工程材料与机械制造基础讲稿于美杰副教授

主讲人：于美杰副教授Tel：88396181Email：yumeijie@

工程材料与机械制造基础第五章材料的塑性成形工艺本章基本要求塑性变形的微观机制塑性变形对力学性能的影响影响金属可锻性的因素了解几种常用的锻造技术和板料冲压技术的工艺特点。第五章目录

第一节塑性成形理论基础第二节金属塑性成形方法第三节锻压件结构工艺性第四节先进塑性成形方法什么是塑性成形?在外力作用下利用金属材料的塑性，使其成形并获得一定力学性能的加工方法。也称塑性加工或压力加工第一节塑性成形理论基础第五章材料的塑性成形工艺TheoryofPlasticDeformation分类静压力动压力轧制挤压拉拔自由锻模锻冲压轧制挤压拉拔自由锻模锻冲压第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation

塑性成形（压力加工）的特点优点结构致密，组织细化，力学性能提高；少无切削加工，材料利用率高；生产效率高；缺点一般工艺表面质量差（氧化）；不能形成形状复杂件（相对铸造）；设备庞大、价格昂贵；劳动条件差（强度高、噪音大）；第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation

一、

塑性变形机理什么是塑性？－在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。金属并非理想晶体：多晶体，晶粒内部有缺陷。塑性变形的实质晶内变形：滑移（为主）＋孪生晶间变形：滑动＋转动滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生移动或切变。位错运动引起滑移第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation

注意：多晶体变形以晶内滑移为主，晶间转动为辅（原因：晶界有阻碍变形的作用，晶界强度高于晶内，晶界变形更难）晶粒越细、越多，晶界越多，对材料起到强化作用。晶粒间的滑动和转动第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation细晶强化原因晶界面积越多，位错障碍越多，金属塑性变形的抗力越大，强度、硬度越高。晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多，塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，变形均匀，减少了应力集中，使塑性指标提高；晶粒越细小，晶界面积越多，对裂纹扩展的阻碍作用越大，金属在断裂前消耗的功越大，使韧性指标提高；回顾：固溶强化第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation

二、加工硬化、回复和再结晶1.加工硬化金属在冷变形时（低于再结晶温度），随塑性变形量的增加，强度和硬度增加，而塑性和韧性下降的现象，也称“形变强化”。－－强化金属的重要手段之一原因：随变形量增加,晶格畸变和碎晶，位错密度增加，使变形抗力增加。形变强化的结果：①强硬度提高；②使进一步塑性变形困难。第一节塑性成形理论基础TheoryofPlasticDeformation

2.回复和再结晶金属经变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。回复：将冷成形后的金属加热至一定温度后，使原子回复到平衡位置，晶内残余应力大大减小的现象，称为回复。T回＝（0.25～0.3）T熔再结晶：对形变强化的金属加热到熔点的0.4倍时，开始以某些碎晶或杂质为核心生成新的等轴晶粒，原来已变形的晶粒消失，使金属的强度、硬度降低，塑性和韧性增加，形变强化现象完全消除的现象。T再=0.4T熔

注意:公式中的T单位为”K”!第一节节塑塑性成成形理理论基基础TheorPlasticDeformation几点说说明：：回复只只能部分消除加加工硬硬化（（晶格格畸变变消除除，但但晶粒粒形状状不变变）；；再结晶晶能消消除全部加工硬再结晶不是恒温过程，而是在一定温度范围内连续进行的过程。T再再结晶温度是开始再结晶的最低温度。再结晶也是晶核形成和长大的过程，不是相变过程，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。晶格畸畸变晶格畸畸变消消除晶粒形形状改改变第五章章材材料的的塑性性成形形工艺艺第一节节塑塑性成成形理理论基基础TheoryofPlasticDeformation3.冷变形形、热热变形形、温温变形形冷变形形：在T回复温度以以下的的塑性性变形形，存在加工硬硬化,强度、、硬度度↑，，塑性性、韧韧性↓↓；冷冲压压、冷冷挤压压、冷冷轧、、冷拔拔;尺寸精精度高高、表表面质质量好好;变形不不宜过过大，，避免免破裂裂；热变形：在T再温度以上的的塑性变形形，形变强强化随时被被再结晶消消除。热锻、热轧轧、热挤压压;变形程度大大,缺陷少，组组织致密，，力学性能能高；温变形：在高于回回复温度和和低于再结结晶温度范范围内进行行的塑性成成形过程，，有加工硬硬化及回复复现象，但但无再结晶晶，硬化只只得到部分分消除。第五章材材料的塑性性成形工艺艺第一节塑塑性成形理理论基础TheoryofPlasticDeformation四、锻造流流线（纤维维组织）晶粒被拉长长或压扁；；晶粒破碎产生碎晶。。当变形量很很大时，晶界上的杂质随晶粒粒一起沿变形形方向被拉拉长后呈流流线状分布布，这种流线线分分布布形形态态的的微微观观结结构构称称为为锻造造流流线线或纤维维组组织织；力学学性性能能呈呈现现各各向向异异性性平行行纤纤维维方方向向：：抗抗拉拉强强度度高高、、剪剪切切强强度度低低垂直直纤纤维维方方向向：：剪剪切切强强度度高高、、抗抗拉拉强强度度低低纤维维组组织织不不能能用用热热处处理理消消除除,只能能合合理理应应用用拉应应力力∥∥纤纤维维组组织织剪切切应应力力⊥⊥纤纤维维组组织织第五五章章材材料料的的塑塑性性成成形形工工艺艺第一一节节塑塑性性成成形形理理论论基基础础ForgingTechnology五、、塑塑性性成成形形基基本本定定律律最小小阻阻力力定定律律体积积不不变变定定律律临界界切切应应力力定定律律镦粗粗时时的的变变形形锥锥第一一节节塑塑性性成成形形理理论论基基础础六、、塑塑性性成成形形性性（（可可锻锻性性））金属属产产生生塑塑性性变变形形而而不不破破坏坏的的难难易易程程度度塑性性好好、变形形抗抗力力小小，可可锻锻性性好好影响响金金属属可可锻锻性性的的因因素素化学学成成分分：含含合合金金元元素素少少的的可可锻锻性性好好,纯金金属属/低碳碳组织织：单相相组组织织（（纯纯金金属属或或固固溶溶体体））比比多多相相好好钢中中碳碳化化物物少少好好，，呈呈弥弥散散分分布布比比网网状状分分布布好好塑性性变变形形条条件件：加热热温温度度、、变变形形速速度度、、应应力力状状态态TheoryofPlasticDeformation第一一节节塑塑性性成成形形理理论论基基础础温度度对可可锻锻性性的的影影响响：：加热热温温度度高高，，可可锻锻性性好好；；温温度度过过高高，，会会过热热、过烧烧始锻锻温温度度~终锻锻温温度度，，如如碳素素钢钢1150/1250~800/850高于于再再结结晶晶温温度度变形形速速度度对可可锻锻性性的的影影响响：：<a,速度度↑↑，，可可锻锻性性↓↓原因：回复复和再结晶晶不能及时时克服加工硬硬化>a,速度↑，可可锻性↑原因：热效效应使塑性性提高TheoryofPlasticDeformation再结晶消除除加工硬化化趁热打铁一般设备不不会超过a点，除高速速锤上锻造造第一节塑塑性成形理理论基础应力状态对可锻性的的影响：压应力下变变形，对塑塑性有利，，阻止裂纹纹扩展，焊焊合孔、缝缝等缺陷；；拉应力下变变形，对塑塑性不利，，气孔、裂裂纹等缺陷陷处易引起起应力集中中，缺陷扩扩展，导致致破裂。挤压时金属属的应力状状态拉拔时金属属的应力状状态TheoryofPlasticDeformation三向受压两向受压、、一向受拉拉第二节金金属塑性成成形方法ForgingTechnology一、自由锻利用冲击力力或压力使使金属在上上、下两砧砧铁之间产产生变形，，从而获得得得所需形形状和尺寸寸的锻件的的锻造方法法。特点坯料变形时时，只有部部分表面变变形受到限限制，其余余表面可自自由流动;所用设备及及工具简单单，适应性强，锻件重量量不受限制制；由人工控制制锻件的形形状和尺寸寸，锻件的的尺寸精度度低，生产率率低；适用于单单件、小小批生产产。是大型锻锻件的唯唯一锻造造方法。。第二节金金属塑塑性成形形方法ForgingTechnology自由锻分分类手工锻造造机械锻造造锻锤自由由锻（中小锻件件）空气锤冲冲击击力液压机自自由锻（（大型锻件件）水压机静静压压力自由锻的的工序镦粗：饼块类，，盘套类类拔长：适于轴类、、杆类冲孔：空心心件UpsettingDrawing-outPunching第二节金金属塑性成成形方法ForgingTechnology镦粗：平砧砧镦粗、局局部镦粗、、垫环镦粗粗（注意：原始始直径和垫垫环直径的的区别）Do=DDo>D第二节金金属塑性成成形方法第八章材材料成形的的工艺设计计Processdesignofforgingparts自由锻件工艺设计锻造方法锻造余量和公差结构特点锻件图变形工序原始坯料尺尺寸锻造温度锻后热处理理是否能直接接锻出（＋＋余块）有孔拔长件件注意：先先镦粗、冲冲孔，再拔拔长批量、形状状、精度、、尺寸自由锻工艺艺规程制定定第二节金金属塑性成成形方法ForgingTechnology留机械加工工余量，保保证尺寸精精度；锻件公差：：锻件的实实际尺寸与与理论尺寸寸之间所允允许的偏差差值。敷料（余块块）：针对对有凹槽、、台阶的部部位，简化化锻件第二节金金属塑性成成形方法ForgingTechnology选择锻造工工序基本工序：：用来改变变坯料的形形状和尺寸寸的工序辅助工序：：为方便基基本工序的的操作而设设置的工序序修整工序：用来减少少锻件表面面缺陷的工工序第二节金金属塑性成成形方法第八章材材料成形的的工艺设计计Processdesignofforgingparts例：紧固盘盘尺寸材料：：45数量：：200要求：：绘锻锻件图图、订订工艺艺零件分分析和和锻造造方法法加工余余量和和公差差绘锻件件图第八章章材材料成成形的的工艺艺设计计Processdesignofforgingparts工序：锻粗冲孔：：d冲≤D/3扩孔：：15～30mm修正计算原原始坯坯料尺尺寸坯料体体积：：V坯＝(1+δ%)V锻高径比比：1.25≤H0/D0≤2.5锻造温温度（（表表5－2）热处理理：正正火烧损率率2～5％第二节节金金属塑塑性成成形方方法第二节节金金属塑塑性成成形方方法ForgingTechnology二、模锻迫使坯坯料在在一定定形状状的锻锻模模模膛内内产生生塑性性流动动成形形的方方法。。特点：：生产效效率高高；模模具制制造费费用高高；尺寸精精度和和表面面质量量比自自由锻锻高；加工余余量少少，节节省材材料；；力学性性能高高；锻件重重量小小，一一般小小于150公斤分类锤上模模锻压力机机上模模锻:变形缓缓慢,适于塑塑性较较差的的锻件件.锻模结结构：：下模模固定定不动动，上上模固固定在在锻锤锤上模膛结结构：：制坯坯模膛膛、预预锻模模膛、、终锻锻模膛膛第八章章材材料成成形的的工艺艺设计计Processdesignofforgingparts模锻工工艺规规程制制定模锻件工艺设计结构特点分型面余量和公差斜度和圆角冲孔连皮锻件图图较为复复杂壁不宜宜过薄薄第二节节金金属塑塑性成成形方方法第二节节金金属塑塑性成成形方方法ForgingTechnology（1）选选取取分分模模面面最大大截截面面，，且且尽尽量量为为平平面面；；应使使锻锻件件上上敷敷料料最最少少；使模模膛膛浅浅而而宽宽，便便于于加加工工、、利利于于金金属属流流动动；；（2）确确定定加加工工余余量量、、公公差差锻件件尺尺寸寸大大，，余余量量（（1～4mm）大大、、公公差差（（0.3～3mm）大大（3）锻锻模模斜斜度度、、圆圆角角、、冲冲孔孔连连皮皮内侧侧斜斜度度>外侧侧斜斜度度2～3度圆角角：：利利于于流流动动充充型型；；避免免应应力力集集中中；；Rr第八八章章材材料料成成形形的的工工艺艺设设计计Processdesignofforgingparts工艺艺参参数数模锻锻件件不不能能锻锻出出通通孔孔冲孔孔连连皮皮：：不不能能太太薄薄或或厚厚（<25mm的孔孔不不锻锻出出））小孔孔大孔孔预锻锻模模大孔孔终锻锻模模第二二节节金金属属塑塑性性成成形形方方法法第八八章章材材料料成成形形的的工工艺艺设设计计Processdesignofforgingparts其他他工工序序切除除飞飞边边和和冲冲孔孔连连皮皮需要要利利用用专专用用模模具具热切切：利利用用模模锻锻后后的的余余温温完完成成切切边边和和冲冲孔孔。。（（>800℃℃，否否则则会会影影响响模模具具寿寿命命和和锻锻件件精精度度)冷切切：：锻锻件件冷冷却却到到室室温温后后完完成成切切除除。。（需需要要较较大大吨吨位位的的冲冲切切设设备备））热处处理理：：退火火或或正正火火表面面处处理理：：酸酸洗洗法法、、抛抛丸丸法法第二节金金属塑塑性成形形方法第二节金金属塑塑性成形形方法ForgingTechnology三、胎模锻在自由锻设设备上使用胎胎模生产产模锻件件的工艺艺方法。。胎模一般般不固定定在锻锤锤上。特点操作简便便，模具具简单，，不需昂昂贵的模模锻设备备生产率高高、锻件件精度、、允许的的复杂程程度介于于自由锻锻和模锻锻之间；；胎模结构构扣模：用于非非回转体体锻件的的成形或或制坯筒模：圆筒形形锻模，，主要用用于齿轮、法兰盘盘等回转体和盘盘类锻件件合模：由上下下模组成成，主要要用于生生产形状状较复杂杂的非回转转体锻件件第二节金金属塑塑性成形形方法SheetStampingTechnology四、板料冲压压利用冲模模使板料料产生变变形或分分离，从从而获得得具有一一定形状状和尺寸寸的锻设备：冲床、剪床常见冲压材料：低碳钢、有色金属、低碳低合金钢等塑性高的材料。特点：表面质量高、尺寸精度高；产生形变强化，可获得强度高的冲压件操作简单、生产效率高适于大批量生产。第二节金金属塑塑性成形形方法SheetStampingTechnolog板料冲压压工序分离变形切断落料冲孔弯曲拉深起伏滚压翻边旋压橡胶成形形CuttingBlankingPunchingbendingdeepformingrollformingfoldingspinningrubberbulging第二二节节金金属属塑塑性性成成形形方方法法SheetStampingTechnology分离离工工序序（模模具具有有锋锋利利刃刃口口、、凹凹凸凸模模间间隙隙小小））冲孔孔：被被分分离离的的部部分分为为废废料料，，周周边边是是成成品品落料料：被分分离离的的部分分为为工件件，，周边边为为废废料料冲裁裁变变形形过过程程：弹弹性性变变形形→→塑塑性性变变形形→→断断裂裂注意意二者者尺尺寸寸与与凹凹模模\凸模模的的关关系系:冲孔孔：：＝＝由由凸凸模模尺尺寸寸决决定定，，随随凸凸模模的的磨磨损损而而减减小小落料料：第二二节节金金属属塑塑性性成成形形方方法法SheetStamTechnology变形形工工序序（模模具具有有圆圆角角，，而而非非锋锋利利刃刃口口））（1）弯曲曲：坯料料的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分弯弯曲曲成成一一定定角角度度的的工工序序。。外侧受拉，，内侧受压压弯曲半径：：越小，越越易弯裂。。最小弯曲半半径rmin=(0.25～1)δ,δ为板料厚度度弯曲方向：：弯曲时尽可可能使弯曲线与毛坯的纤维方向垂直（即弯曲轴轴线）回弹：由于材料的的弹性所致致，使被弯曲曲的角度变变大，措施施：模具角角度<成品件。回回弹角：0～10°第二节金金属塑性成成形方法SheetStampingTechnology（2）拉深拉深件最危险部位是直壁与底部的过渡圆角处凸凹模圆角半径：不可太锋利，否则易拉裂凸凹模间隙：稍大于板料厚度，过小会使摩擦力增大；过大会起皱，尺寸精度降低。单边间隙z=(1.1~1.2)δ,δ为板材厚度拉深系数：m=d/D，0.5~0.8，越小，变形程度越大润滑剂：减少模具磨损褶皱：压边圈拉穿：增加凸凹圆角、增加拉深次数常见缺陷第二节金金属塑性成成形方法SheetStampingTechnology（3）起伏（滚滚压成形））：加强筋筋和花纹（4）橡胶成形形（胀形））：适于较较薄板材第二节金金属塑性成成形方法SheetStampingTechnology（5）翻边：在带孔的平坯料上上用扩孔的的方法获得得凸缘的工工序。（6）旋压：旋旋压机，用用于空心回回转体。翻边系数：：k=do/d第三节锻锻压件结构构工艺性ForgingTechnology一、自由锻锻件的结构构工艺性尽量避免锥锥体或斜面面、曲面连连接；形状不易复复杂；不应带筋；；避免凸台；；SheetStampingTechnology三、冲压件件的结构工工艺性冲裁件：零件外形力力求简单对称凹凸部位不不能过深、、过窄转角处应设设圆角充分利用材材料不合理的结结构第三节锻锻压件结构构工艺性SheetStampingTechnology变形件－弯弯曲：最小弯曲半半径(防止开裂)rmin=(0.25～1)δ弯曲带孔零零件时，应应注意孔的的位置弯曲轴线垂垂直于纤维维组织方向向弯曲边高H﹥2S为避免孔的的变形，孔孔的边缘距距弯曲中心心应有一定定的距离,L＞1.5～2s第三节锻锻压件结构构工艺性SheetStampingTechnology变形件－拉拉深形状应简单单、对称，高度不易易过大转弯处应有有过渡圆角第三节锻锻压件结构构工艺性一、精密模模锻精密模锻是是在模锻设设备上锻造造出形状复复杂、高精精度锻件的的模锻工艺艺。图5-63是TS12差速齿轮锻锻件图。１．工艺过过程精密模锻的的工艺过程程是：(1)先将原始坯坯料经普通通模锻成中中间坯料；；(2)再对中中间坯坯料进进行严严格的的清理理，除除去氧氧化皮皮或缺缺陷；；(3)最后采采用无无氧化化或少少氧化化加热热后精精锻。。第四节节先先进塑塑性成成形方方法２．精精密模模锻工工艺特特点（１））精确确计算算原始始坯料料的尺尺寸，，严格按按坯料料质量量下料料，否则则会增增大锻锻件尺尺寸公公差，，降低低精度度。（２））需要要精细清清理坯坯料表表面，除净净坯料料表面面的氧氧化皮皮、脱脱碳层层及其其它缺缺陷等等。（３））为提提高锻锻件的的尺寸寸精度度和降降低表表面粗粗糙度度，应应采用用无氧化化或少少氧化化加热热法，尽量量减少少坯料料表面面形成成的氧氧化皮皮。（４））精密密模锻锻的锻锻件精精度在在很大大程度度上取取决于于锻模的加工工精度。（５））模锻锻时要要很好好地进进行润滑和和冷却却锻模模。（６））精密密模锻锻一般般都在在刚度大大、运运动精精度高高的模模锻设设备上进行行，如如曲柄柄压力力机、、摩擦擦压力力机或或高速速锤等等。第四节节先先进塑塑性成成形方方法二、摆摆动碾碾压摆动辗辗压即即上模的的轴线线与被被辗压压工件件的轴轴线倾倾斜一一个角角度，模具具一面面绕轴轴心旋旋转，，一面面对坯坯料进进行压压缩(每一瞬瞬时仅仅压缩缩坯料料横截截面的的一部部分)的加工工方法法，如如图5-64所示。。摆动动辗压压可用用于坯坯料的的镦粗粗、铆铆接、、缩口口、挤挤压等等，如如图5-65所示。。三、轧轧制新新工艺艺碾环、辊锻、螺旋斜斜轧(图5-64)第四节节先先进塑塑性成成形方方法四、液态态模锻液态模锻锻实际上上是铸造造和锻造造工艺的的组合，，是把液液态金属属直接浇浇入金属属模内，，然后在在一定时时间内以以一定的的压力作作用于液液态（或或半液态态）金属属上，使使之成形形，并在在此压力力下结晶晶和塑性性流动。。1．液态模模锻的工工艺过程程图5-66液态模锻锻的工艺艺过程是是把一定定量的金金属液浇浇入下模模（凹模模）型腔腔中，然然后当熔熔液还处处在熔融融或半熔熔融状态态（处于于液固两两相区））时便施施加压力力，迫使使金属充充满形腔腔的各个个部位形形成工件件。液态模锻锻工艺流流程：原材料配配制→熔炼→浇注→加压成形形→脱模→灰坑冷却却→热处理→检验→入库。第四节先先进塑塑性成形形方法２．液态态模锻工工艺的主主要特点点(１)在成形过过程中，，液态金金属在压压力下完完成结晶晶凝固。。(２)己凝固的的金属在在压力作作用下，，产生塑塑性变形形，使制制件外侧侧璧紧贴贴模膛璧璧，液态态金属自自始至终终获得等等静压。。(３)液态模模锻对对材料料的选选择范范围很很宽，，铝、、铜等等有色色金属属以及及黑色色金属属的液液态模模锻已已大量量用于于实际际生产产中。。第四节节先先进塑塑性成成形方方法五、径径向锻锻造径向锻锻造又又称旋旋转锻锻造，，是对对轴向向旋转转送进进的棒棒料或或管料料施加加径向向脉冲冲打击击力，，锻成成沿轴轴向具具有不不同横横截面面制件件的工工艺方方法，，其工工作原原理如如图5-67所示。。径向向锻造造的工工件运运动方方式有有三种种，如如图5-68所示。。第四节节先先进塑塑性成成形方方法六、粉粉末锻锻造１．粉粉末锻锻造的的原理理粉末锻锻造是是粉末末治金金成形形方法法和锻锻造相相结合合的一一种金金属加加工方方法。。其工工序如如图5-69所示。。２．粉粉末锻锻造的的优点点与模锻锻相比比，粉粉末锻锻造具具有以以下优优点：：①材料利利用率率高，，可达达90%以上。。②机械性性能高高。③锻件精精度高高，表表面光光洁，，可实实现少少