压力加工理论基础1

第九章压力加工本章内容概述压力加工理论基础锻造板料冲压9.1压力加工概述金属塑性成形是利用金属材料所具有的塑性，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。由于外力多数情况下是以压力的形式出现的，因此也称为金属压力加工。一、概念（1）消除缺陷，细化晶粒，提高金属的力学性能。（2）材料利用率高。（3）具有较高的生产率。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。（4）零件的精度较高，可实现少、无切削加工。二、特点：优点：缺点：不能加工脆性材料和形状特别复杂或体积特别大的零件或毛坯，且一次性投资较高。三、常用的压力加工种类一、轧制二、挤压三、拉拔四、锻造（自由锻、模锻）五、板料冲压轧制概念：轧制是指金属坯料在两个回转轧辊的空隙中受压变形，以获得各种产品的加工方法。如下图。坯料轧辊

轧制生产所用的坯料主要是金属锭。其在轧制过程中，靠摩擦力通过轧辊孔隙而受压变形，从而获得所需的产品。

轧辊上的孔型不同，可轧制出不同的原材料（如钢板、型材等）、毛坯和零件。

轧制方法的主要工艺有辊锻、横轧、斜轧和旋锻等。

挤压1.概念：挤压是指金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的方法，如下图。挤压筒挤压模凸模坯料2.特点：挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件，适用于加工低碳钢、非铁金属及合金。拉拔1.概念：拉拔是指将金属坯料强行拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法，如下图。拉拔模坯料2.特点：多数情况下是在冷态下进行，所得产品具有较高的尺寸精度和低的表面粗糙度，常用于轧制件的再加工，可制造各种线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型材。

模孔常用硬质合金或其它耐磨材料制造。拉拔成形视频9.2压力加工理论基础金属材料经过压力加工之后，其内部组织发生很大变化，金属的性能得到改善和提高。为了正确选用压力加工方法、合理设计压力加工成形的零件，必须了解金属塑性变形的实质、规律和影响因素等内容。一、金属塑性变形的实质金属在外力作用下，其内部必将产生应力，此应力迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了原子间的距离，使金属发生变形，并引起原子位能的增高。但处于高位能的原子具有返回到原来低位能位置的倾向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失，金属的这种变形称为弹性变形。当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点之后，即使外力停止作用，金属的变形也并不消失．这种变形称为塑性变形。金属塑性变形的实质是：晶体内部产生滑移的结果。晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑移(该面称滑移面)，从而造成晶体的塑性变形。

单晶体塑性变形：滑移。多晶体塑性变形：滑移+晶粒转动。晶内晶间二、塑性变形对金属组织和性能的影响1.冷塑性变形对组织的影响：

1）晶粒沿变形最大的方向伸长。

2）晶格、晶粒均发生扭曲（畸变），产生内应力。

3）晶粒间产生碎晶。2.冷塑性变形对性能的影响之一

——加工硬化（形变强化、冷作硬化）强度，硬度↑；塑性，韧性↓原因：（微观）碎晶，晶格扭曲，增大滑移阻力。加工硬化随变形程度增大，金属强度，硬度升高；塑性，韧性下降的现象。1）有利：强化金属，形变强化

有害：变形抗力↑，继续压力加工困难，对模具不利，设备吨位↑

加工硬化的结果使金属的晶体构造处于不稳定的应力状态，具有自发恢复稳定状态的趋势（室温不行）2）消除方法：加热

----回复和再结晶

3.回复与再结晶：

1）回复：金属冷变形后，加热到一定温度，原子恢复正常排列，消除了晶格扭曲，应力大大降低。加工硬化部分消除（晶粒形状、大小及金属的性能变化不大），原子获得能量，震动加剧，回复正常排列。

t回＝（0.25～0.3）t熔

（室温＋273）

t回、t熔分别为金属回复、熔化的绝对温度。2）再结晶：温度再增加，金属原子获得更多能量，则以碎晶和杂质为核心结晶成新的晶粒。

实质：无畸变组织代替变形组织，完全消除加工硬化。

t再＝0.4t熔

t再—金属绝对再结晶温度。再结晶退火：经冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除变形强化和残余应力的工艺。金属在较高的温度下形变时，回复和再结晶会在形变过程中相继发生，这种回复和再结晶称为动态回复和动态再结晶

高温下受力塑性变形(热变形)—硬化与再结晶同时存在。1、利用金属的冷变形强化可提高金属的强度和硬度，这是工业生产中强化金属材料的一种重要手段。但在压力加工生产中，冷变形强化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。2、在实际生产中，常采用再结晶退火的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性。3、当金属在大大高于再结晶的温度下受力变形时，冷变形强化和再结晶过程同时存在。此时变形中的强化和硬化随即被再结晶过程所消除。冷变形强化（形变强化、加工硬化、冷作硬化）小结：冷变形与加工硬化视频再结晶软化视频2.冷塑性变形对性能的影响之二

——纤维组织（性能方向性）

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，它们都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织（又称锻造流线）。在纵向(平行纤维方向)上：塑性和韧性提高在横向(垂直纤维方向)上：抗剪强度提高纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。纤维组织使金属在性能上具有方向性。为了提高零件机械性能，应尽量做到：

1)使纤维方向于零件的轮廓相符合，而不被切断。

2)使零件受σmax拉应力与纤维方向一致。Τmax与纤维垂直。变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工过程中，常用锻造比(y)来表示变形程度。

拔长时的锻造比为y拔＝A0／A镦粗时的锻造比为y镦＝H0／HH0、H／A0、A：坯料变形前后的高度和横截面积纤维组织视频大型船用柴油机曲轴全纤维锻造视频三、冷变形和热变形1）冷变形冷变形—t再以下发生的变形。

冷变形后具有加工硬化组织，能获得较高的表面光洁度及硬度，但变形程度不宜过大，避免破裂。

冷变形的特点：制作精度好、表面粗糙度小、劳动条件好，可提高材料的强度和硬度，但变形抗力大，对工模具要求高，且易产生应力、塑性下降。冷变形常常需要中间退火。

冷变形后的件若继续加工，要再结晶退火。2）热变形

热变形－－t再以上发生的变形。

热变形可得到再结晶组织，变形程度大，无加工硬化，获得良好的机械性的组织。

热加工的特点：塑性良好，变形抗力小，容易加工变形；但易氧化，制件的尺寸精度差，表面粗糙，劳动条件差，需专门加热设备。四、金属的可锻性金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则金属的可锻件好，反之则差。

金属的塑性用金属的断面收缩率、伸长率等来表示。变形抗力系指在压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力。变形抗力越小，则变形中所消耗的能量也越少。金属的可锻性取决于金属的本质和加工条件。1）化学成分的影响不同化学成分的金属其可锻性不同。一般情况下，纯金属的可锻性比合金好；碳钢的含碳量越低，可锻性越好；钢中含有形成碳化物的元素(如铬、铂、钨、钒等)时，其可锻性显著下降。2）金属组织的影响金属内部的组织结构不同，其可锻性有很大差别。纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好，而碳化物(如渗碳体)的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。

1、金属的本质

1）变形温度的影响

变形温度t↑

变形抗力↓、塑性↑锻造性能↑；t再以上，塑性↑↑，如：碳钢在A3线上，组织为A、面心、塑性↑但t过高，易产生“过热”、“过烧”、“脱碳”、“严重氧化”。2、加工条件

一般：

始锻温度：AE线下200℃左右。终锻温度：800℃（t再以上）火色：棕红：亮红：桔黄：白色：600℃850℃1000℃1300℃2）变形速度的影响

变形速度：指单