金属材料与热处理-项目十

概述1、锻压的概念：靠外力使金属材料产生塑性变形而得到预定形状与性能的制件（毛坯或零件）的加工方法

2、优点：（1）结构致密、组织改善、性能提高，强度、硬度、韧性↑（2）少、无切削加工，材料利用率高。

（3）可以获得合理的流线分布（金属塑变是固体体积转移过程）。

（4）生产效率高。（如：曲轴

、螺钉）

3、缺点：（1）一般工艺表面质量差（氧化）。（2）不能成型形状复杂件（相对）（3）设备庞大、价格昂贵。（4）劳动条件差（强度↑、噪音↑）4、应用：各类钢和大多数有色金属及其合金都具有一定的塑性，因此，都能在热态或冷态下进行压力加工。

应用广泛：运输工具96%；

汽车拖拉机95%；航天、航空90%；

农用机械工业80%。

5、分类1）轧制：金属坯料在两个回转轧辊的缝隙中受压变形以获得各种产品的加工方法。靠摩擦力，坯料连续通过轧辊间隙而受压变形。

主要产品：型材、圆钢、方钢、角钢、铁轨等。2）挤压：金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。

正挤：金属流动方向与凹模运动方向相同。

反挤：金属流动方向与凹模运动方向相反。

3）拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。产品尺寸精度、表面光洁度较高，所以，常用于轧制件的再加工，提高产品质量。坯料：低碳钢、有色金属及合金。外力：拉力。

4）自由锻：金属坯料在上、下抵铁间受冲击力或压力而变形。

外力：压力。5）模锻：金属坯料在具有一定形状的模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。

6）冲压：金属板料在冲模之间受压产生分离或成形，从而获得所需产品的加工方法。

第一节金属的塑性变形金属材料在承受外力时，会产生一定的变形，随着外力的增加，其变形将由弹性变形转变为塑性变形，直至断裂。

一、塑性变形实质1、单晶体的塑性变形单晶体塑性变形机制是滑移。在切应力作用下，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑动，叫滑移。滑移变形特点：（1）

滑移只能在切应力的作用下发生（2）

滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移系：滑移面数与滑移方向数的乘积。滑移系越大，金属滑移的可能性越大，即金属塑性越好。（3）

滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍，滑移（4）

滑移的同时必然伴有晶体的转动，沿外力方向。多晶体金属的变形

多晶体塑性变形机制：滑移+晶粒转动塑性变形先在晶面方向有利于滑移的晶粒内开始，然后不利于滑移的晶粒向有利变形的方向转动，协调变形，使滑移继续进行。

以两个晶粒的试样在拉伸时的变形为例在远离晶界处，变形明显，在靠近晶界处变形出现“竹节”现象。表明晶界对变形有较大的阻碍作用。原因：晶界附近晶格排列紊乱，杂质原子往往较多，增大晶格畸变，因而使该处在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形

多晶体塑性变形的特点：1）变形前后、大小不一，导致晶粒内部与晶粒间存在不同的应力2）变形抗力比单晶体大得多。3）变形的主要方式是晶体内部的滑移。二、冷塑性变形对组织和性能的影响塑性变形使金属内部组织结构发生变化，引起性能的变化。

1、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性内部晶粒形状与金属外形成比例，变形量大时，产生纤维关“纤维组织”

4.

2.晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化.形变量不大时，在变形晶粒中的晶界附近出现位错的堆积。随着变形量增大，晶粒破碎为亚晶粒，亚晶界量越多。滑移变形是通过位错在滑移面上移动实现，晶体内部的晶界、亚晶界以及其他缺陷都成为各种阻碍位错移动的障碍物。位错在亚晶界堆积，使滑移变形不易继续进行下去。造成材料强度、硬度提高，塑性、韧性下降，——加工硬化。3、织构现象产生随着变形发生，各晶粒晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，故在变形量达到一定的程度（70-90%）时，金属组织将会出现一种织构现象。出现各向异性，对零件不利。

4、残余内应力经过塑性变形，外力对金属所作的功，约90%转化成热，10%转化为内应力残留于金属中。材料名称：05钢

浸蚀剂：4%硝酸酒精

放大倍数：500*

晶相组织：铁素体+部分晶界上有渗碳体+少量珠光体

机械性能：晶粒没有变化

材料名称：05钢

处理过程：冷变形度20%

浸蚀剂：4%硝酸酒精

放大倍数：500*

晶相组织：铁素体+部分晶界上有渗碳体+少量珠光体

机械性能：晶粒明显伸长

材料名称：05钢

处理过程：冷变形度70%

浸蚀剂：4%硝酸酒精

放大倍数：400*

晶相组织：纤维组织

三、冷变形金属在加热时组织和性能的变化回复与再结晶

1、回复即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错迁移而所引起的某些晶内的变化。晶粒大小和形状无明显变化。晶格畸变减轻，残余应力下降。

材料名称：05钢

处理过程：形变度70%400℃退火

浸蚀剂：4%硝酸酒精

放大倍数：400*

晶相组织：纤维组织

二、金属的再结晶回复的材料，破碎晶粒未改变，组织仍不稳定。加热到较高温度，晶粒外形开始变化，生成新的等轴颗粒——“再结晶”。强度和硬度显著降低，塑性和韧性提高，消除了加工硬化。

材料名称：05钢

处理过程：形变度70%500℃退火

浸蚀剂：4%硝酸酒精

放大倍数：400*

晶相组织：开始出现等轴铁素晶粒

材料名称：05钢

处理过程：形变度70%600℃退火

浸蚀剂：4%硝酸酒精

放大倍数：400*

晶相组织：完全再结晶等轴铁素体

再结晶温度与金属本性、杂质质量、冷变形程度、保温时间、材料的原始晶粒度等有关3、晶粒长大：再结晶完成后，再继续提高加热温度或延长加热时间，晶粒便会继续长大。材料名称：05钢

处理过程：形变度70%850℃退火

浸蚀剂：4%硝酸酒精

放大倍数：400*

晶相组织：粗大铁素体晶粒

四、热塑性变形对金属组织和性能的影响冷、热塑性变形的概念：金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷塑性变形。再结晶温度以上进行的塑性变形称为热塑性变形。热塑性变形是在金属再结晶温度以上进行的变形。提高温度能改善金属的塑性，有利于提高工件的内在质量，使之不易开裂。高温度还能减小金属的变形抗力，降低所需锻压机械的吨位。但热塑性变形工序多，工件精度差，表面不光洁，锻件容易产生氧化、脱碳和烧损等缺陷。1、热塑性变形可消除铸态金属的缺陷，提高力学性能。2、可改善夹杂物、碳化物的形态与分布，使金属的强度、塑性、冲击韧性得到提高。3、形成锻造流线，使沿纵向的强度、塑性和冲击韧性高于横向。五、金属的可锻性可锻性：是衡量材料在经受压力加工时获得合格零件难度程度的一个工艺性能指标。

可锻性反映在力作用下稳定改变自己形态或尺寸，而其各质点间联系不破换的能力。

包括方面：1塑性↑：变形时金属不易开裂。δ、ψ、αk↑2变形抗力↓：省力，不易磨损模具，小设备，消耗能量小。影响包括两个方面：

（一）金属本质的影响：

1

化学成分：1）纯金属可锻性良好（合金晶格畸变）Fe＞F

2）

含有形成碳化物的元素，则可锻性↓。

2、金属组织影响：1）固溶体（如A）比碳化物（Fe3C）好。

2）晶粒细、均匀、可锻性↑。

3、晶体结构：面心立方＞体心立方＞密排六方。

（二）加工条件：

1变形温度：t↑

变形抗力↓

塑性↑

T再以上，塑性↑↑（t过高，易产生“过热”、“过烧”、“脱碳”、“严重氧化”）始锻温度：AE线下200℃左右。终锻温度：800℃（T再以上）

2变形速度：单位时间内的变形程度。

塑性变形速度，1/秒ⅠⅡ图5-18变形速度对塑性的影响3应力状态：

压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊合（孔、缝）

拉应力下变形，对塑性不利，气孔、裂纹等缺陷处易引起应力集中，缺陷扩展，导致破裂。

第二节自由锻造自由锻造:利用冲击力或压力使金属在上、下两抵铁之间产生变形，得到所需的形状和尺寸的锻件。金属在受力变形时，在抵铁间向各个方向自由流动，不受限，形状、尺寸由锻工控制。自由锻造

（一）

特点

1工具简单、通用性强。2应用广泛，锻件重量几克---几百吨。3锻件尺寸精度差，材料利用率低。

4只能用于形状简单的锻件。

5劳动强度大（尤其手工）。

（二）分类1手工锻：设备工具有砧子，大、小锤，炉子等，用于小型件。

2机器锻：设备有空气锤、蒸汽—空气锤、水压机、油压机等，

机器锻设备的主要参数有：冲击力、液压机吨位

、静压力等一、自由锻设备1、空气锤2、水压机1、空气锤

外形图空气锤的特点：设备结构简单，成本低、操作方便，锤击频率高等适用范围：广泛应用于中小型锻件的生产。主要设备参数；吨位、锤击频率、锤击能量、可锻工件最大尺寸。2、水压机水压机的特点：静压力、无震动无冲击、噪音小、工作平稳，但设备庞大、造价高。适用范围：用于大型的、合金铸件的锻造。主要设备参数：吨位、静压力、钢锭重量二、自由锻造的基本工序自由锻造的基本工序有：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移和切割等。1、镦粗放映定义：截面增加、高度减小的锻造工序作用：1）小截面变成大截面，高度减小。2）冲孔前，平整端面。3）提高机械性能（细化组织、破坏碳化物）分类：完全镦粗和局部镦粗

动画2、拔长放映定义：使毛坯横截面减小，长度增加的锻造工艺。作用：1）减小截面，增加长度。2）提高机械性能（与镦粗反复进行）

动画

3、冲孔放映定义：用冲头在坯料上冲出通孔或盲孔的锻造工艺。作用：用于空心锻件，如套筒、齿轮毛坯等。方法：1）冲通孔时：薄件一面冲通，厚件双面冲：2）双面冲时，一面冲2/3δ，反面冲通。

为拔冲头方便，冲孔时洒煤粉。动画4、弯曲放映定义：将坯料弯成一定角度的铸造工艺作用：用于吊钩、地脚螺栓等锻件特点：外侧受拉内侧受压

内侧易起皱

注意：弯曲角度不可太大，过大会使外侧拉裂。5、扭转放映定义：将坯料的一部分相对另一部分转动一定角度的锻造工艺。应用：制作曲轴、麻花钻毛坯等6、错移放映定义：将坯料的一部分相对另一部分错开一段距离并保持平行的锻造工艺。应用：锻造曲轴等7、切割放映定义：将坯料切去一部分的锻造工艺应用：常用于切割料头等三、自由锻件的结构工艺性原则：满足使用性能要求，符合自由锻工艺要求，节约金属，保证质量，提高生产率。

一尽量避免锥体或斜面（因必用专用工具，此时还是成型困难）二锻件由几个简单几何体构成时，交接处不应形成空间曲线。三锻件不应设计出凸台、筋板。四椭圆形、工字形等应避免。五截面变化不宜太大。（因为锻造比太大）六外表面复杂的锻件不应设计成整体，可分开分别锻造，再焊接或机械联接。四、自由锻工艺规程内容：由零件图→绘制锻件图→计算坯料质量和尺寸→选择锻造工序→设备和吨位→加热规范→规定技术要求→检验要求→编制劳动组织和工时。1、由零件图绘制锻造图绘制时主要考虑：

1）敷料：为简化锻件形状而增添的金属（也叫余块）。

2）加工余量：自由锻件精度、尺寸、表面质量较差。需切削加工，所以，留余量。

3）锻造公差：锻件实际尺寸和名义尺寸之间所允许的最大偏差。2、计算坯料尺寸和重量3、选择锻造工序

包括基本工序、辅助工序及修整工序。根据锻件技术要求，坯料情况，生产批量等确定。一般：盘类：镦粗、（或拔长、镦粗）冲孔。

轴类：拔长（拔+镦粗）、压肩。

筒类：镦粗（镦+拔）、冲孔、在心轴上拔长。

环类：镦粗（拔+镦）、冲孔。4、锻造温度常见材料的锻造温度可查表得到5、确定锻造设备

主要确定锻锤吨位6、锻后冷却及热处理

冷却方式：空冷

坑冷

炉冷低碳钢：退火

正火工具钢：正火或球化退火中碳钢、合金钢：一般调质。第三节模型锻造加热后的金属坯料在模膛中受压成型，得到与模膛形状相符的锻件的锻造工艺。

动画1、特点优点：1）操作技术要求不高，生产率高。

2）尺寸精确，加工余量小。

3）能锻造形状较复杂的零件。

4）节省材料，减少切削量，降低成本（批量）。

缺点：1）受设备吨位限制，质量不能太大（150kg以下）

2）锻模成本高，不宜于小批、单件生产。

一、锤上模锻将锻模的上下模分别固定在模锻锤的锤头和模座上然后将加热好的坯料放入锻模内锻压成型的锻造工艺。放映右图为蒸汽—空气模锻机1、工艺规程制定：

（1）

根据锻件类型及具体生产条件确定合理工艺方案。（2）

由零件图及工艺方案画出锻件图。（3）

确定工步，进行模膛设计和工步设计。（4）

计算毛坯质量、尺寸、确定设备吨位。（5）

设计锻模（6）

确定切边、冲孔工序并设计相应模具。（7）

加热、冷却、热处理规范。（8）

确定校正、清理工艺及设备

确定工艺方案：1）长轴类锻件

拔长—滚压—预锻—终锻

同一模具上设置2）短轴类（盘类）件

镦粗—终锻

镦粗—预锻—终锻选分模面：（关系到出模、成型、材料利用率等）原则：a、保证锻件能完整地从模膛中取出b、使模膛浅而宽，便于加工、利于金属流动c、应使上、下模膛沿分模面的轮廓一致，便于检查上、下模错移d、分模面应使锻件上敷料最少e、分模面尽量选平面f、有流线要求时，依受载情况确定动画确定余量、公差机械加工余量：一般1—4mm，比自由锻小的多。公差：

一般±0.3—3mm。需考虑：a、模膛公差b、防止上、下模没闭合，金属没充满模膛c、上、下模错移d、模膛磨损、变形等

确定模锻斜度

锻件上平行于锤击方向必须有斜度，以利于取件，且要考虑锻件冷却收缩，锻模回弹。斜度大小与锻件形状尺寸、材料性质（摩擦系数）、锻造方法（如平锻有顶出装置，斜度小）等有关。一般钢件外模锻斜度α=5—15°内斜度比外斜度大2—3°，因为内壁冷缩，会夹紧工件。

确定圆角半径：锻件两平面交接处均要做成圆角。a、金属易于充满模膛b、模凹角处易应力集中、裂纹c、凸尖角处有圆角磨损减轻，提高模具寿命d、避免拉断流线确定冲孔连皮（动画）d＞25

冲孔，连皮厚度与孔径d有关，d=30—80mm时，

s=4—8mm2、锻模锻模分类：单模膛锻模和多模膛锻模模膛分类：制坯模膛和模锻模膛

制坯模膛又分为拔长、滚压、弯曲、切断、镦粗、压扁等模膛。模锻模膛分为预锻模膛和终锻模膛预锻模膛：1）使坯料变形到接近于锻件的形状、尺寸，使金属易于充满终锻模膛。2）减少对终锻模膛的磨损，提高锻模寿命终锻模膛：使坯料变形成锻件图上要求的形状、尺寸和精度。

弯曲连杆的多模膛模锻过程：3、模锻零件结构工艺性

设计模锻件时，应根据模锻特点和工艺要求，使零件结构符合下列原则，以便于模锻生产和降低成本。1必须具有合理的分模面（锻件易取出，敷料少，锻模易做）。2必须具有合理的模锻斜度、圆角3非加工面尺寸精度要符合模锻生产工艺，加工面留余量。4锻件形状尽量简单对称，各截面差不可太大。5尽量避免深孔、多孔。（简化模具制造、提高寿命）6若形状复杂，用锻焊结构，减少敷料。

二、胎模锻简介胎模锻造是在自由锻设备上，使用不固定在设备上的各种称为胎模的单膛模具，将已加热的坯料用自由锻方法预锻成接近锻件形状，然后用胎模终锻成形的锻造方法

特点：1与自由锻对比1）锻件形状、尺寸与锻工技术无关，操作简单，效率提高

2）精度高，敷料少，加工余量，节省金属，减轻后续加工的工作量。3）内部组织、纤维分布更合理。

2与模锻比1）扩大自由锻设备生产范围，设备简单2）局部成型，小设备干大活3）模局不固定，成本低，可一个以上分模面，件可复杂4）锻件质量比模锻差（形状、尺寸精度、余量）

图3-5锤上模锻弯曲连杆的过程胎模种类主要有三种：扣模、圆筒模和合模三、其他模锻1、曲柄压力机上模锻2、摩擦压力机上模锻3、平锻机上模锻第四节板料冲压板料冲压是利用模具使板料产生分离或成形的加工方法。一般板料厚度小于6mm,不需加热，亦称冷冲压。大于6mm以上时，一般用热冲压。

1．冲压成型的特点：（1）零件形状复杂，废料少；（2）产品精度高，互换性好；（3）产品质量小，材料消耗少，强度、刚度高；（4）操作简单，生产率高，成本低。2．冲压设备：（1）剪床：下料用设备，将板料剪成一定宽度的条料。电动机带动齿轮旋转，当离合器闭合时，齿轮带动曲轴转动，曲轴再带动上刀沿导轨上下运动，与固定的下刀相互配合，完成剪切。图3-6剪床设备工作原理图（2）冲床：实现冲压工序，制成所需形状和尺寸的产品的设备。如图所示。电机带动减速系统并带动大轮转动，当踩下脚踏开关时，离合器闭合带动曲轴旋转，通过连杆带动滑块沿导轨上下运动，进行冲压操作。

图3-7冲床传动示意图

3．冲压的基本工序

冲压工序分为：分离工序和成形工序两大类。（1）分离工序使坯料的一部分相对另一部分发生分离的工序。包括冲裁、剪切和修整等。

①冲裁：使坯料沿封闭轮廓分离的工序。落料：是制坯工序，被分离部分为成品，周边是废料。冲孔：是加工工序，被分离部分是废品，周边是成品。冲裁时凸凹模间隙间隙过大：断面质量差，光亮带小一些，剪裂带和毛刺均较大。间隙过小：断面质量好，光亮带增大，但毛刺也增大，模具磨损严重，寿命受影响。合理选择模具间隙，主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要的因素。一般说来，当对冲裁件断面质量要求较高时，应选取较小的间隙值，而当冲裁件的质量要求不高时，则应适当地加大间隙值，以利于提高冲模的寿命。

②剪切（切断）利用剪刃或模具使坯料沿不封闭轮廓线分离的工序。③修整利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，切掉冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，提高精度。图是修整工序简图。◆外缘修整：修整冲裁件外形。◆内孔修整：修整冲裁件内孔。（2）成形工序利用模具使板料的一部分相对于另一部分产生位移而又不破裂的工序。①拉深成形利用模具使平板坯料变成开口空心零件的成形工序。②弯曲成形坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的变形工序。

③胀形成形胀形是利用坯料局部厚度变薄某一尺寸增大形成零件的成形工序

④翻边成形在坯料的平面或曲面部分上，使坯料沿一定的曲线翻成竖直边缘的冲压方法。

4．冲模的结构与分类冲模一般分为上模和下模两部分，这两部分包括了凸模和凹模，凸模习惯上又称为冲头。上模通过模柄安装在冲床的滑块上，下模通过压板和螺栓连接紧固在冲床的工作台上。冲模除了凹、凸模外，一般还包括导料板、卸料板、定位块或定位销部件、模架等。根据冲模的复杂程度和完成零件的难易程度，把冲模分为三种类型：简单模：压力机的一次行程中只完成一道工序的冲模。连续模：压力机的一次行程中，在模具的不同部位完成多道工序。复合模：压力机的一次行程中，在模具的同一部位完成多道工序。

5、冲压件结构工艺性设计冲压件不仅要满足零件的使用性能，还应有良好的工艺性能，以减少材料的消耗，延长模具寿命，提高生产率，降低成本及保证冲压件质量。

冲裁件：

1）落料件外形和冲孔件的孔形应力求简单、对称，排样时废料少、，尽可能采用圆形、矩形，避免长槽、长悬结构，总之：利于制造模具，提高模具寿命，节省材料。2）冲孔时

d≥t

方孔L≥0.9t

t——料厚，凸模↑

孔距，

孔与边距≥t

保证凹模寿命，外缘凸出或凹进的尺寸≥1.5t，保证件不变形。3）冲裁件：两相邻边要用圆弧