第十一章 锻压成形工艺,概 述 第一节 金属的塑性变形 第二节 坯料加热和锻件冷却 第三节 自由锻 第四节 模锻 第五节 板料冲压 第六节 其他压力加工工艺 第七节 锻件质量与成本,压力加工方法示意图 a)轧制 b)挤压 c)拉拔 d)自由锻 e)模锻 f)冲压,锻压是对坯料施加压力，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，他是锻造和冲压的总称 。,概 述,第一节 金属的塑性变形,一、金属塑性变形的实质 1、单晶体的塑性变形 （1）滑移 是指晶体的某一部分沿着某一晶面（滑移面）相对于另一部分而滑动的现象。,晶体在切应力作用下的变形 a)未变形 b)弹性变形 c)弹、塑性变形 d)塑性变形,（2）孪生 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分以一定的晶面（孪生面）产生一定角度的剪切变形称为孪生。,通过位错运动产生滑移的示意图,晶体的孪生 a)变形前 b)变形后,2、多晶体的塑性变形 多晶体塑性变形是各个晶粒滑移的综合结果。 晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使形抗力增大。 晶粒小 晶界多 变形抗力大 强度，硬度（细晶强化） 晶粒小 变形分散，应力集中小 塑性，韧性,多晶体的晶间变形示意图 a)变形前 b)变形后,二、金属的冷塑性变形，回复及再结晶 1、冷变形强化 （1）冷变形强化现象 冷变形强化：即随着变形度的增加，金属材料的强度、硬化增加，而塑性、韧性下降的现象。,冷塑性变形对低碳钢力学性能影响,（2） 产生冷变形强化的原因 冷塑性变形增大了金属材料内部的位错密度。 金属材料经冷塑性变形后，晶粒形状会被压扁或拉长，形成冷加工纤维组织。,（3）冷变形强化在生产中的利弊 1）冷变形强化的有利影响 他是硬化金属的一种主要工艺方法，可提高金属强度、硬度和耐磨性，特别是对那些不能用热处理强化的金属材料，如纯金属，多数铜合金，奥氏体不锈钢和高锰钢等；他是使工件能够均匀成形的重要因素。,2）冷塑性变形的不利影响 当变形达到一定程度后，如需要继续变形，工件就会发生破裂；冷塑性变形产生的内应力会降低金属材料的耐蚀性，导致工件变形与开裂，降低工件抗载能力。 为了消除内应力和冷塑性强化现象， 恢复金属材料的塑性，就需要退火处理。,冲压示意图,2、回复、再结晶 （1）回复 当加热温度不高时，原子扩散能力较低，显微组织变化不大，强度、硬度稍有下降，塑性略有升高，电阻和内应力显著下降，应力腐蚀现象基本消除，这种现象称为回复。 工业上利用回复现象进行低温退火（又称为消除内应力退火），既可保留强化了的力学性能，又使内应力基本上得到消除。,加热温度对冷塑性变形金属组织和性能影响,（2）再结晶 当加热到较高温度时（如纯铁加热到450以上），由于原子扩散能力增强，使得被拉长了晶粒重新形核、结晶变为等轴晶粒，称为再结晶。 再结晶后的组织、性能变化： 通过重新形核、长大，生成新的等轴晶粒，晶格类型不变。 加工硬化消除 强度、硬度大大 ，塑性、韧性大大 。 最低再结晶温度 T再 纯金属 T再 =（0.4 0.35）T0 合金 T再=（0.5 0.7）T0 温度单位：绝对温度( K ),常见金属材料的再结晶退火与去应力退火的的温度,三、锻造流线及锻造比 在锻造时，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变形方向呈带状分布，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。 锻造流线使金属性能呈现异向性。沿流线（纵向）较垂直于流线方向（横向）具有较高强度、塑性和韧性。,锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。,锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法，通常用变形前后的截面积、长度比或高度比Y表示。 锻造比计算公式与锻造工序有关，拔长和镦粗工序的锻造比可用下式计算：,式中 Y拔长、Y镦粗拔长，镦粗时的锻造比； F0、L0、H0变形前坯料的截面积2；长度、高度； F1、L1、H1变形后的截面积2；长度、高度。,在一般情况下，增加锻造比，对改善金属的组织和性能是有利的，但锻造比太大却是无益的。,四、金属的锻造性能 金属的锻造性能是衡量金属材料承受锻压加工能力的工艺性能。金属的锻造性能可用其塑性和变形抗力来综合衡量。 1、金属本质的影响 （1）化学成分 纯金属锻造性能好。碳钢随着碳的质量分数的增加、锻造性能越来越差。合金钢中合金元素的质量分数越多、合金成份越复杂、锻造性能越差。 （2）金属组织 纯金属和单相固溶体具有良好的锻造性能。,变形速度对金属的锻造性能的影响,2、变形条件的影响 （1）变形温度 T变形 ，金属的锻造性能 （2）变形速度,（3）应力状态 拉应力使金属内部不同晶面间的原子趋向分离，从而可能导致坯料破裂。压应力能提高金属的塑性，但增加金属变形时内部磨擦力，使变形抗力增大，为实现变形加工，就要相应增加设备的吨位。,金属变形时的应力状态 a) 挤压 b)拉拔 c)自由锻镦粗,第二节 坯料加热和锻件冷却,一、坯料的加热 1、加热温度范围 用始锻温度和终锻温度来表示。,常用金属材料的锻造温度范围,二、锻件的冷却 1、空气中冷却（简称空冷） 一般多用于C1000.5的碳钢和 C1000.3低合金钢中的中小型锻件。 2、在干砂或石灰坑中冷却 一般多用于中碳钢、碳素工具钢和大多数低合金钢的中型锻件。 3、随炉缓冷 一般多用于中碳钢和低合金钢的大型件以及高合金钢的重要锻件。,自由锻是使金属在上下砧之间受到冲击力或压力，产生塑性变形从而获得锻件的加工方法。,第三节 自由锻,445MN（50000t）水压机,一、自由锻设备 有两类：一类是产生冲击力的锻锤，如空气锤、蒸汽空气锤，另一类是产生静压力的压力机，如液压机和油压机。,空气锤示意图 a)外形图 b)工作原理,二、自由锻的基本工序 1、镦粗： 镦粗工序主要用于高度小，截面大的工件如齿轮坯，圆饼类锻件。 2、拔长 拔长工序主要用于制造长而截面小的工件，如轴、拉杆、曲轴等。 （1）在平砧上拔长 （2）在心轴上拔长,镦粗 a)完全镦粗 b)局部镦粗,拔长示意图 a)在平砧上拔长 b)在芯轴上拔长,3、冲孔 （1） 双面冲孔法 （2） 单面冲孔法,双面冲孔示意图 a) 冲一面 b)冲另一面 c)冲孔完成,单面冲孔示意图 a)准备冲孔 b)冲孔结束,4、弯曲 （1） 锻锤压紧弯曲法 （2） 用垫模弯曲法,用垫模弯曲法 a) 板料弯曲 b)角尺弯曲 c)成形角尺,锻锤压紧弯曲法 a)用大锤打弯 b)用吊车拉弯,三、自由锻工艺规程的制订 1、绘制锻件图 （1）机械加工余量 （2）余块 （3）锻造公差,阶梯轴类锻造机械加工余量与公差,2、确定变形工序,自由锻件分类及基本工序方案,3、计算坯料质量和尺寸 （1）坯料质量计算 m0=m锻+m烧 式中 m0坯料质量； m锻锻件质量，由锻件体积和金属密度的乘积求得； m烧坯料在加热时，因生成氧化皮的金属耗损量。 （2） 坯料尺寸的计算 坯料的直径D0或边长A0可由下式计算,根据初步计算出的坯料直径或边长，查表选用标准直径或边长，然后求出坯料的高度或下料长度。,热轧圆钢的直径 mm,4、选定锻造设备,自由锻锤的锻造能力范围,5、制订自由锻工艺规程举例 以图所示车床变速箱齿轮为例，制订自由锻工艺如下： （1） 绘制锻件图 （2）确定变形工序 （3）确定坯料的质量及尺寸 根据计算，参照相应表格，取D0为140，坯料高度H0为175，最后确定坯料尺寸：140175 (4) 确定设备吨位 参照表格，属圆环类，应选0.5 t自由锻锤。,车床变速箱齿轮 a)零件图 b)锻件图,齿轮坯的自由锻工序 a)下料 b)镦粗 c)垫圈局部镦粗 d)冲孔 e)冲头扩孔 f）修整 1垫环 2锻件 3冲头 4、上砧,四、自由锻锻件结构工艺性 1、锻件上应避免锥体或斜面的结构 2、避免圆柱面与圆柱面相交,3、锻件上不能有加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面 4、采有组装结构,轴类锻件结构 a)不合理 b)合理,杆类锻件结构 a)不合理 b)合理,盘类锻件结构 a)不合理 b)合理,复杂件结构 a)不合理 b)合理,第四节 模锻,模锻是将加热后坯料放在锻模膛内，在锻模上施加压力或冲击力，使坯料变形并充满锻模模膛，从而获得具有形状和尺寸要求的锻件。 特点：优点是生产率较高锻件尺寸较精确，表面光洁，可以获得形状较复杂的锻件、操作简单、易实现机械化、锻件生产成本低等。但模锻的设备费用高、锻模制造周期长、成本高。 应用：只适用于批量大、质量较轻的中小型锻件的生产。例如汽车、拖拉机、动力机械中一些对力学性能要求较高的中小型零件。,一、锤上模锻 锤上模锻是在模锻锤上进行模型锻造方法。 1、锻模结构,锤上锻模构造 1锤头 2上模 3飞边槽 4下模 5模垫 6、7、10紧固楔铁 8分模面 9模膛,（1） 制坯模膛 模锻形状复杂的锻件时，为了便于成形，先使坯料初步变形所用的模膛称为制坯模膛。 根据制坯工步的不同，制坯模膛又可分为拔长模膛、滚挤模膛、弯曲模膛等。 （2） 模锻模膛 模锻模膛是使坯料变成一定形状和尺寸的锻件所用的模膛。,弯曲连杆锻造模膛和变形工步,2、工艺规程制订 锤上模锻的工艺规程包括：绘制锻件图、计算坯料、确定模锻工步，选择设备等。 （1） 绘制锻件图 1） 分模面：分模面是上、下模块在锻件上的分界面，确定分模面的一般原则是：,分模面选择比较图,便于模锻件从模膛取出。 模膛要浅，以便于锻模制造；坯料填充模膛。 沿分模面的上、下模膛外形要一致，便于及时发现锻模的错移。 应该使锻件上余块为最小。 分模面为一平面，且上、下模膛深浅一致，以便锻模制造。,2） 确定加工余量、锻造公差和余块 3） 模锻斜度 4） 圆角半径 5）冲孔连皮,齿轮坯模锻件图,（2）计算坯料尺寸,（3） 变形工步确定,短轴类锻件,高毂锻件变形工艺 a)镦粗 b)成形镦粗 c)终锻,长轴类锻件,弯曲轴线锻件变形工艺过程,（4） 锻锤吨位的确定,选择模锻锤吨位的概略数据,（5） 模锻件的修整 切边和冲孔； 校正 （6） 锻件热处理 ：一般采用正火或退火 3、 模锻零件的结构工艺性 设计模锻零件时，应使结构符合下列原则： （1） 模锻零件要有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径。 （2） 为了金属易充满模膛、减少工步，零件外形力求简单、平直、对称。 （3） 应尽量避免窄沟、深孔及多孔结构，便于模具制造和延长模具寿命。 （4）对于复杂锻件 在可能条件下，应采用锻焊或锻机械连接工艺，以减少余块、简化模锻工艺。,结构不合理的模锻件 a)不合理 b)不合理,二、胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。 1、胎模锻的特点 可获得形状复杂、尺寸较为精确的锻件；节省金属，提高生产率；操作灵活；胎模制造也较简单。但尺寸精度低于锤上模锻。另外，劳动生产率、模具寿命等方面低于模锻。 应用：胎模锻适用于中小批生产，他在没有模锻设备的工厂、应用较为普遍。,2、胎模的种类 （1） 扣模 （2） 套筒模 （3） 合模,扣模结构 1上扣模 2下扣模 3坯料,套筒模结构 a)开式筒模 b)闭式筒模 1套筒模 2坯料 3模垫 4冲头 5左半模 6右半模图,合模结构 1导柱 2导锁,3、胎模锻的工艺过程 胎模锻的工艺过程包括制订工艺规程、制造胎模、备料、加热、锻制和后续工序等。,法兰盘胎模锻工艺过程,三、压力机上模锻 1、曲柄压力机模锻 曲柄压力机导向精度高，上下模都可安装顶出装置，工作时锻件不易错移、变形均匀、形状准确、锻件余量及公差较小。另外，他振动小，噪音低，操作安全，劳