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常用钣金材料的工艺性能
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常用钣金材料的工艺性能

浏览数量:32     作者:本站编辑     发布时间: 2021-04-07      来源:本站

零件加工工艺方案的确定除与加工零件的形状、精度,企业所具有的结构设备等有关外,还与零件所用的材料关系极大,即使对同一强度等级的材料,不同加工材料的化学成分对零件的加工工艺也会带来不同的影响,从而直接影响着钣金件的生产加工,因此,分析并了解不同材料的加工工艺特性,对钣金件加工工艺以及生产操作的规范的制定都具有重要的意义,以下是一些常用钣金材料的加工工艺性能。

普通碳素结构钢的工艺性能

一般说来,钣金件以普通碳素结构钢(如:Q195、Q215、Q235等)和优质碳素结构钢(如:08、10F、20等)最为常用,该类钢种的冷、热成形,气割,碳弧气刨,水火矫形等工艺性都已趋于完善。除在成形上因厚度增加受变形率限制,加热受温度上限限制外,其他限制不多。

在加工较厚板料时,为增加板料的变形程度,降低板料的变形抗力,多用热成形或局部加热毛坯的拉深成形工艺,但应避免在某些温度区间加热,如碳钢加热到200~400℃时,因为时效作用(夹杂物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出)使塑性降低,变形抗力增加,这个温度范围称为蓝脆区,这时钢的性能变坏,易于脆断,断口呈蓝色。而在800~950℃范围内,又会出现热脆区,使塑性降低,因此,在板料热态拉深操作过程中,应特别注意实际变形热压的温度不应处于蓝脆区和热脆区。在操作时,应考虑加热设备与压力机间的位置对变形热压温度的影响,并谨慎使用降温吹风设备,以避免蓝脆及热脆的发生。

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合金钢的工艺性能

常用于制造钣金结构件的合金钢通常为16Mn、15MnV等低合金高强度结构钢,它们的工艺性能如下。

①16Mn。16Mn钢一般都是热轧状态供货,不需要热处理,特别是厚度小于20mm的轧材,其力学性能都很高,因此,热压后一般都直接使用。对于厚度大于20mm的钢板,为提高钢材的屈服强度和低温冲击韧性,可采用正火处理后使用。

另外,其气割性能与普通低碳结构钢相同。气割边缘1mm内虽有淬硬倾向,但由于淬硬区域很窄,可通过焊接消除。因此,该钢种的气割边缘不需机械加工,可直接进行焊接。

碳弧气刨性能也与普通低碳结构钢相同,气刨边缘内虽有淬硬倾向,但由于淬硬区域也很窄,可通过焊接消除,因此,该钢种的气刨边缘不需机械加工,可直接进行焊接。其结果与机械加工后进行焊接的热影响区硬度基本相同。

与Q 235相比,16Mn钢屈服强度都在345MPa以上, 比Q 235 高,故冷成形力大于Q235钢。对于大厚度热轧钢材,采用正火或退火后,冷成形性能能得到极大的改善。但当板厚达到一定厚度(t≥32)时,须在冷成形后进行去应力热处理。

当加热到800℃以上时,能获得良好的热成形性能,但16Mn钢加热温度不宜超过900℃,否则,容易出现过热组织,降低钢材的冲击韧性。

此外,16Mn钢经3次火焰加热矫形并水冷后的力学性能无明显改变,具有与原母材同样的抗脆性破坏能力,因此,该钢种可以进行水火矫形,但对动载荷结构不宜采用水火矫形。

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②15MnV。较薄的15MnV与15MnTi钢板, 其剪切和冷卷性能与16Mn钢相似,但对板厚t≥25mm的热轧钢板,在剪切边缘上容易隐存因剪切的冷作硬化引起的小裂纹。这种裂纹有可能在钢材出厂前就已产生。因此,应加强质量检查,一但发现,应经过气割或机械加工去除有裂纹的边缘。此外, 较厚的15MnV类钢热轧板,冷卷时容易产生断裂,可通过930~1000℃的正火处理,提高其塑性和韧性,改善冷卷性能。

另外,该类钢的热成形和热矫形性能良好,加热温度为850~1100℃热成形时,多次加热对屈服强度的影响不大;且气割性能良好,碳弧气刨性能也良好,碳弧气刨对焊接接头的性能无不良影响。

具有同样工艺性能的15MnV类钢还包括15MnTi、15MnVCu、15MnVRE、15MnNTiCu等。

③09Mn2Cu、09Mn2。该类钢具有较好的冷冲压性能。09Mn2Cu、09Mn2、09Mn2Si中厚钢板的冷卷工艺性、热压工艺性、气割、碳弧气刨、火焰矫形与Q235一样。

④18MnMoNb。该类钢的缺口敏感性高, 经火焰气割的切口存在淬硬倾向,为防止弯曲时产生裂纹,应对气割后的钢板经580℃保温1h,进行消应力退火。

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不锈钢的工艺性能

不锈钢的种类很多,按化学成分可分为两大类,即铬钢和镍铬钢。铬钢中含多量铬或再含有少量镍、钛等元素;镍铬钢中含多量铬和镍或再含有少量钛、钼等元素。按金相组织的不同,分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型等几类。由于化学成分和金相组织的不同,各类不锈钢的力学性能、化学性质、物理性能也有较大差异,使不锈钢材料应用的工艺难度相对增加。

常用的不锈钢牌号有两类:

甲类:属于马氏体型铬钢, 如1Cr 13、2Crl 3、3Crl 3、4Crl 3等。

乙类:属于奥氏体型镍铬钢,如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9等。

以上两类不锈钢具有如下加工工艺性能。

①为了获得好的塑性,应使材料处于软态,所以要进行热处理。甲类不锈钢的软化热处理是退火,乙类不锈钢的软化热处理是淬火。

②在软态下,两类不锈钢的力学性能都具有较好的加工工艺性,特别是具有较好的冲压变形工艺性,适合于变形基本工序的冲压加工,但不锈钢的材料特性与普通碳钢相比,是大不相同的,即使是拉深用不锈钢材料,其垂直塑性的异向性特性值也远低于普通碳钢,同时,又因为屈服点高,冷作硬化严重,所以不仅在拉深过程中容易产生皱折,而且板料在凹模圆角处产生的弯曲和反向弯曲变形引起的回弹,往往都会在制件的侧壁形成凹陷或挠曲。故对于不锈钢的拉深,需要有很高的压料力,而且要求对模具进行细致的调整。

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由于不锈钢冷作硬化现象很强烈,拉深时容易产生皱折,因此在实际操作过程中,要采取如下一些措施,以便保证拉深作业顺利进行:一般要在每次拉深后进行中间退火,不锈钢不像软钢那样可以经过3~5次进行中间退火,通常是每经过一次拉深后就要进行中间退火;变形量大的拉深件,最终拉深成形后,要紧接着进行消除残余内应力的热处理,否则拉深件会产生裂纹,去内应力的热处理规范是甲类不锈钢加热温度250~400℃,乙类不锈钢加热温度350~450℃,然后在上述温度下保温1~3h;采用温热拉深方法可以得到较好的技术经济效果,例如对1Cr18Ni9不锈钢加热到80~120℃,能减少材料的加工硬化和残余内应力,提高拉深变形程度,减小拉深系数。但奥氏体不锈钢加热到较高温度(300~700℃)时,并不能进一步改善其冲压工艺性。拉深复杂零件时,应选用油压机、普通液压机等设备,使其在不高的拉深速度(0.15~0.25m/s左右)下变形,可以得到较好的效果。

③与碳钢或有色金属相比,不锈钢冲压另一特点是变形力大,弹性回跳大。因此,为保证冲压件尺寸和形状的精度要求,有时要增加修整、校正以及必要的热处理。

④奥氏体不锈钢不同品种间的屈服强度差别较大,因此,在剪切、成形的工序中注意加工设备的承受能力。

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有色金属及合金的工艺性能

对有色金属及合金成形过程中接触到的设备,其模具表面光滑程度的要求均较高。

①铜和铜合金

常用的铜和铜合金有纯铜、黄铜和青铜。纯铜和牌号为H62及H68的黄铜,冲压工艺性均好,比较起来,H62比H68的冷作硬化较强烈。

青铜用作耐蚀、弹簧和耐磨零件,不同牌号间性能差别较大。一般说来,青铜比黄铜的冲压工艺性差些,青铜比黄铜的冷作硬化强烈,需要频繁的中间退火。

大部分黄铜和青铜在热态下(600~800℃以下)具有较好的冲压工艺性,但加热会给生产上带来许多不便,并且铜和许多铜合金在200~400℃的状态下,塑性反而比室温时有较大的降低,因而一般不采用热态冲压。

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②铝合金

钣金构件中常用的铝合金主要有硬铝、防锈铝、锻铝等。

防锈铝主要是铝锰或铝镁合金,热处理效果很差,只能通过冷作硬化来提高强度,它具有适中的强度和优良的塑性及抗腐蚀性。硬铝和锻铝属于热处理能强化的铝合金。锻铝大多是铝镁硅合金,热状态下强度较高,热处理强化效果差,在退火状态下具有很好的塑性,适于冲压和锻造加工。硬铝是铝铜镁合金,强度较高,热处理强化效果好。

防锈铝可用退火方法来获得最大的塑性,硬铝和锻铝既可用退火方法也可用淬火方法来获得最大的塑性。它们在淬火以后的状态有较高的塑性和对冲压有利的综合力学性能,因而具有比退火状态更好的冲压工艺性。

硬铝和锻铝属于热处理能强化的铝合金,它们有一个特点,即淬火后随时间延长逐渐强化,这种现象称为“时效强化”。时效强化具有一定的发展过程,不同牌号材料的发展速度也不相同。由于这类铝合金具有时效强化的特点,因此,对此类铝合金的冲压加工必须在时效强化发展完成之前完成,一般车间要求在淬火后1.5h内完成加工。

在铝合金中,铝镁合金(大部分为防锈铝)的冷作硬化比较强烈,因此用这类材料制造复杂零件时,通常要进行1~3次中间退火。在深拉深成形后还要进行消除内应力的最终退火。

为改善加工工艺性,生产中还采用在铝合金处于温热状态下冲压。温热冲压多用于冷作硬化后的材料,材料经温热(大约100~200℃左右)后,既保留了部分冷作硬化又改善了塑性,可以提高冲压变形程度和冲压件的尺寸精度。

温热冲压时,必须严格控制加热温度,过低会引起冲压件产生裂纹,过高又会引起强度急剧降低,也会引起裂纹。在冲压过程中,凸模容易过热,当它超过一定温度后,就会使冲压材料强烈软化,引起拉深件断裂。凸模温度保持在小于50~75℃,可以提高温热拉深的变形程度。温热冲压中,必须采用特制的耐热润滑剂。

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③钛和钛合金

钛和钛合金的工艺性较差,其强度较高,变形力大,冷作硬化程度强烈,除少数牌号可以对变形不大的零件进行冷冲压外,大多采用热冲压。热冲压的加热温度较高(300~750℃),且因牌号不同而不同,加热温度过高会使材料变脆,不利于冲压。由于钛是一种化学性质非常活跃的元素,对氧、氢、氮等元素的化合所需温度都不高,而与氧、氢、氮等生成的化合物都是产生脆性的主要因素,因此,钛及合金的加热受到严格的限制。需要高温加工时,必须在保护气体中进行,或采用全保护的无泄漏包装进行整体加热。在操作钛和钛合金的冲压件时,应采取尽可能低的冲压速度。

此外,钛材的切断可采用机械方法,如锯切、高压水切割、车床、管切断机床等,锯切速度宜慢,绝不可以用氧-乙炔焰等通过加热进行气割,也不宜用砂轮锯切割,避免切口的热影响区受到气体的污染,同时,切口处毛边过大,还要增加毛边处理的工序。

钛和钛合金管可以冷弯,但回弹现象明显,通常在室温下是不锈钢的2~3倍,因此,钛管的冷弯中要处理好回弹量,此外,钛管的冷弯弯曲半径不得小于管外径的3.5倍。冷弯时,为防止局部出现椭圆度超差或出现皱折现象,可在管内充填经过干燥的河沙,并用木锤或铜锤夯实。弯管机冷弯时,应加芯轴。热弯时,预热温度应在200~300℃。

对于90°翻边,应分别用30°、60°、90°三套模具分次压制,避免出现裂纹。

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