机械制造技术第2版 任家隆 任近静第5章

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1、,第5章 金属的塑性成形,金属塑性成形也称为金属压力加工，是指利用金属 的塑性使金属材料在外力的作用下产生塑性变形，从 而制成所需产品的一种加工工艺方法。 5.1 金属塑性成形工艺基础 5.2 金属塑性成形方法,5.1 金属塑性成形工艺基础,5.1.1 金属塑性变形的实质 5.1.2 塑性变形后的金属组织和性能 5.1.3 金属的可锻性,金属塑性变形的实质：单晶体的主要变形形式是晶体滑移变形，即晶体的一部分在外力作用下与另一部分沿着一定的晶面（滑移面）产生相对滑移和孪生变形（即晶体产生孪生变形部分相对其余部分产生位向的改变）。 实际的金属材料多为多晶体变形。多晶体的变形方式除晶粒内部的晶内变形

2、外，还有晶粒之间的滑动和转动的晶间变形。,5.1.1 金属塑性变形的实质,5.1 金属塑性成形工艺基础,滑移变形：晶体内的一部分相对于另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图所示。,单晶体的塑性变形,5.1.1 金属塑性变形的实质,5.1 金属塑性成形工艺基础,孪生变形:也叫双晶变形,即晶体在外力作用下,其内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动,如图所示。,晶体的双晶变形,5.1.1 金属塑性变形的实质,5.1.2 塑性变形后的金属组织和性能,塑性变形以后，金属的组织要产生一系列变化： 晶粒内产生滑移带和孪生带, 导致各个晶粒位 向渐趋于一致,形成纤维组织；拉伸时,晶粒

3、间、滑 移面的转动和外力一致,导致晶粒位向渐趋于一致, 形成变形结构；晶粒间还会因晶粒的破碎而产生 碎晶；变形的不均匀还会引起各种内应力等。,金属性能的改变： 随着变形程度的加大，金属产生了硬度增高、延性降低的现象即加工硬度现象（冷硬化），在此温度下的变形为冷变形。 加工硬化的金属材料通过加热提高温度使其得到部分消除或全部消除。当加热温度升高到该金属熔点的0.10.3倍时,晶粒中的原子由于热运动的加剧而得到正常的排列,消除了晶格扭曲,加工硬化部分消除。这一过程称为“回复”,该温度即为回复温度。,5.1.2 塑性变形后的金属组织和性能,当温度继续升高到熔点的0.40.5倍时,大量的热 能使金属再

4、次结晶出无应力应变的新晶粒,从而消除了 加工硬化现象,即出现了再结晶过程，此温度就称为再 结晶温度。在再结晶温度以上的塑性变形称为热变形。 由于金属具有再结晶组织,无加工硬化现象,因而金属就 具有较高的力学性能。所以大部分金属压力加工常采 用热变形方法。在实际工业生产中,常通过加热产生再 结晶的方法使金属再次获得良好的塑性, 此称之为再结 晶退火。,5.1.2 塑性变形后的金属组织和性能,5.1.3 金属的可锻性,金属的可锻性表示金属材料经受压力加工的能 力,通常由金属的塑性和变形抗力来综合衡量。塑性 好、变形抗力（金属抵抗变形的能力）越小,则可锻 性越好；反之,则越差。 金属的可锻性取决于金

5、属的本质和变形条件。 1. 金属的本质 金属的本质是指金属的化学成分和金属的组织结 构。,2. 变形条件 (1)变形温度的影响 提高金属变形时的温度，可改善金属的可锻性，但加热温度过高会产生过热、过烧、脱碳、严重氧化等现象，甚至使锻件报废；但温度过低，金属加工硬化现象严重，难以加工，强行锻造也会破坏锻件。（如图5-1） (2)变形速度的影响 一方面，变形速度 ，金属塑性 ，变形抗力 ，可锻性 ； 另一方面，变形速度提高到某一值以上时，金属温度 ，塑性 ，变形抗力 ，可锻性 。,5.1.3 金属的可锻性,图5-1 低碳钢的力学性能与温度变化关系图,5.1.3 金属的可锻性,(3)应力状态的影响,

6、图5-2 拔制应力状态,图5-3 镦粗应力状态,图5-4 挤压应力状态,5.1.3 金属的可锻性,5.2 金属塑性成形方法,5.2.1 锻造方法综述 5.2.2 板料冲压 5.2.3 其他塑性成形方法及成形技术发展,1.特点 锻造是对坯料锻打或锻压,通过产生延性变 形而得到所需制件的一种成形加工方法。锻造 加工方法有以下特点： 1)锻件具有较好的力学性能。 2)节约材料。 3)生产率高。 4)适应范围广。 5)锻件的结构工艺性要求高，难锻造复杂的毛坯和零件。 6)锻件的尺寸精度低。,5.2.1 锻造方法综述,2.锻造方法 常见的锻造方法主要有自由锻和模锻。 (1)自由锻造 1)自由锻造的特点和

7、分类。 自由锻造特点:工具简单,应用广泛,对设备精度要求低, 生 产周期短；但生产率低, 尺寸精度不高, 表面粗糙度值大,对 工人的操作水平要求高,自动化程度低。 自由锻分手工锻造和机械锻造两种。 前者用于生产率低 的小型锻造件生产;后者生产率高,为自由锻的主要生产方式。 自由锻的主要设备有锻锤和液压机(如水压机)两大类。,5.2.1 锻造方法综述,2）自由锻工艺规程的制订。自由锻的基本工序包 括切割、镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移和扭转等。 绘制锻造图。 坯料质量及尺寸计算。 锻造工序的选择。 选择锻造设备。,5.2.1 锻造方法综述,图5-5 锻件图,3）自由锻件的结构工艺性。 4）胎模锻。

8、胎膜锻造是在自由锻设备上使用胎膜（不固定在锥上的锻模）进行锻造的方法。 胎模主要有扣模、筒模和合模三种。,5.2.1 锻造方法综述,图5-6 扣模,5.2.1 锻造方法综述,图5-7 筒模,图5-8 合模,(2)模锻 模锻是利用模具使毛坯在模膛内受压变形而获得锻件的 锻造方法。 1) 模锻的特点 模锻时的坯料在模具模膛中被迫塑性流动成形，其锻件质量较高,力学性能较好。 锻件形状复杂,尺寸精度更高,表面质量较好。 生产率高,且劳动强度小,操作简便,对工人技术要求低,易实现机械化,适于大批量的中、小锻件的生产。 节约金属材料,锻件加工余量和公差较小。,5.2.1 锻造方法综述,2) 模锻的分类,锤

9、上模锻 a.锻模结构 b.锻模模膛 制坯模膛 :用来将形状 较为复杂的模锻件的坯料 初步模锻成为接近模锻件 形状的模膛, 主要有拔长模膛、压模膛、成形模 膛、弯曲模膛等。,图5-10 锻模结构,5.2.1 锻造方法综述,模锻模膛:用于模锻件成形为最终锻件。模锻 模膛分为预锻模膛和终锻模膛 。 预锻模膛:用于将坯料成形为基本形状接近于锻 件形状的模膛。(无飞边槽) 终锻模膛 :锻件最终锻 造成形的模膛。(有飞边槽),5.2.1 锻造方法综述,图5-12 飞边槽,3)模锻工艺规程的制订,绘制模锻锻件图 选择合理的分模面。 余量及公差。 确定连皮。 模锻斜度和圆角半径。 绘制模锻锻件图。,5.2.1

10、 锻造方法综述,图5-14 连皮 a)直角连皮 b)斜底连皮,图5-15 模锻的斜度和圆角半径,计算坯料质量和尺寸 确定模锻工序 盘类模锻件的工序 杆轴类零件的工序 选择锻造设备 4)模锻件的结构工艺 模锻件的结构工艺性原则： 模锻件必须有一个合理的分型面。 模锻件的形状力求简单、对称、平直，便于 金属充满模膛和顺利取出锻件。 模锻件上应该避免窄沟、深沟、深槽、深孔 和多孔结构。,5.2.1 锻造方法综述,5.2.2 板料冲压,板料冲压是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。 短片： 板料冲压的特点： 1）可冲压形状复杂、强度高、刚性好、质量轻的薄壁零件。 2）冲压件的精度高、表面粗糙度值小

11、、互换性较好。 3）节省材料。 4）生产率高。,1.冲压工序 (1)分离工序 分离工序是使板料分离开的工序，如冲载、切断等工序。 1)冲裁工序 冲裁变形过程分为三个阶段: 弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂分离阶段。 冲裁间隙: 是冲载凹凸模刃口直径的差值。 凸、凹模刃口尺寸的计算： 落料时，d凸模=D凹模Z(Z为间隙值) 冲孔时，D凸模=d凸冲+Z,5.2.2 板料冲压,冲裁力的计算。 冲裁件的排样。 2) 整修工序 利用整修模将落料的外缘或冲孔件内缘刮去一层薄的金属层，以提高冲件尺寸精度，减小表面粗糙度值。 3）精密冲裁,5.2.2 板料冲压,图5-17 整修示意图,图5-16 冲裁过程变形

12、图,（2）成形工序 成形工序是使板料产生塑性变形以达到所需形状的工序。 1）弯曲工序 弯曲是将板料弯成所需要的半径和角度的成形方法。,5.2.2 板料冲压,图5-18 弯曲变形过程简图,2）拉深工序 拉深是将板料毛坯在具有一定圆角半径的凸凹模作用下加工成开口零件的方法，也称为拉延。 拉深变形过程。 主要拉深参数。 可采用拉深前后面积不变原则计算拉深件的毛坯尺寸。 3）翻边工序 翻边工序是用扩孔的方法在带孔件的孔口周围冲出凸缘的一种工序。,5.2.2 板料冲压,2.冲裁模 冲裁工艺在冲模上进行。冲模可分为简单冲模、连续模和复合模三种。,5.2.2 板料冲压,图5-19简单冲模 1-凸模 2-凹模

13、 3-上模板 4-下模板 5-模柄 6凸模压板7凹模压板 8卸料版 9导板 10定位销 11导套 12-导柱,图5-20 连续模 1-落料凸模 2-定位销 3-落料凹模 4-冲孔凸模 5-冲孔凹模 6-卸料板 7-坯料 8-成品 9-废料,图5-21 落料及拉深复合模 1-凸凹模 2-拉深凸模 3-压板(卸料板)上模板 4-落料凹模 5顶出器 6-条料 7档料销 8-坯料9拉深件10-零件 11-切余材料,3. 板料冲压件结构工艺性,冲 压 件,5.2.2 板料冲压,弯 曲 件,拉 深 件,5.2.3 其他塑性成形方法及成形技术发展,（1）精密模锻 在锻模上锻造出形状复杂、精度高、表面质量好、实现少无切削加工的锻件。 （2）高能成形 以高能量源为动力的快速成形方法，变形速度快、精度高、成本低，可改变金属材料的可锻性。 （3）超塑性成形 利用材料的超塑性进行成形加工的方法。 （4）CAD/CAE/CAM在压力成形加工中的研究和应用。,精密锻件,超塑性成形,