鍛壓件的塑性變形及結(jié)構(gòu)工藝性

趙 培，薛 河，嚴(yán)周民

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710000）

1 前言

塑性是金屬的一種重要的機(jī)械性能，采用金屬的塑性使用金屬材料的塑性變形加工性的各種加工品。金屬不僅通過(guò)鍛壓發(fā)生塑性變形來(lái)獲得一定的形狀和尺寸，而且也可能引起金屬內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)的改善和提高。因此，在金屬塑性變形機(jī)制的研究過(guò)程中，了解金屬組織結(jié)構(gòu)的變形和性能的變化規(guī)律，對(duì)正確選用合適的加熱、加壓處理的方法，正確的選擇合理設(shè)計(jì)加壓成形的零件以及提高加工的金屬材料產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具有重要意義。

2 金屬的塑性變形過(guò)程

通過(guò)各種金屬壓力加工方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的金屬的塑性變形。金屬在外力作用下，首先產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力只超過(guò)一定限度，發(fā)生塑性變形。彈性變形的實(shí)質(zhì)是在外力作用下，金屬內(nèi)部原子偏離原來(lái)的平衡位置，發(fā)生金屬的變形，并導(dǎo)致增加原子位能的增高。然而，在以高能量的原子有一種傾向，具有返回到原來(lái)低位能的平衡位置，所以，當(dāng)外力被移除時(shí)，原子返回到原來(lái)的位置，和變形也隨之消失。在超過(guò)金屬的屈服點(diǎn)，使該金屬的內(nèi)部應(yīng)力，即使外力停止運(yùn)作，金屬的變形不消失，當(dāng)外力被增加至這樣的變形稱為塑性變形。冷變形的金屬發(fā)生組織變化，導(dǎo)致硬化后，內(nèi)部壓力也很大，變形金屬處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。如果變形的金屬被加熱時(shí)，變形的金屬的顯微組織和性能的一系列變化將發(fā)生。金屬材料的塑性成形性能是使用塑料的加工方法形成的金屬材料的困難程度的度量，并且是金屬材料的工藝性能。常用的金屬塑性成形塑性變形抗力兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量。金屬塑性好。變形抗力低，金屬塑性加工性能，反之則差。金屬成型加工性能取決于金屬和變形條件的性質(zhì)。

3 鍛壓件的基本結(jié)構(gòu)工藝性

（1）自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性。為了適應(yīng)品種繁多的單件、小批生產(chǎn)，自由鍛只限于使用簡(jiǎn)單的通用性工具，或在鍛造設(shè)備的上、下砧間直接使坯料成形，鍛件形狀主要靠人工操作技術(shù)鍛出，難以鍛出形狀復(fù)雜的鍛件，因此要求自由鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是：在滿足使用性能的條件下鍛件形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，以減少工藝余塊和簡(jiǎn)化鍛造工藝，易于鍛造。為此，在設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意下列問(wèn)題：①應(yīng)避免錐面或楔形，盡量采用圓柱面或平行平面，以利于鍛造。②各表面交接處應(yīng)避免弧線或曲線，盡量采用直線或圓，以利于鍛制。③應(yīng)避免筋板或凸臺(tái)，以利于減少余塊和簡(jiǎn)化鍛造工藝。④大件和形狀復(fù)雜的鍛件，可采用鍛-焊、鍛-螺紋連接等組合結(jié)構(gòu)，以利于鍛造和機(jī)械加工。

（2）模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性。模鍛主要靠鍛模模膛使坯料成形，鍛件形狀比較復(fù)雜。但為減少制模成本和簡(jiǎn)化模鍛工藝，設(shè)計(jì)模鍛零件時(shí)，應(yīng)根據(jù)模鍛特點(diǎn)和工藝要求，使零件結(jié)構(gòu)符合下列原則，以便于模鍛生產(chǎn)和降低成本。①模鍛零件必須具有一個(gè)合理的分模面，以保證模鍛件易于從鍛模中取出，又利于金屬充填、減少余塊和敷料，使鍛模容易制造。②與分模面垂直的非加工面應(yīng)設(shè)計(jì)出模鍛斜度，以利于從模膛中取出鍛件。非加工面的交接處應(yīng)采用圓角過(guò)渡，以利于金屬在模膛中流動(dòng)充填和防止產(chǎn)生應(yīng)力集中。③應(yīng)避免肋的設(shè)置過(guò)密或高寬比過(guò)大，以利于金屬充填模腔。④為了減小變形抗力，使金屬容易充滿模膛和減少工序，零件外形力求簡(jiǎn)單、平直和對(duì)稱，盡量避免零件截面間差別過(guò)大，腹板過(guò)薄，或具有薄壁、高筋、凸起等結(jié)構(gòu)。⑤由于模鍛件尺寸精度高和表面粗糙度低，因此零件上只有與其他機(jī)件配合的表面才需進(jìn)行機(jī)械加工，其他表面均應(yīng)設(shè)計(jì)為非加工表面。

（3）擠壓件的結(jié)構(gòu)工藝性。擠壓加工的實(shí)質(zhì)是使金屬材料在模腔內(nèi)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，從而獲得所需的形狀和尺寸的擠壓件。也就是說(shuō)，不能實(shí)現(xiàn)這種流動(dòng)或者冷擠后難以取出的零件形狀，采用擠壓成形是困難的。因此，為了順利地進(jìn)行擠壓成形，降低加工壓力，減少工序數(shù)目，延長(zhǎng)模具壽命，獲得優(yōu)質(zhì)的擠壓件，對(duì)于擠壓成形的零件形狀(以冷擠成形為例)，應(yīng)作如下限制：①供冷擠成形的零件應(yīng)盡量為軸對(duì)稱形狀，以保證成形過(guò)程中，金屬材料產(chǎn)生均勻性的流動(dòng)。為此，與壓縮方向相垂直的斷面形狀應(yīng)為同心圓。具有銳角的非對(duì)稱形狀易產(chǎn)生不均勻流動(dòng)，且不易充滿模具轉(zhuǎn)角處，模具的橫方向又作用著不平衡的力，極易損壞模具。因此，非對(duì)稱形狀的零件不適宜于進(jìn)行冷擠壓成形。②對(duì)于需鐓擠成形的零件來(lái)說(shuō)，頭部直徑與高度之比不宜過(guò)大，否則會(huì)在鐓擠末期引起壓力急劇上升，使頭部側(cè)表面作用著較大的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生縱向開裂。對(duì)于在這種情況下進(jìn)行鐓擠，即使可以擠壓成形，但由于頭部加工硬化過(guò)大，在擠壓件使用時(shí)如受到較大的沖擊作用，頭部也很易開裂。③對(duì)于底部與壁部過(guò)渡部分，或斷面急劇變化部分的連接線，應(yīng)盡量圓滑過(guò)渡或設(shè)有足夠大的圓角半徑。當(dāng)擠壓件出現(xiàn)銳角時(shí)，模具在相應(yīng)部分也為銳角，該處就會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，且不利于金屬流動(dòng)，金屬也難以充滿銳角處。

（4）沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性。沖壓件的工藝性是指沖壓件對(duì)沖壓加工工藝的適應(yīng)性。良好的沖壓工藝性，是指在滿足零件使用要求的前提下，能以最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的沖壓方式加工出來(lái)。沖壓件一般無(wú)需切削加工；操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)率高，故材料費(fèi)在制件成本中所占的比例較大。因此，零件的材料、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)要求應(yīng)利于減少制模費(fèi)用和材料消耗，利于金屬在模具中成形和提高模具的使用壽命，降低成本和保證產(chǎn)品質(zhì)量。影響沖壓件工藝性的主要因素有沖壓件的形狀、尺寸、精度及材料等。應(yīng)盡量選用價(jià)格較低的材料，如以鋼代替有色金屬，以薄板代替厚板，并充分利用邊腳余料，以降低材料費(fèi)。對(duì)塑性成形件，應(yīng)選用塑性成形性好的材料，如低碳鋼、鋁及其合金、銅及其合金等。

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