第六章金属塑性成形的工艺理论基础

模锻的缺点：
1）模锻是整体成形，摩擦阻力大，故模锻所需设 备吨位大，设备费用高； 2）锻模加工工艺复杂，制造周期长，费用高。故 只适用于中小型锻件的成批或大批生产。
模锻广泛应用于： 国防工业和机械制造业，按质量计算模锻件在飞 机上占85%，坦克占70%，汽车占80%，机车占 60%。
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自由锻主要用于： 单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。
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5. 模锻
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。
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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。
3）锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和切削加 工工时；
4）生产率较高； 5）操作简单，易于实现机械化； 6）生产批量越大成本越低。
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1、冷变形
➢ 变形温度低于再结晶温度时，金属在变形过程中只有加工硬 化而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组 织，这种变形称为冷变形。
特点：产品表面品质好、尺寸精度高、力学性能好，一般不
需再切削加工。
生产中常用它来提高产品的性能。
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2、热变形
➢ 变形温度高于再结晶温度时，变形产生的加工硬化被随即发 生的再结晶所抵消，变形后金属具有细而均匀的再结晶等轴 晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。
➢良好的锻造性是指金属材料既有较高的塑性，又 有较小的变形抗力。
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影响金属锻造性能的因素有： 一、材料性质的影响
1）金属的化学成分： 化学成分不同，塑性不同，锻造性能不同。
纯金属：可锻性比合金好； 碳钢：含碳量越低，可锻性越好； 合金钢：钢中含有形成碳化物的元素(如铬、 钼、钨、钒等)其可锻性显著下降。
可锻性常用衡量:
塑性 变形抗力
综合衡量
➢ 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏其完 整性的能力。
它反映了金属塑性变形的能力。
塑性高，则金属在变形中不易开裂。 第六章金属塑性成形的工艺理论基础
➢ 变形抗力是指金属对变形的抵抗力。 它反映了金属塑性变形难易程度； 变形抗力小，则金属的变形能耗小。
6. 板料冲压
板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加 压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的 加工方法。
板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。
冲压工艺广泛应用于： 汽车、飞机、农业机械、 仪表电器、轻工和日用 品等工业部门。
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板料冲压的特点：
1）在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低的变 形抗力。 2）金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结构轻 巧，强度和刚度较高。 3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需机械 加工即可作零件使用。 4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。 5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。 6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适用于 大批量生产。
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演示
图6-11 方形截面镦粗后的截面形状。
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二、塑性变形前后体积不变的假设
➢体积不变的假设： 金属在受外力作用发生塑性变形时，由于金属材料连续
而致密，其体积变化很小。即 V变形前=V变形后
成形时金属流动模型—— 体积不变的假设假设+最小阻力定律
图6-8
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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，产 生内应力； 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
加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发回复到稳定 状态的倾向，在室温下不易实现。
图6-1 轧制
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2. 挤压成形
挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯料产 生定向塑性变形，并通过模具上的孔型，而获得具有一定 形状和尺寸的零件的加工方法。
图6-3 挤压
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3. 拉拔成形
拉拔是使金属坯料通过一定形状的模孔，使其横截面 减小、长度增加的加工方法，如图6-5所示。产品形状尺寸 精确、表面质量好、机械强度高，常用于拔制金属丝、细管 材和异型材等。
S坯料 = Y拔S锻件
如果坯料是钢坯，可求出其直径D （圆钢 ）或边长 A（方钢），再按标准选取直径或边长，从而计算 出钢坯的长度。
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第四节 影响塑性变形的因素
金属的锻造性能 — 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。
金属的可锻性好 — 适合于采用压力加工成形； 金属的可锻性差 — 不宜于选用压力加工方法成形。
下列合金中，锻造性能最好的是（ ），最差的是（ ）。
a. 高合金钢 b. 铝合金 c. 中碳钢
d. 低碳钢
锻造性
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2）金属的组织状态： 组织结构不同，锻造性能不同：
单一固溶体组成的合金，塑性好，锻造性能好； 碳化物（如渗碳体）的可锻性差 铸态柱状组织和粗晶结构不如晶粒细小均匀的组织可
若加热温度接近熔点，晶界 氧化破坏了晶粒间的结合， 合金失去塑性而报废，这种 现象称为“过烧”
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）
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始锻温度—锻造加热时允许的最高温度。 原则：是在不出现过热和过烧的
前提下，尽量提高始锻温度。
① 使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断； ②使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切
应力与纤维方向垂直。
实例：
① 当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部 的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着 纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图示a)。
② 当采用同样棒料
经局部镦粗方法制造 螺钉时(如图示b)，纤 维不被切断且连贯性 好，纤维方向也较为 有利，故螺钉质量较 好。
➢ 特点： ①可以用较小的功产生较大变形，可加工出形状复杂、尺寸
较大的塑件；
②再结晶组织力学性能较高。 ③金属表面易形成氧化皮，产品尺寸精度和表面品质较差，
劳动条件较差，生产率较低。
➢ 金属压力加工生产多采用热变形来进行。
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三、纤维组织的利用原则
金属压力加工生产采用的最初坯料是铸锭，其内部组织 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。
三、塑性变形程度的计算
在压力加工过程中，常用锻造比(Y锻)来表示变形度。
锻造比的计算公式与变形方式有关。
拔长时的锻造比为: 镦粗时的锻造比为:
Y拔＝S0/S, Y镦＝H0/H.
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➢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S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：
锻性好 ； 金属内部有缺陷也不一样。
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二、加工条件的影响
1．变形温度的影响
若加热温度过高，晶粒急剧 长大，金属力学性能减低， 这种现象称为“过热”
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
第六章金属塑性成形的 工艺理论基础
2020/11/28
第六章金属塑性成形的工艺理论基础
塑性成形工艺：
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。
外力： 冲击力——锤类设备 压力——轧机、压力机
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。
图6-5 拉拔
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4. 自由锻
自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下砥铁之间，施 加冲击力或压力，使之产生自由变形而获得所需形状的成形方 法。
坯料在锻造过程中，除与上下砥铁 或其它辅助工具接触的部分表面外， 都是自由表面，变形不受限制，锻件 的形状和尺寸靠锻工的技术来保证， 所用设备与工具通用性强。
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第六章 金属塑性成形的工艺理论基础 第七章 锻压成形工艺 第八章 板料的冲压成型工艺 第九章 金属的其他成形工艺
第六章金属塑性成形的工艺理论基础
第六章 金属塑性成形的工艺理论基础
第一节 金属塑性成形的基本工艺 第二节 金属的塑性变形 第三节 塑性变形理论及其假设 第四节 影响塑性变形的因素
碳钢的始锻温度为AE线下200℃。
终锻温度—停止锻造的温度。
终锻温度对于锻件质量有很大影响。 太高，停锻后晶粒会重新长大，降低 锻件力学性能； 太低，再结晶困难，加工硬化现象严 重，变形抗力太大，甚至产生锻造裂 纹，也易损坏设备和工具。
2. 变形速度
—指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。
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第一节 金属塑性成形的基本工艺
自由锻
锻压的基本方 式
模锻 板料冲压 轧制
挤压
拉拔
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1.轧制成形
轧制也叫压延，是金属坯料通过一对旋转轧辊之间的间隙而 使坯料受挤压产生横截面减少、长度增加的塑性变形过程。
它是生产型材、板材和管材的主要方法。生产效率高、 产品质量好、成本低、节约金属。
➢ 具有纤维组织的金属， 各个方向上的机械性 能不相同。
平行于纤维方向的机械性能比垂直于纤维方向的好。
金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能 的方向性也就越显著。
➢ 纤维组织的化学稳定性强，其分布状况一般不能通 过热处理消除，只能通过不同方向上的锻压成形才 能改变；
➢ 为充分利用纤维组织的方向性，遵循的原则：
➢ 铸锭加热后经过压力加工，由于金 属经过塑性变形及再结晶：
改变了粗大的铸造组织，获得细化 的再结晶组织。
将铸锭中的气孔、缩松等结合在一起， 使金属更加致密，其机械性能会有很 大提高。
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基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形， 它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维 组织。
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第二节 金属的塑性变形
一、金属塑性变形后的组织和性能
金属受外力作用后，先产生弹性变形，当外力超出其屈服 强度后，开始产生塑性变形； 塑性变形过程中随着弹性变形的存在； 当外力去除后，弹性变形将恢复，该现象称为“恢复”。
金属在常温下经塑性变形后，其内部组织变化如下：
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第三节 塑性变形理论及其假设
金属塑性成形的本质是什么？ 金属塑性的流动 一、最小阻力定律
金属在外力作用发生塑性变形时，如 果金属质点在几个方向上都可移动，那 么金属质点就优先沿着阻力最小的方向 移动，这就叫做最小阻力定律。
圆形、方形、矩形截面上各质点在镦粗时的流动方向图6-10
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回复：当温度升高，原子获得热能其热运动加剧，使原子排列 回复到正常状态，从而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化。
回复时的温度称为回复温度T回 = （0.25~0.3）T熔（K）
再结晶：当温度继续升高到T熔的0.4倍，金属原子获得更多的 热能，开始以碎晶或杂质为核心结晶成为细小而均匀的再结晶 新晶粒，从而消除全部加工硬化。
➢其对可锻性的影响是矛盾的
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；
再结晶时的温度称为再结晶温度T再 = （0.35~0.4）T熔（K）
再结晶退火：为了消除加工生产中加工硬化给金属继续进行塑性 变形带来的困难，生产中以再结晶以上的温度加热已加工硬化的 金属，使其发生再结晶而再次获得良好的塑性的操作工艺。
二、金属塑性变形的类型
金属在不同温度下变形对其组织和性能的影响不同，因 此金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种。