金屬工藝學第十章

1、本次課的內容本次課的內容n前言前言n壓力加工基礎理論壓力加工基礎理論n常用鍛造方法（自由鍛造）常用鍛造方法（自由鍛造）n自由鍛零件結構的工藝性自由鍛零件結構的工藝性n板料沖壓板料沖壓一、前言一、前言1 1、何為壓力加工？、何為壓力加工？ 壓力加工是對坯料施加外力，使其產生塑性變形、壓力加工是對坯料施加外力，使其產生塑性變形、改變尺寸、形狀及改善性能，用以制造機械零件、工改變尺寸、形狀及改善性能，用以制造機械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是件或毛坯的成形加工方法。它是鍛造與沖壓鍛造與沖壓的總稱，的總稱，屬于壓力加工的范疇。屬于壓力加工的范疇。 鍛壓設備鍛壓設備 2. 2. 壓力加工特點：壓力

2、加工特點：n塑性變形是壓力加工的基礎，凡具有一定塑性的金屬塑性變形是壓力加工的基礎，凡具有一定塑性的金屬如鋼及大多數(shù)有色金屬，均可進行壓力加工。如鋼及大多數(shù)有色金屬，均可進行壓力加工。 與鑄造相比，與鑄造相比，鍛造鍛造的優(yōu)點是：的優(yōu)點是：金屬鑄錠經(jīng)塑性變金屬鑄錠經(jīng)塑性變形后，鑄造組織的內部缺陷如氣孔、縮孔、微裂紋等形后，鑄造組織的內部缺陷如氣孔、縮孔、微裂紋等得到焊合，再結晶后可細化晶粒，金屬的各種力學性得到焊合，再結晶后可細化晶粒，金屬的各種力學性能得到提高。能得到提高。沖壓件沖壓件又具有重量輕、精度高、剛性好又具有重量輕、精度高、剛性好等優(yōu)點。等優(yōu)點。 缺點缺點：（：（1 1）但由于鍛壓件

3、是在固態(tài)成形，金屬的但由于鍛壓件是在固態(tài)成形，金屬的流動受到限制。因此，對于形狀復雜、尤其是內腔形流動受到限制。因此，對于形狀復雜、尤其是內腔形狀復雜的零件，從制造工藝上鍛件遠不及鑄件容易實狀復雜的零件，從制造工藝上鍛件遠不及鑄件容易實現(xiàn)。（現(xiàn)。（2 2）鍛件的成本比鑄件高，材料利用率等方面也）鍛件的成本比鑄件高，材料利用率等方面也不如鑄件。然而，從鍛件力學性能的提高，鍛造流線不如鑄件。然而，從鍛件力學性能的提高，鍛造流線更加與受力條件相適應，在同樣受力條件下，零件的更加與受力條件相適應，在同樣受力條件下，零件的幾何尺寸可以縮小的角度看，又可以大大降低原材料幾何尺寸可以縮小的角度看，又可以大大

4、降低原材料的使用量，延長零件的使用壽命，節(jié)約金屬。的使用量，延長零件的使用壽命，節(jié)約金屬。 3. 3. 壓力加工的方法壓力加工的方法n軋制軋制n擠壓擠壓n拉拔拉拔n自由鍛造自由鍛造n模型鍛造模型鍛造n板料沖壓板料沖壓二、壓力加工理論基礎二、壓力加工理論基礎一）、金屬的塑性變形概述一）、金屬的塑性變形概述金屬塑性變形理論，對于單晶體是由于金屬原子金屬塑性變形理論，對于單晶體是由于金屬原子某晶面兩側受切應力作用產生相對滑移，或晶體的部某晶面兩側受切應力作用產生相對滑移，或晶體的部分晶格相對于某晶面沿一定方向發(fā)生切變，即分晶格相對于某晶面沿一定方向發(fā)生切變，即滑移理滑移理論和孿生理論。論和孿生理論。

5、二）、鍛造流線和鍛造比二）、鍛造流線和鍛造比n 鍛造時，金屬的脆性雜質被打碎，順著金屬主要鍛造時，金屬的脆性雜質被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布；塑性雜質隨著金屬變伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布；塑性雜質隨著金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布，這樣熱鍛后的金屬組形沿主要伸長方向呈帶狀分布，這樣熱鍛后的金屬組織就具有一定的方向性，通常稱為織就具有一定的方向性，通常稱為鍛造流線，又叫纖鍛造流線，又叫纖維組織維組織。鍛造比是鍛造時變形程度的一種表示方法。通常鍛造比是鍛造時變形程度的一種表示方法。通常用變形前后的用變形前后的截面比截面比、長度比或高度比來表示。、長度比或高度比來表示。三）、金屬

6、的鍛造性能三）、金屬的鍛造性能n是指金屬經(jīng)受鍛壓加工時成形的難易程度的工藝性能。是指金屬經(jīng)受鍛壓加工時成形的難易程度的工藝性能。其優(yōu)劣常用其優(yōu)劣常用塑性和變形抗力塑性和變形抗力綜合衡量。塑性高、變形綜合衡量。塑性高、變形抗力小則鍛造性能好。它決定于金屬的本質和變形條抗力小則鍛造性能好。它決定于金屬的本質和變形條件。件。（一）金屬的本質（一）金屬的本質1 1化學成分化學成分 純金屬一般具有良好的鍛造性能。碳鋼純金屬一般具有良好的鍛造性能。碳鋼隨碳的質量分數(shù)的增加，鍛造性能逐漸變差。合金元隨碳的質量分數(shù)的增加，鍛造性能逐漸變差。合金元素的加入會劣化鍛造性能。素的加入會劣化鍛造性能。2 2金屬組織金

7、屬組織 純金屬及固溶體鍛造性能好，而碳化物純金屬及固溶體鍛造性能好，而碳化物的鍛造性能差。鑄態(tài)柱狀晶組織和粗晶結構不如細小的鍛造性能差。鑄態(tài)柱狀晶組織和粗晶結構不如細小而又均勻晶粒結構的金屬鍛造性能好。而又均勻晶粒結構的金屬鍛造性能好。（二）變形條件（二）變形條件 1 1變形溫度變形溫度 變形溫度低，金屬的塑性差、變形抗力變形溫度低，金屬的塑性差、變形抗力大，不但鍛壓困難，而且容易開裂。提高金屬變形時大，不但鍛壓困難，而且容易開裂。提高金屬變形時的溫度，可使原子動能增加，原子間的結合力消弱，的溫度，可使原子動能增加，原子間的結合力消弱，使塑性提高，變形抗力減小。使塑性提高，變形抗力減小。 鍛造

8、溫度范圍是指鍛件由始鍛溫度到終鍛溫度的鍛造溫度范圍是指鍛件由始鍛溫度到終鍛溫度的間隔。鍛造溫度范圍的確定以合金狀態(tài)圖為依據(jù)。間隔。鍛造溫度范圍的確定以合金狀態(tài)圖為依據(jù)。2 2變形速度變形速度 變形速度指單位時間內的變形程度。變變形速度指單位時間內的變形程度。變形速度低時，金屬的回復和再結晶能夠充分進行，塑形速度低時，金屬的回復和再結晶能夠充分進行，塑性高、變形抗力?。浑S變形速度的增大，回復和再結性高、變形抗力?。浑S變形速度的增大，回復和再結晶不能及時消除冷變形強化，使金屬塑性下降，變形晶不能及時消除冷變形強化，使金屬塑性下降，變形抗力增加，鍛造性能變差。常用的鍛壓設備不可能超抗力增加，鍛造性能

9、變差。常用的鍛壓設備不可能超過過臨界變形速度臨界變形速度。 3 3應力狀態(tài)應力狀態(tài) 采用不同的變形方法，在金屬中產生的采用不同的變形方法，在金屬中產生的應力狀態(tài)是不同的。應力狀態(tài)對于塑性的影響為：壓應力狀態(tài)是不同的。應力狀態(tài)對于塑性的影響為：壓應力數(shù)目越多，塑性越好；拉應力數(shù)目越多，塑性越應力數(shù)目越多，塑性越好；拉應力數(shù)目越多，塑性越差；所以，在選擇變形方法時，對于塑性高的金屬，差；所以，在選擇變形方法時，對于塑性高的金屬，變形時出現(xiàn)拉應力有利于減少能量消耗；對于塑性低變形時出現(xiàn)拉應力有利于減少能量消耗；對于塑性低的金屬應盡量采用三向壓應力以增加塑性，防止裂紋。的金屬應盡量采用三向壓應力以增加

10、塑性，防止裂紋。4 4坯料表面質量坯料表面質量 表面粗糙或有劃痕、微裂紋、粗大表面粗糙或有劃痕、微裂紋、粗大夾雜都會在變形過程中產生應力集中，使缺陷擴展甚夾雜都會在變形過程中產生應力集中，使缺陷擴展甚至開裂。故塑性加工前應對坯料表面進行清理消除缺至開裂。故塑性加工前應對坯料表面進行清理消除缺陷，有時甚至需要進行表面預切削去掉坯料的表層金陷，有時甚至需要進行表面預切削去掉坯料的表層金屬。屬。 四）金屬的塑性變形規(guī)律四）金屬的塑性變形規(guī)律 1 1體積不變條件體積不變條件 由于塑性變形時金屬密度的變化很小，所以可認由于塑性變形時金屬密度的變化很小，所以可認為變形前后的體積相等。此假設稱為體積不變條件

11、。為變形前后的體積相等。此假設稱為體積不變條件。2 2最小阻力定律最小阻力定律 最小阻力定律是描述塑性變形流動規(guī)律的一種理最小阻力定律是描述塑性變形流動規(guī)律的一種理論，如果物體在變形過程中其質點有向各種方向移動論，如果物體在變形過程中其質點有向各種方向移動的可能性時，則物體各質點將向著阻力最小的方向移的可能性時，則物體各質點將向著阻力最小的方向移動。一般，金屬內某一質點流動阻力最小的方向是通動。一般，金屬內某一質點流動阻力最小的方向是通過該質點向金屬變形部分的周邊所作的法線方向。過該質點向金屬變形部分的周邊所作的法線方向。三三 常用鍛造方法（自由鍛）常用鍛造方法（自由鍛）n只用簡單的通用性工具

12、，或在鍛造設備的上、下砧鐵只用簡單的通用性工具，或在鍛造設備的上、下砧鐵間直接使坯料變形而獲得所需的幾何形狀及內部質量間直接使坯料變形而獲得所需的幾何形狀及內部質量的鍛件，這種方法稱為自由鍛。的鍛件，這種方法稱為自由鍛。一）一） 自由鍛設備自由鍛設備 根據(jù)對坯料作用力的性質不同，自由鍛設備可分根據(jù)對坯料作用力的性質不同，自由鍛設備可分為產生沖擊力的鍛錘和產生靜壓力的壓力機兩大類。為產生沖擊力的鍛錘和產生靜壓力的壓力機兩大類。二）自由鍛工藝規(guī)程的制訂二）自由鍛工藝規(guī)程的制訂 （一）繪制鍛件圖（一）繪制鍛件圖 鍛件圖是根據(jù)零件圖繪制的。自由鍛件的鍛件圖鍛件圖是根據(jù)零件圖繪制的。自由鍛件的鍛件圖是在

13、零件圖的基礎上考慮了加工余量、鍛造公差、工是在零件圖的基礎上考慮了加工余量、鍛造公差、工藝余塊等之后繪制的圖。模鍛件的鍛件圖還應考慮分藝余塊等之后繪制的圖。模鍛件的鍛件圖還應考慮分模面的選擇、模鍛斜度和圓角半徑等。模面的選擇、模鍛斜度和圓角半徑等。 鍛件圖的繪制方法如下：鍛件圖的繪制方法如下： 1 1）鍛件的形狀用粗實線，同時用假想線（雙點劃）鍛件的形狀用粗實線，同時用假想線（雙點劃線）描繪出零件的形狀。線）描繪出零件的形狀。2 2）鍛件的尺寸和公差標注在尺寸線的上面，零件）鍛件的尺寸和公差標注在尺寸線的上面，零件的尺寸和公差用括號標注在尺寸線的下面或側面。的尺寸和公差用括號標注在尺寸線的下面

14、或側面。3 3）圖上無法標注的技術要求，如鍛造溫度范圍、）圖上無法標注的技術要求，如鍛造溫度范圍、鍛造比、氧化缺陷、脫碳層深度等以技術條件方式用鍛造比、氧化缺陷、脫碳層深度等以技術條件方式用文字說明。文字說明。（二）計算坯料的重量和尺寸（二）計算坯料的重量和尺寸1 1坯料重量坯料重量 坯料的重量為鍛件的重量與鍛造時各種金坯料的重量為鍛件的重量與鍛造時各種金 屬損耗的重量之和，可按下式進行計算：屬損耗的重量之和，可按下式進行計算：m m坯坯=m=m鍛鍛+m+m燒燒+m+m芯芯+m+m切切 式中式中m m坯坯-坯料重量；坯料重量； m m鍛鍛-鍛件重量；鍛件重量； m m燒燒-加熱時坯料表面氧化燒

15、損的重量。與所用加熱時坯料表面氧化燒損的重量。與所用加熱設備類型等因素有關，可參考相關資料；加熱設備類型等因素有關，可參考相關資料； m m芯芯-沖孔時的芯料重量；沖孔時的芯料重量； m m切切-鍛造中被切掉的金屬重量。鍛造中被切掉的金屬重量。2 2坯料尺寸坯料尺寸 根據(jù)計算出的坯料重量即可計算杯料的根據(jù)計算出的坯料重量即可計算杯料的體積，最后依據(jù)選擇的坯料截面尺寸確定其長度。體積，最后依據(jù)選擇的坯料截面尺寸確定其長度。（三）選擇變形工序（三）選擇變形工序 通常，自由鍛件的成形過程是由一系列變形工序通常，自由鍛件的成形過程是由一系列變形工序組合而成的，工序的選擇主要是根據(jù)鍛件的形狀和工組合而成

16、的，工序的選擇主要是根據(jù)鍛件的形狀和工序的特點來確定。一般可將鍛件分為六大類序的特點來確定。一般可將鍛件分為六大類: :1 1軸桿類鍛件軸桿類鍛件 包括各種圓形截面實心軸，如傳包括各種圓形截面實心軸，如傳動軸、軋輥、立柱、拉桿等，還有矩形方形、工字形動軸、軋輥、立柱、拉桿等，還有矩形方形、工字形截面的桿件如搖桿、杠桿、推桿、連桿等，鍛造軸桿截面的桿件如搖桿、杠桿、推桿、連桿等，鍛造軸桿件的基本工序是件的基本工序是拔長拔長，但對于截面尺寸相差大的鑄件，但對于截面尺寸相差大的鑄件，為滿足鍛造比的要求，則需采取為滿足鍛造比的要求，則需采取鐓粗一拔長鐓粗一拔長工序。工序。 2 2空心類鍛件空心類鍛件

17、包括各種圓環(huán)、齒圈、軸承環(huán)和包括各種圓環(huán)、齒圈、軸承環(huán)和各種圓筒、缸體、空心軸等，鍛造空心件的基本工序各種圓筒、缸體、空心軸等，鍛造空心件的基本工序有有鐓粗、沖孔、擴孔、芯棒拔長鐓粗、沖孔、擴孔、芯棒拔長等。等。（三）選擇變形工序（三）選擇變形工序 3 3餅塊類鍛件餅塊類鍛件 包括各種圓盤、葉輪、齒輪、模塊等，包括各種圓盤、葉輪、齒輪、模塊等，其特點是橫向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。鍛其特點是橫向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。鍛造基本工序是造基本工序是鐓粗鐓粗，其中帶孔的件需，其中帶孔的件需沖孔沖孔。4 4曲軸類鍛件曲軸類鍛件 包括單拐和多拐的各種曲軸，目前鍛包括單拐和多拐的各種曲軸，目

18、前鍛造曲軸的工藝有造曲軸的工藝有自由鍛、模鍛、全流線擠壓鍛自由鍛、模鍛、全流線擠壓鍛等。其等。其中自由鍛的力學性能差，加工余量大，只在單件或小中自由鍛的力學性能差，加工余量大，只在單件或小批生產中應用，其基本工序有批生產中應用，其基本工序有拔長、錯移和扭轉拔長、錯移和扭轉。 5 5彎曲類鍛件彎曲類鍛件 包括各種具有彎曲軸線的鍛件，如吊包括各種具有彎曲軸線的鍛件，如吊鉤、彎桿、曲柄、軸瓦蓋等，基本工序是拔長、彎曲。鉤、彎桿、曲柄、軸瓦蓋等，基本工序是拔長、彎曲。6 6復雜形狀鍛件復雜形狀鍛件 包括閥體、叉桿、十字軸等，鍛造包括閥體、叉桿、十字軸等，鍛造難度大，應根據(jù)鍛件形狀特點，采用適當工序難度

19、大，應根據(jù)鍛件形狀特點，采用適當工序組合鍛組合鍛造。造。四、自由鍛零件結構工藝性四、自由鍛零件結構工藝性n1 1、零件結構應盡可能簡單、對稱、平直；、零件結構應盡可能簡單、對稱、平直；2 2、應避免零件上的錐形、楔形結構；如下圖所示。、應避免零件上的錐形、楔形結構；如下圖所示。 自由鍛設計原則：加工的可行性，經(jīng)濟性。自由鍛設計原則：加工的可行性，經(jīng)濟性。三、自由鍛零件結構工藝性三、自由鍛零件結構工藝性n3 3、應避免圓柱面與圓柱面、圓柱面與棱柱面相交；、應避免圓柱面與圓柱面、圓柱面與棱柱面相交； 三、自由鍛零件結構工藝性三、自由鍛零件結構工藝性n4 4、零件上不允許有加強筋；、零件上不允許有加

20、強筋；三、自由鍛零件結構工藝性三、自由鍛零件結構工藝性n5 5、對橫截面尺寸相差很大或形狀復雜的零件，應盡可、對橫截面尺寸相差很大或形狀復雜的零件，應盡可能分別對其進行鍛造，然后用螺紋連接。能分別對其進行鍛造，然后用螺紋連接。 n如下圖：螺紋連接如下圖：螺紋連接五、五、板料沖壓板料沖壓n板料沖壓：使板料經(jīng)分離或成形而得到制件的工藝統(tǒng)稱為板料沖壓：使板料經(jīng)分離或成形而得到制件的工藝統(tǒng)稱為沖壓沖壓。沖壓生產的特點是沖壓生產的特點是： 產品有較高的精度和較低的表面粗糙度值，互換性好，一般產品有較高的精度和較低的表面粗糙度值，互換性好，一般無需再進行切削加工；冷變形強化作用顯著，零件的重量輕、強無需再

21、進行切削加工；冷變形強化作用顯著，零件的重量輕、強度和剛度較高；能生產較復雜形狀的平板類和中空類零件，工藝度和剛度較高；能生產較復雜形狀的平板類和中空類零件，工藝過程便于機械化、自動化、生產效率高、廢品率低、成本低。過程便于機械化、自動化、生產效率高、廢品率低、成本低。沖壓常用的設備有沖壓常用的設備有剪床剪床和和沖床沖床等。剪床為沖床備料，將板料切成等。剪床為沖床備料，將板料切成條料；而沖壓加工主要在各類沖床上進行。條料；而沖壓加工主要在各類沖床上進行。一、沖壓的基本工序一、沖壓的基本工序（一）分離工序（一）分離工序 1 1切斷（剪裁）切斷（剪裁） 將材料沿不封閉的曲線分離的沖壓方法稱為切斷。將材料沿不封閉的曲線分離的沖壓方法稱為切斷。主要用于將板料切成具有一定寬度的條料，為成形工主要用于將板料切成具有一定寬度的條料，為成形工序的備料工序。序的備料工序。 2 2沖裁沖裁 利用沖模將板料以封閉的輪廓與坯料分離的沖壓利用沖模將板料以封閉的輪廓與坯料分離的沖壓方法稱為沖裁，沖裁是方法稱為沖裁，沖裁是落料和沖孔落料和沖孔的總稱。的總稱。 3 3精密沖裁精密沖裁 用壓邊圈使板料沖裁區(qū)處于靜液壓作用下，抑制用壓邊圈使板料沖裁區(qū)處于靜液壓作