刘亚欣—金属工艺学—第3部分—塑性加工

1、金属工艺学,刘亚欣,规格严格、功夫到家,课程体系,讲授金属零件工艺方法的技术基础课。 热加工，是在较高的温度下将金属软化或熔化处理后再冷却至常温的成形技术（再结晶温度） 对金属进行加热和冷却的过程可人为干预或控制，称为热处理。热加工常见的分类有：凝固成形（铸造）、连接技术（焊接）、塑性成形（锻造和冲压）。 热加工成形过程中，模具起着极其重要的作用，从而又衍生出了模具设计和加工技术。 冷加工，通常指金属的切削加工： 即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得一定形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。 车削、铣削、刨削、磨削、镗削、拉削、钻削和插削等加工方法。,欲讲授的

2、知识,1、金属材料基本知识 2、热加工： 铸造 塑性加工：锻、冲、轧等。 焊接 3、冷加工（切削加工）： 切削、机床、常用切削方法 特种加工 典型表面加工 工艺过程及零件结构工艺性分析,第三部分,金属塑性加工,塑性加工,利用外力使金属产生塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法称为金属塑性加工。,塑性加工,塑性加工的种类有：锻造、挤压、板料冲压、轧制、拉拔等,锻造,挤压,板料冲压,轧制,拉拔,本篇内容,金属塑性变形 锻造 冲压 特种塑性加工,（机理、影响、可锻性）,（分类、工艺、结构）,第一章 金属塑性变形,1.1 金属塑性变形的实质,弹性变形 在外力作用下，

3、材料内部产生应力，应力迫使原子离开原来的平衡位置，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，但原子有返回低 位能的倾向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。 塑性变形 内应力超过金属的屈服点后，外力停止作用后，金属的变形并不完全消失。,本质： 原子晶体金属 观点1：晶体内部产生整体滑移,单晶体滑移变形,滑移面 在切向应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面产生相对滑 移，该面称为滑移面。 滑移面两侧晶体刚性整体相对运动，所需外力比实测数据大很多， 观点2：位错运动引起塑性变形 近代物理学证明，晶体内部存在缺陷。原子并不是整体的刚性运动而是以位错 引起金属

4、塑性变形。 位错：沿滑移面旧原子对破坏，新原子对形成，图3-2,1.1 金属塑性变形的实质,多晶体的塑性变形（晶内和晶间变形） 晶内变形：外力作用下，某一晶粒的塑性变形。 晶间变形：晶粒之间的相互位移或转动。 在外力作用下，有的晶粒处于利于塑性变形位置，则首先塑性变形。有 的处于不利于塑性变形的位置，则暂时不变形。晶粒间会移动、转动， 这种利与不利位置在变化，塑性变形不断进行。图3-3,1.1 金属塑性变形的实质,1.2 塑性变形对金属组织和性能影响,金属在常温下经塑性变形后，内部组织将发生变化。 晶粒沿最大变形的方向伸长； 晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力； 晶粒产生碎晶。 组织变化力学性能变

5、化： 现象：强度、硬度上升， 而塑性、韧性下降。 原因： 滑移面附近的晶粒碎晶块， 晶格扭曲畸变， 增大滑移阻力， 使滑移难以进行。,冷作硬化(见图34),回复与再结晶 回复： 冷作硬化是一种不稳定的现象。加热到一定温度后具有自发恢复到稳定状态的倾向。 回复温度：T回(用K氏温标) T回=（0.250.3）T熔 使原子回复到正常排列，消除了晶格扭曲，晶内残余应力消除,1.2 塑性变形对金属组织和性能影响,回复,再结晶, 再结晶： 当加热温度T再： T再=0.4T熔 原子获得更多热能，开始的某些碎晶或杂质为核心构成新晶 粒，因为是通过形核和晶核长大方式进行的，故称再结晶。 作用：再结晶后清除了全

6、部加工硬化。 再结晶后晶格类型不变，只改变晶粒外形。 加工硬化的利用、消除 利用：冷加工后使材料强度硬度。如冷拉钢，不能热处理强化的金属材料。 消除：再结晶退火（P29）650750 塑性加工中加工硬化使继续进行塑性变形困难，应消除,1.2 塑性变形对金属组织和性能影响,所以，很多塑性加工方法在高温下进行，温度超过再结晶温度, 冷变形和热变形 冷变形：在再结晶温度以下的变形； 冷变形后金属强度、硬度较高，低粗糙度值。但变形程度不宜过大，易裂。 热变形：再结晶温度以上变形。 变形具有强化作用，再结晶具有强化消除作用。在热变形时无加工硬化痕迹。 金属塑性加工大多属热变形，具有再结晶组织。 热加工后

7、组织性能变化： 粗大晶粒被击碎成细晶粒组织，改善了机械性能。 铸态组织中的疏松、气孔经热塑变形后被压实或焊合。 晶粒被拉长，非金属杂物被击碎，沿被拉长的晶粒界分布，形成纤维组织（流线）。,1.2 塑性变形对金属组织和性能影响,纤维组织：变形程度越大，纤维组织越明显。 塑性加工中常用锻造比y来表示变形程度。 拔长时锻造比y拔=A/A0 镦粗时锻造比y镦=H0/H 纤维组织很稳定，不能（难以）用热处理方法来消除。只有经过塑性加工来改变其方向、形状。,1.2 塑性变形对金属组织和性能影响,沿着纤维方向塑性、 韧性高,在设计和制造零件时，应使最大正应力的方向与纤维方向重合，最大切应力的方向于纤维方向垂

8、直。尽量使纤维组织不被切断。 举例：,1.2 塑性变形对金属组织和性能影响,切削加工破坏纤维组织，受切应力顺着纤维方向，承载能力较弱,墩粗，纤维不破坏，承载能力较好，,1.2 小结 塑性变形影响,塑性 冷变性强化（冷作硬化）,应力、不稳定、强硬度提高,再结晶,回复,良好塑性,T再=0.4T熔,T回=（0.250.3）T熔,塑性 纤维组织,沿着纤维方向塑性、韧性高,在设计和制造零件时，应使最大正应力的方向与纤维方向重合，最大切应力的方向于纤维方向垂直,1.3 金属的可锻性,可锻性：材料在锻造过程中经受住塑性变形而不开裂的能力。 可锻性的衡量：塑性（断面收缩率，伸长率）；变形抗力。塑性好，变形抗力

9、小则可锻性好。 可锻性取决于：金属本质和加工条件。 一、金属的本质 化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金好；有些元素可使可锻性显著下降（如铬，钨，钒 等）。钢的含碳量越低，可锻性越好， 金属组织的影响 组织不同，可锻性有很大差异： 纯金属、固溶体（如奥氏体）可锻性好； 碳化物可锻性差； 铸态柱状组织和粗晶粒可锻性不如晶粒细小均匀。,二、加工条件 变形温度的影响 温度原子的运动能力容易滑移塑性,变形抗力，可锻性改善. ：超过一定温度，晶粒急剧长大，锻造性能，机械性能。 已过热工件可通过锻造，控制冷却速度，热处理，使晶粒细化。 ：接近材料熔化温度，晶间的低熔点物质开始熔化，且晶界上形成氧化层。金属

10、失去锻造性能，一击便碎，无法挽回。 锻造温度范围： ：碳钢比AE线低200C左右 ：800C过低难于锻造 ，若强行锻造，将导致锻件破裂报废。,1.3 金属的可锻性,过热,过烧,始锻温度,终锻温度,以合金状态图为依据 3-8,二、加工条件 2.应变速度的影响 应变速度 u =d/dt 变形程度 应变速度u,1.3 金属的可锻性,塑性.变形抗力,热能塑性，变形抗力,二、加工条件 3.应力状态影响 三向应力中，压力应力数目愈多，则塑性越好。,1.3 金属的可锻性,第二章 锻 造,锻造：在加压设备及工（模）具作用下，是坯料、铸件产生局部或全部 的塑性变形，获得一定几何尺寸、形状、质量的锻件的加工方法。

11、 分为:自由锻、模锻,2.1 锻造方法,一、自由锻 利用通用工具、或锻造设备上低铁间变形而获得锻件的方法。,自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。,金属沿变形方向可以自由流动，不受限制。 自由锻设备：锻锤；液压机：,1. 自由锻工序 基本工序 镦粗：适于饼块类，盘套类 拔长：适于轴类、杆类 拔长、镦粗经常交替反复使用。 有时一头镦粗，另一头拔长。 （通孔、盲孔）冲孔，常用方法：镦粗冲孔 镦粗冲孔扩孔 弯曲：工件轴线产生一定曲率。 扭转：某一部分相对于另一部分转一定角度。 错移：坯料的一部分相对于另一部分平移 错开的工序，例如曲轴。 切割：分割坯料，或去除锻件余量的工序。 辅助工序：

12、在基本工序之前的预变形工序如压肩、压钳口等。 精整工序： 完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸和形状精度的工序。 锻件分类及基本工序方案（表3-1 锻件分类及所需锻造工序）,2.1 锻造方法, 锻件分类及基本工序方案（表3-1 锻件分类及所需锻造工序） 盘类、轴类、筒类、环类、曲轴、弯曲,2.1 锻造方法,轴类,二、模锻 在压力或冲击力作用下，金属坯料在锻模模膛内变形，而获得锻件工艺方法。 此法生产的锻件尺寸精确、加工余量较小，结构也可较复杂，生产率高。 按使用设备不同分为：锤上、压力机、胎模锻等。,2.1 锻造方法,1) 锤上模锻 锤上模锻所用设备为模锻锤。通常为蒸气-空气锤。 设备投资少；

13、锻件质量好、适应性强、多变性工步； 振动大、噪声大、一工步多次锤击； 难以实现机械化、自动化 吨位：1-10t 可锻150kg以下锻件,1 制坯模膛 对形状复杂的模锻件,为使坯料形状基本接近模锻件形状,使金属能 合理分布和很好地充满模锻模膛，就必须预先在制坯模镗内制坯，因 而设制坯模膛。 i) 拔长模膛 增加某一部分长度。 ii) 滚压模膛 减小某部分横截面积,以增大另一部分横截面积，坯 料长度基本不变。 iii)弯曲模膛 弯曲工件。 iv) 切断模膛 切断金属。此外还有成型模镗，镦粗台，击扁面等 制坯模镗。,2.1 锻造方法,对形状复杂锻件，先在制坯模膛内初步成形，然后在模锻模膛内锻造。,(

14、2) 模锻模膛 i) 预锻模膛 作用：使坯料变形到接近于锻件的形状尺寸，使终锻时，金属容易充满终锻模膛。延长终锻模膛的使用寿命。 批量不大，形状简单时可不设预锻模膛。 ii) 终锻模膛 作用：使坯料最后变形到锻件所要求的形状、尺寸。 尺寸比锻件尺寸放大一个收缩量，钢件约为1.5%。 四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出阻力，促使金属充满模膛，容纳多余的金属。 冲孔连皮：无法加工通孔而留下的一薄层金属。 区别：预锻模膛的圆角、斜度较大，没有飞边槽。 终锻模膛的圆角、斜度较小，有飞边槽。,2.1 锻造方法,2）曲柄压力机上模锻 2000-120 000KN,2.1 锻造方法,2）曲柄压力机上模锻

15、 优点： 无振动、噪声小 变形在一次滑块行程内可完成 加工精度高 锻模镶嵌式，组合模制简单 易更换,2.1 锻造方法,3）摩擦压力机上模锻 3500kN10 000kN 特点： 滑块行程不固定具有锤锻和压力机的双重特性,2.1 锻造方法,4） 胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具（胎模）生产模锻件的工艺方法， 一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成型。 胎膜种类： 扣模 图3-22 筒模 图3-23 合膜 图3-24,2.1 锻造方法,2.2 锻造工艺规程的制订,一、绘制锻件图 以零件图为基础，结合锻造工艺特点绘制而成 敷料、余量及公差 敷料：为简化零件的形状和结构，便于锻造而增加的一

16、部分金属为敷料。 余量：零件表面为切削加工而增加的尺寸称余量。 锻件公差：是锻件名义尺寸的允许变动量。查表而定。 自由锻锻件图：图3-25,2.2 锻造工艺规程的制订,分模面 分模面：上、下模或凸、凹分界面 关系到锻件成型，锻件出模，材料利用率，锻 模加工等一系列问题。 选分模面原则： 1)应保证模锻件能从模腔中取出来。 2)应使上、下两模沿分模面的模腔轮廓一致。 3)分模面应选在能使模腔深度最浅的位置上。 4)使敷料最少。 5)分模面最好是一个平面。图3-26中d-d面最 合理。,模锻斜度 模锻件上平行锤击方向的表面必须有斜度，以便取出锻件。 模锻斜度与模镗深度和宽度有关。内侧斜度比外侧稍大

17、些。图3-27 模锻斜度 模锻圆角半径 所有交角均做成圆角，可以易于充满模膛，避免尖角处产生裂纹，减缓锻件外 尖角处的磨损。 锻件内圆角R，锻件外圆角r见 图3-28 圆角半径。R比r大2-3倍 冲孔连皮厚度 孔径大于25mm,该孔应锻出；孔径为2580时,冲孔连皮厚度取48mm。 孔径小于25mm或孔深大于冲头直径3倍时,只压出凹穴。图3-29,2.2 锻造工艺规程的制订,二、坯料重量和尺寸的确定 坯料重量G坯 G坯 =G锻+G烧损+G料头 式中：G锻锻件重量 G烧损坯料因加热氧化而烧损 G料头在锻造过程中被冲掉或被切掉的金属 锻造比 以钢锭为坯料并采用拔长时, 不小于2.53。轧材为坯料，

18、可取1.31.5。 三、锻造工序（工步）的确定 自由锻、按P111表3-1定 模锻 长轴类模锻件：常用拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻等，小型长轴常采用一根棒料锻几个锻件，模锻件采用周期轧制材料作坯料时可省去拔长滚压等工步。图3-30 ；图3-31 用轧制坯料模锻 短轴类模锻件：常用镦粗、预锻、终锻等。图3-32,2.2 锻造工艺规程的制订,四、锻造工艺规程中的其它内容 始锻温度和终煅温度(P108图3-8 ) 加热规范、冷却规范、高合金钢尤为重要， 以防因热应力引起变形或开裂。,2.2 锻造工艺规程的制订,2.3 锻件结构的工艺性,一、自由锻件的结构工艺性 自由锻件不要有锥体，或斜面结构图3-3

19、3 轴类锻件结构 几何体的交接处不应形成空间曲线图3-34 杆类锻件结构,自由锻件上不应设计出加强筋、凸台、工字形截面或空间曲线形表面。,自由锻件横截面若有急剧变化或形状较复杂时，应设计成有几个简单件构成的组合体，再焊接或机械连接方法连接。,2.3 锻件结构的工艺性,二、模锻件的结构工艺性 模锻件有一合理分模面，使工件容易取出，应使敷料少，锻模容易造。 零件上与其它零件配合时才需要机加工，其他面均应设计成非加工面。 非加工面要注意设计出模锻斜度，模锻圆角。 锻件外形应力求简单、平直、对称，避免直径相差过大或具有薄壁、高 筋、高台、深孔、多孔,2.3 锻件结构的工艺性,本篇内容,金属塑性变形 锻

20、造 冲压 特种塑性加工,第三章 冲 压,第三章 冲压,第三章 冲压,冲压： 使板料分离或成形而获得制件的统称。板料冲压又叫冷冲， 但 810mm时用热冲 特点 ： (1)可冲形状复杂的零件，且废料少。 (2)高精度，低粗糙度，零件互换性好。 (3)重量轻，耗材少，强度刚度较好。 (4)操作简单，生产率高。 常用的材料 ： 低碳钢、铜合金、铝合金 等塑性好的材料。 形状：板料、条料、带料 常用设备 ： 剪床和冲床。,基本工序 ： 1、分离工序 2、变形工序 分离工序：使坯料的一部分与另一部分分离的工序 落料、冲孔、切断和修整等。 一、落料及冲孔（统称冲裁） 落料落下部分为成品。 冲孔落下部分为废

21、品。,3.1 分离工序,落料,冲孔,1、冲裁变形过程 (1)弹性变形阶段 板料产生弹性压 缩、拉伸，弯曲 (2)塑性变形阶段 板料中的应力值达到屈服极限，板料金属产生塑性变形，产生硬化，凹凸模刃口处硬化加剧，出现裂纹。 (3)断裂分离阶段 上下裂缝重合，板料分离。 分离面的质量主要和下列有关：a.间隙有关 b.刃口锋利 c.模具有关 d.材料有关 e. 板厚有关,3.1分离工序,2、凹凸模间隙 间隙过大：裂缝错开，边缘粗糙。卸料力，推件力小。 间隙过小：摩擦严重，磨损严重。卸料力，推件力大 间隙可按下式计算: c=m -板料厚度。 m-系数，薄时看 p129页。 厚大于3mm时适当放大,3.1

22、分离工序,3、凹凸模刃口尺寸的确定 落料以凹模刃口尺寸作为基准，根据间隙的大小确定凸模 尺寸。（凹模尺寸等于零件的尺寸） 冲孔以凸模为基准，有间隙确定凹模的尺寸，即凸模尺寸 同零件尺寸。 考虑磨损： 落料 凹模尺寸靠近零件公差范围内的最小尺寸 冲孔 凸模尺寸靠近零件公差范围内的最大尺寸,3.1分离工序,4、冲裁件的排样：冲裁件在条料上的布置方法。 排样应使废料最少。排料有无搭边和有搭边两种类型。,notice,a、前三图是“有搭边”优点是毛刺小，且在同一平面上，尺寸准确。 b、D图“无搭边”毛刺不在同一平面上。尺寸不易准确。,3.1分离工序,二、修整,修整利用修整模沿外缘或内孔刮削一层金属。机

23、理与切削相似， 与冲裁不同。 精度IT6IT7，粗糙度Ra0.81.6。 修整量 单边修整量一般为板厚的10%，小间隙冲裁件为的8%. 修整量较多时，或板厚3mm，均需要多次修整。 模具间隙单边取0.0010.01 mm. 也可为负间隙。,三、切断 切断是指用剪刃或冲模将板料沿不封闭的轮廓进行分离的工序。,3.1分离工序,一、拉深 1、拉深过程 底部金属一般不变性，只起传 递拉力作用，厚度基本不变，坯 料外径D与内径d之间的环形部分 金属切向受压应力的作用,径向受 超过屈服极限 拉应力，形成拉深 件的直壁，直壁的厚度有所减少。,3.2 变形工序,变形工序:使坯料一部分相对另一部分产生位移而不断

24、裂 拉深、弯曲、翻边、成形,2拉深中的废品 拉深件主要受拉应力，应力超过强度极限时出现废品，最危险处是直壁和园角的过渡处。 拉穿现象与下列现象有关： (1)凸凹模的园角半径有关， 不易过小， 对钢件取r凹=10， r凸=（0.61）r凹。 (2)凹凸模的间隙: 拉深的间隙较大，一般取单边间隙C= (1.11.2)。 间隙过小：摩擦力大，易拉穿工件、擦伤表面模具寿命低。 间隙过大：易使工件起皱。 (3)拉深系数m m=d / D m越小，越易产生废品， 一般取m=0.50.8，塑性好取下限0.5，塑性差取上限0.8 拉深系数过小，应分多次拉深，每一两次中间安排退火，以消除加工硬化，多次拉深时m应

25、渐增，使m=m1m2m3,3.2 变形工序,(4)润滑 可减少摩擦、降低拉应力和减少模具的磨损。 (5)起皱 可用压边解决。,3.2变形工序,多次拉伸圆筒直径变化,3.2变形工序,3.旋压 有些空心的回转体还可用旋转的方法制造，生产率较低，用于中小批量的生产，见p133 图3-49. 不需要复杂冲模； 变形力小 生产效率低,二、弯曲： 将板材、型材或管材在弯矩作用下弯成有一定角度和曲率的制件 弯曲过程中，板料的内侧受压，外侧受拉。静拉应力超过 抗拉强度时，金属破裂，内弯半径r越小 越易破裂。,3.2 变形工序,弯曲时尽量使弯曲线垂直于纤维，以免破裂。,弯曲后要回弹，一般回弹角为 0 10，事先

26、要注意。,3.2 变形工序,三、翻边 翻边在坯料的平面或曲面部分边缘，沿着一定曲线翻起竖立直边的办法 获得凸缘的工序。 凸模园角半径r凸 = （49） 翻孔系数 ko =do/d do翻边前的孔径。 d翻边后的内孔尺寸。 Ko翻边系数,镀锡板Ko不小于0.65,酸洗板Ko不小于0.68 凸缘高度较大时，可先拉深、后冲孔、在翻边。,3.2 变形工序,翻孔,四、成型 成型利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序,3.2 变形工序,冲压工序小结,冲 压 工 序,分 离 工 序,变 形 工 序,落 料 冲 孔 修 整 切 断,拉 深 弯 曲 翻 边 成 型,一、冲压件的形状及尺寸 1、对落料件和冲孔件

27、的要求 (1)落料件的外形和冲孔件的孔形应简单、对称尽量用圆形、 矩形避免长槽或细长悬臂结构。注意排样，提高利用率。,3.3 冲压件的结构工艺性,不合理,合理,不合理,(2)冲裁件的结构尺寸（如孔径、孔距）必须考虑材料的厚度。,3.3 冲压件的结构工艺性,冲孔件尺寸与厚度关系,豁边 尺寸 1.5,方形边长 0.9,圆形直径 ,图形间距 ,距离边缘 ,(3)冲裁件上的直线与直线、曲线与直线的交界处，均 用圆弧连接。最小园角半径如表3-3。,3.3 冲压件的结构工艺性,2、对弯曲件的要求 曲件形状应尽量对称，弯曲半径大于最小允许弯曲半径。 弯曲平直边 H 2，可以先弯好后再切去。 为防止孔变形，孔

28、的位置L1.52,3.3 冲压件的结构工艺性,3、拉深件的要求 外形简单、对称，深度不宜过大。 最小许可半径如图所示，否则增加拉深次数和整形工作。,3.3 冲压件的结构工艺性,二、简化工艺及节省材料的设计 采用冲压焊接结构。 采用冲口工艺。 尽量简化拉深件的结构。,3.3 冲压件的结构工艺性,三、冲压件的厚度 尽量用较薄的钢板，刚度不够时可用加强筋。,3.3 冲压件的结构工艺性,四、冲压件的精度和表面质量 对冲压件的精度要求，不应超过冲压工艺所能达到的一般 精度。 落料不超过IT10，冲孔不超过IT9 弯曲件不超过IT10IT9, 拉深件的高度尺寸IT10IT8 直径尺寸IT10IT9 整形后

29、精度IT7IT6 零件表面质量不能高于原料表面质量（粗糙度） 。,3.3 冲压件的结构工艺性,第四章 特种塑性加工方法,4.1 精密模锻,在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的工艺 措施： 精确计算坯料尺寸 精细清理表面 采用无/少氧化加热减少氧化皮 锻模精度高 冷却锻模和润滑 设备 刚度大、运动精度高 曲柄压力机，摩擦压力机等,与普通锻造的本质区别：精密模锻是指在普通锻造设备上锻造高精度锻件的方法。其主要工艺特点是使用两套不同精度的锻模。先使用普通锻模锻造，留有0.11.2 mm的精锻余量，然后切下飞边并进行酸洗，再使用高精度锻模，直接锻造出满足精度要求的产品零件。在精密模锻过程中，要采用无氧化和少氧化的加热方法。,4.2 零件挤压,使坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用下从模具的孔口和缝隙挤出,4.2 零件挤压分类,按照金属流动方向和凸模运动方向分为 正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压,4.2 零件挤压分类,按照坯料变形温度： 热挤压