金属压力加工

金属压力加工第一页，共七十八页，编辑于2023年，星期六通过铸造方法得到的金属坯件大多不能直接使用，还需要进一步的加工成形，如轧制、挤压、拉拔等。

压力加工是指在不破坏金属自身完整性的条件下，利用外力作用使金属产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法，也称位塑性成形或塑性加工。第二页，共七十八页，编辑于2023年，星期六第一节轧制轧制最早在16世纪后期发展起来，目前约有90％的金属材料涉及轧制工艺。轧制的基本操作是平板轧制，即简单轧制，轧出来的是平板和薄板。平板轧制薄板平板大锅炉支撑反应容器坦克装甲波音747蒙皮饮料罐香烟铝箔300mm150mm100～125mm1.8mm0.1mm0.008mm<6mm6mm第三页，共七十八页，编辑于2023年，星期六第四页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

轧制概述：

极限轧制量：极限轧制量：其中：μ为轧辊与工件之间的摩擦系数

第五页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

轧制力：轧制力函数：其中：Yavg为工件受轧时的平均真应力

讨论：（方程描述了无摩擦情况下轧制力的函数变化情况。）为减小轧制力，可采取的措施有：1、减小摩擦力；2、用半径小的轧辊；3、减小轧制时的压下量；4、提高轧制温度。第六页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

轧件的组织变化：第七页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

轧机的轧辊数：轧机有不同的轧辊配置，如：二辊式、三辊式、四辊式、多辊式和串连式等，可以对材料施加前张紧力或后张紧力，以提高工艺可行性或减小轧制力。第八页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

热轧和冷轧（按轧制温度分类）

热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，热轧变形抗力小，塑性较差或变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。第九页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

冷轧是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷轧产品尺寸精度高，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。现代化的连续轧制生产线第十页，共七十八页，编辑于2023年，星期六根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制可分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧。轧制的主要工艺类型

轧辊轴线与坯料轴线方向垂直。工字钢的轧制过程

纵轧：第十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期六固定芯杆移动芯杆无芯杆芯杆＋凹轧辊几种常见的管材轧制工艺第十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

纵轧：轧辊轴线与坯料轴线方向平行。横轧与轧件的典型横截面示意图第十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

斜轧：轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度。

第十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期六在轧制过程中，金属棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制，并被分离成单个的小球，轧辊每旋转一周即可轧制出一个钢球。第十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期六轧制时坯料径向尺寸减小，长度增加金属变形过程楔横轧主要用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。

楔横轧：利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。

第十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期六连铸连轧技术已经实用化。

连铸连轧：第十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期六第二节锻造锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公元前4000年——甚至8000年。锻造最初是通过石制工具锤打的方法来制造珠宝、钱币和各种器具，再发展成铁匠这一古老的职业。铸造生产的C5A运输机着陆齿轮构件第十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

锻造概述：

基本步骤：右图表示的是锻造锥齿轮轴的步骤。（美国锻造工业协会提供）第十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

流线组织：CastingMachiningForging锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。第二十页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

锻造缺陷：第二十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期六冲锻时，锻件可能留下贯穿组织的流线，这些晶界直接暴露在外，容易被环境腐蚀，产生粗糙表面，应力集中。445MN（50000t）水压机第二十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

自由锻造：

定义：是指借助锻压设备上下砧块的压力使坯料成形的压力加工方法，在锻造过程中，金属沿垂直于作用力的方向上自由变形。

基本工艺过程：第二十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

主要工序：1、实心圆截面光轴

及阶梯轴拔长（镦粗及拔长）锻台阶切割2、实心圆截面光杆及阶梯杆拔长（镦粗及拔长）锻台阶切割冲孔第二十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期六3、单拐及多拐曲轴拔长（镦粗及拔长）锻台阶错移切割扭转4、空心光环及阶梯环拔长（镦粗及拔长）扩孔冲孔第二十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期六5、空心筒拔长（镦粗及拔长）拔长6、弯曲件拔长弯曲第二十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

特点和应用：1、锻件的质量范围宽，操作工具简单；2、生产效率低，劳动强度大，金属损耗大；3、锻件尺寸精度低，形状不太复杂；4、适于单件小批量生产和锻造大型零件毛坯。

模型锻造：

定义：把金属坯料放在锻模的模膛内，在模锻锤或压力机上利用冲击力或压力使坯料在模膛内产生变形，从而获得形状与模膛内轮廓相一致的锻件的加工方法。第二十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

基本工艺过程：1、普通模锻第二十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期六2、模锻＋切边第二十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期六3、一模多锻第三十页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

基本工序：1、盘状锻件镦粗终锻（预锻）2、直轴类锻件拔长终锻滚压（预锻）第三十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期六3、弯轴类锻件拔长终锻滚压（预锻）弯曲4、叉类锻件拔长终锻滚压预锻第三十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期六5、枝芽类锻件拔长终锻滚压（预锻）成形第三十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

特点和应用：1、生产效率高；2、锻件尺寸精确，表面光洁、加工余量小，节约材料；3、成形依靠模膛控制，可锻造复杂形状的零件；4、适于中小型复杂锻件的大批量生产。

胎模锻造：

定义：在自由锻设备上利用自由锻的方法进行坯料变形，最后在未固定的锤头或砧座上的简单模具（胎模）内成形的压力加工方法。第三十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

基本工艺过程：常见的胎模有扣模、套筒模及合模三大类。第三十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

特点和应用：1、生产效率较自由锻高，但比模锻低；2、锻件尺寸精确较自由锻高，但比模锻低；3、与模锻相比，设备简单，锻模易加工；4、适于批量锻造中小型零件。

精密模锻：

定义：在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻工艺方法。第三十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

基本工艺过程：第三十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

特点和应用：1、模膛表面精度要求高，并开排气小孔；2、精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料；3、精细清洁坯料表面和模膛内表面；4、在锻造过程中，应避免因加热引起的锻件表面氧化；5、模锻时要润滑和冷却锻模；6、模锻设备应具有刚度大、精度高等特点；7、适于锻造超高精度的中小型零件。第三十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

超塑性模锻：

定义：是指在较低的成形速率下，在可调速的水压机或液压机上使超塑性金属模锻变形，模锻时变形速率逐渐减小的工艺方法。

基本工艺过程：第三十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

特点和应用：1、显著提高材料的工艺塑性；2、极大降低金属的变形抗力；3、金属充填性能良好，尺寸精度高，切削余量小；4、可获得均匀细小晶粒，综合机械性能好；5、适于一次锻造出形状复杂、薄壁和高筋的锻件。第四十页，共七十八页，编辑于2023年，星期六第三节板材冲压板材冲压时利用冲模使薄板产生分离或变形的加工方法。通常用于加工表面积与厚度之比很大的工件，与体积成形工艺（如锻造）不同，板料成形时材料的厚度通常不会减少，目的是避免缩颈和撕裂。与铸造、锻造出来的零件相比，薄板冲压的零件有着重量轻、形状多变的优点。由于低碳钢价格低，具有足够的强度及良好的成形性能，所以它是最常用的金属薄板料。而航空宇航业则常选用铝和钛薄板料。第四十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

冲压概述：

冲压的主

要参数：第四十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

冲压的变形区域：当间隙C增加时，材料倾向于被拉进定模内，而不是被剪切。在实际生产中，间隙C控制在板厚的2～10％。C表示冲头与定模之间的间隙冲剪变形区域的显微硬度分布第四十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期六当应力到达上屈服点时，在试样应力集中处首先开始塑性变形，能在试样表面观察到与纵轴呈约45°的应变痕迹，称为吕德斯带。与此同时，应力降到下屈服点，吕德斯带就沿试样长度方向扩展，此即屈服延伸阶段。低碳钢的屈服现象低碳钢薄板表面的吕德斯带

吕德斯带：第四十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期六1、吕德斯带对冲压制品的危害

制品表面粗糙，增加机加工工序，浪费原材料。2、应变时效理论（Cotrell气团解释）应变时效：将经过少量变形的试样放置一段时间，或经过200℃左右短时加热后再进行拉伸，则屈服点又出现，且屈服应力提高的现象。左图：低碳钢的应变时效a：预塑性变形b：去载后立即加载c：去载后放置一段时间或在200℃左右短时加热后再加载第四十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期六3、吕德斯带现象的消除

利用应变时效理论解决这一问题。将薄板在冲压之前进行一道微量冷轧工序（1～2％的压下量），或向钢中加入少量的Ti或Al，C，N等间隙原子形成化合物，以消除屈服点，随后再进行冷压成形，便可保证工件表面平滑光洁。

制耳：

当用有织构的轧制板材来拉深成型零件时，将会因织构的各向异性造成板材各方向变形量不同，使拉深出来的工件边缘不齐，壁厚不均，这种现象称为“制耳”。第四十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

制耳现象的处理：1）严格控制轧制板材的压下量。2）拉深前对轧制板材适当退火。3）对有制耳的产品进行机加工。第四十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期六根据板料在加工过程中其整体性是否破坏，板料冲压可以分为分离工序和变形工序两大类。冲压的主要工艺类型

分离工序：1、剪切剪切剪刀冲模2、落料落料第四十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期六3、冲孔冲孔第四十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期六4、切口5、切边在坯料上沿不封闭轮廓冲出缺口，切口部分发生弯曲，如通风板。第五十页，共七十八页，编辑于2023年，星期六4、剖切把半成品切成两个或多个制件，常用于成双冲压。

变形工序：1、弯曲1）定义：

使用模具或其它工具，将坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定的角度或弧度的冲压过程。第五十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期六2）最小弯曲半径：薄板发生弯曲时，弯曲应变ε可以用以下函数关系表示。当r/δ减小，即弯曲半径r与板厚δ的比值变小，薄板外侧金属的应变将增加，直至材料最终出现裂纹。第五十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期六裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小弯曲半径。讨论1、对相同厚度的薄板，塑性越好，则弯曲半径越小；2、对相同塑性的薄板，板料越厚，则弯曲半径越小。3）弹性后效（回弹现象）：

弹性后效是指弯曲后的零件在去除外力后，其弯曲角度出现增大或减小的现象。第五十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期六裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小弯曲半径。减小弹性后效的措施：1、工艺设计时，使零件弯曲角度相差一个回弹角度；2、弯曲后进行必要的校正（如模具校正和热校正等）。第五十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期六4）弯曲的主要工艺类型：自由弯曲模弯双模卷绕单模卷绕第五十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期六四模弯曲2、拉深（制耳）

拉深是在压力机上，利用模具使金属板料产生塑性变形，使之成为开口空心零件的一种冲压工艺，也称拉延。第五十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期六2、成形1）定义：

成形是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。该工序常用于形成刚性筋条，或增大半成品内径（胀形）。模压成形第五十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期六橡胶胀形第五十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期六液体胀形2、翻边第五十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期六3、旋压成形15432第六十页，共七十八页，编辑于2023年，星期六4、爆炸成形

爆炸成形是利用化学能在10-12～10-7s的时间内转换为冲击波能量，并以脉冲波的形式作用在坯料上，使其产生塑性变形的加工方法。第六十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期六5、电磁成形首先，绕在坯料上的线圈由于脉冲电流作用，将产生一个交变磁场；相应地，坯料内产生感应电流，感应电流产生的磁场与线圈磁场相互作用，线圈和坯料之间就出现斥力，最终导致坯料以较大的运动速率和模具贴合而成形。第六十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期六第四节挤压挤压是将金属坯料放入挤压模具中，在压力作用下使坯料从模孔中挤出而变形的加工工艺。多数实心或空心截面都可以通过挤压成形获得。由于挤出过程中，模具的几何形状不变，因此挤出件具有恒定的截面。挤出成形可在室温或高温下成形，这主要取决于材料的塑性。由于要用到模膛，每个毛坯要单独挤压，因此挤压是一种分批的或半连续的成形工艺。第六十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

挤压概述：挤压过程示意图第六十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

挤压主要的影响因素：在挤压的主要影响因素中，挤压模的角度α和坯料挤出前后的横截面积之比A0/Af（称为挤压比）属于几何变量；此外，坯料的温度、挤出的速度以及润滑剂的种类对挤压工艺来说也相当重要。第六十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

挤压成形的特点：1、挤压时金属坯料在三向受压状态变形，因此可提高金属坯料的塑性；2、可挤各种形状复杂、深孔、薄壁、异性断面的零件；3、零件精度高、表面粗糙度低；4、挤压件内部的纤维组织提高了力学性能；5、节约原材料，生产率较高。第六十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

挤压的主要工艺类型：根据金属的流动方向和凸模运动方向，挤压分为正挤、反挤、复合挤压和径向挤压。另外，还有静液挤压等。

正挤压：金属流动方向与凸模运动方向相同的挤压方式。第六十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

反挤压：金属流动方向与凸模运动方向相反的挤压方式。第六十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

复合挤压：一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，另一部分金属流向相反的挤压方式。复合挤压径向挤压

径向挤压：金属流动方向与凸模运动方向成90°角度的挤压方式。第六十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期六

静液挤压：静液挤压主要利用液体对坯料施加压力，使金属坯料通过凹模成形。一般，静液挤压时的挤压力较其他挤压方法小10～50％，这是因为静液挤压不存在摩擦力。静液挤压适于低塑性材