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金属塑性变形在冲压成形中的应用

时间: 2011-07-12 13:02 来源: 作者: 点击:

    金属塑性成形:在外力作用下金属材料通过塑性变形,获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。

金属塑性成形在工业生产中称为压力加工,分为:自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制等。

常用的压力加工方法

(a)自由锻  b)模锻  c)板料冲压  d)挤压  (e)扎制(f)拉拔


压力加工的特点:

    (1)改善金属的组织、提高力学性能  金属材料经压力加工后,其组织、性能都得到改善和提高,塑性加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷,并由于金属的塑性变形和再结晶,可使粗大晶粒细化,得到致密的金属组织,从而提高金属的力学性能。在零件设计时,若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向,可以提高零件的抗冲击性能。

(2)材料的利用率高  金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配,而不需要切除金属,因而材料利用率高。

(3)较高的生产率  塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的,生产效率高。例如,利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉,比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。

(4)毛坯或零件的精度较高  应用先进的技术和设备,可实现少切削或无切削加工。例如,精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用,复杂曲面形状的叶片精密锻造后只需磨削便可达到所需精度。

材料:钢和非铁金属可以在冷态或热态下压力加工。

用途:承受冲击或交变应力的重要零件(如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等),都应采用锻件毛坯加工。所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如,飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%;汽车,拖拉机上的锻件质量分数约占60%~80%。

缺点:不能加工脆性材料(如铸铁)和形状特别复杂(特别是内腔形状复杂)或体积特别大的零件或毛坯。

第一节  金属塑性变形基础

一、 金属塑性变形概念

塑性成形性能:用来衡量压力加工工艺性好坏的主要工艺性能指标,称为金属的塑性成形性能。金属的塑性成形性好,表明该金属适用于压力加工。衡量金属的塑性成形性,常从金属材料的塑性和变形抗力两个方面来考虑,材料的塑性越好,变形抗力越小,则材料的塑性成形性越好,越适合压力加工。在实际生产中,往往优先考虑材料的塑性。

金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律、加工硬化和体积不变规律等。

    (一)最小阻力定律

    最小阻力定律:在塑性变形过程中,如果金属质点有向几个方向移动的可能时,则金属各质点将向阻力最小的方向移动。最小阻力定律符合力学的一般原则,它是塑性成形加工中最基本的规律之一。

    通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量,以便合理成形,消除缺陷。例如,在模锻中增大金属流向分型面的阻力,或减小流向型腔某一部分的阻力,可以保证锻件充满型腔。在模锻制坯时,可以采用闭式滚挤和闭式拔长模膛来提高滚挤和拔长的效率。

利用最小阻力定律可以推断,任何形状的物体只要有足够的塑性,都可以在平锤头下镦粗使坯料逐渐接近于圆形。这是因为在镦粗时,金属流动距离越短,摩擦阻力也越小。图2-2所示方形坯料镦粗时,沿四边垂直方向摩擦阻力最小,而沿对角线方向阻力最大,金属在流动时主要沿垂直于四边方向流动,很少向对角线方向流动,随着变形程度的增加,断面将趋于圆形。由于相同面积的任何形状总是圆形周边最短,因而最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。
(二)加工硬化及卸载弹性恢复规律

弹性恢复规律:金属在常温下随着变形量的增加,变形抗力增大,塑性和韧度下降的现象称为加工硬化。表示变形抗力随变形程度增大的曲线称为硬化曲线,如图2-3所示。由图可知,在弹性变形范围内卸载,没有残留的永久变形,应力、应变按照同一直线回到原点,如图2-3所示OA段。当变形超过屈服点A进入塑形变形范围,达到B点时的应力与应变分别为σB、εB,再减小载荷,应力-应变的关系将按另一直线BC回到C点,不再重复加载曲线经过的路线。加载时的总变形量εB可以分为两部分,一部分εt因弹性恢复而消失,另一部分εs保留下来成为塑性变形。


如果卸载后再重新加载,应力应变关系将沿直线CB逐渐上升,到达B点,应力σB使材料又开始屈服,随后应力-应变关系仍按原加载曲线变化,所以σB又是材料在变形程度为εB时的屈服点。硬化曲线可以用函数式表达为:

σ=Aεn

式中  A ——与材料有关的系数,单位为MPa;

  n ——硬化指数。

硬化指数n:硬化指数大,表明变形时硬化显著,对后续变形不利。例如,20钢和奥氏体不锈钢的塑性都很好,但是奥氏体不锈钢的硬化指数较高,变形后再变形的抗力比20钢大得多,所以其塑性成形性也较20钢差。

    (三)塑性变形时的体积不变规律

体积不变规律:金属材料在塑性变形前、后体积保持不变。根据体积不变规律,金属塑性变形时主应变状态只有三种

结论:

    (1)塑性变形时,只有形状和尺寸的改变,而无体积的变化;

(2)不论应变状态如何,其中必有一个主应变的符号与其它两个主应变的符号相反,且这个主应变的绝对值最大。

    (3)当已知两个主应变的数值时,第三个主应变大小也可求出。

二、 影响金属塑性变形的内在因素

(一)化学成分

纯金属的塑性成形性较合金的好。钢的含碳量对钢的塑性成形性影响很大,对于碳质量分数小于0.15%的低碳钢,主要以铁素体为主(含珠光体量很少),其塑性较好。随着碳质量分数的增加,钢中的珠光体量也逐渐增多,甚至出现硬而脆的网状渗碳体,使钢的塑性下降,塑性成形性也越来越差。

合金元素会形成合金碳化物,形成硬化相,使钢的塑性变形抗力增大,塑性下降,通常合金元素含量越高,钢的塑性成形性能也越差。

杂质元素磷会使钢出现冷脆性,硫使钢出现热脆性,降低钢的塑性成形性能。

(二)金属组织

    纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好;钢中有碳化物和多相组织时,塑性成形性能变差;具有均匀细小等轴晶粒的金属,其塑性成形性能比晶粒粗大的柱状晶粒好;网状二次渗碳体,钢的塑性将大大下降。

三、 影响金属塑性变形的加工条件

(一) 变形温度

温度升高,塑性提高,塑性成形性能得到改善。变形温度升高到再结晶温度以上时,加工硬化不断被再结晶软化消除,金属的塑性成形性能进一步提高。

过热:加热温度过高,会使晶粒急剧长大,导致金属塑性减小,塑性成形性能下降,这种现象称为“过热”。

过烧:如果加热温度接近熔点,会使晶界氧化甚至熔化,导致金属的塑性变形能力完全消失,这种现象称为“过烧”,坯料如果过烧将报废。

(二) 变形速度

变形速度:单位时间内变形程度的大小。变形速度的增大,金属在冷变形时的冷变形强化趋于严重;当变形速度很大时,热能来不及散发,会使变形金属的温度升高,这种现象称为“热效应”,它有利于金属的塑性提高,变形抗力下降,塑性变形能力变好。

图2-5所示是变形速度与塑性的关系

问题:在锻压加工塑性较差的合金钢或大截面锻件时,都应采用较小的变形速度,若变形速度过快会出现变形不均匀,造成局部变形过大而产生裂纹。

三) 应力状态

实践证明,在三向应力状态下,压应力的数目越多,则其塑性越好;拉应力的数目越多,则其塑性越差。

选择塑性成形加工方法时,应考虑应力状态对金属塑性变形的影响。

(四) 其它

模具和工具:模锻的模膛内应有圆角,这样可以减小金属成形时的流动阻力,避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断而出现裂纹。板料拉深和弯曲时,成形模具应有相应的圆角,才能保证顺利成形。

润滑剂:可以减小金属流动时的摩擦阻力,有利于塑性成形加工。

综上所述,金属的塑性成形性能既取决于金属的本质,又取决于变形条件。在塑性成形加工过程中,要根据具体情况,尽量创造有利的变形条件,充分发挥金属的塑性,降低其变形抗力,以达到塑性成形加工的目的。

四、 金属塑性变形对组织和性能的影响

    (一)变形程度的影响

塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过小,不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的;变形程度过大,不仅不会使力学性能再增高,还会出现纤维组织,增加金属的各向异性,当超过金属允许的变形极限时,将会出现开裂等缺陷。

对不同的塑性成形加工工艺,可用不同的参数表示其变形程度。

锻造比Y锻:锻造加工工艺中,用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。

拔长:Y锻=S0/S(S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积);

镦粗:Y锻=H0/H(H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度)。

碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取,合金结构钢的锻造比在3~4范围选取,高合金工具钢(例如高速钢)组织中有大块碳化物,需要较大锻造比(Y锻=5~12),采用交叉锻,才能使钢中的碳化物分散细化。以钢材为坯料锻造时,因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善,锻造比一般取1.1~1.3即可。

表示变形程度的技术参数:相对弯曲半径(r/t)、拉深系数(m)、翻边系数(k)等。挤压成形时则用挤压断面缩减率(εp)等参数表示变形程度。

    (二)纤维组织的利用

纤维组织:在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物(如FeS等),随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。当金属再结晶时,被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒,而夹杂物无再结晶能力,仍然以纤维状保留下来,形成纤维组织。纤维组织形成后,不能用热处理方法消除,只能通过锻造方法使金属在不同方向变形,才能改变纤维的方向和分布。

纤维组织的存在对金属的力学性能,特别是冲击韧度有一定影响,在设计和制造零件时,应注意以下两点:

    (1)零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致,切应力方向与纤维方向垂直。

    (2)纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合,而不被切断。

例如,锻造齿轮毛坯,应对棒料镦粗加工,使其纤维呈放射状,有利于齿轮的受力;曲轴毛坯的锻造,应采用拔长后弯曲工序,使纤维组织沿曲轴轮廓分布,这样曲轴工作时不易断裂
三)冷变形与热变形

通常将塑性变形分为冷变形和热变形。

冷变形:再结晶温度以下的塑性变形。冷变形有加工硬化现象产生,但工件表面质量好。

热变形:再结晶温度以上的塑性变形。热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在,而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。由于热变形是在高温下进行的,金属在加热过程中表面易产生氧化皮,使精度和表面质量较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形加工。

五、 常用合金的压力加工性能

常用压力加工合金:各种钢材、铝、铜合金都可以锻造加工。其中,Q195、Q235、10、15、20、35、45、50钢等中低碳钢,20Cr,铜及铜合金,铝及铝合金等锻造性能较好。

冷冲压是在常温下加工,对于分离工序,只要材料有一定的塑性就可以进行;对于变形工序,例如弯曲、拉深、挤压、胀形、翻边等,则要求材料具有良好的冲压成形性能,Q195、Q215、08、08F、10、15、20等低碳钢,奥氏体不锈钢,铜,铝等都有良好的冷冲压成形性能。


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