工程材料及其成形技术基础课件

第八章塑性加工1概述8.1金属的塑性变形8．2锻造成形8．3板料冲压成形8．4挤压、轧制、拉拔成形8．5塑性加工零件的结构工艺性本章内容2概述塑性加工利用被加工材料的塑性，通过外力作用改变坯料的形状和性能，获得毛坯、零件的工艺方法。分类锻造1．自由锻造2．模型锻造3．胎模锻造板料冲压其它3特点1、改善金属内部组织2、节省金属3、生产率高4、适应性广

应用1、各类机械中受力复杂的重要零件2、据统计在飞机制造工业中，锻压件数量占其总量的85％；在汽车、拖拉机工业中占(60～80)％；电器、仪表及生活用品中的金属制件，绝大多数都是冲压件。4§8.1金属的塑性变形金属材料多为是多晶体结构，它是由许多单晶体所组成。要了解实际金属的多晶体塑性变形的实质，首先必须掌握单晶体的塑性变形机理。58.1.1单晶体的塑性变形1、单晶体的塑性变形单晶体—原子排列方式完全一致单晶体塑性变形的主要基本方式:1）滑移

—晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面产生相对移动的现象滑移要点:只能在切应力的作用下发生6滑移沿着原子排列紧密的面(即滑移面)进行滑移距离为一个或数个原子间距78滑移是位错运动的结果2)孪晶9

2、多晶体的塑性变形多晶体塑性变形可以看成是组成多晶体的许多单晶体产生塑性变形的综合效果变形方式如单晶体塑性变形方式，主要为滑移10多晶体的塑性变形比单晶体复杂晶界的影响晶粒位向的影响118.1.2塑性变形对金属组织和性能的影响1、锻造比y—表示金属变形程度的大小一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示例：镦粗

y=H0／H拔长y=F0／F122、产生“冷变形强化”提高强度、硬度和耐磨性的重要手段之一特别对于那些不能用热处理方法强化的纯金属及某些合金尤为重要对进一步加工带来困难金属的物化性能发生变化如电阻率增加和耐蚀性降低等133、组织的影响铸造缺陷压合碎晶及晶格畸变形成织构现象呈现各向异性不利方面引起变形不均匀，产生“制耳”现象14有利方面如板料冲压中的弯曲，应使弯曲线与流线方向垂直，以保证减少裂纹产生的倾向在制作变压器铁芯的硅钢片时，有意使特定的晶面和晶向平行于磁力线方向，可使导磁率显著提高，减小磁滞损耗，大大提高效率154、存余残余内应力降低工件的承载能力随着时间的延长，应力释放，引起零件的尺寸和形状的变化降低工件的耐腐蚀性168.1.3冷变形金属在加热时的组织转变对塑性变形后的金属加热，随着温度的升高，其组织和性能将发生回复、再结晶和晶粒长大的变化过程。171、回复回复现象加热温度较低时，金属晶粒大小和形状并不发生明显变化，故强度、硬度和塑性等性能变化不大的现象原因金属原子的活动能力较低，金属内部只有点缺陷、位错等作微量的迁移，从而使点缺陷和位错的数量减少，晶格畸变程度降低，残余内应力部分消除。实际运用例如，用冷拔钢丝冷卷成弹簧后，常采用低温退火，保持冷变形强化的特征，又降低了残余内应力，减少脆性182、再结晶再结晶现象加热到较高温度时，是晶粒的形状发生了变化，性能发生明显的变化，如强度、硬度显著降低，塑性、韧性明显提高，残余内应力基本消除，金属恢复到变形前的性能。再结晶过程形成晶核晶核长大19原因金属具有较强的原子扩散能力。会在原塑性变形最激烈的区域自发地形成许多新的细小的等轴晶粒，代替原变形晶粒再结晶温度指开始发生再结晶的最低温度

T再＝0.4T熔实际运用在多次冷轧钢板的生产中，安排中间退火，以恢复塑性，利于后道冷轧工序203、晶粒长大继续升高温度或延长保温时间，则再结晶晶粒将聚集长大，形成粗大的晶粒，此时金属的力学性能显著降低214、热变形和冷变形热变形在再结晶温度以上的塑性变形塑性高，变形抗力小，且形变强化迅速被再结晶代替，具有再结晶组织和性能易发生表面氧化、表面质量不高的现象常用于截面尺寸较大，变形量较大，或硬度高、脆性大的金属制品或坯料中冷变形在再结晶温度以下的塑性变形常用于表面质量要求高，变形量小，硬度、强度低的金属制品或坯料中。228.1.4塑性加工性能及影响因素1、塑性加工性能及其指标定义：材料塑性成形的难易程度。衡量标准材料塑性表现了材料塑性变形的能力，是变形的依据。变形抗力加工时，作用在工具表面上的变形力。反映了塑性变形的难易程度。232、影响因素1）合金的本质（1）化学成分的影响碳及杂质元素碳杂质（S、P、N、H、O）合金元素的影响加入合金元素，会造成：晶体原子畸变产生硬而脆的化合物生成多相组织形成氧化物、硫化物杂质影响晶粒长大含量越高，塑性加工性能越差。24（2）组织的影响单相组织多相组织、金属化合物晶粒细化铸造组织2）加工条件（1）变形温度的影响一般加热可提高锻造性原子动能大，原子引力减小，易滑移。有利于回复和再结晶过程。加热应在一定范围内，超过会产生：过热过烧25（2）变形速度的影响变形速度：单位时间内的变形程度。影响复杂产生冷变形强化变形消耗能量转变为热能，产生温度效应（3）应力状态的影响实验证明三个方向中，压应力数目越多，金属塑性越好。但变形抗力越大26273）其它因素的影响毛坯表面状况表面粗糙、划痕、微裂纹会引起应力集中，金属塑性下降。润滑条件环境条件28§8.2锻造方法手工自由锻自由锻 锤上自由锻机器自由锻液压机上自由锻锻造胎模锻锤上模锻模锻压力机上模锻平锻机上模锻摩擦压力机上模锻

298.2.1自由锻（1）自由锻设备空气锤蒸汽—空气自由锻锤水压机（2）特点灵活性、通用性强；尺寸误差大；生产效率低；适用于单件、小批及大型锻件。30（3）自由锻生产锻件的典型结构及其锻造工序318.2.2模锻概念利用模具使锻坯变形而获得锻件的锻造方法。特点能锻出形状较复杂、精度较高、表面粗造度较低的锻件；能提高生产率及改善劳动条件；模锻设备及模具造价贵，消耗能量高；只适用于中、小型锻件。32模锻的设备锤上模锻曲柄压力机上模锻平锻机上模锻摩擦压力机上模锻1、锤上模锻331）锻模结构锻模由带模膛的上、下模块及紧固件等组成。上、下模块的尾部做成燕尾形，用楔铁分别紧固在锤头及模垫上。2）模膛分类模锻模膛制坯模膛预锻模膛终锻模膛拔长模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛模段模膛制坯模膛34终锻模膛特点:

形状同锻件，尺寸放大一个收缩量通孔锻件留有冲孔连皮分模面四周设有飞边槽飞边槽作用

:阻流:飞边槽内金属先冷却，阻止金属外流，有利于充满模膛容纳余的金属353）

模锻工艺规程的制订模锻工艺规程内容包括：

①根据零件图绘制锻件图；

②计算坯料的质量和尺寸；

③确定模锻工序；

④选择锻压设备；

⑤确定锻造温度范围、加热和冷却规范；

⑥确定锻后热处理规范；

⑦提出锻件的技术条件和检验要求；

⑧填写工艺卡片。36绘制锻件图(1)选择分模面①应选在最大截面。②应保证其上、下模膛的轮廓相同。③分模面选在能使模膛深度最浅的位置处。④应选在敷料较小的地方。⑤分模面应尽可能采用直线分模，上下模膛的深度基本一致，便于制造锻模。37(2)确定加工余量和锻造公差加工余量一般为1—4mm，极限偏差一般取0.3—3mm。确定方法①按照锻锤的吨位确定；②按照零件的形状尺寸和锻件的精度等级确定。(3)确定冲孔连皮

孔径d＞25mm且深度h≤2d的孔时，此孔应锻出。孔径d＜25mm或孔深h≥3d时，只在冲孔处压出凹坑。分类：平底连皮斜底连皮38(4)确定模锻斜度和圆角半径①模锻斜度定义：为了使锻件易于从模膛中取出，锻件与模膛侧壁接触部分需带一定斜度。外壁斜度取5°或7°

内壁斜度取相应的外壁斜度大一级。

②

圆角半径：定义：为了使金属在模膛内易于流动，防止应力集中，模锻件上的两表面相交处都应有适当的圆角过渡。外圆角半径r取1.5～12mm；内圆角半径R比外圆角半径大2～3倍。39绘制模锻件图上述各参数确定后便可绘制模锻件的锻件图，绘制方法：以零件图为基础；以粗实线表示锻件的形状；用双点划线表示零件的形状；标注模锻件尺寸。40计算毛坯质量和尺寸（1）毛坯质量模锻件毛坯质量的计算比自由锻件要求更为准确。可按下式计算：

m坯=m锻+m飞+m烧式中m坯——毛坯质量；

m锻——模锻件质量；

m飞——飞边质量，取锻件质量的20％-25％；

m烧——毛坯加热时烧损的金属质量，取锻件与飞边质量之和的3％—4％。41（2）毛坯尺寸

①毛坯的质量可以算出其体积V坯；

②再考虑变形方式、模膛种类等因素来确定毛坯的截面尺寸。

③确定毛坯长度尺寸。对于变形方式主要为镦粗的盘类零件，可按下式计算圆钢毛坯的直径和长度：

m——毛坯的高径比，一般取1．25—2．5。42确定模锻工序包括三种类型的工步：模锻工步(包括预锻和终锻)制坯工步(包括镦粗、拔长、滚挤、卡压、成形、弯曲等制坯工步)切断修整工步(包括切断、切边、冲孔、校正、精压等)。(1)圆饼类锻件一般使用镦粗制坯，形状较复杂的采用成形镦粗制坯。(2)长轴类锻件由拔长、滚挤、弯曲、卡压、成形等制坯工步组成。434）特点锤上模锻具有工艺适应性广的特点，但其在工作中存在震动和噪音大，劳动条件差，蒸汽效率低，能源消耗多等难以克服的缺点。442、曲柄压力机上模锻（1）无震动，噪音小（2）工作时滑块行程不变（3）能保证上下模腔对准（4）能自动顶出锻件453、摩擦压力机上模锻特点：（1）工作过程中速度为0.5～1mm/s。使坯料变形具有一定的冲击作用，且滑块行程可控。（2）变形抗力由机架承受（3）有顶件装置，取件容易464、平锻机上模锻平锻机的主要结构与曲柄压力机相同，因滑块做水平运动，故称平锻机。478.2.3胎模锻

——是在自由锻设备上使用可移动的简单模具（称胎模）生产锻件的一种方法。48胎模锻特点:

与自由锻相比：优点：

1)锻件形状较准确，尺寸精度高，操作简便、生产率高

2)力学性能较高胎模锻与模锻相比：优点：

1)设备价廉（采用自由锻设备）

2)胎模锻锻造工艺操作灵活，可以局部成形，能用较小设备制出较大模锻件

3)胎模结构简单，节约模具用钢，且周期短、成本低但胎模锻件尺寸精度不如锤上模锻件高，工人劳动强度大、胎模易损坏，生产率低。胎模锻是模锻与自由锻的联合，在中小批生产中被广泛使用。49§8.3板料冲压成形板料冲压

——利用冲模使板料分离或变形，从而制成所需要的形状和尺寸制件的方法。冷冲压板厚≤8-10mm热冲压板厚＞8-10mm50板料冲压的特点可以冲压出形状复杂的零件，废料较少。产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性能好。能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件。冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，生产率很高，故零件成本低。噪音大，手工操作易发生事故。模具价格昂贵，生产周期长。一般只适合于大批大量生产。51冲压基本工序

变形工序落料冲孔弯曲拉深翻边胀形精密冲裁分离工序冲裁切断整修旋压528.3.1分离工序

1、冲裁（1）落料与冲孔落料:是用冲裁取得一定外形的制件或坯料的方法。冲孔:是使坯料从封闭的轮廓分离开来得到带孔制件的方法。（2）冲裁过程53（3）冲裁的变形过程

①弹性变形阶段

②塑性变形阶段

③断裂分离阶段（4）冲裁的质量控制

①冲裁件的断面组成：

圆角带：刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形。光亮带：塑性剪切变形。质量最好的区域。断裂带：裂纹形成及扩展。54间隙正常、刃口锋利情况下，冲裁变形过程可分为三个阶段：

冲裁变形过程(1)弹性变形阶段变形区内部材料应力小于屈服应力。(2)塑性变形阶段变形区内部材料应力大于屈服应力。凸、凹模间隙存在，变形复杂，并非纯塑性剪切变形，还伴随有弯曲、拉伸，凸、凹模有压缩等变形。(3)断裂分离阶段

变形区内部材料应力大于强度极限。裂纹首先产生在凹模刃口附近的侧面凸模刃口附近的侧面上、下裂纹扩展相遇材料分离55②断面质量影响因素凸凹模间隙刃口锋利程度模具结构模具材料板材的材料及厚度(5)凸凹模刃口尺寸的确定凸模刃口尺寸凹模刃口尺寸落料模D凸=D凹-ZD凹=D工冲孔模D凸=D工D凹=D凸+Z56第二章冲裁工艺与冲裁模设计落料冲孔复合模1-下模板2-卸料螺钉3-导柱4-固定板5-橡胶6-导料销7-落料凹模8-推件块9-固定板10-导套11-垫板12、20-销钉13-上模板14-模柄

15-打杆16、21-螺钉17-冲孔凸模18-凸凹模19-卸料板22-挡料销

572、修整————用整修模将落料件的外缘或冲孔件的內缘刮去一层簿的切削，以切去冲截面上的粗糙层，并提高尺寸精度3、切断——用剪刃或冲模将板料沿不封闭的轮廓进行分离的工序。

4、橡皮冲裁——是利用橡皮作用通过凸凹模进行冲裁的方法。588.3.2成形工序

1、拉深

1）概念利用模具使冲裁后得到的平板毛坯或浅的开口中空件变成开口中空件或深的开口中空件的工序。

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2）变形过程分析

a、筒底部分的金属

(厚度基本保持不变)b、外部坯料

①径向尺寸变大，受拉应力。

②周向尺寸变小，受压应力。60

3）拉深中的废品拉穿（裂）起皱

4）防止拉裂的措施

①凸凹模部分应为圆角R>（0.1~0.3）t②凸凹模间隙应合理Z=（1.1~1.5）t③凸凹模间加润滑剂

④合理选择拉深系数m，m一般取0.5~0.861拉深系数

m=d/D d——拉深件直径

D——坯料直径

m越小变形程度越大，坯料越难拉入凹模，越易拉裂。极限拉深系数mmin

当m<mmin，须采用多次拉深。

M=m1×m2×···×mn62632、弯曲

1）概念在弯矩作用下，将板料、型材、管材弯成具有一定曲率和角度制件的方法。

2）弯曲过程

3）弯曲变形外侧受拉（产生拉伸变形）内侧受压中间中性层（应力为0、变形为0）64

4）最小弯曲半径rmin

通常rmin

≥0.25tt为板料厚度

5）rmin

影响因素材料力学性能板材纤维方向板材表面质量653、胀形胀形是通过模具使平板、空心件或管状坯料扩张，胀出所需凸起曲面。66胀形机械胀形67胀形橡皮胀形68胀形液压胀形694、翻边翻边是将制件的孔边缘或外边缘在模具的作用下翻出竖立或成一定角度的直边。翻边可分为内孔翻边和外缘翻边两种。外缘翻边又可分为外凸外缘翻边和内凹外缘翻边。70内孔翻边翻边系数：翻边前的孔径与翻边后的孔径的比值，即：最小翻边系数：翻边时孔边不破坏所能达到的最大变形程度。影响翻边系数的因素：材料、孔边缘的状况、t/d、凸模形状。718.2.3冲压模具冲模的结构主要包括如下的零部件：简单冲模1工作零件凸模、凹模等2定位零件挡料销、导正销、定位销、定位板等3导向零件导板、导柱、导套等4卸料与推件零件卸料板、压料板等5连接固定零件上模板、下模板、模柄、压模板等7273

冲模的分类

简单冲模冲模

连续冲模

复合冲模5）冲模的结构747576§8.5塑性加工零件的结构工艺性8.5.1锻件结构工艺性1、自由锻件结构工艺性1）锻件的形状应力求简单、对称、平直，以适应锻造设备下成形的特点。2）应尽量避免锥体和斜面773）锻