熱加工工藝基礎(chǔ)2013

熱加工工藝基礎(chǔ)

2013.91.熱加工概述1.1水波項(xiàng)鏈制作1.2金戒指制作1.3板材的制作1.4管棒型線的制作1.5機(jī)械零件的制作1.6米粉的制作1.7熱加工定義與特點(diǎn)1.7.1定義再結(jié)晶溫度以上的加工叫做熱加工，其中又有液態(tài)加工和固態(tài)加工之分，更有臨界狀態(tài)下的加工——半凝固態(tài)成形。也有整體成形和局部成形之分。局部成形主要是指連接或焊接。1.7.2特點(diǎn)有溫度，一般高溫?？沽Φ停男?，不僅僅肩負(fù)著改變形狀，更重要的是得到一定性能，尤其是毛坯制造。1.8熱加工分類1.8.1液態(tài)加工普通鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、熔模鑄造、半連續(xù)鑄造、連續(xù)鑄造普通鑄造壓力鑄造低壓鑄造1-坩堝2-升液管3-金屬液4-進(jìn)氣管5-密封蓋6-澆道7-型腔8-鑄型低壓鑄造工作原理示意離心鑄造熔模鑄造半連續(xù)鑄造（垂直鑄造）連續(xù)鑄造（水平鑄造）弧形鑄造1.8.2固態(tài)加工鍛造、擠壓、軋制1.8.3半固態(tài)加工半凝固態(tài)鍛造、擠壓、鑄軋1.8.4連接或焊接2.鑄造圖常見鑄件2.1鑄造的定義、特點(diǎn)與分類2.1.1定義利用材料液態(tài)的流動(dòng)性，在外力的作用下充滿模具；利用材料的凝固性，在模具內(nèi)凝固成型，得到一定性能、一定尺寸的零件或者毛坯。2.1.2特點(diǎn)力量小，容易充模，得到復(fù)雜形狀；溫度高，容易氧化和吸氣，表面差；溫度高，容易導(dǎo)致收縮帶來的缺陷，如縮松、縮孔、精度差；溫度高，造成工作環(huán)境相對(duì)惡劣；成型過程難控制，導(dǎo)致組織、性能差。2.1.3分類按照加工對(duì)象來分類，有制品鑄造和毛坯鑄造；按照鑄造方法分類，有普通的沙模鑄造、金屬模鑄造、熔模鑄造、壓力鑄造、半連續(xù)/連續(xù)鑄造等；按照溫度高低分類，有液態(tài)鑄造和糊糊態(tài)鑄造（半固態(tài)成型）2.2鑄造的基礎(chǔ)知識(shí)鑄造過程實(shí)際上就是液態(tài)材料流動(dòng)充模和模內(nèi)凝固定型過程。2.2.1流動(dòng)性流動(dòng)性是指液體在外在作用下充模能力，與材料品種、工件形狀與尺寸、成型模具材料、加工溫度、加工壓力等有關(guān)。也是鑄造成型性能的重要指標(biāo)或體現(xiàn)。

填充不滿填充不滿填充不滿造成冷隔2.2.1.1流動(dòng)性的測量2.2.1.2影響流動(dòng)性的因素材料品種取決于成分，相圖液相線與固相線之間的區(qū)域越小的材料流動(dòng)性越好。材料比表面越大，或者當(dāng)量壁厚越小，或者流動(dòng)路程越長，材料的流動(dòng)性就越差。成型模具材料保溫性越好，摩擦阻力越小（氣膜潤滑的形成），流動(dòng)性就越好。加工溫度越高，流動(dòng)性越好（高溫固化材料除外如部分高分子材料），但是溫度高，氧化、吸氣的可能性就越大。加工壓力大，有助于流動(dòng)性提高，也能提高生產(chǎn)效率，但是可能造成湍流，不便于氣體排除，造成氣泡缺陷。2.2.2凝固性與收縮性一般材料會(huì)隨著溫度降低從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，伴隨著收縮。凝固好壞體現(xiàn)在定型后的收縮是否均勻，是否有缺陷。

缺陷包括縮松、縮孔、收縮不均導(dǎo)致的翹曲、殘余應(yīng)力等。與材料成分、工件形狀與尺寸、模具結(jié)構(gòu)、加工條件或工藝等有關(guān)?？s孔、縮尾的形成縮松的形成縮松圖縮松翹曲的形成2.2.2.1材料因素凝固區(qū)越窄，凝固組織越均勻，收縮越均勻?？s孔的幾率也大一些。2.2.2.2工件幾何因素工件形狀，尤其是不同壁厚的工件，容易造成溫度梯度，使工件溫度降低有時(shí)間差2.2.2.3模具因素2.2.2.4加工條件影響澆鑄溫度越高，收縮越大。模具溫度越高，補(bǔ)縮可能性越大，縮松、縮孔幾率要低。2.3鑄造工藝性2.3.1澆鑄位置澆注位置是指鑄件在澆注時(shí)、在鑄型中所處的空間位置。2.3.2分型面分型面是指兩個(gè)半型相互接觸的表面。先從保證鑄件質(zhì)量出發(fā)來確定澆注位置，然后從工藝操作方便出發(fā)確定分型面。2.3.3型腔或模型尺寸2.3.3.1機(jī)械加工余量零件圖上所有標(biāo)注粗糙度符號(hào)的表面均需機(jī)械加工，均應(yīng)標(biāo)注機(jī)械加工余量。通常，鑄鋼件表面粗糙、變形較大，其加工余量應(yīng)比鑄鐵件大；有色合金鑄件表面較光潔、平整，其加工余量要小些；鑄鐵件中灰鑄鐵件的加工余量較可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵的要小。2.3.3.2收縮率在制造模型或芯盒時(shí)，應(yīng)根據(jù)鑄造合金收縮率的大小，將模型或芯盒放大，以保證鑄件冷卻至室溫時(shí)能符合尺寸要求。鑄造合金收縮率的大小，隨鑄造合金種類、成分及鑄件的尺寸和結(jié)構(gòu)的不同而改變。通?；诣T鐵的收縮率為0.7～1.0%；鑄鋼的為1.5～2.0%；有色合金的為1.0～1.5%。2.3.3.3最小孔、槽尺寸一般說來，較大的孔和槽應(yīng)當(dāng)鑄出，以減少切削工時(shí)和節(jié)約金屬材料。生產(chǎn)批量最小鑄出孔直徑（mm）灰鑄鐵件鑄鋼件大量12~15成批15~3030~50單件、小批30~50502.3.3.4脫模斜度在造型和制芯時(shí)，為了很方便地把模型從鑄型中或芯子從芯盒中取出，需在模型或芯盒的起模方向上做出一定的斜度。隨垂直壁高度的增加，其拔模斜度應(yīng)減??；機(jī)器造型的拔模斜度較手工造型的?。煌獗诘陌文Ｐ倍纫残∮趦?nèi)壁的。一般拔模斜度在15′～3°之間。2.3.3.5圓角半徑兩壁之間的交角應(yīng)做成圓弧過渡，以防止該處產(chǎn)生縮孔、因沖沙而缺角、因應(yīng)力集中而開裂。一般為兩相交壁平均厚度的1/3---1/2，中小鑄件的圓角半徑為3---5mm。2.3.3.6型芯頭型芯頭關(guān)注著型芯的穩(wěn)定。2.4鑄造件結(jié)構(gòu)2.4.1盡量采用平直分型面2.4.2避免非水平面上的凹凸2.4.3側(cè)壁帶有斜度2.4.4壁厚不能太小由于各種鑄造合金的流動(dòng)性不同，在相同鑄型條件下，獲得鑄件的最小壁厚也不同。鑄造方法鑄件尺寸/mm合金種類鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金砂型鑄造<200×2005~83~54~63~53~3.53~5200×200~500×50010~124~108~126~84~66~8>500×50015~2010~1512~202.4.5壁厚不能厚薄不均，如需要，則必須過渡當(dāng)鑄件的壁厚有差別時(shí)，鑄件的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于實(shí)現(xiàn)順序凝固，便于補(bǔ)縮。錯(cuò)開交叉2.4.6少用型芯3.塑性變形3.1塑性變形基礎(chǔ)知識(shí)3.1.1塑性變形機(jī)制3.1.1.1理想單晶塑性變形有缺陷單晶塑性變形模型3.1.1.2多晶體塑性變形模型之一大多數(shù)金屬是多晶體。多晶體塑性變形機(jī)制由晶內(nèi)滑移等和晶粒間的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)等組成。3.1.1.3變形強(qiáng)化或者硬化在外力作用下，位錯(cuò)不斷地增殖和運(yùn)動(dòng)，致使晶格畸變厲害，給后續(xù)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來阻力。只有增大外力才有可能使后續(xù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，也就是使塑性變形繼續(xù)下去，即使得材料的強(qiáng)度或者抗力得到提高。3.1.1.4再結(jié)晶晶格畸變達(dá)到一定程度，能量處于較高的狀態(tài)，或者不穩(wěn)定狀態(tài)，在外界的溫度作用下，原子熱運(yùn)動(dòng)，致使低能量的結(jié)晶出現(xiàn)，逐步取代舊的畸變組織，完成高能量向低能量的轉(zhuǎn)變，修復(fù)原有塑性變形造成的缺陷。3.1.1.5回復(fù)晶格畸變達(dá)到一定程度，能量處于較高的狀態(tài)，或者不穩(wěn)定狀態(tài)，在外界的溫度作用下，原子熱運(yùn)動(dòng)，消除了一部分晶格畸變，降低了部分能量，但沒有出現(xiàn)新的結(jié)晶。也沒有修復(fù)塑性變形帶來的缺陷。3.1.2塑性變形后的組織與性能3.1.2.1應(yīng)力應(yīng)變曲線3.1.2.2冷變形后的組織與性能組織：晶粒拉長，取向趨于一致。性能：強(qiáng)度提高、塑性減少，韌性降低。3.1.2.3冷變形后熱處理組織與性能

3.1.2.4熱變形組織與性能組織：再結(jié)晶組織+變形組織，雜質(zhì)沿流動(dòng)方向的流線。性能：介于再結(jié)晶性能和加工組織性能之間。

3.2最小阻力定律材料總是朝著阻力最小的地方流動(dòng)，或者朝著做功最少的地方流動(dòng)。對(duì)鐓粗，材料朝著外圍法線方向流動(dòng)，也即最短路徑流動(dòng)。最小阻力定律可以很好地定性解釋材料的流動(dòng)方向，但由于阻力概念不是很明確，定量化描述相對(duì)困難。（a）（b）B-B剖面（c）3.3塑性變形的不均勻性變形均勻是相對(duì)的，變形不均勻是絕對(duì)的。有很多因素左右著變形的不均勻性，如溫度不均、材料不均、摩擦導(dǎo)致、模具導(dǎo)致，從而引起殘余應(yīng)力、局部破壞、整體翹曲等缺陷，最終導(dǎo)致成形失敗。3.3.1摩擦影響3.3.2工件幾何形狀影響3.3.3工具形狀影響3.3.4材料連續(xù)性約束3.3.5溫度不均的影響3.3.6材料性能不均材料中的成分、組織、相、雜質(zhì)等都會(huì)有不同的性能，面對(duì)變形，會(huì)有不同的表現(xiàn)，從而造成變形不均。3.4可加工性與成形極限定義：工件不破裂的前提下最大變形量；或者在設(shè)備、模具不破壞的前提下最大變形量。以拉為主的變形往往以破裂而告終。以壓為主的變形若忽略局部裂紋，則往往以設(shè)備、模具能夠承受的極限為度量。用材料的塑性作為成形極限的一種通用度量。使不同材料塑性具備可比性。影響成形極限的因素可以分為內(nèi)因和外因內(nèi)因：結(jié)構(gòu)：面心立方、體心立方、密排六方依次塑性降低。成分：成分單純的塑性好于成分復(fù)雜的塑性。單相組織塑性好于多相組織（一般）。組織：晶粒細(xì)小的塑性好于晶粒粗大的塑性。外因：加工溫度：一般加工溫度越高，塑性越好，除非有低熔點(diǎn)相。加工速度：具備二重性。加工方式（應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)）：三向壓應(yīng)力多的加工方式，塑性好。于是擠壓好于鍛造和軋制，模鍛好于自由鍛。但三向壓應(yīng)力狀態(tài)下的加工往往設(shè)備負(fù)荷大，模具容易破壞。4.鍛造4.1鍛造分類與特點(diǎn)自由鍛、胎膜鍛、模鍛、旋鍛、高速鍛特點(diǎn)：模鍛：模具約束，三向受壓，可得到形狀比自由鍛復(fù)雜的形狀。適合批量生產(chǎn)；自由鍛：工具簡單，模具約束力低，成形簡單形狀，適合單件生產(chǎn)或者毛坯生產(chǎn)或者大型鍛件。胎膜鍛：介于自由鍛和模鍛之間，或者二者結(jié)合。4.2自由鍛工序：拔長、鐓粗、沖孔、彎曲、切割、錯(cuò)移等工序。最常用主要缺陷：不均勻變形導(dǎo)致的局部開裂、局部折疊、中心開裂。主要設(shè)備：空氣錘、蒸汽錘、摩擦壓力機(jī)、液壓機(jī)自由鍛工藝性：簡單，避免空間曲線，避免過多的臺(tái)階或凸起、內(nèi)凹。毛坯形狀與尺寸：在零件圖基礎(chǔ)上，考慮加工余量、工藝余塊（簡化形狀增加的工藝塊）、鍛造精度等因素做出的鍛造零件圖。毛坯重量與體積估算：鍛件重量+切割重量+沖孔重量+燒損重量4.3模鍛定義：在鍛模約束下的成形。開式模鍛與閉式模鍛多向模鍛主要工序：終鍛模（膛）、予鍛模（膛）、制坯模（膛）

制坯目的在于通過局部成形，使材料按照需要分配，確保從預(yù)鍛到終鍛基本上是高向壓縮和橫向擴(kuò)張的比較均勻的整體變形，或者說預(yù)鍛向終鍛為相似形狀的整體變形。

終鍛模膛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：沿模膛四周有飛邊槽,橋部起阻力圈作用，用以增加金屬從模膛中流出的阻力,促使金屬充滿模膛；倉部用以容納多余金屬。流入飛邊槽的金屬在上下模打靠前還能起一定的緩沖作用。預(yù)鍛模膛和終鍛模膛的區(qū)別是前者的圓角和斜度較大,沒有飛邊槽。飛邊槽的作用，即：①增加金屬流出模膛的阻力，迫使金屬充滿模膛；②容納多余金屬；③鍛造時(shí)飛邊起緩沖作用，減弱上下模的打擊，防止模具的壓塌和開裂。主要缺陷：填充不滿、局部折疊4.4胎膜鍛特點(diǎn)：介于自由鍛和模鍛之間，適合小批量生產(chǎn)。借用簡單的通用工具成形，形狀穩(wěn)定性介于自由鍛和模鍛之間?？勰Ｍ材：夏Ｋつ?.5軸類自由鍛舉例5.擠壓5.1定義與特點(diǎn)定義：對(duì)放在容器（擠壓筒）中的錠坯一端施加壓力，使其通過?？壮尚蔚囊环N加工方法。特點(diǎn)：工件受強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力，最大程度地發(fā)揮材料的塑性，成形截面形狀復(fù)雜、縱向性能優(yōu)異的產(chǎn)品。設(shè)備負(fù)荷大，成材率低，工模具壽命低。分類：按方向分可以分為正擠和反擠；

按擺放形式可分為立式擠壓和臥式擠壓；按產(chǎn)品種類可分為管材擠壓和型棒擠壓；按設(shè)備區(qū)分，有短行程擠壓、長行程擠壓、連續(xù)擠壓、靜液擠壓等等。5.2擠壓流動(dòng)擠壓的流動(dòng)情況與制品最終的性能和精度息息相關(guān)。關(guān)注擠壓流動(dòng)，以及影響因素對(duì)提高產(chǎn)品性能、精度有意義，對(duì)設(shè)備、工模具壽命的提高也有幫助。研究擠壓流動(dòng)的方法有網(wǎng)格法，低倍組織法，硬度法，視塑性法，光塑性法，云紋法，甚至數(shù)值模擬方法。擠壓流動(dòng)模式與擠壓方法，產(chǎn)品形狀，擠壓階段，加熱方式，摩擦條件、工具形狀等等有關(guān)系。5.2.1正擠壓的流動(dòng)情況擠壓進(jìn)行分三個(gè)階段：鐓粗、穩(wěn)定擠壓、壓余鐓粗階段為了便于裝料，錠坯的尺寸略小于擠壓筒內(nèi)徑，隨著擠壓的進(jìn)行，錠坯在擠壓桿的作用下產(chǎn)生鐓粗行為。穩(wěn)定擠壓階段壓余階段5.2.2反擠的流動(dòng)反擠階段也與正擠流動(dòng)模式相似，但變形錐要小些，橫截面畸變只發(fā)生在模口附近，其余地方基本不變。反擠死區(qū)小于正擠，有可能造成擠壓制品表面質(zhì)量問題，因此要求擠壓錠坯一定要進(jìn)行銑面或者車皮。反擠變形均勻些，常用來成形高精度產(chǎn)品。5.2.3影響流動(dòng)的因素接觸摩擦與潤滑的影響工具摩擦對(duì)流動(dòng)的影響以擠壓筒摩擦最為顯著，擠壓筒摩擦越大，變形錐越大，死區(qū)高度也增大，變形越不均勻。擠壓管材時(shí)，擠壓針的摩擦能夠減緩實(shí)心件的變形不均勻，它阻礙了中心部位材料的快速流動(dòng)。溫度的影響工件的溫度越高，內(nèi)摩擦效應(yīng)越明顯，導(dǎo)致變形不均勻。工件導(dǎo)熱性越好，內(nèi)外溫差越小，從而造成內(nèi)外抗力差別越小，于是變形越均勻。工具與工件溫度相差越大，容易造成工件內(nèi)部的溫度梯度工具形狀的影響擠壓模模角，?？状笮?，形狀，位置，多少等都會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生影響。擠壓筒的形狀也會(huì)影響。工具形狀對(duì)流動(dòng)的影響在型材擠壓上顯得更重要。變形程度的影響實(shí)驗(yàn)表明：變形程度增大，變形不均勻是由小到大，然后再由大到小。5.3擠壓力的主要因素P=P（變形抗力，變形程度，變形速度，摩擦條件，變形溫度，模具參數(shù)，工件大小，工件形狀，擠壓筒形狀，擠壓方法……）5.4擠壓組織與性能5.4.1組織特點(diǎn)擠壓有其獨(dú)特的組織，在三向壓應(yīng)力和一延伸兩收縮的應(yīng)變狀態(tài)下，形成纖維狀組織，和特有的織構(gòu)，使得縱向性能強(qiáng)于橫向，也即擠壓效應(yīng)。組織的不均勻性由于變形、溫度不均勻等因素的影響，直接導(dǎo)致擠壓的組織不均勻，具體體現(xiàn)在晶粒大小不均，再結(jié)晶組織與未再結(jié)晶組織共存，相的分布不均等。以變形量為主導(dǎo)的條件下，沿制品長度方向一般是前端組織粗大，后端組織細(xì)??；外層組織細(xì)小，中心組織粗大。在發(fā)生再結(jié)晶條件下，沿制品長度方向可能造成前端組織細(xì)小，后端組織粗大；外層組織粗大，中心組織細(xì)小。工件與工具溫差大小不同，配合擠壓速度，可能造成的組織分布有差異。溫差大+快速擠壓、溫差小+慢速擠壓有利于組織均勻。粗大晶當(dāng)局部剪切非常大，畸變能非常大，在適當(dāng)?shù)臈l件下再結(jié)晶形核和長大迅速，形成局部粗大晶粒。它一般分布在強(qiáng)烈剪切區(qū)域，如外層。出現(xiàn)時(shí)刻取決于材料與擠壓條件。有出現(xiàn)在擠壓后的，也有出現(xiàn)在后續(xù)的淬火后，或者后續(xù)的加熱后。層狀組織鑄造缺陷在擠壓作用下形成。5.4.2擠壓制品的機(jī)械性能縱向性能強(qiáng)于橫向，也即擠壓效應(yīng)。性能不均一般情況，未經(jīng)后續(xù)熱處理的制品一般是中心強(qiáng)度低，外表強(qiáng)度高，前端強(qiáng)度低，后端強(qiáng)度高，延伸率的規(guī)律正好相反。小變形時(shí)內(nèi)外性能差異大，大變形后內(nèi)外差異逐漸縮小，故生產(chǎn)中要求擠壓比10以上。擠壓效應(yīng)擠壓制品在縱向上的性能要優(yōu)于其他加工方法。原因在于擠壓的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)容易沿縱向產(chǎn)生較強(qiáng)的（111）織構(gòu)。6.軋制6.1軋制定義與軋制原理定義：軋制是在兩個(gè)軋輥或者多個(gè)軋輥滾動(dòng)壓下坯料局部，然后逐步壓下整個(gè)坯料的成形方式，根據(jù)軋輥孔型形狀不同和有無，可以得到長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫截面的管棒、型材和板材等產(chǎn)品，尤以板帶軋制為經(jīng)典。特點(diǎn)：變形以高向壓縮，長度延伸為基本。基本受力以三向壓縮為主。軋輥與工件接觸面小，瞬間所需負(fù)荷不大，但是沿整個(gè)產(chǎn)品長度方向逐步連續(xù)變形，省力不一定省功。可加工的錠坯很大，大到幾十噸重。咬入條件（以板帶軋制為例）Q為水平推力，F(xiàn)為慣性力，Tx為摩擦力的水平分量，Px為正壓力的水平分量。如果不考慮水平推