《塑性成形工艺基础》课件

第二章金属的塑性成形第一节金属塑性成形的工艺基础第二节金属热锻成形工艺第三节板料冲压成形工艺第四节特种塑性成形技术简介1第页第二章金属的塑性成形第一节金属塑性成形的工艺基础第二节第一节金属塑性成形的工艺基础一、金属塑性成形概述二、金属的塑性成形性能及影响因素2第页第一节金属塑性成形的工艺基础一、金属塑性成形概述二、金属的利用金属的塑性，用工具对金属材料所进行的加工工艺的总称。目的:在外力的作用下改变材料的形状和尺寸而不产生切屑，使成为半成品或成品。一、金属塑性成形概述1.塑性成形工艺方法及分类3第页利用金属的塑性，用工具对金属材料所进行的加工工艺的总二次塑性加工板料成形体积成形冷冲压或板料冲压锻造挤压冲压基本工序有：分离工序和成形工序热成形、温成形、冷成形4第页二次塑性加工板料成形体积成形冷冲压或板料冲压锻造挤压冲压基本用轧辊来轧压金属材料。轧辊上开有一定形状和尺寸的轧槽，材料通过两轧辊之间的轧槽，就形成各种形状和尺寸的横剖面，如各种型式的钢材（圆钢、工字钢、槽钢等）1）轧制（rolling）坯料轧辊录像1录像2示例1示例2钢管轧制.swf5第页用轧辊来轧压金属材料。轧辊上开有一定形状和尺寸的轧槽2）挤压（extruding）使金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的方法。挤压筒挤压模凸模坯料挤压筒挤压模凸模坯料正挤压反挤压6第页2）挤压（extruding）使金属坯料在挤压模内受压被挤出3)拉拔（drawing)将较大剖面的金属材料强行拉过拉拔模（它中间有一尺寸较材料稍小的模孔，一端为喇叭口），以获得所要求的剖面形状和尺寸的方法。通常在室温下进行。经过拉拔可得到尺寸精确、表面光洁并具有较好机械性能的线材、型材、管材等。拉拔模坯料7第页3)拉拔（drawing)将较大剖面的金属材料强行拉4)自由锻造（freeforging)使金属坯料在锻锤或压力机的上下抵铁（上砧、下砧）间受冲击力或压力而变形的方法。坯料下砧上砧自由锻造录像8第页4)自由锻造（freeforging)使金属坯料在5)模锻（dieforging)利用装在锻造机器上的锻模，在锤的打击或压力机的压力下，使金属在一定形状和尺寸的模膛内变形的方法。坯料下模上模曲轴锻模9第页5)模锻（dieforging)利用装在锻造机器上6)冲压（pressing)凹模凸模坯料使金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的方法。10第页6)冲压（pressing)凹模凸模坯料使金属板料在1)用压力加工方式制造的产品，具有较高的机械性能例抗拉强度（Mpa）屈服强度（Mpa）延伸率（%）ZG4558032012轧制4561036016提高百分率5%12%30%2.塑性成形工艺的特点：11第页1)用压力加工方式制造的产品，具有较高的机械性能例2.塑性塑性成形工艺特点（2）材料利用率高；

仅依靠形状变化和体积转移来实现。（3）生产效率高；

生产自动化、机械化（4）尺寸精度高。

少、无切削加工，向近净成形发展

12第页塑性成形工艺特点（2）材料利用率高；12第页产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。凡承受重载的机器零件，如机器的主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常需采用锻件作毛坯，再经切削加工而制成。一般用于受力较大的重要零件。用途：实例1实例2实例3实例4实例5塑性成形工艺不足13第页产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。凡承受重载的机器二、金属的塑性成形性能及影响因素1.金属的塑性及变形规律塑性：金属材料在外力作用下，发生永久变形而不开裂的能力。不同材料塑性不同，而同一材料变形条件不同塑性也不相同。14第页二、金属的塑性成形性能及影响因素1.金属的塑性及变形规律14金属塑性成形的基本规律（1）最小阻力定律：

即如果物体在变形过程中某质点有向各种方向移动的可能性时，则物体各质点将向阻力最小的方向移动。故宏观上变形阻力最小的方向上变形量大。依据该定律：镦粗矩形截面坯料，最终会成为圆形截面。图例15第页金属塑性成形的基本规律（1）最小阻力定律：图例15第（2）体积不变规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。运用此定律，便于估算坯料体积、质量及坯料在各工序中的尺寸；16第页（2）体积不变规律16第页2.塑性变形对金属组织和性能的影响（1）变形程度的影响随着变形程度的增加，可以消除铸态粗大树枝晶组织，获得均匀细小的等轴晶组织；破碎并分散碳化物和非金属夹杂物的分布；锻合内部孔隙和缩松强度和抗疲劳性能得以提高，特别是塑性、韧性提高较大。17第页2.塑性变形对金属组织和性能的影响17第页变形程度的表示方法锻造比：拔长时，S前/S后；镦粗时：H前/H后相对弯曲半径拉深系数翻边系数18第页变形程度的表示方法锻造比：拔长时，S前/S后；18第（2)纤维组织的影响在塑性变形过程中，晶粒和晶间杂质都沿着变形最大方向伸长；再结晶后，晶粒恢复成等轴晶，而杂质仍然保持线状分布。此即纤维组织。特点：性能出现方向性顺纤维方向，强度、塑性、韧性较高；垂直纤维方向，强度、塑性、韧性较低，但抗剪切能力强。

图例图例图例动画19第页（2)纤维组织的影响特点：性能出现方向性图例图例图例动画19

锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变其流线方向和分布状况。20第页锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其20第如何纤维组织的利用轴类：最大拉应力方向与纤维方向一致，最大剪应力方向与纤维组织垂直。容易疲劳剥损的零件：工作表面避免纤维露头，使纤维的分布与零件的外形轮廓相符合。受力复杂件：不希望明显的纤维组织，减少各向异性。21第页如何纤维组织的利用轴类：最大拉应力方向与纤维方向一致，最大剪1）在冷变形（在再结晶温度以下的变形）条件下：组织：加工硬化组织（晶粒沿变形最大的方向伸长；晶格歪扭；产生碎晶）（3）冷变形与热变形的影响22第页1）在冷变形（在再结晶温度以下的变形）条件下：组织：加工硬化性能：随变形程度增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。（此现象称为加工硬化）23第页性能：23第页2）在热变形（在再结晶温度以上的变形）条件下：组织：再结晶组织（均匀、细小的晶粒）性能：具有较高的综合机械性能。24第页2）在热变形（在再结晶温度以上的变形）条件下：组织：再结晶组(1)金属的本质1）化学成分如纯铜和纯铁2）组织如钢中

A与Fe3C

AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3CIIP+F问题：在室温下受力时，含碳量0.1％的钢与含碳量1.0％的钢相比，哪个容易产生塑性变形？为什么？3.影响金属塑性变形的因素25第页(1)金属的本质AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3(2)加工条件1）变形温度变形温度提高，可锻性提高原因：温度提高，原子动能提高，有利于滑移变形；温度提高，有可能改变金属组织，如钢，1000℃单一A组织；温度°Cσbψδ400AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3CIIP+F26第页(2)加工条件原因：温度提高，原子动能提高，有利于滑移变形；锻造温度范围始锻温度和终锻温度间的温度范围始锻温度过高，容易产生氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷过热：晶粒过分粗大过烧：晶界氧化或熔化(自由锻造录像)27第页锻造温度范围始锻温度和终锻温度间的温度范围始锻温度过碳钢的锻造温度范围：始：~AE线下200℃；终：~800℃28第页碳钢的锻造温度范围：28第页2）变形速度在一定的变形速度以下，可锻性下降；当超过某一变形速度时，可锻性提高；变形速度变形抗力塑性原因：变形加工硬化热能再结晶变形速度提高，热能增加，再结晶作用增强问题：金属在热变形过程中，是否存在加工硬化现象？

29第页2）变形速度变形速度变形抗力塑性原因：3）应力状态压应力数目多，塑性好，有利于成形，但变形抗力提高。示例30第页3）应力状态示例30第页b)拉拔时，压应力数目少，材料容易拉裂，但需要的动力小与挤压a)挤压时，压应力数目多，因此材料不容易破裂，但需要很大的挤压力。返回31第页b)拉拔时，压应力数目少，材料容易拉裂，但需要的动力小与挤（3）其他因素摩擦条件

摩擦力越大，变形不均匀程度越严重，所引起的附加应力也越大，从而导致变形抗力增加，塑性降低。采取润滑剂。模具结构合理设计模具，如圆角

减小金属成形时的流动阻力，避免割断纤维和出现折叠。32第页（3）其他因素摩擦条件32第页综上所述，金属的塑性成形性能取决于内在因素：化学成分，金属组织外在因素：加工条件（变形温度、变形速度、应力状态）其他因素（摩擦条件、模具结构）33第页综上所述，金属的塑性成形性能取决于33第页TheEndofThisPart34第页TheEndofThisPart34第页返回35第页返回35第页返回锻造曲轴的纤维组织36第页返回锻造曲轴的纤维组织36第页a)

用圆钢棒料直接切制；b)用板料（钢板）直接切制；c)用棒料锻造镦粗后切制；d)轧制成形后再切削；返回37第页a)用圆钢棒料直接切制；b)用板料（钢板）直接切制；c)纤维组织的形成.swf38第页纤维组织的形成.swf38第页TheEndofThisPart39第页TheEndofThisPart39第页返回轧制AVI40第页返回轧制AVI40第页返回轧制AVI41第页返回轧制AVI41第页带钢返回42第页带钢返回42第页图3-15不同截面的金属流动情况a)圆形b)正方形c)长方形

图3-15不同截面的金属流动情况a)圆形返回图3-16金属镦粗变形返回图3-16金属镦粗变形返回各种型钢45第页返回各种型钢45第页齿轮与花键轴46第页齿轮与花键轴46第页曲轴与连杆47第页曲轴与连杆47第页传动轴万向节毛坯拖钩吊环48第页传动轴万向节毛坯拖钩吊环48第页斧头双头呆扳手双头梅花扳手镐头带柄羊角锤八角锤瓦刀活扳手49第页斧头双头呆扳手双头梅花扳手镐头带柄羊角锤八角锤瓦刀活扳手49铜索钳航空电缆剪钢丝钳锉刀50第页铜索钳航空电缆剪钢丝钳锉刀50第页第二章金属的塑性成形第一节金属塑性成形的工艺基础第二节金属热锻成形工艺第三节板料冲压成形工艺第四节特种塑性成形技术简介51第页第二章金属的塑性成形第一节金属塑性成形的工艺基础第二节第一节金属塑性成形的工艺基础一、金属塑性成形概述二、金属的塑性成形性能及影响因素52第页第一节金属塑性成形的工艺基础一、金属塑性成形概述二、金属的利用金属的塑性，用工具对金属材料所进行的加工工艺的总称。目的:在外力的作用下改变材料的形状和尺寸而不产生切屑，使成为半成品或成品。一、金属塑性成形概述1.塑性成形工艺方法及分类53第页利用金属的塑性，用工具对金属材料所进行的加工工艺的总二次塑性加工板料成形体积成形冷冲压或板料冲压锻造挤压冲压基本工序有：分离工序和成形工序热成形、温成形、冷成形54第页二次塑性加工板料成形体积成形冷冲压或板料冲压锻造挤压冲压基本用轧辊来轧压金属材料。轧辊上开有一定形状和尺寸的轧槽，材料通过两轧辊之间的轧槽，就形成各种形状和尺寸的横剖面，如各种型式的钢材（圆钢、工字钢、槽钢等）1）轧制（rolling）坯料轧辊录像1录像2示例1示例2钢管轧制.swf55第页用轧辊来轧压金属材料。轧辊上开有一定形状和尺寸的轧槽2）挤压（extruding）使金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的方法。挤压筒挤压模凸模坯料挤压筒挤压模凸模坯料正挤压反挤压56第页2）挤压（extruding）使金属坯料在挤压模内受压被挤出3)拉拔（drawing)将较大剖面的金属材料强行拉过拉拔模（它中间有一尺寸较材料稍小的模孔，一端为喇叭口），以获得所要求的剖面形状和尺寸的方法。通常在室温下进行。经过拉拔可得到尺寸精确、表面光洁并具有较好机械性能的线材、型材、管材等。拉拔模坯料57第页3)拉拔（drawing)将较大剖面的金属材料强行拉4)自由锻造（freeforging)使金属坯料在锻锤或压力机的上下抵铁（上砧、下砧）间受冲击力或压力而变形的方法。坯料下砧上砧自由锻造录像58第页4)自由锻造（freeforging)使金属坯料在5)模锻（dieforging)利用装在锻造机器上的锻模，在锤的打击或压力机的压力下，使金属在一定形状和尺寸的模膛内变形的方法。坯料下模上模曲轴锻模59第页5)模锻（dieforging)利用装在锻造机器上6)冲压（pressing)凹模凸模坯料使金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的方法。60第页6)冲压（pressing)凹模凸模坯料使金属板料在1)用压力加工方式制造的产品，具有较高的机械性能例抗拉强度（Mpa）屈服强度（Mpa）延伸率（%）ZG4558032012轧制4561036016提高百分率5%12%30%2.塑性成形工艺的特点：61第页1)用压力加工方式制造的产品，具有较高的机械性能例2.塑性塑性成形工艺特点（2）材料利用率高；

仅依靠形状变化和体积转移来实现。（3）生产效率高；

生产自动化、机械化（4）尺寸精度高。

少、无切削加工，向近净成形发展

62第页塑性成形工艺特点（2）材料利用率高；12第页产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。凡承受重载的机器零件，如机器的主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常需采用锻件作毛坯，再经切削加工而制成。一般用于受力较大的重要零件。用途：实例1实例2实例3实例4实例5塑性成形工艺不足63第页产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。凡承受重载的机器二、金属的塑性成形性能及影响因素1.金属的塑性及变形规律塑性：金属材料在外力作用下，发生永久变形而不开裂的能力。不同材料塑性不同，而同一材料变形条件不同塑性也不相同。64第页二、金属的塑性成形性能及影响因素1.金属的塑性及变形规律14金属塑性成形的基本规律（1）最小阻力定律：

即如果物体在变形过程中某质点有向各种方向移动的可能性时，则物体各质点将向阻力最小的方向移动。故宏观上变形阻力最小的方向上变形量大。依据该定律：镦粗矩形截面坯料，最终会成为圆形截面。图例65第页金属塑性成形的基本规律（1）最小阻力定律：图例15第（2）体积不变规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。运用此定律，便于估算坯料体积、质量及坯料在各工序中的尺寸；66第页（2）体积不变规律16第页2.塑性变形对金属组织和性能的影响（1）变形程度的影响随着变形程度的增加，可以消除铸态粗大树枝晶组织，获得均匀细小的等轴晶组织；破碎并分散碳化物和非金属夹杂物的分布；锻合内部孔隙和缩松强度和抗疲劳性能得以提高，特别是塑性、韧性提高较大。67第页2.塑性变形对金属组织和性能的影响17第页变形程度的表示方法锻造比：拔长时，S前/S后；镦粗时：H前/H后相对弯曲半径拉深系数翻边系数68第页变形程度的表示方法锻造比：拔长时，S前/S后；18第（2)纤维组织的影响在塑性变形过程中，晶粒和晶间杂质都沿着变形最大方向伸长；再结晶后，晶粒恢复成等轴晶，而杂质仍然保持线状分布。此即纤维组织。特点：性能出现方向性顺纤维方向，强度、塑性、韧性较高；垂直纤维方向，强度、塑性、韧性较低，但抗剪切能力强。

图例图例图例动画69第页（2)纤维组织的影响特点：性能出现方向性图例图例图例动画19

锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变其流线方向和分布状况。70第页锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其20第如何纤维组织的利用轴类：最大拉应力方向与纤维方向一致，最大剪应力方向与纤维组织垂直。容易疲劳剥损的零件：工作表面避免纤维露头，使纤维的分布与零件的外形轮廓相符合。受力复杂件：不希望明显的纤维组织，减少各向异性。71第页如何纤维组织的利用轴类：最大拉应力方向与纤维方向一致，最大剪1）在冷变形（在再结晶温度以下的变形）条件下：组织：加工硬化组织（晶粒沿变形最大的方向伸长；晶格歪扭；产生碎晶）（3）冷变形与热变形的影响72第页1）在冷变形（在再结晶温度以下的变形）条件下：组织：加工硬化性能：随变形程度增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。（此现象称为加工硬化）73第页性能：23第页2）在热变形（在再结晶温度以上的变形）条件下：组织：再结晶组织（均匀、细小的晶粒）性能：具有较高的综合机械性能。74第页2）在热变形（在再结晶温度以上的变形）条件下：组织：再结晶组(1)金属的本质1）化学成分如纯铜和纯铁2）组织如钢中

A与Fe3C

AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3CIIP+F问题：在室温下受力时，含碳量0.1％的钢与含碳量1.0％的钢相比，哪个容易产生塑性变形？为什么？3.影响金属塑性变形的因素75第页(1)金属的本质AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3(2)加工条件1）变形温度变形温度提高，可锻性提高原因：温度提高，原子动能提高，有利于滑移变形；温度提高，有可能改变金属组织，如钢，1000℃单一A组织；温度°Cσbψδ400AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3CIIP+F76第页(2)加工条件原因：温度提高，原子动能提高，有利于滑移变形；锻造温度范围始锻温度和终锻温度间的温度范围始锻温度过高，容易产生氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷过热：晶粒过分粗大过烧：晶界氧化或熔化(自由锻造录像)77第页锻造温度范围始锻温度和终锻温度间的温度范围始锻温度过碳钢的锻造温度范围：始：~AE线下200℃；终：~800℃78第页碳钢的锻造温度范围：28第页2）变形速度在一定的变形速度以下，可锻性下降；当超过某一变形速度时，可锻性提高；变形速度变形抗力塑性原因：变形加工硬化热能再结晶变形速度提高，热能增加，再结晶作用增强问题：金属在热变形过程中，是否存在加工硬化现象？

79第页2）变形速度变形速度变形抗力塑性原因：3）应力状态压应力数目多，塑性好，有利于成形，但变形抗力提高。示例80第页3）应力状态示例30第页b)拉拔时，压应力数目少，材料容易拉裂，但需要的动力小与挤压a)挤压时，压应力数目多，因此材料不容易破裂，但需要很大的挤压力。返回81第页b)拉拔时，压应力数目少，材料容易拉裂，但需要的动力小与挤（3）其他因素摩擦条件

摩擦力越大，变形不均匀程度越严重，所引起的附加应力也越大，从而导致变形抗力增加，塑性降低。采取润滑剂。模具结构合理设计模具，如圆角

减小金属成形时的流动阻力，避免割断纤维和出现折叠。82第页（3）其他因素摩擦条件32第