第八章 金属材料件塑性成形.ppt

1、第一节 金属材料件塑性成形原理,一、金属塑性成形原理 （一）金属的塑性变形 1.金属的塑性变形的分类, 弹性变形： 材料在外力作用下会产生变形；当外力消失后，所产 生的应力和变形也消失的变形，称为弹性变形。, 塑性变形 当外载荷在材料内部所产生的内应力超过了材料的 屈服强度以后，即使去掉外载荷，变形也不能完全消失 的变形称为塑性变形。,2. 金属的塑性变形 在金属塑性变形过程中，金属的晶粒内部产生了滑移，晶粒间也产生了滑移并转动（多晶体的晶间变形）。,（1） 单晶体金属刚性滑移 （2）多晶体金属位错运动,（二）冷变形对金属组织和性能的影响 1.产生冷变形强化现象,冷变形时，随着变形程度的增加，

2、产生金属的强度、硬度升高，塑性、冲击韧性下降的现象。,2.产生残余应力,加工硬化对金属组织性能的影响：,常在冷轧、冷拉等一些变形程度较大的冷变形工序中，穿插再结晶退火工序，以消除加工硬化。,如冷拉钢丝，冷卷弹簧，坦克和拖拉机履带，破碎机的颚板，发电机的护环等零件的制造均利用了加工硬化效应来提高零件的性能。,随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减小，但金属组织还没有显著变化的现象。 T回=（0.250.3）T熔（ K）,T回-金属的绝对回复温度, K T熔-金属的绝对熔化温度, K,经冷拉的钢丝卷成弹簧后的低温回火（加热到250300）,青铜丝弹簧加工后的回火处理(加热到1201

3、25),（三）冷变形金属在加热时组织和性能的变化 1. 低温加热,随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或杂质为核心形成新的晶粒，从而消除了加工硬化的现象。 T再=0.4T熔（ K）,T再-金属的绝对再结晶温度, K,金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100200。,3冷变形、热变形和温热变形,在再结晶温度以下的变形。 对金属冷变形将产生加工硬化现象。, 冷变形时金属的塑性低，变形抗力大； 热压力加工能一次成形的，采用冷压力加工就可能要加压 多次，在中间还需进行多次再结晶退火；设备也要求刚性 好， 吨位大； 冷变形后的产品精度高，表面光洁，常用于已热变形过的 坯料的再加工，如冷

4、轧、冷冲压、冷镦及冷拉等。,指在再结晶温度以上的变形。 在热变形中既产生加工硬化，又有再结晶现象，最终结果是加工硬化现象被再结晶所消除。,2）热变形,3）温热变形,介于冷变形和热变形之间的塑性变形。,温热变形中既有加工硬化，又有回复或再结晶现象；用温热变形得到的工件，其强度和尺寸精度比热变形高，而变形抗力比冷变形低。如温热挤压、半热锻等。 说明：铅、锡在室温下的加工属于热变形；钨的再结晶温度为1210，即使在1000的高温下进行的加工也属于冷变形。,（1）消除铸态组织 金属经过塑性变形及再结晶，粗大的铸造组织变成了细小的再结晶组织，钢锭中的气孔、缩松等缺陷压合在一起，使金属更致密。 （2）破碎

5、并改善碳化物、非金属夹杂物的分布,（四）热变形对金属组织和性能的影响 1.热变形对金属组织的影响,（3）形成纤维组织 钢锭中分布在晶界上的杂质，在金属变形时，塑性杂质（如FeS等）沿晶粒变形方向伸长，呈带状分布；而脆性杂质（如氧化物等）则被击碎，呈链状分布。再结晶时，晶粒的形状改变，而杂质依然沿被拉长的方向（呈流线状）保留下来，形成纤维组织。,金属的变形程度越大，纤维组织越明显。变形程度用锻造比Y锻来表示。,拔长时的锻造比：,镦粗时的锻造比：,H0、F0-坯料变形前的高度和横截面积 H、F-坯料变形后的高度和横截面积,当锻造比为25时，纤维组织愈来愈明显，金属呈现各向异性。,2.热变形对金属性

6、能的影响, 热变形时金属的塑性良好，变形抗力也小，能获得具有 较高力学性能的再结晶组织； 变形抗力小，消耗较小的功可得到较大的变形； 能改善金属的组织，提高其力学性能；,3.纤维组织的特点及利用： 锻件在纵向（平行于纤维方向）上的塑性和韧性增加。而在横向（垂直于纤维方向）上的塑性、韧性降低，金属的力学性能呈现各向异性。 纤维组织很稳定，只有用锻压的方法才能改变纤维组织的方向和形状。在设计和制造零件时： （1）应使零件工作时的最大正应力方向与纤维方向重合，最大剪应力方向与纤维方向垂直， （2 ）并使纤维能与零件轮廓相符合而不被切断。,二、 常用金属的锻造性能,是衡量金属材料在压力加工中成形难易程

7、度的工艺性能指标，包括金属的塑性和变形抗力两个指标。, 金属的塑性： 断面收缩率 、延伸率 变形抗力： 塑性变形时金属反作用于工具上的力。,1.影响金属的锻造性能的因素：,（1）金属的本质, 金属的化学成分： 纯金属的可锻性比合金好，低碳钢的可锻性又比高碳 钢好；钢中含有形成碳化物的元素（如钨、钼、钒等）， 则可锻性明显下降。 合金的组织： 固溶体（如奥氏体）的可锻性好，碳化物（如渗碳体） 则不能锻。 晶界强度： 晶界上存在低熔点、低强度、高脆性的物质，将使塑 性大为降低。 晶粒大小： 晶粒越细，金属的总变形量可增大，塑性也越好，但 变形抗力会增加；铸造组织的可锻性较差。,（2）变形温度 适当

8、提高变形温度，可增大材料的塑性，降低变形抗力； 但温度过高，会产生“过热”和“过烧”，材料塑性显著下降，易脆裂。,变形速度是指单位时间内的变形程度。 随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服硬化现象， 金属的塑性下降，变形抗力增加； 随着变形的进一步增加，金属的温升（热效应）使可锻性得 到改善，变形速度越大越明显。,（3）变形速度,（4）应力状态,应力状态对各种压力加工方法的影响, 拉应力的数目越多，塑性越差，压应力的数目越多，塑性 越好。 同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗 力。, 金属在挤压、模锻时三向受压，表现出较高的塑性和较大的 变形抗力，且三向压应力相差越小，变形

9、抗力越大；适合于 塑性较低的金属的压力加工； 金属在拉拔时两向受压，一向受拉，表现出较低的塑性和较 小的变形抗力；适合于塑性高的金属的压力加工；,三、金属的加热,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。 氧化 在高温下，钢的表面与炉气中的氧化性气体（如O2、 CO2、H2O及SO2等）反应，生成氧化皮，造成金属的烧损和 增加压力加工设备的磨损。,1金属加热的目的 2钢加热时产生的缺陷,钢的表面层的碳元素被烧损，含碳量降低的现象。 脱碳的影响及防止： 脱碳使零件表面的机械性能降低，因而脱碳层深度不能大 于加工余量；加热温度越高，时间越长，脱碳层

10、就会越深。, 过热 当钢的加热超过某一温度，且在此温度下停留时间过长，钢的晶粒迅速增大，形成粗大晶粒的现象。 过热的影响及防止 a. 过热使材料的晶粒粗大，力学性能下降； b.过热的钢件可以通过多次锻造及热处理方法来消除，但对 于不产生相变重结晶的钢种（如1Cr18Ni9Ti），不能用热处 理来细化晶粒，消除过热。, 脱碳,钢被加热到接近熔点时，炉气中的氧化性气体渗入到晶界，使晶界的物质氧化，形成易熔的共晶氧化物，严重地破坏了晶粒之间的联接，锻造时易造成崩碎的现象。 过烧的影响 发生过烧的钢件只能报废回炉重新冶炼,热应力： 钢锭或钢材在加热时，因表面的温度高于中心的温度，这一温差使得表面的热膨

11、胀大于心部的热膨胀，在中心产生三向拉应力，这种由温差引起的应力称为热应力。,内部裂纹：,钢锭或钢材在加热时，由于产生的热应力与坯料中的残余应力叠加，超过了钢的强度极限而产生的裂纹。 钢的导热性差（如高合金钢），坯料断面尺寸大，加热速度快，则表里温差大，热应力也大。,3锻造温度范围, 始锻温度 终锻温度,锻件开始锻造的温度。 在不产生过烧现象的情况下，始锻温度可高一些；始锻温度随含碳量的增加而降低。 锻件停止锻造的温度。 在保证锻件有足够的塑性和锻后获得再结晶组织的前提下，应降低终锻温度。, 锻造温度范围,指始锻温度与终锻温度之间的一段温度范围。 锻造温度范围应尽可能宽一些。 高碳钢及合金钢的锻

12、造温度范围较窄，有色金属及其合金的就更窄。,4加热速度,加热速度一般采用单位时间内钢料表面的温度变化来 表示（/h）。 加热速度的影响因素：钢的化学成分、炉温、装炉方式、 钢坯尺寸大小等。 适当提高炉温，增大加热速度对热压力加工有利，但要防 止加热过快导致热应力增大，产生裂纹。 对塑性差，导热性差的材料和大尺寸的钢锭，常采用分段 加热法（先慢后快）。,在适宜的变形温度和变形速度条件下，具有超细晶粒的 某些金属与合金，能获得特别大而均匀的塑性变形的现象。 超细的等轴晶粒 特定的等温变形 超塑性变形温度一般为(0.50.7)T熔左右。 极低的变形速度 超塑性变形速度一般在10-110-5之间,2常

13、用于超塑性成形的材料：,3超塑性变形的特点, 没有加工硬化，变形抗力很低 材料塑性大为提高 工件内部为均匀的细晶组织，机械性能好，没有各向异性 加工精度高,4超塑性变形的应用,超塑性成形已用于板料深冲、模锻和挤压等工艺上。,第二节 锻压成形,对坯料施加一定的外力, 利用金属的塑性变形以制造机械零件或毛坯制件，同时提高或改善制件力学或物理性能的一类成形加工方法,叫塑性成形工艺或压力加工工艺，简称锻压。, 经塑性成形工艺制得的毛坯和零件,具有良好的组织性能和机 械性能。 冲压件则具有强度高、刚度大，以及结构轻、生产率高、尺 寸精度和表面质量较高等优点。 与铸造成形工艺相比，锻件复杂程度不如铸件。,

14、锻压成形工艺特点：,负载大，工作条件恶劣的关键零件，如汽轮发电机组的转子、主轴、叶轮和护环，大量生产的汽车、拖拉机中的曲轴、连杆、齿轮和转向节，大型水压机的立柱、高压缸和冷、热轧辊等，都是锻压加工而成的。各种刀具、模具、家具、手工工具、紧固件和轴承环等也大都采用锻压加工。 先进工业国家模锻件占锻件总产量的比例已达70%-80%。,锻造是在一定的温度条件下,用工具或模具对坯料施加外力,使其金属发生塑性流动,从而使坯料发生体积的转移和形状的变化,获得所需锻件的一种成形方法。 基本特点： 锻造是利用金属的塑性流动来成形的，在成形过程中不仅坯料的质量不变（不计烧损及切头等损失），而且体积也不变；只是发

15、生体积转移、形状改变，材料内部组织、性能改变。 锻造属于二次塑性成形，变形方式为体积成形。 分类： 按所用工具及模具安置情况不同，可分为以下几类：,锻造工艺:,一、自由锻,自由锻是在锻锤或压力机上,使用简单或通用的工具使 坯料变形, 获得所需几何形状和内部质量的锻件的成形方法。 分类： 手工锻造 锤上自由锻造 液压机上自由锻造 锤上自由锻造适用于生产中、小型自由锻件，液压机 上的锻造适用于生产大型自由锻件。,特点：, 所用设备和工具通用性大，成本低。 大、小锻件均适用，特别适用于大型锻件的生产。 只能锻形状简单的锻件。 适合小批、单件生产。,4模锻工艺及锻件图绘制,1）模锻工艺分析 模锻工艺方

16、法与锻 件外形紧密相关。形状 相似的锻件。其模锻工 艺及锻模结构基本相 同。 A 锻件类型 长轴类锻件。 短轴类（圆饼类）。 顶镦类及复合类型锻件。,B 工艺分析, 长轴类锻件 模锻时毛坯轴线方向（长度方向）与锻击方向垂直， 金属主要沿高度方向流动，沿长度方 向流动很少，往往 需制坯。 锻造工艺过程为： 制坯（如拔长、滚压、弯曲、成形） 预锻终 锻。 短轴类锻件 模锻时坯料轴线方向与打击方向相同，金属沿高度、 宽度和长度方向同时流动。 工艺过程： 制坯（镦粗、压扁） 终锻。, 顶镦类锻件,采用顶镦工艺实现锻件成形。分为热顶镦和冷顶镦。 工艺过程：聚料预成形终成形。,根据锻件的形状特点选用前三类

17、锻件所需工步和设计方法进行。, 复杂类锻件,2）锻件图的绘制, 确定分模位置（分模面）（上下模分界面） 保证锻件形状尽可能与零件相同、容易脱模。故锻件 的分模位置应选择在具有最大水平投影尺寸的位置上。 使锻模结构简单；防止上下模错移；便于锻模制造；便 于金属充满型腔；考虑锻件在工作中的承力情况。, 确定敷料(余块)、加工余量和锻件公差 模锻斜度和园角 确定冲孔连皮 锻件在模锻时不能锻出 透孔,只能锻出盲孔,即中间有 一层金属,称为冲孔连皮。,三、胎模锻,胎模锻是在自由锻造设备上使用可移动的锻模(胎模) 生产模锻件的一种工艺方法。 工艺过程及特点 1）工艺过程: 设计锻件图 制订锻造工艺 设计胎

18、模和选择设备等 胎模锻一般工艺采用： 自由锻制坯胎模中终锻成形。,2） 特点, 锻件较自由锻件复杂,尺寸精度更高,机加工余量较少,材料利 用率高。 生产率高15倍 机械性能更好(胎模内应力状态较好), 工艺灵活 模具结构更简单 设备简单,经济。 更换模快,生产周期缩短,成本降低。,2胎模锻对模具的要求, 能获得优质锻件。 保证强度的前提下,胎模重量尽量减轻。 合理选用模具材料,便于制模简单,降低模具成本。 操作方便,生产效率高。,1) 常用胎模的结构与用途 2) 胎模锻对模具的要求,胎模锻的应用实例, 变速杆锻件胎模锻工艺过程： 填料盖锻件胎模锻工艺过程：,四、精密锻造（特种锻造） 1粉末锻造

19、 1）原理,粉末锻造是粉末冶金成形方法和锻造相结合的一种金属加工方法。它是将粉末预压成形后，在充满保护气体的炉子中烧结制坯，再将坯料加热至锻造温度后模锻而成。,2）特点, 材料利用率高。 机械性能好。 锻件公差小,表面质量高,可实现少、无切削加工。 生产率高。 锻造压力小。 可以加工热塑性差的材料。,3）应用,主要用于锻造差速器齿轮、连杆、衬套等零件。,2液态模锻 1）原理,液态模锻是将一定量的液态金属浇入金属下模内，用金属上模加压，使液态金属充满型腔并在压力下结晶、凝固和产生塑性变形，从而获得组织致密、性能优良的锻件。,2）特点, 锻件性能良好。 锻件精度高，表面质量好。 材料利用率高。 锻

20、造压力小。 可以加工脆性材料。,液态模锻适用于批量大、形状复杂、壁厚大而要求强度 高、致密性好的中小型零件的锻造。,3）应用,五、锻件结构工艺性,1自由锻锻结构要尽量简。 2.避免斜面、锥面结构。 3.避免空间相贯线为曲线。 4.避免凸台、加强筋结构。 5.复杂件、超长件可采用组 合结构。,第三节 板料冲压成形,利用装在冲床上的设备(冲模)使板料产生分离或变形的一种塑性成形方法。它主要用于加工板料(10mm以下，包括金属及非金属板料)类零件,故称为板料冲压。 冲压加工要求被加工材料具有较高的塑性和韧性，较低的屈强比，一般要求碳素钢伸长率16%、屈强比s/b70%，低合金高强度钢14%、 s/b

21、 80%。否则，冲压成形性能较差，工艺上必须采取一定的措施，从而提高了零件的制造成本。,A 分类,按照冲压时的温度情况有冷冲压和热冲压两种方式。这 取决于材料的强度、塑性、厚度、变形程度以及设备能力等，同时应考虑材料的原始热处理状态和最终使用条件。 冷冲压： 金属在常温下的加工，一般适用于厚度小于4mm的坯料。 优点：不需加热、无氧化皮，表面质量好，操作方便，费 用较低； 缺点：有加工硬化现象，严重时使金属失去进一步变形能力。冷冲压要求坯料的厚度均匀且波动范围小，表面光洁、无斑、无划伤等。 热冲压： 将金属加热到一定的温度范围的冲压加工方法。优点为 可消除内应力，避免加工硬化，增加材料的塑性，

22、降低变形 抗力，减少设备的动力消耗。,B 特点, 生产率高(靠模具设备成形，操作简便，易实现“两化”)； 可成形复杂形状的制件,而且废料少，材料利用率高； 制件尺寸精度高、表面质量好、互换性好,不需机加工； 制件强度高、刚性好、重量轻； 加工成本低； 采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理， 加工更为方便，可以用较简单的工艺制造出更复杂的结构件。,C 应用,冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件，又能够制造精密(公差在微米级)和复杂形状的零件。占全世界钢产量60%70%以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。冲压在汽车、

23、机械、家用电器、日常用品、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中，都有广泛的应用。,D 冲压设备,（一） 冲压基本工序及工艺过程,1冲压基本工序 分离工序： 将冲压件与板料按要求的轮廓线分离的工序,如剪切、落 料、冲孔。落料和冲孔总称为冲裁。, 变形工序： 材料只发 生位移,不破坏 (不分离) 的工 序。 如弯曲、 拉深等工序。,1）冲裁工序工艺分析,A 冲裁变形的特点及应力分析 弹性变形阶段 塑性变形阶段 断裂阶段,B 冲裁件的质量及其影响因素,a) 冲裁件的质量： 蹋角带 光亮带：表面光滑,断面质量最好。 剪裂带：表面粗糙,略带斜度。 毛刺：微裂纹出现时产生,冲头继续下行时被拉长。, 被冲材料

24、 凸、凹模间隙 此外，还与材料厚度、刃口锋利程度、模具结构 等因素有关，其中的影响尤为严重。,b) 影响因素,2) 弯曲变形工序工艺分析,将坯料或冲裁后的坯料通过压力弯成一定的角度()、一定的曲率(r)。形成一定形状零件的冲压工序。,A 变形特点及应力分析 弯曲时毛坯上曲率发生变化的部分是变形区，即在弯曲 角以内变形。 靠近曲率中心一侧(内层)：切向受压应力，产生压缩变形； 远离曲率中心一侧(外层)：切向受拉应力，产生伸长变形。 中性层不变(切向应力为0)。,B 弯曲时容易出现的问题, 裂纹: 拉b时产生。故变形程度不能过大，min=(0.251)t ( t 料厚) 纤维性: 弯曲线与材料的纤

25、维线垂直时,允许的min较小；若弯曲 线与纤维线平行(重合)时,则易开裂。 回弹(弹复): 当外力去除后,毛坯的塑性变形保留下来,而弹性变形完全 消失,使其形状和尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化。 这种现象称为回弹。 回弹大小与弯曲半径R、料厚t、材料等因素有关。回弹角一般都在010。 克服: 反变形法,模具角度设计应比所需制件角度小一点(小几度 左右)。,3）拉深(拉延)变形工序工艺分析,将平板材料通过塑性变形而制成的中空筒形零件的冲压工艺。,A 拉深变形过程及应力分析,a) 拉深工艺特点： 凸模与凹模和冲裁时不同,转角处为园角，且Zt(料厚)。 一般Z=(1.11.2)t。 b) 应力

26、及变形分析 直壁部分（高度为）：变形区； 底部（直径为）：不变形区。 直壁部分应力状态：切向受压,径向受拉。,c) 拉深时容易出现的问题, 起皱、失稳 防止：加压边圈(控制变形程度)。 拉裂 在直壁底部（凸模传力处，变形程度大）易拉裂。 防止：控制变形程度。计算拉深系数 m= mmin , 否则采用多次拉深。 dn 拉深后筒形直径 dn-1 拉深前筒形（毛坯）直径,4）翻边变形工序工艺分析,翻边是将零件的孔边缘或外边缘在模具作用下，翻成竖立边缘的一种冲压工艺方法。,A 翻边工艺的特点 可加工形状复杂且具有良好刚度和合理空间形状的零件。 可代替无底拉深件和拉深后切底工序，减少工序和模具, 提高了

27、生产率降低了成本、节省了原材料。 可代替某些复杂零件形状的拉深工作。故翻边特别适用于 小批量试制性生产。 B 应用 翻边工序广泛应用于汽车、拖拉机、车辆制造等部门的机器零件中。,冲压工艺过程 1）冲压工艺过程,剪切(条料) 落料(按所需形状及尺寸展开) 成形 (一次或多次)。 冲压工艺过程应根据冲压件的形状特点、尺寸大小、精 度要求、材料性能、生产批量、模具结构及数量等因素确定。 2）典型零件的冲压工艺过程： 黄铜弹壳的冲压过程, 盘类零件的冲压过程。,二、精密冲裁 原理,精密冲裁是指通过一次冲压行程即可获得低表面粗糙度和高精度的冲裁零件的工艺方法。精密冲裁是利用小间隙的凸、凹模获得纯塑性剪切

28、变形，避免出现撕裂现象的原理，从而获得既不带锥度又表面光洁的冲裁件。, 一般冲裁：精度为IT10IT11，Ra：12.53.2； 精密冲裁：IT8IT9，Ra：3.20.20。,特点 材料分离形式：纯塑性剪切变形。 断面质量：全是光亮带。 间隙及刀口形式：精冲凸、凹模间隙要比普通冲模小的多；凸、凹模的刃口也不一定做成很锋利，而有时须做成圆弧及 圆角形式。 毛刺：毛刺是在板料分离将要结束时形成的,形成后不再变 形(不再被拉长)。 精冲的工件极限尺寸较小,可冲裁宽度或孔径小于料厚的0.5 0.7mm 的工件。 对原材料要求须有良好的塑性。 使用模具设备比普通冲裁复杂,使用自动及精冲专用设备； 或在

29、普通冲床上使用精冲模。 成本低。对同一精度冲裁件精冲提高了效率(普通冲裁需加 整修工序)、节约工时、降低成本。,应用,目前广泛用于一些精密的电子仪器、仪表、钟表及照相机零件的生产。,三、冲压件结构工艺性,冲裁件的结构工艺性（普通冲裁）, 冲裁件的形状 冲裁件的形状应尽量简单，对称规则,应该避免冲裁件上 的过长的悬臂与狭槽,而且它们的宽度要大于料厚的倍，即 2t 。, 园角半径,冲裁件的外形及内孔转角应设计园角过度,一般R0.5t； 园角半径过小,模具制造困难且降低模具寿命。 冲孔孔径 冲孔尺寸不能过小,孔与孔的间距或孔与零件边缘之间 的距离a，不能过小。一般，但34mm。, 冲裁件的精度及表面质量 冲裁件的精度一般在IT10IT13级；断面质量较粗 糙,一般为Ra12.5m,若要求较高,应采用精冲工艺。,弯曲件的结构工艺性, 弯曲半径 不宜过大或过小,min；但r 也不易过大。, 弯曲件的形状与尺寸 弯曲件的形状及尺寸应尽可能对称,左右弯曲半径应一致。 应该使R1=R2 ， r1=