冲压工艺及模具设计.ppt

通常，轧制、挤压、拉拔主要是用来生产各类型材、板材、管材、 线材等工业上作为二次加工的原(材)料，其次也用来直接生产毛坯或零 件，如热轧钻头、齿轮、齿圈，冷轧丝杆，叶片的挤压等等；机械制造 业中用锻造来生产高强度、高韧度的机械零件毛坯，如重要的轴类，齿 轮、连杆类，枪炮管等；板料冲压则广泛用于汽车制造、船舶、电器、 仪表、标准件、日用品等工业中。
材料成型方法及质量控制 锻压部分
The technology and equipment of forging
第一章 绪论
1、锻造工艺历史 ▪4000年的历史，主要是手工锻造 ▪伴随中国古代农业、手工业和兵器工业发展 ▪机器锻造是现代锻造生产的主要方式
砧 （ anvil）
农具
兵器
战争
2、锻造工艺的特点及应用
压缩活塞下行到最下位置时候，锤头约处于向上行程的中间位 置。这时压缩缸上腔通过补气孔和大气相通，以提高锤头的打击 能量。
当压缩活塞回程时，由于两个活塞均向上运动，两缸下腔容积不断 增大，上腔容积不断减小，即下腔压力不断减小，上腔压力不断增 高，作用在落下部分的合力的方向逐渐转变为向下方向。自此，锤 头向上运动进入减速阶段。锤头向上运动直至工作活塞把上腔通压 缩缸的通道切断进入缓冲腔，并且运动能全部被缓冲气垫吸收为止， 此时压缩活塞上行了一段距离。
4、压力机的刚性特性
机架和传动机构承受载荷刚性是有效载荷与压力机上下工作台之 间总弹性变形量的比值 C=Lm/d
压力机上总的弹性变形包括压力机机架的总变形（25%-35%）和传 动机构的变形（65%-75%）
刚性对锻造过程的影响
由Ed=d* Lm*1/2
C= Lm/d Ed= Lm2/2C
即能量=载荷*位移*m
▪ 锻锤：如图所示，锤头与锻件接触点a处，锤头速度有极大值 ，在工作行程时间tp内速度急剧下降，极大值降为零，Vmax可达 9m/s，tp以千分之几秒，所以蒸汽或空气锤所作的功很小，主要 依靠锤头升高积蓄的能量完成，所以是属于冲击力工作
▪ 适用于自由锻和模锻，由于打 击速度快和打击次数频繁，适合锻 制加工温度范围比较窄的一些钢种 ，还可作为高合金钢的开坯轧制
3）掌握锻压设备的工作原理及各类设备上模锻工艺的特点和 模具结构。
第二章 锻压设备
本章的基本要求：
▪ 熟悉和了解常用锻压设备的工作原理，掌握设备的工作过程、规 格、技术参数和主要结构的构成
▪ 熟悉常用设备的用途，能够根据成形工艺和模具结构的要求，正 确选择设备、设计模具，协调模具和设备的关系
▪ 熟悉、了解部分专用、先进和精密设备的工作原理、结构特点和 性能，正确选用设备
成形条件：
(1)被成形的金属材料具备一定的塑性。 (2)要有外力作用于固态金属材料上。 金属固态塑性成形方法
A、根据变形方法不同分：
(1)轧制将金属通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压 延变形成为型材(如钢板、圆钢、角钢、槽钢等)的加工方法，如图所 示。
特点：轧制生产所用坯料主要是金属锭，坯料在轧制过程中靠摩 擦力得以连续通过而受压变形，结果坯料的截面减小，轧出的产品截 面与孔隙形状和大小相同，长度增加。
(4)自由锻造将加热后的金属坯料置于上下砧铁间受冲击力或压力而 变形的加工方法，如图4a所示。
(5)模型锻造(又叫模锻)将加热后的金属坯料置于具有一定形状的锻 模模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法，如图4b所示。
(6)板料冲压金属板料在冲压模之间受压产生分离或变形而形成产 品的加工方法，如图4c所示。
2-2 锻锤
锻锤是以冲击力使坯料变形的，其能力的大小是以其落下部分的 重量来表示的，通常是500—5000kg，按驱动方式分为空气锤和 蒸汽-空气锤两种。
▪ 1、空气锤 自由锻生产中小型锻件，空气锤是主要的设备，由于空气锤是由电动 机驱动，以空气作为中间传动介质，推动锤的落下部分来进行工作， 且不需要外部来提供动力，能源易得，投资少见效快，所以应用广泛 。不仅用于自由锻造和胎模锻，而且用于制坯设备。
（1） 优点
能改善金属的组织，提高金属的力学性能和物理性能 节约金属材料和切削加工工时 具有较高的劳工生产率 锻造有很大的灵活性，形状从简单到复杂；重量从1
公斤到几百公斤甚至几百吨；既可单件小批生产又可 大批量生产
Cast
Plate
Forged
（2） 缺点
▪ 零件的结构工艺性要求高，不能直接锻成形 状复杂的零件。
(2)挤压是将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属 从模孔中挤出成形的方法，如图2所示。
特点：挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减小，长度增 加。挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。
(3)拉拔将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、断面与模孔相 同的加工方法。它主要生产各种细线材、薄壁管和一些特殊截面形状的 型材，如图3所示。
m——具体锻造工序的特征系数
模锻为1/4，挤压为1，弯曲为1/3，压力机锻造为1/2
▪ C越大则弹性变形越大，刚性高的压力机由于锻造坯料体积或温度
的变化而引起的锻件厚度变化也较小
▪ 刚度影响加载情况下速度-时间曲线，因为C若小时，加载和卸载
时间长，加载条件下接触时间tp亦较长，使模具寿命缩短
按照设备工作时工作工具（砧块或模具）与锻件接触后的速度 变化特征可将锻压设备分为四类：
热变形广泛应用于大变形量的热轧、热挤以及高强度高韧度毛坯的锻造 生产中。但热变形中，金属表面氧化较严重，工件精度和表面质量较冷变形 低。另外，设备维修量大，劳动强度也较大。
热锻：终锻温度高于再结晶温度的成形 自由锻、模锻、热挤压
冷锻：一般指在室温下成形
冷挤压、冷镦锻
温锻：一般指在室温以上再结晶温度以下的成形 温挤压、温镦锻
1、能量特性 特性数据包括：载荷和能量特性 有效能量
Em: 机器在一个全行程为完成锻件变形所提供的能量 Ef:克服轴承和滑块等摩擦所需要的能量 Ed:机架和传动系统当中因弹性变形损失的能量 Ep：锻造所需要的能量
▪ 有效载荷 Lm(KN)：滑块完成变形过程的有效载荷
Lp ：锻造所需要的载荷 在整个打击的过程中，有Em≥ Ep ；工作行程的任一瞬间有 Lm ≥ Lp
B、根据成形时原材料状态分：
体积成形、板材成形、粉末成形、液态成形、超塑性成形。
C、按不同力的传递方式分：
工模具成形、气压成形、液压成形、电磁成形
D、根据成形温度分：
1）.冷变形(又叫冷成形过程)
冷变形是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。冷变形的 特征是金属变形后具有加工硬化现象，即金属的强度、硬度升高，塑韧度下降。而 且冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。对于那些不能或不易用热处理方法 提高强度、硬度的金属构件，特别是薄壁细长件，利用金属在成形过程中的加工硬 化来提高构件的强度和硬度，则有效而经济。例如各类冷冲压件、冷轧冷挤型材、 冷卷弹簧、冷拉线材、冷镦螺栓等等，可见冷变形加工在各行各业中应用广泛。 通过冷变形加工出来的制品，其中有一些复杂件或要求较高的件，还需进行消除内 应力但保留加工硬化的低温回火处理。 由于冷变形过程中的加工硬化现象，使金属材料的塑性变差，给进一步塑性变形带 来困难，故冷变形需要重型和大功率设备；要求加工坯料表面干净、无氧化皮、平 整等。另外，加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低。
3．操纵部分 上下旋阀、旋阀套和操纵手柄
4、机身 由工作缸、压缩缸和立柱及底座
工作原理
设启动前压缩活塞在最上位置，工作活塞在最下位置，工作
缸和压缩缸分别连通，如图所示。这时，压缩缸的上下腔通过压
缩活塞和压缩杆的补气孔与大气相通，两缸上下腔的压力都为大
气压力。当电动机通过传动系统、曲柄连杆机构带动压缩活塞向
水压机
砧块开始速度为零，或为某一速度，曲线变化由0到b点，极限可 达Vmax为30mm/s，工作时间内以百分之几或者十分之几秒
特征是速度较慢，静压力作功，没有振动，适合锻造大型钢锭
曲柄机械 最大速度可达500mm/s或者更高，带
有曲柄连杆机构，适用于冲压、模锻、 产品质量好，精度高
旋转锻机 ▪ 工作工具是辊压模，锻制杆类锻 件或为模锻制坯工序
下运动时，下腔气体被压缩，压力升高，上腔气体膨胀，压力降
低。当压缩活塞下行至某一位置时，作用在工作活塞下部的压力
大于工作活塞上部的压力、落下部分重量及其运动摩擦力时，锤
头开始上升。
压缩活塞继续下行，由于压缩活塞向下运动的速度大于工作活 塞向上运动的速度，使下腔压力继续升高，上腔压力继续下降， 结果使锤头加速上升。压缩活塞下行的过程中，下腔的最大压力 一般可达2.5×105pa，下腔压力可降至0.5 × 105pa。
2-1 锻压设备的种类和特性
▪ 锻压设备按加工金属材料的类型分为板料成形设备、体积成形 设备和粉末成形设备
▪ 按机械行业标准分为 8大类：机械压力机（J）、液压机（Y ）、自动锻压机（Z）、锤（C）、锻机（D）、剪切机（Q）、 弯曲校正机（W）和其它
▪ 锻压设备按加工工艺不同分为：
通用曲柄压力机 板料多工位压力机
拉深压力机 板料高速自动压力机、 精密冲裁压力机 数控压力机
螺旋压力机 精压机 环形件碾扩机 板料成形液压机 粉末成形压力机
旋压机 挤压压力机 摆动碾压机 模锻压力机 平锻机
剪扳机 锻锤 激光冲裁组合压力机 板料折弯压力机 冷镦机
锻压设备的特性
机器的特性包括全部设计的数据和性能参数，那么给定的工艺需 要用这些数据来最合理地选择设备的种类
2）.热变形(又叫热成形过程) 热变形是指金属材料在其再结晶温度以上进行塑性变形。金属在热变形
过程中，由于温度较高，原子的活动能力大，变形所引起的硬化随即被再结 晶消除，因而具有如下特征：
(1)金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑性变 形。又因高温下金属的屈服强度较低，故变形抗力低，易变形。
2、时间特性
每分钟的行程次数决定生产率 加压过程中的接触时间tp:锻件在模膛中受到变形的时间 tp越大，模具磨损越大，锻造载荷增大
3、精密度特性 在空载的条件下，固定模具的表面和它的相对位置取决于 ▪ 导轨间隙 ▪ 上下工作台面的不平行度 ▪ 滑块运动方向相对于工作台的垂直度 ▪ 模座的同心度
5发展趋势 （1）制件优质化 （2）生产柔性化 （3）工艺省力化 （4）改善劳动环境 （5）设计技术的发展及计算机技术的应用
6、本课程的任务
1）掌握锻压工艺的基本类型及工艺规程、模锻工艺的制定及 锻模的设计。
2）掌握冲压工艺的基本类型及其特点，对冲裁、弯曲、拉深 等主要工艺能熟练的进行工艺方案的制定、工艺分析计算及模 具设计。
Leabharlann Baidu
1电动机 2带轮 3大齿轮 4小齿轮 5曲柄轴 6连杆 7压缩缸 8活塞 9上旋阀 10顶盖 11中旋阀 12工作缸 13下旋阀 14锤杆导套 15锤杆 16上砧 17下砧 18砧垫 19砧座
空气锤的组成部分
1 工作部分 包括落下部分（活塞、锤杆、和上砧铁）和锤砧（下砧砧垫砧座）
2传动部分 电动机、带和带轮、齿轮、曲柄连杆及压缩活塞
(2)热变形使金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压实，粗大(树枝状) 的晶粒组织结构被再结晶细化，从而使金属内部组织结构致密细小，力学性 能(特别是韧性)明显改善和提高(见下表)。
(3)热变形使金属材料内部晶粒间的杂质和偏析元素沿金属流动的方向呈 线条状分布。金属的热变形程度越大，纤维组织现象就越明显。由于纤维组 织的稳定性很高，无法消除，只能经过热变形来改变其形状和方向。
▪ 锻压加工方法需要重型的机器设备和较复杂 的模具，对于厂房基地要求高，初次投资费 用高。
▪ 生产现场劳动条件较差（热加工和冷加工）
（3）冲压工艺特点
冷冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性 变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料金属进行加工， 以获得所需要的零件形状和尺寸。
冷冲压和切屑加工比较，具有生产率高、加工成本低、材 料利用率高、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机 械化和自动化等一系列优点，特别适合于大量生产
3 应用 ▪飞机 85%；坦克 70%；大炮枪支 ▪汽车、轮船 70% ▪电器、仪表 90% ▪机床制造工业中各种机床上的主要零 件 ▪电力工业中发电设备的主要零件
前桥系列
后桥系列
发动机系列
变速箱及离合器
4、固态金属材料塑性成形过程
▪ 金属固态塑性成形过程简称金属成形过程(又叫金属压力加工或 锻压加工)，它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变 形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。