1、第三章 压力加工,本章重点：,了解金属塑性成形的理论基础； 掌握金属的塑性成形方法及工艺； 掌握薄板冲压成形工艺，包括各种成形模具结构、基本工序和典形零件的工艺制定。,第一节 压力加工概述,主要内容：,一、金属塑性成形的概念 二、压力加工的基本生产方式 三、压力加工的特点,第一节 概述,一、金属塑性成形（压力加工）的概念 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。 利用外力使金属发生塑性变形，这是区别于其它工艺方法的不同之处。 因此，用于压力加工的金属材料必须具有良好的塑性。 大多数钢和有色金属及其合金都具有一定的塑性，可以在不同温度下进
2、行压力加工。 生铁和脆性有色金属不能进行压力加工。,二、压力加工的基本生产方式,1.轧制 使金属坯料在回转轧辊的间隙中，靠摩擦力的作用，得以连续进行轧辊而变形的加工方法，称为轧制。 轧制所用的坯料主要是钢锭。 在轧制过程中，金属坯料截面变小，长度增加，从而获得各种形状的原材料。,5模型锻造,1轧制,2挤压,3拉拔,4自由锻造,6板料冲压,轧辊和金属坯料间产生的摩擦力,在旋转的轧辊间改变钢锭，钢坯形状的压力加工过程叫轧钢。 轧钢的目的与其他压力加工一样，一方面是为了得到需要的形状，例如：钢板，带钢，线材以及各种型钢等；另一方面是为了改善钢的内部质量，我们常见的汽车板、桥梁钢、锅炉钢、管线钢、螺纹
3、钢、钢筋、电工硅钢、镀锌板、镀锡板，包括火车轮都是通过轧钢工艺加工出来的。,1圆钢；2方钢；3扁钢；4角钢；5丁字钢；6工字钢；7槽钢；8钢轨；9Z字钢,槽钢和角钢,二、压力加工的基本生产方式,2.挤压 将金属坯料放在模具内，用强大的压力，从一端的模孔中挤出而变形的加工方法，称为挤压。 在挤压过程中，金属坯料的截面依照模孔的形状减小，长度增加，从而获得各种形状复杂的等截面型材或零件。适合于加工低碳钢、有色金属及其合金。,1凸模 2挤压筒 3金属坯料 4挤压模,3.拉拔 将金属坯料通过模孔拉出而变形的加工方法，称为拉拔。 拉拔主要用于制造各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型材。,拉拔所获得的
4、产品具有较高的精度与表面光洁度，故亦常用于对轧制件（棒料、管材）的再加工，以提高产品质量。低碳钢和大多数有色金属及其合金都可以经拉拔成形。,4.自由锻 将金属坯料放在抵铁间受冲击力或压力而变形的加工方法，称为自由锻。,5.模锻 将金属坯料放在具有一定形状的锻模膛内，受冲击力或压力而变形的加工方法，称为模锻。,6.板料冲压 将板材放在冲模之间，使其受压产生切离或变形的加工方法，称为板料冲压。,1.轧制,2.挤压,1凸模 2挤压筒 3金属坯料 4挤压模,3.拉拔,4.自由锻,5.模锻,6.板料冲压,压力加工的六种基本生产方式：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻和板料冲压。 其中轧制、挤压、拉拔主要用于
5、生产金属型材、板材、管材、线材等原材料。 自由锻和模锻用来制造机器零件或毛坯。 凡承受重载荷的机器零件，通常需采用锻件做毛坯，再经过切削加工而成，如：机器的主轴、连杆、重要齿轮、炮筒和枪管等。 板料冲压则广泛用于汽车制造、电器、仪表零件及日用品工业等方面。,压力加工与铸造都是获得毛坯件的方法 但是压力加工与铸造方法相比，也有不足之处，如：不能获得形状较为复杂的零件。,三、压力加工的特点,（1）改善金属的组织、提高力学性能 金属材料经压力加工后，其组织、性能都得到改善和提高，塑性加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，并由于金属的塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织
6、，从而提高金属的力学性能。在零件设计时，若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能。 （2）材料的利用率高 金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。,（3）较高的生产率 塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产效率高。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。 （4）毛坯或零件的精度较高 应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。例如，精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用，复杂曲面形状的叶片精密锻造后只需磨削便可达到所需精度。,用途：承受冲击或交变应力的重要零件（如机床
7、主轴、齿轮、曲轴、连杆等），都应采用锻件毛坯加工。所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖拉机上的锻件质量分数约占60%80%。 缺点：不能加工脆性材料（如铸铁）和形状特别复杂（特别是内腔形状复杂）或体积特别大的零件或毛坯。,第二节 金属的塑性变形,金属的塑性变形，是压力加工的基础，各种形状的锻件都是利用金属的塑性变形来制造的。 因此，学习金属塑性变形的有关理论，对改进锻造方法，提高锻件质量，降低消耗都是十分必要的。,第二节 金属的塑性变形,一、 金属塑性变形的实质,弹性变形 在外力作用下，材料内部产生应力，应
8、力迫使原子离开原来的平衡位置，改变了原子间的距离，使金属发生变形。并引起原子位能的增高，但原子有返回低位能的倾向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。如图3-1（b）所示。,塑性变形 内应力超过金属的屈服点后，外力停止作用后，金属的变形并不完全消失。如图3-1（c）（d）所示。 滑移面 在切向应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面产生相对滑移，该面称为滑移面。 位错运动引起塑性变形 近代物理学证明，晶体不是在滑移面上，原子并不是整体的刚性运动而是以位错引起金属塑性变形。 位错：沿滑移面旧原子对破坏，新原子对形成，如图3-2所示。,图3-3 多晶体塑性变形示意图,多晶体的
9、塑性变形（晶内和晶间变形） 晶内变形：外力作用下，某一晶粒的塑性变形。 晶间变形：晶粒之间的相互位移或转动。在外力作用下，有的晶粒处于利于塑性变形位置，则首先塑性变形。有的处于不利于塑性变形的位置，则暂时不变形。晶粒间会移动、转动，这种利与不利位置在变化，塑性变形不断进行。如图3-3 所示。,金属的压力加工就是要施加大于屈服极限的外力，使其产生永久性变形。用一定的方法获得人们所需要的形状和尺寸。,二、塑性变形对金属组织和性能影响,金属的塑性变形在不同的温度下产生。由于变形时的温度不同，塑性变形对金属组织和性能产生不同的影响。 在不同温度下，发生塑性变形时，产生加工硬化、回复、再结晶现象。 金属
10、在常温下经塑性变形后，内部组织将发生变化： 晶粒沿最大变形的方向伸长； 晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力； 晶粒产生碎晶。,二、塑性变形对金属组织和性能影响,1.加工硬化 金属的力学性能随内部组织变形程度的增加，强度和硬度上升，而塑性、韧性下降(如图3-4)，这种现象被称为加工硬化（或冷作硬化）,原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。故加工硬化对于塑性变形过程是不利的。 消除：再结晶退火 650750 但加工硬化在生产中很有实用意义，对于某些不能通过热处理来强化的金属材料 ，如低碳钢、镍铬不锈钢等，可以采用冷轧、冷拔、冷挤等工艺来提高强度和硬度，已达到使用要求
11、。,2.回复： 加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定状态的倾向。室温下不易实现。 当提高温度时，原子获得热能，热运动加剧，当加热温度T回(用K氏温标)T回=（0.250.3）T熔 使原子回复到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工硬化得到部分消除。这一过程称为回复。,3. 再结晶： 当加热温度T再：T再=0.4T熔原子获得更多热能，开始的某些碎晶或杂质为核心构成新晶粒，因为是通过形核和晶核长大方式进行的，故称再结晶。 再结晶后清除了全部加工硬化。 再结晶后晶格类型不变，只改变晶粒外形。,冷变形和热变形,冷变形 在再结晶温度以下的变形叫冷变形。 冷变形后金属强度、硬度较高，低粗糙度值。但变形
12、程度不宜过大，否则易裂。 热变形 再结晶温度以上变形，叫热变形。 变形具有强化作用，再结晶具有强化消除作用。在热变形时无加工硬化痕迹。 金属压力加工大多属热变形，具有再结晶组织。,热加工后组织性能变化： 粗大晶粒被击碎成细晶粒组织，改善了力学性能。 铸态组织中的疏松、气孔经热塑变形后被压实或焊合。 晶粒被拉长，非金属杂物被击碎，沿被拉长的晶粒界分布，形成纤维组织（流线）。,变形程度越大，纤维组织越明显。 压力加工中常用锻造比y来表示变形程度。一般控制在y=23 拔长时锻造比y拔=A0/A（横截面积比，如轴、杆类零件） 镦粗时锻造比y镦=H0/H（高度比，如轮、饼类零件） 纤维组织很稳定，不能（
13、难以）用热处理方法来消除。只有经过锻压来改变其方向、形状。,在设计和制造零件时，应使最大正应力的方向与纤维方向重合，最大切应力的方向与纤维方向垂直。尽量使纤维组织不被切断。,（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,三、 金属的可锻性,金属的可锻性：材料经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。 可锻性的衡量：塑性（断面收缩率，伸长率），变形抗力。塑性好，变形抗力小则可锻性好。 可锻性取决于：金属本质和加工条件。,（一）金属的本质 化学成分的影响纯金属的可锻性比合金好；有些元素可使可锻性显著下降（如铬，钨，钒等）。钢的含碳量越低
14、，可锻性越好， 金属组织的影响 组织不同，可锻性有很大差异： 纯金属、固溶体（如奥氏体）可锻性好；碳化物可锻性差； 铸态柱状组织和粗晶粒不如晶粒细小均匀。,（二）加工条件 变形温度的影响 温度原子的运动能力容易滑移塑性，变形抗力，可锻性改善。 若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。已过热工件可通过锻造，控制冷却速度，热处理，使晶粒细化。 若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，一击便碎，无法挽回。这一现象称为“过烧”。 金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。 不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称终锻温
15、度。,锻造温度： 始锻温度：碳钢比AE线低200C左右 终锻温度：800C过低难于锻造 ，若强行锻造，将导致锻件破裂报废。,常用金属材料的锻造温度范围（始锻温度终锻温度）,碳钢： 1200800() 合金钢：1150800() 合金工具钢（高速钢）： 1180900() 不锈钢：1300850() 铝合金：480380() 铜合金：900700(),2.变形速度的影响 一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。 另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大
16、，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好。,3.应力状态的影响,挤压时为三向受压状态。拉拔时为两向受压一向受拉的状态。压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。,复习题,说明金属塑性成形的条件和方法。 何谓金属冷变形和热变形？ 同种金属材料分别经过冷、热变形，其组织和性能有何差异？何谓金属再结晶？ 说明金属锻造性的意义，有哪些影响因素？ 什么是锻造流线（即纤维组织）？在设计和制造零件时应如何分布锻造流线？ 金属锻造时，为什么要加热？钢的锻造温度大致限制在什么范围内？,第三节 锻造,第三节 锻造,一、自由锻 自由锻是利用冲
17、击力或压力使金属在上、下两个抵铁之间变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。 在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。 金属沿变形方向可以自由流动，不受限制。,自由锻设备： 锻锤：包括空气锤和蒸汽空气锤。依靠冲击力使金属变形，只能锻造中小锻件。 液压机：包括水压机和油压机。依靠静压力使金属变形，可加工大型锻件。其中水压机可产生很大作用力，是重型机械厂锻造生产的主要设备。 自由锻工序： 包括基本工序、辅助工序和精整工序三大类,1.自由锻工序,（1）基本工序： 是实现锻件成形的工序。是使金属产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状及尺寸的工艺过程。 基本工序主要包括：镦粗、拔长、冲
18、孔、弯曲、扭转、切割、错移、锻接等。,自由锻工序, 基本工序 镦粗：适于饼块类，盘套类 拔长：适于轴类、杆类 拔长、镦粗经常交替反复使用。 有时一头镦粗，另一头拔长。 冲孔（通孔、盲孔），常用方法：镦粗冲孔镦粗冲孔扩孔 弯曲：工件轴线产生一定曲率。 扭转：某一部分相对于另一部分转一定角度。 错移：坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工 序，例如曲轴。 切割：分割坯料，或去除锻件余量的工序。,图 扭转,图 镦歪的产生和矫正,a)细腰形 b)夹层 图 细腰形及夹层的产生,a)完全镦粗 b)局部镦粗,图3-2 镦弯的产生和矫正,a)镦弯的产生 b)镦弯的矫正,图 镦粗,a)角度弯曲 b)成形弯曲,
19、辅助工序： 在基本工序之前的预变形工序，如压肩、压钳口、倒棱等。是为方便基本工序的操作而对坯料预先进行的少量变形工序。 精整工序： 完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸和形状精度的工序。主要有矫正、滚圆、摔圆等 。,图 压肩,a)方料压肩,b)圆料压肩,锻件分类及基本工序方案,（P98 表3-1 锻件分类及所需锻造工序）,3.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,3）敷料（余块）,（1/31/4）余量,上图a）中： 1余块 2机械加工余量,自由锻只能锻造形状较简单的锻件，余块是为了简化锻件的形状，便于锻造而附加上去的一部分金属。如零件上的某些凹档、台阶、小孔、斜面
20、、锥面等都要适当简化，以便与自由锻操作。,阶梯轴锻件图,2. 坯料重量和尺寸的计算,G坯 = （1+k）G锻,G坯 = G锻+G料头+G芯料+G烧,K 消耗系数,关于消耗系数K： 锻造阶梯轴时：K=810% 锻造空心件时：K=1012% 锻造实心盘体时：K=23%,根据锻件的形状和尺寸，可以确定锻件重量，再考虑加热时的氧化损失，冲孔时冲掉的料头以及切头损失等，就可以计算出锻件所用坯料的重量。,当锻造大型锻件时，采用钢锭做坯料，还要考虑切掉的锭头和锭尾。 确定坯料尺寸时，还应考虑到坯料在锻造过程中必须的变形程度即锻造比的问题。对于以碳素钢钢锭为坯料并用拔长方法锻制的锻件，锻造比应不小于2.53.
21、0；如用轧材作坯料，则锻造比可取1.31.5。,模锻：在压力或冲击力作用下，金属坯料在锻模模膛内变形，从而获得锻件的工艺方法。,二、模型锻造,（一）模锻与自由锻相比有以下特点：,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。,（二）锻模结构,锻模,模膛,飞边槽,桥部,仓部, 形成锻件基本形状和尺寸的空腔。,容纳多余的金属。,增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛,1-锤头；2-上模；3-飞边槽；4-下模；5-模座；8-分模面；9-模膛；6、7、10-紧固楔铁；11-砧铁（
22、抵铁）,（三）模膛的分类,模膛,模锻模膛,制坯模膛,终锻模膛,预锻模膛,延伸模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,按使用设备不同分为：锤上模锻、胎模锻等。 锤上模锻 锤上模锻所用设备为模锻锤,通常为蒸气-空气锤。 对形状复杂锻件，先在制坯模膛内初步成形，然后在模锻模膛内锻造。 模锻模膛i)终锻模膛 作用：使坯料最后变形到锻件所要求的形状、尺寸。 尺寸比锻件尺寸放大一个收缩量，钢件约为1.5%。 四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出阻力，促使金属充满模膛，容纳多余的金属。 冲孔连皮：无法加工通孔而留下的一薄层金属。,ii) 预锻模膛 作用：使坯料变形到接近于锻件的形状尺寸，使终锻时，金属容易充满
23、终锻模膛。延长终锻模膛的使用寿命。 批量不大，形状简单时可不设预锻模膛。 区别：预锻模膛的圆角、斜度较大，没有飞边槽。终锻模膛的圆角、斜度较小，有飞边槽。, 制坯模膛 对形状复杂的模锻件,为使坯料形状基本接近模锻件形状,使金属能合理分布和很好地充满模锻模膛，就必须预先在制坯模镗内制坯，因而设制坯模膛。i) 拔长模膛 增加某一部分长度。ii)滚压模膛 减小某部分横截面积,以增大另一部分横截面积，坯料长度基本不变。iii)弯曲模膛 弯曲工件。iv)切断模膛 切断金属。此外还有成型模镗，镦粗台，击扁面等制坯模镗。,模膛可分为单膛及多膛，图3-18是多镗模锻。,曲柄压力机上模锻,摩擦压力机上模锻,胎模
24、锻 胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法，一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成型。扣模 图3-22 筒模 图3-23 合膜 图3-24,第四节 板料冲压,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：,拖拉机：400多个。,收割机：1000多个。,板料冲压的前提：塑性良好的薄板容易成形，可以冲压成复杂空间立体零件，且省料、省力，产品精度高，表面质量好。,板料要求： 低碳钢、铝、铜、镁合金等。厚度一般不超过10 mm，表面无伤痕。 设备： 剪板机（剪成条料）、冲床、液压机等。,冲压基本工序分两类： 一类是分离工序；一类是变形工序。 、分
25、离工序（冲裁）：使坯料的一部分相对另一部分产生分离的工序。包括落料和冲孔，分别在落料和冲孔模中进行。 、变形工序：使坯料的一部分相对一部分产生位移而不被破坏的工序。包括弯曲、拉深、翻边和局部成形等。汽车车身覆盖件主要由这四大成形工序完成。,冲压基本工序分两类：一类是分离工序；一类是变形工序。,）金属板料的分离过程 冲裁模的凸模（头）与凹模都有锋利刃口。两者间有间隙。,、分离工序（冲裁）包括落料和冲孔。分别在落料和冲孔模中进行。,2.变形工序 ）弯曲 ： 弯曲在弯曲模中进行。以弯曲角 和弯曲半径 r 表示弯曲变形量的大小。坯料外层为拉伸变形，内层为压缩变形，中部为中性层，应力、应变为零。,）拉深在拉深模中使平板件受力成形为空心立体件。,压边拉深时通常要对板料边缘进行压边，凹模内需要润滑。,拉深废品及缺陷,起皱,拉裂,）翻边,使带有预制孔的坯料沿孔口周围翻起而获得凸缘的工序。,）局部变形 包括胀形、旋压、压肋、压花（字）等。,
