材料成型工艺基础材料成形方法选择教案文档格式.docx

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图2锻造工艺二

一火锻造工艺

•一火锻造工艺的特点是将二次加热合为一次，预锻-成形二步合为一步。

设备也由二台合为一台。

•其工艺路线如下：

•下料（圆料）（图3a）→局部加热→热挤辗机挤辗成形（图3b）

图3一火锻造工艺

1200kN摆辗机

•（如图4）

•主要技术参数

•主缸压力1200kN

•主电机功率40kW

•油泵电机功率30kW

•摆头摆角　3°

•摆辗坯料140mm

图41200kN摆辗机结构简图

2500kN热挤辗机结构特点

•2500kN热挤辗机的机身、摆头、主缸及传动系统与1200kN摆辗机结构上基本相同，不同的主要是采用了特殊的模具夹紧及滑块机构。

•通常摆辗机将凹模固定在滑块上。

工作时，打开凹模放入预制好的坯料，合上凹模，将坯料夹紧后主缸推动滑块带动凹模及坯料送进，摆头旋转实现摆辗成形。

在整个成形过程中，坯料与凹模之间无相对运动（图5）

图5摆辗成型示意图

•滑块由前后两个组成。

前后滑块用导杆穿接，凹模固定在前滑块上。

主缸的活塞杆与后滑块连接，后滑块沿导杆与前滑块可以相对运动。

工作开始时，主缸推动后滑块带动坯料向前送进。

此时，前滑块与凹模不动，后滑块沿导杆在导轨上运动。

坯料在后滑块的带动下向摆头挤去，摆头将挤出的坯料辗向经向，形成蒜头。

当加热部分的坯料全部挤至凹模，后滑块与前滑块靠紧，挤辗变形过程结束。

当后滑块继续向前运动时，推动前滑块及凹模一起向前，摆辗成形开始，直至半轴法兰盘的最终成形（图6）。

图6挤辗成型示意图

主要技术参数

•主缸压力2500kN

•摆头摆角3°

•摆辗坯料直径220mm

•主电机功率75kW

•油泵电机功率30kW

设计结果分析

⑴技术分析

•本设计主要来源于1200kN摆辗机的设计及生产实践，在此基础上进行了严密的理论计算分析。

从工艺角度考虑，由于加热好的坯料在一台设备上连续进行全程变形，使得①坯料表面的氧化皮在开始挤辗时便脱落干净，保证了终辗坯料表面质量；

②坯料终辗温度提高，保证了法兰盘部的充分充满。

从设备角度考虑，双滑块结构的设计，使得制造容易可行。

从操作角度考虑，工人操作简单，容易掌握。

由此确认本设计在技术上可行。

⑵经济分析

•①减少了一台锻锤、一台加热炉，节省了设备投资费用和能源消耗②降低了人工费③班产提高3倍以上④材料利用率提高⑤整条生产线运行费用降低。

•汽车半轴一火锻造的实现，减少了环境污染，特别是噪声污染，改善了工人的劳动条件，提高了安全性，减轻了劳动强度，并取得较好的经济效益。

结束语

•汽车半轴是在汽车运行中承受自重和货物重量并传递扭距的重要零件，提高汽车半轴的锻造质量，降低生产成本，对整个汽车工业的发展有着重要意义，一火热挤辗成形半轴工艺，技术性能优良，经济效益显著，是一种值得推广的新工艺。

例2

汽车覆盖件成形工艺

汽车覆盖件的结构特点

✹汽车覆盖件大多是大型薄钢板冲压件，如驾驶室的顶盖、车门内板、车门外板、前围、后围、侧围以及发动机罩等。

✹从其结构形状及尺寸方面分析，主要有以下特点：

1）总体尺寸大。

如驾驶室顶盖的毛坯尺寸达2800mm*2500mm。

2）相对厚度小，板料的厚度一般为0.8~1.5mm。

3）形状复杂。

4）轮廓内部带有局部形状。

冲压模具

✹拉深成形模：

双动拉深模

✹修边模

✹垂直翻边模

冲压设备的选择

✹覆盖件的拉深成形一般选用双动压力机，双动压力机具有行程大，压力边稳定且容易调整等特点。

✹修边和翻边冲压设备采用单动压力机。

单动压力机一般适用于相对较小的零件，修边所需的冲裁力与翻边力不大，只要设备的台面尺寸能按装修边或翻边模具，设备的冲裁力或翻边力即能满足要求。

冲压成形工艺

✹汽车覆盖件的冲压成形工艺较复杂，一般需多道虫牙工序才能完成。

常用工序有：

落料、拉深、校形、修边、切断、翻边、冲孔等。

下面具体介绍一下各道工艺。

拉深

✹合理选择拉深冲压方向，拉深方向应考虑以下原则：

1）保证能将拉深件的全部空间形状一次拉出来。

2）使拉深深度最小，以减少材料流动性和变形分布的不均匀。

3）保证凸模与毛坯的接触面积应尽量大，保证较大的面接触。

4）有利于防止表面缺陷。

✹在拉深开始前，压边圈将毛坯压紧在凹模上。

拉深开始后，凸模的成形力与压料面上的阻力共同形成毛坯的变形力，时毛坯产生塑性变形，实现拉深成形过程。

修边与切断

✹修边是指将保证拉深成形而在冲压零件的周围增加的工艺补充部分冲裁剪切掉的冲压工序。

该工序是保证汽车覆盖件零件尺寸的重要工序。

✹切断是将在一副拉深模中进行双件或多件拉深出的拉深件分离成两件或多件拉深件。

修边件的翻边

✹翻边是冲压见的轮廓形状成形的最后一道工序。

翻边部分主要用于冲压件之间的连接，有的翻边是产品流线或美观方面的要求。

✹覆盖件的翻边状态几、决定了覆盖件的翻边的方向，如右图为所示覆盖件的翻边示意图，箭头表示翻边方向。

✹凹模做水平或倾斜运动完成翻边，修边件必须开口向下放在凹模上。

汽车覆盖件中成形中的质量问题及解决方法

✹破裂问题：

1）凸模端部的破裂；

在胀形成形、拉深——胀形复合成形和拉深成形过程中可能产生凸模端部的破裂。

2）侧壁破裂；

伸长类翻边时，毛坯变形区受到双向拉应力作用，容易产生侧壁破裂。

3）凹模圆角部位的破裂，包括弯曲破裂与拉弯破裂。

4）法兰部分和内部边缘破裂；

法兰部分破裂发生在伸长类翻边的成形工序和凹形轮廓部分拉深成形中，内部边缘破裂多发生在零件内部伸长类翻边的成形工序。

✹解决方法：

采用高强度的材料；

传力区加大凸模圆角；

凸模侧壁留有一定的粗糙度并不加润滑；

拉深时减小压边力；

增加润滑；

变形区局部加热；

内孔翻边时增大凸模圆角和润滑；

胀形时增大凸模圆角等；

胀形时减少胀形深度；

提高材料塑性变形能力；

将急剧过渡的局部形状修改为缓慢过渡形状等。

起皱问题

✹起皱是汽车覆盖件冲压成形中出现的重要面形状精度不良问题。

汽车覆盖件的起皱主要有：

法兰起皱、凹模口圆角处起皱、侧壁起皱和凸模起皱。

起皱一般由压应力、切应力或不均匀应力所引起。

可采取减小压应力；

施加面外压力；

改变拉应力分布；

减小最大拉应力；

改善冲压条件；

设计合理零件形状等措施。

例3

紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊

简介

•1）焊接材料

紫铜具有优良的导电和导热性能，因而在很多领域都得到了广泛的应用。

为了节约有色金属铜，降低成本，常常在结构件的关键部位采用紫铜，而其他部位采用成本低廉的低碳钢材料，这种结构多数采用焊接方式，紫铜与低碳钢的焊接质量相对整体结构来说也变得尤为重要。

•2）焊接方法

在众多焊接方法中，熔化极氩弧焊以其电弧热量集中，高效，焊接质量好等优点，而被广泛采用。

紫铜与低碳钢的焊接性分析

1）难熔合及易变形

•由上表看出，铜和钢的导热系数，线胀系数和收缩率差异较大，这对保证铜和钢的焊接质量非常不利。

•铜的导热系数大，20℃时铜的导热系数比铁大7倍多，1000℃时大11倍多。

焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以溶合。

•铁与铜在液态下完全不互溶，只能呈机械混合状态，这是焊接的最大难点，只有“机械式”互相结合，而无冶金结合。

•铜的线胀系数和收缩率也比较大。

铜的线胀系数比铁大15%，而收缩率比铁大一倍以上。

焊接时如工件刚度不大，又无防止变形的措施，必然会产生较大的变形。

当工件刚度很大时，由于变形受阻会产生很大的焊接应力。

2）易产生裂纹

•在钢与铜焊接时，在焊缝金属晶粒间存在低熔点共晶，如（Cu+Cu2O）共晶体（共晶温度为1065℃，低于铜的熔点）等。

在结晶后期，这些共晶体以液态形式分布在固态α铜的晶粒边界，割断了固体晶粒间的联系，使晶粒间结合力受到削弱，使焊缝金属的塑性显著下降，再加上铜和钢的线胀系数和收缩率差异较大，在焊缝冷却凝固过程中将产生较大的焊接应力。

因此，当铜钢焊缝强度、塑性显著下降，并且焊件中存在内应力时，就在接头的脆弱部位形成热裂纹。

3）气孔

•铜与钢焊接时，焊缝中常会出现气孔。

•基于对铜钢焊接性分析，制定合理的焊接工艺是保证铜钢焊接质量的前提，严格遵守操作规程才能使铜钢焊接接头质量得以保证。

紫铜与低碳钢的焊接工艺要点

•1）焊接材料的选择

铜钢熔化极氩弧焊常用焊丝牌号为HS201，焊接接头可获得满意的力学性能。

•2）坡口形式的选择

铜钢焊接坡口形式采用板料搭接，最好有一个70°

~80°

的搭接坡口，如图

（一）。

•3）坡口清理

用机械法或化学法去除坡口表面及两侧（约30mm以内）的油污、水分、氧化物及其他夹杂物，使其露出金属光泽。

尤其是钢侧锈蚀必须清理干净，以杜绝由于锈蚀造成的未熔合缺陷的产生。

•4）工件预热

铜钢焊接前必须对紫铜件进行预热。

由于紫铜工件越大,散热越快。

因此，预热温度应遵循随工件越大，预热温度越高的原则，一般的预热温度以600~700℃为宜。

•5）焊接

由于铜导热性好，为防止焊缝出现缺陷，应采用大热输入焊接。

紫铜与低碳钢熔化极氩弧焊的焊接参数见下表：

传统的铜钢焊接工艺要求焊丝必须偏向铜一侧，以保证铜母材有足够的热量输入，使之熔化。

这种操作技术很难掌握，焊丝偏离焊缝中心线距离过大，不能保证钢母材金属充分熔化，极易产生未熔化缺陷，合适的距离与紫铜工件的大小和壁厚有关，不是固定的数值。

根据多年的生产经验和熔化极氩弧焊热量集中的特点，在足够的预热温度下，焊丝对准坡口中心，即可保证铜侧和钢侧母材充分熔化，从而减少钢侧未熔合缺陷的产生，也有利于焊缝的成形。

另外，施焊位置也至关重要。

一般打底焊施焊位置以时钟12点至12点30分为宜。

施焊位置靠前，熔池金属易流淌，且不利于焊缝成形，也不利于下层焊道；

施焊位置靠后，熔化的填充金属流淌到未熔化的根部坡口上，电弧始终吹在熔化的填充金属上，在电弧温度不足以使根部母材熔化时，即形成根部为焊缝及根部未熔合。

盖面焊时，根据工件的回转半径，施焊位置可适当向后移。

再者，适当的焊接速度对保证铜钢焊缝质量也是至关重要的。

过快，过慢均易产生未熔化缺陷，合适的焊接速度要根据送丝速度和工件预热温度来确定。

•6）焊后保温

工件焊后，应保温缓冷。

这样，可扩大焊接区温度场，减弱焊接应力，防止裂纹产生。

焊接检验

•1）拉伸试验

严格执行上述工艺，即可得到满意的紫铜和碳钢焊接接头。

按国家标准GB264——89截取试块制成力学性能试件，并进行拉伸试验，结果，每个试件的σb均大于230MPa。

可见，铜钢焊接接头抗拉强度高于紫铜（σb=196~235.2MPa）。

•2）金相检验

经金相检验，焊缝内部组织均匀；

紫铜和紫铜熔合区过度均匀，结合良好；

紫铜与碳钢熔合线平直，无孔洞，且Cu和Fe相互之间有一定程度扩散，熔合区为冶金结合。

结论

•通过焊接检验可知，焊缝具有良好的性能，证明焊接工艺及其参数是合理的；

•紫铜与低碳钢的物理性能和化学成分差异很大，铜钢焊接易产生很多缺陷，如裂纹、未熔合、气孔等，但只要执行合理和焊接工艺，熟练掌握焊接操作技术，仍能获得满意的铜钢焊接接头。

例4

割草机手柄的冲压工艺

零件结构图

⏹冲压简介

⏹工艺难度分析

⏹弯曲裂纹消除方法

⏹注意事项

冲压简介

⏹冲压是金属塑性成形加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以也称为板料成形。

板料成形生产技术对航空、航天、国防、汽车、船舶以及其它日用品的生产和发展具有十分重要的意义。

⏹冲落材料:

碳钢（镀锌10号钢），冷轧状态,0.10%C冲入深度:

38%

工艺难度分析

⏹弯曲裂纹多发生在弯曲半径和弯曲角度要求过于严格的情况下。

发生位置如图1所示。

弯曲宽度较小的产品，裂纹在宽度的两端；

弯曲宽度较大时，裂纹沿着弯曲线，在弯曲宽度的中部附近发生。

另外，如图2所示，弯曲线在直角部分往往也会产生裂纹。

弯曲裂纹消除方法

⏹ 

（1）沿弯曲线发生裂纹时应采取的措施。

①曲率半径一定时，板材越厚，或弯曲宽度越长，就越容易产生裂纹。

使用SPCC*种类钢板，如R/t＜0.5，就会产生裂纹。

因此，R/t设计成0.5以上，可以避免裂纹的产生。

　　②使弯曲线与纤维方向成直角。

但压延材料，因弯曲极限在纤维方向和垂直方向有所不同，当接近极限弯曲加工时，必须考虑板材下料时的弯曲线和纤维方向的关系。

　　③有毛刺的一边放在弯曲的内侧。

　　④去除毛刺。

　　⑤只对弯曲线的毛刺部分进行退火。

　　⑥把毛刺这一边的剪断面先压缩成45°

，然后再弯曲。

　　⑦超过厚板弯曲极限而又要弯曲成小R时，采用附加反压法。

该方法是自由弯曲模中，下模使用强力顶料板，它能在弯曲过程中对板的变形部分增加压缩应力，从而可以使最小弯曲半径显著减小，防止裂纹的产生。

完成V形弯曲后，制品弯曲半径的外侧形成了一个平台，它是由顶料反压造成的。

⏹

（2）与弯曲线成直角部分产生裂纹时采取的措施。

图2为与弯曲线成直角部分产生裂纹的情况。

①在图2a中，或者将曲线从毛坯端面后移（2t+R），或者将弯曲线对齐毛坯端面，则需

制出（1.5～2.0t+R）的空槽。

②象图2b那样进行中空弯曲加工时,首先应考虑冲出大于板厚2～3倍的槽，然后进行弯曲；

或者在前道工序中开出圆形的工艺孔，而后进行冲裁（切口）——弯曲加工。

注意事项

⏹模架对称模具的模架要明显不对称，以防止上、下模装错位置；

落料断面带毛刺的一侧，应位于弯曲内侧弯曲件；

卸下U形弯曲件校正力大时，也会贴住凸模，需要卸料装置校正弯曲，校正力集中在弯曲件圆角处，效果更好，为此对于带顶板的U形弯曲模，其凹模内侧近底部处应做出圆弧，圆弧尺寸与弯曲件相适应；

弹性材料的回弹只能通过试模得到准确数值，因而模具结构要使凸（凹）模便于拆卸、便于修改。

例5

铜像的复合整体铸造工艺

简述

由于铜像高3.2m,重2500公斤.属大型铸件,所以采用熔模精密铸造和沙模铸造结合的大型铜像铸造工艺.这种工艺方法可以保证铜像的总体艺术效果,形象生动而逼真.

整体铸造大型铜像有很大的铸造技术难度.它和分段浇注然后拼接的工艺,在铸造上的难度是不可同日而语.这主要表现在整体铸造的铜像的泥芯制作、定位、铸件壁厚的控制等方面。

讨论主题

⏹1.铸造工艺:

1）头像的熔模精密铸造工艺

2）铜像的复合整体铸造工艺

⏹2.质量控制

⏹3.浇注工艺

⏹4.熔炼工艺

铸造工艺

头像的熔模精密铸造工艺

接上页

图表

工艺流程

浇注工艺

质量控制

⏹1.缩松：

蜡模成型时，散热条件不一，至使蜡模在尖角、凹穴等处壁厚较薄，而这些部位在铜合金液体浇注、凝固时易产生缩松，这部位较薄正好弥补这一点。

⏹2.整体浇注时所采用的材料流动性好，易于充型。

但氧化的倾向大，若浇注时合金液产生紊流极易产生二次渣，所以采用底注三箱造型法。

⏹3.由于铜像壁厚均匀，所以是上平面不设置冒口，仅放若干出气孔。

⏹4.为解决内浇口部位热量大而可能产生的缩松现象在对准内浇口位置的泥芯部位设暗冒口加以预防。

例6

凸肩法兰的冲挤成形工艺

冲挤工艺是一种先进的胎膜成形工艺，它将反挤压成形的原理与开式胎膜锻造结合在一起，尤其适合生产有中心孔的凸肩法兰类锻件。

冲挤件的成形过程分析

1.制坯：

加热的坯料在带垫的模套中敦粗，如图1，其作用是实现以I-I为界面的上下腔的金属分配，为下一步的冲挤成形做准备。

♦2.冲挤：

置于模具中央的冲挤冲头在锤击作用下挤入坯料，同时坯料被反挤成环状想上流动（与冲头运动方向相反），如图2。

3.整形：

当冲头挤入坯料的深度约为其高度的85%时，去掉下垫（抬起模具或将模具拉倒锤砧的一侧，下垫靠自重从模腔中落下），然后继续打击。

如图3。

4.冲除连皮：

翻转模具置于漏盘上，冲挤孔冲头在锤击作用下冲除下端面的连皮，同时顶出冲挤冲头。

冲挤锻件图的制订特点

♦图4为一冲挤锻件示意图

♦1.拔模斜度

（1）á

：

á

一般取0°

30´

~1°

但实践表明，对于（d1-d2）/h>

3的情况，á

取较大值，有利于角A处充满，所以应酌情将á

增大1°

~4°

。

（2）â

â

取值一般在0°

~3°

之间比较合适，模具下腔（对应锻件的凸肩）越深，锻件凸肩在反挤压成形时变形程度就会出现图3中虚线所示的磨损和变形，导致锻件尺寸超差，脱模困难和表面拉伤，缩短了模具使用寿命。

（3）ã

ã

取值不宜>

0°

30，当冲头高径比<

0.8~1时，可以无斜度

2.内孔加工余量

该冲挤件内孔加工余量应在闭式套模锻件内孔加工余量的基础上增大一修正值¨

S：

¨

S=1.5*d1/100+2*（h1-h3）/d3

虽然内孔加工余量增大了，由于内斜度ã

较小，敷料少，和闭式套模锻件相比，原材料消耗并没有增加。

模具设计要点

模具的结构尺寸参照如图1

1.模套外径D1

D1可参照闭式套模的设计，尺寸略小或直接套用。

2.下垫直径D2

为使下垫能很顺利地放入模腔底部而不被卡住，以及制坯完后能借助重力从模腔中脱落，应使D2=D3-（3~5）mm，D3大，间隙取大值；

反之，取小值。

3.下垫厚度H

垫子厚度的设计原则是：

I-I面上下两部分的金属量在后续的冲挤成形过程中各自保持不变。

有：

ð

/4（d2）²

H=ð

/4（d3）²

（h1-h2-h3）

即H=（d3-d2）²

但不能作为最终的设计尺寸而必须加以修正。

修正为：

H=（d3/d2）²

（h1-h2-h3）-（2~5）mm

所用坯料的相对下腔直径越小，锻件的脱模斜度及下垫的理论厚度越大，修正值越大。

♦冲挤件最常见的质量缺陷是中心孔倾斜，做到以下几点

1.锤砧平整，尤其是上锤砧，最好是专砧专用。

2.设计和加工冲挤冲头时，保证上端面和轴线垂直。

3.坯料加热均匀，避免出现阴阳面。

例7

四爪翼轴的自由锻造工艺

概述

用乙炔焰或其它高能束流切割厚板得到四爪翼轴机械加工毛坯件，以铣削成形，具有加工，方法简单、毛坯生产率高等优点；

但会割断基体材料的纤维流线，降低强度而影响使用性能，还因需要留有较大的机械加工余量，造成材料浪费。

因此，用模锻、自由锻造等压力加工方法生产毛坯是较好的工艺选择，特别是用锻模模锻成形，成形率高、锻件质量好，适宜于批量生产。

但此法至少需要预锻、终锻和切边3套锻模，一次性投资较大，受到生产设备的限制。

故在实际应用时，应认真分析，权衡利弊，谨慎选择，而自由锻造更为实用。

选材

●下料选材及尺寸：

材料45钢，φ100×

190,打磨端面；

●热处理模具的材料：

胎模，5CrMnMo钢，44～50HRC,垫块，45钢，35～40HRC；

锻造方法

●选用模锻、自由锻造等压力加工方法。

●使用设备：

C41-750空气锤

下料→加热→锻方→剁料→滚圆→压弯→修整成形→质检

●单件、小批量毛坯的生产或是在不具备模锻的生产条件下，一般采用自由锻造工艺方法生产。

工序1　加热加热温度1200±

10℃，始锻温度1200℃，终锻温度800℃。

工序2　锻方，工序采用自由锻，镦粗与拔长交替使用。

达到尺寸40×

192×

176

工序3　剁料，在预锻模膛使胚料变形到接近锻件的形状和尺寸，锻件如（图2）

工序4　滚圆，在终锻模膛变形到要求的尺寸和形状，取锻件的收缩率为1.5%,见（图3）

　工序5　压弯,在弯曲模膛进行,在两翼之间要应用合适的垫块（图4）

　工序6　修整成形（图5）

结论

四爪翼轴自由锻造的工艺关键，在于合理确定劈开剁料位置。

在压弯时必须在二爪中插入一辅助垫块，使得四爪能同时产生压弯变形、对于此类叉形、枝芽类零件的锻件，若头部或爪部过短，如按照实际尺寸锻造，往往容易造成夹层、窝陷，故应适当加长，最后待修整成形之后，将多余料头剁除。

实践证明，四爪翼轴的自由锻造，只要工艺操作方法得当，质量可靠，生产效率也较高，一个火次即可完成全部锻造工序。

例8

水平固定焊位置铝合金的焊接

焊接材料

铝镁合金，镁的含量为2.0%~2.8%，Mn的含量为0.15%~0.4%。

焊接准备

1）采用不绣钢丝轮打磨或用刮刀清除试件表面及周围10mm内氧化膜；

用丙酮去除表面油污。

2）检查水、电、气路是否畅通、安全。

3）按图样要求进行装配、定焊位，定位焊缝长度<

20mm，如图，间隙为0。

4）主要焊接参数见表。

焊接方法与材料

采用手工钨极氩弧焊方法，焊接方向为立向上，焊接位置为水平固定焊，焊接电源为交流。

焊丝牌号为丝331，接头形式管对接。

焊接操作方法

1）在焊位6点钟处，采用高频方法引燃电弧，钨极端部与试件表面保持距离3mm。

2）焊接时，将焊丝末端在氩气保护层内往复断续地送入熔池的1/3~1/4处。

焊丝移出熔池时不可脱离气体保护区，送入时不可接触钨极。

3）焊枪与管两侧呈90°

夹角。

焊枪与所焊点切线呈75°

~85°

焊丝与管子切线方向呈20°

~30°

4）将试件分为前半周和后半周，沿顺时针和逆时针方向完成施焊。

定位焊位置图

焊接检验