工程材料及成形工艺 第3版 课件 10章 金属塑性成形

第10章金属塑性成形

10.1塑性变形基本理论10.2金属塑性成形的基本生产方式10.3自由锻10.4锤上模锻10.5板料冲压金属材料在外力作用下要经历二个变形阶段——弹性变形阶段和塑性变形阶段。在外力不超过弹性极限时，金属材料只发生弹性变形，一旦外力去除，由它引起的变形也即告消失。这是由于金属在弹性变形状态下，其内部原子间的距离会有所改变，但在外力去掉以后其距离即恢复原状；而当外力继续增大，使金属的内部应力超过了该金属的屈服极限以后，引起的变形即使外力去除也不会自行消失，这就是塑性变形。其实质是内部应力迫使晶粒内部和晶粒间产生滑移和转动，从而产生了塑性变形。10.1.1金属塑性变形的实质

10.1塑性变形基本理论

10.1.2塑性变形机理1滑移

滑移是金属中最常见的一种塑性变形机理。它是指晶体的一部分沿一定的晶面（原子密排晶面）和晶向（原子密排晶向）相对于另一部分产生相对位移。单晶体以滑移方式进行塑性变形是通过位错运动实现的。

整体滑移模型位错运动引起滑移模型2孪生

滑移和孪生均是晶体在切应力作用下的变形方式。但孪生移动的原子较多，变形条件更苛刻一些，只在滑移变形难以进行时候才能够发生。

晶界在塑性变形时也起重要的作用，主要体现在：

①晶界阻碍位错运动，

②晶界对变形起协调作用。10.1.3金属的回复与再结晶1．形变强化

塑性变形前

塑性变形后

金属发生塑性变形后，晶粒形状改变，原本等轴状的晶粒沿变形方向相应地被拉长或被压扁。随着变形量的增加，晶内位错密度急剧增高，位错间交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力增大，使材料的强度硬度升高。金属冷塑性变形时，出现强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象，称为形变强化。形变强化可用来提高金属的强度和硬度。对那些不产生相变，不能通过热处理强化的金属材料，形变强化非常重要。但形变强化同时造成材料塑性、韧性降低，除不利于材料的使用外，也使材料失去了进一步进行塑性变形的能力，不能继续进行塑性加工了。如还需要进行塑性加工，可对变形过的材料进行退火处理，消除加工变形组织晶粒内的大量位错，材料能恢复继续变形的能力。2．回复与再结晶变形后的组织经加热温度升高时，由于热运动加剧，材料内应力明显下降，晶粒内位错密度降低，材料的各种性能将有不同程度的恢复，但此时显微组织仍保持被拉长或被压扁的组织形态，此过程即称为“回复”。塑性变形后的组织回复后的组织

再结晶组织当变形组织被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，在晶粒内位错大量聚集处，形成了新的位错密度低的结晶核心。该晶核不断蚕食变形组织而长大，生长成为位错密度相当低的等轴晶粒，取代了被拉长或压扁了的旧晶粒。这一过程称为再结晶。再结晶使材料性能明显改变，其强度硬度恢复到加工硬化前的水平，其塑性韧性也完全恢复到未变形前的软化状态，因此仍旧具有继续变形的能力。冷加工热加工10.1.4冷加工与热加工若金属材料在回复、再结晶温度以下进行塑性变形，则位错密度上升，发生形变强化，强度、硬度提高，韧性降低，称为冷加工。如果塑性变形时温度超过再结晶温度，变形速度也达到一定水平，那么变形组织就能够迅速地进行再结晶，从而使变形组织不断地转化为细小的、位错密度低的、仍具有塑性变形能力的再结晶组织。塑性变形能够持续地、大幅度地进行，这种变形称为热加工。热加工再结晶后得到等轴细小晶粒，使制品细晶强化，塑性完全恢复，材料仍有继续塑性加工的能力。如热锻，热轧，热挤压等。

冷加工后制品晶粒被拉长或压扁，能使制品加工硬化而使强度升高，同时使材料失去了进一步塑性变形的能力。如冷冲压、冷挤、冷锻等。10.1.5锻造流线与锻造比热变形使铸锭中的夹杂物和碳化物粉碎，并沿着金属塑性变形方向形成锻造流线。其不会因热处理而改变，只能用热变形来改变流线的分布、流向和形状。最理想的流线分布是流线沿零件轮廓分布而不被切断。其明显程度和锻造比Y有关，而Y的大小通常用变形前后的截面积比来计算：Y＝So/S。锻造比越大，则金属的组织和性能改善就越明显，而且锻造流线也越明显。a棒料切削齿轮b板料切削齿轮c镦锻切削齿轮d热轧齿轮10.1.6金属的锻造性能

是指金属在塑性成形时获得优质零件的难易程度，主要体现在塑性和变形抗力两个方面。影响金属锻造性能的外部加工条件和内在因素如下：1.加工条件（1）锻造温度范围宽则好，窄则差（2）变形速度低则好，大则差2.内在因素（1）金属组织纯金属和固溶体的锻造性能好，含较多金属碳化物时锻造性能较差；粗晶粒和有其它缺陷的金属锻造性能差；晶粒细小且组织均匀的金属锻造性能好。（2）化学成分

纯铁的塑性比碳钢好，低碳钢的锻造性能比高碳钢好。10.2.1金属型材的塑性成形（1）轧制（2）拉拔（3）挤压10.2金属塑性成形的基本生产方式10.2.2机器零件塑性成形（1）自由锻（2）模锻（3）冲压10.3.1自由锻设备根据施加在锻件上作用力的性质，分为锻锤和液压机两大类。锻锤产生冲击力，液压机产生静压力使金属变形。1．空气锤规格以落下部分重量来表示，一般为50～1000㎏。特点是：锤头速度可达到7～8m／s，不需要辅助设备，操作方便，但结构较复杂，锤击能力有限，广泛应用于中小型锻件的生产。10.3自由锻空气锤2．液压机压力在整个冲程中不变，能充分利用有效冲程进行锻造，容易达到较大的锻透深度，获得细晶粒组织。规格用压力来表示，也称吨位，可达800～12000吨，所锻钢锭的重量由1吨到300吨，广泛用于碳素钢、合金钢、高合金钢及特殊钢等大型锻件的单件小批生产中。10.3.2自由锻工艺过程1．自由锻的生产工序可分为基本工序、辅助工序及精整工序三大类。基本工序使坯料横向尺寸增大。（同时轴向尺寸减小）使坯料轴向尺寸增大。（同时横向尺寸减小）。对圆柱形坯料，边转动边拔长。改变坯料轴线形状。带孔坯料的拔长。基本工序给坯料上某一部位加工孔洞。扩大孔尺寸，需要在原孔的部位穿上芯轴，用来承受压力。切断坯料。以局部切割作为预先变形，再改变轴线形状。使坯料不同轴线上的二个部位沿轴线产生相对转动。辅助工序类别图例基本工序方案实例1饼块类镦粗(或局部镦粗)圆盘、齿轮、模块、锤头等2轴杆类拔长镦粗—拔长局部镦粗—拔长传动轴、主轴、连杆类零件3空心类镦粗—冲孔镦粗—冲孔—扩孔镦粗—冲孔—芯轴拔长圆环、法兰、齿圈、套筒、空心轴4弯曲类轴杆类锻件工序弯曲吊钩、弯杆、轴瓦盖等5曲轴类拔长—错移（单拐曲轴）拔长—错移—扭转曲轴、偏心轴6复杂形状件多种工序的组合阀杆、叉杆、十字轴、吊环等阶梯轴锻造过程锻件名称半轴坯料质量25㎏坯料尺寸Ф130×240材料18CrMnTi加热火次工序齿轮坯自由锻过程2．自由锻件的结构工艺性（1）应尽可能使锻件的外形简单、对称；（2）应避免有复杂的凸台和外肋；（3）不允许有圆柱与圆柱相贯的部分。

3．自由锻件10.4.1模锻及其模具1－分模面2－楔铁3－燕尾4－键块5－锤头6－上模7－下模8－下模座10.4锤上模锻

锻模由上、下模组成，分别安装在锤头下端和模座的尾槽内，用楔铁固定。模锻是使金属坯料在力的作用下充满模具所形成的空间，使零件的形状尺寸与模具上具有的空腔一致。锤锻模结构示意图模锻比自由锻的形状尺寸精确。问题1：固态金属在模具中是怎样“流动”并充满型腔的？答：实际是在压力下发生塑性变形。要求压力足够，并且变形量受材料塑性限制。问题2：怎样保证从模具中取出成形后的零件？

答：分模；设斜度。锤锻模模膛分制坯模膛和终锻模膛两大类。模膛及功能示意图模膛及功能示意图制坯模膛

拔长模膛减小坯料某部分横截面积，增加其长度

滚压模膛减小坯料某部分横截面积，增大另一部分横截面积，使其沿轴线更接近锻件形状

弯曲模膛改变坯料轴线形状，使其符合锻件水平投影形状切断模膛一块坯料锻造多个锻件时，将已锻好的锻件从坯料上切下模锻模膛

预锻模膛获得与终锻相接近的形状，主要用于形状复杂的锻件终锻模膛最终获得所需形状和尺寸的锻件终锻模膛是锻件最终成形时的模膛。模锻件的几何形状和尺寸与终锻模膛完全相同，但模膛分模面周围有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属，还可以起缓冲作用。对于带有通孔的锻件，不能直接锻出通孔，孔内还留有一层较薄的金属，称为冲孔连皮。带有冲孔连皮及飞边的模锻件如图所示。1－冲孔连皮2－锻件3－飞边4－分模面对于形状简单的锻件，在锻模上只需一个终锻模膛；对于形状复杂的锻件，可以在锻模上安排多个模膛。弯曲连杆锻件与模锻工序

10.4.2模锻工艺规程的制定

1.绘制模锻件图（1）分模面通常选在锻件最大尺寸的截面上、模膛上下等尺寸处，以便发现锻件错移缺陷。

分模面的选择（d－d最合理）模锻斜度和圆角半径的选择

（2）加工余量、余块、公差加工余量通常在1～4mm之间；锻件公差通常在±0.3～3mm。（3）模锻斜度外斜度α取5～10°，内斜度β为7～15°（4）圆角半径钢的模锻件外圆角半径取r=1.5～12mm，内圆角半径R取（3～4）r。2.计算坯料质量3.确定模锻工步4.修整工序余块模锻件分类变形工步示例模锻件分类变形工步示例盘类弯轴类直轴类叉类枝丫类

各类零件锤上模锻件变形工步

长轴类锻件

精压

盘类锻件10.4.3模锻件的结构设计在模锻件设计时，为便于模锻,降低生产成本。必须符合下述原则：1.为使锻件能够从锻模中取出，必须设计合理的分模面、圆角半径和模锻斜度。2.零件的外形应力求简单、平直、对称，避免截面差别过大、薄壁、高肋等不利于成形的结构。应尽能避免深槽、深孔及多孔结构。3.形状较为复杂的锻件应选用锻—机械加工连接或锻—焊的方法，减少余块，简化锻造工艺。10.5.1冲压工艺概述10.5板料冲压板料冲压是指利用冲模使板料产生分离或变形，从而获得制件的加工方法。板料冲压的特点：生产率高，操作简单，易于实现机械化、自动化；冲压件质量好，尺寸精度高，互换性好；可冲制形状复杂的零件，材料利用率高，废品率低；冲模结构复杂，成本高，仅适用于大。10.5.2板料冲压的基本工序基本工序分为：分离工序和成形工序两大类。1．冲裁落料和冲孔统称为冲裁。

所示为冲裁时金属的变形过程。当冲头压向板料时，板料首先产生弯曲，然后在与切口接触处开始出现微裂纹，并逐渐扩展连在一起，使板料与工件相分离。为顺利完成冲裁过程，保证成品的断面质量，要求凸模、凹模具有锋利的刃口、均匀适当的模具间隙z。间隙过大或过小，均影响成品断面质量，而且影响模具的寿命。

2．弯曲

弯曲是将坯料的一部分相对于另一部分弯成一定角度或圆弧的工序。

坯料弯曲时，内侧金属受压缩，外侧金属受拉伸，产生伸长变形。当外侧拉应力超过材料的抗拉强度时，会造成金属破裂。因此，弯曲有一定限度，必须控制最小弯曲半径rmin，通常取rmin≥(0.25～1)t。

弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直，在双向弯曲时，应使弯曲线与纤维方向呈45º。

在外力去除后，由于弹性变形的影响会使工件的弯曲程度有所减小，体现在弯曲后