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1、NO3塑性成 形电子教案 机械制造基础教学目标知识目标：掌握塑性成形的定义及种类；掌握塑性成形的理论基础；熟悉自由锻的工艺过程及常见自由锻工序，自由锻件的结构工艺性；熟悉模锻的特点、锻模的结构及模锻件的结构工艺性；熟悉冲压的基本工序、冲模的结构及冲压件的结构工艺性；了解塑性成形新工艺。能力目标：根据自由锻件的形状特点，确定自由锻的工序；根据零件图，制定冷锻件图和热锻件图；根据冲裁件的形状特点、生产要求，确定排样图和冲裁工序。素质目标： 教学重点自由锻的工艺过程及常见自由锻工序教学难点自由锻的工艺过程教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时16教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注
2、释模块三 塑 性 成 形任务描述曲轴是机械装置里常见的零件，它和滑块、连杆一起构成的曲柄滑块机构能对运动形式进行转换。将旋转运动转换成往复直线运动的曲轴主要用在曲柄压力机中，将往复直线运动转换成旋转运动的曲轴主要用在发动机中。本模块主要介绍用何种方法提供曲轴的毛坯，从而进一步进行机加工得到最终的符合要求的零件。任务分析曲轴形状较复杂，在工作过程中受力情况也比较复杂，既承受弯矩，又承受扭矩，并且是周期性的交变载荷。这就要求曲轴有非常好的综合力学性能才能满足使用性能的要求，通常对力学性能要求高的零件都通过锻造的方法提供毛坯，并且由于曲轴形状复杂，故通常选择模锻的方法提供曲轴的毛坯。相关知识学习情境
3、一 塑性成形理论基础一、金属的冷变形金属冷变形的重要特点之一是加工硬化。加工硬化的结果是使金属的强度、硬度提高，塑性降低。冷变形时低碳钢的力学性能与变形程度的关系如图3-1所示。图3-1 冷变形时低碳钢的力学性能与变形程度的关系1.加工硬化从试验观察得知，金属由于塑性变形，滑移面的晶格产生强烈的晶格歪扭和晶粒变形甚至破碎，增大了滑移阻力，使得滑移难以继续进行下去，在力学性能上表现为强度、硬度增加，塑性、韧性下降。这种随变形程度增大，变形金属的强度、硬度上升，而塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。2.回复与再结晶当加热温度不高时，内应力有明显下降，而显微组织无明显变化，此时各种性能有不同程度的恢复
4、，此过程称为回复。当加热温度继续升高时，破碎拉长的晶粒通过重新结晶变成细而均匀的粒状晶粒，性能得以恢复，加工硬化消除，塑性提高，此过程称为再结晶。二、金属的热变形主要表现如下。（1）热变形可以消除铸锭中的某些缺陷，如使气孔、缩松等被压合，组织致密度得到改善。（2）热变形可使铸态金属中的粗大枝晶和柱状晶破碎，使晶粒细化，力学性能得以提高。（3）热变形时，金属中的夹杂物一般难以发生再结晶，因此，变形后仍沿着金属变形的方向拉长（或压扁），形成热变形纤维组织。热变形纤维组织在宏观检验时称为流线，变形程度越大，纤维组织越明显。三、金属的可锻性1.化学成分和组织结构1）化学成分不同化学成分的金属其可锻性不
5、同，纯金属的可锻性优于合金，低碳钢的可锻性优于中碳钢和高碳钢，碳钢的可锻性优于合金钢。为什么在钢中低碳钢的可锻性最好？2）组织结构金属内部的组织不同，其可锻性有很大差别。纯金属及单相固溶体的合金具有良好的塑性，其可锻性较好；钢中有碳化物和多相组织时，可锻性变差；具有均匀细小等轴晶粒的金属的可锻性比晶粒粗大的铸态柱状晶组织好；钢中有网状二次渗碳体时，钢的塑性将大大下降。2.加工条件1）变形温度如图3-4所示为碳钢的锻造温度范围。2）变形速度如图3-5所示为变形速度对金属可锻性的影响图3-4 碳钢的锻造温度范围图3-5 变形速度对金属可锻性的影响3.应力状态用不同的锻造方法使金属变形时，其内部所产
6、生的应力大小和应力性质（拉或压）是不同的。甚至在同一变形方式下，金属内部不同部位的应力状态也可能是不同的。如图3-6所示，挤压时坯料内部的应力状态为三向受压；拉拔时径向受压，轴向受拉；镦粗时，坯料内部存在三向压应力，而侧表面层水平方向的压应力转变为拉应力。图3-6 金属变形时的应力状态学习情境二 塑性成形方法一、自由锻1.自由锻的工序1）基本工序基本工序是使金属坯料实现变形的主要工序，主要有以下几个工序。（1）镦粗。镦粗是使坯料高度减小、横截面积增大的工序。（2）拔长。拔长是使坯料横截面积减小、长度增大的工序。（3）冲孔。冲孔是使坯料具有通孔或不通孔的工序。（4）弯曲。弯曲是使坯料轴线产生一定
7、曲率的工序。（5）扭转。扭转是使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。（6）错移。错移是使坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序。（7）切割。切割是分割坯料或去除锻件余量的工序。2）辅助工序辅助工序是指进行基本工序之前的预变形工序，如压钳口、倒棱、压肩等。3）精整工序精整工序是修整锻件的最后形状与尺寸，消除表面的不平整，从而使锻件达到要求的工序，主要有修整、校直、平整端面等。2.自由锻的特点及应用（1）自由锻工艺灵活，工具简单，设备和工具的通用性强，成本低。（2）自由锻应用范围较为广泛，可锻造的锻件质量为1300 000 kg。在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一
8、成形方法。（3）自由锻件精度较低，加工余量较大，生产率低，故一般只适合于单件小批量生产。3.自由锻的工艺规程1）锻件图锻件图是工艺规程的核心部分，它是以零件图为基础，结合自由锻造工艺特点绘制而成的。2）计算坯料质量及尺寸坯料的质量可按下式计算m坯料m锻件+m烧损+m料头（3-1）式中，m坯料为坯料质量（kg）；m锻件为锻件质量（kg）；m烧损为加热时坯料表面因氧化而烧损的质量（kg），第一次加热取被加热金属质量的2%3%，以后各次加热m烧损均取被加热金属质量的1.5%2%；m料头为在锻造过程中，冲掉或被切掉的那部分金属的质量（kg）。3）确定变形工序确定变形工序的依据是锻件的形状、尺寸、技术要
9、求、生产批量和生产条件等。4.自由锻件的结构工艺性二、模锻锤上模锻所用设备为模锻锤，模锻锤产生的冲击力使金属变形，图3-8为一般常用的蒸汽空气模锻锤的示意图，它的砧座3比相同吨位自由锻锤的砧座增大约1倍，并与锤身2连成一个刚性整体，锤头7与导轨之间的配合也比自由锻精密，因锤头的运动精度较高，使上模6与下模5在锤击时对位准确。图3-8 蒸汽-空气模锻锤1）锻模结构锤上模锻生产所用的锻模如图3-9所示。图3-9 锤上模锻锻模示意图2）模膛的类型根据模膛作用的不同，模膛可分为制坯模膛和模锻模膛两种。（1）制坯膜膛。常见的制坯模膛有以下几种，如图3-10所示。图3-10 常见的制坯模膛（2）模锻模膛。
10、由于金属在模锻模膛中发生整体变形，故作用在锻模上的抗力较大。模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两种。3）模锻件图的制定（1）确定分模面。（2）确定加工余量和锻造公差。（3）模锻斜度。（4）模锻圆角半径。（5）冲孔连皮。如图3-14所示。图3-14 分模面的选择比较示意图4）模锻工序的确定（1）长轴类锻件。长轴类锻件有曲轴、连杆、台阶轴等，如图3-17所示。（2）盘类锻件。盘类锻件是指在分模面上的投影为圆形或长度接近宽度的锻件，如齿轮、法兰盘等，如图3-18所示。图3-17 长轴类锻件图3-18 盘类锻件5）模锻件的精整提高模锻件成形后精度和表面质量的工序称为精整，包括切边、冲孔连皮、校正等。6）
11、模锻件的结构工艺性（1）必须具有一个合理的分模面。（2）考虑模锻斜度和圆角，模锻件上与分模面垂直的非加工表面应设计出模锻斜度。（3）只有与其他机件配合的表面才须进行机械加工，由于模锻件尺寸精度较高和表面粗糙度值低，因此，在零件上其他表面均应设计为非加工表面。（4）模锻件外形应力求简单、平直和对称，为了使金属容易充满模膛而减少工序，应尽量避免模锻件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、高台等结构。如图3-19所示。图3-19 结构不合理的模锻件（5）模锻件应避免深孔或多孔结构，以便于模具制造和延长模具使用寿命。如图3-20所示。图3-20 多孔齿轮（6）对复杂锻件，为减少余块、简化模锻工艺，在可能条
12、件下，应尽量采用锻焊或锻机械连接组合工艺。2.其他设备模锻1）曲柄压力机上模锻曲柄压力机上模锻的特点如下。（1）曲柄压力机上模锻工作时无振动，噪声小。它作用于金属上的变形力是静压力，且变形力由机架本身承受，不传给地基。（2）曲柄压力机上模锻的滑块行程固定。每个变形工序在滑块的一次行程中即可完成。（3）曲柄压力机上模锻精度高、生产率高。曲柄压力机具有良好的导向装置和自动顶件机构，锻件的余量、公差和模锻斜度都比锤上模锻的小，且生产率高。（4）曲柄压力机上模锻使用镶块式模具。这类模具制造简单，更换容易，节省贵重的模具材料。如图3-22所示。图3-22 曲柄压力机所用锻模（5）曲柄压力机价格高，因而这
13、种模锻方法只适用于大批量生产条件下锻制中、小型锻件。2）摩擦压力机上模锻摩擦压力机的传动原理如图3-23所示。图3-23 摩擦压力机的传动原理3）胎模锻在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的锻造方法称为胎模锻。它是一种介于自由锻和模锻之间的锻造方法。4）平锻机上模锻平锻机的主要结构与曲柄压力机相同，因滑块是水平方向运动的，故称为平锻机。如图3-25所示为平锻机传动图。图3-25 平锻机传动图图3-27所示为平锻机上模锻过程。图3-27 平锻机上的模锻过程三、板料冲压板料冲压与其他加工方法相比具有以下特点。（1）板料冲压所用原材料必须有足够的塑性，如低碳钢、高塑性的合金钢、不锈钢和铜、铝、镁及
14、其合金等。（2）板料冲压件尺寸精度高，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不需进行机械加工，可直接装配使用。（3）板料冲压可加工形状复杂的薄壁零件。（4）板料冲压生产率高，操作简便，成本低，工艺过程易实现机械化和自动化。（5）板料冲压可利用塑性变形的加工硬化提高零件的力学性能，在材料消耗少的情况下获得强度高、刚度大、质量好的零件。1.冲压设备1）剪床图3-28 剪床2）冲床图3-29 可倾斜式开式冲床外形和传动示意图2.冲裁1）变形与断裂分离过程冲裁使板料变形与分离的过程如图3-30所示。图3-30 冲裁变形过程2）冲裁间隙冲裁间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量，也影响模具使用寿命。当冲裁间隙合理
15、时，上下剪裂纹会基本重合，获得的冲裁件断面较光洁，毛刺最小；冲裁间隙过小，上下剪裂纹比正常间隙时向外错开一段距离，在冲裁件断面会形成毛刺和夹层；冲裁间隙过大，材料中拉应力增大，塑性变形阶段过早结束，剪裂纹向里错开，光亮带小，毛刺和剪裂带均较大。冲裁间隙的大小一般为板料厚度的3%8%。3）刃口尺寸凸模和凹模刃口的尺寸取决于冲裁件尺寸和冲裁间隙。4）冲裁力冲裁力是选用冲床吨位和校验模具强度的重要依据。平刃冲模的冲裁力的计算公式为F=KLt式中，F为冲裁力(N)；L为冲裁件周边长度（m）；t为板料厚度（m）；为材料抗剪强度（MPa）；K为系数，一般取1.3。5）排样排样是指落料件在板料上进行合理布置
16、的方法，排样可以提高材料利用率。落料件的排样有两种，即无搭边排样和有搭边排样，如图3-31所示。图3-31 有搭边和无搭边排样6）修整修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一层薄层金属，以切掉冲裁件上的剪裂带和毛刺。修整的机理与切削加工相似。对于大间隙冲裁件，单边修整量一般为板料厚度的10%；对于小间隙冲裁件，单边修整量在板料厚度的8%以下。3.拉深拉深是利用模具冲压坯料使平板冲裁坯料变形成开口空心零件的工序，也称为拉延，如图3-32所示。图3-32 拉深过程示意图1）拉深系数拉深件直径d与坯料直径D的比值称为拉深系数，用m表示。拉深系数是衡量拉深变形程度的指标。拉深系数越小，表明拉深件直径越
17、小，变形程度越大，坯料越难被拉入凹模，易产生拉穿而成为废品。2）拉深缺陷及预防措施4.弯曲弯曲是利用模具或其他工具将坯料一部分相对另一部分弯曲成一定的角度和圆弧的变形工序。弯曲过程及典型弯曲件如图3-33所示。图3-33 弯曲过程及典型弯曲件弯曲过程中须注意以下几个问题。（1）考虑弯曲的最小半径rmin。弯曲半径越小，其变形程度越大。为防止材料弯裂，应使rmin不小于板料厚度的25%，材料塑性好，相对弯曲半径可小些。（2）考虑材料的纤维方向。弯曲时应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直，使弯曲时的拉应力方向与纤维方向一致，如图3-34所示。（3）考虑回弹现象。图3-34 弯曲线方向5.板料冲压件的
18、结构工艺性1）冲压件的几何形状2）冲压件的尺寸3）冲压件的精度和表面质量6.冲模1）简单冲模在冲床的一次冲程中只完成一道工序的冲模称为简单冲模，如图3-35所示，它适用于小批量生产。图3-35 简单冲模2）复合冲模在冲床的一次冲程中，在模具的同一部位上同时完成数道冲压工序的模具称为复合冲模。如图3-36所示。图3-36 落料及拉深复合冲模3）连续冲模连续冲模实际上是把两个以上的简单冲模安装在一块模板上，如图3-37所示，以便在一次冲压中连续完成两个以上的基本工序。图3-37 连续冲模学习情境三 其他塑性成形工艺及发展趋势一、精密模锻保证精密模锻件质量的主要措施如下。（1）精确计算原始坯料的尺寸
19、，否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。（2）精锻模膛的精度必须比锻件精度高两级，精锻模应有导向结构，以保证合模准确。（3）精密模锻应采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。（4）仔细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其他缺陷等。（5）模锻过程中要很好地冷却锻模和进行润滑。二、挤压挤压是使坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。1.挤压的分类1）按金属的流动方向与凸模运动方向的不同分类按金属的流动方向与凸模运动方向的不同，挤压可分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压，如图3-38所示。图3-38 挤压成形2）按金属坯料变形温度的不同分类按金属坯料变形温度的不同，挤压
20、可分为冷挤压、热挤压和温挤压。2.挤压工艺特点（1）挤压时金属坯料处于三向受压状态，可提高金属坯料的塑性，扩大金属材料的塑性加工范围。（2）挤压可制出形状复杂、深孔、薄壁和异型断面的零件。（3）挤压件的精度高，表面粗糙度值小。（4）挤压变形后，零件内部的纤维组织基本上是沿零件外形分布而不被切断，从而提高了零件的力学性能。（5）挤压材料利用率可达70%，生产率比其他锻造方法提高几倍。（6）挤压是在专用挤压机（有液压式、曲轴式、肘杆式等）上进行的，也可在适当改造后的通用曲柄压力机或摩擦压力机上进行。三、超塑成形利用金属的超塑性成形的方法称为超塑成形。目前常用的超塑性成形材料主要是锌铝合金、铝基合金
21、及高温合金等。金属超塑性成形是一项新工艺，具有以下特点。（1）超塑成形材料塑性高，可比一般塑性成形提高12个数量级。（2）超塑成形材料变形抗力小，通常只有常规塑性成形的1/5左右。（3）超塑成形材料尺寸稳定。（4）对于复杂形状的零件，超塑成形材料可以一次成形，表面粗糙度值低及尺寸精度高，特别是对难变形的合金尤为有效。（5）超塑成形生产率低，需要耐高温的模具材料及专用加热装置，因而只有在一定范围内使用才是经济的。四、塑性加工的发展趋势1.先进成形技术的开发和应用1）发展省力成形工艺2）提高成形精度3）复合工艺和组合工艺2.计算机技术的应用1）塑性成形过程的数值模拟2）CAD/CAE/CAM的应用
22、3）增强成形柔度3.实现产品工艺材料的一体化4.配套技术的发展1）模具生产技术2）坯料加热方法拓展训练如图3-39所示的零件，材料为08钢，厚度t=1 mm，大批量生产。试确定拉深工艺，设计拉深模。图3-39 拉深零件图明确任务，在任务的驱动下学习。思考加工硬化现象在生产中具有的实际意义。思考为什么再钢中低碳钢的可锻性最好。结合图3-4讨论变形温度对金属可锻性的影响。结合图3-5讨论变形速度对金属可锻性的影响。教师讲解自由锻的特点，学生分组讨论其在实际生活中的应用。教师讲解自由锻的工艺规程。学生分组讨论制坯模膛和模锻模膛的异同点及在实际生活中的应用。结合图3-14，讨论确定分模面的基本原则。结合模锻件的结构工艺性要求，学生分组套路图3-19结构不合理的原因。教师讲解摩擦压力机的传动原理，学生结合原理思考摩擦压力机上模锻的特点。学生分组讨论胎模锻与自由锻的异同点。学生分组讨论日常生活中接触到的哪些物品是用冲压的方法生产的。结合实物认识剪床和冲床，掌握两者的传动原理。学生分组讨论防止拉深时起皱和拉裂的措施。学生分组讨论弯曲过程中须注意的问题，教师总结。结合图片讲解简单冲模、复合冲模及连续冲模。学生分组讨论精密模锻在实际生活中的应用。掌握挤压的分类。掌握超塑成形的特点，分组讨论其在实际生活中的应用。14第 页