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1、第九章 金属压力加工,第九章 金属压力加工,第一节 概述,一、压力成型加工的基本知识 金属材料在外力作用下产生塑性变形，使其形状、尺寸、性能得以改变的过程，叫压力成型加工。 1.压力成型加工的基本方式 (1)锻压。它是在加压设备及工(模)具的作用下,使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形,以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻压成型的加工方法,锻造包括自由锻造和模型锻造。 (2)板料冲压。利用冲裁力或静压力,使金属板料在冲模之间受压产生分离或成形而获得所需产品的加工方法。 (3)挤压。利用强大的压力,使金属坯料从挤压模的模孔内挤出并获得所需产品的加工方法。挤压的产品有各种形状复杂的型材。 (4)轧制
2、。利用轧制力,使金属在回转轧辊的间隙中受压变形而获得所需产品的加工方法。轧制生产所用原材料主要是钢锭和连铸坯,轧制产品有线材、板材和型材等。 (5)拉拔。利用拉力,使金属坯料从拉模孔拉出,并获得所需产品的加工方法。拉拔产品有线材、薄壁管和特殊几何形状的型材。,第一节 概述,一、压力成型加工的基本知识 2.压力成型加工的特点 (1)纤维组织 压力加工所用的金属坯料是钢锭。钢锭在受到压力作用变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都产生了变形，沿着变形方向被拉长呈纤维状，这种结构称为纤维组织。图9-1表示出了铸造、锻压、机械加工三种金属加工方法所得到的零件低倍宏观流线。纤维组织的存在，使金
3、属材料的力学性能出现了各向异性，金属在纤维方向上的力学性能优于其横向性能，如表9-1所示45号钢力学性能与纤维方向的关系。,铸件 锻件 切削加工件 图10-1 三种金属加工方法所得到的零件低倍宏观流线,第一节 概述,一、压力成型加工的基本知识 2.压力成型加工的特点 (2)压力成型加工与其他加工方法比较，具有下列特点： 提高了金属综合力学性能 具有较高的生产效率 可以节省金属材料 压力成型加工的适应强 局限性,第一节 概述,二、金属的塑性变形 塑性是金属的重要特性。利用金属的塑性可加工各种制品。锻造、轧制、挤压、冲压、拉拨等成形加工工艺都是金属发生大量塑性变形的过程。塑性变形不仅可以使金属获得
4、一定的形状和尺寸，而且还会引起金属内部组织改变，力学性能也能改变。,第一节 概述,二、金属的塑性变形 1.单晶体的塑性变形过程 实验表明，晶体只有在切应力作用下才会发生塑性变形，单晶体的塑性变形过程如图9-2所示。 (1)晶体未受到外力作用时晶格内原子处于平衡状态,如图10-2a所示。 (2)当晶体受到的切应力较小时,晶格将畸变产生弹性剪切变形,如图9-2b所示。 (3)当切应力继续增大到某一临界值时,晶体的上半部沿晶面产生滑移,此时为弹一塑性变形,如图9-2c所示。 (4)晶体发生滑移后,若消除应力,晶体不能全部恢复到原始状态,而使晶体上部向右移动一个或多个原子间距（这一过程叫滑移），,这就
5、产生了塑性变形,如图9-2所示。,第一节 概述,二、金属的塑性变形 1.单晶体的塑性变形过程,a 未变形 b 弹性变形 c 弹塑性变形 d 塑性变形 图10-2 单晶体的变形过程,第一节 概述,二、金属的塑性变形 2.多晶体的塑性变形 实际使用的金属材料由不相同的许多晶粒组成，每个晶粒在塑性变形时，将受到周围位向不同的晶粒及晶界的影响与约束，即每个晶粒不是处于独立的自由变形状态。由于多晶体的晶粒各个位向不同,因此在外力的作用下,各个晶粒产生滑移变形的难易程度有很大差别，晶粒变形时既要克服晶界的阻碍，又需要其周围晶粒同时发生相适应的变形来协调配合，以保持晶粒间的结合和晶体的连续性，否则将导致晶体
6、破裂。,第一节 概述,三、变性后的组织和性能 金属塑性变形后，原子的位置和晶界形状发生变化，所以其机械性能也发生了变化。 1.加工硬化（冷作硬化） 金属在低温下进行塑性变形时,随着变形程度的增加,金属的硬度和强度升高,而塑性、韧性下降,这种现象称为金属的加工硬化。图9-3所示为低碳钢在低温变形时力学性能的变化。 产生加工硬化的原因,是认为金属在塑性变形过程中,金属晶体的晶格产生了强烈扭曲,在晶粒间产生许多细小碎晶块,导致了金属进一步滑移的阻力增大。所以加工硬化使金属塑性降低，给进一步变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大。为了使金属材料能继续变形，必须进行中间热处理来消除加工硬化现象。这就增
7、加了生产成本，降低了生产率。,第一节 概述,三、变性后的组织和性能,图9-3 左部低碳钢加工硬化程度与力学性能的关系 右部低碳钢回复、再结晶与力学性能的关系,第一节 概述,三、变性后的组织和性能 2.回复和再结晶 为了消除加工硬化，恢复材料的塑性，以便继续进行变形加工，或为了消除变形过程中产生的内应力，就要对工件进行退火处理。 回复 经塑性变形后的工件，在退火加热温度不太高时，冷变形金属的显微组织无明显的变化，只能使内应力明显降低和消除，金属的力学性能没有显著变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多，这一过程称为回复。 再结晶 当加热温度较高，塑性变形后金属被拉长的晶粒重新形核、结晶，变为等轴
8、晶粒，这一过程称为再结晶。开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。,第一节 概述,三、变性后的组织和性能 2.回复和再结晶 金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称冷变形,如冷轧、冷挤、冷冲压等。金属在冷变形的过程中,不发生再结晶,只有加工硬化的现象,所以冷变形后金属得到强化,并且获得的毛坯和零件尺寸精度、表面质量都很好:但冷变形的变形程度不宜过大,以免金属产生破裂。 金属在再结晶温度以上进行塑性变形称热变形,如热轧、热挤、锻造等。金属在热变形的过程中,既产生加工硬化,又有再结晶发生,不过加工硬化现象会随时被再结晶消除。,第二节 自由锻压成型加工,自由锻是将加热好的金属坯料，放在锻造设备的上、
9、下砧铁之间，施加冲击力或压力，使之产生塑性变形，从而获得所需几何形状锻件的一种成型加工方法。金属坯料在锻造过程中，除与上、下砧铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由流动，变形不受限制，故称自由锻。 自由锻通常可分为手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻主要是依靠人力利用简单工具对坯料进行锻打，从而改变坯料的形状和尺寸获得所需锻件。手工锻造生产率低，劳动强度大，锤击力小，是原始锻造术所使用的方法。现代工业生产使用机器锻造大大提高生产率和锻件质量。,第二节 自由锻压成型加工,一、自由锻压成型加工特点和应用范围 1.特点 (1)改善组织结构,提高力学性能。可以控制组织纤维流向。 (2)自由锻工艺灵活
10、,适用性强。锻件质量可以从1kg300t,是锻造大型锻件的唯一方法。 (3)自由锻成本低,经济性合理。其所用设备、工具通用性好,生产准备周期短,便于更换产品。 (4)自由锻件尺寸精度低。自由锻件的形状、尺寸精度取决于技术工人的水平。 (5)效率低。 2.应用范围 自由锻主要用于单件小批、形状不太复杂、尺寸精度要求不高、受力复杂的锻件及一些大型锻件毛坯的生产。如汽轮机主轴毛坯制作。,第二节 自由锻压成型加工,二、自由锻压成型加工的基本工序 根据变形要求与作用不同，自由锻的工序分为基本工序、辅助工序和精整工序三类。 1.基本工序 指改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，称为基本工序。包括镦
11、粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等工序（或工步） 2.辅助工序 为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如倒棱、压肩等工步。 3.修整工序 修整锻件的最后尺寸和形状，提高锻件表面质量，使锻件达到图纸要求的工序叫修整工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲等工步。,第二节 自由锻压成型加工,表9-2 自由锻工步简图,第二节 自由锻压成型加工,三、自由锻压成型加工工艺规程设计 自由锻造工艺规程主要包括绘制锻件图、材料的选用、坯料质量和尺寸计算、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料锻造温度范围、锻件冷却及热处理和填写工艺卡等。 1.影响金属锻压成型的因素 金属的锻造性能（可锻性
12、），指金属材料利用锻压加工方法成形时获得优质零件的难易程度，是金属材料的工艺性能指标之一。金属的锻造性能，常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。金属塑性好，变形抗力低，则锻造性能好，反之则差。影响金属的可锻性能取决于金属的本质和变形条件。,第二节 自由锻压成型加工,1.影响金属锻压成型的因素 (1)金属的本质 金属的化学成分的影响 不同的纯金属和不同化学成分合金，其塑性不同，锻造性能也不同。 纯金属的锻造性能比其合金的锻造性能好。但纯金属的化学性能不稳定，工程上极少使用。 不同化学成分的合金，其塑性差异很大。含碳量和合金元素含量越多，锻造性能越差。 金属的组织状态 金属的组织结构不同，其锻造
13、性能也不同。单一固溶体比金属化合物的塑性高,变形抗小,可锻性好；奥氏体比铁素体的可锻性好；铁素体的可锻性远远高于渗碳体，因此渗碳体不宜锻压加工；面心立方结构和体心立方结构的金属比密排六方结构的金属塑性好。,第二节 自由锻压成型加工,(2)金属的变形条件 变形温度 随着温度的升高，原子间结合力削弱, 有利于金属滑移变形,金属的可锻性得到改善。所以加热是锻压生产中很重要的变形条件。但温度过高金属出现过热、过烧时，塑性反而显著下降。对于加热温度，需根据金属的材质不同，要控制在一定范围。 变形速度 变形速度是指金属在内单位时间内的变形量。变形速度大，会使金属的塑性下降，变形抗力增大。但变形速度很大时，
14、由于热效应，会使变形金属的温度升高而提高塑性、降低变形抗力。 变形时的应力状态 在压力成型过程中，材料在三个压应力状态下变形，金属呈现出很高的塑性,因为压应力有助于恢复晶界联系,压合金属内部的孔洞等缺陷,可阻碍裂缝形成和扩展。但同时也增加了变形抗力。所以锻压加工时需要大吨位的设备。,第二节 自由锻压成型加工,1一变形抗力曲线 2塑性变化曲线 图9-4 变形速度对金属可锻性的影响,图9-5不同变形方式金属的应力状态,第二节 自由锻压成型加工,2.锻件图及锻件坯料质量的确定 (1)锻件图 锻件图是制定锻造工艺规程重要内容，是在零件图的基础上,考虑自由锻造工艺特点而绘制成的,是锻造生产和检验的依据。
15、典型锻件图如图9-6所示。,a)锻件的余量和余块 b)锻件图 1余块 2余量 图9-6 阶梯轴锻件图,第二节 自由锻压成型加工,2.锻件图及锻件坯料质量的确定 (1)锻件图 余量：给零件切削加工预留的金属层。根据锻件尺寸、锻件精度由锻压手册查取或经验确定。 锻件公差：锻件尺寸的允许变动量。根据锻件尺寸、锻件精度、形状、和生产条件，由锻压手册查取或经验确定。 余块：为简化锻件形状而对难以锻造的部位增加那部分金属（如凹槽、台阶、小孔、斜面、锥面部位等），叫余块。 锻件余量和公差的确定，一般到锻压工艺手册查取；有时也采用经验值。 台阶轴类锻件加工余量与锻造公差见表9-3,第二节 自由锻压成型加工,2
16、.锻件图及锻件坯料质量的确定 (2)锻件坯料质量和尺寸的确定 坯料质量的确定 m坯=m锻件+ m烧损+m芯+m切 式中 m坯坯料质量(kg); m锻件锻件质量,等于锻件体积与金属密度之积(kg); m烧损加热时坯料氧化烧损的质量(kg),对于普通钢材 第一次加热取被加热金属的2%3%,第二次以后,每次加 热烧损量取1.5%2.0%; m芯冲孔芯料的质量(kg);实心冲子冲孔时,m芯 =(1.181.57)d2H(kg),其中d为冲孔直径(dm),H为冲孔坯 料高度(dm); m切锻造时切去料头的质量(kg)。,第二节 自由锻压成型加工,2.锻件图及锻件坯料质量的确定 (2)锻件坯料质量和尺寸的确定 坯料尺寸的确定 确定坯料尺寸时，先根据计算出的皮料质量算出皮料的体积，然后考虑锻造比和采取的变形方式等因素确定皮料截面形状和尺寸，最后计算出坯料的长
