金属材料成形技术.ppt

《金属材料成形技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料成形技术.ppt（78页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、热加工工艺基础热加工工艺基础第二部分第二部分第第8 8章章 压力加工压力加工 概概 述述 5 5模型锻造模型锻造一、金属塑性成形（压力加工）的概念一、金属塑性成形（压力加工）的概念金属材料在金属材料在外力外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形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。状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。二、塑性成形的基本二、塑性成形的基本生产方式生产方式 1 1轧轧制制 2 2挤压挤压3 3拉拔拉拔4 4自由锻造自由锻造6 6板料冲压板料冲压上砥铁下砥铁坯料1 1）零件大小不受限制；）零件大小不受限制；2 2）生产批量不受限制。）生产批量

2、不受限制。三、塑性成形（压力加工）的特点三、塑性成形（压力加工）的特点1 1力学性能高力学性能高1 1）压合铸造缺陷）压合铸造缺陷;2 2）晶粒细化）晶粒细化,组织致密；组织致密；3 3）合理利用了变形强化和再结晶；）合理利用了变形强化和再结晶；4 4）使纤维组织合理分布。）使纤维组织合理分布。2 2节约材料节约材料1 1）力学性能高，承载能力提高；）力学性能高，承载能力提高；2 2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。3 3生产率高生产率高4 4适用范围广适用范围广1.1.金属的塑变实质。金属的塑变实质。8.1压力加工理论基础压力加工理论

3、基础金属塑性变形与再结晶金属塑性变形与再结晶（1 1）金属单晶体的塑性变形）金属单晶体的塑性变形工业上使用的金属材料大多数是工业上使用的金属材料大多数是多晶体多晶体，它们的塑性变形过程比较复杂，它们的塑性变形过程比较复杂，为了说明塑性变形的基本规律，有必要先了解为了说明塑性变形的基本规律，有必要先了解单晶体单晶体的塑性变形的塑性变形。先对载荷进行分解：先对载荷进行分解：外载荷沿某一晶面可以分解为外载荷沿某一晶面可以分解为正应正应力力和和剪切应力剪切应力这两种应力作用下各会发生什么情这两种应力作用下各会发生什么情况？况？正应力正应力只能引起弹性变形只能引起弹性变形剪切应力剪切应力不仅引起弹性变形

4、而且造成材料的塑性变形不仅引起弹性变形而且造成材料的塑性变形单晶体的塑性单晶体的塑性变形方式变形方式n一般绝大多数情况下都是以滑移方式进行的；一般绝大多数情况下都是以滑移方式进行的；n只有塑性较差的金属只有塑性较差的金属(如如Cd,Zn,Mg)Cd,Zn,Mg)等在较大的冲击载荷等在较大的冲击载荷下以及在低温下有可能产生孪生变形。下以及在低温下有可能产生孪生变形。孪生孪生孪生孪生滑移滑移滑移滑移1 1）滑移变形）滑移变形滑移滑移概念：在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部概念：在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分发生一定距离的移动。分发生一定距离的移动。滑移滑移机理（过程）：通过位错的逐步

5、迁移来实现的。机理（过程）：通过位错的逐步迁移来实现的。滑移滑移机理机理（过程）动画示意（过程）动画示意滑移过程滑移过程与地毯运动或波浪与地毯运动或波浪运动类似运动类似显微镜下的显微镜下的位错运动位错运动滑移滑移的取向性：滑移总是沿一定的取向性：滑移总是沿一定 的晶面（的晶面（滑移面滑移面）和）和晶向（晶向（滑移方向滑移方向）进行。）进行。滑移面：滑移面：原子排列最密的晶面原子排列最密的晶面 滑移方向：滑移方向：滑移面上原子排列最密的晶向滑移面上原子排列最密的晶向 原因：在原子排列最密的晶面和原子排列最密的晶向上原因：在原子排列最密的晶面和原子排列最密的晶向上滑移的阻力最小。滑移的阻力最小。2

6、 2）孪生变形）孪生变形孪生变形的实质：孪生变形的实质：在在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿一一定定的的晶晶面面和和晶晶向向发发生生均均匀匀切切变变，并并形形成成晶晶体体取取向向的的镜镜面面对对称称关系。关系。只只有有塑塑性性较较差差的的金金属属(如如Cd,Cd,Zn,Zn,Mg)Mg)等等在在较较大大的的冲冲击击载载荷荷下下以以及及在在低低温温下下有有可可能能产产生生孪生变形。孪生变形。单晶体的塑性变形小结：单晶体的塑性变形小结：单晶体的塑性变形是在剪切应力作用下，沿着一单晶体的塑性变形是在剪切应力作用下，沿着一定的晶面和晶向通过滑移或孪生来

7、完成的，其定的晶面和晶向通过滑移或孪生来完成的，其中滑移是主要变形方式，而滑移又是位错逐步中滑移是主要变形方式，而滑移又是位错逐步迁移的结果。迁移的结果。（2 2）多晶体的）多晶体的塑性变形塑性变形实际使用的金属都是多晶体，由大小、形状、位向都不完全实际使用的金属都是多晶体，由大小、形状、位向都不完全相同的晶粒组成，各晶粒之间由相同的晶粒组成，各晶粒之间由 晶界相连接晶界相连接 。多晶体塑性。多晶体塑性变形就每个晶粒内部来说与单晶体相同，还应考虑变形就每个晶粒内部来说与单晶体相同，还应考虑晶界晶界和和位位向向对变形的影响。对变形的影响。晶界晶界的影响：的影响：晶界原子排列混乱，明显阻碍滑移的进

8、行，晶界原子排列混乱，明显阻碍滑移的进行，所以晶粒越细小所以晶粒越细小（晶界增多），多晶体的宏观变形抗力越大，即材料的强度（晶界增多），多晶体的宏观变形抗力越大，即材料的强度越高。越高。晶粒位向晶粒位向的影响：的影响：多晶体在受到外力作用时，塑性变形首先发生在位向最有利的晶粒中，多晶体在受到外力作用时，塑性变形首先发生在位向最有利的晶粒中，如图如图 中的晶粒中的晶粒 A A 和和 B B。随着外力增加，作用在位向不太有利的滑移随着外力增加，作用在位向不太有利的滑移面上的切应力达到了塑性变形所需要的数值，塑性变形开始遍及越来面上的切应力达到了塑性变形所需要的数值，塑性变形开始遍及越来越多的晶粒。

9、各晶粒的变形先后不一致，变形量也不一致，这就造成越多的晶粒。各晶粒的变形先后不一致，变形量也不一致，这就造成了多晶体变形的不均匀性。当晶粒细小时，会使这种不一致现象分散了多晶体变形的不均匀性。当晶粒细小时，会使这种不一致现象分散开，使不均匀性得到缓解，开，使不均匀性得到缓解，所以晶粒越细小，材料的塑性也越好。所以晶粒越细小，材料的塑性也越好。2.2.塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响先看组织的变化：先看组织的变化：（1）工业纯铁晶粒形态的变化）工业纯铁晶粒形态的变化晶粒被拉长晶粒被拉长或者压扁或者压扁晶粒被拉长或者压扁破碎成为晶粒被拉长或者压扁破碎成为细条状并形成纤维

10、组织，细条状并形成纤维组织，等轴等轴晶粒晶粒未变形原未变形原始晶粒始晶粒轻微变形轻微变形的滑移线的滑移线拉长或压拉长或压扁的晶粒扁的晶粒细条状组织细条状组织和纤维组织和纤维组织再看性能变化：再看性能变化：经过塑经过塑性变形性变形物理、化物理、化学性能学性能电阻增加，抗电阻增加，抗腐蚀能力降低腐蚀能力降低力学力学性能性能强度、硬度升高强度、硬度升高（利），（利），塑性、塑性、韧性下降（弊）韧性下降（弊）理、化和力理、化和力学性能学性能加工硬化加工硬化经过塑经过塑性变形性变形n铜丝冷变形时的力学性能变化铜丝冷变形时的力学性能变化 加工硬化的应用：强化金属材料的方法之一加工硬化的应用：强化金属材料的

11、方法之一纯铁和低碳钢纯铁和低碳钢抗拉强度增加抗拉强度增加400500MPa高碳钢（细片状高碳钢（细片状珠光体组织）珠光体组织）抗拉强度可增加抗拉强度可增加1000MPa以上以上对于不能通过热处理强化的材料，显得尤为重要。对于不能通过热处理强化的材料，显得尤为重要。其他方面：金属材料具有加工硬化能力，零件在偶尔过载时其他方面：金属材料具有加工硬化能力，零件在偶尔过载时可防止突然断裂；还可以使各种冷加工工艺得以进行。可防止突然断裂；还可以使各种冷加工工艺得以进行。70%变形度变形度80%变形度变形度加热对变形金属组织和性能的影响加热对变形金属组织和性能的影响n经塑性变形的材料吸收了部分变形功，内能

12、增高，结构缺经塑性变形的材料吸收了部分变形功，内能增高，结构缺陷增多，处于不稳状态，具有自发恢复到变形前低自由能陷增多，处于不稳状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势状态的趋势;n但由于室温下原子扩散能力低，可以保持亚稳状态；但由于室温下原子扩散能力低，可以保持亚稳状态；n当冷形变的金属受热时原子扩散能力增强，将发生当冷形变的金属受热时原子扩散能力增强，将发生回复回复、再结晶再结晶与与晶粒长大晶粒长大等等过程。过程。变形金属在不同加热温度时晶粒大小变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图和性能的变化示意图（1 1）回复回复组组织织和和性性能能的的变变化化：加加热热温温度度较较低

13、低时时，原原子子的的活活动动能能力力不不大大，这这时时金金属属的的晶晶粒粒大大小小和和形形状状没没有有明明显显的的变变化化，只只是是在在晶晶内内发发生生点点缺缺陷陷的的消消失失以以及及位位错错的的迁迁移移等等变变化化，因因此此，这这时时金金属属的的强强度度、硬硬度度和和塑塑性性等等机机械械性性能能变变化化不不大大，而而只只是是使使内内应应力力及及电电阻阻率率等等性性能能显显著降低。著降低。回复的应用：回复的应用：用用于于降降低低应应力力（保保持持加加工工硬硬化化效效果果），防防止止工工件件变变形形、开开裂裂，提提高高耐蚀性的场合。耐蚀性的场合。比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，

14、此外，由比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，此外，由于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除残余应力。残余应力。（2 2）再结晶再结晶概念：概念：当冷变形金属被加热到高于回复的适当温度时，原子也具有较大的当冷变形金属被加热到高于回复的适当温度时，原子也具有较大的活动能力，此时将以破碎的晶粒为核心形成新的等轴晶粒。并使活动能力，此时将以破碎的晶粒为核心形成新的等轴晶粒。并使加工硬化现象完全消除，我们把这一阶段称为加工硬化现象完全消除，我们把这一阶段称为“再结晶再结晶”。应注意：形成的新晶粒与原来的晶粒晶格类型相

15、同，只是在变形组应注意：形成的新晶粒与原来的晶粒晶格类型相同，只是在变形组织内部以新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒。织内部以新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒。再结晶温度：再结晶温度：经严重冷变形（变形量经严重冷变形（变形量70%70%）的金属）的金属 或合金，在或合金，在1 1h h内能够完成内能够完成再结晶的（再结晶体积分数再结晶的（再结晶体积分数 95%95%）最低温度。）最低温度。经验公式经验公式 ：工业纯金属：工业纯金属：T T再再(0.350.45)(0.350.45)Tm Tm 合金：合金：T T再再(0.40.9)(0.40.9)TmTm。注：再结晶退火温度一般比上述温度

16、高注：再结晶退火温度一般比上述温度高100100200200再结晶过程示意图：再结晶过程示意图：金属的冷变形与热变形：金属的冷变形与热变形：工工程程上上把把在在再再结结晶晶温温度度以以下下进进行行的的压压力力加加工工称称为为冷冷变变形形；冷冷变变形形会会出出现现加加工工硬硬化现象。化现象。工工程程上上把把在在再再结结晶晶温温度度以以上上进进行行的的压压力力加加工工称称为为热热变变形形，热热变变形形通通过过再再结结晶晶及及时把加工硬化现象消除了，故不会遗留加工硬化现象。时把加工硬化现象消除了，故不会遗留加工硬化现象。再结晶的应用：再结晶的应用：工工程程上上对对于于板板料料冲冲压压等等冷冷变变形形

17、加加工工，往往往往要要在在工工步步之之间间穿穿插插再再结结晶晶退退火火，来来消消除除加加工工硬硬化化，否否则则会会造造成成裂裂纹纹等等缺缺陷陷。另另外外，再再结结晶晶退退火火控控制制的的合合适适还还会会使使晶粒比以前细化，可提高材料性能。晶粒比以前细化，可提高材料性能。加工硬化与再结晶的应用视频加工硬化与再结晶的应用视频8.1.2 纤维组织与锻造比纤维组织与锻造比1、纤维组织、纤维组织纤维组织概念：纤维组织概念：金属中（特别是晶界上）的杂质沿变形方向金属中（特别是晶界上）的杂质沿变形方向的流线分布。的流线分布。纤维组织特性：纤维组织特性：a a、造成材料的各向异性、造成材料的各向异性平行纤维方

18、向抗拉不抗剪；平行纤维方向抗拉不抗剪；垂垂直纤维方向抗剪不抗拉。直纤维方向抗剪不抗拉。b b、纤维的分布和方向用热处理无法改变。、纤维的分布和方向用热处理无法改变。纤维组织对性能的影响纤维组织对性能的影响不利的影不利的影响响过大的变形量使材料垂直过大的变形量使材料垂直于于纤维方向的力学性能有纤维方向的力学性能有所下降所下降解决解决方法方法控制变形量控制变形量:Y=S0/S有利的影有利的影响响使使纤维方向纤维方向合理分布合理分布，可提高材料的承载能力可提高材料的承载能力如何如何合理分合理分布？布？使工件受拉方向平行于使工件受拉方向平行于纤维方向纤维方向使工件受剪方向垂直于使工件受剪方向垂直于纤维

19、方向纤维方向使纤维沿零件的轮廓分布而不被切断使纤维沿零件的轮廓分布而不被切断曲轴的两种制造方法：曲轴的两种制造方法：左图为自由锻左图为自由锻纤维方向分布合理；纤维方向分布合理；右图为切削加工右图为切削加工纤维方向分布不合理纤维方向分布不合理2、锻造比、锻造比锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。拔长时的锻造比为拔长时的锻造比为 Y Y拔拔=A=A0 0/A=L/L/A=L/L0 0镦粗时的锻造比为镦粗时的锻造比为 Y Y镦镦=A/A=A/A0 0=H=H0 0/H/H一般情况下，增加锻造比，对改善金属的组织和性能是有一般情况下，增加锻造比，对改善金

20、属的组织和性能是有利的。但是锻造比太大是无益的。利的。但是锻造比太大是无益的。8.1.3 金属的可锻性金属的可锻性是金属材料在压力加工时成形的难易程度。1.1.可锻性的衡量指标可锻性的衡量指标1 1）塑性：）塑性：2 2）变形抗力：）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。材料的变形抗力越小，其可锻性越好。2.2.影响可锻性的因素影响可锻性的因素1 1）金属的本质）金属的本质化学成分：Me越低，材料的可锻性越好。组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。2 2）变形条件）变形条件变形温度：应力状态：变形速度：塑性、变形抗力塑性变形抗力T温越高，材料的可锻性越好。V变越小，材料的可锻性越好。三向

21、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。三、金属的变形规律三、金属的变形规律1.1.体积不变定律体积不变定律2.2.最小阻力定律最小阻力定律二、锻造温度范围二、锻造温度范围始锻温度：终锻温度：过热、过烧 缺陷加工硬化45:1200 800 8.2 8.2 常用锻造方法常用锻造方法一、一、自由锻设备自由锻设备锻锤压力机空气锤蒸汽空气锤水压机油压机65750Kg630Kg5T落下部分总重量=活塞+锤头+锤杆滑块运动到下始点时所产生的最大压力锻锤吨位=压力机吨位=8.2.1 自由锻自由锻大型锻件和单件小批锻件唯大型锻件和单件小批锻件唯一压力加工方法一压力加工方法具有万具有万吨

22、级水吨级水压机从压机从侧面代侧面代表一个表一个国家重国家重工业制工业制造能力造能力自由锻工序有三类：自由锻工序有三类：自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序基本工序 包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、错移、弯曲等；包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、错移、弯曲等；辅助工序辅助工序 包括压钳口、倒棱、压肩等；包括压钳口、倒棱、压肩等；精整工序精整工序 是对已成形的锻件表面进行平整，清除毛刺、校直弯曲、是对已成形的锻件表面进行平整，清除毛刺、校直弯曲、修整鼓形等。修整鼓形等。二、二、自由锻基本工序自由锻基本工序二、二、自由锻基本工序自由锻基本

23、工序基本工序 完成锻件基本变形和成形的工序。H完全礅粗局部礅粗，S S1.25H0/D02.53.3.冲孔：冲孔：4.4.弯曲：弯曲：5.5.扭转：扭转：6.6.错移：错移：1.1.礅粗：礅粗：2.2.拔长：拔长：，S SL L芯轴拔长芯轴扩孔三、三、自由锻工艺规程的制定自由锻工艺规程的制定1.1.锻件图的绘制锻件图的绘制1 1）机械加工余量）机械加工余量2 2）公差）公差3 3）敷料）敷料2.2.坯料重量和尺寸的计算坯料重量和尺寸的计算G坯坯=（1+k）G锻锻G坯坯=G锻锻+G切料切料+G芯料芯料+G烧烧K 消耗系数（1/31/4）余量Y=F坯坯/F锻锻Y=H坯坯/H锻锻拔长：镦粗：1.25

24、H0/D02.5圆截面坯料：所以：长轴类锻件：3.3.锻造工序的选择锻造工序的选择轴、杆类零件：镦粗、拔长盘类、环类零件：镦粗（拔长及镦粗）、冲孔（冲子扩孔或芯轴上扩孔）筒类零件：镦粗、冲孔、在芯轴上拔长自由锻件的分类与工步安排自由锻件的分类与工步安排3.3.锻造工序的选择锻造工序的选择4.4.锻造温度范围及加热火次的确定锻造温度范围及加热火次的确定5.5.锻造设备的选择锻造设备的选择6.6.确定工时确定工时 7.7.填写工艺卡填写工艺卡 四、自由锻件结构工艺性四、自由锻件结构工艺性1.1.避免斜面和锥度避免斜面和锥度2.2.避免曲面相交避免曲面相交3.3.避免加强筋和凸台避免加强筋和凸台4.

25、4.采用组合工艺采用组合工艺实例实例8.2.2 8.2.2 模型锻造模型锻造模型锻造 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、一、锤上模锻锤上模锻（一）锤上模锻设备（一）锤上模锻设备蒸汽空气模锻捶（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。（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

26、膛（四）锻模工艺规程的制定1.1.绘制锻件图绘制锻件图1 1）分模面的选择）分模面的选择分模面应选在锻件的最大截面处；分模面的选择应使模膛浅而对称；分模面的选择应使锻件上所加敷料最少；分模面应最好是平直面。2)2)确定加工余量、公差和敷料确定加工余量、公差和敷料加工余量：14mm公差：0.33mm3 3）设计模锻斜度）设计模锻斜度外壁斜度：57 0内壁斜度：712 04 4）设计模锻圆角）设计模锻圆角外圆角：r=1.512mm内圆角：R=（23）r5 5）确定冲孔连皮）确定冲孔连皮2.2.确定模锻工序确定模锻工序1 1）基本工序）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

27、2 2）修正工序）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、二、胎模锻造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。1.1.扣模扣模2.2.筒模筒模3.3.合模合模应用：没有模锻设备的中、小型锻件的批量生产。3 3 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。冷冲压冷冲压：t 2t。带孔件的弯曲：3 3）对拉深件的要求）对拉深件的要求 弯曲件的形状应力求简单、对称，并不宜太高；

28、拉深件的圆角半径应满足：rd t、R 2t；2.2.改进结构可简化工艺及节省材料改进结构可简化工艺及节省材料1 1）采用冲焊结构）采用冲焊结构2 2）采用冲口工艺）采用冲口工艺3 3）尽量简化冲压件的结构）尽量简化冲压件的结构12000吨水压机的故事n1961年12月，江南造船厂成功地建成国内第一台12000吨水压机，先将万吨水压机缩小成1/10，造1台1200吨水压机，让它投入生产，进行模拟试验。3座横梁用多块钢板焊接成一个整体。但整体焊接究竟能承受多少压力，谁也说不清楚，为了确保安全，先造一台120吨水压机作试验。不久，一台120吨水压机制造成功，经过实际考验，压力增加到430吨，横梁完好

29、无损，于是当即决定12000吨水压机3座横梁采用整体焊接的方案。这是一次工艺改革，不仅使横梁总重量从原来的1150吨减轻到570吨，同时使机械加工和装配工作量也减少了一半以上，为国家节约了大量资金。机身高33.65米，机上有13个特大件，即3座横梁、4根立柱和6只工作缸。100吨上下的零件12个，50吨左右的零件20余个，3座横梁的重量是100300吨，4根立柱各长18米，直径1米，重80吨，就连立柱上的螺丝帽一个就有五六吨重要完成万吨水压机的建造任务，还得闯过“金、木、水、火、电”5个大关。如果将全部焊缝折成100毫米厚，它的长度可延伸3公里以上；如果用一般的手工焊，一个电焊工要足足干30年才能焊完。用几台移动式土铣床直接放在横梁上加工，并用53把刀盘同时铣削，在精加工最后一刀时，他们扛来几十斤重的量具，上上下下量了100多次，最后使3座横梁12个孔累计误差只有0.24毫米。