材料成型基础-金属塑性成型

第3章金属塑性成型,什么是塑性？塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性与刚性的区别是什么？材料变形抗力塑性反映材料产生永久变形的能力。刚性反映材料抵抗变形的能力。,塑性的基本概念,金属塑性成型是使金属坯料在外力作用下发生塑性变形，以获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的方法，也称压力加工。,金属塑性成型的基本概念,塑性成形,体积成形,板料成形,锻造,轧制,挤压,拉拔,冲裁,弯曲,拉深,成形,按金属受力和变形特点的不同,(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。轧制是获得型材、板材、管材等金属原材料的主要方法。,举例：汽车车身板、烟箔等,金属塑性成型的主要生产方式,(2)挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。挤压是生产有色金属型材及管子的主要方法，可以获得各种复杂的等截面。,正挤,反挤,（3）拉拔：金属坯料被拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。拉拔是获得金属丝的唯一方法。利用轧制或挤压后的型材为坯料，可拉制各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型材。（高精度、小表面粗糙度）,(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工,我国自行研制的万吨级水压机,B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等,万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环,(5)冲压：金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。,塑性成形的特点,(1)质量比铸件好(尺寸精度高，表面质量好、性能好)；a.细化晶粒；b.消除微观缺陷。(2)不产生切削，金属利用率高；(3)易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；(4)设备较庞大，相对铸造能耗较高。,3.1金属的塑性变形,金属拉伸时的应力应变曲线（低碳钢）,具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，坯料内产生应力而变形。随着应力大小不同，其变形可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个连续阶段，其中塑性变形阶段对金属材料的组织及性能影响最大。压力加工就是利用塑性变形阶段改变金属坯料的形状和尺寸、改善金属材料内部组织，从而改善金属零件的力学性能。,一、塑性变形的实质,金属材料是晶体结构，金属受到外力会使金属内部产生应力。当内应力超过弹性极限，发生伸长或歪扭（应力消失，变形消失）弹性变形当内应力超过屈服极限值，发生滑移（不可逆变形）塑性变形,金属的变形实际上就是组成金属的晶粒变形，包括晶内变形和晶间变形。,（1）晶内变形晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。其中滑移变形是主要的，孪生变形是次要的，一般仅起条件作用。但对于密排六方金属，孪生变形也起着重要的作用。（2）晶间变形晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。,1）滑移,在力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动。这些晶面和晶向被称为滑移面和滑移方向。滑移的结果是使大量的原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，产生宏观的塑性变形。,一般来说，滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生，因为原子密度最大的晶向，原子间距小，原子间结合力强。通常每一种晶胞可能存在几个滑移面，而每一滑移面又同时存在几个滑移方向，滑移面和其上的一个滑移方向，就构成了一个滑移系。,滑移系的存在只说明金属晶体产生滑移的可能性。要事滑移能够发生需要沿滑移方向上作用有一定大小的切应力，称为临界切应力。,临界切应力是材料本身的属性，与外应力和滑移系的取向无关。称为取向因子。M取值小的滑移系难以产生变形，称为硬取向。M取值大的滑移系易于产生变形，称为软取向。,晶体的滑移过程，实质上是位错的移动和增殖的过程。由于在这个过程中位错的交互作用，位错反应和相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错难以越过这些障碍。要使金属继续变形，就需要不断增加外力，便产生了加工硬化。,刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意,螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意,2）孪生,孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部分称为“形变孪晶”，以区别于由退火过程中产生的孪晶。与滑移过程相似，孪生也是通过位错运动拉力实现的，每层镜面与它相邻镜面沿孪生方向移动小于一个原子间距的距离。,M,孪生与滑移的区别,由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不均匀的；孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而滑移时，滑移面两边晶体位向不变；由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后仍可观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。,（2）晶间变形,晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。多晶体受力变形时，沿晶界处可能产生切应力，当此切应力足以克服晶粒彼此间相对滑动的阻力时，便发生相对滑动。,由于各晶粒所处位向不同，其变形情况及难易程度亦不相同，这样，在相邻晶粒间必然引起力的相互作用而可能产生一对力偶，造成晶粒间的相互转动。,晶间变形不能简单地看成是晶界处的相对机械滑移，而是晶界附近具有一定厚度的区域内发生应变的结果。这一应变是晶界沿着最大切应力方向进行的切应变，应变量沿晶界不同点是不同的，即使在同一点，不同的变形时间，其切变量也是不同的。,在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要有其它变形机制相协调。这是由于晶界强度高于晶内，其变形比晶内困难。还由于晶粒在生长的过程中，各晶粒相互接触形成犬牙交错状态，造成对晶界滑移的机械阻碍作用。如果发生晶界变形，容易引起结晶结构的破坏和产生裂纹，因此结晶变形量只能是很小的。,晶界的本质,1、晶界处点阵畸变较大，存在着晶界能；2、晶界处的原子排列的不规则性；3、晶界处的原子偏离其平衡位置，具有较高的动能；4、晶界处存在有较多的空位、位错等缺陷；5、晶界处原子的扩散速度较大；6、晶界的熔点较低。,为什么晶界处的强度高于晶内?,31,原因：晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的。也就是说导致晶体产生变形的位错滑移在晶界处受阻，滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,位错塞积,二、塑性变形后金属的组织和性能,1对金属组织的影响（1）在晶粒内部出现滑移带和孪生带等组织,多晶铜拉伸后，各个晶粒滑移带的光学显微镜照片。铜是FCC晶体，滑移系是111/，有12种组合。由图看出，每个晶粒有两个以上的滑移面产生了滑移。由于晶粒取向不同，滑移带的方向也不同。,（2）晶粒形状的变化纤维组织冷加工变形后，金属晶粒形状发生了变化，变化趋势大体与金属宏观变形一致。轧制变形时，原等轴晶粒沿变形方向伸长。变形程度大时，晶粒呈现为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。当有夹杂或第二相质点时，则它们会沿变形方向拉长成细带状或粉碎成链状。,工业纯铁冷塑性变形后组织(150X)a)变形程度20%b)变形程度50%c)变形程度70%,（3）晶粒内产生胞状亚结构塑性变形主要是借位错的运动而进行的。经大变形后，位错密度可从退火状态的106107cm-2增加到10111012cm-2。位错运动及交互作用结果，其分布是不均匀的。它们先是比较纷乱地纠缠成群，形成“位错缠结”。如果变形量增大，就形成胞状亚结构。,（4）晶粒位向改变（变形织构）多晶体塑性变形时伴随着晶粒的转动，当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这种由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织，称为“变形织构”。,丝织构,板织构,（5）晶粒间产生碎晶（细晶强化）,2对金属性能的影响随着变形程度的增加，金属强度、硬度增加，而塑性、韧性降低。金属的性能将显示各向异性。,45号钢力学性能与变形程度的关系曲线,（1）加工硬化金属的塑性变形导致金属的力学性能随内部组织变化程度增加，强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化（形变强化）。,加工硬化的机理，普遍认为与位错的运动和交互作用有关。随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此，位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，增大了位错运动的阻力，引起变形抗力增加，从而提高了材料的强度。,加工硬化的实际意义使金属基体具有一定的抗偶然过载的能力。加工硬化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形。,是强化金属的重要手段之一。例18-8不锈钢，变形前0.2=196MPa，b=588MPa，40%轧制后0.2=784-980MPa，b=1174MPa可降低塑性，改善材料，如低碳钢的切削加工性能。,（2）回复和再结晶,变形储能使金属内能升高，处于热力学亚稳状态。退火过程中，原子活动能力升高，形变金属就能从亚稳态向稳态转变，而变形储能则是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。,形变储能:金属在冷变形时要消耗较多的热量，这个能量中的大部分转化为热，使金属的温度升高，小部分（百分之几到十几）以储存能的形式保留在金属中。退火：将材料加热到一定温度保持一定时间的热处理工艺，按目的又可分为去应力退火、成分均匀化退火等多种。,回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。,组织,力学性能,回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高，粗化严重时下降。,物理性能密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。形变储能：回复阶段部分释放，再结晶至长大初期完全释放。,内应力变化,回复阶段：大部分或全部消除宏观内应力，部分消除微观残余应力、点阵畸变应力；再结晶阶段：内应力可完全消除。,回复（Recovery）,所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。回复阶段一般加热温度在0.250.3Tm。,宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可见到晶粒内部组织的变化。(位错的胞状组织转变为亚晶),再结晶(Recrystallization),冷变形后的金属加热到一定温度(一般大于0.4Tm)或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒，位错密度显著降低，性能发生显著变化并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。再结晶的驱动力也是变形储能的降低。,变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度。再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。,冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：,再结晶温度,再结晶并不是只能在固定的温度以上才能发生，而是温度愈高，转变速度愈快。再结晶温度被定义为在一定时间内完成再结晶所对应的温度，通常规定在一小时内再结晶完成95%所对应的温度为再结晶温度。再结晶温度与材料的类型、纯度有关，而且和材料冷变形程度也有关。再结晶温度随着变形量的增加而降低，最终有一下限值，对于高纯金属，再结晶温度约为0.25-0.35TM，对于工业纯金属来讲，经验表明最低再结晶温度在0.35TM左右，一般再结晶温度用0.4TM来估计。,晶粒长大,再结晶刚完成时，得到的是等轴细晶粒组织。继续提高退火温度或延长保温时间，就会发生晶粒相互吞并而长大的现象，晶粒长大包括均匀长大的正常长大过程和反常的长大过程。,3冷变形和热变形,冷变形是指金属在其再结晶温度以下的塑性变形。由于冷塑性变形会引起金属的加工硬化，即出现变形抗力增大、塑性下降，还需进行回复或再结晶。热变形指金属材料在再结晶温度以上的塑性变形。工业生产中，高温进行的锻造，轧制等压力加工属热塑性加工。热塑性加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。,热加工特点在热加工过程中，金属同时进行着两个过程：形变强化和再结晶软化。塑性变形使金属产生形变强化，而同时发生的再结晶(称为动态再结晶)过程又将形变强化现象予以消除。因此，热加工时一般不产生明显加工硬化现象。,热塑性加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按其特征不同，可分为下述五种形式：(1)动态回复(2)动态再结晶（1）、（2）是在温度和负荷联合作用下发生的。(3)亚动态再结晶(4)静态再结晶(5)静态回复（3）、（4）、（5）是在变形停止之后，即在无负荷作用下发生的。,在金属冷形变后的加热过程中发生的，称为静态回复和静态再结晶。若提高金属变形的温度,使金属在较高的温度下形变时，金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与金属热变形同时发生的回复和再结晶称为动态回复(dynamicrecovery)和动态再结晶(dynamicrecrystallization)。动态回复：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变强化的同时发生的回复的现象。动态再结晶：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变强化的同时发生的再结晶的现象。这是在通常的热加工时发生的过程。在发生回复和再结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结晶造成的软化同时发生。,动、静回复和再结晶示意,热塑性变形机理,变形机理主要有：晶内滑移与孪生、晶界滑移和扩散蠕变。（1）晶内滑移高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑移系增多，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；晶界对位错运动阻碍作用减弱。因此，其主要机理仍然是晶内滑移。,（2）晶界滑移热塑性变形时，由于晶界强度较低，使得晶界滑动易于进行；又由于扩散作用的增强，及时消除了晶界滑动所引起的破坏。因此，与冷变形相比晶界滑动的变形量大得多；但在常规热变形条件下，晶界滑动相对于晶内滑动变形量还是小的。只有在微细晶粒的超塑性变形条件下，晶界滑动机理才是主要作用，并且晶界滑动是在扩散蠕变调节下进行的,（3）扩散蠕变蠕变：在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下，不断地发生变形。扩散蠕变是在应力场的作用下，由空位的定向移动引起的。,扩散蠕变示意a）空位和原子的移动方向b）晶内扩散c）晶界扩散,热塑性变形对组织和性能的影响1）对组织的影响（1）改善晶粒组织，细化晶粒铸态金属，粗大树枝状晶塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材，在热加工中通过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到改善。,（2）锻合内部缺陷铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属致密度。锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，空隙两壁闭合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合。没有足够大的变形，不能实现空隙闭合，很难达到宏观缺陷焊合。足够大三向压应力，能实现微观缺陷锻合。,（3）形成纤维组织热变形过程中，变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保留下来直至室温。,钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意,（4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布，从而改善了它们对金属基体的削弱作用。,2）对性能的影响细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布可提高材料的强度、硬度、塑性和韧性。纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性，沿流线方向比垂直流线方向具有较高的力学性能，其中尤以塑性、韧性指标最为显著。,三金属的塑性成型能力,可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的工艺性能。常用金属的塑性和变形抗力综合评定。影响因素金属本质和变形条件1金属的本质化学成份的影响金属组织的影响,化学成分,纯金属，良好的锻造性能;低碳钢成形比中、高碳钢容易；碳素钢成形比合金钢容易；,金属组织,固溶体的可锻性比化合物好面心立方比体心立方好细晶粒的塑性比粗晶粒好，但细晶粒的变形抗力较大。,2加工条件,（1）变形温度的影响（2）变形速度的影响（3）应力状态的影响（4）坯料表面质量,过高温度使金属氧化、脱碳、过热等，甚至过烧报废,适当,（4）坯料表面质量,表面粗糙或有划痕、微裂纹、粗大夹杂等都会产生应力集中，缺陷扩展甚至开裂。,表面预切削,3.2自由锻,什么叫锻造？锻造是对金属坯料施加外力（冲击力或静压力）的作用使之产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及性能的毛坯的制造方法。锻造的类型：自由锻造、胎模锻、模型锻造等。,锻造生产可优化金属的材质，提高金属的使用性能。常用于重要零件毛坯的制造。,锻造下料钢锭和大钢坯的下料由自由锻进行，其它材料的下料工作一般在下料工段完成。常用的下料方法有锯切、剪切、冷折、砂轮切割、火焰切割等方法。,金属的加热,金属的锻造温度范围碳素钢的锻造温度范围如图所示。从图中可看出，其锻造温度范围大部分在单相奥氏体区，锻造性良好。碳素钢的始锻温度一般在固相线以下200，终锻温度约为800左右。加热温度过高，会使钢件“过烧”；停锻温度过低，钢的锻造性变差使锻造困难，且会在锻件中产生较大的内应力，甚至使锻件出现裂纹。,加热用的燃料锻造加热用的燃料有三种类型，即固体燃料（烟煤、焦炭）、液体燃料（重油）和气体燃料（天然气、发生炉煤气）。加热设备金属的加热都是在加热炉中进行的。目前最常用的锻造加热炉有手锻炉、反射炉、重油炉、煤气炉等，此外还可用电加热炉。一般中小型锻造车间普遍使用燃煤反射炉。,钢料温度的目测法钢加热到530以上时，会产生不同的颜色。随温度的升高，钢的颜色由深变浅，亮度则逐渐增强。钢加热后的火色与温度的对照见下表。,钢加热后的火色与温度对照表,自由锻造是将加热的金属坯料置于锻锤或压力机的下砧铁上，对其进行锤击或静压使之产生塑性变形获得所需锻件的制造方法。坯料变形时，在水平面的各个方向自由流动而不受限制，因此称为自由锻造，简称自由锻。锻件形状和尺寸主要依靠锻工的操作技术保证。,自由锻,手工锻,机器锻,手工锻：通过人力，利用各种手用工具使坯料在铁砧上变形制成锻件的加工方法。特点：设备工具简单，投资少，成本低，生产率低，劳动强度大，只适用于个别小件的锻造。作用：在生产上常用于机器锻件的辅助工作或修理工作。,机器锻是自由锻的主要成型方法。,锤上自由锻,水压机上自由锻,空气锤,蒸汽锤,机器自由锻,锤上自由锻：锤头上下运动以冲击力使金属变形，其锻造能力以其落下部分的质量表示，称为吨位。水压机上自由锻：锤头向下以静压力使金属变形，其设备吨位以所产生的最大压力表示。常用水压机吨位为50012500t，适用于大、重型锻件的锻制。,利用压缩空气推动锻锤进行工作。以落下部分质量来表示锻造能力；常用吨位为0.051t，用于锻造小型锻件。,利用一定蒸汽或压缩空气推动锻锤进行工作。常用吨位为0.5-5t，用于锻造中型锻件，是模锻的主要设备。,水压机是以水基液体为工质的液压机。工作行程大，在全行程中都能对工件施加最大工作力，能更有效地锻透大断面锻件，没有巨大的冲击和噪声，劳动条件较好，环境污染较小。水压机特别适用于锻压大型和难变形的工件。,自由锻的特点：使用简单的通用性工具，不需要造价昂贵的专用模具可以锻造从几十克到几百吨重的锻件尺寸精度低、加工余量大、材料消耗多生产率低、劳动强度大自由只适用于单件和小批量生产对于大、重型锻件，自由锻是唯一的锻造方法,一、自由锻的工序,自由锻工序可以分为基本工序、辅助工序和修整工序三类。1.基本工序：锻造过程中直接改变坯料的形状和尺寸的工艺过程。包括：镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转等。2.辅助工序：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。如钢锭倒棱、压肩等。3.修整工序：按图纸要求修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面不平和歪扭的工序。如鼓形滚圆、端面平整、弯曲校正等。,1基本工序(1)镦粗：使毛坯高度减小而横截面积增大的锻造工序。主要用于锻制齿轮、法兰盘之类的饼状锻件镦粗的主要方法有平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。A平砧镦粗：指毛坯在上下平砧间进行的镦粗。平砧镦粗垫环镦粗B垫环镦粗：毛坯在单个垫环上或在两个垫环间进行的镦粗。这种镦粗方法用于锻造带有单边或双边凸肩的饼状锻件。,C局部镦粗：只在毛坯的局部长度内进行的镦粗。这种方法可以锻造凸肩直径和高度较大的饼状锻件，也可锻造端部带有较大法兰的轴杆锻件。局部镦粗拔长(2)拔长：使毛坯横截面积减小而长度增加的锻造工序称为拔长。除了用于轴杆锻件成形，还常用来改造锻件内部质量。,(3)冲孔：采用冲子将毛坯冲出透孔或不透孔的锻造工序。用于锻造各种带孔锻件和空心锻件。常用的方法有：实心冲子冲孔、空心冲子冲孔和在垫环上冲孔。A实心冲子冲孔：冲子从毛坯的一面冲入，当孔冲到深为毛坯高度的70%80%时，将毛坯翻转180度再用冲子冲另一面把孔冲穿。因此又叫双面冲孔。,实心冲子冲孔,B空心冲子冲孔主要用于孔径在400mm以上的大锻件。空心冲子冲孔C在垫环上冲孔：这种方法只适用于高径比小于0.125的薄饼锻件。在垫环上冲孔,(4)扩孔：减小空心坯料壁厚而增加其内外径的锻造工序。常用的扩孔方法有冲子扩孔和芯轴扩孔两种。A冲子扩孔：用直径较大并带有锥度的冲子进行胀孔。冲子冲孔适用于D/d1.7和H=0.125D的壁不太薄的锻件。如图所示。冲子冲孔芯轴扩孔B芯轴扩孔：孔径大而壁厚较薄的环形锻件，通常采用芯轴扩孔。芯轴扩孔的变形实质是相当毛坯沿圆周方向拔长。,(5)芯轴拔长：减小空心毛坯外径而增加其长度的锻造工序。用以锻造各种长筒锻件。芯轴拔长(6)弯曲：将毛坯弯成规定外形的锻造工序。用以锻造各种弯曲类锻件，如起重吊钩，弯曲轴杆等。,(7)扭转：将坯料的一部分相对于另一部分绕共同轴线旋转一定角度的锻造工序。用以锻制曲轴等锻件。扭转(8)错移：将毛坯的一部分相对另一部分相互平行错移开的锻造工序。用以锻造曲轴类锻件。,2辅助工序和精整工序,二、自由锻工艺规程编制,自由锻造工艺设计的内容包括绘制锻件图，计算坯料质量和尺寸，确定变形工序，选择锻造设备和工具，确定锻造温度范围以及加热、冷却和热处理的方法与规范等。1绘制锻件图锻件图是锻造加工和锻件检验的依据，应以零件图为基础，并考虑以下几个因素：（1）敷料：为简化锻件形状方便锻造而增加的那部分金属。也称余块。当零件上带有较小的凹槽、台阶、凸肩、法兰和孔时，锻造时可不予锻出，最后再切削加工。（2）切削加工余量：为锻后切削加工而增加的那部分金属。自由锻件的精度和表面质量都较差，需在锻后用切削加工来满足零件对尺寸精度及表面粗糙度的要求。因而零件上所有需要切削的表面都应在锻件的相应部位增加一定的余量。,（3）锻件公差：锻件尺寸所允许的偏差范围。图为典型锻件图的示例。典型锻件图1敷料；2余量一般在锻件图上用粗实线画出锻件最终轮廓，在尺寸线上方或左面标注锻件的尺寸与公差；用双点划线画出零件的主要轮廓形状，并在锻件尺寸下方或右面用圆括号标出零件尺寸。,2计算坯料重量和尺寸（1）坯料重量的计算,锻件台阶余面,G坯料G锻件G烧损G料头,G坯料坯料重量G锻件锻件重量G烧损加热时坯料表面氧化而烧损的重量，第一次加热取被加热金属的23，以后各次加热取1.52%。G料头在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的重量，如冲孔时坯料中部的料芯等，对于复杂锻件取30锻件。当锻造大型锻件采用钢锭作坯料时，还要考虑切掉的钢锭头部和尾部的重量，对于碳钢取钢锭重量的2530；合金钢取3035。实际生产中，常采用经验公式：G坯料100G锻件/aa金属利用率，一般锻件为5860；较复杂锻件为5558。,（2）确定坯料尺寸根据坯料重量确定坯料的界面尺寸。同时，考虑必需的变形量。锻造中锻造比Y表示变形程度。拔长时的锻造比：Y拔F0/F镦粗时的锻造比为：Y镦H0/H其中：F0，H0坯料变形前的横截面积和高度F,H变形后的横截面积和高度锻造比越大，坯料变形程度越大。为保证锻件内部质量，坯料截面尺寸应满足：F0YFmax以碳素钢为坯料并采用拔长工序锻制的锻件，锻造比一般不小于2.53；如果采用型材为坯料，锻造比可取1.31.5。若采用镦粗工序，为避免坯料镦弯，坯料的高度与直径之比不得大于2.5（H0/D02.5），为下料方便，坯料高径比应大于1.25，故1.25D0H02.5D0,3确定变形工序确定锻压变形工序应依据锻件的形状、尺寸、技术要求、生产批量和生产条件等综合考虑。各类自由锻件的基本变形工序方案见表。表自由锻件分类及基本工序方案,4选择锻造设备选择锻造设备的依据是锻件的材料种类和尺寸（或重量），同时还要考虑生产部门现有设备条件。,5确定坯料加热加热的目的是改善金属的可锻性，提高塑性降低抗变形能力，使其易流动成型。,始锻温度低于AE线150250,碳钢的终锻温度如图所示。,6锻件冷却及热处理（1）锻件的冷却也是锻造生产中不可忽视的环节，冷却不当会造成锻件表面硬度过高，难以切削加工，甚至产生变形和裂纹。根据锻件的化学成分和形状确定冷却方式和冷却速度。常用的冷却方式有空冷、坑冷和炉冷。锻件的成分和形状越复杂，尺寸愈大，冷却速度应越慢。（2）锻件冷却至室温，易出现硬度过高的现象和存在残余应力。结构钢锻件应采取正火或退火处理。若正火后硬度依然较高，可加高温回火。工具钢锻件采用正火加球化退火。对于不再进行最终热处理的中碳钢或合金结构钢锻件，应进行调质处理。,自由锻工艺规程实例,三、自由锻件的结构工艺性对自由锻零件结构工艺性总的要求是在满足使用要求的前提下，零件形状应尽量简单、规则，方便锻造，节约金属和提高生产率。但不能由此认为，自由锻工艺只限于加工形状简单的零件，在实际需要中，依靠工人的技术并借助一些专用工具，自由锻也可以锻造出形状相当复杂的锻件。,3.3模型锻造,模锻：使加热的金属坯料在高强度金属锻模模镗内受压变形，而获得与模镗形状相符的锻件的加工方法。常用的模锻设备有蒸汽-空气模锻锤、压力机等。,模锻的特点是：在锻压机器动力作用下，热透坯料在锻模型腔中被迫塑性流动成形，从而获得比自由锻质量更高的锻件。,与自由锻相比，模锻具有如下特点：1生产率高。2锻件尺寸精确，加工余量小。锻件内纤维组织比较完整，可提高零件的使用性能和寿命。3锻件形状复杂。4模锻生产更为节省金属材料，减少切削加工余量。5制造锻模成本很高，不适合于单件小批量锻件的生产。6模锻适用于小型锻件的大批量生产。,模锻,胎模锻,固定模锻,锤上模锻,压力机上模锻,1.胎模锻:在自由锻设备上使用可移动模具（胎模）生产模锻件的方法。-通常用自由锻方法使坯料初步成形。然后在胎模中终锻成形。-胎模不固定在锤头或砧座上，只有在使用时才放到锻锤的下砥铁上。,胎模锻的特点(与自由锻相比):胎膜锻件的形状与尺寸基本与工人的技术不直接相关，主要由胎膜来保证，操作简便。2)生产率较高，锻件质量较好，能锻造形状较复杂的锻件。3)尺寸精度高，敷料少，加工余量小。因此既节约了材料，又减少了后续加工量。4)胎膜锻件内部组织致密，纤维分布合理。因此其力学性能较高。,胎模的种类1)扣模由上、下扣组成，或只有下扣，上扣以上砥铁代替。扣模一般用来对坯料进行全部或局部扣型。在扣模中锻造时，坯料不转动，初步成形后锻件翻转90，在锤砧上平整侧面。,2)套模（筒模）-开式套模-闭式套模-组合套模,3)合模由上模、下模及导向装置组成。适用于各类锻件的最终成形，尤其是较复杂的非回转体锻件，如连杆、拨叉等。,典型胎膜锻件工艺设计实例下料加热镦粗（自由锻）镦粗（胎膜锻）胎膜成型冲孔。,锻件图,反挤中部凹孔成形,球面压凹孔,垫铁镦平顶部,开式套模中镦粗,镦粗去氧化皮,下料加热,冲孔,2.锤上模锻锤上模锻是采用模锻锤进行模锻，其工艺通用性较大，能完成多种变形工步，生产各种类型的模锻件，设备费用却相对较低，因而，长期以来是我国模锻生产中应用最多的一种模锻方法。,锤上模锻所用的锻模是由带有燕尾的上、下模组成的，如图所示。上、下模分别由楔铁固定在锤头和砧座上，将加热好的金属放在下模块的型槽中，通过上模随锤头所作的上下往复锤击运动迫使金属充满型槽而获得与型槽形状一致的锻件。根据锻件形状和模锻工艺的安排，上、下模中设有单个或多个凹腔，称为模膛。,弯曲模膛,模膛的分类,模膛,模锻模膛,制坯模膛,终锻模膛,预锻模膛：使坯料变形到接近于锻件形状和尺寸,拔长模膛,滚压模膛,切断模膛,使坯料最后变形到锻件要求的尺寸和形状,飞边槽：用于容纳多余的金属,冲孔连皮:不能完全拼掉而在其孔内留下的一薄层金属,（1）模锻模膛预锻模膛：其作用是使坯料变形到接近锻件的形状和尺寸，以保证终锻时坯料容易充满模膛而成形，并可减少终锻模膛磨损，提高使用寿命。对于形状复杂的锻件（连杆、拔叉），大批生产时常用预锻模膛。预锻模膛比终锻模膛高度大、宽度小、容积大、不带飞边槽，模锻斜度和圆角较大。,终锻模膛：其作用是使坯料达到锻件的形状和尺寸要求。模膛形状与锻件形状相同，但尺寸须按锻件放大一个收缩量。预锻模膛与终锻模膛,终锻模膛的侧壁带有模锻斜度，以便于取出锻件；模膛的转角处应有圆角，以利于金属流动和避免模膛开裂；模膛四周设有飞边槽。飞边槽由桥部和仓部组成。桥部起阻力圈作用，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛。仓部用以容纳多余的金属。流入飞边槽的金属在上下模打靠前还能起到一的缓冲作用。,对于具有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模模膛的突起部份将冲孔处的金属全部挤掉，故终锻后在锻件孔内总要留下一层金属，称为冲孔连皮。把飞边和冲孔连皮冲掉后，才能得到有通孔的模锻件。如图所示。带有飞边和冲孔连皮的模锻件,（2）制坯模膛用以初步改变毛坯形状、合理分配金属，以适应锻件横截面积和形状的要求，使金属能更好地充满模锻模膛的工序称为制坯工序。对于形状复杂的锻件，先将原始坯料在制坯模膛内初步锻近似于锻件的形状，然后再放到模锻模膛内锻造。根据制坯工步不同,制坯模膛分为拔长、滚挤、弯曲、镦粗、压扁等模膛,(a)开式(b)闭式拔长模膛,拔长模膛作用是减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。当模膛件沿轴向横截面面积相差较大时，可采用拔长拔长模膛。,(a)开式(b)闭式滚压模膛,滚压模膛作用是减小坯料某部分的横截面面积，以增大另一部分的横截面面积。主要是使金属按模锻件形状来分布。,弯曲模膛,切断模膛,弯曲模膛是对于弯曲的杆类模锻件，需要使用弯曲模膛来弯曲坯料。坯料可直接或先经其他制坯工步后放入弯曲模膛进行弯曲变形。切断模膛在上模和下模的角部组成一对刀口，用来切断金属。,实际锻造时应根据锻件的复杂程度相应选用单模膛锻模或多模膛锻模。一般形状简单的锻件采用仅有终锻模膛的单模膛锻模，而形状复杂的锻件（如截面不均匀、轴线弯曲、不对称等）则需采用具有制坯、预锻、终锻等多个模膛的锻模逐步成形。,制定模锻工艺规程,主要内容：6项绘制模锻件图；计算坯料的重量和尺寸；确定模锻工步；选择锻压设备；设计锻模模膛；确定锻造温度范围、加热和冷却规范。,（1）绘制模锻件图模锻件图零件图+分模面+加工余量+模锻斜度+冲孔连皮+余块+圆角+公差1）确定分模面分模面：分模面即上、下模或凸、凹模的分界面。分模面可以是平面，也可以是曲面。选择原则：A.应选在锻件最大截面处，以利锻件脱模;B.尽量选用平面，以简化模具结构、方便制造;C.应选在上、下模膛轮廓相同的位置上，以便于及时发现错模；D.选在模膛深度最浅且上、下模深度基本一致的位置，以便于金属充满模膛。E.应使锻件余块最小。,例,余块（为简化形状而增加的料块）:窄槽、齿形、小孔（孔径小于25mm）、深孔（深度大于3倍直径）、横向孔以及其它妨碍出模的凹部均不锻出。,冲孔连皮（为避免上、下冲头对撞损坏模具而在模锻通孔时留下的金属层）:连皮厚度一般为48mm，锻后再由冲孔切边模切除。,加工余量和公差：只在锻后需机加工之处添加。,模锻斜度:锻件上与分模面相垂直的表面上增加的斜度。内斜度大于外斜度在一级.,外壁斜度5或7，内壁斜度7或10,2）加工余量、公差、余块和冲孔连皮,圆角半径:锻件上两个面的相交处均应以圆角过渡，其作用是减少坯料流入模槽的摩擦阻力，使坯料易于充满模膛，避免锻件被撕裂或纤维组织被拉断，减少模槽凹角处的应力集中，提高模具使用寿命等。,内圆角r=14mm，外圆角R=(34)r,3）模锻斜度为便于锻件从模膛中取出，垂直于分模面的表面必须有斜度，称为模锻斜度。模锻斜度不包括在加工余量之内，一般应取5、7、10、12等标准值。模膛深度与相应宽度的比值(hb)增大时，模锻斜度取较大值。因冷却引起收缩，锻件的内壁斜度1、2应比相应的外壁斜度1、2大一级。4）圆角半径锻件上两个面的相交处均应以圆角过渡，其作用是减少坯料流入模槽的摩擦阻力，使坯料易于充满模膛，避免镀件被撕裂或纤维组织被拉断，减少模槽凹角处的应力集中，提高模具使用寿命等。圆角半径大小取决于模膛深度。外圆角半径一般取16mm，内圆角半径只是外圆半径3-4倍。5）冲孔连皮对于有通孔的锻件，不能用上下模的突起部分把冲孔处的金属全部挤掉，终锻后在锻件孔内总留有一层连皮，称为冲孔连皮。冲孔连皮厚度适当。,模锻工步主要根据模锻件形状和尺寸来确定。模锻件按形状分为以下两类：长轴类锻件模锻件的长度与宽度(或直径)之比较大，锻造时锤击方向垂直于锻件轴线。终锻时金属沿高度与宽度方向流动，长度方向流动不显著。长轴类锻件常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工步。短轴类锻件模锻件在分模面上的投影为圆形或长度与宽度相近。锻造时锤击方向与坯料轴线相同。终锻时金属沿高度（轴向）、宽度及长度方向均产生流动。常选用镦粗、终锻等工步。形状复杂有深孔或高筋的锻件则要采用镦粗、预锻和终锻等工步。形状简单的锻件也可直接终锻成形。,（2）确定模锻工步,（3）计算坯料尺寸,根据锻件质量和加热、锻造过程中的损耗计算。其步骤与自由锻件相似。短轴类锻件坯料体积按下式计算:V0=(V锻+V连+V飞)(1+K1)V连冲孔连皮的体积.K1烧损系数,2%-4%短轴类锻件的坯料直径(D0)可下式计算:m坯料高径比,取1.8-2.2长轴类锻件可根据锻件的最大截面(Fmax值)计算坯料直径K模膛系数,不制坯或有拔长工步时,K=1.有滚挤工步时,K=0.7-0.85,计算方法与自由锻相同。坯料重量为锻件、飞边、连皮、钳口料头和氧化皮重量的总和，一般飞边是锻件重量的2-2.5；氧化皮是锻件、飞边、连皮等重量总和的2.5-4。,（4）选定锻造设备、模锻锤吨位根据锻件质量查表确定。,模锻锤吨位可用公式：G=（3.5-6.3）KA式中G-模锻锤吨位（kg）；A-锻件总变形面积，包括锻件投影面积、冲孔连皮面积及飞边面积（cm2）；K-钢种因数，可查阅相关资料。,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、抗热疲劳性、回火稳定性和抗氧化性。尺寸较大的模具还应具有高的淬透性和较小的变形。常用5CrNiMo、5CrMnMo钢等热锻模具材料制作锻模。模具工况、失效方式、要求、生产制造,（5）确定锻造温度范围、加热和冷却规范,始锻温度:始锻温度是指开始锻造时坯料的温度。通常始锻温度比金属的熔点低150200，在不发生过热、过烧的前提下，尽可能提高始锻温度，有利于金属的塑性成形。终锻温度:终锻温度是停止锻造时锻件的温度。碳素钢的终锻温度约为800，合金钢一般为800900。在保证锻后获得再结晶组织的前提下，适当降低终端温度有利于完成各种变形工序。终锻温度过低，金属塑性降低，进口轴承容易产生裂纹。终锻温度过高，会引起晶粒长大，降低金属的力学性能。,（6）修整工序:即模锻件成形后提高精度和表面质量的工序。,切边：即带飞边的模锻件终锻后切除飞边的工序。冲连皮：即带孔的锻件经终锻后，冲除孔内连皮的工序。,校正：即为消除锻件在锻后产生的弯曲、扭转等变形，使之符合锻件图技术要求的工序。分为热校和冷校。热处理和清理：模锻件经过修整后，一般还需通过热处理和清理。采用正火或退火，细化晶粒；清理表面缺陷或氧化皮。精压精度高和表面粗糙度值小的锻件，清理后还应在压力机上进行精压。,零件结构的模锻工艺性,1）模锻件应具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径；2）非配合表面一律设计成非加工表面；3）零件的外形应力求简单、平直和对称；4）应避免窄沟、深槽、深孔及多孔结构；5）形状复杂的锻件应采用锻-焊或锻-机械加工联接的方法，减少余块以简化模锻工艺。,模锻工艺设计示例,例：齿轮零件，材料为45钢，中批量生产。试编制模锻工艺规程。,（1）零件结构分析：零件结构合理。（2）绘制锻件图：该零件孔内应有连皮，参考有关标准和资料，选定机械加工余量、锻件公差、模锻斜度、模锻圆角等参数值，绘出锻件图。（3）确定变形工步：该锻件系盘类件，应采用镦粗终锻工步。（4）选择修整工序：需安排切边、冲连皮、校正、热处理（正火或退火）、清理等修整工序。,3.压力机上模锻压力机上锻造可分为曲柄压力机、平锻机、摩擦压力机和模锻水压机等。,(1)曲柄压力机,曲柄压力机的吨位是用滑块运行到接近最下位置时产生的最大压力来表示，其吨位一般是20012000t。与锤上模锻相比，曲柄压力机上模锻的特点如下：a）作用在坯料的变形力为静压力，坯料的变形速度较低。b）锻造时滑块的行程不变，每个变形工步在滑块的一个行程中即可完成，便于实现机械化和自动化，具有很高的生产率。c）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使锻件的模锻斜度、加工余量和锻造公差减小，因而锻件精度高d）工作震动和噪音小，劳动条件得到改善。,(2)平锻机上模锻,相当于卧式的热模锻压力机,沿水平方向对坯料施加锻压力。,平锻机上模锻的过程如图所示。首先将棒形坯料放入固定凹模的模槽内，并由挡板定位；在冲头前进的过程中，活动凹模迅速将坯料夹紧，同时挡板退出；冲头(凸模)对坯料施加锻压力，使其充满模腔；回程时冲头退出，活动凹模松开，坯料从凹模中取出或进入下一个模膛，同时挡板又进入工作位置，为下一个坯料的锻压做好准备。,平锻机具有曲柄压力机上模锻的一切特点，此外，还具有下列特点：a）锻造力是沿水平方向作用的b）锻模分为凸模、固定凹模和活动凹模三个部分，具有两个分模面，而可以锻制侧面带有凸台或凹槽的锻件。c）通常只是对坯料的一部分进行锻造，因此平锻机适于锻造有头的杆件、管件和法兰等锻件。,(3)摩擦压力机上模锻,传动原理：电动机通过摩擦盘带动飞轮轮缘而使飞轮旋转。双盘式摩擦压力机应用最广。特点：动作较快，可使滑块停在行程内的任意位置，一旦超负荷，只引起飞轮与摩擦盘之间的滑动，而不致损坏机件。,与上述模锻方法相比，摩擦压力机上模锻具有以下特点：a）兼有锤上模锻和压力机上模锻的一些特点。b）锻击频率低，金属再结晶充分，适合于再结晶速度较低的低塑性合金钢和有色金属的锻造，但生产率低。c）旋转运动的螺杆和直线运动的滑块间属于非刚性连接，因而承受偏心载荷能力差，通常只能进行单模膛锻造。d）摩擦传动效率低，设备吨位受到限制。,3.4板料冲压,通过冲模对板料施以外力，使其产生分离或变形的方法。冲压一般在室温下进行，所以又称为冷冲压。只有当板料厚度超过810mm时，才采用热冲压。,什么是冲压（pressing),板料冲压的特点：,（1）可冲出形状复杂的零件，废料较少；（2）产品精度高，表面粗糙度较低，互换性好；（3）能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件；（4）操作简单，工艺过程便于机械化，自动化，生产率很高，成本低。故应用广泛，特别在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表及国防等工业，占有极其重要的地位。,常用金属材料：低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢等。常用设备：剪床、冲床。剪床的用途是把板料切成一定宽度的条料，以便供下一步冲压使用。,斜刃剪床用于剪切宽而薄的板料,平刃剪床用于剪切窄而厚的板料,圆盘剪床用于剪切长的条料或带料,使坯料的一部分与另一部分沿一定的轮廓线相互分离的工序,1.分离工序(cuttingprocess),一、冲压成形基本工序,（1）落料与冲孔（统称冲裁）使坯料按封闭的轮廓分离的工序,落料(blanking),工件,冲孔(punching),冲裁是利用凸模与凹模刃口的作用，使板料产生分离的。冲裁变形过程分为三个阶段。,冲裁时经历弹性变形、塑性变形、断裂分离三个阶段。冲裁件断面上存在圆角带、光亮带和断裂带。冲裁件质量一般不高。,凸、凹模间隙,不仅严重影响冲裁件的断面质量，而且影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。,1）间隙过小增大了冲裁力、卸料力和推件力；加剧了凸、凹模的磨损；降低了模具寿命。外表尺寸略有增大，内腔尺寸略有缩小（弹性回复）。光面宽度增加，塌角、毛刺、斜度等都有所减小，工件质量较高。,2）间隙过大断面光面减小，塌角与斜度增大，形成厚而大的拉长毛刺，且难以去除；冲裁的翘曲现象严重；外形尺寸缩小，内腔尺寸增大；模具寿命较高。对于批量较大而公差又无特殊要求的冲裁件，采用“大间隙”冲裁，提高模具寿命。,3）间隙合适冲裁力、卸料力和推件力适中；模具有足够的寿命；光面约占板厚的1/21/3左右，切断面的塌角、毛刺和斜度均很小；零件的尺寸几乎与模具一致，完全可以满足使用要求。合理的间隙值可查表选取。,凸、凹模刃口尺寸的确定,1）设计落料模落料件确定凹模刃口尺寸；取凹模作设计基准件根据间隙Z确定凸模尺寸；缩小凸模刃口尺寸保证间隙值。,2）设计冲孔模冲孔件确定凸模尺寸；取凸模作设计基准件根据间隙Z确定凹模尺寸；用扩大凹模刃口尺寸保证间隙值。,冲裁力的计算,冲裁力是选用冲床吨位和检验模具强度的一个重要依据。平刃冲模的冲裁力P（N）按下式计算：L冲裁周边长度（mm）；S坯料厚度（mm）；K系数，常取1.3；材料抗剪强度（M