金属压力加工

冲压是指使坯料经分离或成形而得到制件的工艺统称。
挤压是指坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用下, 从模具的孔口或缝隙挤出,使之横截面积减小,成为所需制品的 加工方法。
轧制是指金属材料(或非金属材料)在旋转轧辊的压力作用 下,产生连续塑性变形,获得所要求的截面形状并改变其性能的 工艺方法。按轧辊轴线与轧制线间和轧辊转向的关系不同,可分 为纵轧、斜轧和横轧三种。
(1)金属塑性变形的实质 试验证明,金属单晶体的变形方 式主要有滑移和孪晶两种,在大多数情况下滑移是金属塑性变形 的主要方式。如图7-2所示,金属单晶体在切应力作用下,晶体的 一部分相对于另一部分沿着一定的晶面产生滑动,这种现象称为 滑移。产生滑动的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。一般 来说,滑移面是原子排列密度最大的平面,滑移方向是原子排列 密度最大的方向。
图7-7 冷变形金属加热时组 织与性能变化规律
(1)回复 将冷变形后的金属加热至一定温度后,使原子回 复到平衡位置,晶粒内残余应力大大减小的现象称为回复。冷变 形金属在回复过程中,由于加热温度不高,原子的活动能力较小, 金属中的显微组织变化不大,金属的强度和硬度基本保持不变, 但金属的塑性略有回升,残余内应力部分消除。例如,冷拔弹簧 钢丝绕制弹簧后常进行低温退火(也称定形处理),就是利用回复 保持冷拔钢丝的高强度,消除冷卷弹簧时产生的内应力。
试验观察证明:金属在滑移变形过程中,一部分旧的位错消 失,又大量产生新的位错,总的位错数量是增加的,大量位错运动 的宏观表现就是金属的塑性变形过程。位错运动观点认为:晶体 缺陷及位错相互纠缠会阻碍位错运动,导致金属的强化,即产生 冷变形强化现象。
(2)金属的冷变形强化 随着金属冷变形程度的增加,金属 的强度指标和硬度都有所提高,但塑性有所下降,这种现象称为 冷变形强化。金属变形后,金属的晶格结构严重畸变,形变金属 的晶粒被压扁或拉长,形成纤维组织,如图7-5所示,甚至破碎成 许多小晶块。此时金属的位错密度提高,变形难度加大,金属的 可锻性恶化。低碳钢塑性变形时力学性能的变化规律如图7-6所 示,其强度、硬度随变形程度的增大而增加,塑性、韧性则明显 下降。
(3)具有较高的生产率 除自由锻造外,其他几种压力加工 方法都具有较高的生产率,如齿轮压制、滚轮压制等制造方法均 比机械加工的生产率高出几倍甚至几十倍以上。
(4)生产范围广 金属压力加工可以生产各种不同类型与 不同重量的产品,从重量不足1g的冲压件,到重达数百吨的大型 锻件等都可以进行生产。
压力加工的不足之处是,不能获得形状复杂的制件,一般制 件的尺寸精度、形状精度和表面质量还不够高,加工设备比较昂 贵,制件的加工成本也比铸件高。另外,在压力加工过程中会对 金属的内部组织和性能产生不利影响,需要在加工过程中进行热 处理(如退火、正火等),使其发生回复与再结晶,消除压力加工 产生的不良影响。
拉拔是指坯料在牵引力作用下通过模孔拉出使之产生塑性 变形而得到截面小、长度增加的工艺。
二、金属压力加工的特点
(1)改善金属的内部组织,提高金属的力学性能 因为金属 经压力加工后,使金属毛坯的晶粒变得细小,并使原始铸造组织 中的内部缺陷(如微裂纹、气孔、缩松等)压合,因而提高了金属 的力学性能。
(2)节省金属材料 由于压力加工提高了金属的强度等力 学性能,因此,可相对地缩小零件的截面尺寸,减轻零件的重量。 另外,采用精密锻造时,可使锻件的尺寸精度和表面粗糙度接近 成品零件,实现锻件少切屑或无切屑加工。
机械工业出版社
一、金属压力加 工概述
第七章 金属压力加
工
六、金属压力加 工新技术简介
二、金属锻造工艺
五、冲压
三、自由锻工艺 过程设计基础
四、锻造结构工 艺性
一、金属压力加工的基本概念
锻造是指在加压设备及工(模)具的作用下,使坯料、铸锭 产生局部或全部的塑性变形,以获得一定几何尺寸、形状和质量 的锻件的加工方法。
三、金属压力加工基础知识
金属的可锻性是指金属在锻造过程中经受塑性变形而不开 裂的能力。它与金属的塑性和变形抗力有关,塑性越好,变形抗 力越小,则金属的可锻性越好,反之,则金属的可锻性越差。
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1.金属的塑性变形
金属在外力作用下将产生塑性变形,其变形过程包括弹性 变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够恢复原状, 所以,不能用于成形加工,只有塑性变形这种永久性的变形,才能 用于成形加工。同时,塑性变形会对金属的组织和性能产生很大 影响,因此,了解金属的塑性变形对于理解压力加工的基本原理 具有重要意义。
图7-5 金属冷轧前后多晶体晶粒形状的变化 图7-6 低碳钢的冷变形强化规律
2.回复与再结晶
经过冷变形的金属组织处于不稳定状态,它具有自发地恢 复到稳定状态的倾向。但是在室温下,金属原子的活动能力很小, 这种不稳定状态的组织能够保持很长时间而不发生明显的变化。 只有对冷变形金属进行加热,增大金属原子的活动能力,才会发 生显微组织和力学性能的变化,并逐步使冷变形金属的内部组织 状态恢复到稳定状态。对冷变形的金属进行加热时,金属将相继 发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化,如图7-7所示。
理论上讲,理想的金属单晶体产生滑移运动时需要很大的 变形力,但试验测定的金属晶体滑移时的临界变形力是理论计算 数值的百分之一以下。这说明金属的滑移并不是晶体的一部分沿 滑移面相对于另一部分作刚性的整体位移,而是通过晶体内部的 位错运动实现的,如图7-3所示。
多晶体(如金属)是由许多微小的单个晶粒杂乱组合 而成的。其塑性变形过程可以看成是许多单个晶粒塑性变 形的总和;另外,多晶体塑性变形还存在着晶粒与晶粒之间 的滑移和转动,即晶间变形,如图7-4所示。但多晶体的塑性 变形以晶内变形为主,晶间变形很小。由于晶界处原子排列 紊乱,各个晶粒的位向不同,使晶界处的位错运动较难,所以, 晶粒越细,晶界面积越大,变形抗力就越大,金属的强度也越 高;另外,晶粒越细,金属的塑性变形可分散在更多的晶粒内 进行,应力集中较小,金属的塑性变形能力也越好,因此,生 产中都尽量获得细晶粒组织。