第2章 - - 模具的成形设备及工艺基础 - 图文

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教 师 张 欢 教 研 组 编写日期 2011.6.21 审批日期 教学内容 第2章 模具的成形设备及工艺基础 总 课 时 ? ? ? ? ? 理解各种常用的模具成形设备的特点 掌握各种成形设备的加工特点以及分类和组成 了解各种典型成形设备的工作原理和选用原则 掌握各种典型模具的计算方法以及其成形过程 掌握各种典型的成形工艺 2 目 的 要 求 重 点 难 点 章 节 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 ? 各种成形设备的加工特点以及分类和组成 ? 各种典型模具的计算方法以及其成形过程 各种典型模具的计算方法以及其成形过程 内 容 冲压成形设备及工艺 塑料成型设备及工艺 模锻成形设备及工艺 压铸成形设备及工艺 粉末冶金成形设备及工艺简介 课时分配 2

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课 时 授 课 计 划

授课日期 班 别 题 目 目 第2章 模具的成形设备及工艺基础 ? 要 ? ? 求 ? ? 的 理解各种常用的模具成形设备的特点 掌握各种成形设备的加工特点以及分类和组成 了解各种典型成形设备的工作原理和选用原则 掌握各种典型模具的计算方法以及其成形过程 掌握各种典型的成形工艺 重 点 ? 各种成形设备的加工特点以及分类和组成 ? 各种典型模具的计算方法以及其成形过程 难 点 各种典型模具的计算方法以及其成形过程 教具 课本 教 学 方 法 讲授 第2章 模具的成形设备及工艺基础 第一节 冲压成形设备及工艺 报 第二节 塑料成型设备及工艺 第三节 模锻成形设备及工艺 第四节 压铸成形设备及工艺 第五节 粉末冶金成形设备及工艺简介 书 设 计

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教学过程： 复习：1、复习模具的概念及分类 2、复习常用模具材料及热处理 新课： 第2章 模具的成形设备及工艺基础 第一节 冲压成形设备及工艺 一、冲压概念及其发展趋势 1．冲压概念及特点 冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压件或冲件）的一种压力加工方法。冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，而且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一，属于材料成形工程技术。 冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压的三要素，它们之间的相互关系，如图2-1所示。 图2-1 冲压三要素之间的关系 冲压与其他加工方法相比较，具有以下一些特点。 （1）在压力机简单冲击下，能够获得其他的加工方法难以加工或无法加工的形状复杂的制件。 （2）加工的制件尺寸稳定、互换性好。 （3）材料的利用率高、废料少，且加工后的制件强度高、刚度好、重量轻。 （4）操作简单，生产过程易于实现机械化和自动化，生产效率高。 （5）在大批量生产的条件下，冲压制件成本较低。 但由于模具制造周期长、费用高，因此，冲压加工在小批量生产中受到一定限制。

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2．冲压发展趋势 随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。其发展趋势如下。 （1）新理论和新工艺。 （2）新材料。 （3）自动化。 （4）标准化及专业化。 二、冲压设备的分类、组成及典型设备工作原理 冲压是利用压力机和冲模对材料施加压力，使其分离或产生塑性变形，以获得一定形状和尺寸的制品的一种少无切削加工工艺。通常该加工方法在常温下进行，主要用于金属板料成形加工，故又称冷冲压或板料成形。冲压成形在较大批量生产条件下，虽然设备和模具资金投入大，生产要求高，但与其他加工方法（如锻造、铸造、焊接、机械切削加工等）相比较，具有很多优点。 1．冲压设备的分类 冲压成型设备的类型很多，以适应不同的冲压工艺要求，在我国锻压机械的8大类中，它就占了一半以上。冲压设备的分类如下。 （1）按驱动滑块的动力种类可分为：机械的、液压的、气动的。 （2）按滑块的数量可分为：单动的、双动的、三动的。 （3）按滑块驱动机构可分为：曲柄式、肘杆式、摩擦式。 （4）按连杆数目可分为：单连杆、双连杆、四连杆。 （5）按机身结构可分为：开式［图2-3（a）］、闭式［图2-3（b）］；单拉、双拉；可倾、不可倾。 （6）开式压力机又可分为单柱［图2-3（c）］和双柱压力机［图2-3（a）］。 （7）开式压力机按照工作台结构可分为：倾斜式、固定式和升降台式［图2-3（d）］。 2．冲压设备的代号 我国锻压机械的分类和代号，见表2-1。 表2-1 锻压机械分类代号 序 号 类 别 名 称 汉语简称及拼音 拼 音 代 号 1 2 3 4 5 6 7 8 机械压力机 液压机 自动锻压机 锤 锻机 剪切机 弯曲校正机 其他 机ji 液ye 自zi 锤chui 锻duan 切qie 弯wan 他ta J Y Z C D Q W T 4

按照锻压机械型号编制方法（JB/GQ2003—84）的规定，曲柄压力机的型号用汉语拼音字母、英文字母和数字表示。型号表示方法说明如下。 第一个字母为类代号，用汉语拼音字母表示。 第二个字母代表同一型号产品的变型顺序号。 第三、第四个数字分别为组、型代号。前面一个数字代表“组”，后一个数字代表“型”。 最后一个字母代表产品的重大改进顺序号，凡型号已确定的锻压机械，若结构和性能上与原产品有显著不同，则称为改进，用字母A、B、C等表示。 有些锻压设备紧接组、型代号后面还有一个字母，代表设备的通用特性，例如J21G—20中的“G”代表“高速”；J92K—250中的“K”代表“数控”。 例如：型号为JB23—63A锻压机械的代号说明。 J—类代号，机械压力机； B—同一型号产品的变型顺序号，第二种变型； 2—组代号； 3—型代号； 63—主参数，公称压力为630kN； A—产品重大改进顺序号，第一次改进号。 3．典型冲压设备的组成及工作原理简介 实际生产中，应用最广泛的是曲柄压力机、双动拉深压力机、螺旋压力机和液压机等。 （1）曲柄压力机的组成。曲柄压力机一般由工作机构、传动系统、操纵系统、能源系统和支承部件组成，此外还有各种辅助系统和附属装置，如润滑系统、顶件装置、保护装置、滑块平衡装置、安全装置等。 图2-4 压力机运动原理图 1—电动机 2—小带轮 3—大带轮 4—中间传动轴 5—小齿轮 6—大齿轮 7—离合器 8—机身 9—曲轴 10—制动器 11—连杆 12—滑块 13—上模 14—下模 15—垫板 16—工作台

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（2）曲柄压力机的工作原理。尽管曲柄压力机类型众多，但其工作原理和基本组成是相同的。开式双柱可倾式压力机的运动原理，如图2- 4所示。电动机1的能量和运动通过带传动传递给中间传动轴4，再由齿轮5和齿轮6传动给曲轴9，经连杆11带动滑块12作上下直线移动。因此，曲轴的旋转运动通过连杆变为滑块的往复直线运动。 （3）曲柄压力机的主要技术参数。曲柄压力机的技术参数反映了压力机的性能指标。 ① 标称压力Fg及标称压力行程Sg。 ② 滑块行程。如图2-5所示的S，它是指滑块从上止点到下止点所经过的距离，等于曲柄偏心量的2倍。 ③ 滑块行程次数。它是指滑块每分钟往复运动的次数。 ④ 最大装模高度H1及装模高度调节量?H1。装模高度是指滑块在下止点时，滑块下表面的工作台垫板到上表面的距离。 图2-5 压力机基本参数 ⑤ 工作台板及滑块底面尺寸。它是指压力机工作空间的平面尺寸。 ⑥ 工作台孔尺寸。工作台孔尺寸L1×B1（左右×前后）、D1（直径），如图2-5所示，为向下出料或安装顶出装置的空间。 ⑦ 立柱间距A和喉深C。立柱间距是指双柱式压力机立柱内侧面之间的距离。 ⑧ 模柄孔尺寸。模柄孔尺寸d×l是“直径×孔深”，冲模模柄尺寸应和模柄孔尺寸相适应。 4．其他类型的冲压设备 （1）双动拉深压力机。双动拉深压力机是具有双滑块的压力机。图2-6所示为上传动式双动拉深压力机结构简图，它有一个外滑块和一个内滑块。外滑块用来落料或压紧坯料的边缘，防止起皱，内滑块用于拉深成形；外滑块在机身导轨上作下止点有“停顿”的上下往复运动，内滑块在外滑块的内导轨中作上下往复运动。

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（2）螺旋压力机。螺旋压力机的工作机构是螺旋副滑块机构。螺杆的上端连接飞轮，当传动机构驱使飞轮和螺杆旋转时，螺杆便相对固定在机身横梁中的螺母做上、下直线运动，连接于螺杆下端的滑块即沿机身导轨作上、下直线移动，如图2-7所示。 （3）精冲压力机。精密冲裁（简称精冲）是一种先进的冲裁工艺，采用这种工艺可以直接获得剪切面粗糙度Ra为3.2～0.8 ?m和尺寸公差达到IT8级的零件，大大提高了生产效率。 精冲是依靠V型齿圈压板2、反压顶杆4和冲裁凸模1、凹模5使板料3处于三向压应力状态下进行的，如图2-8所示。 （4）高速压力机。高速压力机是应大批量的冲压生产需要而发展起来的。高速压力机必须配备各种自动送料装置才能达到高速的目的。高速压力机及其辅助装置，如图2-10所示。一般在衡量高速时，应当结合压力机的标称压力和行程长度加以综合考虑。 （5）双动拉深液压机。双动拉深液压机主要用于拉深件的成形，广泛用于汽车配件、电动机、电器行业的罩形件特别是深罩形件的成形，同时也可以用于其他的板料成形工艺，还可用于粉末冶金等需要多动力的压制成形。 三、冲压工艺 1．冲裁工艺 冲裁是利用模具使板料产生相互分离的冲压工序。冲裁工序的种类很多，常用的有剪裁、冲孔、落料、切边、切口等。但一般来说，冲裁主要是指冲孔和落料。从工序件上冲出所需形状的孔（冲去部分为废料）叫冲孔，从板料上沿封闭轮廓冲出所需形状的冲件或工序件叫落料。 （1）冲裁变形特点分析。冲裁工作示意图，如图2-11所示，凸模1与凹模3对板料2进行冲裁，凸模在压力机滑块的作用下下行，对支承在凹模上的板料2进行冲裁，使板料发生变形分离得到工件4。由于使用的压力机运行速度很快，所以冲裁过程瞬时便可完成。 图2-11 冲裁变形过程示意图 1—凸模 2—板料 3—凹模 4—工件

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从力学变形的角度看，冲裁过程经历了弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段。 （2）冲裁件的排样与搭边。 ① 排样。工件在条料上的布置方法叫做冲裁件的排样。 排样时应考虑下面两个问题。 i材料利用率。力求在相同的材料面积上得到最多的工件，以提高材料利用率，材料利用率用下式计算： 式中：K—材料利用率； n—条料上的工件数量； a—单个工件的面积（mm2）； A—条料面积（mm2）。 ii生产批量。排样必须考虑生产批量的大小，生产量大时可采用多排式混合排样法，即一次可冲几个工件。这种方法模具结构复杂、成本高，当生产量太小时，就不经济了。常用排样方式见表2-3。 ② 搭边。排样时工件之间及工件与条料之间留下的余料称为搭边。搭边的作用是补偿送料的误差，保证冲出合格的工件；搭边还可以使条料保持一定的刚度，便于送进。 搭边值要合理确定。搭边值过大，材料利用率低；搭边值过小，条料易被拉断，使工件产生毛刺，有时还会拉入凸模和凹模的间隙中，损坏刃口。 表2–4 列出了冲裁时常用的最小搭边值。 （3）冲裁件的工艺 ① 冲裁件的形状。冲裁件的形状应简单、对称，便于冲裁排样。冲裁件的内外转角处圆角R＞0.25t（t为材料厚度），圆角R过小或清角、尖角都不利于模具的制造与使用。冲裁件上过长的悬臂和凹槽都会削弱凸模强度及刚度，一般槽宽和槽深数值B不应大于表2-5中所列的数值，悬臂长度l≤5B。 ② 冲裁件的尺寸。冲裁件孔与孔之间和孔与边缘之间的距离、凸模在自由状态下冲的最小孔径都不能过小，否则就会削弱模具强度，会使模具结构复杂化。凸

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模在自由状态下冲孔的最小孔径见表2-6；孔距、孔边距可参考图2-13；复合冲裁时凸凹模的最小壁厚可查表2-7。 ③ 冲裁件的精度和表面粗糙度。普通冲裁能得到冲裁件的尺寸精度都在IT12～IT10以下，表面粗糙度值Ra大于12.5 ?m。工件边缘的毛刺高度在正常情况下小于0.15 mm。冲孔件可比落料件尺寸精度高一级。对于精度要求高的冲裁件，可通过整修或精密冲裁方法获得。 （4）冲裁间隙。冲裁间隙是指冲裁模具凸模与凹模之间工作部分的尺寸之差。 确定合理间隙值方法如下。 ① 第一种是理论方法。模具制造中的偏差及使用中的磨损，生产中通常选择一个适当的范围作为合理间隙，如图2-14所示。这个范围的最小值称为最小合理间隙值，最大值称为最大合理间隙值。设计与制造新模具时采用最小合理间隙值。 确定合理间隙值的理论方法的依据是保证凸、凹模刃口处产生的裂纹相重合。由图2-15所示中可以得到合理间隙值的计算公式如下： ② 第二种是经验方法。经验方法也是根据材料的性质与厚度，来确定最小合理间隙值。建议按下列数据确定双面间隙值。 间隙值也可查表确定。试验研究结果与实践经验表明，对于尺寸精度和断面垂直度要求高的零件，应选用较小的间隙值。

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（5）凸、凹模刃口尺寸的计算。 ① 尺寸计算原则。在设计和制造模具时，需遵循下述原则。 设计落料模时，以凹模为准，间隙取在凸模上；设计冲孔模时，以凸模为准，间隙取在凹模上。 设计落料模时，凹模公称尺寸应取零件尺寸公差范围内的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模公称尺寸应取零件孔的尺寸范围内的较大尺寸。 凸、凹模刃口部分尺寸的制造公差要按零件的尺寸要求决定，一般模具的制造精度比冲裁件的精度高2～3级。若零件未注公差，对于非圆形件，冲模按IT9精度制造；对于圆形件，一般按IT6～IT7级精度制造。 ② 刃口尺寸计算方法。凸模与凹模分开加工设计计算中要分别标注凸、凹模刃口尺寸与制造公差。模具的制造公差应当满足下列条件： 式中：?p、?d分别为凸模和凹模的制造公差（mm）。 下面对冲孔和落料两种情况进行讨论。 冲孔。设零件孔的尺寸为d+?，其凸、凹模工作部分尺寸的计算公式如下： 各部分的公差带见图2-16（a）。 落料模。设零件尺寸为D ?Δ，落料模的允许偏差位置如图2-16（b）所示，其凸、凹模工作部分尺寸的计算公式如下：

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凸、凹模配合加工加工方法是以凸模或凹模为基准，配作凹模或凸模。只在基准件上标注尺寸和制造公差，另一件仅标注公称尺寸并注明配作时应留有的间隙值。所以基准件的刃口部分尺寸需要按不同的方法计算。如图2-17（a）所示的落料件，应以凹模为基准件，凹模尺寸按磨损情况可分为3类。 第一类是凹模磨损后尺寸增大（图2-17中A类）； 第二类是凹模磨损后尺寸变小（图2-17中B类）； 第三类是凹模磨损后尺寸不变（图2-17中C类）。 对于图2-17（b）所示的冲孔件的凸模尺寸也可按磨损情况分成A、B、C 3类。因此不管是落料件还是冲孔件，根据不同的磨损类型，其基准件的刃口部分尺寸均可按以下公式计算： （6）冲裁力的计算及降低冲裁力的方法。 ① 冲裁力的计算。计算冲裁力的目的是为合理选用压机，设计模具以及校核模 具强度。平刃口模具冲裁时，其冲裁力可按下式计算： ② 降低冲裁力的方法。第一种是加热冲裁，只适用于厚板或零件表面质量及公差等级要求不高的零件。第二种是阶梯凸模冲裁，在多凸模冲模中，将凸模做成不同的高度，呈阶梯形布置，使各凸模冲裁力的最大值不同时出现，以降低总的冲裁力。 ③ 影响卸料力、推件力和顶件力的因素，主要有材料力学性能、板料厚度、零件形状、尺寸、模具间隙、搭边大小及润滑条件等。生产中，一般采用下列经验公式计算：

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④ 冲裁工艺力的计算。冲裁工艺力包括冲裁力、推件力、顶件力和卸料力，因此，在选择压力机吨位时，应根据模具结构进行冲裁工艺力的计算。 采用弹性卸料及上出料方式，总冲裁力为： 采用刚性卸料及下出料方式，总冲裁力为： 采用弹性卸料及下出料方式，总冲裁力为： （7）冲模的压力中心与模具闭合高度。 ① 冲模压力中心的计算与确定。冲压力合力的作用点称为模具的压力中心。通常利用求平行力系合力作用点的方法—解析法或图解法，以确定模具的压力中心。 ② 冲模封闭高度的确定。冲模总体结构尺寸必须与所用设备相适应，冲模的封闭高度系指模具在最低工作位置时，上、下模板外平面间的距离。模具的封闭高度H应该介于压力机的最大封闭高度Hmax(mm)及最小封闭高度Hmin(mm)之间（图2-19），一般取： Hmax?5(mm)≥H≥Hmin?10(mm) 2．弯曲工艺 弯曲是使材料产生塑性变形、形成有一定角度形状零件的冲压工序。用弯曲方法加工的零件种类很多，如自行车车把、汽车的纵梁、桥、电器零件的支架、门窗铰链、配电箱外壳等。弯曲的方法也很多，可以在压力机上利用模具弯曲，也可在专用弯曲机上进行折弯、滚弯或拉弯等，如图2-20所示。各种弯曲方法尽管所用设备与工具不同，但其变形过程及特点却存在着一些共同的规律。 12

图2-20 弯曲加工方法 （1）弯曲工艺。 ① 弯曲过程。弯曲V形件的变形过程，如图2-21所示。 ② 弯曲变形特点。 i弯曲变形只发生在弯曲件的圆角附近，直线部分不产生塑性变形。 ii在弯曲区域内，纤维变形沿厚度方向是不同的，即弯曲后，内侧的纤维受压缩而缩短，外侧的纤维受拉伸而伸长，在内、外侧之间存在着纤维既不伸长也不缩短的中间层。 iii从弯曲件变形区域的横截面来看，窄板（板宽B与料厚t，B＜2 t）断面略呈扇形，宽板（B＞2t）横截面仍为矩形，如图2-22所示。 ③ 弯曲件质量分析。 i弯裂与最小弯曲半径rmin。弯曲时板料外侧切向受到拉伸，当外侧切向伸长变形超过材料的塑性极限时，在板料的外侧将产生裂纹，此现象称为弯裂。 ii回弹。回弹是指弯曲时弯曲件在模具中所形成的弯曲角与弯曲半径在出模后会因弹性恢复而改变的现象。回弹也称弹复或回跳，是弯曲过程中常见而又难控制的现象。 如图2-23所示，弯曲回弹的大小用半径回弹值和角度回弹值表示： 13

图2-23 弯曲件的回弹 iii偏移。弯曲制件在弯曲过程中沿制件的长度方向产生移动时，出现使制件两直边的高度不符合图样要求的现象，称之为偏移，如图2-24所示。 图2-24 弯曲件的偏移 （2）弯曲件工艺性。 ① 弯曲件的圆角半径不宜小于最小弯曲半径，也不宜过大。因为过大时，受到回弹的影响，弯曲角度与圆角半径的精度都不易保证。 ② 弯曲件的直边高度h应大于两倍料厚。弯曲时，当弯曲件的直边高度h过小时，弯曲时弯矩小，则不易成形。 ③ 对阶梯形坯料进行局部弯曲时，在弯曲根部容易撕裂。这时，应减小不弯曲部分的长度B，使其退出弯曲线之外，如图2-25（a）所示。假如制件的长度不能减小，则应在弯曲部分与不弯曲部分之间加工出槽，如图2-25（b）所示。 图2-25 弯曲件的结构工艺性

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④ 弯曲有孔的坯料时，如果孔位于弯曲区附近，则弯曲时孔会产生变形。应使孔边到弯曲区的距离大于（1～2）t，如图2-25（c）所示，或弯曲前在弯曲区内加工一工艺孔，如图2-15（d）所示，或先弯曲后冲孔。 ⑤ 弯曲件的形状对称，所以弯曲半径应左右一致，以保证弯曲时板料的平衡，防止产生滑动，如图2-25（e）所示。 （3）弯曲件的工艺计算。 ① 弯曲力。各阶段弯曲力与弯曲行程的关系如图2-26所示。 自由弯曲力的大小与板料尺寸（b、t）有关、板料机械性能及模具结构参数等因素有关。最大自由弯曲力P自为： kbt2P?b自?r?t 校正弯曲力为了提高弯曲件的精度，减少回弹，在弯曲终了时需对弯曲件进行校正。校正弯曲力可按下式近似计算： P校?Fq(N) 在选择冲压设备时，除考虑弯曲模尺寸、模具闭合高度、模具结构和动作配合以外，还应考虑弯曲力大小。 ② 弯曲件毛坯尺寸的计算。 第一类是有圆角半径的弯曲。 弯曲件的展开长度等于各直边部分和各弯曲部分中性层长度之和，即：

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各弯曲部分长度按下式计算： 第二类是无圆角半径或的弯曲。 一般根据变形前后体积不变条件确定这类弯曲件的毛坯长度，但要考虑到弯曲处材料变薄的情况，一般按下式计算弯曲部分的长度。 （4）弯曲模工作部分尺寸计算。 ① 凸、凹模圆角半径。如图2-27所示，凸模圆角半径rp应等于弯曲件内侧的圆角半径r，但不能小于所规定的材料允许最小弯曲半径rmin。如果r

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式中：bd—凹模宽度（mm）； ?d—模具制造偏差（mm），按IT6级选取； Δ—零件的公差（mm）。 第二种是尺寸标注在内形时，应以凸模为基准。凸模宽度尺寸按下式确定： 式中：bp—凸模宽度尺寸（mm）； ?p—模具制造偏差（mm），按IT6～IT8级选取。 相应的模具宽度尺寸需以配制，并保证单边间隙C。 此外，弯曲模的模具长度和凹模深度等工作部分尺寸，应根据弯曲件边长和压机参数合理选取。 3．拉深工艺 拉深是把一定形状的平板坯料或空心件通过拉深模制成各种开口空心件的冲压工序。用拉深的方法可以制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其他复杂形状的薄壁零件，如图2-29所示。 图2-29 常见拉深件图 （1）拉深工艺。 ① 拉深过程。将平板坯料拉深成空心筒形件的过程，如图2-30所示。拉深模的工作部分没有锋利的刃口，而是具有一定的圆角，其单边间隙稍大于坯料厚度，当凸模向下运动时，即将圆形的坯料经凹模的孔口压下，而形成空心的筒形件。 ② 拉深变形的特点。 i变形程度大，而且不均匀，因此冷作硬化严重，硬度、屈服强度提高，塑性下降，内应力增大。 ii容易起皱。所谓起皱，是指拉深件的凸缘部分（无凸缘的制件在简体口部）由于切向压应力过大，材料失去稳定而在边缘产生皱折，如图2-31所示。

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iii拉深件各处厚度不均。拉深件各处变形不一致，各处厚度也不一致，如图2-32所示。从图中可看出，拉深件的侧壁其厚度变化是不一样的，上半段变厚，下半段变薄，在凸模圆角部分变薄最严重，很容易拉裂而造成废品，故称该处为“危险断面”。 （2）拉深件的工艺性。拉深过程中，材料要发生塑性流动，故对拉深件应有下列工艺要求。 ① 拉深件的形状应尽量简单、对称，尽可能一次拉深成形，否则应多次拉深并限制每道次拉深程度在许用范围内。 ② 凸缘和底部圆角半径不能太小，使拉深件变形容易。 ③ 凸缘的大小要适当。凸缘过大时凸缘处不易产生变形；凸缘过小，压边圈不易产生，拉深时易起皱。 ④ 拉深件的壁厚是由边缘向底部逐渐减薄，因此对拉深件的尺寸标注应只标注外形尺寸（或内形尺寸）和坯料的厚度。 ⑤ 拉深件的直径公差等级一般为IT12～IT15级，高度尺寸为IT13～IT16级（公差可按对称公差标注）。当拉深件的尺寸公差等级要求高或圆角半径要求小时，可在拉深以后增加整形工序。 （3）圆筒形件拉深工艺计算。 ① 拉深件毛坯尺寸的计算。对于旋转体零件，采用圆形板料，如图2-33所示。其直径按面积相等的原则计算（不考虑板料的厚度变化）。图2-34中所示的不用压边圈拉深模具结构中板料直径可按下式计算： D?(d?2r)2?2πr(d?2r)?8r?4d(h1?r)(mm)② 拉深系数和拉深次数的确定。拉深的次数与拉深系数有关。 圆筒形件的拉深系数为： dm?D圆筒形件第n次拉深系数为： dnmn?dn?1 式中：dn?1，dn—分别为第（n ? 1）次和第n次拉深后的圆筒直径（mm）。 圆筒形件需要的拉深系数m>m1，则可一次拉深成形。 ③ 拉深力和拉深功计算。常用下列公式计算拉深力： P1 = ?d1t?bK1 式中： P1—第一次拉深时的拉深力（N）； K1—修正系数。 Pn = ?dnt?bK2 式中：Pn—第二次及以后各次拉深时的拉深力（N）； K2—修正系数。

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当拉深行程大时，有可能使电机因超载损坏，因此，还应对电机功率进行验算。 第一次拉深的拉深功： A1?以后各次拉深的拉深功： ?1p1h11000(N?m) An?式中：?1、?n—系数； h1、hn—拉深高度（mm）。 拉深所需电机功率为： ?npnhn1000(N?m) N?A?n(kW)60?75??1?2?1.36?10 4．挤压工艺 挤压是利用压力机和模具对金属坯料施加强大的压力，把金属材料从凹模孔或凸模和凹模的缝隙中强行挤出，得到所需工件的一种冲压工艺。根据加工的材料温度可将挤压分为热挤压加工、冷挤压加工和温热挤压加工。热挤压主要加工大型钢质零件，温热挤压和冷挤压主要加工中小型金属零件。近年来温热挤压和冷挤压应 用较多。根据金属材料流动方向和凸模的运动方向，挤压也可分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。现介绍冷挤压工艺，表2-9列举出它们的加工示意和特点等。 1）冷挤压特点。挤压加工时材料在3个方向都受到较大压应力，因此挤压加工具有以下明显的特点：材料的变形程度较大，可加工出形状较复杂的零件，并能够节约原材料；挤压的工件材料纤维组织呈 流线型且组织致密，这使零件的强度、硬度和刚性都有一定的提高；加工的零件有良好的表面质量，表面粗糙度值Ra为0.16～1.25 ?m，尺寸精度为IT10～IT7；挤压需要较大的挤压力，对挤压模的强度、刚度和硬度要求较高，尤其进行冷挤压时模具的开裂和磨损将成为冷挤压工艺中的主要问题。此外，对冷挤压的坯料一般都需要经过软化处理和表面润滑处理，有些挤压后的工件还需消除内应力后才能使用。 （2）冷挤压件的变形程度。冷挤压件的变形程度用断面变化率?A表示： A0?A1?A??100?式中：A0—挤压变形前毛坯的横断面积； A1—挤压变形后坯料的横断面积。

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断面变化率?A越大，表示变形程度越大，同时模具承受的单位挤压力也越大。当模具承受的单位挤压力超过了模具材料所能承受的单位挤压力时，模具就可能会破裂。因此，防止模具受到过大的单位挤压力就是要控制一次挤压时的变形程度不能过大。一次允许挤压的变形程度称为许用变形程度。 （3）冷挤压件的工艺性。根据冷挤压工艺的特点，冷挤压件形状应对称，断面最好是圆形和矩形。挤压材料应具有良好的塑性、较低的屈服极限且冷作硬化敏感性小。目前常用的挤压材料有：有色金属、低碳钢、低合金钢、不锈钢等。 5．其他成形工艺 除了冲裁、弯曲、拉深和挤压等基本冲压方法外，冲压还有翻孔、翻边、胀形、缩口、整形和校平等成形工艺。它们是将经过冲裁、弯曲、拉深和挤压加工后的半成品或经过其他加工后的坯料再进行冲压。从变形特点来看，它们的共同点均属局部变形。不同点是：胀形和翻圆孔属伸长类变形，常因变形区拉应力过大而出 现拉裂破坏；缩口和外缘翻凸边属压缩类变形，常因变形区压应力过大而产生失稳起皱；对于校平和整形，由于变形量不大，一般不会产生拉裂或起皱，主要解决的问题是回弹。所以，在制定工艺和设计模具时，一定要根据不同的成形特点确定合理的工艺参数。 （1）翻孔和翻边。翻孔是在预先制好孔的工序件上沿孔边缘翻起竖立直边的成形方法；翻边是在坯料的外边缘沿一定曲线翻起竖立直边的成形方法。利用翻孔和翻边可以加工各种具有良好刚度的立体零件，如自行车中接头、汽车门外板等，还能在冲压件上加工出与其他零件装配的部位，如铆钉孔、螺纹底孔和轴承座等。 （2）胀形。冲压生产中，一般将平板坯料的局部凸起变形和空心件或管状件沿径向向外扩张的成形工序统称为胀形，常见的胀形有起伏成形（如压制加强筋、凸包、凹坑、花纹图案及标记等）和管胀形（如壶嘴、皮带轮、波纹管、各种接头等），如图2-36所示，几种胀形件实例。 （3）缩口。缩口是将圆筒形拉深件或圆管的口部直径缩小的一种变形工艺，圆管经过缩口后，外部直径减小，管壁厚度增加，轴向尺寸增大。零件缩口前后情况，如图2-37所示。在缩口中变形区材料主要受到切向的压缩变形，易在变形区口部失稳起皱和在筒壁受压力失稳变形。 （4）整形与校平。整形一般安排在拉深、弯曲或其他成形工序之后，用整形的方法可以提高拉深件或弯曲件的尺寸和形状精度，减小圆角半径，如图2-38所示。 校平是提高冲裁后工件平面度的一种工序，如图2-39所示。通过校平与整形模使零件产生局部的塑性变形，从而得到合格的零件。

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第二节 塑料成型设备及工艺 1．塑料的组成 塑料是由多组分组成的，其主要成分是树脂，另外，根据不同的树脂或者制品的不同要求，加入不同的添加剂，从而获得不同性能的塑料配件。 （1） 树脂。合成树脂是塑料的主要成分，它在塑料中起粘结作用，也叫粘料。 （2）填料。填料在塑料中主要起增强作用，有时还可以使塑料具有树脂所没有的性能。 （3）增塑剂。增塑剂是为改善塑料的性能、提高柔软性而加入塑料中的一种低挥发性物质。 （4）稳定剂。稳定剂能阻缓材料变质。常用的稳定剂有二盐基性亚磷酸铅、三盐基性硫酸铅、硬脂酸钡等。 （5）着色剂。着色剂是为了使塑料附上色彩，起着美观和装饰的作用。 （6）润滑剂。润滑剂的作用是为了降低塑料内部分子之间的相互摩擦或者减少和避免对模具的磨损。常用的润滑剂有醇类、脂类、石蜡、硬脂酸以及金属皂类。润滑剂分为两类：内润滑剂和外润滑剂。 2．塑料的分类 塑料的种类很多，按其受热后所表现的性能不同，可分为热固性塑料和热塑性塑料两大类。 （1）热固性塑料。是指在初受热时变软，可以塑制成一定形状，但加热到一定时间后或加入固化剂后就硬化定型、再加热则不熔融也不溶解、形成体型（网状）结构物质的塑料。例如，酚醛塑料、环氧塑料、氨基塑料等。 （2）热塑性塑料。是指在特定温度范围内能反复加热和冷却硬化的塑料。这类树脂在成形过程中只发生物理变化而没有化学变化，所以，受热后可多次成型，其废料可回收和重新利用。常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、有机玻璃、尼龙等。 一、常用塑料模具成型设备 对塑料进行模塑成型所用的设备称塑料模塑成型设备。按成型工艺方法不同，可分为塑料注射机、液压机、挤出机、吹塑机等。本书主要介绍塑料注射机（又称注塑机）。 1．注塑机的分类 注塑机类型的划分有不同的方法，采用以结构的特征来区别，分为柱塞式（如图2-40所示）和螺杆式（如图2-41所示）两类。最大注射量在60 g以上的注塑机多数为移动螺杆式。

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2．注塑机的型号和主要技术参数 （1）注射机规格型号。目前主要有注射量、合模力、注射量与合模力同时表示3种。我国允许采用注射量、注射量与合模力两种同时表示方法。 ① 注射量表示法。例如XS-ZY-500注射机，各符号的意义如下： XS—类别代号（XS为塑料成型机）； Z—组别代号（Z为注射）； Y—预塑方式（y为螺杆预塑）； 500—主参数（注射容量为500 cm3）。 ② 合模力与注射量表示法。例如SZ-63/50注射机，各符号的意义如下： S—类别代号（S为塑料机械类）； Z—组别代号（Z为注射）； 63/50主参数（注射容量为63 cm3，合模力为50 ? 10 kN）。 （2）注塑机的主要技术参数。 ① 公称注射量。公称注射量是指在对空注射的条件下，注射螺杆或柱塞作一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量。 注射量有两种表示法，一种是以加工聚苯乙烯塑料为标准，用注射出熔料的重量（单位为g）表示；另一种是用注射出熔料的容积（单位为cm3）表示。我国注塑机规格系列标准采用前一种表示法。 ② 注射压力。为了克服熔料经喷嘴、浇注系统流道和型腔时所遇到的一系列流动阻力，螺杆或柱塞在注射时，必须对熔料施加足够的压力，此压力称为注射压力。 ③ 注射速率、注射时间与注射速度。注射时，为了使熔料及时地充满模腔，除了必须有足够的注射压力外，还必须使熔料有一定的流动速度。描述这一参数的量称为注射速率，也可用注射时间或注射速度表示。 ④ 塑化能力。塑化能力是指单位时间内塑化装置所能塑化的物料量。 ⑤ 锁模力（又称合模力）。指注塑机的合模装置对模具所能施加的最大夹紧力。 ⑥ 合模装置的基本尺寸。合模装置的基本尺寸包括模板尺寸、拉杆间距、模板间最大距、移动模板的行程、模具最大和最小厚度等。这些参数制约了注塑机所用模具的尺寸范围和动作范围。 3．注塑机的组成 注塑机主要由注射系统、锁模系统、模具3部分组成。 （1）注射系统。注射系统是注射机的主要部分，其作用是使塑料均匀地塑化并达到流动状态，在很高的压力和较快的速度下，通过螺杆或柱塞的推挤注射入模。注射系统包括：加料装置、料筒、螺杆及喷嘴等部件。 喷嘴。喷嘴是连接料筒和模具的桥梁。其主要作用是注射时引导塑料从料筒进入模具，并具有一定射程。所以，喷嘴的内径一般都是自进口逐渐向出口收敛，以便与模具紧密接触，如图2-42所示。

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图2-42 喷嘴 （2）锁模系统。最常见的锁模机构是具有曲臂的机械与液压力相结合的装置，如图2-43所示，它具有简单而可靠的特点，故应用较广泛。 （3）模具。利用本身特定形状，使塑料成型为具有一定形状和尺寸的制品的工具称为模具。模具的作用在于：在塑料的成型加工过程中赋予塑料以形状，给予强度和性能，完成成型设备所不能完成的工件，使它成为有用的型材。 二、塑料成型工艺 1．塑料的工艺性能 塑料的工艺性能体现了塑料的成型特性，包括流动性、收缩性、结晶性、吸水性、固化速度、比容和压缩比、挥发物含量等。这里主要介绍塑料的流动性、收缩性、固化速度和挥发物含量。 （1）流动性。塑料在一定的温度与压力下充满模具型腔的能力称为流动性。 （2）收缩性。塑料自模具中取出冷却到室温后发生尺寸收缩的特性称为收缩性，其大小用收缩率来表示。 （3）固化速度。固化速度是指从熔融状态的塑料变为固态制件时的速度。 （4）挥发物含量。塑料中的挥发物包括水、氯、氨、空气、甲醛等低分子物质。 2．塑件的成型过程 （1）注射模塑成型过程。注射模塑成型过程包括加热预塑、合模、注射、保压、冷却定形、开模、推出制件等主要工序。现以螺杆式注射机的注射模塑为例予以阐述，如图2-44所示。 （2）压缩模塑件成型过程。压塑模塑件成型过程包括加料、闭模、固化、脱模等主要工序。 （3）压注模塑成型过程。压注模塑成型过程与压缩模塑成型过程基本相同。如图2-46所示 。

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3．塑件工艺性 塑件常用注射、压缩、压注等方法成型，其结构和技术要求都应满足成型工艺性的要求。 （1）形状。塑件的形状应尽量简单，结构上应尽量避免与起模方向垂直的侧壁凹槽或侧孔，以简化模具结构。 （2）壁厚。塑件的壁厚应大小适宜而且均匀。 壁厚不合理结构，如图2-47（a）所示，合理结构，如图2-47（b）所示。 图2-47 壁厚的均匀性 （3）圆角。塑件结构上无特殊要求时，转角应尽可能以半径为0.5～1 mm的圆角过渡，以避免出现清角（但在模具分型面处、型芯与型腔结合处或塑件使用性能上要求清角过渡时除外）。 （4）加强肋。加强肋能在不增加塑件壁厚的条件下提高塑件的刚度和强度，沿着料流方向的加强肋还能减小熔料的充模阻 力。设置加强肋时，应尽量减少或避免塑料的局部集中，否则容易产生缩孔或气泡。形式较差，如图2-48（a）所示；形式较好，如图2-48（b）所示。 图2-48 加强肋的形式 （5）孔。塑件上各种形状的孔应尽可能开设在不减弱塑件机械强度的部位，其形状也应力求不使模具制造工艺复杂化。孔与孔之间、孔与边缘之间应有足够的壁厚。小直径孔的深度不宜过深，一般为孔径的3～5倍。 （6）起模斜度。为了便于起模，避免擦伤和拉毛，塑件上平行于起模方向的表面一般都应具有合理的起模斜度，如图2-49所示。 （7）嵌件。塑件中镶嵌的金属或其他材料制作的零件称为嵌件，如图2-50所示。嵌件除应保证能与塑件可靠连接外，还应便于嵌件在模具内固定，并能防止漏料或产生飞边。嵌件周围的塑料层应有足够的厚度，以防止因嵌件和塑料的收缩不同而产生的内应力使塑件开裂。

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（8）花纹、标记和文字。塑件上的花纹、标记、文字应保证易于成型和起模，并且便于模具制造。 （9）螺纹。塑件上外螺纹的直径不宜小于4 mm，内螺纹的直径不宜小于2 mm，螺纹精度不高于IT8。 （10）尺寸精度。塑料收缩率的波动，成型工艺条件的变化，模具成型零件的制造精度、装配精度及磨损等都会影响塑件的精度。塑件的精度一般低于金属件切削加工的精度。塑件精度划分为1～8级，其中1级最高，8级最低。1～2级为精密技术级，只有在特殊条件下采用；7～8级的精度太低，一般也不用；常用的是3～6级。 三、成型零件的工作尺寸计算 成型零件工作尺寸是指成型零件上直接用来成型塑件部位的尺寸。它主要有型腔和型芯的径向尺寸（包括矩形和异形的长度和宽度尺寸）、型腔的深度和型芯的高度尺寸、型腔（型芯）与型腔（型芯）的位置尺寸等。在模具设计中，应根据塑件的尺寸、精度来确定模具成型零件的工作尺寸及精度。 1．影响塑件尺寸精度的因素 （1）成型收缩率。塑料成型后收缩率与塑件的原材料、塑件的结构、模具的结构，以及成型的工艺条件等因素有关，塑件尺寸的变化值为： ?S?(Smax?Smin)LS 式中：?S—塑料收缩波动而引起的塑件尺寸误差（mm）； LS—塑件尺寸（mm）； Smax—塑件的最大收缩率（%）； Smin—塑件的最小收缩率（%）。 （2）模具成型零件的制造误差。模具成型零件的制造精度是影响塑件尺寸精度的重要因素之一。模具成型零件的制造误差越小，塑件的尺寸精度越高，但是模具零件加工困难，制造成本和加工周期也会加大加长。 （3）模具成型零件的磨损。模具在使用过程中，由于塑料熔体流动的冲刷、脱模时与塑料的摩擦、成型过程中可能产生的腐蚀性气体的锈蚀，由于上述原因，成型零件最大的磨损量应取塑件公差的1/6。而大型塑件，模具的成型零件最大磨损量应取塑件公差的 1/6以下。 （4）模具安装配合的误差。模具成型零件由于配合间隙的变化，会引起塑件的尺寸变化，模具的配合间隙误差应不影响模具成型零件的尺寸精度和位置精度。 2．成型零件工作尺寸的计算 工作尺寸计算包括型腔和型芯的径向尺寸、型腔深度及型芯高度尺寸、中心距尺寸的计算，计算公式，如表2-10所示。

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3．螺纹型芯及型环尺寸计算 螺纹型芯是用来成型塑件上的内螺纹（螺孔）的。螺纹型环则是用来成型塑件上的外螺纹（螺杆）的。因此它们也属于成型零件。此外它们还可用来固定金属螺纹嵌件。 （1）螺纹型芯、型环的形式及固定。无论螺纹型芯还是型环，在模具上都有模内自动卸除和模外手动卸除两种类型。 螺纹型芯的安装形式，如图2-51所示，图2-52为螺纹型环的固定形式。 （2）螺纹型芯和型环的尺寸计算。当塑件外螺纹与塑件内螺纹配合时，制造螺纹型芯和型环时可不考虑塑件螺距的收缩率；当塑件螺纹与金属螺纹的配合长度不超过表2-11所列范围时，则制造螺纹型芯和型环也可不考虑塑件螺距收缩率；当塑件螺纹与金属螺纹的配合长超过7～8牙时，则制造螺纹型芯和型环时应当考虑塑件的收缩率。螺纹型芯和型环径向尺寸及螺距尺寸计算公式，如表2-12所示。 4．模具型腔侧壁和底板厚度计算 塑料模在注射成型过程中，由于注射成型压力很高，型腔内部承受熔融塑料的巨大压力，这就要求型腔要有一定的强度和刚度，如果模具型腔的强度和刚度不足，则会造成模具的变形和断裂。型腔侧壁所受的压力应以型腔内所受最 大压力为准。对于大型模具的型腔，由于型腔尺寸较大，常常由于刚度不足而弯曲变形，应按刚度计算；对于小型模具的型腔，型腔常在弯曲变形之前，其内应力已超过许用应力，应按强度计算。 型腔的形状和结构有各种不同的形式，本书只介绍整体式圆形型腔厚度的计算方法，整体式圆形型腔如图2-53所示。 （1）整体式圆形型腔侧壁厚度计算。 ① 刚度计算。 1??2??E?/rp???1????S?r???1???E???/rp???1??????? 1??2??E????0.75rp??r???1??E????1.25rp???????? ② 强度计算。 1??2???????S?r???1???????2P??????? 式中：S—圆形型腔的侧壁厚度（mm）； r—型腔半径，可取塑件半径（mm）； P—型腔压力（MPa）； [? ]—模具材料的需用应力（MPa）。

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（2）整体式圆形型腔底板厚度计算。 ① 刚度计算。 ?0.175Pr4h???E??????Pr??0.56r????E????????1313 式中：P—型腔压力（MPa）； r—型腔半径，可取塑件半径（mm）； E—模具材料的弹性模量（MPa），碳钢为2.1 ? 10（MPa）； h—型腔底板厚度（mm）； [? ]—刚度条件，即允许变形量（mm）。 ② 强度条件。 ?3Pr2??P?h???0.87r??4???????????????式中：h—型腔底板厚度（mm）； P—型腔压力（MPa）； r—型腔半径，可取塑件半径（mm）； [? ]—刚度条件，即允许变形量（mm）。 1212 第三节 模锻成形设备及工艺 在锻压生产中，将金属毛坯加热到一定温度后放在模膛内，利用锻锤压力使其发生塑性变形，充满模膛后形成与模膛相仿的制品零件，这种锻造方法称为模型锻造，简称模锻。 模锻是成批或大批量生产锻件的锻造方法。其特点是在锻压设备动力作用下，坯料在锻模模膛内被压塑性流动成形，得到比自由锻件质量更高的锻件。经模锻的工件，可获得良好的纤维组织，并且可以保证IT7～IT9级精度等级，有利于实现专业化和机械化生产。 模锻生产优缺点如下。 1．优点 （1）可以锻造形状较复杂的锻件，尺寸精度较高，表面粗糙度较低。 （2）锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高。 （3）可使流线分布更为合理，这样可进一步提高零件的使用寿命。 （4）操作简便，劳动强度较小。 （5）生产率较高、锻件成本低。 2．缺点 （1）设备投资大、模具成本高。 （2）生产准备周期、尤其是锻模的制造周期都较长，只适合大批量生产。 （3）工艺灵活性不如自由锻。

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一、模锻成形设备的分类、组成及工作原理 1．模锻成形设备的分类 模锻生产中使用的锻压设备按其工作特性可以分为5大类：模锻锤类、螺旋压力机类、曲柄压力机类、轧锻压力机类和液压机类。表2-13为模锻设备分类及用途特点。 2．典型模锻成形设备的组成及工作原理 蒸汽—空气模锻锤。利用压力为（7～9）?105Pa的蒸汽或压力为（6～8）?105Pa的压缩空气为动力的锻锤称为蒸汽—空气锤，它是目前普通锻造车间常用的锻造设备。蒸汽—空气自由锻锤按用途不同分为自由锻锤和模锻锤两种；根据机架形式，可分为单柱式、拱式和桥式3种，如图2-54所示。 由于模锻工艺需要，立柱与砧座的相对位置可通过横向调节楔来进行锤身的左右微调。为保证机架中心精度要求，立柱直接用8个向斜置10°～12°的螺栓与砧座连接。锻造时，由于冲击力的作用，使立柱与砧座产生的间隙可通过螺栓下的弹簧所产生的侧向分力将立柱压紧在砧座的配合面上，从而防止左右立柱卡住锤头。 （1）蒸汽—空气模锻锤的组成。 模锻锤是在蒸汽—空气自由锻锤的基础上发展而成的。由于多模膛锻造，常承受较大的偏心载荷和打击力，所以为满足模锻工艺的要求，模锻锤必须有足够的刚性。如图2-55所示，蒸汽—空气模锻锤由汽缸（带打滑阀和节气阀）、落下部分（活塞、锤杆、锤头和上模块）、立柱、导轨、砧座和操纵机构等部分组成。 （2） 蒸汽—空气模锻锤工作原理。 各种不同用途和结构形式的蒸汽—空气锤，其工作原理都相似。 如图2-56所示，当蒸汽或压缩空气充入进气管1经节气阀2、滑阀3的外周和下气道4时，进入气缸5的下部，在活塞下部环形底面上产生向下作用力，使落下部分向上运动。此时，汽缸上部的蒸汽（或压缩空气）从上气道4进入滑阀内腔，经排气管10排入大气。 二、模锻的工艺 锻造工艺过程主要指在锻造过程中锻造不同材料的始锻温度、终锻温度、锻造方法和锻件的退火处理等。 1．锻造温度 对于一般的碳素工具钢和低合金工具钢，在加热温度上没有特殊的要求，与一般的结构钢锻造并无大的差异，主要是自由锻造。 碳素工具钢和低合金工具钢的锻造温度见表2-14。高铬钢和高速钢的锻造温度见表2-15。 2．锻造方法 碳素工具钢和低合金工具钢的锻造方法与高铬钢、高速钢的锻造方法基本相同，均采用多次镦粗、拔长的方法达到所要求的形状和尺寸。对于高速钢和高铬钢，经锻造可以达到改善碳化物分布的不均匀性，从而提高零件的工艺性和使用

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寿命。有的零件在锻造时，还要求具有一定的纤维方向，以提高某一方向的强度。目前，在锻造时一般采用以下方法。 （1）纵向锻造法。此法是沿着坯料的轴向镦粗、拔长。其优点是操作方便，流线方向容易掌握，纵向镦粗、拔长能有效地改善碳化物的分布状况。但镦粗、拔长次数多容易使两端开裂。对于纵向镦粗、拔长的工艺，如图2-57所示。锻坯按图2-57进行反复镦粗、拔长多次，最后按锻件图的要求成形。 （2）横向锻造法。此方法就是变向的镦拔。其中（包括十字、双十字镦拔）横向十字镦粗拔长是将锻坯顺着轴线方向镦粗后，再沿着轴线的垂直方向进行十字形的反复镦拔的一种锻造方法。横向镦粗拔长工艺，如图2-58所示。 （3）综合锻造法。纵向（顺向）镦拔虽能有效地改善碳化物分布状况，但锻件中心较易开裂，而横向锻造虽不易使锻件开裂，但对改善碳化物分布的效果较差。因此，将每一次锻造中均包括纵向镦拔和横向镦拔（一或十字）的锻造方法，称为综合锻造法。因为此法保留了横向十字镦拔坯料中心不容易开裂和纵向镦拔能改善碳化物分布的优点，所以广泛地应用于模具零件的锻造。 3．锻件的退火 锻造结束后，由于锻件的终锻温度比较高，或者随后的冷却不均匀，使其得到粗大的不均匀组织，并可能产生极大的内应力，使材料的力学性能变坏；同时，也降低了冷加工性能（如切削加工性、冲压性等）。因此，对锻件要进行退火处理，使其组织细化、消除内应力，从而改善切削加工性能。 各种模具的锻件，应有一定的退火工艺规范，以期达到所要求的硬度和金相组织。按照锻件钢种的不同，一般可将其退火工艺分为3类。 第1类锻件的退火工艺，如图2-59所示，它适用于高铬钢和高速钢，对于含钼高速钢装料后，应进行封闭退火，即用废铸铁屑、干砂进行保护。 第2类锻件的退火工艺，如图2-60所示，它适用于一般低合金工具钢。其高温保温时间，一般直径或厚度100 mm以下的小型锻件及装载量不大时，采用3 h。锻件较大及其装载量大的采用5 h。低温保温时间：小件、小装载量采用3 h；大件、装载量大的采用6 h。 第3类锻件退火工艺，如图2-61所示，它适用于各类工具钢，如T7、T7A、T8、T8A、T10、T10A和9Mn2V等。其高温保温时间为：小型锻件、小装载量采用3 h；大型锻件及重载量，采用5 h。低温保温时间为：小型锻件、小装载量采用3 h；大型锻件及重装载量采用6 h。 第2类、第3类退火适用的锻件，除特殊需要外，一般均不采用封闭保护措施。对于不宜采用上述3类退火工艺的锻件，特别是极易脱碳的小截面锻件，应根据材料的不同，另制定退火工艺和采取保护措施，达到软化组织、消除内应力的目的。

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第四节 压铸成形设备及工艺 压铸即压力铸造，是将熔融合金在高压、高速条件下充填型腔，并在高压下冷却凝固成形的一种精密铸造方法。用压铸成形获得的制件称为压铸件，简称铸件。 由于压铸时熔融合金在高压、高速下充填，冷却速度快，因此有以下优点。 （1）压铸件的尺寸精度和表面质量高。 （2）压铸件组织细密，硬度和强度高。 （3）可以成形薄壁、形状复杂的压铸件。 （4）生产效率高、易实现机械化和自动化。 （5）可采用镶铸法简化装配和制造工艺。 尽管压铸有以上优点，但也存在一些缺点：压铸件易出现气孔和缩松；压铸合金的种类受到限制；压铸模和压铸机成本高、投资大，不宜小批量生产等。 一、常用压铸成形设备 压铸机是压铸生产的专用设备，压铸过程只有通过压铸机才能实现。 1．压铸机的基本组成 压铸机主要由合模机构、压射机构、液压及电器控制系统、基座等部分组成，如图2-62所示。 2．压铸机的分类 表2-16 压铸机的分类 3．压铸机的型号和主要技术参数 （1）压铸机的型号。目前，国产压铸机已经标准化，其型号主要反映压铸机类型和锁模力大小等基本参数。例如J1113C各符号意义如下： J—类别号（机械类压力机）； 1—列别代号； 1—组别代号； 13—主要参数合模力（合型力）为1 250 kN； C—结构性能改进设计序号。

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在国产压铸机型号中，普遍采用的主要有J213B、J1113C、J113A、J16D、J163等型号。 （2）压铸机的主要技术参数。压铸机的主要技术参数已经标准化，在产品说明书上均可查到。主要参数有锁模力、压射力、压室直径、压射比压、压射位置、压室内合金的最大容量、开模行程及模具安装用螺孔位置尺寸等。 4．压铸机的选用 实际生产中应根据产品的要求和具体情况选择压铸机。一般从以下两个方面进行考虑。 （1）按生产规模及压铸件品种选择压铸机。在组织多品种、小批量生产时，一般选用液压系统简单、适应性强和能快速调整的压铸机；在组织少品种、大批量生产时，则应选用配备各种机械化和自动化控制机构的高效率压铸机；对单一品种大量生产时，可选用专用压铸机。 （2）按压铸件的结构和工艺参数选择压铸机。压铸件的外形尺寸、质量、壁厚以及工艺参数对压铸机的选用有重大影响。一般应遵循以下原则。 ① 压铸机的锁模力应大于胀型力在合模方向上的合力。 ② 每次浇入压室中熔融合金的质量不应超过压铸机压室的额定容量。 ③ 压铸机的开、合模距离应能保证铸件在合模方向上能获得所需尺寸，并在开模后能顺利地从压铸模上取出铸件和浇注系统凝料。 ④ 压铸机的模板尺寸应能满足压铸模的正确安装。 二、压铸的工艺 1．压铸件的结构工艺性 （1）结构形状。压铸件的结构形状应力求简单，以简化模具结构，其中尤其要注意消除无法或难以进行侧向抽芯的内部侧凹，避免侧向型芯和固定型芯相互交叉，尽量减少需要侧向抽芯的部位。 （2）壁厚。压铸件壁厚过薄会在压铸成形时造成熔接不良、填充不良、表面缺陷增多等不足，而过厚又会产生内部气孔、缩孔和冷金属堆聚等缺陷。 表2-17为一般工艺条件下压铸件最小壁厚的推荐值。 表2-17 压铸件最小壁厚推荐值 （3）起模斜度。适宜的起模斜度不仅便于压铸件起模，而且有利于延长模具寿命，防止压铸件表面拉伤。压铸件有配合要求的外表面的最小起模斜度可按合金材料选取：锌合金为10'，铝合金和镁合金为15'，铜合金为30'；内表面的最小起模斜度应比外表面增加一倍。压铸件结构允许时或非配合表面的起模斜度应适当增加。

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（4）圆角。压铸件上除分型面部位之外的转角都应设计成圆角，以便合金液流动成形，减少涡流，同时又能避免压铸件在尖角处产生应力集中而开裂。锌合金、铝合金、镁合金压铸件的最小圆角半径取R = 1 mm，铜合金取R = 2 mm。结构允许时，压铸件圆角半径可按下式计算： 11R?~(t1?t2)43 （5）孔。压铸件上的孔径不宜过小，并且孔深与孔径的比例不能太大，这是因为细而长的型芯在合金液充填时的冲击或冷却时的包紧力作用下会弯曲或折断。最小孔径、孔深与孔径的最大比值参见表2-18。 压铸件的长方形孔和槽也应控制其最小宽度和最大深度。 （6）图案及文字标志。压铸件上的图案、文字应凸出压铸件表面0.3～0.5 mm，线条宽度应大于凸出高度的1.5倍，线条间最小距离为0.3 mm，起模斜度为10°～15°。文字一般不应小于5号字体。 （7）螺纹和齿轮。压铸件上的内螺纹一般仅铸出底孔，压铸后用机械加工方法加工出螺纹，有时对于锌合金件上大于或等于10 mm的内螺纹，铝合金、镁合金件上大于或等于16 mm的内螺纹也可以直接铸出。压铸外螺纹时最好留有0.2～0.3 mm的机械加工余量，外螺纹直径一般不宜小于6 mm，采用螺纹型环成形时不宜小于12 mm。螺纹的最小螺距：锌合金件为0.75 mm；镁合金、铝合金件为1 mm；铜合金件为1.5 mm。 （8）嵌件。压铸件上也可以镶嵌入嵌件，但应注意：嵌件上被合金包紧部分不允许有尖角；应采用滚花、割槽、压扁等方式使其嵌在压铸件上可靠固定；嵌件结构应有利于其在模具中的固定；嵌件周围应有足够壁厚的合金。 2．尺寸精度 压铸件上的自由公差按IT14取值，要求较高的尺寸可取IT13～IT11，在较高的工艺技术条件下，铝合金、镁合金压铸件的尺寸精度可达IT10，锌合金压铸件为IT9～IT8。 3．机械加工余量 压铸件的表层材料质地致密，内部组织比较疏松，因而在压铸后应尽量避免再作机械加工。部分表面达不到要求而需机械加工时，应尽可能取较小的加工余量。一般表面的机械加工余量应控制在0.3～0.5 mm，最大为0.8～1.2 mm。铰孔的余量常取0.15～0.25 mm。 4．压铸工艺 压铸工艺主要参数是压力、速度、温度和时间等。 （1）压力。 ① 压射力。压铸机压射缸内的工作液作用于压射冲头使其推动熔融合金充填模

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具型腔的力，称为压射力，它反映压铸机的功率大小。压射力的计算式为： ② 压射比压。压射比压是指压射冲头作用于熔融合金单位面积上的压力。其计算式为： P'πd2F?4p? 通常把填充阶段的比压称填充比压，充型结束时的比压称压射比压。选择比压时，应根据压铸件的强度、致密性和壁厚等确定。一般压铸件要求强度越高，致密性越好，比压就越大；对薄壁压铸件因充型困难，填充比压就要大些；对厚壁压铸件因凝固时间长，故填充比压可小些，但压射比压要大。 ③ 胀型力。由于压射比压的作用，使正在凝固的熔融合金将压射比压传递给型腔壁面的压力称为胀型力。其计算式为： F4F?2AπdFZ?pA （2）速度。 ① 压射速度。压射速度指压室内压射冲头推动金属液的移动速度，分为高速和低速两个阶段。通过压铸机压射速度调节阀可实现无级调速。压射速度一般为0.3～5 m/s。 ② 充填速度。充填速度指熔融合金在压射冲头作用下通过内浇口进入型腔时的线速度，也称内浇口速度。 （3）温度。 ① 浇注温度。浇注温度指熔融合金自压室进入型腔时的平均温度，通常用保温炉内的熔融合金温度表示。浇注温度过高，合金收缩大，铸件易产生变形和裂纹，且易粘模；浇注温度过低，充型困难，铸件易产生冷隔、表面流纹和浇不足等缺陷。 ② 模具温度。模具温度指模具的工作温度，压铸模在压铸前要预热到一定的温度。预热的作用如下。 i避免熔融合金因激冷而充型困难或产生冷隔或因线收缩加大而使铸件开裂。 ii避免模具因激热而胀裂。 iii调整模具滑动配合间隙，以防合金液穿入。 iv降低型腔中的气体密度，有利于排气。

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模具工作温度按下列经验公式计算： 1tm?tj?253 式中：tm —压铸模工作温度（℃）； tj —合金浇注温度（℃）。 （4）时间。 ① 充填时间。充填时间指熔融合金自开始进入模具型腔到充满型腔所需的时间。充填时间的长短取决于铸件体积和复杂程度。 ② 保压时间。保压时间指熔融合金从充满型腔到内浇口完全凝固之前，冲头压力所持续的时间。保压时间的作用一方面是加强补缩，另一方面可使组织更致密。 ③ 留模时间。留模时间指保压时间终了到开模推出铸件的时间。留模时间以推出铸件不变形、不开裂的最短时间为宜。一般为5～15 s；反之应长些，一般为20～30 s。 ① 涂料的作用。 i 改善模具工作条件。涂料可避免熔融合金直接冲刷型腔和型芯表面。 ii改善成形条件，降低模具热导率，保持合金的流动性。 iii提高铸件质量和延长模具寿命，减少铸件与模具成形部分的摩擦，并防止粘模（对铝合金而言）。 注意：涂料使用不当会导致铸件产生气孔和夹渣等缺陷。 ② 涂料的种类。压铸用涂料的种类很多，常用的涂料和配方有：胶体石墨（油剂）、天然蜂蜡、氟化钠（3～5%）和水（97～90%）、石墨（5～10%）和全损耗系统用油（95～90%）、锭子油（30#、50#）、聚乙烯（3～5%）和煤油（97～95%）、黄血盐等。 ③ 涂料的使用要求。 i用量要适当，避免厚薄不均或过厚。 ii合模浇注前，必须挥发掉涂料中的稀释剂。 iii避免涂料堵塞排气槽。 iv在型腔转折、凹角部位不应有涂料沉积。

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第五节 粉末冶金成形设备及工艺简介 粉末冶金既是制取金属材料的一种冶金方法，又是制造机械零件的一种加工方法。作为特殊的冶金工艺，可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料；作为少无切削工艺之一，可以制造各种精密的机械零件。 粉末冶金从制取金属粉末开始，将金属粉末与金属或非金属粉末（或纤维）混合，经过成形、烧结、制成粉末冶金制品—材料或零件。根据需要，对粉末冶金制品还可进行各种后续处理，如熔浸、二次压制、二次烧结和热处理、表面处理等工序。此外，当制造复杂形状零件时，可以采用金属注射成形（MIM）、温压工艺；当制造大型和特殊制品时，可以采用挤压成形、等静压制、热压制、电火花烧结；对于带材，还可以采用粉末轧制。 一、粉末冶金材料特点 粉末冶金工艺之所以能够在机械制造、汽车、电器、航空等工业中获得广泛的应用，主要是基于这种工艺的如下特点。 （1）可制取合金与假合金，发挥每种组元各自的特性，使材料具有良好的综合性能。 常见的多组元材料有如下几类。 ① 铁基、铜基结构零件材料。当选用较高的密度时，其力学性能与碳钢相当。 ② 摩擦材料。以金属组元作基体（如铁、铜），加入提高摩擦系数的非金属组元（如氧化铝、二氧化硅、铸石粉）以及抗咬合、提高耐磨性能的润滑组元（如铅、锡、石墨），制成有良好综合性能的摩擦材料，用作动力机械的离合器片和制动片。 ③ 电工触头材料。将高熔点的组元作为耐电弧的基体（如钨、石墨），加入电导率高的组元（如铜、银），做成有良好综合性能的触头材料，用于电器开关中的触头。 ④ 烧结铜铅减磨材料。用预合金铜铅粉或混合粉，经松装烧结到钢背上并轧制，或经压制成形并加压烧结扩散焊接到钢件上，制成双金属轴瓦、侧板和柱塞泵缸体，可显著减少材料中铅的偏析，提高材料的减磨性能。 ⑤ 金刚石—金属工具。用金属粉末（如钴、镍、铜、铁、钨或碳化钨等）作为胎体，孕镶金刚石颗粒或粉末，做成各种金刚石工具。 ⑥ 纤维增强复合材料。用金属纤维、碳纤维、单晶须等与金属粉末混合后，经成形（压制或轧制）、烧结制成复合材料，使材料的强度及耐磨性显著提高。 （2）可制取多孔材料。熔炼材料通常是致密的，有时存在不可控制的气孔、缩孔，它们是材料的缺陷，无法利用。而粉末冶金工艺制造的零件材料，基体粉末 35

不熔化，粉末颗粒间的空隙可以留在材料中，且分布较均匀。 （3）可制取硬质合金和难熔金属材料。钨、钼、钽、铌、锆、钛及其碳化物、氮化物等材料的熔点一般在1 800℃以上，用熔炼方法，会遇到熔化和制备炉衬材料困难。用粉末冶金工艺，可利用压坯自身电阻加热，在真空或保护气氛中烧结，避免了制备耐高温炉衬材料的困难。因此，粉末冶金工艺是制取难熔金属及合金的最佳方法。 （4）一种精密的，少、无切削加工方法。用粉末冶金方法来制造机械零件，在材料性能符合使用要求的同时，制品的形状和尺寸已达到或接近最终成品的要求，无需或只需少量切削加工。与切削加工工艺相比，粉末冶金工艺优点如下。 ① 生产效率高。一台粉末冶金专用压机，班产量通常为1 000～10 000件。 ② 材料利用率高。通常材料利用率在90%以上。 ③ 节约有色金属。在减磨材料领域里，相当多的情况下，多孔铁可取代青铜及巴氏合金。 ④ 节省机床。节约切削加工机床及其占地面积。 二、粉末冶金成形过程 粉末冶金并不是一种制品，而是一门制造金属制品的技术。用粉末冶金制造金属制品的过程，如图2-63所示。 图2-63 粉末冶金工艺流程 粉末冶金的基本工序是：粉末制造、成形、烧结及烧结后的加工处理。有时要增加熔浸、二次压制和二次烧结等工序。此外，有时还采取一些特殊方法，如

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制造大型和特殊制品时，采用挤压成型、等静压制、热压制、火花烧结；对于带材，采用粉末压制等。 三、粉末冶金制品的种类 粉末冶金制品种类很多，在此仅介绍机械制造工业中常用的几个品种，如减磨零件、结构零件、摩擦零件、过滤零件、磁性零件和电触头等。 （1）减磨零件。粉末冶金的减磨零件主要有两大类，一类是自润滑轴承，如使用最广泛的是铁基和铜基含油轴承；另一类是需要外界润滑的轴承，如带钢背的铜铅轴瓦、钢背-铜镍—巴氏合金的三金属轴瓦，以及纯铁硫化处理的轴承等。 （2）结构零件。粉末冶金的结构零件分为两大类，一类是铁基的烧结零件，它的应用最广，近来由于工艺上的改进和发展，出现了取代中高强度钢制的零件；另一类是有色金属的结构零件，如黄铜、青铜和铝合金的制品等。 （3）摩擦零件。粉末冶金的摩擦零件有铁基和铜基的两类。铜基的主要用于液体摩擦的条件，铁基的主要用于摩擦的条件。 （4）过滤零件。粉末冶金的过滤零件可由铁、镍、镍铬合金、不锈钢、钛、青铜等材料来制造，其中铁、镍、青铜及不锈钢的过滤零件应用最广。 （5）磁性零件。用粉末冶金制造的磁性零件有软磁零件、硬磁零件和磁介质3类。 软磁零件可由纯铁、铁铜磷钼、铁硅、铁镍及铁铝合金等材料烧结。硬磁零件由铝镍钴合金等烧结。磁介质零件由软磁材料与电介质组合物制成的制品，如铝硅铁粉芯。 （6）电触头。由于粉末冶金可将高熔点的钨、钼及碳化物与电导率高的易熔金属银铜结合起来，制成兼有高强度、耐电蚀及高电导率的复合烧结合金触头，用于大电流高压电路的开闭设备中。烧结银—氧化镉，银—铁触头在低压电器与弱电设备中也得到广泛应用。 四、粉末冶金成形设备 由于粉末冶金制品的材料成分、几何形状和物理—力学性能多种多样，因此，除单轴向刚性闭合模具压制成形外，还有冷或热等静压、挤压、粉末锻造、 37

注射成形等成形工艺。但目前生产量最大的粉末冶金机械零件仍然是用单轴向刚性闭合模具压制成形的。 粉末成形压机及其模架不仅应用于以结构零件为主的铁、铜基粉末冶金机械零件的生产，而且也应用于压制成形铁氧体磁性元件、精密陶瓷件，以及硬质合金制品等。在生产中，除粉末成形压机外还有精整压机，其结构比粉末压机简单。 在进行模具设计时，应对所选择的（使用的）粉末成形设备的性能、结构有所了解，因为它直接影响粉末成形（精整）的模具结构方案的确定。粉末成形设备通常是由机械和液压驱动的，故分为机械式粉末成形压机和液压式粉末成形压机。 随着生产技术的发展，粉末成形压机已作为一种专用设备，并逐渐增加了一些任选附件（模架等）或附属装置（模架快速交换装置等）供选用。 专用的粉末成形压机功能齐全，但价格较昂贵。对一些形状简单，精度不高的粉末冶金件的成形（精整），可通过对普通可倾压力机（冲床）、框式（四柱）液压机进行自动化改造，亦能达到较好的技术经济效果。 小结： 1、冲压成形设备及工艺 2、塑料成型设备及工艺 3、模锻成形设备及工艺 4、压铸成形设备及工艺 5、粉末冶金成形设备及工艺简介 思考与练习 简答题 1．简答冲压与其他加工方法比较具有的特点。 2．简答冲压设备加工的优点。 3．简答双动拉深压力机的工艺特点。 4．简答模锻生产优缺点。 5．简答纵向锻造法的优点。 6．简答压铸件的缺点。 7．简答压缩模塑的优点。 8．简答粉末冶金工艺的优点。

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