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1、第六章 金属塑性成形概述一、金属塑性成形的实质及方式1、概念在外力作用下使金属产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。各类钢和大多数有色金属及其合金都具有一定塑性，可以在热态或冷态下进行塑性成形。2、主要方式轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压（1）轧制使金属坯料通过两个旋转轧辊之间的间隙而产生塑性变形，生产各种型材、管材、板材等（2）挤压使金属坯料从挤压模孔挤出而成型位各种型材、管材、 零件等挤压的方法有：a）正挤压b）反挤压c）复合挤压d）径向挤压（3）锻造将金属坯料置于上下砧或锻模内，用冲击力或压力使金属成型为各种型材和锻件等锻造的种类有：a）自由锻b）模锻c）
2、胎模锻（4）冲压利用冲模将金属板料切离或变形为各种冲压件锻造及冲压示意图（5）拉拔将金属坯料从拉模的模孔中拉出而成型为各种线材、薄壁管材、特殊截面型材等二、金属压力的特点及应用1、特点与铸造相比（1）优点 a）力学性能高内部缺陷被压合晶粒显著细化)生产率高（2）缺点a)形状不能太复杂b)坯料塑性要好2、应用汽车、拖拉机、宇航、军工、电器、桥梁、建筑等第一节 金属的塑性变形一、金属塑性成型的实质塑性：金属在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。金属变形过程：a）金属材料在外力作用下发生弹性变形b）当外力超过一定值后产生塑性变形c）外力继续加大，发生断裂金属塑性变形的实质：a）晶粒内部滑移和孪生
3、b）晶间滑移和晶粒转动1、单晶体的塑性变形（1）单晶体滑移晶体的一部分相对另一部分沿一定晶面（滑移面）和这个晶面上的一定晶向（滑移方向）产生相对移动的现象。a）坯料在拉伸时受力分析：正应力晶粒弹性伸长拉断切应力晶粒扭曲滑移b）一般规律：滑移面：原子排列最紧密的面滑移方向：原子排列最紧密的方向 理论上，整体刚性滑移滑移困难 实际上，位错移动滑移容易（2）孪生晶体在外体作用下，一部分沿着一定晶面（孪生面）产生一定角度的切变。当滑移困难时(位错塞积），出现孪生变形塑性变形过程：滑移 孪生滑移孪生.二、多晶体的塑性变形工业中实际使用的金属大多是多晶体。1、多晶体的特征：a）晶体形状和大小不等b）相邻晶
4、粒的位向不同c）多晶体内存在大量晶界2、实际塑性变形：a）各个晶粒内部滑移和孪生的总和，构成整体塑性变形。b）各个晶粒间的变形，是产生内应力和开裂的原因。三、塑性变形后金属的组织和性能1、加工硬化金属经过塑性变形后，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降的现象a）晶格扭曲b）晶粒破碎2、回复随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲被消除，内应力明显下降的现象。a）晶格扭曲消除b）内应力明显下降回复只能部分消除加工硬化3、再结晶温度上升到金属熔化温度的0.4-0.5倍时，开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，加工硬化完全消除。（1）再结晶过程a）原子热振动加剧b）以某些质点为核心重结晶c）加工硬化
5、全部消除（2）再结晶温度，是金属经大量塑性变形后开始再结晶的最低温度。T再 =（0.4-0.5）T 熔（3）影响再结晶后晶粒大小的因素：a）变形程度很小时不发生再结晶2-8%晶粒特别粗大临界变形程度大于临界变形程度，随变形程度增加，晶粒显著细化b）再结晶后状态金属在高温下停留，晶粒长大，力学性能变差四、冷变形和热变形1、冷变形变形温度低于再结晶温度（1）生产方法：冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等（2）特点：a）位错密度上升显著加工硬化强度、硬度上升韧、塑性下降b）尺寸精度高、表面质量好2、热变形变形温度高于再结晶温度（1）生产方式：热锻、热轧、热挤压（2）坯料原始组织特征：晶粒粗大、组织不均匀、有
6、气孔、缩松、微裂纹、非金属夹杂物等缺陷（3）热变形后的组织特征：a）加工硬化和再结晶同时发生b）冶金缺陷得到改善或消除c）最终得到细小的等轴晶d）组织致密，力学性能显著提高五、锻造流线及其合理分布1、锻造流线（1）铸锭经塑性变形后的显微特征：具有锻造流线a）脆性杂质，被打碎并顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布b）塑性杂质，随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布c）晶粒，显著地沿同一方向被拉长（2）性能特点：具有各向异性a）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加b）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低但抗剪切能力显著增强2、合理分布（ 1）零件最大拉应力方向应与锻造流线平行（ 2）零件最大剪切应力
7、方向应与锻造流线垂直（ 3）零件外形轮廓应与锻造流向的分布相符合而不被切断六、金属的可锻性可锻性是金属经受塑性成型的难易程度，塑性（、）好、变形抗力（ b、 s）小，金属的可锻性就好1、金属的本质（ 1）化学成分a）纯金属比合金的可锻性好 b）含合金元素少的合金比多的好（2）组织a）单相组织（纯金属或固溶体）比多相好b）钢中碳化物呈弥散分布比网状分布好c）晶粒细化组织比粗大好2、变形条件（ 1）加热温度a）滑移力减小b）再结晶过程加速c）多相状态向单相转变因此，加热温度高，可锻性好但是，温度过高，会引起过烧或过热。过烧会破坏晶粒间的连接，过热会使晶粒过分长大始锻温度：锻造温度的上限终锻温度：锻
8、造温度的下限碳素钢的锻造温度范围1150/1250-800/850度（2）变形速度金属材料在单位时间内的变形程度a）变形速度不大时，回复和再结晶来不及消除加工硬化，可锻性下降b）变形速度大于一定值后，由于塑性变形的热效应使材料温度升高，回复和再结晶充分，可锻性提高3）应力状态（1）挤压时，金属呈三向压应力（2）拉拔时，变形材料呈两向压应力和一向拉应力理论和实践表明：a）压应力越多，材料的塑性越好b）拉应力越多，塑性越差第二节 锻造工艺按使用设备不同，锻造工艺分为：a）自由锻b）模锻c）胎模锻一、自由锻1、自由锻的特点（1）坯料变形时，只有部分表面受到限制，其余可自由流动；（2）所用设备及工具简
9、单，适应性强，锻件重量不受限制； （3）由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的精度低，生产率低；（4）适用于单件小批生产，也是大型锻件的唯一锻造方法。2、自由锻的方法（1）手工锻造（2）机器锻造a）锻锤自由锻利用冲击力使坯料产生塑性变形常用设备有：空气锤，锻件重量范围是50-1000公斤；蒸汽-空气锤，锻件重量范围是20-1500公斤。b）液压机自由锻利用静压力使坯料变形常用设备是水压机，适用于大型锻件。3、自由锻的工序（1）基本工序用来改变坯料的形状和尺寸的工序，主要包括：镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移等。（2）辅助工序为了完成基本工序而进行的预先变形工序，主要包括：压钳
10、把、倒棱、压痕等。（3）修整工序用来减少锻件表面缺陷的工序，主要包括：校正、滚圆、平整等。4、自由锻工艺规程的制订工艺：将原材料或半成品加工成产品的工作、方法、技术等。规程：将某种政策、制度等所做的分章分条的规定。（1）锻件图的绘制在零件图的基础上，考虑加工余量、锻造公差、余块等因素后绘制的工艺图。a）加工余量锻件表面留有供机械加工的金属层，5-20mm。 b）锻造公差锻件尺寸相对于公称尺寸所允许的变动量。c）余块为便于锻造而增加的那一部分金属。如较小孔、槽等。（2）确定坯料的重量和尺寸1）坯料重量计算m坯 =m锻件 +m损m损 =m烧 +m芯 +m切其中： m烧 火耗损失m芯 冲孔冲掉的芯料
11、m切 修切端部的损失2）坯料尺寸、锻造比锻造比：锻件在锻造成形时的变形程度。锻造比过小，达不到性能要求，过大则增大工作量，引起各向异性。只有锻造比选择合适时，则毛坯内部缺陷被压合，树枝晶被打碎，晶粒显著细化，力学性能得到提高。a）锻造比的计算方法:拔长时，B 拔 =A0/A镦粗时，B 镦 =H0/H一般情况下，铸锭作为坯料时，锻造比不小于2.53；轧制型材作为坯料时，锻造比选择1.31.5。b）坯料尺寸：根据坯料重量和锻造比确定。（3）选择自由锻工序（4）选择锻造设备根据锻件的尺寸、形状、材料等条件来选择设备种类及其规格，既保证锻透工件、有较高的生产率，又不浪费动力，并使操作方便。（5）填写工
12、艺卡2、高合金钢锻造特点（1）高合金钢的特点a）合金含量大于10%；b）显微组织结构复杂；c）内部缺陷多；d）塑性差，锻造困难。（2）备料a）表面不许有裂纹；b）锻造前坯料要退火，以消除残余应力和均化组织。（3）坯料加热由于高合金导热性差，采取低温装炉，缓慢升温，以防止开裂。（4）锻造a）始锻温度要低，防止过烧、过热；b）终锻温度要高，防止锻裂。（5）冷却为了防止开裂，锻后要使锻件缓慢冷却，可以将锻件置于干砂或白灰中，也可以使其随炉冷却，还可以直接进行退火处理。（6）设备选择一般要求比普通碳钢的吨位要大些。二、模锻模锻是利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。按所用设备不同可分为锤上模锻、压力
13、机上模锻、平锻机上模锻和旋转压力机上模锻等。1、模锻的特点（1）优点a）锻件形状复杂，尺寸精确，表面光洁；b）加工余量小，节约材料和工时；c）锻造流线分布符合外形结构，力学性能高；d）生产效率高。（2）缺点a）模具费用高，生产周期长；b）锻件重量小，一般小于150公斤。2、锤上模锻锤上模锻一般选用116吨的蒸汽空气模锻锤。锻模制作成带燕尾的上下两半模，上下模分别用楔铁紧固在锤头和模垫上。（1）锻模结构与模膛a）锻模一般由上模和下模两部分组成，上下合拢形成内部模膛。 b）模膛按其功用不同分为制坯模膛、预锻模膛和终锻模膛。制坯模膛：对于较复杂的锻件，需预先经制坯模膛进行拔长、滚圆、弯曲切断以及镦粗
14、、击匾等。预锻模膛：使坯料接近锻件的形状和尺寸，有利于坯料最终成形，并减少终端模膛磨损。终端模膛：用来完成锻件的最终成形。在终端模膛四周的飞边槽，由桥部和仓部组成。桥部是增大金属流出模膛的阻力，仓部是容纳从模膛中流出的多余金属。2、工艺规程的制订在对锻件进行工艺分析的基础上，绘制锻件模具图。a）确定分模面的原则要保证锻件能从模膛中取出易于发现错误使模膛最浅使所加敷料最少使分模面为平面b）确定加工余量和公差c）确定模锻斜度d）确定锻模的内外园角e）冲孔连皮为了保护模具和设备三、胎模锻在自由锻设备上，采用不与上下砧相连接的活动模具成型锻件的方法。1、胎模锻的特点1）与自由锻相比，锻件的形状较为复杂
15、，尺寸精确，生产效率高。2）与模锻相比，可利用自由锻设备组织生产，胎模制造成本低。2、胎模的种类按胎模的结构特点分为：（1）扣模（2）弯曲模（3）套筒模（4）合模第三节 板 料冲压板料冲压又叫冷冲压，它是利用冲模使板料产生变形或分离，从而获得具有一定形状和尺寸的锻件的工艺方法。冷冲压所用材料一般为小于4mm的板料、条料、带料等，所用设备为冲床和剪床。一、冷冲压的特点（1）可生产形状复杂的零件零件精度高、表面粗糙度低、互换性好。零件的强度高、刚度好。（2）材料的利用率高，一般可达7080%。（3）适应性强，金属及非金属均可用冲压方法加工。零件可大可小。（4）生产率高，每分钟可冲压小件数千件，易实
16、现机械化和自动化。 （5）模具结构复杂、制造成本高。二、冷冲压的基本工序1、分离工序分离工序就是使板料的一部分与另一部分分离。它包括剪切、冲裁（分落料和冲孔）、切口、修边和剖切等。（1）冲裁过程分析（2）冲裁断面特征（3）冲裁间隙凸凹模之间的间隙对冲裁件断面质量有重要影响。a）间隙过大，断面光亮带变小，毛刺、他叫、斜度增大。b）间隙过小，不仅断面毛刺增大，而且使模具寿命降低。（4）凸、凹模刃口尺寸a）冲孔时，凸模刃口尺寸等于零件孔径尺寸，凹模刃口尺寸加大一个间隙。b）落料时，凹模尺寸等于成品尺寸，凸模尺寸减小一个间隙。（5） 排样2、变形工序变形工序就是使板料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的加工方法。包括弯曲、拉深、翻边、成形等工序。（1）弯曲a）最小弯曲半径r min=(0.25-1
