机械制造基础3-1(本科)

1、2022年5月9日第三篇第三篇 金属的塑性加工金属的塑性加工概述概述2金属塑性加工金属塑性加工：利用金属在外力作用下所产生的塑性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材变形，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，也称为料、毛坯或零件的生产方法，也称为金属塑性成型或金属塑性成型或压力加工压力加工。 对象：各类钢和大多数有色金属及其合金对象：各类钢和大多数有色金属及其合金3条件条件施加压力施加压力产生塑性变形产生塑性变形形式：人工、机器形式：人工、机器性质：静压力、冲击力性质：静压力、冲击力材料材料铸锭（浇注成型）铸锭（浇注成型）型

2、材（轧制成型：棒材、板材、管材、型材等）型材（轧制成型：棒材、板材、管材、型材等）实质实质变形：小件（连轴齿轮）变形：小件（连轴齿轮）变性：大件、重要件（大型发电机主轴变性：大件、重要件（大型发电机主轴先铸后锻）先铸后锻）基本生产方式基本生产方式4名称名称示意图示意图工作原理工作原理应用应用轧制轧制 使金属坯料通过一使金属坯料通过一对回转轧辊间的空对回转轧辊间的空隙而产生连续变形隙而产生连续变形生产钢板，无缝钢生产钢板，无缝钢管及各种型钢管及各种型钢挤压挤压使金属坯料从挤压使金属坯料从挤压模的模孔中挤出而模的模孔中挤出而变形变形生产低碳钢、有色生产低碳钢、有色金属及其合金的型金属及其合金的型材

3、、管件和零件材、管件和零件拉拔拉拔使金属坯料从挤压使金属坯料从挤压模的模孔中挤出而模的模孔中挤出而变形变形可拉制直径仅为可拉制直径仅为0.02mm0.02mm金属丝和薄金属丝和薄壁管壁管5名称名称示意图示意图工作原理工作原理应用应用模型锻造模型锻造 将金属坯料放在将金属坯料放在模锻模膛内受冲模锻模膛内受冲击力或压力而变击力或压力而变形形成批大量生产形状成批大量生产形状较复杂的中小型模较复杂的中小型模锻件锻件自由锻造自由锻造将金属坯料放在将金属坯料放在上下砧铁间受冲上下砧铁间受冲击力或压力而变击力或压力而变形形单件小批量生产力单件小批量生产力学性能简单的零件学性能简单的零件毛坯，是制造大型毛坯，

4、是制造大型锻件的唯一方法。锻件的唯一方法。冲压冲压利用冲模，使金利用冲模，使金属板料产生分离属板料产生分离或变形或变形成批大量生产形状成批大量生产形状复杂的薄板件、中复杂的薄板件、中空零件或汽车覆盖空零件或汽车覆盖件件金属塑性变形的实质金属塑性变形的实质塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响金属的可锻性金属的可锻性第一章第一章 金属的塑性变形金属的塑性变形61-1 1-1 金属塑性变形的实质金属塑性变形的实质金属变形弹性变形塑性变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形原子离开平衡位置原子离开平衡位置原子间距增大原子间距增大位能增大位能增大具有恢

5、复低位能倾向具有恢复低位能倾向7一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形1）滑移）滑移单晶体在切应力作用下，晶体会发生弹性变形，单晶体在切应力作用下，晶体会发生弹性变形，当切应力超过某一临界值时，晶体的一部分相当切应力超过某一临界值时，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面发生相对滑动对另一部分沿一定的晶面发生相对滑动塑性变形的实质：晶体内部产生滑移的结果。塑性变形的实质：晶体内部产生滑移的结果。 未变形未变形 弹性变形弹性变形 弹塑性变形弹塑性变形 塑性变形塑性变形单晶体滑移变形示意图单晶体滑移变形示意图“弹复弹复”现象：现象：应力 弹性变形；应力增大 塑性变形；去除外力去除外力 弹弹性变形恢

6、复。性变形恢复。8金属塑性变形的实质是晶体内部产生滑移变形，其中金属塑性变形的实质是晶体内部产生滑移变形，其中位错是引起滑移变形的主要原因。位错是引起滑移变形的主要原因。位错移动位错移动：高位能的位错处原子，在比理论值小的切应力下滑移。从一个位置滑移到另一个位置。910位错的滑移动画位错的滑移动画二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形晶内变形（单晶）晶内变形（单晶）晶间变形晶间变形（多晶）（多晶）滑动滑动转动转动多晶体塑性变形的实质：多晶体塑性变形的实质：晶粒内部发生滑移；同晶粒内部发生滑移；同时晶粒之间发生滑移和时晶粒之间发生滑移和转动。转动。111.2 1.2 塑性变形对金属组织和性能影

7、响塑性变形对金属组织和性能影响金属材料强度和硬度提金属材料强度和硬度提高，塑性和韧性下降。高，塑性和韧性下降。12一、金属材料产生加工硬化有利：加工硬化可提高产品性能有利：加工硬化可提高产品性能!加热可消除硬化现象加热可消除硬化现象!不利：进一步的塑性变形带来困难不利：进一步的塑性变形带来困难!13回复回复T T回回 = = （0.25 0.25 0.30.3）T T熔熔（扭晶回复，局部消除）（扭晶回复，局部消除）再结晶再结晶T T再再 = = 0.4T0.4T熔熔加工硬化加工硬化再结晶再结晶14T T再再冷变形冷变形热变形热变形以上以上以下以下冷变形无再结晶现象，只有加工硬化现象冷变形无再结

8、晶现象，只有加工硬化现象热变形有再结晶现象，无加工硬化现象热变形有再结晶现象，无加工硬化现象15二、金属材料产生纤维组织16 v 1、具有纤维组织的工件受的拉应力时，必须使应力、具有纤维组织的工件受的拉应力时，必须使应力方向与纤维方向平行，方向与纤维方向平行，v 2、具有纤维组织的工件受的切应力和弯曲应力时，、具有纤维组织的工件受的切应力和弯曲应力时，必须使应力方向与纤维方向垂直，必须使应力方向与纤维方向垂直，v 3、并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量不被切、并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量不被切断。断。合理利用纤维组织合理利用纤维组织17举例举例：切削加工破坏纤维组织，切削加工破坏纤维

9、组织，受切应力顺着纤维方向，受切应力顺着纤维方向，承载能力较弱承载能力较弱墩粗，纤维不破坏，承载墩粗，纤维不破坏，承载能力较好，能力较好，18 金属的变形程度通常用锻造比来表示。即：金属的变形程度通常用锻造比来表示。即：FFOY拔拔 = FO /FY镦镦 = HO / H0HH FO 、F坯料变形前、坯料变形前、后的截面积。后的截面积。 HO 、H坯料变形前、坯料变形前、后的高度。后的高度。191 1 金属本质金属本质 化学成分化学成分纯金属可锻性纯金属可锻性 合金合金组织状态组织状态C C：C%C%，HB,HB, ,变形抗力变形抗力锻造性能锻造性能晶粒大小影响锻造性能（粗晶晶粒大小影响锻造性

10、能（粗晶 细晶组织）细晶组织）过细过细模具崩刃模具崩刃概念：材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。概念：材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。衡量指标塑性：材料产生塑性变形而不破坏的能力塑性：材料产生塑性变形而不破坏的能力变形抗力：对塑性变形的阻力变形抗力：对塑性变形的阻力影响可锻性的因素1-3 1-3 金属的可锻性金属的可锻性多相组织多相组织晶格畸变晶格畸变, ,变形抗力变形抗力C C化物，化物，HBHB锻造性能锻造性能Si Si、MnMn：超过一定量可锻性变差：超过一定量可锻性变差20S S、P P：冷脆、热脆、超过一定量可锻性急剧变差：冷脆、热脆、超过一定量可锻性急剧变差2

11、2 加工条件加工条件T T温温，材料的可锻性，材料的可锻性 T T温温，原子的活动能力，原子的活动能力，滑移，滑移 T T温温，再结晶，再结晶，变抗，变抗 T T温温，晶格类型转变（钢，晶格类型转变（钢，PAPA）变形温度变形温度T T温温：趁热打铁趁热打铁21T T温温，材料的可锻性，材料的可锻性 T T温温，原子的活动能力，原子的活动能力，滑移，滑移 T T温温，再结晶，再结晶，变抗，变抗 T T温温，晶格类型转变（钢，晶格类型转变（钢，PAPA）22T温温过高过高过热：过热：T，A晶粒迅速长大（粗晶），晶粒迅速长大（粗晶），过烧：过烧：T接近金属熔点接近金属熔点晶粒晶粒氧化性气体渗入晶界

12、，氧化性气体渗入晶界，可以消除可以消除变形量变形量尽量避免尽量避免无法消除，严格杜绝无法消除，严格杜绝始锻温度始锻温度开始锻造的温度，指金属在锻造前加热允许的开始锻造的温度，指金属在锻造前加热允许的最高温度。最高温度。终锻温度终锻温度停止锻造的温度，指金属热变形允许的最低温停止锻造的温度，指金属热变形允许的最低温度。终锻温度过低，金属的加工硬化严重，变形抗力急剧增度。终锻温度过低，金属的加工硬化严重，变形抗力急剧增加，使加工难于进行。加，使加工难于进行。23始锻温度始锻温度终锻温度终锻温度目的：目的：锻造性能锻造性能( ，变抗变抗) )，获得再结晶组织，获得再结晶组织T始始尽量高，尽量高，T终

13、终尽量低（尽量低（锻造性能，锻造性能，锻造时间，锻造时间，加热火次）加热火次）不产生过热、过烧不产生过热、过烧 不产生加工硬化（再结晶组织），不产生加工硬化（再结晶组织），否则，晶粒粗大，内应力否则，晶粒粗大，内应力，变抗，变抗24原则：锻造性能原则：锻造性能 ，力学性能，力学性能，温度范围温度范围T T始始：AE-200 AE-200 ， T T终终：800800方法：以方法：以Fe-C合金状态图为基准，参照钢的塑性合金状态图为基准，参照钢的塑性图，变形抗力图、再结晶立体图综合确定。图，变形抗力图、再结晶立体图综合确定。变形速度变形速度V变单位时间的变形量双重影响双重影响V V变变C: VC

14、: VC: V变变, ,锻造性能锻造性能（热效应，（热效应，实实际温度）际温度）高速锤上才能实现（高速锤上才能实现（ V V变变16-20m/s16-20m/s）, ,水水压机压机0.1-0.3m/s0.1-0.3m/s，锻锤，锻锤7-8m/s7-8m/s25应力状态应力状态三向压应力三向压应力塑性最好、变形抗力最小。塑性最好、变形抗力最小。三向拉应力三向拉应力塑性最差、变形抗力最大。塑性最差、变形抗力最大。压应力使各种缺陷受到抑制，不压应力使各种缺陷受到抑制，不易扩展，易扩展，拉应力促使晶间变形，加速晶界拉应力促使晶间变形，加速晶界破坏，裂纹扩展破坏，裂纹扩展26应力性质、大小和方向影响锻造

15、性能应力性质、大小和方向影响锻造性能压应力压应力，数值，数值，锻造性能，锻造性能，反之锻造性能，反之锻造性能自由锻是利用冲击力或静压力使金属在上、下砧之间产生塑自由锻是利用冲击力或静压力使金属在上、下砧之间产生塑性变形，从而得到所需锻件的锻造方法。性变形，从而得到所需锻件的锻造方法。27分类分类手工锻造手工锻造（小型锻件）（小型锻件）机械锻造机械锻造（中、大型锻件）（中、大型锻件）设备设备小型：空气锤（冲击力）小型：空气锤（冲击力）大、中型大、中型空气空气-蒸汽自由锻锤（冲击力）蒸汽自由锻锤（冲击力） 水压机（静压力）水压机（静压力） 分类分类锤上模锻蒸汽蒸汽-空气锤空气锤 。合模准确。合模准

16、确。吨位：吨位：110t，可锻，可锻150kg以下锻件。以下锻件。由上、下两个模块组成，有模膛。由上、下两个模块组成，有模膛。单模膛锻模、多模膛锻模单模膛锻模、多模膛锻模2829自由锻特点设备及工具简单，实用性强，灵活设备及工具简单，实用性强，灵活 ； 设备所需功率设备所需功率； 锻件的精度低（最大偏差锻件的精度低（最大偏差70-80mm）；）； 生产率低，劳动强度大；生产率低，劳动强度大；应用应用 单件、小批量生产，单件、小批量生产，自由锻工序辅助工序：压钳口、倒棱、压肩辅助工序：压钳口、倒棱、压肩基本工序：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切断、扭转、错移基本工序：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切断、扭转

17、、错移精整工序：校直、精压精整工序：校直、精压 平砧镦粗平砧镦粗镦粗镦粗 垫环镦粗（整体变形，坯料直径垫环镦粗（整体变形，坯料直径垫环内径，齿轮）垫环内径，齿轮） 局部镦粗（局部变形，坯料直径局部镦粗（局部变形，坯料直径套筒内径，螺钉）套筒内径，螺钉）变形特点：横截面变形特点：横截面，高度，高度目的：锻制盘类件；冲孔前的预备工序目的：锻制盘类件；冲孔前的预备工序1.25H/D2.5(1.25H/D450mm变形力变形力 扩孔扩孔 长度不变，内径长度不变，内径，壁厚，壁厚3031敷料1.余块（敷料）余块（敷料）32为了简化零件的为了简化零件的形状和结构，便形状和结构，便于锻造而增加的于锻造而增加

18、的一部分金属。一部分金属。锻件余量2.锻件余量锻件余量33成形时为了保成形时为了保证机械加工最证机械加工最终获得所需尺终获得所需尺寸而允许保留寸而允许保留的多余金属。的多余金属。3.锻件公差锻件公差34锻件名义锻件名义尺寸的允尺寸的允许变动量。许变动量。v确定坯料质量确定坯料质量G G坯坯料头烧损锻件坯料GGGG烧损：（第一次）烧损：（第一次）G=G=（G G锻锻+ +孔芯孔芯+ +切头）切头）2%2%3%3%。（其。（其余余)1.5%)1.5%2%2%。35确定坯料尺寸确定坯料尺寸v锻件坯料尺寸计算 在确定坯料尺寸时主要考虑锻造比的取值，一般锻造比不小于2.5-3。 Y锻（锻造比）锻（锻造比

19、）F F坯坯/F/F锻（拔前、后横截面积）锻（拔前、后横截面积） 钢锭：取钢锭：取Y Y锻锻2.52.53.03.0型钢：取型钢：取Y Y锻锻1.31.31.51.5 确定坯料长度L坯坯料体积V坯=G坯/坯料密度 确定坯料横截面积 F坯 F坯= Y锻 * F锻坯料长度L坯=V坯/F坯36使加热后的金属在模膛内受压变形以获得所需锻件的方法。使加热后的金属在模膛内受压变形以获得所需锻件的方法。（受阻变形）（受阻变形）u锤上模锻锤上模锻u其他设备上模锻：曲柄压力机上模锻、摩擦螺旋压力机其他设备上模锻：曲柄压力机上模锻、摩擦螺旋压力机上模锻上模锻u胎膜锻胎膜锻金属在模膛内成形，金属在模膛内成形，变形阻

20、力大变形阻力大，变形不均匀变形不均匀变形抗力变形抗力，T终终晶粒粗大晶粒粗大 外力外力锻制锻制中、小件中、小件组织不均匀组织不均匀残余应力残余应力锻后热处理（退火、正火、调质）锻后热处理（退火、正火、调质）37典典 型型 模模 锻锻 件件 生产率高；生产率高； 材料利用率高；材料利用率高； 可锻造形状较复杂的零件；可锻造形状较复杂的零件； 锻件重量小。锻件重量小。 锻件的尺寸精度和表面质量高；锻件的尺寸精度和表面质量高； 模具成本高、设备昂贵；模具成本高、设备昂贵； 成批，大批量，中小型锻件成批，大批量，中小型锻件38曲柄压力机上模锻曲柄压力机上模锻压力机上模锻39压力机上模锻摩擦压力机上模锻

21、摩擦压力机上模锻40锤上模锻锻模结构锻模结构模模 膛膛模锻模膛模锻模膛终锻模膛终锻模膛预锻模膛预锻模膛模膛模膛41制坯模膛制坯模膛拔长模膛拔长模膛滚压模膛滚压模膛弯曲模膛弯曲模膛切断模膛切断模膛 功用：对于形状复杂的模锻件，使金属能很好地分布和充满模锻模膛，功用：对于形状复杂的模锻件，使金属能很好地分布和充满模锻模膛，预先在制坯模膛中制形状基本接近模锻件形状坯件。预先在制坯模膛中制形状基本接近模锻件形状坯件。坯料某部分的截面积坯料某部分的截面积, ,而而其长度。其长度。兼有去除氧化皮的作用。（长轴类锻件）兼有去除氧化皮的作用。（长轴类锻件）坯料长度不变，使坯料一部分截坯料长度不变，使坯料一部分

22、截面面，局部截面，局部截面。（变截面长。（变截面长轴类锻件的制坯）轴类锻件的制坯） 要不断翻转坯料。要不断翻转坯料。42垂直力使坯料弯曲。垂直力使坯料弯曲。上模、下模的角部组成的一对刀上模、下模的角部组成的一对刀口，切割金属。口，切割金属。432）终锻模膛：）终锻模膛： 使坯料最后使坯料最后变形到变形到所需的形状、尺寸所需的形状、尺寸 终锻模膛有飞边槽，斜度、圆角小。终锻模膛有飞边槽，斜度、圆角小。 容纳容纳多余多余金属，增加金属流出阻力金属，增加金属流出阻力填填满模膛，垫片上下模不被撞击。满模膛，垫片上下模不被撞击。 441）预锻：）预锻： 功用：使坯料功用：使坯料接近接近锻件的形状、锻件的

23、形状、尺寸，尺寸， 终锻变形量，终锻变形量，保证保证终锻时获得成形饱满、无折叠、终锻时获得成形饱满、无折叠、裂纹的优质锻件。裂纹的优质锻件。特点：没有飞边槽，模锻斜度特点：没有飞边槽，模锻斜度和圆角半径较大。和圆角半径较大。v 预段模膛设计注意：预段模膛设计注意：1 1、应使预锻后的锻坯在终锻、应使预锻后的锻坯在终锻时以镦粗方式成形。宽度时以镦粗方式成形。宽度比终锻减小比终锻减小0.5-1mm0.5-1mm，高度，高度增加增加2-5mm2-5mm。2. 2.圆角半径比终锻大圆角半径比终锻大2-5mm2-5mm。2.3 2.3 锻造工艺规程的制订锻造工艺规程的制订1. 1. 分模面分模面分模面：

24、上、下模或凸、凹分界面分模面：上、下模或凸、凹分界面选分模面原则：选分模面原则：1)1)便于取出锻件便于取出锻件锻件最大尺寸截面处。锻件最大尺寸截面处。2)2)便于发现错模便于发现错模上、下两模腔轮廓一致。上、下两模腔轮廓一致。3)3)便于金属充型便于金属充型分模面在模腔浅而宽位置。分模面在模腔浅而宽位置。4)4)尽量减少余块尽量减少余块沿径向分布。沿径向分布。5)5)尽量分型面为平面尽量分型面为平面 452.2.模锻斜度模锻斜度 模锻件上平行锤击方向的表面必须有斜度（模锻件上平行锤击方向的表面必须有斜度（5-15），以便取出锻件。），以便取出锻件。 ( (标准标准度数度数5 5，7 7，10

25、10，1212) ) 模锻斜度与模镗深度和宽度有关（模锻斜度与模镗深度和宽度有关（h/b ,斜度斜度 ）。内侧斜度比外侧稍大些。）。内侧斜度比外侧稍大些。3.模锻圆角半径模锻圆角半径 所有交角均做成圆角，可以易于充满模膛，避免尖角处产生裂纹，减缓锻件所有交角均做成圆角，可以易于充满模膛，避免尖角处产生裂纹，减缓锻件外尖角处的磨损。外尖角处的磨损。 锻件内圆角锻件内圆角R，锻件外圆角，锻件外圆角r（1.5-12mm）。）。R比比r大大2-3倍，倍，hR4.冲孔连皮厚度（盲孔）冲孔连皮厚度（盲孔） 孔径大于孔径大于25mm,该孔应锻出；孔径为该孔应锻出；孔径为2580mm时时,冲孔连皮厚度取冲孔连皮厚度取48mm。46一、自由锻件结构设计注意的问题一、自由锻件结构设计注意的问题1、 避免避免锥体或斜面锥体或斜面结构结构不合理不合理合理合理2-5 2-5 锻件结构工艺性锻件结构工艺性原则：锻造方便、节约金属、提高生产率。原则：锻造方便、节约金属、提高生产率。 总要求：形状尽量简单。总要求：形状尽量简单。 47自由锻件结构设计注意的问题自由锻件结构设计注意的问题 2、避免、避免曲面相交形曲面相交形成空间曲线成空间曲线不合理不合理合理合理第二章第二章 锻造锻造48自由锻件结构设计注意的问题自由锻件结构设计注意的问题3、 避免避免加强筋、凸加强筋、凸台、工字形台、工字形截面。截面。不合