成形工艺与模具设计修订版 鄂大辛第十二章

第十二章 其他金属体积成形方法简介,第一节 型材及零件体积成形技术 第二节 特种成形工艺 第三节 快速原型制造技术简介,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,1.拉拔概述,图12-1 拉拔示意图,在外加拉力作用下，迫使金属坯料通过模孔后减小直径或横截面积，获得一定形状尺寸制品的成形方法称为拉拔，如图12-1所示。 拉拔是制造棒材、管材、线材及各种型材的重要成形方法之一。利用拉拔可拉制各种金属制品，如图12-2所示。,图12-2 金属拉拔制品,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,2.拉拔工艺 (1)实心拉拔 实心拉拔如图12-1所示，主要用于棒材、线材及型材拉拔。拉制棒料可有多种截面形状，如圆形、方形、矩形及六角形等；线材拉拔也称拉丝，用于拉制各种金属丝、线以及电工用漆包线等；型材拉拔主要生产各种特殊截面的异形型材。,图12-1 拉拔示意图,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,(2)空心拉拔 空心拉拔用于生产管材及各种空心异形截面的型材，如图12-3所示，根据使用芯棒不同，有多种拉拔工艺。 1)空拉。拉拔时管坯内部不放芯头，仅靠凹模口约束使管坯外径减小的工艺方法称为空拉，如图12-3a所示。 2)固定芯头拉拔。固定芯头拉拔是指利用带芯杆的短芯头进行的拉拔，如图12-3b所示。,图12-3 空心拉拔,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,3)长芯棒拉拔。长芯棒实际上是一种浮动芯头拉拔，如图12-3c所示。 4)浮动芯头拉拔。如图12-3d所示，浮动芯头拉拔时，利用芯头自身外轮廓形状与管内壁的摩擦而稳定在凹模口处实现管坯减径成形。 5)扩径拉拔。将连接有扩径芯头的芯杆从固定小直径管坯的后端插入，然后向前方拉动芯杆，利用扩径芯头外轮廓使管坯直径增大，壁厚和长度减小，如图12-4所示。,图12-4 扩径拉拔,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,6)顶管法。如图12-5所示，顶管法是指将小直径芯棒插入带底大直径管坯中，利用芯棒将管坯从凹模口一侧顶出实现减径变形，常用于改制小直径管。,图12-5 顶管法,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,3.拉拔工艺的特点 1)拉拔过程中，金属在拉拔模内产生塑性变形。通过模口后坯料的截面形状和尺寸与模口及芯棒相同。 2)拉拔制件的形状尺寸与毛坯相差较大，为减小变形量，通常需多道次成形。 3)拉拔制件的尺寸精度高且表面光洁，生产工具与设备简单，在一台设备上可以生产多品种和规格的制品，适合于连续生产细长的棒材、型材及线材。,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,4.拉拔力 拉拔力是选择模具材料、结构及设备等的重要工艺参数，其大小受诸多因素的影响。 1)变形材料的力学性能。拉拔力一般与变形金属的抗拉强度成线性关系， 材料的强度、硬度越高，所需拉拔力也就越大。 2)变形程度的影响。拉拔力与金属变形程度成正比，即随坯料断面收缩率增加而增大。 3)凹模倾角的影响。一般拉拔模倾角(见图12-1)在4°9°范围内时，拉拔应力随增加而减小。但当9°以后，拉拔应力随增大而增大，其间存在一个最佳模角。,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,4)拉拔速度的影响。通常，低速拉拔(v5m/min)时，拉拔应力随v增加而增大。6m/minv50m/min时，拉拔应力逐渐下降，继续增大拉拔速度时，拉拔应力变化不明显。 5)摩擦与润滑。摩擦与润滑对拉拔应力的影响，主要与模具材料和润滑效果有关。其中，模具材料越硬，凹模口抛光精度越高，坯料与模具表面的粘接可能性减小，拉拔应力因摩擦力减小而减小。为减轻拉拔中的摩擦影响，可采用流体动力润滑方法使坯料与凹模口表面之间形成较厚的润滑膜，来克服变形过程中的摩擦。,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,5.拉拔工具 拉拔工具主要指拉拔模和芯头，如图12-6所示。,图12-6 硬质合金外模、浮动芯头及内螺纹芯头,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,(1)拉拔模 拉拔模通常也称拉模，根据凹模口断面形状，可分为如图12-7所示锥形模和弧线形模两种。其中，锥形模广泛用于拉拔棒材、管材、型材及较粗线材，而弧线形模通常只用于拉拔细线材。根据模口对通过坯料的变形约束作用，可将锥形模口分为图12-7a所示的四个部分。,图12-7 拉拔模口的形状,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,1)润滑带。也称入口锥或润滑锥，主要作用是便于润滑剂进入凹模口，以减轻摩擦，并带走拉拔金属的变形热、摩擦热及脱落的金属屑。 2)压缩带。又称压缩锥，是使坯料产生塑性变形的工作部分。 3)定径带。定径带决定型材最终外径尺寸，其合理形状应是柱形。 4)出口带。为防止拉拔制件通过定径带之后产生的弹性变形、剥落或表面划伤，出口带应开出2=60°90°的锥角，其长度可取(0.20.3)D(D为制件直径)，过渡区应保证光滑。,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,图12-8 芯头形状,(2)芯棒及芯头 1)固定短芯头 固定短芯头可分成实心和空心两种，如图12-8所示。一般，短芯头外形为圆柱形，如图12-8a所示。为减小管壁与芯头表面的摩擦，且便于调整管壁厚度，可将短芯头做成带0.10.3mm锥度的锥形芯头，也可做成如图12-8b所示的内凹曲面形状。,第一节 型材及零件体积成形技术,一、拉拔成形,图12-9 浮动芯头与凹模口的形状尺寸关系,2)浮动芯头 如图12-9所示，浮动芯头尺寸主要包括芯头锥角及各段长度与直径。根据浮动芯头与凹模口之间的受力关系，设计时应使芯头锥角1小于凹模口锥角，且大于芯头与管坯之间的摩擦角，即保证1。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-10 工字钢的轧制成形,使金属坯料靠摩擦力咬入相互作用的轧辊之间，利用旋转轧辊的压力作用使其产生连续变形，获得所需截面形状尺寸的制品并改变其性能的塑性加工方法称为轧制。图12-10所示为在万能轧机上进行的工字钢轧制成形。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,(1)轧制成形的特点 轧制最本质的变形特点是金属在变形区内产生连续性变形，一般用于制造如图12-11所示各种金属型材、板材及管材等，通常称为一次塑性成形。,图12-11 轧制的金属型材,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-12 轧制的机械零件,近年来，轧制工艺正在逐步向零件加工方向发展，轧制如图12-12所示各种形状尺寸的机械零件。轧制零件具有精度高、质量好、生产率高及成本低等优点，并可减少材料消耗。因此，在机械制造领域中获得了越来越广泛的应用。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-13 纵轧与横轧,(2)轧制工艺分类 根据轧辊轴线与坯料轴线的位置关系及轧辊的旋转方向，可将轧制分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧等。轧制成形原理如图12-13所示。,纵轧时，轧辊轴线与坯料轴线垂直，两轧辊的旋转方向相反，坯料不旋转，仅作直线运动，产生连续拔长和少量展宽变形； 横轧时，轧辊轴线与坯料轴线平行，两轧辊旋向相同，坯料旋转过程中在垂直于轧辊轴线方向上进给，通常用于零件轧制。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,2.轧制工艺 (1)纵轧 纵轧的工艺方法较多，主要有型轧、辊轧及环轧轧制等。 1)型轧 型轧主要用于各种金属型材的轧制成形。如图12-14所示的圆钢、方钢、板材及各种型材等，都属于型轧的工艺范畴。,图12-14 型材轧制,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-15 辊锻顺向送料成形,2)辊轧 辊轧也称辊锻 。辊锻是使坯料咬入一对相对旋转的轧辊上所装有扇形模具的间隙中，利用模具传递压力使其产生变形，从而获得所需零件的锻造方法，如图12-15所示。,辊锻原理与轧钢相似，不同之处在于轧制型材时的型槽直接做在轧辊上，而辊锻是将扇形锻模紧固在轧辊上，且可随时更换。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形, 辊锻的工艺特点 一般锻模的工作行程是直线运动， 辊锻模工作做旋转运动； 辊锻锻模只与坯料的一部分相接触，所需设备吨位小； 辊锻空行程短，生产率是锤上模锻的510倍； 辊锻的纤维方向按锻件轮廓分布，力学性能好，辊制螺纹比切削螺纹提高抗拉强度10%25%、疲劳强度40%、冲击强度100%； 辊锻时，模具与坯料滚动接触，磨损小、使用寿命长。 但辊锻时没有封闭型腔来全面控制金属变形，导致成形制件的尺寸精度和表面质量相对较差。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-15 辊锻顺向送料成形, 坯料咬入及送料方式,图12-16 辊锻逆向送料成形,辊锻通常有顺向和逆向两种坯料进给方式。顺向送料时，坯料沿轧辊旋转方向送进，端部被锻模咬入，如图12-15所示。逆送是指坯料逆着轧辊旋转方向送进，即将坯料置于没有锻模的两轧辊之间，被旋转的扇形锻模从中间某一部位咬入，如图12-16所示。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形, 辊锻模,a.制坯辊锻模 与模锻制坯型腔设计方法类似，首先根据锻件图绘制出锻件截面图和计算毛坯图，然后确定辊锻道次。此时，按辊锻毛坯最大截面尺寸选取坯料尺寸，然后根据辊锻前、后的截面面积A0和An算出总延伸系数z=A0/An。设平均延伸系数m(常取1.41.6)，则辊锻道次n按下式计算,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-17 辊锻模型槽尺寸,辊锻模型槽如图12-17所示，辊锻时，上、下辊模之间应留有s=13mm的间隙，坯料在锻辊半径方向压缩而沿长度方向流动，产生的展宽变形量可按b=(0.30.5)(H入-H出)近似估算，高温辊锻时取较大系数。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,b.成形辊锻模 设计成形辊锻模时，首先确定辊锻道次，每道次延伸系数比制坯辊锻略大，一般取1.52.5。分别按热锻件图或热辊锻件图设计终锻型槽或初成形型槽，同时需考虑坯料体积分配、成形辊锻的对中性和稳定性、填充相邻区段形状和尺寸的差异性、送料稳定性等。 辊锻是旋转成形，金属产生连续静压变形，一般辊锻模采用45钢即可满足使用要求，型槽表面热处理硬度4550HRC，其余部位可略低。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-18 辊锻成形产品, 辊锻的应用 从制件形状来看，辊锻主要适用于三类制件的成形加工。宽厚比和长宽比相对较大的盘类零件，如扳手、犁铧等；沿长度方向横截面积递减的锻件，如叶片等；此外，比较成熟的是辊锻杆类零件，如柴油机连杆、拖拉机连杆等，已经形成制坯及零件的批量生产，部分产品如图12-18所示。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-19 辗环加工,3)环轧 环轧也称辗环、碾压或扩孔，是利用辗辊的转动压力扩大环形坯料的内径和外径的加工方法，如图12-19所示。 环轧工艺分类 按照环轧时的坯料变形方向，可将其分为径向环轧和径-轴向环轧两种类型。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形, 环轧工艺特点 环轧加工时，坯料产生局部连续变形，流线分布合理，变形区处于芯辊与轧辊之间； 环轧制件精度高； 环轧制件的尺寸和生产批量几乎不受限制； 材料耗费率仅为机械加工的1/21/8，制造费用可减少60%； 环轧加工劳动条件好，无噪声、振动，易于实现机械化自动化。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形, 环轧工艺过程 环轧通常是在坯料加热状态下进行。工作时，主动辊(碾压辊)转向与信号辊和导向辊转向相同，与从动辊(芯辊)转向相反。碾压辊在电动机带动下旋转并下压，接触环坯后带动芯辊反向旋转，使环坯切向伸长，轴向略有增宽，主变形是环壁减薄，内、外径增大。导向辊随环坯外径增大而向外移动，诱导环坯保持圆形并防止其中心位置左右摆动，增加成形稳定性。 环轧件的形状尺寸精度由碾压辊、导向辊及信号辊的位置精度保证。,第一节 型材及零件体积成形技术,二、轧制成形,图12-20 卧式环轧机上双向环轧, 环轧方式 径向环轧时，环坯上、下端面呈自由