金属材料与热加工基础课件第7章

三、金属的锻造性能
金属的锻造性能是衡量金属材料承受锻压加工能力 的工艺指标。 1.可锻性的衡量指标
（1）塑性： 材料的塑性越好，其可锻性越好。 （2）变形抗力：材料的变形抗力越小，其可锻性越好。
2.影响可锻性的因素 （1）化学成分的影响：Me越低，材料的可锻性越好。 （2）金属组织的影响：纯金属和固溶体具有良好的 可锻性。粗晶粒、柱状晶、网状组织等可锻性↓
a)挤压 b)拉拔 c)自由锻镦粗
第二节 自由锻造的应用
一、自由锻造的实质、特点及应用
自由锻造（自由锻）——利用简单工具，或在锻造设备的上 下砧之间，直接使金属坯料变形获得锻件得工艺方法。
自由锻的特点：
优点：自由锻工艺灵活，适应性强，适用于各种大小锻件的 生产，尤其使大型的锻件，同时生产费用低，准备周期短。
采用双面冲孔：第一次冲孔深表
2
度至锻件底部 50mm 处
非合金工具钢
1100
机械结构用合金钢 1150～1200
合金工具钢 1050～1150
不锈钢
0～1150
高速钢
1100～1150
铜及铜合金 850～900
铝及铝合金
450～480
钛合金
950～970
终锻温度 700 800 770
800～850 800～850 825～850
1.冷变形强化（加工硬化）
冷塑性变形不仅能改变金属材料的形状与尺寸，而且还能使其 组织和性能产生一系列的变化，其主要变化是产生了冷变形强 化。
冷变形强化：金属经过塑性变形后，强度和硬度上升，而塑 性和韧性下降的现象。
1.冷变形强化（加工硬化）
纤维组织：变形后，金属的晶格严重畸变，变形金 属的晶粒被压扁或拉长，呈纤维状,称为纤维组织， 如图7-3所示。
航空航天
武器装备
交通运输
中国动车组列车
全铝汽车
齿轮
曲轴 连杆
1. 产品力学性能好。
2. 可提高材料的利用率。塑性加工 主要靠金属发生塑性变形使其体积 进行重新分配（体积基本不变），
优 不需切除金属。 点 3. 具有较高的生产率。塑性成形加
工一般都是利用压力机和模具进行 生产，容易实现机械化，生产效率 高。 4. 加工范围广（几克~上百吨） ， 可获得精度较高的零件或毛坯。
第一节 锻压加工基础知识
锻压:是锻造和冲压工艺的总称，属于压力加工范畴。
固态金属 外力作用下 工具模具 塑性变形 零件（毛坯）
常见的金属压力加工方法有锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等，如图72所示。
a)自由锻
b)模锻
c)板料冲压
d)挤压
e)轧制
f)拉拔
金属锻压加工在机械制造、汽车、拖拉机、造船、冶金及航空、 航天等工业中应用广泛。常用于制造主轴、连杆、曲轴、齿轮、 容器、汽车外壳、电机硅钢片、武器、弹壳等。以汽车为例按质 量计算，汽车上70％的零件都是由锻压加工制造的。
a)
b)
图7-3 冷轧前后多晶体晶粒的变化
a)冷轧前退火状态组织b)冷轧后纤维组织
低碳钢冷塑性变形时力学性 能的变化规律如图7-4所示。
图7-4 低碳钢的冷变形强化
2.加热对冷变形金属性能的影响
随着回火温度的提高,冷变形金属发生变化为： 回复、再结晶、晶粒长大。
（1）回复 T回=(0.25-0.3)T熔
6.错移
错移是指将坯料的一部分相对另一部分平行错开一段距离 的锻造工序，常用于锻造曲轴类零件。
7.扭转
扭转是将坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定 角度的锻造工序。
图7-17 错移
图7-18扭转
三、自由锻工艺规程的制订
1.绘制锻件图
锻件图是在零件图的基础上考虑工艺余块、机械加工余量、锻
件公差等因素绘制的。
a)
b)
c)
图 7-12 双面冲孔 a)冲一面 b)冲另一面 c)冲孔结束
a)
b)
图7-13 单面冲 a)准备冲孔 b)冲孔结束
二、自由锻的基本工序
4.弯曲
弯曲是采用一定的工装模具将坯料弯成所规定的外形的锻造工 序，常用于锻造角尺、弯板、吊钩等轴线弯曲的零件。
a)
b)
图7-14 锻锤压紧弯曲法
a)用大锤打弯 b)用吊车拉弯
(2)锻造温度范围
1）终锻温度 是坯料经过锻造成形，在停止锻造时锻件的温 度。
2）终锻温度 是坯料经过锻造成形，在停止锻造时锻件的 温度。
(2)锻造温度范围
表7-3 各类金属材料的锻造
Wc X100% 图7-21 非合金纲的锻造温度范围
钢的类别 始锻温度/℃
普通质量非合金钢 1280
优质非合金结构钢 1200
二、自由锻的基本工序
2.拔长
也称延伸，是指使坯料横断面积减小、长度增加的锻造工序， 常用于锻造杆件类与轴类锻件，如轴、拉杆、连杆、曲轴等。
a)
b)
c)
图7-11 拔长
a)在平砧上拔长 b)在芯棒上拔长 c)在V型铁上拔长
二、自由锻的基本工序
3.冲孔
冲孔是利用冲头在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序，常用 于锻造齿轮坯、环套类等空心锻件。对于直径小于25mm的孔一般 不锻出，而是采用钻削的方法进行加工。
a) 锻件余量及余块
b)锻件图
图7-19 自由锻件图
2.计算坯料的质量和尺寸
(1)确定坯料质量
m坯料=m锻件+m烧损+m料头
(2)确定坯料的尺寸
根据坯料质量——求出体积——根据锻造比确定坯料截面 尺寸和长度尺寸等。
3.选择锻造工序
表7-2为自由锻的分类及锻造用工序
类别
图例
锻造用的工序
实例
实 心圆 截 面光 轴及台阶轴
（3）变形温度的影响：T温越高，材料的可锻性越好。 （4）变形速度的影响：V变越小，材料的可锻性越好。
图7-8 变形速度对锻造性能的影响示意图 1-变形抗力曲线 2-塑性变化曲线
（5）应力状态的影响： 三向压应力—塑性最好、变形抗力最大。 三向拉应力—塑性最差。
a)
b)
c)
图7-9 金属变形时的应力状态
850 900～950 650～700
380 800～850
6.冷却方式
中、低碳钢小型锻件:常采用单个或成堆放在地上空冷； 低合金钢锻件及截面宽大的锻件:则需要放入坑中或埋在砂、石灰 或炉渣等填料中缓慢冷却； 高合金钢锻件及大型锻件的冷却速度要缓慢，通常都采用随炉缓 冷。
7.填写工艺卡
锻造工艺卡上需填写工艺规程制定的所有内容：下料方法、工序 安排、火次、加热设备、加热及冷却规范、锻造设备、锻件锻后 处理等,例如：凸肩齿轮自由锻的工艺卡
冷变形金属在加热时组织 和性能的变化示意图
3.冷塑性变形与热塑性变形（冷加工与热加工）
（1）冷塑性变形
在再结晶温度以下进行的变形称为冷变形，也称冷加工。 如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔等，有加工硬 化现象。 金属材料通过冷变形可以获得较高的精度和表面质量。由 于冷变形变形抗力大，需要较大吨位的设备。为了避免冷 变形破裂，冷变形程度不宜过大，变形过程中需要增加中 间退火。
锻件名称：凸肩齿轮 锻件材料：45钢 坯料质量：96kg 锻件质量：87kg 坯料尺寸(mm)： 使用设备：3t蒸汽-空气 自由锻锤
表7-4为凸肩齿轮自由锻的工艺卡
火次 温度
1
操作方法及要求 局部镦粗:将坯料放入,高度为 80mm 的漏盘中，快速局部镦粗，边高度为 84mm
变形过程简图
使用工具
上下平砧，夹 钳，漏盘
拔长（或镦粗及拔长）、 主轴、传 压肩、镦台阶、滚圆 动轴等
实 心方 截 面光 杆及台阶杆
拨长（或镦粗及拨长）、 连杆等 压肩、锻台阶和冲孔
单 拐及 多 拐曲 轴
空心光环及台 阶环
空心简
弯曲件
拨长（或镦粗及拨长）、 曲轴、偏 错移、锻台、切割、滚 心轴等 圆和扭转
镦粗（或拨长及镦粗）、 圆环、齿
冲孔、在芯轴上扩孔、 圈、端
锻压加工应用范围很广，尤其适用于各种重要受力零 部件。
1.不能加工脆性材料（如铸铁）。
2.不能加工形状特别复杂（尤其是
缺
具有复杂内腔）的零件或毛坯。
点
3.不能加工体积特别大（设备吨位 难以满足变形力需要）的零件或毛坯。
一、金属的塑性变形
只有塑性变形这种永久性的变形，才能用于锻压加工。 塑性变形分为冷塑性变形和热塑性变形。
知识目标
1）掌握锻压加工基础知识。 2）掌握锻造常用方法及特点。 3）了解自由锻造的工艺设计。 4）掌握板料冲压基本工序及应用。
能力目标
1）具有自由锻造工艺设计的能力。 2）具有合理选择毛坯或零件锻压加工方法 的能力。 3）具有安排板料冲压工序的能力。
案例引入
• 在上下五千年的中国历史长河中，名刀利剑一直披着神秘的外衣， 从青铜时代的莫邪舍身祭炉而得千古名剑“干将”“莫邪”，到 钢铁时代的赵云在长板坡用“青罁”宝剑在曹操的百万军中杀了 个七进七出，救下后主阿斗。这些千古流传的故事感动着古往今 来一代又一代的中华儿郎，而这些宝剑是如何制作的呢？他们都 是经过无数次的锻打成形，也就是我们今天所说的锻造加工。
缺点：自由锻生产效率低，只适用于简单的单件、小批量
生产，且锻件精度低，加工余量大，对工人的技术要求高， 劳动条件较差。
二、自由锻的基本工序
1.镦粗
是指使坯料高度减小、横截面积增大的锻造工序，常用于锻造圆 盘、齿轮、凸缘等零件，也可以作为锻造圆环、套筒等锻件冲孔 前的预备工序。
a)
b)
c)
图7-10镦粗 a)完全镦粗 b)一端镦粗 c)中间镦粗
a)
b)
图7-6 不同工艺方法对纤维组织形态的影响