材料成型工艺（塑性成型-镦粗、拔长）演示-2

1、5-2 5-2 自由锻工艺自由锻工艺 一、一、金属塑性变形概述金属塑性变形概述 1、金属塑性变形所遵循的规律、金属塑性变形所遵循的规律 体积不变规律体积不变规律 1 + 2 + 3 = 0 屈服准则屈服准则 最大剪应力不变条件最大剪应力不变条件 若若1 2 3 1 3 = s 弹性形变能不变条件 弹性形变能不变条件 (1 - 2) 2 +(2 -3 ) 2 + (3 - 1 ) 2 = 2s2 最小阻力定律最小阻力定律 如果在变形过程中物体内质点具有向各个方向移动的可如果在变形过程中物体内质点具有向各个方向移动的可 能性时，则物体内各质点将向能性时，则物体内各质点将向阻力最小阻力最小方向移动。

2、方向移动。 影响因素：摩擦状态、坯料尺寸（影响因素：摩擦状态、坯料尺寸（l0 / b0）、）、一次压下量等。一次压下量等。 2 2、影响金属塑性变形流动的几个基本因素、影响金属塑性变形流动的几个基本因素 加载情况加载情况 ( (工具工具对对坯料的坯料的作用作用） 整体加载（镦粗），局部加载（拔长、冲孔、扩孔）整体加载（镦粗），局部加载（拔长、冲孔、扩孔） 拉伸或压缩，对称加载或非对称加载拉伸或压缩，对称加载或非对称加载 受力情况受力情况 （加载引起的坯料（加载引起的坯料受力受力状态或导致塑性变形的依据）状态或导致塑性变形的依据） 整体受力（整体加载或局部加载整体受力（整体加载或局部加载 - 冲

3、孔）冲孔） 局部受力（局部加载局部受力（局部加载-拔长）拔长） 变形情况（加载引起的坯料变形情况（加载引起的坯料变形变形状态状态） 整体塑性变形；局部塑性变形（变形区和外端）。整体塑性变形；局部塑性变形（变形区和外端）。 3 3、局部加载时沿加载方向的应力分布规律、局部加载时沿加载方向的应力分布规律 局部加载时，沿加载方向局部加载时，沿加载方向正应力的绝对值正应力的绝对值随受力面积不断增随受力面积不断增 加而逐渐减小。加而逐渐减小。 适用条件：适用条件： 加载方向；加载面积较小（局部）；弹、塑性状态。加载方向；加载面积较小（局部）；弹、塑性状态。 4 4、金属塑性变形的不均匀性、金属塑性变形的

4、不均匀性 原因：原因： 金属自身性质（成分、组织）不均匀，受力不均（温度、金属自身性质（成分、组织）不均匀，受力不均（温度、 摩擦、坯料尺寸等）摩擦、坯料尺寸等） 变形不均。变形不均。 结果：结果： 变形程度不均；变形程度不均； 变形不同时发生；变形不同时发生； 产生附加和残余应力。产生附加和残余应力。 害处和益处：害处和益处： 附加和残余应力导致裂纹产生；附加和残余应力导致裂纹产生； 可以实现变形工艺和组织性能上的某些要求。可以实现变形工艺和组织性能上的某些要求。 5 5、塑性变形时金属的流动方向、塑性变形时金属的流动方向 几种观点：几种观点： 古布金的观点古布金的观点 变形体内各质点朝距周

5、边最短方向流动。变形体内各质点朝距周边最短方向流动。 塔尔诺夫斯基的观点塔尔诺夫斯基的观点 考虑摩擦状态应有三种流动情况。考虑摩擦状态应有三种流动情况。 综合观点综合观点 应综合考虑应综合考虑摩擦状态摩擦状态、坯料尺寸相对比例、一次坯料尺寸相对比例、一次 压下量压下量等对质点流动的影响；微体塑性变形和等对质点流动的影响；微体塑性变形和 位移取决于金属质点的流动，质点流动方向取决位移取决于金属质点的流动，质点流动方向取决 于于整个变形体整个变形体的应力场情况。的应力场情况。 塑性变形区金属流动规律塑性变形区金属流动规律 塑性变形时，在主轴方向，质点沿主应力增大方向流动；在空塑性变形时，在主轴方向

6、，质点沿主应力增大方向流动；在空 间，质点沿三个主应力的合成方向流动；在间，质点沿三个主应力的合成方向流动；在12平面上，质点平面上，质点主要主要 向最大主应力向最大主应力1增大方向流动（非轴对称情况下，增大方向流动（非轴对称情况下， 向向2方向有所偏方向有所偏 移）；在移）；在 2 3平面上（子午面上），质点平面上（子午面上），质点主要主要向较大主应力向较大主应力2增大增大 方向流动；在均匀应力场下（轴对称情况下），若取几何轴线为坐方向流动；在均匀应力场下（轴对称情况下），若取几何轴线为坐 标轴，质点标轴，质点主要主要在最大主应力在最大主应力1的方向背离坐标轴（的方向背离坐标轴（ 2 ）流动

7、。流动。 锻造工艺塑性变形区金属流动规律：锻造工艺塑性变形区金属流动规律： 在三向压应力作用下，金属质点在三向压应力作用下，金属质点主要主要向向最小阻力最小阻力（增大增大）的方的方 向流动。向流动。 确定金属流动方向的一般步骤确定金属流动方向的一般步骤 据变形条件和受力情况据变形条件和受力情况对应力、应变进行分区对应力、应变进行分区； 画出应力、应变状态图，画出应力、应变状态图，标出最大主应力标出最大主应力； 据受力情况据受力情况确定最大主应力增大方向确定最大主应力增大方向，从而定出金属流动方，从而定出金属流动方 向。向。 各种变形工序金属流动方向的分析各种变形工序金属流动方向的分析 拉拔拉拔

8、 变形区是轴对称的。不分区。变形区是轴对称的。不分区。 2 = 3 矩形坯料在平砧间镦粗矩形坯料在平砧间镦粗 拔长拔长 环形件镦粗环形件镦粗 中性面偏于内侧。中性面偏于内侧。 二、镦粗二、镦粗 镦粗镦粗 使坯料高度减小，横截面增大的成形工序。使坯料高度减小，横截面增大的成形工序。 分类：分类： 整体镦粗，局部镦粗；平砧镦粗，垫环镦粗。整体镦粗，局部镦粗；平砧镦粗，垫环镦粗。 用途：用途： 增大截面积；增大截面积； 准备冲孔坯料，平整坯料端面；准备冲孔坯料，平整坯料端面； 提高下步的拔长比；提高下步的拔长比； 提高力学性能，减小其各向异性；提高力学性能，减小其各向异性； 破碎碳化物且使其均匀分布

9、破碎碳化物且使其均匀分布(消除网状碳化物的又消除网状碳化物的又 一措施）一措施）。 坯料类型：坯料类型： 圆截面圆截面，矩形截面和方形截面。，矩形截面和方形截面。 1、变形流动特点变形流动特点 可见，坯料在镦粗过程中，鼓形不断变化，开可见，坯料在镦粗过程中，鼓形不断变化，开 始时逐渐增大，达到最大值后又逐渐减小。始时逐渐增大，达到最大值后又逐渐减小。 2 2、质量特点、质量特点 产生的缺陷产生的缺陷 主要有：侧表面易产生纵向或主要有：侧表面易产生纵向或45方向的裂纹；锭料镦粗后上方向的裂纹；锭料镦粗后上 、下端常保留铸态组织；高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲；、下端常保留铸态组织；高坯料镦粗时常由

10、于失稳而弯曲；锻件各锻件各 处组织的晶粒不均。处组织的晶粒不均。 原因分析原因分析 坯料内部变形不均引起。坯料内部变形不均引起。 一般高度坯料一般高度坯料 （ h0 / d0 1） 区域区域（难变形区）：（难变形区）： 摩擦影响最大，温降摩擦影响最大，温降 最快，变形最困难。最快，变形最困难。 区域区域（大变形区）：（大变形区）： 摩擦影响和温降小，摩擦影响和温降小， 三向压应力三向压应力有益于变形，有益于变形， 变形程度最大。变形程度最大。 区域区域（小变形区）：（小变形区）： 摩擦影响较小，较摩擦影响较小，较 区温降快，且应力状态为区温降快，且应力状态为 一拉二压一拉二压，变形程度居中。，

11、变形程度居中。 此时，切向拉应力为此时，切向拉应力为区区 金属外流时对金属外流时对区金属所区金属所 施加的压应力所致，愈靠近表面，切向拉应力愈大。施加的压应力所致，愈靠近表面，切向拉应力愈大。 变形不均导致的组织缺陷：变形不均导致的组织缺陷： 区区 粗大的铸态组织保留。粗大的铸态组织保留。 区区 切向拉应力导致纵向或切向拉应力导致纵向或45方向裂纹方向裂纹(低塑材料低塑材料)。 、区区 晶粒不均（前小、后大）。晶粒不均（前小、后大）。 影响变形不均影响变形不均 的原因：的原因： 工具与坯料接触面的工具与坯料接触面的摩擦摩擦影响；（应力状态）影响；（应力状态） 与工具接触所引起的金属与工具接触所

12、引起的金属内部温降的不同内部温降的不同。（变形抗力）。（变形抗力） 高坯料（高坯料（h0 / d0 =1.5 2,0） 常先产生双鼓形，而后随常先产生双鼓形，而后随 h / d 的减小，转变为单的减小，转变为单 鼓形。鼓形。 更高更高 的坯料（的坯料（h0 / d0 3） 容易失稳弯曲。容易失稳弯曲。 矮坯料（矮坯料（h0 / d0 0.5） 鼓形较小，鼓形较小， 、区变形较均匀。区变形较均匀。 镦粗初期，端面尺寸增大主要靠侧表面金属翻上去的。镦粗初期，端面尺寸增大主要靠侧表面金属翻上去的。 3 3、缺陷消除措施、缺陷消除措施 使用润滑剂和采用工具预热措施使用润滑剂和采用工具预热措施 采用凹形

13、毛坯（低塑性材料）采用凹形毛坯（低塑性材料） 采用软金属垫采用软金属垫 采用铆镦、叠镦和套环内镦粗采用铆镦、叠镦和套环内镦粗 采用反复镦粗拔长的工艺采用反复镦粗拔长的工艺 使难变形区在拔长过程中得到变形，使整个坯料各处变形均匀。使难变形区在拔长过程中得到变形，使整个坯料各处变形均匀。 4、矩形截面坯料在平砧间镦粗时的变形分布、矩形截面坯料在平砧间镦粗时的变形分布 5 5、镦粗时注意事项、镦粗时注意事项 h0 / d0 2.53，料端平整且垂直轴线，加热均匀，转动镦粗且，料端平整且垂直轴线，加热均匀，转动镦粗且 发生弯曲时及时校正发生弯曲时及时校正 压缩量小于塑性允许范围，禁止终锻温度以下镦粗压

14、缩量小于塑性允许范围，禁止终锻温度以下镦粗 对有皮下缺陷坯料应先倒棱制坯对有皮下缺陷坯料应先倒棱制坯 尽量加热到允许的最高温度尽量加热到允许的最高温度 坯料高度与设备空间尺寸应相适应坯料高度与设备空间尺寸应相适应 计算机模拟的镦粗样品内部温度分布计算机模拟的镦粗样品内部温度分布 （a) 0.1 (c) 0.5 (d) 0.7(e) 0.9 (b) 0.3 模拟的不同压下变形量时模拟的不同压下变形量时hps485wf钢内部等效应变分布钢内部等效应变分布 （t = 1423k , = 0.1s-1） t 模拟的不同压下变形量时模拟的不同压下变形量时hps485wf钢内部动态再结晶钢内部动态再结晶

15、体积百分数分布体积百分数分布 （t = 1423k , = 0.1s-1） （a) 0.1 (b) 0.3 (c) 0.5 (d) 0.7 (e) 0.9 （a) 0.1 (b) 0.3 (c) 0.5 (d) 0.7 (e) 0.9 模拟的不同压下变形量时模拟的不同压下变形量时hps485wf钢内部平均晶粒尺寸分布钢内部平均晶粒尺寸分布 （t = 1423k , = 0.1s-1） 模拟的不同压下变形量时模拟的不同压下变形量时hps485wf钢微观组织钢微观组织 （t = 1423k , = 0.1s-1） (a) 0.06(b) 0.08(c) 0.1(d) 0.14 (e) 0.2 (f

16、) 0.5(g) 0.6(h) 0.8 三、三、 拔长拔长 拔长拔长 使坯料横截面减小而长度增加的成形工序。使坯料横截面减小而长度增加的成形工序。 用途：用途： 轴、杆类锻件成形；改善锻件内部质量。轴、杆类锻件成形；改善锻件内部质量。 坯料类型：坯料类型： 矩形截面，圆截面和空心截面坯料。矩形截面，圆截面和空心截面坯料。 工序特点：工序特点： 逐次送进逐次送进和和反复转动反复转动坯料进行压缩变形；消耗工时最多。坯料进行压缩变形；消耗工时最多。 局部加载，局部受力，局部变形。局部加载，局部受力，局部变形。 1 1、矩形截面坯料的拔长、矩形截面坯料的拔长 变形变形 与镦粗相似，与镦粗相似， 有外端

17、影响。有外端影响。 相对送进量（进料比）相对送进量（进料比） 送进长度与宽度之比，即送进长度与宽度之比，即l / a。 生产率生产率 拔长所需时间（生产率）主要取决于总的压缩（或送进）拔长所需时间（生产率）主要取决于总的压缩（或送进） 次数次数n。 n = 1.5ik k=1n 式中，式中， ik- 坯料第坯料第k遍压缩时压缩次数，遍压缩时压缩次数，ik = lk-1 / lk 。 n与与每遍每遍压缩的每次变形量压缩的每次变形量k及其进料比及其进料比lk/ak等有关：等有关： k n 生产率提高；（压缩遍数生产率提高；（压缩遍数n) (应在塑性允许范围内，且保证应在塑性允许范围内，且保证ak/

18、hk 2.5) lk/ak l n(k = c, 遍数遍数n) 生产率提高；生产率提高； n (lk-1 = c, ik) 生产率降低。生产率降低。 所以，所以， lk/ak 应有一最佳值，实际常按下式选取应有一最佳值，实际常按下式选取: l = (0.4 0.8) b 质量分析质量分析 常见外部缺陷常见外部缺陷 表面横向裂纹、角裂、折迭、端面内凹、表面横向裂纹、角裂、折迭、端面内凹、 倒角裂纹；倒角裂纹； 常见内部缺陷常见内部缺陷 对角线裂纹、横向裂纹、组织性能不均。对角线裂纹、横向裂纹、组织性能不均。 产生原因：变形不均引起的拉应力或剪应力的作用。产生原因：变形不均引起的拉应力或剪应力的作

19、用。 表面横向裂纹（表面横向裂纹（l h且压下很大且压下很大） 侧表面裂纹是由该处切向拉应力引起的。侧表面裂纹是由该处切向拉应力引起的。 接触表面裂纹是由接触表面裂纹是由外端处外端处较大轴向拉应力引起的。较大轴向拉应力引起的。 表面附加轴向拉应力和边角冷却过快还可引起角裂。表面附加轴向拉应力和边角冷却过快还可引起角裂。 对角线裂纹对角线裂纹 产生条件：产生条件：高合金钢高合金钢且且l / h 过大、同一部位多次反复锻打过大、同一部位多次反复锻打。 原因：切应力作用于局部熔化部位；塑性降低原因：切应力作用于局部熔化部位；塑性降低(材质硬脆材质硬脆 、温度较低、温度较低) ，打击过大，加工硬化导致

20、。，打击过大，加工硬化导致。 内部横向裂纹内部横向裂纹 产生条件：大坯料拔长且产生条件：大坯料拔长且l 0.5h。 原因：轴向附加拉应力过大所致。原因：轴向附加拉应力过大所致。 表面折迭表面折迭 产生条件：产生条件：送进量很小，压下量很大送进量很小，压下量很大；过于压扁后翻转；过于压扁后翻转90 变形。变形。 原因：上下表面轴向变形过大；压下时失稳弯曲所致。原因：上下表面轴向变形过大；压下时失稳弯曲所致。 端面内凹（端面内凹（送进量过小）送进量过小） 原因：表面变形大而心部变形小。原因：表面变形大而心部变形小。 倒角裂纹（倒角裂纹（打击较重打击较重） 原因：不均匀变形和附加拉应力所致。原因：不

21、均匀变形和附加拉应力所致。 防止缺陷产生的措施防止缺陷产生的措施 合适的送进量合适的送进量 l / h = 0.50.80（防止裂纹）防止裂纹） 2l /h 1 1.5（防止正面折迭）防止正面折迭） an / hn 1.5 a 0.4b； b/h 1.5 a 0.5b； a 0.3d0 轻锻倒角或圆砧内倒角轻锻倒角或圆砧内倒角 2、圆截面坯料拔长、圆截面坯料拔长 变形分布变形分布 小压下量，小压下量， b l 质量问题质量问题 内部产生纵向裂纹。内部产生纵向裂纹。 裂纹产生原因分析：裂纹产生原因分析： 与倒角时裂纹产生机理相似。与倒角时裂纹产生机理相似。 外载荷通过难变形区使坯料中心受到水平横

22、向拉应力，加之变外载荷通过难变形区使坯料中心受到水平横向拉应力，加之变 形不均引起的轴心金属所受到的附加拉应力，致使纵向裂纹产生。形不均引起的轴心金属所受到的附加拉应力，致使纵向裂纹产生。 实际上，采用平砧小压缩量拔长圆料不仅效率低，而且质量差，实际上，采用平砧小压缩量拔长圆料不仅效率低，而且质量差， 通常并不采用，应考虑其他方法。通常并不采用，应考虑其他方法。 提高效率的措施提高效率的措施 采用圆采用圆- -矩矩- -矩矩- -八角八角- -圆的截面变化圆的截面变化 型砧内拔长（也有减弱裂纹的产生趋势）型砧内拔长（也有减弱裂纹的产生趋势） 3 3、空心件拔长（芯轴拔长）、空心件拔长（芯轴拔长

23、） 一种减小空心坯料外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序。一种减小空心坯料外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序。 变形分布变形分布 a区金属沿轴向和切向流动，且切向流动受到区金属沿轴向和切向流动，且切向流动受到外端限制外端限制。空心。空心 件壁厚与芯轴直径比（件壁厚与芯轴直径比（t/d）愈大，限制能力愈强；反之愈弱。愈大，限制能力愈强；反之愈弱。 b区金属被轴向流动的区金属被轴向流动的a区金属拉着而区金属拉着而伸长伸长。 拔长效率和质量问题拔长效率和质量问题 t/d很小时，切向流动较大，效率低。很小时，切向流动较大，效率低。 常采用型砧以提高效率。常采用型砧以提高效率。 孔内壁裂纹孔内壁裂纹 原因：内壁与芯轴间隙导致的再变形时弯曲切向拉应力；原因：内壁与芯轴间隙导致的再变形时弯曲切向拉应力； 长时接触的温降大、塑性差。长时接触的温降大、塑性差。 端部裂纹端部裂纹