塑性成形工艺与模具设计考试要点.doc

第一章
塑性成形工艺的分类：一次塑性加工（轧制、挤压、拉拔），二次塑性加工(板料成形（分离工序、成型工序），体积成形(锻造(自由锻、模锻(开式、闭式))、挤压))。
发展体现在:1、塑性成形的理论基础以基本成型；2、以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为人们认识成形过程的本质规律提供了新途径3、CAD/CAM等技术的不断深入应用，使模具质量提高制造周期下降；新的成形方法不断出现并得到成功应用。
1、 冲压是利用冲模在压力机上对金属（非金属）板料施加压力，使其分离或变形，从而得到一定形状并且满足一定使用要求的零件的加工方法。
冲压工艺分类：按变形性质分分离和成形分类：按基本变形方式分冲裁、弯曲、拉深、成形；按工序组合分简单和组合工序（复合工序、连续工序、连续—复合工序）。复合模具的决定因素：批量、尺寸、精度。
冲压加工三要素:冲压设备，模具，原材料。
冲压对板料的基本要求：对力学性能的要求(伸长率大、屈强比小、弹性模数大、硬化指数高和厚向异性系数大)、对化学成分的要求(C、Si、Mn、P、S等元素的含量增加，就会使材料的塑性降低、脆性增加)、对金相组织的要求(晶粒大小不均引起裂纹，过大的晶粒在拉深时产生粗超的表面)、对表面质量的要求（光滑、无氧化皮、裂纹、划伤等缺陷）、对厚度公差的要求（厚度公差对零件的精度和模具寿命有很大影响）。
2、力学性能与冲压成形性能
冲压成形性能：板料对冲压成形工艺的适应能力。
两种失稳现象：拉伸失稳与压缩失稳；拉伸失稳即板料在拉应力的作用下局部出现缩颈或断裂；压缩失稳即板料在压应力作用下出现起皱
板料的冲压成形性能包括：抗破裂性、贴膜性、定形性；贴膜性是板料在冲压过程中取得与模具形状一致的能力；定形性是指零件脱模后保持其在模内既得形状的能力。
板料在失稳之前可以达到的最大变形程度叫成形极限，分为总体成形极限和局部成形极限
性能指标：屈服强度 、屈强比 、伸长率 、硬化指数 、厚向异性系数 、板平面各向异性指数
屈服强度 屈服强度小，材料容易屈服，则变形抗力小，压缩变形时不易出现起皱
屈强比 屈强比小说明 值小而 值大，即容易产生塑性变形而不易产生拉裂
伸长率 拉伸实验中，试样拉断时的伸长率
硬化指数n：单向拉伸硬化曲线可写成 ，其中指数n即为硬化指数，表示在塑性变形中材料的硬化度。n大时，说明在变形中材料加工硬化严重，真实应力增加大。变形总是遵循阻力最小定律，即“弱区先变形”的原则，变形总是在最弱面处进行，这样变形区就不断转移。
厚向异性系数r：指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变的比值，即 γ=ξb/ξt 。厚向异性系数表示板料在厚度方向上的变形能力，r值越大，拉深时易在宽度方向变形，不易出现裂纹，有助于提高拉深变形程度。
板平面各向异性指数 板料在不同方位上厚向异性系数不同，造成板平面内各向异性。
越大，表示板平面内各向异性越严重，拉深时在零件端部出现不平整的凸耳现象，就是材料的各向异性造成的，它既浪费材料又要增加一道修边工序。
装模高度△H：指滑块在下死点时，滑块下表面道工作台垫板上表面的距离；最大装模高度Hmax即当利用装模高度调节装置将滑块调整到最上位置时，装模高度达到最大值；装模高度调节量：装模高度调节装置所能调节的距离。
第二章
冲裁：是利用模具使板料产生分离的冲压工序。
冲裁断面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺4部分组成。断面的光亮带越宽、断裂带越窄、圆角及毛刺越小，冲裁件的断面质量就越好。
曲线与δ=0的横轴交点表明零件尺寸与模具尺寸一致，交点右边表示间隙较大时冲孔孔径大于凸模刃口尺寸，落料件尺寸小于凹模刃口尺寸。这是因为间隙较大时，变形区材料的拉应力较大，冲裁后材料必然收缩的缘故。交点左边表示间隙小时冲孔孔径小于凸模刃口尺寸，落料件尺寸大于凹模尺寸。因为间隙小时，变形区材料的横向压应力较大，冲裁后必然伸展。
落料δ=零件外形实际尺寸-凹模刃口尺寸
冲孔δ=零件实际尺寸-凸模刃口尺寸
凸凹模刃口尺寸的计算原则：1、保证冲出合格的零件2、保证模具有一定的使用寿命3、考虑冲模制造修理方便、降低成本。依据：1、冲裁变形规律，即落料尺寸与凹模刃口尺寸相等，冲孔尺寸与凸模刃口尺寸相等。2、零件的尺寸精度。3、合理的间隙值。4、磨损规律。冲模的加工制造方法。
刃口尺寸计算方法分类:凸模与凹模分别加工，凸模与凹模配合加工
排样的意义：保证最低的材料消耗和最高的劳动生产率得到合格的零件。
排样的分类：有废料排样(沿零件全部外形冲裁，零件周边都留有剩余材料)、少废料排样（沿零件部分外形切断或冲裁，只局部有剩料。）、无废料排样（除料头料尾外无任何剩料）。
搭边:指排样时零件之间及零件与条料侧边之间留下的剩料。
搭边的作用：保证零件的质量和精度，补偿定位误差，确保冲出合格的零件，并使条料有一定的刚度，不弯曲，便于送进，并能使冲模寿命提高。
冲裁力：冲裁过程中凸模对材料的压力。F=KLtτ
降低冲裁力的方法:阶梯凸模冲裁（当t<3mm H=t;当t≥3mm H=0.5t）、斜刃冲裁、加热冲裁。
冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。
冲模分类：一般按工序组合分为单工序模、复合模和级进模三类。
复合模的结构特点:有一个既是落料凸模又是冲孔凹模的凸凹模。倒装复合模，正装复合模
中间和对角导柱模架，冲压时不会引起模具偏斜。
模柄扥形式:压入式、螺纹旋入、螺钉固定。
冲模的组成：1、工作零件；2、定位零件；3、卸料及推件零件；4、导向零件；5、连接零件。
模具零件的分类：工艺零件和结构零件。
凸模、凹模镶块分块原则：1、在尖角出分割；2、凸出或凹进的易磨损部分应单独做成一块，以便于加工和更换；3、圆弧部分应单独做成一块，对凹进圆弧的结合线最好设在直线部分的切点附近。4、如有对称线，便于机械加工，应沿对称线分开。对于圆形的工作部分，应尽量按径向分开，以便于紧固；5、如果凹模和凸模都采用镶块，为避免产生毛刺，凹模镶块结合线与凸模镶块结合线应错开，错开距离为1mm；6、为使镶块间良好接合，也减少磨削量，接合线不宜太长，一般为12mm～15mm，其余留2mm间隙。
定位件：主要是定位板和定位销
精密冲裁的工艺特点：齿圈、顶出器与凸模联合压紧毛坯，使变形区内的金属处于强大三向压应力状态，材料塑性被大大提高；极小的模具间隙保证了断面平整；刃口带圆角R的凹模保证在冲裁过程中只有一条裂纹，且从凸模刃口产生，扩展到板料的对面，实现板料分离。
精冲模具结构及特点：1、刚性和精度要求高；2、导向装置精确而稳定；3、严格控制凸模进入凹模的深度；4、模具工作部分应选择耐磨、淬透性好、热处理变形小的材料；5、考虑模具工作部分的排气问题。
第三章 弯曲是将板料、棒料、管料和型材等弯曲成一定形状及角度的零件的成形方法。
变形特点：工件分成了直边和圆角两部分；变形区变形不均匀；当板料弯曲半径与板厚之比r/t较小时，板厚变薄；变形区内板料横断面的变化则视板料的宽窄有所不同。
宽版：b/t>3窄版：b/t<3
弯曲现象及弯曲中的问题:回弹;弯裂;变形区变薄;长度增加.
弯曲时，在外力作用下随着弯曲半径r的减小，板料有弹性变形阶段逐步过渡到塑性变形阶段。
最小弯曲半径：防止外层纤维拉裂的极限弯曲半径。rmin/t=(1/ξθmax-1)/2.
影响最小相对弯曲半径rmin/t的因素:1、材料的力学性能2、板料的纤维方向（当弯曲件的折弯线与板料的纤维方向垂直时，最小相对弯曲半径rmin/t的数值最小，平行时最大。）3、板料的表面质量和侧边质量4、零件的弯曲中心角α5、板料的厚度
自由弯曲；校正弯曲
减少回弹的措施：1、改进弯曲件的局部结构及选用合适的材料2、在工艺上采取措施3、采用补偿法4、改变变形区的应力状态5、软模法6、拉弯法
第四章
拉深是利用拉深模具将冲裁好的平板毛坯压制成各种开口的空心工件，或将已制成的开口空心件加工成其它形状的空心件的一种冲压加工方法。
毛坯分成5部分：
1，平面凸缘部分－主要变形区2，凹模圆角部分－过渡区3，筒壁部分—传力区4，凸模圆角部分－过渡区5，圆筒底部—小变形区
拉深成形缺陷及防止措施：（一）起皱影响因素1、凸缘部分材料的相对厚度2、切向压应力的大小3、材料的力学性能4、凹模工作部分的几何形状
平端面凹模拉深时，毛坯首次拉深不起皱的条件：t/D≥（0.09~0.17）*（1-d/D)
锥面凹模拉深时，毛坯首次拉深不起皱的条件：t/D≥0.03（1-d/D)
防止起皱最简单的方法:采用压边圈。
拉深起皱的规律：由最大切向压应力和凸缘的相对厚度的变化有关，其变化规律与最大拉应力的变化规律相似。
（二） 拉裂防止拉裂的措施：1、根据板材成形性能，采用适当的拉深比和压边力；2、增加凸模表面粗糙度；3、改善凸缘部分的润滑条件；4、合理设计模具工作部分形状；5、选用拉深性能好的材料。
（三） 硬化：由工件底部向口部是逐渐增加的。
拉深次数：每次拉深时既要保证材料的应力不超过其强度极限，又要充分利用材料的塑性达到最大可能的变形程度。
拉深系数：拉深后圆筒形件的直径与拉深前毛坯的直径之比。
拉深系数的倒数称为拉深程度或拉深比.
拉深系数过大：则拉深变形程度小，材料塑性潜力未被充分利用，每次只能产生很小的变形，拉深次数就要增加，冲模套数就要增加，成本增加，故很不经济；
拉深系数过小：则拉深变形程度过大，工件局部严重变薄甚至材料被拉裂，得不到合格的零件。因此拉深系数既不能太大也不能太小，应使材料的塑性被充分利用的同时又不致被拉裂!
凸缘形零件可分为：窄凸缘筒形件（df / d = 1.1~1.40)和宽凸缘筒形件（df / d > 1.4）
当df=3d时拉深系数m=d/D=0.33又可得D=d/0.33=3d,从而得到df=D，说明凸缘直径与毛坯直径相同，毛坯外径不收缩，零件的筒部靠局部变形而成形，此时已不再是拉深变形了，变形性质已经发生变化，变成胀形了。
宽凸缘零件的拉深方法：1 中型件df < 200mm；料薄的零件，通常靠减小筒形直径，增加高度来达到，即圆角半径rp及rd在首次拉深时就与df一起成形到工件尺寸在后续的拉深过程中基本保持不变。2 df > 200mm；零件的高度在开始拉深时就基本形成在以后的拉深过程中基本保持不变，通过减小圆角rd及rp，逐渐缩小筒形部分的直径来拉成零件3 凸缘过大而圆角半径过小，首先以适当的圆角半径成形后按图样尺寸整形；4 凸缘过大，利用胀形的方法成形。
压边装置：弹性压边装置和刚性压边装置。
弹性：橡胶；弹簧；气垫式。
随着拉深深度的增加，需要压边的凸缘部分不断减小，所需要的压边力也逐渐减小。橡胶和弹簧压边力却恰好与需要的相反，是随拉深深度的增加而增加。因此橡胶及弹簧结构通常只用于浅拉深。气垫压边力随行程变化极小，可认为是不变的，压边效果好。但气垫结构复杂，制造维修不易，且使用压缩空气，小厂往往不具备此条件，故又限制了其应用。弹簧与橡胶压边装置虽然有缺点但结构简单，对单动的中、小型压力机采用橡胶和弹簧装置还是很方便的，刚性压边装置特点：压边力不随行程变化，拉深效果较好，且模具结构简单。
第五章
翻边:翻边是指沿曲线将板坯料或坯料上预制的孔边部窄带区域的材料弯折成竖边的塑性加工方法。
种类：伸长类和压缩类，按工艺特点：内孔（圆孔或非圆孔）翻边，外缘翻边，变薄翻边。
外缘翻边:外缘内凹翻边，外缘外凸翻边。
内孔（圆孔或非圆孔）翻边，外缘内凹翻边等属伸长类变形特点:变形区材料受拉应力，切向伸长，厚度变薄易发生破裂。
外缘外凸翻边属压缩类翻边特点：变形区受切向压缩应力，产生压缩变形，厚度增加易起皱。
K=d0/dm K为翻边系数，K值愈小，表示翻边变形程度愈大。
圆孔翻遍过程中，孔边缘处的材料所承受的切向拉应力和拉应变的作用大，材料厚度减薄最为严重，随着翻边成形接近终了，材料拉伸变薄量增加到最大值。因此，孔外缘是圆孔翻边成形的变形危险区。
影响圆孔翻边成形极限的因素：1、材料的种类及其力学性能；2.预制孔的孔口状态；3.材料的相对厚度；4.凸模的形状。
胀形是利用模具使板料拉伸变薄局部表面积增大以获得零件的加工方法。主要用于平板毛坯的局部胀形、圆柱形毛坯的胀形及平板毛坯的胀拉成形等。
特点：胀形塑性变形区局限于与凸模接触部分。在凸模的作用下，变形区材料受双向拉应力作用，沿切向和径向产生伸长变形，成形面积增大，材料厚度变薄。
大型覆盖件是指汽车、拖拉机等构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机、底盘和内部零件的薄金属板料制成的异形体零件。同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点，冲压成形的难度比较大。
成形特点：1、大型覆盖件的成形多是胀形和拉深的复合成形；2、为了能有效地控制材料的流动，常采用拉深时增加工艺补充部分及在压料面上设置拉深肋等措施，因此将引起附加拉应力；3、成形的形状复杂，材料内部的应力、应变状态也很复杂，受力状态不易控制。
拉深肋的作用在汽车覆盖件冲压成型中，为了增大材料的流动阻力，以促使毛坯承受足够的拉胀成形，提高零件的刚度，调节毛坯上各处材料的流动情况，使其变形均匀一致，防止多则皱，少则裂的现象，降低对坯料与压料面接触状态的要求，提高覆盖件成型的表面质量，增加成形稳定性，往往要设置拉深肋或拉深槛。
第九章
锻造：利用锻压设备，通过工具或模具使金属毛坯产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和内部组织的工件的一种压力加工方法。
优越性：它不但能获得金属零件的形状，而且能改善金属的原来组织，提高金属的力学性能和物理性能。
分类：热锻、温锻、冷锻。手工锻造和机械锻造（自由锻、模锻、胎膜锻、特种锻造）
下料方法：锯切（切口断面平整，尺寸精确；生产效率低，有锯口损失，并且锯条和锯盘的损耗也比较大。） 剪切（可以装置自动送料出料机构，工人劳动条件好，生产效率高，节约金属提高材料利用率。但剪切端面不平，略带歪斜。） 折断下料 砂轮切割 火焰切割
阳极切割
锻前加热:目的：提高金属塑性、降低变形抗力、使之易于流动成形并获得良好的断后组织。
方法：火焰加热（600~700时对流传热。700~800时辐射传热）电加热（毛坯进行感应加热时，内部产生电流密度沿断面分布是不均匀的，中心电流密度小，表面电流密度大，这种现象称为趋肤效应）少无氧加热
钢的锻造温度范围：始锻温度与终锻温度之间的一段温度区间。
钢的锻造温度范围的选取原则：保证有较高的塑性，较低的的变形抗力，得到高质量锻件，同时锻造温度范围应尽可能宽广些，以减少加热火次，提高锻造生产率。
钢的锻造温度范围的基本方法：以钢的平衡图为基础，参考钢的塑性图，抗力图和结晶图，由塑性、质量和变形抗力三方面加以综合分析，从而确定出始锻温度和终锻温度。
钢在加热过程中常见的缺陷：氧化、脱碳、过热、过烧、裂纹等缺陷
氧化：毛坯在高温加热时，其表层的铁和炉中的氧化性气体发生化学反应，结果使毛坯表层生成氧化铁，这种缺陷即为氧化。危害：毛坯烧损；氧化皮在成形时被压入锻件表面，影响其表面质量，氧化皮又脆又硬，加剧模具磨损；引起炉底腐蚀损坏。
脱碳；加热到高温时，毛坯表层中的碳和炉中的氧化性气体及某些还原性气体发生化学反应，造成毛坯表层的含碳量减少即为脱碳；危害；表面变软，强度和耐磨性降低。
过热和过烧：毛坯加热温度超过始锻温度或毛坯在高温下停留时间过长，都会引起奥氏体迅速长大，这种缺陷为过热。当毛坯加热温度接近熔点，晶间低熔点物质开始熔化，氧化性气体渗入晶界，破坏了晶间联系，这是过烧，。二者都会造成不良锻件，导致强度和韧度降低。过烧的毛坯进行锻造时，轻则龟裂重则破裂成碎块。过烧为致命缺陷。
加热规范：指规定加热过程中各阶段的炉温和时间的关系。
第十章
自由锻的特点：1、所用工具简单、通用性强、灵活性大，适合单件和小批量锻件生产；2、自由锻属于局部连续变形；3、能锻造出多种多样、变形程度相差很大的锻件；4、自由锻是靠人工操作来控制锻件形状和尺寸，对工人操作技术要求高，同时效率低、劳动强度大。
自由锻工序分类：可分为基本工序、辅助工序和修整工序。
镦粗三个变形区：区域1：由于摩擦影响最大，该区变形十分困难，称为难变形区；区域2：不但受摩擦的影响小，应力状态也有利于变形，因此该区变形程度最大，称为大变形区；区域3其变形程度介于前两者之间称为小变形区。
局部镦粗:毛坯尺寸按杆部直径选取，为避免镦粗时产生纵向弯曲，毛坯变形部分的高径比应小于2.5~3。
拔长：定义：使毛坯横截面减小而长度增加的锻造工序。
特点：1、毛坯拔长时每送进压一次，只有部分金属变形；2、在毛坯沿着轴向逐次送进拔长时，变形相当于一系列镦粗工序的组合；3、毛坯各个部分都能充分变形，因而拔长后锻件内部组织比较均匀。
当进料比（l/b）较小时，金属向轴向流动的变形程度（ξl）较大，横向变形程度（ξb）较小，随着l/b的不断增大ξl逐渐减小而ξb逐渐增大，为提高拔长生产率，应当采用较小的进料比l=(0.4~0.8）b.
在研究拔长工序时：除了分析影响拔长质量的因素以外，还应分析影响拔长效率的有关因素。
锻造余块：为了简化锻件外形或根据工艺需要。在零件的某些地方添加一部分大于余量的金属，这部分附加的金属叫锻造余块。
胎模锻造及工艺特点:1.与自由锻相比，可以得到较高的锻件精度和较高的生产效率；2.与模锻相比，不需要专用的模锻设备，可以在自由锻锤上生产模锻件，而且胎模的制造简单、成本低；3.采用人力操作，劳动强度大；4. 适用于小型锻件小批或中批生产。
第十一章
锤上模锻的定义：在压力作用下毛坯在锻模型腔中被迫产生塑性变形从而获得比自由锻更高质量的锻件。特点：1.金属在型腔中的变形是在锤头的多次打击下逐步完成的，锤头的冲击力使金属变形，可以利用金属的流动惯性，有利于金属充填型腔；2.在锤上可实现多种工步成形，锤头打击速度快，生产效率高；3.由于模锻锤的导向精度不高，锤头行程不固定，模锻件的尺寸精度不高；4.由于无顶出装置，锻件出模困难，模锻斜度可适当大些；5.生产操作方便，劳动强度比自由锻小。本质：重新考虑金属的分配。
模锻件分类:短轴类锻件、长轴类锻件、复杂类锻件。
分模面位置的选择：1）要保证锻件能从型腔中取出来；2）分模的位置要尽量使型腔的深度最小和宽度最大，使金属容易充满型腔；3）为了容易发现模锻时锻件错移，分模面应尽量使上、下两部分对称；4）为了使模具制造方便，尽量采用平面分模，凸出部分也尽量不要高出分模面；5）金属容易充满上模型腔．锻件较复杂部分应尽量安排在上模。
模锻时采用冲孔连皮的目的：是为了使锻件更接近于零件形状，减少金属消耗，缩短机加工工时。同时，冲孔连皮可以减轻锻模的刚性接触，起缓冲作用，避免锻模的损坏。
飞边槽的作用：1）容纳多余的金属；2）增加金属流入型腔的阻力，迫使金属更好地充满型腔；3）起缓冲作用，减轻上下模打击，防止锻模早期破裂和压塌；4）容易切边。
预锻型腔的作用：预锻可以改善金属在终锻型腔中的流动情况；避免在锻件上形成折伤；更好地充满型腔；减少终锻型腔的磨损，提高锻模的使用寿命。
型腔的宽与高：预锻后的毛坯在终锻过程中应以镦粗成形为主。因此，预锻型腔的高度应比终锻型腔的大2～5mm，宽度则比终锻型腔小1～2mm；横断面积应比终锻型腔稍大一些，即预锻型腔的容积略大于终锻型腔，预锻型腔不设飞边槽。
模锻工步:毛坯在每一型腔中的变形过程。
选择：一）短轴类锻件：该类锻件的模锻工步一般采用镦粗、终锻或者镦粗、成形、终锻。
二） 长轴类锻件：该类锻件的模锻工步一般采用制坯、预锻、终锻。制坯工序包括：拔长、滚挤、弯曲、压肩等。在选择制坯工步时，应考虑以下几点：1.毛坯的长度和截面与预锻件相近时，采用压肩、预锻、终锻；2.毛坯的长度和截面与预锻件相差较大或锻件有枝牙，金属沿轴线的分布不对称时，采用拔长、滚挤、预锻、终锻；3.带叉口的锻件均采用预锻，并在叉口部门设计劈料台；4.弯曲轴线锻件应采用弯曲、终锻；
计算毛坯：毛坯沿轴向的金属分配对不同锻件要求不一样，合适的形状应该是在保证型腔充满的条件下，在模锻之后，锻件各处飞边均匀，亦即应使毛坯上各截面的面积等于锻件长度上各相应截面面积加上飞边的面积。按这一要求得到的毛坯，通常称为计算毛坯
计算毛坯的作用：
第十二章
热模锻压力机上模锻特点:1.行程一定，速度慢，不能实现逐步变形，但在一次行程中变形量大，金属容易向水平方向流动；2.拔长或滚挤困难，需要专用的设备进行制坯；3.清除氧化皮困难；4.锻件精度高；
冷挤压工艺的分类：正挤压，金属被挤出的方向与加压方向相同，反挤压，金属被挤出的方向与加压方向相反；复合挤压，径向挤压，减径挤压。