第3章 金属塑性成形工艺
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金属材料的塑性成形
第3章金属材料的塑性成形概述3.1金属塑性成形基础3.2 常用的塑性成形方法3.3 少、无切削的塑性成形方法3.4 常用的塑性成形金属材料概述金属塑性成形是利用金属材料所具有的塑性，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。
塑性成形的产品主要有原材料、毛坯和零件三大类。
金属塑性成形的基本生产方式有：轧制、拉拔、挤压、自由锻、模锻、板料冲压等。
塑性成形的特点及应用：（1）消除缺陷，改善组织，提高力学性能。
（2）材料的利用率高。
（3）较高的生产率。
如利用多工位冷镦工艺加工内角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍。
（4）零件精度较高。
应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。
如精密锻造的伞齿轮可不经切削加工直接使用。
但该方法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。
塑性成形加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到了广泛应用。
例如，飞机上的塑性成形零件约占85%；汽车、拖拉机上的锻件占60%～80%。
3.1 金属塑性成形基础3.1.1 单晶体和多晶体的塑性变形3.1.2 金属的塑性变形3.1.3 塑性成形金属在加热时组织和性能的变化3.1.4 金属的塑性成形工艺基础3.1.1单晶体和多晶体的塑性变形1.单晶体的塑性变形金属塑性变形最常见的方式是滑移。
滑移是晶体在切应力的作用下，一部分沿一定的晶面（亦称滑移面）和晶向（也称滑移方向）相对于另一部分产生滑动。
晶体滑移变形示意图滑移的实质:是通过晶体中的位错线沿滑移面的移动来实现的。
位错运动引起的滑移变形原理图2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形是以单晶体的塑性变形为基础的，但多晶体中的晶粒取向不同、晶界的存在，对塑性变形的阻力增加。
晶粒之间也要相互滑动和转动。
3.1.2 金属的塑性变形1.形变强化（亦称加工硬化）金属塑性变形时产生的强度和硬度增加,塑性和韧性下降的现象，称形变强化（亦称加工硬化）。
材料成型工艺基础金属塑性成形
材料成型工艺基础：金属塑性成形1. 引言金属塑性成形是制造业中常见的一种材料成型工艺。
通过对金属材料施加力量，使其在一定的温度和应变条件下发生塑性变形，从而得到所需形状和尺寸的制品。
这种成形工艺广泛应用于汽车、航空航天、机械制造等领域。
本文将介绍金属塑性成形的基本概念、工艺流程以及常见的金属塑性成形方法。
2. 基本概念2.1 金属塑性成形的定义金属塑性成形是指将金属材料通过施加力量，在一定的温度和应变条件下，使其发生塑性变形，从而得到所需形状和尺寸的工艺过程。
2.2 塑性变形的基本概念塑性变形是指材料在一定的应力作用下，在超过其屈服点之后发生的可逆性变形。
在这种变形中，金属材料的原子结构会发生改变，从而改变了材料的形状和尺寸。
3. 工艺流程金属塑性成形的工艺流程主要包括以下几个步骤：3.1 原材料准备在金属塑性成形工艺中，首先需要准备好所需的金属原材料。
原材料的选择需要满足产品的要求，包括材料的强度、韧性、耐蚀性等。
3.2 材料加热在金属塑性成形之前，通常需要将金属材料进行加热。
加热可以使金属材料达到一定的塑性状态，更容易发生塑性变形。
加热的温度和时间需要根据不同的金属材料和成形要求进行调整。
3.3 成型工艺金属塑性成形的成型工艺包括以下几种常见方法：3.3.1 锻造锻造是一种利用压力将金属材料塑性变形成形的方法。
在锻造过程中，金属材料会经过压缩、拉伸、冷却等多个步骤，最终得到所需的形状。
3.3.2 拉伸拉伸是将金属材料放在拉伸机上，通过施加力量使其发生塑性变形的方法。
通过拉伸可以改变金属材料的形状和尺寸。
3.3.3 深冲深冲是将金属材料放在冲压机上，通过模具对材料进行冲压，使其发生塑性变形的方法。
通过调整模具的形状和尺寸，可以得到不同形状和尺寸的制品。
3.4 后处理在金属塑性成形完成之后，通常需要进行一些后处理工艺。
包括去除表面的氧化物、清洗、退火等。
后处理的目的是提高产品的表面质量和性能。
4. 常见的金属塑性成形方法4.1 冷镦成形冷镦成形是一种将金属材料通过冷镦机进行挤压、拉伸、弯曲等操作，使其发生塑性变形的方法。
金属塑性成形1
DLPU
特种锻造
• 是在专用设备上或在特殊模具内使金属毛 坯成形的一种特殊锻造工艺，这些工艺方 法都是为了成形一般锻造方法很难或无法 得到的锻件，如精密锻造、径向锻造、热 挤压、辊锻、楔横轧和电热顶镦等。
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特种锻造
DLPU
热锻、温锻和冷锻
DLPU
2.2 锻前加热 2.2.1 加热方法
DLPU
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金属塑性成形的分类
锻压（Metal forging and stamping） 1.体积成形(Bulk Metal Forming): 1.1 锻造(Forg) 1.3 拉拔(Drawing) 2. 板料成形(Sheet Metal Forming) 2.1 冲裁(blanking) 2.2 弯曲(Bending) 2.3 拉深(Deep drawing) 2.4 翻边(flanging) 2.5 胀形(Bulging) 轧制（Rolling）
• 凹形坯镦粗 减小鼓肚程度，避免表面出现裂纹。
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软金属垫镦粗
DLPU
易变形软金属的流动对坯料产生了向外的主动摩擦力， 促使坯料端部金属向四周流动，结果使坯料的侧面内凹，继 续镦粗，软金属作用降低，得到鼓肚不大的锻件。
(1) 平砧镦粗
• 在套环内镦粗：低塑性高合金钢。 • 坯料迭起镦粗：薄饼类锻件。 • 反复镦粗拔长：目的是变形均匀。
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(1) 平砧镦粗（应力，应变）
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(1) 平砧镦粗____高径比对镦粗件形状的影响
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高径比 H0/D0 H0/D0 =0.8~2.0 单鼓 H0/D0 =1.5~2.5 双鼓——单鼓 H0/D0 =2.5~3.0 双鼓 H0/D0 〉2.5~3.0 失稳弯曲
特种锻造
• 是在专用设备上或在特殊模具内使金属毛 坯成形的一种特殊锻造工艺，这些工艺方 法都是为了成形一般锻造方法很难或无法 得到的锻件，如精密锻造、径向锻造、热 挤压、辊锻、楔横轧和电热顶镦等。
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特种锻造
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热锻、温锻和冷锻
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2.2 锻前加热 2.2.1 加热方法
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金属塑性成形的分类
锻压（Metal forging and stamping） 1.体积成形(Bulk Metal Forming): 1.1 锻造(Forg) 1.3 拉拔(Drawing) 2. 板料成形(Sheet Metal Forming) 2.1 冲裁(blanking) 2.2 弯曲(Bending) 2.3 拉深(Deep drawing) 2.4 翻边(flanging) 2.5 胀形(Bulging) 轧制（Rolling）
• 凹形坯镦粗 减小鼓肚程度，避免表面出现裂纹。
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软金属垫镦粗
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易变形软金属的流动对坯料产生了向外的主动摩擦力， 促使坯料端部金属向四周流动，结果使坯料的侧面内凹，继 续镦粗，软金属作用降低，得到鼓肚不大的锻件。
(1) 平砧镦粗
• 在套环内镦粗：低塑性高合金钢。 • 坯料迭起镦粗：薄饼类锻件。 • 反复镦粗拔长：目的是变形均匀。
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(1) 平砧镦粗（应力，应变）
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(1) 平砧镦粗____高径比对镦粗件形状的影响
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高径比 H0/D0 H0/D0 =0.8~2.0 单鼓 H0/D0 =1.5~2.5 双鼓——单鼓 H0/D0 =2.5~3.0 双鼓 H0/D0 〉2.5~3.0 失稳弯曲
材料成型基础-金属塑性成型
金属拉伸时的应力—应变曲线（低碳钢）
一、 塑性变形的实质
金属材料是晶体结构，金属受到外力会使金属内部产生应力。 当内应力超过弹性极限，发生伸长或歪扭（应力消失，变形消失）——弹 性变形 当内应力超过屈服极限值，发生滑移（不可逆变形）——塑性变形
金属的变形实际上就是组成金属的晶粒变形，包括晶内变形和 晶间变形。
M
孪生与滑移的区别
• 由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整 个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不 均匀的；
• 孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数 倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离 是滑移方向原子间距的整数倍；
• 孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而 滑移时，滑移面两边晶体位向不变；
正挤
反挤
（3）拉拔：金属坯料被拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。 拉拔是获得金属丝的唯一方法。利用轧制或挤压后的型材为 坯料，可拉制各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型 材。（高精度、小表面粗糙度）
(4) 锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形 A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或
压力而产生塑性变形的加工
刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
2）孪生
孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向） 发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变 形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位 向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部 分称为“形变孪晶”，以区别于由退火过程中产生的 孪晶。与滑移过程相似，孪生也是通过位错运动拉力 实现的，每层镜面与它相邻镜面沿孪生方向移动小于 一个原子间距的距离。
一、 塑性变形的实质
金属材料是晶体结构，金属受到外力会使金属内部产生应力。 当内应力超过弹性极限，发生伸长或歪扭（应力消失，变形消失）——弹 性变形 当内应力超过屈服极限值，发生滑移（不可逆变形）——塑性变形
金属的变形实际上就是组成金属的晶粒变形，包括晶内变形和 晶间变形。
M
孪生与滑移的区别
• 由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整 个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不 均匀的；
• 孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数 倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离 是滑移方向原子间距的整数倍；
• 孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而 滑移时，滑移面两边晶体位向不变；
正挤
反挤
（3）拉拔：金属坯料被拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。 拉拔是获得金属丝的唯一方法。利用轧制或挤压后的型材为 坯料，可拉制各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型 材。（高精度、小表面粗糙度）
(4) 锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形 A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或
压力而产生塑性变形的加工
刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
2）孪生
孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向） 发生均匀切变。孪生变形后，晶体的变形部分与未变 形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位 向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部 分称为“形变孪晶”，以区别于由退火过程中产生的 孪晶。与滑移过程相似，孪生也是通过位错运动拉力 实现的，每层镜面与它相邻镜面沿孪生方向移动小于 一个原子间距的距离。
机械制造基础第三章 塑性成形
一、塑性成形的实质
具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力 达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都 是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构 来说明。 1、单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形有两种方式：滑移变形和双晶变形。 1）滑移变形：晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列 紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图3-2 所示。 晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现 的 。如图3-3所示。 当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，如图34所示，形成可见的变形。
4）生产现场劳动条件较差。
常用塑性成形加工方法有：1 ）自由锻造，2）模型锻造， 3）挤压，4）拉拔，5）轧锻，6）板料冲压。如图3-1所 示。 塑性成形主要用于主轴、曲轴、连杆、齿轮、叶轮、炮 筒、枪管、吊钩、飞机和汽车零件等力学性能要求高的 重要零部件。
第一节 塑性成形理论基础
一、塑性成形的实质 二、冷变形强化与再结晶 三、锻造比与锻造流线 四、塑性成形基本规律 五、金属的锻造性能
第3章
塑性成形
第一节 塑性成形理论基础 第二节 塑性成形方法 第三节 塑性成形工艺设计 第四节 塑性加工方法的结构工艺性 第五节 塑性成形新发展
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塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形， 获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方 法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可 在冷态或热态下进行塑性成形加工。
对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形 来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳 钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。
但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采 用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。 2、回复： 指当温度升高时，金属原子获得热能，使冷变形时处 于高位能的原子回复到正常排列，消除由于变形而产生的 晶格扭曲的过程，可使内应力减少。
第3章金属塑性成形
区域Ⅲ：其变形程度介于区域Ⅰ与区域Ⅱ 之间，称为“小变形区”。因鼓形部分存 在切向拉应力，容易引起表面产生纵向裂 纹。
第3章 金属塑性成形
对不同高径比尺寸的坯料进行镦粗时，产 生鼓形特征和内部变形分布也不同。
镦粗高径比H0/D0=2.5～1.5的坯料时， 开始在坯料的两端先产生双鼓形，形成Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个变形区。其中，区域Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ同前所述，料中部为均匀变形区Ⅳ ， 该区受摩擦影响小，内部变形均匀分布， 侧表面保持圆柱形。如果继续镦粗到 H/D≤1 ，则由双鼓形变为单鼓形。
天津理工大学材料科学与工程学院
第 3 章 金属塑性成形
主讲教师：毕大森
第2章 金属塑性成形加工工艺
金属塑性成形（锻造）
自由锻造 模型锻造 特种锻造 冲压成形
镦粗 拔长 弯曲 冲孔 扩孔 切断
终锻 预锻 拔长 滚挤 弯曲 镦粗
挤压 轧制 拉拔 精密模锻 多向模锻 摆辗成形
冲裁 弯曲 拉深 翻边 胀形 校正
第3章 金属塑性成形
在研究拔长工序时，除了分析影响拔长质 量的因素以外，还应分析影响拔长效率的 有关因素。
1.拔长变形特点 特点：每送进压下一次，只部分金属变形。
第3章 金属塑性成形
拔长的变形程度：是以坯料拔长前后的截 面积之比— 锻造比（简称锻比）KL来表示， 即：
KL=F0/F 式中 F0 —拔长前坯料的截面积
第3章 金属塑性成形
1．锻造对金属组织的影响 （1）消除铸态组织粗大的树枝晶并获得 均匀细化等轴晶
第3章 金属塑性成形
（2）可破碎并改善碳化物及非金属夹杂 物在钢中的分布
对钢锭进行锻造，可将聚集在晶界的碳化 物、非金属夹杂物和其它过剩相组织击碎， 再加上高温扩散和互相溶解作用，使之较 均匀的分散在金属基体内，因而改善了金 属组织，提高了锻件使用性能。
第3章 金属塑性成形
对不同高径比尺寸的坯料进行镦粗时，产 生鼓形特征和内部变形分布也不同。
镦粗高径比H0/D0=2.5～1.5的坯料时， 开始在坯料的两端先产生双鼓形，形成Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个变形区。其中，区域Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ同前所述，料中部为均匀变形区Ⅳ ， 该区受摩擦影响小，内部变形均匀分布， 侧表面保持圆柱形。如果继续镦粗到 H/D≤1 ，则由双鼓形变为单鼓形。
天津理工大学材料科学与工程学院
第 3 章 金属塑性成形
主讲教师：毕大森
第2章 金属塑性成形加工工艺
金属塑性成形（锻造）
自由锻造 模型锻造 特种锻造 冲压成形
镦粗 拔长 弯曲 冲孔 扩孔 切断
终锻 预锻 拔长 滚挤 弯曲 镦粗
挤压 轧制 拉拔 精密模锻 多向模锻 摆辗成形
冲裁 弯曲 拉深 翻边 胀形 校正
第3章 金属塑性成形
在研究拔长工序时，除了分析影响拔长质 量的因素以外，还应分析影响拔长效率的 有关因素。
1.拔长变形特点 特点：每送进压下一次，只部分金属变形。
第3章 金属塑性成形
拔长的变形程度：是以坯料拔长前后的截 面积之比— 锻造比（简称锻比）KL来表示， 即：
KL=F0/F 式中 F0 —拔长前坯料的截面积
第3章 金属塑性成形
1．锻造对金属组织的影响 （1）消除铸态组织粗大的树枝晶并获得 均匀细化等轴晶
第3章 金属塑性成形
（2）可破碎并改善碳化物及非金属夹杂 物在钢中的分布
对钢锭进行锻造，可将聚集在晶界的碳化 物、非金属夹杂物和其它过剩相组织击碎， 再加上高温扩散和互相溶解作用，使之较 均匀的分散在金属基体内，因而改善了金 属组织，提高了锻件使用性能。
金属材料成型_3.6超塑性成型
5）超塑性无模拉拔成形
利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工 的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载 荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化 的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。
TWO
2
超塑性成型工艺特点
1)金属塑性大为提高,过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形 的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。
图3-36 飞机上采用的部分SPF、SPF/DB构件
FOUR
4
超塑性成型重点企业
Luxfer 的集团公司 Superform USA 及其附属公司 Superform Aluminium 是全球最大的铝、镁和钛超塑成型零件供 应商，主要为航空航天、汽车、卡车、铁路、医疗系统和建筑行 业提供零件。Airstair 是一种内置于小型飞机门内的四级楼梯，需 要制造有23 个焊接部件的铝组件。但 Superform USA 使用 PA M - S TA M P 对 该 组 件 进 行 了 整 体 设 计 ， 实 现 了 更 轻 量 、 刚 性 和 低成本的解决方案。
图3-35 径向辅助压力拉深原理示意
4）超塑性挤压成形
将毛坯直接放入模具内一起加热到最佳的超塑性温度，保持恒 温，以恒定的慢速加载、保压，在封闭的模具中进行压缩成形的工 艺。它是利用超塑性合金在变形中的极低变形抗力进行挤压成形， 故所使用的模具简单，寿命高，对变形程度大的零件，可一次成形， 省去了中间退火程序，工序得到简化。它可成形零件和模具。
近年来，我国新机研制及改进机型中，前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和 腹鳍等大尺寸钛合金构件采用SPF/DB技术。针对型号对金属防热结构的 需求，航天材料及工艺研究所开展了钛合金波纹板SPF 技术研究，成功 制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。
塑性成形工艺
3.2.1 塑性变形理论及假设（续）
2 塑性变形前后体积不变的假设 3 变形程度的计算 ▪ 锻造比
➢ 代表变形程度大小。 ➢ 用y表示 ➢ 拔长：截面比Y拔 = F0/F = L/L0 ➢ 镦粗：高度比Y镦= F/ F0= H0/H
坯料拔长时横截面积的变化
3.2.1 塑性变形理论及假设（续）
根据锻造比即可得出坯料的尺寸。例如采 用拔长锻造时，坯料所用的截面F坯料的大小应 保证满足技术要求规定的锻造比Y拔，即坯料截 面积应为：F坯料 = Y拔F锻件
金属工艺学
授课教师：彭辉 penghuihust@
第三篇 塑性成形工艺
金属的塑性成型
知识点:
金属的塑性变形
金属塑性变形的实质
塑性变形与组织、性能
金属的可锻性
组织和性能
组
性
织
能
（
加
工
硬
化
）
加工时的塑性变形
回
再冷
热
复
结变
变
（
晶形
形
温
度
）
可 锻 性 的 概 念
锻 造 比
可影 锻响 性可 的锻 衡性 量的
加工条件的影响(外因)
变形温度的影响
在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能 升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。
若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低， 这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界 氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废， 这一现象称为“过烧”。
本节的重点： 1. 金属塑性成型的原理； 2. 纤维组织的形成及利用； 3. 金属可锻性及其影响因素。
3.2.1 塑性变形理论及假设
金属塑性成形原理及工艺
2
4．锻造
锻造的示意图如图 4 所示。 锻造可以分为自由锻造和模锻。自由锻造一般是在锤锻或者水压机上，利用简单的工具 将金属锭或者块料锤成所需要形状和尺寸的加工方法。 自由锻造不需要专用模具， 因而锻件 的尺寸精度低、生产效率不高。模锻是在模锻锤或者热模锻压力机上利用模具来成形的。金 属的成形受到模具的控制，因而其锻件的外形和尺寸精度高，生产效率高，适用于大批量生 产，模锻又可以分为开式模锻和闭式模锻。
4
变形问题和轴对程问题； （5）屈服准则：屈雷斯加屈服准则、密席斯屈服准则、屈服准则的几何表达、平面问 题和轴对程问题中屈服准则的简化； （6）本构方程：弹性应力应变关系、塑性变形时应力应变关系的特点、塑性变形的增 量理论、塑性变形的全量理论；
六、课程要求
金属塑性加工原理的任务是研究塑性成形中共同的规律性问题， 就是在阐述应力、 应变 理论以及屈服准则等塑性理论的基础上， 研究塑性加工中有关力学问题的各种解法， 分析变 形体内的应力和应变分布，确定变形力和变形功，为选择设备和模具设计提供依据。所以， 要求大家： （1） 掌握金属塑性变形的金属学基础， 具体的说就是金属的结构和金属塑性变形机理。 （2）了解影响金属塑性和塑性成形的主要因素。 （3）掌握塑性变形的力学基础：包括应力分析、应变分析、屈服准则和应力应变关系。 （4）掌握塑性成形力学问题的各种解法以及其在具体工艺中的应用。
图4
5．冲压
冲压又可以分为拉深、弯曲、剪切等等。其示意图见图 5。 拉深等成形工序是在曲柄压力机上或者油压机上用凸模把板料拉进凹模中成形， 用以生 产各种薄壁空心零件。 弯曲是坯料在弯矩的作用下成形，如板料在模具中的弯曲成形、板带材的折弯成形、钢 材的矫直等等。 剪切是指坯料在剪切力作用下进行剪切变形，如板料在模具中的冲孔、落料、切边、板 材和钢材的剪切等等。
第3章 塑性成形
a) 模锻钩
b)切削加工钩
图 3-8 拖钩的纤维流线
第3章 塑性成形
3.1.3 锻造比与锻造流线
锻造流线使金属的力学性能表现为各向异性，锻 件在纵向 (平行于纤维方向 )上的塑性和韧性增加，而 在横向 (垂直于纤维方向)上则下降。 杂质分布的流线化程度与锻造比有关，流线化程 度越高，这种差别越明显。 锻造比： 在锻造中生产中常用锻造比表示变形的程度，通 常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示锻造 比。
第3章 塑性成形
3.1.1 塑性成形的实质
双晶面
a) 变形前
b) 变形后
图3-3 晶体的双晶
双晶一般发生在晶体内滑移系少的金属中，具有六方 晶格的金属产生双晶变形的倾向较大。 增加变形速度会促使双晶的发生。在冲击力的作用下 容易产生双晶。
第3章 塑性成形
3.1.1 塑性成形的实质
2. 多晶体的塑性变形 多晶体 :是由大量的大小、形状、晶格排列位向各 不相同的晶粒所组成。
第3章 塑性成形
3.1.2 冷变形强化与再结晶
在再结晶温度以上的变形叫热变形。 再结晶温度为
其再结晶速度大于变形强化速度则变形产生的强化会随时 因再结晶软化而消除，变形后金属具有再结晶组织，从而消除 T再 =0.4T熔 冷变形强化痕迹。 在热变形过程中金属始终保持低的塑性变形抗力和良好的 塑性，可以加工尺寸较大或形状较复杂的工件，塑性加工生产 多采用热变形来进行。
第3章 塑性成形
3.1.3 锻造比与锻造流线
2
2 1 1
a) 棒料切削成形
b) 扁钢经切削成形 1、2 — 轮齿
c) 棒料镦粗后切削成形 d) 热轧成形
图3-9 不同成形工艺齿轮的流线分布
图3-9a)是用棒料直接切削成形的齿轮，齿根处的切应力平行于流 线方向，强度最差，寿命最短；
材料成型工艺基础金属塑性成形
材料成型工艺基础金 属塑性成形
目录
CONTENTS
• 金属塑性成形概述 • 金属塑性成形工艺 • 金属塑性成形设备 • 金属塑性成形质量控制与检测 • 金属塑性成形发展趋势与挑战 • 金属塑性成形实例分析
01 金属塑性成形概述
定义与特点
定义
金属塑性成形是一种通过施加外力使 金属坯料发生塑性变形，从而获得所 需形状、尺寸和性能的加工方法。
金属塑性成形的基本原理
要点一
金属塑性变形的本质
金属在受到外力作用时，内部原子或 分子的相对位置发生变化，导致宏观 尺度上金属的形状和尺寸发生改变。
要点二
变形机制
金属塑性变形主要通过滑移和孪晶两 种机制进行，滑移是指在切应力作用 下，晶体的一部分相对于另一部分沿 一定的晶面和晶向发生相对移动；孪 晶是指在切应力作用下，晶体的一部 分相对于另一部分发生镜面对称的移 动。
柔性成形技术
利用可重构的模具和柔性工装，实现多品种、小 批量零件的快速成形。
增材制造技术
利用3D打印技术，实现金属零件的快速原型制造 和个性化定制。
提高生产效率与降低成本
自动化与智能化
通过引入机器人和智能化设备，实现金属塑性成形的自动化和智 能化，提高生产效率。
高效成形工艺
研究和发展高效成形工艺，如高速成形、超塑性成形等，以缩短生 产周期和降低成本。
轧机
轧机是一种通过两个旋转方向相反的轧辊对金属进行轧制 成形的设备。
轧机具有生产效率高、产品质量稳定等优点，广泛应用于 金属板材、带材、棒材等加工领域。
04 金属塑性成形质量控制与 检测
成形过程中的质量控制
01
02
03
温度控制
确保成形温度在适宜范围 内，以获得良好的塑性和 成形效果。
目录
CONTENTS
• 金属塑性成形概述 • 金属塑性成形工艺 • 金属塑性成形设备 • 金属塑性成形质量控制与检测 • 金属塑性成形发展趋势与挑战 • 金属塑性成形实例分析
01 金属塑性成形概述
定义与特点
定义
金属塑性成形是一种通过施加外力使 金属坯料发生塑性变形，从而获得所 需形状、尺寸和性能的加工方法。
金属塑性成形的基本原理
要点一
金属塑性变形的本质
金属在受到外力作用时，内部原子或 分子的相对位置发生变化，导致宏观 尺度上金属的形状和尺寸发生改变。
要点二
变形机制
金属塑性变形主要通过滑移和孪晶两 种机制进行，滑移是指在切应力作用 下，晶体的一部分相对于另一部分沿 一定的晶面和晶向发生相对移动；孪 晶是指在切应力作用下，晶体的一部 分相对于另一部分发生镜面对称的移 动。
柔性成形技术
利用可重构的模具和柔性工装，实现多品种、小 批量零件的快速成形。
增材制造技术
利用3D打印技术，实现金属零件的快速原型制造 和个性化定制。
提高生产效率与降低成本
自动化与智能化
通过引入机器人和智能化设备，实现金属塑性成形的自动化和智 能化，提高生产效率。
高效成形工艺
研究和发展高效成形工艺，如高速成形、超塑性成形等，以缩短生 产周期和降低成本。
轧机
轧机是一种通过两个旋转方向相反的轧辊对金属进行轧制 成形的设备。
轧机具有生产效率高、产品质量稳定等优点，广泛应用于 金属板材、带材、棒材等加工领域。
04 金属塑性成形质量控制与 检测
成形过程中的质量控制
01
02
03
温度控制
确保成形温度在适宜范围 内，以获得良好的塑性和 成形效果。
材料成型工艺学3第三篇 金属塑性加工
金属的力学性能的变化：
变形程度增大时, 金属的强度及硬度升高, 而塑 性和韧性下降。
原因：由于滑移面上的碎晶块和附近晶格的强烈 扭曲, 增大了滑移阻力, 使继续滑移难于进行所致。
几个现象：
▲ 加工硬化
（冷变形强化）： 随变形程度增大, 强度和硬度上升而塑性下降的现象。
▲回复：使原子得以回复正常排列, 消除了晶格扭曲, 致使
纤维组织的稳定性很高, 不能用热处理方法加以消 除。只有经过锻压使金属变形, 才能改变其方向和形状。
为了获得具有最好力 学性能的零件, 在设计和 制造零件时, 都应使零件 在工作中产生的最大正应 力方向与纤维方向重合, 最大切应力方向与纤维方 向垂直。并使纤维分布与 零件的轮廓相符合, 尽量 使纤维组织不被切断。
弹复：
金属塑性变形基本规律：
体积不变定律： 金属塑变后的体积与变形前的体积相等。
最小阻力定律： 塑性变形时金属各质点首先向阻力最小的方向移动。
变法 形线 功方 小向
§2 塑性变形对金属的组织和性能的影响
金属在常温下经过塑性变形后， 内部组织变化:
① 晶粒沿最大变形的方向伸长； ② 晶格与晶粒均发生扭曲；产生内应力； ③ 晶粒间产生碎晶。
变形速度↑↑→ 热效应现象↑→ 塑性 ↑ 、变形抗力↓ → 可锻性↑
3. 应力状态的影响
实践证明：
● 三个方向的应力中, 压应力的数目越多, 则金属的塑性 越好
● 拉应力的数目越多, 则金属的塑性越差 ● 同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下的
变形抗力
第二章 锻 造
锻造：利用冲击力或压力使金属在抵铁间或锻模中 变形, 从而获得所需形状和尺寸的锻件, 这类 工艺方法称为锻造。
金属工艺学 第三篇,金属塑性加工
第二节 锻造工艺规程制定 一、锻件图 1 余块、余量、公差 余块－为简化零件结构，便于锻造而增加的一部分金属 余量－零件加工表面上为切削加工而增加的尺寸 锻件公差－锻件名义尺寸的允许变动量 2 分模面：上下锻模在模锻件上的分界面。 选定分模面的原则: （1）应保证锻件能从模膛中取出（一般在最大截面处） （2）应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致以避免错模 （3）应选在能使模膛深度最浅的位置 （4）应使零件上所加的余块最少 （5）分模面最好是一个平面，以防止上下模的错动
图2-11 锻件余量及余块 1—余块 2—锻件余量
分模面选择比较
第三篇，金属塑性加工（3－30）
3、模锻斜度 内壁斜度>外壁斜度 4、模锻园角半径 5、冲孔连皮： 由于模锻无法锻出通孔，需在锻孔 中留出冲孔连皮，再通过冲孔工序 将冲孔连皮切去。
第三篇，金属塑性加工（3－30）
二、坯料重量和尺寸的确定 G坯料=G锻件+G烧损+G料头 坯料的尺寸根据坯料重量和几何形状确 定。还应考虑锻造比
第三篇，金属塑性加工（3－1）
概述 一 定义：利用金属在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形 状、尺寸和力学性能的毛坯和零件的生产方法，称为金属 压力加工，又称金属塑性加工。 1 必要条件：（1）外力（外因） （2）塑性变形能力（内因） 2 成型实质：固态流动成型 3 目的： 获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯和零件 二 特点及应用（相对铸造而言） 1 压力加工的零件机械性能高 2 材料利用率高 3 不易获得形状复杂的锻件
6
3
பைடு நூலகம்
修整
心棒 平锤
修整温度可略低于 800℃
第三篇，金属塑性加工（3－20）
第二节 模锻 一、定义：金属坯料在冲击力或压力的作用下， 在锻模模腔内变形的工艺 二、特点及应用 1，锻件精度高，表面质量好，可做出复杂形状 2，生产率高，劳动强度小，对工人技术要求不高 3，机加工余量小，材料利用率高 4，变形抗力大，设备吨位大 5，生产准备周期长，工艺灵活性差 应用：主要用于中小型锻件的大批量生产（700件以上）
图2-11 锻件余量及余块 1—余块 2—锻件余量
分模面选择比较
第三篇，金属塑性加工（3－30）
3、模锻斜度 内壁斜度>外壁斜度 4、模锻园角半径 5、冲孔连皮： 由于模锻无法锻出通孔，需在锻孔 中留出冲孔连皮，再通过冲孔工序 将冲孔连皮切去。
第三篇，金属塑性加工（3－30）
二、坯料重量和尺寸的确定 G坯料=G锻件+G烧损+G料头 坯料的尺寸根据坯料重量和几何形状确 定。还应考虑锻造比
第三篇，金属塑性加工（3－1）
概述 一 定义：利用金属在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形 状、尺寸和力学性能的毛坯和零件的生产方法，称为金属 压力加工，又称金属塑性加工。 1 必要条件：（1）外力（外因） （2）塑性变形能力（内因） 2 成型实质：固态流动成型 3 目的： 获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯和零件 二 特点及应用（相对铸造而言） 1 压力加工的零件机械性能高 2 材料利用率高 3 不易获得形状复杂的锻件
6
3
பைடு நூலகம்
修整
心棒 平锤
修整温度可略低于 800℃
第三篇，金属塑性加工（3－20）
第二节 模锻 一、定义：金属坯料在冲击力或压力的作用下， 在锻模模腔内变形的工艺 二、特点及应用 1，锻件精度高，表面质量好，可做出复杂形状 2，生产率高，劳动强度小，对工人技术要求不高 3，机加工余量小，材料利用率高 4，变形抗力大，设备吨位大 5，生产准备周期长，工艺灵活性差 应用：主要用于中小型锻件的大批量生产（700件以上）
朱明zhubob“金属工艺学”第3章 金属塑性成形
模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内，在锻压力 的作用下迫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。
1.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，锻件的形状可以比 较复杂；
②锻件内部的锻造流线比较完整，从而提高了零件 的力学性能和使用寿命。
及法人代表。 ((本人教学资料搜索:朱明zhubob(需要资料内容) 学历：本科、MBA， 专业：汽车维修与使用、企业管理、经济管理。 职业资格与职称：高级工程师、高级技师、国家经济师、
高级技能专业教师、高级国家职业资格考评员。 管理科 学研究院特约讲师、 管理顾问有限公司高级讲师。客座 任教：大学、 技师学院、国家职业资格培训与考评及企 业内部职业培训。Q号657555589
3－冲
a）开式 b）闭式 拔长模膛
a）开式 b）闭式 滚压模膛
弯曲模膛
切断模膛
弯曲连杆的模锻过程
4.热模锻压力机上模锻
热模锻压力机的结构与传动原理如下图所示，吨
位一般为200～1200kN；与锤上模锻比，具有下述特点：
图3-1 各种塑性成形方法
先讲讲塑性成形的基本规律
1.体积不变定律—金属塑性变形前后的体积相等， 即体积为常数，也称为“不可压缩定律”；
2.临界切应力定律—晶体滑移的驱动力是外力在 滑移系上的分切应力。只有当滑移系上分切应力(τ ) 达到一定值时，则该滑移系才能开动；
3.最小阻力定律—在变形过程中，如果金属质点 有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力 最小方向移动 。（质点流动阻力最小方向是通过该 质点指向金属变形部分周边的法线方向。）
根据模锻件的复杂程度，可将锻模设计为单膛锻模 和多膛锻模，简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模； 对弯曲连杆可设计为多膛锻模。
1.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，锻件的形状可以比 较复杂；
②锻件内部的锻造流线比较完整，从而提高了零件 的力学性能和使用寿命。
及法人代表。 ((本人教学资料搜索:朱明zhubob(需要资料内容) 学历：本科、MBA， 专业：汽车维修与使用、企业管理、经济管理。 职业资格与职称：高级工程师、高级技师、国家经济师、
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3－冲
a）开式 b）闭式 拔长模膛
a）开式 b）闭式 滚压模膛
弯曲模膛
切断模膛
弯曲连杆的模锻过程
4.热模锻压力机上模锻
热模锻压力机的结构与传动原理如下图所示，吨
位一般为200～1200kN；与锤上模锻比，具有下述特点：
图3-1 各种塑性成形方法
先讲讲塑性成形的基本规律
1.体积不变定律—金属塑性变形前后的体积相等， 即体积为常数，也称为“不可压缩定律”；
2.临界切应力定律—晶体滑移的驱动力是外力在 滑移系上的分切应力。只有当滑移系上分切应力(τ ) 达到一定值时，则该滑移系才能开动；
3.最小阻力定律—在变形过程中，如果金属质点 有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力 最小方向移动 。（质点流动阻力最小方向是通过该 质点指向金属变形部分周边的法线方向。）
根据模锻件的复杂程度，可将锻模设计为单膛锻模 和多膛锻模，简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模； 对弯曲连杆可设计为多膛锻模。
材料工艺基础- 金属塑性成形
材料工艺基础
金属塑性成形
2.1 金属塑性成形 概述
金属塑性成形，也称为压力加工，它是利用一些工具或 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。
材料工艺基础（金属塑性成形）
锻件精度低、加工 余量大、生产率低
48
自由锻视频
水压机自由锻
材料工艺基础（金属塑性成形）
49
对纤维组织的影响
材料工艺基础（金属塑性成形）
50
材料工艺基础（金属塑性成形）
自 由 锻 基 本 工 序
51
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 Kh＝H0/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；
反复镦粗和平拔砧长可镦以粗破、碎垫合环金工镦具粗钢和的局碳部化镦物，粗并使其均匀分布
材料工艺基础（金属塑性成形）
材料工艺基础（金属塑性成形）
9
塑形成形机理及力学分析
2) 断面收缩率
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，则断面收缩率为
K= A0/ A1 3) 体积不变规则
坯料形状的不断变化通常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。
材料工艺基础（金属塑性成形）
3
金属的塑性成形性能
金属塑性成形
2.1 金属塑性成形 概述
金属塑性成形，也称为压力加工，它是利用一些工具或 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。
材料工艺基础（金属塑性成形）
锻件精度低、加工 余量大、生产率低
48
自由锻视频
水压机自由锻
材料工艺基础（金属塑性成形）
49
对纤维组织的影响
材料工艺基础（金属塑性成形）
50
材料工艺基础（金属塑性成形）
自 由 锻 基 本 工 序
51
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 Kh＝H0/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；
反复镦粗和平拔砧长可镦以粗破、碎垫合环金工镦具粗钢和的局碳部化镦物，粗并使其均匀分布
材料工艺基础（金属塑性成形）
材料工艺基础（金属塑性成形）
9
塑形成形机理及力学分析
2) 断面收缩率
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，则断面收缩率为
K= A0/ A1 3) 体积不变规则
坯料形状的不断变化通常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。
材料工艺基础（金属塑性成形）
3
金属的塑性成形性能
金属工艺学—3金属塑性加工
变形速度↑ 变形热效应↑→塑性↑，变形抗力↓，可锻性变好
塑
性、
变形抗力
变
形
抗 力
塑 性
a 变形速度
2021/3/3
变形速度对塑性及变形抗力的影响
28
金属工艺学 ③应力状态：
第三篇 金属塑性加工
（1）三向应力中，压应力数目愈多，则塑性越好；拉应力 数目愈多，则塑性越差。
（2）同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下 引起的变形抗力。
14
金属工艺学
第三篇 金属塑性加工
上次课内容的回顾
铸件壁厚的设计：
（1） 铸件壁厚应均匀、避免厚大截面
（2）铸件壁的连接： 1 ．铸件的结构圆角
2 ．避免锐角连接 3 ．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡 4 ．减缓筋、辐收缩的阻碍
特种铸造
型砂应具备的性能：强度、透气性、耐火性、退让性
常用的压力加工生产方式：
①化学成分：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。
②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。
2）加工条件（外在因素） ①变形温度： T温越高，材料的可锻性越好。
温度↑→原子的运动能力↑→容易滑移→塑性↑→变形抗力↓→可锻 性改善.
过热：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。
（2）机器自由锻：使用液压机（水压机和油压机），依靠产 生的静压力使金属坯料变形。其中，水压机可产生很大作用力， 能锻造质量达300t的锻件，是重型机械厂锻造生产的主要设备。
2021/3/3
31
金属工艺学
第三篇 金属塑性加工
塑
性、
变形抗力
变
形
抗 力
塑 性
a 变形速度
2021/3/3
变形速度对塑性及变形抗力的影响
28
金属工艺学 ③应力状态：
第三篇 金属塑性加工
（1）三向应力中，压应力数目愈多，则塑性越好；拉应力 数目愈多，则塑性越差。
（2）同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下 引起的变形抗力。
14
金属工艺学
第三篇 金属塑性加工
上次课内容的回顾
铸件壁厚的设计：
（1） 铸件壁厚应均匀、避免厚大截面
（2）铸件壁的连接： 1 ．铸件的结构圆角
2 ．避免锐角连接 3 ．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡 4 ．减缓筋、辐收缩的阻碍
特种铸造
型砂应具备的性能：强度、透气性、耐火性、退让性
常用的压力加工生产方式：
①化学成分：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。
②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。
2）加工条件（外在因素） ①变形温度： T温越高，材料的可锻性越好。
温度↑→原子的运动能力↑→容易滑移→塑性↑→变形抗力↓→可锻 性改善.
过热：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。
（2）机器自由锻：使用液压机（水压机和油压机），依靠产 生的静压力使金属坯料变形。其中，水压机可产生很大作用力， 能锻造质量达300t的锻件，是重型机械厂锻造生产的主要设备。
2021/3/3
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金属工艺学
第三篇 金属塑性加工
金属的塑性成形方法(赵)教材
三、金属的变形规律
1. 体积不变定律 2. 最小阻力定律
第二章 锻造
§2-1 锻造方法
一、自由锻造 1 设备
空气锤
65~750Kg
锻锤
蒸汽—空气锤 630Kg~5T
水压机 压力机
油压机
锻锤吨位 = 落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆
压力机吨位= 滑块运动到下始点时所产生的最大压力
二、自由锻基本工序
Z
双边间隙 Z = （5%~10%）t
✓凸凹模间隙对冲裁件质量的影响
当间隙过小时，如图示，外表尺寸略有 增大，内腔尺寸略有缩小（弹性回复）。 光面宽度增加，塌角、毛刺、斜度等都 有所减小，工件质量较高。
当间隙过大时，如图示，断面光面减小， 塌角与斜度增大，形成厚而大的拉长毛 刺，且难以去除，同时冲裁的翘曲现象 严重。外形尺寸缩小，内腔尺寸增大， 模具寿命较高。
1.冷变形及其影响 1）组织变化的特征： ①晶粒沿变形最大方向伸长； ②晶格与晶粒均发生畸变； ③晶粒间产生碎晶。 2）性能变化的特征：
加工硬化： 随着变形程度的增加，其强度和硬度不 断提高，塑性和韧性不断下降。
有利：强化金属材料 不利：进一步的塑性变形带来困难
2. 回复
T回 = （0.25~0.3）T熔
(K)
3. 再结晶
T再 = （0.35~0.4）T熔 (K)
热变形 以上 T再 以下 冷变形
4 . 热变形及其影响 1）不产生加工硬化 2）使组织得到改善，提高了力学性能
① 细化晶粒； ② 压合了铸造缺陷； ③ 组织致密。
3）形成纤维组织 5 . 纤维组织
（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高 （2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高
1. 体积不变定律 2. 最小阻力定律
第二章 锻造
§2-1 锻造方法
一、自由锻造 1 设备
空气锤
65~750Kg
锻锤
蒸汽—空气锤 630Kg~5T
水压机 压力机
油压机
锻锤吨位 = 落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆
压力机吨位= 滑块运动到下始点时所产生的最大压力
二、自由锻基本工序
Z
双边间隙 Z = （5%~10%）t
✓凸凹模间隙对冲裁件质量的影响
当间隙过小时，如图示，外表尺寸略有 增大，内腔尺寸略有缩小（弹性回复）。 光面宽度增加，塌角、毛刺、斜度等都 有所减小，工件质量较高。
当间隙过大时，如图示，断面光面减小， 塌角与斜度增大，形成厚而大的拉长毛 刺，且难以去除，同时冲裁的翘曲现象 严重。外形尺寸缩小，内腔尺寸增大， 模具寿命较高。
1.冷变形及其影响 1）组织变化的特征： ①晶粒沿变形最大方向伸长； ②晶格与晶粒均发生畸变； ③晶粒间产生碎晶。 2）性能变化的特征：
加工硬化： 随着变形程度的增加，其强度和硬度不 断提高，塑性和韧性不断下降。
有利：强化金属材料 不利：进一步的塑性变形带来困难
2. 回复
T回 = （0.25~0.3）T熔
(K)
3. 再结晶
T再 = （0.35~0.4）T熔 (K)
热变形 以上 T再 以下 冷变形
4 . 热变形及其影响 1）不产生加工硬化 2）使组织得到改善，提高了力学性能
① 细化晶粒； ② 压合了铸造缺陷； ③ 组织致密。
3）形成纤维组织 5 . 纤维组织
（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高 （2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高
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4、锻件结构工艺性
工艺要求
合理结构
加强筋和表面凸台等结构是难 以用自由锻造方法获得的，应避免 加强筋和凸台等结构。
它的选择应根据金属材料的种类和锻件尺寸及所需性 能、锻造工序等多方面因素进行选择。
3.2 塑性成形理论基础
4、金属的锻造性能
金属的锻造性能是指金属经受锻造成形的能力，通常用 塑性与变形抗力来评价。金属的塑性越高，变形抗力越低， 则其锻造性能越好，越有利于加工成形。 1）化学成分影响。通常，纯金属的锻造性能比合金好，低碳
挤压
拉拔
自由锻
V形砧 圆形砧
3.2 塑性成形理论基础
4、金属的锻造性能
4）变形温度。变形温度低，金属塑性差，变形抗力大，锻
造性能差。高温变形，动态再结晶可随时消除冷变形强
化效应，使变形抗力减少，有利于塑性变形。
5）变形速率。速率增大，再结晶
不能及时克服加工硬化，塑性
下降，变形抗力上升，可锻性
下降；速率增大，变形能转化
为热能，热效应明显，可锻性
上升。
速率对塑性及变形抗力的影响
3.3 体积成形——锻造工艺
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。
可以分为自由锻造和模型锻造两种类型。 自由锻：利用压力，使金属 在上、下砧铁之间，产生塑性变 形一种加工方法。 模锻：利用锻模，使金属坯 料在模膛内受压产生塑性变形的 加工方法。
钢锻造性能优于高碳钢，碳钢锻造性能优于合金钢，低合 金钢锻造性能优于高合金钢。。 2）金属组织影响。单相固溶体合金比多相合金具有更好的塑 性和锻造性能。第二相的性能、数量、形状、分布等对多 相合金的锻造性能有重要作用。
3.2 塑性成形理论基础
4、金属的锻造性能
3）变形应力状态影响。压应力使金属密实，防止或减少裂 纹产生，阻止或减小晶间变形，提高塑性。应力数目越 多，塑性越好，金属塑性变形越容易；拉应力使金属内 部微孔及微裂纹处产生应力集中，使其扩展，促使晶间 变形，加速晶界破坏，塑性下降。拉应力数目越多，塑 性越差。
2)最小阻力定律 变形过程中，某金属质点有几种流动方向的可能时， 它将沿阻力最小的方向流动。根据这一定律，可指导 工艺设计。
镦粗前
镦粗后
3.2 塑性成形理论基础
1、塑性成形基本规律
3)临界切应力定律
晶体滑移的驱动力是外力在滑 移系上的分切应力
只有当滑移系上分切应力达到 一定值时，该滑移系才能开动 产塑性变形。
3.3 体积成形——自由锻
2、自由锻工序选择
3.3 体积成形——自由锻
2、自由锻工序选择
类别
图例
1 盘类锻件
2 轴类锻件
3 筒类件
4 环类件
5
曲轴类锻 件
6
弯曲类锻 件
变形工序方案
镦粗或局部镦粗 冲孔
①拔长-压肩-墩台阶 ②镦粗-拔长
镦粗 拔长 心轴拔长 镦粗 冲孔 心轴上扩孔 拔长 错移 锻台阶 扭转
模锻
冲压
挤压
轧制拉拔Βιβλιοθήκη 3.1 塑性成形概述2、塑性成形的特点
1）能改善金属的组织，提高金属的力学性能。塑性加工能消 除铸锭内部缩孔和树枝晶等缺陷，产生细小的再结晶，得 到致密的金属组织，从而提高金属的力学性能。
2）可提高材料的利用率。塑性成形时使金属改变形状，使其 体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。
4)塑性变形时伴随有弹性变形的定律
变形金属是由弹性变形和塑性 变形所组成。
当卸载后，弹性变形部分消失 ，总应变量减小
金属拉伸变形曲线
3.2 塑性成形理论基础
2、塑性变形对组织和性能的影响
1）塑性变形可使金属强化（加工硬化），具有加工硬化的 组织在一定温度下将发生恢复和再结晶，使材料软化。
2）热塑性变形可以改善铸态组织——破碎树枝状组织，焊 合内部孔隙，在主伸长变形方向形成金属纤维组织。
3）具有较高的生产率。塑性成形加工一般是利用压力机和模 具进行成形加工的，生产效率高。
4）可获得精度较高的毛坯或零件。塑性加工时，坯料经过塑 性变形可获得较高的精度。
3.2 塑性成形理论基础
1、塑性成形基本规律
1)体积不变原则 金属塑性变形前的体积等于塑性变形后的体积。 弹性恢复和内部空隙消失被忽略
3.3 体积成形——自由锻
1、基本工序
3.3 体积成形——自由锻
1、基本工序
实际生产中最常用的是镦粗、拔长、冲孔3个基本工序。
1）镦粗 使坯料高度减小、横截面积增大的 工序，是最常用工序，适用于盘套类锻件。
2）拔长 使坯料横截面积减小、长度增加的 工序，适用于轴类锻件。
3）冲孔 在坯料上冲出通孔或盲孔的工序。 对圆环类锻件。
5 锻出凸肩
3.3 体积成形——自由锻
4、锻件结构工艺性
工艺要求 圆锥体的锻造需用专门工具， 锻造比较困难，因此锻件上应尽量 避免锥体或斜面结构。
合理结构
圆柱体与圆柱体交接处锻造很 困难，应改为平面与圆柱体交接。
避免椭圆形、工字形或其他非 规则形状截面及非规则外形。
不合理结构
3.3 体积成形——自由锻
①同轴类工序 ②弯曲
实例
法兰、齿轮叶轮、 模块等
传动轴、齿轮轴、 连杆
圆筒、套、空心 轴
圆环、齿圈、法 兰等
各种曲轴、偏心 轴
吊钩、弯接头等
3.3 体积成形——自由锻
3、自由锻工艺规程实例
表3-5 压盖自由锻工艺
序号 工序名称
简图
备注
1
压肩
2 拔长一端
3 局部镦粗
4
冲孔
压肩长度55是根据压盖下部圆筒形的体积计算 确定的 为便于下一步放入漏盘，故拔长至φ120 考虑到冲孔和锻出凸肩时，锻件高度还会缩小， 故镦粗高度为85 为防止冲孔时φ130外径胀大，漏盘不取下
3）塑性变形对固态相变有影响，影响金属的组织和性能。 4）塑性变形通常是不均匀的，它对金属组织和性能的影响
具有双重性。
3.2 塑性成形理论基础
3、锻造比
锻造可以改善铸态金属组织结构和性能，改善的程度取 决于塑性变形度，采用锻造比表示。
镦粗锻造比 Y墩 F / F0
拔长锻造比
Y拔 F0 / F
F0——坯料锻前的横截面积； F0——坯料锻后的横截面积。
制造工艺基础
第三章 金属塑性成形工艺
本章提纲
3.1 塑性成形概述 3.2 塑性成形理论基础 3.3 体积成形工艺 3.4 薄板成形工艺 3.5 先进塑性成形技术
3.1 塑性成形概述
1、定义
利用金属所具有的塑性能力，在外力作用下通过塑性变 形获得具有一定形状、尺寸和性能零件或毛坯的加工方法。
自由锻