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1、第十三章 压力加工 第一节 压力加工基本原理 第二节 自由锻 第三节 模锻 第四节 板料冲压 压力加工：使金属坯料在外力作用下产生 塑性变形，以获 得所需形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯和零件的加工 方法。 机械性能高 特点 节省金属 易实现机械化和自动化，生产效率高 第十三章 压力加工 第一节 压力加工基本原理 对金属坯料施加外力使应力超过材料s，材 料会产生塑性变形。 按照变形后金属有无硬化现象，塑性变形可 分为：冷变形、热变形、温变形 。 1、冷变形 金属在回复温度以下进行的塑性变形，变形后有明 显加工硬化现象。 (如：冷轧、拉、冲、挤） 大多数钢材和多数金属材料，冷变形是在室温下进
2、行，可避免金属加热缺陷，获得较高的精度和表面 质量，强度，硬度。 限于：低碳钢、有色金属及合金的薄件和小件加工 第一节 压力加工基本原理 第一节 压力加工基本原理 2、热变形 l 在再结晶温度以上进行，金属在热变形过程中既 有加工硬化又有再结晶，但加工硬化会被回复和 再结晶完全消除。（如热锻、热轧、热挤压） l 热变形温度比再结晶温度高得多。 材料再结晶温度热锻温度 钢材4806001250800 工业纯铜200270800600 第一节 压力加工基本原理 锻造比 在塑性成形时，常用锻造比(Y)来表示变形程度。 锻造比的计算公式与变形方式有关，通常用变形前 后的截面比、长度比或高度比来表示：
3、v 拔长 y拔=A0/A1=L1/L0 v 墩粗 y墩=A1/A0=H0/H1 式中 A0、A1毛坯变形前后的截面积； H0、H1毛 坯变形前后的高度；L0、L1毛坯变形前后的长度。 第一节 压力加工基本原理 y5 纤维组织已非常明显，纵向性能不再提高， 而横向的塑性，韧性却逐渐下降 钢材碳素结构钢 合金结构钢高速钢不锈钢 y233451246 锻造流线 锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主 要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着 金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻 后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻 造流线，也称流纹。 第一节 压力加工基本原理 第一节 压力加工基本原
4、理 3 温变形 金属在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的塑性成 形过程，温变形过程中有加工硬化及回复现象，但无再结晶 ，硬化只得到部分消除。 第一节 压力加工基本原理 与热变形相比：其坯料氧化和脱碳较少，利于提高工件 的精度与表面质量。 与冷变形相比：温变形使变形抗力减小，塑性增加，一 般不需要预先退火，表面处理和工序间退火。 适合：变形抗力大、加工硬化敏感的高碳钢，中高合金钢， 轴承钢，不锈钢等。 二、金属的可锻性能(塑性变形抗力） 衡量材料经受压力加工难易程度的工艺性能。 1.金属的本质 第一节 压力加工基本原理 化学成分 元素种类 含量 可锻性 组织结构 单相比多相可锻性好，多相塑
5、形 不同，变形不均引起内应力，导 致开裂 2、变形的条件 变形温度 T，原子动能 结合力，可锻性， 。 如右图所示，碳钢的始锻温 度比AE线低约150250 ，终锻温度为800左右。 碳素钢的锻造温度范围 变形速度的影响 v 变形速度指单位时间的变形程 度。 v 当变形速度 k时， s 原因：回复，再结晶不能及时 消除加工硬化效果 变形速度对金属可锻性的影响 当变形速度 k时， s 原因： 变形过程中消耗于塑形变形的一部分能量转 化为热能使T， , s 1变形抗力曲线 2塑性变化曲线 第一节 压力加工基本原理 应力状态 压应力数目越多，塑形越好，拉应力数目越多， 塑形越差。 不同变形方法时金属
6、的应力状态 第一节 压力加工基本原理 三、金属的变形规律 1、体积不变定律： 由于塑性变形时金属密度的变化很小，可认为坯 料变形前后的体积相等。 应用体积不变定律计算坯料尺寸，工序尺寸， 锻模尺寸 第一节 压力加工基本原理 第一节 压力加工基本原理 2、最小阻力定律 金属受外力作用发生塑性变形时，如果某质点有向各 种方向移动的可能性时，则质点将沿着阻力最小的方向 移动，故宏观上变形阻力最小的方向上变形量最大。 金属镦粗变形 不同截面金属的流动情况 第二节 自由锻 自由锻：利用外力使金属 在上下两个砧铁之间产生 变形，从而得到所需形状 及尺寸的锻件。 （坯料在砧铁间受力变形时 ，朝各个方向可以自
7、由流 动，不受限制。） 自由锻 手工锻造 机器锻造 锻锤 空气锤 蒸汽空气锤（max 50kN 可生产1500Kg） 压力机500t（水压机）可锻300t锻件 自由锻 基本工序 辅助工序预变形工序如压钳把、倒棱边、压痕 精整工序清除表面凹凸不平及整形、减小锻件表面 缺陷。 使金属坯料产生一定程度的塑性 变形，达到所需形状和尺寸 第二节 自由锻 （一）自由锻工艺规程的制定 1.绘制锻件图 （1）加工余量 自由锻件表面留有供机械加工用 的金属层，称为加工余量。 （2）锻造公差 在实际生产中，由于各种因素的 影响，锻件的实际尺寸不可能达到锻件的公称尺寸， 允许有一定限度的误差，叫做锻造公差。 （3）
8、余块 为了简化锻件外形或根据锻造工艺需 要，在零件的某些地方添加一部分大于余量的金属， 这部分附加的金属叫做锻造余块，简称余块。 第二节 自由锻 第二节 自由锻 2、坯料的质量及尺寸计算 G坯料=G锻件+G烧损+G料头 G烧损 加热时坯料表面氧化而烧损的重量。第一 次加热取被加热金属的2%3%，以后各取（每次 加热）1.5% 2.0% G料头在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的 质量。如冲孔时坯料中部分的料芯，修切端部产生 的料头等。 第二节 自由锻 大型锻件要考虑切除钢锭头和钢锭尾部的质量 确定坯料尺寸 碳素钢锭拔长锻造比2.53 碳素钢轧材锻造比1.3 1.5 墩粗： 1.25H0/D0
9、2.5 H0/D02.5时 坯料过长，墩粗 易产生纵向弯曲 拔长：F坯/F锻=Y（锻造比）应在35之间 第二节 自由锻 3、选择锻造工序 制定变形工艺 基本工序 辅助工序 修整工序 应根据锻件的技术要求、坯料情况、生产批量 确定工序顺序和设计工序尺寸 。 第二节 自由锻 4、选择锻造设备 墩粗：G=（0.0020.003）KF K与材料强度b有关的系数（可查表） F锻件墩粗后与工具的接触面在水平方向投影面积 拔长：G=2.5F F坯料横截面积或根据最大尺寸查有关手册 5、确定锻造温度 如45#始锻1200 终锻800 第二节 自由锻 例：某减速器中的中间齿轮，锻造工艺规程制定。 齿轮零件图 第
10、二节 自由锻 工艺： 绘制锻件图 齿轮的齿形，端面的凹槽 四孔30及键槽都不锻出，添加余块，简化外形 齿轮锻件图 第二节 自由锻 选择锻件坯料质量及尺寸 G锻=V锻=（D2-d2）H/4 G芯=（1.181.57）d2H G烧=（G锻+G芯）2.5% G=G锻+G芯+G烧 第二节 自由锻 变形工艺 H0/D0=1.5 V=/4 D02 H0=/4 D02 1.5D0=G/ 自由锻工艺过程： 加热毛坯 墩粗毛锻件高度 滚圆 第二节 自由锻 用冲子两面冲孔 带着冲子滚圆 校正孔径 平整端面 选择锻造设备 根据锻件最大尺寸查有关手册，选用0.5t空气锤 第二节 自由锻 二、自由锻件结构工艺性 工艺要
11、求：在满足使用要求的前提下，锻件形状应尽量简单 和规则。 1、避免锥体和斜面结构 轴类锻件结构 （a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构 第二节 自由锻 盘类锻件结构 （a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构 2、尽量减少辅助结构 不设计加强筋、凸台 第二节 自由锻 3、不能有空间曲线 杆类锻件结构 （a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构 第二节 自由锻 4、复杂零件可设计成简单零件的组合 复杂件结构 （a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构 第二节 自由锻 三、高合金钢锻造特点 合金元素含量很高，内部组织复杂、缺陷多、塑性 差、锻造时难度较大 1、备料特点 不允许存在表面裂纹等缺陷
12、 + 锻前退火 第二节 自由锻 2、加热及锻造温度特点 低温装炉，缓慢升温 若高温装炉、快速加热，则比产生较大的热应力，导 致坯料开裂。 第二节 自由锻 锻造温度范围窄，一般只有100200 高合金钢成分复杂，加热温度偏高时，分布在晶界 的低熔点物质，金属基体晶粒将快速长大，容易产生过 烧或过烧缺陷，故高温合金钢的始锻温度要比碳钢低。 由于高温合金的再结晶温度高，再结晶速度低，变 形抗力大，塑性差，易断裂，故高温合金钢的终锻温度 又要不碳钢高。 第二节 自由锻 3、锻造特点 v 控制变形量 始锻和终锻时变形量要小，即要轻打，锻造过程中则要重打。 v 增大锻造比 高合金钢钢锭内部缺陷多，需通过反
13、复镦拔，增大锻造比，才能 消除钢中的缺陷，均匀细化碳化物，提高机械性能。 v 变形要均匀 v 避免出现拉应力 对于塑性低的高合金钢，拔长时最好在V形砧铁中进行，或者是 上面用平砧下面用V形砧铁。如此可改变坯料变形中的应力状态 ，从而提高塑性，避免产生裂纹。 4、锻后冷却缓冷（即炉冷，灰坑或沙坑中冷） 在高强度金属锻模 上预先制出与锻件形状 一致的模腔，使坯料在 模腔内手压变形，锻造 终了得到和模腔形状相 符的锻件。 第三节 模型锻造 第三节 模型锻造 特点： v生产率高，可锻造形状复杂，尺寸精确和表面较光洁 的锻件，因而机械加工余量小，材料利用率高，成本 较低；而且可使锻件的金属纤维组织分布更
14、为合理， 进一步提高了零件的使用寿命。 v模锻设备投资大，锻模成本高，生产准备周期长，模 锻件的质量受到模锻设备吨位的限制，一般在150kg 一下。 v在汽车、拖拉机、飞机和动力机械等工业中，得到广 泛应用 。 在一些工业发达国家，生产的模锻件占锻 件总质量的70%以上。 第三节 模型锻造 v按使用设备可分为： 锤上模锻 胎模锻 压力机上模锻 第三节 模型锻造 一、 锤上模锻 在锻锤上进行的模锻称为锤上模锻。 第三节 模型锻造 1.锻模结构 制坯模腔 模锻模腔 终锻模腔 预锻模腔 拔长模腔 滚压模腔 弯曲模腔 切断模腔 第三节 模型锻造 第三节 模型锻造 第三节 模型锻造 开式闭式 第三节 模
15、型锻造 第三节 模型锻造 第三节 模型锻造 2. 制定模锻工艺规程 （1）模锻件图的制订 1）分模面位置的选择 第三节 模型锻造 a 要保证模锻件能从模 腔中取出。 b 上下两模沿分模面的 模腔轮廓一致。 c 分模面能使模膛深度 最浅。 d 分模面应使零件上所 加的辅料最少。 e 分模面为平面，使上 下锻模的模膛深度一致 。 2）加工余量、公差和余块的确定 余量：14mm 公差：（0.33）mm 3）模锻斜度的选择 为便于锻件从模膛中取出， 模锻件上垂直于分模面的侧壁要有一定的斜度，称为 模锻斜度。 第三节 模型锻造 4）圆角半径的确定 为了便于金属在模膛中流动， 防止锻模开裂，保证锻造流线的
16、连续性，提高锻模寿命 ，锻件上所有尖锐棱角都必须做成圆弧，圆弧的半径称 为圆角半径。 第三节 模型锻造 5）冲孔连皮 具有通孔的锻件在模锻时不能锻出通 孔，故孔内必须留有一定厚度的金属，称为冲孔连皮。 6）锻件图的技术条件 第三节 模型锻造 第三节 模型锻造 （2）确定模锻工步 长轴类模锻件 第三节 模型锻造 盘类模锻件 第三节 模型锻造 （3）修整工序 切边和冲孔 校正 热处理 清理 精压 切边模 冲孔模 第三节 模型锻造 3.模锻零件结构工艺性 设计模锻零件是，应根据模锻特点和工艺要求，使 零件结构符合下列原则，便于模锻生产和降低成本： （1）模锻零件必须具有合理的分模面，以满足制模方便
17、，金属易于充满模腔，锻件便于出模及减少余量。 （2）锻件上与分模面垂直的非加工表面应设计出结构斜 度，非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。 第三节 模型锻造 （3）零件外形力求简单，平直和对称，尤其应避免 薄壁、高筋、凸起等结构，以使金属容易充满模膛 和减少工序。 （4）设计时应尽量避免深孔，深槽或多孔结构。 （5）在可能的条件下，应采用锻-焊组合工艺，以 减少敷料，简称为锻焊工艺。 第三节 模型锻造 胎膜锻 压力机上模锻 自学 第四节、板料冲压 冲压：通过模具对材料施以外力，使之产 生塑性变形和分离从而获得一定形状、尺 寸与机械性能的零件加工方法。 （此法常在室温进行故叫冷冲压、板料冲压
18、 ） 板材冲压成形具有下列特点： 板材冲压生产主要是依靠冲模和冲压设备完成加 工，工艺过程便于实现机械化和自动化，生产率很高， 操作简便，故零件成本低。 可以冲压出形状复杂的零件，一般不需再进行切 削加工，且废料较少，因而节省原材料和能源消耗。 板材冲压常用的原材料有低碳钢以及塑性高的合 金钢和有色金属，多是表面质量好的板料、条料或带料 ，产品重量轻、材料消耗少、强度高、刚性好。 冲压件的尺寸公差主要由冲模来保证，因此产品 具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，尺寸稳定，互 换性好。但冲模制造复杂、成本高，只有在大批量生产 条件下，其优越性才显得突出。 第四节、板料冲压 v冲压常用材料： v常用
19、金属低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及 塑性高的合金钢等。 v非金属纸板、绝缘板、纤维板、塑料板、石棉 板、硬橡胶等。 v冲压生产中常用的设备是剪床和冲床。 v剪床用来把板料剪切成一定宽度的条料，以供 下一步的冲压工序。 v冲床用来实现冲压工序，制成所需形状和尺寸 的成品零件供使用。 第四节、板料冲压 一、分离工序 分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的 工序。如冲载、落料、冲孔、切断、修整。 1、冲裁（落料及冲孔） 它是坯料按封闭轮廓分离的工序 落料被分离部分为成品，而周边是废料 冲孔被分离部分为废料，而周边是成品 第四节、板料冲压 冲裁变形过程 弹性变形阶段冲头接触板料继续向下运动初始
20、阶段，板 料产生了弹性压缩。 塑性变形阶段冲头继续压入，s 产生塑性变形再继 续压入凹凸模刃口处材料硬化加剧，出现微裂 纹，塑性结束 断裂分离阶段冲头再继续压入已形成上、下裂纹逐渐扩 展、重合，材料被剪短分离。 第四节、板料冲压 光亮带塑性变形过程由冲头挤压切入所形成 的表面很光滑。 剪裂带在剪短分离时所 形成的断裂表面较粗糙。 塌角 由于坯料被 弯曲拉伸断裂时形 成的，软料 硬料 第四节、板料冲压 凹凸模间隙 间 隙 合理上下裂纹重合一 线，毛刺最小 过大拉应力增大，塑性变形结束较早，凹模刃口附近的 剪裂纹较正常向里错开一段距离，光亮带小、毛刺 过小拉应力减小，压应力增加，裂纹受到抑制，凸模
21、刃 口附近的剪裂纹向外错开，上下裂纹不重合，裂纹 第四节、板料冲压 正确选择合理间隙对冲载生产至关重要。选用时 主要考虑冲载件断面质量与模具寿命。 Z=ms 其中：Z为间隙； m为与材料性能及厚度有关的系数（查表） s为材料厚度 第四节、板料冲压 l 当冲载件断面质量要求高时，应选用较小的间隙值。 l 当对冲载件断面质量无严格要求是，应尽量加大间隙，以 利于提高冲模寿命。 落料应先按落料件确定凹模刃口尺寸。 取凹模作为设计基准，根据间隙Z确定凸模尺寸。 例 取100-4为凹模尺寸，因凹模越用越大。 冲孔应先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，取凸模作设计基准 件根据间隙Z确定凹模尺寸，因凸模会磨损，越变
22、越小。 例取100+3作凸模尺寸，取冲孔公差最大尺寸。 凹凸模刃口尺寸的确定 第四节、板料冲压 冲裁力的计算 根据冲裁力的大小选择冲床的吨位和检验模具强度 P=kL S 其中 =0.8b b = k k为系数；L为冲表周长； S为坯料厚度；为抗剪强度。 为简便估算：P=L S b 第四节、板料冲压 冲裁件的排样 排样是指落料在条料，带料或板料上进行合理布置的方 法。 排料合理则废料最少。 排料 无搭边利用率高，毛刺不在同一平面， 尺寸不易准确，质量要求不高 有搭边毛刺小，尺寸准确，但耗材多 搭边值根据料厚、形状、材料查表。 不同排样方式材料消耗对比 第四节、板料冲压 2、修整 利用修整模沿冲裁
23、件外缘或内孔刮削一薄层金属。 3、切断 切断是指用剪刀（剪床）或冲模（冲床）将板料沿不 封闭轮廓进行分离工序。 修整工序简图 1凸模； 2凹模 第四节、板料冲压 二、变形工序 使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破 裂的工序。 1、拉深 利用模具使冲 裁后得到的平 板毛坯变成开 口空心零件的 工序。 第四节、板料冲压 拉伸件底部不变形，直臂与底直间的过渡圆角拉薄 ，直臂略变薄，最危险部位是过渡圆角（常裂）。 拉伸件出现裂纹与下列因素有关： 凹凸模的圆角半径 r凹=10S S 板厚 r凸=0.61.0r凹 r凹、r凸两个圆角半径过小，则容易拉裂。 第四节、板料冲压 凸凹模具间隙 Z=1.1
24、1.2S Z过小，摩擦力大，易拉裂工件降低模具寿命。 Z过大，易使拉伸件起皱。 拉深系数m m=d/D d拉伸件直径 D坯料直径 m0.50.8，塑性好，取m=0.5；塑性差，取m=0.8 m则 d 变形 坯料被拉入凹模越困难，易拉裂。 第四节、板料冲压 润滑 为减少摩擦，降低拉深件臂部的拉应力及模 具磨损应添加润滑剂。当料厚S则拉深程度 ，易起皱，为了防止起皱，应设置压边圈。 旋压 在旋压机上进行，用来制造大直径的拉深件及中小 批量。生产率 第四节、板料冲压 2、弯曲 弯曲是坯料一部分相对 于另一部分弯曲成一定 角度的工序。 弯曲时材料内侧受压缩，而 外侧受拉伸，当外侧拉应力 b时则会开裂。
25、 S、 r，则压缩及拉伸应力越大，易弯裂。 为防止裂纹，最小弯曲半径rmin=（0.251）S。 弯曲结束后，坯料会略微弹回一点，使弯曲角度增大，称为回弹 现象。 弯曲过程中金属变形简图 第四节、板料冲压 3、翻边 v 翻孔是在带孔的平坯料上 用扩孔的方式获得凸缘的 工序。 凸模圆角半径r凸=49S 翻边孔径超过容许值，会使孔的边缘破裂。其容许值K0，称 翻边系数。 K0=d0/d0.7 翻边简图 第四节、板料冲压 4、成型 成型是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。主 要用于制造刚性的筋条，或增大半成品的部分内径等。 图a是用橡皮压筋； 图b是用橡皮芯子来增大半成品 中间部分的直径，即
26、胀形。 成形工序简图 第四节、板料冲压 三、板料冲压件的结构设计 冲压件的设计不仅应保证它具有良好的使用性能， 而且也应具有良好的工艺性能，以减少材料的消耗， 延长模具寿命，提高生产率，降低成本及保证冲压件 质量等。 影响冲压工艺性能的因素： 1、冲压件的形状与尺寸 第四节、板料冲压 对落料和冲孔件的要求 落料件的外形和冲孔件的孔形 应力要求简单、对称，尽可能采用 圆形、矩形等。排料时应使废料降 至最低，避免长槽与细长臂结构， 否则模具制造困难，寿命短。 不合理的落料件外形 冲孔孔径 rS（圆孔），方孔 边长 a0.9S，孔间距1.5S。（ 外缘凸出和凹进的尺寸1.5S） 冲孔件尺寸与厚度的关
27、系 第四节、板料冲压 外形上直线与直线，曲线与直线的交接处，均应 用圆弧连接，以避免尖角处应力集中而被冲模冲裂， 最小圆角半径值查表可得。 第四节、板料冲压 弯曲边的平直部分H2S， 如果H很短，则放大尺寸弯 曲，然后在切除多余部分。 对弯曲件的要求 弯曲件的形状应尽量对称，弯曲半径不能小于最 小允许弯曲半径。并应考虑材料纤维方向。以免成形 过程中弯裂。 弯曲边过短不易弯曲成型 弯曲边高 第四节、板料冲压 弯曲带孔件时，要避免 孔变形。孔的位置如图。 L1.52S 对拉深件的要求 拉深件外形应简单，对称，且 不宜太高。如果较高，则拉深 次数多的时候不易成形。 带孔的弯曲件 第四节、板料冲压 拉伸件最小允许圆角半径 拉深件的圆角半径在不增加工艺程序的情况下，最小许可 半径r3S，有压边和较深的r2S，否则必将增加拉深次数 和整形工作，增多模具数量，容易产生废品和提高成本。 第四节、板料冲压 2、冲压件的厚度 在强度、刚度允许的情况下 ，应尽可能采用薄的材料来 制作零件，以减少金属的消 耗，对局部刚度不够的地方 用加强筋以薄代厚。 3、冲压件的精度和表面质量 对精度要求，不应超过冲压工艺所能达到的一般精度并在满足 需要的情况下，尽量降低要求。否则将增加工艺过程工序， 降低生产率，提高成本。 使用加强筋举例 第四节、板料冲压