金屬塑性成形

金屬塑性成形本章重點金屬塑性成形的理論；掌握常用金屬的塑性成形工藝；掌握薄板沖壓成形工藝。本章內(nèi)容金屬塑性成形概述金屬的塑性變形（塑性成形理論）鍛造工藝板料沖壓鍛造及沖壓零件的結(jié)構工藝性塑性成形新工藝簡介塑性成形的概念塑性成形加工的特點及應用金屬塑性加工方法一、概述

又稱為壓力加工。金屬坯料外力塑性變形產(chǎn)生改變形狀改變尺寸改善性能達到毛坯零件得到1、金屬塑性成形的定義（1）特點優(yōu)點：

a）與鑄造相比：力學性能高，內(nèi)部缺陷被壓合，晶粒顯著細化。

ｂ)與切削加工比：材料的利用率和生產(chǎn)率高。

缺點：

a)

形狀不能太復雜b)

坯料塑性要好（2）應用汽車、拖拉機、宇航、軍工、電器、橋梁、建筑等2、塑性成形加工的特點及應用3、塑性變形方式（1）軋制塑性變形方式主要有：軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓（2）擠壓

使金屬坯料從擠壓?？讛D出而成形為各種型材、管材、零件等。擠壓的方法：正擠壓、反擠壓、復合擠壓、徑向擠壓（3）鍛造

將金屬坯料置于上下砧或鍛模內(nèi)，用沖擊力或壓力使金屬成形為各種型材和鍛件等鍛造的種類有：

自由鍛、模鍛、胎模鍛

（4）沖壓利用沖模將金屬板料切離或變形為各種沖壓件。

（5）拉拔將金屬坯料從拉模的?？字欣龆尚螢楦鞣N線材、薄壁管材、特殊截面型材等第一節(jié)金屬塑性變形塑性變形的實質(zhì)冷變形和熱變形金屬的可鍛性及影響因素一、金屬塑性成形的實質(zhì)

塑性：金屬在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。金屬變形過程：

a）金屬材料在外力作用下發(fā)生彈性變形

b）當外力超過一定值后產(chǎn)生塑性變形

c）外力繼續(xù)加大，發(fā)生斷裂金屬塑性變形的實質(zhì)：

a）晶粒內(nèi)部滑移和孿生

b）晶間滑移和晶粒轉(zhuǎn)動1、單晶體的塑性變形（1）單晶體滑移晶體的一部分相對另一部分沿一定晶面（滑移面）和這個晶面上的一定晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對移動的現(xiàn)象。坯料在拉伸時受力分析：正應力——晶粒彈性伸長——拉斷切應力——晶粒扭曲——滑移理論上，整體剛性滑移——滑移困難實際上，位錯移動——滑移容易（2）孿生

晶體在外力作用下，一部分沿著一定晶面（孿生面）產(chǎn)生一定角度的切變。當滑移困難時(位錯塞積），出現(xiàn)孿生變形塑性變形過程：滑移——孿生——滑移——孿生…….2、多晶體的塑性變形

工業(yè)中實際使用的金屬大多是多晶體。

1、多晶體的特征：

a）晶體形狀和大小不等

b）相鄰晶粒的位向不同

c）多晶體內(nèi)存在大量晶界

2、實際塑性變形：

a）各個晶粒內(nèi)部滑移和孿生的總和，構成整體塑性變形。

b）各個晶粒間的變形，是產(chǎn)生內(nèi)應力和開裂的原因。

1、加工硬化金屬經(jīng)過塑性變形后，強度和硬度上升，而塑性和韌性下降的現(xiàn)象。原因：

a）晶格扭曲

b）晶粒破碎消除辦法：回復或再結(jié)晶退火。二、金屬變形過程中的組織與性能

2、回復隨著溫度的上升，原子熱運動加劇，晶格扭曲被消除，內(nèi)應力明顯下降的現(xiàn)象稱為回復?；貜偷慕Y(jié)果：

a）晶格扭曲消除

b）內(nèi)應力明顯下降

T回=（0.25-0.3）T熔（K）

回復只能部分消除加工硬化

3、再結(jié)晶

溫度上升到一定溫度時，開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心生長成新的晶粒，加工硬化完全消除，這個過程稱為再結(jié)晶。（1）再結(jié)晶的結(jié)果

a）原子熱振動加劇

b）以某些質(zhì)點為核心重結(jié)晶

c）加工硬化全部消除（2）再結(jié)晶溫度

金屬經(jīng)大量塑性變形后開始再結(jié)晶的最低溫度。

T再=（0.4-0.5）T熔（K）金屬的回復和再結(jié)晶示意圖（3）影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素：

a）變形程度變形程度很小時不發(fā)生再結(jié)晶。變形程度在2-8%時,晶粒特別粗大——臨界變形程度。

當變形程度大于臨界變形程度，隨變形程度增加，晶粒顯著細化。

b）再結(jié)晶后狀態(tài)金屬在高溫下停留，晶粒長大，力學性能變差。

變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化1—內(nèi)應力曲線2—晶粒度曲線3—強度曲線（變形抗力）4—延伸率曲線4、纖維組織鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀。這種結(jié)構叫纖維組織。性能特點：具有各向異性

a）縱向（平行纖維方向），韌、塑性增加

b）橫向（垂直于纖維方向），韌、塑性降低但抗剪切能力顯著增強纖維組織合理分布

（1）零件最大拉應力方向應與鍛造流線平行（2）零件最大剪切應力方向應與鍛造流線垂直（3）零件外形輪廓應與鍛造纖維的分布相符合而不被切斷。

1、冷變形：變形溫度低于再結(jié)晶溫度

（1）生產(chǎn)方法：冷沖壓、冷擠壓、冷軋、冷拔等（2）特點

a）位錯密度上升——顯著加工硬化

b）尺寸精度高、表面質(zhì)量好三、冷變形和熱變形

2、熱變形：

變形溫度高于再結(jié)晶溫度

（1）生產(chǎn)方式：熱鍛、熱軋、熱擠壓（2）熱變形后的組織特征

a）加工硬化和再結(jié)晶同時發(fā)生

b）冶金缺陷得到改善或消除

c）最終得到細小的等軸晶

d）組織致密，力學性能顯著提高四、金屬的可鍛性

可鍛性——常用金屬材料經(jīng)受塑性變形加工的難易程度?？慑懶缘膬?yōu)劣是以金屬的塑性和變形抗力來衡量的。

塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形，而不破壞其完整性的能力。

變形抗力是指金屬對變形的抵抗力。金屬的可鍛性取決于材料的本質(zhì)(內(nèi)因)和塑性成形的條件(外因)。1、材料性質(zhì)的影響(內(nèi)因)（1）化學成分的影響

a）純金屬比合金的可鍛性好；

b）含合金元素少的合金比多的好。（2）金屬組織的影響

a）單相組織（純金屬或固溶體）比多相好；

b）鋼中碳化物呈彌散分布比網(wǎng)狀分布好；

c）晶粒細化的組織比粗大好。2、加工條件的影響(外因)溫度升高，塑性提高，變形抗力減小，有效改善了可鍛性。但要防止“過熱和過燒”。金屬鍛造加熱時允許的最高溫度稱為始鍛溫度。不能再鍛，否則引起加工硬化甚至開裂，此時停止鍛造的溫度稱終鍛溫度。（1）變形溫度的影響（2）變形速度的影響

一方面由于變形速度的增大，回復和再結(jié)晶不能及時克服加工硬化現(xiàn)象，金屬則表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大，可鍛性變壞。另一方面，金屬在變形過程中，消耗于塑性變形的能量有一部分轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬溫度升高(稱為熱效應現(xiàn)象)。變形速度越大，熱效應現(xiàn)象越明顯，使金屬的塑性提高、變形抗力下降(圖中a點以后)，可鍛性變好。（3）應力狀態(tài)的影響擠壓時為三向受壓狀態(tài)。拉拔時為兩向受壓一向受拉的狀態(tài)。壓應力的數(shù)量愈多，則其塑性愈好，變形抗力增大；拉應力的數(shù)量愈多，則其塑性愈差。第二節(jié)鍛造工藝鍛造簡介自由鍛模鍛胎模鍛一、鍛造工藝簡介

鍛造工藝特點：鍛件的力學性能好，但形狀簡單，內(nèi)腔不能太復雜；加工余量大，材料利用率低。

應用：制造齒輪、傳動軸、曲軸、連桿等傳動件和要求力學性能高的重要件。根據(jù)坯料成形方法的不同，分為：

自由鍛、模鍛、胎模鍛

一、自由鍛

1、自由鍛特點（1）坯料變形時，只有部分表面受到限制，其余可自由流動；（2）所用設備及工具簡單，適應性強，鍛件重量不受限制；（3）由人工控制鍛件的形狀和尺寸，鍛件的精度低，生產(chǎn)率低；（4）適用于單件小批生產(chǎn)，也是大型鍛件的唯一鍛造方法。

2、自由鍛的方法（1）手工鍛造（2）機器鍛造

a）鍛錘自由鍛利用沖擊力使坯料產(chǎn)生塑性變形常用設備有：空氣錘、蒸汽---空氣錘

b）液壓機自由鍛利用靜壓力使坯料變形常用設備是水壓機，適用于大型鍛件。3、自由鍛的工序

（1）基本工序用來改變坯料的形狀和尺寸的工序，主要包括：鐓粗、拔長、沖孔、芯軸擴孔、芯軸拔長、彎曲、切割、錯移等。

（2）輔助工序為了完成基本工序而進行的預先變形工序，主要包括：壓鉗把、倒棱、壓痕等。

（3）修整工序用來減少鍛件表面缺陷的工序，主要包括：校正、滾圓、平整等。4）自由鍛工藝規(guī)程的制訂鍛件圖的繪制確定坯料的重量和尺寸選擇自由鍛工序選擇鍛造設備填寫工藝卡

（1）鍛件圖的繪制

工藝：將原材料或半成品加工成產(chǎn)品的工作、方法、技術等。規(guī)程：將某種政策、制度等所做的分章分條的規(guī)定。在零件圖的基礎上，考慮加工余量、鍛造公差、余塊等因素后繪制的工藝圖。

（2）確定坯料的重量和尺寸

1）坯料重量計算

m坯=m鍛件+m損

m損=m燒+m芯+m切其中：m燒——火耗損失

m芯——沖孔沖掉的芯料

m切——修切端部的損失2）坯料尺寸、鍛造比

鍛造比是鍛件在鍛造成形時變形程度的一種表示方法。鍛造比選擇合適時，則毛坯內(nèi)部缺陷被壓合，樹枝晶被打碎，晶粒顯著細化，力學性能得到提高。

a）鍛造比的計算方法:

拔長時，B拔=A0/A

鐓粗時，B鐓=H0/H

一般情況下，鑄錠作為坯料時，鍛造比不小于2.5—3；軋制型材作為坯料時，鍛造比選擇1.3—1.5。

b）坯料尺寸：根據(jù)坯料重量和鍛造比確定。（3）選擇自由鍛工序（4）選擇鍛造設備

根據(jù)鍛件的尺寸、形狀、材料等條件來選擇設備種類及其規(guī)格，既保證鍛透工件、有較高的生產(chǎn)率，又不浪費動力，并使操作方便。（5）填寫工藝卡

1、模鍛的特點（與自由鍛相比）優(yōu)點：a）鍛件形狀復雜，尺寸精確，表面光潔；

b）加工余量小，節(jié)約材料和工時；

c）鍛造流線分布符合外形結(jié)構，力學性能高；

d）生產(chǎn)效率高。缺點：a）模具費用高，生產(chǎn)周期長；

b）鍛件重量小，一般小于150公斤。二、模鍛

2、錘上模鍛錘上模鍛一般選用1-16噸的蒸汽-空氣模鍛錘。鍛模制作成帶燕尾的上下兩半模，上下模分別用楔鐵緊固在錘頭和模墊上。（1）鍛模結(jié)構與模膛鍛模一般由上模和下模兩部分組成，上下合攏形成內(nèi)部模膛。模膛按其功用不同分為制坯模膛、預鍛模膛和終鍛模膛。

制坯模膛：拔長、滾圓、彎曲切斷以及鐓粗、擊匾等。

預鍛模膛：使坯料接近鍛件的形狀和尺寸，有利于坯料最終成形，并減少終端模膛磨損。

終端模膛：用來完成鍛件的最終成形。（2）鍛模模膛的功用（a）預鍛模膛預鍛模膛的作用是：使坯料變形到接近于鍛件的形狀和尺寸，終鍛時，金屬容易充滿終鍛模膛。同時減少了終鍛模膛的磨損，以延長鍛模的使用壽命。

預鍛模膛和終鍛模膛的區(qū)別是前者的圓角和斜度較大，沒有飛邊槽。（b）終鍛模膛使坯料最后變形到鍛件所要求的形狀和尺寸，因此它的形狀應和鍛件的形狀相同。沿模膛四周有飛邊槽，用以增加金屬從模膛中流出的阻力，促使金屬充滿模膛，同時容納多余的金屬。終鍛后在孔內(nèi)留下一薄層金屬，稱為沖孔連皮。（c）制坯模膛拔長模膛——用來減小坯料某部分的橫截面積，以增加該部分的長度。滾壓模膛——用來減小坯料某部分的橫截面積，以增大另一部分的橫截面積。主要是使金屬按模鍛件形狀來分布。彎曲模膛——對于彎曲的桿類模鍛件，需用彎曲模膛來彎曲坯料。切斷模膛——上模與下模的角部組成的一對刀口，用來切斷金屬。3、錘上模鍛工藝規(guī)程的制訂錘上模鍛的工藝過程一般為：切斷毛坯→加熱坯料→模鍛→切除模鍛件的飛邊→校正鍛件→鍛件熱處理→表面清理→檢驗→成堆存放。錘上模鍛的工藝設計包括制定鍛件圖、確定模鍛工步(選擇模膛)、制訂修整工序等。其中最主要的是鍛件圖的制定和模鍛工步的確定。（a）選擇模鍛件的分模面

分模面即是上、下鍛模在鍛件上的分界面。制訂模鍛鍛件圖時，必須按以下原則確定分模面位置：要保證模鍛件能從模膛中取出，分模面應選在模鍛件最大尺寸的截面上。按選定的分模面制成鍛模后，應使上下兩模沿分模面的模膛輪廓一致，以便在安裝鍛模和生產(chǎn)中容易發(fā)現(xiàn)錯?，F(xiàn)象，及時調(diào)整鍛模位置。（1）模鍛件圖的制定最好把分模面選在模膛深度最淺的位置處。這樣可使金屬很容易充滿模膛，便于取出鍛件，并有利于鍛模的制造。選定的分模面應使零件上所加的敷料最少。最好使分模面為一個平面，使上下鍛模的模膛深度基本一致，差別不宜過大，以便于制造鍛模。（b）確定模鍛件的機械加工余量及公差

機械加工余量一般為1～4mm，鍛造公差一般取在±0.3～3mm之間。（c）標注模鍛斜度

當模膛寬度b小而深度h大時，模鍛斜度要取大些。內(nèi)壁斜度要略大于外壁斜度(a2>a1)。（d）標注模鍛圓角半徑

鍛件上所有轉(zhuǎn)角處都應做成圓角。一般內(nèi)圓角半徑（R）應大于其外圓半徑（r）。（e）留出沖孔連皮

鍛件上直徑小于25mm的孔，一般不鍛出，或只壓出球形凹穴。大于25mm的通孔，也不能直接模鍛出通孔，而必須在孔內(nèi)保留一層連皮。模鍛圓角半徑內(nèi)圓角半徑R是外圓角半徑r的３－４倍內(nèi)壁斜度β應比外壁斜度α大一級

長軸類鍛件，如臺階軸、曲軸、連桿、彎曲搖臂等。一般為拔長、滾壓、彎曲、預鍛、終鍛成型。

餅類模鍛件，如齒輪、法蘭盤等。一般為鐓粗、預鍛、終鍛成型。（2）確定模鍛工步

切邊和沖孔，模鍛件的飛邊和沖孔連皮一般在壓力機上切除。

校正，對于在工序中引起的變形需進行校正；對于過熱組織和加工硬化，需進行熱處理消除；此外還有清理、精壓等。（3）確定修整工序1、胎模鍛的特點（1）與自由鍛相比，模鍛件的形狀較為復雜，尺寸精確，生產(chǎn)效率高。（2）與模鍛相比，可利用自由鍛設備組織生產(chǎn)，胎模制造成本低。三、胎模鍛2、胎模的種類按胎模的結(jié)構特點分為扣模、彎曲模、套筒模和合模等。（1）扣模：分單扣模和雙扣模兩種。（2）彎曲模：由上、下模組成（3）套筒模：適合生產(chǎn)餅類鍛件（4）合模：

由上下模組成，并有導柱或?qū)фi定位。板料沖壓

板料沖壓又叫冷沖壓，它是利用沖模使板料產(chǎn)生變形或分離，從而獲得具有一定形狀和尺寸的鍛件的工藝方法。冷沖壓所用材料一般為小于4mm的板料、條料、帶料等，所用設備為沖床和剪床。冷沖壓的特點（1）可生產(chǎn)形狀復雜的零件、零件精度高、表面粗糙度低、互換性好。零件的強度高、剛度好。（2）材料的利用率高，一般可達70—80%。（3）適應性強，金屬及非金屬均可用沖壓方法加工。零件可大可小。（4）生產(chǎn)率高，每分鐘可沖壓小件數(shù)千件，易實現(xiàn)機械化和自動化。（5）模具結(jié)構復雜、制造成本高。板料沖壓的基本工序

板料沖壓的基本工序包括分離工序和變形工序兩大類。其中分離工序包括剪切、沖裁（分落料和沖孔）、切口、修邊和剖切等。變形工序包括彎曲、拉伸、翻邊、成形等。1.分離工序

分離工序是使坯料的一部分與另一部分相互分離的工序。如落料、沖孔、切斷、精沖等。板料沖壓的基本工序3.4.1.1落料及沖孔

落料是被分離的部分為成品，而周邊是廢料；沖孔是被分離的部分為廢料，而周邊是成品;落料過程沖孔過程沖裁變形過程沖裁變形過程包括三個階段，即彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段凸凹模間隙對沖裁件質(zhì)量的影響間隙小間隙大間隙適中凸凹模刃口尺寸的確定設計落料模時，應先按落料件確定凹模刃口尺寸，取凹模作設計基準件，然后根據(jù)間隙Z確定凸模尺寸（即用縮小凸模刃口尺寸來保證間隙值）。設計沖孔模時，先按沖孔件確定凸模尺寸，取凸模作設計基準件，然后根據(jù)間隙Z確定凹模尺寸（即用擴大凹模刃口尺寸來保證間隙值）。落料凹模和沖孔凸模尺寸落料凹?；境叽鐟」ぜ叽绻罘秶鷥?nèi)的較小的尺寸。沖孔凸模基本尺寸應取工件尺寸公差范圍內(nèi)的較大尺寸。沖裁件的排樣排樣是指落料件在條料，帶料或板料上合理布置的方法。落料件的排樣有兩種類型：無搭邊排樣和有搭邊排樣。修整

修整是利用修整模沿沖裁件外緣或內(nèi)孔刮削一薄層金屬，以切掉普通沖裁時在沖裁件斷面上存留的剪裂帶和毛刺，從而提高沖裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。修整后沖裁件公差等級達IT6～IT7，表面粗糙度Ra為0.8～1.6μm。修整工序簡圖變形工序變形工序是使坯料一部分相對于另一部分產(chǎn)生位移而不破裂的工序。它包括彎曲、拉深、翻邊、成形等工序。彎曲變化過程

彎曲是將坯料彎成一定的角度，一定的曲率形成一定形狀零件的工序。彎曲時還應盡可能使彎曲線與坯料纖維方向垂直?；貜棳F(xiàn)象--由于彈性變形的恢復，坯料略微彈回一點，使被彎曲的角度增大。一般回彈角為0～10°。與坯料纖維方向垂直拉深過程及變形特點：拉深過程如圖示，其凸模和凹模有一定的圓角，其間隙一般稍大于板料厚度。拉深件的底部一般不變形，厚度基本不變。直壁厚度有所減小。圓筒形零件的拉深

拉深也稱拉延，是利用模具使沖裁后得到的平面毛坯變成為開口空心零件的沖壓工藝。拉深變形過程拉深中常見的缺陷有拉穿和起皺從拉深過程中可以看到，拉伸件中最危險的部位是直壁與底部的過渡圓角處，當拉應力超過材料的強度極限時，此處將被“拉穿”。防止“拉穿”的措施有：正確選擇拉伸系數(shù)合理設計拉深模工作零件起皺是由于法蘭部分在切向力的作用下導致的結(jié)果。為了防止起皺，可用壓邊圈把坯料壓緊。正確選擇拉深系數(shù)拉深件直徑d與坯料直徑D的比值稱為拉深系數(shù)，用m表示，即m=d/D。拉深系數(shù)不小于0.5～0.8。坯料的塑性差取上限值，塑性好取下限值。

如果拉深系數(shù)過小，不能一次拉深成形時，則可采用多次拉深工藝。第一次拉深系數(shù)m1=d1/D

第二次拉深系數(shù)m2=d2/d1

第幾次拉深系數(shù)mn=dn/dn-1

總的拉深系數(shù)m=m1×m2×mn其它沖壓成型脹形主要用于平板毛坯的局部脹形（或叫起伏成型），如壓制凹坑，加強筋，起伏形的花紋及標記等。另外，管類毛坯的脹形（如波紋管）、平板毛坯的拉形等，均屬脹形工藝。1.脹形管坯脹形1—凸模；2—凹模；3—坯料；4—橡膠；5—外套翻邊是在坯料的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲率翻成豎立邊緣的沖壓成型方法。分內(nèi)孔翻邊和外緣翻邊兩種。2.翻邊旋壓的基本要點是：(1)合理的轉(zhuǎn)速;(2)合理的過渡形狀;(3)合理加力。3.旋壓翻邊筒旋壓1.簡單沖模在沖床的一次沖程中只完成一個工序的沖模，稱為簡單沖模。模具簡單，造價低。沖模的分類和構造簡單沖模沖床的一次沖程中，在模具不同部位上同