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1、金属工艺学,主编：王英杰 张芙丽 副主编：金升 王成国,机械工业出版社,第七章 金属压力加工,二、金属锻造工艺,五、冲压,一、金属压力加工概述,六、金属压力加工新技术简介,三、自由锻工艺过程设计基础,四、锻造结构工艺性,一、金属压力加工的基本概念 锻造是指在加压设备及工(模)具的作用下,使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形,以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。 冲压是指使坯料经分离或成形而得到制件的工艺统称。 挤压是指坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用下,从模具的孔口或缝隙挤出,使之横截面积减小,成为所需制品的加工方法。,轧制是指金属材料(或非金属材料)在旋转轧辊的压力作用下,
2、产生连续塑性变形,获得所要求的截面形状并改变其性能的工艺方法。按轧辊轴线与轧制线间和轧辊转向的关系不同,可分为纵轧、斜轧和横轧三种。 拉拔是指坯料在牵引力作用下通过模孔拉出使之产生塑性变形而得到截面小、长度增加的工艺。,二、金属压力加工的特点 (1)改善金属的内部组织,提高金属的力学性能 因为金属经压力加工后,使金属毛坯的晶粒变得细小,并使原始铸造组织中的内部缺陷(如微裂纹、气孔、缩松等)压合,因而提高了金属的力学性能。,(2)节省金属材料 由于压力加工提高了金属的强度等力学性能,因此,可相对地缩小零件的截面尺寸,减轻零件的重量。另外,采用精密锻造时,可使锻件的尺寸精度和表面粗糙度接近成品零件
3、,实现锻件少切屑或无切屑加工。,(3)具有较高的生产率 除自由锻造外,其他几种压力加工方法都具有较高的生产率,如齿轮压制、滚轮压制等制造方法均比机械加工的生产率高出几倍甚至几十倍以上。 (4)生产范围广 金属压力加工可以生产各种不同类型与不同重量的产品,从重量不足1g的冲压件,到重达数百吨的大型锻件等都可以进行生产。,压力加工的不足之处是,不能获得形状复杂的制件,一般制件的尺寸精度、形状精度和表面质量还不够高,加工设备比较昂贵,制件的加工成本也比铸件高。另外,在压力加工过程中会对金属的内部组织和性能产生不利影响,需要在加工过程中进行热处理(如退火、正火等),使其发生回复与再结晶,消除压力加工产
4、生的不良影响。,三、金属压力加工基础知识 金属的可锻性是指金属在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。它与金属的塑性和变形抗力有关,塑性越好,变形抗力越小,则金属的可锻性越好,反之,则金属的可锻性越差。,1.金属的塑性变形 金属在外力作用下将产生塑性变形,其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够恢复原状,所以,不能用于成形加工,只有塑性变形这种永久性的变形,才能用于成形加工。同时,塑性变形会对金属的组织和性能产生很大影响,因此,了解金属的塑性变形对于理解压力加工的基本原理具有重要意义。,(1)金属塑性变形的实质 试验证明,金属单晶体的变形方式主要有滑移和孪晶两种,在大
5、多数情况下滑移是金属塑性变形的主要方式。如图7-2所示,金属单晶体在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面产生滑动,这种现象称为滑移。产生滑动的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。一般来说,滑移面是原子排列密度最大的平面,滑移方向是原子排列密度最大的方向。,理论上讲,理想的金属单晶体产生滑移运动时需要很大的变形力,但试验测定的金属晶体滑移时的临界变形力是理论计算数值的百分之一以下。这说明金属的滑移并不是晶体的一部分沿滑移面相对于另一部分作刚性的整体位移,而是通过晶体内部的位错运动实现的,如图7-3所示。,多晶体(如金属)是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成的。其塑性变形过程可以看
6、成是许多单个晶粒塑性变形的总和;另外,多晶体塑性变形还存在着晶粒与晶粒之间的滑移和转动,即晶间变形,如图7-4所示。但多晶体的塑性变形以晶内变形为主,晶间变形很小。由于晶界处原子排列紊乱,各个晶粒的位向不同,使晶界处的位错运动较难,所以,晶粒越细,晶界面积越大,变形抗力就越大,金属的强度也越高;另外,晶粒越细,金属的塑性变形可分散在更多的晶粒内进行,应力集中较小,金属的塑性变形能力也越好,因此,生产中都尽量获得细晶粒组织。,试验观察证明:金属在滑移变形过程中,一部分旧的位错消失,又大量产生新的位错,总的位错数量是增加的,大量位错运动的宏观表现就是金属的塑性变形过程。位错运动观点认为:晶体缺陷及
7、位错相互纠缠会阻碍位错运动,导致金属的强化,即产生冷变形强化现象。,(2)金属的冷变形强化 随着金属冷变形程度的增加,金属的强度指标和硬度都有所提高,但塑性有所下降,这种现象称为冷变形强化。金属变形后,金属的晶格结构严重畸变,形变金属的晶粒被压扁或拉长,形成纤维组织,如图7-5所示,甚至破碎成许多小晶块。此时金属的位错密度提高,变形难度加大,金属的可锻性恶化。低碳钢塑性变形时力学性能的变化规律如图7-6所示,其强度、硬度随变形程度的增大而增加,塑性、韧性则明显下降。,图7-5 金属冷轧前后多晶体晶粒形状的变化,图7-6 低碳钢的冷变形强化规律,2.回复与再结晶 经过冷变形的金属组织处于不稳定状
8、态,它具有自发地恢复到稳定状态的倾向。但是在室温下,金属原子的活动能力很小,这种不稳定状态的组织能够保持很长时间而不发生明显的变化。只有对冷变形金属进行加热,增大金属原子的活动能力,才会发生显微组织和力学性能的变化,并逐步使冷变形金属的内部组织状态恢复到稳定状态。对冷变形的金属进行加热时,金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化,如图7-7所示。,图7-7 冷变形金属加热时组 织与性能变化规律,(1)回复 将冷变形后的金属加热至一定温度后,使原子回复到平衡位置,晶粒内残余应力大大减小的现象称为回复。冷变形金属在回复过程中,由于加热温度不高,原子的活动能力较小,金属中的显微组织变化不大
9、,金属的强度和硬度基本保持不变,但金属的塑性略有回升,残余内应力部分消除。例如,冷拔弹簧钢丝绕制弹簧后常进行低温退火(也称定形处理),就是利用回复保持冷拔钢丝的高强度,消除冷卷弹簧时产生的内应力。,(2)再结晶 当加热温度较高时,塑性变形后的金属中被拉长了的晶粒重新生核、结晶,变为等轴晶粒的过程称为再结晶,再结晶恢复了变形金属的可锻性。再结晶是在一定的温度范围进行的,开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。纯金属的再结晶温度是: T再0.4T熔(K) 式中 T熔纯金属的热力学温度熔点。,合金中的合金元素会使再结晶温度显著提高。在常温下经过塑性变形的金属,加热到再结晶温度以上,使其发生再结晶
10、的处理过程称为再结晶退火。再结晶退火可以消除加工硬化,提高塑性,便于金属继续进行压力加工,如金属在冷轧、冷拉、冷冲压过程中,需在各工序中穿插再结晶退火对金属进行软化。有些金属如铅(Pb)和锡(Sn)其再结晶温度均低于室温,约为0,因此,它们在室温下不会产生冷形变强化现象,总是感觉很软。,(3)晶粒长大 产生纤维化组织的金属,通过再结晶,一般都能得到细小而均匀的等轴晶粒。但是如果加热温度过高或加热时间过长,则再结晶后形成的晶粒会明显地长大,成为粗晶组织(图7-8),从而使金属的力学性能下降,可锻性恶化。,3.冷加工与热加工的界限 从金属学的观点来讲,划分冷加工与热加工的界限是再结晶温度。在再结晶
11、温度以上进行的塑性变形属于热加工,而在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工。显然,冷加工与热加工并不是以具体的加工温度的高低来区分的。,例如,金属钨(W)的最低再结晶温度约为1 200,所以,钨即使是在稍低于1 200的高温下进行塑性变形仍属于冷加工;而锡(Sn)的最低再结晶温度约为-7,所以,锡即使是在室温下进行塑性变形却仍属于热加工。冷加工过程中由于冷变形强化,金属的可锻性趋于恶化。热加工过程中,由于金属同时进行着再结晶软化过程,可锻性较好,因此,能够顺利地进行大变形量的塑性变形,从而实现各种成形加工。,4.锻造流线与锻造比 (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
12、长方向呈带状分布;塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布,且在再结晶过程中不会消除。这种热锻后的金属组织具有一定的方向性,通常将这种组织称为锻造流线。锻造流线使金属的性能呈各向异性(见表7-1),即沿着流线方向(纵向)的抗拉强度较高,而垂直于流线方向(横向)的抗拉强度较低。,在设计和制造机械零件时,必须考虑锻件的锻造流线的合理分布。要尽量使锻件的锻造流线与零件的轮廓相吻合是锻件工艺设计的一条基本原则。例如,图7-9所示的吊钩、螺钉头和曲轴中的锻造流线的分布状态是合理的。,(2)锻造比 在锻造生产中,金属的变形程度常以锻造比Y来表示,即以变形前后的截面比、长度比或高度比表示。当锻造比Y=2
13、时,原始铸态组织中的疏松、气孔被压合,组织被细化,锻件各个方向的力学性能均有显著提高;当Y=25时,锻件中流线组织明显,产生明显的各向异性,沿流线方向力学性能略有提高,但垂直于流线方向的力学性能开始下降;当Y5时,锻件沿流线方向的力学性能不再提高,垂直于流线方向的力学性能急剧下降。,例如,以钢锭为坯料进行锻造时,应按锻件的力学性能要求选择合理的锻造比。对沿流线方向有较高力学性能要求的锻件(如拉杆),应选择较大的锻造比;对垂直于流线方向有较高力学性能要求的锻件(如吊钩),锻造比取22.5即可。,5.影响金属可锻性的因素 影响金属可锻性的因素主要有:金属化学成分、组织结构以及变形条件。 (1)化学
14、成分及组织结构的影响 一般来说,纯金属的可锻性优于其合金的可锻性;合金中合金元素的质量分数越高,成分越复杂,其可锻性越差;非合金钢中碳的质量分数越高,可锻性越差。纯金属组织和未饱和的单相固溶体组织具有良好的可锻性;合金组织中金属化合物增加会使其可锻性急剧恶化;细晶粒组织的可锻性优于粗晶组织。,(2)工艺条件的影响 在一定温度范围内,随着变形温度的升高,再结晶过程逐渐进行,金属的变形能力增加,变形抗力减少,从而改善了金属的可锻性。一般来说,变形速度提高,金属的可锻性变差。金属在挤压时呈三向压应力状态,表现出较高的塑性和较大的变形抗力;金属在拉拔时呈两向压应力和一向拉应力状态,表现出较低的塑性和较
15、小的变形抗力。,第二节 金属锻造工艺 一、坯料的加热 1.加热目的 加热的目的是提高金属的塑性和降低变形抗力,以改善其可锻性和获得良好的锻后组织。金属加热后可以用较小的锻打力量使坯料产生较大的变形而不破裂。非合金钢、低合金钢和合金钢锻造时应在单相奥氏体区进行,因为奥氏体组织具有良好的塑性和均匀一致的组织。,2.锻造温度范围 锻造温度范围是指由始锻温度到终锻温度之间的温度间隔。 (1)始锻温度 始锻温度是指开始锻造时坯料的温度,也是锻造允许的最高加热温度。这一温度不宜过高,否则可能造成锻件过热和过烧;但始锻温度也不宜过低,因为过低则使锻造温度范围缩小,缩短锻造操作时间,增加锻造过程的复杂性。所以
16、,确定始锻温度的原则是在不出现过热和过烧的前提下,尽量提高始锻温度,以增加金属的塑性,降低变形抗力,有利于锻造成形加工。非合金钢的始锻温度应比固相线低200左右,如图7-11所示。,(2)终锻温度 终锻温度是指坯料经过锻造成形,在停止锻造时锻件的瞬时温度。如果这一温度过高,则停锻后晶粒会在高温下继续长大,造成锻件内部晶粒粗大;如果终锻温度过低则锻件塑性较低,锻件变形困难,容易产生冷形变强化。所以,确定终锻温度的原则是在保证锻造结束前金属还具有足够的塑性以及锻造后能获得再结晶组织的前提下,终锻温度应稍低一些。非合金钢的终锻温度,常取800左右,如图7-11所示。常用金属材料的锻造温度范围见表7-2。,二、锻造成形 1.自由锻 自由锻(或自由锻造)是指只用简单的通用性工具,或在锻造设备的上、下砧铁之间直接对坯料施加外力,使坯料产生变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。自由锻一般分为手工自由锻和机器自由锻两种,其中手工自由锻一般用于生产小型锻件。自由锻在重型机械生产中具有重要地位,可以生产1
