第八章 金属塑性成形

第八章金属塑性成形教学目的与要求：了解金属的可锻性及其影响因素，常用金属材料的可锻性；了解自由锻、板料冲压的一般概念。主要内容：金属的可锻性及影响因素，常用金属材料的可锻性。自由锻、板料冲压的一般概念。重点：金属塑性变形的实质及可锻性的影响因素。难点：金属可锻性的影响因素。锻压加工方法自由锻模锻板料冲压挤压拉拔轧锻一、工艺基础1、本质利用固态金属的塑性，使其受力，改变形状、尺寸并改善组织，性能，获得所需形状、尺寸和可靠性能的毛坯或零件。2、条件

１）塑性材料。低碳钢、铝、铜合金最好；２）受力塑性变形、满足屈服条件：

σ>σs（材料屈服强度）。3、方法

１）锻造

自由锻造和模膛锻造

自由锻造模膛锻造２）板料冲压（又称薄板冲压和冷冲压）

３）冷拔和冷镦

４）轧制、挤压等

金属塑性成形是利用金属材料所具有的塑性变形规律，在外力作用下，获得具有一定形状、尺寸和力学性能零件或毛坯的加工方法。压力加工与其它成形方法比较具有以下特点(1)能改善组织，提高性能；(2)提高材料的利用率；(3)具有较高的生产率；（4）获得精度较高的毛坯或零件。不能加工脆性材料、形状特别复杂、体积特大件。金属具有良好塑性，得以压力加工。

轧制、挤压、拉拔——

金属型材、板材、线材等；自由锻、模锻——

承受重载的机械零件，如机器主轴、重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；板料冲压——

汽车制造、电器、仪表及日用品。第一节

金属塑性变形基础

一、金属塑性变形概念金属塑性成形性能可从塑性和变形抗力两个指标考虑。金属塑性变形的实质：固态金属在外力作用下，使坯料塑性流动。金属塑性变形遵循的规律：最小阻力定律、加工硬化、体积不变规律。

（一）最小阻力定律塑性变形过程中，向阻力最小的方向流动（二）加工硬化（三）体积不变规律二、影响塑性变形的内在因素（一）成分（二）组织三、影响塑性变形的加工条件（一）变形温度（二）变形速度（三）应力状态(四)其它

四、金属塑性变形对组织和性能的影响(一)变形程度的影响(二)纤维组织的利用沿正应力方向，与轮廓外形符，不被切断(三)冷变形和热变形五、常用合金的压力加工性能碳钢、A不锈钢、铜铝及合金第二节自由锻一、自由锻工序（一）基本工序常用镦粗、拔长、冲孔（二）辅助工序基本工序的预变形（三）修整工序为减少缺陷，进行校正、滚园、平整自由锻基本工序应用：单件、小批量生产,

大型锻件的唯一锻造方法；二、自由锻工艺规程的制定（一）绘制自由锻件图考虑敷料、锻件余量、锻件公差（二）计算坯料质量和尺寸（三）选择锻造工序P72表2-2二、自由锻工艺规程的制订1、绘制锻件图锻件图=零件图+加工余量、锻件公差和余量轴锻件图齿轮锻件图锤上自由锻工艺规程的制订2、坯料的质量及尺寸计算坯料的质量：G坯料

=G锻件+G烧损+G切头+G芯子坯料的尺寸锻件的锻造比采用的变形方式轴类零件盘盖类零件轧材:y>1.3钢锭:y=2.5~5镦粗(防弯):H/D<2.53、确定变形工步齿轮坯自由锻工艺过程:锻件图下料镦粗垫环局部镦粗冲孔冲子冲孔修整

（四）选择锻造设备（五）确定锻造温度范围始锻：固相线下100～200℃终锻：高于再结晶50～100℃（六）填写工艺卡P75表2-5半轴自由锻工艺

锻件图材料:18CrMnTi坯料尺寸:Ф130×240

坯料重量:25kg锻造设备:0.5T自由锻锤锻出头部拔长拔长及修整台阶拔长并留出台阶锻出凹挡及拔长端部并修整三、自由锻件的结构工艺性设计原则：满足使用性能，简单、易锻尽量避免锥面或斜面避免圆柱与圆柱面相交避免椭圆形、工字型或其它非规则形状截面及非规则外形避免肋板和凸台比较下列锻件的结构工艺性自由锻件结构工艺性零件结构要符合锻造工艺性要求，使之结构合理，锻造方便、节约金属、保证锻件质量和能够提高生产效率。自由锻件：

1）自由锻件设计要避免锥体和斜面结构；2）锻件由数个简单几何体构成时，几何体的交接处不应保留空间相贯曲线；3）自由锻锻件上不允许设计出加强筋、凸台、工字形截面和空间无规则曲面形状；4）锻件形状较复杂时，可设计成几个简单件构成的组焊或装配结构；第三节模锻使金属在模膛内受压产生塑变，获得所需形状、尺寸、内部质量的锻件的加工方法。与自由锻相比，具有如下优点(1)生产效率高(2)能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布变为合理，进一步提高零件的使用寿命(3)尺寸较精确，表面质量较好，加工余量小(4)节省金属材料，减少切削加工(5)操作简单，劳动强度低

一、锤上模锻上模固定在锤头上，下模固定在模垫上，通过随锤头作上下往复运动的上模对置于下模中坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。二、压力机上模锻三、胎模锻模具不固定在锻造设备上，结构简单，制造容易自由锻设备+胎模三、模锻件结构工艺性：

1）有一个合理的分模面；

2）外形力求简单、平直和上下对称；

3）对垂直于分模面的非加工表面应设计出模锻斜度和锻造圆角。4）避免薄壁、高筋、局部凸起等结构。5）在可能条件下，应采用锻—焊组合工艺，以简化锻造工艺和降低制造成本。第四节板料冲压

利用冲模在压力机上使板料分离或成形，从而获得冲压件的加工方法。特点：1、操作简单、易机械化。2、尺寸精确、表面光洁、质量稳定。3、质量轻、强度高、刚性好。4、宜大批量生产

前提：塑性良好的薄板容易成形，可以冲压成复杂空间立体零件，且省料、省力，产品精度高，表面质量好。板料要求：

低碳钢、铝、铜、镁合金等。厚度一般不超过10mm，表面无伤痕。设备：

剪板机（剪成条料）、冲床、液压机等。数控冲床由于冲压加工的零件的形状、尺寸、精度要求、批量大小、原材料性能的不同。当前，在生产中所采用的冲压工艺方法也是多种多样的，但概括起来可分成：分离工序与成形工序两大类。1、分离工序在冲压过程中，使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，同时，冲压件分离断向的质量，也需满足一定的要求。特点：是板料受外力作用后，应力超过σb，使得板料发生剪裂而分离。2、成形工序使冲压毛坯在不破坏的条件下，发生塑性变形，并转化成所要求的成品形状，同时，也应满足尺寸精度方面的要求。

特点：是板料或冷挤压毛坯，受外力后，应力超过σs，但低于σb，经塑性变形后成一定形状。

一、冲压工序及冲压结构工艺性冲压基本工序有分离（落料、冲孔、切断）、变形（拉深、弯曲）两类（一）分离工序1、冲裁变形过程分弹变、塑变、分离三阶段2、冲裁工艺设计冲裁件结构工艺性分析、间隙选择、精度确定、刃口尺寸计算等。3、冲裁件结构工艺性力求简单、对称、圆角过渡、避免长槽悬臂、精度适当。4、整修与精密冲裁冲压件的结构工艺性（1）对冲裁件的要求

冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用，同时应避免长槽与细长悬臂结构，否则模具制造困难。冲裁件的内外转角处，也要圆弧连接，避免尖角。（2）对弯曲件的要求弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径，并考虑材料纤维方向，以免成形过程中弯裂。（3）对拉深件的要求拉深件外形应简单、对称，且不宜太高。以便使拉深次数尽量少，并容易成形。拉深件的圆角半径如图所示。应满足：rd≥s，R≥2s，r≥35。否则，应增加整形工序。

（4）改进结构可以简化工艺及节省材料1)采用冲焊结构

对于形状复杂的冲压件、可先分别冲制若干个简单件，然后再焊接成整体件2)采用冲口工艺，以减少组合件数量

3)在使用性能不变的情况下，应尽量简化拉深件结构，以便减少工序，节省材料，降低成本。如消声器后盖零件结构，通过结构改进，材料减少50％。

（二）弯曲工序将材料弯曲成一定角度和形状的工艺。1、弯曲变形过程与特点2、弯曲工艺设计3、弯曲件的结构工艺性（三）拉深平面板料成形为中空形状零件的冲压工序本章小结金属的可锻性及影响因素，常用金属材料的可锻性。自由锻、板料冲压的一般概念。作业补充题：１、压力加工有何特点？２、影响金属可锻性的因素有哪些？举例说明。

手工电弧焊、电源接法，焊条及选用，焊接接头及其组织、性能。预习生产中热轧低碳钢板，有时因含碳量偏低强度不够，为提高强度，采用热轧后吹风甚至喷雾冷却，试解释其原因。答：增加热轧钢板的冷却速度，提高了过冷度，从而提高了形核率，使冷却后热轧低碳钢钢板的组织为F+S或F+T，晶粒变小，因此提高了热轧低碳钢钢板的强度值。

为什么比较重要的大截面的结构零件必须用合金钢制造？与碳钢比较，合金钢有何优点？答：碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，要求内外性能均匀，就不能采用碳钢制作，(1)合金钢的淬透性高(2)合金钢回火抗力高(3)合金钢能满足一些特殊性能的要求，如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）。某型号的柴油机凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度（>50HRC），而心部具有良好韧性，原来采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢已用完，只剩15钢，拟用15钢代替。试说明：(1)原45钢各热处理工序的作用(2)改用15钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？(3)改用15钢后，为达到所需要的性能，在心部强度足够的前提下，应采用何种工艺。答：（1）45钢调质，获良好的综合性能 表面淬火+低温回火，使表面获较高的硬度和耐磨性（2）改用15钢后仍按原工艺，不能满足性能要求。因15钢含C量低，调质后综合性能远不及45钢，特别是强度和硬度（3）改用15钢后，应采用渗碳工艺，渗碳后淬火+低温回火处理，心部保持足够的强韧性，表面具有较高的硬度。要制造车刀、锉刀、弹簧、滚动轴承、机床床身等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料并叙述所选材料的名称、成分、热处理工艺和零件制成后的最终组织。

T1265MnHT200W18Cr4VGCr15

答：车刀：W18Cr4V高速钢；W%