滾軋

1、,,,,,4-1,4-2,4-3,4-4,4-5,,,前言4.1　塑性變形理論4.2　熱作和冷作4.3　素材生產(chǎn)4.4　整體成形4.5 薄板成形,4.1,4-1,▲塑性加工(Plastic working)為金屬成形(Metal forming)的重要加工方法，是指利用工模具及機器對工件施加外力，使工件從原先的形狀以塑性變形的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N不同的形狀。,,4-1,▲塑性加工的特點有:產(chǎn)生塑性變形所需的負荷及應(yīng)力很大

2、工件的大部份形狀發(fā)生改變，屬於精密加工的領(lǐng)域使用的機器及工模具一般而言屬於較大、較重且較貴，故製造的產(chǎn)品數(shù)量必須達到一定的規(guī)模才合乎經(jīng)濟效益,,4-1,▲塑性加工具有下列的優(yōu)點:工件加工所需的時間較短，故生產(chǎn)率高所得工件的形狀和尺寸精度高可增進工件材料的機械性質(zhì),,4-1,▲塑性加工的種類可依據(jù)不同的基準而有下列的分類方式:依加工溫度分類工件材料倍加工時的溫度高於該材料再結(jié)晶溫度的塑性的加工製程成為熱作依

3、產(chǎn)品形式分類素材生產(chǎn)(Raw material production)整體成形(Bulk deformation or Massive forming)薄板成形(Sheet forming),,4-1,▲依加工變形方式分類:壓縮加工拉伸加工彎曲加工剪切加工高能率成形,,4-1,4.1　 塑性變形理論,▲當外力作用所產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料之降伏強度的性質(zhì)時，原子間會發(fā)生永久性的相對位移，且在外力去除後也不會恢復(fù)

4、原來的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為塑性變形(Plastic deformation) 。▲產(chǎn)生塑性變形的機制是由剪應(yīng)力(Shear stress)所引起?！魬?yīng)力引起的塑性變形有滑動(Slip)和雙晶(Twin)兩種類型，如圖4.1所示。,,4-1,滑動是指物體受剪應(yīng)力作用，其值超過某處材料可以扺抗剪切作用的臨界值時，物體在該處相鄰的兩部份即沿著橫軸方向發(fā)生相互移動的現(xiàn)象。雙晶則是指材料以某一界面為分隔面，一邊的結(jié)晶發(fā)生旋轉(zhuǎn)，另一邊則沒

5、有變化。此界面稱為雙晶面。雙晶面一定會成對出現(xiàn)，也就是在兩個雙晶面中間的原子排列發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，而分別在兩個雙晶面兩側(cè)的原子排列則保持原來的形式。雙晶的形成也是滑動所引起，但其變形機制比滑動複雜，所以較不易發(fā)生。,4-1,,4-1,▲金屬愈容易發(fā)生滑動現(xiàn)象者，亦即愈容易產(chǎn)生塑性變形，同時此類金屬的延展性也較大。▲金屬發(fā)生滑動容易與否，需視其結(jié)晶格子的類型而定。晶粒內(nèi)原子排列密度最大的面即為最容易發(fā)生滑動的滑動面，在該滑動面上原

6、子排列最密的直線則是最容易發(fā)生滑動的滑動方向。,,4-1,▲如圖4.2(a)所示的面心立方結(jié)晶(FCC)金屬(例如Al、Cu、Au、Ag、Ni、-Fe等)，和體心立方結(jié)晶(BCC)金屬(例如-Fe、V、Cr、Mo、W等)都有12個滑動系統(tǒng)，故其延展性良好，較容易產(chǎn)生塑性變形?！鐖D4.2(b)所示的六方結(jié)晶(HCP)金屬(例如Mg、Zn、-Ti等)則只有3個滑動系統(tǒng)，故其延展性較差，不利於塑性變形的發(fā)生。,,4-1,,4-1,▲差排

7、是指結(jié)晶體內(nèi)原子的排列並非完美時所產(chǎn)生的線缺陷(Linear defect)，如圖4.3所示?！钆乓榔洳钆啪€方向和原子移動方向的垂直或平行，分為刃差排(Edge dislocation)、螺旋差排(Screw dislocation)和混合差排(Mixed dislocation)等三種類型，如圖4.4所示。,,4-1,▲差排的移動受到晶界(Grain boundary)的影響。當金屬材料的晶粒愈小，形成的晶界即愈多，則差排的移動

8、變得愈不容易，導(dǎo)致工件材料對變形的抵抗能力愈強，也就是說它的強度(Strength)愈大。,,4-1,,4-1,,4-1,4.2　 熱作和冷作,▲加工時工件的溫度在該工件材料的再結(jié)晶溫度以上者稱為熱作，又稱為熱加工。 熱作的主要加工方法包括鍛造、滾軋、擠製和熱旋壓成形等。▲冷作(又稱為冷加工)則是指在工件材料之再結(jié)晶溫度以下的溫度進行加工。 冷作的主要加工方法包括抽拉、旋壓成形、壓印、伸展成形、引伸成形、下料、

9、沖孔、板彎形和高能率成形法等。,4.2,4-2,常見金屬的再結(jié)晶溫度如表4.1所示,,4-2,▲熱作的優(yōu)點有:可消除存在金屬材料內(nèi)部的大部份孔隙較易使金屬材料所包含的雜質(zhì)等不純物發(fā)生破裂而形成均勻散佈促使金屬材料的晶粒細微化，因此可增進其機械性質(zhì)，即不僅強度增加，延性及衝擊抵抗能力等也同時得到改善加工所需的能量遠低於冷作加工之所需,,4-2,▲熱作的缺點有:因為是在高溫下進行加工，金屬表面容易發(fā)生氧化或剝落(Scal

10、ing)加工後的工件表面較粗糙，尺寸較難精確控制，常需再施以切削加工等方可得到要求的精度設(shè)備及模具的成本和維護費用較高,,4-2,▲冷作的主要特點為:加工後金屬材料的內(nèi)部會產(chǎn)生殘留應(yīng)力(Residual stress)，需經(jīng)適當?shù)臒崽幚磲岵趴上自斐山饘俳Y(jié)晶顆粒發(fā)生破裂或畸變金屬材料的強度和硬度會增加，但相對地延性會隨之降低金屬材料的再結(jié)晶溫度會增高可獲得良好的工件表面平滑度,,4-2,可得到精確尺寸和形狀

11、的工件操作快速且具經(jīng)濟性，適合於製造屬於大量生產(chǎn)的零件,,4-2,4.3　素材生產(chǎn),▲素材(Raw material)是指將金屬礦砂經(jīng)過冶鍊程序，並混合一定比例的成分元素形成合金後，製成固態(tài)的材料?！a(chǎn)素材的製程稱為一次加工，得到的素材形狀有板材、棒材、線材、管材及各種形狀的構(gòu)造用型材，如圖4.5所示?！夭纳a(chǎn)過程中，尚需其他機具設(shè)備的輔助以獲得良好的品質(zhì)，例如矯直機和整形設(shè)備等。,4.3,4-3,,4-3,4.4,4.

12、4　整體成形,▲主要的整體成形加工方法有鍛造、滾軋、擠製和抽拉，分別如圖4.6所示，其共同特點為工件材料均為受壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生塑性變形。,4-4,,4-4,4.4.1　鍛　造,▲鍛造(Forging)是指利用衝擊(Impact)或擠壓(Press)形式的外力，使工件產(chǎn)生塑性變形而得到所要求的形狀、尺寸或機械性質(zhì)▲產(chǎn)生外力的來源可為手工或機器。,,4-4,▲鍛造的優(yōu)點有:工件經(jīng)鍛造後，內(nèi)部組織更為細密，可減少孔隙等缺陷的存在工

13、件材料會形成扁長狀的連續(xù)性晶粒流組織，因此具有最大方向性強度，可增進耐衝擊、韌性及抗疲勞等機械性質(zhì)屬於無屑加工之一，故材料成本可較一般切削加工為低所得到產(chǎn)品的尺寸及形狀穩(wěn)定性良好，適合於大量生產(chǎn),,4-4,▲鍛造的缺點有:形狀太複雜的零件或產(chǎn)品無法製造模具費用高，不適合少量生產(chǎn)鍛造一般是在高溫狀態(tài)下進行，加工後的產(chǎn)品表面容易產(chǎn)生氧化而剝落，故其表面較為粗糙因為是在高溫下工作，機具設(shè)備的維護費用較高,,4-4,▲鍛

14、造可依其工作溫度、模具形式或施力方式等有 下列的分類方式:工作溫度:→依工作溫度可分為熱鍛、冷鍛和溫鍛三種。 熱鍛(Hot forging)：將工件加熱至超過工件材料的再結(jié)晶溫度後，施加鍛造作用力冷鍛(Cold forging)：在常溫時進行鍛造加工,,4-4,溫鍛(Warm forging)：加工時工件的溫度介於常溫和工件材料再結(jié)晶溫度之間模具形式開模鍛造(Open-die forging)又稱為自由

15、鍛造(Free forging)：指工件材料在鍛造成形過程中並未完全被模具封閉住，其間至少可以在一個以上的方向自由流動，故模具的形式較為簡單。,,4-4,閉模鍛造(Closed-die forging)簡稱模鍛：指鍛造時工件材料變形流動的方向都被限制住，最後填滿整個完全封閉的模穴。所得的鍛造件形狀及尺寸精確。,,4-4,,4-4,▲施力方式錘鍛(Hammer forging)又稱為鐵匠鍛造(Smith forging)：利用手工具或

16、蒸汽錘鍛機對砧面上的工件進行鎚打工作，如圖4.8(a)所示。落錘鍛造(Drop hammer forging)：在衝頭上裝置上模構(gòu)成衝鎚，利用蒸汽提供衝鎚的衝擊力，或衝鎚自由落下時本身重量產(chǎn)生的衝擊力，對工件施加作用，如圖4.8(b)所示。衝擊鍛造(Impact forging)：在兩個相對的水平汽壓缸上，分別裝置一半的鍛模形成兩個水平衝鎚，然後同時對放置其間的工件進行衝擊，如圖4.8(c)所示。,4-4,,4-4,端壓鍛造(U

17、pset forging)又稱為鍛粗鍛造：係指將均勻截面積棒材的一端加熱後再施加壓縮作用力使其變粗或變形，如圖4.8(d)所示。壓力鍛造(Press forging)：利用壓床產(chǎn)生緩慢的壓力作用，經(jīng)工具擠壓金屬材料使其產(chǎn)生塑性變形，如圖4.8(e)所示。滾軋鍛造(Roll forging)：利用一對反向旋轉(zhuǎn)的滾輪，將工件斷面滾軋變小而長度伸長，如圖4.8(f)所示。,,4-4,▲鍛造的加工程序會依不同的鍛造方法和金屬材料種類而

18、有些差異，但所進行的主要步驟大都包含有:準備胚料加熱胚料預(yù)　鍛成形模鍛整　形,,4-4,熱處理檢 驗,,4-4,4.4.2　滾　軋,▲滾軋(Rolling)是指將金屬棒材或塊狀胚料在加熱或未加熱的狀態(tài)下，通過一對旋轉(zhuǎn)方向相反的滾輪之間，利用其互相配合的轉(zhuǎn)動輾軋，使工件厚度減小而長度伸長，或改變截面形狀的塑性加工方法?！鴿L軋可依滾輪的外形和輔助的工具而分為平板滾軋(Flat rolling)、成型滾軋(Sha

19、pe rolling)、圓環(huán)滾軋(Ring rolling)和管件滾軋(Tube rolling)等類別，可用圖4.9所示的平板滾軋為例說明。,,4-4,,4-4,▲一般熱作滾軋可利用控制再結(jié)晶溫度的保持時間，使新長成的晶粒比尚未受滾軋前的晶粒細小，因而可增進產(chǎn)品的機械性質(zhì)，如圖4.10所示。,,4-4,▲穿孔法(Piercing)是指應(yīng)用滾輪製造無縫管的方法。將實心圓柱形棒材加熱後，使之通過兩個轉(zhuǎn)向相同，但轉(zhuǎn)軸分別與棒材主軸左右偏轉(zhuǎn)約

20、6?高瑰@形滾輪，並在兩滾輪中間安置一個固定且具有尖端的心軸，工件材料被迫沿心軸外表面前進而形成無縫管，如圖4.11所示。▲滾軋又可依滾輪配置方式的不同分為縱向滾軋(Longitudinal rolling)、橫向滾軋(Transverse rolling)和歪斜滾軋(Skew rolling)三種，如圖4.12所示。,,4-4,▲為了提升工作效率、減低滾輪負荷、進行精軋和冷軋等目的，發(fā)展出各種不同數(shù)目滾輪組合的機組，如圖4.13所

21、示。,,4-4,,4-4,,4-4,4.4.3　擠　製,▲擠製(Extrusion)是指對工件施以推力，使其通過一定形狀的模具孔時，材料受壓應(yīng)力作用造成截面積縮小而形成截面形狀均一的產(chǎn)品。▲一般製程為將材料加熱至塑性狀態(tài)後置於擠製室內(nèi)，藉由衝桿的推擠與模具的配合而成形，如圖4.14所示。,,4-4,,4-4,▲擠製的優(yōu)點有:可製造任何形狀的產(chǎn)品產(chǎn)品的強度及精度高且表面平滑相較於鑄造或鍛造所用的模具，擠製模具的製造費用低很

22、多，故生產(chǎn)成本相對較低產(chǎn)品的長度幾乎沒有限制,,4-4,▲擠製的缺點有:生產(chǎn)速率比滾軋加工慢很多產(chǎn)品的截面積必須為均一,,4-4,▲擠製依其施力方向與材料流動方向的關(guān)係，以及施力速度的快慢，可分為:1.直接擠製(Direct extrusion)又稱為向前擠製(Forward extrusion)指產(chǎn)品的流動方向和施力的方向相同，如圖4.15(a)所示2.間接擠製(Indirect extrusion又

23、稱為向後擠製(Backward extrusion)指產(chǎn)品的流動方向和施力的方向相反，如圖4.15(b)所示,,4-4,,4-4,3.衝擊擠製(Impact extrusion)上述之直接擠製和間接擠製的施力方式是採用緩慢的擠壓作用，而衝擊擠製，如圖4.16所示,,4-4,4.4.4　抽　拉,▲抽拉(Drawing)是指將經(jīng)過清潔及潤滑處理的材料，在模具出口端之預(yù)先加工成形的線材上施加拉力，使工件材料受到模具的壓迫作用而縮小直徑形

24、成線材產(chǎn)品，如圖4.17所示。,,4-4,,4-4,,4-4,▲抽拉可用於管子直徑的縮小或提高管子形狀精度、 表面平滑度和機械性質(zhì)等的加工，如圖4.18所示,,4-4,4.5,4.5　薄板成形,▲薄板成形與整體成形的材料變形基本原理大致相同，但兩者之間尚存在著一些差異，其中較重要的有薄板成形是:以冷作加工為主，故產(chǎn)品具有冷作加工的特性使材料發(fā)生變形的應(yīng)力形式不只是壓應(yīng)力而已，還包括拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等工件

25、在塑性變形前後，厚度方面的尺寸變化很小，主要是產(chǎn)生形狀的改變,4-5,有些加工(例如變曲加工)在施加的外力去除後會產(chǎn)生彈回(Spring back)現(xiàn)象，影響加工要求的變形量包含有材料剪切分離產(chǎn)生廢料的加工方式，例如沖孔、剪斷及下料等,,4-5,4.5.1　沖剪加工,▲沖剪加工是利用衝頭(Punch)對置於沖剪模具間的材料施加衝擊作用，使材料受到的剪應(yīng)力值超過其剪力強度(Shear strength)而發(fā)生剪斷分離的加工方法，如圖

26、4.19所示。▲材料受衝擊作用的剪斷過程分為開始階段的彈性變形並造成薄層擠壓面；接著是塑性變形的平滑剪斷面，約佔被沖離料片厚度的三分之一；最後是當剪力超過材料具有的抵抗能力後，將其撕斷形成的不規(guī)則破裂面和一小部份的毛邊，如圖4.20所示。,,4-5,,4-5,4-5,▲沖剪加工的種類很多，常見的有:1.沖孔(Piercing)如圖4.21(a)所示2.剪斷(Shearing)利用手工具或沖剪模具等，將板材裁剪成所要的

27、形狀，如圖4.21(b)所示3.下料(Blanking)利用沖剪模在板材上沖剪出完整輪廓的胚料，供做為下一加工道次之用，如圖4.21(c)所示,,4-5,4.整緣(Trimming)將板材或加工後零件中不平順或多餘的外緣沖剪去除，如圖4.21(d)所示,4-5,,4-5,▲壓印(Coining)加工又稱為鑄幣法，因為硬幣一般是以此法壓製而成。利用閉合模及衝頭的配合，如圖4.22(a)所示，施加壓力作用於放置其間的薄板材料，使

28、其上下兩面形成由衝頭面和下模分別控制的花紋或圖案，如圖4.22(b)所示。此法可用於製造硬幣、徽章、標誌等產(chǎn)品。,4.5.2　壓　印,,4-5,,4-5,4.5.3　旋壓成形,▲旋壓成形(Spinning)是指把工件材料置於成形模具上面，當旋形機啟動時利用工具(例如滾輪)加壓於工件上，迫使工件連同模具一起旋轉(zhuǎn)並產(chǎn)生塑性變形，如圖4.23所示:,,4-5,,4-5,4.5.4　引伸成形,▲引伸成形(Drawing)為將一圓平板胚料置於圓筒

29、狀模孔的上面，利用一直徑比?？仔〉钠降仔n頭向下作用而產(chǎn)生空心圓筒產(chǎn)品。圖4.24表示部份引伸成形的加工方法,,4-5,4.5.5　伸展成形,▲成形模則對板材中間部位做垂直方向施力並配合夾持器向左右的移動，使工件材料隨成形模的外部形狀成形，如圖4.25所示。,,4-5,,4-5,,4-5,4.5.6　彎曲加工,▲彎曲(Bending)加工主要是指利用壓力使板材彎曲變形，常見的形式有角彎形(Angle bending)、板彎形(

30、Plate bending)、摺縫(Seaming)和彎管(Tube bending)加工等。1.角彎形包括V彎形、U彎形和L彎形，如圖4.26(a)所示2.板彎形又稱為三滾輪成形法(Three-roll forming)，如圖4.26(b)所示,,4-5,3.摺　縫常用於結(jié)合金屬板，罐或桶底部及其他薄層金屬容器的加工方法，圖4.26(c)所示為摺縫常見的形式,,4-5,,4-5,4.5.7　高能率成形,▲高能

31、率成形(High energy rate forming，HERF)是指在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生很高能量迫使材料成形的方法，主要的形式有:1.爆炸成形(Explosive forming)利用炸藥爆炸的能量，造成如水、油或空氣等介質(zhì)產(chǎn)生震波，因而促使板材成形的加工法，如圖4.27所示,,4-5,,4-5,2.電氣液壓成形(Electro-hydraulic forming)3.磁力成形(Magnetic forming

32、),,4-5,4.5.8　超塑性成形,▲超塑性成形(Superplastic forming，SPF)是指對某些具有非常細晶粒(一般小於20μ ?m)的材料，在高於該材料的熔點溫度(以??°k為單位)百分之六十以上的溫度，以很低應(yīng)變率(10-4～10-2 sec-1)的方式進行塑性加工時，可得到非常大的伸長率(可超過1000％) 。,,4-5,▲超塑性成形的優(yōu)點有:複雜形狀的產(chǎn)品可一次完成且精度良好，不需分開加工後再裝配，或經(jīng)多次加