金属材料成形技术

金属材料成形技术第1页，共78页，2023年，2月20日，星期四第8章压力加工

概述5．模型锻造一、金属塑性成形（压力加工）的概念金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。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．板料冲压第2页，共78页，2023年，2月20日，星期四上砥铁下砥铁坯料第3页，共78页，2023年，2月20日，星期四1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。三、塑性成形（压力加工）的特点1．力学性能高1）压合铸造缺陷;2）晶粒细化,组织致密；3）合理利用了变形强化和再结晶；4）使纤维组织合理分布。2．节约材料1）力学性能高，承载能力提高；2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。

3．生产率高4．适用范围广第4页，共78页，2023年，2月20日，星期四1.金属的塑变实质。8.1压力加工理论基础8.1.1金属塑性变形与再结晶（1）金属单晶体的塑性变形工业上使用的金属材料大多数是多晶体，它们的塑性变形过程比较复杂，为了说明塑性变形的基本规律，有必要先了解单晶体的塑性变形。第5页，共78页，2023年，2月20日，星期四先对载荷进行分解：外载荷沿某一晶面可以分解为正应力和剪切应力这两种应力作用下各会发生什么情况？第6页，共78页，2023年，2月20日，星期四正应力只能引起弹性变形

第7页，共78页，2023年，2月20日，星期四剪切应力不仅引起弹性变形而且造成材料的塑性变形

第8页，共78页，2023年，2月20日，星期四单晶体的塑性变形方式一般绝大多数情况下都是以滑移方式进行的；只有塑性较差的金属(如Cd,Zn,Mg)等在较大的冲击载荷下以及在低温下有可能产生孪生变形。孪生滑移第9页，共78页，2023年，2月20日，星期四1）滑移变形滑移概念：在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分发生一定距离的移动。滑移机理（过程）：通过位错的逐步迁移来实现的。第10页，共78页，2023年，2月20日，星期四滑移机理（过程）动画示意滑移过程与地毯运动或波浪运动类似显微镜下的位错运动第11页，共78页，2023年，2月20日，星期四滑移的取向性：滑移总是沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）进行。

滑移面：原子排列最密的晶面

滑移方向：滑移面上原子排列最密的晶向原因：在原子排列最密的晶面和原子排列最密的晶向上滑移的阻力最小。第12页，共78页，2023年，2月20日，星期四2）孪生变形孪生变形的实质：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变，并形成晶体取向的镜面对称关系。只有塑性较差的金属(如Cd,Zn,Mg)等在较大的冲击载荷下以及在低温下有可能产生孪生变形。第13页，共78页，2023年，2月20日，星期四单晶体的塑性变形小结：单晶体的塑性变形是在剪切应力作用下，沿着一定的晶面和晶向通过滑移或孪生来完成的，其中滑移是主要变形方式，而滑移又是位错逐步迁移的结果。第14页，共78页，2023年，2月20日，星期四（2）多晶体的塑性变形实际使用的金属都是多晶体，由大小、形状、位向都不完全相同的晶粒组成，各晶粒之间由晶界相连接。多晶体塑性变形就每个晶粒内部来说与单晶体相同，还应考虑晶界和位向对变形的影响。

晶界的影响：晶界原子排列混乱，明显阻碍滑移的进行，所以晶粒越细小（晶界增多），多晶体的宏观变形抗力越大，即材料的强度越高。第15页，共78页，2023年，2月20日，星期四晶粒位向的影响：

多晶体在受到外力作用时，塑性变形首先发生在位向最有利的晶粒中，如图中的晶粒A和B。随着外力增加，作用在位向不太有利的滑移面上的切应力达到了塑性变形所需要的数值，塑性变形开始遍及越来越多的晶粒。各晶粒的变形先后不一致，变形量也不一致，这就造成了多晶体变形的不均匀性。当晶粒细小时，会使这种不一致现象分散开，使不均匀性得到缓解，所以晶粒越细小，材料的塑性也越好。第16页，共78页，2023年，2月20日，星期四2.塑性变形对金属组织和性能的影响先看组织的变化：（1）工业纯铁晶粒形态的变化晶粒被拉长或者压扁晶粒被拉长或者压扁破碎成为细条状并形成纤维组织，等轴晶粒未变形原始晶粒轻微变形的滑移线拉长或压扁的晶粒细条状组织和纤维组织第17页，共78页，2023年，2月20日，星期四再看性能变化：经过塑性变形物理、化学性能电阻增加，抗腐蚀能力降低力学性能强度、硬度升高（利），塑性、韧性下降（弊）理、化和力学性能加工硬化经过塑性变形第18页，共78页，2023年，2月20日，星期四铜丝冷变形时的力学性能变化第19页，共78页，2023年，2月20日，星期四加工硬化的应用：强化金属材料的方法之一纯铁和低碳钢抗拉强度增加400~500MPa高碳钢（细片状珠光体组织）抗拉强度可增加1000MPa以上对于不能通过热处理强化的材料，显得尤为重要。其他方面：金属材料具有加工硬化能力，零件在偶尔过载时可防止突然断裂；还可以使各种冷加工工艺得以进行。70%变形度80%变形度第20页，共78页，2023年，2月20日，星期四加热对变形金属组织和性能的影响经塑性变形的材料吸收了部分变形功，内能增高，结构缺陷增多，处于不稳状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势;但由于室温下原子扩散能力低，可以保持亚稳状态；当冷形变的金属受热时原子扩散能力增强，将发生回复、再结晶与晶粒长大等过程。第21页，共78页，2023年，2月20日，星期四变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图第22页，共78页，2023年，2月20日，星期四（1）回复组织和性能的变化：加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。回复的应用：用于降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性的场合。比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，此外，由于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除残余应力。第23页，共78页，2023年，2月20日，星期四（2）再结晶概念：当冷变形金属被加热到高于回复的适当温度时，原子也具有较大的活动能力，此时将以破碎的晶粒为核心形成新的等轴晶粒。并使加工硬化现象完全消除，我们把这一阶段称为“再结晶”。应注意：形成的新晶粒与原来的晶粒晶格类型相同，只是在变形组织内部以新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒。再结晶温度：经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数>95%）最低温度。经验公式：工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm

合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。

注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃第24页，共78页，2023年，2月20日，星期四再结晶过程示意图：第25页，共78页，2023年，2月20日，星期四金属的冷变形与热变形：工程上把在再结晶温度以下进行的压力加工称为冷变形；冷变形会出现加工硬化现象。工程上把在再结晶温度以上进行的压力加工称为热变形，热变形通过再结晶及时把加工硬化现象消除了，故不会遗留加工硬化现象。再结晶的应用：工程上对于板料冲压等冷变形加工，往往要在工步之间穿插再结晶退火，来消除加工硬化，否则会造成裂纹等缺陷。另外，再结晶退火控制的合适还会使晶粒比以前细化，可提高材料性能。加工硬化与再结晶的应用视频第26页，共78页，2023年，2月20日，星期四8.1.2纤维组织与锻造比1、纤维组织纤维组织概念：金属中（特别是晶界上）的杂质沿变形方向的流线分布。纤维组织特性：

a、造成材料的各向异性——平行纤维方向抗拉不抗剪；垂直纤维方向抗剪不抗拉。

b、纤维的分布和方向用热处理无法改变。第27页，共78页，2023年，2月20日，星期四纤维组织对性能的影响不利的影响过大的变形量使材料垂直于纤维方向的力学性能有所下降解决方法控制变形量:Y=S0/S有利的影响使纤维方向合理分布，可提高材料的承载能力如何合理分布？使工件受拉方向平行于纤维方向使工件受剪方向垂直于纤维方向使纤维沿零件的轮廓分布而不被切断第28页，共78页，2023年，2月20日，星期四曲轴的两种制造方法：

左图为自由锻——纤维方向分布合理；

右图为切削加工——纤维方向分布不合理第29页，共78页，2023年，2月20日，星期四2、锻造比锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。拔长时的锻造比为Y拔=A0/A=L/L0镦粗时的锻造比为Y镦=A/A0=H0/H一般情况下，增加锻造比，对改善金属的组织和性能是有利的。但是锻造比太大是无益的。第30页，共78页，2023年，2月20日，星期四8.1.3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.可锻性的衡量指标1）塑性：2）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.影响可锻性的因素1）金属的本质①化学成分：Me越低，材料的可锻性越好。②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。第31页，共78页，2023年，2月20日，星期四2）变形条件①变形温度：③应力状态：②变形速度：塑性、变形抗力塑性变形抗力T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、变形抗力最大。第32页，共78页，2023年，2月20日，星期四三、金属的变形规律1.体积不变定律2.最小阻力定律二、锻造温度范围始锻温度：终锻温度：过热、过烧

缺陷加工硬化45:1200℃~800℃第33页，共78页，2023年，2月20日，星期四

8.2常用锻造方法一、自由锻设备锻锤压力机空气锤蒸汽—空气锤水压机油压机65~750Kg630Kg~5T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=8.2.1自由锻——大型锻件和单件小批锻件唯一压力加工方法第34页，共78页，2023年，2月20日，星期四具有万吨级水压机从侧面代表一个国家重工业制造能力第35页，共78页，2023年，2月20日，星期四自由锻工序有三类：自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序

包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、错移、弯曲等；辅助工序包括压钳口、倒棱、压肩等；精整工序是对已成形的锻件表面进行平整，清除毛刺、校直弯曲、修整鼓形等。二、自由锻基本工序第36页，共78页，2023年，2月20日，星期四二、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完全礅粗局部礅粗，S1.25≤H0/D0≤2.53.冲孔：4.弯曲：5.扭转：6.错移：1.礅粗：2.拔长：，

SL芯轴拔长芯轴扩孔第37页，共78页，2023年，2月20日，星期四三、自由锻工艺规程的制定1.锻件图的绘制1）机械加工余量2）公差3）敷料2.坯料重量和尺寸的计算G坯

=（1+k）G锻G坯

=G锻+G切料+G芯料+G烧K—消耗系数（1/3~1/4）余量第38页，共78页，2023年，2月20日，星期四Y=F坯/F锻Y=H坯/H锻拔长：镦粗：1.25≤H0/D0≤2.5圆截面坯料：所以：长轴类锻件：3.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（冲子扩孔或芯轴上扩孔）筒类零件：镦粗、冲孔、在芯轴上拔长第39页，共78页，2023年，2月20日，星期四自由锻件的分类与工步安排3.锻造工序的选择第40页，共78页，2023年，2月20日，星期四第41页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.锻造温度范围及加热火次的确定5.锻造设备的选择6.确定工时

7.填写工艺卡四、自由锻件结构工艺性1.避免斜面和锥度2.避免曲面相交3.避免加强筋和凸台4.采用组合工艺实例第42页，共78页，2023年，2月20日，星期四第43页，共78页，2023年，2月20日，星期四第44页，共78页，2023年，2月20日，星期四第45页，共78页，2023年，2月20日，星期四8.2.2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）锤上模锻设备蒸汽—空气模锻捶第46页，共78页，2023年，2月20日，星期四第47页，共78页，2023年，2月20日，星期四（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。第48页，共78页，2023年，2月20日，星期四（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第49页，共78页，2023年，2月20日，星期四第50页，共78页，2023年，2月20日，星期四（四）锻模工艺规程的制定1.绘制锻件图1）分模面的选择①分模面应选在锻件的最大截面处；②分模面的选择应使模膛浅而对称；③分模面的选择应使锻件上所加敷料最少；④分模面应最好是平直面。第51页，共78页，2023年，2月20日，星期四第52页，共78页，2023年，2月20日，星期四2)确定加工余量、公差和敷料加工余量：1~4mm公差：0.3~3mm3）设计模锻斜度外壁斜度：5~70内壁斜度：7~1204）设计模锻圆角外圆角：r=1.5~12mm内圆角：R=（2~3）r5）确定冲孔连皮第53页，共78页，2023年，2月20日，星期四2.确定模锻工序1）基本工序圆盘类零件：镦粗预锻终锻长杆类零件：制坯预锻终锻2）修正工序切边；冲孔；校正；热处理；清理。（五）模锻件结构工艺性1.易于从锻模中取出锻件；2.零件的外形应力求简单、对称、平直；3.避免薄壁、高筋、凸起等结构；第54页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.避免设计深孔、多孔结构；5.采用锻焊组合工艺。二、胎模锻造利用自由锻设备在活动模具上生产模锻件的方法。1.扣模2.筒模3.合模第55页，共78页，2023年，2月20日，星期四应用：没有模锻设备的中、小型锻件的批量生产。第56页，共78页，2023年，2月20日，星期四§3板料冲压利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获得所需零件的工艺方法。冷冲压：t<6mm拖拉机：400多个。收割机：1000多个。第57页，共78页，2023年，2月20日，星期四一、冲压设备1.剪床：2.冲床：下料设备1）斜刃剪2）平刃剪3）圆盘剪冲压设备1）开式冲床2）闭式冲床第58页，共78页，2023年，2月20日，星期四二、冲压基本工序及变形特点（一）分离工序使坯料的一部分相对另一部分产生分离的工序。（冲孔、落料、修正、剪切、切边等）1.冲裁（落料、冲孔）1）冲裁的变形过程①弹性变形阶段②塑性变形阶段③断裂、分离阶段塑性变形阶段弹性变形阶段断裂分离阶段使坯料沿封闭轮廓分离的工序。第59页，共78页，2023年，2月20日，星期四12341塌角区2光亮带区3剪裂带区4毛刺2）冲裁模设计及冲裁工艺特点①凸凹模要具有锋利的刃口②凸凹模间隙要合理Z双边间隙Z=（5%~10%）t第60页，共78页，2023年，2月20日，星期四③凸凹模刃口尺寸要正确落料：以凹模为设计基准D凹

=d落D凸=D凹

-ZD凸

=d孔D凹=D凸

+Z冲孔：以凸模为设计基准④排样要合理排样：冲裁件在板料上的布置方式。有接边排样少无接边排样12第61页，共78页，2023年，2月20日，星期四3）冲裁力k—安全系数（1.3）L—冲裁件周边长度（mm）

—

坯料的抗剪强度（N/mm2）t—坯料厚度（mm）（N）第62页，共78页，2023年，2月20日，星期四2.修正利用修正模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，切掉剪裂带和毛刺。提高其尺寸精度降低表面粗糙度。

IT9-IT7Ra=1.6-0.8цm（二）变形工序使坯料的一部分相对一部分产生位移而不被破坏的工序。（拉深、弯曲、翻边、成形等）第63页，共78页，2023年，2月20日，星期四D1.拉深使坯料在凸模的作用下压入凹模，获得空心体零件的冲压工序。1）拉深变形过程ddh第64页，共78页，2023年，2月20日，星期四2）拉深废品①拉裂（拉穿）②起皱3）拉深模设计及工艺特点①凸凹模的工作部分必须具有一定的圆角；r凹=10tr凸=（0.6-1）r凹②凸凹模间隙要合理Z=（1.1-1.2）tZ—单边间隙第65页，共78页，2023年，2月20日，星期四③控制拉深系数（m）m=d/D=（0.5-0.8）D=100d=20；h=42d1=55d2=3232/55=0.58d3=2020/32=0.628④设置压边圈⑤涂润滑油第66页，共78页，2023年，2月20日，星期四2.弯曲将平直板料弯成一定的角度或圆弧的工序。1）弯曲的变形特点①变形区域主要在圆角部位；②外层金属受拉应力，内层金属受压应力。2）弯曲缺陷弯裂第67页，共78页，2023年，2月20日，星期四3）弯曲工艺特点①弯曲半径r≥rmin=（0.25-1）t；②毛刺应位于内侧；③弯曲线应尽量与坯料纤维方向垂直；④“回弹”问题a）设计补偿角b）对工件进行退火c）设计加强筋第68页，共78页，2023年，2月20日，星期四3.翻边、成形1）翻边在带孔的平坯料上用扩孔的方法获得凸缘的工序。2）成形包括：起伏、胀形、压印等第69页，共78页，2023年，2月20日，星期四三、冲模的分类及结构1.简单冲模2.连续冲模3.复合冲模冲床在一次行程中只完成一个冲压工序。冲床在一次行程中在不同的工位同时完成两个以上的冲压工序。冲床在一次行程中在同一工位同时完成两个以上的冲压工序。第70页，共78页，2023年，2月20日，星期四第71页，共78页，2023年，2月20日，星期四四、冲压件结构工艺性1.冲压方法对结构工艺性的要求1）对冲裁件的要求①冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用；②应避免细长槽和细长臂结构；

第72页，共78页，2023年，2月20日，星期四③冲裁件的内外转角处，应尽量避免尖角。工序圆弧角最小圆角半径黄铜、紫铜、铝低碳钢合金钢落料0.24×t0.35×t0.30×t0.50×t0.45×t0.70×t冲孔0.20×t0.45×t0.35×t0.60×t0.50×t0.90×t冲裁件最小圆角半径第73页，共78页，2023年，2月20日，星期四④冲裁件孔的尺寸第74