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）