塑性成形工艺

3.2.1 塑性变形理论及假设（续）
2 塑性变形前后体积不变的假设 3 变形程度的计算 ▪ 锻造比
➢ 代表变形程度大小。 ➢ 用y表示 ➢ 拔长：截面比Y拔 = F0/F = L/L0 ➢ 镦粗：高度比Y镦= F/ F0= H0/H
坯料拔长时横截面积的变化
3.2.1 塑性变形理论及假设（续）
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F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：F坯料 = Y拔F锻件
金属工艺学
授课教师：彭辉 penghuihust@
第三篇 塑性成形工艺
金属的塑性成型
知识点:
金属的塑性变形
金属塑性变形的实质
塑性变形与组织、性能
金属的可锻性
组织和性能
组
性
织
能
（
加
工
硬
化
）
加工时的塑性变形
回
再冷
热
复
结变
变
（
晶形
形
温
度
）
可 锻 性 的 概 念
锻 造 比
可影 锻响 性可 的锻 衡性 量的
加工条件的影响(外因)
变形温度的影响
在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能 升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。
若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低， 这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界 氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废， 这一现象称为“过烧”。
本节的重点： 1. 金属塑性成型的原理； 2. 纤维组织的形成及利用； 3. 金属可锻性及其影响因素。
3.2.1 塑性变形理论及假设
1 最小阻力定律 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，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，方形截面镦粗后 的截面形状。
锤上模锻成型的工艺设计包括制定锻 件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步(选择 模膛)、选择设备及安排修整工序等。其中 最主要的是锻件图的制定和模锻工步的确 定。
3.3.4.1 模锻件图的制定
选择模锻件的分模面
分模面即是上下锻模在模锻件上的分界面。制订模锻锻件图时，必 须按以下原则确定分模面位置： ➢要保证模锻件能从模膛中取出，分模面应选在模锻件最大尺寸的截面 上。 ➢按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致， 以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，及时调整锻模位置。 ➢最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处。这样可使金属很容易充满 模膛，便于取出锻件，并有利于锻模的制造。 ➢选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。 ➢最好使分模面为一个平面，使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不 宜过大，以便于制造锻模。
滚压模膛——用来减小坯料某部分的横截面积，以增大 另一部分的横截面积。主要是使金属按模锻件形状来分布。
弯曲模膛——对于弯曲的杆类模锻件，需用 弯曲模膛来弯曲坯料。
切断模膛——上模与下模的角部组成的一对 刀口，用来切断金属。
3.3.4 模型锻造工艺
将金属坯料放在锻模模膛内，在锻压冲击力 或压力下变形而获得锻件的方法。
胎模成型只适用于小批量生产，多用在没有模 锻设备的中小型工厂中。
3.3.1.2 胎固定模膛成型工艺的分类及设备
固定模膛成型工艺主要分为锤上模膛成型工艺 和压力机上模膛成型工艺。
锤上模锻成型用于大批量锻件生产。所用设备 有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。
压力机上模膛成型常用的设备有曲柄压力机、 摩擦压力机和平锻机、模锻水压机等。
终锻模膛的尺寸应比锻件 尺寸放大一个收缩量。钢件收 缩量取1.5%
沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出 的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。
终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮。
3.3.3 制坯模膛
拔长模膛——用来减小坯料某部分的横截面积，以增 加该部分的长度。
3.3.3 制坯模膛(续)
3.2.2 金属变形过程中的组织与性能（续）
4、具有纤维组织的金属，各个方向上的机械 性能不相同。顺纤维方向的机械性能比横纤维方向 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。
➢ 使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；
➢ 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。
冷变形
变形温度低于回复温度时，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。
热变形
变形温度在再结晶温度以上时，变形 产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵 消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组 织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称 为热变形。
3、胎模锻
导销孔
——在自由锻造的设备上 用胎膜生产锻件的方法。 导 销 与锤上模锻和压力机模 锻不同的是，胎膜不与 毛边槽 锤头和下模座连在一起。
模膛
胎膜锻造工艺灵活，可 提高锻件的精度和形状的 复杂程度，减少了加工余 量，提高了生产率。
胎膜
锻压胎模锻.flv
锤上模锻成型工艺设计
锤上模锻成型的工艺过程一般为：切断 毛坯→加热坯料→模锻→切除模锻件的飞边 →校正锻件→锻件热处理→表面清理→检验 →成堆存放。
3.3 塑3.性1成概型述方法及工艺
▪ 变形：施加外力使金属坯料尺寸和形状 发生变化。
▪ 塑性变形：金属所发生的不能自行恢复 其原始形状与尺寸的变形。
▪ 塑性：金属产生塑性变形而不破坏的能 力。
锻压：是锻造与冲压的总称。对坯料施加外力， 使其产生塑性变形，改变尺寸、形状，改善性能， 用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。 锻压.flv
材料性质的影响(内因)
化学成分的影响
纯金属的可锻性比合金的可锻性好。钢中合金 元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变 形抗力越大。例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们 的可锻性是依次下降的。
金属组织的影响
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
应力状态的影响
挤压时为三向受压状态。拉拔时为两向受压一向受 拉的状态。压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗 力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。
金属的塑性成型
1.纤维组织是怎样形成的?它对金属的 力学性能有何影响?
2.试分析用棒料切削加工成形和用棒料 冷镦成形制造六角螺栓的力学性能有 何不同?
模型锻造的生产率高，锻件形状准确， 可获得形状复杂的锻件，切削加工余量小。 但需要专门模锻设备，故成本较高。适用于 中小型、批量生产。
1、锤上模锻
——在专用的模锻空气锤
锤头
或模锻蒸汽锤的锻锤和模
垫上分别固定上下模，上
下模经锤击合拢，而获得
锻件的方法。
模垫
锤上模锻具有一般模锻的
优点，但冲击大、震动大、
终锻温度过高： 锻造 结束后晶粒继续长大，力学 性能变差。
终锻温度过低： 差，变形困难。
塑性
2、加热速度与冷却方法
正常或稍快的加热速度将减少氧化和脱碳，
降低燃料消耗，提高生产率；
氧化—钢在高温下时间过长，表层将会与炉气中的氧
产生反应，生成很硬的氧化铁皮，造成金属损耗的现
象。
脱碳—钢在高温下表
层被氧化，造成含碳量下降，硬度降低的现象。
脆性材料，如铸铁等。
金属塑性成型时的加热与冷却 （以锻造为例）
1、锻造温度范围
始锻温度过高：
增强可锻性、增加锻 造时间，但将引起过热 和过烧。
过热—指超温时晶粒迅速 长大，使金属塑性降低的的 现象。
过烧—指在更高的温度下晶界上产生 脆性氧化层的现象。严重时使其报废。
始锻温度过低： 锻造 时间不足，塑性变差。
锻造：在加压设备及工（模）具的作用下，使坯 料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一 定的几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。 工（模）具一般作直线运动。
冲压：通过装在压力机上的模具对板料施压，使 之产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和 性能的零件或毛坯。
压力加工的优缺点:
（1）改善组织，细化晶粒，消除缺陷，提高力学性能； （2）减少加工损耗，省材省工，生产效率高； （3）加工零件的体积和质量适应范围大； （4）不能获得外形和内腔形状复杂的工件； （5）只能加工塑性材料，如钢和有色金属等，不能加工
因 素
金属的塑性成型
本章重点：
1. 了解金属塑性成型的理论基础； 2. 掌握金属的塑性成型方法及工艺； 3. 掌握薄板冲压成形工艺，包括各种成形模具
结构、基本工序和典形零件的工艺制定。
3.金属的塑性成型
3.1 概述 3.2 塑性成型的理论基础 3.3 塑性成型方法及工艺 3.4 薄板的冲压成型 3.5 塑性成型常见的缺陷
3.3.2 锻模模膛及其功用
3.3.2.1 预锻模膛
预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近 于锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充 满终锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损， 以延长锻模的使用寿命。
预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆 角和斜度较大，没有飞边槽。
3.3.2.2 终锻模膛
终锻模膛的作用是：是使坯 料最后变形到锻件所要求的形状 和尺寸，因此它的形状应和锻件 的形状相同。
3.3 塑性成型方法及工艺
自由锻和模锻
知识点: 自
模
由
锻
锻
自
自
自
高
由 锻
由 锻
由 锻
合 金
概
锤
念
上
工
工
件
钢
序
艺
的
锻
模 锻
规
结
造
程
构
特
的
工
点
制
艺
定
性
其
胎
他
模
设
锻
备
上
的
模
锻
扣
套
合
模
筒
模
模
曲
摩
柄
擦
压
ห้องสมุดไป่ตู้
力
机
上
模
锻
3.3 塑性成型方法及工艺
3.3.1 模膛锻造成型工艺 3.3.2 锻模模膛及其功用 3.3.3 制坯模膛 3.3.4 模锻成型工艺 3.3.5 自由锻造工艺
实例：
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 )。
当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图 示)，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。
3.2.3 冷变形及热变形
胎模锻造成型是在自由锻设备上，使用可移动 的胎模具生产锻件的锻造方法。锻压模膛.flv
胎模成型与自由成型相比，具有较高的生产率， 锻件质量好，节省金属材料，降低锻件成本。 与固定模膛成型相比，不需要专用锻造设备，模具 简单，容易制造。
锻件质量不如固定模膛成型的锻件高，工人劳 动强度大，胎模寿命短，生产率低。
3.2.4 影响塑性变形的因素
可锻性——常用金属材料在经受压力加工产 生塑性变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是 以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。
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。
变形抗力是指金属对变形的抵抗力。 金属的可锻性取决于材料的性质(内因)和加工 条件(外因)。
噪声大、效率低。一般仅用
于中小吨位的锻锤。
模座
上锻模 下锻模
2、压力机上模锻
——在压力机上的滑 块和底座上分别固定 上下模，上下模经下 压合拢，而获得锻件 的方法。
摩擦盘 带传动
飞轮 丝杠
压力机上模锻工作时冲 滑 块 击小、噪声小、操作安全， 但生产率低。一般适用于 底 座
中小批量生产。
摩擦压力机
3.2.2 金属变形过程中的组织与性能
纤维组织的利用原则：
1、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经过塑 性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，获得细 化的再结晶组织。
2、同时还可以将铸锭中的气孔、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。
3、此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，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。
金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。 不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的 温度称终锻温度。
变形速度的影响
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，金属则表现出塑性下 降、变形抗力增大，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，使金属温度升 高(称为热效应现象)。变形速度越 大，热效应现象越明显，使金属 的塑性提高、变形抗力下降(图中a 点以后)，可锻性变好。
3.1 概述
金属塑性成型：由利用金属在外力作用下所产生 的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械 性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为 压力加工。
金属塑性成型的基本生产方法
锻压生产方式示意图
金属塑性成型的基本生产方法
挤
拉
压
拔
轧 制
3.2 塑性成型理论的理论基础
3.2.1 塑性变形理论及假设 3.2.2 金属变形过程中的组织与性能 3.2.3 冷变形及热变形 3.2.4 影响塑性变形的因数
加热速度过快时： 会使锻坯内外温度不均，严重时会发生开裂。
冷却速度过快时： 锻造后冷却速度过快时，将产生挠曲或开裂，表 面淬硬难以切削。 冷却方法
冷却方法常根据材料成分和锻件大小分别用： 空冷（低、中碳，小型件） 坑冷（低合金钢，较大件） 炉冷（高合金钢，大型件）
3.3.1 模膛锻造成型工艺
3.3.1.1 胎模锻造成型工艺及应用