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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工
8、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) 模锻件的尺寸较
9、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。,锤上模锻
10、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、预留加工余量和锻
11、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。 模锻圆
12、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,避免
13、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。根据已确定的工序即
14、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:利用冲模在
15、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:落料和冲孔,冲裁件
16、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表示,即m=d/D。拉深系数越小,表明变