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1、3. 固态材料塑性 成形过程,3.1 概 述,金属固态塑性成形：在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需的形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。 固态塑性成形的基本条件： 1）被变形的金属材料应具备一定的塑性； （内因） 2）有外力作用于固态金属。 （外因）,主要塑性成形方法,1）扎制 2）挤压 3）拉拔 4）自由锻造 5）模型锻造 6）板料冲压,扎 制,挤 压,拉 拔,自由锻、模锻和板料冲压,成形分类及其特点,1）冷变形过程（冷成形）：成形温度低于金属的再结晶温度，变形后具有加工硬化现象。 特点： 强度、硬度，塑性、韧性； 尺寸精度高，表面质量好； 对非热处理强化材料可采
2、用冷变形提高强度和硬度； 要求设备功率大； 坯料表面要求高； 电阻率，耐腐蚀性能。,2）热变形过程（热成形）：变形在再结晶温度以上进行，变形硬化被再结晶消除。 特点： 金属始终保持良好的塑性，可进行大量变形；高温金属屈服强度低，易于变形； 显著改善和提高力学性能，内部缩松被压实，细化材料组织； 形成纤维组织，使金属的力学性能具有方向性； 表面氧化严重，工件精度和表面质量不高； 设备维修工作量大。,锻造与铸造组织力学性能比较,综上所述，利用固态塑性成形能得到高强度高性能产品，生产率高，材料损耗少；但构件形状和大小受限，投资大，能耗高,3.2 金属塑性成形过程理论基础,金属塑性变形的能力又称为金属
3、的可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易程度。衡量可锻性常用塑性指标（ ）和变形抗力（ ）,3.2.1 金属塑性变形能力,（1）金属性质 1）化学成分不同金属，因原子间相互作用不同，变形抗力也不同；金属纯度愈高，变形抗力愈小。 2）内部组织单相组织塑性优于多相组织；细晶粒组织有利于提高塑性。,影响可锻性的因素,（）变形的加工条件 1）变形温度的影响提高金属塑性变形时的温度，金属的塑性指标(伸长系数和断面收缩率)增加，变形抗力降低，是改善或提高金属可锻性的有效措施，故热变形中，都要将金属预先加热到一定的温度。 金属在加热过程中，随着温度的升高，其性能变化很大。,在300以上
4、，随着温度的升高，低碳钢的塑性指标和上升，变形抗力下降。原因： 金属原子在热能作用下，处于极活跃的状态，很容易进行滑移变形； 低碳钢在加热温度位于AESG区（奥氏体区） ，组织为单一奥氏体，塑性很好，故很适宜于进行塑性成形加工。,对金属加热应不产生微裂纹、过热、过烧和严重氧化；加热应避免在脆性温度区间。,塑性成形应避免在脆性区（蓝脆区与热脆区）加热,2）变形速度变形速度，使金属晶体的临界剪应力升高，断裂强度过早达到，塑性降低；再结晶来不及克服加工硬化，可锻性；变形速度，变形产生的热效应提高温度，可锻性。,3）应力状态塑性变形时，三各方向的压应力的数目越多，则金属表现的塑性越好；拉应力的数目越多
5、，则塑性越差。且同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。,应力状态对变形抗力的影响,综上所述，金属的可锻性取决于金属的性质和变形条件。力求创造最有利的变形加工条件，提高塑性降低变形抗力，达到塑性加工的目的。另外，应使能耗低、耗材少、生产率高、品质好,塑性变形的实质：是在切应力的作用下，金属内部晶体沿某一平面产生滑移，实现了晶体的塑性变形。,3.2.2 金属塑性变形的基本规律,塑性变形前后的体积不变。因此变形中，一个方向的尺寸减少，必然导致其它方向的尺寸有所增加。 一个方向压缩，另外两个方向都伸长，如镦粗。 两个方向压缩，第三个方向伸长，如挤压或拔长。一个方向长度不变，其余两个
6、方向一为伸长、另一个为压缩，如平面变形。,体积不变定理,最小阻力定律,金属在塑性变形中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动。一般质点移动的最小阻力方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线方向。通过该定律可判定金属截面变化，提高效率。,3.3 锻造方法,3.3.1 自由锻造,自由锻造（自由锻）：利用冲击力或压力使金属材料在上下砧铁之间或锤头与砧铁之间产生变形，而获得所需形状、尺寸和力学性能锻件的成形过程。,（1）自由锻成形的过程特征,成形过程中坯料的整体或局部发生塑性成形，金属坯料在水平方向可自由流动，不受限制。 自由锻要求被成形材料在成形温度下具有良好的塑性。锻件的形状取决于操作者的技
7、术水平。 工具简单，操作方便，锻件质量不受限制， 自由锻存在生产率低、金属损耗大和劳动条件较差等缺点。锻件精度和表面品质差。,自由锻设备,自由锻可使用多种锻压设备，如空气锤、蒸气锤、电液锤、机械压力机和液压机等。,蒸汽蒸汽空气锤空气锤用来自空压站的0.50.7MPa 压缩空气或0.70.9MPa蒸汽为驱动源空气锤用来自压缩缸的压缩空气作为工作介质机械锤用电动机来拖动，电动机与锤头之间用机械方式传递动力（螺旋压力机、夹板锤、摩擦压力机、弹簧锤以及钢丝绳锤等）蒸汽空气对击锤没有砧座，上下锤头联动液气锤上锤头用气体控制，下锤头用液体控制，上下联动电液锤利用液体控制锤头运动,蒸汽-空气锤,锤头的吨位一
8、般为65-750Kg。 特点： 结构较简单，操作方便，维护容易，设备投资少，吨位不大，适用于生产小型锻件。,水压机,特大型锻件自由锻造的主要设备 通常压力为5000-150000KN（50015000 t） 可以锻造质量为1300t的锻件,自由锻适用于形状简单的单件或小批量毛坯成形，特别是重、大型锻件的生产。,（2）自由锻成形过程,自由锻成形过程流程： 1）根据零件图绘制锻件图； 2）确定坯料的质量和尺寸； 3）选择锻造工序，决定变形工艺过程； 4）选择锻造设备，确定设备能力； 5）确定锻造温度范围、冷却方式和热处理规范； 6）规定锻件的技术要求和检验要求； 7）编制劳动组织和确定锻造工时定额
9、。,零件图,绘制锻件图,计算坯料质量和尺寸、下料 确定工序、加热温度、设备等,加热坯料、锻打,检验,锻件,1）绘制锻件图,锻件图是以零件图为基础结合自由锻过程特征绘制的技术资料。锻件图是组织生产过程、制定操作规范、控制和检查产品品质的依据。,锻件图绘制时要考虑的因素： (1) 敷料 敷料是为了简化锻件形状、便于锻造而增添的金属部分。自由锻适宜于锻制形状简单的锻件，对零件上一些较小的凹挡、台阶、凸肩、小孔、斜面和锥面等应进行适当的简化，以减少锻造的困难，提高生产率。 (2) 加工余量 自由锻件的精度低、表面品质较差，需再经切削加工才能成为零件，应留足加工余量。锻件加工余量的大小与零件的形状、尺寸
10、、加工精度和表面粗糙度等因素有关，通常自由锻件的加工余量为46mm。(3) 锻件公差 锻件名义尺寸的允许变动量。自由锻件的公差一般为12mm 。,双联齿轮，批量为10件/月，材料为45钢。该双联齿轮属小批量生产，采用自由锻。25mm的孔，放加工余量后小于20mm，无法锻出。不采用锻孔，该孔由机械加工成形。退刀槽用敷料。半径上工余量放3.5mm，高度上工余量放3mm。锻件公差取1mm。,举 例,2）坯料尺寸计算,坯料质量可按下式计算： G坯料=G锻件+G烧损+G料头 式中 G烧损加热时坯料表面氧化烧损的质量(通常第一次加热取被加热金属的2%3%，以后各次加热取1.5%2%) G料头锻造中被切掉或
11、冲掉的那部分金属质量,中、小型锻件，通常都是型材，可不考虑料头因素，上式简化为： G坯料=(1+K)G锻件 K是一个与锻件形状有关的系数。对于实心盘类锻件，K=2%3%；对于阶梯轴类锻件，K=8%10%；对于空心类锻件，K=10%12%；对于其他形状的锻件，可视其复杂程度参照上述三类锻件取K值。 锻件的质量根据锻件的名义尺寸计算，即 G坯料=V锻件 式中 V锻件锻件体积，mm3 金属的密度，g/cm3,坯料尺寸计算,在坯料质量求出后，则需计算坯料的尺寸。 对于圆型材料： 当锻造的第一工序为镦粗坯料直径：式中 V1坯料的体积，V1=G1/(G1为坯料的重量) 坯料高度或长度： H=V1/(D/2
12、) 21.25DH2.5D （因为在体积一定的情况下，坯料高度过大，则直径较小，镦粗时易镦弯；而直径过大， 则下料困难且锻造效果不好）, 第一工序为拔长A1Y锻F锻 A1坯料的截面积，mm2 Y锻锻造比，圆钢Y锻=1.31.5 F锻锻件的最大截面积，mm2坯料直径：坯料的长度： L=V1/A1 注意：圆钢直径有标准，如计算直径与圆钢直径不符，就近取圆钢直径，再重新计算H，L。,3）选择工序、确定温度和冷却规范等, 选择锻造工序 工序通常分为基本工序、辅助工序和精整工序。 基本工序：使坯料产生一定程序的热变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的过程，有镦粗、拔长、冲孔、切割、弯扭和错移等。辅助工序：为
13、基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压肩、倒棱等。精整工序：改善锻件表面品质而进行的工序，如整形、清除表面氧化皮等。,基本工序,镦 粗,拔 长,冲 孔,轴心扩孔,芯轴拔长,弯 曲,切 割,错 移,辅助工序,压钳把,倒 棱,压 肩,精整工序,校 正,滚 圆,平 整,锻件分类及锻造工序, 锻造温度范围及加热冷却规范 金属的锻造是在一定温度范围内进行的。一些常用金属材料的锻造温度范围如下表。,加热设备：箱式加热炉、电加热炉加热要求：不要产生或少产生氧化、表面脱碳，防止过热，且加热均匀以减少热应力。,锻件冷却方式常用下列三种：空冷 多用于WC0.5%的碳钢和WC 0.3%的低合金钢中小锻件。在炉灰
14、或干砂中缓冷 多用于中碳钢、高碳钢和大多数低合金钢的中型锻件。随炉缓冷 在500700的炉中随炉缓冷，多用于中碳钢和低合金钢的大型锻件及高合金钢的重要锻件。,4）自由锻典型过程举例,盘类锻件的锻造过程轴类锻件的锻造过程,盘类锻件自由锻过程举例,轴类锻件自由锻过程举例,锻造温度范围可参见表2所示的常用金属材料锻造温度范围，或者查锻造手册。中、小型自由锻件所采用的锻造设备主要是空气锤。空气锤吨位的选择见表4或查锻造手册。,锻造一般是固态成形的生产过程，由于受材料本身的塑性和外力的限制，加之自由锻过程的特点，锻件的几何形状受到很大限制。因此，在保证使用性能的前提下，为简化锻造过程、保证锻件品质、提高
15、生产率，在零件结构设计时应尽量满足自由锻的技术特征要求。,（3）自由锻件结构技术特征, 应避免锥体、曲线或曲面交接以及椭圆形、工字形截面等结构。 应避免加强筋、凸台等结构。 当锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时，可采用特别的技术措施或工具；或者将其设计成几个简单件构成的组合件，锻造后再用焊接或机械连接方法将其连成整体件。,自由锻件结构设计时注意以下原则,模型锻造：将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压 力使坯料发生塑性变形而获得锻件的成形过程。,3.3.2 模型锻造,模锻过程：坯料放于模膛中，动模作合模运动，坯料发生塑性变形并充满模膛，模锻件由顶出机构顶出模膛。坯料整体塑性成
16、形，处于三向压应力状态。热成形精度和表面质量决定于模具的精度和表面质量，还取决于氧化皮的厚度和润滑剂；冷成形可获得较高的精度（0.2mm)和表面质量。,（1）模型锻造成形过程特征,应用广泛：可用于飞机、机车、汽车、拖拉机、军工及轴承等制造业中。最常见的零件是齿轮、轴、连杆、杠杆和手柄等。冷成形工艺(冷镦、冷锻)主要生产一些小型制品或零件，如螺钉、钉子、铆钉和螺栓等。,优点： 生产效率高 锻件形状复杂，尺寸精度高，粗糙度低 锻件的机械加工余量少，材料利用率高 流线分布更合理，提高工件使用寿命 操作简便，劳动强度小 锻件批量大时，其成本较低 缺点： 设备投资大 生产准备周期长 锻模成本高，使用寿命短 工艺灵活性不如自由锻,
