第五章 金属塑性加工

1、第五章第五章 金属塑性加工金属塑性加工第第1节节 塑性加工原理塑性加工原理第第2节节 塑性加工工艺塑性加工工艺第第1 1节节 塑性加工原理塑性加工原理 1 1、定义、定义：金属塑性加工是利用金属金属塑性加工是利用金属的的塑性塑性，通过，通过外力外力使金属铸锭、金使金属铸锭、金属粉末或各种金属坯料发生塑性变属粉末或各种金属坯料发生塑性变形，成为具有所需形状、尺寸和性形，成为具有所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法。能的制品的加工方法。 2 2、特点、特点 材料利用率高，可达材料利用率高，可达90%； 生产效率高，线材轧制速度可达生产效率高，线材轧制速度可达100m/s； 产品质量高，性能好，缺陷

2、少；产品质量高，性能好，缺陷少； 加工精度和成形极限有限；加工精度和成形极限有限； 模具、设备费用昂贵。模具、设备费用昂贵。 3 3、分类、分类金属金属塑性塑性加工加工体积体积成形成形板料板料成形成形轧制轧制挤压挤压拉拔拉拔锻造锻造剪切剪切弯曲弯曲拉伸拉伸胀形胀形 体积成形体积成形：坯料一般为棒材或扁坯，坯料：坯料一般为棒材或扁坯，坯料经受很大的塑性变形，坯料的形状或横截经受很大的塑性变形，坯料的形状或横截面以及表面积与体积面以及表面积与体积之比之比发生显著的变化。发生显著的变化。 板料成形板料成形：坯料是各种板材或用板材预先：坯料是各种板材或用板材预先加工成的中间坯料，板材的加工成的中间坯料

3、，板材的形状发生显著形状发生显著变化变化，但其，但其横截面形状横截面形状基本上不变。基本上不变。轧制轧制板 材管 材实心空心拉拔拉拔正 挤反 挤复 合挤挤压挤压镦粗开式闭式镦头拔长锻造锻造拉深拉深胀形胀形弯曲弯曲形弯胀弯辊弯剪切剪切修 边切 断剁 切剥 皮4、发展、发展 （1）更加精细：精度更高，更细，更薄；）更加精细：精度更高，更细，更薄； （2）计算机模拟技术和模具）计算机模拟技术和模具CAD/CAM技术结合；技术结合； （3）柔性成形、增量成形、净成形（）柔性成形、增量成形、净成形（net shape foeming)、近净成形（、近净成形（near net shape forming)

4、技术技术等；等； （4）高速化、连续化、可控化；）高速化、连续化、可控化； （5）加工范围更广：高分子、陶瓷、复合材料、）加工范围更广：高分子、陶瓷、复合材料、木材等；木材等； （6）更环保，可持续发展。）更环保，可持续发展。 5、金属塑性加工的理论基础、金属塑性加工的理论基础 物理基础和力学基础，即金属塑性变形物理基础和力学基础，即金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力体内的应力场、应变场、应力-应变之间应变之间的关系及塑性变形时的力学条件。的关系及塑性变形时的力学条件。概念：概念： 塑性塑性：物体在外力作用下产生永久变形：物体在外力作用下产生永久变形而不被破坏的特性；而不被破坏的特性； 塑

5、性变形塑性变形：物体在外力作用下产生变形，：物体在外力作用下产生变形，当除去外力后仍有残余的变形。塑性变当除去外力后仍有残余的变形。塑性变形时，变形力与塑性应变之间不具有线形时，变形力与塑性应变之间不具有线性关系；性关系； 加工硬化加工硬化：金属材料发生塑性变形时，：金属材料发生塑性变形时，随着变形的增大，强度增大，塑性和韧随着变形的增大，强度增大，塑性和韧性降低的现象，也称性降低的现象，也称应变硬化应变硬化。 回复、再结晶、静态再结晶、动态再结回复、再结晶、静态再结晶、动态再结晶、冷变形、热变形、温变形晶、冷变形、热变形、温变形 Tresca屈服准则屈服准则 Mises准则准则 典型塑性变形

6、的应力应变状态分析典型塑性变形的应力应变状态分析弯曲压缩拉伸无 摩 擦圆 柱 压 缩窄 厚 板弯 曲宽 厚 板弯 曲有 摩 擦圆 柱 压 缩应 力 状 态有 细 颈拉 伸拉 伸实 例 图应 变 状 态拉拔挤压胀形模锻轧制封 闭 筒受 内 压开 式模 锻拉 拔挤 压轧 制第第2节节 塑性加工工艺塑性加工工艺 一、轧制（压延）一、轧制（压延） 1、定义、定义：指金属坯料通过转动轧辊间：指金属坯料通过转动轧辊间的缝隙，承受压缩变形，而在长度方向的缝隙，承受压缩变形，而在长度方向产生延伸的过程。产生延伸的过程。 目的目的：得到所需的各种形状，如板带材、：得到所需的各种形状，如板带材、管材、型材以及线材

7、；改善金属材料的管材、型材以及线材；改善金属材料的内部质量，提高力学性能。内部质量，提高力学性能。 轧制成形是钢材最重要的成形方法。轧制成形是钢材最重要的成形方法。 2、轧制过程及其基本原理、轧制过程及其基本原理简单理想轧制过程：简单理想轧制过程： 两个轧辊均被驱动、直径相等、转速相两个轧辊均被驱动、直径相等、转速相同；同； 轧制过程中两个轧辊完全对称；轧制过程中两个轧辊完全对称； 轧辊为刚性的；轧件除受轧辊作用外，轧辊为刚性的；轧件除受轧辊作用外，不受其它外力作用；不受其它外力作用； 轧件的机械性质均匀。轧件的机械性质均匀。 3、变形区主要参数、变形区主要参数 轧件在轧辊作用下产生变形的轧件

8、在轧辊作用下产生变形的 区域叫区域叫变变形区形区，变形区以外两端，变形区以外两端 不产生变形的区不产生变形的区域叫域叫外区或刚端外区或刚端。10hhh)cos1 (2Rh（1）压下量压下量（2）变形区长度变形区长度hRhhRl)4(2RhhRhRtg)2(Rh2h0h1lb0b1DROaCBA222)2(hRRl（3）延伸系数）延伸系数 =L1/L0 （4）压下率）压下率（5）宽展）宽展 =b1b0 %100)/(0hhb 工程上表示轧制状态所广泛应用的参数是工程上表示轧制状态所广泛应用的参数是宽宽展、延伸系数和压下率展、延伸系数和压下率。4、 轧制过程中的金属流动轧制过程中的金属流动 前滑区

9、前滑区 后滑区后滑区 中性面中性面轧件运动速度轧辊线速度的水平分量轧件运动速度轧辊线速度的水平分量 中性角中性角和和咬入角咬入角、金属与轧辊之间、金属与轧辊之间的的摩擦角摩擦角之间的关系之间的关系：)21 (2RNNaTTNxTxPT咬入时咬入时 咬入后咬入后5、咬入条件、咬入条件2改善咬入条件的途径：改善咬入条件的途径：（1）降低咬入）降低咬入角角 ： （2）提高摩擦角）提高摩擦角 ： 开始咬入时开始咬入时咬入后咬入后 6、轧制压力、轧制压力 轧制压力是轧制时轧辊施加于轧件使之变形轧制压力是轧制时轧辊施加于轧件使之变形的力。但通常把的力。但通常把轧件施加于轧辊总压力的垂轧件施加于轧辊总压力的

10、垂直分量直分量称为称为轧制压力轧制压力。 xlhHdxtRsincossincoscoscos00dxtBdxtBdxpBPaa 一般通称的轧制压力或实测的轧制总一般通称的轧制压力或实测的轧制总压力，并非为轧制单位压力之合力，而是压力，并非为轧制单位压力之合力，而是轧制单位压力、单位摩擦力的垂直分量之轧制单位压力、单位摩擦力的垂直分量之和。和。 7 7、轧制方法、轧制方法 （1 1）按轧制温度：热轧、冷轧）按轧制温度：热轧、冷轧 （2 2）按轧件与轧辊的相对运动关系）按轧件与轧辊的相对运动关系 纵轧纵轧：轧辊的纵轴线：轧辊的纵轴线相互平行相互平行，轧件运动方向，轧件运动方向与延伸方向与轧辊纵轴

11、线垂直。与延伸方向与轧辊纵轴线垂直。 斜轧斜轧：轧辊的纵轴线倾斜互成：轧辊的纵轴线倾斜互成一定角度一定角度，轧件，轧件边旋转边沿自身纵轴线方向前进，且前进边旋转边沿自身纵轴线方向前进，且前进 方方向与轧辊纵轴线方向成一定角度。向与轧辊纵轴线方向成一定角度。 横轧横轧：轧辊的纵轴线：轧辊的纵轴线相互平行相互平行，轧件沿自己的，轧件沿自己的横轴线方向运动前进，与轧辊纵轴线垂直。横轴线方向运动前进，与轧辊纵轴线垂直。 纵轧纵轧 斜轧斜轧 横轧横轧最常用；一般最常用；一般的初扎、板带的初扎、板带材轧制、型钢材轧制、型钢轧制和线材轧轧制和线材轧制；制；管材、钢管材、钢球等变断球等变断面零部件；面零部件；

12、齿轮、车轮、齿轮、车轮、车轴等回转车轴等回转体的轧制。体的轧制。 （3 3）按轧制产品分类）按轧制产品分类 半成品轧制（开坯）半成品轧制（开坯） 成品轧制：粗扎、精扎成品轧制：粗扎、精扎 （4 4）按轧制产品的成形特点分类）按轧制产品的成形特点分类 一般轧制、特殊轧制、周期轧制、旋压一般轧制、特殊轧制、周期轧制、旋压轧制、弯曲成形轧制、弯曲成形 8、板带材轧制、板带材轧制 特点：特点：宽厚比（宽厚比（B/H）大）大 规格：规格： 中厚板（中板中厚板（中板420mm，厚板，厚板2060mm， 特厚板特厚板60mm以上）以上） 薄板和带材（薄板和带材（0.24mm） 极薄带材和箔材（极薄带材和箔材

13、（0.0010.2mm） 技术要求：尺寸精度、板形、表面光洁度、技术要求：尺寸精度、板形、表面光洁度、性能性能 9、管材轧制、管材轧制 无缝钢管无缝钢管（1）穿孔；）穿孔；（2）轧管：自动轧管机）轧管：自动轧管机（3）均整：带芯棒斜轧）均整：带芯棒斜轧（4）定径和减径：无芯棒连轧）定径和减径：无芯棒连轧无缝钢管生产流程无缝钢管生产流程 焊管焊管：将管坯（钢板或带钢）弯曲成所：将管坯（钢板或带钢）弯曲成所需的钢管形状，然后采用需的钢管形状，然后采用焊接法焊接法焊接成焊接成钢管钢管。直缝焊管生产流程直缝焊管生产流程螺旋焊管生产流程螺旋焊管生产流程 10、型材轧制、型材轧制 型材轧制主要用于各种型材

14、轧制主要用于各种型钢生产型钢生产。大多数有色。大多数有色金属型材主要采用挤压、拉拔的方法生产。金属型材主要采用挤压、拉拔的方法生产。 型钢的轧制方法：在轧辊上加工出轧槽，把两型钢的轧制方法：在轧辊上加工出轧槽，把两个或两个以上轧辊的轧槽对应装配起来，形成个或两个以上轧辊的轧槽对应装配起来，形成孔型孔型。轧制时，轧件通过一系列孔型，一般断。轧制时，轧件通过一系列孔型，一般断面积由大变小，长度由短变长，以达到所要求面积由大变小，长度由短变长，以达到所要求的形状和尺寸。的形状和尺寸。角钢角钢 槽钢槽钢 工字钢工字钢 蝶式孔型系统蝶式孔型系统 蝶式孔型蝶式孔型 直线式孔型直线式孔型扁平孔型系统扁平孔型

15、系统 直线式孔型直线式孔型 倾斜式孔型倾斜式孔型孔型系统示例孔型系统示例 11、线材轧制、线材轧制 线材是热轧型材中断面最小的一种，一般吧直线材是热轧型材中断面最小的一种，一般吧直径径5.5-9mm、细长的热轧圆钢（或铜材、铝材）、细长的热轧圆钢（或铜材、铝材）叫叫线材线材，由于大多是成盘卷交货，故俗称，由于大多是成盘卷交货，故俗称盘条盘条。 特点：特点：（1）总的延伸率大，轧件温降快，头尾温差大，）总的延伸率大，轧件温降快，头尾温差大，轧制速度高；轧制速度高；（2）机架多、分工细，产品比较单一、轧机专）机架多、分工细，产品比较单一、轧机专业程度高；业程度高；（3）高速无扭转轧机具有特殊的孔型

16、系统）高速无扭转轧机具有特殊的孔型系统 。 Y型轧机的多辊孔型型轧机的多辊孔型 45 轧机的孔型系统轧机的孔型系统线材生产流程线材生产流程二、挤压二、挤压1、挤压挤压：对放在：对放在挤压筒挤压筒内的金属坯料施内的金属坯料施加压力，使之从特定的加压力，使之从特定的模孔模孔中流出，中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。加工方法。2、挤压方法挤压方法： 可按挤压方向、变形特征、可按挤压方向、变形特征、润滑状态、挤压温度、挤压速度、模润滑状态、挤压温度、挤压速度、模具种类或结构、坯料形状或数目、制具种类或结构、坯料形状或数目、制品形状或数目分类。品形状或数目

17、分类。工业上常用挤压方法工业上常用挤压方法 3、特点：、特点： 具有比轧制更为强烈的三向压应力状态，具有比轧制更为强烈的三向压应力状态，金属可以发挥其最大的塑性，金属可以发挥其最大的塑性，获得大变形获得大变形量量。可加工用轧制或锻造加工有困难甚至。可加工用轧制或锻造加工有困难甚至无法加工的金属材料。无法加工的金属材料。 可生产断面极其可生产断面极其复杂复杂的，变断面的管材和的，变断面的管材和型材。型材。 灵活灵活性很大，只需更换模具，即可生产出性很大，只需更换模具，即可生产出很多产品。很多产品。产品尺寸产品尺寸精确精确，表面质量好。，表面质量好。工艺流程工艺流程简单，简单，设备投资少，实现生设

18、备投资少，实现生产过程自动化和封闭化比较容易。产过程自动化和封闭化比较容易。 金属的固定废料金属的固定废料损失较大损失较大。压余量。压余量1015，轧件的切头尾损失仅为，轧件的切头尾损失仅为13。加工加工速度低速度低。沿长度和断面上制品的组织、性能沿长度和断面上制品的组织、性能不不够均一够均一。工具工具消耗较大。消耗较大。 注意：注意： 挤压法非常适合于生产品种、规格、批挤压法非常适合于生产品种、规格、批数繁多的数繁多的有色金属有色金属管、棒、型材及线坯。管、棒、型材及线坯。 在生产断面复杂的或薄壁的管材和型材，在生产断面复杂的或薄壁的管材和型材，直径与壁厚之比趋近于直径与壁厚之比趋近于2的超

19、厚壁管材，的超厚壁管材，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面，挤压法是唯一可行的压力加工方法。挤压法是唯一可行的压力加工方法。 4、挤压基本理论、挤压基本理论 填充挤压阶段（填充挤压阶段（I）、基本挤压阶段（）、基本挤压阶段（II）、）、终了挤压阶段（终了挤压阶段（III，缩尾挤压阶段），缩尾挤压阶段）正挤压正挤压反挤压反挤压挤挤压压力力 P挤压轴位移挤压轴位移(a) 平模(d) 锥模(e) 平锥模(c) 双锥模(f) 碗形模（b）平流模挤压实心模示意图挤压实心模示意图 三、拉拔三、拉拔 1 1、定义定义：在：在外加拉力外加拉力的作用下，迫使金的作用下，迫使金属通

20、过属通过模孔模孔产生塑性变形，以获得与模产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的制品的加工方法，孔形状、尺寸相同的制品的加工方法，称之为称之为拉拔拉拔（或称为拉伸）。是生产管（或称为拉伸）。是生产管材、棒材、型材及线材的主要方法之一。材、棒材、型材及线材的主要方法之一。拉拔成形原理示意图拉拔成形原理示意图dNdNdNdNdTdTrllr坯 料坯 料坯 料P 2、拉拔方法、拉拔方法 实心材拉拔：棒材、型材、线材实心材拉拔：棒材、型材、线材 空心材拉拔：管材、空心异型材空心材拉拔：管材、空心异型材 3 3、特点、特点（1）拉拔制品尺寸精度高，表面光洁度好。）拉拔制品尺寸精度高，表面光洁度好。（2

21、）工具与设备简单，维护方便。）工具与设备简单，维护方便。（3）最适合于连续高速生产断面尺寸小的长制品。）最适合于连续高速生产断面尺寸小的长制品。（4）拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受）拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受到限制，工艺过程长。过大的道次加工率将导到限制，工艺过程长。过大的道次加工率将导致制品尺寸、形状不合格，甚至被拉断。原因致制品尺寸、形状不合格，甚至被拉断。原因是变形区内为两压一拉应力状态，不利于充分是变形区内为两压一拉应力状态，不利于充分发挥金属的塑性。发挥金属的塑性。4、拉拔基本原理、拉拔基本原理圆棒拉拔时的应力与变形圆棒拉拔时的应力与变形dNdRdT 拉拔时制品内

22、部的周期性裂纹示意图拉拔时制品内部的周期性裂纹示意图D1D2D2D1 5、拉拔工具、拉拔工具 拉拔工具主要包括拉拔工具主要包括拉拔模拉拔模和和芯头芯头。 锥形模锥形模 弧线模弧线模222(a)(b)dl3l2l1d(a) 圆 柱 形 固 定 芯 头(b) 锥 形 固 定 芯 头(c) 游 动 芯 头 四、锻造四、锻造 1、定义定义：是借助锻锤、压力机等设备对：是借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。件。 2、特点特点：在塑性变形中，能使坯料的粗：在塑性变形中，能使坯料的

23、粗晶粒破碎、疏松、孔隙被压实、焊合，晶粒破碎、疏松、孔隙被压实、焊合，锻件的内部组织和性能得到较大改善。锻件的内部组织和性能得到较大改善。 3 3、自由锻、自由锻：用简单通用的工具，或是在：用简单通用的工具，或是在锻压设备的上、下砧之间直接使坯料产锻压设备的上、下砧之间直接使坯料产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能锻件的加工方法。和性能锻件的加工方法。 分类：手工锻、锤上自由锻、液压机上分类：手工锻、锤上自由锻、液压机上自由锻自由锻 特点：特点： 手工锻不需专用模具，由人工掌握，手工锻不需专用模具，由人工掌握，比较灵活，适合单件、小批及大型锻件比较灵活，

24、适合单件、小批及大型锻件的生产。的生产。 锤上自由锻在空气锤和蒸汽锤上自由锻在空气锤和蒸汽- -空气锤空气锤上进行。大型锻件的加工通常是在油压上进行。大型锻件的加工通常是在油压机或水压机上进行。机或水压机上进行。 主要工序主要工序：镦粗、拔长、冲孔、扩孔、：镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、错移等。弯曲、错移等。 轴类和杆件以拔长变形为主，曲轴类还轴类和杆件以拔长变形为主，曲轴类还要加错移和扭转工序；饼类件以镦粗变要加错移和扭转工序；饼类件以镦粗变形为主，孔心件还得加冲孔工序。复杂形为主，孔心件还得加冲孔工序。复杂形状的锻件必须采用组合变形方法。形状的锻件必须采用组合变形方法。 钩 叉类实 心杆 类实 例 矩 形断 面 杆类 别盘 类曲 轴类轴 类自由锻件分类自由锻件分类 4 4、模型锻造、模型锻造 定义定义：在专用锻造设备上采用：在专用锻造设备上采用专用模具专用模具，使金属坯料产生塑性变形，获得所需形状、使金属坯料产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和性能