第3章 锻压.ppt

第三章 锻压,教,学,重,点,金属的塑性变形理论，锻造工艺，板料冲,压工艺。,教,学,难,点,本课题重点与难点,金属的加工硬化，回复和再结晶，纤维,组织，金属的可锻性。,1、何为锻压？,锻压是利用外力使金属坯料产生塑性变形，获,得所需尺寸、形状及性能的毛坯或零件的加工方法。,3.1 概述,2、金属塑性加工的,基本方法,1)轧制 使金属坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，改变其性能，获得所要求的截面形状的加工方法。,轧制示意图,挤压示意图,2）,挤压 将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出，横截面积减小，获得所需制品的加工方法。,3）拉拔 坯料在牵引力作用下通过拉拔模的模孔拉出，产生塑性变形，得到截面细小、长度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷态下进行。,拉拔示意图,4）自由锻 用简单的通用性工具或在锻造设备的上、下砧间，使坯料受冲击力作用而变形，获得所需形状的锻件的加工方法。,自由锻示意图,5）模锻 利用模具使金属坯料在模膛内受冲击力或压力作用，产生塑性变形而获得锻件的加工方法。,6）板料冲压 用冲模使板料经分离或成形得到制件的加工方法。,板料冲压示意图,模锻示意图,总结：,在上述的六种金属塑性加工方法中，轧制、挤压和拉拔主要用于生产型材、板材、线材、带材等；自由锻、模锻和板料冲压总称锻压，主要用于生产毛坯或零件。,3、锻压加工的特点,（1）改善组织，细化晶粒，消除缺陷，提高力学性能；,（2）减少加工损耗，省材省工，生产效率高；,（3）能加工各种、形状重量的零件，适用范围广；,（4）不能获得外形和内腔形状复杂的工件；,（5）只能加工塑性材料，如钢和有色金属等，不能加工,脆性材料，如铸铁等。,3.2 锻压工艺基础,金属在常温下经塑性变形后，内部组织和性能将发生变化。,组织上的变化表现为：晶粒沿最大变形的方向伸长；晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；晶粒产生碎晶。,性能上的变化表现为：随着变形程度的增加，强度及硬度显著提高，而塑性和韧性则很快下降。变形度愈大，性能的变化也愈大。,一、变形后金属的组织和性能,1、加工硬化（冷作硬化）,现象：强度、硬度上升而塑性、韧性下降。,原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。,加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定状态的倾向。室温下不易实现。,2、回复,当加热温度,(用,K,氏温标),T,回=（0.250.3）,T,熔，冷变形金属的显微组织无明显变化，金属的力学性能没有显著变化（强度、硬度下降很少，塑性提高不多），只能使应力明显降低或消除。,使加工硬化得到部分消除。,3、再结晶,当加热温度到绝对温度,T,再,=0.4,T,熔,，塑性变形后金属被拉长的晶粒重新形核、结晶变为等轴晶粒，称为再结晶。,再结晶后金属的强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，消除了全部加工硬化。,注意：,再结晶后晶格类型不变，只改变晶粒外形。,4、加工硬化的利用和消除,加工硬化现象在工程技术中具有重要的实用意义：,加工硬化是强化金属的重要方法之一。纯金属及某些不能通过热处理方法强化的合金，可通过冷拔、冷轧、冷挤压等工艺来提高其强度和硬度。,加工硬化不利的一面。由于它使金属塑性降低，给进一步冷塑性变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大。,为了消除加工硬化，恢复材料的塑性，以便继续进行变形加工，或为了消除变形过程中产生的内应力，就要对工件进行退火处理。,冷变形,变形温度在再结晶温度以下时，金属在变形过程中只有,加工硬化,而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为,冷变形,。,热变形,变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的,加工硬化,被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的组织，而无加工硬化现象，这种变形称为,热变形,。,5,、冷变形与热变形,6,、纤维组织,定义：,变形加工时，金属中的脆性杂质被击碎，并沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂质则沿变形方向被拉长呈带状分布，这种杂质的定向分布称为流线（纤维组织）。,力学性能：,具有纤维组织的金属，各个方向上的机械性能不相同。顺着纤维方向的机械性能比横纤维方向的好。金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能的方向性也就越显著。,特点：,纤维组织很稳定，不能（难以）用热处理方法来消除。只有经过锻压来改变其方向、形状。,应用：,在设计和制造零件时，应尽可能使流线与零件的轮廓相符合而不被切断。使最大正应力的方向与纤维方向重合，最大切应力的方向与纤维方向垂直。,当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时(如图,a)，,螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的,切应力顺着纤维方向,，故螺钉的承载能力,较弱,。,当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图,b)，,纤维不被切断,且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。,实例：,二、金属的锻造性,金属的可锻性：,是指金属材料锻压加工成形的难,易程度。,可锻性的衡量：,塑性,和,变形抗力,。,塑性好，变形抗力小则可锻性好。,可锻性取决于：,金属本质和加工条件。,1、金属的本质,1）化学成分的影响,纯金属的可锻性比合金好；合金元素的含量越多，可锻性越差。钢的含碳量越低，可锻性越好。,2）金属组织的影响,组织不同，可锻性有很大差异：,纯金属、单一固溶体（如奥氏体）组织的锻造性,能好于化合物组织，碳化物可锻性差。,铸态柱状组织和粗晶粒不如细小均匀晶粒的可性好。,2、加工条件,1）变形温度的影响,变形温度低，金属的塑性差，不但锻压困难，而且容易开裂。提高变形温度，塑性提高，变形抗力减小。,加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，锻造性能下降，称为,“过热”,。,如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至融化，导致金属的塑性变形能力完全消失，称为,“过烧”,。坯料如果过烧将报废。,金属的变形温度必须严格控制在规定的范围内（碳钢的锻造温度范围依据相图来确定）。,锻造温度：,始锻温度：碳钢比,AE,线低200,C,左右。,终锻温度：800,C,左右。过低难于锻,造，若强行锻造，将导致锻件破裂报,废。,2)变形速度的影响,变形速度-单位时间内的相对变形量。,变形速度低，塑性高、变形抗力小；变形速度增大，金属,塑性下降，锻造性能变差。常用的锻压设备不可能超过临界变,形速度。,3）应力状态影响,三向应力中，压应力数目愈多，则塑性越好。,3.3 自由锻,只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形获得所需的几何形状及内部质量的锻件。,一、自由锻的特点及应用,（1）自由锻工艺灵活，工具简单，设备和工具的通用性强。,（2）应用范围广，可锻造的锻件质量由不及1,kg,到300,t.,在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一方法。,（3）锻件精度低，加工余量大，生产率低。,一般只适用于单件小批量生产。,是锻制大型锻件的唯一方法。,二、自由锻造设备,空气锤,适用于小型锻件,蒸汽锤,适用于中、小型锻件,主要有空气锤、蒸汽锤、水压机、液压机等。,水压机,适用于大型锻件,大型水压机,二、自由锻的基本工序,1、镦粗,使坯料整体或一部分高度减小、横截面面积增大的工序称为镦粗。,镦粗主要用于适饼块类，盘套类。,镦粗的种类：有完全镦粗、局部镦粗和垫环镦粗等。,2、拔长,使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长。,拔长主要用于轴杆类锻件成形。,拔长的种类：平砥铁拔长、芯轴拔长、芯轴扩孔等。,3、冲孔,采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。,4、弯曲,是将毛坯弯成所需形状的工序。,在进行弯曲变形前，先要将毛坯锻成所需形状，使体积合理分配，便于获得合格产品。,5、扭转,将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。,6、切割,将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序。,7、错移,使坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序。,胎模锻,在自由锻造的设备上用胎膜生产锻件的方法与锤上模锻和压力机模锻不同的是，胎膜不与锤头和下模座连在一起。,导销孔,导 销,毛边槽,模 膛,胎膜,胎膜锻造工艺灵活，可提高锻件的精度和形状的复杂程度，减少了加工余量，提高了生产率。,模型锻造（10）,将金属坯料放在锻模模膛内，在锻压冲击力或压力下变形而获得锻件的方法。,与自由锻相比，模型锻造的生产率高，锻件形状准确，可获得形状复杂的锻件，切削加工余量小。但需要专门模锻设备，故成本较高。适用于中小型、批量生产。,分类：锤上模锻、胎膜锻、压力机上模锻等。,3.4 模 锻,1、锤上模锻,在专用的模锻空气锤或模锻蒸汽锤的锻锤和模垫上分别固定上下模，上下模经锤击合拢，而获得锻件的方法。,锤上模锻具有一般模锻的优点，但冲击大、震动大、噪声大、效率低。一般仅用于中小吨位的锻锤,。,模 座,模 垫,下锻模,上锻模,锤头,1）锻模,模锻工作示意图如图所示。锻模由上、下模组成。上模和下模分别安装在锤头下端和模座上的燕尾槽内，用楔铁紧固。上、下模合在一起，其中部形成完整的模膛。,根据模膛功用不同，可分为模锻模膛和制坯模膛两大类。,（1）制坯模膛,制坯模膛主要作用是按照锻件形状合理分配坯料体积，使坯料形状基本接近锻件形状。制坯模膛分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、切断模膛、镦粗台及压扁面等。,滚压模膛：,减小坯料某部分的横截面积以增加另一部分的横截面积。,弯曲模膛：,将坯料轴线由直线变成曲线形状。切断模膛：,切断坯料。,拔长模膛：,减小坯料某部分横截面积以增加该部分的长度。,制坯模镗,（2）模锻模膛,模锻模膛分为预锻模膛和终锻模膛两种。,预锻模膛：,目的是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，以便在终锻成形时金属充型更加容易，同时减少终锻模膛的磨损，延长锻模的使用寿命。,终锻模膛：,可使坯料变形到热锻件所要求的形状和尺寸。待冷却收缩后即达到冷锻件的形状和尺寸。,终锻模膛的分模面上有一圈飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。模锻件的飞边须在模锻后切除。,两者区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。,4、典型锻件的锤上模锻过程,图为弯曲连杆在锤上模锻时的成形过程。,2、压力机上模锻,在压力机上的滑块和底座上分别固定上下模，上下模经下压合拢，而获得锻件的方法。,压力机上模锻工作时冲击小、噪声小、操作安全，但生产率低。一般适用于中小批量生产,。,摩擦压力机,底 座,滑 块,带传动,摩擦盘,飞 轮,丝 杠,3.5 板料冲压,用冲模使薄板料分离或变形的加工方法。板料冲压一般在冷态下进行，故称冷冲压。当板料厚度超过8,10,mm,时，可采用热冲压。,板料冲压的优点是：,（1）操作简单，便于机械化和自动化生产，生产率高；,（2）废料少，利用率高；,（3）可直接获得强度高、刚度好、质量轻的零件；,（4）冲压尺寸精度高，表面光洁，无须再加工,可压出形状复杂的零,件；,（5）缺点是冲模成本高；,通常用于金属制品的大批量生产。,一、冲压设备,剪床,将板料剪成适当的条料，供冲压之用。,冲床,（又称曲柄压力机）将条料冲压成型。,剪 床,冲 床,冲模,用于冲压的模具。,二、板料冲压基本工序,1、分离工序,原 料,刀 片,工作台,坯 料,剪 切,（1）剪切,用于将坯料切成具有一定宽度的条料，为成形工序做准备。,（2）落料及冲孔（统称冲裁）,落料,落下部分为成品。,冲孔,落下部分为废品。,冲 头,坯 料,凹 模,落料、冲孔,凹 模,冲 头,修 整,坯 料,坯 料,（3）修整,是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉冲裁件上的剪裂和毛刺。,2、变形工序,1）,拉深,原始直径为,D,的板料，经拉深后变成内径为,d,的杯形零件。凸模压入过程中，拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。其余环形部分坯料经变形成为空心件的侧壁，厚度有所减小。侧壁与底之间的过渡圆角部位被拉薄最严重。拉深件的法兰部分厚度有所增加。,拉 深,凹 模,坯 料,压 板,冲 头,拉深常见缺陷：,拉深常见缺陷的预防：,拉深件主要受拉应力，应力超过强度极限时出现拉裂，最危险处是直壁和圆角的过渡处。,拉裂现象与下列现象有关：,(1),凸凹模的圆角半径，取,r,凹,=（5,10）,，,r,凸,=,（,0.6,1,）,r,凹,。,(2),凹凸模的间隙,:,间隙过小：摩擦力大，易拉穿工件、擦伤表面，模具寿命低。,间隙过大：易使工件起皱。,C=(1.1,1.5),。,(3),拉深系数,m,m=d/D,m,越小，越易产生拉裂，一般取,m=0.5,0.8,，塑性好取下,限,0.5,，塑性差取上限,0.8。,拉深系数过小，应分多次拉,深，每一两次中间安排退火，以消除加工硬化，多次拉深,时,m,应渐增，使,m=m1,m2,m3,(4),润滑,可减少摩擦、降低拉应力和减少模具的磨损。,(5),拉深的另一种缺陷是起皱，可使用压边圈解决。,冲 头,坯 料,凹 模,弯 曲,2）弯曲,弯曲时利用模具或其他工具将坯料一部分相对于另一部分弯曲成一定的角度和圆弧的变形工序。,弯曲过程中，板料的内侧受压，外侧受拉，最大拉应力超过抗拉强度时，就会造成弯裂。,内弯半径,r,越小越易弯裂。,r,min,（0.25,1.0）,。,弯曲时尽量使弯曲线与坯料纤维方向垂直，以免弯裂。,弯曲后要回弹，一般回弹角为,0 10,，事先要注意。,3）翻边,翻边,是将内孔或外缘翻成竖直边缘的冲压工序。,凸模圆角半径,r,凸,=,（,4,9,）,凸缘高度较大时，可先拉深、后冲孔、在翻边。,坯 料,冲 头,凹 模,翻 边,4）胀形,胀形,利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。,胀形,3.6,锻压件结构设计,对冲裁件的要求,冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用，同时应避免长槽与细长悬臂结构，否则制造模具困难。,利用率高,利用率高,落料外形不合理,零件形状与节约材料的关系,冲裁件的内、外形转角处，要尽量避免尖角，应以圆弧连接。以避免尖角处应力集中被冲模冲裂。,冲孔件尺寸与厚度关系合理,弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径，并应考虑材料纤维方向，以免成型过程中弯裂。,弯曲边过短不易弯成型，故应使弯曲边高度,H,2,s,。若,H,2,s,，则必须压槽，或增加弯曲边高度，然后加工去掉（如,图,）。,弯曲带孔件时，为避免孔的变形，孔的边缘距弯曲中心应有一定的距离（如,图,）。图中,L,1.5,2,s,。当,L,过小时,可在弯曲线上冲工艺孔,如对零件孔的精度要求较高，则应弯曲后再冲孔。,对弯曲件的要求,对拉深件的要求,拉深件外形应简单、对称，且不宜太高。以便使拉深次数尽量少，并容易成型,。,拉深件的圆角半径（如,图,示）应满足：,rdS,，,R2S,，,r,（,3-5,）,S,。否则，应增加整形工序。,拉深件的壁厚变薄量一般要求不应超出拉伸工艺壁厚变化的规律（最大变薄率约在,10%,18%,左右）。,课 后 小 结,1.,锻压生产定义,锻压是压力加工（包括锻造、板料冲压、轧制、挤压、拉拔）的一部分，具体指锻造和板料冲压的合称。,2.,压力加工的优缺点,1）改组织、细晶粒、消除缺陷；2）生产效率高；3）省工省料；4）加工范围大；5）内形复杂件和脆性材料不能加工。,3.锻造的加热温度,碳素钢的始、终锻温度,始锻温度：比固相线低200,终锻温度：大约为800,始锻过高：,过热、过烧,始锻过低：,塑性变差,终锻过高：,晶粒继续长大,终锻过低：,塑性差难变形,4.,变形速度的影响,变形速度低，塑性高、变形抗力小；变形速度增大，金属,塑性下降，锻造性能变差。,5.,应力状态影响,三向应力中，压应力数目愈多，则塑性越好。,6.,自由锻造,设备：,空气锤、蒸汽锤、水压机,工艺：,拔长、镦粗、弯曲、冲孔、扭转、错移、切割,7.模型锻造,适用：,手工锻（用于小型、单件），机锻（用于大型、单件）,适用：,中小型、成批大量件,设备：,模锻锤（蒸汽空气锤）、压力机。,方法：,锤上模锻、压力机上模锻、胎模锻。,8.板料冲压,定义：,用冲模使板料分离或变形的方法（分冷冲、热冲）。,适用：,薄板金属制品。,设备：,剪床、冲床、冲模。,工艺：,分离工序（包括剪切、落料、冲孔、修整）；变形工序（包括弯曲、拉深、胀形、翻边）。,锻造,在汽车制造过程中，广泛地采用锻造的加工方法。锻造分为自由锻造和模型锻造。自由锻造是将金属坯料放在铁砧上承受冲击或压力而成形的加工方法,(,坊间称“打铁”,),。汽车的齿轮和轴等的毛坯就是用自由锻造的方法加工。,模型锻造是将金属坯料放在锻模的模膛内，承受冲击或压力而成形的加工方法。模型锻造有点像面团在模子内被压成饼干形状的过程。与自由锻相比，模锻所制造的工件形状更复杂，尺寸更精确。汽车的模锻件的典型例子是：发动机连杆和曲轴、汽车前轴、转向节等。,板料冲压是使金属板料在冲模中承受压力而被切离或成形的加工方法。日常生活用品，,铝锅、饭盒、脸盆,等就是采用冷冲压的加工方法制成。例如制造饭盒，首先需要切出长方形并带有,4,个圆角的坯料,(,称为“落料”,),，然后用凸模将这块坯料压入凹模而成形,(,称为“拉深”,),。在拉深工序，平面的板料变为盒状，其,4,边向上垂直弯曲，,4,个拐角的材料产生堆聚并可看到皱褶。采用冷冲压加工的汽车零件有：发动机油底壳，制动器底板，汽车车架以及大多数车身零件。这些零件一般都经过落料、冲孔、拉深、弯曲、翻边、修整等工序而成形。,