哈工程材料成型課件-金屬塑性成形技術

金屬塑性成形技術金屬塑性成形技術是指利用金屬材料在壓力作用下發(fā)生塑性變形來制造零件的工藝。它廣泛應用于汽車、航空、船舶等各個領域。學習目標11.了解金屬塑性成形的基本概念包括塑性成形定義、基本原理、金屬塑性特性等。22.掌握塑性成形工藝包括鍛造、沖壓、擠壓、拉伸等常見工藝的原理、特點和應用。33.了解塑性成形工藝參數(shù)包括工藝參數(shù)選擇、成形缺陷及其預防、能量分析等。44.掌握塑性成形新技術包括新材料、新工藝、新設備等方面的最新發(fā)展趨勢。什么是金屬塑性成形金屬塑性成形金屬塑性成形是指在外部力的作用下，金屬材料發(fā)生永久變形而不發(fā)生斷裂的過程。成形方法常見金屬塑性成形方法包括鍛造、沖壓、拉伸、彎曲、擠壓等。應用廣泛金屬塑性成形廣泛應用于汽車、航空航天、機械制造等各個領域。塑性成形的基本原理壓力塑性成形需要施加足夠大的壓力，超過材料的屈服強度，使材料發(fā)生塑性變形。模具模具是塑性成形過程的關鍵要素，它為變形過程提供形狀和尺寸控制。外力外力通過模具傳遞到坯料，引起材料的塑性變形，最終形成目標形狀。金屬流動在壓力作用下，金屬材料會發(fā)生流動，并填滿模具腔體。金屬塑性特性金屬塑性特性是指金屬在受外力作用下發(fā)生塑性變形的能力，是金屬成形加工的重要基礎。金屬塑性特性受多種因素影響，包括材料的成分、組織結構、溫度、變形速度等。應力-應變曲線及其應用應力-應變曲線是材料科學中的一個基本概念，它描述了材料在受力變形時的行為。1彈性階段材料在卸載后恢復原始形狀2屈服階段材料開始發(fā)生永久變形3強化階段材料抵抗變形的能力增強4頸縮階段材料斷裂前的局部縮頸現(xiàn)象應力-應變曲線可以用于預測材料的強度、韌性、塑性和延展性，以及預測材料在不同環(huán)境下的性能表現(xiàn)。塑性變形機理位錯理論金屬內部存在著大量的位錯，這些位錯是晶體結構中的缺陷，也是塑性變形的主要原因。位錯運動導致材料變形，位錯的移動需要克服晶格阻力，因此金屬材料會表現(xiàn)出塑性變形。孿生孿生是指晶體的一部分通過原子排列方式發(fā)生重組，形成與母體晶體具有鏡像對稱關系的晶體。孿生變形主要是由于晶體滑移受阻，導致晶體內部發(fā)生原子重排，從而形成新的晶體結構。影響金屬塑性變形的因素金屬材料材料的強度、硬度、韌性、塑性等會直接影響金屬塑性變形的難易程度。例如，高強度鋼的塑性變形較難，而低碳鋼的塑性變形相對容易。溫度溫度升高可以提高金屬的塑性，降低其強度，使金屬更容易變形。例如，在熱加工過程中，金屬通常被加熱到高溫狀態(tài)，以提高其塑性。變形速度變形速度過快會使金屬的塑性降低，而變形速度過慢則會使金屬的塑性提高。變形方式不同的變形方式會影響金屬的塑性。例如，拉伸變形比壓縮變形更容易引起金屬的塑性變形。金屬塑性成形工藝坯料準備根據(jù)零件形狀和尺寸選擇合適的坯料，并進行切割、校平等預處理。成形利用模具和機械壓力將坯料塑性變形，使其獲得所需的形狀和尺寸。熱處理對成形后的零件進行熱處理，以改善其機械性能和消除殘余應力。表面處理對零件進行表面處理，如噴漆、電鍍等，以提高其表面質量和耐腐蝕性。檢驗對成形后的零件進行尺寸、形狀和性能檢驗，確保其符合設計要求。金屬塑性成形工藝分類熱加工在高溫下進行，材料處于高溫狀態(tài)，塑性變形更易于進行，加工力小，但也容易產生氧化和變形。冷加工在室溫或低溫下進行，材料強度高，加工力大，但可以獲得更高的精度和表面質量。溫加工介于熱加工和冷加工之間，溫度較高，但低于材料的再結晶溫度，可兼顧二者的優(yōu)點。鍛造成形鍛造是一種利用錘擊或壓力使金屬材料塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的加工方法。鍛造工藝在金屬成形領域扮演著重要角色，廣泛應用于制造汽車零部件、航空發(fā)動機部件等。鍛造工藝不僅可以提高材料強度和韌性，還可以改善材料的內部組織結構，從而提高材料的性能。壓鑄成形壓鑄成形是一種常見的金屬成形工藝。通過將熔融金屬注入模具，冷卻固化成最終產品。壓鑄成形具有生產效率高、產品精度高、可實現(xiàn)復雜形狀等優(yōu)點。廣泛應用于汽車、電子產品、機械零件等行業(yè)。壓鑄成形工藝包括模具設計、金屬熔煉、充填、冷卻等步驟。選擇合適的模具材料、金屬合金、工藝參數(shù)，可以獲得高質量的壓鑄產品。擠壓成形擠壓成形是一種常見的金屬塑性成形工藝。它通過模具和壓力將坯料壓縮，使其變形并形成所需的形狀。擠壓成形適用于各種金屬材料，包括鋁、銅、鋼和鈦。它被廣泛應用于生產各種形狀的零部件，例如管材、棒材、型材和輪轂。滾制成形滾制成形過程滾制成形是利用一對或多對滾輪，對坯料施加壓力，使其產生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的工件。滾制成形設備滾制成形設備主要由滾輪、機架、傳動機構等組成，根據(jù)不同的加工工藝要求，可選擇不同的滾輪材料、尺寸和形狀。滾制成形產品滾制成形可用于生產各種形狀的工件，例如管材、棒材、型材、薄板等。滾制成形應用滾制成形廣泛應用于航空航天、機械制造、建筑工程等領域。沖壓成形沖壓成形是一種利用沖床對金屬板材進行沖壓加工的塑性成形工藝。該工藝可實現(xiàn)各種形狀的金屬零件，如汽車車身、電子產品外殼等。沖壓成形具有生產效率高、材料利用率高、精度高、成本低的優(yōu)點。拉伸成形拉伸成形是一種常見的金屬塑性成形工藝，通過在模具中對坯料施加拉伸力，使其發(fā)生塑性變形，從而得到形狀復雜的工件。拉伸成形工藝廣泛應用于汽車、航空航天、電子等領域，例如汽車車身、航空機身、電子產品外殼等零件的制造。彎曲成形彎曲成形是一種常見的金屬塑性成形工藝，通過外力使金屬板料或型材發(fā)生塑性彎曲，形成所需的形狀。彎曲成形廣泛應用于制造汽車車身、飛機機身、船舶外殼等各種金屬結構件。彎曲成形工藝通常使用專門的彎曲機床進行。彎曲機床可以根據(jù)工件形狀和尺寸進行定制，并配備各種輔助設備，例如模具、夾具、壓緊裝置等。坯料選擇與設計材質選擇根據(jù)產品需求選擇合適的金屬材料，考慮強度、硬度、韌性、可加工性等性能。形狀設計根據(jù)產品形狀和尺寸設計坯料的形狀和尺寸，確保成形過程中材料流動和填充。工藝匹配考慮成形工藝，選擇合適的坯料尺寸、形狀和表面質量，提高成形效率和產品質量。模具設計與制造模具設計模具設計是一個復雜的過程，需要考慮材料、尺寸、形狀、精度等因素，并進行力學分析和熱分析，確保模具的性能和使用壽命。同時，模具設計需要考慮生產效率和成本效益，例如模具結構、制造工藝、加工方式等。模具制造模具制造需要使用各種加工設備和工藝，例如CNC加工、電火花加工、線切割加工等，以確保模具的精度和表面質量。模具制造過程中需要嚴格控制加工精度，確保模具尺寸和形狀符合設計要求，才能保證塑性成形的質量。塑性成形工藝參數(shù)的選擇11.成形溫度成形溫度直接影響金屬的塑性，過高或過低都會影響成形質量。22.成形速度成形速度影響金屬的變形程度，速度過快可能導致變形不均。33.壓力壓力是使金屬發(fā)生塑性變形的關鍵因素，壓力過低無法使金屬變形。44.模具形狀模具形狀決定了最終產品的形狀和尺寸，合理的模具設計是關鍵。成形缺陷及其預防常見缺陷金屬塑性成形過程中，常見的缺陷包括裂紋、起皺、尺寸偏差、表面粗糙等。這些缺陷會影響產品的質量和使用壽命，需要采取措施進行預防。預防措施合理的工藝參數(shù)選擇、模具設計、材料選擇以及操作規(guī)范等，是預防缺陷的關鍵。例如，優(yōu)化成形工藝參數(shù)，例如變形量、變形速度和溫度等，可以減少裂紋和起皺。塑性成形中的能量分析能量分析是評估塑性成形過程效率和可行性的重要環(huán)節(jié)。能量分析包括對各種能量形式的計算，例如外部輸入能量、塑性變形功、摩擦功和熱能。外部輸入能量塑性變形功摩擦功熱能機械設備消耗的能量材料塑性變形過程中的能量消耗工具與坯料之間的摩擦導致的能量消耗變形過程中產生的熱量通過能量分析，我們可以優(yōu)化工藝參數(shù)，提高效率，降低成本，并對塑性成形過程進行更深入的了解。塑性成形中的溫度分析溫度是影響金屬塑性成形工藝的重要因素之一，對材料的流動性、變形抗力、表面質量和最終產品性能都有顯著影響。溫度控制是保證塑性成形產品質量的關鍵，需要根據(jù)材料特性和成形工藝要求進行精確控制。100C高溫提高材料塑性，降低變形抗力200C中溫適宜大部分塑性成形工藝50C低溫提高材料強度，降低塑性殘余應力及其影響內部應力塑性成形過程中，材料內部產生的應力。這些應力在成形結束后仍然存在，被稱為殘余應力。變形殘余應力會導致零件發(fā)生變形，影響其尺寸精度和外觀。疲勞強度殘余應力會降低零件的疲勞強度，導致其在重復荷載下更容易失效。腐蝕殘余應力會加速金屬的腐蝕，縮短零件的使用壽命。金屬塑性成形設備液壓機液壓機廣泛用于金屬塑性成形，提供強大的壓力來改變金屬形狀。鍛造錘鍛造錘通過錘擊作用使金屬變形，主要用于鍛造工藝，如鍛造錘。卷板機卷板機用于彎曲金屬板材，可制作各種曲面金屬部件。擠壓機擠壓機利用壓力將金屬材料擠壓成型，常用于生產各種截面形狀的金屬棒材和管材。金屬塑性成形自動化11.自動化設備提高生產效率，降低人工成本，提高生產精度，例如機器人、自動控制系統(tǒng)。22.數(shù)字化管理通過數(shù)據(jù)采集和分析，優(yōu)化生產流程，提升產品質量，例如MES系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析平臺。33.人工智能技術預測性維護、工藝參數(shù)優(yōu)化、缺陷檢測，提高生產效率和產品質量。44.柔性生產滿足多樣化需求，快速調整生產線，提高生產靈活性，例如模塊化生產單元。塑性成形工藝的優(yōu)化1工藝參數(shù)優(yōu)化通過調整壓力、溫度、速度等參數(shù)，提高成形效率和產品質量。2模具設計優(yōu)化優(yōu)化模具結構和材料選擇，降低成形力，延長模具壽命。3材料選擇優(yōu)化選擇最佳的材料，使產品性能符合要求，降低成本。4成形過程優(yōu)化采用先進的成形技術，例如熱成形、快速成形等，提升成形效率和產品質量。塑性成形工藝優(yōu)化是提高產品質量、降低生產成本的重要手段。通過優(yōu)化工藝參數(shù)、模具設計、材料選擇和成形過程，可以提高成形效率，降低缺陷率，延長模具壽命，提高產品的性能。金屬塑性成形新技術快速成形技術例如，快速原型制造(RP)技術，可以快速制作出復雜形狀的金屬部件。增材制造技術如3D打印技術，可以直接制造出金屬零部件，無需傳統(tǒng)的加工工序。數(shù)字化塑性成形利用計算機技術進行成形過程的模擬和優(yōu)化，提高成形效率和產品質量。金屬塑性成形的未來發(fā)展智能化發(fā)展結合人工智能和機器學習技術，實現(xiàn)塑性成形工藝的智能化控制，提高成形效率和精度，降低生產成本。例如，基于深度學習的模