第六章 金屬塑性成形的工藝?yán)碚摶A(chǔ)

第六章金屬塑性成形的工藝?yán)碚摶A(chǔ)第一節(jié)金屬塑性成形的基本工藝第二節(jié)金屬的塑性變形第三節(jié)塑性變形理論及其假設(shè)第四節(jié)影響塑性變形的因素

塑性成形：指固態(tài)金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，獲得所需具有一定形狀、尺寸及力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的加工方法（成形工藝），稱為金屬塑性成形工藝（壓力加工）。

鋼和有色金屬及其合金均具有較好塑性的材料，可在冷態(tài)或熱態(tài)下進(jìn)行塑性成形加工。外力:沖擊力和壓力。錘類設(shè)備與壓力機(jī)。常用塑性成形加工方法有：1）自由鍛造；2）模型鍛造；3）擠壓；4）拉拔；5）軋鍛；6）板料沖壓。塑性成形主要用于：主軸、曲軸、連桿、齒輪、葉輪、炮筒、槍管、吊鉤、飛機(jī)和汽車零件等力學(xué)性能要求高的重要零部件。塑性成形加工的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）改善金屬的組織，提高金屬的力學(xué)性能；2）節(jié)約金屬材料和切削加工工時(shí)，提高金屬材料的利用率和經(jīng)濟(jì)效益；3）具有較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。4）適應(yīng)性廣。缺點(diǎn)：1）鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性要求較高，內(nèi)腔復(fù)雜零件難以鍛造；2）鍛造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；3）需重型機(jī)器設(shè)備和較復(fù)雜模具，設(shè)備費(fèi)用與周期長；4）生產(chǎn)現(xiàn)場勞動(dòng)條件較差。

模鍛板料沖壓軋制擠壓拉拔第一節(jié)金屬塑性成形的基本工藝自由鍛鍛壓的基本方式1.軋制成形

軋制也叫壓延，是金屬坯料通過一對(duì)旋轉(zhuǎn)軋輥之間的間隙而使坯料受擠壓產(chǎn)生橫截面減少、長度增加的塑性變形過程。它是生產(chǎn)型材、板材和管材的主要方法。生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低、節(jié)約金屬。圖6-1軋制擠壓成形是使坯料在外力作用下，使模具內(nèi)的金屬坯料產(chǎn)生定向塑性變形，并通過模具上的孔型，而獲得具有一定形狀和尺寸的零件的加工方法。2.擠壓成形圖6-3擠壓1）可提高成形零件的尺寸精度，并減小表面粗糙度。2）具有較高的生產(chǎn)率，并可提高材料的利用率。3）提高零件的力學(xué)性能。4）擠壓可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的管材、型材及零件。擠壓的優(yōu)點(diǎn)：變形阻力大；需能量較大的鍛壓設(shè)備；模具易磨損。擠壓的缺點(diǎn)：3.拉拔成形拉拔是使金屬坯料通過一定形狀的?？?，使其橫截面減小、長度增加的加工方法，如圖6-5所示。產(chǎn)品形狀尺寸精確、表面質(zhì)量好、機(jī)械強(qiáng)度高，常用于拔制金屬絲、細(xì)管材和異型材等。圖6-5拉拔4.自由鍛自由鍛指將金屬坯料放在鍛造設(shè)備的上下抵鐵之間，施加沖擊力或壓力，使之產(chǎn)生自由變形而獲得所需形狀的成形方法。坯料在鍛造過程中，除與上下抵鐵或其它輔助工具接觸的部分表面外，都是自由表面，變形不受限制，鍛件的形狀和尺寸靠鍛工的技術(shù)來保證，所用設(shè)備與工具通用性強(qiáng)。

自由鍛主要用于單件、小批生產(chǎn)，也是生產(chǎn)大型鍛件的唯一方法。1)

自由鍛設(shè)備鍛錘壓力機(jī)以壓力代替錘鍛時(shí)的沖擊力，適用于鍛造大型鍛件；其工作過程包括空程、工作行程、回程、懸空?？諝忮N它由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，打擊速度快，錘擊能量小，適用于小型鍛件；65~750Kg蒸汽—空氣錘

利用蒸汽或壓縮空氣作為動(dòng)力，適用于中小型鍛件。630Kg~5T水壓機(jī)油壓機(jī)落下部分總重量=活塞+錘頭+錘桿滑塊運(yùn)動(dòng)到下始點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的最大壓力鍛錘噸位=壓力機(jī)噸位=1）基本工序：改變坯料的形狀和尺寸以達(dá)到鍛件基本成形的工序，包括鐓粗、拔長、沖孔、彎曲、切割、扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)移等。最常用的是鐓粗、拔長、沖孔。2）輔助工序：為了方便基本工序的操作，而使坯料預(yù)先產(chǎn)生某些局部變形的工序。如壓鉗口、倒棱和切肩。3）精整工序：修整鍛件的最后尺寸和形狀，消除表面的不平和歪扭，使鍛件達(dá)到圖紙要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直彎曲。

2）自由鍛工序根據(jù)作用與變形要求的不同，可分為基本工序、輔助工序和精整工序。

3）自由鍛的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）自由鍛使用工具簡單，不需要造價(jià)昂貴的模具；2）可鍛造各種重量的鍛件，對(duì)大型鍛件，它是唯一方法3）由于自由鍛的每次鍛擊坯料只產(chǎn)生局部變形，變形金屬的流動(dòng)阻力也小，故同重量的鍛件，自由鍛比模鍛所需的設(shè)備噸位小。缺點(diǎn)：1）鍛件的形狀和尺寸靠鍛工的操作技術(shù)來保證，故尺寸精度低，加工余量大，金屬材料消耗多；2）鍛件形狀比較簡單，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。故自由鍛只適用于單件或小批量生產(chǎn)。5.模鍛模鍛是將加熱好的坯料放在鍛模模膛內(nèi)，在鍛壓力的作用下迫使坯料變形而獲得鍛件的一種加工方法。坯料變形時(shí)，金屬的流動(dòng)受到模膛的限制和引導(dǎo)，從而獲得與模膛形狀一致的鍛件。

與自由鍛相比，模鍛的優(yōu)點(diǎn)是：1）由于有模膛引導(dǎo)金屬的流動(dòng)，鍛件的形狀可以比較復(fù)雜；2）鍛件內(nèi)部的鍛造流線比較完整，從而提高了零件的力學(xué)性能和使用壽命。3）鍛件表面光潔，尺寸精度高，節(jié)約材料和切削加工工時(shí)；4）生產(chǎn)率較高；5）操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；6）生產(chǎn)批量越大成本越低。

模鍛的缺點(diǎn)：1）模鍛是整體成形，摩擦阻力大，故模鍛所需設(shè)備噸位大，設(shè)備費(fèi)用高；2）鍛模加工工藝復(fù)雜，制造周期長，費(fèi)用高。故只適用于中小型鍛件的成批或大批生產(chǎn)。

模鍛廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)和機(jī)械制造業(yè)，按質(zhì)量計(jì)算模鍛件在飛機(jī)上占85%，坦克占70%，汽車占80%，機(jī)車占60%。6.板料沖壓板料沖壓是利用裝在沖床上的沖模對(duì)金屬板料加壓，使之產(chǎn)生變形或分離，從而獲得零件或毛坯的加工方法。板料沖壓又稱薄板沖壓或冷沖壓。板料沖壓的特點(diǎn)：1）在常溫下加工，金屬板料必須具有足夠的塑性和較低的變形抗力。

2）金屬板料經(jīng)冷變形強(qiáng)化，獲得一定的幾何形狀后，結(jié)構(gòu)輕巧，強(qiáng)度和剛度較高。

3）沖壓件尺寸精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，互換性好，一般不需機(jī)械加工即可作零件使用。4）沖壓生產(chǎn)操作簡單，生產(chǎn)率高，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。5）可以沖壓形狀復(fù)雜的零件，廢料少。6）沖壓模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，制造費(fèi)用高，只適用于大批量生產(chǎn)。

沖壓工藝廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、儀表電器、輕工和日用品等工業(yè)部門。第二節(jié)金屬的塑性變形一、金屬塑性變形后的組織和性能金屬受外力作用后，先產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力超出其屈服強(qiáng)度后，開始產(chǎn)生塑性變形；塑性變形過程中隨著彈性變形的存在；當(dāng)外力去除后，彈性變形將恢復(fù)，該現(xiàn)象稱為“恢復(fù)”。金屬在常溫下經(jīng)塑性變形后，其內(nèi)部組織變化如下：1）組織變化的特征：①晶粒沿變形最大方向伸長；②晶格與晶粒均發(fā)生畸變；③晶粒間產(chǎn)生碎晶。2）性能變化的特征：隨著變形程度的增加，其強(qiáng)度和硬度不斷提高，塑性和韌性不斷下降。有利：強(qiáng)化金屬材料不利：進(jìn)一步的塑性變形帶來困難加工硬化：回復(fù)：當(dāng)溫度升高，原子獲得熱能其熱運(yùn)動(dòng)加劇，使原子排列回復(fù)到正常狀態(tài)，從而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化。加工硬化是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具有自發(fā)回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，在室溫下不易實(shí)現(xiàn)。T回=（0.25~0.3）T熔（K）回復(fù)時(shí)的溫度稱為回復(fù)溫度T回

再結(jié)晶：當(dāng)溫度繼續(xù)升高到T熔的0.4倍，金屬原子獲得更多的熱能，開始以碎晶或雜質(zhì)為核心結(jié)晶成為細(xì)小而均勻的再結(jié)晶新晶粒，從而消除全部加工硬化。再結(jié)晶時(shí)的溫度稱為再結(jié)晶溫度T再

T再

=（0.35~0.4）T熔（K）再結(jié)晶退火：為了消除加工生產(chǎn)中加工硬化給金屬繼續(xù)進(jìn)行塑性變形帶來的困難，生產(chǎn)中以再結(jié)晶以上的溫度加熱已加工硬化的金屬，使其發(fā)生再結(jié)晶而再次獲得良好的塑性的操作工藝。冷變形

變形溫度低于再結(jié)晶溫度時(shí)，金屬在變形過程中只有加工硬化而無回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的金屬只具有加工硬化組織，這種變形稱為冷變形。特點(diǎn)：產(chǎn)品表面品質(zhì)好、尺寸精度高、力學(xué)性能好，一般不需再切削加工。熱變形變形溫度高于再結(jié)晶溫度時(shí)，變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有細(xì)而均勻的再結(jié)晶等軸晶粒組織，而無任何加工硬化痕跡，這種變形稱為熱變形。特點(diǎn)：小變形功產(chǎn)生較大變形，塑件形狀復(fù)雜、尺寸較大，再結(jié)晶組織力學(xué)性能較高。但金屬表面易形成氧化皮，產(chǎn)品尺寸精度和表面品質(zhì)較差，勞動(dòng)條件較差，生產(chǎn)率較低。二、金屬塑性變形的類型金屬在不同溫度下變形后的組織和性能不同，以再結(jié)晶溫度為界，金屬的塑性變形分為：三、纖維組織的利用原則：

1、將鑄錠加熱進(jìn)行壓力加工后，由于金屬經(jīng)過塑性變形及再結(jié)晶，從而改變了粗大的鑄造組織，獲得細(xì)化的再結(jié)晶組織。

2、同時(shí)還可以將鑄錠中的氣孔、縮松等結(jié)合在一起，使金屬更加致密，其機(jī)械性能會(huì)有很大提高。

3、此外，鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，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(gòu)叫纖維組織。為充分利用纖維組織的方向性，遵循的原則：

使纖維分布與零件的輪廓相符合而不被切斷；使零件所受的最大拉應(yīng)力與纖維方向一致，最大切應(yīng)力與纖維方向垂直。

4、具有纖維組織的金屬，各個(gè)方向上的機(jī)械性能不相同。順纖維方向的機(jī)械性能比橫纖維方向的好。金屬的變形程度越大，纖維組織就越明顯，機(jī)械性能的方向性也就越顯著。

5、纖維組織的化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，其分布狀況一般不能通過熱處理消除，只能通過不同方向上的鍛壓成形才能改變；當(dāng)采用棒料直接經(jīng)切削加工制造螺釘時(shí)，螺釘頭部與桿部的纖維被切斷，不能連貫起來，受力時(shí)產(chǎn)生的切應(yīng)力順著纖維方向，故螺釘?shù)某休d能力較弱(如圖示)。實(shí)例：

當(dāng)采用同樣棒料經(jīng)局部鐓粗方法制造螺釘時(shí)(如圖示)，纖維不被切斷且連貫性好，纖維方向也較為有利，故螺釘質(zhì)量較好。第三節(jié)塑性變形理論及其假設(shè)

一、最小阻力定律

金屬在手外力作用發(fā)生塑性變形時(shí)，如果金屬顆粒在幾個(gè)方向上都可移動(dòng)，那么金屬顆粒就優(yōu)先沿著阻力最小的方向移動(dòng)，這就叫做最小阻力定律。

圓形、方形、矩形截面上各質(zhì)點(diǎn)在鐓粗時(shí)的流動(dòng)方向，方形截面鐓粗后的截面形狀見圖6-10、6-11。

在壓力加工過程中，常用鍛造比(Y鍛)來表示變形度。鍛造比的計(jì)算公式與變形方式有關(guān)。拔長時(shí)的鍛造比為:Y拔＝S0/S,

鐓粗時(shí)的鍛造比為:Y鐓＝H0/H.

三、塑性變形程度的計(jì)算二、塑性變形前后體積不變的假設(shè)

金屬在外力作用發(fā)生塑性變形時(shí)，由于金屬材料連續(xù)而致密，其體積變化很小，與形狀變化可以忽略不計(jì)。這就是體積不變的假設(shè)。即V變形前=V變形后如果坯料是鋼坯，可求出其直徑D

（圓鋼）或邊長A（方鋼），再按標(biāo)準(zhǔn)選取直徑或邊長，從而計(jì)算出鋼坯的長度。

根據(jù)鍛造比即可得出坯料的尺寸。例如采用拔長鍛造時(shí)，坯料所用的截面S坯料的大小應(yīng)保證滿足技術(shù)要求規(guī)定的鍛造比Y拔，即坯料截面積應(yīng)為：

S坯料

=Y拔S鍛件第四節(jié)影響塑性變形的因素

金屬的鍛造性能是用來衡量金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度，是金屬的工藝性能指標(biāo)之一。常用金屬的塑性和變形抗力兩個(gè)因素來綜合衡量。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；它反映了金屬塑性變形的能力。塑性高，則金屬在變形中不易開裂。變形抗力是指金屬對(duì)變形的抵抗力。它反映了金屬塑性變形難易程度；變形抗力小，則金屬的變形能耗小。影響金屬鍛造性能的因素有：一、材料性質(zhì)的影響1）金屬的化學(xué)成分：化學(xué)成分不同，塑性不同，鍛造性能不同。2）金屬的組織狀態(tài)：組織結(jié)構(gòu)不同，鍛造性能不同；單一固溶體組成的合金，塑性好，鍛造性能好；鑄態(tài)柱狀組織和粗晶結(jié)構(gòu)不如細(xì)小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)；金屬內(nèi)部有缺陷也不一樣。

良好的鍛造性是指金屬材料既有較高的塑性，又有較小的變形抗力。1.變形溫度：溫度升高，塑性上升，降低變形抗力，易于鍛造；但溫度過高也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷，如氧化，脫碳、過熱和過燒等。故要嚴(yán)格控制鍛造溫度范圍。

鍛造溫度范圍指始鍛溫度與終鍛溫度間的溫度范圍。

始鍛溫度即鍛造加熱時(shí)允許的最高溫度。原則是在不出現(xiàn)過熱和過燒的前提下，盡量提高始鍛溫度。碳鋼的始鍛溫度為AE線下2000C。

終鍛溫度即停止鍛造的溫度。對(duì)于鍛件質(zhì)量有很大影響，終鍛溫度太高，停鍛后晶粒會(huì)重新長大，降低鍛件力學(xué)性能；太低，再結(jié)晶困難，冷變形強(qiáng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，變形抗力太大，甚至產(chǎn)生鍛造裂紋，也易損壞設(shè)備和工具。

二、加工條件的影響若加熱溫度過高，晶粒急劇長大，金屬力學(xué)性能減低，這種現(xiàn)象稱為“過熱”若