材料工程基础金属压力加工

金属压力加工铸造件展示铸造件展示在可以铸造的前提下，为什么要压力加工？优点：

⑴组织细化致密、力学性能提高；

⑵体积不变的材料转移成形，材料利用率高;

⑶生产率高，易机械化、自动化等。

⑷可获得精度较高的零件或毛坯，可实现少无切削加工。在可以铸造的前提下，为什么要压力加工？缺点：

⑴不能加工脆性材料；

⑵难以加工形状特别复杂（特别是内腔）、体积特别大的制品；

⑶设备、模具投资费用大。3.0塑性变形基础3.1锻造3.2冲压3.3轧制和挤压目录一、弹性变形3.0塑性变形基础二、塑性变形3.0塑性变形基础二、塑性变形3.0塑性变形基础二、塑性变形3.0塑性变形基础滑移的机理：把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。多脚虫的爬行二、塑性变形变形过程复杂晶粒位相的影响晶界的影响多晶体滑移的不均匀性晶粒大小的影响多晶体的塑性变形3.0塑性变形基础二、塑性变形加工硬化3.0塑性变形基础二、塑性变形加工硬化3.0塑性变形基础二、塑性变形加工硬化3.0塑性变形基础二、塑性变形回复、再结晶

软化温度升高能量？如何降低能量？3.0塑性变形基础回复、再结晶

软化

回复再结晶晶粒长大能量？如何降低能量？3.0塑性变形基础回复、再结晶

软化动态再结晶3.0塑性变形基础回复、再结晶

软化正常长大异常长大3.0塑性变形基础二、塑性变形变形温度、速度变形温度温度越低，金属塑性越差，变形抗力越大，锻造性能越差，易开裂。常加热至奥氏体单相区进行锻造。温度过高，引起表面氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷。同时，应避免在部分金属的脆化温度区间锻造。3.0塑性变形基础二、塑性变形变形温度、速度应变速率低应变速率范围，变形时间过长，散失的变形热多，形变热效应越小，锻件温度下降，金属塑性降低。高应变速率范围，变形时间短，散失热量少，热效应大，金属塑性增加，变形抗力减小。但当速率过快时，来不及发生再结晶，加工硬化会导致零件开裂。3.0塑性变形基础二、塑性变形冷变形VS热变形？冷、热以再结晶温度为分界。3.0塑性变形基础锻造生产的重要性(一)国防工业：飞机上的锻压件重量占85％；坦克上的锻压件重量占

70％；大炮、枪支上的大部分零件都是锻制而成的。

(二)机床制造工业：主轴、传动轴、齿轮和切削刀具等都由锻件制成的。

(三)电力工业：水轮机主轴、透平叶轮、轮子、护环等均由锻件制成。

(四)交通运输工业：机床上的锻压件重量占60％；汽车上的锻压件重量占80％；轮船上的发动机曲轴和推力轴由锻制而成。

(五)农业：拖拉机、收割机的主要零件也都是锻制成的，如拖拉机上就有560多种锻件。

(六)日常生活用品：锤子、斧头、小刀、钢丝钳等亦均是锻制而成。3.1锻造3.1锻造3.1锻造铸造：熔体的流动性。引言一：合金的可煅性？

金属的可锻性是指金属经受锻造成形优质零件的能力，通常用塑性与变形抗力来衡量。塑性越高，锻造性能越好，越有利于加工成形。化学成分纯金属合金>低碳钢高碳钢>碳钢合金钢>低合金钢高合金钢>碳和合金元素含量越高，塑性越差，锻造性能越差。3.1锻造金属组织单相固溶体多相合金>

第二相的性能、数量、形状、分布对多相合金的锻造性能有重要作用（Cm）。细晶粒金属粗晶粒金属>

细晶粒组织比粗晶粒具有更好的塑性和锻造性能。

过高温度合理温度<

高温晶界脆化，锻造性能变差。应力状态挤压拉拔自由锻应力压应力数目越多，金属越密实，裂纹越少，晶间变形越小，塑性越高。拉应力越多，塑性越差。同号应力状态引起的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。三向压应力会增大内摩擦，提高变形抗力。引言二：原材料的缺陷及应对我国锻造用大型钢锭有两种规格：一种是普通锻件用的4％锥度、高径比为1.8

2.3、冒口比例为17％的钢锭另一种是优质锻件用的11

12％锥度、高径比为15左右、冒口比例为20

24％的钢锭。3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对

大型钢锭的内部缺陷有：偏析、夹杂、气体、缩孔、疏松和溅疤等。并且不可避免。钢锭愈大，缺陷愈严重，往往是造成大型锻件报废的主要原因。3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对3.1锻造缩孔、疏松：是由于晶间钢液最后凝固收缩造成的晶间空隙和钢液凝固过程中析出气体构成的显微孔隙。这些孔隙在区域偏析处较大者变为疏松，在树枝晶间处较小的孔隙则变为针孔。危害：缩孔和疏松使钢锭组织致密程度下降，破坏了金属的连续性，影响锻件的力学性能。措施：锻造时要求大变形，以便锻透钢锭．将疏松消除。引言二：原材料的缺陷及应对3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对粗大的第二相颗粒：其原因是钢中的菜氏体共晶碳化物和二次网状碳化物在开坯和轧制时未被打碎和不均匀分布所造成。危害：碳化物偏析会降低钢的锻造性能，容易引起锻件开裂，热处理淬火时容易局部过热、过烧和淬裂，制成的刀具在使用时刃口易崩裂。措施：为了消除碳化物偏析所引起的不良影响，最有效的办法是采用反复镦～拔工艺．彻底打碎碳化物，使之均匀分布，并为其后的热处理作好组织准备。3.1锻造引言二：原材料的缺陷及应对非金属夹杂在钢中．通常存在着硅酸盐、硫化物和氧化物等非金属夹杂物，这些夹杂物在轧制时被辗轧成条状。危害：夹杂物破坏基体金属的连续性，严重时会引起锻造开裂。措施：通过变形改善。3.1锻造引言三：加热3.1锻造锻前加热目的

加热金属，可以提高塑性，降低变形抗力，减小设备吨位，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。引言三：加热金属加热对金属的影响力学性能发面：总的趋势是金属塑性提高，变形抗力降低，残余应力逐步消失，但也可能产生新的内应力，过大的内应力会引起金属开裂。物理性能方面：金属的导热系数、导温系数、膨胀系数、密度等均会随温度的升高而变化。500℃以上，金属会发出不同颜色的光线，即有火色变化。在化学变化方面：金属表层与炉气或其它周围介质发生氧化、脱碳、吸氧等化学反应，结果生成氧化皮与脱碳层等。3.1锻造引言三：加热3.1锻造过热：当钢加热超过某一温度时，或在高温下停留时间过长，会引起奥氏体晶粒迅速长大的现象。（1）稳定过热是指钢经加热后除原高温奥氏体晶粒粗大外，沿奥氏体晶界大量析出第二相质点以及其他促使原高温奥氏体晶界稳定化的因素。这种过热用一般的热处理方法不易改善或消除。（2）不稳定过热是指由于单纯的高温奥氏体晶粒粗大形成的过热。这种过热可用一般的热处理方法消除。引言三：加热二过烧3.1锻造当坯料加热超过过热温度，并且在此温度下停留时间过长，不但引起奥氏体晶粒迅速长大，而且还有氧化性气体渗入晶界，这种缺陷称为过烧。引言三：加热3.1锻造裂纹：如果坯料在加热过程的某一温度下，拉应力超过它的强度极限，那么就要产生裂纹。引言四：始锻温度、终锻温度始锻温度3.1锻造

考虑到坯料组织、锻造方式、变形工艺等因素。钢锭为坯料时，铸态组织比较稳定，产生过烧的倾向性小，因此，始锻温度比同钢种钢坯和钢材要高20～50℃。

采用高速锤精锻，因为高速变形产生很大的热效应，会使坯料温度升高以致引起过烧，所以，其始锻温度应比通常始锻温度约低约100℃，大型锻件锻造，最后一火的始锻温度，应根据剩余锻比确定，以避免锻后晶粒粗大，这对不能用热处理方法细化晶粒钢种尤为重要。引言四：始锻温度、终锻温度3.1锻造

如果终锻温度过高，锻件晶粒粗大，甚至产生魏氏组织；如果终锻温度过低，导致锻造后期加工硬化严重，有可能引起断裂。通常钢的终锻温度稍高于再结晶温度。一、自由锻自由：金属的四周没有约束，可以自由变形。3.1锻造一、自由锻自由锻优点3.1锻造一、自由锻自由锻缺点3.1锻造一、自由锻㈠自由锻的基本工艺过程设计图纸

下料

加热

锻造

冷却及热处理

锻件清理3.1锻造㈠自由锻的基本工艺过程锻件图=零件图+加工余量、公差3.1锻造㈠自由锻的基本工艺过程3.1锻造㈠自由锻的基本工艺过程3.1锻造锻前加热目的

加热金属，可以提高塑性，降低变形抗力，减小设备吨位，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。一、自由锻㈡自由锻造的工序⑴基本工序3.1锻造一、自由锻㈡自由锻造的工序⑴基本工序指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是主要变形工序。

如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转、切割、芯轴扩孔等。减小坯料高度、增加横截面积。破碎合金工具钢中的块状第二相，并使其分布。3.1锻造旋转镦粗3.1锻造一、自由锻㈡自由锻造的工序⑴基本工序指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是主要变形工序。

如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转、切割、芯轴扩孔等。长的镦粗，粗的拔长！就是这么任性！3.1锻造基本工序——拔长3.1锻造基本工序——冲孔3.1锻造错移是将毛坯的一部分与另一部分错开一定距离而保持轴心平行的锻造工序。制造曲轴时常采用这种方法。3.1锻造一、自由锻㈡自由锻造的工序⑵辅助工序指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。如钢锭倒棱和缩颈倒棱、预压钳把、阶梯轴分段压痕等。⑶修整工序即后续工序。指用来精整锻件尺寸和形状使完全达到锻件图要求的工序。一般是在某一基本工序完成后进行。

3.1锻造一、自由锻★避免锥体或斜面结构3.1锻造二、模锻把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的方法称为模锻。3.1锻造二、模锻优点：

1．生产率高；

2．锻件形状较复杂，尺寸精度较高；粗糙度也比自由锻低；

3．锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高；

4．可使流线分布更为完整合理，从而进一步提高零件的使用寿命；

5．生产过程操作简便，劳动强度比自由锻小；

6．锻件达到一定批量后，其成本降低。

可从改变应力状态的角度，改善材料的塑性！3.1锻造二、模锻缺点：

1．设备投资大；

2．生产准备周期，尤其是锻模制造周期都比较长。

3．模具成本高，且寿命较低；

4．工艺灵活性不如自由锻。

3.1锻造二、模锻3.1锻造二、模锻㈠模锻造生产的基本过程镦粗制坯预锻成型终锻成型毛坯冲孔自动上料3.1锻造二、模锻㈠模锻造生产的基本过程3.1锻造二、模锻㈡设计锻模及模膛制坯模膛：初步改变坯料的形状，合理分批坯料，使金属能较好的充满模膛。锻模：提高锻件品质、提高生产率、锻模和锻锤寿命镦粗制坯预锻成型终锻成型毛坯冲孔自动上料3.1锻造二、模锻模锻锤3.1锻造热模锻压力机上模锻（曲柄）特点：滑块行程固定采用组合模有导向、顶杆装置，斜度小静压力、噪声小氧化皮不易去除不能进行拔长或滚挤适用于大批量生产3.1锻造摩擦螺旋压力机上模锻特点：行程可以自由调节滑块速度较慢，适用于塑性稍差的合金材料设备有顶料装置，可采用组合模具偏心承载能力差，适用于单膛模锻平锻机上模锻主滑块夹紧滑块固定凹模活动凹模凸模特点：以局部镦粗为主适合带头部的半轴类和有孔的锻件锻件尺寸精确，表面粗糙度低，生产率高材料利用率高难加工非回转体零件三、胎模锻在自由锻造设备上使用胎膜生产模锻件的工艺方法，用自由锻制坯，胎膜中成形。胎膜复杂度和制造难度都比模锻低很多。3.1锻造四、精密模锻3.1锻造⑴尺寸精度高，表面质量好、机械加工余量少、可取消或部分取消切削加工工序，提高材料利用率；⑵金属流线(纤维)沿零件轮廓合理分布，可提高零件的承载能力。四、精密模锻(3)精锻件可接近零件形状.普通模锻件可以通过增加余块来简化形状;精锻件的形状比普通模锻件复杂,可接近于零件的形状。(4)精锻件尺寸精度和表面质量比普通模锻件高3.1锻造⑴精锻件图设计要精确确保主要部位尺寸精确,其余部位尺寸精度可低些。一般用于精密成形零件上难切削加工的部位;其它部位仍需进行少量切削加工.怎样才能实现“精密”？(2)精密模锻中采用润滑措施可有效地降低变形抗力，提高锻件精度和模具使用寿命。(3)在高温和中温精密模锻时,应对模具和坯料温度进行测控,防止尺寸误差。(4)精锻前坯料的表面质量应严格控制(如氧化、脱碳、表面粗糙度等）。怎样才能实现“精密”？下料要精确怎样才能实现“精密”？3.2冲压3.2冲压3.2冲压加工范围----冷态下＜8毫米；热态冲压＞8--10毫米。设备及模具----板料冲压是在冲床上利用模具进行冲压加工。常见冲压材料---低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢。非金属材料如橡胶、皮革、毛毡、硬纸板等。3.2冲压板料冲压具有如下特点：

可以冲压出形状相对复杂的零件，废料少。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，生产率高。零件成本低。3.2冲压常用冲压基本工序一、落料六、弯曲二、冲孔七、拉深三、修边八、涨形四、切口九、缩口五、剖切十、卷圆

3.2冲压落料:在平板的毛坯上沿封闭轮廓进行冲裁，余下的就是废料。落料常用于工件的首工序。一、冲压的基本工序3.2冲压一、冲压的基本工序冲孔:是以落料件或其他成形件为工序件，完成各种形状孔的冲孔冲裁加工。3.2冲压一、冲压的基本工序修边:对成形件边缘进行冲裁，以获得工件要求的形状和尺寸3.2冲压一、冲压的基本工序切口:在材料上将局部材料切开并弯成一定的角度，但不与主体完全分离，称为切口，也可称为冲切成形3.2冲压一、冲压的基本工序剖切:将已成形的立体形状工序件分割为两件，称为剖切。3.2冲压一、冲压的基本工序弯曲:用将平板毛坯压弯成一定角度或将已弯件作进一步成形。如：压弯、卷边、扭曲等。3.2冲压一、冲压的基本工序拉深:将平板毛坯压延成空心件，或使空心毛坯作进一步变形。3.2冲压一、冲压的基本工序拉深:将平板毛坯压延成空心件，或使空心毛坯作进一步变形。3.2冲压一、冲压的基本工序涨形:从空心件内部施加径向压力使局部直径涨大.例如：不锈钢茶壶、水杯等等。3.2冲压一、冲压的基本工序缩口:在空心件外部施加压力，使局部直径缩小，例如：不锈钢杯盖、罐类产品等3.2冲压一、冲压的基本工序卷圆(翻边):用卷圆模具使空心件的边缘向外卷成圆弧边缘，例如：罐类产品3.2冲压一、冲压的基本工序卷圆(翻孔):3.2冲压冲压缺陷

吕德斯带低碳钢制品，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。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。3.2冲压冲压缺陷

吕德斯带产生吕德斯带的原因：变形不均匀究其本质：开启各位错需要的应力有巨大差异。3.2冲压冲压缺陷

吕德斯带应变时效理论（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。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3.2冲压冲压缺陷

吕德斯带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。3.2冲压冲压缺陷

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”。3.2冲压冲压缺陷

制耳

制耳现象的处理：

1）严格控制轧制板材的压下量。在出现明显制耳现象之前停止变形。

2）拉深前对轧制板材适当退火。降低织构带来的各向异性。

3）对有制耳的产品进行机加工。3.2冲压一、轧制热轧机3.3轧制和挤压一、轧制冷轧机3.3轧制和挤压一、轧制一般采用先热轧，后冷轧的方式？3.3轧制和挤压一、轧制附加值增加1：1.5：2.0：3.0冷轧板热轧板涂镀层板普通板金属覆层有机覆层合金板专用板镀锌板镀锡板镀铝板建筑用板家电用板食饮用板3.3轧制和挤压一、轧制冷轧的特点宽厚比大,板形控制难度大冷连轧最薄规格：～0.15mm，最宽规格：～2000mm宽厚比：>10000保证板形良好的条件：比例凸度相等，冷轧要求最严格3.3轧制和挤压一、轧制冷轧的特点

变形抗力大，厚度精度要求高、难度大轧制力大，轧机弹性变形大，要求机架刚度大轧辊弹性变形（压扁、弯曲）大，要求辊系刚度大轧辊热膨胀和磨损大采用润滑轧制减小摩擦对数学模型要求高

kout

Feout

弹性回复区轧制力

Fp塑性区轧制力Fein:弹性压缩区轧制力kinhintinhPinhPout

houttout塑性区弹性回复区弹性压缩区km3.3轧制和挤压一、轧制冷轧的特点带张力轧制（张应力t：～0.3σS

）张力作用：防止轧件跑偏改变轧件应力状态，降低轧制力控制板形3.3轧制和挤压一、轧制冷轧的特点工序多，工艺复杂，综合性强主要工序：酸洗－轧制－脱脂－退火－平整－剪切－矫直－镀层技术综合：冶金、机械、控制、计算机学科综合：力学（轧制力、张力、应力分析）化学（酸洗、脱脂、涂层）数学（模型、公式、算法）金属学（退火、织构、组织性能）物理学（摩擦、润滑、表面）其它：机械学、控制理论、人工智能…3.3轧制和挤压一、轧制酸洗目的：清除氧化铁皮，保证带钢表面质量酸洗方式：～1960年前，硫酸酸洗，难回收～1960年后，盐酸酸洗，可再生利用（深槽酸洗－浅槽酸洗－推式酸洗）～1990年后，湍流酸洗湍流酸洗要点：无槽，带钢在窄缝中运行，酸液运动方向与带钢相反,

形成湍流

.效率高，酸洗时间短、质量好，省电，事故处理容易3.3轧制和挤压一、轧制连续式冷连轧机组开卷机冷连轧机组卷取机3.3轧制和挤压一、轧制CDCM-酸轧联合机组1＃开卷机焊接机活套1冷连轧机组卷取机2＃开卷机飞剪活套2酸洗机组3.3轧制和挤压酸-轧-退火联合机组(FIPL)示意图1＃开卷机焊接机活套1冷连轧机组2＃开卷机飞剪活套2酸洗机组活套4活套3卷取机退火机组典型机组：新日铁广畑厂（1987），美国Inlandsteel操作数据：设备利用率95％，成材率96.9%，年产量：108万吨

能耗降低40%，断带事故：0.1卷/月3.3轧制和挤压表面质量缺陷欠酸洗：钢材表面或多或少存在着没有洗掉的氧化铁皮（铁鳞）或污面，称为欠酸洗。3.3轧制和挤压表面质量缺陷过酸洗：是因酸洗过度在钢材表面留下印迹的现象，过酸洗可能是普遍的，也可能是局部的。过酸洗的带钢延伸性大大降低，在轧制过程中，很容易断裂和破碎。3.3轧制和挤压表面质量缺陷表面裂纹：指钢材表面的开裂，其类型很多，常见的是裂缝、发纹和横裂。3.3轧制和挤压表面质量缺陷表面夹杂：是由连铸工艺中非金属夹杂物导致。开始存在于皮下，加工后暴露于外，也可由结晶器或清理表面缺陷诱发。主要是炼钢原因：（1）吹氩时间短，夹杂物未充分上浮；（2）连铸时，保护渣带入钢中；（3）中包液面低，钢渣卷入钢水中。3.3轧制和挤压表面质量缺陷气泡：是指钢板表面无规律分布的、圆形的、大小不等的凸包。因铸坯存在较多的气泡等缺陷，虽经多道轧制没有焊合，残留在钢带上。3.3轧制和挤压一、轧制3.3轧制和挤压一、轧制碾环轧制的特点I、局部连续变形，变形区小，省力。II、设备工装简单，费用低III、适用形状复杂、冲压难以成形的零件。（薄壁收口容器、大型封头等）3.3轧制和挤压二、挤压特点：I、三向压应力作用，塑性好。II、纤维组织连续，力学性能好。3.3轧制和挤压二、挤压挤压杆挤压垫挤压筒挤压模挤压模垫挤压锭挤压制品

对放在容器中（挤压筒）的材料一端施加压力，使其通过模孔成型的加工方法。3.3轧制和挤压二、挤压管材3.3轧制和挤压二、挤压①正挤压②反向挤压金属的流动方向与挤压杆（挤压轴）的运动方向相同。金属的流动方向与挤压杆，的相对运动方向相反3.3轧制和挤压二、挤压①正挤压②反向挤压反向挤压的特点：摩擦力相对较小。正向挤压的特点：挤压过程中挤压筒与金属坯料间的摩擦力大(因为整个坯料都在挤压筒中运动)，消耗能量多，模具损耗。3.3轧制和挤压二、挤压①正挤压②反向挤压反向挤压的特点：摩擦力相对较小。组织均匀正向挤压的特点：摩擦力大，流动困难，组织不均匀3.3轧制和挤压现实生活中，塑料垃圾常常在河流弯道处堆积。利用这个现象，能否对挤压过程做点什么？3.3轧制和挤压二、挤压存在两个难变形区：前死区和后死区。一般指前死区。位于挤压筒与模子端面交界处的金属，基本上不发生塑性变形，故称为死区。3.3轧制和挤压影响死区大小的因素：

a、模角α模角平缓，死区小；

b、摩擦系数f摩擦系