項(xiàng)目六金屬壓力加工任務(wù)６－１金屬壓力加工的認(rèn)知任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)返回任務(wù)６－１金屬壓力加工的認(rèn)知一、金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)金屬在外力作用下首先要產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力增大到內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形。金屬的壓力加工就是利用塑性變形實(shí)現(xiàn)的。金屬塑性變形是由于金屬在外力作用下，金屬晶體每個(gè)晶粒內(nèi)部的變形和晶粒間的相對(duì)移動(dòng)、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的綜合結(jié)果。單晶體的塑性變形主要是通過(guò)滑移的形式實(shí)現(xiàn)的，即在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面產(chǎn)生滑移，如圖６.２所示。單晶體的滑移是通過(guò)晶體內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不是沿滑移面所有的原子同時(shí)做剛性移動(dòng)的結(jié)果，只是位錯(cuò)中心附近的少數(shù)原子進(jìn)行微量的位移，所以滑移所需要的切應(yīng)力比理論值低得多。下一頁(yè)返回任務(wù)６－１金屬壓力加工的認(rèn)知圖６.３所示為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形。工程上使用的金屬絕大多數(shù)是多晶體。多晶體中每個(gè)晶粒內(nèi)部的變形情況與單晶體的變形情況大致相似，可以看作是單個(gè)晶粒的位錯(cuò)及晶粒之間的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的綜合結(jié)果。如圖６.４所示，多晶體中首先發(fā)生滑移的是那些滑移系與外力夾角等于或接近于４５°的晶粒，使位錯(cuò)在晶界附近塞積，當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來(lái)處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－１金屬壓力加工的認(rèn)知二、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形程度的大小對(duì)金屬組織和性能有較大的影響。變形程度過(guò)小，不能起到細(xì)化晶粒，提高金屬力學(xué)性能的目的；變形程度過(guò)大，不僅不會(huì)使力學(xué)性能再提高，還會(huì)出現(xiàn)纖維組織，增加金屬的各向異性，當(dāng)超過(guò)金屬允許的變形極限時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)開裂等缺陷。上一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)一、金屬的可鍛性金屬的可鍛性是指材料在鍛壓加工時(shí)的難易程度，它是金屬工藝性能的一個(gè)重要指標(biāo)，通常用塑性好壞和變形抗力大小兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。若金屬材料在鍛壓加工時(shí)塑性好，變形抗力小，則可鍛性好；反之，則可鍛性差。金屬的可鍛性主要取決于材料的性質(zhì)及其變形條件。二、鍛造工藝方法（一）自由鍛自由鍛是指利用沖擊力或壓力，將加熱好的金屬坯料，用簡(jiǎn)單的通用性工具或在鍛造設(shè)備的上、下砧鐵之間，使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需的幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的加工方法。下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)坯料在鍛造過(guò)程中，除與上、下砧鐵或其他輔助工具接觸的部分表面外，都是自由表面，變形不受限制，故無(wú)法精確控制變形的發(fā)展。采用自由鍛方法生產(chǎn)的鍛件稱為自由鍛件。自由鍛通?？煞譃槭止ぷ杂慑懞蜋C(jī)器自由鍛。手工自由鍛主要是依靠人力利用簡(jiǎn)單工具對(duì)坯料進(jìn)行鍛打，改變坯料的形狀和尺寸從而獲得所需鍛件。手工鍛造只能生產(chǎn)小型鍛件，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，錘擊力小，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已為機(jī)器鍛造所代替。機(jī)器自由鍛主要依靠專用的自由鍛設(shè)備和專用工具對(duì)坯料進(jìn)行鍛打，改變坯料的形狀和尺寸，從而獲得所需鍛件。自由鍛所用工具簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、靈活性大，因而自由鍛應(yīng)用較為廣泛，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短；上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)但是由于鍛件的形狀與尺寸主要靠人工操作來(lái)控制，故存在鍛件精度低、加工余量大、生產(chǎn)效率低及勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷。生產(chǎn)的自由鍛件質(zhì)量可以從１ｋｇ的小件到３００ｔ的大件，適合于單件和小批量生產(chǎn)，修配以及大型鍛件的生產(chǎn)和新產(chǎn)品的試制等，特別是特大型鍛件的生產(chǎn)，自由鍛是唯一可行的加工方法，所以自由鍛在重型工業(yè)中具有重要意義，例如水輪機(jī)主軸、多拐曲軸、大型連桿、重要的齒輪等零件。（二）模型鍛造將加熱后的坯料放在模鍛設(shè)備上的鍛模模鏜內(nèi)，利用高強(qiáng)度鍛模，使金屬坯料在模膛內(nèi)受壓產(chǎn)生塑性變形，而獲得所需形狀、尺寸以及內(nèi)部質(zhì)量鍛件的加工方法稱為模型鍛造（簡(jiǎn)稱模鍛）。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)在變形過(guò)程中由于模膛對(duì)金屬坯料流動(dòng)的限制，因而鍛造終了時(shí)可獲得與模膛形狀相符的模鍛件。與自由鍛相比，模鍛具有如下優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)效率較高。模鍛時(shí)，金屬的變形在模膛內(nèi)進(jìn)行，故能較快獲得所需形狀。②能鍛造形狀復(fù)雜的鍛件，并可使金屬流線分布更為合理，提高零件的使用壽命。③模鍛件的尺寸較精確，表面質(zhì)量較好，加工余量較小。④節(jié)省金屬材料，減少切削加工工作量。在批量足夠的條件下，能降低零件成本。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)⑤模鍛操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。但是，模鍛生產(chǎn)受模鍛設(shè)備噸位限制，模鍛件的質(zhì)量一般在１５０ｋｇ以下。模鍛設(shè)備投資較大，模具加工工藝復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，工藝靈活性較差，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)。因此，模鍛適合于小型鍛件的大批大量生產(chǎn)，不適合單件小批量生產(chǎn)以及中、大型鍛件的生產(chǎn)。隨著ＣＡＤ／ＣＡＭ技術(shù)的飛速進(jìn)步，鍛模的制造周期將大大縮短。模鍛按使用的設(shè)備不同，可分為錘上模鍛、壓力機(jī)上模鍛和胎模鍛。（三）胎模鍛胎模是一種不固定在鍛造設(shè)備上的模具，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造容易。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)胎模鍛是在自由鍛設(shè)備上用胎模生產(chǎn)模鍛件的工藝方法，因此胎模鍛兼有自由鍛和模鍛的特點(diǎn)。胎模鍛與自由鍛相比，具有生產(chǎn)率高，鍛件尺寸精度高，表面粗糙度值小，敷料少，節(jié)約金屬等優(yōu)點(diǎn)。與模鍛相比，具有成本低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但胎模鍛的鍛件精度和生產(chǎn)率不如錘上模鍛高，胎模壽命短。胎模鍛造適用于中、小批量生產(chǎn)，小型多品種的鍛件，特別適合于沒(méi)有模鍛設(shè)備的工廠。胎模種類很多，常用的胎模結(jié)構(gòu)主要有扣模、套筒模和合模三種類型。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)①扣模?？勰Ｓ脕?lái)對(duì)坯料進(jìn)行全部或局部扣形，主要生產(chǎn)桿狀非回轉(zhuǎn)體鍛件，也可為合模鍛造制坯，生產(chǎn)過(guò)程中坯料不轉(zhuǎn)動(dòng)［圖６.３５（ａ）］。②套筒模。套筒模呈套筒形，有開式和閉式兩種，主要用于鍛造齒輪、法蘭盤等回轉(zhuǎn)體類鍛件［圖６.３５（ｂ）、（ｃ）］。③合模。合模通常由上模和下模兩部分組成［圖６.３５（ｄ）］。合模成形時(shí)的多余金屬流入飛邊槽，為了使上下模吻合及不使鍛件產(chǎn)生錯(cuò)模，經(jīng)常用導(dǎo)柱等定位。合模多用于生產(chǎn)形狀較復(fù)雜的非回轉(zhuǎn)體鍛件，如連桿、叉形件等。胎模鍛的工藝過(guò)程主要包括工藝規(guī)程的制訂、胎模的制造、備料、加熱、鍛制及后續(xù)工序等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)在工藝規(guī)程的制定過(guò)程中，可靈活選取分模面，分模面數(shù)量不限于一個(gè)，而且在不同工序中可以選取不同的分模面，以便于制造胎模和使鍛件成形。圖６.３６所示為法蘭盤胎模鍛制過(guò)程。胎模選用套筒模，它由模筒、模墊和沖頭組成。原始坯料加熱后，先用自由鍛鐓粗，然后將模墊和模筒放在下砧鐵上，再將鐓粗的坯料平放在模筒中，壓上沖頭后終鍛成形，最后將連皮沖掉，得到鍛件。表６.１０所示為閥體的胎模鍛工藝卡片，坯料加熱后先鐓粗，然后放入胎模中成形及沖孔。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)三、鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性是指所設(shè)計(jì)的鍛件在滿足要求的前提下，制造的可行性和經(jīng)濟(jì)性。良好的結(jié)構(gòu)工藝性是指在現(xiàn)有工藝條件下既能方便制造，又有較低的制造成本。另外，在設(shè)計(jì)鍛壓件結(jié)構(gòu)和形狀時(shí)，除滿足使用性能要求外，還應(yīng)考慮鍛壓設(shè)備和工具的特點(diǎn)。１.自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性自由鍛件的設(shè)計(jì)原則是在滿足使用性能的前提下，鍛件的形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，易于鍛造。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)２.模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性為了便于模鍛件生產(chǎn)和降低成本，設(shè)計(jì)模鍛零件時(shí)，模鍛件的形狀應(yīng)保證其能從模膛中順利取出和容易充滿模膛，并根據(jù)模鍛特點(diǎn)和工藝要求，使其結(jié)構(gòu)符合下列原則。①模鍛零件應(yīng)具有合理的分模面、模鍛斜度和圓角半徑。②由于模鍛的精度較高，表面粗糙度值較小，因此零件的配合表面可留有加工余量；非配合面因一般不需要加工而不需留加工余量。③零件的外形應(yīng)力求簡(jiǎn)單、平直、對(duì)稱，盡量避免零件截面間差別過(guò)大，或具有薄壁、高筋等不良結(jié)構(gòu)，以保證金屬容易充滿模膛、減少加工工序。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－２鍛造結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)一般說(shuō)來(lái)，零件的最小截面與最大截面之比不要小于０.５，圖６.４２（ａ）所示零件的凸緣太薄、太高，中間下凹太深，金屬不易充型。圖６.４２（ｂ）所示零件過(guò)于扁薄，薄壁部分金屬在模鍛時(shí)容易冷卻，不易充滿模膛，對(duì)保護(hù)設(shè)備和鍛模也不利。圖６.４２（ｃ）所示零件有一個(gè)高而薄的凸緣，不僅難以充型，而且鍛模的制造和鍛件的取出都很困難。改成如圖６.４２（ｄ）所示形狀則較易鍛造成形。④應(yīng)盡量避免有窄槽、深孔或多孔結(jié)構(gòu)。孔徑小于３０ｍｍ或孔深大于直徑兩倍時(shí)，鍛造困難。⑤對(duì)于復(fù)雜鍛件，為減少敷料，簡(jiǎn)化模鍛工藝，在可能條件下，應(yīng)采用鍛造－焊接或鍛造－機(jī)械連接組合工藝，如圖６.４３所示。上一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)一、板料沖壓的特點(diǎn)沖壓所用的材料，不僅要滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，還應(yīng)當(dāng)滿足沖壓工藝的要求和沖壓后續(xù)工序的加工要求（如切削加工、焊接、電鍍等）。沖壓常用原材料有低碳鋼、奧氏體不銹鋼、銅或鋁及其合金等具有塑性的金屬材料，也可以是膠木、云母、纖維板、皮革等非金屬材料。板料沖壓具有以下特點(diǎn)：①可沖出形狀復(fù)雜的零件，廢料較少，材料利用率高。②沖壓件的尺寸精確，表面粗糙度值小，質(zhì)量穩(wěn)定，互換性好，一般不再進(jìn)行機(jī)械加工，即可作為零件使用。下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)③金屬薄板經(jīng)過(guò)沖壓塑性變形并產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化，使沖壓件具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和剛性好的優(yōu)點(diǎn)。④沖壓生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。⑤沖模是沖壓生產(chǎn)的主要工藝裝備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，制造費(fèi)用相對(duì)較高，故沖壓在大批量生產(chǎn)條件下采用才能降低產(chǎn)品成本。板料沖壓是機(jī)械制造中的重要加工方法之一，沖壓不僅能夠制造尺寸很小的精密儀表零件，還能夠制造諸如汽車大梁、壓力容器封頭一類的大型零件和復(fù)雜形狀的零件。占全世界鋼產(chǎn)量６０％～７０％以上的板材、管材及其他型材，其中大部分經(jīng)過(guò)沖壓制成成品。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)沖壓在汽車、拖拉機(jī)、機(jī)械、家用電器、日常用品、電機(jī)、儀表、航空航天、兵器等制造中，都有廣泛的應(yīng)用。二、沖壓設(shè)備沖壓設(shè)備主要有剪床和沖床兩大類。１.剪床剪床是完成剪切工序，把板料切成需要寬度的條料以供沖壓工序使用的主要設(shè)備。剪床的外形及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖６.４５所示。電動(dòng)機(jī)１通過(guò)帶輪使軸２轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)及離合器３使曲軸４轉(zhuǎn)動(dòng)，于是帶有刀片的滑塊５便上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行剪切工作。剪床通常有平口剪床、斜口剪床和圓盤剪床三種類型。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)２.沖床沖床是進(jìn)行沖壓加工的主要設(shè)備，按其床身結(jié)構(gòu)不同，有開式和閉式兩種類型。按其傳動(dòng)方式不同，有機(jī)械式?jīng)_床與液壓壓力機(jī)兩大類。沖床的主要技術(shù)參數(shù)是以公稱壓力來(lái)表示的，公稱壓力是以沖床滑塊在下止點(diǎn)前工作位置所能承受的最大工作壓力來(lái)表示的。我國(guó)常用開式?jīng)_床的規(guī)格為６３～２０００ｋＮ，閉式?jīng)_床的規(guī)格為１０００～５０００ｋＮ。３.沖模沖模是沖壓加工中的主要工藝裝備。沖模按組合方式可分為單工序模（簡(jiǎn)單沖模）、級(jí)進(jìn)模（連續(xù)沖模）、組合模（復(fù)合沖模）三種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)三、板料沖壓的基本工序沖壓基本工序可分為分離工序和變形工序兩大類。１.分離工序分離工序是指沖壓過(guò)程中，使板料的一部分沿一定的輪廓與另一部分分離的加工工序，如沖孔、落料、剪切、切口、切邊、剖切、修整等。２.變形工序變形工序是使坯料的一部分相對(duì)于另一部分產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的工序，如彎曲、拉深和成形等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)四、板料沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性板料沖壓件的設(shè)計(jì)不僅要保證良好的使用性能，而且也應(yīng)具有良好的工藝性能，以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本及保證產(chǎn)品質(zhì)量。１.沖裁件結(jié)構(gòu)工藝性沖裁件結(jié)構(gòu)工藝性指沖裁件結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸對(duì)沖裁工藝的適應(yīng)性。主要包括以下方面。①?zèng)_裁件的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單、對(duì)稱，盡可能采用規(guī)則形狀，如圓形、矩形等。在排樣時(shí)要有利于合理利用材料，盡可能提高材料的利用率，如圖６.６３所示。同時(shí)應(yīng)避免長(zhǎng)槽與細(xì)長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，如圖６.６４所示，否則制造模具困難。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)②沖裁件轉(zhuǎn)角處應(yīng)盡量避免尖角，以圓角過(guò)渡。一般在轉(zhuǎn)角處應(yīng)有半徑Ｒ≥０.２５ｔ（ｔ為板厚）的圓角，以避免尖角處應(yīng)力集中被沖模沖裂和減小角部模具的磨損。③對(duì)孔的最小尺寸及孔距間的最小距離等，也都有一定限制。沖裁件的有關(guān)尺寸如圖６.６５所示。④沖裁件的尺寸精度要求應(yīng)與沖壓工藝相適應(yīng)，其合理經(jīng)濟(jì)精度為ＩＴ９～ＩＴ１２，較高精度沖裁件可達(dá)到ＩＴ８～ＩＴ１０。采用整修或精密沖裁等工藝，可使沖裁件精度達(dá)到ＩＴ６～ＩＴ７，但成本也相應(yīng)提高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)２.彎曲件的結(jié)構(gòu)工藝性彎曲件的結(jié)構(gòu)工藝性如圖６.６６所示。設(shè)計(jì)彎曲件時(shí)應(yīng)考慮以下幾方面：①?gòu)澢膹澢霃剑虿粦?yīng)小于材料允許的最小彎曲半徑ｒｍｉｎ，并應(yīng)考慮材料纖維方向，以避免彎裂。但彎曲半徑ｒ也不宜過(guò)大，否則會(huì)造成回彈量過(guò)大，使彎曲件精度不易保證。②彎曲件形狀應(yīng)盡量對(duì)稱，以防止在彎曲時(shí)發(fā)生工件偏移。③直邊過(guò)短不易彎曲成形，應(yīng)使彎曲件的直邊高Ｈ＞２ｔ（ｔ為板厚）。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)④彎曲帶孔的工件時(shí)，孔的位置應(yīng)在變形區(qū)以外，孔與彎曲變形區(qū)的距離Ｌ≥（１.５～２）ｔ。⑤多向彎曲時(shí)，為避免角部畸變，應(yīng)先沖工藝孔或切槽。３.拉伸件的結(jié)構(gòu)工藝性拉伸件的尺寸要求如圖６.６７所示，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：①拉伸件的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單、對(duì)稱，以便使拉伸次數(shù)減少，容易成形。拉伸件的形狀有回轉(zhuǎn)體形、非回轉(zhuǎn)體對(duì)稱形和非對(duì)稱空間形三類，其中以回轉(zhuǎn)體形，尤其是直徑不變的杯形件最易拉伸，模具制造也方便。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)６－３板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)②盡量避免直徑小而深度大，否則不僅需要進(jìn)行多次拉伸，而且容易出現(xiàn)廢品。③拉伸件的底部與側(cè)壁，凸緣與側(cè)壁應(yīng)有足夠的圓角；拉伸件底部或凸緣上的孔邊到側(cè)壁的距離要合理，最小允許半徑和距離如圖６.６７所示，否則容易出現(xiàn)廢品和增加成本。另外，帶凸緣拉伸件的凸緣尺寸要