机械制造基础第三章课件压力加工

3 3 金属塑性成型金属塑性成型1.1.定义：利用金属在外力作用下产生的塑性变定义：利用金属在外力作用下产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能形，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。的原材料、毛坯或零件的生产方法。2.2.常用加工方法：常用加工方法：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压料冲压 3 3 特点特点:1.1.1.1.组织致密，机械性能好；组织致密，机械性能好；2.2.2.2.金属浪费小；金属浪费小；3.3.3.3.生产率高；生产率高；4.4.4.4.对材料有所限制，适用于塑性好的材料。对材料有所限制，适用于塑性好的材料。4 4 锻压应用：锻压应用：轧制、挤压、拉拔轧制、挤压、拉拔轧制、挤压、拉拔轧制、挤压、拉拔 金属型材、板材、钢材、金属型材、板材、钢材、金属型材、板材、钢材、金属型材、板材、钢材、线材等；线材等；线材等；线材等；自由锻、模锻自由锻、模锻自由锻、模锻自由锻、模锻 承受重载的机械零件，如机承受重载的机械零件，如机承受重载的机械零件，如机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；器主轴、重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；器主轴、重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；器主轴、重要齿轮、连杆、炮管、枪管等；板料冲压板料冲压板料冲压板料冲压 汽车制造、电器、仪表及日用品。汽车制造、电器、仪表及日用品。汽车制造、电器、仪表及日用品。汽车制造、电器、仪表及日用品。3.1 金属塑性成型的理论基础金属塑性成型的理论基础3.1.1 金属的塑性变形的实质3.1.2 塑性变形对金属组织和性能的影响3.1.3 金属的锻造性能3.1.1金属的塑性变形的实质金属的塑性变形的实质1.单晶体的塑性变形滑移 金属金属晶体晶体单晶体（理想金属）单晶体（理想金属）:原子排列原子排列方式完全一致的晶体。方式完全一致的晶体。多晶体（实际金属）多晶体（实际金属）:具有不同位具有不同位向的多个单晶体构成。向的多个单晶体构成。按单晶体整体刚性滑移理论金属变形所需的外力需很大，而实按单晶体整体刚性滑移理论金属变形所需的外力需很大，而实际测得数据较小。说明实际晶体结构及塑性变形不完全如此。际测得数据较小。说明实际晶体结构及塑性变形不完全如此。晶体位错：晶体内原子某列或若干列错排导致晶格扭曲的现象晶体位错：晶体内原子某列或若干列错排导致晶格扭曲的现象 晶体中大量存在的缺陷。晶体中大量存在的缺陷。切应力导致不稳定的高能位原子从相对平衡位置移动到另一个切应力导致不稳定的高能位原子从相对平衡位置移动到另一个位置，形成位错运动。位置，形成位错运动。2 2、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形 晶内变形晶内变形 晶粒内部的滑移变形晶粒内部的滑移变形晶间变形晶间变形 晶粒间的移动和转动晶粒间的移动和转动第二节 金属塑性变形3.1.2塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响1.组织变化组织变化a、晶粒伸长；b、晶格发生扭曲；c、晶内、间产生碎晶。受以上综合因素的影响受以上综合因素的影响,增大进一步滑移的阻力增大进一步滑移的阻力.3.1.2塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响2.2.加工硬化加工硬化:随变形程度的增大随变形程度的增大,金属的强度和硬金属的强度和硬度上升度上升,塑性和韧性下降的现象塑性和韧性下降的现象.意义意义:可提高金属的强度和硬度可提高金属的强度和硬度3.回复和再结晶回复和再结晶回复：将已产生加工硬化的金属加热到一定温度，原子获得的热能将原子回复到正常排列位置，消除了晶格扭曲，降低了内应力，从而部分消除了加工硬化，使强度、硬度略有下降，塑性韧性略有上升。回复温度：T回=（0.250.3）T熔再结晶：再结晶：当温度继续升高到一定程度时，金属原子获当温度继续升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，按变得更高的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，按变形前的晶格结构结晶成新的细小晶粒，从而完全消除形前的晶格结构结晶成新的细小晶粒，从而完全消除了加工硬化现象，这种以新的晶粒代替原变形晶粒。了加工硬化现象，这种以新的晶粒代替原变形晶粒。再结晶温度再结晶温度 ：T再=0.4T熔再结晶的实际应用：再结晶的实际应用：a、内应力全部消除内应力全部消除,明显提高机械性能；降低明显提高机械性能；降低变形能力变形能力.b、消除低温变形后的加工硬化，恢复金属的良、消除低温变形后的加工硬化，恢复金属的良好塑性，以利于后续的冷加工变形。好塑性，以利于后续的冷加工变形。4.冷变形和热变形冷变形和热变形冷变形：在再结晶温度以下的变形；需大的变形力,变形程度不宜大,降低模具寿命或工件破裂.适合热变形后坯料的再加工.热变形：金属在再结晶温度以上的变形；加工硬化消除,变形抗力小,塑性好,适合复杂工件.冷变形冷变形优点：强度、硬度提高强度、硬度提高 表面质量好，无脱碳表面质量好，无脱碳 尺寸精度高尺寸精度高 易操作易操作 缺点：屈服强度升高，变形抗力增加屈服强度升高，变形抗力增加塑性变形程度受到限制，退火后可进一步变形塑性变形程度受到限制，退火后可进一步变形应用：冷挤、冷拉、冷轧 热变形热变形 优点:无加工硬化无加工硬化 塑性好塑性好 变形抗力小变形抗力小 晶粒细化晶粒细化 缺点：表面质量差表面质量差 尺寸精度差尺寸精度差 操作困难操作困难应用：热轧、热挤压、自由锻造和模型锻造 5.纤维组织和锻造比纤维组织和锻造比纤维组织 各项异性 铸锭在压力加工中产生塑性变形的同时，坯料中铸锭在压力加工中产生塑性变形的同时，坯料中的塑性夹杂物（的塑性夹杂物（MnSMnS，FeSFeS等）沿最大变形方向伸长，等）沿最大变形方向伸长，而脆性夹杂物（而脆性夹杂物（FeOFeO，SiO2SiO2等）被打碎成链状，这等）被打碎成链状，这种点条状或链状的结构被称为纤维组织。种点条状或链状的结构被称为纤维组织。例如：例如：45 45 平行纤维组织方向平行纤维组织方向:d d=17.5%;=17.5%;a ak k=62J/cm2=62J/cm2 垂直纤维组织方向垂直纤维组织方向:d d=10%;=10%;a ak k=30J/cm2=30J/cm2 1.1.与轮廓相符不被切断；与轮廓相符不被切断；2.2.拉应力与纤维方向一直，切应力垂直；拉应力与纤维方向一直，切应力垂直；锻造比锻造比 拔长：拔长：Y YF0/FF0/F镦粗镦粗:Y YH0/HH0/HY Y2.52.55 5，形成纤维组织，随着锻造比的提高，形成纤维组织，随着锻造比的提高，锻料组织细密程度接近极限，力学性能不再提高。锻料组织细密程度接近极限，力学性能不再提高。锻造比选择：锻造比选择：拔长：拔长：Y Y2.52.53 3；型材取；型材取 Y Y1.11.11.5 1.5 镦粗镦粗:Y:Y2 22.52.53.1.3金属的锻造性能金属的锻造性能金属的塑性变形抗力是衡量锻造性能的主要指标，影响金属的塑性变形抗力是衡量锻造性能的主要指标，影响金属的塑性变形抗力是衡量锻造性能的主要指标，影响金属的塑性变形抗力是衡量锻造性能的主要指标，影响锻造性能的因素：锻造性能的因素：锻造性能的因素：锻造性能的因素：1.1.1.1.金属的本质金属的本质金属的本质金属的本质 (1)(1)(1)(1)化学成分，纯金属优于合金，碳分数增加性能降化学成分，纯金属优于合金，碳分数增加性能降化学成分，纯金属优于合金，碳分数增加性能降化学成分，纯金属优于合金，碳分数增加性能降低。低。低。低。(2)(2)(2)(2)组织：固溶体组织优于化合物，细小均匀晶粒组织组织：固溶体组织优于化合物，细小均匀晶粒组织组织：固溶体组织优于化合物，细小均匀晶粒组织组织：固溶体组织优于化合物，细小均匀晶粒组织优于粗晶粒组织。优于粗晶粒组织。优于粗晶粒组织。优于粗晶粒组织。2.2.2.2.加工条件加工条件加工条件加工条件 (1)(1)(1)(1)变形温度变形温度变形温度变形温度 (2)(2)(2)(2)变形速度变形速度变形速度变形速度 (3)(3)(3)(3)应力状态应力状态应力状态应力状态2.2.2.2.加工条件加工条件加工条件加工条件 (1)(1)变形温度变形温度保持材料在始锻温度和终锻温度范围内，温度过保持材料在始锻温度和终锻温度范围内，温度过高出现过热和过烧现象；温度过低出现硬化和开高出现过热和过烧现象；温度过低出现硬化和开裂现象。裂现象。(2)(2)变形速度变形速度恢复和再结晶不能克服硬化，材料塑性降低，抗力增大；变形消耗部分能量转变形消耗部分能量转为热能，锻造条件改善，为热能，锻造条件改善，变形速度开始加快。变形速度开始加快。(3)(3)(3)(3)应力状态应力状态应力状态应力状态三向应力状态，压应力数目越多，材料塑性好，变形三向应力状态，压应力数目越多，材料塑性好，变形过程不容易开裂，但变形抗力增加，如塑性差选择挤过程不容易开裂，但变形抗力增加，如塑性差选择挤压金属。压金属。拉应力数目越多，金属滑移变形容易，变形抗力小，拉应力数目越多，金属滑移变形容易，变形抗力小，但内部缺陷扩大容易失去塑性断裂。如塑性好选择拉但内部缺陷扩大容易失去塑性断裂。如塑性好选择拉拔金属，减少能耗。拔金属，减少能耗。3.2锻造锻造1.1.定义：定义：利用冲击力或压力使金属在砥铁间或锻利用冲击力或压力使金属在砥铁间或锻模中变形，从而获得所需形状和尺寸锻件的加工模中变形，从而获得所需形状和尺寸锻件的加工方法。方法。2.2.方法：方法：自由锻自由锻 模锻模锻 3.2.1 自由锻自由锻1.1.定义：自由锻是只用简单的通用性工具，或在锻造定义：自由锻是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锻件的方法。何形状及内部质量锻件的方法。方法方法:手工自由锻手工自由锻 ,机器自由锻机器自由锻2.2.自由锻设备：自由锻设备：空气锤空气锤:500-10000N,100kg:500-10000N,100kg以下锻件以下锻件.蒸汽空气锤蒸汽空气锤:10-150KN,1500kg:10-150KN,1500kg 液压机液压机 ：5000-15000 KNKN，300300吨吨,静静压力使锻件变形，噪音小，压力大，锻透性压力使锻件变形，噪音小，压力大，锻透性好。好。3.3.自由锻工序：自由锻工序：自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。3.13.1 基本工序基本工序 使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达到锻件要求的形状和尺寸的工序。到锻件要求的形状和尺寸的工序。镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转、切割镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转、切割 b、拔长：、拔长：使坯料横截面积减小，长度增大使坯料横截面积减小，长度增大 c c、冲孔：使坯料具有通孔或盲孔冲孔：使坯料具有通孔或盲孔 3.23.2 辅助工序：是为了便于基本工序的实现对坯辅助工序：是为了便于基本工序的实现对坯料进行少量变形的工序料进行少量变形的工序.压钳口、压肩、倒棱压钳口、压肩、倒棱3.3 3.3 精整工序精整工序:基本工序之后对锻件少量变形的整形工序,符合要求,提高质量.滚圆、摔圆、矫正滚圆、摔圆、矫正 a a、镦粗：使坯料高度减小、横截面积增大、镦粗：使坯料高度减小、横截面积增大 a a、工具简单、通用性强、灵活性大，、工具简单、通用性强、灵活性大，b b、锻件可从数十克到二、三百吨，对于大型和特大、锻件可从数十克到二、三百吨，对于大型和特大型锻件，自由锻是唯一的锻造方式，型锻件，自由锻是唯一的锻造方式，c c、生产效率低，、生产效率低，d d、对操作工人的技艺要求高，工人劳动强、对操作工人的技艺要求高，工人劳动强度大，度大，e e、锻件精度差，后续机械加工量大。、锻件精度差，后续机械加工量大。4.4.特点：特点：5.5.应用：应用：单件、