第三次课精简课件金属材料加工成型

图 4.1不同类型的板材和 型材轧制示意图
材料加工工程
板材的轧制——几何补偿
由于力的作用产 生了几何变形
轧辊的弯曲
（a）由于轧制力引起的圆柱形轧辊的弯曲； （b）轧辊面的弯曲，使得板材厚度均匀一致
板材的轧制——展宽（speading）
利用与轧件边缘 接触的垂直轧辊 （如轧边机上所 用的），可以防 止展宽 。
闭式模 锻
仅限于简单外形锻件的生产，产品 尺寸公差精度低，需后续的精加 工，生产率低，金属损耗大，对工 人的技能要求高。 对小批量生产来说，模具成本高， 常需后续的机械加工。
粗 锻 一般锻 造 精密锻 造
机械加工量比粗锻少，生产率 高，金属收得率高。 产品尺寸公差精度高，不需机 锻造力高，模具复杂，脱模困难。 械加工，金属收得率很高，可 加工轮辐和凸缘非常薄的产品。
合金的固态收缩，直观地表现为铸件轮廓尺寸的减小，因而 常用铸件单位长度上的收缩量，即线收缩率来表示，是铸件 产生内应力、变形和裂纹的基本原因。
铸造合金的收缩
定义：
铸造成形理论基础
缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大 部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。
产生原因：先凝固区域堵住液体流——挤压与拉拔
冷挤压
冷挤压发展于二十世纪 五十年代，通常泛指 一些工艺的组合，如 正、反挤压以及锻造
特别是在汽车、摩托车、自行车、仪器仪表、 交通以及农机等行业的刀具和部件加工中，工 业中冷挤压得到了广泛的接受。
材料加工工程——挤压与拉拔
冷挤压
冷挤压优于热挤压的几点：
由于冷作硬化提高了机械性能，假设塑性变形产生的热量以及摩擦 力未使金属产生再结晶； 尺寸精度高，减少了后续所需的机加工和表面处理工艺； 提高了表面质量，由于没有形成氧化皮，假设润滑有效； 坯料不需要加热； 与加工相同零件的其它工艺相比加工效率和成本具有竞争力；一些 设备的生产能力超过每小时2000件；
实验如右图所示：
合金的流动性
铸造成形理论基础
形成薄壁复杂的铸件 改善金属 的流动性 加快凝固中液体的补缩
有利于
排除内部夹杂物和气体
合金的流动性
铸造成形理论基础
什么是收 缩？ 收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过 程中，其体积或尺寸缩减的现象。
收缩是铸造合金的物理本性，也是铸件产生缩孔、缩松、 裂纹、变形和内应力等缺陷的基本原因。
挤出（挤压）工艺
挤压时金属的流动方 向和凸模的运动方向
正挤压 反挤压 复合挤压 径向挤压
材料加工工程——挤压与拉拔
冷挤压与热挤压
优点 热 挤 压
1）金属塑性好，降低了变形抗 力，使总的挤压力降低； 2）热挤压时可以连续成形，有 利用提高生产效率。
缺点
1）温度高，对模具材料的耐热性提 出较高的要求。 2）表面质量不佳，尺寸精度较低； 3）热挤压后，工件必须进行热处理。
拉深
利用具有一定圆角半 径的模具将冲裁后得 到的平板坯料加工变 形成为开口空心零件 的冲压工艺方法。
拉深件 拉深工艺
深冲
图8.32（a）圆形板坯进行深冲的示意图；（b）深冲过程中的工艺变量，除了冲压力图中指出的所 有变量都是独立的。
制耳
图8.45拉深筒形件产生的制耳现象，由于金属板材的各项异性引起。
板材轧制中的展宽（也可见图4.2）类似 于面团被擀面杖擀过那样.
板材轧制的应用
图4.8 铸造金属或包含大晶粒的锻造金属在热轧过程中晶粒的变化.
板材轧制的应用
热轧
喷火器（火焰清理）去除大片的鳞状物， 用粗磨以使表面平滑 。
轧制前对材 料的表面处 理！
冷轧
酸液清洗、水爆（去鳞片）；磨削去除其 它缺陷 。
模具的润滑：
玻璃（Glass）是一种用于钢材、不锈钢、高温材料及合金的优良的润滑剂 对于那些容易粘在挤压筒和模具上的金属，可以将坯料包裹在一个由柔 软、低强度，如铜或中碳钢，的薄壁筒中，除了作为一种低摩擦分界 面，这层包覆还可以阻止坯料被外界环境污染（如果坯料是有毒的或具 有放射性的，可以阻止它污染环境）。
所缩减的容积得不到补充。
缩孔形成过程示意图
铸件中的缩孔和缩松
定义：
铸造成形理论基础
疏松（缩松）是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸 件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。
铸件中的缩孔和缩松
产生原因：
铸造成形理论基础
当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小 时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。随着 树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分 熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了形状 不一的分散性孔洞
弯曲
弯曲件示意图 弯曲工艺
回弹
材料塑性变形必然伴随着弹性变形，当弯曲工件所受外力去除后，塑性 变形保留下来，弹性变形部分恢复，结果使弯曲件的弯曲角、弯曲半径 与模具尺寸不一致，这种现象称为弯曲回弹。
弯曲回弹. 弯曲后零件有回复弹性的趋势，使其弯曲角度增加。
影响回弹的因素
1、材料的力学性能 （屈服点和弹性模量） 2、弯曲角（弯曲角大，弯曲变形区大，回弹值大） 3、弯曲方式（自由弯曲回弹量大，校正弯曲回弹量小） 4、弯曲件形状（形状复杂回弹量小）
锻造缺陷
锻造缺陷 的影响：
材料承受变形而不发生破坏的能力
视频 可锻性及其影响因素
金属的挤压与拉拔
简介
定义
所谓挤压，就是对放在容器（挤压筒）中的锭坯一端施加以 压力使之通过模孔成形的一种压力加工方法。
材料加工工程——挤压与拉拔
简介
拉拔是在公元1000-1500年之间发展起来的一种成形工 艺，在此工艺中，实心棒材、线材或管材通过模具而横截面 被减小或变形。 拉拔棒材一般用作杆、轴和小活塞，以及用作紧固件的原材 料，如铆钉螺栓和螺钉。除了圆棒外，还可以拉拔各种断面 轮廓。拉拔这个术语也可以指通过板料成形来制造杯状零件 的工艺。
历史悠久：
锻造最初是通过石质工具捶打的方法 Forging 来制造珠宝、钱币和各种器具。
简介
不同加工方法的金属流线 (a) 铸造, (b)切削加工, (c) 锻造
可以控制金属流动和晶粒结构 锻件有很高的强度和韧性 ，可靠地应用在高应力场和重要场合
简介
冷锻需要比较大的力，而且工件材料必须有 足够高的室温延展性。冷锻件有良好的表面 粗糙度和尺寸精度
冷 挤 压
1）提高零件的力学性能 ； 2）不需要加热； 3）表面质量高； 4）加工速度快。
1）对模具要求高。 2）不宜用于高强度材料加工； 3）需要中间退火软化等过程。
材料加工工程——挤压与拉拔
热挤压
模具材料：
用于热挤压成形的模具通常采用热锻模钢，模具的表面可以进行涂层， 如锆，用以延长模具寿命。
轧机（rolling mills）
轧辊材料的基本 要求： 强度高、耐磨损
常用轧辊材料：
铸铁、铸钢、锻钢和碳化钨
金属的铸造成形
定义
简介
液态成形(铸造)是将液态金属浇注到与所要求的毛坯或零 件的形状和尺寸相适应的铸型型腔中，冷却凝固后获得毛 坯或零件的一种毛坯成形工艺方法。
铸造流程示意图
特点
2、变薄拉深
所谓变薄拉深，主 要是在拉深过程中 改变拉深件筒壁的 厚度，而毛坯的直 径变化很小
拉深的应用
3、重拉深
一次拉深比较困难时
铝饮 料罐 （两 片罐） 制作 工艺
金属的锻造
简介
一种借助工具或模具在冲击或压力作 什么叫做 锻造？ 用下加工金属机械零件或零件毛坯的 方法。 可以追溯到公元前4000年——甚至 是公元前8000年
冷锻
热锻
热锻所需的力较小，但是工件的表面粗糙度 和尺寸精度不像冷锻件那么好。
开式模锻
各种锻造生产工艺的特点
工 艺 开式模 锻 优 点 缺 点
简单，模具成本低，适合于小 批量生产，产品尺寸范围广， 强度高。 金属收得率高，锻件性能比开 式模 锻好，尺寸精确度高，生产率 高，再生率高。 模具成本低，生产率高。
简介
优点
铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其 它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生 产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。
缺点
但它的缺点是公差较大，易产生内部缺陷。
本章内容
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铸造成形理论基础 砂型铸造 特种铸造
铸件的结构设计
铸造成形理论基础
实质：
液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。
需进行成品机械加工，锻件轮辐 厚，圆角大。 模具成本比粗锻高。
可锻性
什么是可 锻性？
指金属材料在压力加工时，能改变形状 而不产生裂纹的性能。
可锻性及其影响因素
可锻性
观察鼓肚处出现的任 何裂纹，产生裂纹前 的变形量越大，说明 金属的可锻性越好。
墩粗试验
材料可锻 性试验
热扭曲试验
圆形试样在相同方向持续 被扭曲直到断裂。这种试 验将会在不同温度下进 行，并且观察记录每一试 件断裂前扭转圈数。之后 选择最优的锻造温度。
铸造合金的收缩
分类：
铸造成形理论基础
收缩分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
浇注温度 铸 件 温 度 降 低
液态收缩
开始凝固温度
凝固收缩
凝固终止温度
体 积 收 缩 线收缩
固态收缩
室温
铸造合金的收缩
铸造成形理论基础
体积收缩率：
合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的
缩减，常用体积收缩率表示，是形成铸件缩孔 和缩松缺陷的基本原因。 线收缩率：
材料加工工程——挤压与拉拔
拉拔工艺
拉拔的特点 1）拉拔制品的尺寸精确，表面光洁。 2）拉拔生产的工具与设备简单，维护方便，在一台设备 上可以生产多种品种与规格的制品。 3）拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受拉拔应力的限制。一 般道次加工率在20-60%，过大的道次加工率将导致拉拔制品的尺 寸，形状不合格，甚至频繁地被拉断，过小的道次加工率会使拉拔道 次、退火和酸洗等工序增多，成品率和生产率降低。 4）最适合于连续高速生产断面非常小的长制品。