机械制造基础-塑性成形

第3章塑性成形3.1

塑性成形理论基础

3.2塑性成形方法3.3塑性成形工艺设计3.4塑性加工方法的结构工艺性3.5塑性成形新发展返回

塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。塑性成形加工的特点：优点：1）改善金属的组织，提高金属的力学性能；2）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益；3）具有较高的劳动生产率。4）适应性广。缺点：1）锻件的结构工艺性要求较高，内腔复杂零件难以锻造；2）锻造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；3）需重型机器设备和较复杂模具，设备费用与周期长；4）生产现场劳动条件较差。

常用塑性成形加工方法有：1）自由锻造；2）模型锻造；3）挤压；4）拉拔；5）轧锻；6）板料冲压。如图3-1所示。

塑性成形主要用于主轴、曲轴、连杆、齿轮、叶轮、炮筒、枪管、吊钩、飞机和汽车零件等力学性能要求高的重要零部件。第1节塑性成形理论基础3.1.1塑性成形的实质3.1.2冷变形强化与再结晶3.1.3锻造比与锻造流线3.1.4塑性成形基本规律3.1.5金属的锻造性能3.1.1塑性成形的实质

具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构来说明。1.单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形有两种方式：滑移变形和双晶变形。1）滑移变形：晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图3-2所示。晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现的。如图3-3所示。当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，如图3-4所示，形成可见的变形。2）双晶：亦叫孪晶。晶体在外力作用下，晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。如图3-5所示。2.多晶体的塑性变形

多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的塑性变形很复杂，可分为晶内变形和晶间变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形；晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。如图3-6所示。多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，也是滑移和双晶，但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。因为其产生的切应力最大。如图3-7反映了晶粒位向与受力变形的关系。

同时在多晶体的晶界处，由于相邻晶粒间的位向差别，产生晶格的畸变，并有杂质的存在，以及晶粒间犬牙交错状态，对多晶体的变形造成很大障碍。低温时，晶界强度高于晶粒内部强度，变形抗力大不易变形；高温时，晶界强度降低，晶粒易于相互移动。所以多晶体由于存在晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要远高于同种金属的单晶体。

3.1.2冷变形强化与再结晶

金属塑性变形时，在不同的温度下，对金属组织和性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。

1.冷变形强化（加工硬化）指金属在低温下进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，如图3-8所示；变形程度越大，冷变形强化现象越严重。

冷变形强化的原因是：在塑性变形过程中，在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶，滑移面附近的晶格也产生了畸变，增加了继续滑移的阻力，使继续变形困难。

对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。

2.回复

指当温度升高时，金属原子获得热能，使冷变形时处于高位能的原子回复到正常排列，消除由于变形而产生的晶格扭曲的过程，可使内应力减少。

回复温度较低，对于纯金属，可用下式计算：式中----金属的绝对回复温度；

----金属的绝对熔化温度；

回复作用不改变晶粒的形状及晶粒变形时所构成的方向性，也不能使晶粒内部的破坏现象及晶界间物质的破坏现象得到恢复，只是逐渐消除晶格的扭曲程度。故回复作用可以降低内应力，但力学性能变化不大，强度稍降低，塑性稍提高。如图3-9b所示。

3.再结晶

指当温度升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，通过金属原子的扩散，使冷变形强化的结晶构造进行改变，成长出许多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶。如图3-9c所示。

再结晶过程：先在变形金属中出现再结晶核心（小晶块，或破碎物），结晶核心周围的畸变晶格中的原子向再结晶核心聚集，从不稳定状态向稳定状态过渡，有秩序地排列起来，而形成新的具有正常晶格结构的晶粒，直至新晶粒完全形成，再结晶结束。如果继续升温或保温，再结晶晶粒还会聚合长大，即二次再结晶。再结晶使内应力全部消除，强度降低，塑性增加。如图3-10所示为变形后的金属在加热时组织和性能的变化。

再结晶晶的最最低温温度称称为再再结晶晶温度度，一一般纯纯金属属的再再结晶晶温度度为：：再结晶晶处理理：利用金金属再再结晶晶过程程消除除低温温变形形后的的冷变变形强强化，，恢复复金属属的良良好塑塑性，，以利利于后后继的的冷变变形加加工。。4.冷变形形和热热变形形冷变形形：指金属属在其其再结结晶温温度以以下进进行塑塑性变变形。。如冷冷冲压压、冷冷弯、、冷挤挤、冷冷镦、、冷轧轧和冷冷拔，，能获获得较较高的的硬度度及表表面质质量。。热变形形：指金属属在其其再结结晶温温度以以上进进行塑塑性变变形。。如锻锻造、、热挤挤和轧轧制等等，能消消除冷冷变形形强化化的痕痕迹，，保持持较低低的塑塑性变变形抗抗力和和良好好的塑塑性。。3.1.3锻造比比和锻锻造流流线（（纤维维组织织）1.锻造流流线的的形成成在金属属铸锭锭中含含有的的夹杂杂物多多分布布在晶晶界上上，在在金属属塑性性变形形时，，晶粒粒沿变变形方方向伸伸长，，塑性性夹杂杂物也也随着着变形形一起起被拉拉长，，呈带带状分分布；；脆性性夹杂杂物被被打碎碎呈碎碎粒状状或链链状分分布；；通过过再结结晶过过程，，晶粒粒细化化，而而夹杂杂物却却依然然呈条条状和和链状状被保保留下下来，，形成成锻造造流线线。如图3-11所示。。锻造流流线使使金属属的力学性能呈呈现各向异异性，平行于于纤维维方向向塑性性和韧韧性增增加，，垂直直于纤纤维方方向则则下降降。2、锻造比比它是锻锻造生生产中中代表表金属属变形形大小小的一一个参参数，，一般般用锻锻造过过程中中的典典型工工序的的变形形程度度来表表示：：如镦镦粗工工序，，锻造造比为为：拔长锻锻造比比：3.锻造比比对金金属的的组织织和性性能的的影响响一般情情况下下，增增加锻锻造比比，可可使金金属组组织细细密化化，提提高锻锻件的的力学学性能能。但但当锻锻造比比过大大，金金属组组织的的紧密密程度度和晶晶粒细细化程程度已已到极极限，，故力力学性性能不不再升升高，，而增增加各各向异异性。。锻造造比越越大，，锻造造流线线越明明显，，其力力学性性能的的方向向性越越明显显。如图3-12所示为为碳素素结构构钢锭锭采用用不同同锻造造比进进行拔拔长后后的力力学性性能变变化曲曲线。。当锻锻造比比增加加时，，钢的的强度度在横横向和和纵向向差别别不大大，而而塑性性和韧韧性纵纵向明明显好好于横横向。。锻造流流线的的稳定定性很很高，，而且且用热热处理理不能能消除除。故故在设设计和和制造造易受受冲击击载荷荷的零零件时时，必必须考考虑锻锻造流流线的的方向向，使使最大大正应应力与与流线线方向向一致致，切切应力力或冲冲击应应力与流流线方方向垂垂直；；使锻锻造流流线的的分布布与零零件的的外形形轮廓廓相符符合，，而不不被切切断。。如图3-13所示的的拖钩钩，如图3-14所示的的齿轮轮。3.1.4塑性成成形基基本规规律塑性成成形规规律：就是是塑性性成形形时金金属质质点流流动的的规律律，即即在给给定条条件下下，变变形体体内将将出现现什么么样的的位移移速度度场和和位移移场，，以确确定物物体形形状、、尺寸寸的变变化及及应变变场。。从而而为选选择变变形工工步和和设计计成形形模具具奠定定基础础。1.体积不不变定定律金属塑塑性变变形前前后体体积不不变，，实际际中略略有缩缩小；；可计计算各各工序序尺寸寸。2.最小阻阻力定定律塑性变变形时时金属属质点点首先先向阻阻力最最小方方向移移动。。一般般金属属某质质点移移动时时阻力力最小小方向向是通通过该该质点点向金金属变变形部部分的的周边边所作作的法法线方方向，，如图3-15，图3-16所示。。3.1.5金属的的锻造造性能能金属的的锻造造性能能是用来来衡量量金属属材料料利用用锻压压加工工方法法成形形的难难易程程度，，是金金属的的工艺艺性能能指标标之一一。常常用金金属的的塑性性和变变形抗抗力两两个因因素来来综合合衡量量。塑塑性越越好，，变形形抗力力越小小，则则锻造造性能能越好好。影影响金金属锻锻造性性能的的因素素有：：金属属的本本质和和金属属的变变形条条件。。1.金属本本质的影响响1）金属属的化化学成成分：：化学成成分不不同，，塑性性不同同，锻锻造性性能不不同。。2）金属属的组组织状状态：：组织结结构不不同，，锻造造性能能不同同；单单一固固溶体体组成成的合合金，，塑性性好，，锻造造性能能好；；铸态柱柱状组组织和和粗晶晶结构构不如如细小小均匀匀的晶晶粒结结构；；金属内内部有有缺陷陷也不不一样样。1）变形形温度度：温度度升高高，塑塑性上上升，，降低低变形形抗力力，易易于锻锻造；；但温温度过过高也也会产产生相相应的的缺陷陷，如如氧化化，脱脱碳、、过热热和过过烧等等。故故要严严格控控制锻锻造温温度范范围。。锻造温温度范范围指始锻锻温度度与终终锻温温度间间的温温度范范围，，以合合金状状态图图为依依据。。对始锻锻温度度，原原则是是在不不出现现过热热和过过烧的的前提提下，，尽量量提高高始锻锻温度度。碳碳钢的的始锻锻温度度为AE线下2000C。终锻锻温度度即停停止锻锻造的的温度度，对对于锻锻件质质量有有很大大影响响，终终锻温温度太太高，，停锻锻后晶晶粒会会重新新长大大，降降低锻锻件力力学性性能；；太低低，再再结晶晶困难难，冷冷变形形强化化现象象严重重，变变形抗抗力太太大，，甚至至产生生锻造造裂纹纹，也也易损损坏设设备和和工具具。碳钢在在加热热时奥奥氏体体晶粒长长大示意图图如图3-17a所示，，锻造造温度度见图3-17b。2.金属的的变形形条件件2）变形形速度度：指金属属在锻锻压加加工过过程中中单位位时间间内的的相对对变形形量。。变形形速度度的影影响较较复杂杂：一一方面面变形形速度度增大大，冷冷变形形强化化现象象严重重，变变形抗抗力增增大，，锻造造性能能变坏坏；另另一方方面变变形速速度很很大时时产生生的热热能使使金属属温度度升高高，提提高塑塑性，，降低低变形形抗力力，锻锻造性性能变变好。。如图3-18所示。。3）变形形时的的应力力状态态：不同压压力加加工方方法，，金属属内部部的应应力状状态是是不同同的，，如图3-19所示。。在金金属塑塑性变变形时时，压压应力力数目目越多多，其其塑性性变形形越好好，因因为压压应力力使滑滑移面面紧密密结合合，防防止产产生裂裂纹；；拉应应力则则使塑塑性变变形降降低，，应为为它使使缺陷陷扩大大，使使滑移移面分分离。。但压压应力力时变变形抗抗力增增大。。故必必须综综合考考虑塑塑性和和变形形抗力力。思考题题：1.试述单单晶体体和多多晶体体塑性性变形形的实实质。。2.锻造流流线的的存在在对金金属力力学性性能有有何影影响？？在零零件设设计中中应注注意哪哪些问问题？？3.试述金金属的的锻造造性能能及其其影响响因素素。第2节塑塑性性成形形方法法3.2.1锻造3.2.1.1自由锻锻自由锻锻指将将金属属坯料料放在在锻造造设备备的上上下抵抵铁之之间，，施加加冲击击力或或压力力，使使之产产生自自由变变形而而获得得所需需形状状的成成形方方法。。坯料料在锻锻造过过程中中，除除与上上下抵抵铁或或其它它辅助助工具具接触触的部部分表表面外外，都都是自自由表表面，，变形形不受受限制制，锻锻件的的形状状和尺尺寸靠靠锻工工的技技术来来保证证，所所用设设备与与工具具通用用性强强。自由锻锻主要要用于于单件、、小批批生产产，也也是生生产大大型锻锻件的的唯一一方法法。1.自由锻锻设备备自由锻锻设备备常用用的有有锻锤和和压力力机。。1）空气锤锤：它由由电动动机直直接驱驱动，，打击击速度度快，，锤击击能量量小，，适用用于小小型锻锻件；；其结结构与与原理理如图3-20所示。2）蒸汽—空气锤：利用蒸汽或或压缩空气气作为动力力，构造及及工作原理理如图3-21所示，适用于中中小型锻件件。3）水压机：以压力代替替锤锻时的的冲击力，，适用于锻锻造大型锻锻件；其工工作过程包包括空程、、工作行程程、回程、、悬空。其原理和和结构如图3-22所示。1）基本工序：改变坯料料的形状和和尺寸以达达到锻件基基本成形的的工序，包括镦粗、、拔长、冲冲孔、弯曲曲、切割、、扭转、错错移等。最最常用的是是镦粗、拔拔长、冲孔孔。2）辅助工序：为了方便便基本工序序的操作，，而使坯料料预先产生生某些局部部变形的工工序。如压钳口、倒棱和切肩。3）精整工序：修整锻件件的最后尺尺寸和形状状，消除表表面的不平平和歪扭，，使锻件达达到图纸要要求的工序序。如修整整鼓形、平整端面、、校直弯曲曲。2.自由锻工序序根据作用与与变形要求求的不同，，可分为基基本工序、、辅助工序序和精整工工序。3.自由锻的特特点优点：1）自由锻使使用工具简简单，不需需要造价昂昂贵的模具具；2）可锻造各各种重量的的锻件，对对大型锻件件，它是唯唯一方法3）由于自由由锻的每次次锻击坯料料只产生局局部变形，，变形金属属的流动阻阻力也小，，故同重量量的锻件，，自由锻比比模锻所需需的设备吨吨位小。缺点：1）锻件的形形状和尺寸寸靠锻工的的操作技术术来保证，，故尺寸精精度低，加加工余量大大，金属材材料消耗多多；2）锻件形状状比较简单单，生产率率低，劳动动强度大。。故自由锻锻只适用于于单件或小小批量生产产。3.2.1.2模锻模锻是将加加热好的坯坯料放在锻锻模模膛内内，在锻压压力的作用用下迫使坯坯料变形而而获得锻件件的一种加加工方法。。坯料变形形时，金属属的流动受受到模膛的的限制和引引导，从而而获得与模模膛形状一一致的锻件件。与自由锻相相比，模锻锻的优点是是：1）由于有模模膛引导金金属的流动动，锻件的的形状可以以比较复杂杂；2）锻件内部部的锻造流流线比较完完整，从而而提高了零零件的力学学性能和使使用寿命。。3）锻件表面面光洁，尺尺寸精度高高，节约材材料和切削削加工工时时；4）生产率较较高；5）操作简单单，易于实实现机械化化；6）生产批量量越大成本本越低。模锻的缺点点：1）模锻是整整体成形，，摩擦阻力力大，故模模锻所需设设备吨位大大，设备费费用高；2）锻模加工工工艺复杂杂，制造周周期长，费费用高。故故只适用于于中小型锻锻件的成批批或大批生生产。如图3-23所示为典型型模锻件。。模锻广泛应应用于国防工业和和机械制造造业，按质质量计算模模锻件在飞飞机上占85%，坦克占70%，汽车占80%，机车占60%。按使用设备备不同，模模锻可分为为：锤上模模锻、胎模模锻、曲柄柄压力机上上模锻、摩摩擦压力机机上模锻、、平锻机上上模锻等。。1.锤上模锻锤上模锻即在模锻锤锤上的模锻锻。模锻锤的的构造如图3-24a所示，锻模模结构如图3-24b所示，由带带有燕尾的的上模和下下模组成。。其运动过程如如动画所示。模膛根据其其功能不同同可分为制坯模膛和模锻模膛两大类：（1）制坯模膛膛。用于将形形状复杂的的模锻件初初步锻成近近似锻件的的模膛。又又可分为：：1）拔长模膛膛。减少坯料料某部分横横截面积，，增加该部部分长度，，如图3-25a所示。2）滚压模膛膛。翻转操作作使零件成成形的模膛膛。如图3-25b所示。3）弯曲模膛膛。使坯料弯弯曲的模膛膛，如图3-25-c所示。4）切断模膛膛。如图3-25d所示。（2）模锻模膛1）预锻模膛。为改善金属流动条件，使锻件最终成形前获得接近终锻形状的模膛。2）终锻模膛。模锻时最后成形用模膛，需有飞边槽。带冲孔连皮和飞边的锻件如图3-26所示。根据模锻件的复杂程度，可将锻模设计为单膛锻模和多膛锻模，简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模；对弯曲连杆可设计为多膛锻模，如图3-27所示。2.胎模锻胎模锻是在在自由锻设设备上使用用简单的非非固定模具具（胎模））生产模锻锻件的一种种工艺方法法。其特点点是，与自自由锻相比比，生产率率和锻件精精度较高，，粗糙度低低，节约金金属材料。。与模锻相相比，节约约了设备投投资，简化化了模具制制造。但生生产率和锻锻件质量比比模锻低，，劳动强度度大，安全全性差，模模具寿命低低。胎模锻适用用于小型锻件的的中小批量量生产。胎模结构可可分为以下下几类，如图3-28所示。1）摔模，用用于锻造回回转体锻件件；2）扣模，用用于平整侧侧面；3）套筒模，，用于镦粗粗锻件；4）合模，用用于锻造比比较复杂的的锻件。3.曲柄压力机机上模锻曲柄压力机机的结构与与传动原理理如图3-29所示，吨位位一般为200~1200kN；与锤上模模锻比，具具有下述特特点：优点：1）锻造力是是压力，坯坯料的变形形速度较低低，可锻造造较低塑性性合金；2）锻造时滑滑块的行程程不变，每每个变形工工步在一次次行程中即即可完成，，便于实现现机械化和和自动化，，具有很高高生产率；；3）滑块运动动精度高，，并有锻件件顶出装置置，使模锻锻斜度、加加工余量、、锻造公差差减小，锻锻件精度比比锤上模锻锻高。4）振动和噪噪声较小，，劳动条件件改善。缺点：1）设备费用用高，模具具结构复杂杂；2）滑块行程程和压力不不能在锻造造过程中调调整，因此此不能进行行拔长、滚滚压等制坯坯。4.摩擦压力机机上模锻摩擦压力机机是将飞轮轮旋转所积积蓄的能量量转化成金金属的变形形能进行锻锻造的，属属锻锤类锻锻压设备。。其结构与与传动原理理如图3-30所示。摩擦压力机机上模锻的的特点如下下：1）滑块运动动速度低，，可锻造低低塑性合金金钢和有色色金属；2）承受偏心心载荷能力力差，仅适适合单膛模模锻；3）打击速度度低，可采采用组合模模具，降低低生产成本本，缩短生生产周期；；4）滑块行程程不固定，，故工艺性性广泛。5.平锻机上模模锻平锻机相当当于卧式的的曲柄压力力机，它沿沿水平方向向对坯料施施加锻造压压力。其结结构和原理理如图3-31所示。其特点是：1）坯料都是是棒料或管管材，并且且只进行局局部（一端端）加热和和局部变形形加工，因因此可锻造造立式锻压压设备上不不能锻造的的某些长杆杆类锻件。。平锻机上锻锻件如图3-32所示。2）锻模有两两个分模面面，锻件出出模方便，，可以锻出出在其它设设备上难以以完成的在在不同方向向上有凸台台或凹槽的的锻件。3）需配备对对棒料局部部加热的专专用加热炉炉。4）是高效率率、高质量量、容易实实现机械化化的锻造方方法，但设设备结构复复杂，价格格贵，适用用于大批量量生产。6.精密模锻精密模锻是是在普通锻锻压设备上上，装置具具有模腔形形状复杂（（近于产品品零件形状状）、尺寸寸精度高的的锻模，直直接锻造出出所要求的的产品零件件，如图3-33所示的差速速器行星锥锥齿轮。精精密模锻与与一般模型型锻造相比比，其特点点是：1）锻件公差差小，表面面质量高；；2）锻件内部部形成按轮轮廓分布的的封闭纤维维组织，力力学性能好好。3）其缺点是是模具制造造复杂，对对坯料尺寸寸和加热质质量要求较较高，仅适适于大批量量生产。工艺要点：：1）选择合理理的成形工工艺与制造造精密锻造造所用模具具；2）选好坯料料和加热方方法。3.2.2板料冲压板料冲压是是利用装在在冲床上的的冲模对金金属板料加加压，使之之产生变形形或分离，，从而获得得零件或毛毛坯的加工工方法。板板料冲压又又称薄板冲冲压或冷冲冲压。板料冲压的的特点：1）在常温下加加工，金属属板料必须须具有足够够的塑性和和较低的变变形抗力。。2）金属板料经经冷变形强强化，获得得一定的几几何形状后后，结构轻轻巧，强度度和刚度较较高。3）冲压件尺寸寸精度高，，质量稳定定，互换性性好，一般般不需机械械加工即可可作零件使使用。4）冲压生产操操作简单，，生产率高高，便于实实现机械化化和自动化化。5）可以冲压压形状复杂杂的零件，，废料少。。6）冲压模具结结构复杂，，精度要求求高，制造造费用高，，只适用于于大批量生生产。冲压工艺广广泛应用于于汽车、飞机机、农业机机械、仪表表电器、轻轻工和日用用品等工业业部门。3.2.2.1板料冲压的的基本工序序板料冲压的的基本工序序按变形性性质可分为为分离工序序和变形工工序两大类类。1.分离工序使坯料的一一部分与另另一部分分分离的工序序。主要有有：（1）冲孔和落落料（冲裁）两个工序的的变形过程程和模具结结构是一样样的，冲孔孔是在板料料上冲出孔孔洞，而落落料是得到到与孔洞同同样形状的的板料。如图3-34所示。1）冲裁过程程分析。板料冲裁时时有变形和和分离两个个过程；如如图3-35所示，当凸凸模向下运动压住住板料时，板料受到挤挤压，产生生弹性变形并进而产生生塑性性变变形形。当上上下下刃刃口口附附近近材材料料内内的的应应力力超超过过一一定定限限度度后后，，即即开开始始出出现现裂纹纹，裂裂纹纹扩扩展展，，板板料料切切离离。。冲裁裁区区可可分分为为塌角角、、光光亮亮带带、、剪剪裂裂带带和和毛毛刺刺四部部分分。。光光亮亮带带具具有有最最好好的的尺尺寸寸精精度度和和光光洁洁的的表表面面。。其其它它三三个个区区域域降降低低冲冲裁裁件件质质量量。。这这与与凹凸凸模模间间隙隙、、刃口口锋锋利利程程度度、模具具结结构构、材料料的的性性质质，，板板料料厚厚度度等有关关。。3）凹凹凸凸模模刃刃口口尺尺寸寸的的确确定定。冲裁裁后后，，冲冲下下件件的的尺尺寸寸和和余余料料的的相相应应尺尺寸寸是是不不同同的的，，二二者者相相差差数数值值为为模模具具间间隙隙的的两两倍倍。。故故在在设设计计冲冲孔孔模模具具时时，，应应使使凸凸模模刃刃口口尺尺寸寸等等于于孔孔的的尺尺寸寸，，凹凹模模刃刃口口尺尺寸寸为为孔孔的的尺尺寸寸加加两两倍倍间间隙隙值值；；落落料料模模具具时时，，凹凹模模刃刃口口尺尺寸寸为为成成品品尺尺寸寸，，凸凸模模刃刃口口尺尺寸寸为为成成品品尺尺寸寸减减去去相相应应间间隙隙值值。。模模具具间间隙隙一一般般为为板板料料厚厚度度的的5%～10%。2）凸凸凹凹模模间间隙隙。间间隙隙对对冲冲裁裁件件质质量量、、冲冲裁裁力力大大小小和和模模具具寿寿命命影影响响很很大大。。间隙隙合合适适，上上下下裂裂纹纹重重合合，，断断口口表表面面平平整整，，毛毛刺刺小小，，冲冲裁裁力力小小。。间隙隙太太小小，上上下下裂裂纹纹不不重重合合，，断断口口中中部部出出现现撕撕裂裂，，毛毛刺刺也也会会增增大大，，还还会会加加速速模模具具模模损损，，冲冲裁裁质质量量很很快快恶恶化化；；间隙隙太太大大，材材料料的的拉拉伸伸变变形形增增大大，，塌塌角角、、毛毛刺刺、、剪剪裂裂带带均均增增大大，，冲冲裁裁质质量量恶恶化化。。4）冲裁裁力力计计算算。冲冲裁裁力力是是选选用用冲冲床床吨吨位位和和检检验验模模具具强强度度的的主主要要依依据据，，平平刃刃冲冲模模的的冲冲裁裁力力可可用用下下式式计计算算：：——冲裁力，单位为kN；——冲裁件周边长度，单位为mm；——板料剪切强度，单位为MPa；——板料厚度，单位为mm；——系数，与模具间隙、刃口、材料力学性能、厚度等有关，常取1.3。式中5）冲冲裁裁件件的的排排样样。排排样样指指落落料料件件在在条条料料、、带带料料或或板板料料上上进进行行合合理理布布置置的的方方法法。。如图图3-36为四四种种不不同同排排样样方方法法消消耗耗材材料料的的对对比比。。排排样样可可分分为为无无搭搭边边排排样样（（图图3-36d）和和有有搭搭边边排排样样（（如如图图3-36a、b、c)。（2）修修整整。利用用修修整整模模沿沿冲冲裁裁件件的的外外缘缘或或内内孔孔，，切切去去一一薄薄层层金金属属，，以以除除去去塌塌角角、、剪剪裂裂带带和和毛毛刺刺，，提提高高尺尺寸寸精精度度和和降降低低表表面面粗粗糙糙度度。。修整整冲冲裁裁件件的的外外形形为为外外缘缘修修整整，，修修整整内内孔孔为为内内缘缘修修整整。。如图图3-37所示示。。（3）切切断断。指指用用剪剪刃刃或或冲冲模模将将板板料料沿沿不不封封闭闭轮轮廓廓进进行行分分离离的的工工序序。。剪剪刃刃安安装装在在剪剪床床上上，，把把大大板板料料剪剪成成条条料料或或平平板板零零件件。。（4）精精密密冲冲裁裁。。用压压边边圈圈使使板板料料冲冲裁裁区区处处于于静静压压作作用用下下，，抑抑制制剪剪裂裂纹纹的的发发生生，，实实现现塑塑性性变变形形分分离离的的冲冲裁裁方方法法。。目目前前已已大大规规模模采采用用。。（5）切切口口。。将材材料料沿沿不不封封闭闭的的曲曲线线部部分分地地分分离离开开，，其其分分离离部部分分的的材材料料发发生生弯弯曲曲的的冲冲压压方方法法。。2.变形形工工序序变形形工工序序是是使使坯坯料料的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分产产生生相相对对位位移移而而不不破破裂裂的的工工序序。。（1）拉拉深深。。是使使平平面面板板料料变变为为开开口口的的中中空空形形状状零零件件的的冲冲压压工工序序，，又又称称拉拉延延。。拉拉深深件件种种类类很很多多，，大大体体可可分分为为旋旋转转件件、、矩矩形形件件和和复复杂杂件件，，如图图3-38所示示。。对对较较深深零零件件还还可可采采用用多多次次拉拉深深法法，，如图图3-39所示示。。1）拉拉深深变变形形过过程程。。拉深深过过程程如图图3-40所示示，，板板料料在在拉拉深深过过程程中中的的变变形形过过程程和和应应力力分分布布如如图图所示，，在在凸凸模模压压力力作作用用下下，，处处于于凸凸模模底底部部的板料料被被压压入入凹凹模模，，形形成成筒筒底底，，在在拉拉深深过过程程中中基基本本不不变变形形，，受受径径向向和和切切向向拉拉应应力力；；拉拉深深零零件件的的侧侧壁壁由由底底部部以以外外的的环环形形部部分分变变形形后后形形成成，，受受轴轴向向拉拉应应力力；；尚尚未未进进入入凹凹模模的的环环形形区区存存在在径径向向拉拉应应力力和和切切向向压压应应力力。。由于于上上述述应应力力的的作作用用，，拉拉深深件件的的壁壁厚厚在在不不同同的的部部位位有有减减薄薄或或增增厚厚的的变变化化，，侧侧壁壁的的上上部部增增加加最最多多，，靠靠近近底底部部的的圆圆角角部部位位附附近近，，壁壁厚厚最最小小，，也也是是拉拉深深过过程程中中最最容容易易破破裂裂的的部部分分。。底底部部和和侧侧壁壁的的拉拉应应力力应应限限制制在在不不使使材材料料发发生生塑塑性性变变形形内内，，而而环环形形区区内内的的径径向向拉拉应应力力应应达达到到或或超超过过材材料料的的屈屈服服极极限限，，任任何何部部位位的的应应力力总总和和应应小小于于强强度度极极限限。。否否则则会会造造成成拉拉穿穿缺缺陷陷。。同同时时环环状状变变形形区区的的切切向向压压力力很很大大，，易易使使板板料料出出现现皱皱折折，应采取取措施预预防。2）拉深板板料的计计算。可以概概略地按按照拉深深前后工工件面积积相等的的原则计计算，对对圆筒状状零件根根据面积积相等有有：3）拉深系数与拉深次数。拉深系数，板料拉深时的变形程度，，即拉深后的工件直径与板料直径或半成品直径之比。拉深系数越小，生产率越高，拉深应力越大。能保证拉深过程正常进行的最小拉深系数，称为极限拉深系数。它与材料的内部组织、力学性能、板料相对厚度、冲模的圆角半径、间隙值及润滑条件有关。对不能一次拉

——零件高度；——切边余量。式中制成形的的可多次次拉深，，拉深系系数可取取大些。。4）拉深废废品及缺缺陷。拉深过过程中，，环状变形形区的切切向压力力很大，，当毛坯中中多余三三角形不不能顺利利变厚及及沿高度度方向伸伸长时，，易使板料料出现皱皱折，严重时时导致坯坯料拉穿穿。如图3-41所示。预防措施施：1）拉深模模具的工工作部分分，应加加工成合理的圆角，2）控制凸凸模和凹凹模之间间的间隙隙；3）合理的的拉深系系数；4）为减少少由于摩摩擦引起起的拉深深件内应应力的增增加及减减少模具具磨损，，应涂润润滑剂。。5）为防止皱皱折，通常常用压边圈圈将工件压压住，但压压力应适中中。（2）弯曲。弯曲是将平平直板料弯弯成一定角角度和圆弧弧的工序。。如图3-42所示变形区区外层金属属受切向拉拉应力作用用，发生伸伸长变形；；内层金属属受切向压压应力作用用，产生压压缩变形；；在这两个个应力-应变区之间间存在一个个不产生应应力和应变变的中性层层，位置在在板料的中中心部位。。弯曲变形区区的外表层层存在最大大的切向拉拉应力和最最大的伸长长变形，是是最危险的的部位。如果最大拉拉应力超过过材料的强强度极限，，则会造成成板料破裂裂。最大拉拉应力与弯弯曲半径、板料厚度、材料性能有有关。弯曲曲时应使实实际弯曲半半径大于材材料允许的的最小半径径，并使拉拉应力方向向和锻造流流线方向一一致。如图3-43所示。弹复（回弹弹）：塑性性弯曲使板板料产生弹弹性变形和和塑性变形形，当外载载荷去除后后，弹性变变形部分恢恢复，从而而使板料产产生与弯曲曲方向相反反的变形。如图3-44所示。弹复现象会会影响弯曲曲件的尺寸寸精度。材材料的屈服服强度越高高，弹复角角越大；弯弯曲半径越越大，弹性性变形所占占比例越大大，弹复角角越大；弯弯曲半径不不变时，弯弯曲角越大大，弹复角角越大。克服弹复现现象的措施施有：1）增大凸模模压下量，，或适当改改变模具尺尺寸，使弹弹复后达到到零件要求求。2）改变弯曲曲时的应力力状态，把把弹复现象象限制在最最小范围内内。（3）翻边。是使平板坯坯料上的孔孔或外圆获获得内、外外凸缘的变变形工序。。如图3-45所示。（4）成形。利用局部变变形使坯料料或半成品品改变形状状的工序。。如压肋、、收口、胀胀形等。如图3-46所示为橡皮皮压肋和橡橡皮胀形。。1.简单模在压力机的的一次行程程中只完成成一道工序序的模具，，如图3-47所示。模具具结构简单单，制造方方便，适于于小批量生生产。3.2.2.2冲模的分类类与构造2.连续模连续模又称称级进模，，在冲床的的一次行程程中，在模模具不同部部位上同时时完成数道道冲压工序序的模具，，如图3-48所示。连续续模生产效效率高、易易于实现自自动化，但但定位精度度要求高，，制造成本本高，适于于大批量生生产。3.复合模在压力机的的一次行程程中，在模模具的同一一位置完成成一道以上上工序的模模具，如图3-49所示的落料料拉深复合合模。零件件精度高、、平整性及及生产率高高，但模具具制造复杂杂成本高，，适于大批批量生产中中小型零件件。3.2.3其他塑性加加工方法1.挤压成形挤压成形是是使坯料在在外力作用用下，使模模具内的金金属坯料产产生定向塑塑性变形，，并通过模模具上的孔孔型，而获获得具有一一定形状和和尺寸的零零件的加工工方法。挤压的优点：1）可提高成成形零件的的尺寸精度度，并减小小表面粗糙糙度。2）具有较高高的生产率率，并可提提高材料的的利用率。。3）提高零件件的力学性能。4）挤压可生产产形状复杂杂的管材、、型材及零零件。缺点：变形阻力大大，需能量量较大的锻锻压设备，，模具易磨磨损。成形方式：：根据成形时时温度的不不同可分为为：1）热挤压：：在挤压前，，将金属坯坯料加热，，使坯料在在一般锻造造温度范围围内进行挤挤压。塑性性好，变形形抗力小，，但对模具具的耐热性性能要求高高，且零件件尺寸精度度较低，表表面较粗糙糙。2）温挤压：：将金属加热热到一定温温度（对钢钢材一般为为8000C以下），再再挤压。既既利用其塑塑性好，变变形抗力低低；又可提提高尺寸精精度，减小小表面粗糙糙度。3）冷挤压：：使金属在室室温状态下下挤压成形形。变形抗抗力大，但但零件尺寸寸精度高，，表面粗糙糙度低。冷冷挤压成形形所产生的的加工硬化化作用，提提高零件的的强度。适适用于变形形抗力较低低，塑性较较好的有色色金属及其其合金、低低碳钢、低低碳合金钢钢。根据金属的的流动方向向和凸模运运动方向的的关系可分分为：1）正挤压：两者方向相相同，如图3-50a所示。2）反挤压：两者方向相相反，如图3-50b所示。3）复合挤压：：两方向同时时发生，如图3-50c所示。4）径向挤压：：金属的流动动方向与凸凸模运动方方向垂直。。如图3-50d所示。2.轧制成形轧制也叫压压延，是金金属坯料通通过一对旋旋转轧辊之之间的间隙隙而使坯料料受挤压产产生横截面面减少、长长度增加的的塑性变形形过程。它它是生产型型材、板材材和管材的的主要方法法。生产效效率高、产产品质量好好、成本低低、节约金金属。按轧辊的形形状、轴线线配置等的的不同，轧轧制可分为为：辊锻、、辗环、横横轧、斜轧轧。1）辊锻：使坯料通过过一对旋转转的装有圆圆弧形模块块的轧辊时时受辗压而而变形的加加工方法，，如图3-51所示。这种种方法用于于制造扳手手、钻头、、连杆等。。2）辗环：通过扩大环环形坯料的的内、外径径来获得各各种环形零零件的工艺艺方法，如图3-52所示。这种种方法用于于加工火车车轮箍、轴轴承座圈、、齿轮及凸凸缘等。3）横轧：轧辊轴线与与坯料轴线线平行，且且轧辊与坯坯料作相对对转动的轧轧制方法；；如图3-53所示为齿轮轮横轧。4）斜轧：轧辊相互倾倾斜配置，，以相同方方向旋转，，坯料在轧轧辊的作用用下反方向向旋转，同同时作轴向向运动的轧轧制方法，，如图3-54a轧制钢球，，图3-54b轧制周期变变截面型材材。5）楔横轧：：利用两个外外表面镶有有楔形凸块块、作同向向旋转的平平行轧辊对对沿轧辊轴轴向送进的的坯料进行行轧制的方方法，如图3-55所示，主要要用于加工工阶梯轴、、锥形轴等等。3.拉拔成形拉拔是使金金属坯料通通过一定形形状的模孔孔，使其横横截面减小小、长度增增加的加工工方法，如图3-56所示。产品品形状尺寸寸精确、表表面质量好好、机械强强度高，常常用于拔制制金属丝、、细管材和和异型材等等。4.超塑性成形形超塑性是指指金属材料料在特定条条件下所表表现出极大大的异常塑塑性的现象象。利用材材料的超塑塑性进行成成形的方法法即为超塑塑性成形，，如图3-57所示。其变变形抗力低低、充模性性能好、工工件尺寸精精确、力学学性能好。。5.摆动辗压上模轴线相相对坯料轴轴线倾斜一一个角度，，上模一边边绕轴线旋旋转，一边边对坯料进进行压缩的的加工方法法。如图3-58所示。局部部变形，无无冲击，噪噪声振动小小，生产率率高；常用用于加工回回转体类、、盘类零件件，如汽车车半轴、齿齿轮等。6.液态模锻将定量的熔熔化金属液液倒入凹模模型腔内，，在金属液液即将凝固固或半凝固固状态下用用冲头加压压，使其凝凝固成形的的加工方法法。7.高速高能成成形在极短时间间内将化学学能、电能能、电磁能能或机械能能传递给坯坯料，使之之迅速成形形的加工方方法，如爆爆炸成形、、电液成形形、电磁成成形等。思考题：1.试述锤上模模锻的锻模模模膛的分分类。2.冲裁时，板板料的变形形和分离过过程如何？？3.试为下列零零件选择塑塑性成形方方法。发动机曲轴轴、大型水水轮机轴、、汽车大梁梁、铝饭盒盒、无切削削齿轮、钢钢球。第3节塑性性成形工艺艺设计3.3.1自由锻工艺艺规程的制制订自由锻锻的工工艺规规程包包括：：绘制制锻件件图，，计算算坯料料的重重量和和尺寸寸，确确定变变形工工步，，选定定设备备和工工具，，确定定锻造造温度度范围围，加热、、冷却却及热热处理理的方方法及规范等等。1.绘制锻锻件图图锻件图图是根根据零零件图图，并并考虑虑加工工余量量，锻锻造公公差和和余块块等绘绘制而而成。。它是是计算算坯料料、确确定变变形工工艺、、设计计工具具和检检验锻锻件的的依据据。加工余余量，，锻造造公差差和余余块及及典型型锻件件图的的画法法如图3-59所示。。1）坯料料质量量。坯料质质量为为锻件件质量量与锻锻造时时各种种金属属损耗耗的质质量之之和。。可用用下式式计算算：2.计算坯坯料质质量和和尺寸寸——坯料质量；——锻件质量；——坯料加热时因氧化而烧损质量，常取锻件的2.5%；——冲孔时的芯料质量；——锻造中被切掉部分的质量。式中2）坯料料尺寸寸。首先根根据坯坯料质质量计计算出出坯料料体积积，然然后考考虑锻锻造比比和变变形方方式等等因素素确定定坯料料截面面尺寸寸，最最后计计算出出长度度尺寸寸或钢钢锭尺尺寸。。3.确定变变形工工序确定变变形工工序的的依据据是锻锻件的的形状状特征征、尺尺寸、、技术术要求求、生生产批批量和和生产产条件件等。。包括括确定定锻件件成形形所必必需的的基本本工序序、辅辅助工工序和和精整整工序序，以以及设设备和和工具具。对轴轴杆类类采用用拔长长为基基本工工序；；对空空心类类采用用镦粗粗加冲冲孔；；对曲曲轴类类采用用拔长长和错错移。。工艺规规程还还包括括选择择锻造造设备备、确确定加加热火火次、、确定定工夹夹具、、加热热设备备、加加热及及冷却却规范范、热热处理理及锻锻件的的后续续热处处理等等。3.3.2自由锻锻工艺艺规程程实例例现以冷冷轧轧轧辊为为例，，确定定其工工艺卡卡如表3-1所示。。3.3.3模锻工工艺规规程的的制订订模锻工工艺规规程包包括制制订锻锻件图图、计计算坯坯料尺尺寸、、确定定模锻锻工步步（模模膛））、选选择设设备及及安排排修整整工序序等。。1.制订锻锻件图图锻件图图是生生产和和检验验锻件件及设设计锻锻模的的依据据。制制订锻锻件图图时应应考虑虑如下下问题题：1）分模模面的的确定定。分模面面即是是上下下锻模模在模模锻件件上的的分界界面，，其位位置影影响锻锻件成成形、、锻件件出模模、模模具加加工、、工步步安排排、金金属材材料消消耗和和锻件件质量量。应应遵循循以下下原则则。图3-60分模面的选择比较

保证模锻件能从模膛取出，应在最大截面处分模；如图3-60所示，面不合理。防止错模，应使上下模膛轮廓相同。如图3-60所示，面不合理。应使模膛深度最浅，以利于金属充满模膛，模具加工；如图3-60所示，面不合适。

节约金属、减少切削加工量。如图3-60所示，面无法锻出孔。使分模面为平面，并使上下模膛深度基本一致。如图3-60所示，面分型最合适。2）确定定加工工余量量、公公差、、余块块、模模锻斜斜度、、圆角角半径径、冲冲孔连连皮。。加工余余量、、公差差、余余块：：比自由由锻件件小，，孔应应有冲冲孔连连皮。。模锻斜斜度：：为取出出模锻锻件，，在平平行于于锤击击方向向的表表面设设计的的斜度度。如图3-61a所示。。圆角半半径：：在模锻锻件上上所有有两平平面的的交角角处均均需做做成圆圆角，，如图3-61b所示，，以增增加锻锻件强强度，，使锻锻造时时金属属易于于充填填模膛膛，避避免裂裂纹，，减轻轻锻模模磨损损。最后绘绘制锻锻件图图，如图3-62为齿轮轮坯的的模锻锻件图图。2.确定模模锻工工步模锻工工步主主要根根据模模锻件件的形形状和和尺寸寸来确确定。。1）长轴轴类。。长度明明显大大于其其宽度度和高高度的的零件件，如如台阶阶轴、、曲轴轴、连连杆等等，如图3-63所示。。锻造造时常常选用用拔长长、滚滚压、、弯曲曲、预预锻、、终锻锻等工工步。。2）盘类类。轴向尺尺寸较较短，，在分分模面面上投投影为为圆形形或长长宽尺尺寸相相近的的零件件，如如齿轮轮、凸凸缘、、十字字轴等等，如图3-64所示。。常采采用镦镦粗、、终锻锻等工工步。。3.坯料计计算计算方方法与与自由由锻相相同，，包括括锻件件、飞飞边、、连皮皮、钳钳口料料头和和氧化化皮的的质量量。4.选择模模锻设设备5.安排修修整工工序1）切边边和冲冲孔，，如图3-65所示。2）校正正。3）热处处理。。正火火或退退火。。4）清理理。去去除氧氧化皮皮、油油污及及其他他表面面缺陷陷。5）精压压。平平面精精压或或体积积精压压，如图3-66所示。第4节塑塑性加加工方方法的的结构构工艺艺性3.4.1自由锻锻件的的结构构工艺艺性自由锻锻采用用简单单和通通用性性的工工具，，因此此锻件件设计计时应应在满满足使使用要要求的的前提提下采采用简简单规规则的的形状状。如如表3-2所示。如图3-67所示为为自由由锻锻锻件类类型。。3.4.2模锻件件的结结构工工艺性性设计模模锻件件时，，应根根据模模锻特特点和和工艺艺要求求，使使零件件结构构符合合下列列原则则：1）模锻锻件应应具备备合理理的分分模面面。2）仅配配合表表面设设计为为加工工面，，其余余为非非加工工面，，与锤锤击方方向平平行的的非加加工面面应有有模锻锻斜度度，连连接面面应有有圆角角。3）零件件外形形应简简单、、平直直和对对称，，截面面相差差不宜宜过于于悬殊殊，避避免高高肋、、薄壁壁、凸凸起等等不利利于成成形的的结构构。如图6-68所示的的a、b、c均不利利成形形，而而d较好。。4）应避避免窄窄沟、、深槽槽、深深孔及及多孔孔结构构，以以利于于充填填和模模具制制造。。5）形状状复杂杂的锻锻件应应采用用锻-焊或锻锻-机械连连接组组合工工艺，，以减减少余余块，，简化化模锻锻工艺艺。3.4.3板料冲冲压件件的结结构工工艺性性设计冲冲压件件时，，应在在满足足使用用要求求的前前提下下，具具有良良好的的冲压压工艺艺性能能，从从而保保证产产品质质量、、提高高生产产率、、节约约金属属材料料、降降低生生产成成本。。1.对各类冲压压件的共同同要求1）尽量选用用普通材料料，尽量采采用较薄板板料和加强强肋结构，，如图3-69所示；2）尽量采用用简单而对对称的外形形，使坯料料受力均衡衡，简化工工序，便于于模具制造造，如图3-70所示；3）精度要求求不宜过高高，否则增增加精压工工序；4）改进结构构，简化工工艺，节约约材料，如图3-71的冲焊组合合结构，图3-72的冲口工艺艺。2.对冲裁件的的要求1）工件外形形应尽量符符合既好又又无废料的的排样要求求，如图3-73所示；2）冲孔时应应力求简单单、对称，，尽量采用用圆形、矩矩形等规则则形状；3）避免长槽槽与细长悬悬臂结构，，如图3-74为不合理结结构；4）圆孔直径径、方孔边边长、孔距距等符合图3-75的要求；5）冲裁线相相交处应有有圆角过渡渡，以避免免模具开裂裂。圆角半半径应大于于0.5个板厚。3.拉深件的要要求1）外形力求求简单，尽尽量采用轴轴对称形状状，以减少少拉深次数数；2）尽量避免深深度过大；；3）拉深件的的圆角半径径要合适。。4.对弯曲件的的要求1）弯曲件形形状尽量对对称，弯曲曲半径不得得小于材料料允许的最最小半径。。2）弯曲边不不宜过短；；3）弯曲带孔孔件时，孔孔的位置应应大于1.5∼2个板厚。如图3-76所示。第5节塑性成成形新发展展1.精密塑性成成形技术如精冲技术术、超塑性性成形技术术、航空制制造技术、、冷挤压技技术、成形形轧制、无无飞边热模模锻技术、、温锻技术术、多向模模锻技术等等。2.快速制模技技术快速成形技技术的应用用。3.塑性成形的的计算机模模拟思考题：1.自由锻和模模锻的工艺艺规程分别别包括哪些些主要内容容？2.下图所示零零件采用模模锻制坯，，试修改设设计不合理理结构，并并说