金属塑性成型工艺

第二篇金属的塑性成形工艺金属塑性成形——在外力作用下，金属产生了塑性变形，以此获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件。

此生产方法称金属塑性成形（也称压力加工）外力冲击力——锤类设备压力——轧机、压力机有一定塑性的金属——压力加工（热态、冷态）基本生产方法：1．轧制——钢板、型材、无缝管材（图6-1）（图6-2）2．挤压——低碳钢、非铁金属及其合金（图6-3）（图6-4）3．拉拔——各种细线材，薄壁管、特殊几何形状的型材（图6-5）（图6-6）4．自由锻——坯料在上、下砥铁间受冲击力或压力而变形（图6-7a）5．模锻——坯料在锻模模腔内受冲击力或压力而变形（图6-7b）6．板料冲压——金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法（图6-7c）金属的原材料，大部通过轧制、挤压、拉拔等制成。

第六章金属塑性成形的工艺理论基础压力加工——对金属施加外力→塑性变形金属在外力作用下，使其内部产生应力——发生弹性变形外力>屈服应力塑性变形塑性变形过程中一定有弹性变形存在，外力去除后，弹性变形将恢复→“弹复”现象，它对有些压力加工件的变形和工件质量有很大影响，须采取工艺措施的保证产品质量。

§6-1 塑性变形理论及假设一、最小阻力定律金属塑性成形问题实质，金属塑性流动，影响金属流动的因素十分复杂（定量很困难）。

应用最小阻力定律——定性分析（质点流动方向）最小阻力定律——受外力作用，金属发生塑性变形时，如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就沿着阻力最小的方向移动。

利用此定律，调整某个方向流动阻力，改变金属在某些方向的流动量→成形合理。

最小阻力定律示意图在镦粗中，此定律也称——最小周边法则二、塑性变形前后体积不变的假设弹性变形——考虑体积变化塑性变形——假设体积不变（由于金属材料连续，且致密，体积变化很微小，可忽略）此假设+最小阻力定律——成形时金属流动模型三、变形程度的计算变形程度——用“锻造比”表示拔长时锻造比为： T 拔=Fo/F镦粗时锻造比： Y 镦=Ho/H式中：H 0、F 0——坯料变形前的高度和横截面积H 、F ——坯料变形后的高度和横截面积T 锻=2~2.5 （要求横向力学性能）纵向Y 锻↑由Y 锻可得坯料的尺寸。

如：拔长时，F 坯料=Y 拔•F 锻件 （F 锻件——锻件的最大截面积）L 钢坯=钢坯坯料F V （体积 / 横截面积）§6-2 冷变形及热变形金属的塑性变形 冷变形——在再结晶温度以下的变形热变形——在再结晶温度以上的变形一、冷变形变形过程中无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化现象——故变形过程中变形程度不宜过大，避免产生破裂。

冷变形可获得较高硬度和低粗糙度，可提高产品的表面质量和性能。

如：常温下进行的冷镦、冷挤、冷轧、冷冲压二、热变形变形后，金属具有再结晶组织，而无加工硬化痕迹。

金属只有在热变形情况下，才能以较小的功达到较大的变形，同时能获得具有高力学性能的再结晶组织。

故，金属压力加工多采用热变形来进行。

如：自由锻、热模锻、热轧、热挤压等。

§6-3 纤维组织的利用原则压力加工最原始坯料—铸锭（钢锭）内部组织很不均匀、晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。

加热压力加工后→塑性变形、再结晶→改变粗大铸造组织→获得细化再结晶组织，并使气孔、缩松、压合→致密、力学性能↑铸锭在压力加工产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生变形→沿着变形方向被拉长，呈纤维形状→这种结构叫纤维组织。

它使金属性能上具有方向性，对变形后的质量也有影响。

顺纤维方向的力学性能优于横纤维方向；金属的变形程序越大，纤维组织越明显，力学性能的方向性也越显著。

[注]纤维组织的化学稳定性强，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。

因此，为获得具有最好力学性能的零件，设计、制造时，应充分利用纤维组织方向性。

①使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断。

②使零件所受最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。

切削加工与局部镦粗。

§6-4 影响塑性变形的因素金属的可锻性——衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一个工艺性能。

可锻性好——适合于压力加工成形可锻性差——不宜于选用压力加工可锻性常用金属的塑性变形抗力综合衡量塑性越大、变形抗力越小——可锻性好金属的塑性，用截面收缩率ψ、延伸率δ、冲击韧性αk表示，ψ、δ、αk↑→塑性↑，变形抗力——金属对变形的抵抗力。

变形抗力↓→变形中所消耗的能量↓，金属的可锻性取决于材质和加工条件。

一、材料性质的影响1．化学成分的影响纯金属的可锻性比合金要好；如：纯铁、低碳钢、高合全钢——可锻性依次下降2．金属组织的影响内部的组织结构不同，可锻性差别很大纯金属及固溶体（如奥氏体）的可锻性好；碳化物（如渗碳体）的可锻性差铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。

二、加工条件的影响1．变形温度的影响提高变形时的温度→改善可锻性，并对生产率、产品质量及金属的有效利用均影响大。

但温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷→锻件报废应严格控制锻造温度——始锻温度和终锻温度间的温度范围（以合金状态图为依据）2．变形速度的影响变形速度——单位时间内的变形程度。

其影响是矛盾的一方面，由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象→金属塑性↓抗力↑→可锻性变坏；另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使温度升高（热效应现象），使塑性↑变形抗力↓（图中a点以后）→可锻性好，但热效应现象除高速锤锻造外，一般压力加工的变形过程不明显→故采用较小的变形速度为宜。

3．应力状态的影响三向应力状态图中压应力数量↑→塑性好拉应力数量↑→塑性差第七章锻压成形工艺锻压成形自由锻（无模自由成形）模锻（模膛塑性成形）自由锻——利用冲击力或压力使金属在上、下砥铁间产生塑性变形→所需几何形状及内部质量的锻件。

手工自由锻——小型锻件，生产率低机器自由锻——锤上自由锻——空气锤、蒸汽—空气锤（1500kg锻件）液压机上自由锻——水压机（300吨锻件）生产巨型锻件唯一成形设备自由锻可分为基本工序、辅助工序、精整工序基本工序——使金属坯料产生一定程度的塑性变形，满足形状、尺寸辅助工序——为基本工序操作方便而进行的预先变形工序（如压钳口、压钢锭棱边、切肩等）精整工序——用以减少锻件表面缺陷[注]由于自由锻的生产效率低，对操作工人技艺要求高，劳动强度大，锻件精度差→自由锻日趋衰落，而模锻逐渐取代自由锻国外工业发达国家，自由锻（中、小型）只占20%~40%。

§7-1 模膛锻造成形模锻——在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形，在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。

模锻与自由锻比较有如下优点。

①生产率较高②模锻尺寸精确，加工余量小③可锻出形状比较复杂的锻件④节省金属材料，减少切削加工量⑤操作简单，易于机械化、自动化模锻按使用的设备不同分为：锤上模锻（固定模腔成形）胎模锻压力机上模锻一、胎模锻造成形工艺及应用在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。

两种方法：胎模放在砧座上，将加热后的坯料放入胎模，锻制成形自由锻预锻→胎模终锻成形特点及应用——生产率较高，锻件质量好，节省材料，成本低，不需专用锻造设备，模具简单，易制造，应用——小批量生产（也逐渐淘汰）。

二、固定模膛成形工艺的分类及设备成型设备不同：锤上模镗成形工艺——大批量（蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤）压力机上模镗成形工艺设备：曲柄压力机、摩擦压力机、平锻机、模锻水压机等§7-2 锻模模膛及其功用锤上模锻用的锻模，模膛根据功用的不同，可分为：模锻模膛（终锻模镗、预锻模镗）制坯模膛：拔长模膛（预先制坯）滚压模膛弯曲模膛切断模膛终锻模镗——形状同锻件，尺寸比锻件放大一个收缩量。

预锻模镗——形状、尺寸与锻件接近，无飞边槽，圆角和斜度较大[注] 按变形的模膛数：单膛锻模（如齿轮坯）多膛锻模§7-3 锤上模锻成形工艺设计模锻生产的工艺规程包括：制订锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步（选模膛）、选择设备及安排修整工序等。

最主要是锻件图的制定和模锻工步的确定一、模锻锻件图的制定是设计和制造锻模、计算坯料、检查锻件的依据。

制定时应考虑如下几个问题：1．选择模锻件的分模面2．余量、公差及敷料余量一般为1~4mm；公差一般取在±0.3~3mm3．模锻斜度一般5°~15°α2-α1=2°~5°4．模锻圆面半径R＞r5．留出冲孔连皮d<25mm 孔一般不锻出d>25mm 孔带冲孔连皮连皮厚度s与d有关，d =30~80→s=4~8mm齿轮坯模锻件图粗实线——锻件的形状双点划线——零件的轮廓形状二、模锻工步的确定及模膛种类的选择形状分长轴类锻件盘类锻件模锻工步确定后，再选择制坯模膛和模锻模膛。

[注]：修整工序——①切边和冲孔②热处理———正火、退火③校正——防变形④清理——去氧化皮等三、模锻成形件的结构工艺性便于模锻生产，降低成本原则：①②③④⑤§7-4 压力机上模膛成形由于模锻锤工作时震动、噪音大，劳动条件差，蒸汽效率低，能源消耗多等缺点。

近年来，大吨位模锻锤有逐步被压力机所取代趋势。

压力机有：摩擦压力机、曲柄压力机、平锻机、模锻水压机一、摩擦压力机上模锻工作原理吨位350t~1000t多用于中、小型锻件特点：①②③④——结构简单，造价低，投资少，使用维修方便，基建要求不高、工艺用途广泛。

中、小型工厂均有此类设备二、曲柄压力机模锻传动系统如吨位2000~12000吨特点：①②③④⑤锻件精度高，生产率高，劳动条件好，节省金属等适合于大批大量生产（造价高）三、平锻机上模锻传动图滑块水平运动吨位500kN~31500kN（50～3150吨）φ25mm~φ230mm 棒料特点：①②③④⑤§7-5 模锻件的缺陷1．错模2．欠压3．局部充不满—无法修正4．折纹——无法修正5．凹坑6．残留毛利第八章板料的冲压成形工艺利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法——板料的冲压成形常温下进行的，又叫冷冲压或薄板冲压。

只有当板料厚度>8~10mm时，采用热冲压，板料冲压的特点：（1）可冲出形状复杂的零件，废料较少；（2）产品精度高，表面粗糙度较低，互换性好；（3）能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件；（4）操作简单，工艺过程便于机械化，自动化，生产率很高——成本低故应用广泛，特别在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表及国防等工业，占有极其重要的地位。