第六章金属塑性成形的工艺理论基础.ppt

第二篇金属的塑性成形工艺 指固态金属在外力作用下产生塑性变形 获得所需形状 尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法 塑性成形工艺 具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加工 外力 冲击力 锤类设备压力 轧机 压力机 第六章金属塑性成形的工艺理论基础第七章锻压成形工艺第八章板料的冲压成型工艺第九章金属的其他成形工艺 第一节金属塑性成形的基本工艺第二节金属的塑性变形第三节塑性变形理论及其假设第四节影响塑性变形的因素 第六章金属塑性成形的工艺理论基础 模锻 板料冲压 轧制 挤压 拉拔 第一节金属塑性成形的基本工艺 自由锻 锻压的基本方式 1 轧制成形轧制也叫压延 是金属坯料通过一对旋转轧辊之间的间隙而使坯料受挤压产生横截面减少 长度增加的塑性变形过程 它是生产型材 板材和管材的主要方法 生产效率高 产品质量好 成本低 节约金属 图6 1轧制 挤压成形是使坯料在外力作用下 使模具内的金属坯料产生定向塑性变形 并通过模具上的孔型 而获得具有一定形状和尺寸的零件的加工方法 2 挤压成形 图6 3挤压 3 拉拔成形拉拔是使金属坯料通过一定形状的模孔 使其横截面减小 长度增加的加工方法 如图6 5所示 产品形状尺寸精确 表面质量好 机械强度高 常用于拔制金属丝 细管材和异型材等 图6 5拉拔 4 自由锻 自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下砥铁之间 施加冲击力或压力 使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法 坯料在锻造过程中 除与上下砥铁或其它辅助工具接触的部分表面外 都是自由表面 变形不受限制 锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证 所用设备与工具通用性强 自由锻主要用于 单件 小批生产 也是生产大型锻件的唯一方法 5 模锻 模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内 在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法 坯料变形时 金属的流动受到模膛的限制和引导 从而获得与模膛形状一致的锻件 1 由于有模膛引导金属的流动 锻件的形状可以比较复杂 2 锻件内部的锻造流线比较完整 从而提高了零件的力学性能和使用寿命 3 锻件表面光洁 尺寸精度高 节约材料和切削加工工时 4 生产率较高 5 操作简单 易于实现机械化 6 生产批量越大成本越低 与自由锻相比 模锻的优点是 1 模锻是整体成形 摩擦阻力大 故模锻所需设备吨位大 设备费用高 2 锻模加工工艺复杂 制造周期长 费用高 故只适用于中小型锻件的成批或大批生产 模锻广泛应用于 国防工业和机械制造业 按质量计算模锻件在飞机上占85 坦克占70 汽车占80 机车占60 模锻的缺点 6 板料冲压 板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压 使之产生变形或分离 从而获得零件或毛坯的加工方法 板料冲压又称薄板冲压或冷冲压 冲压工艺广泛应用于 汽车 飞机 农业机械 仪表电器 轻工和日用品等工业部门 板料冲压的特点 1 在常温下加工 金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力 2 金属板料经冷变形强化 获得一定的几何形状后 结构轻巧 强度和刚度较高 3 冲压件尺寸精度高 质量稳定 互换性好 一般不需机械加工即可作零件使用 4 冲压生产操作简单 生产率高 便于实现机械化和自动化 5 可以冲压形状复杂的零件 废料少 6 冲压模具结构复杂 精度要求高 制造费用高 只适用于大批量生产 第二节金属的塑性变形 一 金属塑性变形后的组织和性能 金属受外力作用后 先产生弹性变形 当外力超出其屈服强度后 开始产生塑性变形 塑性变形过程中随着弹性变形的存在 当外力去除后 弹性变形将恢复 该现象称为 恢复 金属在常温下经塑性变形后 其内部组织变化如下 图6 8 1 组织变化的特征 晶粒沿变形最大方向伸长 晶格与晶粒均发生畸变 产生内应力 晶粒间产生碎晶 2 性能变化的特征 随着变形程度的增加 其强度和硬度不断提高 塑性和韧性不断下降 有利 强化金属材料 不利 进一步的塑性变形带来困难 加工硬化 加工硬化是一种不稳定的现象 具有自发回复到稳定状态的倾向 在室温下不易实现 回复 当温度升高 原子获得热能其热运动加剧 使原子排列回复到正常状态 从而消除晶格扭曲 并部分消除加工硬化 0 25 0 3 T熔 K 回复时的温度称为回复温度T回 再结晶 当温度继续升高到T熔的0 4倍 金属原子获得更多的热能 开始以碎晶或杂质为核心结晶成为细小而均匀的再结晶新晶粒 从而消除全部加工硬化 再结晶时的温度称为再结晶温度T再 0 35 0 4 T熔 K 再结晶退火 为了消除加工生产中加工硬化给金属继续进行塑性变形带来的困难 生产中以再结晶以上的温度加热已加工硬化的金属 使其发生再结晶而再次获得良好的塑性的操作工艺 金属在不同温度下变形对其组织和性能的影响不同 因此金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种 二 金属塑性变形的类型 生产中常用它来提高产品的性能 1 冷变形 变形温度低于再结晶温度时 金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象 变形后的金属只具有加工硬化组织 这种变形称为冷变形 特点 产品表面品质好 尺寸精度高 力学性能好 一般不需再切削加工 特点 可以用较小的功产生较大变形 可加工出形状复杂 尺寸较大的塑件 再结晶组织力学性能较高 金属表面易形成氧化皮 产品尺寸精度和表面品质较差 劳动条件较差 生产率较低 2 热变形 变形温度高于再结晶温度时 变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消 变形后金属具有细而均匀的再结晶等轴晶粒组织 而无任何加工硬化痕迹 这种变形称为热变形 金属压力加工生产多采用热变形来进行 金属压力加工生产采用的最初坯料是铸锭 其内部组织很不均匀 晶粒较粗大 并存在气孔 缩松 非金属夹杂物等缺陷 三 纤维组织的利用原则 铸锭加热后经过压力加工 由于金属经过塑性变形及再结晶 改变了粗大的铸造组织 获得细化的再结晶组织 将铸锭中的气孔 缩松等结合在一起 使金属更加致密 其机械性能会有很大提高 基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形 它们将沿着变形方向被拉长 呈纤维形状 这种结构叫纤维组织 平行于纤维方向的机械性能比垂直于纤维方向的好 金属的变形程度越大 纤维组织就越明显 机械性能的方向性也就越显著 具有纤维组织的金属 各个方向上的机械性能不相同 使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断 使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致 最大切应力与纤维方向垂直 纤维组织的化学稳定性强 其分布状况一般不能通过热处理消除 只能通过不同方向上的锻压成形才能改变 为充分利用纤维组织的方向性 遵循的原则 当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时 螺钉头部与杆部的纤维被切断 不能连贯起来 受力时产生的切应力顺着纤维方向 故螺钉的承载能力较弱 如图示a 实例 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时 如图示b 纤维不被切断且连贯性好 纤维方向也较为有利 故螺钉质量较好 圆形 方形 矩形截面上各质点在镦粗时的流动方向图6 10 第三节塑性变形理论及其假设 一 最小阻力定律 金属在外力作用发生塑性变形时 如果金属质点在几个方向上都可移动 那么金属质点就优先沿着阻力最小的方向移动 这就叫做最小阻力定律 演示 金属塑性成形的本质是什么 金属塑性的流动 图6 11方形截面镦粗后的截面形状 在压力加工过程中 常用锻造比 Y锻 来表示变形度 锻造比的计算公式与变形方式有关 拔长时的锻造比为 Y拔 S0 S 镦粗时的锻造比为 Y镦 H0 H 三 塑性变形程度的计算 二 塑性变形前后体积不变的假设 体积不变的假设 金属在受外力作用发生塑性变形时 由于金属材料连续而致密 其体积变化很小 即V变形前 V变形后 成形时金属流动模型 体积不变的假设假设 最小阻力定律 如果坯料是钢坯 可求出其直径D 圆钢 或边长A 方钢 再按标准选取直径或边长 从而计算出钢坯的长度 例如采用拔长锻造时 坯料所用的截面S坯料的大小应保证满足技术要求规定的锻造比Y拔 即坯料截面积应为 S坯料 Y拔S锻件 根据锻造比即可得出坯料的尺寸 第四节影响塑性变形的因素 金属的锻造性能 衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一个工艺性能 金属的可锻性好 适合于采用压力加工成形 金属的可锻性差 不宜于选用压力加工方法成形 可锻性常用衡量 塑性变形抗力 综合衡量 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力 它反映了金属塑性变形的能力 塑性高 则金属在变形中不易开裂 变形抗力是指金属对变形的抵抗力 它反映了金属塑性变形难易程度 变形抗力小 则金属的变形能耗小 良好的锻造性是指金属材料既有较高的塑性 又有较小的变形抗力 影响金属锻造性能的因素有 锻造性 一 材料性质的影响 1 金属的化学成分 化学成分不同 塑性不同 锻造性能不同 纯金属 可锻性比合金好 碳钢 含碳量越低 可锻性越好 合金钢 钢中含有形成碳化物的元素 如铬 钼 钨 钒等 其可锻性显著下降 下列合金中 锻造性能最好的是 最差的是 a 高合金钢b 铝合金c 中碳钢d 低碳钢 2 金属的组织状态 组织结构不同 锻造性能不同 单一固溶体组成的合金 塑性好 锻造性能好 碳化物 如渗碳体 的可锻性差铸态柱状组织和粗晶结构不如晶粒细小均匀的组织可锻性好 金属内部有缺陷也不一样 二 加工条件的影响 1 变形温度的影响 提高变形时的温度 改善可锻性 并对生产率 产品质量及金属的有效利用均影响大 但温度过高必将产生过热 过烧 脱碳和严重氧化等缺陷 锻件报废 应严格控制锻造温度 始锻温度和终锻温度间的温度范围 以合金状态图为依据 若加热温度过高 晶粒急剧长大 金属力学性能减低 这种现象称为 过热 若加热温度接近熔点 晶界氧化破坏了晶粒间的结合 合金失去塑性而报废 这种现象称为 过烧 始锻温度 锻造加热时允许的最高温度 原则 是在不出现过热和过烧的前提下 尽量提高始锻温度 碳钢的始锻温度为AE线下200 终锻温度 停止锻造的温度 终锻温度对于锻件质量有很大影响 太高 停锻后晶粒会重新长大 降低锻件力学性能 太低 再结晶困难 加工硬化现象严重 变形抗力太大 甚至产生锻造裂纹 也易损坏设备和工具 指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量 2 变形速度 其对可锻性的影响是矛盾的 由于变形速度的增大 回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象 金属塑性 抗力 可锻性变坏 变形速度的大于某一临界值 金属在变形过程中 消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能 使温度升高 塑性 变形抗力 可锻性好 但热效应现象除高速锤锻造外 一般压力加工的变形过程不明显 故采用较小的变形速度为宜 V变越小 材料的可锻性越好 三 应力状态的影响 挤压时为三向受压状态 压应力使金属内部原子间距离减小 不易使缺陷扩展 故金属的塑性会增高 但压应力使金属内部摩擦阻力增大 变形抗力亦随之增大 拉拔时为两向受压一向受拉的状态 拉应力使金属原子间距增大 尤其当金属的内部存在气孔 微裂纹等缺陷时 在拉应力作用下 缺陷处易产生应力集中 使裂纹扩展 甚至达到破坏报废的程度 图6 13挤压时金属应力状态 图6 14拉拔时金属应力状态 金属在经受不同