压力加工方法.pptx

第12章 金属压力加工方法12.1 锻造 利用冲击力或压力使金属在抵铁间或锻模中产生变形，从而得到所需形状及尺寸的锻件的方法称为锻造。12.1.1 自由锻 自由锻是利用冲击力或压力使金属在上下两抵铁之间产生变形，从而得到所需形状及尺寸的锻件的方法。自由锻可分为手工锻造和机器锻造两种，前者只能生产小型锻件，后者是自由锻造的主要方式。自由锻具有以下特点：所用工具简单，通用性强，灵活性大，因此适合单件小批生产锻件。精度差，生产率低，工人劳动强度大，对工人技术水平要求高。自由锻可生产不到1 kg的小锻件，也可生产300 t以上的重型锻件，适用范围广，对大型锻件，自由锻是惟一的锻造方法。(1)自由锻设备 常用的自由锻设备有空气锤、蒸汽-空气锤和液压机三种。空气锤是利用电动机驱动并由空气带动锤头工作的锻造设备。蒸汽-空气锤是利用蒸汽或压缩空气带动锤头工作的。其工作原理与空气锤相同，但其结构较空气锤复杂，吨位稍大，适用于锻造中小型锻件。(2)自由锻工序1)基本工序：是使金属产生塑性变形，以达到所需形状和尺寸的工序。如镦粗、拔长、冲孔等。2)辅助工序：为基本工序操作方便而进行的预变形工序。如压钳口、压棱边等。3)精整工序：完成基本工序之后，为提高锻件尺寸和位置精度的工序。如滚圆、校正等。12.1.2 模锻 模锻是把金属坯料放在具有一定形状的锻模模膛内受压变形而获得锻件的方法。与自由锻相比，模锻具有以下特点：可锻出形状比较复杂的锻件，且模锻件质量好；节约金属；生产率高；对工人技术水平要求较低，劳动强度也较低。设备投资大，工艺灵活性不如自由锻。模锻按所用设备的类型不同，可以分为锤上模锻、胎模锻、曲柄压力机上模锻、平锻机上模锻和摩擦压力机上模锻等。(1)锤上模锻1)模锻锤锤上模锻所用的设备主要是蒸汽-空气模锻锤。2)锻模锻模是由上模和下模两部分组成，如图12.5所示。模膛根据其功用的不同，可分为模锻模膛、制坯模膛和切断模膛三大类。模锻模膛预锻模膛 其作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，这样在进行终锻时，金属容易充满模膛而获得锻件所要求的尺寸。终锻模膛 其作用是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。制坯模膛：有拔长模膛、滚挤模膛、成型模膛、弯曲模膛、镦粗台和压扁台等。切断模膛 根据模锻件的复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。(2)胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的方法。胎模锻与自由锻相比，能提高锻件质量，节省金属材料，提高生产率，降低锻件成本等。(3)曲柄压力机上模锻 曲柄压力机上模锻的特点是：锻件精度高、生产率高、节省金属；无震动，噪音小，劳动条件好，容易实现机械化自动化；模具制造简单，更换容易，节省贵重的模具材料；具有良好的导向装置和自动顶件机构，因此锻件的余量、公差和模锻斜度都比锤上模锻的小；坯料表面上的氧化皮不易被清除掉，影响表面质量；行程和压力不能随意调节，不宜用于拔长、滚挤等工序；设备造价高。(4)摩擦压力机上模锻 摩擦压力机上模锻的特点是：具有模锻锤(滑块行程不固定)和曲柄压力机(变形速度低)双重的工作特性，工艺用途广；备有顶出装置，可锻或挤压带长杆锻件，也可实现小模锻斜度、无模锻斜度和小余量、无余量的精密模锻工艺；设备简单、维修方便、成本低、劳动条件好；但螺杆和滑块间是非刚性联接，承受偏心载荷能力较差，一般只适于单模膛模锻；导轨对滑块的导向不够精确，所以要求较高的锻模其上下模之间需有导向装置；生产率低，能量消耗较大。(5)平锻机上模锻 平锻机工作原理和曲柄压力机相同，只因为滑块是在水平方向运动，故称为平锻机。平锻机上模锻的特点是：可锻出在锻锤上或曲柄压力机上难于锻出的锻件，如长杆一端带法兰的实心或空心的锻件(汽车半轴类)、带通孔的锻件(滚动轴承套圈类)、具有两个凸缘的锻件(汽车倒车齿轮类)等，还可进行切毛边、切断、弯曲、热精压等工序；生产率高，每小时可生产400900件；锻件尺寸精度高，表面光洁；节省金属，锻件毛边小，甚至没有。无冲孔连皮，无外壁斜度。因此材料利用率可达85%95%。平锻机的造价较高，只适用于成批、大量生产。对于非回转体及中心不对称的锻件较难锻造。因此，平锻机上模锻适用于需要多次镦粗成形的锻件，镦粗部位可在棒料的端部或中部，特别适用长棒料的头部镦粗件、深孔形件、长管镦粗件，以及具有复杂内腔和外形的套筒类锻件。12.1.3 锻造工艺规程的制订 编制工艺规程主要包括以下内容：绘制自由锻件图、确定坯料的重量和尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定锻造温度范围和加热次数、确定热处理规范、提出锻件的技术要求和检验要求、填写工艺卡片等。(1)绘制锻件图 锻件图是指在零件图的基础上，考虑锻造工艺特点而绘制成的图样。1)余量、敷料和锻件公差 为保证锻件的尺寸精度和表面粗糙度，在零件的加工表面而增加的金属称为机械加工余量。具体数值结合生产的实际条件查表确定。敷料是为了简化锻件形状，便于锻造而附加上去的一部分金属。也称为余块。锻件公差是锻件名义尺寸上下允许的偏差，一般约为加工余量的1/41/3。2)分模面的选择 分模面即上下模在锻件上的分界面。要保证锻件能从模膛顺利取出。应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便及时发现错模现象。应选在使模膛深度最浅的位置上，以便金属充满模膛，也有利于锻模的制造。应使零件上所加的敷料最少。分模面最好为平面，上下模的深浅应相当，以利锻模的制造。4)圆角半径 为了使金属容易充满模膛，增大锻件强度，避免锻模内尖角处产生裂纹，提高锻模使用寿命，在模锻件上所有两平面的交角处均需做成圆角。3)模锻斜度 模锻件的侧面，即平行于锤击方向的表面必须有斜度，以便于锻件从模膛中取出。(2)坯料的重量和尺寸计算坯料重量可按下式计算：G坯料坯料质量；G锻件锻件质量；G烧损加热时坯料表面氧化而烧损的质量。第一次加热时取被加热金属的2%3%；以后各次加热取1.5%2%；G料头在锻造过程中冲掉或切掉的金属的质量。如冲孔时坯料中部的料芯，修切端部产生的料头等。12.2 板 料 冲 压 板料冲压是利用冲模使板料产生分离或变形，从而获得毛坯或零件的压力加工方法。板料冲压的特点是：可以冲压出形状复杂的零件，且废料较少。产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度值，冲压件互换性好。能获得重量轻、材料消耗少、强度和刚度都较高的零件。冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，生产率很高，故零件成本低。冲模制造复杂、成本高，手工操作时不安全12.2.1 冲压设备1)剪床 剪床的用途是将板料切成一定宽度的条料，以供下一步冲压工序之用。在生产中常用的剪床有斜刃剪(剪切宽而薄的条料)、平刃剪(剪切窄而厚的板料)和圆盘剪(剪切长的条料或带料)等。2)冲床 除剪切工作外，冲压工作主要在冲床上进行。冲床有开式和闭式两种。12.2.2 冲压基本工序 板料冲压的基本工序又分为分离工序和变形工序两大类。分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。典型的分离工序有：冲孔、落料、切断、切边等。变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。典型的变形工序有拉深、弯曲、翻边、胀形等。三大冲压工序冲裁、弯曲和拉深。冲裁是将板料按封闭的轮廓线分离的工序，包括落料和冲孔两种工序。弯曲是将坯料的一部分相对另一部分弯成一定角度的工序。拉深是使平板坯料变成中空形状零件的工序。1)冲裁冲裁变形过程：弹性变形阶段、塑性变形过程、断裂分离三个阶段。凸凹模间隙 冲裁模工作零件(凹模、凸模)刃口的尺寸之差。记为Z，是一个双边间隙。冲裁断面形状 由圆角带、光亮带和断裂带三部分组成。2)弯曲 弯曲是将坯料的一部分相对另一部分弯成一定角度的工序。板料越厚，内弯曲半径r越小，则拉应力越大，越容易弯裂。为防止弯裂，应限制最小弯曲半径，一般rmin=(0.251)(为金属板料厚度)。在弯曲结束后，由于弹性变形的恢复，板料略微弹回一点，使弯曲件的角度增大此现象称为回弹。一般回弹角为010。因此，在设计弯曲模时，必须使模具的角度比成品件角度小一个回弹角，以保证成品件的弯曲角度符合要求。3)拉深 拉深是使平板坯料变成中空形状零件的工序。从拉深过程中可以看出，拉深件主要受拉应力作用。当拉应力值超过材料的强度极限时，拉深件将被拉裂甚至拉穿。凸凹模的边缘应制成圆角。对钢拉深件，取r凹=10(为板厚)，r凸=(0.61)r凹。凸凹模之间应有一定的间隙。一般取单边间隙c=(1.11.2)。间隙过小，模具与拉深件间的摩擦力增大，易拉穿工件和擦伤工件表面，且降低模具寿命。间隙过大，又容易使拉深件起皱，影响拉深件的尺寸精度。拉深系数m=d/d0不能太小，一般取m=0.50.8。润滑为了减少摩擦、降低拉深件壁部的拉应力和减小模具的磨损，拉深时通常要加润滑剂或对坯料进行表面处理。有些空心的回转体件还可用旋压法来制造。旋压是在专用旋压机上进行。12.2.3 冲模冲模可分为简单模、连续模和复合模三种。(1)简单模：在冲床的一次冲程中，只完成一道工序的冲模称为简单模。(2)连续模：在冲床的一次冲程中，在模具的不同位置上同时完成数道工序的模具称为连续模。(3)复合模：在冲床的一次冲程中，在模具同一部位同时完成数道工序的模具称为复合模。12.3 零件的轧制、挤压和拉拔12.3.1 零件的轧制轧制是生产板材、型材和管材的主要方法。根据轧辊轴线与坯料轴线所交的角度不同，轧制可分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧等四大类。1)纵轧纵轧是轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法，也称为辊锻，目前辊锻成形适用于以下三种类型的锻件：扁断面的长杆件，如扳手、活动扳手和链环等。带有不变形的头部，而沿长度方向上横截面积递减的锻件，如叶片等。连杆成形辊锻。2)横轧横轧是轧辊轴线与坯料轴线相互平行的轧制方法。横轧可以制造直齿轮、斜齿轮和人字齿轮。齿轮精度可达89级，齿面粗糙度Ra在3.2m左右。3)斜轧斜轧是轧辊轴线与坯料轴线在空间相交一定角度的轧制方法。4)楔横轧图12.37为楔横轧示意图。楔横轧适用于大量生产，热轧各种成形阶梯轴毛坯。12.3.2 零件的挤压挤压是用强大的压力作用于放在模具中的金属坯料，使金属产生巨大的塑性变形，由模孔或凸、凹模缝隙中挤出，从而获得型材、管材或零件的方法。按照挤压时金属流动方向和凸模运动方向不同，挤压方法可分为以下四种，如表12.3。零件挤压工艺具有以下特点：挤压时金属坯料处于三向受压状态，可提高金属坯料的塑性，因而适合于挤压的材料品种多。可制出形状复杂、深孔、薄壁和异型断面的零件。挤压零件的精度可达IT7IT6，表面粗糙度值可达Ra0.43.2m，从而可达到少、无切屑加工的目的。挤压变形后，零件内部的纤维组织基本上是沿零件外形分布而不被切断，从而提高了零件的力学性能。节省原材料。12.3.3 零件的拉拔拉拔是将金属坯料从拉模的模孔中拉出而使坯料变形的加工方法，如图12.38所示。坯料通过形状及尺寸逐渐变化的模孔，横截面减小，长度增加。拉拔一般在常温下进行，故又称冷拉。12.4 压力加工新工艺简介12.4.1 精密模锻精密模锻是在普通模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的锻造工艺。保证精密模锻的措施：要精确计算原始坯料的尺寸，严格按质量下料。否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。精细地清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其他缺陷等。采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。精锻模膛的精度必须比锻件精度高两级。精锻模应有导柱、导套结构，以保证合模准确。精锻模上应开有排气小孔，以减小金属的变形阻力，更好地充满模膛。模锻进行中要很好地冷却锻模和进行润滑。精密模锻一般都要在刚度大、运动精度高的设备(如曲柄压力机、摩擦压力机、高速锤等)上进行，它具有精度高、生产率高、成本低等优点。12.4.2 超塑性成形超塑性是指某种金属或合金在特定条件下，即低的形变速率(10-210-4/s)和一定的变形温度(约为熔点的一半)，以及一定的晶粒度(一般为晶粒平均直径为0.25 m)，其相对伸长率超过100%以上的特性。金属超塑性的现象可简要的归纳为四句话：大延伸、无缩颈、小应力、易成形。1)超塑性的种类动态超塑性(相变超塑性或环境超塑性)。静态超塑性(细晶粒超塑性或恒温超塑性)。2)超塑性成形工艺的应用板料冲压板料气压成形图12.41 超塑性板料冲压图12.42 板料气压成形挤压和模锻3)超塑性模锻的工艺特点扩大了可锻金属材料的种类。金属填充模膛性能良好。能获得均匀细小的晶粒组织。金属的变形抗力小，可充分发挥中、小设备的作用。12.4.3 高速高能成型高速高能成型有多种加工形式，其共同特点是在极短的时间内，将化学能、电能、电磁能和机械能传递给被加工的金属材料，使之迅速成型。1)高速锤成型高速锤成型是利用14 MPa的高压气体的短时间突然膨胀，推动锤头和框架系统做高速相对运动而产生悬空打击，使金属坯料在高速冲击下成型。高速锤成型的主要特点是：工艺性能好锻件质量好锻件精度高节约材料设备轻巧，投资少(重量只有一般模锻锤的1/51/10)，对厂房、地基无特殊要求。锻件加热条件要求高，需采用无氧化加热，且高速锤锻模寿命较短。2)爆炸成型爆炸成型是利用炸药爆炸的化学能使金属材料变形的方法。3)放电成型它是通过放电回路中产生强大的冲击电流，使电极附近的水汽化膨胀，从而产生很强的冲击压力使坯料成型。4)电磁成型电磁成型是利用电磁力来加压成型的。12.4.4 液态模锻液态模锻是一种介于铸造和模锻之间的加工方法。它是将定量的金属直接浇入金属模内,然后在一定时间内以一定压力作用于液态或半液态金属上使之成型，并在此压力下结晶和塑性流动，如图12.43所示。图12.43 液态模锻工作示意图液态模锻的一般工艺流程为：原材料配制熔炼浇注合模和加压开模和顶出锻件灰坑冷却锻件锻件热处理检验入库。液态模锻具有以下特点：金属在压力下结晶成型，晶粒细化、组织均匀致密，性能优良。锻件强度指标可接近或达到模锻件水平。液态模锻外形准确，表面粗糙度低，可少用或不用切削加工。利用金属废料熔炼进行液态模锻，节约材料。锻件在封闭的模具内一次成型，不需要更多的模具，从而提高生产率、减少劳动强度，也节省了大量模具钢。而且，液态模锻所需设备的吨位也较小。