第10章 压力加工.ppt

,第 10 章 压力 加 工 压力加工是使金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的加工方法。压力加工方法主要有：轧制、挤压、拉拔、自由锻造、模型锻造(模锻）和板料冲压等(表141)。前3种方法以生产原材料为主，后3种方法以生产毛坯为主。,压力加工的主要特点有：（1）力学性能高：金属铸锭经塑性变形后可获得细晶粒结构，组织致密，并能焊合铸造组织的内部缺陷，使其力学性能提高。因而，承受重载的零件一般都采用锻件作毛坯。近年来，采用形变热处理的方法(将压力加工与热处理工艺相结合)，可同时获得形变强化和相变强化，进步提高零件的强韧性。（2）节省金属：由于提高了金属的力学性能，在同样受力和工作条件下，可以缩小零件的截面尺寸。（3）生产率高：多数压力加工方法，特别是轧制、挤压、拉拔等，金属连续变形，且变形速度很高，故生产率高。压力加工与铸造相比，成本较高，成形较困难，由于是在固态下成形，无法获得截面形状(特别是内脏)复杂的产品。,10.1 压力加工理论基础 压力加工时，必须对金属材料施加外力，使之产生塑性变形，外力是坯料转化为锻件的外界条件。同时，在锻造过程中，还必须保证坯料产生足够的塑性变形量而不破裂，即要求材料具有良好的塑性，塑性是坯料转化为锻件的内因。一、金属的锻造比 用拔长时的变形程度来衡量，即锻造比=拔长前坯料横截面积/拔长后坯料的横截面积。锻造比大小影响金属的力学性能和锻件的质量。大小应合适。,二、金属的锻造性能（可锻性）是衡量金属经受压力加工难易程度的工艺性能，包括金属的塑性和变形抗力两个因素，影响因素有：1.金属的本质（1）化学成分 纯金属和合金；合金元素种类和含量。（2）组织结构 固溶体组织，单相和多相组织，晶粒大小。碳素钢的始锻温度应AE以下150250，终锻温度约为800。,2.变形条件（1）变形温度：锻造时，必须合理地控制锻造温度范围，即始锻温度与终锻温度之间的温度间隔，始锻温度是指金属开始锻造时的温度，一般为锻造时所允许的最高加热温度，终锻温度是指金属停止锻造时的温度。在锻造过程中随着温度的降低，工件材料的变形能力下降，变形抗力增大，下降至终锻温度时，必须停止锻造。重新加热，以保证材料具有足够的塑性和防止锻裂。确定锻造温度范用的理论依据主要是合金状态图。,（2）变形速度：指单为时间内材料的变形程度。变形速度与锻造性能的关系如图。,（3）应力状态：变形方法不同，在金属中产生的应力状态也不同，即使同一种变形方式，金属内部不同位置的应力状态也可能不同。金属在挤压时三向受压(图114(a)，表现出较高的塑性和较大的变形抗力；拉拔时两向受压、一向受拉(图ll4(b),表现出较低的塑性和较小的变形抗力；平砧锻粗时(图11 4(c)），坯料内部处于三向压应力状态，但侧表面层在水平方向却处于拉应力状态，因而在工件侧表面容易产生垂直方向的裂纹。,三向受压时金属的塑性最好，出现拉应力则使塑性降低。因为压应力阻碍了微裂纹的产生和发展，而金属处于拉应力状态时，内部缺陷处会产生应力集小，使缺陷易于扩展和导致金属的破坏。因此，选择变形方法时，对于塑性好的金属，变形时出现拉应力是有利的，可减少变形时的能量消耗。而对于塑性差的金属材料，应避免在拉应力状态下变形，尽量采用三向压应力下变形。在金属变形过程中遵循体积不变和最小阻力定律（金属变形时首先向阻力最小的方向流动）。,10.2 常用锻造方法 一、自由锻造 自由锻造是指在锻造设备的上、下砧板之间直接使坯料变形而获得锻件的方法。常用的自由锻造设备有：空气锤、蒸汽-空气锤和水压机。自由锻造工具和设备简单，通用性好，工艺灵活，成本低，但精度低，加工余量大，生产效率低，主要用于单件、小批量生产。,1.自由锻基本工序：分为基本工序、辅助工序和修整工序。基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、错移和扭转；辅助工序有压钳口、倒棱和压痕等；修整工序有校正、滚圆、平整等。,2.自由锻工艺规程制定 内容和步骤为：（1）绘制锻件图-考虑切削加工余量、锻件公差、工艺余块等。余块是指为了简化锻件形状、便于锻造而增加的一部分金属。（2）确定锻造工序-依据是锻件的形状、尺寸、技术要求和生产数量。（3）确定毛坯质量和尺寸。（4）选择锻造设备-根据坯料的种类、质量以及锻造基本工序、设备的锻造能力并结合实际来确定。,二、模型锻造（模锻）金属在外力作用下产生塑性变形并充满模腔而获得锻件的方法。设备有模锻锤、热模锻压力机、平锻机和摩擦压力机等。特点是：尺寸精度高，机械加工余量小，锻件纤维组织分布更合理，可进一步提高零件的寿命；生产效率高，操作简单，易实现机械化和自动化。设备投资大，成本高，适合中小型锻件大批量生产。按设备不同分为如下：锤上模锻、压力机上模锻等。,1.锤上模锻 所用的设备有蒸汽空气模锻锤、无砧座模锻锤和高速锤等。主要采用蒸汽空气模锻锤，其工作原理与蒸汽-空气锤自由锻基本相同。（1）锻模结构：锻模由带燕尾的上模和下模组成（P179）。锻模的模膛功能可分为制坯模膛和模锻模膛。制坯模膛包括拔长、滚压、弯曲、切断模膛等。模锻模膛包括预锻模膛和终锻模膛。,（2）绘制模锻件图1）分模面的选择-应保证锻件从模膛中顺利取出，分模面一般选在锻件最大尺寸的截面上；分模面处上、下模膛外型一致，便于发现错模；模膛应浅而宽、利于金属充满模膛；保证锻件上余块最少。,2）确定加工余量、公差、余块和连皮。连皮是指模锻时不能直接锻出通孔，在该部位留有一层较薄的金属。3）确定模锻斜度和圆角半径（便于取出锻件）。（3）变形工序的确定根据锻件图复杂程度确定，之后设计模膛。,2.曲柄压力机上模锻 与锤上模锻相比，曲柄压力机上模锻主要有以下优点：（1）变形力为静压力，坯料的变形速度较低，这对于低塑性材料的成形有利，如耐热合金。(2)锻造时滑块行程不变，坯料变形在一次行程内完成，生产率高。(3)滑块运动精度高，并设有上、下顶出装置，能使锻件自动脱模便于实现机械化和自动化。缺点是滑块行程和压力不能随意调节，设备复杂、费用高。适用于大批量生产。,3.平锻机上模锻 平锻机相当于卧式曲柄压力机，没有工作台，锻模由固定凹模、活动凹模和凸模 3 部分组成，具有两个相互垂直的分模面。当活动凹模与固定凹模合模时，便夹紧坯料，主滑块带动 凸模进行模锻成形。平锻机上模锻主要特点：1)坯料多是棒料和管材，可锻造出曲柄压力机所不能锻造的长杆类锻件；2)锻模有两个分模面，可以锻出其他设备上无法成形的侧面带有凸台和凹槽的锻件。无飞边，精度高。,4.摩擦压力机上模锻 摩擦压力机(图11l 8)是靠飞轮旋转所积蓄的能量转化为金属的变形能而进行锻造的。电动机经带轮、摩擦盘、飞轮和螺杆带动滑块作上、下往复运动，操纵机构控制左、右摩擦盘分别与飞轮接触，利用摩擦力改变飞轮转向。摩擦压力机的行程速度介于模锻锤和曲柄压力机之间，滑块行程和打击能量均可自由调节，坯料在一 个模膛内可以多次锤击，能够完成镦粗、成形、弯曲、预锻等成形工序和校正、精整等后续工序。摩擦压力机构造简单，投资费用少，工艺适应性广，但传动效率低，广泛用于中批量生产的小型模锻件，以及某些低塑性合金锻件。,5.胎模锻造 胎模锻造是在自由锻设备上使用胎模来生产锻件的方法。通常用自由锻使坯料初步成形，然后在胎模内终锻成形。胎模的结构形式很多，常用胎模结构如图11-20所示。扣模主要用于非回转体锻件的局部或整体成形；筒模主要用于锻造法兰盘、齿轮坯等回转体盘类零件；合模由上、下模两部分组成，主要用于锻造形状较复杂的非回转体锻件。胎模锻造的特点介于自由锻与锤上模锻之间，比自由锻生产率高，锻件质量较好，锻模简单，生产准备周期短，广泛用于中、小批量的小型锻件的生产。,103 板料冲压 板料冲压是利用冲模在压力机（冲床）上对板料施加压力使其变形或分离，从而获得一定形状、尺寸的零件的加工方法。板料冲压通常在常温下进行，又称冷冲压，只有当板厚大于810 mm时才采用热冲压。冲压加工的应用范围广泛，既适用于金属材料，也适用于非金属材料（皮革、塑料、胶木）；既可加工仪表上的小型制件，也可加工汽车覆盖件等大型制件。在汽车、拖拉机、电器、航空、仪表及日常生活用品等制造行业中，均占有重要地位。板料冲压具有下列特点：（1）生产率高，操作简便，便于实现机械化和自动化；（2）产品质量好：尺寸精度和表面质量较高。互换性好，一般不须进一步加工。（3）板料利用率高：可冲制复杂的零件，废料少。,一、板料冲压的基本工序 分为分离工序和成形（或变形）工序。分离工序是使冲压件与板料沿要求的轮廓线相分离的工序，有落料、冲孔、剪切和修整等。成形工序是板料产生塑性变形而不破坏的工序，有弯曲、拉深和翻边等。1.冲裁：是落料和冲孔的统称。落料是为制取工件的外形，冲下的部分是工件，冲孔是制取工件的内孔，冲下的部分是废料，带孔的部分为工件。冲裁过程可分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段。,凸、凹模刃口尺寸的确定：冲裁件的尺寸和冲模间隙都决定于凸模和凹模刃口的尺寸。设计落料模时，应按落料件确定刃口尺寸，取凹模作设计基准件，载根据间隙确定凸模尺寸（即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值）；设计冲孔模时，取凸模作设计基准件。,剪床,剪床工作原理,数控冲压设备,2.弯曲 弯曲是将板料、型材或管材弯成一定角度或弧度的工序。板料弯曲时，内侧金属受切向压应力，产生压缩变形；外层金属受切向拉应力，产生伸长变形，表现为图1129所示的板料上矩形网格发生变化。当拉应力超过材料的抗拉强度时，即会造成金属破裂。坯料厚度t 越大,弯曲半径r 越小，材料所受的内应力就越大，越容易弯裂。因此，必须控制最小弯曲半径，通常取r(0.251)t。材料塑性好时取下限。弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直(图1120)，亦即使材料所受的拉应力与纤维方向一致，否则容易产生破裂。,弯曲结束及卸载后，工件的弯曲角由于弹性变形的影响会稍有增大，称为回弹现象，增大的角度称为回弹角，在010。因此在设计模具时模具的角度应比工件弯曲角度小一个回弹角。3.拉 深 拉深是将板料变形为中空形状零件的工序，可以生产筒形、锥形、球形、方盒形以及其他非规则形状的中空零件。拉深过程为，在凸模作用下，板料被拉入凸模和凹模的间隙中，形成中空零件。其凸缘和凸模圆角部位变形最大。凸缘部分在圆周切线方向受压应力，压应力过大时，会发生折皱(图11-34)，坯料厚度愈小，拉探深度H愈大，愈容易产生折皱。为防止折皱，可采用有压板拉深，凸模圆角部位承受筒壁传递的拉应力，材料变薄，容易在此处拉裂。为防止拉裂，拉深模具的凸、凹模必须具有一定的圆角，圆角半径r凸r凹=（510）t,且模具间隙z应稍大于板厚t,一般z=(1.11.2)t。,当筒形件直径与坯料直径相差较大时，不能一次拉深到产品尺寸，应进行多次拉深，并穿插再结晶退火。冲压模具（冲模)按冲床的每一次冲程所完成工序的多少可划分为简单冲模、连续冲模和复合冲模3大类。简单冲模在冲床的一次冲程内只能完成一道工序。图1136所示为简单冲模。其工作部分由凸模和凹模所组成。采用导料板和限位销来控制板料的送进方向和送进量，依靠导柱与导套的精密配合来保证凸模准确进入凹模，进行冲裁工作。简单冲模的结构简单，成本低，效率低，主要用于简单冲裁件的批量生产。连续冲模在冲床的一次冲程内，在模具的不同位置上可以同时完成两道以上的工序。图1137所示为落料、冲孔连续冲模，左侧为落料模，右侧为冲孔模。条料送进时，先冲孔，后落料，而且是在同一冲程内完成。连续冲模生产率高，易于实现自动化，但结构复杂，成本相应增高。适用于大批量生产精度要求不高的中、小型零件。,复合冲模：在冲床的一次冲程内，在模具的同一位置上可以同时完成两道以上的工序。效率高加工精度高。,10.锻件结构设计 以锻件为毛坯的零件，其结构应适应于金属锻造性能和锻造工艺的要求。设计锻件结构时，应考虑锻造成形的可行性和经济性。一、自由锻件的设计原则结构尽量简单。1.避免锥面或斜面。2.避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交。3.避免椭圆形、工字形及其它非规则斜面或外形。4.避免加强筋或凸台等结构。5.横截面尺寸相差较大和形状复杂的零件，可采用分体锻造，再用焊接等方法组合。,二、模锻件的设计原则 模锻件可以比自由锻件的形状复杂，允许有复杂的曲面，细小的花纹，可以带筋和小凸台，但必须能从模膛中顺利取出锻件。锻件上较小的孔，很小的沟槽，尤其是与锤击方向平行的内、外表面上局部凹入部分是无法锻造。设计原则有：1.零件形状尽量简单，避免带有长而复杂的分枝和多向弯曲形状。2.零件尽量对称。3.与分模面垂直的表面尽量避免凹槽和孔，便于取出锻件。4.避免薄壁、高筋、深孔和直径过大的凸缘。5.复杂零件采用组合工艺。,10.5 冲压件结构设计 一、材料选择 选择材料时应注意材料能满足冲压工序和表面质量的要求，成形时材料应具有良好的塑性，对冲裁件则无塑性要求。二、冲压件形状-简单对称 三、尺寸 包括转角设计成圆角、孔的最小尺寸、孔与孔、孔与零件边缘的距离等。,