【材料课件】塑性加工工程学

27五月2023【材料课件】塑性加工工程学第一章锻造变形力的计算自由锻变形力的计算模锻变形力的计算

第一节中部挤出凸台的平面应变镦粗变形力分析中部挤出凸台的平面应变镦粗变形可分成三个区域：区域①的金属流动为挤压型；区域②和③按平行砧板间平面应变镦粗处理；分流层的具体大小，可根据分流层两侧相邻变形区在其上的相等的原则确定。第一章锻造变形力的计算中部挤出凸台的平面应变镦粗变形流动模式。中部挤出凸台的平面应变镦粗变形时σ和p的分布图形第一章锻造变形力的计算这种类型的锻件由于几何参数和工艺条件的不同，还可能出现多种流动模式，相应的σy，分布必然亦不同。例如，当锻件外围部分的宽度较小或厚度较大时，由于横向流动的阻力相对减小，其分流层的尺寸xk将缩小。当xk=01时，区域②消失。作为极端的情况，当纵向流动阻力大于横向流动阻力时（这种情况通常发生于挤出的凸台与模腔底部相接触时），则只能发生镦粗变形，也即相当于xk=0。对于复杂变形情况，可采用如下的简化模型：在0≤x≤xk区域，按挤压型处理，在xk≤x≤01区域，按镦粗型处理第一章锻造变形力的计算中部具有凸台的平面应变镦粗特例b)xk=0时σy分布图形c)0＜xk＜01时σy、p分布图形

第二节模锻变形力分析圆盘类锻件模锻过程的闭合（打靠）瞬间。此时的变形力为最大。它包括两部分：飞边的变形力Pb和锻件本体的变形力Pd。

圆盘类锻件模锻过程的闭合

圆盘类锻件模锻闭合过程的瞬间正应力σz的分布图形飞边桥部金属外流时受到飞边仓部金属的阻碍而产生一侧向压力，与此同时仓部金属受到桥部金属的推挤作用而向外扩张，仓部金属与上、下模不接触，故可近似地看成一受均匀内压的厚壁筒。应用主应力法可求得此厚壁筒塑性变形所需的内压力，此内压力也即桥部金属外端所受的侧向压力。（l）飞边的变形力Pb飞边的变形属平行砧板间轴对称镦粗型。参照工程塑性理论中的镦粗计算公式，设τ=k(k=Y/3-1/2)

可得：列基元板块的平衡方程式：

（2）锻件本体变形力pd实验表明，在模锻的闭合阶段（打靠阶段），锻件本体的变形仅局限在分模面附近的区域内，变形区的形状类似于一凸透镜，其余部分不发生塑性变形。因此，求锻件本体的变形力，就归结为求此凸透体的镦粗变形力。实际上，凸透镜变形区的界限并非如图中所示的那样分明，其几何尺寸也无法严格确定。有关实验资料表明，凸透镜的最厚部分h0与飞边桥部的高度h之比h0／h随D／h的增加而增加，其变化范围大约在2－5之间。为了方便计算，可对凸透镜变形区的形状进行简化，简化的模式不同，所得结果会互有出入。比较简便的一种是将其简化成直径为D高度为h0＝2h的圆盘。参照圆柱体镦粗，取τ=k，得：式中Y——材料真实应力；D——锻件直径；b——飞边桥部宽度；h——飞过桥部高度。第二章锻造基本变形分析

第一节镦粗基本变形分析

一、镦粗使坯料高度减小而横截面增大的锻造工序称为镦粗

镦粗用于：将高径（宽）比大的坯料锻成高径（宽）比小的饼块锻件；锻造空心锻件在冲孔前使坯料横截面增大和平整；锻造轴杆锻件可以提高后续拔长工序的锻造比；提高锻件的横向机械性能和减少机械性能的异向性等。

镦粗的主要方法有:平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。

1.平砧镦粗坯料在上下平砧间或镦粗平板间进行的镦粗称为平砧镦粗。

镦粗变形程度的表示方法：绝对变形：压下量△H相对变形：eh对数变形：εh镦粗比：坯料镦粗前后的高度之比，用KH表示。镦粗是自由锻最基本的工序。饼块锻件、空心锻件必需采用镦粗成形拔长、冲孔等工序中也都包含镦粗因素。了解镦粗时的变形规律，对掌握锻造工艺具有重要意义。

用平砧镦粗圆柱坯料时，随着高度的减小，金属不断向四周流动。由于坯料和工具之间存在摩擦，镦粗后坯料的侧表面将变成鼓形，同时造成坯料内部变形分布不均。通过采用网格法的镦粗实验可以看到，根据镦粗后网格的变形程度大小，沿坯料对称面可分为三个变形区。区域Ⅰ：由于摩擦影响最大，该区变形十分困难，称为“难变形区”。区域Ⅱ：不但受摩擦的影响较小，应力状态也有利于变形，因此该区变形程度最大，称为“大变形区”。区域Ⅲ：其变形程度介于区域Ⅰ与区域Ⅱ之间，称为“小变形区”。因鼓形部分存在切向拉应力，容易引起表面产生纵向裂纹。

对不同高径比尺寸的坯料进行镦粗时，产生鼓形特征和内部变形分布也不同。镦粗高径比H0/D0=2.5～1.5的坯料时，开始在坯料的两端先产生双鼓形，形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个变形区。其中，区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ同前所述，还料中部为均匀变形区Ⅳ，该区受摩擦影响小，内部变形均匀分布，侧表面保持圆柱形。如果继续镦粗到H/D≤1，则由双鼓形变为单鼓形。镦粗高径比H0/D0≤1的坯料时，只产生单鼓形，形成三个变形区。当镦粗高径比H0/D0≤0.5坯料时，变形区Ⅰ中也产生一定变形，鼓形逐渐减小。坯料在镦粗过程中，鼓形不断变化。其变化规律：镦粗开始阶段鼓形逐渐增大，当达到最大值后又逐渐减小。如果坯料体积相等，高坯料（H0/D0大）产生的鼓形比矮坯料（H0/D0小）产生的鼓形要大。

平砧镦粗时的金属流动特点，对锻造工艺和锻件质量都很不利。由于坯料侧面出现鼓形，不但要增加修整工序，并且可能引起表面纵裂，对低塑性金属尤为敏感。由于坯料内部变形的不均匀，必然引起锻件晶粒大小不均，从而导致锻件的性能也不均，这对晶粒度要求严格的合金钢锻件影响极大。为了保证锻件质量，要求尽量减小鼓形，提高变形的均匀性。

在锻造生产中可以采用以下工艺措施：

凹形坯料镦粗软金属垫镦粗叠起镦粗

2、垫环镦粗坯料在单个垫环上或在两个垫环间进行的镦粗称为垫环镦粗。这种镦粗方法，用于锻造带有单边或双边凸肩的饼块锻件。由于锻件凸肩直径和高度比较小，采用的坯料直径要大于环孔直径，因此垫环镦粗变形实质属于镦挤。垫环镦粗流动特点：坯料在进行垫环镦粗时，金属可朝两个方向流动，一部分是沿着径向流向四周，使锻件的外径增大；另一部分沿着轮向流入环孔，增大锻件凸肩高度。在金属径向流动与轴向流动区间，存在一个不产生流动的分界面，称为分流面。分流面的位置与下列因素有关：坯料高度与直径之比（H0/D0）环孔与坯料直径之比（d/D0）、变形程度εH环孔斜度（α）及摩擦条件等。坯料尺寸、垫环孔径和变形程度对金属流动的影响：H0/D0＞1的坯料镦粗开始阶段，这时分流面在环孔附近，Ⅰ区金属流向四周，Ⅱ区金属挤入环孔，凸肩高度增量小于压下量。坯料镦粗到某一高度，分流面扩大到整个环孔范围，由于Ⅱ区得到扩大，凸肩高度增量否h接近等于压下量△H。坯料镦粗程度很大时，分流面已经超出了环孔直径，使得Ⅱ区更加扩大，凸肩高度增量△h大于压下量△H。

环孔斜度大小对金属流动的影响：当环孔无斜度时，金属向环孔中流动，仅受孔壁摩擦阻力。如环孔有斜度时，除了孔壁摩擦阻力外，还有孔壁的反作用力。斜度越大则反作用力越大，其垂直分力阻止金属向环孔中流动，水平分力而有利焊合坯料内部缺陷。

采用垫环镦粗锻造带凸肩的锻件时，关键是能否锻出所要求的凸肩高度。第二节拔长使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长。拔长除了用于轴杆锻件成形，还常用来改善锻件内部质量。由于拔长是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形，所以它是锻造生产中耗费工时最多的一种锻造工序。在研究拔长工序时，除了分析影响拔长质量的因素以外，还应分析影响拔长效率的有关因素。

一、拔长变形特点特点：每送进压下一次，只部分金属变形。拔长的变形程度：是以坯料拔长前后的截面积之比—锻造比（简称锻比）KL来表示，即：KL=F0/F式中F0—拔长前坯料的截面积即F0=h0×b0F

—拔长后坯料的截面积即F

=h×bl0─拔长前变形区长度，又称送进量。b0、h0─拔长前变形区宽度和高度。h0/b0─相对送进量。拔长后变形区长度l、宽度b、高度h。压下量：h=h0-h宽展量：b=b-b0拔长量：l=l-l0二、拔长变形计算拔长变形计算采用平砧拔长矩形截面坯料时：

高度方向压缩减少的金属体积一部分沿纵向转移使坯料伸长；一部分沿横向转移使坯料展宽。

拔长时坯料横截面的变化，一般情况下：系数f称为展宽强度系数（亦称恰列系数），它反映了坯料拔长变形时展宽与伸长的关系。如f=1、即全部展宽，伸长为零。如f=0、即全部伸长，展宽为零。拔长实际情况是既有伸长也有展宽，所以展宽强度系数f的变化范围为：1＞f＞0。根据实验，展宽强度系数f取决于送料比l0/b0。展宽强度系数f与锻比KL和高度相对变形程度εH的关系如下：对一定尺寸坯料，当εH与f已定时，可以算出锻比KL。从而，便能确定每次拔长后的锻坯尺寸，以及确定拔长所需要的压下次数。式中F0、F——为坯料拔长前后的横截面积l——为坯料压下一次后的变形区长度。如沿坯料整个长度压一遍，坯料拔长后全长为L，所需的压缩次数为n，3．影响拔长质量的工艺因素拔长时的锻透的程度、内外部裂纹及锻件成形质量，均与拔长时的变形分布和应力状态直接有关，并取决于送进量、压下量、砧子形状、拔长操作等工艺因素。

（1）送进量的影响

送过量的大小，不仅关系到拔长效率，而且还影响锻件质量。当送进量较小时（I0/H0＜0.5），拔长变形区出现双鼓形。这时变形集中在上下表面层，锻件中心部分非但不能锻透，并且出现轴向拉应力，容易引起内部横向裂纹。送进量如小于单边压下量，还会在锻件表面形成折叠。当送进量过大I0/H0＞l），拔长变形区出现单鼓形。这时心部变形很大，得到锻透，但在鼓形侧面和角部受拉应力，容易引起表面横向裂纹和角裂。如果坯料在同一位置反复转动重击，由于金属沿对角线的剧烈相对流动，还会使塑性低的锻件产生十字裂纹。综合考虑送过量对拔长效率和锻件质量两方面的影响，一般认为，相对送进县I0/H0=0.5～0.8较为合适，绝对送进量常取I0=0.4

～0.8

B，式中B为砧宽。在生产中，拔长有宽砧锻造和窄砧锻造之分。相对送进量I0/H0≥0．5的拔长称为宽砧锻造，反之则为窄砧锻造。为了提高拔长的生产率，通常均用窄砧锻造，如锻件要求充分锻造时，则应采用宽砧锻。

（2）压下量的影响拔长时增大压下量，不但可提高生产率，还可强化心部变形，有利锻合内部缺陷。因此，只要钢的塑性允许，尽量采取大压下量拔长。压下量应小于送进量l。还要考虑坯料翻转90°后拔长不产生弯曲，坯料每次压下后的宽高比应小于2.5～3。

（3）砧子形状的影响拔长常用的砧子形状有三种，即上下V型砧、上平下V型砧和上下平砧。当用不同形状的砧子拔长时，坯料内部变形区分布不相同。采用上下V型砧拔长时，坯料中心的变形程度最大，又处于强烈三向压应力状态，因此能够很好锻合心部缺陷，并且拔长效率也高，坯料轴线不会偏移。用上平下V型砧拔长时，最大的变形区不在坯料中心，而在距中心1／2～3／4半径处，所以这种砧子锻透性比较差。使用上下平砧拔长矩形截面坯料时，只要相对送进量选取得合适，能够使坯料的中心锻透。如采用大压下量，把坯料压成扁方，则锻透效果更好。但用上下平站拔长圆形截面坯料时，因为圆形截面与砧子接触面很窄，金属横向流动大，轴向流动小，拔长效率低。同时，由于变形集中于上下表层，在心部产生拉应力，容易引起中心裂纹。平站拔长圆形截面坯料时的变形区和横向应力分布

第三节锻造对金属组织和性能的影响

大型锻件锻造的任务：不仅仅是为了得到一定形状和尺寸的锻件。通过锻造达到破碎钢锭的铸态组织，焊合钢锭内部的疏松、裂纹、气孔等缺陷，均匀和密实金属组织以及提高机械性能等目的。

一．锻造对金属组织的影响（1）消除铸态组织粗大的树枝晶并获得均匀细化等轴晶

（2）可破碎并改善碳化物及非金属夹杂物在钢中的分布对钢锭进行锻造，还可将聚集在晶界的碳化物、非金属夹杂物和其它过剩相组织击碎，再加上高温扩散和互相溶解作用，使之较均匀的分散在金属基体内，因而改善了金属组织，提高了锻件使用性能。这对具有大量碳化物的钢种（如高速钢、高铬钢、高碳钢等）来讲，作用极为重大。在锻造这钢种时，为了使碳化物充分击碎并均匀分布，必需在各个方向上反复地锻造。

（3）形成纤维组织在锻造钢锭时，当树枝晶沿主变形方向变形的同时，晶界过剩相的形态随之也要发生改变，其中硅酸盐、氧化物等质硬而脆，很难变形，只能击碎，沿着主变形方向呈链状分布；硫化物有较好的塑性，可随晶粒一同变形，沿着主变形方向拉长连续分布。多数晶界过剩相的这种分布，在晶粒再结晶后也不会改变，使金属组织具有一定方向性，通常称为“纤维组织”，其宏观痕迹即“流线”。拔长时，在锻比大于2～3时便会出现纤维组织。如先镦粗然后进行拔长，锻比要达到4～5时才能形成纤维组织。并且变形程度越大，纤维方向则越明显。锻件如形成了明显纤维组织，金属的性能（力学性能和理化性能）就会出现方向性。当钢中存在大量的非金属夹杂物时，还会引起锻件产生层状（木纹状）断回，使横向机械性能（塑性和韧性）严重下降。流线在锻件内的分布状况，对锻件使用性能影响很大，而锻件的流线分布又取决于锻造的变形工艺。因此，在制订锻件的锻造变形工艺时，应根据零件的受力和破坏情况，正确控制流线在锻件的分布。对受力比较简单的零件，如立柱、曲轴、扭力轴等。在锻造时尽量避免切断纤维，控制流线分布与零件几何外形相符合，并使流线方向与最大拉应力方向一致。对容易疲劳剥损的零件，如轴承套圈、热锻模、援丝板等。由于纤维在零件工作表面露头之处是一个微观缺陷，当在重复和交变载荷作用下，很容易造成应力集中，成为疲劳源使零件破坏。因此，在锻造这类锻件时，为了减少疲劳剥损，提高零件使用寿命，应尽可能使流线与工作表面平行。对受力比较复杂的零件，·如汽轮机和电机主轴、锤头等，因对各个方向性能都有要求。所以不希望锻件具有明显的流线方向。（4）锻合内部孔隙一般在钢锭的内部不可避免存在大量的各种孔隙，通过锻造可将表面未氧化的孔隙焊合，使金属的塑性与致密性都得到改善。

锻合钢锭内部孔隙缺陷的基本条件是：孔隙表面未被氧化不存在非金属夹杂锻造温度必需提高处于三向压应力状态并且要求一定的变形程度或局部锻比。

按照孔隙的缺陷大小可以分为两类:宏观缺陷微观缺陷。

宏观缺陷的锻合过程可分为两个阶段:首先使缺陷区金属产生塑性变形，使空隙变形直到两壁相互靠合，称为闭合阶段。然后在三向压应力的作用下，加上高温条件，使空隙两壁金属焊合为一体，此即焊合阶段。

微观缺陷只要具有足够的三向压应力，就可得到锻合。