金属的其它塑性成形工艺

第九章 金属的其它塑性成形工艺
随着科学技术的不断发展，对压力加工提出了越来越高的要 求：不仅要生产出各种毛坯，而且还要直接生产出各种形状复杂 的零件；不仅能用易变形的材料进行加工，而且还要用难变形的 材料进行生产。因此，近年来在压力加工中出现了许多新工艺、 新技术。这些新工艺的特点是：
1. 尽量使锻件的形状接近于零件的形状，达到少无切屑加工 的目的，节省原材料和切削加工工作量，同时得到合理的 纤维组织，提高零件的力学性能和使用性能。 2. 减少变形率，可以在较小的锻压设备上制造出大锻件。 3. 具有更高的生产率。 4. 广泛采用电加热和少氧化、无氧化加热，提高锻件表面品 质，改善劳动条件。
⑤材料利用率可达70%，生产率比其他 锻造方法提高几倍。 ⑥可加工难于用其它塑性成形方法加工 的脆性材料，加工仅在几秒内完成，因 此对于变形温度范围窄的材料尤为有利。 ⑦变形抗力大，挤压设备需要吨位大， 模具易磨损。故为了降低抗力型材和管 材等常采用热挤压成形。
二、零件挤压的类型
1. 按照挤压时金属流动方向和凸模运动方向的关系,可分为:
第一节 零件的挤压成形
挤压是将金属坯料放在挤压筒内，用强大的压力作用于模具， 迫使坯料产生定向塑性变形并从模具中挤出，从而获得所需零件或 半成品的成形加工方法。
一、零件挤压的特点
挤压有如下特点： ① 挤压时金属坯料在三向受压状态 下变形，因此它可提高金属坯料的塑性。 ②塑性好、变形程度大，可以一次挤 压出各种形状复杂、深孔、薄壁、异型截面的零件。 ③ 零件精度高，表面粗糙度低。一般尺寸精度IT6~IT7，表面 粗糙度Ra可达3.2~0.4m。 ④ 挤压变形后零件内部的纤维组织是连续的，基本沿零件外形 分布而不被切断，从而提高了零件的力学性能。
图9-8 齿轮热轧
3) 斜轧(螺旋斜轧)
轧辊轴线与坯料轴线在空间交叉成一定角度的轧制方 法。如周期轧制如图9-9（a），钢球轧制，如图9-9（b）、 丝杠冷轧等。
（a）周期轧制
图2.47 斜轧
（b）钢球轧制
螺旋斜轧采用的轧辊带有螺旋型槽，相交成一定角度，并作 同方向旋转，坯料在轧辊间既绕自身轴线转动，有向前进，与此 同时受压变形获得所需产品。螺旋斜轧可以直接热轧出带螺旋线 的高速滚刀体、、自行车后闸壳以及冷轧丝杠等。 螺旋斜轧钢球是使棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制并分离 成但个球，轧辊每转一周即可轧制出一个钢球。轧制过程是连续 的。
②三辘式模横轧机 ( 见图 9-14)。该机的特点是轧件在三轧辘间 旋转，不需导板，避免了导 板刮伤轧件；三轧辘互成 120°角， 从三个方向压缩轧件。与两辗式模横轧机相比，其应力状态得到了 改善，轧件质量好，轧制过程稳定；三辘轧制加大了极限模展角， 使轧辘直径减小。但三辘轧制工艺调整显然比两辘轧制复杂；轧件 的最小直径必须大于轧辘直径的 1/6，否则轧辘不 能接触轧件。
（a） 送料
图9-6 辊锻
（b）辊锻
它既可以作为模锻前的制坯工序，也可直接辊锻锻件。目前，成形辊 锻适用于如扳手、活动扳手等扁截面的长杆件、汽轮机叶片及连杆类零 件的生产。
辗环轧制是用来扩大环形坯料的外径和内径，从而获得各种无接缝环 状零件的轧制成形工艺，如图9-7（a）。图中辗压轮由电动机带动旋转， 利用摩擦力使坯料在辗压轮和芯辊之间受压变形。辗压轮还可由油缸推动 做上下移动，改变它与芯辊之间的距离，使坯料厚度减小、直径增大。导 向辊用以保障坯料正确运送，信号辊用来控制环坯直径。如在环坯端面安 装端面辊，则可进行径向-轴向辗环成形，如图9-7（b）。
图9-15 运动轨迹为圆的摆头结构
• 二、摆动碾压得类型
1. 按成形温度分为：冷摆碾成形（温度低于T再）、温摆碾成形（温 度等于T再）、热摆碾成形（温度高于T再）。 2. 按摆碾运动形式分：I型摆碾、II型摆碾和III型摆碾。如图9-16。 通过控制内外两层偏心套的偏心距传动摆头（锥体模），摆头的运 动轨迹可以为圆、直线、螺旋线、菊花线和多叶玫瑰线等五种，以适应 复杂零件的需要。
３．应用 1) 型材和管材的挤压(一次塑性成形)。多采用热挤压。 2) 各种零件的挤压(二次塑性成形)。多采用冷挤压。
第二节 零件的轧制成形
１．原理及生产过程 轧制是使金属坯料在回转轧辊的空 隙中，靠摩擦力的作用得以连续进入轧辊 而变形的一种加工方法。
2．方法
1) 纵轧: 它是轧辊轴线与坯料轴线在空间互相垂直的轧制方法。
（a）径向辗环
（b）径向-轴向辗环
图9-7 碾环轧制
2) 横轧
它是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制方法。横轧时工 件作旋转运动，在轧辊作用下产生连续变形。 齿轮轧制是一种少无切削加工齿轮的新工艺。直齿轮和斜 齿轮均可用热轧制造，如图所示。
在轧制前将毛坯外缘加热，然后将带齿形的轧轮 作径向进给，迫使轧轮与毛坯对辗。在对辗过程中， 坯料上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被 轧轮齿部“反挤”而上升，形成齿顶。
④ 静液挤压： 凸模与坯料不直接接触，而是给液体施加压力 （达340MPa）。再经液体传给坯料，使金属通过凹模而成形。 由于在坯料侧面无通常挤压时的摩擦，所以变形较均匀，可提 高一次挤压的变形量。挤压力也较其它挤压工艺小10%~50%。 静液挤压可用于低塑性材料，如铍、钽、铬、钼、钨等金属 及其合金的成形，对常用材料可采用大变形量一次挤成线材和型 材。如圆柱斜齿轮和麻花钻等形状复杂的零件。
3．特点及应用
1) 特点 ① 生产率高。（轧辊生产率为锤上模锻的5～10倍) ② 质量好。(连续变形、变形均匀) ③ 节约金属材料。(比锤上模锻损耗降低6～10个百分点) ④ 劳动条件好，易于实现“两化”。 ⑤ 设备结构简单，对厂房地基条件要求低。 2) 应用 ① 型材轧制(一次塑性成形)
② 零件的轧制(二次塑性成形)
一、冷镦
冷镦是用线材在自动冷镦机上加工冷锻件的成形工
艺。
冷镦主要用来成形以轴为对称或近似轴对称的、形状 比较简单的实心及空心零件，是大量生产销钉、螺钉、螺 栓、及螺母等标准件的主要成形工艺。
冷镦有多种类型：
冷镦属于冷变形，锻件的强度及硬度高，表面品质好，生 产率高。但冷镦时坯料的每次变形量不能太大，变形的工步较 多，而且只适于锻造性好的坯料。
① 正挤压 金属的流动方向与凸模运动方向相同。 适用于制造横截面是圆形、椭圆形、扇形、矩形等的零件，也 可是等截面的不对称零件。 ② 反挤压 金属的流动方向与凸模运动方向相反。适用于制造 横截面为原形、方形、长方形、多层圆形、多格盒形的空心件。
图9-1 正挤压
图9-2 反挤压
③ 复合挤压 挤压过程中，一部分金属的流动流动方向与凸 模运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与凸模运动 方向相反。适用于制造截面为圆形、方形、六角形、齿形、 花瓣形的双杯类、杯-杆类零件。 ④ 径向挤压 金属的流动方向与凸模运动方向成90角。 适用于可制造十字轴类零件，也可制造花键轴的齿形 部分、齿轮的齿形部分等。
第三节 摆动碾压
一、摆动碾压得原理
摆动碾压又称摆碾，是利用一个绕中心轴摆动的圆锥形模具对坯 料局部加压使其高度减小、直径增大的成形方法。图9-15为摆动碾压 的工作原理示意图。锥形凸模的轴线与机器主轴线相交成θ角，称为摆 角(θ通常取1º )。当主轴旋转时， ~3º 凸模绕主轴产生摆动，对坯料进行局部 碾压，使坯料整个截面逐步产生塑性变 形。 摆动碾压可以用较小的设备碾压出 较大的锻件；产品质量高、节约材料， 可实现净成形、净终成形加工；易于实 现自动化。 主用要于生产具有回转体的薄盘类 锻件及带法兰的半轴类锻件，如齿轮坯、 铣刀坯、汽车后半轴等。
两轧辊轴线平行，旋转方向相反，坯料作垂直于轧辊轴线方向的运 动。纵轧工件不旋转，仅作直线运动，在轧辊的作用下产生连续 性的拔长变形和一些增宽变形。 纵轧包括各种型材和板材的轧制，辊锻轧制，辗环轧制等方法。 辊锻轧制是把轧制工艺应用到锻造生产中的一种新工艺。辊锻 是使坯料通过装有扇形模块的一对相对旋转的轧辊时受亚尔变形的 成形工艺。
4）楔横轧
①楔横轧原理 利用轧件轴线与轧辊轴线平行，轧辊的辊面上镶有楔型凸棱， 并作通向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的成 形工艺成为楔横轧，如图所示。该工艺适用于成形高径比不小于 1的回转体轧件。
图9-10 两辊式楔横轧
图9-11 楔形凸块展开图
在楔横轧中，坯料的变形过程主要是靠两个楔型凸棱压缩坯料，使 坯料的径向尺寸减小、轴向尺寸增大。 楔横轧机适合轧制各种实心、空心台阶轴，如汽车、摩托车、电动 机上的各种台阶轴，凸轮轴等。
图9-16 摆辗的三种类型
• 三、摆动碾压的特点及应用
• 1. 坯料接触面积小，故所需成形压力小，设备吨位仅为一般冷锻设 备吨位的5%~10%。 • 2. 碾压属于冷变形，变形速度慢，且逐步进行，因此摆碾表面光滑， 表面粗糙度Ra=0.4~1.6m，尺寸精度高，误差为0.025mm。 • 3. 能碾压成形高经比很小，一般锻造方法不能成形的薄圆盘件（厚 度仅为0.2mm）。 • 4. 设备占地面积小，周期短，投资少，易于实现机械化、自动化。 • 目前，冷摆碾除用来制造铆钉外，还用来冷镦挤成形各种复杂的轴对 称件，如：伞齿轮、齿环、推力轴承圈、端面凸轮、轴套、千斤顶、 棘轮等。 • 热摆碾多用来成形尺寸较大及精度要求高的零件，如汽车半轴、法兰、 摩擦盘、火车轮、锣、拨、蝶形弹簧及铣刀片等。
一、精密模锻工艺过程：
先将原始坯料普通模锻成中间坯料→ 再对中间坯料进行严格的清理，除去氧化 皮或缺陷→最后采碳钢在 450 ℃ ~ 900℃。故精锻也称为温锻。
图9-20 精密模锻的大致工艺过程
第四节 冷镦与电镦
冷镦与电镦均属于镦锻成形工艺，一般是对棒料的 端部进行局部镦粗。 冷镦和冷挤压一起同属于冷锻范围。冷镦时金属流动 方向与凸模的运动方向垂直，冷镦的工件断面积比毛坯的 断面积有所增大。 镦挤复合时金属流动方向除了同镦粗相同外，还有一 部分金属沿凸模运动的方向一致或相反方向流动。镦挤复 合方法可以制作多台阶的带孔或不带孔的扁平类零件及多 台阶的轴类零件。