《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第10章

第10章金屬塑性成形10.1金屬塑性成形理論基礎(chǔ)10.2自由鍛10.3模鍛10.4板料沖壓10.5其他壓力加工成形方法10.6工程應(yīng)用案例———汽輪機低壓轉(zhuǎn)子鍛造工藝習題與思考題10

金屬材料塑性成形技術(shù)是利用金屬的塑性使其產(chǎn)生變形，以達到工件成形的目的。金屬材料塑性成形應(yīng)用最廣泛的工藝是鍛造工藝，其在汽車、拖拉機、各種動力及礦山機械和航空航天等行業(yè)占有重要地位。塑性成形工藝的主要目標是如何進一步提高成形件的精度和內(nèi)部質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期和降低成本，并利用計算機進行輔助設(shè)計、制造、工藝模擬和生產(chǎn)管理以提高競爭力。

10.1金屬塑性成形理論基礎(chǔ)

10.1.1金屬變形的實質(zhì)金屬的塑性大小是材料本身屬性，不同材料在同一變形條件下的塑性不同，同一材料在不同的變形條件下的塑性也不同。一般影響金屬材料塑性的因素主要包括金屬材料的晶格類型、化學成分和內(nèi)在組織特征等內(nèi)在因素，以及受力狀態(tài)、變形方式、變形溫度、變形速度等外部因素。在壓力加工過程中，金屬材料產(chǎn)生足夠的塑性變形的同時需保證不破裂。因此，在塑性變形過程中應(yīng)正確選用壓力加工方法、合理設(shè)計零件形狀，了解壓力加工的理論。

金屬材料在外力作用下，原子離開原來的平衡位置，原子間距離增大而產(chǎn)生了變形。在拉應(yīng)力作用下，原子間距增大，原子間的排斥力減小，吸引必然增大，超過排斥力的吸引力和拉應(yīng)力相平衡。在壓應(yīng)力作用下，原子間距縮短，排斥力便大于吸引力，多余的排斥力與壓應(yīng)力建立新的平衡。當外力停止作用后，應(yīng)力消失，變形也隨之消失。金屬的這種變形稱為彈性變形。

當外力增加時，原子進一步遠離其平衡位置，首先發(fā)生彈性變形，當外力使金屬的內(nèi)應(yīng)力超過屈服點后，變形逐漸過渡到塑性變形。由于此時原子移動了原子間距離的數(shù)倍，原子移到了新的平衡位置，重新處于穩(wěn)定狀態(tài)，即使外力停止作用，金屬的變形并不消失。金屬的這種變形稱為塑性變形。當外力繼續(xù)作用或增加時，金屬材料的變形將進一步增大，從而得到一定的變形量。

晶體在受到正應(yīng)力時是不會產(chǎn)生塑性變形的，而是由彈性變形直接過渡到脆性斷裂。塑性變形只有在受到剪應(yīng)力時才會發(fā)生。

10.1.2單晶體的塑性變形

單晶體的塑性變形主要通過滑移和孿生兩種方式進行。單晶體在剪切力的作用下，一部分晶體與另一部分沿著一定的晶面(滑移面)產(chǎn)生相對滑移，從而引起單晶體的塑性變形，這種變形方式叫做滑移。

金屬獲得大塑性變形的主要方式為滑移，當晶體的滑移變形難以進行時，金屬晶體的變形采用孿生進行。孿生是晶體一部分相對另一部分，對應(yīng)于一定的晶面(孿生面)沿著一定的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動的結(jié)果。已變形部分的晶體位向發(fā)生改變，與未變形部分以孿晶面互為對稱。

10.1.3多晶體的塑性變形

多晶體的塑性變形方式也是以滑移和孿生為主。多晶體的塑性變形可看成是多晶體中大量單個晶粒在滑移和孿生的同時，發(fā)生滑動或轉(zhuǎn)動等晶間變形的累積。多晶體的塑性變形受到晶界的阻礙和位向不同晶粒的影響，且變形過程與周圍晶粒同時發(fā)生的變形進行配合，以保證晶粒之間的結(jié)合與物體的連續(xù)性。所以多晶體材料的晶間變形量不能過大，否則會引起金屬材料的破壞。

10.1.4塑性變形金屬的加工硬化、回復(fù)和再結(jié)晶

金屬經(jīng)過塑性變形后，其組織和性能會發(fā)生如下變化：產(chǎn)生加工硬化；對塑性變形后的金屬進行加熱后，隨溫度升高和加熱時間的延長，其組織和性能發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。

金屬的力學性能隨內(nèi)部微觀組織的改變而發(fā)生變化。在室溫條件下，變形程度越大，金屬的強度和硬度升高，而塑性和韌性下降。這是因為金屬中的晶粒發(fā)生嚴重變形而破碎，導(dǎo)致晶粒之間滑移阻力增大，使晶間的變形更加困難。這種隨變形程度增大，強度和硬度上升而塑性和韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷變形強化。

加工硬化使金屬繼續(xù)塑性變形發(fā)生困難，必須采取退火措施來加以消除，使生產(chǎn)效率降低和生產(chǎn)成本提高。但是可用加工硬化作為金屬的一種強化手段，特別是一些不能用熱處理方法強化的金屬材料，可應(yīng)用加工硬化來強化，以提高金屬零件的承載能力。

對變形金屬進行加熱，使原子獲得熱能而恢復(fù)正常排列狀態(tài)，消除晶格扭曲，使部分加工硬化效果消除，這一過程稱為回復(fù)。這時的溫度稱為回復(fù)溫度，通常

式中:T回

為以絕對溫度表示的金屬回復(fù)溫度；T熔為以絕對溫度表示的金屬熔化溫度。

當溫度繼續(xù)升高，使原子獲得了更大的活動能力，在晶界或滑移帶等區(qū)域產(chǎn)生晶核，然后逐漸長大，成為具有正常晶格的新晶粒，新晶粒長大到彼此邊界相遇，從而消除了全部冷變形強化作用，這一過程稱為再結(jié)晶。這時的溫度稱為再結(jié)晶溫度，通常

式中:T

再為以絕對溫度表示的金屬再結(jié)晶溫度。

影響再結(jié)晶過程的因素主要有金屬變形程度、金屬的化學成分、變形晶粒的晶粒尺寸、加熱溫度、加熱速度和保溫時間等。在相同條件下提高加熱溫度，可加快再結(jié)晶速度以縮短再結(jié)晶的時間。

10.2自由鍛

10.2.1自由鍛設(shè)備自由鍛是利用沖擊力或壓力使金屬在上、下兩個砧鐵之間產(chǎn)生變形，獲得所需形狀與尺寸鍛件的方法，其使用的工具都是通用工具，操作上具有很大的靈活性，金屬的變形方向可自由流動。但是自由鍛獲得的鍛件精度差、加工余量大、工人勞動強度高，較為適合生產(chǎn)大型和特大型鍛件、小批量或單件鍛件。

自由鍛的通用設(shè)備根據(jù)其驅(qū)動形式不同分為空氣錘、蒸汽空氣自由鍛和水壓機等。

空氣錘的結(jié)構(gòu)如圖10－１所示?？諝忮N采用電動機驅(qū)動，減速機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)推動氣缸中的活塞產(chǎn)生壓縮空氣，通過上、下旋閥的配氣作用，使壓縮空氣進入工作缸的上部或下部，或直接與大氣連通，從而使工作活塞連同錘桿和錘頭一起實現(xiàn)上懸、下壓、單擊和連擊等動作，以完成對坯料的鍛造。

空氣錘的噸位根據(jù)落下部分的質(zhì)量表示，通常空氣錘落下部分為65~750kg，也有少量1000kg和2000kg的空氣錘。通常的設(shè)備錘擊力較小，一般只能對100kg的鍛件進行加工。圖10－1空氣錘

蒸汽空氣錘是中小型鍛件普遍使用的加工設(shè)備。蒸汽空氣錘是采用由鍋爐提供的蒸汽或由壓縮機提供的壓縮空氣為驅(qū)動力的。自由鍛錘壓力通常為6~8個大氣壓，模鍛錘壓力為7~9個大氣壓。用壓縮空氣為驅(qū)動力時，電能消耗大，成本高，故一般使用蒸汽為驅(qū)動力。

蒸汽空氣自由鍛錘的落下質(zhì)量通常為600~5000kg，適合70~700kg的中小型鍛件進行加工。蒸汽空氣自由鍛如圖10－2所示。圖10－2蒸汽空氣自由鍛

水壓機是利用工作部分在工作行程內(nèi)的靜壓力進行鍛造的鍛壓設(shè)備。由于水壓機可以產(chǎn)生很大的壓力，坯料的變形速度低、變形抗力小，使坯料的壓下量大且鍛透深度大，鍛錘工作的振動小。因此水壓機適合大型鍛件的鍛造。

常見的自由鍛水壓機為500~12000t，國外最大的自由鍛造水壓機為15000~20000t，用于模鍛或擠壓的水壓機可達68000~90000t。

10.2.2自由鍛的基本工序

自由鍛的變形工序分為基本工序、輔助工序和修整工序。基本工序是使金屬變形的基本成型工序，主要包括鐓粗、拔長、切割、沖孔、彎曲、鍛接、扭轉(zhuǎn)等。輔助工序是為了便于基本工序完成而對坯料進行少量變形的預(yù)處理工序，主要包括壓鉗口、壓鋼錠棱邊、切肩等。修整工序是在基本工序完成后對鍛件進行少量的整形工序，以保證鍛件尺寸，提高鍛件成型質(zhì)量，主要包括校正、滾圓、平整。自由鍛基本工序如表10－1所示。

10.2.3自由鍛工藝規(guī)程的制定

自由鍛的生產(chǎn)一般需要根據(jù)工藝卡制定的工藝工程進行。制定工藝規(guī)范和編寫工藝卡決定毛坯質(zhì)量和尺寸、確定工序順序、尺寸和工具，選擇設(shè)備，確定加熱及冷卻和熱處理規(guī)范等的過程，也是組織生產(chǎn)過程、規(guī)定操作規(guī)范、控制和檢測產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)。自由鍛工藝制定的主要內(nèi)容如下:

1.鍛件圖的繪制

鍛件圖是制定鍛造工藝規(guī)范的核心內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品零件圖加上機械加工余量、公差等組成。

(1)敷料。將鍛件形狀簡化，為了便于鍛造而在表面“增加”的一部分金屬稱為敷料。

(2)鍛件余量。由于自由鍛的鍛件精度差、表面質(zhì)量差，故鍛件需要保留較大加工余量，以便于鍛造結(jié)束后進行機械加工，故應(yīng)在零件的加工表面增加用于切削加工用的金屬，稱之為鍛件余量。鍛件余量的大小與零件本身尺寸和形狀等因素相關(guān)。一般要求在生產(chǎn)可能和合理的情況下，盡量減少鍛件余量。通常零件越大、形狀越復(fù)雜，鍛件余量就越大。具體數(shù)值可參考“錘上自由鍛造鍛件機械加工余量與公差標準”或結(jié)合生產(chǎn)的實際條件查表確定。

(3)鍛件公差。零件工程尺寸加上鍛件的機械加工余量稱為鍛件公稱尺寸。鍛件實際尺寸與鍛件公稱尺寸之間允許的誤差范圍叫做鍛件公差。鍛件公差也可理解為是鍛件名義尺寸的允許變動量。通常，鍛件公差為機械加工余量的1/4~1/3，其值的大小根據(jù)鍛件形狀、尺寸及具體的加工情況選取。

2.坯料質(zhì)量及尺寸的計算

坯料所用的質(zhì)量為鍛件質(zhì)量與鍛造損耗之和。坯料質(zhì)量為

式中:G鍛件為鍛件質(zhì)量。G燒損為加熱時坯料表面高溫氧化而燒損的質(zhì)量。該值的大小與金屬種類、鍛件大小、加熱爐等因素相關(guān)。通常第一火加熱的燒損較大，有時可達2%~3%，第二火及以后的燒損量為0.5%~1.5%。G料頭為鍛件在自由鍛時切去的部分，也叫切頭損耗。對

于長度較大的工件，為了得到平直的端面，需要在端頭切去一段;在沖孔加工時被沖掉的中部料芯。自由鍛時的切頭損耗重量可根據(jù)鍛件的端面尺寸(直徑、寬度和高度)進行計算獲得。

坯料尺寸應(yīng)根據(jù)鍛件的變形程度即鍛造比確定。通常采用碳素鋼拔長制備鍛件時，鍛造比一般不小于2.5~3.7;采用軋鋼作坯料拔長時，鍛造比約為1.3~1.5。

3.鍛造工序的選擇

自由鍛造的工序應(yīng)根據(jù)工序特點和鍛件形狀確定。常見鍛件形態(tài)及鍛造工序如表10－2所示。

10.2.4自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性

在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)在滿足鍛件使用性能的基本前提下，盡量使鍛造過程簡化，并節(jié)約材料消耗和提高生產(chǎn)率。一般自由鍛件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意如下原則要求：

(1)鍛件形狀應(yīng)盡量簡單、對稱、平直，盡量適應(yīng)鍛造設(shè)備的成型特點。

(2)自由鍛件的設(shè)計應(yīng)避免錐體和斜面，可將其改為圓柱體或臺階結(jié)構(gòu)。

(3)自由鍛件上應(yīng)避免空間曲線，如可將弧面的相貫線改成平面與平面的交接線，以方便鍛件成型。

(4)避免加強筋或凸臺等結(jié)構(gòu)。

(5)橫截面有急劇變化的自由鍛件，應(yīng)設(shè)計成幾個件單件的組合體進行過渡。

(6)應(yīng)避免工字型截面、橢圓截面、弧線及曲線表面等復(fù)雜截面和表面。

10.3模鍛

采用固定于鍛壓設(shè)備上的鍛模模膛，使加熱的金屬成型獲得所需形狀和尺寸鍛件的鍛造方法稱為模鍛。通常，模鍛使用的鍛模由上、下模組成，模上可以制造單個或多個模膛。模鍛根據(jù)鍛件的形狀衍生出多種工藝方法。

與自由鍛相比，模鍛有如下優(yōu)點:

(1)由于有模膛引導(dǎo)和約束金屬的流動，可以鍛造出復(fù)雜形狀的鍛件，且鍛工操作技術(shù)較容易。

(2)鍛件內(nèi)部的鍛造流線比較完整，可利用此特點控制鍛件內(nèi)部流線組織，提高鍛件的力學性能和使用壽命。

(3)模鍛件具有較高表面光潔度，尺寸精度較高，從而可減小加工余量，節(jié)約材料和降低后續(xù)機加工成本。

(4)操作較為簡單，生產(chǎn)效率高。鍛模不需要人力開合，可以節(jié)約生產(chǎn)時間和減輕勞動強度;易于實現(xiàn)機械化，在大批量生產(chǎn)中成本低。

但模鍛相比自由鍛，其設(shè)備投資大，鍛模形狀復(fù)雜，制造周期長、成本高。因此只有當生產(chǎn)批量較大的小型鍛件且核算成本合理時才適宜采用。

10.3.1錘上模鍛

錘上模鍛一般是指在模鍛錘上進行的模鍛。與其他模鍛設(shè)備相比，錘上模鍛的工藝適應(yīng)性廣，設(shè)備造價低，打擊能量可在生產(chǎn)過程中隨意調(diào)整，同一副鍛?？蓪崿F(xiàn)毛坯的預(yù)鍛、鐓粗、拔長、彎曲、滾擠、成形、終鍛等各類工序。

錘上模鍛所用的設(shè)備為模鍛錘，如圖10－3所示。其鍛模由上、下兩個模塊組成，模塊借助楔塊和鍵塊固定在錘頭和下模座的飛邊槽中。飛邊槽的作用主要是使模塊能吊掛住，相對錘頭和模座不發(fā)生垂直方向的移動;楔塊和鍵塊的作用是使模塊在左、右和前、后方向不能移動，且能有微調(diào)的空間。圖10－3錘鍛模結(jié)構(gòu)

錘上模鍛一般在一副鍛模上開設(shè)多個模膛，毛坯在鍛模上按照規(guī)定的工序，連續(xù)地在各個模膛中被打擊成型，逐步變形成為鍛件的形狀，被稱為多模膛模鍛。與此相對應(yīng)的是單模膛模鍛，一般適用于形狀簡單，不需要制坯的鍛件；或者鍛件外形雖復(fù)雜，但可用其他方法或設(shè)備預(yù)先制坯的情況。

模膛根據(jù)其功用的不同，可分為模鍛模膛和制坯模膛兩種。

1.模鍛模膛

模鍛模膛包括預(yù)鍛模膛和終鍛模膛。

預(yù)鍛模膛的作用是使制坯后的毛坯進一步變形，保證終鍛時制坯容易充滿模膛，從而獲得飽滿且無缺陷的鍛件。預(yù)鍛的作用可減少終鍛模膛的磨損，延長鍛模的使用壽命。但是預(yù)鍛模膛需要增加鍛模尺寸，增加生產(chǎn)成本。鍛件尺寸的增加容易使鍛造過程中產(chǎn)生加工缺陷和降低鍛件尺寸精度。所以只有當鍛件形狀復(fù)雜、無缺陷鍛造困難、模膛磨損速率快且生產(chǎn)批量大時，應(yīng)考慮使用預(yù)鍛模膛。

終鍛模膛的作用是將坯料加工成鍛件所需形狀和尺寸，故需要模膛的形狀和尺寸與鍛件一致?？紤]到加熱鍛件在成型后的冷卻過程中的收縮，終鍛模膛的尺寸應(yīng)比鍛件尺寸進行適當放大。

終鍛模膛四周有飛邊槽，以增加金屬從模膛中流出的阻力，促使金屬充分充滿模膛的同時使模膛容納更多的金屬;飛邊槽也可緩沖上、下模塊相撞，防止分模面過早損壞。對于具有通孔的鍛件，應(yīng)在終鍛過程中在孔內(nèi)留下一薄層金屬，稱為沖孔連皮。將終鍛鍛件上的飛邊和沖孔連皮沖掉后即可得到具有通孔的模鍛件。對于形狀簡單或小批量的模鍛件可直接使用終鍛模膛加工。

2.制坯模膛

制坯模膛是為模鍛模膛制備毛坯的模膛，尤其是對于形狀復(fù)雜的鍛件，可采用制坯模膛將毛坯加工成與模鍛件相近的形狀，使金屬能合理分布并充分充滿模鍛模膛。制坯模膛可分為三類:

(1)制坯模膛。它主要使坯料在軸線上各截面與鍛件相近的零件加工。其中包括拔長模膛、滾壓模膛、拔長與滾壓的聯(lián)合模膛。拔長模膛用來減小坯料某部分的橫截面，以增加該部分的長度。滾壓模膛主要是在坯料長度基本不變的前提下減小坯料某部分的橫截面，以增加另一部分的橫截面積。

(2)制坯模膛。它主要使坯料形狀與鍛件圖的平面圖相近。其中主要包括彎曲模膛與成型模膛。彎曲模膛是對需要彎曲的桿類模鍛件進行加工。成型模膛的加工與彎曲模膛類似，都是使坯料符合模鍛模膛在分模面上的形狀，但成型模膛主要是成型聚料，金屬流動量較大，彎曲作用很小或沒有彎曲。

(3)制坯模膛。它主要用來鐓粗和壓扁坯料，包括鐓粗臺和壓扁臺。鐓粗臺適用于短軸類鍛件，用來鐓粗毛坯以減小其高度而增加其直徑，使毛坯在終鍛模膛內(nèi)能覆蓋一定的凸部和凹槽，防止終鍛使金屬橫向流動速度過大。壓扁臺是使毛坯的軸線與分模面平行，用來壓扁毛坯以增大寬度，同時起鐓粗的作用。

錘上模鍛設(shè)備投資少，鍛件質(zhì)量高，鍛件適應(yīng)性強，可以實現(xiàn)多種變形加工。但它完成一個變形工序需要多次錘擊，且設(shè)備振動大、噪音大，難以實現(xiàn)機械化和自動化，生產(chǎn)效率較低。

3.模鍛工藝規(guī)則的制定

(1)制定與模鍛變形相關(guān)的工藝。它主要包括繪制產(chǎn)品零件模鍛件圖，計算坯料尺寸，根據(jù)鍛件形狀尺寸和實際生產(chǎn)條件確定變形工藝方案，設(shè)計模鍛工步和設(shè)計相應(yīng)模膛，計算原始毛坯并確定設(shè)備噸位，設(shè)計錘鍛模結(jié)構(gòu)，繪制模鍛圖。

(2)制定模鍛變形前和變形后的工藝。它主要包括確定坯料的加熱、冷卻和熱處理規(guī)范，確定切邊工藝并設(shè)計切邊模具，確定清理、校正等工藝和設(shè)備。

10.3.2胎模鍛

胎模鍛是在自由錘鍛或壓力機上安裝一定形狀的模具進行模鍛件加工的方法。胎模鍛是為了適應(yīng)中小批量鍛件生產(chǎn)而發(fā)展起來的一種鍛造工藝，兼具有模鍛和自由鍛的特點。通常采用自由鍛的方式制坯，然后在胎膜中成型。

胎膜根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式不同可分為套筒模和合模兩類。套筒模一般用于鍛制長度不大的回轉(zhuǎn)體鍛件和近回轉(zhuǎn)體鍛件，如齒輪、法蘭、軸承環(huán)等。合模適用于鍛制幾何形狀較為復(fù)雜的鍛件的胎膜斷枝，如連桿、曲軸、拔叉，轉(zhuǎn)向節(jié)、吊環(huán)、吊鉤等。胎膜根據(jù)是否留有飛邊可分為有飛邊和無飛邊胎膜;根據(jù)鍛件成型情況可分為整體式和分段式胎膜。

套筒模相比于合模，制造簡單，操作容易，鍛件同心度較好，可采用無飛邊鍛造和鑲塊結(jié)構(gòu)，制坯簡單。但套筒模對鍛件形狀有一定要求，且套筒在鍛造過程中易于膨脹而變形。合模對鍛件形狀無要求，鍛造使模具膨脹變形小，鍛件精度稍好，毛坯的打擊面積大，對錘頭損傷較小。但合模制造復(fù)雜，模具較重，勞動強度大。

10.4板料沖壓

板料沖壓是指在常溫下靠壓力機和模具對板材、帶材和管材等施加外力，使板料經(jīng)分離或成型而獲得所需形狀和尺寸工件的加工方法。由于板料沖壓主要在室溫條件下進行，故又稱為冷沖壓，簡稱沖壓。沖壓生產(chǎn)的產(chǎn)品稱為沖壓件;沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。

沖壓相比于機械加工機塑性加工等方法，在技術(shù)方面和經(jīng)濟方面都具有許多獨特的優(yōu)點，主要包括如下方面:

(1)尺寸精度高。沖壓可以保證產(chǎn)品具有較高的精度，一般無需切削加工，尤其是同一副模具生產(chǎn)出來的同一批次產(chǎn)品尺寸和精度一致性高，具有極好的互換性。

(2)生產(chǎn)效率高，操作簡單，易于實現(xiàn)機械化和自動化。

(3)材料利用率高。普通沖壓的材料利用率一般可達70%~85%，甚至可達95%。

(4)冷沖壓過程中的塑性變形和加工硬化可提高零件的剛性和強度，從而可降低沖壓件質(zhì)量。

(5)可獲得其他加工方法難以加工或無法加工的復(fù)雜形狀零件。

(6)沖壓操作簡單，適合大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。

板料沖壓在汽車、拖拉機、電器、日用家電、電子儀表等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。板料的加工大部分是經(jīng)過沖壓加工制成成品的。

10.4.1沖壓材料

沖壓的材料應(yīng)能滿足產(chǎn)品設(shè)計的性能要求，同時應(yīng)滿足沖壓工藝要求和沖壓后的后續(xù)加工要求。沖壓材料是否合適，直接影響沖壓產(chǎn)品的性能和成本，還影響沖壓工藝和后續(xù)加工的難易程度。通常，沖壓材料應(yīng)首先滿足沖壓件的使用性能要求，沖壓件應(yīng)具有一定的強度、剛度、沖擊強度等力學性能。有的沖壓件需要具有良好的耐熱性能、傳熱性能、耐腐蝕性能等。其次沖壓材料應(yīng)滿足沖壓工藝要求，即沖壓材料應(yīng)具有較好的塑性、較低的變形能力以適應(yīng)沖壓的塑性變形過程，包括抗破裂性、貼模性和定形性。

10.4.2沖壓設(shè)備

沖壓設(shè)備的種類較多，按滑塊驅(qū)動力可分為機械壓力機、液壓機和氣壓機；按沖床結(jié)構(gòu)可分為開式和閉式壓力機；按滑塊數(shù)量可分為單動和雙動壓力機等。用于沖模的沖壓設(shè)備主要是機械傳動的曲柄壓力機和液壓機。沖壓設(shè)備按加工工藝分為剪床和沖床，常用的剪床有龍門剪、滾刀剪和振動剪，剪床通常用來將板料剪成一定寬度的條料，以便于后續(xù)加工；沖床是將凸?；驔_頭安裝在滑塊下端，通過電動機將沖床的曲柄連桿機構(gòu)將回旋運動變?yōu)橥鶑?fù)運動，使凸模與凹模共同作用對板料實現(xiàn)加工成型。

10.4.3沖壓的基本工序

1.沖裁

沖裁是沖壓工藝的基本工藝之一，它是利用模具使板料的一部分與另一部分沿著一定的輪廓形狀分離的沖壓方法，所以沖裁包括落料和沖孔兩道基本工序。沖裁可以直接沖出成品零件，也可為彎曲、拉深和成形等其他沖壓工序制備毛坯。落料和沖孔的操作方法和模具結(jié)構(gòu)相同。當落料時，被沖下來的部分沿著封閉輪廓分離，且沖裁的目的是為了獲得封閉輪廓形狀以內(nèi)的部分，帶孔的周邊為廢料。沖孔則相反，沖裁的目的是為了得到封閉輪廓以外的部分，被沖下來的部分為廢料，如圖10－4所示。圖10－4落料與沖孔

2.彎曲

彎曲是在沖壓過程中利用模具將坯料彎曲成具有一定角度和曲率形狀的成形方法。在彎曲過程中，板料彎曲部分的內(nèi)側(cè)受壓縮力，外側(cè)受拉伸力，如圖10－5所示。當外側(cè)所受拉伸應(yīng)力超過板料的抗拉強度時，會造成板料撕裂。彎曲變形區(qū)的內(nèi)圓半徑稱為彎曲半徑。彎曲時板料外層剛好處于拉裂時的彎曲半徑稱為最小彎曲半徑。板料越厚，最小彎曲半徑越小，此時拉應(yīng)力越大，越容易彎裂。材料的塑性越好，最小彎曲半徑越小。彎曲時應(yīng)考慮到板材內(nèi)部的纖維組織方

向，應(yīng)使彎曲線與板料纖維組織垂直。當使用模具彎曲管材時，為保證彎曲后管材內(nèi)側(cè)不產(chǎn)生皺紋或不被壓扁，可在管材內(nèi)填充干砂、硬質(zhì)橡膠粒等。圖10－5彎曲示意圖

在彎曲過程中，彎曲變形區(qū)的總變形包括彈性變形和塑性變形;當彎曲結(jié)束后，由于彈性變形的回復(fù)，使板料回彈一點，使胚彎曲的角度增大。彎曲回彈是所有沖壓工序中回彈量最大的，回彈角度通常為0~10°?；貜棁乐赜绊懥藦澢馁|(zhì)量，通常為了減小回彈，可以優(yōu)化彎曲件的彎曲工藝以改變變形區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)，改進彎曲件的設(shè)計并選擇合理的板材，采用補償法或改進彎曲模工作部分材料及結(jié)構(gòu)以優(yōu)化彎曲模。

3.拉深

拉深是利用模具將平板坯料沖壓成開口空心零件或?qū)㈤_口空心零件進一步改變形狀和尺寸的一種沖壓加工方法，如圖10－6所示。拉深加工得到的工件稱為拉深件。拉深件根據(jù)磨具形態(tài)不同得到的形狀各異，按形狀可分為旋轉(zhuǎn)體拉深件、盒形件和不對稱復(fù)雜形狀拉深件等。拉深的變形過程是:將直徑為D的板料放在凹模上，啟動凸模，在凸模的作用下，坯料被拉入凸模和凹模的間隙中而拉深成為一定內(nèi)徑和一定深度(高度)的開口圓筒形空心拉深件。圖10－6超塑性板料拉深成形

拉深的特點:

(1)拉深后的板料分成了筒底和筒壁兩部分。筒底金屬一般不變形，只起傳遞拉力的作用，厚度基本不變。變形主要集中在位于凹模表面的平面凸緣區(qū)，該區(qū)域材料經(jīng)拉深后由平板變成筒壁。

(2)主要變形區(qū)的變形不均勻。沿拉深方向受壓而收縮，沿徑向受拉而伸長，越靠近口部，壓縮和拉深量越大。

(3)拉深件壁厚不均勻。在筒壁上部，尤其是口部的厚度增加；在筒壁下部，尤其是凸模圓角處最薄。

(4)拉深件筒壁各處硬度不均。口部變形程度最大，加工硬化效果最明顯，硬度最高，越往下硬度越低。

4.成形

成形是利用模具將沖裁、彎曲或拉深后的沖壓件，產(chǎn)生局部變形或增大半成品的部分內(nèi)徑等的加工工序。它主要包括翻孔、翻邊、脹形、縮口、壓筋和壓印等。

(1)翻孔。翻孔是指利用模具使制件的孔邊緣翻起呈豎立或一定角度直邊的沖壓加工方法。有的翻孔加工是在平板上進行的，也可以在曲面上進行。利用翻孔可以使平面或曲面的零件變成立體形狀，以增加工作的剛性。翻孔的特點是局部變形，變形區(qū)主要是凸模底部的作用區(qū)；變形區(qū)的材料同時受到拉深方向和徑向的拉應(yīng)力，這些拉應(yīng)力均使材料沿作用方向拉長而厚度減薄；變形區(qū)材料的變形不均勻，變形規(guī)律與拉深成形相似。

可通過對板料加熱增大板料的塑性，從而得到較高豎邊的翻孔件，但加熱后破壞了材料表面質(zhì)量，故應(yīng)盡量避免采用加熱翻孔。在多次翻邊過程中，需進行中間退火以降低加工硬化，但由于翻豎邊的厚度嚴重變薄，故工件質(zhì)量要求高時不宜采用。拉深后切底也可得到較好的豎邊質(zhì)量，但切底工序模具較復(fù)雜，故應(yīng)盡量避免。采用拉深后沖孔再翻邊可以得到質(zhì)量好的制件，且模具較為簡單，故可利用此方法加工豎邊較高的翻孔件。

(2)翻邊。翻邊是利用模具使制件的邊緣翻起呈豎立或一定角度直邊的沖壓方法。根據(jù)所翻外緣形狀的不同，有外緣的內(nèi)曲翻邊和外緣的外曲翻邊。

(3)脹形。脹形是利用模具使空心制件內(nèi)部在雙向拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生塑性變形，以獲得凸肚形制件的沖壓加工方法。脹形可加工母線為曲線的旋轉(zhuǎn)體凸肚空心件，也可加工不規(guī)則形狀的非旋轉(zhuǎn)體凸肚空心件。脹形時坯料處于雙向受拉的應(yīng)力作用，變形區(qū)的材料不會產(chǎn)生失穩(wěn)、起皺現(xiàn)象，成形零件表面質(zhì)量好。由于變形區(qū)材料橫截面上的拉應(yīng)力沿厚度方向分布較均勻，作用力卸載后的回彈很小，因此成形零件尺寸精度較高。

(4)縮口?？s口是利用模具將空心或管狀制件端部的徑向尺寸縮小的沖壓加工方法?？s口變形區(qū)的變形特點是:材料在切向和徑向兩向壓力的作用下沿切向產(chǎn)生壓縮變形，使坯料直徑減小，壁厚和高度增加。

(5)壓筋。壓筋是利用模具在制件上壓出筋(加強筋)的沖壓加工方法。壓筋的變形特點是局部變形，變形區(qū)內(nèi)金屬沿切向和徑向伸長、厚度方向減薄。利用壓筋可以增強零件的剛度和強度。

(6)壓印。壓印是指利用模具在制件上印出印記的沖壓加工方法。壓印的變形特點與壓筋相同，也是通過變形區(qū)材料厚度減薄、表面積增大的變形方式獲得所需形狀。

10.4.4沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性

沖壓件設(shè)計首先應(yīng)保證沖壓件的使用性能，且應(yīng)考慮具有良好的工藝性能和后續(xù)加工的難易程度，以達到節(jié)約原材料消耗，減輕模具磨損，提高生產(chǎn)率和降低成本等。影響沖壓件工藝性的主要因素包括沖壓件的形狀、材料、尺寸和精度等。

1.沖裁件

(1)沖裁件的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單、對稱，盡可能合理利用材料。可通過適當調(diào)整沖裁分布和孔間距等，達到節(jié)省材料和提高生產(chǎn)效率的目的，從而降低成本。

(2)沖裁件的外形和內(nèi)孔應(yīng)有適當?shù)膱A角，避免尖銳的清角，以便于模具加工，減小熱處理變形，減小沖裁使尖角處的崩刃和過快磨損。

(3)沖裁件上應(yīng)避免窄長的懸臂和凹槽。根據(jù)材料性能不同，沖裁件上凸出和凹入的尺寸與厚度相關(guān)，可查閱相關(guān)手冊進行計算。

(4)沖裁件的孔邊距。該孔邊距與板厚及沖裁工藝相關(guān)，可查閱相關(guān)手冊進行計算。

(5)沖孔位置。在彎曲件和拉深件上沖孔時，孔邊與直壁間應(yīng)留有適當距離，以避免沖孔凸模受水平推力而折斷。

(6)孔徑。沖孔孔徑不應(yīng)過小，以避免凸模折斷或壓彎。

(7)端頭圓弧半徑。凸模端頭帶圓角沖裁條料時，圓弧半徑應(yīng)大于板料寬度的1/2。

2.彎曲件

(1)彎曲件形狀和尺寸應(yīng)盡可能對稱，以防止彎曲時產(chǎn)生偏移。

(2)板料局部彎曲時，在彎曲部分和不彎曲部分之間切槽或在彎曲前沖出工藝孔，以避免彎曲根部撕裂。

(3)在彎曲變形區(qū)附近有缺口的彎曲件，應(yīng)在缺口處留連接帶，彎曲成形后再將其切除。為

保證坯料在彎曲模內(nèi)定位準確，或防止彎曲過程中坯料的偏移，可在坯料上預(yù)先增加定位工藝孔。

(4)彎曲件的彎曲半徑不宜小于最小彎曲半徑，以避免增加工序數(shù)。

(5)彎曲件的直邊高度不宜過小，以免不易形成足夠的彎矩。對小直邊彎曲件，可加高直邊尺寸，彎曲后再切除多余部分。

(6)彎曲帶孔工件時，為避免孔發(fā)生變形，需注意孔邊距的大小，使孔處于變形區(qū)之外。

3.拉深件

(1)拉深件的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)簡單、對稱，盡量避免急劇變化的形狀。對于形狀復(fù)雜的拉深件，可將其分解，分別加工后進行連接。

(2)拉深件的壁厚在拉深過程中會發(fā)生變化，或在多次拉深過程中出現(xiàn)彎痕，或在無凸緣件

拉深過程中易出現(xiàn)制耳，可在拉深加工后增加整形工序。

(3)拉深件的高度不宜過大，否則需要多次拉深。

(4)拉深件的凸緣寬度與板厚及拉深工藝相關(guān)，可查閱相關(guān)手冊進行計算。

(5)拉深件的圓角半徑應(yīng)盡量大，以減少拉深次數(shù)并有利于拉深成形。拉深半徑與板厚、拉深工藝和拉深件形狀相關(guān)，可查閱相關(guān)手冊進行計算。

(6)拉深件底部及凸緣上沖孔的邊緣與工件圓角變徑的切點之間的距離不少于0.5倍板厚，拉深件上的孔位應(yīng)設(shè)置在與主要結(jié)構(gòu)面同一平面上，或是孔壁垂直于該平面。

10.5其他壓力加工成形方法

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對鍛件材料、形狀尺寸、成形質(zhì)量、成形方法、鍛壓裝備等方面提出了越來越高的要求，不僅要求能生產(chǎn)各種毛坯，更需要生產(chǎn)高質(zhì)量的成品零件。由此發(fā)展了具有某些顯著特點和能力，且能實現(xiàn)普通鍛造方法難以實現(xiàn)的鍛造方法。

10.5.1精密模鍛

精密模鍛是在模鍛設(shè)備上鍛造出形狀復(fù)雜、高精度鍛件的鍛造工藝，一般不留或少留加工余量。精密模鍛常用方法有開式模鍛、閉式模鍛、擠壓、多向模鍛、等溫模鍛等。精密模鍛是現(xiàn)代模鍛技術(shù)的發(fā)展方向之一。

影響精密模鍛精度的因素主要有:毛坯體積偏差，模具和鍛件的彈性變形，模具和毛坯的溫度波動，模具精度和設(shè)備精度等。所以可從如下幾個方面保證精密模鍛精度:

(1)精確計算原始坯料尺寸。毛坯體積產(chǎn)生偏差的原因主要是下料不準確和加熱時各毛坯燒損程度不一致。對開式精密模鍛，毛坯體積偏差一般不影響鍛件的尺寸偏差。對閉式精密模鍛，若模膛水平尺寸不變和不產(chǎn)生飛刺，毛坯體積偏差將引起鍛件高度尺寸的變化。

(2)模膛的尺寸精度和磨損。模膛的尺寸精度和使用過程中的磨損對鍛件尺寸精度有直接影響。模膛的精度必須比鍛件精度高兩級。精密模應(yīng)有導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，以保證合模準確。精密模上應(yīng)開有排氣小孔，以減小金屬的變形阻力。

(3)模具和鍛件的彈性變形。在鍛造過程中，模具和毛坯均會產(chǎn)生彈性變形，其變形尺寸可根據(jù)兩者材料的彈性模量、應(yīng)力指數(shù)和相應(yīng)部分的尺寸來計算，最后根據(jù)工藝試驗進行修訂后再確定。

(4)鍛造過程中應(yīng)仔細清理坯料表面，除去坯料表面的氧化皮、脫碳層及其他缺陷等；盡量用無氧化或少氧化的加熱法以減少坯料表面形成的氧化皮。

(5)鍛造過程中要很好地冷卻鍛模和進行潤滑。模膛的冷縮量、模具溫度及其波動、加熱溫度的偏差、潤滑情況等均影響金屬充滿模膛的難易程度，從而引起鍛件尺寸的波動。

10.5.2擠壓

坯料在三向不均勻壓應(yīng)力作用下，從模具的孔口或縫隙擠出，使之橫截面減小而長度增加，成為所需尺寸制品的加工方法稱為擠壓。擠壓可提高材料塑性，有利于較低塑性材料的成形，有利于壓合毛坯內(nèi)部的微觀缺陷，提高零件強度、疲勞極限等性能，可采用低強度材料代替貴重高強度材料。影響金屬在擠壓過程中的流動性因素主要有環(huán)形受力面積與擠壓筒橫截面積的比值、摩擦系數(shù)、筒內(nèi)毛坯高度、模具形狀和模具預(yù)熱溫度等。根據(jù)擠壓時金屬流動方向和凸模運動方向，擠壓可分為四種方式:

(1)正擠壓：坯料從?？字辛鞒霾糠诛w運動方向與凸模運動方向相同的擠壓方式。

(2)反擠壓：坯料的一部分沿著凸模與凹模之間的間隙流出，其流動方向與凸模的運動方向相反的擠壓方式。

(3)徑向擠壓：金屬的流動方向與凸模運動方向垂直的擠壓方式。

(4)復(fù)合擠壓：金屬沿著凸模運動相同和相反的方向同時流動的擠壓方式。

10.5.3高速模鍛

高速模鍛是在高速模鍛設(shè)備上，采用極高的壓下速度打擊，使坯料在極短時間內(nèi)成形鍛件的方法。一般來說，設(shè)備的壓下速度越高，金屬變形流動就越快，金屬填充模膛越充分。高速模鍛可以得到形狀復(fù)雜、尺寸精確的鍛件。常見的高速成形方法有高速錘成形、爆炸成形、電磁成形、電液成形等。

當采用高速作用力作用在較扁毛坯上時，金屬徑向流動速度很大，產(chǎn)生很大的慣性流動。鐓粗的變形力隨毛坯高度降低而有所降低，這與采用很大變形力鐓粗一般扁毛坯時的情況剛好相反。各質(zhì)點都同時發(fā)生慣性流動，變形不均勻程度小，側(cè)表面的周向受拉情況大為減輕。

高速成形時產(chǎn)生的大量變形熱難以及時散發(fā)出去，使金屬溫度顯著升高，且毛坯各處變形程度不均勻，溫度變化不同，可能使局部引起過熱。

在加工具有狹窄薄筋或薄片的鍛件時，采用高速慣性力可使金屬具有良好的填充性。在常見的高速成形設(shè)備中，高速錘是使高壓氣體(通常采用14MPa氮氣)突然膨脹，借助觸發(fā)機構(gòu)推動錘頭系統(tǒng)和框架系統(tǒng)作高速相對運動，以實現(xiàn)對擊。爆炸成形是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的高壓使金屬材料變形。

10.5.4輥鍛

輥鍛是使毛坯在裝有扇形模塊的一對旋轉(zhuǎn)軋輥中通過，產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的鍛件。輥鍛按用途可分為兩類:

(1)制坯輥鍛。在熱模鍛壓力機或螺旋壓力機上模鍛時，可以用輥鍛的方法來制坯，還可以為成形輥鍛提供毛坯。

(2)成形輥鍛。對原始圓鋼、方鋼毛坯或制坯輥鍛得到的毛坯輥鍛出鍛件。

與一般模鍛相比較，輥鍛的鍛模做旋轉(zhuǎn)運動，輥鍛只有扇形模塊部分工作，所以輥鍛使用的毛坯一般較短。輥鍛生產(chǎn)效率高，設(shè)備所需噸位小，加工過程無沖擊、振動小，易于實現(xiàn)機械自動化，對模具材料要求較低，毛坯金屬損耗低。

10.5.5擺動輾壓

擺輾機是實現(xiàn)擺動輾壓的專用設(shè)備。擺輾機上模的軸線與放在下模被輾壓工件的軸線傾斜一個角度，模具一邊繞軸心旋轉(zhuǎn)，一邊對坯料進行連續(xù)的局部壓縮。如果上模的母線為一直線，則被輾壓的工件表面為平面；如果母線為一曲線，則鍛件上表面為曲面。擺動輾壓是局部加載變形，變形力顯著降低，可以用小噸位設(shè)備成形較大的鍛件。擺動輾壓最適合輾壓薄餅類或端部帶有扁平法蘭的鍛件。擺動輾壓過程由多次小變形均勻累積而成，組織流線分布合理，鍛件力學性能均勻，鍛件壽命較高。但擺輾機比一般壓力機多了一套擺頭傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。另外，在擺輾時毛坯在模具內(nèi)停留時間較長，模具溫度高，熱疲勞較嚴重，壽命較低。

10.5.6超塑性模鍛

超塑性是指在特定的條件下，金屬的延伸率超過常態(tài)的現(xiàn)象。超塑性材料的延伸率比常態(tài)提高幾倍甚至幾百倍，有的金屬延伸率甚至達到1000%~2000%。影響材料超塑性的因素主要有組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、溫度條件和變形速度。利用材料的超塑性進行成形加工的方法稱為超塑性成形。

目前，常用的超塑性成形方法主要有超塑性模鍛、超塑性擠壓、超塑性板料拉深和超塑性板料氣壓成形。超塑性模鍛的工藝過程:首先將