金属材料成形技术.ppt

金属材料成形技术,热加工工艺基础,第二部分,第8章压力加工,概述,5．模型锻造,一、金属塑性成形（压力加工）的概念,金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。,二、塑性成形的基本生产方式,1．轧制,2．挤压,3．拉拔,4．自由锻造,6．板料冲压,,,1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。,三、塑性成形（压力加工）的特点,1．力学性能高,1）压合铸造缺陷;2）晶粒细化,组织致密；3）合理利用了变形强化和再结晶；4）使纤维组织合理分布。,2．节约材料,1）力学性能高，承载能力提高；2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。,3．生产率高,4．适用范围广,1.金属的塑变实质。,8.1压力加工理论基础,8.1.1金属塑性变形与再结晶,（1）金属单晶体的塑性变形,工业上使用的金属材料大多数是多晶体，它们的塑性变形过程比较复杂，为了说明塑性变形的基本规律，有必要先了解单晶体的塑性变形。,先对载荷进行分解,外载荷沿某一晶面可以分解为正应力和剪切应力这两种应力作用下各会发生什么情况,正应力只能引起弹性变形,剪切应力不仅引起弹性变形而且造成材料的塑性变形,单晶体的塑性变形方式,一般绝大多数情况下都是以滑移方式进行的；只有塑性较差的金属如Cd,Zn,Mg等在较大的冲击载荷下以及在低温下有可能产生孪生变形。,1）滑移变形,滑移概念在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分发生一定距离的移动。滑移机理（过程）通过位错的逐步迁移来实现的。,滑移机理（过程）动画示意滑移过程与地毯运动或波浪运动类似显微镜下的位错运动,滑移的取向性滑移总是沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）进行。滑移面原子排列最密的晶面滑移方向滑移面上原子排列最密的晶向原因在原子排列最密的晶面和原子排列最密的晶向上滑移的阻力最小。,2）孪生变形,孪生变形的实质在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变，并形成晶体取向的镜面对称关系。只有塑性较差的金属如Cd,Zn,Mg等在较大的冲击载荷下以及在低温下有可能产生孪生变形。,单晶体的塑性变形小结单晶体的塑性变形是在剪切应力作用下，沿着一定的晶面和晶向通过滑移或孪生来完成的，其中滑移是主要变形方式，而滑移又是位错逐步迁移的结果。,（2）多晶体的塑性变形,实际使用的金属都是多晶体，由大小、形状、位向都不完全相同的晶粒组成，各晶粒之间由晶界相连接。多晶体塑性变形就每个晶粒内部来说与单晶体相同，还应考虑晶界和位向对变形的影响。晶界的影响晶界原子排列混乱，明显阻碍滑移的进行，所以晶粒越细小（晶界增多），多晶体的宏观变形抗力越大，即材料的强度越高。,晶粒位向的影响多晶体在受到外力作用时，塑性变形首先发生在位向最有利的晶粒中，如图中的晶粒A和B。随着外力增加，作用在位向不太有利的滑移面上的切应力达到了塑性变形所需要的数值，塑性变形开始遍及越来越多的晶粒。各晶粒的变形先后不一致，变形量也不一致，这就造成了多晶体变形的不均匀性。当晶粒细小时，会使这种不一致现象分散开，使不均匀性得到缓解，所以晶粒越细小，材料的塑性也越好。,2.塑性变形对金属组织和性能的影响,先看组织的变化,（1）工业纯铁晶粒形态的变化,晶粒被拉长或者压扁,晶粒被拉长或者压扁破碎成为细条状并形成纤维组织，,,等轴晶粒,,再看性能变化,经过塑性变形,物理、化学性能,电阻增加，抗腐蚀能力降低,力学性能,强度、硬度升高（利），塑性、韧性下降（弊）,理、化和力学性能,加工硬化,,,,经过塑性变形,铜丝冷变形时的力学性能变化,加工硬化的应用强化金属材料的方法之一,纯铁和低碳钢,抗拉强度增加400500MPa,高碳钢（细片状珠光体组织）,抗拉强度可增加1000MPa以上,对于不能通过热处理强化的材料，显得尤为重要。,其他方面金属材料具有加工硬化能力，零件在偶尔过载时可防止突然断裂；还可以使各种冷加工工艺得以进行。,,,70变形度,80变形度,加热对变形金属组织和性能的影响,经塑性变形的材料吸收了部分变形功，内能增高，结构缺陷增多，处于不稳状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势;但由于室温下原子扩散能力低，可以保持亚稳状态；当冷形变的金属受热时原子扩散能力增强，将发生回复、再结晶与晶粒长大等过程。,变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图,（1）回复组织和性能的变化加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。回复的应用用于降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性的场合。比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，此外，由于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除残余应力。,（2）再结晶概念当冷变形金属被加热到高于回复的适当温度时，原子也具有较大的活动能力，此时将以破碎的晶粒为核心形成新的等轴晶粒。并使加工硬化现象完全消除，我们把这一阶段称为“再结晶”。应注意形成的新晶粒与原来的晶粒晶格类型相同，只是在变形组织内部以新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒。再结晶温度经严重冷变形（变形量70）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95）最低温度。经验公式工业纯金属T再＝0.350.45Tm合金T再＝0.40.9Tm。注再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃,再结晶过程示意图,金属的冷变形与热变形工程上把在再结晶温度以下进行的压力加工称为冷变形；冷变形会出现加工硬化现象。工程上把在再结晶温度以上进行的压力加工称为热变形，热变形通过再结晶及时把加工硬化现象消除了，故不会遗留加工硬化现象。再结晶的应用工程上对于板料冲压等冷变形加工，往往要在工步之间穿插再结晶退火，来消除加工硬化，否则会造成裂纹等缺陷。另外，再结晶退火控制的合适还会使晶粒比以前细化，可提高材料性能。,加工硬化与再结晶的应用视频,8.1.2纤维组织与锻造比1、纤维组织纤维组织概念金属中（特别是晶界上）的杂质沿变形方向的流线分布。纤维组织特性a、造成材料的各向异性平行纤维方向抗拉不抗剪；垂直纤维方向抗剪不抗拉。b、纤维的分布和方向用热处理无法改变。,纤维组织对性能的影响,不利的影响,过大的变形量使材料垂直于纤维方向的力学性能有所下降,解决方法,控制变形量YS0/S,,,有利的影响,使纤维方向合理分布，可提高材料的承载能力,如何合理分布,使工件受拉方向平行于纤维方向使工件受剪方向垂直于纤维方向使纤维沿零件的轮廓分布而不被切断,,,曲轴的两种制造方法左图为自由锻纤维方向分布合理；右图为切削加工纤维方向分布不合理,2、锻造比,锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。拔长时的锻造比为Y拔A0/AL/L0镦粗时的锻造比为Y镦A/A0H0/H一般情况下，增加锻造比，对改善金属的组织和性能是有利的。但是锻造比太大是无益的。,8.1.3金属的可锻性,是金属材料在压力加工时成形的难易程度。,1.可锻性的衡量指标,1）塑性,2）变形抗力,材料的塑性越好，其可锻性越好。,材料的变形抗力越小，其可锻性越好。,2.影响可锻性的因素,1）金属的本质,①化学成分Me越低，材料的可锻性越好。,②组织状态纯金属和固溶体具有良好的可锻性。,2）变形条件,①变形温度,③应力状态,②变形速度,,,,T温越高，材料的可锻性越好。,V变越小，材料的可锻性越好。,三向压应力塑性最好、变形抗力最大。,三向拉应力塑性最差、变形抗力最大。,三、金属的变形规律,1.体积不变定律,2.最小阻力定律,二、锻造温度范围,始锻温度,终锻温度,过热、过烧缺陷,加工硬化,451200℃800℃,8.2常用锻造方法,一、自由锻设备,,锻锤,压力机,,空气锤,蒸汽空气锤,,水压机,油压机,65750Kg,630Kg5T,落下部分总重量活塞锤头锤杆,滑块运动到下始点时所产生的最大压力,锻锤吨位,压力机吨位,8.2.1自由锻大型锻件和单件小批锻件唯一压力加工方法,,具有万吨级水压机从侧面代表一个国家重工业制造能力,自由锻工序有三类,自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、错移、弯曲等；辅助工序包括压钳口、倒棱、压肩等；精整工序是对已成形的锻件表面进行平整，清除毛刺、校直弯曲、修整鼓形等。,二、自由锻基本工序,二、自由锻基本工序,基本工序完成锻件基本变形和成形的工序。,,H,,,,完全礅粗,局部礅粗,，S,,,1.25≤H0/D0≤2.5,3.冲孔,4.弯曲,5.扭转,6.错移,1.礅粗,2.拔长,，S,L,,,,芯轴拔长,芯轴扩孔,三、自由锻工艺规程的制定,1.锻件图的绘制,1）机械加工余量,2）公差,3）敷料,2.坯料重量和尺寸的计算,G坯（1k）G锻,G坯G锻G切料G芯料G烧,K消耗系数,（1/31/4）余量,YF坯/F锻,YH坯/H锻,拔长,镦粗,1.25≤H0/D0≤2.5,圆截面坯料,所以,长轴类锻件,3.锻造工序的选择,轴、杆类零件镦粗、拔长,盘类、环类零件镦粗（拔长及镦粗）、冲孔（冲子扩孔或芯轴上扩孔）,筒类零件镦粗、冲孔、在芯轴上拔长,,自由锻件的分类与工步安排,3.锻造工序的选择,4.锻造温度范围及加热火次的确定,5.锻造设备的选择,6.确定工时,7.填写工艺卡,四、自由锻件结构工艺性,1.避免斜面和锥度,2.避免曲面相交,3.避免加强筋和凸台,4.采用组合工艺,实例,,,,,,,,8.2.2模型锻造,模型锻造将金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛内受压、变形，获得锻件的方法。,特点,1）生产率高；,2）锻件的尺寸精度和表面质量高；,3）材料利用率高；,4）可锻造形状较复杂的零件；,5）模具成本高、设备昂贵；,6）锻件不能任意大。一般不得超过150kg。,一、锤上模锻,（一）锤上模锻设备,蒸汽空气模锻捶,（二）锻模结构,锻模,,模膛,飞边槽,,桥部,仓部,形成锻件基本形状和尺寸的空腔。,容纳多余的金属。,增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛。,,,,,（三）模膛的分类,模膛,,模锻模膛,制坯模膛,,终锻模膛,预锻模膛,,延伸模膛,滚压模膛,弯曲模膛,切断模膛,,,（四）锻模工艺规程的制定,1.绘制锻件图,1）分模面的选择,①分模面应选在锻件的最大截面处；,②分模面的选择应使模膛浅而对称；,③分模面的选择应使锻件上所加敷料最少；,④分模面应最好是平直面。,,,,,2确定加工余量、公差和敷料,加工余量14mm,公差0.33mm,3）设计模锻斜度,外壁斜度570,内壁斜度7120,4）设计模锻圆角,外圆角r1.512mm,内圆角R（23）r,,5）确定冲孔连皮,,2.确定模锻工序,1）基本工序,2）修正工序,切边；,冲孔；,校正；,热处理；,清理。,（五）模锻件结构工艺性,1.易于从锻模中取出锻件；,2.零件的外形应力求简单、对称、平直；,3.避免薄壁、高筋、凸起等结构；,4.避免设计深孔、多孔结构；,5.采用锻焊组合工艺。,,,,二、胎模锻造,利用自由锻设备在活动模具上生产模锻件的方法。,1.扣模,2.筒模,3.合模,,,应用没有模锻设备的中、小型锻件的批量生产。,,3板料冲压,利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获得所需零件的工艺方法。,冷冲压,t2t。,④带孔件的弯曲,3）对拉深件的要求,①弯曲件的形状应力求简单、对称，并不宜太高；,②拉深件的圆角半径应满足rdt、R2t；,2.改进结构可简化工艺及节省材料,1）采用冲焊结构,2）采用冲口工艺,3）尽量简化冲压件的结构,12000吨水压机的故事,1961年12月，江南造船厂成功地建成国内第一台12000吨水压机，先将万吨水压机缩小成1/10，造1台1200吨水压机，让它投入生产，进行模拟试验。3座横梁用多块钢板焊接成一个整体。但整体焊接究竟能承受多少压力，谁也说不清楚，为了确保安全，先造一台120吨水压机作试验。不久，一台120吨水压机制造成功，经过实际考验，压力增加到430吨，横梁完好无损，于是当即决定12000吨水压机3座横梁采用整体焊接的方案。这是一次工艺改革，不仅使横梁总重量从原来的1150吨减轻到570吨，同时使机械加工和装配工作量也减少了一半以上，为国家节约了大量资金。机身高33.65米，机上有13个特大件，即3座横梁、4根立柱和6只工作缸。100吨上下的零件12个，50吨左右的零件20余个，3座横梁的重量是100～300吨，4根立柱各长18米，直径1米，重80吨，就连立柱上的螺丝帽一个就有五六吨重要完成万吨水压机的建造任务，还得闯过“金、木、水、火、电”5个大关。如果将全部焊缝折成100毫米厚，它的长度可延伸3公里以上；如果用一般的手工焊，一个电焊工要足足干30年才能焊完。用几台移动式土铣床直接放在横梁上加工，并用53把刀盘同时铣削，在精加工最后一刀时，他们扛来几十斤重的量具，上上下下量了100多次，最后使3座横梁12个孔累计误差只有0.24毫米。,