材料成型工藝基礎(chǔ)(第四版)課件 第3章

第3章壓力加工成型技術(shù)3.1壓力加工成型方法3.2金屬材料的塑性成型基礎(chǔ)3.3鍛造3.4沖壓

壓力加工與其他加工方法相比,具有以下特點:

(1)改善金屬的內(nèi)部組織,提高金屬的力學性能。

(2)具有較高的勞動生產(chǎn)率。

(3)節(jié)約金屬材料。

(4)適用范圍廣。

3.1壓力加工成型方法

3.1.1型材生產(chǎn)方法1.軋制生產(chǎn)借助于坯料與軋輥之間的摩擦力,使金屬坯料連續(xù)地通過兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的軋輥的孔隙而受壓變形,加工方法稱為軋制,見圖3-1(a)。合理設(shè)計軋輥上的孔型,通過軋制可將金屬鋼錠加工成不同截面形狀的原材料,軋制出的型材如圖3-1(b)所示。

圖3-1軋制示意圖

2.擠壓生產(chǎn)

將金屬坯料放入擠壓模內(nèi),使其受壓被擠出?？锥冃蔚募庸し椒ǚQ為擠壓。生產(chǎn)中常用的擠壓方法主要有兩種:正擠壓和反擠壓。金屬流動方向與凸模運動方向相一致的稱為正擠壓,如圖3-2(a)所示。金屬流動方向與凸模運動方向相反的稱為反擠壓,如圖3-2(b)所示。

圖3-2擠壓示意圖

在擠壓過程中,坯料的橫截面可依照?？椎男螤疃s小,長度增加,從而可獲得各種復(fù)雜截面的型材或零件,如圖3-3所示。圖3-3-擠壓產(chǎn)品截面形狀圖

3.拉拔生產(chǎn)

將金屬條料或棒料拉過拉拔的模孔而變形的壓力加工方法稱為拉拔,如圖3-4(a)所示。拉拔生產(chǎn)主要用來制造各種細線材、薄壁管和各種特殊幾何形狀的型材,如圖3-4(b)所示。多數(shù)拉拔是在冷態(tài)下進行加工的,拉拔產(chǎn)品的尺寸精度較高,表面粗糙度Ra較小。塑性高的低碳鋼和有色金屬及其合金都可拉拔成型。

圖3-4拉拔

3.1.2機械零件的毛坯及產(chǎn)品生產(chǎn)

1.鍛造

鍛造是在加壓設(shè)備及工模具的作用下,使坯料、鑄錠產(chǎn)生局部或全部的塑性變形,以獲得具有一定幾何尺寸、形狀和質(zhì)量的鍛件的加工方法,按所用的設(shè)備和工模具的不同,

可分為自由鍛造和模型鍛造兩類。

自由鍛造是將加熱后的金屬坯料,放在上、下砥鐵(砧塊)之間,在沖擊力或靜壓力的作用下,使之變形的壓力加工方法,如圖3-5(a)所示。

模型鍛造(簡稱模鍛)是將加熱的金屬坯料,放在具有一定形狀的鍛模模膛內(nèi),在沖擊力或壓力的作用下,使金屬坯料充滿模膛而成型的壓力加工方法,如圖3-5(b)所示。

圖3-5鍛造與沖壓示意圖

2.沖壓

沖壓是將金屬板料放在沖模之間,使其受沖壓力作用產(chǎn)生分離或變形的壓力加工方法。常用沖壓工藝有沖裁、彎曲、拉深、縮口、起伏和翻邊等,圖3-5(c)所示為拉深加工。

3.2金屬材料的塑性成型基礎(chǔ)

3.2.1金屬塑性變形的實質(zhì)1.單晶體的塑性變形單晶體是指原子排列方式完全一致的晶體。當單晶體金屬受拉力P作用時,在一定晶面上可分解為垂直于晶面的正應(yīng)力σ和平行于晶面的切應(yīng)力τ,如圖3-6所示。在正應(yīng)力σ作用下,晶格被拉長,當外力去除后,原子自發(fā)回到平衡位置,變形消失,產(chǎn)生彈性變形。當正應(yīng)力σ增大到超過原子間的結(jié)合力時,晶體便發(fā)生斷裂,如圖3-7所示。

圖3-6單晶體拉伸示意圖

圖3-7單晶體在正應(yīng)力作用下的變形

由此可見,正應(yīng)力σ只能使晶體產(chǎn)生彈性變形或斷裂,而不能使晶體產(chǎn)生塑性變形。在逐漸增大的切應(yīng)力τ作用下,晶體從開始產(chǎn)生彈性變形發(fā)展到晶體中的一部分與另一部分沿著某個特定的晶面相對移動,稱為滑移。產(chǎn)生滑移的晶面稱為滑移面,當應(yīng)力消除后,原子到達一個新的平衡位置,變形被保留下來,形成塑性變形,如圖3-8所示。由此可知,只有在切應(yīng)力的作用下,才能產(chǎn)生滑移,而滑移是金屬塑性變形的主要形式。

圖3-8晶體在切應(yīng)力作用下的變形

滑移變形就是通過晶體中位錯的移動來完成的,如圖3-9所示。在切應(yīng)力的作用下,位錯從滑移面的一側(cè)移動到另一側(cè),形成一個原子間距的滑移量,因為位錯移動時,只需位錯中心附近的少數(shù)原子發(fā)生移動,不需要整個晶體上半部的原子相對下半部一起移動,所以它需要的臨界切應(yīng)力很小,這就是位錯的易動性。因此,單晶體總的滑移變形量是許多位錯滑移的結(jié)果。

圖3-9位錯移動產(chǎn)生滑移的示意圖

2.多晶體的塑性變形

實際金屬是由許多大小、形狀、晶格位向各不相同的晶粒組成的多晶體。各晶粒之間有一層很薄的晶粒邊界,晶界是相鄰兩個位向不同晶粒的過渡層,且原子排列極不規(guī)則。

因此,多晶體的塑性變形要比單晶體的塑性變形復(fù)雜得多。

與單晶體比較,多晶體具有較大的變形抗力,多晶體的塑性變形如圖3-10所示。

圖3-10多晶體塑性變形圖

3.2.2塑性變形對金屬組織和性能的影響

1.回復(fù)與再結(jié)晶

金屬發(fā)生塑性變形以后處于一種不穩(wěn)定的組織狀態(tài),高位能的原子有自發(fā)地回復(fù)到其低位能平衡狀態(tài)的趨勢,但在低溫下原子活動能力較低,若對它進行適當加熱,增加原子擴散能力,原子將向低能量的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變,如圖3-11所示。

圖3-11加熱溫度對冷變形金屬組織性能的影響

1)回復(fù)

回復(fù)階段由于加熱溫度不高,原子擴散能力不強,通過原子的少量擴散,可消除部分晶格扭曲,降低金屬的內(nèi)應(yīng)力。因

其顯微組織無明顯變化,故金屬的強度和塑性變化不大,這一過程稱為回復(fù)。工業(yè)純金屬的回復(fù)溫度為

式中:T回表示金屬回復(fù)的溫度;T熔表示金屬熔點的溫度。注意:上式是在開氏溫度下測得的結(jié)果。

2)再結(jié)晶

當加熱溫度繼續(xù)升高到某一值時,由于原子獲得更多的能量,擴散能力加強,金屬就會以某些碎晶或雜質(zhì)為核心,并逐漸向周圍長大,形成新的等軸晶粒,這個過程稱為金屬的再結(jié)晶。再結(jié)晶后,金屬的強度和硬度下降,塑性升高。能夠進行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。純金屬的再結(jié)晶溫度為

式中:T再表示金屬再結(jié)晶的溫度。注意:上式也是在開氏溫度下測得的結(jié)果。

2.冷變形和熱變形

金屬在塑性變形時,由于變形溫度不同,對組織和性能將產(chǎn)生不同的影響。金屬的塑性變形分為冷變形和熱變形兩種。

冷變形是指金屬在其再結(jié)晶溫度以下進行塑性變形。

熱變形是指金屬在其再結(jié)晶溫度以上進行塑性變形。

3.加工硬化

當用手反復(fù)彎鐵絲時,鐵絲越彎越硬,彎起來越費力,這個現(xiàn)象就是金屬塑性變形過程中的加工硬化。即隨著塑性變形程度的增加,金屬的強度、硬度升高,塑性和韌性下降,如圖3-12所示,HB表示布氏強度。金屬冷變形時必然產(chǎn)生加工硬化。但熱變形時,無加工硬化痕跡,主要由于變形是在再結(jié)晶溫度以上進行的,變形時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶消除。

圖3-12低碳鋼冷變形程度與力學性能的關(guān)系

產(chǎn)生加工硬化的原因有兩個方面:

一方面是由于經(jīng)過塑性變形晶體中的位錯密度增高,位錯移動所需的切應(yīng)力增大;

另一方面是在滑移面上產(chǎn)生許多晶格方向混亂的微小碎晶,它們的晶界是嚴重的晶格畸變區(qū),這些因素增加了滑移阻力,加大了內(nèi)應(yīng)力。

4.纖維組織

金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時,晶粒沿變形方向伸長,分布在晶界上的夾雜物也沿著金屬的變形方向被拉長或壓扁,成為條狀。在再結(jié)晶時,金屬晶?；謴?fù)為等軸晶粒,而夾雜物依然呈條狀保留了下來,這樣就形成了纖維組織,也稱為鍛造流線。纖維組織形成后,金屬力學性能將出現(xiàn)方向性,即在平行纖維組織的方向上,材料的抗拉強度提高;而在垂直纖維組織的方向上,材料的抗剪強度提高。

另外,纖維組織很穩(wěn)定,用熱處理或其他方法均難以消除,只能再通過鍛造方法使金屬在不同的方向上變形,才能改變纖維組織的方向和分布。

鐓粗工序的鍛造比Y鐓為

式中:H0表示鐓粗前金屬坯料的高度;H表示鐓粗后金屬坯料的高度。

拔長工序的鍛造比Y拔為

式中:F0表示拔長前金屬坯料的橫截面積;F表示拔長后金屬坯料的橫截面積。

圖3-13是用不同方法制造螺栓的纖維組織分布情況。當采用棒料直接用切削加工方法制造螺栓時,其頭部與桿部的纖維組織因不連貫而被切斷,切應(yīng)力順著纖維組織方向,故質(zhì)量較差,如圖3-13(a)所示;當采用局部鐓粗法制造螺栓時,如圖3-13(b)所示,纖維組織不會被切斷,纖維組織方向也較為合理,故質(zhì)量較好。

圖3-13-螺栓的纖維組織比較

圖3-14是用不同成型方法制造的齒輪,從圖中可以看出其纖維組織的分布狀態(tài)。圖3-14(a)為軋制棒料用切削加工方法制成齒輪,原棒料的纖維組織被切斷,受力時齒根產(chǎn)生的正應(yīng)力與纖維組織方向垂直,質(zhì)量差;圖3-14(b)為將軋制棒料采用局部鐓粗鍛成齒輪坯,纖維組織被彎曲呈放射狀,在加工時產(chǎn)生齒輪后受力時,所有齒根處的正應(yīng)力與纖維組織方向近于平行,質(zhì)量較好;圖3-14(c)為用熱鍛成型法或精密模鍛制造的齒輪,沿齒輪輪廓纖維組織全是連續(xù)的,承受力強,其質(zhì)量最好。

圖3-14不同成型方法制成的齒輪的纖維組織

3.3

鍛造

3.3.1金屬材料的鍛造性能1.鍛造性能及評定指標金屬的鍛造性能用來衡量金屬材料利用鍛壓加工方法成型的難易程度,是金屬的工藝性能之一。金屬的鍛造性能好,表明該金屬適于采用鍛壓加工方法成型。金屬的鍛造性能常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。塑性越好,變形抗力越小,則金屬的鍛造性能越好。在實際生產(chǎn)中,選用金屬材料時,優(yōu)先考慮的還是金屬材料的塑性。

2.影響金屬鍛造性能的因素

金屬的鍛造性能主要取決于金屬的本質(zhì)和金屬的變形條件。

1)金屬的本質(zhì)

金屬的本質(zhì)是指金屬的化學成分和組織狀態(tài)。

(1)金屬的化學成分?；瘜W成分對金屬的鍛造性能影響很大,一般純金屬的鍛造性能較好。金屬組成合金后,強度提高,塑性下降,鍛造性能變差。

(2)金屬的組織狀態(tài)。金屬的組織結(jié)構(gòu)不同,其鍛造性能有很大差別。

2)金屬的變形條件

金屬的變形條件是指變形溫度、變形速度和變形時的應(yīng)力狀態(tài)。

(1)變形溫度。變形溫度是影響鍛造性能的重要因素。提高金屬的變形溫度可使原子動能增加,削弱原子間結(jié)合力,減少滑移阻力,從而提高金屬的鍛造性能。

碳鋼的鍛造溫度范圍如圖3-15所示。

圖3-15碳鋼的鍛造溫度范圍

(2)變形速度。變形速度是指金屬在鍛壓加工過程中單位時間內(nèi)的變形量,表示單位時間內(nèi)變形程度的大小。變形速度對金屬鍛造性能的影響是復(fù)雜的,如圖3-16所示:一方面由于變形速度增快,回復(fù)和再結(jié)晶不能及時消除加工硬化現(xiàn)象,加工硬化逐漸積累,使金屬的塑性下降,變形抗力增加,鍛造性能變差;另一方面,當變形速度超過某一臨界值時,熱能來不及散發(fā),而使塑性變形中的部分功轉(zhuǎn)化為熱能,致使金屬溫度升高,這種現(xiàn)象稱為“熱效應(yīng)”,于是,金屬塑性升高,變形抗力下降。一般來講,變形速度越快,熱效應(yīng)越顯著,鍛造性能越好。

圖3-16變形速度對金屬鍛造性能的影響

(3)變形時的應(yīng)力狀態(tài)。變形方式不同,金屬在變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也不同。即使在同一種變形方式下,金屬內(nèi)部不同部位的應(yīng)力狀態(tài)也可能不同。擠壓時,空間三維上的三個方向均受壓;拉拔時,兩個方向受壓,一個方向受拉。自由鍛鐓粗時,坯料內(nèi)部金屬三向受壓,而側(cè)面表層金屬兩向受壓,一向受拉。

實踐證明,在金屬塑性變形時,三個方向中壓應(yīng)力的數(shù)目越多,則金屬的塑性越好,拉應(yīng)力的數(shù)目越多,則金屬的塑性越差。而且同號應(yīng)力狀態(tài)下引起的變形抗力大于異號應(yīng)力狀態(tài)下的變形抗力。如擠壓時,三向受壓,金屬塑性提高,但其變形抗力大;拉拔時,兩向受壓,一向受拉,金屬塑性降低,但其變形抗力比擠壓的變形抗力小。

3.常用合金的鍛造特點

1)合金鋼的鍛造特點

與碳鋼比較,合金鋼具有綜合力學性能高、淬透性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但鋼中由于合金元素的加入,其內(nèi)部組織復(fù)雜、缺陷多、塑性差、變形抗力大、鍛造性能較差。因此,

鍛造時必須嚴格控制工藝過程,以保證鍛件的質(zhì)量。

合金鋼鍛造時必須注意以下幾點:

(1)控制變形量。嚴格執(zhí)行“兩輕一重”的操作方法,始鍛和終緞時應(yīng)變形量小,中間過程變形量加大。

(2)增大鍛造比。合金鋼鋼錠內(nèi)部缺陷多,某些特殊鋼中粗大的碳化物較多,且偏析嚴重,影響了鍛件的力學性能。

(3)保證溫度、變形均勻。合金鋼鍛造時要經(jīng)常翻轉(zhuǎn)坯料,盡量使一個位置不要連續(xù)受力,送進量要適當均勻,而且鍛前應(yīng)將砧鐵預(yù)熱,以使變形及溫度均勻,防止產(chǎn)生鍛裂現(xiàn)象。

(4)鍛后緩冷。合金鋼鍛造結(jié)束后,應(yīng)及時采取工藝措施保證鍛件緩慢冷卻。

2)有色金屬的鍛造特點

(1)鋁合金的鍛造特點。

(2)鈦合金的鍛造特點。

鈦合金是飛機、宇航工業(yè)常用的有色金屬材料。

(3)鎂合金的鍛造特點。

鎂合金的塑性低,變形能力差,通常只適合熱鍛。

3.3.2自由鍛造

自由鍛造是利用簡單的通用工具或直接將加熱好的金屬坯料放在鍛造設(shè)備上、下砥鐵之間,施加沖擊力或壓力,使之產(chǎn)生塑性變形,從而獲得所需鍛件的一種鍛造方法,簡稱自由鍛。自由鍛是鍛造工藝中廣泛采用的一種工藝方法,有手工鍛造和機器鍛造兩種。手工鍛造生產(chǎn)率低,勞動強度大,錘擊力小,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中機器鍛造是自由鍛的主要生產(chǎn)方式。

1.自由鍛工序

自由鍛工序可分為基本工序、輔助工序和精整工序(修整工序)?；竟ば蛴戌叴帧伍L、沖孔、擴孔、彎曲、扭轉(zhuǎn)、錯移等。輔助工序是為了使基本工序操作方便而進行的預(yù)變形工序,如壓鉗口、切肩等。修整工序是用以減少鍛件表面缺陷而進行的工序,如校正、滾圓、平整等。以下介紹基本工序的主要內(nèi)容。

1)鐓粗

在外力作用下使坯料高度減小、橫截面積增大的工序稱為鐓粗。鐓粗主要用于鍛制齒輪、法蘭盤之類的餅類零件,它能增大坯料橫截面積的平整端面,提高后續(xù)拔長工序的鍛

造比,提高鍛件的力學性能和減少力學性能的各向異性等。如圖3-17所示圖3-17鐓粗

2)拔長

拔長是使坯料的橫截面積減小、長度增加的鍛造工序,如圖3-18所示。圖3-18拔長

3)沖孔

用沖頭將坯料沖出通孔或不通孔的鍛造方法稱為沖孔。對于直徑小于25mm的孔一般不予沖出。沖孔主要用于鍛造空心鍛件、如齒輪環(huán)、圓環(huán)、套筒等。生產(chǎn)中采用的沖孔方法有實心沖子沖孔(見圖3-19)、空心沖子沖孔(見圖3-20)和墊環(huán)沖孔(見圖3-21)三種。

圖3-19實心沖子沖孔

圖3-20空心沖子沖孔

圖3-21墊環(huán)沖孔

4)擴孔

為了減小空心坯料壁厚而增加其內(nèi)外徑的鍛造工序稱為擴孔。常用的擴孔方法有沖子擴孔(見圖3-22)和芯軸擴孔(見圖3-23),后者在軸承行業(yè)中廣泛采用。

圖3-22沖子擴孔

圖3-23-芯軸擴孔

5)彎曲

將坯料加工成規(guī)定形狀的鍛造工序稱為彎曲。彎曲成型時金屬纖維組織不被切斷,而提高了鍛件質(zhì)量。彎曲多用于鍛制鉤、夾鉗、地腳螺栓等彎曲類零件。

6)扭轉(zhuǎn)

將坯料的一部分相對于另一部分繞共同軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的鍛造方法稱為扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)用于鍛制曲軸、矯正鍛件等。

7)錯移

將坯料的一部分與另一部分錯開一定距離,但仍保持軸線平行的鍛造方法稱為錯移,如鍛制雙拐或多拐曲軸件。

自由鍛可應(yīng)用上述基本工序生產(chǎn)不同類型的鍛件。圖3-24為齒輪坯自由鍛的工藝過程圖。

圖3-24齒輪坯自由鍛的工藝過程

2.自由鍛工藝規(guī)程的制定

自由鍛工藝規(guī)程主要包括以下幾個內(nèi)容。

1)鍛件圖的繪制

鍛件圖是以零件圖為基礎(chǔ),結(jié)合自由鍛工藝特點繪制而成的圖形,它是工藝規(guī)程的核心內(nèi)容,是制定鍛造工藝過程和鍛件檢驗的依據(jù)。

繪制鍛件圖應(yīng)考慮以下內(nèi)容:

(1)敷料(余塊)。為簡化鍛件形狀而增加的那部分金屬稱為敷料。

(2)加工余量。自由鍛件的精度及表面質(zhì)量較差,表面應(yīng)留有供機械加工的一部分金屬,即機械加工余量,又稱鍛件余量。

(3)鍛造公差。由于鍛件的實際尺寸不可能達到公稱尺寸,因此允許有一定的誤差。

2)坯料計算

鍛造時應(yīng)按鍛件形狀、大小選擇合適的坯料,同時還應(yīng)注意坯料的質(zhì)量和尺寸,使坯料經(jīng)鍛造后能達到鍛件的要求。

坯料質(zhì)量可按下式計算:

坯料質(zhì)量確定后,還須正確確定坯料的尺寸,以保證鍛造時金屬達到必需的變形程度,使得鍛造順利進行。坯料尺寸與鍛造工序有關(guān),若采用鐓粗工序,為防止鐓彎和便于下料,坯料的高度與直徑之比應(yīng)為1.5~2.5。若采用拔長工序,則應(yīng)滿足鍛造比要求。典型鍛件的鍛造比見表3-1。

3)正確設(shè)計變形工序

設(shè)計變形工序的依據(jù)是鍛件的形狀、尺寸、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)條件等。設(shè)計變形工序包括鍛件成型所必需的基本工序、輔助工序和精整工序,完成這些工序所使用的工具,以及確定各工序的順序和工序尺寸等。一般而言,盤類零件多采用鐓粗(或拔長鐓粗)和沖孔等工序;軸類零件多采用拔長、切肩和鍛臺階等工序。一般鍛件的分類及采用的

工序見表3-2。

4)選擇設(shè)備

一般根據(jù)鍛件的變形面積、鍛件材質(zhì)、變形溫度等因素選擇設(shè)備噸位?？諝忮N頭落下部分的重量表示其噸位?？諝忮N的噸位一般為650~1500N。合理地選擇設(shè)備噸位,可提高生產(chǎn)率,降低消耗。

除上述內(nèi)容外,鍛造工藝規(guī)程還應(yīng)包括加熱規(guī)范、加熱火次、冷卻規(guī)范和鍛件的后續(xù)處理等。

3.自由鍛實例

表3-3所示為半軸的自由鍛工藝卡。

4.自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性

由于鍛造是在固態(tài)下成型的,鍛件所能達到的復(fù)雜程度遠不如鑄件,而自由鍛件的形狀和尺寸主要靠人工的操作技術(shù)來保證,因此,對自由鍛零件結(jié)構(gòu)工藝性總的要求是在滿足使用要求的前提下,零件形狀應(yīng)盡量簡單、規(guī)則,以達到方便鍛造、節(jié)約金屬和提高生產(chǎn)率的目的。自由鍛結(jié)構(gòu)工藝性如表3-4所示。

3.3.3-模型鍛造和胎模鍛造

模型鍛造與自由鍛造相比具有以下特點:

(1)由于有模具引導(dǎo)金屬的流動,因此鍛件的形狀可以比較復(fù)雜。

(2)鍛件內(nèi)部的纖維組織比較完整,從而提高了零件的力學性能和使用壽命。

(3)鍛件尺寸精度高,表面光潔,能節(jié)約材料和節(jié)約切削加工工時。

(4)生產(chǎn)效率高,操作簡單,易于實現(xiàn)機械化。

(5)所用鍛模價格較昂貴,模具材料通常為5CrNiMo或5CrMnMo等模具鋼,而且模具加工困難,制造周期長,故模型鍛造適用于大批量生產(chǎn),生產(chǎn)批量越大,成本越低。

(6)需要能力較大的專用設(shè)備。由于模鍛是整體變形,并且金屬流動時與模具之間產(chǎn)生很大的摩擦力,因此所需設(shè)備噸位大。

1)鍛模結(jié)構(gòu)

如圖3-25所示,錘上模鍛用的鍛模由帶燕尾的上模和下模兩部分組成,上、下模分別用楔鐵固定在錘頭和模座上,上、下模閉合所形成的空腔即為模膛。模膛是進行模鍛生產(chǎn)的工作部分,按其作用來分,模膛可分為制坯模膛和模鍛模膛。

圖3-25鍛模示意圖

(1)制坯模膛。對于形狀復(fù)雜的鍛件,為了使坯料形狀、尺寸盡量接近鍛件,使金屬能合理分布及便于充滿模膛,就必須讓坯料預(yù)先在制坯模膛內(nèi)制坯。制坯模膛主要有以下幾

種形式:

①拔長模膛。拔長模膛是用來減小坯料某部分的橫截面積而增加該部分長度,如圖3-26所示。操作時,坯料要送進,也需要翻轉(zhuǎn)。

②滾壓模膛。滾壓模膛是用來減小坯料某部分的橫截面積而增大另一部分的橫截面積,如圖3-27所示。操作時,坯料需要不斷翻轉(zhuǎn)。

③彎曲模膛。彎曲模膛是用于軸線彎曲的桿形鍛件的彎曲制坯,如圖3-28所示。

圖3-26拔長模膛

圖3-27滾壓模膛

圖3-28彎曲模膛

此外還有切斷模膛、鐓粗臺和擊扁面模膛等類型的制坯模膛。

(2)模鍛模膛。鍛模上進行最終鍛造以獲得鍛件的工作部分稱為模鍛模膛。模鍛模膛分為預(yù)鍛模膛和終鍛模膛兩種。

①預(yù)鍛模膛。預(yù)鍛模膛的作用是使坯料變形到接近鍛件的形狀和尺寸,再進行終鍛,此時金屬容易充滿模膛成型,以減小終鍛模膛的磨損。對形狀簡單、批量不大的鍛件,可不必采用預(yù)鍛模膛。

②終鍛模膛。模膛形狀及尺寸與鍛件形狀及尺寸基本相同,但因鍛件的冷卻收縮,模膛尺寸應(yīng)比鍛件大一個金屬收縮量,鋼件收縮量可取1.5%。終鍛模膛沿模膛四周設(shè)有飛

邊槽,如圖3-29所示,其作用是容納多余的金屬;飛邊槽橋部的高度小,對流向倉部的金屬形成很大的阻力,可迫使金屬充滿模膛;飛邊槽中形成的飛邊能緩和上、下模間的沖擊,延長模具壽命。飛邊槽在鍛后利用壓力機上的切邊模去除。

圖3-29飛邊槽結(jié)構(gòu)

2)模鍛工藝規(guī)程的制定

(1)繪制模鍛件圖。模鍛件圖是鍛造生產(chǎn)的基本技術(shù)文件,是設(shè)計和制造鍛模、計算坯料和檢查鍛件的依據(jù)。

在繪制模鍛件圖時,還應(yīng)考慮下列內(nèi)容。

①選擇分模面。上模和下模在鍛件上的分界面稱為分模面。分模面的選擇將影響鍛件的成型質(zhì)量、材料利用率和成本等,對比圖3-30中鍛件的四種分模方案,可說明其選擇原則。

圖3-30分模面的選擇比較

(a)鍛件應(yīng)能從模膛中順利取出,以a－a面為分模面,鍛件無法取出。一般情況下,分模面應(yīng)選在鍛件最大截面處。

(b)應(yīng)使上、下模沿分模面的模膛輪廓一致,便于發(fā)現(xiàn)在模鍛過程中出現(xiàn)的上、下模間錯移,c－c面不符合要求,通常分模面應(yīng)選在鍛件外形無變化處。

(c)應(yīng)盡量減少敷料,以降低材料消耗和減少切削加工工作量,若以b－b

作分模面,則孔不能鍛出,需加敷料。

(d)模膛深度應(yīng)盡量小,以利于金屬充滿模膛,便于取出鍛件,且利于模膛的加工,因此b－b面不適合作分模面。

(e)分模面應(yīng)為平直面,以簡化模具加工。

綜上所述,圖3-30中的d－d面作分模面是合理的。

②模鍛斜度。為便于從模膛中取出鍛件,鍛件上垂直于分模面的表面均應(yīng)有斜度,稱為模鍛斜度,如圖3-31所示鍛件外壁上的斜度α1叫外壁斜度,鍛件內(nèi)壁上的斜度α2叫內(nèi)壁斜度。鍛件的冷卻收縮使其外壁離開模膛,但內(nèi)壁收縮會把模膛內(nèi)的凸起部分夾得更緊。因此,內(nèi)壁斜度α2應(yīng)比外壁斜度α1大,鋼件的模鍛斜度一般為α1=5°~7°,α2=7°~12°。

圖3-31模鍛斜度與圓角半徑

③圓角半徑。鍛件上凡是面與面的相交處均應(yīng)成圓

角過渡,如圖3-31所示。這樣在鍛造時,金屬易于充滿模膛,減少模具的磨損,提高模具的使用壽命。外凸的圓角半徑r叫外圓角半徑,內(nèi)凹的圓角半徑R叫內(nèi)圓角半徑。圓角半徑的數(shù)值與鍛件的形狀、尺寸有關(guān),通常取r=1.5~12mm,R=(2~3)r。模膛越深,圓角半徑取值越大。

④沖孔連皮?？讖絛>30mm的孔可以鍛出,但不能鍛出通孔,必須留有一層金屬,稱為沖孔連皮,鍛后沖去沖孔連皮,才能獲得通孔鍛件。沖孔連皮的厚度S應(yīng)適當,厚度太小,增大了鍛造力,加速了模具的磨損;厚度太大,不僅浪費金屬,而且使沖力增加。沖孔連皮厚度的數(shù)值與孔徑、孔深有關(guān),當d=30~80mm時,一般取S=4~8mm。

模鍛鍛件圖可根據(jù)上述內(nèi)容繪制,圖3-32為齒輪坯的模鍛件圖。

圖3-32齒輪坯模鍛件圖

(2)確定模鍛工序步驟。確定模鍛工序步驟的主要依據(jù)是鍛件的形狀和尺寸。模鍛件按其外形可分為盤類鍛件和軸(桿)類鍛件。

盤類鍛件終鍛時,金屬沿高度、寬度及長度方向均產(chǎn)生流動。這類鍛件的變形工序步驟通常是鐓粗制坯和終鍛成型。形狀簡單的盤類零件,可只用終鍛成型工序。

(3)計算坯料。模鍛件的坯料質(zhì)量按下式計算:

(4)選擇設(shè)備噸位。鍛錘噸位可根據(jù)鍛件重量和形狀,查閱鍛工手冊。鍛錘噸位一般為75~160kN。

(5)確定修整工序。終鍛只是完成了鍛件最主要的成型過程,成型后尚需經(jīng)過切邊、沖孔、校正、熱處理、清理等修整工序,才能得到合格的鍛件。對于精度和表面粗糙度要求嚴格的鍛件,還要進行精壓。

①切邊和沖孔。切邊是切除鍛件分模面四周的飛邊,如圖3-33(a)所示。沖孔是沖去鍛件上的沖孔連皮,如圖3-33(b)所示。

圖3-33-切邊和沖孔模示意圖

②校正。在模鍛、切邊、沖孔及其他工序中,由于冷卻不均、局部受力等原因而引起鍛件變形,如果超出允許范圍,則在切邊、沖孔后需進行校正。校正分為熱校正和冷校正。

③熱處理。為了消除模鍛件的過熱組織或加工硬化組織,提高模鍛件的力學性能,一般采用正火或退火對模鍛件進行熱處理。

④清理。模鍛或熱處理后的模鍛件還需進行表面處理,去除在生產(chǎn)過程中形成的氧化皮、所沾油污和殘余毛刺等,以提高模鍛件的表面質(zhì)量,改善模鍛件的切削加工性能。

⑤精壓。這是一種提高鍛件精度和降低表面粗糙度的加工方法,通常在校正后進行。精壓在精壓機上進行,也可在摩擦壓力機上進行。精壓分為平面精壓和整體精壓,如圖3-34所示。平面精壓主要用來獲得模鍛件某些平行平面間的精確尺寸;整體精壓主要用來提高模鍛件所有尺寸的精度,減少鍛件質(zhì)量的差別。

圖3-34精壓

3)模鍛件結(jié)構(gòu)的工藝性

設(shè)計模鍛零件時,應(yīng)根據(jù)模鍛的特點和工藝要求,使零件結(jié)構(gòu)符合下列原則,以便于加工和降低成本。

(1)鍛件應(yīng)具有合理的分模面,以滿足制模方便、金屬容易充滿模膛、鍛件便于出模及敷料最少的要求。

(2)鍛件上與分模面垂直的非加工表面,應(yīng)設(shè)計有結(jié)構(gòu)斜度,非加工表面所形成的角都應(yīng)按模鍛圓角設(shè)計。

3)在滿足使用要求的前提下,鍛件形狀應(yīng)力求簡化,尤其應(yīng)避免薄片、高筋、高臺等結(jié)構(gòu),如圖3-35(a)所示的零件凸緣高而薄,兩凸緣間形成較深的凹槽,難于用模鍛方法鍛制。圖3-35(b)所示的零件扁而薄,模鍛對薄壁部分易冷卻,不易充滿模膛,同時對鍛模也不利。圖3-35(c)所示的零件有一高而薄的凸緣,使鍛模制造及鍛件取出困難,在不影響零件使用的條件下,改為圖3-35(d)所示的零件的形狀,則其工藝性大為改善。

圖3-35模鍛零件形狀

2.胎模鍛造

胎模鍛造是在自由鍛設(shè)備上使用胎模生產(chǎn)模鍛件的一種鍛造方法,簡稱胎模鍛。胎模鍛一般用自由鍛方法制坯,然后在胎模中最后成型。胎模是不固定在鍛造設(shè)備上的模具。

胎?？煞譃榭勰?、筒模和合模三類。

1)扣模

扣膜由上、下扣組成,或只有下扣,上扣由鍛錘的上砥鐵代替,如圖3-36所示?？勰ｅ懺鞎r,工件不轉(zhuǎn)動,它常用于非回轉(zhuǎn)鍛件的整體成型或局部成型。

圖3-36扣模

2)筒模

筒模也叫套模,又分開式筒模和閉式筒模,主要用于齒輪、法蘭盤等回轉(zhuǎn)體盤類鍛件的生產(chǎn)。形狀簡單的鍛件,只用一個筒模就可生產(chǎn),如圖3-37所示;而形狀復(fù)雜的鍛件,則需要用組合筒模,如圖3-38所示。

圖3-37筒模

圖3-38組合筒模

3)合模

合模屬于成型模,由上模和下模兩部分組成,如圖

3-39所示。圖3-39合模

胎模鍛造的生產(chǎn)工藝過程包括制定工藝規(guī)程、胎模制

造、備料、加熱、鍛制及后續(xù)工序等。其中在胎模鍛造工

藝規(guī)程制定中,分模面可靈活選取,數(shù)量不限于一個,并且在不同工序中可以選取不同的分模面,以便于制造胎模和使鍛件成型。

3.4沖壓

3.4.1沖壓的特點及應(yīng)用沖壓是利用裝在沖床上的沖模,使板料產(chǎn)生分離和變形,從而獲得毛坯或零件的壓力加工方法。一般板料是在再結(jié)晶溫度以下進行沖壓的,所以又叫冷沖壓,適用于厚度在6mm以下的金屬板料,而當板料厚度超過8~10mm時,需采用熱沖壓。沖壓加工廣泛地應(yīng)用于各種金屬制品的生產(chǎn)中,尤其是在汽車、電器、儀表等金屬加工領(lǐng)域中,沖壓占有十分重要的地位。

沖壓具有以下特點:

(1)可生產(chǎn)形狀復(fù)雜且有較高精度和較低表面粗糙度的沖壓件,沖壓件具有質(zhì)量輕、互換性好、強度高、剛性好等特點。

(2)材料利用率高,一般可達70%~80%。

(3)生產(chǎn)率高,每分鐘可沖壓數(shù)百件至數(shù)千件,易于實現(xiàn)機械化和自動化,故零件成本低。

(4)適應(yīng)性強,金屬和非金屬材料均可用沖壓方法加工,沖壓件可大可小,小的如儀表零件,大的如汽車、飛機的表面覆蓋件等。

3.4.2板料的沖壓成型性能

1.沖壓成型性能的表現(xiàn)形式

沖壓成型性能是一個綜合性的概念,可通過兩個主要方面體現(xiàn),即成型極限和沖壓件質(zhì)量。

2.沖壓成型性能與板料力學性能的關(guān)系

板料沖壓性能與板料的力學性能有密切關(guān)系。一般來說,板料的強度指標越高,產(chǎn)生相同變形量所需的力就越大;塑性指標越高,成型時所能承受的極限變形量就越大;剛性指標越高,成型時抗失穩(wěn)起皺的能力就越大。對板料沖壓成型性能影響較大的力學性能指標有以下幾項。

1)屈服極限Re

屈服極限Re小,材料容易屈服,則變形抗力小,產(chǎn)生相同變形所需的變形力就小。

2)屈強比Re/Rm

屈強比小,說明屈服極限值小而強度極限值大,即容易產(chǎn)生塑性變形而不易產(chǎn)生拉裂,也就是說,從產(chǎn)生屈服至拉裂有較大的塑性變形區(qū)間。

3)延伸率A

拉伸試驗中,試樣拉斷時的延伸率稱為總延伸率,簡稱延伸率,用A表示。

4)硬化指數(shù)n

單向拉伸硬化曲線可表示為公式S=Ken,其中K表示硬化系數(shù),S表示真應(yīng)力,e表示真應(yīng)變,指數(shù)n即為硬化指數(shù),表示在塑性變形中材料的硬化程度。硬化指數(shù)越大,在變形中材料加工硬化越嚴重。

5)厚向異性指數(shù)γ

板料的力學性能會因方向不同而出現(xiàn)差異,這種現(xiàn)象稱為各向異性。

3.常用沖壓材料及其力學性能

沖壓最常用的材料是金屬板料,表3-5列出了部分常用沖壓材料的力學性能。

3.4.3-沖壓基本工序

沖壓生產(chǎn)的基本工序可分為分離工序和變形工序兩種。

1.分離工序

分離工序是使板料的一部分與其另一部分產(chǎn)生相互分離的工序,如落料、沖孔、切斷和修整等,并統(tǒng)稱為沖裁。在表3-6中給出了分離工序的特點及應(yīng)用范圍。

1)沖裁

習慣上沖裁一般專指落料和沖孔。

(1)沖裁變形過程分析。

沖裁變形過程大致可分為彈性變形、塑性變形、斷裂分離三個階段,其中塑性變形會導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)并延伸,如圖3-40所示。

①彈性變形階段。

②塑性變形階段。

③斷裂分離階段。圖3-40沖裁變形過程

沖裁件被剪斷分離后斷面的區(qū)域特征如圖

3-41所示。圖3-41沖裁件斷面特征

(2)沖裁模間隙。沖裁模間隙是一個重要的工藝參數(shù),它不僅對沖裁件的斷面質(zhì)量有極重要的影響,而且還影響模具的壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度等。

①間隙對斷面質(zhì)量的影響。間隙過大或過小均導(dǎo)致上、下兩面的剪切裂紋不能相交重合于一線,如圖3-42所示。間隙太小時,凸模刃口附近的裂紋比正常間隙時的裂紋向外錯開一段距離。這樣,上、下裂紋中間的材料隨著沖裁過程的進行將被第二次剪切,并在斷面上形成第二光亮帶,如圖3-42(b)和圖3-43(a)所示,中部留下撕裂面,毛刺也增大;間隙過大時,剪裂紋比正常間隙時的裂紋遠離凸模刃口,材料受到拉伸力較大,光亮帶變小,毛刺、塌角、斜度也都增大,如圖3-43(c)所示。圖3-42間隙對裂紋重合的影響

圖3-43-間隙對沖裁件斷面的影響

②間隙對模具壽命的影響。在沖裁過程中,凸模與被沖的孔之間、凹模與落料件之間均有較大摩擦,而且間隙越小,摩擦越嚴重。

(3)凸模和凹模刃口尺寸的確定。沖裁件的尺寸和沖裁模間隙都取決于凸模和凹模刃口的尺寸。因此,必須正確地確定沖裁模刃口尺寸及其公差。在落料時,應(yīng)使落料模的凹

模刃口尺寸等于落料件的尺寸,而凸模的刃口尺寸等于凹模刃口尺寸減去雙邊間隙值。

(4)沖裁力的計算。沖裁力是確定設(shè)備噸位和檢驗?zāi)＞邚姸鹊闹匾罁?jù)。一般沖模刃口為平的,當沖裁高強度材料或厚度大、周邊長的工件時,沖裁力很大,如超過現(xiàn)有設(shè)備負荷,則必須采取措施降低沖裁力,常用的方法是采用熱沖,或使用斜刃口模具以及階梯形凸模等。

平刃沖模的沖裁力(P)可按下式計算:

式中:K表示系數(shù),一般可取K=1.3;L表示沖裁件邊長(mm);S表示沖裁件厚度(mm);τb表示材料的抗剪強度(MPa),為便于估算,可取τb=0.8Rm。

(5)沖裁件的排樣。為了節(jié)省材料和減少廢料,應(yīng)對落料件進行合理排樣。排樣是指落料件在條料、帶料或板料上進行布置的方法。圖3-44為同一落料件的四種排樣法,其中圖3-44(d)為無搭邊排樣,其用料最少,但落料件尺寸不易精確,毛刺不在同一平面,質(zhì)量較差。生產(chǎn)中大多采用有搭邊排樣法,而圖3-44(b)為最節(jié)省材料的布置方法。

圖3-44落料的排樣方法

2)修整

如果零件的精度要求較高,表面粗糙度較低,在沖裁之后可把工件的孔或落料件進行修整。修整是利用修整模切掉沖裁件斷面的剪裂帶和毛刺。修整沖裁件的外形稱為外緣修整,修整沖裁件的內(nèi)孔稱為內(nèi)緣修整,如表3-6中的修整工序。

2.變形工序

變形工序是使板料的一部分相對于另一部分產(chǎn)生位移而不破裂的工序,如拉伸、彎曲、翻邊、成型等。在表3-7中列出了變形工序的特點及應(yīng)用范圍。

以下主要介紹拉伸、彎曲、翻邊等工序的內(nèi)容,并舉例說明。

1)拉伸

拉伸是利用模具將平板狀的坯料加工成中空形零件的變形工序,又稱為拉延或壓延,如圖3-45所示。

圖3-45拉伸工序

(1)拉伸過程的變形特點。

(2)拉伸過程中應(yīng)注意的問題。

①防止拉裂的措施。

(a)拉伸模的凸、凹模應(yīng)具有適當?shù)膱A角半徑。

(b)拉伸模的凸、凹模應(yīng)選擇合理的間隙z,一般取z=(1.1~1.2)s,s為坯料厚度。

(c)每次拉伸中,應(yīng)控制拉伸系數(shù),避免拉裂,如圖3-46(a)所示。拉伸系數(shù)是指拉伸件直徑d與坯料直徑D的比值,用m

表示,即m=d/D。

(d)拉伸過程應(yīng)具有良好的潤滑。通

②防止起皺的措施。起皺是法蘭部分受切向壓應(yīng)力過大,板料失穩(wěn)而產(chǎn)生的現(xiàn)象,如圖3-46(b)所示。圖3-46拉伸件廢品

生產(chǎn)中常采用在模具中增加壓邊圈的方法,以增大坯料徑向拉力防止起皺,如圖3-47所示。圖3-47有壓邊圈的拉伸

2)彎曲

彎曲是使坯料的一部分相對于另一部分形成一定角度的變形工序,如圖3-48所示。圖3-48彎曲示意圖

當外側(cè)拉應(yīng)力超過坯料的抗拉強度時,會產(chǎn)生拉裂。盡量選用塑性好的材料,限制最小彎曲半徑rmin,使rmin≥(0.25~1)s,彎曲圓弧的切線方向與坯料的纖維組織方向一致,見圖3-49,防止坯料表面劃傷,以免彎曲時造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生拉裂。

圖3-49彎曲時纖維方向

3)翻邊

翻邊是在帶孔的平板料上用擴張的方法獲得凸緣的變形工序,圖3-50所示為各種不同形式的翻邊。翻邊時孔邊材料沿切向和徑向受拉而使孔徑擴大,越接近孔邊緣,變形越大。變形程度過大時,會使孔邊拉裂。翻邊拉裂的條件取決于變形程度的大小。翻邊的變形程度可用翻邊系數(shù)K0來衡量,即

式中:d0表示翻邊前的孔徑尺寸;d表示翻邊后的孔徑尺寸。

4)典型零件的沖壓工序舉例

沖壓工藝過程包括:分析沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性;擬定沖壓件的總體工藝方案;確定毛坯形狀、尺寸和下料方式;擬定沖壓工序性質(zhì)、數(shù)目和順序;確定沖模類型和結(jié)構(gòu)形式;選擇沖壓設(shè)備;編寫沖壓工藝文件。

在生產(chǎn)各種沖壓件時,各種工序的選擇和工序順序的安排都是根據(jù)沖壓件的形狀、尺寸和每道工序中材料所允許的變形程度來確定的。圖3-51為出氣閥罩蓋的沖壓工藝過程。表3-8為托架的工藝過程。

圖3-51出氣閥罩蓋沖壓工藝過程

3.4.4沖壓件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

沖壓件生產(chǎn)往