金属的塑性成型

1、3 3. .金属的塑性成型金属的塑性成型 了解金属塑性成型的理论基础；了解金属塑性成型的理论基础； 掌握掌握金属的塑性成型方法及工艺金属的塑性成型方法及工艺； 掌握掌握薄板冲压成形工艺，包括各种成形薄板冲压成形工艺，包括各种成形模具结构、基本工序和典形零件的工艺模具结构、基本工序和典形零件的工艺制定制定。本章重点：本章重点： 3 3.1 .1 概述概述 3 3. .金属的塑性成型金属的塑性成型 3 3.2 .2 塑性成型的理论基础塑性成型的理论基础 3 3. .4 4 薄板的冲压成型薄板的冲压成型 3 3. .5 5 塑性成型新工艺塑性成型新工艺 3 3. .3 3 塑性成型方法及工艺塑性成型

2、方法及工艺金属塑性成型的基本生产方法金属塑性成型的基本生产方法轧制示意图轧制示意图挤压示意图挤压示意图金属塑性成型金属塑性成型：由由利用金属在外力作用下所产生的塑利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。3 3.1 .1 概述概述锻压生产方式示意图锻压生产方式示意图3 3. .2 2 塑性成型理论的理论基础塑性成型理论的理论基础3.2.1 3.2.1 塑性变形理论及假设塑性变形理论及假设3.2.2 3.2.2 金属变形过程中的组织

3、与性能金属变形过程中的组织与性能3.2.3 3.2.3 冷变形及热变形冷变形及热变形3.2.4 3.2.4 影响塑性变形的因数影响塑性变形的因数本节的重点：本节的重点： 1. 金属塑性成型的原理；金属塑性成型的原理； 2. 纤维组织的形成及利用；纤维组织的形成及利用； 3. 金属可锻性及其影响因素。金属可锻性及其影响因素。3 3.2.1.2.1 塑性变形理论及假设塑性变形理论及假设1 1 最小阻力定律最小阻力定律 如果金属颗粒在几个方如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗向上都可移动，那么金属颗粒就沿着粒就沿着阻力最小阻力最小的方向移的方向移动，这就叫做动，这就叫做最小阻力定律最小阻力定

4、律。圆形、方形、矩形截面圆形、方形、矩形截面上各上各质点在镦粗时的流动方向，质点在镦粗时的流动方向，方形截面镦粗后的截面形状。方形截面镦粗后的截面形状。方形变柱形动画模拟方形变柱形动画模拟2 2 塑性变形前后体积不变的假设塑性变形前后体积不变的假设 在压力加工过程中，常用锻造比在压力加工过程中，常用锻造比(Y锻锻)来表示变形来表示变形度。锻造比的计算公式与变形方式有关。度。锻造比的计算公式与变形方式有关。 拔长时的锻造比为拔长时的锻造比为:Y拔拔F0/F, 镦粗时的锻造比为镦粗时的锻造比为:Y镦镦H0/H. 根据锻造比即可得出坯料的尺寸。例如采用拔长锻根据锻造比即可得出坯料的尺寸。例如采用拔长

5、锻造时，坯料所用的截面造时，坯料所用的截面F坯料的大小应保证满足技术要坯料的大小应保证满足技术要求规定的锻造比求规定的锻造比Y拔，即坯料截面积应为：拔，即坯料截面积应为：F坯料坯料 = Y拔拔F锻件锻件3 3 变形程度的计算变形程度的计算纤维组织的利用原则：纤维组织的利用原则： 1、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经过、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，获得细化的获得细化的再结晶组织再结晶组织。 2、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合在、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合在一起，使金属更加致密，其

6、机械性能会有很大提高。一起，使金属更加致密，其机械性能会有很大提高。 3、此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，、此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫状。这种结构叫纤维组织纤维组织。3 3.2.2 .2.2 金属变形过程中的组织与性能金属变形过程中的组织与性能 4、具有纤维组织的金属，各个方向上的机械、具有纤维组织的金属，各个方向上的机械性能不相同。顺纤维方向的机械性能比横纤维方向性能不相同。顺纤维方向的

7、机械性能比横纤维方向的好。金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，的好。金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能的方向性也就越显著。机械性能的方向性也就越显著。 使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断； 使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。切应力与纤维方向垂直。 当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的的切应力顺着纤维方向切应力顺着纤维方向，故螺

8、钉的承载能力较弱，故螺钉的承载能力较弱(如图如图示示 )。 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图如图示示)，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。故螺钉质量较好。实例：实例：冷变形冷变形 变形温度低于回复温度时，金属在变形变形温度低于回复温度时，金属在变形过程中只有过程中只有加工硬化加工硬化而无回复与再结晶现象，而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为形称为冷变形冷变形。热变形热变形 变形温度在再结晶温度以上时，变形变形

9、温度在再结晶温度以上时，变形产生的产生的加工硬化加工硬化被随即发生的再结晶所抵被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为为热变形热变形。3 3.2.3.2.3 冷变形及热变形冷变形及热变形钢丝变形模拟钢丝变形模拟加工硬化与再结晶加工硬化与再结晶3 3.2.2.4 4 影响塑性变形的因素影响塑性变形的因素 可锻性可锻性常用金属材料在经受压力加工产常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是生塑性变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是以金属的以金属的

10、塑性塑性和和变形抗力变形抗力来综合评定的。来综合评定的。 塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。形，而不破坏其完整性的能力。 变形抗力变形抗力是指金属对变形的抵抗力。是指金属对变形的抵抗力。 金属的可锻性取决于金属的可锻性取决于材料的性质材料的性质(内因内因)和和加工加工条件条件(外因外因)。材料性质的影响材料性质的影响( (内因内因) )化学成分的影响化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金的可锻性好。纯金属的可锻性比合金的可锻性好。 钢中合金元素含量越多，合金成分越复钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大

11、。杂，其塑性越差，变形抗力越大。 例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。可锻性是依次下降的。金属组织的影响金属组织的影响 纯金属及固溶体纯金属及固溶体(如奥氏体如奥氏体)的可锻性好。的可锻性好。而碳化物而碳化物(如渗碳体如渗碳体)的可锻性差。的可锻性差。 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好小而又均匀的组织的可锻性好加工条件的影响加工条件的影响( (外因外因) ) 在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，

12、有效改善了可能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。锻性。 若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为低，这种现象称为“过热过热”。若加热温度更高接近熔点，若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为报废，这一现象称为“过烧过烧”。 金属锻造加热时允许的最高温度称为金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度始锻温度。不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称的温度称终

13、锻温度终锻温度。变形温度的影响变形温度的影响变形速度的影响变形速度的影响 一方面由于变形速度的增大，一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。变形抗力增大，可锻性变坏。 另一方面，金属在变形过程中，另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高化为热能，使金属温度升高(称为称为热效应现象热效应现象)。变形速度越大，热。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形

14、抗力下降高、变形抗力下降(图中图中a点以后点以后)，可锻性变好。可锻性变好。应力状态的影响应力状态的影响 挤压时为三向受压状态。挤压时为三向受压状态。 拉拔时为两向受压一向受拉的状态。拉拔时为两向受压一向受拉的状态。 压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。思思 考考 题题1.纤维组织是怎样形成的纤维组织是怎样形成的?它对金属的它对金属的力学性能有何影响力学性能有何影响?2.试分析用棒料切削加工成形和用棒料试分析用棒料切削加工成形和用棒料冷镦成形制造六角螺栓的力学性能有冷镦成形制

15、造六角螺栓的力学性能有何不同何不同?3 3. .3 3 塑性成型方法及工艺塑性成型方法及工艺3.3.1 模膛锻造成型工艺模膛锻造成型工艺3.3.2 锻模模膛及其功用锻模模膛及其功用3.3.3 制坯模膛制坯模膛3.3.4 锤上模锻成型工艺设计锤上模锻成型工艺设计3.3.5 压力机上模膛成型工艺压力机上模膛成型工艺3.3.6 模锻件的缺陷模锻件的缺陷3 3. .3 3. .1 1 模膛锻造成型工艺模膛锻造成型工艺3.3.1.1 胎模锻造成型工艺及应用胎模锻造成型工艺及应用 胎模锻造成型胎模锻造成型是在自由锻设备上，使用可移动是在自由锻设备上，使用可移动的胎模具生产锻件的锻造方法。的胎模具生产锻件的

16、锻造方法。 胎模成型与自由成型相比，具有较高的生产率，胎模成型与自由成型相比，具有较高的生产率，锻件质量好，节省金属材料，降低锻件成本。锻件质量好，节省金属材料，降低锻件成本。与固定模膛成型相比，不需要专用锻造设备，模具与固定模膛成型相比，不需要专用锻造设备，模具简单，容易制造。简单，容易制造。 锻件质量不如固定模膛成型的锻件高，工人劳锻件质量不如固定模膛成型的锻件高，工人劳动强度大，胎模寿命短，生产率低。动强度大，胎模寿命短，生产率低。 胎模成型只适用于小批量生产，多用在没有模胎模成型只适用于小批量生产，多用在没有模锻设备的中小型工厂中。锻设备的中小型工厂中。3.3.1.2 胎固定模膛成型工

17、艺的分类及设备胎固定模膛成型工艺的分类及设备 固定模膛成型工艺主要分为锤上模膛成型工艺固定模膛成型工艺主要分为锤上模膛成型工艺和压力机上模膛成型工艺。和压力机上模膛成型工艺。 锤上模锻成型用于大批量锻件生产。所用设备锤上模锻成型用于大批量锻件生产。所用设备有蒸汽有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。空气锤、无砧座锤、高速锤等。 压力机上模膛成型常用的设备有曲柄压力机、压力机上模膛成型常用的设备有曲柄压力机、摩擦压力机和平锻机、模锻水压机等。摩擦压力机和平锻机、模锻水压机等。3 3. .3 3. .2 2 锻模锻模模膛模膛及其功用模膛模膛及其功用3.3.2.1 预锻模膛预锻模膛 预锻模膛的作用是：

18、使坯料变形到接近于预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模的使用寿命。锻模的使用寿命。 预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。圆角和斜度较大，没有飞边槽。3.3.2.2 终锻模膛终锻模膛 终锻模膛的作用是：是使坯终锻模膛的作用是：是使坯料最后变形到锻件所要求的形状料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。的形状相同。 终锻模膛的尺

19、寸应比锻件终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。钢件收尺寸放大一个收缩量。钢件收缩量取缩量取1.5% 沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。 终锻后在孔内留下一薄层金属，称为终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮冲孔连皮。3 3. .3 3. .3 3 制坯制坯模膛模膛 拔长模膛拔长模膛用来减小坯料某用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的部分的横截面积，以增加该部分的长度。长度。 滚压模膛滚压模膛用来减小坯料用来减小坯料某部分的横截面积，以增

20、大另一某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属部分的横截面积。主要是使金属按模锻件形状来分布。按模锻件形状来分布。 弯曲模膛弯曲模膛对于弯曲的杆类模锻件，需用对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛来弯曲坯料。弯曲模膛来弯曲坯料。 切断模膛切断模膛上模与下模的角部组成的一对上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属。刀口，用来切断金属。3 3. .3 3. .4 4 锤上模锻成型工艺设计锤上模锻成型工艺设计 锤上模锻成型的工艺过程一般为：锤上模锻成型的工艺过程一般为：切断毛坯切断毛坯加加热坯料热坯料模锻模锻切除模锻件的飞边切除模锻件的飞边校正锻件校正锻件锻件锻件热处理热处理表面清理

21、表面清理检验检验成堆存放成堆存放。 锤上模锻成型的工艺设计包括制定锻件图、锤上模锻成型的工艺设计包括制定锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步计算坯料尺寸、确定模锻工步(选择模膛选择模膛)、选择设、选择设备及安排修整工序等。其中最主要的是锻件图的制备及安排修整工序等。其中最主要的是锻件图的制定和模锻工步的确定。定和模锻工步的确定。选择模锻件的分模面选择模锻件的分模面 分模面即是上下锻模在模锻件上的分界面。制订模锻分模面即是上下锻模在模锻件上的分界面。制订模锻锻件图时，必须按以下原则确定分模面位置：锻件图时，必须按以下原则确定分模面位置：要保证模锻件能从模膛中取出，分模面应选在模锻件最大要保证模锻件

22、能从模膛中取出，分模面应选在模锻件最大尺寸的截面上。尺寸的截面上。按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，及时调整锻模位置。及时调整锻模位置。最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处。这样可使金属最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处。这样可使金属很容易充满模膛，便于取出锻件，并有利于锻模的制造。很容易充满模膛，便于取出锻件，并有利于锻模的制造。选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。最好使分模面为一个

23、平面，使上下锻模的模膛深度基本一最好使分模面为一个平面，使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不宜过大，以便于制造锻模。致，差别不宜过大，以便于制造锻模。3.3.4.1 模锻件图的制定模锻件图的制定确定模锻件的机械加工余量及公差确定模锻件的机械加工余量及公差 机械加工余量一般为机械加工余量一般为14 mm，锻造公差一般取在，锻造公差一般取在0.33 mm之间。之间。标注模锻斜度标注模锻斜度 当模膛宽度当模膛宽度b小而深度小而深度h大时，模锻斜度要取大些。大时，模锻斜度要取大些。内壁斜度要略大于外壁斜度内壁斜度要略大于外壁斜度(a 2 a 1)。标注模锻圆角半径标注模锻圆角半径 锻件上所有转角处都应

24、做成圆角锻件上所有转角处都应做成圆角(图图8-10)。一般。一般内圆角半径（内圆角半径（R）应大于其外圆半径（）应大于其外圆半径（r）。）。留出冲孔连皮留出冲孔连皮 锻件上直径小于锻件上直径小于25mm的孔，一般不锻出，或只压的孔，一般不锻出，或只压出球形凹穴。大于出球形凹穴。大于25mm的通孔，也不能直接模锻出通的通孔，也不能直接模锻出通孔，而必须在孔内保留一层连皮。孔，而必须在孔内保留一层连皮。 冲孔连皮的厚度冲孔连皮的厚度s与孔径与孔径d有关，当有关，当d =3080mm时，时，s =48mm。模锻圆角半径模锻圆角半径内圆角半径内圆角半径R是外圆角半径是外圆角半径r的倍的倍内壁斜度内壁斜

25、度应比外壁应比外壁斜度斜度大一级大一级齿轮坯的模锻锻件图齿轮坯的模锻锻件图 长轴类锻件长轴类锻件，如台阶轴、曲，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等轴、连杆、弯曲摇臂等(图图8-12)；一般为拔长、滚挤、预锻、弯曲、一般为拔长、滚挤、预锻、弯曲、预锻、终锻成型。预锻、终锻成型。 盘类模锻件盘类模锻件，如齿轮、法，如齿轮、法兰盘等兰盘等(图图8-13)。一般为镦粗、。一般为镦粗、预锻、终锻成型。预锻、终锻成型。 模锻工步确定以后，再根模锻工步确定以后，再根据已确定的工步选择相应的制据已确定的工步选择相应的制坯模膛和模锻模膛。坯模膛和模锻模膛。3.3.4.2 模锻工步的确定及模膛种类的选择模锻工步的确

26、定及模膛种类的选择3.3.4.3 模锻成型件的结构工艺性模锻成型件的结构工艺性模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、锻模容易制造。易于从锻模中取出、敷料最少、锻模容易制造。零件上与锤击方向平行的非加工表面，应设计出模锻零件上与锤击方向平行的非加工表面，应设计出模锻斜度。非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。斜度。非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。为了使金属容易充满模膛和减少工序，零件外形力求为了使金属容易充满模膛和减少工序，零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有或具有薄壁、高筋、凸起薄壁、高筋、凸起等结构。等结构。在零件结构允许的条件下，设计时尽量避免有在零件结构允许的条件下，设计时尽量避免有深孔或深孔或多孔结构多孔结构。