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金属加工成型的基础知识

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金属成型的基础

有四种基本的生产方法用于生产所需的产品形状。这些是铸造,机械加工,连接(焊接,机械快速,环氧树脂等)和变形过程。当铸造成型并在模具中凝固时,铸造工艺利用液态金属的流动性。加工过程提供了具有良好精度和精度的所需形状,但是在产生被移除部分时倾向于浪费材料。连接过程允许复杂的形状由更简单的组件构成,并具有广泛的应用领域。

变形过程利用了金属的显着特性,即它们在固态下塑性流动而不会使其性能劣化的能力。通过施加合适的压力,移动材料以获得所需的形状,几乎没有浪费。所需的压力通常很高,所需的工具和设备非常昂贵。通常需要大量生产来证明该过程的合理性。

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图1.1变形过程中金属应力的状态。

当金属变形(或形成,如通常所称)成为有用的形状时,它经受诸如拉伸,压缩,剪切或其各种组合的应力,图1.1示出了这些应力状态。在图1.2中示意性地给出了一些常见的金属成形工艺以及在该工艺期间金属经受的应力状态。

处理

成形过程中主要部分的应力状态

1

滚动

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双轴压缩

2

锻造


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三轴压缩

3

挤压

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三轴压缩

4

模锻

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双轴压缩

深拉伸


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在坯料法兰,双轴拉伸和压缩。在杯壁上,简单的单轴张力。

6

电线和管图


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双轴压缩,张力。

7

直弯曲

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在弯曲,双轴压缩和双轴张力

图1.2常见的金属成形工艺。还给出了金属经受的应力状态

要了解金属的形成,了解金属的结构非常重要。金属本质上是结晶的,由不规则形状的各种尺寸的颗粒组成。每个晶粒由有序排列的原子组成,称为晶格。晶粒中原子的取向是均匀的,但在相邻晶粒中是不同的。当施加力使其变形或改变其形状时,在晶粒结构中发生许多变化。这些包括颗粒破碎,原子运动和晶格畸变。滑动平面通过晶格结构在吸引原子键最弱的点处发展,整个原子块被置换。然而,当发生滑移时,原子的取向不会改变。

要使金属永久变形,应力必须超过弹性极限。在室温下,金属处于比在较高温度下更硬的状态。因此,为了使金属变形,当处于冷态时比在热态下需要更大的压力。

当在冷态下形成金属时,没有晶粒的再结晶,因此不会发生从晶粒变形或破碎中的恢复。随着晶粒变形的进行,对该作用的更大抵抗力导致硬度和强度增加。据说金属是应变硬化的。有几种理论可以解释这种情况。通常,这些是指通过原子位错,碎裂或晶格畸变或三种现象的组合在晶粒中形成的电阻。

金属在室温下可以经受的变形量取决于其延展性。金属的延展性越高,它可以经受的变形越大。纯金属可以比具有合金元素的金属承受更大量的变形,因为合金化增加了应变硬化的趋势和速度。具有大颗粒的金属比具有较小颗粒的金属更具延展性。

当金属在冷态下变形时,在材料中建立称为残余应力的严重应力。这些应力通常是不希望的,为了除去它们,金属被加热到低于再结晶范围温度的某个温度。在该温度范围内,应力无效,物理性质或晶粒结构没有明显变化。

金属的冷热加工

冷加工:

低于再结晶温度的金属的塑性变形称为冷加工。它通常在室温下进行。在某些情况下,可以使用略微升高的温度来提供增加的延展性和降低的强度。冷加工提供了许多独特的优点,因此各种冷加工过程变得极为重要。近年来的显着进步扩大了冷成型的使用,并且趋势似乎可能继续下去。

与热加工相比,冷加工的优点是

1.不需要加热

2.获得Bettter表面光洁度

3.实现更好的尺寸控制; 因此通常不需要二次加工。

4.产品具有更好的重现性和可互换性。

5.更好的强度,疲劳和材料的磨损性能。

6.可以赋予方向性。

7.污染问题几乎可以忽略不计。

与冷加工过程相关的一些缺点是:

1.变形需要更大的力。

2.需要更重,更强大的设备。

3.延展性较差。

4.金属表面必须清洁,无污垢。

5.发生应变硬化(可能需要中间退火)。

6.可能产生不希望的残余应力

通常,冷成型工艺由于所需设备和工具的成本而更适合于大规模生产零件。

温暖工作:

在热成形和冷成形中间的温度下进行的金属变形称为热成形。与冷成形相比,温成形具有几个优点。这些包括:

•工具和设备的负载较小

•更好的金属延展性

•退火操作次数减少(因为应变硬化较少)

与热成型相比,热成型具有以下优点。

•较少的热能需求

•更好的部件精度

•零件尺寸较小

•零件脱碳较少

•更好的尺寸控制

•更好的表面光洁度

•工具上的热冲击较小

•较少的工具热疲劳,以及更长的工具寿命。

热作业:

在高于再结晶温度的温度下进行的金属塑性变形称为热加工。在热和力的作用下,当金属原子达到一定的较高能级时,新晶体开始形成。这称为重结晶。当发生这种情况时,通过先前进行的机械加工而变形的旧晶粒结构不再存在,而是形成无应变的新晶体。

在热加工中,加工完成的温度是关键的,因为加工后材料中剩余的任何额外热量将促进晶粒生长,导致材料的机械性能差。

与冷加工相比,热加工的优点是

1.

没有应变硬化

2.

3.

变形需要较小的力

4.

5.

材料具有更大的延展性,因此可以实现更大的变形。

6.

7.

获得有利的晶粒尺寸,导致材料的更好的机械性能

8.

9.

需要功率较小的设备

10.

11.

材料中无残余应力。

12.

金属热加工的一些缺点是:

1.

需要热能

2.

3.

由于表面结垢导致材料表面光洁度差

4.

5.

零件精度和尺寸控制不佳

6.

7.

部件的重现性和互换性差

8.

9.

处理和维护铁水是困难和麻烦的

10.

11.

降低工具和设备的使用寿命。

12.


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