第三章鍛壓成型(機械制造基礎(chǔ))

第3章

鍛壓成型Chapter3Forging鍛壓成形技術(shù)是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主體技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，全世界75％的鋼材需經(jīng)塑性成形，在汽車生產(chǎn)中，70％以上的零部件是利用金屬塑性加工而成的。

何為鍛壓鍛壓是利用外力使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形，獲得所需尺寸、形狀及性能的毛坯或零件的加工方法。鍛造:將坯料加熱到高溫狀態(tài)后進行加工。應(yīng)用于制造承受重載、沖擊、交變載荷的重要零件和毛坯，如：機床主軸、齒輪、起重機吊鉤等。沖壓:將坯料在常溫下進行加工。應(yīng)用于生產(chǎn)強度、剛度大、結(jié)構(gòu)輕的板殼類零件，如：日用器皿、儀表罩殼及汽車覆蓋件等。

主要方法及其應(yīng)用領(lǐng)域

鍛壓特點(1)改善金屬組織、提高力學性能(2)節(jié)約金屬材料(3)較高的生產(chǎn)率(4)毛坯或零件的精度較高(5)不能加工脆性材料(6)不能獲得形狀復雜的毛坯或零件

鍛壓材料

常用鍛壓材料:

低碳鋼、銅和鋁等塑性材料。不能鍛壓材料：鑄鐵等脆性材料

本章內(nèi)容3.1金屬的塑性變形與鍛造性3.2自由鍛造

3.3模型鍛造3.4板料沖壓3.5鍛壓新工藝3.1金屬的塑性變形與鍛造性

金屬的塑性變形“神舟”四號飛船成功返回渦輪噴氣發(fā)動機

塑性變形是金屬壓力加工的理論基礎(chǔ)

定義：內(nèi)應(yīng)力超過金屬的屈服點后，外力停止作用后，金屬的變形并不完全消失。

形式：晶粒內(nèi)部的滑移和孿晶；

晶粒間的滑移和轉(zhuǎn)動?！吧裰邸彼奶栵w船成功返回渦輪噴氣發(fā)動機塑性變形（滑移）“神舟”四號飛船成功返回渦輪噴氣發(fā)動機塑性變形（孿生）1.加工硬化

金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，隨變形度的增加，晶粒伸長、晶格扭曲以及產(chǎn)生碎晶，使得強度、硬度提高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。

好處：強化金屬方法

壞處：后續(xù)加工工序困難，工件易開裂。怎樣消除加工硬化現(xiàn)象？圖

工業(yè)純鐵冷變形前后的顯微組織（100）2.回復

當加熱溫度T回=（0.25—0.3）T熔，可消除晶格扭曲并降低內(nèi)應(yīng)力；但是，冷變形金屬的顯微組織無明顯變化，金屬的力學性能沒有顯著變化（強度、硬度下降很少，塑性提高不多。使加工硬化得到部分消除。3.再結(jié)晶

當加熱溫度T再=0.4T熔，塑性變形后金屬被拉長的晶粒重新形核、結(jié)晶變?yōu)榈容S晶粒，再結(jié)晶后金屬的強度、硬度顯著下降，塑性和韌性顯著提高，消除了全部加工硬化。使加工硬化得到完全消除。

金屬的鍛造性能金屬的可鍛性：是指金屬材料鍛壓加工成形的難易程度?？慑懶缘暮饬浚核苄院妥冃慰沽?。塑性好，變形抗力小則可鍛性好?？慑懶缘挠绊懸蛩兀航饘俚谋举|(zhì)（化學成分和金屬組織）工藝條件（溫度，速度和應(yīng)力狀態(tài)）1.金屬的本質(zhì)（1）化學成分影響

＊純金屬可鍛性比合金好

＊鋼的含碳量越低，可鍛性越好（2）金屬組織的影響＊組織不同,可鍛性有差異,純金屬、固溶體可鍛性好；＊柱狀組織和粗晶粒不如晶粒細小均勻的可鍛性好。2.加工條件（1）變形溫度的影響＊變形溫度低，金屬的塑性差，鍛壓困難，容易開裂。＊加熱溫度過高，晶粒急劇長大，塑性減小，可鍛性下降，稱“過熱”。＊加熱溫度接近熔點，晶界氧化甚至融化，導致金屬的塑性變形能力完全消失，稱為“過燒”。圖

鋼的鍛造溫度范圍（2）變形速度

＊

低速：變形速度↑→變形抗力↑→塑性↓＊

高速：變形速度↑→變形溫度↑→變形抗力↓→塑性↑圖

變形速度對金屬及合金鍛造性的影響

（3）應(yīng)力狀態(tài)

＊處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，金屬呈現(xiàn)良好的塑性狀態(tài)

＊三向受拉金屬的塑性最差

不同材料選擇不同加工方式：塑性好的材料：三向拉應(yīng)力下變形塑性差的材料：三向壓應(yīng)力下變形圖

幾種常用鍛壓方法的應(yīng)力狀態(tài)

本章內(nèi)容3.1金屬的塑性變形與鍛造性3.2自由鍛造

3.3模型鍛造3.4板料沖壓3.5鍛壓新工藝3.2自由鍛概念：只用簡單的通用性工具，在鍛造設(shè)備的上下帖間對

坯料施加外力，使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需鍛件的方法。特點：1)金屬坯料可朝各個方向自由流動，不受限制；2)所用工具簡單，設(shè)備和工具通用性強，成本低；3)鍛件精度較低，生產(chǎn)率低；4)其形狀和尺寸主要由操作者的技術(shù)來控制。是鍛制大型鍛件的唯一方法。

自由鍛造設(shè)備空氣錘——適用于小型鍛件蒸汽錘——適用于中、小型鍛件主要有空氣錘、蒸汽錘、水壓機、液壓機等。水壓機——適用于大型鍛件大型液壓機

自由鍛造基本工序主要有鐓粗、拔長、沖孔、彎曲、切割、扭轉(zhuǎn)和錯位等鐓粗使坯料整體或一部分高度減小、橫截面面積增大的工序。應(yīng)用領(lǐng)域：適餅塊類，盤套類。鐓粗的種類：有完全鐓粗、局部鐓粗和墊環(huán)鐓粗等。拔長使坯料橫截面減小而長度增加的鍛造工序。應(yīng)用領(lǐng)域：軸桿類鍛件成形。拔長的種類：平砥鐵拔長、芯軸拔長、芯軸擴孔等。沖孔采用沖子將坯料沖出透孔或不透孔的鍛造工序。應(yīng)用領(lǐng)域：制造空心工件，如齒輪坯、圓環(huán)和套筒。拔長的種類：實心、空心沖子沖孔和漏盤沖孔等。彎曲切割

鍛件類別常見鍛件圖例鍛造工序盤類零件齒輪、凸輪等鐓粗、沖孔軸桿類零件傳動軸、連桿等鐓粗、拔長、切肩、拔長筒類零件筒體等拔長、鐓粗、沖孔、在心軸上拔長環(huán)類零件圓環(huán)、法蘭、齒圈等鐓粗、沖孔、擴孔曲軸類零件曲軸、偏心軸等

拔長、錯移、拔長、扭轉(zhuǎn)彎曲類零件吊鉤、軸瓦等

拔長、彎曲

常見自由鍛工件工序

本章內(nèi)容3.1金屬的塑性變形與鍛造性3.2自由鍛造

3.3模型鍛造3.4板料沖壓3.5鍛壓新工藝3.3模鍛概念：將金屬坯料放在鍛模模膛內(nèi)，在鍛壓沖擊力或壓力下變形而獲得鍛件的方法。特點：

(1)生產(chǎn)效率較高

(2)能鍛造形狀復雜的鍛件

(3)模鍛件的尺寸較精確

(4)節(jié)省金屬材料

(5)模鍛操作簡單，勞動強度低分類：錘上模鍛、胎膜鍛、壓力機上模鍛等。1.錘上模鍛——在專用的模鍛空氣錘或模鍛蒸汽錘的鍛錘和模墊上分別固定上下模，上下模經(jīng)錘擊合攏，而獲得鍛件的方法。

錘上模鍛缺點：沖擊大、震動大、噪聲大、效率低。一般僅用于中小噸位的鍛錘。模座模墊下鍛模上鍛模錘頭錘上模鍛示意圖：鍛模由上、下模組成。上模和下模分別安裝在錘頭下端和模座上的燕尾槽內(nèi)，用楔鐵緊固。上下模合在一起，其中部形成完整的模膛。圖盤類鍛件的模鍛過程圖帶飛邊的模鍛件錘上模鍛分類：根據(jù)模膛功用不同，可分為模鍛模膛和

制坯模膛兩大類。（1）制坯模膛使坯料基本接近模鍛件的形狀，以便模鍛時金屬能合理分布，并很好地充滿模膛，必須預先在制坯模膛內(nèi)制坯。制坯模膛分為：拔長模膛、滾壓模膛、彎曲模膛、切斷模膛、鐓粗臺及壓扁面等。制坯模鏜

（2）模鍛模膛模鍛模膛分為預鍛模膛和終鍛模膛兩種。

目的是使坯料變形到接近于鍛件的形狀和尺寸，以便在終鍛成形時金屬充型更加容易，同時減少終鍛模膛的磨損，延長鍛模的使用壽命。①預鍛模鏜②預鍛模鏜可使坯料變形到熱鍛件所要求的形狀和尺寸。待冷卻收縮后即達到冷鍛件的形狀和尺寸。彎曲連桿的鍛模及成形過程示意圖

本章內(nèi)容3.1金屬的塑性變形與鍛造性3.2自由鍛造

3.3模型鍛造3.4板料沖壓3.5鍛壓新工藝概念：用沖模使薄板料分離或變形的加工方法。板料沖壓一般在冷態(tài)下進行，稱冷沖壓。當板厚度超過810mm時，可采用熱沖壓。特點：（1）操作簡單，便于機械化和自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)率高；（2）廢料少，利用率高；（3）可直接獲得強度高、剛度好、質(zhì)量輕的零件；（4）沖壓尺寸精度高，表面光潔，無須再加工,可壓出形狀復雜的零件；（5）缺點是沖模成本高；3.4板料沖壓通常用于金屬制品的大批量生產(chǎn)。

沖壓設(shè)備剪床——將板料剪成適當?shù)臈l料，供沖壓之用。沖床——（又稱曲柄壓力機）將條料沖壓成型。沖?！糜跊_壓的模具。剪床沖床

板料沖壓基本工序1.分離工序

落料和沖孔（沖裁）

2.成形工序

彎曲，拉深，縮口，脹形，翻邊。

1.分離工序：落料及沖孔（統(tǒng)稱沖裁）

＊落料——落下部分為成品。＊沖孔——落下部分為廢品。2.變形工序：拉深使平板坯料變形成開口空心零件的工序。拉深凹模坯料壓板沖頭原始直徑為D的板料，經(jīng)拉深后變成內(nèi)徑為d的杯形零件。凸模壓入過程中，拉深件的底部一般不變形，厚度基本不變。其余環(huán)形部分坯料經(jīng)變形成為空心件的側(cè)壁，厚度有所減小。側(cè)壁與底之間的過渡圓角部位被拉薄最嚴重。拉深工藝示意圖

①起皺：是拉深時板料失穩(wěn)造成的；②拉裂：當拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度造成。

常見拉深缺陷：如何防止拉深缺陷：

①

多次拉深，增大拉伸系數(shù)

②加大彎曲處圓角直徑；

③加大模具間隙；

④使用潤滑劑。圖多次拉深時筒形件直徑的變化2.變形工序：彎曲彎曲時利用模具或其他工具將坯料一部分相對于另一部分彎曲成一定的角度和圓弧的變形工序。彎曲過程中，板料的內(nèi)側(cè)受壓，外側(cè)受拉，最大拉應(yīng)力超過抗拉強度時，就會造成彎裂。內(nèi)彎半徑r越小越易彎裂。

圖

板料彎曲過程彎曲時注意的問題：

①

彎曲后要回彈，一般回彈角為0?-10?，事先要注意。②彎曲時盡量使彎曲線與坯料纖維方向垂直，以免彎裂。圖

彎曲時的回彈圖

彎曲時的纖維方向

日常生活用品，如鋁鍋、飯盒、臉盆等就是采用冷沖壓的加工方法制成。例如，制造飯盒，首先需要切出長方形并帶有4個圓角的坯料（稱為“落料”），然后用凸模將這塊坯料壓入凹模而成形垂直彎曲，4個拐角的材料產(chǎn)生堆聚并可看到皺褶。采用冷沖壓加工的汽車零件有：發(fā)動機油底殼，制動器底板，汽車車架以及大多數(shù)車身零件。這些零件一般都經(jīng)過落料、沖孔、拉深、彎曲、翻邊、修整等工序而成形。板料沖壓常識：

沖模工具沖壓模具是沖壓生產(chǎn)中必不可少的工藝裝備，按沖壓工序

的組合程度不同可分為簡單模、連續(xù)模和復合模三種。簡單模：壓力機在一次行程中完成一道工序的沖模。2.連續(xù)模連續(xù)模（又稱級進模、跳步模）是指壓力機在一次行程中，依次在幾個不同的位置上同時完成多道工序的沖模。圖

用導正銷定距的沖孔落料連續(xù)模

3.復合模壓力機在一次行程中，在同一中心位置上，同時完成幾道工序的沖模。由于復合模在同一中心位置上完成幾道工序，因此它必須在同一中心位置上布置幾套凸、凹模。圖

沖孔落料復合模

本章內(nèi)容3.1金屬的塑性變形與鍛造性3.2自由鍛造

3.3模型鍛造3.4板料沖壓3.5鍛壓新工藝3.5鍛壓新工藝

超塑性成型超塑性：金屬及合金在特定的組織條件、溫度條件及變形速度下進行變形時，呈現(xiàn)異乎尋常的塑性（伸長率可超過100%，甚至1000%以上），變形抗力大大降低（常態(tài)的1/5左右）。超塑性成型：對具有超塑性的坯料進行的成型。超塑性成型特點：

(1)擴大了鍛壓材料