第3章 金属塑性成形

定义：利用外力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材或锻压件的加工方法。两个条件：外力、塑性，缺一不可

优点：金属组织致密、晶粒细小、力学性能提高；

属于少、无切削加工，材料利用率高，生

产效率高。缺点：制件形状比铸件简单，生产条件较差应用：金属材料生产承受较大负荷或复杂载荷的机械零件第三篇金属压力加工3.1金属塑性成形基础3.1.1金属塑性变形的机理1．单晶体的塑性变形以理想单晶体为例（无缺陷、晶格规则）

滑移：金属原子沿某些特定面移动(即金属原子在外力的作用下产生了一定的位移）滑移通常是通过位错的移动来实现的。

结论：切应力引起塑性变形，正应力引起弹性变形；

金属塑性变形的实质是原子的移动；塑性变形前后晶格类型保持不变。2．多晶体的塑性变形

多晶体的塑性变形＝（晶内变形+晶间变形)

晶内变形：主要以滑移方式进行。晶间变形：晶粒间的相对滑动和转动。各晶粒的变形是分批、逐步进行的。

（低温时多为晶内变形，变形量较小）3.1.2金属的加工硬化、回复和再结晶1．金属的加工硬化组织变化：晶粒沿变形方向被拉长；滑移面附近晶格产生畸变；出现许多微小碎晶性能变化：强度和硬度增加；塑性、韧性下降优点：强化金属，发挥金属材料性能潜力，尤其适合于不能用热处理强化的合金。缺点：继续塑性成形或切削加工难度加大，增大内应力。

2．回复和再结晶

(1)回复：回复使晶格畸变减轻或消除，使制件保持较高的强度且降低脆性。回复温度约为（0.25～0.30）T熔K(2)再结晶：塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为等轴细晶。完全消除加工硬化现象，

再结晶温度一般为0.4T熔K以上。(再结晶是原子重新排列的过程）3.1.3金属的冷成形、热成形及温成形

冷成形:在回复温度以下进行的塑性成形，变形过程中会出现加工硬化。

有利于提高金属的强度和表面质量,用于制造半成

品或成品。(变形材料应有较好的塑性且变形量不宜过大）

热成形:在再结晶温度以上进行的塑性成形，变形过程中既有加工硬化又有再结晶，且硬化被再结晶完全消除。

综合力学性能好,变形力小，变形程度大,用于毛坯

或半成品的制造。

为使再结晶迅速、彻底，实际热成形温度应高于再

结晶温度，但不能过高或保温时间过长。温成形:在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形,有加工硬化及回复现象，但无再结晶。

用于强度较高、塑性较差的金属，或尺寸较大、材料强度较高的零件或半成品制造。

3.1.4锻造比与锻造流线1．锻造比：锻造时变形程度的一种表示方法拔长时：镦粗时：随着锻造比的增加，金属的力学性能显著变化

结构钢钢锭的锻造比一般为2～4，各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1～1.32．锻造流线：锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性。应使工件上的锻造流线与工件的应力方向相合理

工作时的最大正应力方向与流线方向一致（平行），切应力方向与流线方向垂直，且流线沿零件轮廓分布而不被切断。

3.1.5材料的塑性成形性

用塑性和变形抗力综合衡量

2．变形条件的影响

变形温度：原子热运动能力

应变速率：变形分布、热效应、变形惯性

应力状态：压应力的影响

1．材料本质的影响

化学成分：

越纯越好

金属组织：均匀、细晶最好

3.1.6金属塑性成形的基本规律1、体积不变条件：由于塑性变形时金属密度的变化很小，可认为变形前后的体积相等，此假设称为体积不变条件。即Ex+Ey+Ez=0或Ex=－（Ey+Ez）2、最小阻力定律：物体变形过程中某质点有向各种方向移动的可能性时，则其将向着阻力最小的方向移动。宏观上变形阻力最小的方向上变形量最大根据体积不变条件和最小阻力定理可以分析塑性成形过程中金属坯料的变形趋势，可能出现的现象，产生缺陷的原因并采取相应的工艺措施，以保证生产过程和产品质量的控制。

锻造手工锻造自由锻冲压冲裁拉深弯曲缩口起伏翻边胀形模锻胎模锻机器锻造落料冲孔轧制拉拔挤压压力加工3.2金属塑性成形方法3.2.1锻造

锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。

（一）自由锻只用简单的通用性工具使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件的加工方法。

自由锻时，金属只有部分表面受到工具限制，其余则为自由表面。设备：空气锤、蒸气—空气自由锻锤、液压机等

基本工序：镦粗、拔长、冲孔等变形特点：局部成形、效果叠加生产特点：设备通用性好、工具简单；锻件组织细密、力学性能好；操作技术要求高，生产效率低；锻件形状较简单、加工余量大、精度低。

应用:小型锻件以成形为主；

大型锻件（尤其是重要件）和特殊钢则以

改善内部质量为主。

主要用于单件、小批生产，且是特大型锻

件唯一的生产方法。画法:锻件轮廓用粗实线绘出，零件基本形状用双点划线表示；锻件尺寸和公差标注于尺寸线上方，零件公称尺寸标注在相应锻件尺寸下方(或后方)的括弧内

3.3.1自由锻工艺设计

1．绘制锻件图

余块:简化锻件形状,便于锻造

余量:所有面都应添加加工余量

公差:数值较大

2．确定变形工序

依据锻件的结构形状进行确定

盘块类轴杆类圆筒类圆环类弯曲类4．计算毛坯尺寸首道工序为镦粗时：

D0≥0.8首道工序为拔长时：

D0≥

3．计算毛坯质量mo=(md+mc+mq)(1+δ)

将上述内容，按变形顺序，以简图形式绘于

一张表格上，就是锻造工艺卡，用以指导自

由锻生产过程的进行和自由锻件的检验。5．零件结构的自由锻工艺性避免锥面或楔形避免立体相贯线

（实际上是避免自然过渡）避免肋板或凸台

采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构

自由锻件的设计应尽可能简单、平直、对称

6．自由锻工艺设计示例零件结构分析绘制锻件图

确定变形工序

拔长—切肩—锻台阶

计算坯料质量和尺寸

（二）模锻

利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。

设备:蒸汽-空气模锻锤、锻造压力机、螺旋压力机和平锻机等变形特点：整体成形、逐步逼近生产特点:产品形状复杂、锻造流线分布合理、加工余量小；表面质量较好；生产率高

应用:主要用于中、小型件的成批、大量生产(1)锤上模锻1）锤模锻在各种模锻锤上进行的模锻

工艺适应性强，可用于多种变形工步；锤击力及行程可变动，可锻造多种类型的锻件，设备费用较低工作时振动和噪音大，生产效率较低。锤模锻是我国应用最多的一种模锻方法

锤模锻时，金属的变形是在模具的各个模膛中依次完成的，在每个模膛中的锻打变形称为一个工步。3.3.2锤模锻工艺设计1．锻件图绘制(1)确定分模面

便于顺利取出易于金属充填尽量采用平面尽量减少余块利于发现错模(2)

确定余块

窄槽、小孔和妨碍锻件取出的横向孔需要锻出的孔内须留冲孔连皮(3)确定机械加工余量和锻件公差

凡需切削加工的表面均应有机械加工余量，所有配合尺寸均应给出锻造公差。(4)确定模锻斜度

锻件上垂直于分模面的表面需带一定斜度。外壁斜度通常为5°～7°，内壁斜度通常为7°～10°。

(5)确定圆角半径：

锻件上的转角处须采用圆角，凸圆角半径为r，凹圆角半径为R=(2～3)r

齿轮锻件图

未注公差：

水平+1.75

-1.75

高度+1.5

-0.75

未注圆角：R2.52．模锻工步选择

主要根据模锻方法和模锻件的结构形状确定盘类：镦粗、（预锻）、

终锻直轴类：拔长、滚压、（预锻）、终锻弯轴类：拔长、滚压、弯曲、（预锻）、终锻3．修整工序

(1)切边：通常用热切边(2)冲连皮：一般和切边同时进行

(3)校正：提高锻件形状精度(4)热处理和清理：正火或退火清除锻件表面缺陷或氧化皮

4．零件结构的模锻工艺性

(1)应有合理的分模面

(2)应有合适的结构斜度和圆角(3)避免高肋、薄壁、细深孔及多孔结构(4)采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构

5．模锻工艺设计示例未注公差：水平+2.5

-1.5

高度+2.0

-1.75

未注圆角：R2.5

2）胎模锻：在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的锻造方法。

模具简单，工艺灵活；可锻出各类锻件且可进行无飞边模锻；可锻出有侧向凹档或无模锻斜度的锻件。劳动强度大，模具寿命低、生产效率低，常需多次加热且锻件表面质量较差。

多在无模锻设备时采用，用于锻件的中、小批量生产简图1简图2(2)锻造压力机模锻

1）液压机模锻：模锻液压机是用高压液体（通常为水或油）来驱动安装在活动横梁上的锻模进行模锻的

可模锻形状较复杂的大型锻件，利于锻造塑性差的金属，适用于航空工业中铝、镁合金模锻件的生产。2）锻压机模锻：锻压机即热模锻机械压力机，是通过曲柄连杆机构使滑块往复运动进行模锻的

锻件精度高；变形较均匀且生产效率高；锻件的模锻斜度小；利于提高金属塑性，可采用组合式模,锻模成本较低且易于修复。行程和速度固定，需另行制坯

3）平锻机模锻：平锻机是具有镦锻滑块和夹紧滑块的卧式机械压力机

锻件质量好、生产效率高、振动和噪音小

有两个分模面，可锻出在两个方向上均有凹坑或凹档的锻件。用于带头杆件和空心件的大批、大量生产，如汽车半轴、齿轮等

(3)螺旋压力机模锻：螺旋压力机是靠主螺杆的旋转带动滑块上、下运动，向上实现回程，向下进行锻打的压力机

有锻锤和压力机的双重特性，工艺适应性强；

可采用组合式模,锻件的精度高，需在其它设备上制坯

3.2.2冲压

使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称。通常在冷态下进行，称冷冲压。冲压件轻、薄、刚度好，形状可较复杂；质量稳定，表面光洁；操作简便，生产率和材料利用率高；需专用设备和模具，生产批量小时不够经济。制造各种尺寸和精度的制件。

大部分板材、管材及型材需通过冲压加工

1．冲裁

利用冲模使板料沿封闭或不封闭的轮廓线与坯料分离(1)冲裁变形过程：

弹性变形塑性变形剪裂分离冲裁可直接生产具有一定平面形状的零件或为其它冲压工序准备毛坯(2)冲裁间隙：

凹模与凸模工作部分水平投影尺寸之差，用符号Z表示小间隙中等间隙大间隙(3)

排样：冲裁件在板料或带料上的布置方法。

合理的排样有利于简化模具结构、提高材料利用率和冲裁件质量，且操作方便、生产率高直排斜排对排混合排(4)提高冲裁质量的冲压工艺：当冲裁件剪断面用作工作表面或配合表面时，常采用整修、挤光、精密冲裁等工艺以提高冲裁件质量。

整修挤光精密冲裁2．弯曲

将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度的制件的成形方法。

(1)弯曲变形过程：变形区外侧受拉，内侧受压，越接近表面，应力越大。当应力达到屈服强度时，出现塑性变形，并由内、外两侧向中心扩展，最终达到塑性弯曲

(2)最小弯曲半径：

坯料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时内表面的弯曲半径生产中常用其相对值（rmin/δ

）表示弯曲时的成形极限。其相对值越小，板料允许的弯曲程度越大。

材料的塑性越好，rmin/δ值越小；弯曲线与材料纤维方向垂直时的rmin/δ值较平行时的rmin/δ值小。低碳钢板的rmin值一般为（0.2～1.2），碳含量较低或弯曲线与流纹方向垂直时取较小值。(3)回弹：

外载荷去除后，形状和尺寸发生与加载时变形方向相反的变化，从而消去一部分弯曲变形效果的现象称为回弹。卸载后的回弹Δα＝α-α’回弹造成的形状、尺寸变化是弯曲的主要缺陷。

(4)弯曲的分类和应用

1）压弯：回弹量较大，工艺适应性强

2）拉弯：回弹量较小，常用于弯曲半径较大的制件3）辊弯：工艺较简便，通过仿形或自控，可卷制任意柱面3．拉深

使板料（或浅的空心坯）成形为空心件（或深的空心件）而厚度基本不变的加工方法。

(1)拉深变形过程：

将直径D0的平板坯料拉深成高度h、直径d的制件时，坯料凸缘部分的扇形单元经切向压缩和径向拉长而逐渐变形为筒壁上的长方形单元。

(2)拉深系数：拉深变形后制件直径与其毛坯直径之比，用符号m表示，m=d/D0。保证制件不被拉裂的拉深系数最小值称为极限拉深系数。无凸缘筒形件的极限拉深系数一般为0.5～0.8，坯料厚度/D0较大时可取较小值。多次拉深时，后续各次拉深的极限拉深系数应取较大值。

对于弹壳、深筒等深拉深件，通常须采用多次拉深工艺，且工序间常需穿插再结晶退火，以消除加工硬化，提高材料的塑性成形性能。(3)拉深缺陷

1）拉裂：拉深时,筒壁与底部的转角处破裂的现象。防裂措施：控制拉深系数（多次拉),加大凸、凹模圆角，加大拉深间隙,加强润滑。2）起皱：相对厚度较小时，毛坯失稳形成折皱的现象。防皱措施：采用压边装置，拉深间隙不应过大，拉深系数不应过小。4．其它冲压成形工艺

缩口：将管件或空心制件的端部径向尺寸缩小起伏：在产品表面上获得各种形状的凸起与凹陷翻边：在板料上冲制出竖直边缘的成形方法

胀形：使板料或空心坯料局部尺寸增大

3.3.3冲压工艺设计1．冲裁工艺设计

刃口尺寸间隙Z(落料模、冲孔模)2．弯曲工艺设计

(1)凸模圆角半径取等于或略小于工件内侧圆角半径r

(2)弯曲件毛坯长度计算L0=l0+l1+l2

3．拉深工艺设计

(1)拉深间隙Z：

拉深模具中凸凹模之间的单边径向间隙Z值一般取(1.1～1.2)δ(2)凸、凹模直径：

(3)毛坯直径计算：依据：拉深件与坯表面积相等(4)拉深次数确定：

m总

=m1·m2…mn

且m1<[m1],m2<[m2]……当其乘积等于或略小于m总时即可知拉深次数，同时，还可计算出各次拉深的半成品尺寸

d1=m1×D0

d2=m2×d1……4．冲压工序选择

(1)工序类型：根据冲压件的形状、尺寸等确定

（冲孔）、落料、（切口）、（起伏）

落料、弯曲、（冲孔）落料、拉深、（冲孔）

落料、拉深、胀形

落料、冲孔、翻孔

落料、拉深、冲底孔、翻边

平板件弯曲件空心件凸肚形件翻孔件无底空心件(2)工序顺序：根据零件的结构形状和模具类型确定1）带孔平板件:用单工序模时先落料后冲孔，用连续模时则须先冲孔后落料

2）带孔的弯曲件或拉深件：孔位于或接近于变形区，应先弯曲或拉深后再冲孔3）形状复杂的弯曲件：

先两端，后中间5．模具选择(1)模具类型的选择：

1）单工序模：结构简单，易于制造和维修，适用面广，生产率低

2）连续模：

压力机的一次行程中，在模具的不同位置上同时完成数道冲压工序的模具生产率高，易于机械化、自动化，但制件精度较低

3）复合模：

压力机的一次行程中，在模具的同一位置完成两道或两道以上工序的模具

结构紧凑，加工精度高，制造复杂，成本高

凸、凹模做成一体(2)模具结构的选择：

镶块式模柔性模低熔点合金模高精度冲模硬质合金冲模

6．零件结构的冲压工艺性

(1)合理选材：选用价格较低的材料，利用边脚余料，选用塑性成形性好的材料，薄板代替厚板(2)合适的精度和表面质量：精度要求不超过IT8～IT10，表面质量要求不超过原材料的质量

(3)冲压件的形状和尺寸：1）形状尽可能简单、对称2）圆弧过渡、避免锐角3）注意孔形、孔径、孔位(4)采用组合工艺或切口工艺：形状复杂件和大件可采用冲-焊、冲-铆、冲-螺纹连接等组合工艺

7．冲压工艺设计示例

零件结构分析：

孔边距过小,宜加大

(2)冲裁间隙：取大间隙Z/2=(10%～12.5%)δ，故Z=0.30～0.38mm。

(3)模具刃口尺寸：

落料模

：D凹≈（Dmin）=33.2

D凸≈（D凹-Zmin）=32.9冲孔模：

d凸≈（dmax）=26.7d凹≈（d凸+Zmin）=27

(4)冲压工序选择工序类型：冲孔和落料工序工序顺序：先冲孔后落料(5)模具类型：精度要求不高且为大批量生产，采用连续模

3.2.3轧制材料在旋转轧辊的作用下，产生连续塑性变形获得产品

1．纵轧

2．斜轧

3．横轧

楔横轧齿轮轧制辗环特点：轧制时坯料连续产生局部变形，所需设备吨位小，环境噪声小，生产效率高；材料消耗少，制件纤维连续分布，力学性能好。

3.2.4挤压坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用，从模具的孔口或缝隙挤出成为所需制品的加工方法

正挤压反挤压复合挤压径向挤压

特点：生产率高，材料消耗少，制件形状复杂、精度高力学性能好；金属处于三向压应力状态，利于提高塑性，但变形力较大，模具寿命低。

3.2.5其它塑性成形方法

1．柔性模成形

橡皮成形液压成形液压－橡皮囊成形

特点：适应性强，模具简单、通用；坯料定位准确，拉深系数可较小；制件壁厚均匀、不易起皱，精度较高，表面不易擦伤。多数软模成形方法适用于冲压生产中成形形状复杂件和深筒件

2．摆动辗压

上模的轴线与被辗压工件（放在下模）