第六章锻压与冲压加工技术课件Word文档下载推荐.docx
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在锻件上的台阶部分长度为直径的0.25~0.5倍,而直径至少为其邻接部分最大直径的1.5倍的部分,称为法兰,如图6-3(b)所示。
⑦凹挡:
锻件某一部分的直径(或非圆形锻件的截面尺寸)小于其邻接两部分的直径的(或尺寸)部分,称为凹挡,如图6-3(b)所示。
图6-3机械加工余量示意图
2.锻造比
①锻造比:
坯料锻造前后的横截面积之比称为锻造比。
锻造比在不同的工序中有不同的计算方法。
鐓粗时:
YS=S前/S后
式中:
YS——鐓粗时的锻造比;
S前、S后——鐓粗前、后的横截面积。
拔长时:
YΦ=Φ前/Φ后
YΦ——拔长时的锻造比;
Φ前、Φ后——拔长前、后的横截面积。
②最小阻力定律:
金属受到外力作用发生塑性变形时,会沿着阻力最小的方向移动,该现象称为最小阻力定律。
二、锻造加热炉
锻造前必须对金属坯料进行加热,其目的是提高金属的塑性和降低其变形阻力。
加热锻件坯料在锻造加热炉中进行。
1.手锻炉
手工锻造加热炉简称手锻炉。
其基本结构由炉膛、烟囱、送风装置等组成,如图6-4所示。
燃烧所需要的空气由鼓风机经送风管从炉管下方进入煤层。
燃料从前炉门添入,后炉门一般和前炉门相对,以便出渣和加热长杆类或长轴类锻件时外伸之用。
烟囱和炉膛连成一体,且不均匀。
图6-4手锻炉的结构示意图
1-灰坑;
2-火沟糟;
3-鼓风机;
4-炉膛;
5-后炉门;
6-烟囱
2.反射炉
反射炉是以煤为燃料的火焰加热炉。
它主要由燃烧室、加热室、鼓风装置、换热器、烟道和烟囱等部分组成,如图6-5所示。
图6-5反射炉的结构示意图
l-一次送风管;
2-水平炉膛;
3-燃烧室;
4-M次送风管;
5-火墙;
6-加热室;
7-装出料炉门;
8-鼓风机;
9-烟囱;
10-烟道;
11-换热器
加热过程为:
将煤块从添煤口加入燃烧室,空气由鼓风机送入换热器预热后(温度可达300℃以上),经一次送风管从炉底下进入燃烧室,与煤进行燃烧,生成富有一氧化碳的气体火焰。
火焰通过火墙从炉子拱顶得到完全燃烧,使加热室形成高温(可达1350℃左右),对坯料加热。
3.重油加热炉和煤气加热炉
这两种炉子的基本结构相同,它是由喷嘴或烧嘴将重油或煤气与空气混合后直接喷射到加热室内燃烧的。
其基本形式有室式、推杆式和转台式,图6-6所示为室式重油加热炉的结构示意图。
工作时,重油或气体燃料和空气从安装在炉壁或炉顶上的烧嘴喷入加热室燃烧,废气经烟道排出,炉口用来装料和出料,其外面设有炉门。
室式炉适合加热单件或小批量生产的中、小型坯料,并常与自由锻造配合作用。
4.电阻加热炉
电阻加热炉利用电热通过电流元件产生热量,间接加热金属。
炉子通常做成箱形。
其特点是结构简单,炉内气温容易控制,温度控制准确,但升温慢。
箱式电阻炉可分为低温、中温和高温3种,其结构如图6-7所示。
中温箱式电阻炉的工作温度范围为450℃~950℃。
常用于加热有色金属及其合金;
而高温箱式电阻炉的加热温度为1250℃~1350℃,通常用来加热高温合金、高合金钢坯料。
图6-6室式重油加热炉的结构示意图
1-加热室(炉膛);
2-喷嘴;
3-烟道;
4-炉口
图6-7箱式电阻炉的结构示意图
l-炉门;
2-电热体;
3-炉膛;
4-踏杆
三、锻件坯料的加热及冷却
金属加热的目的是为了提高其塑性,降低变形抗力,并使内部组织均匀。
它是整个锻造生产过程中的一个重要环节,直接影响产品的质量及生产率。
锻件冷却的方法对锻件的质量也有很大的影响,应予以充分的重视。
1.锻造温度范围
锻造温度范围是指合理的始锻温度和合理的终锻温度之间的一段温度间隔。
1)始锻温度
始锻温度就是指开始锻造的温度。
一般始锻温度要求高一些,这样能使金属的塑性提高,可延长锻造时间。
但是,加热温度超过一定限度时,将会使金属产生过热和过烧的缺陷,从而影响锻件的质量或造成废品。
通常,始锻温度应比金属材料的熔点低100℃~200℃。
图6-8所示为碳素钢的锻造温度范围。
从图中可以看出,含碳量愈高,始锻温度愈低。
合金钢的始锻温度一般要比相同含碳量的碳钢低些。
图6-8碳素钢的锻造温度范围
2)终锻温度
终锻温度就是指停止锻造的温度。
一般来说,终锻温度要求低一些,这样可以延长锻造时间,减少加热次数。
但温度过低,金属就要产生加工硬化,甚至发生开裂。
若终锻温度过高,会使锻件的晶粒比较粗大,从而降低了锻件的机械性能。
从图6-8中可以看出,碳素钢的合理终锻温度约为800℃,而合金钢一般为800℃~900℃。
钢材的具体锻造温度范围与钢有关。
普通碳素钢的始锻温度与终锻温度范围为700℃~1250℃;
优质碳素钢为800℃~1200℃;
合金结构钢(如18Cr3MoWV、40CrNi等)为800℃~1200℃;
碳素工具钢(T9、T10)为770℃~1100℃。
金属在加热和锻造时的温度,可用热电高温计或光学高温计测量,也常用观察火色的方法进行判断。
钢材的温度与火色的关系见表6-1。
表6-1钢材的温度与火色的关系
温度/℃
1300
1200
1100
900
800
700
火色
白色
亮色
黄色
樱红
赤红
暗红
3)加热速度
钢材加热时,其热量自外表逐渐到内层,同时外表升温快,内层较慢。
所谓加热速度是指在单位时间内钢材表面温度上升的度数(℃/h),也可以用单位时间内钢材热透的厚度(mm/min)来表示。
由此可知,提高钢材的加热速度可以提高生产效率,同时可以降低钢材的烧伤和脱碳以及减少燃料的消耗。
但过高的加热速度,会使钢材外表面热量来不及传给内层,结果因受热不均而产生很大的热应力,增大了生产裂纹的可能性。
因此,确定钢材加热时间(或加热速度)的原则是在避免因热应力而产生裂纹的前提下,能在最短的时间内达到合理的始锻温度。
对于一些导热性较差的高碳钢、高合金钢或断面尺寸较大的钢材,应首先进行低温预热,然后再进行快速加热。
而对一些导热性较好的低碳钢、低合金钢或断面尺寸较小的钢材,则可不经预热而直接加热。
2.锻件的冷却方法
正确的加热和合理的锻造,能获得高质量的锻件。
但如果锻件冷却不当,也将影响锻件的质量,如产生翘曲、裂纹及表面过硬等,严重的还会使锻件报废。
因此,选择和严格遵守冷却规范,也是锻造生产中的重要环节。
按照冷却速度的快慢,常用的冷却方法有如下3种。
①空冷:
将铸件单独或成堆放置,在空气中自然冷却。
这种方法冷却速度快,适用低碳钢、中碳钢的小型锻件。
②坑冷:
将锻件置于坑内,上面覆盖箱盖或将其埋人黄沙、石灰或煤渣中,使锻件缓慢冷却。
这种方法冷却速度较慢,适用低合金钢及截面尺寸较大的锻件。
③炉冷:
将锻件放人温度为500℃~700℃的炉内,停留一定的时间,然后和炉子一起冷却。
这种方法冷却速度最为缓慢,适用于高合金钢及大型锻件。
第二节自由锻造
自由锻造是利用锻压设备的冲击力或静压力,使加热到一定温度的金属坯料在上下砧面之间产生变形,从而获得所需要的锻件的一种锻造方法。
锻件的形状和尺寸主要是依靠技术工人使用通用工具来保证的。
它是在工厂中广泛采用的锻造方法。
主要用于单件小批量生产,也是大型特大型锻件的唯一生产方式。
一、自由锻造方法
自由锻造的基本工序有鐓粗、拔长、冲孔、切割和弯曲等。
1.鐓粗
鐓粗是减低坯料高度,增大坯料截面积的锻造工序。
例如齿轮、叶轮、圆盘类零件都是用截面积较小的坯料锻造成截面积较大、高度较小的锻件。
鐓粗可分为整体鐓粗和局部鐓粗,如图6-9所示。
鐓粗时,为防止坯料产生纵向弯曲,坯料鐓粗部分的高度不应大于坯料直径的2.5~3倍。
局部鐓粗时,可只对鐓粗部分加热,然后放在漏盘(垫环)上进行,以限制变形范围。
2.拔长
拔长是缩小坯料横截面积,增加坯料长度的锻造工序,如图6-10(b)所示。
拔长主要适用于锻造光轴、台阶轴、连杆、拉杆等较长的锻件。
拔长时,需用手钳将坯料钳牢,锤击时应绕其轴心线不断地翻转坯料,翻转方法如图6-10(b)和图6-10(C)所示。
当采用反复90°
翻转时,操作比较方便,但复形不均匀。
采用沿轴旋线翻转时,坯料变形和温度变化较均匀,但操作不方便。
为防止坯料产生弯曲和折叠,每次拔长时,应注意坯料宽度和厚度的比例,并掌握好坯料的送进量。
图6-9鐓粗
(a)整体鐓粗;
(b)局部鐓粗
图6-10拔长
(a)拔长示意图;
(b)反复90°
翻转;
(c)沿螺旋线翻转
3.冲孔
冲孔是用冲子在坯料上冲击通孔或不通孔的锻造工序。
冲孔常用于齿轮、套筒和圆环等锻件。
冲孔前,通常先将坯料鐓粗,以减小冲孔的深度并保持端面平整。
冲孔后,大部分锻件还需要拔长、扩孔或修理。
冲孔的方法有双面冲孔和单面冲孔两种。
双面冲孔的过程如图6-11所示。
先试冲一凹痕,以保证孔位正确,当凹痕无偏差后,向凹痕内撤少许煤粉(以利于取出冲子),用于冲子深至坯料厚度的2/3~3/4,然后翻转坯料再将孔冲穿。
较薄的坯料可采用单面冲孔,其方法如图6-12所示,料置于漏盘上,将冲子的大头向下,直接将孔冲穿。
图6-11双面冲孔过程
图6-12单面冲孔
4.切割
切割是用剁刀将坯料切断或部分割开的锻造工序。
切割的方法有以下几种。
①单面切割:
将剁刀垂直于坯料,锤击剁刀使其切入坯料至底部附近。
翻转坯料后,用剁刀或克棍对准切口将坯料剁断,如图6-13所示。
这种方法适用于切断坯料和切除料头。
图6-13单面切割
②双面和四面切割:
在坯料的两个相对面上先后切割,称为双面切割。
若先切割两相对面,再切割相邻相对面,则称为四面切割。
这种方法适用于切割截面积较大的坯料。
③圆料切割:
将坯料放置于剁料槽内,第一刀切入坯料截面1/3~2/3处;
旋转坯料120°
~150°
,切入坯料第二刀;
再旋转坯料,圆料的剩余部分被第三刀切断,如图6-14所示。
图6-14圆料的切割
5.弯曲
弯曲是将坯料弯曲成一定角度或形状的锻造工序,如图6-15所示。
弯曲变形时,金属的纤维组织未被切断,并沿锻件的外形连续分布,抗械性能没有受到削弱。
因此,适用于质量要求较高并且有弯曲轴线的锻件,如角尺、钩等都是利用弯曲工序来锻制的。
图6-15弯曲
(a)角度弯曲;
(b)成形弯曲
二、自由锻造常用设备
自由锻造常用的设备有空气锤和水压机等。
1.空气锤
空气锤的外形和动作原理如图6-16所示。
(a))外形(b)动作原理图
图6-16空气锤
(a)外形;
(b)动作原理图
1-砧座;
2-砧垫;
3-下砧铁;
4-上砧铁;
5-锤头;
6-工作缸;
7-控制阀;
8-压缩缸;
9-手柄;
10-减速机构;
11-电动机s12-踏杆;
13-锤杆;
14-活塞;
15-工作缸;
16-上下旋阀;
17-压缩缸;
18-活塞;
19-连杆;
20-曲柄
空气锤由电动机11驱动,通过减速机构10,带动曲柄20做旋转运动,通过连杆19在压缩缸内做上下往复运动。
当活塞14带动锤杆13上的上砧头4下落时,放置在下砧头3上的坯料就受到锤击。
锻造时,操纵空气锤的方法是通过控制阀手柄9或脚踏杠杆12控制旋阀16的旋转角度,使锤头完成空行程、悬空、压紧锻件、单次打击、连续打击等不同动作并能使锤头产生不同的锤击力。
空气锤的规格以锤头落下重量来表示,常用空气锤的规格为40~750kg,适用于中小型锻件的生产。
2.水压机
水压机工作时是以静压力作用在锻件上,使锻件发生变形,图6-17所示为典型水压机的本体结构示意图。
它由固定系统和活动系统两部分组成。
固定系统部分由工作缸6、上横梁4、下横梁1、立柱2、回程缸10所构成。
下砧铁12装在下横梁上。
活动系统部分由工作柱塞5、活动横梁3、回程塞9回程横梁13和拉杆14构成。
上砧铁11装在活动横梁的下面。
图6-17水压机
1-下横梁;
2-立柱;
3-活动横梁;
4-上横梁;
5-工作柱塞;
7、8-管道;
9-回程柱塞;
10-回程缸;
11-上砧铁;
12-下砧铁;
13-回程横梁;
14-拉杆
当高压水沿管道7进入工作缸时,工作柱塞5就带动活动横梁3沿立柱2下落。
上砧铁11对锻件进行锻压。
高压水从管道8进人回柱缸10下部时,就推动回程柱塞9向上运动,回程柱塞通过回程横梁13和拉杆14带着活动横梁及装在其上的上砧铁离开锻件工作。
与此同时,工作缸6内的水由管道7排向低压水源。
水压机工作时,活动横梁的悬空、空程向下、工作行程及回程都是通过操纵机构——分配器实现的。
分配器是装有很多阀的箱体,阀的开启和关闭由操纵手柄控制。
水压机的吨位是以上砧铁的最大工作总压力表示的,常用水压机的吨位为500~12000t,适用于大型锻件的生产。
三、自由锻造实例
一般锻件在锻造前,先根据零件图加放余量绘制锻件图。
然后确定锻件所用的坯料的重量规格,再制订锻造工艺。
压盖如图6-18所示,压盖自由锻造工艺如表6-2所示。
图6-18压盖
表6-1压盖自由锻造工艺
工序号
操作方法
工序见图
05
印槽
25
冲孔
10
拔小一端
30
锻出凸台
15
端部鐓粗
35
两漏盘中修正
20
滚圆
40
滚国外圆修整
自由锻造过程中,常见的锻件缺陷有裂纹、末端凹陷、轴心裂纹和夹层等。
裂纹是由坯料质量不好,加热不充分,锻造温度过低,锻件冷却不当或锻造方法有错误等原因而产生的。
在锻造过程中发现细小裂纹,可立即凿掉,或用气割、砂轮涂去,如发现裂纹处于深部而无法焊补时,该锻件只能报废。
末端凹陷和轴心裂纹是由坯料内部未热透或坯料整个截面未锻透,变形只产生在表面造成的缺陷,如图6-19所示。
图形坯料延伸时,如不先锻成方形而直接从圆形延伸,也会造成这样的缺陷。
夹层是在拔长时,由于送进量小于压下量而产生的缺陷,如图6-20所示。
图6-19末端凹陷和轴心裂纹
图6-20夹层
第三节模锻
模锻可分为胎模锻造和模型锻造两大类。
一、胎换锻造
胎模锻造是在自由锻造设备上运用胎模锻制锻件的一种方法。
胎模不固定在自由锻锤上,使用时随时放在下砧上进行锻造。
胎模锻造时,通常先用自由锻造方法制坯,然后再用胎模成形。
其生产方式灵活多样,设备工具比较简单,在小批量生产锻件时广泛采用。
胎模锻造与自由锻造比较,主要优点是锻件质量较好,生产效率较高,金属材料较省。
常用的胎模种类如图6-21所示。
摔模是最常用的胎模,如图6-21(a)所示。
它由上摔模和下摔模组成,用于锻件成形前的整形、掉光、校正等场合。
用摔模锻造时,需不断旋转锻件,因此适用于锻制回转体锻件,如光轴、台阶轴等。
扣模如图6-21(b)所示,它由上扣和下扣组成,或只有下扣,以上砧铁代替上扣。
扣模既能制坯也可成形。
具有平直侧面、非旋转体的锻件,多数用这种胎模锻造。
套筒模有开式和闭式两种,如图6-21(c)所示。
开式套筒模只有下模,上模由上砧铁代替。
锻制时常产生小飞边。
这种胎模主要用于端面平整的回转体锻件。
闭式套筒模一般由上模、套筒、垫块等组成。
坯料在封闭的模膛中变形,并产生纵向毛刺。
这种胎模主要用于端面有凸台或凹坑的回转体锻件的制坯与最后成形。
合模一般由上、下模及导向装置(定位销)组成,如图6-21(d)所示,用于锻造形状复杂的锻件。
图6-21胎膜类型
(a)摔模;
(b)扣模;
(c)套筒模;
(d)合模
二、模型锻造
模型锻造简称模锻。
它是把加热好的金属坯料放在锻模模槽内,施加压力使其变形的一种锻造方法。
模锻是指在专用的模锻设备上进行锻造。
所用的锻模紧固在锤头(或滑块)与砧座(或工作上台)。
砧座通常与模锻设备的机架连接成整体,而锤头在导向性好的导轨中运动。
因此,模锻锻件具有尺寸精度高,表面光洁,加工余量少,形状较复杂和生产率高等特点。
但是,模锻所需的设备吨位较大,所以锻件的重量通常受到设备吨位的限制,一般只能生产150kg以下的中小型锻件,又因锻件成本昂贵,所以只适用于大批量生产。
锻造所用的锻模由上模和下模组成。
由于锻件从坯料到成形要经过多次变形,才能得到符合要求的形状和尺寸,所以锻模往往有好几个模膛。
图6-22所示为锤锻模的示意图。
根据作用不同,模膛可分为制坯模膛和模锻模膛两类。
制坯模膛是经过几次变形将坯料初锻成与锻件截面形状近似的模膛。
如图6-22中的拔长、滚挤、弯曲等模膛。
拔长模膛是将坯料拔长;
滚挤模膛是将坯料截面增大或缩小;
弯曲模膛是将坯料弯曲成与锻件轮廓近似的形状。
为使锻造操作方便,制坯模膛大多布置在锻模的两侧部位。
模锻模膛是锻件最终模膛。
如图6-22中的预锻、终锻等模膛。
预锻模膛是当锻件形状复杂,坯料一次难以充满模膛时而设置的,它是最终锻成形时的过渡模膛。
其作用是得到与锻件近似的形状,减少锻件粘着在终锻模膛中的可能性,同时改善坯料锻造时的流动条件和提高终锻模膛的使用寿命。
终锻模膛是使坯料最后成形得到与锻件图一致的锻件的模膛。
终锻模膛一般布置在锻模的居中位置,使锤击力比较集中,锻件受力均匀,可防止偏心、错位等缺陷。
最终成形后的锻件,周围有飞边存在,飞边可在压力机上用切边模切除。
图86-22锤锻模示意图
第四节板料的冲压
冲压是利用冲模使板料产生分离或者变形的加工方法。
由于冲压主要用于加工板料零件,故又称为板料冲压。
同时,由于冲压加工通常在室温下进行,不需要加热,故又称为冷冲压。
冲压件具有质地轻,刚性好,尺寸准确,表面光洁,一般不需要切削加工就可以装配使用等优点。
冲压常用于制造金属材料(最常用的是低碳钢、不锈钢、铝、铜及其他金属或合金)的冲压件。
板料冲压生产效率高,容易实现机械化与自动化,被广泛应用于航空、汽车、电器、仪表及日常用品等工业生产。
一、冲压设备
1.冲床(曲柄压力机)
冲床是进行冲压的基本设备。
冲床的类型很多,按结构可分为开式冲床和闭式冲床两种。
图6-23所示为开式冲床的外观图和传动示意图。
这种冲床可在它的前、左、右3个方向装卸模具和进行操作,使用方便,但吨位较小。
图6-23开式冲床
(a)外观图;
(b)传动简图
1-工作台;
2-导轨;
3-床身;
4-电动机;
5-连杆;
6-制动器;
7-曲轴;
8-离合器;
9-飞轮;
10-V带;
11-滑块;
12-踏板;
13-拉杆
(1)冲床的结构原理
其传动原理是:
电动机4通过V带10带动大飞轮9传动,大飞轮借助离合器8与曲轴7相连接,离合器8则用踏板12通过拉杆13来控制。
当离合器8脱开时,大飞轮9空转;
当踩下踏板12使离合器8合上时,大飞轮9便带动曲轴7旋转,并通过连杆5使滑块11沿导轨上下往复运动,进行冲压。
当松开踏板12使离合器8脱开时,制动器6可立即制止曲轴7传动,并使沿块停止在最高位置。
(2)冲床的主要参数
①公称压力:
冲床工作时,滑块上所允许的最大作用力,常用千牛(kN)表示。
②闭合高度:
滑块在行程到达最下位置时,其下表面到工作台面的距离(mm)。
设计冲模时,冲模的闭合高度应与冲床的闭合高度相适应,即冲模闭合高度应小于冲床的最大闭合高度。
冲床连杆的长度一般都是可调节的,调节连杆的长度即可调整冲床的闭合高度。
③滑块行程:
曲轴旋转时,滑块从最上位置到最下位置所走过的距离,用毫米(mm)表示。
2.摩擦压力机
摩擦压力机是根据螺杆与螺母相对运动的原理而工作的,其结构如图6-24所示。
电动机6带动左右摩擦盘9和10同向旋转。
工作时,踏板1下压,通过杠杆11、13、16的作用,操纵带动摩擦盘的传动轴8右移,使传动轴上的摩擦盘9与飞轮12接触,借助于飞轮与摩擦盘间的摩擦作用,使螺杆15顺时针向下转动,带动滑块3下移进行冲压。
相反,踏板1上提。
通过杠杆作用,使右摩擦盘10与飞轮12接触,飞轮向上旋转,滑块上升。
也可以利用固定在滑块3上的制动挡块4操纵杠杆,使滑块连续进行冲压。
图6-24摩擦压力机结构简图
1-踏板;
2-工作台;
3-滑块;
4-制动挡块;
5、7-V带轮;
6-电动机;
8-传动轴;
9-左摩擦盘;
10-右摩擦盘;
12-飞轮;
11、13、16-杠杆;
14-摆块;
15-螺杆;
17-床身
当摩擦压力机超负荷时,飞轮与摩擦盘之间会打滑,起到保护作用。
摩擦压力机适用于弯曲大而厚的制件,对校正、挤正、压印等冲压工件尤为适宜。
缺点是飞轮轮缘磨损大、生产率低。
3.油压机
油压机是用油压传递能量的液压机。
油压机的结构简单、成本低。
其压制位置、速度及行程范围均可调整,滑块可以在任意位置回程,不需要调整闭合高度,没有超载危险,更换模具比较方便。
其缺点是生产效率低,维修工作量大。
适用于弯曲、翻边、成形,尤其适用于深拉件和大型冲压件。
(1)油压机的结构
油压机有单柱式、双柱式、四柱式等结构形式。
油压机由主机、液压传动系统和电气系
统构成。
图86-25所示为四柱式油压机