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1、材料成型基础 材料成型基础 第二篇 金属的塑性成型机电学院材控教研室 刘好 1、何为锻压为锻压 ？ 锻压是对坯料 施加外力，使 其产生塑性变 形、改变尺寸 、形状及改善 性能，用以制 造机械零件、 工件或毛坯的 成形加工方法 。它是锻造与 冲压的总称， 属于压力加工 的范畴。 6 金属塑性成型的工艺理论基础 概述2、锻压特点： 塑性变形是压力加工的基础，凡具有一定塑 性的金属如钢及大多数有色金属，均可进行 压力加工。 与铸造相比，压力加工的优点是：金属铸锭 经塑性变形后，铸造组织的内部缺陷如气孔 、缩孔、微裂纹等得到焊合，再结晶后可细 化晶粒，金属的各种力学性能得到提高。冲 压件又具有重量轻、
2、精度高、刚性好等优点 。但由于锻压件是在固态成形，金属的流动 受到限制。因此，对于形状复杂、尤其是内 腔形状复杂的零件，从制造工艺上锻件远不 及铸件容易实现。另外，锻件的成本比铸件 高，材料利用率等方面也不如铸件。然而， 从锻件力学性能的提高，锻造流线更加与受 力条件相适应，在同样受力条件下，零件的 几何尺寸可以缩小的角度看，又可以大大降 低原材料的使用量，延长零件的使用寿命， 节约金属。 3、锻压的历史、现状与发展 锻压技术的发展历史 锻压与汽车生产的关系 模锻与自由锻的国内外生产技术现状一、金属的塑性变形的物理基础金属塑性变形的实质，对于单晶体是由于 金属原子某晶面两侧受切应力作用产生相对
3、滑 移，或晶体的部分晶格相对于某晶面沿一定方 向发生切变，即滑移理论和孪生理论。 1、单晶体的塑性变形 拉伸（图2-1）弹性变形（图2-2）塑性 变形（图2-3）滑移（图2-4）孪生（图 2-5） （注严绍华热加工工艺基础图） 2、多晶体的塑性变形（图6-2）晶界的影响，杂质的影响。 晶内变形，晶间变形。 晶粒大小的影响 3、位错运动（图6-3）6.1 金属塑性变形实质二、塑性变形的力学基础 1、塑性变形的屈服准则 （1）曲雷斯加屈服准则 max （1- 2）/2 （2）密西斯屈服准则2、塑性变形的应力应变关系 （图6-4） 弹性变形阶段 塑性变形阶段 3、塑性变形体积不变条件 一、冷塑性变形
4、对金属组织与性能的影响 1、冷变形强化（加工硬化） 金属在冷变形时，随变形程度的增加，强度、硬度提 高而塑性韧性下降的现象。 2、回复与再结晶 回复：T回（0.250.3）T熔，内应力消除，组织基 本不变。 再结晶：T再0.4T熔，组织、性能恢复到变形前的水 平。6.2塑性变形后的金属组织和性能从金属学的观点划分冷热锻压加工（冷、热变形）的界限为再结 晶温度。 （1）热锻热锻 在金属再结结晶温度以上进进行的锻锻造工艺艺称为热锻为热锻 。在 变变形过程中冷变形强化和再结晶同时存在，属于动态再结晶。 （2)冷锻锻 在室温下进进行的锻锻造工艺艺称为为冷锻锻。冷锻锻可以避免金属 加热出现的缺陷，获得较
5、高的精度和表面质量，并能提高工件的强度 和硬度。但冷锻变形抗力大，需用较大吨位的设备，多次变形时需增 加再结晶退火和其它辅助工序。目前冷锻主要局限于低碳钢、有色金 属及其合金的薄件及小件加工。 （3）温锻锻 在高于室温和低于再结结晶温度范围围内进进行的锻锻造工艺艺称 为为温锻。与热锻相比，坯料氧化脱碳少，有利于提高工件的精度和 表面质量；与冷锻相比，变形抗力减小、塑性增加，一般不需要预先 退火、表面处理和工序间退火。温锻适用于变形抗力大、冷变形强化 敏感的高碳钢、中高合金钢、轴承钢、不锈钢等。 （4）等温锻锻 在锻锻造全过过程中，温度保持恒定不变变的锻锻造方法称为为 等温锻。二、热变形对金属组
6、织与性能的影响6.3锻造流线和锻造比一、纤维组织锻造时，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；塑性杂 质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布， 这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性， 通常称为锻造流线，又叫纤维组织。使力学性 能具有方向性。二、锻造比 锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法 。通常用变形前后的截面比、长度比或高度比 来表示。 锻造比对锻件力学性能的影响。 锻造比对锻件的锻透程度和力学性能有很大影响。当 锻造比达到2时，随着金属内部组织的致密化，锻件纵向 和横向的力学性能均有显著提高；当锻造比为2-5时，由 于流线化的加强，力学性能出现各向异性，纵向性能
7、虽仍 略提高，但横向性能开始下降，锻造比超过5后，因金属 组织的致密度和晶粒细化度均已达到最大值，纵向性能不 再提高，横向性能却急剧下降。 因此，选择适当的锻造比相当重要。一般，碳素结构钢取 2-3，合金结构钢取3-4。对于某些高合金工具钢和特殊性 能的合金钢，为促进合金碳化物分布的均匀化，击碎钢中 的碳化物，常采用较大的锻造比，如高速钢取5-12，不绣 钢取4-6。锻造比越大，锻造流线越明显；锻造流线的稳定性很 高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形， 才能改变其方向和形状。6.4金属的可锻性是指金属经受锻压加工时成形的难易程 度的工艺性能。其优劣常用塑性和变形抗力 综合衡量。塑性
8、高、变形抗力小则锻造性能 好。它决定于金属的本质和变形条件。 （一）金属的本质 1化学成分 纯纯金属一般具有良好的锻锻造 性能。碳钢钢随碳的质质量分数的增加，锻造 性能逐渐变差。合金元素的加入会劣化锻造 性能 2金属组织组织 纯纯金属及固溶体锻锻造性能好 ，而碳化物的锻锻造性能差。铸铸态柱状晶组 织和粗晶结构不如细小而又均匀晶粒结构的 金属锻造性能好。（二）变形条件1变变形温度 变变形温度低，金属的塑性差 、变变形抗力大，不但锻压锻压 困难，而且容 易开裂。提高金属变形时的温度，可使原 子动能增加，原子间的结合力消弱，使塑 性提高，变形抗力减小。 锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻 温度的间
9、隔。锻造温度范围的确定以合金 状态图为依据。 2变变形速度 变变形速度指单单位时间时间 内的 变变形程度，变变形速度低时时，金属的回复 和再结晶能够充分进行，塑性高、变形抗 力小；随变形速度的增大，回复和再结晶 不能及时消除冷变形强化，使金属塑性下 降，变形抗力增加，锻造性能变差。常用 的锻压设备不可能超过临界变形速度。3应应力状态态 采用不同的变变形方法，在金 属中产产生的应应力状态态是不同的。应力状态 对于塑性的影响为：压应力数目越多，塑 性越好；拉应力数目越多，塑性越差；应 力状态对于变形抗力的影响为：同号应力 状态下的变形抗力大于异号状态下的变形 抗力。所以，在选择变形方法时，对于塑
10、性高的金属，变形时出现拉应力有利于减 少能量消耗；对于塑性低的金属应尽量采 用三向压应力以增加塑性，防止裂纹。 4坯料表面质质量 表面粗糙或有划痕、微 裂纹纹、粗大夹杂夹杂 都会在变变形过程中产生应 力集中，使缺陷扩展甚至开裂。故塑性加 工前应对坯料表面进行清理消除缺陷，有 时甚至需要进行表面预切削去掉坯料的表 层金属。 6.5金属的塑性变形规律1体积积不变变条件 由于塑性变形时金属密度的变化很小，所 以可认为变形前后的体积相等。此假设称 为体积不变条件。 2最小阻力定律 最小阻力定律是描述塑性变形流动规律的 一种理论，如果物体在变形过程中其质点 有向各种方向移动的可能性时，则物体各 质点将向
11、着阻力最小的方向移动。一般， 金属内某一质点流动阻力最小的方向是通 过该质点向金属变形部分的周边所作的法 线方向。 1、金属塑性成型方法概念 2、金属塑性成型方法分类（表7-1） 体积成型：锻造、挤压、轧制、拉拔等。 板料成型：冲压。7金属塑性成型方法锻压借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形， 从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件。金属坯料锻压件塑性变形一、锻压加工方法自由锻模锻板 料 冲 压挤压拉拔轧锻板料轧制轧板轧辊轧环设备压 机 拔 长二、锻压加工方法的特点 能改善金属的组织，提高金属的机械性能； 提高材料的利用率和经济效益（节省材料和切削加 工工时）； 具有较高的劳动生产率。缺点
12、： 不能获得形状复杂的锻件； 初次投资费用高（设备、工模具、厂房）； 生产现场劳动条件差。应用：轧制、挤压、拉拔 金属型材、板材、钢材、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。自由锻概念：只用简单的通用性工具， 或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料 变形而获得所需的几何形状及内部质量 的锻件，这种方法称为自由锻。7.1锻造 7.1.1 自由锻工艺特点：坯料变形时，除与上、下抵铁或其它辅助工具接 触部分表面外，都是自由表面，变形不受限制。自由锻特点与应用 工具简单，不需造价昂贵的模具 可以锻造各种重量的锻件，对于
13、大型锻件几乎是唯一 的锻造方法 自由锻所需设备的吨位较小 锻件的尺寸精度低，加工余量大 锻件形状简单，生产率低，劳动强度大自由锻应用 单件和小批量生产。自由锻生产视频一、自由锻设备设备吨位（T）锻件质量作用力动力空气锤 0.051100 kg冲击力电动 机蒸气-空气锤0.551500 kg冲击力蒸气或压缩 空气水压机500150001300T静压力高压水)变形大、锻透深度大 、内部质量好，没有 振动，噪音小。20MPa(200个大气压 )0.40.9MPa(49个大气压 ）空气锤水压机蒸汽或压 缩空气双柱拱 式蒸汽 锤水压机二、自由锻的工序 1、基本工序：拔长（图7-4） 、锻粗（图7-5）、
14、冲孔 （图7-6）、弯曲、错移、扭转； 2、辅助工序：倒棱、压肩等； 3、精整工序：修整鼓形、平整端面、校直弯曲。基本工序拔长基本工序镦粗基本工序冲孔基本工序 弯曲基本工序 错移基本工序 扭转三、自由锻工艺规程的制订 （一）绘制锻件图 锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图是在 零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余 块等之后绘制的图。模锻件的锻件图还应考虑分模面 的选择、模锻斜度和圆角半径等。 锻件图的绘制方法如下： 1）锻件的形状用粗实线，同时用假想线（双点 划线）描绘出零件的形状。2）锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零 件的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面或侧面。3）图
15、上无法标注的技术要求，如锻造温度范围 、锻造比、氧化缺陷、脱碳层深度等以技术条件方式 用文字说明。自由锻工艺规程的制订锻件图 = 零件图 + 加工余量、锻件公差和余块轴锻件图齿轮锻件图自由锻工艺规程的制订（二）坯料的质量及尺寸计算1、坯料的质量：m 坯 = m 锻 + m 烧+ m切 + m 芯式中式中mm坯坯- -坯料重量；坯料重量； mm锻锻- -锻件重量；锻件重量； mm烧烧- -加热时坯料表面氧化烧损的重量。加热时坯料表面氧化烧损的重量。 与所用加热设备类型等因素有关，可参考相关资料；与所用加热设备类型等因素有关，可参考相关资料； mm芯芯 - -冲孔时的芯料重量；冲孔时的芯料重量；
16、mm切切 - -锻造中被切掉的金属重量。锻造中被切掉的金属重量。轴类零件盘盖类零件自由锻工艺规程的制订（二）坯料的质量及尺寸计算坯料的尺寸锻件的锻造比采用的变形方式轧材: y 1.3钢锭: y = 2.55镦粗(防弯):H/D1.523、拉深件的要求 外形简单、对称，深度不宜过大。 最小许可半径如图7-44所示，否则增 加拉深次数和整形工作。二、简化工艺及节省材料的设计 采用冲压焊接结构。 采用冲口工艺。图7-46。 尽量简化拉深件的结构。三、冲压件的厚度 尽量用较薄的钢板，刚度不够时可用加强筋。四、冲压件的精度和表面质量对冲压件的精度要求，不应超过冲压工艺所能达到 的一般精度。 落料不超过IT10，冲孔不超过IT9
