第二章 金属塑性成形

1、材料工艺基础,第二章 金属塑性成形,材料工艺基础（金属塑性成形）,2,2.1 金属塑性成形 概述,金属塑性成形，也称为压力加工，它是利用工具或模具使金属材料在外力作用下获得一定形状及一定力学性能的工艺。通常分为轧制和锻压两大类（还有冲压、挤压等），前者是各种型材、管材的加工方法，通常在冶金企业中进行；后者是机械制造领域内生产零件或坯料的加工方法。,材料利用率高 力学性能好 尺寸精度高 生产效率高,塑性变形过程,材料工艺基础（金属塑性成形）,3,塑性加工的基本知识,单晶体的塑性变形： 当金属中的应力超过其弹性极限时，金属将产生塑性变形。 单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行，其中滑移是最主要

2、的方式。由切应力作用引起。 滑移实质是在切应力作用下，位错沿滑移面的运动。 多晶体的塑性变形：工程上实际绝大多数是多晶体 也是通过滑移或孪生进行，但晶界处原子排列不规则，多晶体变形复杂。除了各晶粒内部变形外，晶粒之间（晶界）也存在变形，是晶粒变形和晶界变形的总和。,材料工艺基础（金属塑性成形）,4,晶粒内部的塑性变形主要为滑移和孪生两种方式 滑移：金属塑性变形的主要方法。滑移是在切应力作用下，晶粒内的一部分沿原子最密排方向与另一部分发生相对滑动，产生塑性变形的过程。 密排面：面间距最大，面-面之间结合力小，滑移阻力小；密排方向：原子间距小，原子迁移距离和阻力小。 孪生：特点是晶体的一部分沿一定

3、晶面和晶向发生切变，产生孪生变形部分的晶体位向发生了改变，它是以孪晶面为对称面与未变形部分相互对称，这种对称的二部分晶体称为孪晶。,塑性加工的基本知识,材料工艺基础（金属塑性成形）,5,晶界 晶体内各晶粒之间是由一层很薄的晶粒边界相互连接的。晶界是相邻两个位向不同晶粒的过渡层，原子排列没有规律性。 温度低时：晶界的强度一般比晶粒内部高，不易变形。高温时：晶界强度降低，晶界内容易产生相对滑动。在拉应力作用下，在晶粒间产生较大的变形后，晶界可以出现微裂纹，变形量很大时引起开裂。 晶粒极细：晶界在晶粒内所占的体积比例很大，晶界的滑动和转动所产生的变形就很可观，晶界变形可以成为塑性变形的主要方式。,塑

4、性加工的基本知识,材料工艺基础（金属塑性成形）,6,塑性加工的基本知识,多晶体金属塑性变形特点： 变形不均匀 1）各晶粒的变形先后不一；各晶粒位向不同 2）各晶粒的变形量不同； 3）同一晶粒中变形量不同，靠近晶界处变形量大。 各晶粒间变形协调 每个晶粒处于其他晶粒包围中，它的变形必然与其邻近的晶粒相互协调配合。 晶界对形变过程的阻碍作用 常温下，晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒大。,材料工艺基础（金属塑性成形）,7,塑性加工的基本知识,塑性加工特点 1 塑性加工产品的力学性能好 2 精密塑性加工直接达到使用尺寸要求，实现少、无切削加工 3 塑性加工生产率高，易于实现机械化、自动化 4 加工面广（几

5、克-几百吨） 常用塑性加工方法：轧制、自由锻、模锻、冲压、挤压、拉拔等,多晶体金属经过塑性变形后强度、硬度升高，塑性、韧性降低，产生形变强化。铸态形成的各相和夹杂物变形时形成金属流线，呈现纤维组织。,材料工艺基础（金属塑性成形）,8,金属的塑性成形性能,塑性成形性能：常用金属的塑性和变形抗力衡量 金属的塑性 金属或合金在外力作用下，能发生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑形也是金属抵抗断裂能力的一种量度。 塑性好坏用金属在断裂前产生的最大变形程度表示：延伸率，断面收缩率。 （2）变形抗力 变形抗力是指材料在工具及支撑体的外力作用下发生塑性变形时，材料抵抗这种变形所受的应力。 在拉伸试验时可以确

6、定二个变形抗力指标：屈服极限和强度极限,材料工艺基础（金属塑性成形）,9,金属的塑性成形性能,合金的塑形变形 单相固溶体合金的的塑性变形 与纯金属相似，但固溶强化作用提高了塑形变形的阻力。 多相合金的塑形变形 根据第二相粒子的尺寸大小可分二类： 聚合型合金：二相晶粒尺寸同一量级 二个都为塑形相，塑形变形基本发生在较弱的相中； 一个塑形相，另一个为脆性相，取决于第二相的数量，形状，大小和分布。2. 弥散分布型合金 第二相粒子对位错运动的阻碍作用。,材料工艺基础（金属塑性成形）,10,金属的塑性成形性能,塑性变形对金属组织结构的影响 1. 显微组织的变化 金属晶体经塑形变形后，原先的等轴晶逐渐变为

7、沿变形方向被拉长或压扁的晶粒。当变形量大时，各晶粒被拉成纤维状，称为纤维组织。 2. 亚结构细化 塑形变形后，位错密度增加，亚结构细化。形变亚结构的边界堆积大量位错，而亚结构内部晶格相对完整。 3. 产生形变织构 塑形变形量足够大时，会使晶粒发生转动，而使多晶体中原来任意位向的各晶粒取得接近于一致的位向，形成“择优取向”，这种组织称为形变织构。,材料工艺基础（金属塑性成形）,11,金属的塑性成形性能,塑性变形对金属性能的影响 1. 加工硬化 金属经过塑性变形后强度、硬度升高，塑性、韧性降低。 与位错的相互作用有关。 工程意义：1）提高金属强度；2）有利于金属进行均匀变形； 3）保证工件的工作安

8、全性 为了消除这种硬化现象以便继续冷变形加工，需要进行再结晶处理。 2. 对其他性能的影响 塑形变形后，金属的电阻率增加，导热系数稍有下降。 3. 产生残余应力 宏观残余应力，微观残余应力，晶格畸变引起的内应力。去应力退火,材料工艺基础（金属塑性成形）,12,金属的塑性成形性能,取决于金属的本质和变形条件 （1）金属的本质 化学成分：纯金属塑性成形性好于合金 强碳化物合金元素：使钢铁材料的塑性变形抗力增大 相同成分的合金：固溶体的塑性成形性能好于化合物组织 （2）变形条件 变形温度：一定条件下温度增高，塑性变形能力改善；但温度过高，晶粒长大，反而使金属塑性下降，塑性成形性能降低。 变形速度：影

9、响较复杂。,塑性成形性能,材料工艺基础（金属塑性成形）,13,金属的塑性成形性能,应力状态：不同的塑性加工方法，使金属材料在塑性变形时的应力状态不同，对塑性的影响也不同。 在三向应力状态下，压应力的数目越多，其塑性越好； 拉应力的数目越多，其塑性越差。 因为拉应力易使滑移面分离，材料内部缺陷处产生应力集中而破坏，压应力状态则与之相反。 金属的塑性较低时，应尽量在压应力状态下变形； 金属的塑性较高时，在拉应力状态下变形可减少变形能耗。 其它因素：工件表面状态、模具工具结构,材料工艺基础（金属塑性成形）,14,表示宏观变形量大小的指标有应变、锻比（挤压比）、断面收缩率等。 1）工程应变和对数应变

10、在压缩、墩粗、拉拔等工序中，加工的变形量常用与外力平行方向坯料高度的变化率来表示，称为工程应变。 e = H/H 真实应变（对数应变）: 在变形过程中，如原始尺寸l0经过多个中间数值逐渐变到l1，终了的应变程度可以看做是各阶段相对应变的总和，这个总和称为对数应变或真实应变: = ln l1/ l0,塑形成形机理及力学分析,材料工艺基础（金属塑性成形）,15,对数应变具有下列特点： (1) 一般大变形情况下，工程应变不能确切地反映工件真实的变形程度；在小变形情况下，两者相差不多，例如，工程应变为10时，对数应变为0.095。 (2) 对数应变和工程应变的关系: = ln (1+e) (3) 在分

11、次成形时，对数应变能够相加。 例如：毛坯到工件的长度变化为L1L2L3，则 1 + 2= 3 (4）对数应变是可以比较的应变。例如有两个试件，其中试件1长度为L，被拉伸成长度为2L；试件2长度为2L，被压缩成长度为L。用工程应变衡量：e1=1, e2= -0.5；对数应变： 1 =ln2=0.693, 2=ln0.5= -0.693,塑形成形机理及力学分析,材料工艺基础（金属塑性成形）,16,2) 锻比 在挤压和辊锻等工艺中，坯料的变形量还常用加工前后截面积的变化率来表示。设A0为坯料变形前的截面积，A1为变形后的截面积，则锻比为 K= A0/ A1 3) 体积不变规则 坯料形状的不断变化通常

12、用宏观变形量的变化来表示。但为了分析和计算方便，常假定在加工过程中，金属的体积保持不变。 在体积不变的条件下，三个相互垂直方向的真实应变的代数和为零。,塑形成形机理及力学分析,材料工艺基础（金属塑性成形）,17,2.2 轧制,金属坯料（连铸坯和铸锭开坯）在两个回转轧辊之间受压变形而形成各种产品的成形工艺。在轧制过程中，坯料借助它与轧辊的摩擦力得以连续从轧辊之间通过，同时受压变形，坯料截面减小，长度和宽度增加；不同形式的轧辊可以获得相应截面的型材；组织和性能获得一定程度的改善。,材料工艺基础（金属塑性成形）,18,轧制是金属材料成型的重要方法,轧制是金属材料成型的重要方法。轧材是数量最大的金属材

13、料制品，按重量计算，轧材占钢产量90以上；品种达数万种。 按材料种类，分钢材及铜、铝、钛等有色金属合金轧材。 按轧材断面形状尺寸，分为各种规格的板材、带材、线材、管材及异型品种轧材。 板带材是产量最大的轧材，占5060%的生产比例；型材和线材占3035%的生产比例；管材的生产比例约占810%。,材料工艺基础（金属塑性成形）,19,轧制工艺的优点,各种金属材料型材生产 生产效率高，实现标准化生产 产品质量好，品种齐全 材料损耗少，生产成本低，适合大批量生产,通过合理设计不同形状的轧辊，可以轧制出不同截面的产品，如板材、型材和无缝管材等，也可以直接轧制出毛坯或零件,材料工艺基础（金属塑性成形）,2

14、0,轧制形成纤维组织,纤维组织,材料工艺基础（金属塑性成形）,21,平板轧制/成形轧制示意图,材料工艺基础（金属塑性成形）,22,铸锭开坯,材料工艺基础（金属塑性成形）,23,热轧,View of the hot rolling train at the Corus steel mills IJmuiden in the vicinity of Amsterdam.,Side view of a set of work rolls during the reduction of a steel strip.,材料工艺基础（金属塑性成形）,24,热轧薄板,材料工艺基础（金属塑性成形）,25,轧辊

15、,材料工艺基础（金属塑性成形）,26,材料工艺基础（金属塑性成形）,27,冷轧薄板,材料工艺基础（金属塑性成形）,28,先进生产流程：连铸-连轧,材料工艺基础（金属塑性成形）,29,热轧,材料工艺基础（金属塑性成形）,30,棒材/线材热轧,材料工艺基础（金属塑性成形）,31,冷轧,材料工艺基础（金属塑性成形）,32,常见轧制型材示例,材料工艺基础（金属塑性成形）,33,刮板钢用于刮板输送机,槽帮钢用于输送机中部槽,重轨用于铁路,王字钢用于桥梁伸缩缝,凸扁钢用于推土机履带板,低合金角钢用于铁塔,槽钢角钢用于集装箱,钢材用途示例,材料工艺基础（金属塑性成形）,34,作业: 1）比较晶胞为体心立方，

16、面心立方和密排六方的金属塑性变形的难易程度，请给出对应上述三种晶胞的金属各二种。 2）多晶体金属塑性变形的方式有哪二种；高温下变形时晶界与晶内的作用差别，请举例说明。 双号,材料工艺基础（金属塑性成形）,35,2.2.1 平板轧制,摩擦力的作用：依靠回转轧辊与工件间的摩擦力，工件被拖入轧辊间，实现咬入；咬入后，工件逐渐充填辊缝直到充填完全，进入稳定轧制。 改善咬入条件是进行顺利操作、增加压下量、提高生产率的主要措施：生产中常用钢锭楔型端咬入或水平加力推入钢锭方法实现高效率咬入； 提高摩擦系数的方法有两种，它随轧制速度提高而降低，所以，合理调节轧制速度，低速咬入过渡稳定轧制；改变轧辊或工件表面状

17、态，如清理氧化皮防止打滑,材料工艺基础（金属塑性成形）,36,轧辊工作示意图,材料工艺基础（金属塑性成形）,37,平板轧制操作,铸锭或连铸坯在轧制时，改善显微组织,材料工艺基础（金属塑性成形）,38,热轧过程动态再结晶,材料工艺基础（金属塑性成形）,39,板材的轧制缺陷,起鳞、氧化皮、划痕、擦伤、坑、裂纹,材料工艺基础（金属塑性成形）,40,2.2.2 轧机,材料工艺基础（金属塑性成形）,41,2.2.3 型材轧制,不同直径的圆棒、槽钢、工字钢、轨道钢,工字钢的轧制工序示意图,材料工艺基础（金属塑性成形）,42,圆环的轧制,材料工艺基础（金属塑性成形）,43,轧环,材料工艺基础（金属塑性成形）

18、,44,轧环,Starting The Rolling Process Finished Rolling,材料工艺基础（金属塑性成形）,45,轧环机,材料工艺基础（金属塑性成形）,46,轧制焊管,材料工艺基础（金属塑性成形）,47,搓丝轧制,材料工艺基础（金属塑性成形）,48,2.2.4 无缝管的轧制,材料工艺基础（金属塑性成形）,49,轧制动画示意,圆钢轧制,钢板轧制,材料工艺基础（金属塑性成形）,50,轧制工业生产视频,冷轧钢板,冷轧丝杠,斜轧麻花钻,冷轧方钢,材料工艺基础（金属塑性成形）,51,2.3 锻压,锻压成形工艺主要分为自由锻造成形（也称自由锻）和模膛锻造成形（也称模锻）。,按金

19、属变形温度分：热锻，温锻，冷锻 在再结晶温度以上的塑性变形为热锻。在室温以上，再结晶温度以下的塑性变形为温锻，在室温下锻造为冷锻。,热锻的目的： 1）减少金属的变形抗力； 2）改变铸锭的铸态结构； 3）提高金属塑性。,材料工艺基础（金属塑性成形）,52,焊合空洞性缺陷 在热锻作用下，铸锭内部的缩松、缩孔、微裂纹、气孔等空洞性缺陷会缩小到完全焊合。 降低偏析 枝晶偏析和晶间偏析降低或消除 钢锭中粗大网状或片状碳化物破碎，形成细小均匀的碳化物分布。 细化晶粒 晶体组织发生再结晶，变成细小的等轴晶粒。,热锻改善铸锭内部缺陷的作用,材料工艺基础（金属塑性成形）,53,锻造工艺,2.3.1 自由锻,利用

20、锻压设备上、下砧块和一些简单的工具，使坯料在压力作用下产生塑性变形的工艺。分为手工锻造和机器锻造。,坯料在坯砧上面或者工具之间经逐步局部变形而完成成形。由于是工具和坯料部分接触，故所需设备功率比生产同尺寸锻件的模锻设备要小的多适于锻造大件锻件。如：百吨以上大型锻件,材料工艺基础（金属塑性成形）,54,自由锻的特点,空气锤：冲击力，小型工件 蒸汽锤：冲击力，中型工件 电液锤：冲击力，中型工件 水压机：静压力，大型、巨型工件,锻件精度低、加工余量大、生产率低,所用的工具简单、通用性强、灵活性大，适合单件和小批锻件的生产，特别适合特大型锻件的生产，对于新产品的试制、非标准的工装夹具和模具的制造提供了

21、经济便捷的方法,自由锻设备选择,材料工艺基础（金属塑性成形）,55,自由锻视频,水压机自由锻,材料工艺基础（金属塑性成形）,56,对纤维组织的影响,材料工艺基础（金属塑性成形）,57,自由锻基本工序,材料工艺基础（金属塑性成形）,58,镦粗,使坯料高度减小而横截面积增大的成形工序，以坯料镦粗前后高度比表示 KhH0/H，镦粗比。 由横截面积小的毛坯得到横截面积较大而高度较小的饼类锻件； 冲孔前增大横截面积和平整坯料端面； 提高后续拔长工序的锻比； 提高锻件的横向机械性能和减小机械性能的异向性； 反复镦粗和拔长可以破碎合金工具钢的碳化物，并使其均匀分布,平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗,材料工艺基础

22、（金属塑性成形）,59,镦粗,盘类、饼状工件主工序,材料工艺基础（金属塑性成形）,60,拔长,使坯料截面积减小而长度增加的锻造工序以拔长前后的截面积比表示 KL=A0/A，称为锻比。 由横截面积大的毛坯得到横截面积较小而轴向较长的轴类锻件； 改善锻件内部的质量； 反复镦粗和拔长可以破碎合金钢中的碳化物，并使其均匀分布。,杆类、轴类工件的主要工序,材料工艺基础（金属塑性成形）,61,拔长,材料工艺基础（金属塑性成形）,62,扭转,错移,其他工序,材料工艺基础（金属塑性成形）,63,切割,冲孔,其他工序,材料工艺基础（金属塑性成形）,64,自由锻常见缺陷,镦粗操作在侧表面易产生纵向或与纵轴呈45方

23、向的裂纹；高坯料失稳弯曲；坯料上下端保持铸态组织 拔长操作时矩形坯料平砧拔长时易表面出现侧向裂纹和边角裂纹，内部产生纵向角裂纹和横向裂纹，高合金钢生成可能性大 拔长操作时圆形坯料易产生纵向裂纹,材料工艺基础（金属塑性成形）,65,作业: 1）热锻过程可以改善铸锭的哪些缺陷？请举例说明 2）坯料拔长过程中容易产生哪些缺陷？怎样解决缺陷？ 单号,材料工艺基础（金属塑性成形）,66,2.3.2 模锻,材料工艺基础（金属塑性成形）,67,汽车发动机连杆模锻的主要工步,材料工艺基础（金属塑性成形）,68,汽车发动机连杆模锻视频,材料工艺基础（金属塑性成形）,69,与自由锻相比，模锻有如下优点：,生产率较

24、高； 锻件尺寸精确，加工余量小； 可以锻造出形状比较复杂的锻件； 节省金属材料，减少切削加工工作量，在批量足够大的条件下能降低零件成本； 操作简单，易于实现机械化、自动化,模锻的优点,材料工艺基础（金属塑性成形）,70,模锻生产线,材料工艺基础（金属塑性成形）,71,Outline of forging and related operations,材料工艺基础（金属塑性成形）,72,2.4 挤出和拉拔,2.4.1 挤出工艺示意图,材料工艺基础（金属塑性成形）,73,挤出工艺分类,（a）间接挤出；（b）静水压挤出；（c）侧向挤出,材料工艺基础（金属塑性成形）,74,挤压视频,材料工艺基础（金属

25、塑性成形）,75,挤压视频,材料工艺基础（金属塑性成形）,76,热挤出温度,材料工艺基础（金属塑性成形）,77,温挤压,材料工艺基础（金属塑性成形）,78,冷挤压活塞销,材料工艺基础（金属塑性成形）,79,金属超塑性成形,金属只有在特定条件下才显示出超塑性。 主要条件： 1）具有极为细小的等轴晶粒； 2）在一定的变形温度（大约相当于金属熔点温度 的一半以上）； 3）较低的应变速率。 还有一些金属材料，在一定的温度下组织中发生相变，在相变点附近加工出现超塑性现象，称为相变超塑性。,材料工艺基础（金属塑性成形）,80,金属超塑性成形应用,材料工艺基础（金属塑性成形）,81,钛合金超塑性成形,材料工

26、艺基础（金属塑性成形）,82,2.4.2 拉拔工艺,材料工艺基础（金属塑性成形）,83,拉拔成形视频,材料工艺基础（金属塑性成形）,84,2.5 冲压成形,利用冲床（剪床）使板料产生分离或成形的加工方法；当厚度810 mm时，应采用热冲压。 冲压加工特点：零件重量轻、强度高、刚度好、材料消耗少；产品精度高；零件的表面质量高；操作过程简单，便于实现机械化和自动化。 冲压设备：剪床、冲床 分离工序: 1.冲裁（冲孔和落料）2.修整 3.切断 成形工序: 1.拉深 2.弯曲 3.胀形 4.翻边 冲压模具: 1.简单冲模 2.连续冲模 3.复合冲模,材料工艺基础（金属塑性成形）,85,2.5.1 冲裁

27、（冲孔、落料）,1）冲裁变形过程,冲裁时作用力分析,F:模具与板料间摩擦力 F:模具对板料的作用力 M: 力矩 a；力臂,材料工艺基础（金属塑性成形）,86,冲裁：工件受力时从弹、塑性变形开始，以断裂告终。 1）当凸模接触板料，板料受到凸、凹模压力而产生弹性变形，由于力矩的存在，使板料产生弯曲；随着凸模下压，模具刃口压入材料，产生塑性变形，变形集中在刃口附近区域。 2）塑性变形从刃口开始，随着切刃的深入，变形区向板料的深度方向发展、扩大，直到在板料的整个厚度方向上产生塑性变形。力矩将板料压向切刃的侧表面，故切刃相对于板料移动时，在切口表面上形成光亮带。 3）当切刃附近材料各层中达到极限应变与应

28、力值时，便产生微裂，裂纹产生后，沿最大剪应变速度方向发展，直至上、下裂纹会合，板料就完全分离。,冲裁过程,材料工艺基础（金属塑性成形）,87,落料和冲孔的模具,材料工艺基础（金属塑性成形）,88,材料冲裁变形断裂过程,材料工艺基础（金属塑性成形）,89,2）凸模与凹模间隙 凸模与凹模刃口间隙的距离：单面间隙c；双面间隙z c = mt t 坯料厚度，m：与材料性能和厚度有关 间隙对冲裁力的大小及变化有一定影响。 随着间隙 z 的减小，弯矩减小，材料所受拉应力减小，而压应力增大，故材料不易产生撕裂，使冲裁力有所增加，且产生最大冲裁力时，凸模切入材料的深度增加，因而小间隙冲裁所消耗的功比合理间隙时

29、大得多。,材料工艺基础（金属塑性成形）,90,3）凸模与凹模刃口尺寸的确定 设计落料模时，先按落料件确定凹模刃口尺寸，其大小是零件的公称尺寸减去偏差，而凸模的刃口尺寸是凹模尺寸减去双边间隙值；设计冲孔模，先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，其大小是零件的公称尺寸加上偏差，而凹模的刃口尺寸是凸模尺寸加上双边间隙值。 4）冲裁力的计算 平刃冲模的冲裁力 F = kLt L 冲裁周边长度，mm；t 坯料厚度，mm； 材料抗剪强度，MPa；k 系数，一般取1.3。,材料工艺基础（金属塑性成形）,91,冲裁视频,材料工艺基础（金属塑性成形）,92,冲裁模合理间隙值（双边）,材料工艺基础（金属塑性成形）,93,落

30、料和冲孔,材料工艺基础（金属塑性成形）,94,作业: 1）说明金属产生超塑性的条件，举例分析金属超塑性加工成形过程。 2）设计冲孔模和落料模时，如何确定凸模与凹模刃口尺寸。举例说明冲裁厚度0.02 mm铝合金的冲裁模合理间隙值。 双号,材料工艺基础（金属塑性成形）,95,2.5.2 拉深,1）拉深过程 利用模具使平板坯料变形成开口空心零件的成形工序 2）拉深系数 拉深变形程度可用拉深系数（m=d/D0）表示 极限拉深系数：在拉深变形时筒壁不被拉破的最小拉深系数 决定于材料机械性能，相对厚度，模具圆角半径和间隙，拉深速度，润滑等。 多次拉深：了解极限拉深系数后，可根据圆筒零件尺寸和平板毛坯尺寸，

31、确定拉伸工序数量和中间毛坯的尺寸。 中间退火：改变材料组织和机械性能。,材料工艺基础（金属塑性成形）,96,正常拉深,1-凸模 2-压边圈 3-坯料 4-凹模,材料工艺基础（金属塑性成形）,97,多次拉深时圆筒直径的变化,材料工艺基础（金属塑性成形）,98,圆筒拉深时的应力应变状态,材料工艺基础（金属塑性成形）,99,根据应力状态的不同，可将拉深毛坯分为5个区域 1）法兰区：成形区，材料在径向拉应力3和切向压应力2作用下发生塑性变形而进入凹模。厚度方向产生压应力1。 2）筒壁部分：已成形区，承受单向拉应力1 （切向拉应力2 很小），发生少量的伸长和变形。 3）筒底部分：基本不变形，材料承受双向

32、拉应力，厚度稍减薄。 4）凹模圆角部分：属于过渡区。除与法兰区部分相同外，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用产生压应力2 5）凸模圆角部分：属于过渡区。材料除承受径向和切向应力3和2，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用，在厚度方向产生压应力1,材料工艺基础（金属塑性成形）,100,拉深视频,材料工艺基础（金属塑性成形）,101,3）拉深件的成形质量问题： 凸、凹模圆角半径设计过小，易产生拉裂， 凹模圆角半径Rd=（615）t 凸模圆角半径Rp=（0.61）Rd 凸凹模间隙不合理 一般取 c=（1.11.2) t。 拉深系数过小。 模具表面精度和润滑条件差。 当无压边圈或压边力较小时，易产生起皱

33、现象。,材料工艺基础（金属塑性成形）,102,拉深过程影响毛坯起皱的主要因素,1）毛坯的相对厚度 t/D0：相对厚度越小，拉伸变形区抗失稳能力差，越容易起皱。 2）拉深系数 m=d/D0. d：拉深后直径，D0：拉深前直径 毛坯外边缘在拉伸时的切向压塑变形的大小。拉伸系数越小，拉深变形区宽度变大，抗失稳能力变小，越容易起皱。 3）其它因素：凹模的几何形状，板料的机械性能，凹模的的润滑。,防止毛坯起皱： 起皱产生原因：在切向压应力作用下，因为失稳而发生。 通常在拉深模上设置压边圈防止毛坯起皱,材料工艺基础（金属塑性成形）,103,2.5.3 弯曲,弯曲是使坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度

34、的工序。rmin=(0.251)S; 回弹角010；弯曲线应与纤维方向垂直。,材料工艺基础（金属塑性成形）,104,2.5.4 胀形,胀形是利用坯料局部厚度变薄，形成零件的成形工序。主要有平板坯料胀形；管坯胀形；球体胀形等,1：凸模； 2：凹模； 3；坯料； 4；橡胶； 5：外套,材料工艺基础（金属塑性成形）,105,胀型,材料工艺基础（金属塑性成形）,106,2.5.5 翻边,翻边是成形坯料平面或曲面部分上使板料沿一定曲线翻成竖直边缘的冲压方法。翻边系数：K0=d0/d1 酸洗钢K00.680.72；镀锡铁皮K00.650.7,材料工艺基础（金属塑性成形）,107,翻边实例,材料工艺基础（金

35、属塑性成形）,108,冲模示意图,1凸模 2凹模 3上模板 4下模板 5模柄 6压板 7压板 8卸料板 10定位销 11套筒 12导柱,材料工艺基础（金属塑性成形）,109,连续冲模,1落料凸模 2定位销 3落料凹模 4冲孔凸模 5冲孔凹模 6卸料板 7坯料 8成品 9废料,材料工艺基础（金属塑性成形）,110,2.5.6 冲压件的形状与尺寸,（1）对落料和冲孔件的要求 落料件的外形和冲孔件的孔形应力求简单、对称，避免长槽与细长悬臂结构；冲孔的要求，间距和孔径大于11.5板厚t；冲裁件上的线的连接应是圆弧连接；合理排样节省材料 （2）对弯曲件的要求 避免弯曲线与纤维方向平行，且弯曲半径最小弯曲

36、半径；弯曲边的高度H2t；弯曲带孔件时，孔应远离变形区 （3）对拉深件的要求 外形简单、对称（圆形最易、方形其次、复杂曲面较难）；注意圆角半径的大小。,材料工艺基础（金属塑性成形）,111,1. 板料冲压性能指标 从实际应用出发，可以把各种冲压方法按变形区的力学特点分为两类：伸长类变形与压缩类变形 直接试验和间接试验 间接试验方法有拉伸试验、剪切试验等。 1) u与。u均匀延伸率，是在拉伸试验中开始产生局部集中变形（颈缩时）的延伸率。叫做总延伸率，或简称延伸率，它是在拉伸试验中试样破坏时的延伸率。 u 表示板材产生均匀的（或称稳定的）塑性变形的能力，它直接决定板材在伸长类变形中的冲压性能。,2

37、.5.7 板料冲压性能参数,材料工艺基础（金属塑性成形）,112,材料拉伸曲线,材料工艺基础（金属塑性成形）,113,(2) 屈强比s/b ，是材料的屈服极限与强度极限的比值。较小的屈强比几乎对所有的冲压成形都是有利的。小的屈强比，对于压缩类成形工艺是有利的。在拉深时，如果板材的屈服点低，则变形区的切向压应力较小，材料起皱的趋势也小。 (3) 硬化指数n，它表示在塑性变形中材料硬化的强度。n值大的材料，在同样的变形程度下，真实应力增加的要多。n值大时，在伸长类变形过程中可以使变形均匀化，具有扩展变形区，减少毛坯的局部变薄和增大极限变形参数等作用。,材料工艺基础（金属塑性成形）,114,(4)

38、板厚方向性系数r，是板料试样拉伸试验中宽度应变与厚度应变之比 r = w/ t = ln (B/B0)/ ln(/t/t0) 式中B0与B，t0与t，分别是变形前后试样的宽度与厚度。 r 值的大小，表明板材在受单向拉应力作用时，板平面方向和厚度方向上的变形难易程度的比较。也就是表明在相同受力条件下，板厚度方向上的变形性能和平面方向上的差别。 当r l 时，板材厚度方向上的变形比宽度方向上困难。 r 值大的材料在复杂形状的曲面零件拉深成形时，毛坯中间部分在拉应力作用下，厚度方向变形比较困难，即变薄量小；而在板料平面内与拉应力相垂直的方向上的压缩变形比较容易，毛坯中间部分起皱的趋向性降低。,材料工

39、艺基础（金属塑性成形）,115,作业: 1）解释板料n值，r值的物理意义，举例说明它们对板料成形有哪些影响。 单号,材料工艺基础（金属塑性成形）,116,美国材料与试验协会（ASTM）2009年公布的定义：3D打印技术是“一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺”。 快速成型技术：增材制造技术 分为：光聚合技术、材料喷射、粘结剂喷射、材料超充、粉末床融合、片层叠加和定向能量沉积等7类。,2.6 3D打印技术,材料工艺基础（金属塑性成形）,117,3D打印技术分类,材料工艺基础（金属塑性成形）,118,3D打印技术（1）,1. FDM FD

40、M技术是20世纪80年代中后期发明的一种快速成型技术。FDM成型设备采用成卷的塑料丝或金属丝作为材料，工作时将材料供应给挤压喷嘴，喷嘴加热融化材料，并在计算机控制以及电机驱动下，沿着水平和垂直方向移动打印，热塑性材料被从喷嘴中挤出，形成层并迅速硬化成型。 目前，FDM技术可以打印的材料包括ABS、聚碳酸酯、PLA、聚苯矾等。 用于制造概念模型、功能模型，或直接制造零部件。,材料工艺基础（金属塑性成形）,119,3D打印技术（2）,2. 粒状物料成型技术 （1）激光烧结 激光烧结是在粒状层中选择性地融化打印材料，通常采用激光来烧结材料并形成固体。未融化的材料作为生成物件的支撑薄壁，从而减少了对其他支撑材料的需求。 激光烧结技术主要包括2种类型：一种是SLS技术，主要采用金属和聚合物作为打印材料，包括尼龙、刚性玻璃纤维、聚醚铜、聚苯乙烯、尼龙及铝粉等混合材料、尼龙及碳纤维的混合材料等；另一种是直接金属激光烧结技术，已经实现可打印任何金属合金。,材料工艺基础（金属塑性成形）,120,3D打印技术（2）,（2）EBM 电子束熔炼是一种金属部件的积层制造技术，可打印钛合金等材料。 电子束熔炼技术是通过高真空环境下的电子束将融化的金属粉末层层叠