第三章-锻压成型(机械制造基础)

第3章锻压成型Chapter3Forging锻压成形技术是国民经济可持续发展的主体技术之一。据统计，全世界75％的钢材需经塑性成形，在汽车生产中，70％以上的零部件是利用金属塑性加工而成的。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。锻造:将坯料加热到高温状态后进行加工。应用于制造承受重载、冲击、交变载荷的重要零件和毛坯，如：机床主轴、齿轮、起重机吊钩等。冲压:将坯料在常温下进行加工。应用于生产强度、刚度大、结构轻的板壳类零件，如：日用器皿、仪表罩壳及汽车覆盖件等。主要方法及其应用领域锻压特点(1)改善金属组织、提高力学性能(2)节约金属材料(3)较高的生产率(4)毛坯或零件的精度较高(5)不能加工脆性材料(6)不能获得形状复杂的毛坯或零件锻压材料常用锻压材料:低碳钢、铜和铝等塑性材料。不能锻压材料：铸铁等脆性材料本章内容3.1金属的塑性变形与锻造性3.2自由锻造3.3模型锻造3.4板料冲压3.5锻压新工艺3.1金属的塑性变形与锻造性金属的塑性变形“神舟”四号飞船成功返回涡轮喷气发动机塑性变形是金属压力加工的理论基础定义：内应力超过金属的屈服点后，外力停止作用后，金属的变形并不完全消失。形式：晶粒内部的滑移和孪晶；晶粒间的滑移和转动。“神舟”四号飞船成功返回涡轮喷气发动机塑性变形（滑移）“神舟”四号飞船成功返回涡轮喷气发动机塑性变形（孪生）1.加工硬化金属材料经冷塑性变形后，随变形度的增加，晶粒伸长、晶格扭曲以及产生碎晶，使得强度、硬度提高，塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。好处：强化金属方法坏处：后续加工工序困难，工件易开裂。怎样消除加工硬化现象？图工业纯铁冷变形前后的显微组织（100）2.回复当加热温度T回=（0.25—0.3）T熔，可消除晶格扭曲并降低内应力；但是，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。使加工硬化得到部分消除。3.再结晶当加热温度T再=0.4T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，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。使加工硬化得到完全消除。金属的锻造性能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。可锻性的影响因素：金属的本质（化学成分和金属组织）工艺条件（温度，速度和应力状态）1.金属的本质（1）化学成分影响＊纯金属可锻性比合金好＊钢的含碳量越低，可锻性越好（2）金属组织的影响＊组织不同,可锻性有差异,纯金属、固溶体可锻性好；＊柱状组织和粗晶粒不如晶粒细小均匀的可锻性好。2.加工条件（1）变形温度的影响＊变形温度低，金属的塑性差，锻压困难，容易开裂。＊加热温度过高，晶粒急剧长大，塑性减小，可锻性下降，称“过热”。＊加热温度接近熔点，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”。图钢的锻造温度范围（2）变形速度＊低速：变形速度↑→变形抗力↑→塑性↓＊高速：变形速度↑→变形温度↑→变形抗力↓→塑性↑图变形速度对金属及合金锻造性的影响（3）应力状态＊处于三向压应力状态，金属呈现良好的塑性状态＊三向受拉金属的塑性最差不同材料选择不同加工方式：塑性好的材料：三向拉应力下变形塑性差的材料：三向压应力下变形图几种常用锻压方法的应力状态本章内容3.1金属的塑性变形与锻造性3.2自由锻造3.3模型锻造3.4板料冲压3.5锻压新工艺3.2自由锻概念：只用简单的通用性工具，在锻造设备的上下帖间对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需锻件的方法。特点：1)金属坯料可朝各个方向自由流动，不受限制；2)所用工具简单，设备和工具通用性强，成本低；3)锻件精度较低，生产率低；4)其形状和尺寸主要由操作者的技术来控制。是锻制大型锻件的唯一方法。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液压机自由锻造基本工序主要有镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转和错位等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。应用领域：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。拔长使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序。应用领域：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。冲孔采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序。应用领域：制造空心工件，如齿轮坯、圆环和套筒。拔长的种类：实心、空心冲子冲孔和漏盘冲孔等。弯曲切割锻件类别常见锻件图例锻造工序盘类零件齿轮、凸轮等镦粗、冲孔轴杆类零件传动轴、连杆等镦粗、拔长、切肩、拔长筒类零件筒体等拔长、镦粗、冲孔、在心轴上拔长环类零件圆环、法兰、齿圈等镦粗、冲孔、扩孔曲轴类零件曲轴、偏心轴等拔长、错移、拔长、扭转弯曲类零件吊钩、轴瓦等拔长、弯曲常见自由锻工件工序本章内容3.1金属的塑性变形与锻造性3.2自由锻造3.3模型锻造3.4板料冲压3.5锻压新工艺3.3模锻概念：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。特点：(1)生产效率较高(2)能锻造形状复杂的锻件(3)模锻件的尺寸较精确(4)节省金属材料(5)模锻操作简单，劳动强度低分类：锤上模锻、胎膜锻、压力机上模锻等。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。锤上模锻缺点：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锤上模锻示意图：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。图盘类锻件的模锻过程图带飞边的模锻件锤上模锻分类：根据模膛功用不同，可分为模锻模膛和制坯模膛两大类。（1）制坯模膛使坯料基本接近模锻件的形状，以便模锻时金属能合理分布，并很好地充满模膛，必须预先在制坯模膛内制坯。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。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。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。①预锻模镗②预锻模镗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。弯曲连杆的锻模及成形过程示意图本章内容3.1金属的塑性变形与锻造性3.2自由锻造3.3模型锻造3.4板料冲压3.5锻压新工艺概念：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，称冷冲压。当板厚度超过810mm时，可采用热冲压。特点：（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；3.4板料冲压通常用于金属制品的大批量生产。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。冲模——用于冲压的模具。剪床冲床板料冲压基本工序1.分离工序落料和冲孔（冲裁）2.成形工序弯曲，拉深，缩口，胀形，翻边。1.分离工序：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。2.变形工序：拉深使平板坯料变形成开口空心零件的工序。拉深凹模坯料压板冲头原始直径为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。拉深工艺示意图①起皱：是拉深时板料失稳造成的；②拉裂：当拉应力超过材料的抗拉强度造成。常见拉深缺陷：如何防止拉深缺陷：①多次拉深，增大拉伸系数②加大弯曲处圆角直径；③加大模具间隙；④使用润滑剂。图多次拉深时筒形件直径的变化2.变形工序：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。图板料弯曲过程弯曲时注意的问题：①弯曲后要回弹，一般回弹角为0˚-10˚，事先要注意。②弯曲时尽量使弯曲线与坯料纤维方向垂直，以免弯裂。图弯曲时的回弹图弯曲时的纤维方向日常生活用品，如铝锅、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。板料冲压常识：冲模工具冲压模具是冲压生产中必不可少的工艺装备，按冲压工序的组合程度不同可分为简单模、连续模和复合模三种。1.简单模：压力机在一次行程中完成一道工序的冲模。2.连续模连续模（又称级进模、跳步模）是指压力机在一次行程中，依次在几个不同的位置上同时完成多道工序的冲模。图用导正销定距的冲孔落料连续模3.复合模压力机在一次行程中，在同一中心位置上，同时完成几道工序的冲模。由于复合模在同一中心位置上完成几道工序，因此它必须在同一中心位置上布置几套凸、凹模。图冲孔落料复合模本章内容3.1金属的塑性变形与锻造性3.2自由锻造3.3模型锻造3.4板料冲压3.5锻压新工艺3.5锻压新工艺超塑性成型超塑性：金属及合金在特定的组织条件、温度条件及变形速度下进行变形时，呈现异乎寻常的塑性（伸长率可超过100%，甚至1000%以上），变形抗力大大降低（常态的1/5左右）。超塑性成型：对具有超塑性的坯料进行的成型。超塑性成型特点：(1)扩大了锻压材料的范围。(2)降低了模具的磨损，延长了模具的寿命。(3)超塑性金属材料加工精度高，可获得尺寸精密、形状复杂的制品，是材料实现净成形、净终成形加工的新途径。超塑性成型工艺图超塑性模锻•与普通模锻不同之处：超塑性模锻的锻模中设置了感应加热圈2及隔热垫1。•超塑性模锻应用：航天、仪表、模具等行业中生产高温合金以及钛合金等难以加工成形的高精度零件。如高强度合金的飞机起落架、涡轮盘、注塑模等。1.超塑性模锻2.板料冲深板料深冲时需将超塑性板料的法兰部分加热到一定温度，并在外围加油压，即可一次深冲出薄壁深冲件。图超塑性板料深冲板料深冲件的深冲比H/d0可为普通拉深件的15倍。将超塑性板料放在模具中，将板料与模具同时加热到超塑性温度后，抽出模具内的空气（真空成形法）或向模具内吹入压缩空气（吹塑成形法），模具内产生的压力将板料紧贴在模具上，从而获得所需形状的工件。3.真空成型和吹塑成型图超塑性板料成形爆炸成型爆炸成形是利用炸药爆炸产生的化学能使金属材料产生塑性变形的加工方法。爆炸成形装置简单，操作容易，无需冲压设备，工件的尺寸不受设备能力限制，尤其适合于试制或小批量生产大型工件。图爆炸成形本章结束！