教案首页 课程名称 ：金属材料成形基础 任课教师：徐晓峰  第三篇 金属塑性成形 （压力加工） 计划学时： 8  教学目的和要求： 本篇主要介绍了压力加工的基本原理、各种压力加工方法及压力加工 先进工艺； 学完本篇要求学生了解并掌握压力加工的基本原理、各种压力加工方法、零件的结构工艺性和锻件及冲压件工艺设计。  重点：重点为压力加工的基本原理和各种压力加工方法。  难点：难点为各种压力加工方法和压力加工基本原理。  思考题： 锻件与铸件相比，最显著的优点是什么？机器上的重要零件应选用何种制件做毛坯？为什么？ 何为加工硬化？如何消除或利用它？ 金属可锻性的衡量指标是什么？其主要影响因素有哪些？ 锻造前对坯料加热的目的是什么？加热温度过高时会产生什么缺陷？ 自由锻工艺规程包括哪些内容？如何绘制自由锻件图？需要考虑哪些因素？ 成批生产外径为40mm、内径为20mm、厚度为2mm的垫圈时，应选用何种模具结构才能保证孔与外圆的同轴度？为什么？  第三篇 金属塑性成型 概 述 一、金属塑性成形（压力加工） 金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。 二、塑性成形的基本生产方式 1．轧制 ；2．挤压；3．拉拔；4．自由锻造；5．模型锻造；6．板料冲压 三、塑性成形（压力加工）的特点 1．力学性能高 1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷； 4）使纤维组织合理分布。 2．节约材料 1）力学性能高，承载能力提高； 2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。 3．生产率高 4．适用范围广 1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。 第一章 金属塑性成形工艺基础 §1 金属的塑性成形原理 一、金属塑性变形的实质 1.单晶体的塑性变形 1）滑移： 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。 2）孪晶： 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动。 2. 多晶体的塑性变形 二、塑性变形后金属的组织和性能 1.冷变形及其影响 1）组织变化的特征： ①晶粒沿变形最大方向伸长；②晶格与晶粒均发生畸变； ③晶粒间产生碎晶。 2）性能变化的特征： 加工硬化：随着变形程度的增加，其强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降。 有利：强化金属材料。 不利：进一步的塑性变形带来困难。 2. 回复 T回 = （0.25~0.3）T熔 （K） 3. 再结晶 T再 = （0.35~0.4）T熔 （K） T再 4 . 热变形及其影响 1）不产生加工硬化 2）使组织得到改善，提高了力学性能 ① 细化晶粒；② 压合了铸造缺陷；③ 组织致密。 3）形成纤维组织 5 . 纤维组织 塑性变形时所形成的杂质带。使材料性能具有了方向性。 （1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高 （2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高 §2 金属塑性成形工艺基础 一、金属的可锻性 是金属材料在压力加工时成形的难易程度。 1 . 可锻性的衡量指标 1）塑性：材料的塑性越好，其可锻性越好。 2）变形抗力：材料的变形抗力越小，其可锻性越好。 2 . 影响可锻性的因素 1）金属的本质 ①化学成分：Me越低，材料的可锻性越好。 ②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。 2）变形条件 ①变形温度：T温越高，材料的可锻性越好。 ②变形速度：V变越小，材料的可锻性越好。 ③应力状态：三向压应力 — 塑性最好、变形抗力最大。 三向拉应力 — 塑性最差、变形抗力最大。 二、锻造温度范围 始锻温度：过热、过烧 缺陷 终锻温度：加工硬化 45: 1200℃~800℃ 三、金属的变形规律 1. 体积不变定律 2. 最小阻力定律 第二章 金属的塑性成形方法 §2-1 自由锻造 一、自由锻设备 锻锤吨位 =落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆。 压力机吨位 =滑块运动到下始点时所产生的最大压力。 二、自由锻基本工序 基本工序 — 完成锻件基本变形和成形的工序。 1. 礅粗：H减小；F增大。1.25≤H0/D0≤2.5 2. 拔长：F减小；L增大。 3. 冲孔： 4. 弯曲： 5. 扭转： 6. 错移： 三、自由锻工艺规程的制定 1. 锻件图的绘制 1）机械加工余量 2）公差：（1/3~1/4）余量 3）敷料 2. 坯料重量和尺寸的计算 G坯 = （1+k）G锻 K — 消耗系数 G坯 = G锻+G料头+G芯料+G烧 拔长：Y=F坯/F锻 镦粗：Y=H坯/H锻 1.25≤H0/D0≤2.5 圆截面坯料： 长轴类锻件： 3 . 锻造工序的选择 轴、杆类零件：镦粗、拔长 筒类零件：镦粗、冲孔、在芯轴上拔长 盘类、环类零件：镦粗（拔长及镦粗）、冲孔（芯轴上扩孔） 4 . 锻造温度范围及加热火次的确定 5 . 锻造设备的选择 6 . 确定工时 7 . 填写工艺卡 四、自由锻件结构工艺性 1. 避免斜面和锥度 2. 避免曲面相交 3. 避免加强筋和凸台 4. 采用组合工艺 §2-2 模型锻造 模型锻造 — 将金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛内受压、变形，获得锻件的方法。 特点： 1）生产率高；2）锻件的尺寸精度和表面质量高； 3）材料利用率高；4）可锻造形状较复杂的零件； 5）模具成本高、设备昂贵；6）锻件不能任意大。一般不得超过150kg。 一、锤上模锻 （一）锤上模锻设备：蒸汽—空气模锻捶 （二）锻模结构 （三）模膛的分类 （四）锻模工艺规程的制定 1. 绘制锻件图 1）分模面的选择 ①分模面应选在锻件的最大截面处； ②分模面的选择应使模膛浅而对称； ③分模面的选择应使锻件上所加敷料最少； ④分模面应最好是平直面。 2)确定加工余量、公差和敷料 加工余量：1~4mm；公差：0.3~3mm 3）设计模锻斜度 外壁斜度：5~7 0；内壁斜度：7~12 0。 4）设计模锻圆角 外圆角：r = 1.5~12mm；内圆角：R=（2~3）r 5）确定冲孔连皮 2. 确定模锻工序 1）基本工序 圆盘类零件：镦粗 预锻 终锻 长杆类零件：制坯 预锻 终锻 2）修正工序 切边；冲孔；校正；热处理；清理。 （五）模锻件结构工艺性 1. 易于从锻模中取出锻件； 2. 零件的外形应力求简单、对称、平直； 3. 避免薄壁、高筋、凸起等结构； 4. 避免设计深孔、多孔结构； 5. 采用锻焊组合工艺。 二、胎模锻造 利用自由锻设备在活动模具上生产模锻件的方法。 1. 扣模 2. 筒模 3. 合模 应用：没有模锻设备的中、小型锻件 的批量生产。 §3 板料冲压 利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获得所需零件的工艺方法。 冷冲压：t < 8 mm 拖拉机：400多个；三米收割机：1000多个。 一、冲压设备 1. 剪床：下料设备 1）斜刃剪；2）平刃剪；3）圆盘剪 2. 冲床：冲压设备 1）开式冲床；2）闭式冲床 二、冲压基本工序及变形特点 （一）分离工序 使坯料的一部分相对另一部分产生分离的工序（冲孔、落料、修正、剪切、切边等）。 1. 冲裁（落料、冲孔） 使坯料沿封闭轮廓分离的工序。 1）冲裁的变形过程 ①弹性变形阶段 ②塑性变形阶段 ③断裂、分离阶段 2）冲裁模设计及冲裁工艺特点 ① 凸凹模要具有锋利的刃口； ② 凸凹模间隙要合理；Z 双边间隙；Z = （5%~10%）t ③凸凹模刃口尺寸要正确； 落料：为制得件2。以凹模为设计基准。 D凹 = d落；D凸= D凹 - Z 冲孔：为制得件1。以凸模为设计基准。 D凸 = d孔；D凹 = D凸 + Z ④ 排样要合理 排样：冲裁件在板料上的布置方式。 a）有接边排样；b）少无接边排样。 3）冲裁力： （N） 2 . 修正 利用修正模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，切掉剪裂带和毛刺。提高其尺寸精度降低表面粗糙度。 IT9-IT7 Ra = 1.6-0.8 (m （二）变形工序 使坯料的一部分相对另一部分产生位移而不被破坏的工序（拉深、弯曲、翻边、成形等）。 1．拉深 使坯料在凸模的作用下压入凹模，获得空心体零件的冲压工序。 2）拉深废品 ① 拉裂（拉穿）；② 起皱 3）拉深模设计及工艺特点 ① 凸凹模的工作部分必须具有一定的圆角； r凹=10t r凸=（0.6-1）r凹。 ② 凸凹模间隙要合理 Z =（1.1-1.2）t；Z — 单边间隙 ③ 控制拉深系数（m）； m = d/D =（0.5-0.8） ④ 设置压边圈 ⑤ 涂润滑油 2. 弯曲 将平直板料弯成一定的角度或圆弧的工序。 1）弯曲的变形特点 ① 变形区域主要在圆角部位； ② 外层金属受拉应力，内层金属受压应力 2）弯曲缺陷：弯裂 3）弯曲工艺特点 ①弯曲半径 r≥rmin=（0.25-1）t ； ② 毛刺应位于内侧； ③ 弯曲线应尽量与坯料纤维方向垂直； ④ “回弹”问题： a）设计补偿角； b）对工件进行退火； c）设计加强筋。 3. 翻边、成形 1）翻边 在带孔的平坯料上用扩孔的方法获得凸 缘的工序。 2）成形 包括：起伏、胀形、压印等。 三、冲模的分类及结构 1. 简单冲模 冲床在一次行程中只完成一个冲压工序。 2. 连续冲模 冲床在一次行程中在不同的工位同时只完成两个以上的冲压工序。 3. 复合冲模 冲床在一次行程中在同一工位同时完成两个以上的冲压工序。 四、冲压件结构工艺性 1. 冲压方法对结构工艺性的要求 1）对冲裁件的要求 ① 冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用； ② 应避免细长槽和细长臂结构； ③ 冲裁件的内外转角处，应尽量避免尖角。 ④ 冲裁件孔的尺寸 2）对弯曲件的要求 ① 弯曲件的形状应力求简单、对称，并考虑材料纤维方向； ② 弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径； ③ 弯曲高度H>2t。 ④ 带孔件的弯曲： 3）对拉深件的要求 ① 弯曲件的形状应力求简单、对称，并不宜太高； ② 拉深件的圆角半径应满足：rd(t、R ( 2t； 2. 改进结构可简化工艺及节省材料 1）采用冲焊结构 2）采用冲口工艺 3）尽量简化冲压件的结构