《制造工程基础》课件 第二章 金属的塑性成形

第二章

金属的塑性成形

金属坯料外力塑性变形产生改变形状改变尺寸改善性能达到毛坯零件得到1、金属塑性成形的定义压力很大，功率巨大，又称为压力加工。

材料的塑性是塑性成形的前提条件（内因）；对加工材料施加外力和做功（外因）。两个基本成形条件：2、金属塑性成形技术的特点优点：1．力学性能高1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷；4）使纤维组织合理分布。2．节约材料1）力学性能高，承载能力提高；2）减少金属消耗（与切削加工相比）。3．生产率高4．精度较高缺点：不能加工脆性材料（如铸铁）和形状特别复杂（特别是内腔形状复杂）或体积特别大的零件或毛坯。1.1金属塑性变形的本质1.1.1单晶体（晶内）的塑性变形

(a)未变形(b)弹性变形(c)弹塑性变形(d)弹性恢复后的塑性变形单晶体滑移变形晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。1.1.1单晶体（存在缺陷）的塑性变形

(a)未变形(b)位错移动(c)位错移动(d)塑性变形位错运动引起塑性变形1.1.2多晶体（实际金属）的塑性变形

多晶体塑性变形的主要方式是滑移变形。晶内：滑移晶间：滑动、转动

宏观塑性变形多晶体塑性变形1.2金属塑性变形的组织和性能1.冷变形及其影响1）组织变化的特征：①晶粒沿变形最大方向伸长；②晶格与晶粒均发生畸变；③晶粒间产生碎晶。2）性能变化的特征：有利：强化金属材料不利：进一步的塑性变形带来困难加工硬化：常温下经塑性变形后，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象。（a）原始组织（b）变形后的组织图铸锭变形前后的组织回复：加热到回复温度(=(0.2~0.3)T熔点(K))时，使金属内部原子回复到平衡状态，加工硬化部分消除；再结晶：加热到再结晶温度时，金属原子开始以碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，完全消除加工硬化。塑性变形前的组织塑性变形后的组织金属回复后的组织再结晶组织纯金属的再结晶温度：T再=0.4T熔点

(K)2.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组织致密。1.3纤维组织的利用原则（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纤维组织的分布比较1.4塑性变形理论及假设1.4.1最小阻力定律（

LeastResistance）在变形过程中，如果金属质点有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力最小方向移动。质点流动阻力最小方向是通过该质点指向金属变形部分周边的法线方向。圆形正方形矩形坯料镦粗时不同截面上质点的流动方向1.4.2体积不变条件由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可以认为变形前后的体积相等。实际上在变形中有微小变化。气孔、缩松被压合、氧化及耗损等。1.4.3金属塑性变形程度的计算金属的可锻性是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：2）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。材料的变形抗力越小，其可锻性越好。1.5影响塑性变形的因素一、材料性质二、加工条件三、应力状态化学成分变形温度金属组织变形速度一、材料性质化学成分碳

钢：Fe和C合金钢：Fe、C和其他合金元素杂

质：S、P、N、H、O碳：随着碳含量的增加，渗碳体的量增加，从而使的塑性降低，抗力提高。磷：有害杂质。冷脆性硫：有害杂质。热脆性（FeS）氮：Fe4N使钢的强度、硬度提高，塑性和韧性大为降低。氢：氢脆现象氧：Fe3O4、FeO、MnO和SiO2等杂质形式存在。金属组织1.单相组织比多相组织塑性好，变形抗力低；2.晶粒细化有利于提高金属的塑性，同时提高变形抗力；3.铸态组织具有粗大晶粒和夹杂、气泡、缩孔和缩松等缺陷时，会降低金属的塑性。二、加工条件变形温度变形速度三、应力状态三向压应力—塑性最好三向拉应力—塑性最差金属塑性变形时，三个方向中压应力的数目越多，则金属表现出的塑性越好；拉应力的数目多，则金属的塑性就差。金属的可锻性取决于金属的性质和变形条件。力求创造最有利的变形加工条件，提高塑性，降低变形抗力，达到塑性加工的目的。应使能耗低、耗材少、生产率高、品质好。第7章锻造成形技术7.1自由锻（热变形）7.2模锻

锤上模锻、压力机上模锻7.3胎模锻2.1自由锻（热变形）上砧铁下砧铁坯料——利用冲击力或静压力使金属在上下两个砧铁之间产生塑性变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。—工艺灵活，通用性强；—精度低，加工余量大；—是大型和特大型锻件的唯一成形方法。根据变形性质和程度不同，自由锻工序可分为：基本工序、辅助工序和精整工序。工序基本工序辅助工序精整工序镦粗、拔长冲孔、弯曲扭转、错移压钳口压棱边压肩整形镦粗、拔长、冲孔、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。2.1.1自由锻工序2.1.1.1基本工序全镦粗局部镦粗高度和直径比圆形截面：2.5~3方形截面：3.5~4全镦粗局部镦粗镦粗部分高度和直径比

2.5~3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。2.1.1.1基本工序冲孔：是使坯料具有通孔或盲孔的工序。2.1.1.1基本工序<25mm的孔不锻出薄坯料（H/D<0.125），一次冲出；坯料较厚，一边冲孔深到2/3时，翻转工件，从反面冲透。坯料直径/孔径>2.52.1.1.2自由锻辅助工序——压肩，压钳口等，是在基本工序之前的预变形工序。压肩2.1.1.3自由锻精整工序——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。自由锻造成形过程零件图绘制锻造图计算坯料质量和尺寸、下料确定工序、加热温度和设备等加热坯料锻打检验锻件2.1.2自由锻

工艺设计——根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量与尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备和确定坯料加热、冷却及热处理规范和填写工艺卡等。2.1.2.1绘制锻件图——在零件图的基础上考虑加工余量、锻造公差、工艺余块（敷料）等之后绘制的图，它是组织生产过程、制定操作规范、控制和检验产品品质的依据。敷料加工余量锻件公差考虑因素：2.1.2.1绘制锻件图敷料为了简化锻件形状便于锻造而增添的金属部分2.1.2.1绘制锻件图锻造余量典型锻件图2.1.2.2计算坯料的质量及尺寸自由锻所用坯料的质量为锻件的质量与锻造时各种金属消耗的质量之和，可由下式计算：G坯料=G锻件+G烧损+G料头

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）2.1.2.2计算坯料的质量及尺寸根据坯料重量和比重确定体积；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。锻件质量是根据名义尺寸计算的：G锻件

=r×V锻件

式中：G锻件

——锻件的质量

r

——金属的密度V锻件——锻件的体积

2.1.2.3基本工序的选用轴类件:拔长（镦粗、拔长）、压肩、锻台阶筒类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上拔长环类件:镦粗（拔长、镦粗）、冲孔、心轴上扩孔弯曲类件:拔长（镦粗、拔长）、弯曲曲轴类件:拔长（镦粗、拔长）、错移、扭转盘类件:镦粗（局部镦粗）、冲孔锻件类别图例锻造工序盘类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔等轴类零件拔长（或镦粗－拔长），压肩，锻台阶等桶类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上拔长等环类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔等弯曲类零件拔长，弯曲等2.1.2.4选择锻造设备（确定吨位数G）镦粗:G=（0.002~0.003）∙

K∙A[Kg]

式中,K—与材料强度极限有关的因数，查表确定；

A—镦粗后的横截面积，cm3。

拔长:G=2.5∙A0A0—拔长前的横截面积，cm3。查表法

经验类比法；2.1.2.5坯料加热确定锻造温度范围的原则：

锻造温度范围应尽可能宽，以便有充足的锻造时间，从而降低加热次数和材料消耗，提高生产率。2.1.3自由锻件的结构工艺性原则1：避免锥体或斜面结构。在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。原则2：避免几何体之间的相交线为空间曲线。原则3：避免加强筋、凸台。原则4：合理采用组合结构。44自由锻典型过程举例①盘类锻件的锻造过程②轴类锻件的锻造过程2.2模锻——将金属坯料置于锻模模膛内，在冲击力和压力下产生塑性流动，充满模膛并获得与之形状相同的锻件。

特点（与自由锻相比）：生产率高、易于机械化，可成批大量生产；能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命；锻件尺寸精度高，Ra值小；节省金属材料，减少切削加工工作量。但是：模具成本高，需有专用的模锻设备，不适合于单件或小批量生产2.2.1模锻的分类（按锻模类型）2.2.1.1胎模锻——是在自由锻设备上使用简单的非固定模具（胎模）生产模锻件的一种工艺方法。2.2.1.2锤上模锻——利用锻模锤，产生冲击力使金属变形，可以多次锻打成形。2.2.2锻模模膛及其功用锻模结构：1－锤头

2－上模

3－飞边槽

4－下模

5－模垫

6、7、10－紧固楔铁

8－分模面

9－模膛2.2.2锻模模膛及其功用——按功能可分为：模锻模膛和制坯模膛。模锻模膛分为：终锻模膛和预锻模膛；制坯模膛分为：拔长、滚挤、弯曲、切断模膛等2.2.2锻模模膛及其功用终锻模膛：终锻模膛尺寸>锻件尺寸模膛四周有飞边槽：冲孔连皮带有冲孔连皮及飞边的模锻件1—飞边；2—分模面；3—冲孔连皮；4—锻件预锻模膛：没有飞边槽；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。使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，这样再进行终锻时金属容易充满终锻模膛，同时也减小了终锻模膛的磨损，延长其使用寿命。制坯模膛：拔长、滚挤、弯曲、切断模膛等拔长模膛：减少横截面积，增加长度。滚挤模膛：减少某部分横截面积，

增加另一部分的横截面积。弯曲模膛：对于弯曲的杆类模锻件，

需用弯曲模膛来弯曲坯料。切断模膛：在上模与下模的角部组成

一对刀口，用来切断金属

成形模膛、镦粗台及击扁面单膛锻模或多膛锻模。模锻过程零件图绘制模锻件图计算坯料质量和尺寸确定工序、加热温度、设备等模膛设计和制造坯料加热模锻修整（切边、冲连皮等）热处理、清理、精压、检验合格锻件2.2.3模锻工艺规程的制定——根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量与尺寸、确定模锻工步（设计或选择模膛）、选择锻造设备和确定加热规范及安排修整工序等。2.2.3.1锻件图设计1.选择分模面——上、下锻模在锻件上的分界面原则1：保证模锻件能从模膛中顺利取出，一般分模面应分模面应选在模锻件最大尺寸的截面上。X原则2：应使上、下两模沿分模面的模腔轮廓一致。以便及时发现错模现象，便于及时调整锻模位置。X原则3：最好使分模面为一个平面，并使上下锻模的模膛深度基本一致。X原则4：选定的分模面应该使零件上所加的敷料最少。原则5：最好把分模面选取在能使模膛深度最浅处，这样可使金属很容易充满模膛，便于取出锻件。X2.确定机加工余量和锻件公差模锻件的加工余量、公差<自由锻件其数值根据锻件大小、形状和精度等级有所不同，一般机加工余量为1-4mm，公差为-0.3mm-+3mm之间（查有关手册）。对于孔径d>25mm的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮；冲孔连皮厚度：当孔径为Φ30~Φ80时，

连皮厚度为4~8mm。注意：3.确定模锻斜度模锻件上凡平行于锻压方向的表面（或垂直于分模面的表面）都须具有斜度。常用的模锻斜度系列为：3°，5°，7°，10°，12°，15°模膛深度越深，模锻斜度越大内壁斜度比外壁斜度大2~5°有顶出装置，模锻件上的斜度可减小一级。4.确定模锻圆角半径钢的模锻件外圆角半径(ｒ)一般取1.5mm～12mm，内圆角半径(R)比外圆角半径大2～3倍。模膛深度越深，圆角半径值越大。5.留出冲孔连皮锤上模锻不能直接锻出通孔，孔内留有一定厚度的金属层，称为冲孔连皮，锻后在压力机上冲除。2.2.3.2坯料质量和尺寸计算坯料质量=模锻件质量+氧化烧损质量+飞边(连皮)质量飞边质量=（20%~25%）模锻件质量氧化烧损质量=（3%~4%）（模锻件质量+飞边质量）其他规则可参照自由锻坯料质量及尺寸计算。2.2.3.3模锻工步的确定和模膛种类选择盘类：常选用镦粗-终锻工序对于一些高轮毂、薄轮辐的模锻件：采用镦粗—预锻—终锻工序制坯工序、预锻工序和终锻工序的确定长轴类：预锻—终锻；滚挤—预锻—终锻；拔长—滚挤—预锻—终锻；拔长—滚挤—弯曲—预锻—终锻等672.2.4模锻件的结构工艺性锻件结构设计：锻造工艺简单、节约金属、保证锻件质量、生产率高。原则1：模锻件必须具有一个合理的分模面：保证锻件易于取出，敷料最少，金属流线好；原则2：与分模面垂直的非加工表面应设计出模锻斜度。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。原则3：为使金属易于充满模膛和减少工序，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。原则4：尽量避免深孔和多孔结构。原则5：复杂件可采用锻-焊组合工艺