第11章 锻压

第十一章 锻
压
第二节 金属的塑性变形
第十一章 锻
一、 金属塑性变形的实质 • • • • • • • • （一）单晶体的塑性变形 塑性变形：在外力作用 下，金属产生的不能恢复 原状的变形。 1.实质 在正应力的作用下，金 属只能产生弹性变形或断 裂。
压
第十一章 锻
在切应力的作用 下，金属首先产生 晶格歪扭即弹性变 形，当切应力足够 大时，晶体的一部 分与另一部分将沿 着某一晶面产生滑 移，外力去除后， 原子不能回到原来 的位置，这样就产
工序
压
基本工序
辅助工序
精整工序
镦粗
拔长
压钳口
整形
弯曲
扭转
压肩
冲孔
切断
第十一章 锻
压
第十一章 锻
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第十一章 锻
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第12章 锻压
第十一章 锻
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第十一章 锻
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二、自由锻工艺规程的制订 • 自由锻工艺规程包括以下内容：
自由锻工艺规程
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• •
b.再结晶
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当温度升高到该金属绝对熔化温度的0.4倍时，加工硬化现象完全消除， 这一过程称为再结晶。 • 再结晶温度：T再 = 0.4 T熔 • 在此温度，原子获得更高的能量，开始以碎晶或某些杂质为核心生长成新 的等轴晶粒，碎晶完全消失，宏观上表现为塑性、韧性上升，强度、硬度下 降，加工硬化现象完全消失。
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• • •
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3.回复与再结晶（消除加工硬化） a.回复
当温度升高到该金属绝对熔化温度的（0.25～0.3）倍时，加 工硬化现象得以部分消除，这一过程称为回复。 • 回复温度：T回 = （0.25～0.3）T熔 • 具有加工硬化的金属加热到这一温度时，原子获得足够的能量， 自动回到原来的平衡位置，晶格歪扭现象消除，内应力减小，加 工硬化部分消除。 • 热处理中称回复为去应力退火。
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压
• 四、 金属的可锻性 • 一、可锻性的概念 • 它表示金属材料在经受压力加工时其变形的难易程
度的一项工艺性能。 • 可锻性好，表明金属材料易塑性变形而成形。 • 它由两个方面来衡量：塑性和变形抗力。即金属的塑 性好，变形抗力也小，则金属的可锻性好。
• 二、影响可锻性的因素
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• • • • • • • •
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• 二、 塑性变形对金属组织和性能的影响 （一）加工硬化现象 1.概念 冷塑性变形的 金属，随变形程 度的增加，其σb、 HB↑，δ、αk↓ 的现象。
变形量→
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2.产生原因 通过金相观察发现，塑性变形会使得金属的 晶格歪扭和滑移面上产生碎晶。晶格歪扭增大了 内应力，使滑移越来越困难；碎晶更是阻碍滑移 的继续进行，宏观上就表现出加工硬化现象。 多数情况下，它是不利的，特别是对毛坯件， 因为它使加工困难。但有时也可用它来提高金属 的强度、硬度。
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保证锻后获得再结晶组织的前提下，适当降低终锻温度有利 于完成各种变形工步。 终锻温度过低，金属塑性降低，易产生裂纹。终锻温度过高， 会引起晶粒长大，降低金属力学性能。锻件终锻温度还与变形程度 有关，变形程度较小时，终锻温度可稍低于规定温度。
（二）锻件冷却及热处理规范
锻件的冷却规范，主要是根据材料的化学成分、组织特点、锻 前状态和锻件尺寸等因素来确定合适的冷却速度或冷却方法。 钢锻造后冷却过程中，产生热应力和组织应力，应力超过金属 强度极限时锻件开裂 低、中碳钢的中、小型锻件: 在干燥地卖弄上空冷；一般合金 钢锻件：放置在填有石灰、砂等绝热材料坑中或箱中坑冷；高碳、 高合金钢及大型铸件：500~700℃加热炉中随炉缓冷
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• 压力加工特点： • 1.变形的同时改变了金属的组织和性能，即变形、变 性。 • 2.生产率高。除自由锻外，其它方法每分钟可生产几 十到几百件。 • 3.节约金属。除加工余量外，其它损耗很少，有的直 接得到零件。 • 4.重量适应性好。可生产小于一克的小件到上百吨的 大件。 • 但：不能生产形状很复杂的锻件和设备投资较大。
工艺性分析
坯料质量 加热规范
绘制锻件图
确定工序 锻后热处理
参数选择
选择设备
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1) 绘制锻件图 锻件图是锻造加工的主要依据，它以零件图为基础，并考虑以下因素绘制而成的。 (1) 锻件敷料 又称余块，是为了简化锻件形状，便于锻造加工而增加的一部分金属。 由于自由锻只能锻造出形状较为简单的锻件，当零件上带有较小的凹槽、台阶、凸肩、法 兰和孔时，可不予锻出，留待机加工处理。 (2) 机械加工余量 是指锻件在 机械加工时被切除的金属。 (3) 锻件公差 是指锻件尺寸所 允许的偏差范围。其数值大小需根 据锻件的形状、尺寸来确定。 图为台阶轴的典型锻件图。通常 在锻件图上用粗实线画出锻件的最终 轮廓，在锻件尺寸线上方标注出锻件 的主要尺寸和公差；用双点画线画出 零件的主要轮廓形状，并在锻件尺寸 线的下面或右面用圆括号标注出零件 尺寸。
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•
• • • • 2.加工条件（外因） a.变形温度T T↑：σb、HB↓，δ↑，可锻性↑。热变形 抗力=（1/10～1/15）冷变形抗力 b.变形速度v v↑：变形抗力↑（回复、再结晶来不及克 服加工硬化），δ↑（热效应使温度升高）， 但总的使可锻性↓。
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c.应力状态 在三个方向的应力中，压应力的数目越多则δ↑。 同号应力的变形抗力>异号应力的变形抗力。 ∴两压一拉是较好的变形应力状态。 拉拔时具这种应力状态,变形时所需的力较小。
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锻造比
• 在锻造生产中，金属的变形程度常用锻造比来表示， 即变形前后的截面积之比、长度比或者高度比等。 • 例如：拔长时的锻造比 Y拔=S0/S • Y-- 锻造比 • S0----拔长前截面积 • S----拔长后截面积 • 当Y>2时，变形金属中开始形成纤维组织。 • 当Y>5时，纤维组织已十分明显。
•
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2.方式 a.滑移：在外力作用下， 晶体一部分与另一部分沿 着一定的晶面产生相对滑动。 这是塑性变形的主要方式。
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• b.孪晶 • 在外力作用下，晶体一部分 相对于另一部分沿着孪晶面发 生转动。 • 当滑移困难时往往先产生孪 晶，使其后滑移易于进行。孪 晶往往在温度低、变形速度快 时产生，其变形量不大。
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锻件中碳及合金元素含量越高，锻件体积越大，形状越复杂， 冷却速度越缓慢，防止造成锻件硬化、变形或裂纹。 检验合格的锻件进行去应力退火、正火或球化退火处理，保证 切削加工性 二、锻造成型形 方法主要有：自由锻、模锻、胎模锻。
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第四节 自由锻
第十一章 锻
一、自由锻概述
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自由锻：利用冲击力或静压力使经过加热的金属在
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• 压力加工---- 利用金属在外力下所产生的塑性变形，来获得
具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯 或零件的生产方法。
压力加工分类 静压力 冲击力
扎制
挤压
拉拔
自由锻
模锻
冲压
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3、锻压的特点
(1)改善金属组织、提高力学性能
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锻压的同时可消除铸造缺陷，均匀成分，形成纤维组织， 从而提高锻件的力学性能。 (2)节约金属材料 比如在热轧钻头、齿轮、齿圈及冷轧丝杠时节省了切 削加工设备和材料的消耗。 (3)较高的生产率 比如在生产六角螺钉时采用模锻成形就比切削加工效率 约高50倍。 （4）锻压主要生产承受重载荷零件的毛坯，如机器中的主轴、 齿轮等，但不能获得形状复杂的毛坯或零件。
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压 力 加 工
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轧制：金属在一对轧辊之间变形来获取各种型材。 挤压：金属通过挤压模模孔而变形来得到各种型材。 拉拔：金属通过拉拔模模孔而变形来得到各种型材。 自由锻：除上下方向外，其它方向金属可自由流 动。 模锻：金属在模膛内成形，它在各个方向的流动均 受到阻碍。 冲压：金属板料在凸凹冲模之间变形来得到各种薄 壁件。
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自由锻设备
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• 自由锻锤 产生冲击力使金属变形的，生产中使用的自由锻 锤是空气锤和蒸汽-空气自由锻锤。 • 自由锻锤的吨位是用落下部分（包括上砧、锤头和工作缸活 塞）质量来表示，空气锤的吨位用一般为50～1000公斤。蒸 汽-空气自由锻锤的吨位，一般为1～5吨。 • 水压机 水压机是以静压力使金属变形的。水压机的吨位用 所能产生的最大压力来表示，一般为5～150MN。 • 水压机靠静压力工作，无振动，变形速度低（水压机上砧 速度约为0.1～0.3m/s；锻锤锤头速度可达7～8m/s)，有利 于改善材料的可锻性，并容易达到较大的锻透深度。常用于 大型锻件的生产，所锻钢锭质量可达300吨。
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第三节 锻造工艺过程
第十一章 锻
一、加热
（一）确定锻造温度范围
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锻造温度范围：始锻温度和终锻温度间的温度范围。
1.始锻温度 开始锻造时坯料的温度。通常比金属材料的熔点低150 ~ 200℃，不发生过热、过烧的前提下，尽可能高始锻温度，有利于 金属的塑性变形。
2.终锻温度 停止锻造时锻件的温度。一般高于金属再结晶温度0~100℃， 保证锻后再结晶完全，锻件内部得到细晶粒组织。 碳素钢终锻温度800℃左右，合金钢800~ 900℃。
•
•
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1.金属本质（内因）
a.化学成分 • C↓：δ↑，可锻性↑，纯铁>钢>生铁 （C>2.11%不能锻造）。 • P、S、Mn↑：δ↓，脆性↑，可锻性↓。 • W、V、Mo↑：变形抗力↑，可锻性↓。 ∵它们都是强化机 体的元素。 • b.组织状态 • 单相固溶体组织：δ↑，∴F、A可锻性好。 • 晶粒细小：δ↑，可锻性好，如晶粒非常细小则可能获得超 塑性。 • 杂质多、组织不均匀：δ↓，可锻性↓。
第十一章 锻
• • 二、纤维组织
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塑性变形特别是热变形使金属内部缺陷，组织更加致密，机 械性能大幅提高，但同时也会出现一种不利组织 — 纤维组织。 • 金属变形过程中，组织中的夹杂会顺着变形流动方向而被拉长， 呈带状分布，形成纤维组织。
变形前
变形后
第十一章 锻
•
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纤维组织使得金属性能呈方向性，也就是各向异性，而且顺着 纤维方向和垂直于纤维方向的性能差异很大，故设计时要特别注意。 • 设计时：正应力应平行于纤维方向，切应力应垂直于纤维方向。 • 不能完全做到时，可尽量使纤维方向与零件轮廓相符。
锻压设备的上、下砧铁之间塑性变形、自由流动，
得到所需的形状、尺寸锻件的工艺方法。
手工锻造
机器锻造
简单，采用通用设备和工具 锻件成形主要靠工人的操作技能
只能生产形状简单的锻件，适用于 单件小批生产。
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优点： 自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具； 可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法。 缺点： 锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证，故尺寸 精度低，加工余量大，金属材料消耗多； 锻件形状比较简单，生产率低，劳动强度大。
第十一章 锻
• •
•
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c.位错
原子通过晶体内的位错缺陷而移动，从而产生塑性变形。 这样产生塑性变形所需的力最小，与实际情况最吻合。
第十一章 锻
• 二、多晶体的塑性变形 • 实际金属都是多晶体，
• • • • • • • • • • 是由很多位相不同的单晶 体（晶粒）组成。变形时， 与受力方向成45°的晶粒 由于受到的切应力最大， 首先变形，位相变硬，而 原先处于硬位相的晶粒会 发生转动而变软，从而使 得变形不断进行，但总的 趋势是使所有晶粒的位相 变硬，变形越来越困难。
第十一章 锻
三、 冷变形与热变形
压
一、冷变形与热变形不是根据变形温度是否高于室温来区分，而是根 据变形温度是否高于再结晶温度来划分。 冷变形：金属再结晶温度以下的变形，变形后金属有加工硬化组织。 热变形：金属再结晶温度以上的变形，变形后金属具有再结晶组织。 ∴应严格按照再结晶温度来划分。锌（Zn）：T再≈0℃，常温下的变 形也为热变形。钨（W）：T再≈1210℃，1000℃时的变形仍为冷变形。
第十一章 锻
4、锻压生产的分类
（1）自由锻造
压
利用冲击力或静压力使经过加热的金属在锻压设备的上、下砧 铁之间塑性变形、自由流动称为自由锻造。
（2）模样锻造
把金属坯料放在锻模模膛内施加压力使其变形的一种锻造 方法。又简称模锻。
（3）板料冲压
将金属板料置于冲模之间，使板料产生分离或变形的加工 方法。通常在常温下进行，也称冷冲压。