《机械制造工艺与工装》（第五版）课件 第一章 第二节 金属塑性成型

第一章零件毛坯制造方法CONTENTS目录123【铸造】【金属塑性成型】【焊接】02【金属塑性成型】金属塑性成型一四二三概述锻造金属的塑性成型性能冲压

一、概述金属塑性成形是利用金属材料所具有的塑性变形规律，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。金属塑性成形的基本生产方式有：自由锻、模锻、冲裁、弯曲、拉深等。1、塑性变形的特点

由于各类钢和非铁金属都具有一定的塑性，可以在冷态或热态下进行压力加工，加工后的零件或毛坯组织细密，比同材质的铸件力学性能好。（1）改善金属的组织，提高金属的力学性能（2）提高材料的利用率（3）高生产率（4）精度高（5）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金属塑性成型2、金属塑性变形的实质金属塑性变形的实质，是指在外力的作用下，金属内部的原子沿一定的晶面和晶向产生了滑移的结果。金属在外力作用下，内部产生应力，使原子离开原来的平衡位置，从而改变原子间的距离，金属发生变形，并引起原子位能的增高。一般情况下，金属是多晶体，多晶体的变形是与各个晶粒的变形行为有关。为了便于研究，先通过单晶体的塑性变形来掌握金属塑性变形的基本规律。（1）单晶体的塑性变形晶体只有在切应力作用下才会发生塑性变形。单晶体的塑性变形过程如图1-20所示。图1-20（a）为晶体未受外力的原始状态；当晶体受到外力作用时，晶格将产生弹性畸变，如图1-20（b）所示，此为弹性变形阶段；若外力继续增加，超过一定限度后，晶格的畸变程度超过了弹性变形阶段，晶体的一部分将会相对另一部分发生滑移，如图1-20（c）所示；晶体发生滑移后，去除外力，晶体的变形将不能全部恢复，因而产生了塑性变形，如图1-20（d）所示。金属塑性成型（2）多晶体的塑性变形生产中的金属材料是由不同的晶粒组成，每个晶粒在塑性变形时，将受到周围位向不同的晶粒及晶界的影响与约束，即每个晶粒不是处于独立的自由变形状态。晶粒变形时既要克服晶界的阻碍，又需要其周围晶粒同时发生相适应的变形来协调配合，以保持晶粒间的结合和晶体的连续性，否则将导致晶体破裂。大量实验结果表明，多晶体的塑性变形正是由于存在着晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要比同种金属的单晶体高得多。金属塑性成型3、金属的塑性变形规律（1）最小阻力定律金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动，称为最小阻力定律。金属内部某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向，就是该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线方向。因为质点沿这个方向移动时路径最短而阻力最小，所需做功也最小。（2）体积不变定理金属塑性成形加工中，金属变形前后的体积保持不变的规律，称为体积不变定理（或称为质量恒定定理）。金属塑性变形是金属流向及形状变化，如图1-21所示。实际上，金属在塑性变形过程中总有微小体积变化，如锻造钢锭时，由于气孔、疏松的锻合，密度略有提高；加热过程中因氧化生成氧化皮产生耗损。金属塑性成型

4、塑性变形对金属组织与性能的影响（1）冷变形对金属组织与性能的影响

1）冷变形后的金属微观组织

2）加工硬化

3）残余应力（2）热变形对金属组织与性能的影响

1）消除缺陷与细化组织

2）动态回复和动态再结晶

3）锻造流线金属塑性成型

二、金属的塑性成型性能金属的锻造性能可以衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。金属的锻造性能的优劣，常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。影响金属材料塑性和变形抗力的主要因素有以下几个方面。1、化学成分。纯金属的塑性成形性能好于合金。2、金属组织。纯金属及单相固溶体合金的塑性成形性能较好；钢中有碳化物和多组织时，塑性成形性能变差；具有均匀细小等轴晶粒的金属，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱状晶粒好；当工具钢中有网状二次渗碳体存在时，其塑性大大下降。3、加工条件

（1）变形温度

（2）变形速度

（3）应力状态

（4）其他因素：1）毛坯表面状况2）模具和工具3）润滑状态

综合上述，金属的塑性和变形抗力是受金属的本质与变形条件等因素制约的。在选用锻压加工方法进行金属成形时，要依据金属的本质和成形要求，充分发挥金属的塑性，尽可能降低其变形抗力，用最少的能耗，获得合格的锻压件。金属塑性成型

三、锻造将金属坯料放在上、下砧铁或锻模之间，使之受到冲击力或压力而变形的加工方法叫锻造。锻造是金属零件的重要成形方法之一。锻造可以分为自由锻造和模型锻造两种类型1、自由锻造

自由锻造是利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸以及内部质量的锻件。自由锻造时，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料其它各个方向因不受外界限制而自由变形，故无法精确控制变形的发展。自由锻造分为手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率较低。机器锻造是自由锻的主要方法。

自由锻所用的工具简单，具有很强的通用性，主要有铁砧、大锤、手锤、夹钳、冲子、錾子和型锤等。自由锻造准备周期短，因而应用较为广泛。

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（1）自由锻造工序

根据作用与变形要求不同，自由锻造的工序分为基本工序、辅助工序和精整工序三类。

1）基本工序

改变坯料的形状和尺寸，以达到锻件基本成形的工序，称为基本工序。

镦粗是使坯料高度减小、横截面积增大的工序，是自由锻造生产中最常用的工序。它适用于块状、盘套类锻件的生产。

拔长是使坯料横截面减小、长度增加的工序。它适用于轴类、杆类锻件的生产。为达到规定的锻造比和改变金属内部组织结构，锻制以钢锭为坯料的锻件时，拔长经常与镦粗交替使用。

冲孔是在坯料上冲出通孔或盲孔的工序。圆环类锻件，冲孔后还应进行扩孔工作。

弯曲是使坯料轴线产生一定曲率的工序。

扭转是使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。

错移是使坯料的一部分相对于另一部分平移错开，但仍保持轴心平行的工序。

切割是分割坯料或切除锻件余量的工序。

锻接是将两个分离工件加热到高温，在锻压设备产生的冲击力或压力作用下，两者在固相状态下结合成一牢固整体的工序。金属塑性成型

2）辅助工序

是为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如倒棱、压肩等工步。

3）修整工序

修整锻件的最后尺寸和形状，提高锻件表面质量，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲等工步。金属塑性成型

（2）自由锻锻件的结构工艺性

自由锻工步简图见表1-7。金属塑性成型

自由锻零件的结构工艺性要求见表1-8。金属塑性成型2、模锻

模锻是将加热后的坯料放在锻模模镗内，通过锻压力作用使坯料变形而获得锻件的一种加工方法。坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。与自由锻相比，模锻的优点是：

①由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状更精密；

②锻件内部的锻造流线按锻件轮廓分布，提高了零件的机械性能和使用寿命；

③锻件表面光洁、尺寸精度高，节约材料和切削加工工时；

④生产率高；

⑤操作简单，便于机械化生产。由于模锻是整体成形，金属流动与模膛之间产生很大的摩擦阻力，因此所需设备吨位大，设备费用高；锻模加工工艺复杂、制造周期长、费用高，模锻适用于中、小型锻件的成批或大量生产。随着计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAE/CAM）的飞速进步，锻模的制造周期将大大缩短。

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（1）模锻分类1）开式模锻：开式模锻也称有飞边模锻。开式模锻模具在锻造毛坯最大外廓处有分型面，分型面垂直于打击方向，坯料四周在锻造过程中始终敞开。流动或多余的金属在锻打过程中能从分型面溢出形成横向飞边，如图1-22（a）所示。

2）闭式模锻：闭式模锻也称无飞边模锻，模具结合面平行于打击方向。锻造过程中，上模和下模的间隙不变，坯料在封闭的模膛中成形，无横向飞边，少量的多余材料会形成纵向飞刺，飞刺在后续工序中除去，如图1-22（b）所示。

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（2）模锻件的结构工艺性：设计模锻零件时，应根据模锻特点和工艺要求，使其结构与模锻工艺相适应，便于模锻生产和降低成本。锻件结构的原则如下：1）模锻零件应具有合理的分模面，选定分模面的原则是：

①保证模锻件能从模膛中取出来。如图1-23所示。分模面选定在a-a面时，已成形的模锻件就无法取出。分模面应选在模锻件的最大截面处。

②选定的分模面制成锻模后，上下两模分模面的模膛轮廓一致。在安装锻模和生产中发现错模现象，可及时调整锻模位置。图1-23中的c-c面，就不符合此原则。

③分模面在模膛深度最浅的位置上。这样有利于金属充满模膛，有利于取件，有利于锻模的制造。图1-23中的b-b面，就不适合作分模面。

④分模面应使零件上所加的敷料最少。图1-23的b-b面选作分模面时，零件中间的孔不能锻出来，孔部金属都是工艺余块，既浪费金属，又增加了切削加工的工作量。

⑤分模面是在一个平面。这便于锻模的制造，防止在锻造过程中上下锻模错动。按上述原则综合分析，图1-23中的d-d面，是最合理的分模面。

金属塑性成型2）模锻零件，除与其他零件配合的表面外，均应设计为非加工表面

3）零件的外形，应力求简单、平直、对称，避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高肋等不良结构。如图1-24（a）所示，零件的凸缘太薄、太高，中间下凹太深，金属不易充型。图1-24（b）所示，零件过于扁薄，薄壁部分金属模锻时容易冷却，不易锻出，对保护设备和锻模也不利。

4）在零件结构允许的条件下，避免深孔或多孔结构5）复杂锻件，为减少工艺余块，简化模锻工艺，在可能条件下，应采用锻造一—焊接或锻造——机械联接组合工艺

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四、冲压板料冲压是通过安装在压力机上的模具对板料施压，使板料产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件或毛坯的加工方法1、板料冲压的特点

（1）它是在常温下通过塑性变形对金属板料进行加工的，因而，原材料必须具有足够的塑性，并应有较低的变形抗力

（2）金属板料经过塑性变形的冷变形强化作用，并获得一定的几何形状后，具有结构轻巧、强度和刚度较高的优点

（3）冲压件尺寸精度高、质量稳定、互换性好，不再切削加工，即可作零件使用

（4）冲压生产操作简单，生产率高，便于机械化和自动化生产（5）冲压模具结构复杂、精度要求高、制造费用高，在大批量生产的条件下，采用冲压加工方法，经济合理金属塑性成型2、冲压基本工序冲压基本工序包括分离工序和成形工序两类。分离工序分为落料、冲孔、切断、切边、刨切、切舌，见表1-9金属塑性成型2、冲压基本工序成型工序分为弯曲、卷边、拉深、翻边、缩口、胀形、起伏成形、旋压、冷挤压，见表1-10。金属塑性成型（1）冲裁冲裁是使板料沿封闭的轮廓线分离的工序，包括冲孔和落料。这两个工序的坯料变形过程和模具结构都是一样的，二者的区别在于冲孔是在板料上冲出孔洞，被分离的部分为废料，周边是带孔的成品；落料是被分离的部分是成品，周边是废料。1）冲裁变形过程。冲裁时板料的变形和分离过程对冲裁件质有很大影响。其过程可分为如下三个阶段，如图1-25所示。①弹性变形阶段冲头（凸模）接触板料向下运动的初始阶段，板料产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形。板料中的应力值迅速增大。此时，凸模下的板料略有弯曲，凸模周围的板料向上翘，间隙越大，弯曲和上翘越明显。②塑性变形阶段冲头继续向下运动，板料的应力值达到屈服极限，板料金属产生塑性变形。变形达到一定程度，位于凸、凹模刃口处的金属硬化加剧，出现微裂纹。③断裂分离阶段冲头继续向下运动，已形成的上下裂纹逐渐扩展。上下裂纹相迎重合后，板料被剪断分离。冲裁件分离面的质量主要与凸凹模间隙、刃口锋利程度有关，同时也受模具结构、材料性能及板料厚度等因素影响。金属塑性成型金属塑性成型

2）凹凸模间隙。凸凹模间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量，也影响着模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。冲裁断面特征如图1-26所示金属塑性成型

（2）弯曲

弯曲是将平直板料弯成一定角度和圆弧的工序，如图1-27所示。弯曲时，坯料外侧的金属受拉应力作用，发生伸长变形。坯料内侧金属受压应力作用，产生压缩变形。这两个应力——应变区之间存在一个不产生应力和应变的中性层，其位置在板料的中心部位。当外侧的拉应力超过材料的抗拉强度时，将产生弯裂现象。坯料越厚、内弯曲半径ｒ越小，坯料的压缩和拉伸应力越大，越容易弯裂。为防止弯裂，弯曲模的弯曲半径要大于限定的最小弯曲半径rmin，通常取rmin=（0.25～1）δ。此外，弯曲时，应尽量使弯曲线和坯料纤塑性弯曲和任何的塑性变形一样，在外加载荷的作用下，板料产生的变形，由弹性变形和塑性变形两部分组成。当外载荷去除后，塑性变形保留下来，而弹性变形部分则要恢复，从而使板料产生与弯曲方向相反的变形，这种现象称为回弹，如图1-28所示。回弹后，弯曲角减小（由α变为α′），弯曲半径增大（由r变为r′）。回弹的程度通常以弹复角Δα表示：

Δα＝α－α′

金属塑性成型

回弹会影响弯曲件的尺寸精度。弹复角的大小与材料的机械性能、弯曲半径、弯曲角等因素有关。材料的屈服强度越高、弯曲半径越大（即弯曲程度越轻）。在整个弯曲过程中，弹性变形所占的比例越大，弹复角则越大。这就是曲率半径大的零件不易弯曲成形的道理。此外，在弯曲半径不变的条件下，弯曲角越大，变形区的长度就越大，因而，弹复角也越大。

为了克服弹复现象对弯曲零件尺寸的影响，通常利用回弹规律，增大凸模压下量，或适当改变模具尺寸，使弹复后达到零件要求的尺寸。此外，也可通过改变弯曲时应力状态，把弹复现象限制在最小范围内。金属塑性成型

（3）拉深拉深是利用拉深模使平面板料变为开口空心件的冲压工序，又称拉延。拉深可以制成筒形、阶梯形、球形及其它复杂形状的薄壁零件。拉深过程如图1-29所示。原始直径为Ｄ的板料，经拉深后变成外径为ｄ的杯形零件。凸模压入过程中，伴随着坯料变形和厚度的变化。拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。其余环形部分坯料经变形成为空心件的侧壁，厚度有所减小。侧壁与底之间的过渡圆角部位被拉薄最严重。拉深件的法兰部分厚度有所增加。拉深件的成形是金属材料产生塑性流动的结果，坯料直径越大，空心件直径越小，变形程度越大。

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（3）拉深拉深是利用拉深模使平面板料变为开口空心件的冲压工序，又称拉延。拉深可以制成筒形、阶梯形、球形及其它复杂形状的薄壁零件。拉深过程如图1-29所示。原始直径为Ｄ的板料，经拉深后变成外径为ｄ的杯形零件。凸模压入过程中，伴随着坯料变形和厚度的变化。拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。其余环形部分坯料经变形成为空心件的侧壁，厚度有所减小。侧壁与底之间