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Chapter3金属塑性成型,Chapter3金属塑性成型,概述：1.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、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。2.常用加工方法：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压,轧制,挤压拉拔,无缝钢管,金属丝,自由锻模锻板料冲压,特点:,组织致密，机械性能好；金属浪费小；生产率高；对材料有所限制，适用于塑性好的材料。,3.1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,1.单晶体的塑性变形滑移孪晶,一般绝大多数情况下都是以滑移方式进行的；而滑移是通过位错的逐步迁移来实现的只有塑性较差的金属(如Cd,Zn,Mg)等在较大的冲击载荷下以及在低温下有可能产生孪生变形。,2.多晶体塑性变形,多晶体塑性变形就每个晶粒内部来说与单晶体相同，还应考虑晶界和位向对变形的影响。是晶内变形与晶间变形的综合,晶界的影响：晶界原子排列混乱，明显阻碍滑移的进行，所以晶粒越细小（晶界增多），多晶体的宏观变形抗力越大，即材料的强度越高。,晶粒位向的影响：多晶体在受到外力作用时，塑性变形首先发生在位向最有利的晶粒中，如图中的晶粒A和B。随着外力增加，作用在位向不太有利的滑移面上的切应力达到了塑性变形所需要的数值，塑性变形开始遍及越来越多的晶粒。各晶粒的变形先后不一致，变形量也不一致，这就造成了多晶体变形的不均匀性。当晶粒细小时，会使这种不一致现象分散开，使不均匀性得到缓解，所以晶粒越细小，材料的塑性也越好。,3.1.2塑性变形对金属组织和性能的影响,1.组织变化,a、晶粒伸长；b、晶格发生扭曲；c、晶间产生碎晶。,3.1.2塑性变形对金属组织和性能的影响,2.加工硬化,性能变化：,经过塑性变形,物理、化学性能,电阻增加，抗腐蚀能力降低,力学性能,强度、硬度升高（利），塑性、韧性下降（弊）,理、化和力学性能,加工硬化,经过塑性变形,铜丝冷变形时的力学性能变化,加工硬化的应用：强化金属材料的方法之一,纯铁和低碳钢,抗拉强度增加400500MPa,高碳钢（细片状珠光体组织）,抗拉强度可增加1000MPa以上,对于不能通过热处理强化的材料，显得尤为重要,其他方面：金属材料具有加工硬化能力，零件在偶尔过载时可防止突然断裂；还可以使各种冷加工工艺得以进行。,70%变形度,80%变形度,经塑性变形的材料吸收了部分变形功，内能增高，结构缺陷增多，处于不稳状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势;但由于室温下原子扩散能力低，可以保持亚稳状态；当冷形变的金属受热时原子扩散能力增强，将发生回复、再结晶等过程。,3.回复和再结晶,变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图,3.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。只是使内应力及电阻率等性能显著降低。用于降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性的场合。比如冷拔高强度钢丝回复温度：T回=（0.250.3）T熔,再结晶：当温度继续升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，开始一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，从而完全消除了加工硬化现象，这种以新的晶粒代替原变形晶粒，形成的新晶粒与原来的晶粒晶格类型相同，只是在变形组织内部以新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒。再结晶温度：T再=0.4T熔,再结晶的实际应用：,a、消除不均匀的铸态结构，细化晶粒，熔合缩松和气孔，使组织细密，明显提高机械性能；b、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。,4.冷变形和热变形,热变形：再结晶温度以上的变形；冷变形：金属在再结晶温度以下的变形；,热变形,优点:无加工硬化，存在再结晶组织塑性好变形抗力小晶粒细化缺点：表面质量差脱碳尺寸精度差操作困难应用：热轧、热挤压、自由锻造和模型锻造,冷变形,优点：强度、硬度提高表面质量好，无脱碳尺寸精度高易操作缺点：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应用：冷挤、冷拉、冷轧,5.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，坯料中的塑性夹杂物（MnS，FeS等）沿最大变形方向伸长，而脆性夹杂物（FeO，SiO2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。例如：45平行纤维组织方向:d=17.5%;ak=62J/cm2垂直纤维组织方向:d=10%;ak=30J/cm2,纤维组织对性能的影响,不利的影响,过大的变形量使材料垂直于纤维方向的力学性能有所下降,解决方法,控制变形量:Y=S0/S,有利的影响,使纤维方向合理分布，可提高材料的承载能力,如何合理分布？,使工件受拉方向平行于纤维方向使工件受剪方向垂直于纤维方向使纤维沿零件的轮廓分布而不被切断,1.与轮廓相符不被切断；2.拉应力与纤维方向一直，切应力垂直；,锻造比,锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。拔长时的锻造比为Y拔=A0/A=L/L0Y2.53镦粗时的锻造比为Y镦=A/A0=H0/HY22.5一般情况下，增加锻造比，对改善金属的组织和性能是有利的。但是锻造比太大是无益的。,3.1.3金属的锻造性能,是金属材料在压力加工时成形的难易程度。可锻性的衡量指标1）塑性：材料的塑性越好，其可锻性越好。2）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。可锻性的影响因素：1）金属的本质(1)化学成分C%越低，材料的可锻性越好(2)组织纯金属和固溶体具有良好的可锻性。,2）变形条件,变形温度：T温越高，材料的可锻性越好。,应力状态：,变形速度：V变越小，材料的可锻性越好。,三向压应力塑性最好、变形抗力最大。三向拉应力塑性最差、变形抗力最小。,3.2锻造,1.定义：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方法。2.方法：自由锻、模锻,3.2.1自由锻,方法：手工自由锻机器自由锻,2.设备：空气锤：65750Kg蒸汽空气锤630Kg5T液压机,锻锤吨位=落下部分总重量=活塞+锤头+锤杆压力机吨位=滑块运动到下始点时所产生的最大压力,3.2.1自由锻,3.基本工序：完成锻件基本变形和成形的工序。镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转、切割a、镦粗：使坯料高度减小、横截面积增大,3.2.1自由锻,b、拔长：使坯料横截面积减小，长度增大,c、冲孔：使坯料具有通孔或盲孔,压机拔长,压机开坯,3.2.1自由锻,4.辅助工序：压肩、倒棱、压钳口,5.精整工序滚圆、摔圆、矫正,6.应用：单件、小批量生产及维修工作,7.自由锻工艺规程的制定,1）.锻件图的绘制,1）机械加工余量,2）公差,3）敷料,2）.坯料重量和尺寸的计算,G坯=（1+k）G锻,G坯=G锻+G切料+G芯料+G烧,K消耗系数,（1/31/4）余量,a、工具简单、通用性强、灵活性大，b、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，,c、生产效率低，d、对操作工人的技艺要求高，工人劳动强度大，e、锻件精度差，后续机械加工量大。,8.特点：,9.应用：单件、小批量生产及维修工作,10.自由锻件结构工艺性,避免斜面和锥度避免曲面相交避免加强筋和凸台采用组合工艺,自由锻的结构工艺性,3.2.2模型锻造,1.锤上模锻,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。,a锤上模锻设备：蒸汽空气模锻捶,b锻模结构,锻模,模膛形成锻件基本形状和尺寸的空腔。,飞边槽,桥部增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛,仓部容纳多余的金属,b、锻模及锻模模膛,制坯模膛拔长模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛模锻模膛预锻模膛终锻模膛,（1）单模膛锻模（2）多模膛锻模,C锻模工艺规程的制定,1.绘制锻件图,1）分模面的选择,分模面应选在锻件的最大截面处；,分模面的选择应使模膛浅而对称；,分模面的选择应使锻件上所加敷料最少；,分模面应最好是平直面。,2)确定加工余量、公差和敷料,加工余量：14mm,公差：0.33mm,3）设计模锻斜度,外壁斜度：570,内壁斜度：7120,4）设计模锻圆角,外圆角：r=1.512mm,内圆角：R=（23）r,5）确定冲孔连皮,e、特点：,生产率高；锻件的尺寸精度和表面质量高；材料利用率高；可锻造复杂锻件模具成本高、设备昂贵；锻件不能任意大，一般不得超过150kg。,f、典型应用曲柄、曲轴、连杆、扳手、起重机吊钩,典型应用曲柄、曲轴、连杆、扳手、起重机吊钩,模锻结构工艺性,a、模锻件上应具有一个合理的分模面b、非配合表面应设计成非加工表面c、模锻件上与分模面垂直的非加工表面，应设计出模锻斜度d、两个非加工表面形成的角(包括外角和内角)都应按模锻圆角设计,e、模锻件外形应力求简单、平直和对称，尽量避免模锻件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、高台等结构,f、模锻件的结构中应避免窄沟、深槽、深孔或多孔结构,g、形状复杂的锻件应采用锻焊或锻-机械加工连接的方法,2.压力机上模锻,(1)曲柄压力机上模锻(2)平锻机上模锻(3)摩擦压力机上模锻,(4)特点：,变形均匀无振动,噪音小一次行程完成,效率高余量,公差,斜度小,(5)应用：大批量生产中/小型锻件,3.胎模锻,在自由锻设备上利用可移动的胎模生产模锻件的方法,（1）扣模,用于生产长杆非回转体锻件,（2）套筒模,开式套模主要用于生产回转体锻件(如齿轮、法兰盘等)。闭式套模生产端面带有凸台或凹坑的回转体锻件,（3）合模,用于生产形状复杂的非回转体锻件(如叉形件、连杆等),3.3板料冲压,薄板的冲压成型是利用冲模将薄板材料进行分离或变形的加工方法。板料冲压多在常温下进行，所以又叫冷冲压。,1.特点：,(1)可以冲压出形状复杂的零件；(2)由于是冷变形，冲压产品重量轻，强度、刚度好，精度高；(3)生产率高；(4)冲压模具和冲压设备昂贵。板料冲压常用的金属材料有低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性好的合金钢。,2.冲压设备,剪床(2)冲床,3.3.1冲压基本工序,1.分离工序,3.3.1冲压基本工序,a、变形过程弹性变形阶段塑性变形阶段断裂分离阶段,b、凸凹模间隙：,凸凹模间隙通常为板厚的0.21,(1)落料,(2)冲孔,(3)修整,(4)其它分离操作,分离穿孔,打孔纵切,纵剪切缝开缺口,2.变形工序,(1)拉深利用冲裁后得到的平板坯料变形成开口空心零件。,(2)旋压,加工空心回转体件,(3)弯曲,将坯料弯成具有一定角度和曲率的变形工序,cracking,(4)其它成形工序,翻边压筋缩口胀形,Example,Ironing展薄拉伸;doming成拱成形;seaming接缝,3.3.2冲压模具,简单冲模连续冲模复合冲模,1.简单冲模,一次冲程只完成一个工序,2.连续冲模,一次冲程在模具的不同部位同时完成数道工序,3.复合冲模,一次冲程在同一部位同时完成数道工序,3.3.3冲压件结构工艺性,1.冲压件形状及尺寸2.冲压件简化工艺及节省材料3.冲压件精度和表面质量.,1.冲压件形状及尺寸,(1)对冲孔落料件的要求,1.冲压件形状及尺寸,(2)对拉深件的要求,1.冲压件形状及尺寸,(3)对弯曲件的要求,2.冲压件简化工艺及节省材料,3.冲压件精度和表面质量.,落料:ITl0；冲孔:IT9；弯曲:ITl0IT9；拉深:ITl0IT8；修整:IT71T6；,3.4其它塑性成形方法,3.4.1精密模锻3.4.2轧制3.4.3挤压与拉拔3.4.4超塑性成形,3.4.2轧制,原理：金属材料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得所要求的截面形状并改