 容易实现机械化的锻造方法 但设
