工藝技術(shù)_金屬材料成形基礎(chǔ)知識

金屬材料成形基礎(chǔ) 第三篇金屬的塑性成形工藝 鍛造工藝沖壓工藝軋制工藝擠壓工藝其他特種成形工藝 塑性成型工藝 也稱壓力加工 在不破壞金屬自身完整性的情況下 利用外力的作用使金屬發(fā)生塑性變形獲得毛坯或零件的加工方法 稱為 外力 沖擊力 錘類設(shè)備 和壓力 軋機(jī)和壓力機(jī) 1金屬塑性變形實(shí)質(zhì) 近代物理的金屬滑移與位錯(cuò)理論表明 金屬的塑性變形是由于金屬在外力作用下 晶粒之間產(chǎn)生相對移動的結(jié)果 滑移面整體剛性滑移 多晶體的塑性變形可以看作是 單個(gè)晶粒的位錯(cuò)及晶粒之間的滑動和轉(zhuǎn)動的綜合結(jié)果 P 從以上的分析可知 金屬在發(fā)生塑性變形時(shí) 是從彈性塑性的過程 其中一定存在 殘余 的彈性變形 當(dāng)外力去除后 彈性變形將恢復(fù) 既 彈復(fù) 現(xiàn)象 彈復(fù)現(xiàn)象的存在 對金屬的壓力加工精度產(chǎn)生很大的影響 如 產(chǎn)生尺寸誤差 2塑性變形后金屬的組織和性能 一 金屬塑性變形后的組織和性能在常溫下經(jīng)塑性變形后 金屬內(nèi)部組織將發(fā)生如下變化 晶粒沿變形最大的方向伸長 晶格與晶粒均發(fā)生扭曲 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力 晶粒間產(chǎn)生碎晶 加工硬化 隨著塑性變形量的增加 金屬的強(qiáng)度和硬度逐漸升高 塑性 韌性逐漸降低的現(xiàn)象 又稱冷變形強(qiáng)化 有利 強(qiáng)化金屬材料 可通過冷軋 噴丸等方法對金屬進(jìn)行強(qiáng)化的理論根據(jù) 不利 進(jìn)一步的塑性變形帶來困難 是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象 有自發(fā)回復(fù)到溫度狀態(tài)的傾向 溫度升高 原子獲得了熱能 熱運(yùn)動就會加劇 使原子排列回復(fù)到正常狀態(tài) 從而消除晶格扭曲 并部分消除加工硬化 這個(gè)過程稱為回復(fù) T回 0 25 0 3 T熔當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí) 金屬原子獲得更多的熱能 開始以碎晶或雜質(zhì)為核心結(jié)晶成細(xì)小而均勻的再結(jié)晶新晶粒 從而消除全部加工硬化 這個(gè)過程稱為再結(jié)晶 T再 0 4T熔在再結(jié)晶溫度以上加熱已產(chǎn)生加工硬化的金屬 使其發(fā)生再結(jié)晶而再次獲得良好的塑性 這種操作工藝稱為再結(jié)晶退火 這一特性在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用 如冷軋帶鋼通過再結(jié)晶退火 提高材料的綜合性能 尤其是塑性 進(jìn)一步可用冷軋帶鋼來加工鋼窗型材等 如在板料拉深工藝中 通過退火提高塑性可增加變形程度 如日用品中的臉盆 飯缸等 當(dāng)金屬在大大高于再結(jié)晶溫度下受力變形時(shí) 冷變形強(qiáng)化和再結(jié)晶過程同時(shí)存在 變形中的強(qiáng)化和硬化隨即被再結(jié)晶過程消除 二 金屬塑性變形分類在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形稱為 熱變形在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形稱為 冷變形 1 熱變形及其影響 1 不產(chǎn)生加工硬化 2 使組織得到改善 提高了力學(xué)性能 細(xì)化晶粒 壓合了鑄造缺陷 3 形成纖維組織 組織致密 2 纖維組織鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時(shí) 基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都將沿著變形方向被拉長 呈纖維狀 叫纖維組織 變形程度越大 纖維組織越明顯 為了獲得具有最佳力學(xué)性能的零件 應(yīng)充分利用纖維組織的方向性 一般應(yīng)遵循兩項(xiàng)原則 使纖維分布與零件的輪廓相符合而不被切斷 使零件所受的最大拉應(yīng)力與纖維方向一致 最大切應(yīng)力與纖維方向垂直 三 纖維組織的利用原則存在纖維組織的金屬 具有各向異性的性質(zhì) 1 在平行于纖維組織的方向上 塑性 韌性提高 材料的抗拉強(qiáng)度提高 2 在垂直于纖維組織的方向上 塑性 韌性降低 材料的抗剪強(qiáng)度提高 四 鍛造比金屬的變形程度通常用鍛造比來表示 即 A 0H H AO A 坯料變形前 后的截面積 HO H 坯料變形前 后的高度 3金屬的可鍛性可鍛性 是綜合衡量材料在經(jīng)受壓力加工時(shí)獲得優(yōu)質(zhì)制品難易程度的工藝性能 一 金屬的本質(zhì) 內(nèi)因 1 化學(xué)成分的影響一般情況下 純金屬的可鍛性比合金的好 碳鋼含碳量越低 可鍛性越好 合金中含有碳化物形成元素時(shí) 其可鍛性顯著降低 如鉻 鉬 釩 鎢等合金鋼都不易鍛造 可鍛性常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量 塑性越好 變性抗力越小 可鍛性越好 金屬的可鍛性取決于金屬的本質(zhì)和加工條件 純金屬和固溶體 如奧氏體 可鍛性好 碳化物 如滲碳體 的可鍛性差 晶粒細(xì)小而又均勻的組織可鍛性好于鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒組織 2 金屬組織的影響 二 加工條件的影響 外因 1 變形溫度的影響變形溫度 變形溫度越高 材料的可鍛性越好 注意 若加熱溫度過高 晶粒急劇長大 金屬力學(xué)性能降低 產(chǎn)生 過熱 后果與解決辦法 鍛造易擊碎 退火消除 若加熱溫度接近熔點(diǎn) 晶界氧化破壞了晶粒間的結(jié)合 金屬失去塑性而報(bào)廢 這種現(xiàn)象稱為 過燒 金屬鍛造加熱時(shí)允許的最高溫度稱為始鍛溫度 停止鍛造時(shí)的溫度稱終鍛溫度 鍛造溫度是指始鍛溫度與終鍛溫度之間的溫度 2 變形速度的影響 變形速度即單位時(shí)間內(nèi)的變形程度 它對金屬鍛造性的影響可分為兩個(gè)階段 3 應(yīng)力狀態(tài)的影響金屬在進(jìn)行不同方式的變形時(shí) 所產(chǎn)生應(yīng)力的大小和性質(zhì) 壓應(yīng)力或拉應(yīng)力 是不同的 實(shí)踐證明 壓應(yīng)力數(shù)目越多 塑性越好 拉應(yīng)力數(shù)目越多 塑性越差 三向壓應(yīng)力 塑性最好 變形抗力最大 三向拉應(yīng)力 塑性最差 變形抗力最小 同號應(yīng)力的變形抗力大于異號應(yīng)力的變形抗力 第二章鍛造 鍛壓成形工藝可分為 自由鍛造成形 也稱自由鍛 模膛鍛造成形 也稱模鍛 利用沖擊力或壓力使金屬在砥鐵或鍛模中變形 從而獲得所需形狀和尺寸的鍛件的工藝方法 一 自由鍛造成形 也稱自由鍛 概念 是用沖擊力或壓力使金屬在鍛造設(shè)備的上下砧塊 或砥鐵 間產(chǎn)生塑性變形 獲得所需幾何形狀及內(nèi)部品質(zhì)的鍛件加工方法 坯料在受力變形時(shí)可沿著變形方向自由流動 不受限制 又可分為手工自由鍛 已逐漸被淘汰 和機(jī)器自由鍛 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 使用工具簡單 通用 生產(chǎn)周期短 靈活性大使用范圍廣 特別適合單件 小批生產(chǎn) 而且是大型鍛件唯一的鍛造方法 缺點(diǎn) 生產(chǎn)效率低 對工人的操作技術(shù)要求高 工人勞動強(qiáng)度大 鍛件精度差 后續(xù)機(jī)加工余量大 1鍛造方法 自由鍛設(shè)備 鍛錘 壓力機(jī) 空氣錘 蒸汽 空氣錘 水壓機(jī) 油壓機(jī) 65 750Kg 630Kg 5T 落下部分總重量 活塞 錘頭 錘桿 滑塊運(yùn)動到下始點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的最大壓力 鍛錘噸位 壓力機(jī)噸位 1 自由鍛工序 2 鍛件分類及基本工序方案 二 模膛鍛造成形 也稱模鍛 概念 是使加熱到鍛造溫度的金屬坯料在鍛模模膛內(nèi)一次或多次承受沖擊力或壓力的作用 而被迫流動成形以獲得鍛件的壓力加工方法 特點(diǎn) 與自由鍛相比 生產(chǎn)效率高 鍛件尺寸精度高 機(jī)加工余量小 可鍛造形狀較復(fù)雜的鍛件 可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn) 節(jié)省金屬材料 降低成本 操作簡單 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 自動化 模鍛按使用設(shè)備不同可分為 錘上模鍛 曲柄壓力機(jī)上模鍛 摩擦壓力機(jī)上模鍛 胎模鍛等 錘上模鍛所用設(shè)備有蒸汽 空氣錘 無砧座錘 高速錘等 一般工廠主要使用蒸汽 空氣錘 其噸位為10 160N 可鍛造0 5 150kg的鍛件 是由上模和下模兩部分組成 上下模合在一起 中間部分形成完整的模膛 鍛模上有分模面和飛邊槽 鍛模 模膛 形成鍛件基本形狀和尺寸的空腔 飛邊槽 橋部 增加金屬流動的阻力 促使金屬充滿模膛 倉部 容納多余的金屬 錘上模鍛 模膛的分類 按功能 模膛 模鍛模膛 制坯模膛 終鍛模膛 預(yù)鍛模膛 拔長模膛 滾壓模膛 彎曲模膛 切斷模膛 根據(jù)模鍛件的復(fù)雜程度 所需變形的模膛數(shù)量不等 可將鍛模設(shè)計(jì)成單膛鍛模或多膛鍛模 單膛鍛模 一副鍛模上只具有一個(gè)終鍛模膛 多膛鍛模 是在一副鍛模上具有兩個(gè)以上模膛的鍛模 彎曲連桿零件 2 胎膜鍛 在自由鍛設(shè)備上利用胎具生產(chǎn)鍛件的方法 先采用自由鍛方法制坯 然后在胎模中成形 因此 其生產(chǎn)特點(diǎn)具有某些自由鍛與模鍛的特點(diǎn) 胎模的種類主要有三種 扣模 筒模 合模 與自由鍛比較具有的特點(diǎn) 1 操作簡便 生產(chǎn)率高 對工人技術(shù)要求不高 2 鍛件形狀 尺寸精度高 敷料少 加工余量小 3 內(nèi)部組織致密 纖維組織分布更符合性能要求 與模鍛比較具有的特點(diǎn) 1 設(shè)備簡單 2 工藝靈活 可以局部成形 3 胎具簡單 制造容易 1 扣模對坯料進(jìn)行全部或局部扣形 生產(chǎn)長桿非回轉(zhuǎn)體鍛件 也可為合模進(jìn)行制坯 2 筒模主要用于鍛造齒輪 法蘭盤等盤類鍛件 d 組合筒模 2 合模由上模和下模組成 并有導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 可生產(chǎn)形狀復(fù)雜 精度較高的非回轉(zhuǎn)體鍛件 2鍛造工藝規(guī)程的制定 錘上模鍛工藝規(guī)程包括 繪制模鍛件圖 計(jì)算坯料尺寸 確定模鍛工步 選擇模膛 選擇設(shè)備及安排修整工序 其中最主要的是模鍛件圖的繪制和模鍛工步的確定 模鍛件圖的繪制 模鍛工步的確定及模膛種類的選擇 模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性 1 敷料 為簡化鍛件形狀 便于進(jìn)行鍛造而增加的一部分金屬 1 繪制鍛件圖 1 確定加工余量 公差和敷料 2鍛造工藝規(guī)程的制定 2 下料坯料的質(zhì)量 尺寸計(jì)算 G坯料 G鍛件 G燒損 G料頭3 鍛造工序的確定 選擇什么工序 工序順序 控制工序寸 畫出工序草圖 4 確定噸位 即選擇設(shè)備 5 確定溫度范圍 主要根據(jù)相圖和合金材料 6 熱處理工藝 表面淬火 退火等 7 制訂技術(shù)要求和合格檢驗(yàn)要求 8 填寫工藝卡片 2 分模面的選擇 分模面應(yīng)選在鍛件的最大截面處 分模面的選擇應(yīng)使模膛淺而對稱 分模面的選擇應(yīng)使鍛件上所加敷料最少 分模面應(yīng)最好是平直面 上下鍛模的模膛深度基本一致 便于鍛模制造 分模面是指上下鍛模在模鍛件上的分界面 按上述原則綜合分析 圖中的d d面是最合理的分模面 3 設(shè)計(jì)模鍛斜度 外壁斜度 5 7 內(nèi)壁斜度 7 12 4 設(shè)計(jì)模鍛圓角 外圓角 r 1 5 12mm 內(nèi)圓角 R 2 3 r 5 確定沖孔連皮 當(dāng)孔徑為25 80mm時(shí) 沖孔連皮厚度取4 8mm 模鍛斜度 5 15 與模膛深度與寬度的比值 h b 有關(guān) 比值越大 斜度值越大 模鍛件圖繪制實(shí)例 10 5 R8 二 坯料重量和尺寸的確定坯料重量可按下式計(jì)算 G坯料 G鍛件 G燒損 G料頭 坯料尺寸 按坯料的重量 截面形狀及尺寸確定鍛件截面及尺寸 三 模鍛工步的確定及摸膛種類的選擇 1 盡量避免鍛件上的斜面 錐體等復(fù)雜形面 2 鍛件體應(yīng)由簡單幾何體構(gòu)成且其交線為簡單曲線 避免復(fù)雜曲線 如相貫線等 3 鍛件上不應(yīng)設(shè)計(jì)筋條 板 凸臺 工字形等 4 鍛件的截面有急劇變化或形狀復(fù)雜時(shí) 應(yīng)設(shè)計(jì)成由幾個(gè)簡單體構(gòu)成的組合體 一 自于鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性 3模鍛件結(jié)構(gòu)工藝性 1 有合理的分模面 保證鍛件易于從鍛模中取出鍛件 2 零件的外形應(yīng)力求簡單 對稱 平直 避免薄壁 高筋 凸起等結(jié)構(gòu) 3 非加工表面應(yīng)設(shè)計(jì)模鍛斜度 兩個(gè)非加工面所形成的角都應(yīng)按模鍛圓角設(shè)計(jì) 二 模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性 4 避免設(shè)計(jì)深孔 多孔結(jié)構(gòu) 5 采用鍛焊組合工藝 第三章板料的沖壓成形工藝 板料的沖壓成形 是利用沖模使板料產(chǎn)生分離或變形的成形工藝 通常在常溫下進(jìn)行 所以又叫冷沖壓 當(dāng)板厚 8 10毫米時(shí) 才用熱沖壓 便于實(shí)現(xiàn)自動化 生產(chǎn)率很高 操作簡便 沖壓件一般不需再進(jìn)行切削加工 因而節(jié)省原材料 節(jié)省能源消耗 原材料是表面品質(zhì)好的板料或帶料 所以產(chǎn)品質(zhì)量小 強(qiáng)度高 剛性好 產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定 互換性好 可以成形形狀復(fù)雜的零件 特點(diǎn) 應(yīng)用 在汽車 拖拉機(jī) 航空 電器 儀表 國防以及日用品工業(yè)中 沖壓件占有相當(dāng)大的比例 常見沖壓材料 低碳鋼 銅合金 鋁合金 鎂合金及塑性高的合金鋼 非金屬材料如橡膠 皮革 毛氈 硬紙板等 設(shè)備及模具 板料沖壓是在沖床上利用模具進(jìn)行沖壓加工 拖拉機(jī) 400多個(gè) 三米收割機(jī) 1000多個(gè) 沖壓設(shè)備 1 剪床 2 沖床 下料設(shè)備 1 斜刃剪 2 平刃剪 3 圓盤剪 沖壓設(shè)備 1 開式?jīng)_床 2 閉式?jīng)_床 第一節(jié)分離工序第二節(jié)成形工序第三節(jié)沖模的分類和構(gòu)造 內(nèi)容 1分離工序 落料及沖孔 統(tǒng)稱沖裁 是使坯料按封閉輪廓分離的工序 落料 被分離的部分為成品 而留下的部分是廢料 沖孔 被分離的部分為廢料 而留下的部分是成品 例如沖制平面墊圈 制取外形的沖裁工序稱為落料 而制取內(nèi)孔的工序稱為沖孔 1 分離工序 是使坯料的一部分相對于另一部分相互分離的工序 包括剪切 沖裁 修整等 二 落料及沖孔 一 剪切 使坯料沿不封閉輪廓產(chǎn)生分離 包括 斜刃剪 平刃剪 圓盤剪 1 沖裁變形過程的三個(gè)階段當(dāng)凸 凹模的間隙正常時(shí) 沖裁變形過程可分為三個(gè)階段 1 沖裁變形過程 彈性變形階段 塑性變形階段 斷裂分離階段 圓角帶是材料被彎曲和拉伸變形的結(jié)果 光亮帶是材料受到剪切和擠壓應(yīng)力的作用而形成的 斷裂帶是由于刃口處的微裂紋在拉應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展斷裂而形成的 2 沖裁件切斷面上的區(qū)域特征 沖裁件的切斷面不很光滑 并有一定錐度 它可分成三個(gè)較明顯的區(qū)域 圓角帶 光亮帶 斷裂帶 斷面特點(diǎn) 斷面上形成第二光亮帶缺點(diǎn) 增大了沖裁力 卸料力和推件力 加劇了凸 凹模的磨損 縮短了模具壽命 板料在過小間隙沖裁時(shí)受到擠壓而產(chǎn)生壓縮變形 所以沖裁件的尺寸略有變化 落料件的外形尺寸增大 沖孔件的孔腔尺寸縮小 2 凸 凹模間隙 凸 凹模的間隙不僅嚴(yán)重影響沖裁件的斷面品質(zhì) 而且影響模具壽命 卸料力 推件力 沖裁力和沖裁件的尺寸精度 1 間隙過小 缺點(diǎn) 因彈性回復(fù)而使落料件的外形尺寸縮小 沖孔件的內(nèi)腔尺寸增大 品質(zhì)較差 2 間隙過大 斷面特點(diǎn) 切斷面光亮帶減小 圓角帶與錐度增大 形成厚大的拉長毛刺 優(yōu)點(diǎn) 推件力與卸料力減小 甚至為零 材料對凸 凹模的摩擦作用大大減弱 所以模具壽命較長 應(yīng)用 對于批量較大而公差又無特殊要求的沖裁件 可適當(dāng)采用 大間隙 沖裁 當(dāng)間隙合理時(shí) 沖裁力 卸料力和推件力適中 模具有足夠長的壽命 這時(shí)光亮帶占板厚的l 2 l 3 圓角帶 斷裂帶和錐度均很小 零件的尺寸幾乎與模具一致 完全可以滿足使用要求 3 間隙合理 合理的間隙值可查表選取 對沖裁件品質(zhì)要求較高時(shí) 可將表中數(shù)據(jù)減小l 3 單邊間隙 c 的合理數(shù)值可按下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 c m 板料厚度 m 與板料厚度及性能有關(guān)的系數(shù) 設(shè)計(jì)沖孔模 以凸模刃口作設(shè)計(jì)基準(zhǔn) D凸 d孔 D凹 D凸 Z注意 沖孔凸?；境叽鐟?yīng)取工件尺寸公差范圍內(nèi)的最大尺寸 3 凸 凹模刃口尺寸的確定 在沖裁件尺寸的測量和使用中 都是以光亮帶的尺寸為基準(zhǔn)的 設(shè)計(jì)落料模 以凹模作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn) D凹 d落 D凸 D凹 Z注意 落料凹?；境叽鐟?yīng)取工件尺寸公差范圍內(nèi)的最小尺寸 兩種排樣類型 4 沖裁件的排樣 排樣 指落料件在條料 帶料或板料上合理布置的方法 排樣合理可使廢料最少 板料利用率最大 有搭邊排樣 無搭邊排樣 三 修整 修整 利用修整模沿沖裁件外緣或內(nèi)孔刮削一薄層金屬 以切掉沖裁件切斷面上存留的剪裂帶和毛刺 從而提高沖裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度的一種工藝方法 修整機(jī)理相當(dāng)于切削加工 大間隙沖裁件 單邊修整量約板厚的10 小間隙沖裁件單邊修整量取板厚的8 以下 修整時(shí)應(yīng)合理確定修整余量及修整次數(shù) 修整后沖裁件公差等級達(dá)IT6 IT7 表面粗糙度Ra 0 8 1 6 m 2成形工序 成形工序 使坯料的一部分相對于另一部分產(chǎn)生位移而不破裂的工序 如拉深 彎曲 翻邊 脹型 旋壓等 一 拉深 拉深 利用拉深模使板料變成開口空心件的沖壓工序 可以制成筒形 階梯形 盒形 球形 錐形及其它復(fù)雜形狀的薄壁零件 1 拉深變形過程及特點(diǎn) 變形特點(diǎn) 變形區(qū)是板料的凸緣部分 其它部分是傳力區(qū) 板料變形在切向壓應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力的作用下 產(chǎn)生切向壓縮和徑向伸長的變形 金屬材料塑性流動越大 板料直徑越大 拉探后筒形直徑越小 其變形程度就越大 防止措施 正確選擇拉探系數(shù) m d Da m 0 5 0 8 b 多次拉