机械制造基础 第2章 金属塑性成形技术

通过点缺陷和位错的迁移来消除晶粒的晶格扭曲，降低金属 的内应力。
组织：与冷变形后基本形同；性能：保留高的强度和塑性
2）再结晶
T再 =( 0.35~0.4)T熔 (K) 纯金属
再结晶：加热到较高温度时，原子扩散能力增强，在金属 内部重新排列，形成新的晶粒取代冷变形中已变形的晶粒。
组织：恢复到冷变形前的状态；性能：加工硬化消除
2.辅助工序 为方便基本工序的操作，先对坯料进行少量的变形，如
压肩、压钳口、倒棱等； 3.精整工序
为使锻件尺寸、表面合格，基本工序后应用的工序，如 校正、滚圆、表面平整等。
二、自由锻基本工序
圆饼类基零件本工序 — 完成锻件基本变形和成形的工序。
1. 礅粗： H ，S
轴杆类零件
2. 拔长： L ，S
形变亚晶粒示意图
5%冷变形纯铝中的位错网
（3）产生变形织构 当塑性变形很大时，多数晶粒的晶格位向会趋于一
致，这种现象称为择优取向或称变形织构。
● 产生织构后：性能有方向性，纵优于横，一般不利（如冲 压时的制耳现象）
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
2 力学性能影响
（1）加工硬化
金属随着变形量增多，表现出强度、硬度显著升高，塑性、 韧性下降，这种现象称为加工硬化，亦称形变强化。
3.不利于继续变形—须用再结晶退火消除之。
（2）残余内应力
由于变形不均匀而残留在金属内部的应力。 残余应力的存在会对构件的强度、刚度、稳定性及抗疲劳 等性能产生影响。
二、 温度对冷变形后金属组织和性能的影响
1) 回复 T回 =(0.25~ 0.3)T熔 (K) 加热温度不高时，冷变形金属原子扩散能力不强，只能
1) 定在最大截面处； (如图a则无法出模） 2) 深度最浅易充型； (图中b充型难） 3) 错模现象易检查； (图中c不易查错模） 4) 平面分型易制造。 (图中的d面较合理)
分模面选择的特殊要求 1）对于头部尺寸显著偏大的锻件，选用曲面分模而
不用平面分模，保证上下模膛深度大致相同，利于充型。
（a）不合理
三、热变形组织
组织致密------缩孔缩松被压合 出现锻造流线------纤维组织（热变形使晶粒和分
布在晶界上的非金属夹杂物被拉长，拉上的晶粒经再结 晶变成等轴晶，而夹杂物形状保留下来）
合理利用锻造流线的分布
(零件工作时承受的最大拉应力 的方向与纤维方向平行；切应 力方向与纤维方向垂直；并且 纤维方向尽量与零件的外形轮 廓相符而不被切断)
a）
b）
c）
合理的锻造流线分布
a）模锻制造曲轴 b）局部镦粗法制造螺栓 c)轧制齿形制造齿轮
冷变形、热变形与温变形
热变形 以上 T再 以下 冷变形
冷变形 低于该金属再结晶温度的变形，变形将伴
随出现加工硬化
热变形 高于该金属的再结晶温度的变形，亦称热
变形。热变形过程产生的加工硬化被随后的回复与 再结晶的软化消除，使金属保持高塑性状态。
铸件有铸造缺陷，易产生应力集中； c. 压力加工可产生形变强化和纤维组织。
2、塑性成形的成形性差于铸造 铸造 : 液态成型，易生产形状复杂零件；
专用设备，设备吨位大； 锻压 : 固态成型 塑性变形难
生产零件形状简单
3、塑性成形的适用材料少于铸造件 高塑性合金：纯金属，单相固溶体合金，化合物极
少的合金
延 伸率 % 冲击韧度/J cm -2
HB 强 度极 限/MPa
加工硬化是强化金属的重要途径，加工硬化的本质是位错在
晶界处的塞积。
产生原因： 位错运动、互相交割→塞积、割阶、 固定、缠结等 → 阻碍位错进一步 运动→变形抗力↑
360 320 280 240 200 160 120 80 40
0
700
零件轮廓
锻件尺寸、公差
以粗实线表示锻件形状，双点划线表示零件形状 并将零件尺寸注在锻件相应尺寸线下面的括号内
2. 计算坯料的质量和尺寸 ① 根据锻件图计算体积：
V锻件＝ V1 + V2 + ……
② 根据V件计算锻件质量和坯料质量（M坯）
M锻件 = V锻件× ρ (Kg)
（ ρ— 密度 碳钢 ρ = 7.85g／cm3)
2.1.2 金属变形过程的组织和性能 一、冷变形后金属的组织与性能 1、组织变化
（1）晶粒拉长 当变形量很大，晶粒沿变形方向
拉长呈纤维状，这种组织称为纤维组织。
冷变形前后的晶粒形状示意图
（2） 晶粒细化、位错密度增加
滑移面附近晶格严重扭曲，存在大量残余应力，并出现大量 的碎晶，增大位错的数目和滑移阻力—强度、硬度↑塑形、韧性↓
更接近锻
件形状
锻件形状
例：连杆模锻
弯曲连杆
2.2.3 胎模锻
定义：胎模锻是在自由锻设备上使用活动单膛模具生产
模锻件的工艺方法。 工艺：自由锻预锻→胎膜锻成形
与自由锻比较具有的特点：
（1）操作简便，生产率高，对工人技术要求不高。 （2）锻件形状、尺寸精度高，敷料少、加工余量小。 （3）内部组织致密，纤维组织分布更符合性能要求。
强度极 限 600
220
布氏硬度
500
180 400 160 300
延 伸率 % 冲击韧度
140 200 120 100
0
20 40 60
80
%
变形程度
冷塑性变形对低碳钢力学性能的影响
加工硬化的意义： 1.使压力加工制品截面均匀；
2.提高金属强度、硬度和耐磨性。 ——不能热处理强化的纯金属和某些合金
蒸汽料—变空形气锤 630Kg~5T
水压机(吨位最大，300T)
压力机
油压机
巨型锻件的唯
一成形设备
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
自由锻工序
1.基本工序 使坯料完成主要变形的工序称为基本工序，常用的有镦粗、
拔长、冲孔、扩孔、弯曲、切割、扭转、错移和锻接等；
（b）合理
2）有流线方向要求的锻件，流线方向应与切应力垂
直，避免切断流线组织。
（a）不合理
（b）合理
② 确定加工余量、公差及工艺余块 通常按照锻锤吨位确定，可查手册（同自由锻件）
加工余量： 1公~差4m：m0.3~3mm
比自由锻小得多
工艺余块：成批生产，少加或不加
③ 模锻斜度 一般为 5－15°，
1、绘制锻件图
绘制锻件图时应考虑： 1.敷料，又称：余块，
目的：填平补齐简化工艺 2.加工余量
便于切削留余地 3.锻件公差
留给锻工操作余地 4.设计模锻斜度和圆角 绘图注意事项
①粗实线表示锻件轮廓； ②双点线表示零件； ③尺寸线上下数字表示尺寸：
线上：锻件尺寸和公差 线下：零件尺寸加括号
锻件轮廓
与模锻比较具有的特点：
（1）设备简单。 （2）工艺灵活，可以局部成形。 （3）胎具简单，制造容易。
胎模的种类
常用来非回转体锻 件的成形或制坯
端面凸台或凹坑的回转 体制坯
2.2.4 锻造工艺及结构设计
2.2.4.1 自由锻的锻造工艺
自由锻工艺规程的制定 1. 绘制锻件图 2. 计算坯料的质量和尺寸 3. 确定变形工序 4. 选择设备吨位 5. 确定锻造加热温度、火次和冷却方式 6. 制定（填写）工艺卡
M M M M 坯料 = 锻件+ 氧化 + 切除
M氧化取锻件质量的2%~3%（首次加热），以后每 次加热1.5%~2% ；
M切除取锻件质量的2%~4%
③ 选择坯料体积(V坯 )和长度(Ho)
V坯 = M坯 ／ρ
Ho = V坯／S坯
S坯 —— 选用的坯料截面积 (cm2)
镦粗件坯料长度 1.25 Do ≤ Ho ≤ 2.5 Do
第二章 金属的塑性成形
教学要求：
本章是材料成型的重要工艺，要求掌握： 1. 各种锻压方法的原理、特点及适用范围； 2. 常用锻压方法的选择原则及应用； 3. 常用锻压方法的工艺规程及结构工艺设计 。
2.1 金属塑性成形的工艺基础 2.1.1 金属塑性成形工艺的种类 一、塑性成形的定义：
在外力作用下通过塑性变形生产所需形状和尺寸的 零件或毛坯的工艺方法。
模膛深度与宽度之比（h／b）越大，斜度取越大
④ 模锻圆角半径：
作用：易于充满模腔，便于取模；避免应力集中，提高模 具寿命。
外圆角半径γ取1.5～12mm 内圆角半径 R比γ大2－3倍 模膛深度 h 越大，圆角半径取值越大
⑤ 冲孔连皮厚度 （δ）（详见专业手册）
太厚： 浪费金属、冲孔时锻件易变形。 太薄： 锤击力太大，模具易压塌或加速磨损。
钢中含碳量和Me含量越高，锻件形状越复杂，尺寸越大， 冷却速度要越慢。有空冷、坑冷、炉冷。 ③ 锻后热处理：
6. 制定（填写）工艺卡
2.2.4.2 锤上模锻工艺设计
一、绘制锻件图
① 选择分模面 分模面即上下模锻件上的分界面。
锤头
模膛
上模
飞边槽
分模面parting plane 下模
模垫
分模面选择的基本原则：
2.2 金属塑性变形工艺
2.2.1 自由锻造（Open Die forging）
简称自由锻，是金属沿变形方向可以自由流动的锻造方法
上砥铁
坯料 下砥铁
自由锻特点
1. 工具简单，通用性好 2. 操作灵活适应广泛； 3. 大型锻件唯一方法。
自由利用锻冲击设力备使 与吨位
坯料变形
空气锤 65~750Kg 锻锤 利用压力使坯
二、塑性成形的主要生产方式及应用
应用 （1）力学性能要求较高的零件（重载荷、变载荷、受冲击的零
件），如传动零件------锻造； （2）薄壁零件，如汽车外壳、车门、飞机结构件-----冲压； （3）型材、棒材、板材、线材及各种管材-----轧制、挤压、拉