模具设计与制造绪论

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1、5d0bdd71a259b9e28ff571e5e5bad610.pdf第 1 页 共 5 页绪 论塑性成形是金属加工的方法之一。它是指金属材料在一定的外力作用下， 利用金属的塑性而使其成形为具有一定的形状及一定的力学性能的加工方法， 也称塑性加工或压力加工。一、塑性成形工艺的特点及应用塑性成形工艺与金属切削加工、铸造、焊接等加工工艺相比，具有以下几 个方面的特点： 1材料利用率高 金属塑性成形主要是依靠金属在塑性状态下的形状变化和体积转移来实现 的，不产生切屑，材料利用率高，可以节约大量的金属材料。 2力学性能好 金属塑性成形过程中，金属的内部组织得到改善，制件性能好。 3尺寸精度高 金属塑

2、性成形的很多工艺方法已经达到少切削、无切削加工的要求。如齿 轮精锻、冷挤压花键工艺，其齿形精度高，可直接使用；精锻叶片的复杂曲面 可达到只需磨削的程度。 4生产效率高 金属塑性成形工艺适合于大批量生产，随着塑性成形工具、模具改进及设 备机械化、自动化程度的提高，生产效率得到大幅度提高。如高速冲床的行程 次数已经达到 15001800 次min；在热模锻压力机上锻造一根汽车发动机用 的六拐曲轴只需 40s；在双动拉深压力机上成形一个汽车覆盖件仅需几秒钟。由于金属塑性成形工艺所具有的这些特点，使之在冶金、机械、航空、航 天、船舶、军工、仪器、仪表、电器和日用五金等工业领域得到广泛应用，在 国民经

3、济中占有十分重要的地位。二、塑性成形工艺的分类金属塑性成形的种类很多，分类方法也很多，这里介绍按被加工对象性质 进行的分类方法。根据加工对象的属性可将塑性成形分成两大类：一是生产原材料为主的加 工，称为一次塑性加工；二是生产零件及其毛坯的加工称为二次塑性加工。按照塑性成形毛坯的特点，通常又将塑性成形分为体积成形（块料成形） 和板料成形两大类，每类又包括多种加工方法，形成各自的工艺领域。（一）一次塑性加工一次塑性加工可以分为轧制、挤压、拉拔等工艺，是冶金工业中生产型材、 板材、线材、管材等的加工方法。在成形过程中，变形区的形状不随变形的进 行而变化，属于稳定变形过程，适合于连续大批量的生产。1轧

4、制 轧制是使金属坯料在两个旋转轧辊间的特定空间内产生塑性变形，以获得 一定截面形状材料的塑性成形方法。这是由大截面坯料变为小截面材料常用的 加工方法。轧制可分纵轧(图 0- la)、横轧和斜轧。利用轧制方法可生产出型 材、板材和管材。 2挤压 挤压是在大截面坯料的后端施加一定的压力，使金属坯料通过一定形状和5d0bdd71a259b9e28ff571e5e5bad610.pdf第 2 页 共 5 页尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件 的塑性成形方法。挤压又分正挤压(图 01b)、反挤压和复合挤压等。一次塑 性加工的挤压主要用来生产型材、管材等，其中铝型材的挤压

5、近一、二十年以 来得到迅速发展。 3拉拔 拉拔是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺 寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面材料的塑 性成形方法(图 01c)。用拉拔方法可以获得各种截面的棒材、管材和线材。图 01 金属塑性成形方法的种类 a)轧制（纵轧） b)挤压（正挤压） c)拉拔 d)自由锻（镦粗） e)开式模锻 f)闭式模锻 g)冲压（拉深）（二）二次塑性加工塑性成形的二次塑性加工是机械制造工业领域内生产零件或坯料的加工方 法。二次塑性加工时，除大型锻件采用铸锭为原材料直接锻打成锻件外，一般 都是以一次塑性加工获得的线、棒、管、板、型材为原材

6、料进行再次塑性成形。 它包括板料成形和体积成形两个部分。1板料成形 板料成形又称为冲压，这种成形方法多在常温下进行，所以又叫冷冲压或 板料冲压。按其变形性质又可以进一步分为分离工序和成形工序。分离工序是利用冲模在压力机外力的作用下，使板料分离出一定的形状和 尺寸的工件的冲压工序。它包括落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序。成形工序是利用冲模在压力机外力的作用下，使板料产生塑性变形而得到 要求的形状和尺寸的工件的冲压工序。包括弯曲、拉深(图 01g)、翻边、胀 形、扩口、缩口、旋压等工序。 2体积成形 二次塑性加工的体积成形是利用锻压设备及工、模具，对金属坯料（块料） 进行体积重新分配的塑性变形，

7、得到所需形状、尺寸及性能的制件。它主要包 括锻造、挤压两大类。前者在成形过程中，变形区的形状随变形的进行而发生 改变，属于非稳定塑性变形；后者在变形的大部分阶段变形区的形状不随变形 的进行而改变，属于稳定塑性变形。（1）锻造 锻造通常分为自由锻造和模锻。自由缎(图 0-1d)一般是在缎锤或水压机上， 利用简单的工具将金属锭或块料锻成所需形状和尺寸的加工方法。自由锻时不 使用专用模具，因而锻件的尺寸精度低，生产率也不高，主要用于单件、小批5d0bdd71a259b9e28ff571e5e5bad610.pdf第 3 页 共 5 页量生产、大锻件生产或冶金厂的开坯。模锻是在模锻锤或热模锻压力机上利

8、用 模具来成形，又可以细分为开式模锻(图 0-1e)和闭式模锻(图 01f)。由于金 属的成形受模具控制，因此模锻件有相当精确的外形和尺寸，生产率也较高， 适合于大批量生产。 （2）挤压 二次塑性加工的挤压主要用于挤压件的生产。因为挤压是在很强的三向压 应力状态下的成形过程，因而允许采用很大的变形量，更适于低塑性材料成形。 常温下的挤压叫冷挤压，冷挤压工艺具有优质(精度高、强度高)、高效、节材 的优点，中、小型零件的冷挤压加工应用越来越广泛。随着生产技术的发展，上述基本加工变形方式互相渗透，而产生新的组合 加工变形方式。如锻造和纵轧组合的辊锻工艺，可生产各种变断面零件(如连杆 等)；锻造和横轧

9、组合的楔横轧工艺，可生产各种阶梯轴和锥形轴；锻造扩扎和 横轧组合的辗环工艺，可生产各种环形件(如轴承环、火车轮箍、齿轮环等)； 冲压和轧制组合的旋压工艺，可生产各种薄壁空心回转体零件；弯曲和轧制组 合的辊弯工艺，可生产各种断面的冷弯型材及焊管等。以上说明，各种加工变形方式的互相渗透和适当组合，可开发出高效率的、 新的塑性成形工艺方法。此外，随着技术的发展，也不断形成新的塑性加工方 法，例如连铸连轧、液态模锻、等温锻造和超塑性成形等。所有这些都进一步 扩大了塑性成形的应用范围。塑性加工中的体积成形按成形时工件的温度还可以分为热锻、冷锻和温锻 三类。 热锻：终锻温度高于再结晶温度的成形，自由锻、模

10、锻、热挤压。 冷锻：一般指在室温下的成形，冷挤压、冷镦锻。 温锻：一般指在室温以上再结晶温度以下的成形，温挤压、温镦锻。三、塑性成形工艺的发展趋势塑性成形工艺沿着制件优质化、柔性化、工艺省力化，并不断改善劳动环 境及广泛应用计算机等方面发展。(一)制件优质化它体现在两个方面，一是毛坯的尺寸精化，二是生产高性能材料的制件。 为了实现锻件精化，需相应地发展精密剪切、精密制坯、少无氧化加热等技术， 并提高压机的刚度及改善模具的结构等。也可以采用温锻成形，然后在工件尺 寸精度要求高的部位采用冷整形工艺的有效措施。与此同时，为了提高锻件的 性能和满足特殊要求，对一些新材料，特别是塑性差的特种材料的锻造是

11、今后 研究的方向之一。(二)生产柔性化其目的是适应品种多变的需要。这就要求换样时间短，设备能做尽可能多 的运动方式(多滑块多向滑动)；操作系统尽可能采用 CNC 及 PNC(示教再现式) 控制。与此同时，应尽量采用“柔性”高的生产工艺，尽量采用少模、小模、 无模成形工艺，像带自动换工具系统的自动自由锻造机，多向缎造机，环形件 辗压工艺等都是一些重要的发展方向。(三)工艺省力化变形力大是体积成形的一大缺点，这不仅相应地增加设备重量，也增大了 初投资。近年来，回转成形工艺（辊锻、摆辗、楔横扎、径向锻造等等）得到 了很大发展，这是由于回转成形是以连续局部成形代替整体同时成形，因而变5d0bdd71a

12、259b9e28ff571e5e5bad610.pdf第 4 页 共 5 页形力大幅度下降。(四)改善劳动环境锻造噪声大、震动大已成为公害，如何减震降噪已成为日益突出的问题。 与此同时，为了减轻劳动强度，应逐步实现机械化，并尽量减少烟尘。(五)设计技术的发展及计算机技术的应用计算机不仅已用于设备的控制和成形过程的仿真，CADCAMCAE 已经在 逐步实施，专家系统也在完善，计算机的应用必将日益广泛。在现代工业生产中，由于产品的更新换代日趋频繁，已朝着复杂化、多样 化、高性能、高质量方向发展，因此各工业部门对生产技术的发展也提出了愈 来愈高的要求。塑性成形工艺设计作为生产前的技术准备，其设计方法

13、和手段 也在不断地更新和发展。尤其是近些年来计算机在设计领域内有了较广泛的应 用，已涉及到工艺设计，也涉及到模具设计与制造，因此可以预言，它在不久 的将来会取得较为迅速的进展。总之，塑性成形设计技术的发展，可概括为以 下几个方面。 1工艺设计技术的现代化 传统的工艺设计方法主要是依靠设计人员的经验、技能和可供查阅的现有 设计资料，针对具体的零件，从工艺分析、计算入手，到分析、比较和确定工 艺方案及有关工艺参数，表现为人工的大量复杂而重复性的劳动过程，使设计 周期延长，难以满足产品快速更新换代的要求。随着计算机技术的飞跃发展和 塑性成形理论的进一步完善，近年来国内外已开始研究塑性成形过程的计算机

14、 模拟技术，即利用有限元等理论分析方法模拟金属的成形过程，以预测某一工 艺方案对零件成形的可能性和将会产生的问题，其结果既可在计算机屏幕上显 示，也可将全部数据打印出来，以供设计人员进行修改和选择。若设计者对某 一工艺方案尚不满意，便可修改工艺方案和相应的工艺参数，重新进行分析计 算，直到满意为止。这样，不仅大大缩短了工艺设计周期，而且可以逐步建立 套能紧密结合生产实际的先进设计方法，既促进了工艺的发展，也使塑性成 形理论对生产实际起到更大的指导作用。 2模具设计与制造技术的现代化 模具是实现塑性成形工艺要求的主要工艺装备。按照传统的手工设计与绘 图方法，往往要进行大量的重复性劳动，不仅延长了

15、模具设计周期，而且也严 重影响了产品更新换代。因此，许多工业发达国家先后进行了模具计算机辅助 设计与制造（CADCAM）的研究与开发，使得这一新技术在近年来取得了重大 进展，并已在生产中应用。模具 CAD 产生用于制造模具的图样、数据与工艺文 件，通过 CAM 生成模具型面数控加工指令，传递到数控机床对型面进行加工。 这个过程就是 CAD 和 CAM 的集成。模具 CAD 提供的数据，不仅用于模具型面的 加工，而且还用于型面的检测。采用 CADCAM 技术后，可大大提高模具设计制 造放率，使模具生产周期大大缩短。 3计算机专家系统的开发与应用 由于计算机技术的应用范围日趋扩大，在塑性成形工艺和

16、模具设计制造方 面，国内外正在开展人工智能的研究。而计算机专家系统则是人工智能的一个 分支，主要用于模拟人的智能活动，达到分析解决问题的目的。在塑性成形工 艺设计中，无论是目前还是未来相当长的时间内，不可否认经验仍将在设计中 起着极其重要的作用。因此，将众多专家的经验知识汇集起来，构成所谓的计 算机专家系统，模仿专家的经验、知识来分析和处理问题，其实用价值是不言5d0bdd71a259b9e28ff571e5e5bad610.pdf第 5 页 共 5 页而喻的，它将是设计工作在手段和方法上的一个重大突破。计算机专家系统的 研制与开发，将对塑性成形设计技术的进步产生重大影响。四、本课程的任务金属塑性成形的工艺方法多种多样，并且有各自的特点，但这些塑性成形 工艺与模具之间有着内在的联系和共同的规律。塑性成形工艺与模具设计课程 着重讲述冲压工艺、热锻工艺和冷锻工艺中的基本成形方法及其模具设计技术。本课程的主要任务是：（1）掌握冲压工艺的基本类型及其特点，对冲裁、弯曲、拉深