1、第十章 压力加工,前言 第一节 压力加工基础理论 第二节 自由锻 第三节 模锻 第四节 板料冲压 第五节 少无切削工艺简介,第十章 压力加工,前言,1、何为压力加工？ 压力加工是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。,锻压设备,2.压力加工特点：,塑性变形是压力加工的基础。 优点： 金属铸锭经塑性变形后，金属的各种力学性能得到提高。 冲压件又具有重量轻、精度高、刚性好等优点。 缺点： 对于形状复杂，从制造工艺上锻件远不及铸件容易实现。 锻件的成本比铸件高，材料利用率等方面也不如铸件。,3
2、. 压力加工的方法,轧制 挤压 拉拔 自由锻造 模型锻造 板料冲压,金属塑性变形理论，对于单晶体是由于金属原子某晶面两侧受切应力作用产生相对滑移，或晶体的部分晶格相对于某晶面沿一定方向发生切变，即滑移理论和孪生理论。,一、金属的塑性变形概述,第一节 压力加工基础,二、热锻、冷锻、温锻、等温锻,从金属学的观点划分锻压加工的界限为再结晶温度。 1热锻 在金属再结晶温度以上进行的锻造工艺称为热锻。在变形过程中冷变形强化和再结晶同时存在，属于动态再结晶。 2冷锻 在回复温度下进行的锻造工艺称为冷锻。冷锻可以避免金属加热出现的缺陷，获得较高的精度和表面质量，并能提高工件的强度和硬度。 3温锻 在高于回复
3、温度和低于再结晶温度范围内进行的锻造工艺称为温锻。与热锻相比，坯料氧化脱碳少，有利于提高工件的精度和表面质量；与冷锻相比，变形抗力减小、塑性增加，一般不需要预先退火、表面处理和工序间退火。 4等温锻 在锻造全过程中，温度保持恒定不变的锻造方法称为等温锻。,三、锻造流线和锻造比,锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线。锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法。通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。,锻造比对锻件的锻透程度和力学性能有很大影响。当锻造比达到2时，
4、随着金属内部组织的致密化，锻件纵向和横向的力学性能均有显著提高；当锻造比为2-5时，由于流线化的加强，力学性能出现各向异性，纵向性能虽仍略提高，但横向性能开始下降，锻造比超过5后，因金属组织的致密度和晶粒细化度均已达到最大值，纵向性能不再提高，横向性能却急剧下降。一般，碳素结构钢取2-3，合金结构钢取3-4。对于某些高合金工具钢和特殊性能的合金钢，为促进合金碳化物分布的均匀化，击碎钢中的碳化物，常采用较大的锻造比。 锻造比越大，锻造流线越明显；锻造流线的稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。,三、锻造流线和锻造比,四、金属的锻造性能,是指金属经受锻压加
5、工时成形的难易程度的工艺性能。其优劣常用塑性和变形抗力综合衡量。塑性高、变形抗力小则锻造性能好。它决定于金属的本质和变形条件。 （一）金属的本质 1化学成分 纯金属一般具有良好的锻造性能。碳钢随碳的质量分数的增加，锻造性能逐渐变差。合金元素的加入会劣化锻造性能。 2金属组织 纯金属及固溶体锻造性能好，而碳化物的锻造性能差。铸态柱状晶组织和粗晶结构不如细小而又均匀晶粒结构的金属锻造性能好。,（二）变形条件,1变形温度 变形温度低，金属的塑性差、变形抗力大，不但锻压困难，而且容易开裂。提高金属变形时的温度，可使原子动能增加，原子间的结合力消弱，使塑性提高，变形抗力减小。 锻造温度范围是指锻件由始锻
6、温度到终锻温度的间隔。锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。 2变形速度 变形速度指单位时间内的变形程度。变形速度低时，金属的回复和再结晶能够充分进行，塑性高、变形抗力小；随变形速度的增大，回复和再结晶不能及时消除冷变形强化，使金属塑性下降，变形抗力增加，锻造性能变差。常用的锻压设备不可能超过临界变形速度。,四、金属的锻造性能,3.应力状态 采用不同的变形方法，在金属中产生的应力状态是不同的。应力状态对于塑性的影响为：压应力数目越多，塑性越好；拉应力数目越多，塑性越差；应力状态对于变形抗力的影响为：同号应力状态下的变形抗力大于异号状态下的变形抗力。所以，在选择变形方法时，对于塑性高的金属，变形
7、时出现拉应力有利于减少能量消耗；对于塑性低的金属应尽量采用三向压应力以增加塑性，防止裂纹。 4.坯料表面质量 表面粗糙或有划痕、微裂纹、粗大夹杂都会在变形过程中产生应力集中，使缺陷扩展甚至开裂。故塑性加工前应对坯料表面进行清理消除缺陷，有时甚至需要进行表面预切削去掉坯料的表层金属。,四、金属的锻造性能,1体积不变条件 由于塑性变形时金属密度的变化很小，所以可认为变形前后的体积相等。此假设称为体积不变条件。 2最小阻力定律 最小阻力定律是描述塑性变形流动规律的一种理论，如果物体在变形过程中其质点有向各种方向移动的可能性时，则物体各质点将向着阻力最小的方向移动。一般，金属内某一质点流动阻力最小的方
8、向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向。,五、金属的塑性变形规律,只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧铁间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件，这种方法称为自由锻。 一、 自由锻设备 根据对坯料作用力的性质不同，自由锻设备可分为产生冲击力的锻锤和产生静压力的压力机两大类。,第二节 自由锻,二、自由锻工艺规程的制订,1.绘制锻件图 锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制的图。模锻件的锻件图还应考虑分模面的选择、模锻斜度和圆角半径等。 锻件图的绘制方法如下： 1）锻件的形状用粗实线，同时用假想线描绘出
9、零件的形状。 2）锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面或侧面。 3）图上无法标注的技术要求，如锻造温度范围、锻造比、氧化缺陷、脱碳层深度等以技术条件方式用文字说明。,2.计算坯料的重量和尺寸,1）坯料重量 坯料的重量为锻件的重量与锻造时各种金属损耗的重量之和： m坯=m锻+m烧+m芯+m切 式中 m坯-坯料重量； m锻-锻件重量；m烧-加热时坯料表面氧化烧损的重量。 m芯-冲孔时的芯料重量；m切-锻造中被切掉的金属重量。 2）坯料尺寸 根据计算出的坯料重量即可计算杯料的体积，最后依据选择的坯料截面尺寸确定其长度。,二、自由锻工艺规程的制订,3.选择变形工
10、序,通常，自由锻件的成形过程是由一系列变形工序组合而成的，工序的选择主要是根据锻件的形状和工序的特点来确定。一般可将锻件分为六大类: 1）轴杆类锻件 包括各种圆形截面实心轴，如传动轴、轧辊、立柱、拉杆等，还有矩形方形、工字形截面的杆件如摇杆、杠杆、推杆、连杆等，锻造轴杆件的基本工序是拔长，但对于截面尺寸相差大的铸件，为满足锻造比的要求，则需采取镦粗一拔长工序。 2）空心类锻件 包括各种圆环、齿圈、轴承环和各种圆筒、缸体、空心轴等，锻造空心件的基本工序有镦粗、冲孔、扩孔、芯棒拔长等。,二、自由锻工艺规程的制订,3）饼块类锻件 包括各种圆盘、叶轮、齿轮、模块等，其特点是横向尺寸大于高度尺寸，或者二
11、者相近。锻造基本工序是镦粗，其中带孔的件需冲孔。 4）曲轴类锻件 包括单拐和多拐的各种曲轴，目前锻造曲轴的工艺有自由锻、模锻、全流线挤压锻等。其中自由锻的力学性能差，加工余量大，只在单件或小批生产中应用，其基本工序有拔长、错移和扭转。 5）弯曲类锻件 包括各种具有弯曲轴线的锻件，如吊钩、弯杆、曲柄、轴瓦盖等，基本工序是拔长、弯曲。 6）复杂形状锻件 包括阀体、叉杆、十字轴等，锻造难度大，应根据锻件形状特点，采用适当工序组合锻造。,二、自由锻工艺规程的制订,三、自由锻零件结构工艺性,1.零件结构应尽可能简单、对称、平直； 2.应避免零件上的锥形、楔形结构；,自由锻设计原则：加工的可行性，经济性。
12、,3.应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交；,三、自由锻零件结构工艺性,4.零件上不允许有加强筋；,三、自由锻零件结构工艺性,5.对横截面尺寸相差很大或形状复杂的零件，应尽可能分别对其进行锻造，然后用螺纹连接。,三、自由锻零件结构工艺性,1.高合金钢的组织和再结晶特点 金属组织结构复杂、塑性低；再结晶温度高，再结晶速度低，变形抗力大。 2.高合金钢的加热特点 导热性差；锻造温度范围窄。 3.高合金钢锻造操作特点 备料；控制变形量，增大锻造比；变形要均匀；避免出现拉应力。 4.高合金钢的锻后冷却 由于高合金钢的导热性差，塑性低，终锻温度较高，如果冷却速度快，会因热应力和组织应力使锻件出现裂纹
13、。因此，终锻后应尽快采取工艺措施保证锻件缓慢冷却。,四、高合金钢锻造特点,小结,重点要求压力加工的基础理论；自由锻零件结构工艺性。 一般要求自由锻工艺规程的制订，高合金钢锻造特点。,第二节 自由锻,第二节 模锻,模型锻造：利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。 特点：与自由锻相比，模锻具有锻件精度高、流线组织合理、力学性能高等优点，而且生产率高，金属消耗少，并能锻出自由锻难以成形的复杂锻件。受设备吨位的限制，模锻件不能太大，一般重量不超过 150kg。 分类：按模具类型模锻可分为开式模锻（有飞边模锻）、闭式模锻（无飞边模锻）和多向模锻等；按设备类型模锻可分为锤上模锻、胎模锻、压力机上模锻等。
14、,一、锤上模锻,1.模锻锤 锤上模锻所用设备主要是蒸汽-空气模锻锤，模锻锤的吨位为1t-16t。选择模锻锤的锻造能力有经验类比法和查表法。 1）经验类比法 模锻锤吨位可用公式：G=（3.5-6.3）KA式中：G-模锻锤吨位（kg）；A-锻件总变形面积，包括锻件投影面积、冲孔连皮面积及飞边面积（cm2）；K-钢种因数，可查阅相关资料。 2）查表法 (模锻锤吨位亦可查阅相关资料。),要求模具在高温下具有足够的强度、韧性、硬度和耐磨性，良好的导热性、抗热疲劳性、回火稳定性和抗氧化性。尺寸较大的模具还应具有高的淬透性和较小的变形。常用5CrNiMo、5CrMnMo钢等热锻模具材料制作锻模。锤上模锻使用
15、的锻模是由带燕尾的上、下模组成，分别用镶条固定在锤头和模座上。上、下模接触时，其接触面上所形成的空间为模膛。具有一个模膛的锻模称为单模膛模锻，具有两个以上模膛的锻模称为多模膛模锻。,二、 模锻及锻模模膛,多模膛模锻时，按其模膛的结构和功用可分为制坯模膛和模锻模膛两类。 1. 制坯模膛 用以初步改变毛坯形状、合理分配金属，以适应锻件横截面积和形状的要求，使金属能更好地充满模锻模膛的工序称为制坯工序。如图所示。,二、 模锻及锻模模膛,2. 模锻模膛,模锻模膛又可分为预锻膛和终锻模膛。 （1）预锻模膛 为了改善终锻时金属的流动条件，避免产生充填不满和折迭，使锻坯最终成形前获得接近终锻形状的模膛，它可
16、提高终锻模膛的寿命。其结构比终锻模膛高度大、宽度小、无飞边槽，模锻斜度和圆角大。 （2）终锻模膛 模锻时最后成形用的模膛，和热锻件图上相应部分的形状、尺寸一致。模膛周围设飞边槽，通孔锻件需留冲孔连皮。,二、 模锻及锻模模膛,二、 模锻及锻模模膛,1.绘制模锻锻件图 模锻锻件图是制造和检验终锻模膛的依据。这是以零件图为基础，考虑了分模面的选择、加工总余量、公差、余块、模锻斜度和圆角半径等绘制的。 （1）分模面的选择 选择分模面位置最基本的原则是：应选在锻件具有最大水平投影尺寸的位置上，最好为锻件中部的一个平面，并使锻件上所加余块最少，上、下模膛深度最浅且尽可能基本一致。 1）饼块类锻件的高度小于
17、或等于直径时，应取径向分模； 2）对于头部尺寸明显偏大的锻件，最好用曲面而不用平面分模； 3）有流线方向要求的锻件，应考虑锻件工作时的受力特点。,三、锤上模锻工艺规程的制订,（2）加工余量、模锻公差和工艺余块 模锻件的加工余量和公差比自由锻件小得多，其数值根据锻件大小、形状和精度等级有所不同，一般余量为1mm-4mm，公差为+0.3mm- +3mm之间，用时可查有关手册。（3）模锻斜度 模锻斜度不包括在加工余量内，一般取5、7、10、12等标准值。锻件的内壁斜度应比外壁斜度值大一级。（4）圆角半径 钢的模锻件外圆角半径取1mm-6mm，内圆角半径是外圆角半径的3-4倍。模膛深度越深，圆角半径取
18、值越大。,三、锤上模锻工艺规程的制订,2.确定模锻工步,模锻工步主要根据模锻件的形状和尺寸来确定。模锻件按形状分为两大类： (1) 长轴类 此类锻件的长度明显大于其宽度和高度，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等。锻造时锤击方向垂直于锻件轴线，常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工步。 (2) 饼块类 此类锻件主轴尺寸较短，在分模面上投影为圆形或长宽尺寸相近，如齿轮、法兰、十字轴、万向节叉等。模锻时，坯料轴线方向与锤击方向相同，金属沿高度、宽度和长度方向同时流动。常采用镦粗或压扁等工步制坯，然后终锻。形状简单的锻件可直接终锻成形。,三、锤上模锻工艺规程的制订,3.坯料计算 计算方法与自由锻相同。坯
19、料重量为锻件、飞边、连皮、钳口料头和氧化皮重量的总和，一般飞边是锻件重量的20-25；氧化皮是锻件、飞边、连皮等重量总和的2.5-4。 4.选择模锻设备 5.模锻的后续工序 普通模锻件均带有飞边，带孔锻件还有冲孔连皮，通常采用冲切法去除飞边和连皮。切边一冲孔模分为简单模、连续模和复合模三种类型。,三、锤上模锻工艺规程的制订,1）模锻件应具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径； 2）非配合表面一律设计成非加工表面； 3）零件的外形应力求简单、平直和对称； 4）应避免窄沟、深槽、深孔及多孔结构； 5）形状复杂的锻件应采用锻-焊或锻-机械加工联接的方法，减少余块以简化模锻工艺。,三、锤上模锻工艺规程的
20、制订,第三节 板料冲压,板料冲压：使板料经分离或成形而得到制件的工艺。 冲压生产的特点是：产品有较高的精度和较低的表面粗糙度值，互换性好，一般无需再进行切削加工；冷变形强化作用显著，零件的重量轻、强度和刚度较高；能生产较复杂形状的平板类和中空类零件，工艺过程便于机械化、自动化、生产效率高、废品率低、成本低。 冲压常用的设备有剪床和冲床等。剪床为冲床备料，将板料切成条料；而冲压加工主要在各类冲床上进行。,第四节 板料冲压,（一）分离工序1切断（剪裁） 将材料沿不封闭的曲线分离的冲压方法称为切断。主要用于将板料切成具有一定宽度的条料，为成形工序的备料工序。 2冲裁 利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料
21、分离的冲压方法称为冲裁，冲裁是落料和冲孔的总称。 3精密冲裁 用压边圈使板料冲裁区处于静液压作用下，抑制剪裂纹的发生，实现塑性变形分离的冲裁方法称为精密冲裁。 4修整,一、冲压的基本工序,（二）成形工序,1拉深（拉延）变形区在一拉一压的应力状态作用下，使板料（浅的空心坯）成形为空心件（深的空心件）而厚度基本不变的加工方法称为拉深，也叫拉延。拉深变形后制件的直径与其毛坯直径之比称为拉深系数，用m表示，保证危险断面不被拉裂的拉深系数的最小值又称为极限拉深系数，一般极限拉深系数取0.5-0.8。坯料塑性差选上限值，塑性好可选下限值。 受极限拉深系数的限制，所需要的拉深不能一次完成而需要分几次逐步成形
22、，这次数就称为拉深次数。,一、冲压的基本工序,2弯曲,将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度的制件的成形方法称为弯曲。,一、冲压的基本工序,3其它成形方法,（1）电液成形 利用在液体介质中高压放电时所产生的高能冲击波，使坯料产生塑性变形的成形方法，称为电液成形。,一、冲压的基本工序,（2）爆炸成形 利用炸药爆炸时所产生的高能冲击波，通过不同介质使坯料产生塑性变形的成形方法，称为爆炸成形。,一、冲压的基本工序,（3）液压成形 用液体（水或油）作为传压介质，使板料产生塑性变形，按模具形状成形的工艺方法，称为液压成形。 （4）电磁成形 利用电流通过线圈所产生的磁场，在磁力作用下，使坯料
23、产生塑性变形的成形方法，称为电磁成形。,一、冲压的基本工序,（5）旋压 一种成形金属回转体件的工艺方法。在毛坯随芯模旋转或旋压工具绕毛坯与芯模旋转中，旋压工具与芯模相对进给，从而使毛坯受压并产生连续、逐点地变形。它包括普通旋压和变薄旋压。,一、冲压的基本工序,一、冲压的基本工序,1对冲裁件的要求 1）冲裁件的外形应力求简单、对称； 2）应避免长槽与细长悬臂结构； 3）孔的有关尺寸应满足要求；冲压件上应采用圆角代替尖角联接，孔与沟槽尽量在变形工序前的平板坯料上冲出；最小圆角半径值可查有关手册。 2对弯曲件的要求 1）弯曲件的形状应力求对称； 2）弯曲边尺寸过短不易成形；孔亦不能距弯曲线太近。 3
24、对拉深件的要求 1）拉深件外形应简单、对称、且不宜太高； 2）拉深件的最小许可圆角半径可查有关手册。,二、冲压零件结构工艺性,一、特种锻造 （一）精密模锻 精密模锻一般在刚度大、精度高，如曲柄压力机、摩擦压力机、高速锤或精锻机等模锻设备上进行。模具设计和制造要求精确，采用少、无氧化加热和良好的润滑条件对高质量的坯料进行精锻。锻件公差、余量约为普通锻件的1/3，表面粗糙度值为3.2um-0.8um，尺寸精度为IT15-IT12公差等级。精密模锻多用于中小型零件的大批生产。如各类医疗器械、汽车、拖拉机的直齿锥齿轮、飞机操纵杆及发动机涡轮叶片等零件均已采用精密模锻。,第五节 少无切削工艺简介,（二）
25、高速锤模锻打击速度为20m/s左右的锻锤称为高速锤。多为液压回程，压缩氮气蓄能，利用氮气膨胀时所释放的能量进行打击。因为高速锤为一般模锻锤变形速度的三倍左右，坯料变形时间极短，约为0.001s-0.002s，因此变形热效应大，金属充满模膛能力强。对形状复杂、高而薄等的锻件、低塑性高强度和难变形的材料均可锻造。,一、特种锻造,（三）径向锻造（旋转锻造）对轴向旋转送进的棒料或管料施加径向脉冲打击力，锻成沿轴向具有不同横截面制件或等截面坯料的工艺方法称为径向锻造。径向锻造广泛用于机床、汽车、拖拉机、飞机、坦克和其它机械上的实心台阶轴、锥度轴、空心轴和带膛线的枪筒、炮筒及其它内外径有特定形状要求的轴。
26、 （四）摆动辗压上模的轴线与被辗压工作（放在下模）的轴线倾斜一个角度，模具一面绕轴心旋转，一面对坯料进行压缩。这种加工方法称为摆动辗压。摆动辗压目前在我国发展很迅速，主要适用于加工回转体类、盘饼类或带法兰的半轴类锻件。如汽车后半轴、扬声器导磁体、止推轴承圈、碟形弹簧、齿轮和铣刀毛坯等。,一、特种锻造,（五）多向模锻在多个方向同时进行加载的锻造方法称为多向模锻。它是在具有多个分模面的闭式模膛内进行的。用这种方法模锻阀体等锻件，机械加工量少，流线分布好。 （六）粉末锻造（粉末热锻）金属粉末经压实后烧结，再用烧结体作为锻造毛坯的锻造方法称为粉末锻造。热锻工艺分两种类型。一类是粉末预成形坯未经预烧结而
27、进行热锻，叫粉末锻造；另一类是粉末预成形坯经过预烧结后进行热锻，叫粉末烧结锻造。与一般锻件相比，其制品尺寸精度高、组织结构均匀、无成分偏析。一般适用于难于锻造成形或难变形的金属或合金。,一、特种锻造,（一）轧制 金属材料（或非金属材料）在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的方法称为轧制。按轧辊的形状、轴线配置等的不同，轧制有多种，如纵轧、斜轧、横轧等。轧制除了用于板材、型材、无缝钢管之外，现已广泛用来生产各种零件。 （二）辊锻用一对相向旋转的扇形模具使坯料产生塑性变形，从而获得所需锻件或锻坯的锻造工艺称为辊锻。 （三）辗环环形毛坯在旋转的轧辊中进行轧制的方法
28、称为辗环，用这种方法可以生产火车轮箍，轴承座圈，法兰等环形锻件。,二、轧制,三、拉拔坯料在牵引力作用下引过模孔拉出，使之产生塑性变形而得到截面缩小、长度增加的制品的工艺称为拉拔，拉拔的制品有线材、棒材、异形管材等。 四、挤压坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出，使之横断面积减小、长度增加，成为所需制品的加工方法称为挤压。按挤压温度可分冷挤、温挤、热挤；按坯料从模孔中流出部分的运动方向与凸模运动方向的关系可分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。由于挤压处于三向压应力状态，可显著提高金属塑性。不仅塑性好的低碳钢，铝、铜合金可以挤压，而且塑性差的合金结构钢、不锈钢，甚至在一定变形量条件下某些高碳钢、轴承钢、以至高速钢也可挤压成形。通过挤压可以得到各种截面形状的型材或零件。 五、搓丝和滚丝当两搓板作相对运动时，使其间的坯料轧成螺旋状的沟槽的加工方法，称为搓丝，具有刃口的辊轮藉其旋转使棒坯滚轧成螺旋形的沟槽的加工方法称为滚丝。,二、轧制,
