第二章 塑性加工成型

第二章金属的塑性成型工艺第二章塑性加工成型

在不破坏金属自身完整性的情况下，利用金属在外力作用下产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的成形工艺方法，称为塑性成形（也称压力加工）工艺。

外力：冲击力（锤类设备）压力（轧机和压力机）

金属塑性加工成型——在外力作用下，金属发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原料、毛坯或零件的生产方法。金属塑性加工成型的优点：材料的利用率高，锻造流线分布合理；齿轮流线组织和性能得到改善和提高；工件可达到较高精度；生产率高。压力加工的基本工艺锻造工艺冲压工艺轧制工艺挤压工艺拉拔工艺气锤锻打

锻造一、扎制

——金属坯料在二个回转运动的轧辊之间的孔隙中受压变形，结果坯料的截面积减少、长度增加工艺过程。

轧制生产所用坯料主要是金属（钢）锭。

轧制产品：各种截面形状的型材、板材、无缝管材等。轧制生产概况轧制产品截面形状：二、挤压挤压方法：正挤压，反挤压挤压可获得各种复杂截面的型材或零件.管材挤压生产示意图三、拉拔

——将金属坯料拉过拉拔模的模孔而使其变形的加工方法。四、自由锻

——金属坯料在上下砧铁间受冲击力或压力而变形。五、模锻

——金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形。上砧铁下砧铁坯料freedie六、板料冲压

——金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法单工序冲裁第一节塑性成型原理塑性变形改变形状改善内部组织提高机械性能一、

金属塑性变形的实质金属变形的产生：金属在外力的作用下，内部产生应力，该应力使原子偏离其原来的平衡位置，金属则产生变形。弹性变形：如果金属所受外力较小，当外力去掉以后，原子间的原子引力使原子恢复到原来平衡位置，变形也随之消失，这种变形称为弹性变形。1单晶（晶内）的塑性变形机理晶体受外力弹性变形弹塑性变形塑性变形塑性变形：如果金属所应力超过金属的屈服强度，外力去除后，原子达到新的平衡状态，金属恢复不到原来的形状和尺寸，产生永久变形，这种变形称为塑性变形。

金属产生塑性变形，从宏观上看，金属发生了形状的变化；从微观上看，原子间发生了相对移动。经典理论认为：塑性变形实质是晶粒内部产生“滑移”，无数个滑移便形成宏观的塑性变形。滑移是通过位错运动实现的。单晶体滑移变形示意图2多晶体(实际金属)的塑性变形金属受外力晶内：滑移晶间：滑动、转动宏观塑性变形二、

金属塑性变形的组织和性能

在常温下经塑性变形后，金属内部组织将发生如下变化：

①晶粒沿变形最大的方向伸长；②晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力；③晶粒间产生碎晶。1.冷变形塑性变形按变形时的温度可分为冷变形和热变形。纯金属的再结晶温度：T再=0.4T熔点

(K)——在再结晶温度以下的变形实例：铝的再结晶温度的计算：其熔点为660˚C(660+273=933K)，则

T再=0.4×933=373.2(K)100˚C冷变形的结果：

晶粒被扭曲、拉长，随变形量的增大呈纤维状，有些晶粒被破碎，造成晶格歪扭，位错密度增大（组织变化）HB,b,,aK（性能变化），即产生了加工硬化。——是强化金属材料的十分有效的途径。加工硬化：经塑性变形后，金属的强度(b)、硬度(HB)升高，塑性()、韧性(aK)下降的现象。冷变形后加热：变形金属回复

再结晶（加工硬化消除）

加工硬化的消除：再结晶退火。

温度升高到(0.25～0.3)T熔，原子获得了热能，热运动就会加剧，才使原子排列回复到正常状态，从而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化，这个过程称为回复。

当温度继续升高到0.4T熔时，金属原子获得更多的热能，开始以碎晶或杂质为核心结晶成细小而均匀的再结晶新晶粒，从而消除全部加工硬化，这个过程称为再结晶。

在再结晶温度以上加热已产生加工硬化的金属，使其发生再结晶而再次获得良好的塑性，这种操作工艺称为再结晶退火。

加工硬化:随着塑性变形量的增加，金属的强度和硬度逐渐升高，塑性、韧性逐渐降低的现象。有利：强化金属材料不利：进一步的塑性变形带来困难

回复温度：T回=(0.2~0.3)T熔点(K)

加热到回复温度时，加工硬化部分消除；加热到再结晶温度时，加工硬化全部消除。

工业生产中，有时利用加工硬化来提高金属的强度；有时为了提高塑性，而对变形后的金属进行再结晶退火。温度升高a)b)c)2.

热变形热变形的结果：无加工硬化——加工硬化和再结晶同时进行细化晶粒——铸态晶粒被破碎致密组织——缩松、气孔被压合形成纤维组织

—杂质分布状态被改变

所以，经热变形的金属虽然没有加工硬化，但是其机械性能仍明显提高。(热加工)——T加工>T再热变形及其影响1）不产生加工硬化2）使组织得到改善，提高了力学性能①细化晶粒；②压合了铸造缺陷；3）形成纤维组织③组织致密。纤维组织

纤维组织稳定性很高，一旦形成就不易消除。纤维组织使金属具有各向异性，结构设计或机械加工时要注意合理应用。

设计和制造零件时，应使零件在工作中产生的拉应力平行于纤维组织、剪应力垂直于纤维组织，并使纤维组织分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。

为了获得具有最佳力学性能的零件，应充分利用纤维组织的方向性．一般应遵循两项原则：①使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；②使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。

纤维组织的利用原则存在纤维组织的金属，具有各向异性的性质:

（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高（2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高

螺钉(a)中的纤维在加工时被切断，使得在受力时产生的切应力平行于纤维方向，螺钉的承载能力减弱。螺钉(b)中的纤维连贯性好，纤维的分布对其受力较为有利，因此其质量较好。3、塑性变形理论及假设

1）最小阻力定律

变形过程中，某金属质点有几种流动方向的可能时，它将沿阻力最小的方向流动，根据这一定律，可指导工艺设计。2）塑性变形前后体积不变的假设金属塑性变形前后的体积相等。

故坯料和锻模模镗尺寸可按照体积不变来进行计算，再结合最小阻力定律，可大体确定塑性成形时的金属流动模型。

3）金属塑性变形程度的计算

在压力加工过程中，常用锻造比来表示金属坯料的变形程度。锻造比的计算公式与变形方式有关。拔长时的锻造比为：Y拔＝S0/S

式中，S0、S——坯料变形前、后的截面积。

镦粗时的锻造比为：Y镦=H0/H

式中，H0，H——坯料变形前、后的高度。

三、金属的可锻性(锻造性):

金属材料在压力加工时成形的难易程度。可锻性的衡量指标:

1）塑性：材料的塑性越好，其可锻性越好。

2）变形抗力：材料的变形抗力越小，其可锻性越好。

衡量金属经受压力加工时获得优质锻件的难易程度——工艺性能。用金属的塑性和变形抗力来综合评定：塑性越好，变形抗力越小可锻性越好金属的塑性：是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。用金属的断面收缩率φ、伸长率δ来表示；金属的变形抗力：是指在压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力。变形抗力越小，则变形中消耗的能量也越少。影响可锻性的因素：

1.金属的本身的影响（内因）

化学成分：不同化学成分的金属其可锻性不同。纯金属的可锻性比合金好；钢中含有形成碳化物的合金元素（例如Cr、Mo、W、V等），其可锻性显著下降。碳钢的含碳量越低，可锻性越好；

1）化学成分的影响：

2）金相组织的影响：纯金属及固溶体的可锻性好，而碳化物的可锻性差；晶粒细小而又均匀的组织可锻性好。

2.加工（变形）条件的影响（外因）1）变形温度的影响

金属在加热时，随温度的升高，金属原子的活动能力增强，容易滑移，因而其塑性提高，变形抗力降低，可锻性会得到明显改善，更适合于压力加工。注意：对钢而言，温度过高，可能产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废，因此，应严格控制锻造温度。变形温度：T温越高，材料的可锻性越好。注意:若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，产生“过热”。后果与解决办法：锻造易击碎，退火消除。

若加热温度接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，金属失去塑性而报废，这种现象称为“过烧”。

金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。停止锻造时的温度称终锻温度。锻造温度：是指始锻温度与终锻温度之间的温度。图3-16碳钢的锻造温度范围

过烧是指加热温度过高，被锻金属的晶界因含合金元素或杂质量高、熔点低而先发生熔化的现象。锻造时即发生开裂，故一定不能过烧。锻造温度范围是指始锻温度（开始锻造的温度）和终锻温度（停止锻造的温度）间的范围。变形抗力塑性变形速度c塑性、变形抗力

在一般的压力加工中，由于变形速度较低，随着变形速度的增加，回复和再结晶不能及时克服加工硬化，金属的塑性下降、变形抗力增大，可锻性变差（速度极大时除外，如高速锤等设备的锻造中）。2）变形速度的影响

变形速度即单位时间内的变形程度。它对金属锻造性的影响可分为两个阶段(见图)。

金属在经受不同方法变形时，其产生的应力性质和大小是不同的。实践证明，三个方向的应力中，压应力数目越多，则金属的塑性越好；拉应力数目越多，金属的塑性越差。3）应力状态的影响结论：金属受压应力数目，可锻性。三向压应力—塑性最好、变形抗力最小。三向拉应力—塑性最差、变形抗力最大。四.金属的超塑性

——指材料在低载荷作用下，其拉伸延伸率超过100%的现象。结构超塑性超塑性的分类：

——金属经热处理后获得晶粒直径在5μm以下的超细晶粒，在一定的温度和极低的变形速度条件下，即可获得超塑性。相变超塑性

——利用金属在相变点发生相变或同素异构转变时反复均匀拉伸，即可获得超塑性。第二节锻造方法锻压成形工艺可分为：自由锻造成形（也称自由锻）模膛锻造成形（也称模锻）一.自由锻的特点和应用

1、自由锻的概念

利用冲击力或静压力使金属在上下两个抵铁之间产生塑性变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。又可分为手工自由锻（已逐渐被淘汰）和机器自由锻。

锻造的概念：利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁间或锻模中变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件的工艺方法，是金属零件的重要成型方法之一。free2、自由锻的基本目的

经济地获得所需的形状、尺寸和内部质量的锻件。

锻件的类型有大型和中小型锻件。小型锻件以成形为主，大型锻件（尤其是重要件）和特殊钢以改善内部质量为主。钢锭经过锻造，粗晶被打碎，非金属夹杂物及异相质点被分散，内部缺陷被锻合，致密程度高，流线分布合理，综合力学性能大大提高。3、自由锻特点

优点：使用工具简单、通用，生产周期短，灵活

性大使用范围广。特别适合单件、小批生

产，而且是大型锻件唯一的锻造方法。

缺点：生产效率低，对工人的操作技术要求高，

工人劳动强度大，锻件精度差，后续机加

工余量大。特点：①设备的通用性好、工具简单；②自由锻操作技术要求高、生产率低；③锻件形状简单、加工余量大、精度低；④可锻小到不足1公斤，大可到几百吨大型件，且大型锻件的组织致密、力学性能好；自由锻主要用于单件、小批量生产，且是生产大型和特大型锻件的唯一方法。

4、自由锻设备：锻锤压力机空气锤蒸汽—空气锤水压机油压机65~750Kg630Kg~5T落下部分总重量=活塞+锤头+锤杆滑块运动到下始点时所产生的最大压力锻锤吨位=压力机吨位=根据对坯料施加外力的性质不同，分为锻锤和液压机。

锻锤是利用冲击力使金属坯料变形，由于产生冲击力能力有限，只用来锻造中、小型锻件。例如：空气锤、蒸汽—空气自由锻锤。

液压机是利用产生的压力使金属坯料变形。其中水压机可产生很大的压力，可锻造重达300吨的锻件。是重型机械厂锻造生产的主要设备。5万吨水压机

2007年10月1日，我国第一台16000吨级水压机在德阳二重集团完成第一次热负荷试车。它的投产将改变我国超大型锻件依赖进口的局面。一个重150吨的大型钢锭在水压机16000吨压力的作用下翻转、拔长、变形，10分钟内就完成了工艺规定的变形要求，成功实现热负荷试车。这台水压机由中国二重集团设计、制造，具有完全自主知识产权。新闻链接300多吨重的大型锻件——汽轮发电机主轴方锭方锭圆锭锻造用钢锭及型材锻造圆钢铝型材铜型材自由锻造锻件类型二.自由锻工序

基本工序、辅助工序和精整工序。1.

基本工序

(7种)：镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移镦粗：是使坯料高度减小、横截面积增大的工序。适于饼块、盘套类锻件的生产。拔长：是使坯料横截面积减小、长度增大的工序。适于轴类、杆类锻件的生产。冲孔：是使坯料具有通孔或盲孔的工序。弯曲：是使坯料轴线产生一定曲率的工序。扭转：是使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线产生一定角度的工序。错移：是使坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序。补充说明：锻套筒和圆环属于拔长；非直线（非平面）切离和劈开属于切割；冲孔不限圆形。2.辅助工序：压钳口，压棱边，压肩等，是在基本工序之前的预变形工序。3.精整工序：清除锻件表面凸凹不平，整形等以提高锻件的尺寸及位置精度等的工序，在基本工序之后进行。锻件分类及基本工序方案见表3-1。(1)盘类零件：墩粗、冲孔(2)轴类零件：拔长、切肩、墩台阶(3)筒类零件：墩粗、冲孔、在芯轴上拔长(4)曲轴类零件：拔长、错移、墩台阶、扭转(5)弯曲类零件：拔长、弯曲2013、4、10三、模型锻造模型锻造的概念：

金属坯料在冲击力或压力作用下，在锻模模膛内变形，从而获得锻件的方法。是使加热到锻造温度的金属坯料在锻模模膛内一次或多次承受冲击力或压力的作用，而被迫流动成形以获得锻件的压力加工方法。die模型锻造和自由锻相比，其优缺点如下：1、模型锻造的特点及应用范围优点：①生产效率高（几倍~几十倍）；

由于金属在模膛内变形，其流动受到模壁的限制，因而：

②锻件尺寸精度高，机加工余量小；③可锻造形状较复杂的锻件；④可实现大批量生产，节省金属材料，降低成本；⑤操作简单，易于实现机械化、自动化。6）模锻件内部组织致密，纤维分布合理。缺点：

①不能锻造大件

(<150kg)；

②设备、模具价格昂贵。应用：仅适用于小型锻件的大批量生产。常用的模锻方法有：锤上模锻——锻模锤头一起运动，冲击力，可以多次锻打成形。压力机上模锻—锻模滑块一起运动，静压力，一次成形。

锤上模锻所用设备有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。一般工厂主要使用蒸汽-空气锤，其吨位为10～160T，可锻造0.5～150kg的锻件。

压力机上模锻常用设备有曲柄压力机、摩擦压力机和平锻机、模锻水压机等。2、锤上模锻

锤上模锻采用的设备为模锻锤。一般工厂常采用的是蒸汽-空气模锻锤。模锻锤的吨位为1~16吨，可锻制150kg以下的锻件。锤上模锻常用的双拱蒸汽锤35000吨锻压机在锻造3.1m长的铝锻件

是由上模和下模两部分组成。上下模合在一起，中间部分形成完整的模膛。锻模上有分模面和飞边槽。锻模模膛—形成锻件基本形状和尺寸的空腔。飞边槽—增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。锻模:

模膛的分类(按功能)模膛模锻模膛制坯模膛终锻模膛预锻模膛拔长模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛

模膛：上下锻模围成的内腔。

(1)

模锻模膛模锻模膛分为终锻模膛和预锻模膛：①终锻模膛的结构特点:——是使金属在其中发生整体变形

是锻件最终成形的地方，其形状与锻件的形状相同，但必须考虑一个收缩量；另外终锻模膛沿模膛四周有飞边槽。模锻不能直接锻出具有通孔的锻件，对于该类锻件，应留有冲孔连皮。锤上模锻生产所用的锻模——终缎模膛：

飞边槽的作用：强迫充填：使金属能够充满模膛的角落、边沿容纳多余金属缓冲作用：减轻上下模膛分模面之间的打击

带有冲孔连皮和飞边的模锻件：连杆的锻造过程②预锻模膛的结构特点

其没有飞边槽；其圆角和斜度较大。对于形状简单或批量不大的模锻件可以不设预锻模膛。预锻模膛的作用：基本成形，接近锻件形状、尺寸；减少坯料对终锻模膛的磨损，提高其使用寿命；避免终锻时充不满缺陷，提高锻件质量。(2)制坯模膛

对于形状复杂的模锻件，为了使坯料形状接近模锻件形状，使金属能合理分布和很好的充满模锻模膛，就必须在制坯模膛中制坯。制坯模膛的分类：使坯料基本接近锻件形状；减轻对模锻模膛的磨损。制坯模膛的作用：拔长模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛制坯模膛拔长模膛：

用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。滚压模膛：

在坯料长度基本不变的前提下用它来减小坯料某部分的横截面积，以增加另一部分的横截面积。弯曲模膛：用来弯曲坯料以制作弯曲类杆类模锻件。切断模膛：其上模和下模的角部组成一对刃口，用来切断金属。单件锻造时，用来下料或切除锻件上的钳口；多件锻造时，用来分离单个锻件。连杆的锻造过程多膛锻模：在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。1-切断模膛2-滚压模膛3-预锻模膛4-终锻模膛锻造弯曲连杆模锻件变形的三个阶段：(3)金属在终锻模膛内的变形过程形成飞边，充满模膛——飞边槽完成强迫充填变形量小，变形力激增锻足阶段——变形量很小，变形力最大镦粗阶段——金属到达飞边槽桥口为止变形量大，变形力小四、胎模锻——胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的方法。

一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中最后成形。故胎模锻兼有自由锻和模锻的特点。1、胎模锻的特点

(1)和自由锻相比：

①

操作简便，生产率高；

②

锻件尺寸精度高，形状复杂，敷料少，加工余量小；

(2)和模锻相比：

①胎模锻不需昂贵设备，使用自由锻设备即可；

②

工艺、操作灵活，可以局部成形，小设备可锻大锻件；

③

模具结构简单，制造容易，可降低锻件成本。缺点：锻件尺寸精度不如模锻件，工人劳动强度大，胎模易损坏，生产率不够高。适用场合：胎模锻适合于没有模锻设备的中、小型工厂中，锻件的中、小批量生产。2、胎模的种类和结构

(1)扣模：用来对坯料进行全部或局部扣形，以生产长杆非回转体锻件。锻造过程中坯料不转动。

(2)套筒模：锻造齿轮、法兰盘等盘类锻件。组合筒模由于有两个半模结构，可锻出形状更复杂的胎模锻件。筒模a)整体筒模b)镶块筒模c)带垫块筒模1-筒模；2-右半模；3-冲头；4-左半模；5-锻件组合筒模(3)合模：由上模和下模组成，并具有导向结构，可生产形状复杂、精度较高的非回转体锻件。合模常用锻造方法的比较见P117，表2-12。

除锤上模锻外，还有压力机上模锻。

压力机上模锻所用设备：摩擦压力机，曲柄压力机，平锻机，模锻水压机五、其它设备上的模锻平锻机上模锻冷镦锻件第三节锻造工艺规程的制定锻造工艺过程的制定内容包括：

1)依据零件图绘制锻件图

2)计算坯料重量和尺寸

3)确定变形工艺和锻造比

4)合理选用锻造设备

5)确定锻造温度范围、加热和冷却规范

6)确定热处理规范

7)填写工艺卡片锤上模锻成形的工艺过程：切断坯料→加热坯料→模锻→切除模锻件的飞边→校正模锻件→热处理→表面清理→检验→入库存放

一.绘制锻件图1自由锻锻件图的绘制——在零件图上考虑以下因素绘成：锻件公差——锻件名义尺寸的允许变动量锻件余量——在零件的加工表面为切削加工而增加的尺寸。零件越复杂，尺寸越大，余量越大。敷料(工艺余块)——为简化形状和结构以便于锻造而加上的部分。不能任意添加，要可切削，少费料。锻件的余量和公差确定分模面的原则：2

模锻锻件图的绘制

（1）余量、公差、敷料：加工余量：1~4mm公差：0.3~3mm要保证模锻件能顺利脱模：选在最大截面处；要便于安装和检验，保证锻件轮廓一致；使模膛深度最浅，以便于充型、脱模、制造；使锻件敷料最少；最好是一个平面，上下模膛深度基本一致。下图以一具体模锻件为例确定分模面的选取：（2）分模面——是指上下锻模在模锻件上的分界面。分模面d-d合理例题：请确定下列模锻件的合理分模面位置。（3）模锻斜度

模锻件上平行于锤击方向（垂直于分模面）的表面必须具有一定的斜度，以便于从模膛中取出锻件。一般取值为5。~12。，而且内壁的斜度应比外壁的大。锤击方向外壁斜度：5~7°内壁斜度：7~12°（4）模锻圆角

模锻件上所有两平面的交角均需做成圆角。外圆角的取值一般为1.5~12mm，内圆角应比外圆角大2~3倍。外圆角：r=1.5~12mm内圆角：R=（2~3）r（5）冲孔连皮

当模锻件的孔径D>25mm时，应将孔形锻出，由于模锻不能锻出通孔，则在孔中留出冲孔连皮，当孔径D为25~80mm时，其厚度取为4~8mm。模锻件图绘制实例：10°5°R8二.坯料质量及尺寸计算

G锻件——

按锻件图名义尺寸计算

G烧损——首次加热取(2~3%)G锻件,以后每次加热，取(1.5~2.0%)G锻件

G料头——

(2~4%)G锻件（锻钢件）1坯料质量G坯料=G锻件+G烧损+G料头2坯料尺寸的计算●根据坯料重量和几何形状确定；●坯料的横截面尺寸的确定与第一基本工序有关；●还必须考虑锻造比。拔长：F0=Fm×y

式中：F0——坯料截面积

Fm——锻件最大截面积

y——锻造比，y=F0/Fm碳素钢锭：取y=2.5~3碳素钢轧材：y=1.3~1.5合金钢的锻造比要适当减小。（为什么？）镦粗：坯料高度H0

/坯料直径D0

2.5；否则容易镦弯，出现夹层。但为了防止坯料过短下料困难，H0>1.25D0。

镦粗时的锻造比：y=H0/Hm

例题：锻造比常用来表示什么？拔长与镦粗时的锻造比用什么来表示？如原始坯料长150mm，拔长到450mm，锻造比是多少？y=F0/Fm根据锻造前后体积不变假设1.长轴类模锻件三、确定模锻工步——根据锻件形状和尺寸确定拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻。长杆类零件：制坯→预锻→终锻此类锻件在锻造过程中，锤击方向垂直于锻件的轴线。常用工序：

对于小型长轴类锻件，为了减少钳口料和提高生产率，常采用一根棒料同时锻造出几个锻件的方法，此时应增设切断工步。

有些模锻件可选用周期轧制材料作坯料，可省去拔长、滚压等工步。2.盘类模锻件镦粗、预锻、终锻等工步弯曲连杆模锻过程

3.模锻的修整工序

(1)切边、冲孔：切去飞边，冲掉冲孔连皮；

(3)热处理：正火(低碳钢与低合金钢)或退火(高碳钢、工具钢和轴承钢)；

(4)清理：去除表面氧化皮，毛刺，油污等。

(2)校正：校正变形；第四节锻件的结构工艺性

设计锻造成形的零件，除必须满足使用性能外，还应满足锻造工艺要求。合理的锻件结构应使：锻造工艺简单、节约金属、保证锻件质量、生产率高。

从以下方面考虑改进锻件结构，以提高工艺性能：

1.零件外形力求简单——对于结构复杂的零件,应采用工艺余块来简化结构，多余的金属锻造后切削掉。但余块太多时浪费金属，耗费切削工时，不宜多用。一.自由锻件的结构工艺性2.自由锻件应尽量避免锥体、斜面结构——应尽量用圆柱体代替锥体，用水平面代替斜面。

3.锻件外表面应避免曲线交接——即锻件若由几个简单几何体构成时，几何体间的交接处不应形成空间曲线。

应改成平面与圆柱、平面与平面相交的结构，这样交线为直线或圆，使锻造成型容易。

4.避免凸台、加强筋、工字形截面或空间曲线形表面

去掉加强筋、凸台应改为凹坑或小孔形式，用余块简化，自由锻后再切削加工。5.避免截面突变(a)工艺性差的结构(b)工艺性好的结构复杂结构件

——对于截面急剧变化或形状复杂的结构可分成几个简单件构成的组合体。即每个简单锻件成形后，再用焊接或机械连接方式构成整体。

例题：指出下图所示自由锻件结构不合理之处。试修改不合理部位(重画图)。二.模锻件的结构工艺性（设计原则）

1.

模锻件必须具有一个合理的分模面——易于取出锻件，敷料少，锻模易制造。

2.由于模锻件的尺寸精度高，表面粗糙度低，因此零件上只有与其它机件配合的表面应根据要求设计成加工表面，而其它表面应设计成非加工表面。非加工表面——模锻件上只有与其它机件配合的表面才需进行机械加工，其它表面均应设计为非加工表面。20α2>α1

模锻件上与分模面垂直的非加工表面应设计出模锻斜度。R>r

模锻件上两个非加工表面形成的角（包括内角和外角）都应按模锻圆角设计。

3.

为使金属易于充满模膛和减少锻造工序，模锻件外形力求简单、平直和对称——模锻件截面间差别不能太大，避免薄壁、高筋或凸起等结构。模锻件的最小和最大截面面积之比应满足以下条件：

4.

尽量避免窄沟、深槽或多孔结构①当孔的直径

D≥30mm时，应该锻出;②模锻件应避免孔深大于孔径2倍的孔。20

5.

复杂件可采用锻—焊组合工艺以减少工艺余块，简化模锻工艺。

例题：指出下图所示模锻件结构不合理之处。试修改不合理部位(重画图)。结构不合理之处：(1)模锻斜度与圆角；(2)壁厚差太大，轮辐部分壁太薄；(3)齿轮的齿锻不出来，必须用机加工，未考虑敷料；(4)未考虑冲孔连皮。1-冲孔连皮；2-飞边2013、4、17第四节板料冲压板料冲压1）可以冲压出形状复杂的零件，废料少；2）产品精度、表面质量高，互换性好；3）冲压件质量轻，耗材少，强度、刚度较高；4）冲压操作简单，便于机械化自动化生产，生产效率高，成本低。1

板料冲压的特点：——利用冲模和冲压设备使板料产生分离或变形的加工方法。常温下进行，所以又叫冷冲压。2

适用范围1）材料：

——原材料必需有足够的塑性，如低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性好的高合金钢；其形状为板料、条料或带料。2）规模：大批量生产3

常用设备剪板机（剪床）冲床4

基本工序

分离和变形工序金属板材的生产——轧制拖拉机：400多个三米收割机：1000多个冲压设备1.剪床：2.冲床：下料设备1）斜刃剪2）平刃剪3）圆盘剪冲压设备1）开式冲床2）闭式冲床1.分离工序

——是使坯料的一部分相对于另一部分相互分离的工序。如落料、冲孔、切断和修整等。落料和冲孔：统称为“冲裁”，是使坯料按封闭轮廓分离的工序。一.冲压基本工序——分离、变形二大类切断：沿不封闭轮廓线分离。落料和冲孔的区别在于：落料：冲落部分为成品，周边是废料；冲孔：是为了获得带孔的冲裁件，冲落部分为废料。(1)

冲裁分离过程

冲裁时板料的变形和分离过程对冲裁件质量有很大的影响。其过程可分为三个阶段。弹性变形阶段→塑性变形阶段→断裂分离阶段

冲裁出的工件断面分为四个特征区，分别为圆角带（塌角）、光亮带、剪裂带和毛刺。有的把剪裂带和毛刺特征区合并为一个区。。圆角带是刃口刚压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长的结果，材料硬度越低，圆角带越大；光亮带是材料受挤压形成的垂直、光亮的断面部分，塑性越好，光亮带越大；断裂带是裂纹扩展形成的撕裂面，断面粗糙且有斜度。冲裁区应力与应变情况a-塌角b-光亮带c-剪裂带d-毛刺

冲裁出的工件断面分为四个特征区，分别为塌角、光亮带、剪裂带和毛刺。圆角带是刃口刚压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长的结果，材料硬度越低，塌角越大；光亮带是材料受挤压形成的垂直、光亮的断面部分，塑性越好，光亮带越大；剪裂带是裂纹扩展形成的撕裂面，断面粗糙且有斜度。毛刺是在形成微裂纹时形成的，当凸模继续下行时已形成的毛刺被拉长，并残留在冲裁件上。

光亮带、剪裂带、圆角带和毛刺等四个部分在整个断面上的比例随材料的性能、厚度、间隙、模具结构等冲裁条件的不同而变化。精冲件的断面垂直，表面平整，零件精度可达4~2级，表面粗糙度值达到0.8~0.4μm。(2)

凸凹模间隙

ZZ=mss

——

板厚m——与板料性能及厚度有关的系数低碳钢：

m=0.06~0.09高碳钢：

m=0.08~0.12铜、铝合金：

m=0.06~0.10

板厚越大，m取值应越大。——即凹模和凸模工作部分的水平投影尺寸之差。当板料较薄时，m可取如下数据：Z/2

设计落料模时，取凹模作为设计基准，然后根据间隙确定凸模尺寸。设计冲孔模时，取凸模作为设计基准，然后根据间隙确定凹模尺寸。断面特点:断面上形成第二光亮带缺点:①增大了冲裁力、卸料力和推件力，加剧了凸、凹模的磨损，缩短了模具寿命。②板料在过小间隙冲裁时受到挤压而产生压缩变形，所以冲裁件的尺寸略有变化:

落料件的外形尺寸增大；冲孔件的孔腔尺寸缩小。

（4）凸、凹模间隙

凸、凹模的间隙不仅严重影响冲裁件的断面品质，而且影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。1)间隙过小缺点：因弹性回复而使落料件的外形尺寸缩小，冲孔件的内腔尺寸增大，品质较差。2)间隙过大断面特点：切断面光亮带减小，圆角带与锥度增大，形成厚大的拉长毛刺。优点：推件力与卸料力减小，甚至为零，材料对凸、凹模的摩擦作用大大减弱，所以模具寿命较长。应用:对于批量较大而公差又无特殊要求的冲裁件，可适当采用“大间隙”冲裁。

当间隙合理时，冲裁力、卸料力和推件力适中，模具有足够长的寿命。这时光亮带占板厚的l／2～l／3，圆角带、断裂带和锥度均很小。零件的尺寸几乎与模具一致，完全可以满足使用要求。(3)间隙合理合理的间隙值可查表选取．对冲裁件品质要求较高时，可将表中数据减小l／3。（3）凸、凹模刃口尺寸的确定

在冲裁件尺寸的测量和使用中，都是以光亮带的尺寸为基准的。

设计落料模：以凹模作为设计基准。D凹

=d落，D凸=D凹

-Z注意：落料凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的最小尺寸。12

落料件尺寸会随凹模刃口磨损而增大，因此，加工凹模刃口时取落料件公差范围的最小尺寸；冲孔件尺寸会随凸模刃口磨损而减小，因此，加工凸模刃口时取靠近孔的公差范围的最大尺寸。思考题：用Φ50mm冲孔模具来生产Φ50mm的落料件能否保证落料件的精度？为什么？

设计冲孔模：以凸模刃口作设计基准。

D凸=d孔，D凹=D凸+Z注意：冲孔凸模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的最大尺寸。(4)

冲裁力P(N)的计算F=kLSτ式中

L——冲裁周边长度(mm)S——板料厚度(mm)τ——材料抗剪强度(MPa)，一般τ=0.8σbk

——

系数，一般可取1.3

计算冲裁力是为了合理选择冲压设备和设计模具，冲压的吨位必须大于冲裁力，否则会导致设备超载而损坏。平刃冲模的冲裁力F可按下式计算：(5)

冲裁件的排样有搭边排样(图a,b,c)无搭边排样(图d）排样是指落料件在条料、带料或板料上合理布置的方法。排样合理可使废料最少，材料利用率高。(6)

修整

是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，去掉剪裂带和毛刺，提高冲裁件的尺寸精度和表面精度。2.变形工序

——

是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破坏的工序。

如:拉深，弯曲，翻边，胀形等。(1)

弯曲弯曲产品

——是将坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的冲压加工方法。被弯材料可是板料、型材或管料。最小弯曲半径

rmin=(0.25~1)δ（δ为金属板料厚度）

板料弯曲时，内侧受压缩，外侧受拉伸，当拉应力超过板料σb时，会出现裂纹。弯曲产品弯曲时要注意板料的纤维组织方向——合理应用。回弹现象，回弹角：0~10o

纤维组织方向与弯曲线尽可能垂直(2)

拉深

——是利用拉深模具使冲裁后得到的平板坯料变形成开口空心零件的工序。①拉深过程

把直径为D的平板坯料放在凹模上，在凸模的作用下，坯料被拉入凸模和凹模的间隙中，形成筒形拉深件。深深深深图2-62圆筒件拉深过程变形最大位置

在变形过程中，周边部分受切向压应力，厚度略有增加；径向受拉应力，使板料连续拉入凹模，形成筒壁。凹模圆角处材料除受径向拉伸外，同时有塑性弯曲，减薄最严重。凸模下的板料形成筒底，为传力区，厚度基本不变。深受切向压应力区，厚度增加径向受拉应力区，板料厚度减薄筒底为传力区，厚度基本不变②拉深件质量影响因素拉深中的废品主要是拉穿与起皱。影响拉深件质量的主要因素凸凹模的圆角半径：r凹=10s，

r凸=(0.6~1)r凹

拉深模的工作部分不能是锋利的刃口，必须作成一定的圆角。圆角半径过小，容易出现板料拉穿。对于钢的拉深件：凸凹模间隙：

Z=(1.1~1.2)s

其间隙远比冲裁模大。间隙过小，模具与拉深件之间的摩擦力增大，易拉穿工件和擦伤工件表面。间隙过大，容易使工件起皱。

m=d/D

拉深件直径d与坯料直径D的比值称为拉深系数，是衡量拉深变形程度的指标。拉深系数

m的值越小，表明拉深件直径越小，金属的变形量越大，工件越容易破裂。因此，拉深系数应大于极限拉深系数。