工程材料与成型教案：锻压

工程材料与材料成型基础（二）教案
第二章锻压
第一节概述
锻压——借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件。

塑性变形
金属坯料→锻压件
一、锻压加工方法
加工方法：自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧锻
二、锻压加工特点
优点：
1、能改善金属的组织，提高金属的机械性能；
2、提高材料的利用率和经济效益（节省材料和切削加工工时）；
3、具有较高的劳动生产率。

缺点：
1、不能获得形状复杂的锻件；
2、初次投资费用高（设备、工模具、厂房）；
3、生产现场劳动条件差。

应用：
轧制、挤压、拉拔——金属型材、板材、钢材、线材等；
自由锻、模锻——承受重载的机械零件，如机器主轴、重要齿轮、炮管、枪管等；
板料冲压——汽车制造、电器、仪表及日用品。

第二节金属塑性变形
一、金属塑性变形实质
问题：金属材料为什么能产生塑性变形？塑性变形的实质？
金属→晶体——单晶体（理想金属）
——多晶体（实际金属）
1、单晶体的塑性变形
主要方式——滑移变形
单晶体的塑性变形过程：
未变形→弹性变形→弹、塑性变形→塑性变形后
滑移变形实质：
晶体的一部分相对另一部分的移动是位错在切应力作用下沿滑移面的运动。

2、多晶体的塑性变形
晶内变形——晶粒内部的滑移变形
晶间变形——晶粒间的移动和转动
晶粒位向与受力变形关系：
通过塑性变形——硬位向→软位向
——软位向→硬位向
二、塑性变形对金属组织和性能的影响
将拉伸试样拉断后，发现其性能变化，缩颈处更明显；铝丝反复弯折后，很
快脆断。

1、冷变形强化（加工硬化）
冷变形强化——金属材料在冷塑性变形时，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降的现象（变形量增加，强化效果更明显）。

产生原因：滑移面上产生了微小碎晶，晶格畸变。

（内应力）
加工硬化的应用：提高强度、使变形均匀、提高安全性。

2、回复和再结晶
回复——保持加工硬化，消除内应力。

如冷卷弹簧进行去应力退火。

再结晶——消除加工硬化，提高塑性。

在结晶速度取决于加热温度和变形程度。

在结晶是一个形核、长大过程。

3、冷变形和热变形
冷变形——再结晶温度以下的塑性变形。

热变形——再结晶温度以上的塑性变形。

冷变形——加工硬化
——冲压、冷弯、冷挤、冷轧——塑性材料
热变形——加工硬化+再结晶
——锻造、热挤、轧制——变形量大，易氧化
4、锻造比和锻造流线
锻造比——变形程度的大小。

镦粗：y = H0 / H
拔长：y = F0 / F
金属材料→组织紧密晶粒细化→形成锻造流线（各向异性）
→流线的纵向性能高于横向
流线的合理分布
流线与工件最大拉应力方向一致，与切应力、冲击方向垂直；
沿工件外轮廓连续分布。

三、金属的锻造性能
金属锻造性能——塑性、变形抗力
塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。

影响因素：
金属的本质——化学成分、金属的组织状态
变形条件——变形温度、变形速度、应力状态、表面质量
第三节自由锻
自由锻——利用冲击力或压力使加热好的金属在上、下抵铁之间产生变形。

（除部分接触表面外，都是自由表面，变形不受限制。

）
自由锻特点：
1、工具简单，不需造价昂贵的模具
2、可以锻造各种重量的锻件，对于大型锻件几乎是唯一的锻造方法
3、自由锻所需设备的吨位较小
4、锻件的尺寸精度低，加工余量大
5、锻件形状简单，生产率低，劳动强度大
自由锻应用——单件和小批量生产。

一、自由锻设备
分类：手工自由锻——铁砧、锻造工具（生产小型锻件、效率低）
水压机变形量大，锻造深度大，内部质量好，没有振动、噪音小。

二、自由锻的工序
基本工序：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转；
辅助工序：倒棱、压肩等；
精整工序：修整鼓形、平整端面、校直弯曲。

三、自由锻工艺规程的制订
1、绘制锻件图
锻件图= 零件图+加工余量、锻件公差和余块
2、坯料的质量及尺寸计算
坯料的质量：G 坯料= G 锻件 + G 烧损+ G 切头 + G 芯子
（轴类零件——G 切头；盘盖类零件——G 芯子）
坯料的尺寸——锻件的锻造比（轧材: y > 1.3钢锭: y = 2.5~5）——采用的变形方式（镦粗(防弯):H/D<2.5）
3、确定变形工工步
a.齿轮坯自由锻工艺过程：
下料→镦粗→垫环局部镦粗→冲孔→冲子扩孔→修整
b.半轴自由锻工艺过程
锻出头部→拔长→拔长及修整台阶→拔长并留出台阶
→锻出凹挡及拔长端部并修整
4、制订工艺规程举例(p83)
四、自由锻零件的结构工艺性
1、尽量避免锥面或斜面
2、避免圆柱与圆柱面相交
3、避免椭圆形、工字型或其它非规则形状截面及非规则外形
4、避免肋板和凸台
第四节模锻
模锻——将加热后的坯料放在模膛内受压变形而获得锻件的一种加工方法。

特点：
1、尺寸精度高；
2、锻件形状复杂；
3、操作简单，生产效率高；
4、流线完整、性能好。

应用：
中、小型锻件的成批和大量生产（为什么？）
一、模锻设备
1、模锻锤
可以镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形、预锻、终锻。

2、曲柄压力机
行程不能调节；不能拔长和滚挤；每个变形工步在一次行程中完成。

3、平锻机
4、摩擦压锻机
螺杆与滑块非刚性连接，承受偏心能力差；
滑块行程、打击能量可自动调节。

二、锤上模锻工艺
1、模锻的变形工步和模锻模膛
变形工步——制坯工步（制坯模膛）——初步成形
——模锻工步（模锻模膛）——最终成形
弯曲连杆的多模膛锻模
2、模锻件图的制订
模锻件图是制订变形工艺、设计锻模、计算坯料和检验锻件的依据。

模锻件图包括的内容：
选定分模面；
确定加工余量和锻造公差（加工表面）；
模锻斜度；
圆角半径；
冲孔连皮。

选定分模面的原则：
能从模膛中顺利取出；
金属易于充满模膛；
简化模具制造；
能及时发现错模；
减少余块节约金属。

3、变形工步的确定
短轴类锻件：（齿轮坯）——镦粗制坯和终锻成形。

长轴类锻件：（弯曲连杆）——拔长、滚挤、弯曲制坯和预锻、终锻成形。

三、模锻件的结构工艺性
1、应具有合理的分型面；
2、锻件上与分型面垂直的非加工表面应设计有结构斜度；
3、在满足使用要求的前提下，锻件形状应力求简化；
4、应尽量避免窄沟、深槽和深孔、多孔结构；
5、可采用锻-焊组合工艺，简化模锻工艺。

问题：小型锻件的中、小批量生产应采用自由锻还是模锻？
答案：胎膜锻
四、胎膜锻
胎膜锻——在自由锻设备上使用非固定模具（胎膜）生产模锻件的方法。

特点：
与自由锻相比：生产率高，精度高（余量小），
与模锻相比：成本低（设备、模具）。

第五节板料冲压
板料冲压：
金属板料→产生分离、变形→冲压件
冲床——冲压设备
冲模——冲压工具（分上模和下模）
基本工序：冲裁、弯曲、拉深和成形
板料冲压的特点：
1、可冲压形状复杂的零件，废料少；
2、冲件尺寸精度高，质量稳定，互换性好；
3、质量轻、强度高、刚性好；
4、操作简单，生产率高；
5、板料必须具备足够的塑性，冲模制造复杂、费用高。

板料冲压的应用：飞机、汽车、电机、仪器、仪表等
一、冲裁
冲裁——板料沿封闭轮廓分离的工序。

（落料和冲孔）
冲孔和落料相同：模具结构；
坯料变形过程。

1、冲裁过程及受力分析
冲裁区——塌角、光亮带、剪裂带、毛刺。

（各部分的尺寸比例与材料的性质、板厚、模具结构等条件有关。

）2、冲裁件的形状和尺寸
1）冲裁件形状尽量简化，便于模具加工、热处理；
2）应考虑排样，节省材料。

3、模具的尺寸
冲孔：D凸 = D孔, D凹 = D凸 + 2Z
落料：D凹 = D落料, D凸 = D凹 - 2Z
模具间隙 Z = (0.05~0.25) t
t ——板料厚度
问题：冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度达不到要求时，如何处理？ 4、冲裁件的修整
间隙为0.006~0.01mm ； 边切除量0.05~0.2mm ；
修整后的切面粗糙度Ra=1.25~0.65； 尺寸精度IT6~IT7。

5、冲裁模
二、弯曲
弯曲：将平直板料弯成一定的角度和圆弧。

弯曲问题：弯裂、回弹 1、防止弯裂和回弹措施
防止弯裂
弯曲半径 r > 最小弯曲半径 r min 回弹的防止
变模具尺寸，使弹复后达到零件的尺寸； 改变模具的结构； 拉弯。

2、弯曲件展开尺寸计算
弯曲件的弯曲部位边薄，长度变长
)(180
21kt r l l L ++
+=πα
3、弯曲件结构工艺性
弯曲半径不应小于最小弯曲半径，但也不宜过大； 弯曲部位与板料边缘及板料上孔的距离有限制；
应尽量沿材料纤维方向弯曲，多向弯曲时，应先冲工艺孔或切槽。

4、弯曲模
三、拉深
拉深：平面板料→开口中空形件
拉深过程、拉深的变形和应力：
拉深缺陷：皱折、拉穿
防止皱折——加压边圈（压边力不宜过大）
防止拉穿——模具结构
凸凹模加工成圆角R凸<R凹=(3~30) t
模具间隙Z=(1.1~1.5) t
——限制拉深系数
m = d / D = 0.5 ~ 0.8 > m min
否则应多次拉深
——涂润滑剂减少摩擦
四、成形
使板料或半成品改变局部形状的工序。

成形工序包括压肋、压坑、胀形、翻边。

使冲压件具有更好的刚性和合理的空间形状。

图示为刚模压坑、软模胀形、刚模胀形、软模压肋、曲面压缩翻边、平面深长翻边、翻孔。