塑性成形技术讲解.docx

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塑性成形技术讲解

第二章塑性成形技术

※塑性成形技术：

利用外力使金属材料产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，从而获得各种产品的加工方法。

※主要应用：

1）生产各种金属型材、板材和线材；

2）生产承受较大负荷的零件，如曲轴、连杆等；

※塑性成形特点：

1）产品力学性能优于铸件和切削加工件；

2）材料利用率高，生产率高；

3）产品形状不能太复杂；

4）易实现机械化、自动化

※分类：

1）轧制

2）挤压

3）拉拔

4）锻压：

a锻造（自由锻，模锻）。

b冲压

第一节金属塑性成形的物理基础

一、塑性变形的实质

●宏观：

外力，弹性变形，塑性变形（分切应力作用）

●微观（晶体内部）：

位错滑移和孪晶

●多晶体：

晶粒变形、晶界滑移、晶粒转动

二、塑性变形的分类

●冷塑性变形：

低于再结晶温度以下时发生的变形

钨的再结晶温度在1200度。

●热塑性变形：

高于再结晶温度以上时发生的变形

铅、锡等金属再结晶温度在零度以下。

三、冷塑性变形对金属组织和性能的影响

产生加工硬化：

随着变形程度的提高，金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象。

原因：

位错密度提高，亚结构细化

2.产生内应力：

变形开裂，抗腐蚀性能降低，采用去应力退火进行消除。

3.晶粒拉长或破碎，可能产生各向异性的塑性变形→晶格畸变→

加工硬化→内能上升（不稳定）→加热→原子活力上升→

晶格重组→内能下降（温度低时，回复。

温度高时，再结晶）

4、热塑性变形对金属组织和性能的影响

一）、五种形态：

静态回复；静态再结晶；动态回复；动态再结晶；亚动态再结晶

1、静态回复、静态再结晶：

变形之后，利用热变形后的余热进行，不需要重新加热。

2、动态回复、动态再结晶：

热变形过程中发生的。

3、亚动态再结晶：

动态再结晶进行的热变形过程中，终止热变形后，前面发生的动态再结晶未完成而遗留下来的，将继续进行无孕育期的再结晶。

二）、热变形对金属组织和性能的影响

1.使铸锭或毛坯中的气孔和疏松焊合，晶粒细化，改善夹杂物和第二相等形态和分布，偏析部分消除，使材料成分均匀。

2.使铸态金属中的各种偏析、第二相和夹杂物等沿变形方向延伸，形成条状的纤维组织，使材料的塑性和冲击韧性增加。

3.热变形中各个相或晶内偏析沿变形方向伸长成带条状，冷却时形成带状组织，使材料的横向塑性和韧性降低。

4.细化晶粒。

五、金属的可锻性

可锻性：

金属经过压力加工时，获得优质制品的难易程度。

衡量标准：

①金属的塑性：

塑性越小，可锻性越好

②变形抗力：

变形抗力越小，可锻性越好

1、影响可锻性的因素：

金属本质、加工条件

★金属本质：

面心＞体心＞密排六方

★化学成分：

纯金属＞合金，碳钢＞合金钢，低碳钢＞高碳钢

★金属的组织：

相的组织及分布：

固溶体＞机械混合物＞化合物

晶粒大小：

等轴晶＞柱状晶；细晶粒＞粗晶粒

加热条件：

变形温度↑→塑性↑变形抗力↓→可锻性↑

变形速度↑→加工硬化→塑性↓变形抗力↓→可锻性↓

第二节金属的体积成形方法

使金属材料在三维空间的三个方向上都发生变形的塑性成形方法

一、锻造：

●概念：

利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定力学性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。

锻件的力学性能一般优于铸件。

●分类：

1）.作用力来源：

手工锻造和机械锻造

2）.锻造温度：

热锻（再结晶温度以上）、温锻（回复和再结晶温度之间）和冷锻（回复温度以下）。

3）.工艺特点：

自由锻和模锻

★自由锻：

在砧块之间成形

★模锻：

在模锻设备上用模具成形

★自由锻特点：

☆设备、工具简单，生产率低

☆锻件精度低，光洁度差

☆通用性强，单件也能生产

☆只能锻形状简单的零件

★模锻特点：

☆设备、工具复杂，生产率高

☆锻件精度高，光洁度好

☆只适合大批量生产

☆能够锻形状复杂的零件

自由锻可锻零件的重量为1kg-300T,模锻可锻重量0.5-150kg。

一）、自由锻

定义：

利用冲击力或压力使金属在上下两个砧铁之间变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。

变形特点：

沿变形方向可以自由流动。

1.自由锻设备

锻锤：

依靠冲击力使金属变形，只能锻造中小锻件。

液压机：

依靠静压力使金属变形，可加工大型锻件。

2.自由锻工序

基本工序：

墩粗、拔长、冲孔、扩孔等。

辅助工序：

压钳口、倒棱、压肩等。

精整工序：

校正、滚圆等。

1）镦粗

☆定义：

使坯料高度减小，截面积增大的工序。

☆适合范围：

块状和盘类。

☆分类：

平粘墩粗、局部镦粗、带尾稍镦粗、展平镦粗

A区变形程度最小：

1）砧块与金属摩擦；2）温度下降最快，变形抗力大。

B区变形程度最大。

C区变形程度介于A和B之间。

墩粗失稳：

双鼓形和纵向弯曲

圆柱体坯料的高度与直径比≤2.5-3；

平行六面体高度与较小边比＜3.5-4.

2）拔长

☆定义：

垂直工件的轴向进行锻打，使其截面减小而长度增加。

局部加载，局部受力，局部变形。

☆适用范围：

轴类、杆类

☆分类：

矩形截面坯料的拔长、圆形截面坯料的拔长和空心坯料的拔长

★矩形截面坯料的拔长：

★圆形截面坯料的拔长：

加载初期：

接触面为一条线，横向阻力小，金属向两侧流动，轴向流动量很小。

1）加载初期：

接触面为一条线，随后扩大，ABC先变形。

2）当接触面加大时，由于坯料和工具的摩擦，及温度的下降，变形抗力增加，ABC成为变形困难区。

3）金属沿着与AB和BC垂直的方向将应力传递给其他部位金属，坯料中心收到合力作用，但合应力小于上下两端的压应力，变形集中在上下两部分，轴心变形很小。

★空心坯料的拔长

减小空心坯料外径而增加其长度，一般叫芯轴拔长。

A区：

直接受力区，产生轴向和切向流动。

轴向流动时借助外端金属拉着B区金属沿轴向被拉长。

切向流动时受外端金属阻碍，阻碍越大，越容易沿轴向流动。

B区：

间接受力区，在A区金属的流动带动下沿轴向被拉长。

3）.冲孔

☆定义：

坯料上锻出通孔或盲口的工序。

局部加载，整体受力，整体变形。

☆适用范围：

空心工件，如齿轮、圆环和套筒等。

空心冲头冲孔：

1）减少B区金属切向拉应力

2）去除坯料中心部分质量不好的金属。

4）.扩孔

☆定义：

减小空心坯料壁厚而增加其内、外径，以芯轴代替下砧的锻造工序。

☆适用范围：

环类零件。

☆分类：

冲子扩孔、芯轴扩孔、辗压扩孔等。

5）.弯曲

☆定义：

将坯料弯成所规定外形的锻造工序。

☆适用范围：

弯曲类锻件。

二）、模锻

☆定义：

金属坯料在冲击力或压力作用下，在锻模模膛内变形而获得锻件的工艺方法。

☆模锻与自由锻比较：

1）生产率高。

生产率比自由锻高3-4倍。

2）锻件尺寸精确，表面光滑，加工余量小，节约材料和切削成本。

3）成形靠模膛控制，可锻造形状复杂的锻件。

4）操作简便，生产过程易于机械化，自动化。

5）成本高，周期长，适合大批量生产。

☆变形特点：

模膛内变形，流动受模壁限制。

☆分类：

开始模锻、闭式模锻（模膛内金属流动的特点）

1.开式模锻

☆定义：

变形金属的流动不完全受模膛限制的一种锻造方法。

存在飞边，多余金属沿飞边流出。

☆开式模锻过程：

自由墩粗阶段、形成飞边阶段、充满模膛阶段和打

靠阶段。

2.闭式模锻

☆定义：

锻造工序在闭式模具中进行，锻模不设飞边槽。

☆闭式模锻过程：

自由墩粗阶段、充满模膛阶段和结束阶段。

第一阶段：

坯料与上模膛表面接触开始到与模膛最宽处侧壁接触为止。

金属充满模膛最易充满的位置。

第二阶段：

金属与模膛最宽处侧壁接触开始到金属完全充满模膛为止。

随着坯料变形的增大，模壁的侧向压力增大，直到模膛完全充满。

第三阶段：

多余金属被挤出至上下模的间隙中形成少量纵向毛刺，锻件达到预定高度。

☆闭式模锻特点：

凸凹模间间隙的方向与模具运动方向平行，间隙很小，金属流入间隙的阻力较大，有利于金属充满模膛。

☆闭式模锻与开式模锻相比：

1）减少切边材料损耗；

2）节省切边设备；

3）有利于金属充满模膛进行精密模锻；

4）金属处于明显的三向压应力状态，有利于低塑性材料的成形。

二、挤压

☆定义：

金属坯料在三个方向的不均匀压应力的作用下，从模具的孔口或缝隙中挤压或流入模膛内，使其截面积减小，长度增加，以获得所需尺寸和形状的制品的加工方法。

☆分类：

根据金属流动方向与冲头运动方向分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。

1.正挤压：

坯料从模孔中流出部分的运动方向与凸模运动方向一致。

2.反挤压：

坯料沿凸模与凹模之间的间隙流出，流出方向与凸模运动方向相反，挤压空心件。

3.复合挤压：

坯料的一部分的流动方向与凸模运动方向相同，另一部分的流动方向与凸模的运动方向相反。

4.径向挤压：

金属流出凹模孔口时的流动方向与凸模的运动方向相垂直。

三、拉拔

☆定义：

用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料截面的模孔中拉出，使其截面面积减小而长度增加的方法。

☆适用范围：

线材、棒材、管材等。

☆分类：

线材拉拔和管材拉拔。

1、线材拉拔：

1）采用模具的线材拉拔；2）无模具的线材拉拔

2.、管材拉拔：

固定芯头拉拔、浮动芯头拉拔、硬质芯模拉拔、可变形芯模拉拔和无芯模拉拔

固定芯头拉拔：

优点：

减小筒坯直径，管材壁厚，提高管材内壁的表面质量和尺寸精度。

缺点：

导致高的拉拔应力和较低的拉拔极限。

浮动芯头拉拔：

优点：

具有更高的生产率，能够制造更长的管材。

缺点：

芯头和筒壁件的摩擦很重要，当摩擦系数小于某一临界值时，芯头无支撑作用；当摩擦系数大于某一临界值时，拉拔应力增加，导致管材断裂。

硬质芯模拉拔：

芯模与管材同步，芯模与筒壁之间的摩擦可以忽略，减少拉拔应力。

使管材具有良好的同轴度和均匀的壁厚。

可变形芯模拉拔：

生产小直径长薄壁管材的唯一手段。

无芯模拉拔：

拉拔应力比较低，但壁厚不能减小，只能减小筒坯内外径。

四、轧制

定义：

具有一定塑性的金属或其他材料强行通过轧辊而成形的加工工艺

第3节板料塑性成形方法

☆板料塑性成形：

借助于常规或专用冲压设备的动力，使坯料在模具里经分离或变形，从而获得具有一定尺寸、形状和性能的产品零件的生产技术，也称冲压。

☆分类：

冷冲压（常温下进行，厚度＜8mm的板材）

热冲压（加热下进行，厚度＞8mm的板材）

☆冲压设备：

剪床（下料）或冲床

剪床为冲床备料，将板料切成条料。

☆冲压生产的特点

※薄壁复杂零件，废料少

※零件精度高，粗糙度低，质量稳定，互换性好

※具有形变强化作用，零件强度、刚度好

※设备自动化程度高，操作简单，生产率高，零件成本低

☆缺点：

冲压模具结构复杂，制造成本高，只适合大批量生产。

☆应用：

广泛应用与汽车、拖拉机、飞机、导弹等。

☆冲压的基本工序：

①分离工序：

切断、冲裁、切口等

②变形工序：

拉深、弯曲、翻边等

一、冲裁

☆定义：

使坯料沿轮廓线分离的工序。

☆分类：

落料、冲孔、切边、切口等。

落料和冲孔应用最多。

★落料：

被分离的部分为成品，而周边是废料。

★冲孔：

被分离的部分为废料，而周边是成品。

☆过程：

1.弹性变形2.塑性变形3.断裂分离

凸凹模间隙：

凸凹模刃口同位尺寸缝隙的距离。

☆影响冲裁分离面质量：

间隙合理，凸凹模刃口冲裁产生的裂纹重合，工件断面光洁，毛刺少

☆影响冲裁件尺寸精度、模具寿命和卸料力、推件力、冲裁力

●间隙大：

冲裁件尺寸精度低

●间隙小：

卸料力、推件力、冲裁力大；模具与料板的摩擦严重，模具寿命下降。

二、弯曲

☆定义：

利用模具或其他工具将板料、型材或管材弯成具有一定角度和圆角的塑性成形技术。

☆过程见课本图2.67

☆最小弯曲半径r=（0.25-1）t

☆弯曲时的回弹

定义：

材料弯曲变形后，由于弹性变形的恢复，将使弯曲件的角度和弯曲半径与模具的尺寸和形状不一致的现象。

三、拉深

☆定义：

利用模具将冲裁后得到的平板坯料压制成开口的空心零件，或将已制成的开口空心件毛坯制成其他形状空心零件的一种方法。

过程见课本125图2.69

☆变形特点：

（图见课本2.70）

第一阶段：

在冲头力作用下，平板毛坯逐渐被拉入凹模中，此时，与冲头端面相接触的部分毛坯Ⅰ区在拉深过程中始终保持平面状态，基本不变形或产生少量的塑性变形，这部分起到传递力的作用。

把冲头对它的作用力传递给毛坯的圆筒侧壁，而其本身是双向受拉的应力状态。

第二阶段：

圆筒侧壁Ⅱ在Ⅰ区传递的轴向拉力作用下被拉入凹模内部，发生变形，它是由Ⅲ区部分转化而成的。

然后这个Ⅱ区也起着力的传递作用，把Ⅰ区传递的力传到平面法兰部分的Ⅲ区。

第三阶段：

Ⅲ区在径向拉力作用下不断被拉入凹模中。

☆拉深系数与拉深次数（图课本2.72）

※拉深系数m：

拉深后零件的直径d与拉深毛坯直径D之比。

拉深系数是衡量变形程度的指标：

越小，拉深件直径越小，变形程度越大。

※拉深次数：

拉深工序的次数。

不宜过多，一般为4-5次。

四、翻边（课本图2.742.75）

☆定义：

成形坯料的平面或曲面部分上使板料沿一定的曲线翻成竖直边缘的冲压工序。

☆分类：

内孔翻边和外缘翻边

第3节锻件结构工艺性分析

1.自由锻件的结构工艺性

1）尽量避免锥体或斜面结构

锻造具有锥体或斜面的锻件，需制造专用工具，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率。

2）避免圆柱面与圆柱面相交

两圆柱体交接处的锻造很困难，应设计成平面与圆柱或平面与平面相接，消除空间曲线结构，使锻造容易进行。

3）避免椭圆形、工字形或其他非规则形状

4）避免加强筋和凸台等辅助结构，以便于减少余块和简化锻造工序

5）复杂零件可设计成简单件的组合体，可采用锻-焊，锻-螺纹连接

2.自由锻工艺设计：

1）根据零件图绘制锻件图；

2）确定坯料质量和尺寸；

3）确定锻造工序；

4）选择锻压设备；

5）确定锻造温度范围，加热和冷却规范；

6）填写工艺卡片等工序

1）根据零件图绘制锻件图（如图2.104）

锻件图是在零件图基础上，考虑敷料、机械加工余量和锻件公差等因素绘制而成。

①敷料：

为了简化锻件形状，以便进行锻件自由锻造而增加的这部分金属。

②机械加工余量：

锻件加工表面增加供切削加工的余量。

③锻件公差：

锻造过程中，由于锻造温度、锻压设备等因素影响，使得锻件实际尺寸允许有一定的误差，成为锻件公差。

④绘制锻件图：

●锻件外形用粗实线，尺寸线上方或左面标注锻件的尺寸与公差

●用点划线画零件的主要轮廓，在尺寸线下方或右面用圆括号标出零件尺寸。

2）.确定坯料质量

M坯=（m锻件+m芯料+m料头）（1+δ’）

m坯：

锻造前的毛坯质量

m锻件：

锻造后的锻件质量

m芯料：

冲孔芯料损失的质量

m料头：

锻件拔长端部由于不平整而切除的料头质量，与锻件拔长后的直径D或截面宽度B和高度H有关。

圆形件：

m料头=（1.65~1.8）D3

矩形件：

m料头=（2.2~2.36）B2H

δ’:

钢料加热烧损率，第一次加热为金属质量的2%-3%，以后各次加热取1.5%-2%。

3）.确定坯料尺寸

V坯=m坯/ρ

如第一步为墩粗：

4）确定锻造工序（表2.5）

锻造变形工序应依据锻件的形状、尺寸、技术要求、生产批量和生产条件等综合考虑。

一般来说，盘类锻件以墩粗为主，轴杆类锻件以拔长为主，空心件肯定要冲孔（大孔还要进一步扩孔），弯杆少不了弯曲.

5）选择锻压设备

锤锻和液压机两种，根据变形面积、锻件材质和变形温度等因素确定。

锻压设备的吨位可以从相关手册查到。

6）确定锻造温度

锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。

始锻温度：

为提高金属的塑性，降低变形抗力，减小锻造设备的吨位。

在不出现过热和过少的前提下尽量提高始锻温度，使材料具有较好的塑性和较低的变形抗力，减少锻造次数。

自由锻工艺设计示例

齿轮零件为例。

材料为45钢，生产数量为20件，小批量生产，所以采用自由锻造。

1.设计、绘制锻件图

1）确定双边余量和公差

由表可查各个部位的双边余量和公差如下：

水平方向：

12±5mm

高度方向：

10±4mm

内孔：

14±6mm

2）确定坯料水平尺寸

①290+12±5=302±5mm

②202+12±5=214±5mm

3）确定高度尺寸

①18+10±4=28±4mm

②52+10±4=62±4mm

4）确定内孔直径

145-14±±6=131±6mm

2.确定变形工序

采用自用墩粗→垫环局部墩粗→冲孔→冲子扩孔

3.计算原始坯料体积和尺寸

1）计算原始坯料体积

m坯=（m锻件+m芯料+m料头）（1+δ’）

m坯=（m锻件+m芯料）（1+δ’）

v坯=（v锻件+v芯料）（1+δ’）

而由锻件图通过立方体体积公式计算得到

v锻件=3202308mm3

而冲孔模的直径为60mm，冲孔后材料厚度为13mm，所以

v芯料=πd2h/4=π×60×60×13/4=36738mm3

而δ’=3%，

所以，

v坯=（3202308+36738）（1+3%）=3336217mm3

2）原始坯料直径D0和高度H0

坯料直径：

计算得到D0=119~149.4mm，

取D0=130mm

计算得到H0=251mm

4选择锻压设备吨位

G=（0.002~0.003）KS

=28kg

所以吨位取0.25t。

5确定锻造温度

始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃.

6填工艺卡

7工序名称

8修整外圆

9修整平面