1、第3章 压力加工,什么是金属压力加工？借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件。也就是：锻压,优点：组织细化致密、力学性能提高；体积不变的材料转移成形，材料利用率高;生产率高，易机械化、自动化等。可获得精度较高的零件或毛坯，可实现少无切削加工。缺点：不能加工脆性材料；难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品；设备、模具投资费用大。,第一节 金属的塑性变形,3.1 金属的塑性变形,一、金属塑性变形的实质,塑性 塑性成形 塑性成形的目的 常用塑性成形方法,材料在外力作用下发生永久变形又不破坏其完整性的能力,材料在外力作用下，利用自身的塑性而使其加
2、工成具有一定形状、尺寸及力学性能的工件的加工方法,改变形状、尺寸 改善组织及性能,1.单晶体的塑性变形,滑移,在力的作用下，晶体的一部分沿某些特定的晶面和晶向相对另一部分发生滑动。,特征： 滑移只能在最小切应力的作用下产生；,特征： 是沿一定的晶面和晶向进行的；,滑移面,滑移方向,通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。,因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。,滑移的机理： 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量
3、临界切应力值大3-4个数量级。 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。,变形过程复杂 晶粒位相的影响 晶界的影响 多晶体滑移的不均匀性 晶粒大小的影响,2.多晶体的塑性变形,二、塑性变形对组织和性能的影响,纤维组织的形成晶粒内产生亚结构形成形变织构产生残余应力产生加工硬化,关于加工硬化（重点）,加工硬化现象,随冷塑性变形量增加，金属强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。,加工硬化产生原因,关于加工硬化（重点）,1、随变形量增加, 位错密度增加，由于位错
4、之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加. 2. 随变形量增加，亚结构细化，空位密度增加 3. 几何硬化：由晶粒转动引起,5%冷变形纯铝中的位错网,加工硬化后果及应用 强化金属的一个重要途径对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要 某些冷加工工艺能够进行的重要因素由于加工硬化, 使已变形部分发生硬化而停止变形, 而未变形部分开始变形。没有加工硬化, 金属就不会发生均匀塑性变形 可提高构件在使用过程中的安全性,关于加工硬化（重点）,三、回复与再结晶,软化过程 回复：加热温度较低，金属内微细结构变化，显微组织不变 再结晶：加热温度较高，通过破碎晶粒重新形核长大，形成新的、无畸变的等轴晶粒。 再结
5、晶温度：一定时间内完成再结晶所对应的最低温度 晶粒长大,冷变形金属的加工硬化及软化,回复：基本保持加工硬化状态，内应力 变形开裂 耐蚀性 应用去应力退火 再结晶：消除变形金属的组织特征、加工硬化及内应力 ，性能恢复到加工前状态应用再结晶退火,四、金属的热加工,热（塑性）变形与冷（塑性）变形的区别 定义： 变形过程的区别：回复、再结晶是否进行？热（塑性）变形对金属的组织和性能的影响 消除铸态金属的某些缺陷 力学性能形成热变形纤维组织流线形成带状组织,金属的可锻性是指金属经受锻造成形优质零件的能力，通常用塑性与变形抗力来衡量。塑性越高，锻造性能越好，越有利于加工成形。,1) 内在因素,化 学 成
6、分,纯金属,合金,低碳钢,高碳钢,碳钢,合金钢,低合金钢,高合金钢,碳和合金元素含量越高，塑性越差，锻造性能越差。,五、金属的可锻性,金属组织,单相固溶体,多相合金,第二相的性能、数量、形状、分布对多相合金的锻造性能有重要作用（Cm）。,细晶粒金属,粗晶粒金属,细晶粒组织比粗晶粒具有更好的塑性和锻造性能。,过高温度,合理温度,高温晶界脆化，锻造性能变差。,2) 加工条件,变形温度,变形温度,温度越低，金属塑性越差，变形抗力越大，锻造性能越差，易开裂。常加热至奥氏体单相区进行锻造。,温度过高，引起表面氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷，降低锻造性能。同时，应避免在部分金属的脆化温度区间锻造。,形变热效
7、应是指金属在锻造过程中，塑性变形功转化为热能，其中一部分留在金属内，使锻件升温的现象。,应变速率,低应变速率范围，变形时间过长，散失的变形热多，形变热效应越小，锻件温度下降，金属塑性降低。,高应变速率范围，变形时间短，散失热量少，热效应大，金属塑性增加，变形抗力减小。但当速率过快时，来不及发生再结晶，加工硬化会导致零件开裂。,变形速度,应力状态,应力,压应力数目越多，金属越密实，裂纹越少，晶间变形越小，塑性越高。拉应力越多，塑性越差。,同号应力状态引起的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。三向压应力会增大内摩擦，提高变形抗力。,第二节 自由锻,自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两个铁砧间
8、产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件的一种加工方法。,自 由 锻 优 点,自 由 锻 缺 点,一、自由锻工序,自由锻造的工序可以分为三类，即基本工序、辅助工序和修正工序。基本工序：改变坯料形状和尺寸以获得锻件，如镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转和锻接。辅助工序：为了完成基本工序而使坯料预先产生某一变形，如钢锭倒棱、预压钳拔和分段压痕。修正工序：使锻件完全达到锻件图要求，精整锻件尺寸和形状，消除锻件平面不平、歪扭位置，如鼓形滚圆、端面平整、弯曲校直。,复习,1、基本概念 2、Al、Mg、-Fe塑性的比较 3、滑移的实质 4、加工硬化的概念及应用 5、再结晶温度,二、
9、自由锻工艺规程的制订,自由锻工艺规程,1.绘制锻件图,1).锻件草图,锻件图=零件图+加工余量、公差和敷料,2).敷料,3).锻件余量,4).锻件公差,自由锻工艺规程,2.选择锻造工序,盘类件:镦粗（拔长、镦粗）冲孔,轴类件:拔长（镦粗、拔长）切肩锻台阶,筒类件:镦粗（拔长、镦粗）冲孔心轴上拔长,环类件:镦粗（拔长、镦粗）冲孔心轴上扩孔,弯曲类件:拔长（镦粗、拔长）弯曲,曲轴类件:拔长（镦粗、拔长）错移锻台阶扭转,轴类件自由锻工序,自由锻工艺规程,3.坯料质量及尺寸计算,重量： G坯料=G锻件+G烧损+G料头,尺寸：与锻造过程中的变形程度有关 例如： 碳素钢锭拔长：Y拔长=F0/F2.53 轧
10、材作坯料 ： Y拔长=F0/F1.31.5,自由锻工艺规程,4.选择锻造设备,空气锤 是锻造小型锻件的常用设备（冲击载荷）。双柱式蒸汽空气锤 吨位都在lt以上（冲击载荷）。水压机 自由锻使用的压力机一般是水压机。工作平稳，用于锻造大型、重型锻件（静载荷）的为主要设备。,自由锻工艺规程,5.确定锻造温度范围,常见金属材料的锻造温度范围可查资料。,自由锻工艺规程实例,三、自由锻锻件的结构工艺性, 避免锥体或斜面结构, 几何体的交接处不应形成空间曲线, 避免加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面, 采用锻-焊、锻-螺纹连接工艺,第三节 模 锻,将金属坯料置于锻模模膛内，在冲击力或压力作用下产生塑性
11、流动称为模锻。,模锻的特点与应用,特点： 1）生产效率高； 2）可锻出形状复杂、锻造流线完整的锻件； 3）锻件表面光洁，尺寸精度高，加工余量少，节省材料和工时； 4）操作简便，实现机械自动化； 5）设备投资大、工艺复杂。应用：用于中小型锻件成批或大批量生产分类：锤上模锻、热模锻压力机上模锻、平锻机上模锻和螺旋压力机上模锻。,典 型 模 锻 件,1、模锻锤 可以镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形、预锻、终锻。 2、曲柄压力机 行程不能调节；不能拔长和滚挤；每个变形工步在一次行程中完成。 3、平锻机 4、摩擦压锻机 螺杆与滑块非刚性连接，承受偏心能力差； 滑块行程、打击能量可自动调节。,一、锤上模锻,1
12、. 锻模结构,模 膛,模锻模膛,制坯模膛,拔长模膛,终锻模膛,预锻模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,制坯模膛,拔长模膛,开 式 闭 式,边送进边翻转（开式结构简单，效率低） 减小坯料某部分横截面积，增加长度,制坯模膛,滚压模膛,开 式 闭 式,边受压边转动，不做轴向送进 减小坯料某部分横截面积以增大另一部分,制坯模膛,弯曲模膛,弯曲后坯料翻转90，再送入模锻模膛 获得近似水平投影形状的坯料,制坯模膛,切断模膛,位于锻模的边角上或另外设计，有刃口 将已锻好的锻件从坯料上切下来,制坯模膛作用： 使坯料预变形而达到合 理分配，使其形状基本接 近锻件形状，以便更好地 充满型腔。,使坯料变形到接近于锻
13、件的形状和尺寸，终锻时金属易充满终锻模膛，并减少终锻模膛的磨损。,使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，并放大一个收缩量，并设计飞边槽。,终锻模膛,预锻模膛,预锻模膛与终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。,模锻模膛,模锻模膛,1.飞边 2.分模面 3.冲孔连皮 4.锻件,模锻模膛作用： 使坯料达到锻件所要求 的形状和尺寸。,弯曲连杆的多模膛锻模,2.工艺规程的制定,锤上模锻,模锻工艺规程,制定模锻件图,1) 分模面,要保证模锻件能从模膛中取出,上下两模沿分模面的模膛轮廓一致,分模面能使模膛深度最浅,分模面为平面，使上下锻模的模膛深度一致,分模面应使零件上所加的敷料最少，盘类采用
14、径向分模,2) 余量、公差、敷料、冲孔连皮余量：14mm公差：冲孔连皮：d3080，s48mm,3) 模锻斜度:垂直于分模面表面要有一定斜度,a.3-15； b.与(模膛深度h/相应宽度b)成正比； c.内斜度比外斜度大一级； d.3、5、7、10、12、15为标准度数。,4).模锻圆角半径,防止锻造过程中交角处应力集中而开裂。 R=（2-3）r,例,分模面,余 量,模锻斜度,圆 角,模锻工艺规程,确定模锻工步,长轴类模锻件,拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻等,锤上模锻,模锻工艺规程,确定模锻工步,锤上模锻,盘类锻件,镦粗、预锻、终锻,锤上模锻,模锻工艺规程,确定坯料尺寸,模锻件坯料的体积：V坯料
15、(V锻件+V飞边+V连皮)(1+K)K-烧损系数，一般取23.5%盘类锻件坯料直径：D计1.08m-坯料高径比，取1.8-2.2 轴类锻件坯料直径：D计1.13K-模膛系数，不制坯或拔长k=1滚挤k=0.7-0.85,锤上模锻,模锻工艺规程,修整工序,切边和冲孔,热处理,校正,清理,精压,消除变形，在校正模或终锻模膛中进行,消除内应力，调整性能，退火或正火,消除表面氧化层及表层油污等，喷丸、酸洗,精度和表面质量要求高的工件，不需切削,3.模锻件的结构工艺性, 确定合理分模面，保证锻件易从锻模中取出，且余块最少，锻模制造方便。, 锻模上与分模面垂直的表面，应设计模锻斜度；非加工表面缩形成的交角都
16、应按模锻圆角设计。, 避免有深孔或多孔结构，延长模具寿命, 零件外形力求简单、平直和对称，尤其需避免零件截面间尺寸差别过大，或具有薄壁、高筋、凸起等结构。,不合理,合理, 采用锻焊组合工艺，减少余块简化工艺,复 习,自由锻件的结构工艺性 模锻件的结构工艺性 预锻模膛与终锻模膛的区别 冲孔连皮 飞边槽的作用,锤上模锻虽设备投资少锻件质量较好适应性强可实现多种变形工步锻制不同形状的锻件 但是振动大、噪声大完成一次变形工步需要经过多次锤击难以实现机械化和自动化生产效率低。,1.热模锻压力机上模锻（曲柄）,特点： 滑块行程固定 采用组合模 有导向、顶杆装置，斜度小 静压力、噪声小 氧化皮不易去除 不能
17、进行拔长或滚挤 适用于大批量生产,二、其他模锻方式,2.摩擦螺旋压力机上模锻,特点： 行程可以自由调节 滑块速度较慢，适用于塑性稍差的合金材料 设备有顶料装置，可采用组合模具 偏心承载能力差，适用于单膛模锻,3.平锻机上模锻,主滑块,夹紧滑块,固定凹模,活动凹模,凸模,特点： 以局部镦粗为主 适合带头部的半轴类和有孔的锻件 锻件尺寸精确，表面粗糙度低，生产率高 材料利用率高 难加工非回转体零件,4.胎模锻,在自由锻造设备上使用胎膜生产模锻件的工艺方法，用自由锻制坯，胎膜中成形。精度低、劳动强度大，只适用于没有锻模设备的中小型工厂中中小批量生产。,第四节 板料冲压,利用安装在压力机上的模具对板料
18、施加压力使之产生分离或塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件或毛坯的加工方法称为板料冲压。,板料冲压的特点及应用,利用模具和设备进行加工，生产率高；操作简便，便于实现机械化和自动化；可以成形其他方法难以成形的复杂形状零件；直接制造零件，质量稳定，一般不需要机械加工，节约材料；一般不需加热毛坯，节约能源。,3.4 板料冲压,冲压设备, ,板料冲压的基本工序,冲压工序,变形工序,分离工序,切口,修整,冲裁,拉深,胀形,弯曲,翻边,切边,剖切,切断,卷圆,旋压,缩口,使板料沿封闭轮廓线分离的工序称为冲裁，包括落料与冲孔。,1)冲裁变形过程,弹性变形阶段,塑性变形阶段,断裂分离阶段,两向裂纹扩展
19、相遇,冲裁所使用的工艺装备叫冲裁模。凸、凹模刃口锋利。,一、分离工序,2)冲裁件质量,断面质量、表面质量、形状误差和尺寸精度,冲裁截断面状况 a-圆角带 b-光亮带 c-断裂带 d-毛刺区,光亮带质量最好的区域,3)凸凹模间隙,凸、凹模刃口同位尺寸之间缝隙的距离。,合理间隙范围值，既考虑模具制造偏差和磨损，又考虑冲裁件断面质量和模具寿命。 c=mt m-系数，一般取3%-8%，软、薄取小值 t-材料厚度,间隙还影响模具寿命、卸料力等： 间隙越小，摩擦越严重，模具寿命减低； 间隙越大，卸料力和推件力越小。,断面质量要求高时，选择较小间隙值； 否则，应尽可能增大间隙，提高模具寿命。,4)凸、凹模刃
20、口尺寸的确定,落料模，凹模刃口尺寸等于工件尺寸；冲孔模，凸模刃口尺寸等于工件尺寸。落料凹模基本尺寸取最小极限值；冲孔凸模基本尺寸取最大极限值，保证合理间隙。,5)冲裁件的排样,落料件在条料、带料和板料的布置方法。,原则：在最低的材料消耗和最高的劳动生产率的条件下得到符合技术要求的零件，同时考虑方便生产操作、冲模结构简单、寿命长以及车间条件和原材料供应等，以选择较为合理的排样方法,利用模具或其他工具，将坯料一部分相对另一部分弯曲成一定的角度和圆弧的变形工艺称为弯曲。,二、成形工序,1.弯曲,弯曲变形程度衡量指标相对弯曲半径（r/t），坯料越薄，弯曲半径越大，塑性越好。弯曲失效方式：回弹、偏移和破
21、裂。避免失效的方法：提高材料塑性，使最小弯曲半径rmin/t0.251.0。回弹：外力去除后，塑性变形被保留，弹性变形部分恢复，使坯料产生与弯曲变形方向相反的变形。回弹会影响弯曲件的尺寸精度，需设法减少回弹，如可增加回弹角或校正。,利用模具将已落料的平面板坯制成各种开口空心零件，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变形工艺称为拉深，又称拉延。,1)拉深过程及变形特点,2.拉深,2) 拉深件质量及影响因素,起皱和拉裂,防止办法：,限制拉深系数m，m越小，拉深变形程度越大。拉深凸、凹模工作部分必须做成圆角,凹模Rd=(5-20)t，凸模RpRd。控制凸、凹模间隙，c=(1.1-1.
22、5)t。采用有压边圈进行拉深。采用润滑，减少摩擦，已降低拉深件壁部拉深力，还可减少模具摩擦，提高模具寿命。,定义：利用局部变形使半成品部分内径胀大的冲 压成形工艺。分类：钢模胀形、软模胀形、液压胀形,3.胀形,汽车零件中的胀形零件,汽车后桥的铝合金液压胀形,轿车排气管,三、冲模,1.简单冲模,2.连续冲模,3.复合冲模,第五节 特种压力加工,一、精密模锻,特点：选择合理成形工艺，精确计算原始坯料尺寸，严格按坯料质量下料；采用无氧化或少氧化加热法；精锻模膛的精度要比锻件精度高两级；需要较好的润滑和冷却锻件的条件；模锻设备刚度大、精度较高。,在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的锻造工艺。,二、
23、挤压成形,使金属坯料在压力作用下从挤压模的模孔中挤出而获得零件或毛坯的加工方法。,按金属流动方向与凸模运动方向关系分类：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压按金属坯料变形温度分类：冷挤压、热挤压、温挤压。特点：1.三向压应力，塑性好；2.零件形状复杂、尺寸精度高；3.纤维组织沿外形连续分布；4.生产效率是锻造的几倍；5.最好在专用挤压机上进行。,三、轧制成形,1. 辊锻成形,使坯料通过装有扇形模块的一对相对旋转的轧辊时，受压而变形的工艺方法。,2. 螺旋斜轧成形,轧辊轴线与坯料轴线相交一定角度的轧制方法。,3. 横轧成形,使坯料在两轧辊摩擦力带动下作相反方向旋转的轧制方法。,4. 楔横轧成形,利用两个外表面镶有楔形凸块，并作同向旋转的平行轧辊对坯料进行轧制的方法。,本章重点,基本概念 滑移变形的特征和机理 比较不同材料塑性大小 加工硬化的概念及应用 自由锻、模锻的结构工艺性 飞边槽的作用 冲裁间隙的重要性,
