金属工艺学第8章锻压成形

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1、,8.1锻压成形工艺基础,第八章 锻压成形,本节重点：了解金属塑性成型的理论基础；掌握金属的塑性成型方法及工艺；掌握薄板冲压成形工艺 本节难点：塑性成型方法及工艺,8.1锻压成形工艺基础,锻压生产方式示意图,金属塑性成型：利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。,8.1.1金属塑性变形的实质,金属塑性变形的实质：a）晶粒内部滑移 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：

2、正应力晶粒弹性伸长晶粒扭曲滑移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,位错运动,单晶体的滑移是通过晶体内的位错运动来实现的，而不是沿滑移而所有的原子同时作刚性移动的结果，所以滑移所需要的切应力比理论值低得多。位错运动滑移机制的示意图见图8-2所示。,8.1.2塑性变形对金属组织和性能的影响,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

3、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,8.1.3冷变形及热变形,冷变形 变形温度低于回复温度时，金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与

4、再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。,热变形 变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。,8.1.4锻造流线及锻造比,纤维组织的利用原则：,1、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，获得细化的再结晶组织。2、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合在一起，使金属更加致密，其机械性能会有很大提高。3、此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维

5、形状。这种结构叫纤维组织。,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: 拔长锻造比 镦粗锻造比 式中 F0 、L0、H0变形前坯料的截面积、长度和高度；F 、L、H变形后坯料的截面积、长度和高度。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。,纤维组织的性能,使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。（ 1）零件

6、最大拉应力方向应与锻造流线平行（ 2）零件最大剪切应力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,具有纤维组织的金属，各个方向上的机械性能不相同。顺纤维方向的机械性能比横纤维方向的好。金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能的方向性也就越显著。,实例：,当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图示 )。当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图示)，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。,8.1.5合金的锻造性能,可锻性常用金属材料在经受压

7、力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。,塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。变形抗力是指金属对变形的抵抗力。金属的可锻性取决于材料的性质(内因)和加工条件(外因)。,影响塑性变形的因素,材料性质的影响(内因),化学成分的影响,1、纯金属的可锻性比合金的可锻性好。2、钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。,金属组织的影响,纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好。而碳化物(如渗碳体)的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织

8、的可锻性好,加工条件的影响(外因),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”。金属锻造加热时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。,变形温度的影响,变形速度的影响,一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变

9、形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好。,应力状态的影响,挤压时为三向受压状态。拉拔时为两向受压一向受拉的状态。压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。,小结,思 考 题,1.纤维组织是怎样形成的?它对金属的力学性能有何影响? 2.试分析用棒料切削加工成形和用棒料冷镦成形制造六角螺栓的力学性能有何不同?,8.2.1自由锻的工序 8.2.2自由锻工艺规程的制定 8.2.3自由锻件结构设计,8.2自由锻造,本节重点：自由锻的概念自由锻的特点和方法自

10、由锻的工序 本节难点：自由锻工艺规程的制订,自由锻的概念,利用自由锻设备的上、下砧或一些简单的通用性工具，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。,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。,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

11、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。,8.2.1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。,8.2.2自由锻工艺规程的制订,1、绘制锻件图 锻件图是制定锻造工艺过程和检验的依据，绘制时主要考虑余块、余量和锻件公差。 （1）余块 对键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金

12、属以简化锻件的形状。为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属，称为余块（或敷料），如图8-6所示。 （2）锻件余量 在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件余量，如图8-6所示。锻件余量的大小与零件的材料、形状、尺寸、批量大小、生产实际条件等因素有关。零件越大，形状越复杂，则余量越大。 （3）锻件公差 锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量，其值的大小与锻件形状、尺寸有关，并受生产具体情况的影响。,8.2.2自由锻工艺规程的制订,2、确定坯料的重量和尺寸 （1）确定坯料质量 自由锻所用坯料的质量为锻件的质量与锻造时各种金属消耗的质量之和，可由下式计算：式中 坯料质量； 锻

13、件质量； 加热时坯料表面氧化而烧损的质量；冲孔时芯料的质量； 端部切头损失质量。,8.2.2自由锻工艺规程的制订,（2）确定坯料尺寸 、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

14、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）填写工艺卡,表8-1 锻件分类及所需锻造工序,8.2.3自由锻件的结构工艺性,避免锥体和斜面结构,几何体间的交接处 不应形成空间曲线,自由锻件的结构工艺性,自由锻件上不应设计 出加强筋、凸台、工字形截面,截面变化大的锻件， 采用组合连接,小结 表8-2 半轴自由锻工艺卡,8.3.1锤上模锻 8.3.2胎模锻 8.3.3压力机上模锻,8.3模锻,基本知识,模锻：在模锻设备上，利用高强度锻模，使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的加工方法称为模锻。在变形过程中由于模膛

15、对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时可获得与模膛形状相符的模锻件。 与自由锻相比，模锻具有如下优点： (1) 生产效率较高。模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。(2) 能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命。(3) 模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。(4) 节省金属材料，减少切削加工工作量。在批量足够的条件下，能降低零件成本。(5) 模锻操作简单，劳动强度低。 但模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在150kg以下。模锻设备投资较大，模具费用较昂贵，工艺灵活性较差，生产准备周期较长。因此，模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不

16、适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。 模锻按使用的设备不同，可分为：锤上模锻、压力机上模锻、胎模锻。,设备,8.3.1锤上模锻,上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头作上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。模锻工作示意图如图8-11所示。 锤上模锻的工艺特点是： （1）金属在模膛中是在一定速度下，经过多次连续锤击而逐步成形的。 （2）锤头的行程、打击速度均可调节，能实现轻重缓急不同的打击，因而可进行制坯工作。 （3）由于惯性作用，金属在上模模膛中具有更好的充填效果。 （4）锤上模锻的适应性广，可生产多种类型的锻件，可以单膛模锻，也可以多膛模锻。 由于锤上模锻打击速度较快，对变形速度较敏感的低塑性材料（如镁合金等），进行锤上模锻不如在压力机上模锻的效果好。,1、制坯模膛,拔长模膛用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。,