第二篇塑性成形理论

1、本章重点本章重点n金属塑性成形的理论；金属塑性成形的理论；n掌握常用金属的塑性成形工艺；掌握常用金属的塑性成形工艺；n掌握薄板冲压成形工艺。掌握薄板冲压成形工艺。第三篇第三篇 金属塑性成形金属塑性成形 本章内容本章内容n金属塑性成形概述n金属的塑性变形（塑性成形理论）n锻造工艺n板料冲压n锻造及冲压零件的结构工艺性n塑性成形新工艺简介 又称为压力加工。又称为压力加工。金属坯料外力塑性变形产生改变形状改变尺寸改善性能达到毛坯零件得到一、金属塑性成形（压力加工）一、金属塑性成形（压力加工）概概 述述 5模型锻造二、塑性成形的基本生产方式二、塑性成形的基本生产方式 1轧制 2挤压3拉拔4自由锻造6板

2、料冲压（1 1）轧制：金属坯料在）轧制：金属坯料在2 2个回转棍之间受压变形个回转棍之间受压变形轧制产品截面形状轧钢机n轧制钢材的设备称为轧钢机。轧钢机由轧辊、组装轧辊用的机架、使上下轧辊旋转的齿轮变速箱、电动机等部分组成，此外还有连接用的中间接轴和联轴节等部件。轧钢机轧钢机（2 2）挤压）挤压 使金属坯料从挤使金属坯料从挤压模孔挤出而成形压模孔挤出而成形为各种型材、管材为各种型材、管材、零件等。、零件等。 挤压的方法：正挤挤压的方法：正挤压、反挤压、复合压、反挤压、复合挤压、径向挤压挤压、径向挤压 （3 3）拉拔）拉拔 将金属坯料从拉模的模孔中拉出而成形为各种线将金属坯料从拉模的模孔中拉出而

3、成形为各种线材、薄壁管材、特殊截面型材等材、薄壁管材、特殊截面型材等上砥铁下砥铁坯料（4 4）锻造）锻造 将金属坯料置于上下将金属坯料置于上下砧或锻模内，用冲击力或砧或锻模内，用冲击力或压力使金属成形为各种型压力使金属成形为各种型材和锻件等材和锻件等 锻造的种类有：锻造的种类有： 自由锻、模锻、胎模锻自由锻、模锻、胎模锻 （4 4）冲压）冲压 利用冲模将金属板料切离或变形为各种冲压件。利用冲模将金属板料切离或变形为各种冲压件。1 1）零件大小不受限制；）零件大小不受限制；2 2）生产批量不受限制。）生产批量不受限制。三、塑性成形（压力加工）的特点三、塑性成形（压力加工）的特点1 1力学性能高力

4、学性能高1 1）组织致密；）组织致密；2 2）晶粒细化；）晶粒细化；3 3）压合铸造缺陷；）压合铸造缺陷；4 4）使纤维组织合理分布。）使纤维组织合理分布。2 2节约材料节约材料1 1）力学性能高，承载能力提高；）力学性能高，承载能力提高；2 2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。 3 3生产率高生产率高4 4适用范围广适用范围广1 1 金属的塑性成形原理金属的塑性成形原理 各种压力加工方法，都是通过对金属材料施各种压力加工方法，都是通过对金属材料施加外力，使之产生塑性变形来实现的。单晶加外力，使之产生塑性变形来实现的。单晶体的塑性变形形

5、式主要有滑移和孪晶两种。体的塑性变形形式主要有滑移和孪晶两种。第一章第一章 金属塑性成形工艺基础金属塑性成形工艺基础 一、金属塑性变形的实质一、金属塑性变形的实质1. 1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形1 1）滑移：）滑移：晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。2 2）孪晶：）孪晶：晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动。2. 2. 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形晶内变形晶间变形滑移孪晶滑动转动多晶体塑性变形的实质：晶粒内部发生滑移和孪晶；同时晶粒之间发生滑移和转动。二、塑性变形后金属的组织和性能二、塑性变形后金属的组织和性能1. 1.冷变形及其影响冷变形及其影响1 1）

6、组织变化的特征：）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；晶粒间产生碎晶。2 2）性能变化的特征：）性能变化的特征：加工硬化加工硬化：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2. 2. 回复回复 t t回回 = = （50.3）t t熔熔3. 3. 再结晶再结晶t t再再 = = （0.350.40.350.4）t t熔熔t再冷变形冷变形热变形热变形以上以上以下以下(k)(k)4 . 4 . 热变形及其影响热变形及其影响1 1）不产生加工硬化）不产生加工硬化2 2）使组织得到改善，提

7、高了力学性能）使组织得到改善，提高了力学性能 细化晶粒； 压合了铸造缺陷；3 3）形成纤维组织）形成纤维组织 组织致密。5 . 5 . 纤维组织纤维组织（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高（2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高 atkins physical chemistry triztriz及其应用及其应用- -技术创新过程与方法技术创新过程与方法http:/ 2 2 金属塑性成形工艺基础金属塑性成形工艺基础一、金属的可锻性一、金属的可锻性是金属材料在压力加工时成形的难易程度。1 . 1 . 可锻性的衡量指标可锻性的衡量指标1 1）塑性：）塑性：2 2）变形抗力：

8、）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。材料的变形抗力越小，其可锻性越好。2 . 2 . 影响可锻性的因素影响可锻性的因素1 1）金属的本质）金属的本质化学成分：me越低，材料的可锻性越好。组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。2 2）变形条件）变形条件变形温度：应力状态：变形速度：v塑性、变形抗力塑性变形抗力cvt温越高，材料的可锻性越好。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三、金属的变形规律三、金属的变形规律1. 1. 体积不变定律体积不变定律2. 2. 最小阻力定律最小阻力定律二、锻造温度范围二、锻造温度范围始锻温度：终锻温度：过热、过烧

9、 缺陷加工硬化45: 1200 8001.体积不变条件（定律）体积不变条件（定律）： 由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可以认为变形前由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可以认为变形前后的体积相等实际上在变形中有微小变化。气孔、缩松后的体积相等实际上在变形中有微小变化。气孔、缩松被压合；氧化及耗损等。被压合；氧化及耗损等。 运用此定律，便于运用此定律，便于估算估算坯料体积、质量及坯料在各工序中坯料体积、质量及坯料在各工序中的尺寸；的尺寸；2. 最小阻力定律最小阻力定律 least resistanceleast resistance n 在变形过程中，如果金属质点有可能向各个不同在变形过程中

10、，如果金属质点有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力最小方向移动方向移动，则每一质点将沿着阻力最小方向移动 。n质点流动阻力最小方向是通过该质点指向金属变形部质点流动阻力最小方向是通过该质点指向金属变形部分周边的法线方向。分周边的法线方向。n 应用：应用：n确定金属变形中质点的移动方向确定金属变形中质点的移动方向n控制金属坯料变形的流动方位控制金属坯料变形的流动方位n降低能耗，提高生产率。降低能耗，提高生产率。 何谓塑性变形？何谓塑性变形？ 塑性变形的实质是塑性变形的实质是什么？什么？纤维组织是怎样形成的？它对材料纤维组织是怎样形成的？它对材料的力学性能有何影响？的力学性能有何影响？纤

11、维组织是怎样形成的？它对材料纤维组织是怎样形成的？它对材料的力学性能有何影响？的力学性能有何影响？试分析用棒料切削加工成形和用棒试分析用棒料切削加工成形和用棒料冷镦成形制造六角螺拴的力学性料冷镦成形制造六角螺拴的力学性能有何不同？能有何不同？ 第二章第二章 金属的塑性成形方法金属的塑性成形方法2-1 自由锻造一、自由锻设备一、自由锻设备锻锤压力机空气锤蒸汽空气锤水压机油压机65750kg 40kg以下以下630kg5t 1.5t以下以下落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆滑块运动到下始点时所产生的最大压力锻锤吨位 =压力机吨位 =液压机n液压机产生静压力使金属坯料变形。 n目前大型水压机可达万

12、吨以上，能锻造300吨的锻件。由于静压力作用时间长，容易达到较大的锻透深度，故液压机锻造可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。液压机是大型锻件的唯一成形设备，大型先进液压机的生产常标志着一个国家工业技术水平发达的程度。另外，液压机工作平稳，金属变形过程中无振动，噪音小，劳动条件较好。但液压机设备庞大、造价高。 中国二重中国二重 16000吨吨 世界最大的世界最大的1.65万吨自由锻造油压机万吨自由锻造油压机 上海重型机器厂上海重型机器厂 自由锻优点：1. 使用的工具简单，通用2. 生产准备周期短，灵活性大，所以使用范围广，特别适用于单件或小批量生产3. 自由锻是大型件唯一的锻造方法自由锻缺点：1.

13、 生产效率低，对工人的技艺要求高，劳动强度大2. 锻件精度差，后期机械加工量大二、自由锻基本工序二、自由锻基本工序工序 基本工序，辅助工序和修整工序1. 1. 基本工序：是金属坯料实现较大变形以获得铸件基本工序：是金属坯料实现较大变形以获得铸件所需的基本形状和尺寸的工序所需的基本形状和尺寸的工序 包括包括- - 镦粗，拔长，镦粗，拔长，冲孔，弯曲，扭转和错移等。冲孔，弯曲，扭转和错移等。2. 2. 辅助工序：是为基本工序操作方便而进行的预先辅助工序：是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。如压钳口，压钢锭棱边，切肩等。变形工序。如压钳口，压钢锭棱边，切肩等。3. 3. 修整工序：是用以减少锻

14、件表面缺陷的工序。修整工序：是用以减少锻件表面缺陷的工序。二、自由锻基本工序二、自由锻基本工序基本工序 完成锻件基本变形和成形的工序。h，s s使坯料的高度减小，横截面积增大使坯料的高度减小，横截面积增大3. 3. 冲孔：冲孔：4. 4. 弯曲弯曲：1. 1. 礅粗：礅粗：2. 2. 拔长：拔长：， s sl l使坯料的横截面积减小，长度增大使坯料的横截面积减小，长度增大在坯料上冲出通孔或是盲孔在坯料上冲出通孔或是盲孔可取断面比锻件稍大的坯料，先拔长不可取断面比锻件稍大的坯料，先拔长不弯曲的部分到锻件所要求的断面积，然弯曲的部分到锻件所要求的断面积，然后弯曲成形后弯曲成形5. 5. 扭转，扭转

15、，6. 6. 切割，切割，7. 7. 位移，位移，8. 8. 锻焊锻焊：三、自由锻工艺规程的制定三、自由锻工艺规程的制定1. 1. 锻件图的绘制锻件图的绘制1 1）机械加工余量）机械加工余量2 2）公差）公差3 3）敷料）敷料2. 2. 坯料重量和尺寸的计算坯料重量和尺寸的计算g坯坯 = （1+k）g锻锻g坯坯 = g锻锻+g料头料头+g芯料芯料+g烧损烧损k 消耗系数（1/31/4）余量1.25h/d2.5d为直径（mm)，h为高度(mm)4 . 4 . 锻造工序的选择锻造工序的选择轴、杆类零件：镦粗、拔长盘类、环类零件：镦粗（拔长及镦粗）、 冲孔（芯轴上扩孔）筒类零件：镦粗、冲孔、在芯轴上

16、拔长3 . 3 . 选择标准的坯料选择标准的坯料镦粗防弯控制条件，薄盘夹持控制条件镦粗防弯控制条件，薄盘夹持控制条件5 . 5 . 锻造设备的选择锻造设备的选择6 . 6 . 确定坯料加热，冷却和热处理确定坯料加热，冷却和热处理 8 . 8 . 填写工艺卡填写工艺卡四、自由锻件结构工艺性四、自由锻件结构工艺性1. 1. 避免斜面和锥度避免斜面和锥度2. 2. 避免曲面相交避免曲面相交3. 3. 避免加强筋和凸台避免加强筋和凸台4. 4. 采用组合工艺采用组合工艺根据锻件的尺寸、形状、材料，重量等条件来选择设备种类及其规根据锻件的尺寸、形状、材料，重量等条件来选择设备种类及其规格，既保证锻透工件

17、、有较高的生产率，又不浪费动力，并使操作格，既保证锻透工件、有较高的生产率，又不浪费动力，并使操作方便。方便。7 . 7 . 确定工时确定工时自由锻件的结构工艺性自由锻件的结构工艺性避免锥体和斜面结构避免锥体和斜面结构几何体间的交接处几何体间的交接处不应形成空间曲线不应形成空间曲线自由锻件的结构工艺性自由锻件的结构工艺性自由锻件上不应设计自由锻件上不应设计出加强筋、凸台、工字形截面出加强筋、凸台、工字形截面截面变化大的锻件，截面变化大的锻件，采用组合连接采用组合连接2-2 模型锻造模型锻造 将金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛 内受压、变形，获得锻件的方法。特点：1）生产率高； 2）锻件的尺寸

18、精度和表面质量高；3）材料利用率高； 4）可锻造形状较复杂的零件；5）模具成本高、设备昂贵；6）锻件不能任意大。一般不得超过150kg。一、锤上模锻一、锤上模锻（一）锤上模锻设备（一）锤上模锻设备蒸汽空气模锻捶蒸汽空气模锻捶 锤上模锻一般选锤上模锻一般选用用1-161-16吨的蒸汽吨的蒸汽- -空空气模锻锤。锻模制气模锻锤。锻模制作成带燕尾的上下作成带燕尾的上下两半模，上下模分两半模，上下模分别用楔铁紧固在锤别用楔铁紧固在锤头和模垫上。头和模垫上。（二）锻模结构锻模模膛飞边槽桥部仓部 形成锻件基本形状和尺寸的空腔。 容纳多余的金属。 增加金属流动的阻力，促使金属充满模膛。锤头上模飞边槽下模模垫

19、紧固楔铁紧固楔铁紧固楔铁模膛（型槽）分型面（三）模膛的分类模膛模锻模膛制坯模膛终锻模膛预锻模膛延伸模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛开式模膛开式模膛闭式模膛闭式模膛（1 1）锻模结构与模膛）锻模结构与模膛 锻模一般由上模和下模两部分组成，上下合拢锻模一般由上模和下模两部分组成，上下合拢形成内部模膛。形成内部模膛。 模膛按其功用不同分为制坯模膛、预锻模膛和模膛按其功用不同分为制坯模膛、预锻模膛和终锻模膛。终锻模膛。 制坯模膛制坯模膛：拔长、滚圆、弯曲切断以及镦粗、：拔长、滚圆、弯曲切断以及镦粗、击匾等。击匾等。 预锻模膛预锻模膛：使坯料接近锻件的形状和尺寸，有：使坯料接近锻件的形状和尺寸，有利于坯料最

20、终成形，并减少终端模膛磨损。利于坯料最终成形，并减少终端模膛磨损。 终端模膛终端模膛：用来完成锻件的最终成形。：用来完成锻件的最终成形。（2 2）锻模模膛的功用）锻模模膛的功用（a）预锻模膛）预锻模膛 预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近于预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模的使用寿命。锻模的使用寿命。 预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。圆角和斜度较大，没有飞边槽。（b）终锻模

21、膛）终锻模膛 使坯料最后变形到锻件所使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。形状应和锻件的形状相同。 沿模膛四周有沿模膛四周有飞边槽飞边槽，用以增加金属从模膛中流，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。 终锻后在孔内留下一薄层金属，称为终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮冲孔连皮。（c）制坯模膛）制坯模膛 拔长模膛拔长模膛用来减小坯料某部分的横截面积，用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。以增加该部分的长度。（c）制坯模膛）制坯模膛 滚压模膛

22、滚压模膛用来减小坯料某部分的横截面积，用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属按模锻以增大另一部分的横截面积。主要是使金属按模锻件形状来分布。件形状来分布。 弯曲模膛弯曲模膛对于弯曲的杆类模锻件，需用对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛来弯曲坯料。弯曲模膛来弯曲坯料。 切断模膛切断模膛上模与下模的角部组成的一对上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属。刀口，用来切断金属。（四）锻模工艺规程的制定1. 1. 绘制锻件图绘制锻件图1 1）分模面的选择）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

23、好是平直面。aaccddbb2)2)确定加工余量、公差和敷料确定加工余量、公差和敷料加工余量：14mm公差：0.33mm3 3）设计模锻斜度）设计模锻斜度外壁斜度：57 0内壁斜度：712 04 4）设计模锻圆角）设计模锻圆角外圆角：r = 1.512mm内圆角：r=（23）r5 5）确定冲孔连皮）确定冲孔连皮 锻件上直径小于锻件上直径小于25mm的孔，一般不的孔，一般不锻出，或只压出球形凹穴。大于锻出，或只压出球形凹穴。大于25mm的通孔，也不能直接模锻出通的通孔，也不能直接模锻出通孔，而必须在孔内保留一层连皮。孔，而必须在孔内保留一层连皮。 2. 2. 确定模锻工序确定模锻工序1 1）基本工序）基本工序圆盘类零件：镦粗