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1、第二章 锻压生产,0. 概述,1 锻压生产的实质,利用金属材料的塑性，借助于外力的作用，使材料发生塑性变形，从而获得所需的形状和尺寸。,2 压力加工的分类,轧制 、挤压、拉拔、自由锻、模锻、冲压,a.轧制：,坯料大多是钢锭，产品则是各种型钢、钢板等。,使金属坯料通过一对回转轧辊之间的空隙而受到压延的加工方法。,b.挤压：,产品主要是有色金属型材及管件。,把放在挤压筒内的金属料从模孔内挤出而变形的过程。,c. 拉拔：,（拉丝）,拉拔是生产金属丝的唯一方法。,可以拉制薄壁管和特殊几何形状的型材。,将金属料拉过拉丝模的模孔而变形的加工过程。,d. 自由锻：,将金属坯料放在上下砧子之间受冲击力或压力而
2、变形的加工方法。,自由：即金属料受到力的作用可在水平面自由流动。,e.模锻：,将金属料放在具有一定形状的锻模模膛内，受冲击力或压力而变形的加工方法。,f. 冲压：,使薄板材料在冲模间受到冲压而分离或变形的过程。,3 压力加工的特点,机械性能好；,用于载荷大，转速高，受力复杂件。 如机床主轴、重要齿轮、炮筒、枪管等。,难于生产形状复杂件；,设备昂贵，成本高。,1. 金属的塑性变形,1.1 变形的基本概念,1 变形：材料在外力的作用下所引起的尺寸和形状的改变。,2 变形过程：e 弹性变形； s 塑性变形 ； b 断裂。,滑移和孪生 三种晶格 滑移系,第一节 金属的锻造性能,1.2 单晶体的塑性变形
3、：滑移和孪生 其中滑移更普遍,多晶体塑性变形 晶粒内部：滑移 晶粒之间：滑动和转动,1.3 塑性变形对金属性能的影响,常温下金属经过塑性变形后，内部组织将发生变化： a.晶粒沿变形最大的方向伸长； b.晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力； c.晶粒间产生碎晶。 金属组织的改变对金属性能的影响很大。,冷变形：金属在再结晶温度以下的变形 变形过程中无再结晶现象，变形后金属具有加工硬化现象。 热变形：金属在再结晶温度以上的变形. 变形后，金属具有再结晶组织，而无加工硬化痕迹。,1.3.1 冷塑性变形对金属性能的影响,1 加工硬化：,金属材料经冷塑性变形后，强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象。,2 加
4、工硬化的利弊：,优点：强化金属； 缺点：塑性下降，下利于进一步发生塑性变形；,1.3.2 冷塑性变形对金属组织的影响,1 形成织构,2.晶粒碎化 3.晶格歪扭；位错密度和点缺陷的密度增加； 导致内应力的产生。,1.3.3 消除加工硬化的方法加热、再结晶,再结晶：以破碎的晶粒碎块为核心结晶，长大成细小的等轴晶， 取代扭曲变形的晶粒和纤维组织。,再结晶温度：T再=0.4T熔（K）变形程度；金属纯度；,再结晶退火：,采用加热的方法使冷塑性变形后的金属再结晶，以提高塑性、消除加工硬化的工艺。,大多数锻件锻压加工是在再结晶温度以上进行的,由变形引起的加工硬化现象,会因随后的再结晶过程而消失, 所以锻造毛
5、坯可以连续地锻压变形。 热加工适用于加工截面比较大、变形量较大、材料在常温下硬度较高的金属制件。 热加工后的金属其组织性能发生明显变化。 锻造和热挤热轧都属于热变形。,1.4 金属的热塑性变形（热加工）,提高金属的机械性能 只要终锻温度控制好,锻件的晶粒是细小的。再加之锻坯中孔洞的被压合,所以热变形可提高金属材料的力学性能。下图是经过热轧后得到细小再结晶晶粒示意图。,1.4.1 热变形加工与冷变形加工的区别,冷加工：再结晶温度以下的变形，伴有加工硬化现象； 热加工：再结晶温度以上的变形，无加工硬化痕迹。,1.4.2 根据温度不同，锻造可以分为： 热锻：金属再结晶温度以上进行的锻造工艺，冷变形强
6、化和 再结晶同时存在，是动态再结晶。 冷锻：室温下进行锻造，高的精度和表面质量，提高硬度和强度。 温锻：高于室温、低于再结晶温度范围的锻造工艺工件精度和 表面质量高，变形抗力小、塑性增加 等温锻：锻造温度保持恒定,热锻对金属组织和性能的影响,1 压合材料内部的缺陷，使金属组织致密，力学性能提高； 2 细化晶粒，提高强度、硬度、塑性和韧性； 3.形成纤维组织,冷锻：冷模锻、冷挤压、冷镦等塑性加工的统称，是对物料再结晶温度以下的成型加工，是在回复温度以下进行的锻造。生产中习惯把不加热毛坯进行的锻造称为冷锻。 冷锻材料大都是室温下变形抗力较小、塑性较好的铝及部分合金、铜及部分合金、低碳钢、中碳钢、低
7、合金结构钢。 冷锻件表面质量好，尺寸精度商，能代替一些切削加工。冷锻能使金属强化，提高零件的强度。,冷精锻：是一种（近）净形成形工艺。采用该方法成形的零件强度和精度高，表面质量好。当前国外一台普通轿车采用的冷锻件总量4045kg，其中齿形类零件总量达10kg以上。冷锻成形的齿轮单件重量可达1kg以上，齿形精度可达7级。,1.4.3 形成锻造流线,1.【锻造流线】在锻造时,金属的脆性杂质被打碎,顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；铸锭成形后，内部难免存在不溶于基体的非金属夹杂物，这些夹杂物将随着金属变形沿主要伸长方向被拉长或压扁呈纤维状分布，并且在再结晶过程中不容易消除，形成了热变形中常见的
8、纤维组织。这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性。 锻造流线使金属性能呈各向异性：平行流线方向的金属强度、塑性和韧性均比垂直于纤维组织方向的性能高。生产中若能利用流线组织纵向强度高的特点, 使锻件中的流线组织连续分布并与其受拉方向一致, 则会显著提高零件承载能力。,2、锻造比 是锻造生产中代表金属变形大小的一个参数，一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示： 镦粗锻造比为：,拔长锻造比：,3. 锻造比对金属的组织和性能的影响 一般情况下，增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件的力学性能。但当锻造比过大，金属组织的紧密程度和晶粒细化程度已到极限，故力学性能不再升高，而增加各向异性。锻造比越大
9、，锻造流线越明显，其力学性能的方向性越明显。 碳素结构钢锭采用不同锻造比进行拔长后的力学性能变化曲线。当锻造比增加时，钢的强度在横向和纵向差别不大，而塑性和韧性纵向明显好于横向。 锻造流线的稳定性很高，而且用热处理不能消除。故在设计和制造易受冲击载荷的零件时，必须考虑锻造流线的方向，使最大正应力与流线方向一致，切应力或冲击应力与流线方向垂直；使锻造流线的分布与零件的外形轮廓相符合，而不被切断。,锻造比越大，锻造流线越明显；锻造流线的稳定性越高，不能用热处理的方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。 在设计和制造零件时，应遵循原则： 最大正应力与流变方向平行 最大切应力与流线方向
10、垂直 流线分布与零件轮廓吻合，尽量不被切断,图a 吊钩采用弯曲工序成形时，就能使流线方向与吊钩受力方向一致, 从而可提高吊钩承受拉伸载荷的能力。 图b 弯曲锻压成形的曲轴中,其纤维组织沿曲轴轮廓分布,曲轴工作时候最大拉应力与纤维组织方向平行，而冲击力与纤维组织方向垂直，这样曲轴不易发生断裂。 图c 切削成形的曲轴,由于流线不连续,曲轴工作时极易沿轴肩处发生断裂。,金属的锻造性能是材料塑性和变形抗力的综合体现。,1.5.2 锻造性能的影响因素,1 金属的本质：,a 化学成份：,b 金属组织：,纯金属、固溶体锻造性能好，而碳化物的可锻性差； 细晶粒的锻造性能好于粗晶粒。,1.5 金属的锻造性能,1
11、.5.1 概念,金属的锻造性能是指金属经受锻压时，发生塑性变形得到所需形状的难易程度。,2 变形条件：,a 变形温度： b 变形速度： c 应力状态：,温度塑性变形抗力。 碳钢的锻造温度范围：T始=AE200 ， T终=800 ,压应力数目增加，塑性增加，但变形抗力增大。,变形速度加工硬化变形抗力塑性,变形速度热效应 变形抗力塑性 ,指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏； 另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好。,不同压力加工方法，金属内部的应力状态是
12、不同的。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力使塑性变形降低，应为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大，必须综合考虑塑性和变形抗力。,d. 坯料的表面质量 表面粗糙或有缺陷将产生应力集中，是缺陷扩展或开裂,变形温度的影响 在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。 若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低,这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。,始锻温度终锻温度,金属锻造加热时
13、允许的最高温度称为始锻温度。 不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称终锻温度。 对于钢而言,加热还另具意义。当温度升至一定高度时, 高硬度低塑性的 Fe3C 将全部溶入奥氏体中，形成单一固溶体组织，因而大大提高钢的可锻性。,1.6 塑性成形基本规律,塑性成形规律：就是塑性成形时金属质点流动的规律，即在给定条件下，变形体内将出现什么样的位移速度场和位移场，以确定物体形状、尺寸的变化及应变场。从而为选择变形工步和设计成形模具奠定基础。,1.6.1 体积不变定律 金属塑性变形前后体积不变，实际中略有缩小；可计算各工序尺寸。,1.6.2 最小阻力定律 塑性变形时金属质点首先向阻力最小
14、方向移动。一般金属某质点移动时阻力最小方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向，,2 自由锻,一自由锻的实质和分类,1 实质：,在冲击力或压力的作用下，通过上下抵铁等通用工具，使金属发生塑性变形而成型的过程。,自由：金属在水平面的各个方向变形不受限制。,2 分类：,手工自由锻：,机械自由锻：,生产率低，劳动强度大，锤击力小。,应用于生产小型锻件。,落下部分的重量40750公斤，只能锻造100公斤以下的小型锻件。,落下部分的重量0.55吨，可以锻造小于1500公斤的中小件。,产生几千吨的压力（最大12000吨），用于大型锻件，可达300吨。,自由锻、模锻、胎模锻,2. 自由锻设备,自由
15、锻锤 产生冲击力使金属变形的，生产中使用的自由锻锤是空气锤和蒸汽-空气自由锻锤。 自由锻锤的吨位是用落下部分（包括上砧、锤头和工作缸活塞）质量来表示，空气锤的吨位用一般为501000公斤。蒸汽-空气自由锻锤的吨位，一般为15吨。,水压机 水压机是以静压力使金属变形的。水压机的吨位用所能产生的最大压力来表示，一般为5150MN。 水压机是以静压力作用在坯料上，工作时震动小，易将锻件锻透，变形速度慢，有利于金属的再结晶，可以提高锻件塑性，工作效率高。 但设备庞大，造价高。 水压机的规格用其产生的最大压力来表示，一般为5MN125MN，主要用于大型锻件和高合金钢锻件的锻造,可锻钢锭的质量1t300t
16、. 我国一重自行研发制造的150MN(1.5万吨)全数字操控水压机可锻件质量达600吨。为世界第一。,3 自由锻的特点和应用：,特点：,工具简单，费用少； 各种重量的锻件都能适应； 生产率低 ，劳动条件差； 只能锻形状简单件，精度低加工余量大。,应用：,单件、小批最经济；大型锻件它是唯一的方法。,自由锻工艺规程的制定,一 自由锻工序,1 基本工序：,改变坯料的形状和尺寸，以达到锻件基本成型的工序。,镦粗、拔长、心轴上拔长、冲孔、心轴上扩孔、弯曲、扭转、错移、切断、锻接。,2 辅助工序：,3 修整工序：,使坯料预先产生局部变形，以方便基本工序的操作。,压肩、倒棱、划线、压钳口等。,修正锻件的最后尺寸和形状，使之达到图样的要求。,如精整表面外形、鼓形滚圆、弯曲矫正等。,自由锻的基本工序,(1) 拔长 也称延伸 ,它是使坯料横断面积减小、长度增加的锻造工序。拔长常用于锻造杆、轴类零件 。 拔长的方法主要有两种 :,自由锻的基本工序包括拔长、镦粗、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移
