塑性加工工艺与设备课件.ppt

1、塑性加工工艺第二节 轧制轧制定义：轧制定义：靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。一、轧制过程及其基本原理 简单理想轧制过程：两个轧辊均被驱动、直径相等、转速相同；轧制过程中两个轧辊完全对称；轧辊为刚性的；轧件除受轧辊作用外，不受其它外力作用；轧件的机械性质均匀。1.变形区主要参数 轧件在轧辊作用下产生变形的 区域叫变形区，变形区以外两端 不 产生变形的区域叫外区或刚端。10hhh)cos1(2Rh（1）压下量（2）变形区长度hRhhRl)4(2RhhRhRtg)2(Rh2h0h1lb0b1DROaCBA222)2(hRRl（3）延伸系数 =L

2、1/L0（4）压下率（5）宽展 =b1b0%100)/(0hhb2.轧制过程中的金属流动 前滑区 后滑区 中性面：轧件运动速度轧辊线速度的水平分量 中性角：秒流量相等原则：单位时间内通过变形区内任一横断面的金属体积应该为一常数。FHvHFxvxFhvh常数 )21(23.咬入条件 咬入时 咬入后RNNaTTNxTxPT2改善咬入条件的途径：（1）降低角：（2）提高角：4.轧制压力（1）轧制压力的基本概念 轧制压力是轧制时轧辊施加于轧件使之变形的力。但通常把轧件施加于轧辊总压力的垂直分量称为轧制压力。xlhHdxtRsincossincoscoscos00dxtBdxtBdxpBPaa 一般通称

3、的轧制压力或实测的轧制总压力，并非为轧制单位压力之合力，而是轧制单位压力、单位摩擦力的垂直分量之和。(2)轧制力的理论计算h0h+hhh1dx+dxxprprprsinprcosprsinprcosRdprpr0cos)cos(2sin)cos(2)(dxPdxPhdhhdrrxxx022dxPdxtgPdhhdrrxx0sincosdhPdhPdhhdrrxxdhPhdrx)sincos1()(dRPhdrx)cos(sin2)(dxtgdh2sin2Rddh 如果假定垂直应力为Pr（主应力1），水平应力x（主应力3），根据屈服准则，1 31.15s 0*有：Pr x 0*冯.卡尔曼微分方程

4、积分，采里科夫解，求得Pr与（即h）的关系式，则影响Pr的主要因素如下：)(0rxPdddRPhPhdhdrrx)cos(sin2)()(0轧制力的影响：a.轧辊弹性压扁 任何一台给定的轧机，都有一个最小可轧制厚度值，低于这一厚度，轧辊会产生很大变形，而被轧制的材料无任何塑性变形。b.轧辊弯曲 会导致所生产的金属板中心厚边缘薄。c.轧机弹性或塑性 轧辊分离力使机架产生变形，辊缝增大 5.轧制力矩aPM hRbbpFpP210）（hRa为力臂系数，一般取=0.30.6 hRbbpM2)(10）（10bbhRpM二、轧制方法1.按轧制温度 热轧 冷轧2.按轧件与轧辊的相对运动关系 纵轧：轧辊的纵轴

5、线相互平行，轧件运动方向与延伸方向与轧辊纵轴线垂直。斜轧：轧辊的纵轴线倾斜互成一定角度，轧件边旋转边沿自身纵轴线方向前进，且前进 方向与轧辊纵轴线方向成一定角度。横轧：轧辊的纵轴线相互平行，轧件沿自己的横轴线方向运动前进，与轧辊纵轴线垂直。纵轧 斜轧 横轧3.按轧制生产过程 半成品轧制开坯 成品轧制粗轧、精轧三、板带材轧制特点：宽厚比（B/H）大规格：中厚板（中板420mm，厚板2060mm，特厚板60mm以上）薄板和带材（0.24mm）极薄带材和箔材（0.0010.2mm）技术要求：尺寸精度、板形、表面光洁度、性能1.中厚板轧制2.热连轧板带材生产与中厚板轧制的区别：不用展宽，采用立辊对宽度

6、进行压缩。3.冷带钢生产厚度：0.13mm，宽度为1002000mm 优点：轧制速度高（可达40m/s以上），道次压下率大，产品表面光洁、板形平直、尺寸精度高和机械性能好。工艺特点：（1）加工温度低，产生加工硬化，需要中间退火。（2）采用工艺冷却和润滑（3）张力轧制 四、管材轧制1.无缝钢管（1）穿孔（2）轧管：自动轧管机（3）均整：带芯棒斜轧（4）定径和减径：无芯棒连轧2.焊管 将管坯（钢板或带钢）弯曲成所需的钢管形状，然后采用焊接法焊接成钢管。五、型材轧制 型材轧制主要用于各种型钢生产。大多数有色金属型材主要采用挤压、拉拔的方法生产。型钢的轧制方法：在轧辊上加工出轧槽，把两个或两个以上轧辊

7、的轧槽对应装配起来，形成孔型。轧制时，轧件通过一系列孔型，一般断面积由大变小，长度由短变长，以达到所要求的形状和尺寸。角钢 槽钢 工字钢 孔型系统示例六、线材轧制 特点：（1）总的延伸率大，轧件温降快，头尾温差大，轧制速度高。（2）机架多、分工细，产品比较单一、轧机专业程度高。（3）高速无扭转轧机具有特殊的孔型系统。Y型轧机 45轧机第三节 挤压一、挤压原理、基本方法 及特点1.挤压定义：对放在挤压筒内的金属坯料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。2.挤压方法：可按挤压方向、变形特征、润滑状态、挤压温度、挤压速度、模具种类或结构、坯料形状或数目、制品形状

8、或数目分类。常用挤压方法3.特点：具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性，获得大变形量。可加工用轧制或锻造加工有困难甚至无法加工的金属材料。可生产断面极其复杂的，变断面的管材和型材。灵活性很大，只需更换模具，即可生产出很多产品。产品尺寸精确，表面质量好。工艺流程简单，设备投资少，实现生产过程自动化和封闭化比较容易。金属的固定废料损失较大。压余量1015，轧件的切头尾损失仅为13。加工速度低。沿长度和断面上制品的组织、性能不够均一。工具消耗较大。小结：挤压法非常适合于生产品种、规格、批数繁多的有色金属管、棒、型材及线坯。在生产断面复杂的或薄壁的管材和型材，直径与壁厚之比趋

9、近于2的超厚壁管材，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面，挤压法是唯一可行的压力加工方法。二、挤压基本理论二、挤压基本理论 1.正挤压时金属的流动正挤压反挤压挤压力 P挤压轴位移（1）填充挤压阶段：锭筒间隙，填充系数 Rt=Ft/F0坯锭的长度与直径之比（2）基本挤压阶段挤压比锭坯断面积/制品断面积 圆棒正挤压时子午面上网格变化示意图 锥模挤压 平模挤压 纵向线两次弯曲，弯曲角度由外向内逐渐缩小。压缩锥（变形区）。横向线弯曲。外层网格变形为平行四边形，说明承受了剪切变形，外层金属的主延伸变形比内层的大，沿纵向制品后端的主延伸变形比前端的大。使用平模或大模角锥模挤压时，都存在死区。模角增大、摩擦加大

10、、挤压比减小、挤压速度降低，死区增大。死区的存在对提高制品表面质量极为有利。棒材前端横向线弯曲很小，制品头部晶粒粗大，机械性能低劣，应切除。（3）终了挤压阶段挤压力上升各种缩尾形成过程示意图减少缩尾的措施：进行不完全挤压，留压余；脱皮挤压；机加工锭坯表面。2.反挤压时的金属流动 挤压力比正挤压小3040，且与坯料长度无关。反挤压时的塑性变形区很小，集中在模孔附近，网格的横向线与筒壁基本上垂直，进入模孔时才发生剧烈的弯曲。不存在锭坯内中心层与周边层区域的相对位移，金属流动较均匀。产生挤压缩尾的倾向很小，压余可比正挤压时减少一半。挤压筒和模具的磨损小，寿命长。死区很小，恶化制品表面质量。3.影响金

11、属流动的因素（1）挤压筒壁上的摩擦力（2）筒温（3）金属导热性（4）润滑剂的绝热性（5）合金相状态（6）金属的强度（7）模角（8）变形程度4.挤压力 挤压杆通过挤压垫作用在锭坯上使之流出模孔的压力，称为挤压力。通常指Pmax。影响挤压力的因素（1）温度，金属变形抗力，挤压力。（2）变形程度，挤压力。（3）挤压速度（4）摩擦，挤压力。（5）模角（6）锭坯长度，挤压力（7）反挤压力比 正挤压力低 2030。挤压机主体结构 后置式穿孔缸 挤压机的主要零部件：挤压机的主要零部件：模座 机架 压余分离装置 调整装置 挤压牵引机构（纵动式模座横动式模座回转式模座联合式模座挤压杆挤压垫片穿孔针四、挤压模具

12、挤压模具类型 整体模 可拆卸模 舌模 分流组合模整体模(a)平模(d)锥模(e)平锥模(c)双锥模(f)碗形模（b）平流模可拆卸模具挤压模具的设计u整体模的设计整体模的设计 单孔模设计单孔模设计 多孔模的设计多孔模的设计u舌形模的设计舌形模的设计u分流模的设计分流模的设计挤压模具的设计 单孔模设计单孔模设计 模角模角工作带长度工作带长度模孔尺寸模孔尺寸入口圆角半径入口圆角半径模孔出口处直径模孔出口处直径模子外形尺寸模子外形尺寸挤压模具的设计 多孔模设计多孔模设计 模孔数目模孔数目模孔排列原则模孔排列原则型材模孔设计型材模孔设计l 重心布置重心布置l 模孔布置模孔布置l 工作带长度设计工作带长度

13、设计挤压模具的设计 分流组合模设计分流组合模设计 挤压比挤压比分流比分流比分流孔分流孔分流桥分流桥模芯模芯焊合室焊合室挤压模具的制造模具材料的选择模具材料的选择模具的加工模具的加工l 机械加工机械加工l 热处理热处理挤压工艺设计 锭坯尺寸的选择锭坯尺寸的选择p 选择原则选择原则p 挤压比的确定挤压比的确定p 锭坯长度的确定锭坯长度的确定温度的选择温度的选择速度的选择速度的选择润滑剂的选择润滑剂的选择 第四节 拉拔加工一、拉拔原理、方法、特点1.拉拔定义：在外加拉力的作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的制品的加工方法，称之为拉拔（或称为拉伸）。是生产管材、棒材、型材

14、及线材的主要方法之一。拉拔成形原理示意图dNdNdNdNdTdTrllr坯料坯料坯料P2.拉拔方法 实心材拉拔棒材、型材、线材 空心材拉拔管材3.特点（1）拉拔制品尺寸精度高，表面光洁度好。（2）工具与设备简单，维护方便。（3）最适合于连续高速生产断面尺寸小的长制品。（4）拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受到限制，工艺过程长。过大的道次加工率将导致制品尺寸、形状不合格，甚至被拉断。原因是变形区内为两压一拉应力状态，不利于充分发挥金属的塑性。二、拉拔基本原理1.圆棒拉拔时的应力与变形dNdRdT 拉拔制品内部的周期性裂纹示意图D1D2D2D12.管材拉拔时的应力与变形（1）空拉llrrl增壁

15、厚l减壁厚lrrlrr 空拉时的主应力：1轴向应力l 2径向应力r 3切向应力 空拉时的壁厚变化取决于r m m（1+2+3）/3 r m 0，管壁增厚 r m=0，管壁不变 r m0，管壁变薄 空拉能起到自动纠正管坯偏心的作用。（2）衬拉rlArlA特 点：1.芯头表面与管子内表面产生摩擦，拉拔力增大。2.内壁上径向应力不为零，管子内外层径向应力差值小，变形比较均匀。固定芯头拉拔固定芯头拉拔特 点：1.芯头表面与管子内表面产生摩擦，摩擦力与拉力方向相同，拉拔力减小。2.内壁上径向应力不为零，管子内外层径向应力差值小，变形比较均匀。长芯杆拉拔长芯杆拉拔特 点：1.芯头表面与管子内表面产生摩擦，

16、方向与拉拔力相同，拉拔力减小。2.为了实现游动头拉拔，必须满足1，1。游动芯头拉拔游动芯头拉拔 bsLDDBB20111拉拔力的理论计算拉拔力的理论计算棒材拉拔力的计算2121201114dDDDBBbsL 拉拔力的理论计算拉拔力的理论计算管材拉拔力的计算空位管材三、实现拉拔过程的必要条件 由于拉拔是通过施加在制品上的拉力实现的，施加在制品断面上的拉力L必须小于金属出模口处的屈服强度s。否则，将会产生制品细颈、甚至拉断等现象。1LbKK=1.42.0，即L=(0.70.5)b。K过小，意味着加工率过大，容易产生断头、拉断等现象；K过大，表示道次加工率过小，没有充分发挥金属的变形能力。制品直径越

17、小，壁厚越薄，K值应越大些。锥形模 弧线模222(a)(b)四、拉拔工具 1.拉拔模 2.芯头dl3l2l1d(a)圆柱形固定芯头(b)锥形固定芯头(c)游动芯头实现游动芯头稳定拉拔的基本条件是 ，其中为芯头与管内壁之间的摩擦角。第五节 锻造1 定义：是借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。2 特点：在塑性变形中，能使坯料的粗晶粒破碎、疏松、孔隙被压实、焊合，锻件的内部组织和性能得到较大改善。第五节 锻造一、自由锻 用简单通用的工具，或是在锻压设备的上、下砧之间直接使坯料产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能锻件的加工方法。特点：不

18、需专用模具，由人工掌握，比较灵活，适合单件、小批及大型锻件的生产。在空气锤和蒸汽-空气锤上进行。大型锻件的加工通常是在油压机或水压机上进行。主要工序有：镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、错移等。轴类和杆件以拔长变形为主，曲轴类还要加错移和扭转工序；饼类件以镦粗变形为主，孔心件还得加冲孔工序。复杂形状的锻件必须采用组合变形方法。镦粗：使毛坯高度减少，截面增大的工序 齿轮、法兰等饼类锻件 拔长：使毛坯横截面减小，长度增加的工序 轴类锻件或为后道工序制坯适当减小送进量可提高拔长效率钩叉类实心杆类实 例 矩形断面杆类别盘类曲轴类轴类锻件类型二、模型锻造定义：在专用锻造设备上采用专用模具，使金属坯料产生塑性

19、变形，获得所需形状、尺寸和性能锻件的加工方法。特点：需专用锻模，生产率及锻件精度较高。一般处于三向压应力状态，有利于塑性较差材料的成形。材料的变形抗力较大，设备吨位要求较高。主要用于中小锻件的生产。批量足够大时才经济。锤上模锻：速度高、金属流动速度快，f降低，金属流动的惯性和变形的热效应突出，有利于挤入方式成形。压力机上模锻：在一次行程中坯料内外层同时变形，变形深透均匀、流线分布连续、锻件力学性能一致性较好。三、特种锻造1.辊锻定义：将坯料用一对装有模具转向相反的锻辊曳入，产生塑性变形，获得具有一定形状尺寸和性能锻件的加工方法称为辊锻，是来自于轧制的锻造成形方法。一般模锻：模具直线运动 辊锻：

20、模具旋转运动 轧制：轧辊整个圆周都是工作部分，采用长 坯料 辊锻：只有扇形模一部分工作，短坯料辊锻示意图轧辊坯料辊锻模特点：（1）连续的静压过程，无冲击和振动。变形实质是坯料的拔长。（2）生产率高。（3）节约金属材料。（4）设备结构简单。（5）劳动条件好，易实现机械化和自动化。（6）节约模具钢材。（7）锻件质量好。2.摆动辗压 摆辗是一种连续、局部、递增成形方法。特点：（1）变形力小，能耗低。只有一般锻造变形力的1/51/20；（2）制件质量好，无震动，低噪音，模具寿命高，投资少，设备费用低，易实现自动化。（3）上下接触面上的压力分布不同，上大下小；零件易出现上大下小或下大上小的蘑菇头形状；径

21、向尺寸易增大，高度填充困难。主要用于辗制薄盘类、锥齿轮、万向节、非轴对称件等。第六节 板材成形 定义：通过模具和冲压设备，使板材产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件的加工方法。特点：生产效率高，产品尺寸精度稳定，材料利用率高，操作简便，易实现自动化。分类：分离（冲裁）落料、冲孔、切割 成形弯曲、拉深、胀形、翻边一、剪切和冲裁 冲裁间隙对冲裁质量、模具寿命和冲裁力都有很大影响，冲裁间隙过小易产生挤压毛刺，增大模具磨损；冲裁间隙过大，断面质量恶化，所以合理选择冲裁间隙很重要。一般为材料厚度的510。二、弯曲 在弯曲力矩作用下，使平板毛坯、型材或管材等产生一定曲率和角度，形成一定形状冲

22、压件的方法。相对弯曲半径：r/t 应变中性层：外层受拉伸长而厚度减薄，内层受压缩短使板料增厚窄板b/t3，宽度方向变形阻力大，弯曲后板宽基本不变，宽度方向应变近似为零。相对弯曲半径：（r/t）越小，板料减薄量越大，弯曲长度的增加量越大。(r/t)min：弯曲加工极限。塑性好的材料，(r/t)min1.0 一般为12三、拉深 把冲裁后得到的平板毛坯成形成开口空心零件的冲压加工方法称为拉深。拉深件示意图切向压应力和负应变，径向拉应力和正应变，厚度方向负应力和正应变法兰部分是变形区，材料不断向外转移；壁部是已变形区，传力区；底部是承力区，很少发生变形。拉深力行程破裂毛坯直径直壁破断极限加工硬化使拉深

23、力增大；法兰面积减小使拉深力降低毛坯直径D增大，拉深力增加。拉深系数：d-零件的平均直径，D-毛坯直径拉深比：R1/mD/d拉深加工极限：mmin，Rmax，一般首次mmin为0.5。Ddm/四、胀形定义：使金属板料或毛坯件中间位置产生鼓凸变形，从而获得表面积增大的零件的一种冲压成形方法。局部胀形：压筋条、凹坑、花纹，波纹管整体胀形：飞机蒙皮、汽车外罩特点：（1）胀形结束后，坯料外径不变，变形区不断扩大，变形区材料不向外转移；（2）胀形过程中，材料厚度减薄，表面积增大，并在凹模内形成凸包。（3）由于变形区在变形过程中一直受双向拉应力的作用，不易产生变形起皱。（4）胀形不适用于深形件加工。（5）

24、胀形力单调增加。胀形加工极限：胀形深度：hmax(0.150.22)d d-凸包直径 胀形系数：Kmaxdmax/d0 0.40.8控制变形趋向性的措施1.合理确定毛坯和半成品尺寸2.改变模具工作部分的几何形状和尺寸 增大Rp，减小Rd，拉深阻力增大，翻边阻力减小。3.改变毛坯与模具接触面之间的摩擦阻力 摩擦阻力减小，有利拉深变形，不利于翻边和胀形。六、旋压成形辊轮模具坯料利用辊轮、压头等工具对随旋压模转动的坯料作进给运动并施压，使其径向尺寸产生显著变化，形成所需形状、尺寸零件的冲压加工方法。特点：点成形，变形小，在一次成形中可完成普通方法的多道工序，形状精度高，模具费用低，加工方法简单，可完成大型件的旋压成形。