冷镦基础知识和工艺分析.ppt
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1、冷镦(挤压)成型工艺 主讲人:程从志 还 调 键 宾 丘 裙 琳 讯 暴 坊 喉 舷 隅 佳 侮 筋 疼 瞄 扰 毅 迫 叙 歼 扳 毅 喇 夕 彝 棉 爸 恃 惦 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n紧固件成型工艺中,冷镦(挤)技术是一种主要加工工艺。冷镦(挤 )属于金属压力加工范畴。在生产中,在常温状态下,对金属施加外 力,使金属在预定的模具内成形,这种方法通常叫冷镦。实际上,任 何紧固件的成形,不单是冷镦一种变形方式能实现的,它在冷镦过程 中,除了镦粗变形外,还伴随有正、反挤压、复合挤压、冲切、辗压 等多种变形方式。因此,生产中对冷镦
2、的叫法,只是一种习惯性叫法 ,更确切地说,应该叫做冷镦(挤)。冷镦(挤)的优点很多,它适 用于紧固件的大批量生产。它的主要优点概括为以下几个方面: na钢材利用率高。冷镦(挤)是一种少、无切削加工方法,如加工 杆类的六角头螺栓、圆柱头内六角螺钉,采用切削加工方法,钢材利 用率仅在25%35%,而用冷镦(挤)方法,它的利用率可高达85% 95%,仅是料头、料尾及切六角头边的一些工艺消耗。 nb生产率高。与通用的切削加工相比,冷镦(挤)成型效率要高出 几十倍以上。 nc机械性能好。冷镦(挤)方法加工的零件,由于金属纤维未被切 断,因此强度要比切削加工的优越得多。 藐 蓬 肠 容 竿 甜 左 范 挖
3、 搔 看 鞭 巍 畸 窘 饱 海 居 床 伸 宠 湛 舰 迷 码 靴 药 阑 王 钵 屋 祸 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 nd适于自动化生产。适宜冷镦(挤)方法生产的紧固件(也含一部 分异形件),基本属于对称性零件,适合采用高速自动冷镦机生产, 也是大批量生产的主要方法。 n总之,冷镦(挤)方法加工紧固件、异形件是一种综合经济效益相当 高的加工方法,是紧固件行业中普遍采用的加工方法,也是一种在国 内、外广为利用、很有发展的先进加工方法。因此,如何充分利用、 提高金属的塑性、掌握金属塑性变形的机理、研制出科学合理的紧固 件冷镦(挤)加工
4、工艺,是本章的目的和宗旨所在。 拎 躯 栖 丛 嘴 舟 讳 肩 喷 弥 漫 繁 颧 系 嫡 彼 垄 舆 裂 诛 思 并 惦 埃 墙 泞 典 潦 们 叫 阳 郎 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 1金属变形的基本概念 n1.1 变形 n变形是指金属受力(外力、内力)时,在保持自己完整性的条件下, 组成本身的细小微粒的相对位移的总和。 n1.1.1 变形的种类 na.弹性变形 n金属受外力作用发生了变形,当外力去掉后,恢复原来形状和尺寸的 能力,这种变形称为弹性变形。 n弹性的好坏是通过弹性极限、比例极限来衡量的。 nb.塑性变形 n金属在外力
5、作用下,产生永久变形(指去掉外力后不能恢复原状的变 形),但金属本身的完整性又不会被破坏的变形,称为塑性变形。 n塑性的好坏通过伸长率、断面收缩率、屈服极限来表示。 醒 倒 艳 肌 限 颖 园 鳖 查 深 埃 艰 扑 叮 诽 诅 榆 岗 涉 辐 紫 瓜 压 目 狙 璃 贺 篱 概 嗣 没 丫 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n1.1.2 塑性的评定方法 n为了评定金属塑性的好坏,常用一种数值上的指标,称为塑性指标。 塑性指标是以钢材试样开始破坏瞬间的塑性变形量来表示,生产实际 中,通常用以下几种方法: n(1)拉伸试验 n拉伸试验用伸长率
6、和断面收缩率来表示。表示钢材试样在单向拉 伸时的塑性变形能力,是金属材料标准中常用的塑性指标。和的 数值由以下公式确定: n (公式36-1) (公式36-2) n式中: L0、Lk拉伸试样原始标距、破坏后标距的长度。 n F0、Fk拉伸试样原始、破断处的截面积。 湿 蓟 丈 房 沏 严 享 战 震 兽 镑 偶 顾 抗 差 骡 锁 彦 侄 盔 浆 挠 亡 着 履 淋 缺 绘 脾 蚕 摈 烘 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n(2)镦粗试验 又称压扁试验 n它是将试样制成高度Ho为试样原始直径Do的1.5倍的圆柱形,然后在 压力机上进行压扁
7、,直到试样表面出现第1条肉眼可观察到的裂纹为 止,这时的压缩程度c为塑性指标。其数值按下式可计算出: n (公式36-3) n式中 Ho圆柱形试样的原始高度。Hk试样在压扁中,在侧表 面出现第1条肉眼可见裂纹时的试样高度。 n(3)扭转试验 n扭转试验是以试样在扭断机上扭断时的扭转角或扭转圈数来表示的。 生产中最常用的是拉伸试验和镦粗试验。不管哪种试验方法,都是相 对于某种特定的受力状态和变形条件的。由此所得出的塑性指标,只 是相对比较而言,仅说明某种金属在什么样的变形条件下塑性的好坏 。 涵 序 撞 戒 骆 剪 俐 趴 漫 羞 理 逞 嫂 氟 遏 尤 诣 悔 传 栏 变 敷 移 颊 缅 哎
8、促 绞 不 辊 逼 胖 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n1.1.3 影响金属塑性及变形抗力的主要因素 n金属的塑性及变形抗力的概念:金属的塑性可理解为在外力作用下, 金属能稳定地改变自己的形状而质点间的联系又不被破坏的能力。并 将金属在变形时反作用于施加外力的工模具的力称为变形抗力。 n影响金属塑性及变形抗力的主要因素包括以下几个方面: na金属组织及化学成分对塑性及变形抗力的影响 n金属组织决定于组成金属的化学成分,其主要元素的晶格类别,杂质 的性质、数量及分布情况。组成元素越少,塑性越好。例如纯铁具有 很高的塑性。碳在铁中呈固熔体也
9、具有很好的塑性,而呈化合物,则 塑性就降低。如化合物Fe3C实际上是很脆的。一般在钢中其他元素 成分的增加也会降低钢的塑性。 n钢中随含碳量的增加,则钢的抗力指标(b、p、s等)均增高, 而塑性指标(、等)均降低。在冷变形时,钢中含碳量每增加 0.1%,其强度极限s大约增加68 kg/mm2。 n硫在钢中以硫化铁、硫化锰存在。硫化铁具有脆性,硫化锰在压力加 工过程中变成丝状得到拉长,因而使在与纤维垂直的横向上的机械指 数降低。所以硫在钢中是有害的杂质,含量愈少愈好。 阴 边 跳 嘎 圃 舍 纱 史 污 率 茵 脊 鲤 祁 右 管 囤 胞 巨 言 泥 轮 洲 橡 叁 登 诈 恕 顷 跪 酒 陇
10、冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n磷在钢中使变形抗力提高,塑性降低。含磷高于0.1%0.2%的钢具 有冷脆性。一般钢的含磷量控制在百分之零点零几。 n其他如低熔点杂质在金属基体的分布状态对塑性有很大影响。 n总之,钢中的化学成分愈复杂,含量愈多,则对钢的抗力及塑性的影 响也就愈大。这正说明某些高合金钢难于进行冷镦(压)加工的原因 。 nb变形速度对塑性及变形抗力的影响 n变形速度是单位时间内的相对位移体积: n (公式36-4) n不应将变形速度与变形工具的运动速度混为一谈,也应将变形速度与 变形体中质点的移动速度在概念上区别开来。 n一
11、般说来,随着变形速度增加,变形抗力增加,塑性降低。冷变形时 ,变形速度的影响不如热变形时显著,这是由于无硬化消除的过程。 但当变形速度特别大时,塑性变形产生的热(即热效应)不得失散本 身温度升高会提高塑性、减少变形抗力。 件 膜 枫 耀 西 粘 惧 昏 蹭 铬 李 台 寓 矩 例 藩 干 狐 佃 述 储 伞 缎 沈 猛 修 分 上 簧 幢 郊 穗 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 nc应力状态对塑性及变形抗力的影响 n在外力作用下,金属内部产生内力,其单位面积之强度称之为应力。 受力金属处于应力状态下。 n从变形体内分离出一个微小基元正方体
12、,在所取的正方体上,作用有 未知大小但已知方向的应力,把这种表示点上主应力个数及其符号的 简图叫主应力图。 n表示金属受力状态的主应力图共有九种,其中四个为三向主应力图, 三个为平面主应力图,两个为单向主应力图,如图36-1所示。 惋 佐 驴 燃 布 夏 封 涨 肯 殆 兑 暂 翔 算 晌 祁 拣 壕 拟 堪 乙 酋 瞎 钾 你 像 风 鹊 粤 典 肾 芍 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 旺 怖 邻 葬 躇 齿 铡 矣 俩 给 虽 芍 攻 刊 培 您 樱 凤 伏 吊 歇 胃 数 击 泌 涸 啼 尧 嘉 磁 告 等 冷 镦 基 础 知 识
13、和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n主应力由拉应力引起的为正号,主应力由压应力引起的为负号。 n在金属压力加工中,最常遇到的是同号及异号的三向主应力图。在异 号三向主应力图中,又以具有两个压应力和一个拉应力的主应力图为 最普遍。 n同号的三向压应力图中,各方向的压应力均相等时(1=2=3),并 且,金属内部没有疏松及其它缺陷的条件下,理论上是不可产生塑性 变形的,只有弹性变形产生。 n不等的三向压应力图包括的变形工艺有:体积模锻、镦粗、闭式冲孔 、正反挤压、板材及型材轧制等。 n在生产实际中很少迂到三向拉伸应力图,仅在拉伸试验中,当产生缩 颈时,在缩颈处的应力线,
14、是三向拉伸的主应力图,如图36-2所示 拉 熙 眩 酵 站 促 峙 痈 瓮 戍 傈 拱 栋 你 诣 帅 掷 延 概 程 弘 桥 呛 谗 邱 涉 吵 笆 淤 瓦 嫩 炔 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n在镦粗时,由于摩擦的作用,也呈现出三向压应力图,如图36-3所示 。 n总之,受力金属的应力状态中,压应力有利于塑性的增加,拉应力将 降低金属的塑性。 丧 邵 坡 泵 砍 售 狂 启 促 储 殆 族 寂 授 嗜 州 非 卧 扇 痉 泻 襟 排 玻 别 砌 呢 测 豺 及 倘 厅 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知
15、 识 和 工 艺 分 析 nd冷变形硬化对金属塑性及变形抗力的影响 n金属经过冷塑性变形,引起金属的机械性能、物理性能及化学性能的 改变。随着变形程度的增加,所有的强度指标(弹性极限、比例极限 、流动极限及强度极限)都有所提高,硬度亦有所提高;塑性指标( 伸长率、断面收缩率及冲击韧性)则有所降低;电阻增加;抗腐蚀性 及导热性能降低,并改变了金属的磁性等等,在塑性变形中,金属的 这些性质变化的总和称作冷变形硬化,简称硬化。 ne附加应力及残余应力的影响 n在变形金属中应力分布是不均匀的,在应力分布较多的地方希望获得 较大的变形,在应力分布较少的地方希望获得较小的变形。由于承受 变形金属本身的完整
16、性,就在其内部产生相互平衡的内力,即所谓附 加应力。当变形终止后,这些彼此平衡的应力便存在变形体内部,构 成残余应力,影响以后变形工序中变形金属的塑性和变形抗力。 梗 咙 储 横 贵 否 谦 郭 杰 琼 谣 地 溅 描 闯 徘 颇 上 蜘 裕 球 塑 来 殆 擅 学 阳 闯 语 丧 南 皮 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n1.1.4 提高金属塑性及降低变形抗力的工艺措施 n针对影响金属塑性及变形抗力的主要因素,结合生产实际,采取有效 的工艺措施,是完全可以提高金属塑性及降低其变形抗力的,生产中 ,常采取的工艺措施有: na坯料状况 n冷
17、镦用原材料,除了要求化学成份、组织均匀,不要有金属夹杂等以 外,一般要对原材料进行软化退火处理,目的在于消除金属轧制时残 留在金属内部的残余应力,使组织均匀,降低硬度,要求冷镦前金属 的硬度HRB80。对中碳钢,合金钢一般采取球化退火,目的是除消 除应力、使组织均匀外,还可改善金属的冷变形塑性。 nb提高模具光滑度及改善金属表面润滑条件 n这两项措施都是为了降低变形体与模具工作表面的摩擦力,尽可能降 低变形中由于摩擦而产生的拉应力。 nc选择合适的变形规范 n在冷镦(挤)工艺中,一次就镦击成形的产品很少,一般都要经过两 次及两次以上的镦击。因此必须做到每次变形量的合理分配,这不仅 有利于充分利
18、用金属的冷变形塑性,也有利于金属的成形。如生产中 采用冷镦、冷挤复合成形、螺栓的两次缩径、螺母的大料小变形等。 疥 坏 面 追 淘 哈 拘 翻 衷 佃 咎 七 菏 全 买 末 架 慧 贼 卖 孔 炯 尸 雅 上 滁 眷 唆 杠 证 凋 橡 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n1.2 金属塑性变形的基本规律 1.2.1 最小阻力定律 n金属在变形中,变形体的质点有向 各方向移动的可能,变形体质点的 移动是沿其最小阻力方向移动,称 为最小阻力定律。 n在六角头螺栓多工位冷镦中,第二 工位精镦时,金属向上、下模开口 处流动并形成飞边是最小阻力定律
19、 起作用的体现。图36-4表明坯件在 模具中镦锻时,它在充满上、下模 腔的同时还向上、下模构成的间隙 向四周流,只有当往飞边流动的阻 力大于在模腔其它部分的阻力时, 金属充满模腔才有可能。在上模向 下运动中,飞边上金属流动阻力随 飞边厚度的减小而增加,这时才能 保证最后充满上、下模腔。 碑 隋 怪 恭 撤 筷 春 爱 鹊 满 我 滔 制 阑 陨 窝 闲 剐 联 定 海 蝇 刘 矽 阮 流 里 逞 莱 晤 儿 递 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n1.2.2 体积不变定律 n金属塑性变形中,其密度改变极为微小,可以忽略。塑性变形的物体 之体
20、积保持不变,金属坯件在塑性变形以前的体积等于变形后的体积 。 n体积不变定律是根据产品形状尺寸、计算出体积,据此再确定所需坯 件的具体尺寸。 n最小阻力定律则是金属变形次数如何确定,每次变形量如何分配、工 模具结构形状确定的设计最主要的依据。 n1.2.3 变形中影响金属流动的主要因素 na 摩擦的影响 n在变形中模具和坯件间的接触面上不可避免的有摩擦力存在,由于摩 擦力的作用,改变了金属流动的特征。如图36-5所示,在平板间镦粗 矩形坏料时,由于摩擦力的作用,使各向阻力不同,变形中,断面不 能继续保持矩形。按最小阻力定律,它会逐渐趋于圆形。若无摩擦力 作用,则坯件处于理想的均匀变形状态,变形
21、前后在几何形状上仍然 相似。 抿 鬃 毙 萄 材 绥 少 拨 忍 湿 帮 代 厘 撤 嚼 湛 腋 芍 园 垣 傣 尧 犊 禹 翠 羔 互 赊 韦 方 劳 蜂 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 侣 优 中 邓 普 砖 砖 溪 夜 蹿 捣 憋 三 序 鬃 塑 彤 旗 挛 眼 歧 靛 痹 蔬 供 怜 咀 堑 讥 晓 嘶 满 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n图36-6为环形坯件的镦粗示意图。当无摩擦时,环形件在高度上被压 缩,根据体积不变条件,不论是外层还是内层,金属的直径都有所增 加,即所
22、有金属都沿径向辐射状向外流动。由于有摩擦的存在,流动 受到阻碍。越接近内层金属向外流动的阻力越大,比向内流动时还要 大,因而改变了流动的方向,如图所示,在环形件中出现了流动的分 界面(dN)。 nb工模具形状的影响 n由于工模具形状不同,所施加给坯件的作用力,以及模具与坯件接触 的摩擦力也不一样,引致金属在各方向流动阻力的差异,从而金属在 各方向流动体积的分配也有所差异。 nc金属本身性质不均的影响 n金属本身的性质不均,反映出金属成份的不均、组织不均、以及在变 形中内部温度的不均等。这些性质的不均匀性,在金属内部出现互相 平衡的附加应力,由于内力的存在,使金属在各自流动的阻力有所差 异,变形
23、首先发生在阻力最小的部分。 颐 撅 毗 擅 牢 蹦 纯 夕 集 弱 兑 函 帕 们 恬 占 徊 裔 佛 蹈 哩 腕 诺 待 轰 擞 首 侠 车 徊 姆 手 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 2金属冷镦(挤)工艺 n2.1 冷镦(挤)工艺基本概念 n2.1.1 冷镦、冷压 n在室温状态下,将坯料置于自动冷镦机或压力机的模具中,对模具施 加压力,利用上、下模的相对运动,使坯件在模腔里变形,高度缩小 ,横截面增加,这样的压力加工方法,对自动冷镦机而言叫冷镦,对 压力机而言叫冷压。 n实际生产中,紧固件冷成型工艺,在冷镦的过程中,常常伴随有挤压 的
24、方式。因此,单就紧固件产品的冷镦工艺,实际是既有冷镦,也有 挤压的一种复合工艺的加工方法。 歧 橱 陋 犹 懊 漏 掀 瓤 感 谍 镀 摄 垦 躯 弃 未 辣 缄 党 暖 训 幕 粹 赔 曲 帧 赤 慨 磁 涅 镊 鸳 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 冷 镦 基 础 知 识 和 工 艺 分 析 n2.1.2 冷镦(挤)的变形方式 na冲裁使坯件的一部分与主体分割开。如线材的切断、螺母的 冲孔、六角头螺栓的头部切边等。 nb镦粗使坯件高度缩短、横截面增加的加工方法,如螺母的镦 球、螺栓头部成型的预镦、精镦等。 nc正挤压坯件在冷镦压中,坯件在下模中变形时,金属的流动方 向与上模的运动
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