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1、第二章 金属的塑性成形,基本要求：了解金属塑性成形工艺基础和常用塑性 成形工艺。重点难点：模膛锻造成形工艺和薄板冲压成形工 艺，包括各种成形模具结构、基本工序 和典型零件的工艺制订。,2.1 金属塑性成形的工艺基础,一、概述定义：利用锻压设备并借助加工模具对坯料施加外力使其产生塑性变形，从而改变坯料的尺寸和形状，并改善其内部组织和力学性能，获得所需毛坯或零件的成形加工方法。常见的塑性成形方法有：锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。,优点：（1）组织与性能优于铸件和切削加工件。（2）材料利用率和经济效益高。（3）效率高、成本低。,二、金属塑性变形理论基础1、变形种类弹性变形：材料在外力作用下会产生变
2、形；当外力消失后，所产生的应力和变形也消失的变形，称为弹性变形。塑性变形：当外载荷在材料内部所产生的内应力超过了材料的屈服强度以后，即使去掉外载荷，变形也不能完全消失的变形称为塑性变形。,注意：塑性变形发生时一定伴随有弹性变形的存在。当外力去除后，弹性变形必将消失，即发生“弹复”现象。弹复对某些压力加工件（如弯曲件）的加工质量有很大影响，必须采取适当的工艺措施以保证产品质量。,2、金属塑性变形的实质1)单晶体塑性变形 在金属塑性变形过程中，金属的晶粒内部产生了滑移和孪生，晶粒间也产生了滑移并转动。单晶体受正应力拉伸 单晶体的刚性滑移 孪生变形 位错运动,2)多晶体塑变 多晶体是由许多晶格位向不
3、同的晶粒所组成的，其塑性变形可视为各个单晶体塑性变形的综合效应。,三、塑性变形对金属组织和性能的影响1、冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷变形：金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。,1）冷塑性变形对金属组织的影响 金属在外力作用下进行塑性变形时，金属内部的晶粒也由原来的等轴晶粒变为沿加工方向拉长的晶粒，当变形度增加时，晶粒被显著拉长成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。平行于纤维组织方向上强度、塑性和韧性就相应提高，而垂直于纤维方向上塑性和韧性则降低。,(1)加工硬化：金属材料经冷塑性变形后，随变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性和韧性下降的现象。加工硬化对金属组织性能的影响：压力加工中，加工
4、硬化增大了材料继续变形的阻力。通过加工硬化可以提高金属强度、硬度和耐磨性。加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发地回复到稳定状态的倾向。,2）冷塑性变形对金属性能的影响,(2)晶粒择优取向，形成变形织构，使金属具有各向异性。随着变形程度的增加，各晶粒的晶格位向会沿变形方向发生转动，当变形量很大时，金属中每个晶粒位向大体趋于一致，此种现象称为择优取向，所形成的结构称为变形织构。织构现象使金属呈现各向异性，这对金属材料的加工和使用性能带来不利影响。例如织构板材冷冲筒形制品时，由于不同方向上的性能差异，变形不一致，冲出的产品壁厚不均匀，边缘不整齐，形成所谓制耳。,残余内应力：是指去除外力后，残留在金属
5、内部的应力，它主要是由于金属在外力作用下变形不均匀而造成的，内应力是一种弹性应力，在整个工件中，它处于一种暂时平衡状态，在压应力附近必有一拉应力与之相平衡。,2、冷变形后金属再加热时组织与性能变化,1)回复 随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减小，内应力降低，但金属组织还没有显著变化的现象。T回=（0.250.3）T熔,2)再结晶 随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或杂质为核心形成新的晶粒，从而消除了加工硬化的现象。T再=0.4T熔,1）热变形：指金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。金属在热变形过程中，同时存在加工硬化和再结晶两个过程，但其加工硬化随时被再结
6、晶所消除，因而在此过程中表现不出加工硬化现象。,3、热变形和温热变形,特点：（1）金属的致密度提高，铸件进行热变形加工后，铸件中的气孔、缩松等被压合在一起，使金属的致密度提高。（2）组织细化、力学性能提高。热变形能使坯料粗大的铸态组织碎化，然后转化为细化的再结晶组织，从而提高力学性能。（3）出现锻造流线，金属性能呈现异向性。,热变形时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布，塑性杂质随金属变形沿主要伸长方向呈带状分布再结晶过程中，晶粒形状发生改变，而夹杂物却仍然保留原来的分布形态，使金属热变形后的细小均匀再结晶组织内留有明显的夹杂物痕迹，称为锻造流线或锻造流纹，它使金属呈
7、现异向性。锻造流线的明显程度与金属的变形程度有关，变形程度越大，锻造流线越明显。变形程度常用锻造比Y表示：,拔长时的锻造比为 Y拔Fo/F 镦粗时的锻造比为 Y镦Ho/H 式中Fo/F分别为坯料变形前后的横截面积；Ho/H分别为坯料变形前后的高度。,生产实践表明，当Y锻2时，铸态组织中的疏松、气孔被压合，组织得到细化，工件纵向和横向的力学性能均有显著提高。当 Y锻25时，工件锻造流线明显，呈各向异性，纵向力学性能略有提高，但横向的力学性能开始下降。当Y锻 5时，工件纵向力学性能不再提高，而横向力学性能急剧下降。因此，以钢锭为坯料进行锻造时，应按零件的力学性能要求选择合适的锻造比。如拉杆等主要在
8、流线纵向受力的零件，锻比选2.55；而吊钩、曲轴等主要在流线横向受力的零件，锻比选取22.5。若用钢材为坯料进行锻造，因钢材在轧制过程中已经产生了锻造流线，锻造时主要考虑流线与零件轮廓的符合程度，故锻比取1.31.5即可。,a)螺钉头 b)曲轴 c)吊钩锻造流线的合理分布,2)温热变形 介于冷变形和热变形之间的塑性变形。温热变形中既有加工硬化，又有回复或再结晶现象；用温热变形得到的工件，其强度和尺寸精度比热变形高，而变形抗力比冷变形低。如温热挤压、半热锻等。,四、金属的锻造性能1、锻造性能的概念 锻造性能是指金属材料锻压成形的难易程度，亦称可锻性。金属的锻造性能常用塑性和变形抗力来综合衡量。通
9、常认为材料的塑性大、变形抗力小，则其锻造性能好；反之则为差。,2、影响锻造性能的因素影响锻造性能的因素有金属的本质和工艺条件。,金属的本质(1)化学成分：不同化学成分的金属锻造性能不同。纯金属的锻造性能比合金要好；合金元素的种类、含量越多，锻造性能越差。如纯铁、低碳钢的锻造性能很好，高碳钢的锻造性能比较差，高合金钢锻造性能更差。,(2)金属组织：同一成分的合金，当组织结构不同时，其锻造性能也不同。固溶体组织的锻造性能好于化合物组织；单相组织的锻造性能比多相组织好；铸态的柱状晶和粗晶组织不如细晶粒的锻造性能好。,工艺条件(1)变形温度 温度越高，原子活动能力越大，滑移所需的应力越小，因而变形抗力
10、降低、塑性增加，故加热有助于提高锻造性能。但加热不当（温度过高或时间过长）会产生氧化、脱碳、过热等缺陷，甚至造成过烧使产品报废。所以金属的变形必须严格控制在规定的温度范围内。常用金属的锻造温度范围可以参考表2-2。锻造温度的选择,（2）变形速度 变形速度是指单位时间内的变形程度。随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服硬化现象，金属的塑性下降，变形抗力增加；随着变形的进一步增加，金属的温升（热效应）使可锻性得到改善，变形速度越大越明显。,（3）应力状态拉应力的数目越多，塑性越差，压应力的数目越多，塑性越好。同号应力状态下的变形抗力大于异号的变形抗力。,对各种压力加工方法的影响：金属在挤压、
11、模锻时三向受压，表现出较高的塑性和较大的变形抗力，且三向压应力相差越小，变形抗力越大；适合于塑性较低的金属的压力加工；金属在拉拔时两向受压，一向受拉，表现出较低的塑性和较小的变形抗力；适合于塑性好的金属的压力加工。,挤压,拉拔,3、金属的加热1)金属加热的目的 加热金属，可以提高塑性，降低变形抗力，减小设备吨位，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。,2)钢加热时产生的缺陷 氧化 在高温下，钢的表面与炉气中的氧化性气体（如O2、CO2、H2O及SO2等）反应，生成氧化皮，造成金属的烧损和增加压力加工设备的磨损。,脱碳 钢的表面层的碳元素被烧损，含碳量降低的现象。脱碳使零件表面的机械性能降低，因
12、而脱碳层深度不能大于加工余量；加热温度越高，时间越长，脱碳层就越深。,过热 当钢的加热超过某一温度，且在此温度下停留时间过长，钢的晶粒迅速增大，形成粗大晶粒的现象。过热使材料的晶粒粗大，机械性能下降；过热的钢件可以通过多次锻造及热处理方法来消除，但对于不产生相变重结晶的钢种（如1Cr18Ni9Ti），不能用热处理来细化晶粒，消除过热。,过烧 钢被加热到接近熔点时，炉气中的氧化性气体渗入到晶界，使晶界的物质氧化，形成易熔的共晶氧化物，严重地破坏了晶粒之间的联接，锻造时易造成崩碎的现象。过烧的钢件只能报废回炉重新冶炼。,热应力与内部裂纹 热应力：钢锭或钢材在加热时，因表面的温度高于中心的温度，这一
13、温差使表面的热膨胀大于心部的热膨胀，在中心产生三向拉应力，这种由温差引起的应力称为热应力。钢锭或钢材在加热时，由于产生的热应力与坯料中的残余应力叠加，超过了钢的强度极限将产生裂纹。钢的导热性差（如高合金钢），坯料断面尺寸大，加热速度快，则表里温差大，热应力也大。,2.2 锻造一、自由锻造 只采用通用工具或直接在锻造设备的上、下砥铁间使坯料变形获得锻件的方法称为自由锻。,1、自由锻造的主要设备及工序1）自由锻的设备 锻锤是以冲击力使坯料变形的，设备规格以落下部分的重量来表示。常用的有空气锤和蒸汽-空气锤。空气锤的吨位较小，只有50010000N，用于锻100Kg以下的锻件；蒸汽-空气锤的吨位较大
14、，可达1050KN，可锻1500Kg以下的锻件。液压机是以液体产生的静压力使坯料变形的，设备规格以最大压力来表示。常用的有油压机和水压机。水压机的压力大，可达500015000KN，是锻造大型锻件的主要设备。,2）自由锻造的主要工序自由锻工序分为基本工序、辅助工序、精整工序三类。基本工序是指锻造过程中直接改变坯料形状和尺寸的工艺过程，主要包括镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转等；辅助工序是为方便基本工序的操作而预先使坯料产生某些局部变形的工序，如钢锭的倒棱、拔长前的压肩等；精整工序是按图纸要求修整锻件的最后形状和尺寸、消除表面不平和歪斜的工序，如修整鼓形、平整端面、校直等。,（1）镦粗作用:制
15、得所需形状、尺寸的毛坯；使之具有较好的内部质量，提高性能。类型：平砧间镦粗 在带孔的垫板间镦粗 在漏盘或模子内局部镦粗,变形特点：变形不均匀 在塑性成形中，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。三个变形区：区：难变形区 区：大变形区 区：小变形区,应用范围：只适用于高度较小的盘类零件的毛坯锻造。即Ho/Do2.5。若长或高（Ho）径（Do）比太大，镦粗易弯曲或形成双鼓形。,（2）拔长使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长。作用：用于轴杆类锻件成形；改善锻件内部质量。,变形特点：锻比坯料变形前后的截面积之比。即当送进量太大时,拔长效率低,甚至拔不长。但送进量也不能过小
16、,因为过小会产生折叠，增加压下次数,这在一定程度上将降低拔长效率。拔长时坯料每送进压下一次,其变形情况与镦粗变形有类似特征,即侧表面产生鼓形,内部形成不均匀变形。所不同之处是：拔长时坯料要反复翻转压缩，因此，难变形区和小变形区得到反复交换而使变形趋于均匀。,（3）冲孔采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。方法:实心冲子冲孔 空心冲子冲孔 在垫环上冲孔,（4）弯曲（5）扭转（6）切割（7）错移,2.自由锻工艺规程的制定（1）绘制锻件图：工艺规程中的核心内容。以零件图为基础，结合自由锻工艺特点绘制而成。敷料：简化锻件形状，便于进行锻造而增加的一部分材料，亦称为“余块”。,余量：零件的加工
17、表面上增加供切削加工用的材料，具体数值结合生产的实际条件查表确定。,公差：锻件名义尺寸的允许变动量。根据锻件形状、尺寸并考虑到生产实际情况加以选取。,锻件图的绘制方法锻件图上的锻件形状用粗实线描绘，零件的形状在锻件图内用双点划线绘制，锻件的公称尺寸和公差注在尺寸线的上面，零件公称尺寸注在尺寸线下面并加括号。,（2）确定坯料重量和尺寸质量计算：式中：G坯料坯料质量；G锻件锻件质量；G烧损加热时坯料表面氧化而烧损的质量。（第一次加热时取被加热金属的2%3%，以后各次加热取1.5%2%；）G料头在锻造过程中冲掉或切掉的金属的质量。如冲孔时坯料中部的料芯，修切端部产生的料头等。,（3）选择锻造工序根据
18、工序特点和锻件形状进行选择。盘类件：镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔；轴类锻件：拔长(或镦粗及拔长)、切肩和锻台阶；筒类锻件：镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔、在心轴上拔长；环类锻件：镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔、在心轴上扩孔；曲轴类锻件：拔长(或镦粗及拔长)、错移、锻台阶、扭转；弯曲类锻件：拔长、弯曲等。复杂形状的锻件：各种工序的组合。,3、自由锻件结构设计自由锻件结构设计的原则：(1)形状简单(2)避免曲面交接(3)避免锻肋(4)凹坑代凸台,二、模膛锻造 模膛锻造简称为模锻，是将加热到锻造温度的金属坯料放到固定在模锻设备上的锻模模膛内，使坯料受压变形，从而获得锻件的方法。模锻特点：生产率较高；锻件尺寸精
19、确，加工余量小；可锻出形状复杂锻件；材料利用率高；而且生产率高，模锻件流线组织合理、力学性能好等优点，金属消耗少，模锻件重量不超过150公斤，只适合批量、大批生产。,1、锤上模锻 采用模锻锤进行模锻（1）设备：蒸汽空气锤；无砧座锤；高速锤模锻蒸汽空气锤 原理：(与自由锻蒸汽空气锤相比)锤头大，打击刚度大；锤头运动精度高，上下模间错移量小；锤头行程不固定，工艺适应性强，模锻锤一般均由一名工人操纵。,（2）分类：开式模锻：两模间间隙的方向与模具运动方向垂直，在模锻过程中间隙不断减小。具有飞边。,闭式模锻：两模间间隙的方向与模具运动方向平行，在模锻过程中间隙大小变化不大。没有飞边，适合低塑性合金变形
20、。,（3）模锻模具 材料要求：锤上模锻模具在高温下具有足够的强度、韧性、硬度和耐磨性，良好的导热性、耐热疲劳性、回火稳定性和抗氧化性。尺寸较大模具还应具有高的淬透性和较小的变形。锻模结构：包括上、下模；模膛；分模面。,模膛分类：制坯模膛：形状复杂的模锻件，使金属能合理分布，接近锻件形状，更容易地充满模膛。,拔长模膛：减少坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度，模锻件沿轴向横截面积相差较大时使用。滚压模膛：减少坯料某一部分的横截面积，以增加另一部分的横截面积。弯曲模膛：对于弯曲的杆类模锻件进行弯曲。,模锻模膛预锻模膛：使坯料变形到接近锻件的形状和尺寸。进行终锻时，金属容易充满终锻模膛。减小终锻
21、模膛磨损，延长寿命，斜度、圆角大。终锻模膛：使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，模膛形状应和锻件的形状相同；锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。有飞边槽，斜度、圆角小。,2、锤上模锻的工艺设计（1）模锻工艺分析模锻工艺方法与锻件外形紧密相关。形状相似的锻件，其模锻工艺及锻模结构基本相同。a.锻件类型 长轴类锻件；短轴类（圆饼类）；复合类型锻件。,b.工艺分析、长轴类模锻件 锻件长度与宽度之比较大，锻造过程中锤击方向垂直于锻件的轴线。常采用拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻等。、圆饼类模锻件 长、宽比近似为1的锻件，常选用镦粗、终锻等工步。,（2）锻件图的绘制 确定分模面：
22、上下锻模在模锻件上的分界面（表示方法：aa）分模面的选择原则：确保模锻件能从模膛中取出，应选在模锻件最大尺寸的截面上 上下模膛在分模面处轮廓一致，以防止发生错模 选在能使模膛深度最浅的位置处，便于充满模膛 应使零件上所加敷料最少 分模面应为一个平面，使模膛深度基本一致，差别不宜过大，便于制造锻模,余量、公差、敷料及冲孔连皮 余量一般为14mm，公差一般取在(0.33)mm之间。当模锻件孔径d 25mm时孔应锻出，但需留冲孔连皮。冲孔连皮的厚度与孔径d有关，当孔径为3080mm时,冲孔连皮的厚度为48mm。,模锻斜度：模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度，以便于从模膛中取出锻件。对于锤上模锻
23、：模锻斜度一般为515。模锻斜度与模膛深度和宽度有关。模膛深度与宽度的比值(h/b)越大，取的斜度值也越大。经验公式：（25）外壁斜度（即当锻件冷却时锻件与模壁离开的表面）内壁斜度（即当锻件冷却时锻件与模壁夹紧的表面）,模锻圆角半径 在模锻件上所有两平面的交角处均需做成圆角。目的：、增大锻件强度、便于金属流动，充满模膛、避免锻模上的内尖角处产生裂纹（应力集中）、减缓锻模外尖角处的磨损，从而提高锻模的使用寿命。经验公式：R（34）r R内圆角半径，r外圆角半径 r1.512mm模膛深度越深，圆角半径取值就越大。,（3）坯料的计算：与自由锻相同。（4）选择模锻设备：既“吨位”（查表和经验公式）（5）修整工序（或称后续工序）、切边和冲孔切去飞边和连皮、校正切边之后，锻件变形，在终锻模膛及专门的校正模中进行校正。、热处理清除模锻件的过热组织或加工硬化组织，使模锻件具有所需的力学性能，正火或退火。、清理 去除氧化皮、油污及其他表面缺陷（残余毛刺）。酸洗、滚筒处理、喷丸处理。,
