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机械加工
热轧的优点:
(1)热轧能显著降低能耗,降低成本。
热轧时金属塑性高,变形抗力低,大大减少了金属变形的热轧型钢能量消耗。
(2)热轧能改善金属及合金的加工工艺性能,即将铸造状态的粗大晶粒破碎,显著裂纹愈合,减少或消除铸造缺陷,将铸态组织转变为变形组织,提高合金的加工性能。
(3)热轧通常采用大铸锭,大压下量轧制,不仅提高了生产效率,而且为提高轧制速度、实现轧制过程的连续化和自动化创造了条件
热轧缺点:
1.经过热轧之后,钢材内部的非金属夹杂物(主要是硫化物和氧化物,还有硅酸盐)被压成薄片,出现分层(夹层)现象。
分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化,并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。
焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍,比荷载引起的应变大得多;
2.不均匀冷却造成的残余应力。
残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力,各种截面的热轧型钢都有这类残余应力,一般型钢截面尺寸越大,残余应力也越大。
残余应力虽然是自相平衡的,但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。
如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。
3.热轧的钢材产品,对于厚度和边宽这方面不好控制。
我们熟知热胀冷缩,由于开始的时候热轧出来即使是长度、厚度都达标,最后冷却后还是会出现一定的负差,这种负差边宽越宽,厚度越厚表现的越明显。
所以对于大号的钢材,对于钢材的边宽、厚度、长度,角度,以及边线都没法要求太精确。
冷轧
冷轧:
用热轧钢卷为原料,经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧,其成品为轧硬卷,由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降,因此冲压性能将恶化,只能用于简单变形的零件。
轧硬卷可作为热镀锌厂的原料,因为热镀锌机组均设置有退火线。
轧硬卷重一般在6~13.5吨,钢卷在常温下,对热轧酸洗卷进行连续轧制。
内径为610mm。
产品特点
因为没有经过退火处理,其硬度很高(HRB大于90),机械加工性能极差,只能进行简单的有方向性的小于90度的折弯加工(垂直于卷取方向)。
冷轧钢
简单点儿来说,冷轧,是在热轧板卷的基础上加工轧制出来的,一般来讲是热轧---酸洗---冷轧这样的加工过程。
冷轧是在常温状态下由热轧板加工而成,虽然在加工过程因为轧制也会使钢板升温,尽管如此还是叫冷轧。
由于热轧经过连续冷变型而成的冷轧,在机械性能比较差,硬度太高。
必须经过退火才能恢复其机械性能,没有退火的叫轧硬卷。
轧硬卷一般是用来做无需折弯,拉伸的产品,1.0以下厚度轧硬的运气好的两边或者四边折弯。
制作工序
冷轧通常采用纵轧的方式。
冷轧生产的工序一般包括原料准备、轧制、脱脂、退火(热处理)、精整等。
冷轧以热轧产品为原料,冷轧前原料要经除鳞,以保证冷轧产品的表面洁净。
轧制是使材料变形的主要工序。
脱脂的目的在于去除轧制时附在轧材上的润滑油脂,以免退火时污染钢材表面,对不锈钢也为防止增碳。
退火包括中间退火和成品热处理,中问退火是通过再结晶消除冷变形时产生的加工硬化,以恢复材料的塑性及降低金属的变形抗力。
成品热处理的目的除了通过再结晶消除硬化外。
还在于根据产品的技术要求以获得所需要的组织(如各种织构等)和产品性能(如深冲、电磁性能等)。
精整包括检查、剪切、矫直(平整)、打印、分类包装等内容。
冷轧产品有很高的包装要求,以防止产品在运输过程中表面被刮伤。
除上述工序外在生产一些特殊产品时还有各自的特殊工序。
如轧制硅钢板时,在冷轧前要进行脱碳退火,轧后要进行涂膜、高温退火、拉伸矫直(见张力矫直)与回火等。
用于冷轧带钢的轧机有二辊轧机、四辊轧机和多辊轧机。
应用最多的是四辊轧机。
轧制更薄的产品则要采用多辊轧机。
多辊轧机的种类很多,如六辊轧机、偏八辊轧机,十二辊轧机,二十辊轧机等(见轧机)。
随着对板形要求的提高,发展了许多改进板形的技术,如弯辊技术、移辊技术和交叉轧辊技术等。
冷轧带钢轧机按机架排列可分为单机可逆或不可逆式与多机连续式两类。
前者适用于多品种、少批量或合金钢产品比例大的情况。
它投资低、建厂快,但产量低,金属消耗较大。
多机架连续轧制适合于产品品种较单一或者变动不大的情况,它有生产效率高、产量大的优点,但投资较大。
与热轧带钢(见热连轧宽带钢生产工艺、热轧窄带钢生产)相比,冷轧带钢(见冷轧板带生产)的轧制工艺有以下特点:
(1)采用工艺润滑和冷却,以降低轧制时的变形抗力和冷却轧辊;
(2)采用大张力轧制,以降低变形抗力和保持轧制过程的稳定。
采用的平均单位张力值为材料屈服强度的10%~60%,一般不超过50%;(3)采用多轧程轧制。
由于冷轧使材料产生加工硬化,当总变形量达到60%~80%时,继续变形就变得很困难。
为此要进行中间退火,使材料软化后轧制得以继续进行。
为了得到要求的薄带钢,这样的中间退火可能要进行多次。
两次中间退火之间的轧制称为一个轧程。
冷轧带钢的退火在有保护气体的连续式退火炉或罩式退火炉中进行(见冷轧板带退火)。
冷轧带钢的最小厚度目前可达到0.05mm,冷轧箔材可达到0.001mm。
相关区别
1、冷轧成型钢允许截面出现局部屈曲,从而可以充分利用杆件屈曲后的承载力;而热轧型钢不允许截面发生局部屈曲。
2、热轧型钢和冷轧型钢残余应力产生的原因不同,所以截面上的分布也有很大差异。
冷弯薄壁型钢截面上的残余应力分布是弯曲型的,而热扎型钢或焊接型钢截面上残余应力分布是薄膜型。
3、热轧型钢的自由扭转刚度比冷轧型钢高,所以热轧型钢的抗扭性能要优于冷轧型钢
铸,一种冶炼工艺,一般指把金属熔化后倒在模子里制成器物
锻,将金属加热后锤打定型:
锻压|锻造。
金属塑性成形:
在外力作用下金属材料通过塑性变形,获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。
压力加工的特点:
(1)改善金属的组织、提高力学性能金属材料经压力加工后,其组织、性能都得到改善和提高,塑性加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷,并由于金属的塑性变形和再结晶,可使粗大晶粒细化,得到致密的金属组织,从而提高金属的力学性能。
在零件设计时,若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向,可以提高零件的抗冲击性能。
(2)材料的利用率高金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配,而不需要切除金属,因而材料利用率高。
(3)较高的生产率塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的,生产效率高。
例如,利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉,比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。
(4)毛坯或零件的精度较高应用先进的技术和设备,可实现少切削或无切削加工。
例如,精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用,复杂曲面形状的叶片精密锻造后只需磨削便可达到所需精度。
材料:
钢和非铁金属可以在冷态或热态下压力加工。
用途:
承受冲击或交变应力的重要零件(如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等),都应采用锻件毛坯加工。
所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。
例如,飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%;汽车,拖拉机上的锻件质量分数约占60%~80%。
缺点:
不能加工脆性材料(如铸铁)和形状特别复杂(特别是内腔形状复杂)或体积特别大的零件或毛坯。
第一节金属塑性变形基础
一、金属塑性变形概念
塑性成形性能:
用来衡量压力加工工艺性好坏的主要工艺性能指标,称为金属的塑性成形性能。
金属的塑性成形性好,表明该金属适用于压力加工。
衡量金属的塑性成形性,常从金属材料的塑性和变形抗力两个方面来考虑,材料的塑性越好,变形抗力越小,则材料的塑性成形性越好,越适合压力加工。
在实际生产中,往往优先考虑材料的塑性。
金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律、加工硬化和体积不变规律等。
(一)最小阻力定律
最小阻力定律:
在塑性变形过程中,如果金属质点有向几个方向移动的可能时,则金属各质点将向阻力最小的方向移动。
最小阻力定律符合力学的一般原则,它是塑性成形加工中最基本的规律之一。
通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量,以便合理成形,消除缺陷。
例如,在模锻中增大金属流向分型面的阻力,或减小流向型腔某一部分的阻力,可以保证锻件充满型腔。
在模锻制坯时,可以采用闭式滚挤和闭式拔长模膛来提高滚挤和拔长的效率。
利用最小阻力定律可以推断,任何形状的物体只要有足够的塑性,都可以在平锤头下镦粗使坯料逐渐接近于圆形。
这是因为在镦粗时,金属流动距离越短,摩擦阻力也越小。
图2-2所示方形坯料镦粗时,沿四边垂直方向摩擦阻力最小,而沿对角线方向阻力最大,金属在流动时主要沿垂直于四边方向流动,很少向对角线方向流动,随着变形程度的增加,断面将趋于圆形。
由于相同面积的任何形状总是圆形周边最短,因而最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。
(二)加工硬化及卸载弹性恢复规律
弹性恢复规律:
金属在常温下随着变形量的增加,变形抗力增大,塑性和韧度下降的现象称为加工硬化。
表示变形抗力随变形程度增大的曲线称为硬化曲线,如图2-3所示。
由图可知,在弹性变形范围内卸载,没有残留的永久变形,应力、应变按照同一直线回到原点,如图2-3所示OA段。
当变形超过屈服点A进入塑形变形范围,达到B点时的应力与应变分别为σB、εB,再减小载荷,应力-应变的关系将按另一直线BC回到C点,不再重复加载曲线经过的路线。
加载时的总变形量εB可以分为两部分,一部分εt因弹性恢复而消失,另一部分εs保留下来成为塑性变形。
如果卸载后再重新加载,应力应变关系将沿直线CB逐渐上升,到达B点,应力σB使材料又开始屈服,随后应力-应变关系仍按原加载曲线变化,所以σB又是材料在变形程度为εB时的屈服点。
硬化曲线可以用函数式表达为:
σ=Aεn
式中A——与材料有关的系数,单位为MPa;
n——硬化指数。
硬化指数n:
硬化指数大,表明变形时硬化显著,对后续变形不利。
例如,20钢和奥氏体不锈钢的塑性都很好,但是奥氏体不锈钢的硬化指数较高,变形后再变形的抗力比20钢大得多,所以其塑性成形性也较20钢差。
(三)塑性变形时的体积不变规律
体积不变规律:
金属材料在塑性变形前、后体积保持不变。
根据体积不变规律,金属塑性变形时主应变状态只有三种
结论:
(1)塑性变形时,只有形状和尺寸的改变,而无体积的变化;
(2)不论应变状态如何,其中必有一个主应变的符号与其它两个主应变的符号相反,且这个主应变的绝对值最大。
(3)当已知两个主应变的数值时,第三个主应变大小也可求出。
二、影响金属塑性变形的内在因素
(一)化学成分
纯金属的塑性成形性较合金的好。
钢的含碳量对钢的塑性成形性影响很大,对于碳质量分数小于0.15%的低碳钢,主要以铁素体为主(含珠光体量很少),其塑性较好。
随着碳质量分数的增加,钢中的珠光体量也逐渐增多,甚至出现硬而脆的网状渗碳体,使钢的塑性下降,塑性成形性也越来越差。
合金元素会形成合金碳化物,形成硬化相,使钢的塑性变形抗力增大,塑性下降,通常合金元素含量越高,钢的塑性成形性能也越差。
杂质元素磷会使钢出现冷脆性,硫使钢出现热脆性,降低钢的塑性成形性能。
(二)金属组织
纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好;钢中有碳化物和多相组织时,塑性成形性能变差;具有均匀细小等轴晶粒的金属,其塑性成形性能比晶粒粗大的柱状晶粒好;网状二次渗碳体,钢的塑性将大大下降。
三、影响金属塑性变形的加工条件
(一)变形温度
温度升高,塑性提高,塑性成形性能得到改善。
变形温度升高到再结晶温度以上时,加工硬化不断被再结晶软化消除,金属的塑性成形性能进一步提高。
过热:
加热温度过高,会使晶粒急剧长大,导致金属塑性减小,塑性成形性能下降,这种现象称为“过热”。
过烧:
如果加热温度接近熔点,会使晶界氧化甚至熔化,导致金属的塑性变形能力完全消失,这种现象称为“过烧”,坯料如果过烧将报废。
(二)变形速度
变形速度:
单位时间内变形程度的大小。
变形速度的增大,金属在冷变形时的冷变形强化趋于严重;当变形速度很大时,热能来不及散发,会使变形金属的温度升高,这种现象称为“热效应”,它有利于金属的塑性提高,变形抗力下降,塑性变形能力变好。
图2-5所示是变形速度与塑性的关系
问题:
在锻压加工塑性较差的合金钢或大截面锻件时,都应采用较小的变形速度,若变形速度过快会出现变形不均匀,造成局部变形过大而产生裂纹。
三)应力状态
实践证明,在三向应力状态下,压应力的数目越多,则其塑性越好;拉应力的数目越多,则其塑性越差。
选择塑性成形加工方法时,应考虑应力状态对金属塑性变形的影响。
(四)其它
模具和工具:
模锻的模膛内应有圆角,这样可以减小金属成形时的流动阻力,避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断而出现裂纹。
板料拉深和弯曲时,成形模具应有相应的圆角,才能保证顺利成形。
润滑剂:
可以减小金属流动时的摩擦阻力,有利于塑性成形加工。
综上所述,金属的塑性成形性能既取决于金属的本质,又取决于变形条件。
在塑性成形加工过程中,要根据具体情况,尽量创造有利的变形条件,充分发挥金属的塑性,降低其变形抗力,以达到塑性成形加工的目的。
四、金属塑性变形对组织和性能的影响
(一)变形程度的影响
塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。
变形程度过小,不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的;变形程度过大,不仅不会使力学性能再增高,还会出现纤维组织,增加金属的各向异性,当超过金属允许的变形极限时,将会出现开裂等缺陷。
对不同的塑性成形加工工艺,可用不同的参数表示其变形程度。
锻造比Y锻:
锻造加工工艺中,用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。
拔长:
Y锻=S0/S(S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积);
镦粗:
Y锻=H0/H(H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度)。
碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取,合金结构钢的锻造比在3~4范围选取,高合金工具钢(例如高速钢)组织中有大块碳化物,需要较大锻造比(Y锻=5~12),采用交叉锻,才能使钢中的碳化物分散细化。
以钢材为坯料锻造时,因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善,锻造比一般取1.1~1.3即可。
表示变形程度的技术参数:
相对弯曲半径(r/t)、拉深系数(m)、翻边系数(k)等。
挤压成形时则用挤压断面缩减率(εp)等参数表示变形程度。
(二)纤维组织的利用
纤维组织:
在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物(如FeS等),随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。
当金属再结晶时,被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒,而夹杂物无再结晶能力,仍然以纤维状保留下来,形成纤维组织。
纤维组织形成后,不能用热处理方法消除,只能通过锻造方法使金属在不同方向变形,才能改变纤维的方向和分布。
纤维组织的存在对金属的力学性能,特别是冲击韧度有一定影响,在设计和制造零件时,应注意以下两点:
(1)零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致,切应力方向与纤维方向垂直。
(2)纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合,而不被切断。
例如,锻造齿轮毛坯,应对棒料镦粗加工,使其纤维呈放射状,有利于齿轮的受力;曲轴毛坯的锻造,应采用拔长后弯曲工序,使纤维组织沿曲轴轮廓分布,这样曲轴工作时不易断裂
三)冷变形与热变形
通常将塑性变形分为冷变形和热变形。
冷变形:
再结晶温度以下的塑性变形。
冷变形有加工硬化现象产生,但工件表面质量好。
热变形:
再结晶温度以上的塑性变形。
热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在,而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。
由于热变形是在高温下进行的,金属在加热过程中表面易产生氧化皮,使精度和表面质量较低。
自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形加工。
五、常用合金的压力加工性能
常用压力加工合金:
各种钢材、铝、铜合金都可以锻造加工。
其中,Q195、Q235、10、15、20、35、45、50钢等中低碳钢,20Cr,铜及铜合金,铝及铝合金等锻造性能较好。
冷冲压是在常温下加工,对于分离工序,只要材料有一定的塑性就可以进行;对于变形工序,例如弯曲、拉深、挤压、胀形、翻边等,则要求材料具有良好的冲压成形性能,Q195、Q215、08、08F、10、15、20等低碳钢,奥氏体不锈钢,铜,铝等都有良好的冷冲压成形性能。
镗床,对诸如气缸
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