第八章金属塑性成形.

1、第第八八章章 金属塑性成形金属塑性成形第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形第二节第二节 金属的轧制、挤压、拉拔金属的轧制、挤压、拉拔第三节第三节 锻造工艺锻造工艺第四节第四节 板料冲压板料冲压第五节第五节 锻造及冲压零件的结构工艺性锻造及冲压零件的结构工艺性第六节第六节 塑性成形新工艺简介塑性成形新工艺简介1 1、金属塑性成形的定义、金属塑性成形的定义 金属塑性成形又称压力加工，是在外力的作用下，金属塑性成形又称压力加工，是在外力的作用下，使金属坯料产生使金属坯料产生塑性变形塑性变形，从而获得具有一定形状、，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。尺寸和力学性能的毛坯

2、或零件的加工方法。 各类各类钢钢和大多数和大多数有色金属及其合金有色金属及其合金都具有一定的都具有一定的塑性，可在热态或冷态下进行压力加工。塑性，可在热态或冷态下进行压力加工。概概 述述2 2、金属塑性成形的主要方法、金属塑性成形的主要方法塑性变形方式主要有：塑性变形方式主要有：轧制、挤压、拉拔、自由锻、轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、胎膜锻、板料冲压模锻、胎膜锻、板料冲压等。等。其中轧制、挤压、拉拔主要用于生产型材、板材、其中轧制、挤压、拉拔主要用于生产型材、板材、棒材和线材。棒材和线材。自由锻、模锻、胎膜锻和板料冲压又统称为锻压，自由锻、模锻、胎膜锻和板料冲压又统称为锻压，主要用于生产毛坯

3、和零件。主要用于生产毛坯和零件。概概 述述3 3、塑性成形的特点、塑性成形的特点 优点优点： a）锻件力学性能高；）锻件力学性能高； b）生产率高；）生产率高； c）材料消耗少。）材料消耗少。 缺点缺点： a)坯料塑性要好；坯料塑性要好； b)锻件形状不能太复杂。锻件形状不能太复杂。 应用应用： 汽车、拖拉机、宇航、船舶、军工、电器及日用汽车、拖拉机、宇航、船舶、军工、电器及日用工业品等。工业品等。概概 述述一、冷塑性变形后金属的组织和性能二、回复和再结晶三、冷变形和热变形四、金属的可锻性第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形 塑性：金属在外力作用下，产生永久变形而不破塑性：金属在外力作用

4、下，产生永久变形而不破坏的能力。坏的能力。 金属变形过程：金属变形过程： a a）金属材料在外力作用下发生弹性变形）金属材料在外力作用下发生弹性变形 b b）当外力超过一定值后产生塑性变形）当外力超过一定值后产生塑性变形 c c）外力继续加大，发生断裂）外力继续加大，发生断裂 金属塑性变形的实质：金属塑性变形的实质： a a）晶粒内部滑移和孪生）晶粒内部滑移和孪生 b b）晶间滑移和晶粒转动）晶间滑移和晶粒转动一、冷塑性变形后金属的组织和性能一、冷塑性变形后金属的组织和性能 加工硬化加工硬化：金属经过冷塑性变形后，强度和硬度上升，：金属经过冷塑性变形后，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降的现象。

5、而塑性和韧性下降的现象。 原因：原因： a）晶格扭曲）晶格扭曲 b）晶粒破碎）晶粒破碎 一、冷塑性变形后金属的组织和性能一、冷塑性变形后金属的组织和性能 1、回复、回复 随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲被消除，内应力明显下降的现象称为回复。被消除，内应力明显下降的现象称为回复。 T回回=（0.25-0.3）T熔熔 （K） 回复只能回复只能部分消除部分消除加工硬化加工硬化二、回复和再结晶二、回复和再结晶 2、再结晶、再结晶 温度上升到一定温度时，开始以某些碎晶或杂温度上升到一定温度时，开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，加工硬化完全消除，这质

6、为核心生长成新的晶粒，加工硬化完全消除，这个过程称为再结晶。个过程称为再结晶。 T再再=（0.4）T熔熔 （K） 1、冷变形冷变形： 变形温度变形温度低于再结晶温度低于再结晶温度 冷变形方式：冷变形方式：板料冲压、冷挤压、冷锻和冷轧板料冲压、冷挤压、冷锻和冷轧 冷变形后的组织特征冷变形后的组织特征 （a）金属的）金属的发生加工硬化发生加工硬化； （b）尺寸精度高，表面质量好。尺寸精度高，表面质量好。 三、冷变形和热变形三、冷变形和热变形 2 2、热变形：、热变形： 变形温度高于再结晶温度变形温度高于再结晶温度 热变形方式：热锻、热轧、热挤压热变形方式：热锻、热轧、热挤压 热变形后的组织特征：热

7、变形后的组织特征： （a a）晶粒得到细化晶粒得到细化； （b b）组织致密组织致密，力学性能显著提高。，力学性能显著提高。 三、冷变形和热变形三、冷变形和热变形 3、纤维组织、纤维组织 铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属铸锭在压力加工中产生塑性变形时，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，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。这种结它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫构叫纤维组织。纤维组织。 性能特点：性能特点：具有各向异性具有各向异性 a）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加

8、b）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低但抗剪切能力显著增强但抗剪切能力显著增强三、冷变形和热变形三、冷变形和热变形纤维组织合理分布纤维组织合理分布 （1 1）零件最大拉应力方）零件最大拉应力方向应与纤维组织平行向应与纤维组织平行 （2 2）零件最大剪切应力）零件最大剪切应力方向应与纤维组织垂直方向应与纤维组织垂直 （3 3）零件外形轮廓应与）零件外形轮廓应与纤维组织的分布相符合而纤维组织的分布相符合而不被切断。不被切断。三、冷变形和热变形三、冷变形和热变形四、金属的可锻性四、金属的可锻性 可锻性可锻性常用金属材料经受塑性变形加工常用金属材料经受塑性变形加

9、工的难易程度。的难易程度。 可锻性的优劣是以金属的可锻性的优劣是以金属的塑性塑性和和变形抗力变形抗力来来衡量的。衡量的。 金属的可锻性取决于金属的可锻性取决于材料的本质材料的本质(内因内因)和和塑性塑性成形的条件成形的条件(外因外因)。1 1、金属的本质、金属的本质( (内因内因) )（1 1）化学成分）化学成分 a）纯金属比合金的可锻性好；）纯金属比合金的可锻性好； b）含合金元素少的合金比多的好。）含合金元素少的合金比多的好。 （2 2）组织）组织 a）单相组织（纯金属或固溶体）比多相好；）单相组织（纯金属或固溶体）比多相好； b）钢中碳化物呈弥散分布比网状分布好；）钢中碳化物呈弥散分布比

10、网状分布好； c）晶粒细化的组织比粗大好。）晶粒细化的组织比粗大好。四、金属的可锻性四、金属的可锻性2 2、变形条件的影响、变形条件的影响( (外因外因) ) 温度升高，塑性提高，变形抗力减小，有效改善了温度升高，塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。可锻性。 但要防止但要防止“过热和过烧过热和过烧”。 金属锻造加热时允许的最高温度称为金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度始锻温度。 不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称锻造的温度称终锻温度终锻温度。（1 1）变形温度）变形温度四、金属的可锻性四、金属的可锻性（2 2）变形速

11、度）变形速度四、金属的可锻性四、金属的可锻性（3 3）应力状态）应力状态四、金属的可锻性四、金属的可锻性第二节第二节 金属的轧制、挤压、拉拔金属的轧制、挤压、拉拔第三节第三节 锻造工艺锻造工艺一、自由锻二、模锻三、胎模锻 自由锻就是利用冲击力或静压力使经过加热的自由锻就是利用冲击力或静压力使经过加热的金属在锻压设备的上、下砧间向四周自由流动产生金属在锻压设备的上、下砧间向四周自由流动产生塑性变形，从而获得所需锻件的加工方法。塑性变形，从而获得所需锻件的加工方法。（1）自由锻的特点）自由锻的特点 1）坯料变形时，只有部分表面受到限制，其余）坯料变形时，只有部分表面受到限制，其余可自由流动可自由流

12、动； 2）所用设备及工具简单，适应性强，锻件重量）所用设备及工具简单，适应性强，锻件重量不受限制；不受限制； 3）由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的精度）由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的精度低，生产率低，劳动强度大；低，生产率低，劳动强度大； 4）适用于单件小批生产，也是大型锻件的唯一）适用于单件小批生产，也是大型锻件的唯一锻造方法。锻造方法。一、一、自由锻自由锻1、自由锻的概述、自由锻的概述 （2）自由锻方法）自由锻方法 （1）手工锻造）手工锻造 （2）机器锻造）机器锻造 a）锻锤自由锻）锻锤自由锻 利用冲击力使坯料产生塑性变形利用冲击力使坯料产生塑性变形 常用设备有：常用设备有：空气锤、

13、空气锤、 蒸汽蒸汽-空气锤空气锤 b）液压机自由锻）液压机自由锻 利用静压力使坯料变形利用静压力使坯料变形 常用设备是水压机，适用于大型锻件。常用设备是水压机，适用于大型锻件。一、自由锻一、自由锻1、自由锻的概述、自由锻的概述（3）自由锻的工序）自由锻的工序 1）基本工序）基本工序 用来改变坯料的形状和尺寸的工序，主要包括：用来改变坯料的形状和尺寸的工序，主要包括：镦粗、拔长、冲孔镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移等。切割、错移等。 2）辅助工序）辅助工序 为了完成基本工序而进行的预先变形工序，主要为了完成基本工序而进行的预先变形工序，主要包括：包

14、括：压钳把、倒棱、压痕压钳把、倒棱、压痕等。等。 3）修整工序）修整工序 用来减少锻件表面缺陷的工序，主要包括：用来减少锻件表面缺陷的工序，主要包括：校正、校正、滚圆、平整滚圆、平整等。等。一、自由锻一、自由锻1、自由锻的概述、自由锻的概述2、自由锻工艺规程的制定、自由锻工艺规程的制定（1）锻件图的绘制）锻件图的绘制 1）敷料）敷料 2）余量）余量 3）公差）公差一、自由锻一、自由锻（2）确定坯料的质量和尺寸）确定坯料的质量和尺寸 1）坯料质量的计算）坯料质量的计算 m坯坯=m锻件锻件+m损损 式中式中 m坯坯坯料重量；坯料重量； m锻件锻件锻件重量；锻件重量； m损损 锻造中金属的各种损耗。

15、包括锻造中金属的各种损耗。包括m烧烧，m芯芯、m切切 一、自由锻一、自由锻2、自由锻工艺规程的制定、自由锻工艺规程的制定（2）确定坯料的质量和尺寸）确定坯料的质量和尺寸 2）坯料尺寸计算：坯料尺寸确定应考虑锻比）坯料尺寸计算：坯料尺寸确定应考虑锻比 锻比是锻件在锻造成形时变形程度的一种表示方法。锻比是锻件在锻造成形时变形程度的一种表示方法。 锻比选择合适时，则毛坯内部缺陷被压合，树枝晶锻比选择合适时，则毛坯内部缺陷被压合，树枝晶被打碎，晶粒显著细化，力学性能得到提高。被打碎，晶粒显著细化，力学性能得到提高。 a）锻比的计算方法）锻比的计算方法: 拔长时，拔长时，B拔拔=A0/A 镦粗时，镦粗时

16、，B镦镦=H0/H 一般情况下，铸锭作为坯料时，锻比不小于一般情况下，铸锭作为坯料时，锻比不小于2.53；轧制型材作为坯料时，锻比选择轧制型材作为坯料时，锻比选择1.31.5。 一、自由锻一、自由锻2、自由锻工艺规程的制定、自由锻工艺规程的制定（3）选择自由锻工序）选择自由锻工序（4）选择锻造设备）选择锻造设备（5）填写工艺卡）填写工艺卡 一、自由锻一、自由锻2、自由锻工艺规程的制定、自由锻工艺规程的制定 模锻是指将加热后的金属坯料放在锻模模膛内，在冲击力或静压力模锻是指将加热后的金属坯料放在锻模模膛内，在冲击力或静压力的作用下按模膛的形状发生塑性变形的加工方法。的作用下按模膛的形状发生塑性变

17、形的加工方法。1 1、模锻的特点（与自由锻相比）、模锻的特点（与自由锻相比） 优点优点：a a）模锻件形状复杂，尺寸精确高，表面光洁；）模锻件形状复杂，尺寸精确高，表面光洁； b b）锻件机械加工余量小，因而节省材料和工时；）锻件机械加工余量小，因而节省材料和工时； c c）模锻件使纤维分布符合外形结构，完整合理，从而使零件的模锻件使纤维分布符合外形结构，完整合理，从而使零件的力学性能提高，延长使用寿命力学性能提高，延长使用寿命； d d）生产操作简单，易于实现机械化和自动化；）生产操作简单，易于实现机械化和自动化； e e）生产率高。）生产率高。 缺点缺点：a a）需要制造锻模，且锻模的设计

18、和制作费用高，生产周期长；）需要制造锻模，且锻模的设计和制作费用高，生产周期长； b b）由于设备能力的限制，模锻件质量不宜过大，一般小于）由于设备能力的限制，模锻件质量不宜过大，一般小于150150千克。千克。 二、二、模锻模锻（1 1）锻模结构）锻模结构 锻模一般由上模和锻模一般由上模和下模两部分组成，上下下模两部分组成，上下合拢形成内部模膛。合拢形成内部模膛。 二、模锻二、模锻2 2、锤上模锻、锤上模锻模膛分类：模膛分类： 按功用不同按功用不同分为分为制坯模膛、制坯模膛、预锻模膛和终锻预锻模膛和终锻模膛。模膛。 二、模锻二、模锻2 2、锤上模锻、锤上模锻（1 1）锻模结构）锻模结构 单膛

19、模锻单膛模锻多膛模锻多膛模锻 二、模锻二、模锻2 2、锤上模锻、锤上模锻（2 2）锻模分类）锻模分类 要保证模锻件能从要保证模锻件能从模膛中取出模膛中取出易于在生产中发现易于在生产中发现错模现象错模现象使 模 膛 深 度 最 浅使 模 膛 深 度 最 浅xxx使锻件上所加敷料使锻件上所加敷料最少最少3、绘制锻件图、绘制锻件图（1）确定分模面确定分模面：分模面即是上、下锻模在锻件上的分界面。：分模面即是上、下锻模在锻件上的分界面。 二、模锻二、模锻 二、模锻二、模锻3、绘制锻件图、绘制锻件图（2）确定机加工余量和锻件公差）确定机加工余量和锻件公差（3）确定模锻斜度）确定模锻斜度（4）确定圆角半径

20、）确定圆角半径（5）冲孔连皮）冲孔连皮1、胎模锻的特点、胎模锻的特点 （1）与自由锻相比，模锻件的形状较为复）与自由锻相比，模锻件的形状较为复杂，尺寸精确，生产效率高。杂，尺寸精确，生产效率高。 （2）与模锻相比，可利用自由锻设备组织）与模锻相比，可利用自由锻设备组织生产，胎模制造成本低。生产，胎模制造成本低。三、三、胎模锻胎模锻2、胎模的种类、胎模的种类 按胎模的结构特点分为扣模、弯曲模、套按胎模的结构特点分为扣模、弯曲模、套筒模和合模等。筒模和合模等。（1）扣模）扣模：分单扣模和双扣模两种。：分单扣模和双扣模两种。（2）弯曲模：）弯曲模：由上、下模组成由上、下模组成（3）套筒模）套筒模：适

21、合生产饼类锻件：适合生产饼类锻件（4）合模）合模： 由上下模组成，并有导柱或导锁定位。由上下模组成，并有导柱或导锁定位。第四节第四节 板料冲压板料冲压 板料冲压又叫冷冲压，它是利用冲模使板板料冲压又叫冷冲压，它是利用冲模使板料产生变形或分离，从而获得具有一定形状和料产生变形或分离，从而获得具有一定形状和尺寸的锻件的工艺方法。尺寸的锻件的工艺方法。 冷冲压所用材料一般为小于冷冲压所用材料一般为小于4mm4mm的板料、的板料、条料、带料等，所用设备为冲床和剪床。条料、带料等，所用设备为冲床和剪床。一、冷冲压的特点一、冷冲压的特点 （1 1）可生产形状复杂的零件、零件精度高、表面）可生产形状复杂的零

22、件、零件精度高、表面粗糙度低、互换性好。零件的强度高、刚度好。粗糙度低、互换性好。零件的强度高、刚度好。 （2 2）材料的利用率高，一般可达）材料的利用率高，一般可达7080%7080%。 （3 3）适应性强，金属及非金属均可用冲压方法加）适应性强，金属及非金属均可用冲压方法加工。零件可大可小。工。零件可大可小。 （4 4）生产率高，每分钟可冲压小件数千件，易实）生产率高，每分钟可冲压小件数千件，易实现机械化和自动化。现机械化和自动化。 （5 5）模具结构复杂、制造成本高。）模具结构复杂、制造成本高。二、板料冲压的基本工序二、板料冲压的基本工序冲压工序冲压工序变形工序变形工序分离工序分离工序剪

23、切剪切切口切口冲裁（落料和冲孔）冲裁（落料和冲孔）拉深拉深成形成形弯曲弯曲翻边翻边修边修边刨切刨切分离工序分离工序-落料和冲孔落料和冲孔冲裁变形过程包括三个阶段，即弹性变形阶段、冲裁变形过程包括三个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂分离阶段塑性变形阶段、断裂分离阶段分离后冲裁件断面特征分离后冲裁件断面特征剪裂带光亮带毛刺冲裁变形过程包括三个阶段，即弹性变形阶段、冲裁变形过程包括三个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂分离阶段塑性变形阶段、断裂分离阶段分离工序分离工序-修整修整 分离工序分离工序-弯曲弯曲 弯曲是将坯料弯成一定的角度，一定的弯曲是将坯料弯成一定的角度，一定的曲率形成一定

24、形状零件的工序。曲率形成一定形状零件的工序。 弯曲时还应尽可能使弯曲线与弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方坯料纤维方向垂直。向垂直。 回弹现象回弹现象-由于弹性变形的恢复，坯料略微由于弹性变形的恢复，坯料略微弹回一点，使被弯曲的角度增大。一般回弹角为弹回一点，使被弯曲的角度增大。一般回弹角为010。与坯料纤维方向垂直与坯料纤维方向垂直 拉深也称拉延拉深也称拉延，是利用模具使冲裁后得到的平面毛，是利用模具使冲裁后得到的平面毛坯变成为开口空心零件的冲压工艺。坯变成为开口空心零件的冲压工艺。分离工序分离工序-拉深拉深拉深中常见的缺陷有拉穿和起皱拉深中常见的缺陷有拉穿和起皱 从拉深过程中可以看到，拉

25、伸件中最危险的从拉深过程中可以看到，拉伸件中最危险的部位是直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过部位是直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的强度极限时，此处将被材料的强度极限时，此处将被“拉穿拉穿”。 防止防止“拉穿拉穿”的措施有：的措施有：正确选择拉伸系数正确选择拉伸系数合理设计拉深模工作零件合理设计拉深模工作零件 起皱起皱是由于法兰部分在是由于法兰部分在切向力的作用下导致的结切向力的作用下导致的结果。果。 为了防止起皱，可用压为了防止起皱，可用压边圈把坯料压紧。边圈把坯料压紧。 成形主要用于平板毛成形主要用于平板毛坯的坯的局部成形局部成形（或叫起伏（或叫起伏成型），如压制凹坑，加成型），

26、如压制凹坑，加强肋，起伏形的花纹及标强肋，起伏形的花纹及标记等。另外，管类毛坯的记等。另外，管类毛坯的胀形（如波纹管）、平板胀形（如波纹管）、平板毛坯的拉形等，均属成形毛坯的拉形等，均属成形工艺。工艺。分离工序分离工序成形成形管坯成形管坯成形平板坯料成形平板坯料成形球体胀形球体胀形拉形拉形 翻边是在坯料的平面部分或曲面部分上使板料翻边是在坯料的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成型方法。分内沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成型方法。分内孔翻边和外缘翻边两种。孔翻边和外缘翻边两种。分离工序分离工序翻边翻边1.简单冲模简单冲模 在冲床的在冲床的一次冲程中只一次冲程中只完成一个工

27、序完成一个工序的冲模，称为的冲模，称为简单冲模。简单冲模。模模具简单，造价具简单，造价低。低。三、冲模三、冲模 冲床的一冲床的一次冲程中，在次冲程中，在模具不同部位模具不同部位上同时完成数上同时完成数道冲压工序的道冲压工序的模具，称为连模具，称为连续模。续模。生产率生产率高，要求定位高，要求定位精度高。精度高。2. 连续冲模连续冲模（级进模）（级进模） 冲床的一次冲程中，在模具同一部位上冲床的一次冲程中，在模具同一部位上同时完成数道冲压工序的模具，称为复合模。同时完成数道冲压工序的模具，称为复合模。精度高，模具复杂。精度高，模具复杂。3. 复合冲模复合冲模落料拉伸复合冲模落料拉伸复合冲模拉伸件

28、拉伸件冲压新技术冲压新技术精冲精冲金属塑性成形新技术金属塑性成形新技术 超塑性成形超塑性成形 液态模锻液态模锻第四节第四节 锻造及冲压零件的结构工艺性锻造及冲压零件的结构工艺性 设计零件时，不仅要保证其良好的使用性能，还应设计零件时，不仅要保证其良好的使用性能，还应考虑其锻造、冲压时的工艺性能。考虑其锻造、冲压时的工艺性能。 为使零件的结构便于加工，降低成本，提高生产为使零件的结构便于加工，降低成本，提高生产效率，就要对被加工零件的毛坯在形状、尺寸、精度效率，就要对被加工零件的毛坯在形状、尺寸、精度等方面给于限定或规定。等方面给于限定或规定。 自由锻造采用简单、通用的工具，自由锻造采用简单、通用的工具，锻件的形状和尺寸精度很大程度上取锻件的形状和尺寸精度很大程度上取决于锻工的技术水平，所以锻件的形决于锻工的技术水平，所以锻件的形状不能复杂。状不能复杂