第八章 金屬塑性成形

第八章金屬塑性成形教學(xué)目的與要求：了解金屬的可鍛性及其影響因素，常用金屬材料的可鍛性；了解自由鍛、板料沖壓的一般概念。主要內(nèi)容：金屬的可鍛性及影響因素，常用金屬材料的可鍛性。自由鍛、板料沖壓的一般概念。重點(diǎn)：金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)及可鍛性的影響因素。難點(diǎn)：金屬可鍛性的影響因素。鍛壓加工方法自由鍛模鍛板料沖壓擠壓拉拔軋鍛一、工藝基礎(chǔ)1、本質(zhì)利用固態(tài)金屬的塑性，使其受力，改變形狀、尺寸并改善組織，性能，獲得所需形狀、尺寸和可靠性能的毛坯或零件。2、條件

１）塑性材料。低碳鋼、鋁、銅合金最好；２）受力塑性變形、滿足屈服條件：

σ>σs（材料屈服強(qiáng)度）。3、方法

１）鍛造

自由鍛造和模膛鍛造

自由鍛造模膛鍛造２）板料沖壓（又稱薄板沖壓和冷沖壓）

３）冷拔和冷鐓

４）軋制、擠壓等

金屬塑性成形是利用金屬材料所具有的塑性變形規(guī)律，在外力作用下，獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能零件或毛坯的加工方法。壓力加工與其它成形方法比較具有以下特點(diǎn)(1)能改善組織，提高性能；(2)提高材料的利用率；(3)具有較高的生產(chǎn)率；（4）獲得精度較高的毛坯或零件。不能加工脆性材料、形狀特別復(fù)雜、體積特大件。金屬具有良好塑性，得以壓力加工。

軋制、擠壓、拉拔——

金屬型材、板材、線材等；自由鍛、模鍛——

承受重載的機(jī)械零件，如機(jī)器主軸、重要齒輪、連桿、炮管、槍管等；板料沖壓——

汽車制造、電器、儀表及日用品。第一節(jié)

金屬塑性變形基礎(chǔ)

一、金屬塑性變形概念金屬塑性成形性能可從塑性和變形抗力兩個(gè)指標(biāo)考慮。金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)：固態(tài)金屬在外力作用下，使坯料塑性流動(dòng)。金屬塑性變形遵循的規(guī)律：最小阻力定律、加工硬化、體積不變規(guī)律。

（一）最小阻力定律塑性變形過程中，向阻力最小的方向流動(dòng)（二）加工硬化（三）體積不變規(guī)律二、影響塑性變形的內(nèi)在因素（一）成分（二）組織三、影響塑性變形的加工條件（一）變形溫度（二）變形速度（三）應(yīng)力狀態(tài)(四)其它

四、金屬塑性變形對(duì)組織和性能的影響(一)變形程度的影響(二)纖維組織的利用沿正應(yīng)力方向，與輪廓外形符，不被切斷(三)冷變形和熱變形五、常用合金的壓力加工性能碳鋼、A不銹鋼、銅鋁及合金第二節(jié)自由鍛一、自由鍛工序（一）基本工序常用鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔（二）輔助工序基本工序的預(yù)變形（三）修整工序?yàn)闇p少缺陷，進(jìn)行校正、滾園、平整自由鍛基本工序應(yīng)用：?jiǎn)渭?、小批量生產(chǎn),

大型鍛件的唯一鍛造方法；二、自由鍛工藝規(guī)程的制定（一）繪制自由鍛件圖考慮敷料、鍛件余量、鍛件公差（二）計(jì)算坯料質(zhì)量和尺寸（三）選擇鍛造工序P72表2-2二、自由鍛工藝規(guī)程的制訂1、繪制鍛件圖鍛件圖=零件圖+加工余量、鍛件公差和余量軸鍛件圖齒輪鍛件圖錘上自由鍛工藝規(guī)程的制訂2、坯料的質(zhì)量及尺寸計(jì)算坯料的質(zhì)量：G坯料

=G鍛件+G燒損+G切頭+G芯子坯料的尺寸鍛件的鍛造比采用的變形方式軸類零件盤蓋類零件軋材:y>1.3鋼錠:y=2.5~5鐓粗(防彎):H/D<2.53、確定變形工步齒輪坯自由鍛工藝過程:鍛件圖下料鐓粗墊環(huán)局部鐓粗沖孔沖子沖孔修整

（四）選擇鍛造設(shè)備（五）確定鍛造溫度范圍始鍛：固相線下100～200℃終鍛：高于再結(jié)晶50～100℃（六）填寫工藝卡P75表2-5半軸自由鍛工藝

鍛件圖材料:18CrMnTi坯料尺寸:Ф130×240

坯料重量:25kg鍛造設(shè)備:0.5T自由鍛錘鍛出頭部拔長(zhǎng)拔長(zhǎng)及修整臺(tái)階拔長(zhǎng)并留出臺(tái)階鍛出凹擋及拔長(zhǎng)端部并修整三、自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)原則：滿足使用性能，簡(jiǎn)單、易鍛盡量避免錐面或斜面避免圓柱與圓柱面相交避免橢圓形、工字型或其它非規(guī)則形狀截面及非規(guī)則外形避免肋板和凸臺(tái)比較下列鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性自由鍛件結(jié)構(gòu)工藝性零件結(jié)構(gòu)要符合鍛造工藝性要求，使之結(jié)構(gòu)合理，鍛造方便、節(jié)約金屬、保證鍛件質(zhì)量和能夠提高生產(chǎn)效率。自由鍛件：

1）自由鍛件設(shè)計(jì)要避免錐體和斜面結(jié)構(gòu)；2）鍛件由數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單幾何體構(gòu)成時(shí)，幾何體的交接處不應(yīng)保留空間相貫曲線；3）自由鍛鍛件上不允許設(shè)計(jì)出加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、工字形截面和空間無規(guī)則曲面形狀；4）鍛件形狀較復(fù)雜時(shí)，可設(shè)計(jì)成幾個(gè)簡(jiǎn)單件構(gòu)成的組焊或裝配結(jié)構(gòu)；第三節(jié)模鍛使金屬在模膛內(nèi)受壓產(chǎn)生塑變，獲得所需形狀、尺寸、內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的加工方法。與自由鍛相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)生產(chǎn)效率高(2)能鍛造形狀復(fù)雜的鍛件，并可使金屬流線分布變?yōu)楹侠?，進(jìn)一步提高零件的使用壽命(3)尺寸較精確，表面質(zhì)量較好，加工余量小(4)節(jié)省金屬材料，減少切削加工(5)操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低

一、錘上模鍛上模固定在錘頭上，下模固定在模墊上，通過隨錘頭作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的上模對(duì)置于下模中坯料施以直接鍛擊，來獲取鍛件的鍛造方法。二、壓力機(jī)上模鍛三、胎模鍛模具不固定在鍛造設(shè)備上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易自由鍛設(shè)備+胎模三、模鍛件結(jié)構(gòu)工藝性：

1）有一個(gè)合理的分模面；

2）外形力求簡(jiǎn)單、平直和上下對(duì)稱；

3）對(duì)垂直于分模面的非加工表面應(yīng)設(shè)計(jì)出模鍛斜度和鍛造圓角。4）避免薄壁、高筋、局部凸起等結(jié)構(gòu)。5）在可能條件下，應(yīng)采用鍛—焊組合工藝，以簡(jiǎn)化鍛造工藝和降低制造成本。第四節(jié)板料沖壓

利用沖模在壓力機(jī)上使板料分離或成形，從而獲得沖壓件的加工方法。特點(diǎn)：1、操作簡(jiǎn)單、易機(jī)械化。2、尺寸精確、表面光潔、質(zhì)量穩(wěn)定。3、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好。4、宜大批量生產(chǎn)

前提：塑性良好的薄板容易成形，可以沖壓成復(fù)雜空間立體零件，且省料、省力，產(chǎn)品精度高，表面質(zhì)量好。板料要求：

低碳鋼、鋁、銅、鎂合金等。厚度一般不超過10mm，表面無傷痕。設(shè)備：

剪板機(jī)（剪成條料）、沖床、液壓機(jī)等。數(shù)控沖床由于沖壓加工的零件的形狀、尺寸、精度要求、批量大小、原材料性能的不同。當(dāng)前，在生產(chǎn)中所采用的沖壓工藝方法也是多種多樣的，但概括起來可分成：分離工序與成形工序兩大類。1、分離工序在沖壓過程中，使沖壓件與板料沿一定的輪廓線相互分離，同時(shí)，沖壓件分離斷向的質(zhì)量，也需滿足一定的要求。特點(diǎn)：是板料受外力作用后，應(yīng)力超過σb，使得板料發(fā)生剪裂而分離。2、成形工序使沖壓毛坯在不破壞的條件下，發(fā)生塑性變形，并轉(zhuǎn)化成所要求的成品形狀，同時(shí)，也應(yīng)滿足尺寸精度方面的要求。

特點(diǎn)：是板料或冷擠壓毛坯，受外力后，應(yīng)力超過σs，但低于σb，經(jīng)塑性變形后成一定形狀。

一、沖壓工序及沖壓結(jié)構(gòu)工藝性沖壓基本工序有分離（落料、沖孔、切斷）、變形（拉深、彎曲）兩類（一）分離工序1、沖裁變形過程分彈變、塑變、分離三階段2、沖裁工藝設(shè)計(jì)沖裁件結(jié)構(gòu)工藝性分析、間隙選擇、精度確定、刃口尺寸計(jì)算等。3、沖裁件結(jié)構(gòu)工藝性力求簡(jiǎn)單、對(duì)稱、圓角過渡、避免長(zhǎng)槽懸臂、精度適當(dāng)。4、整修與精密沖裁沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性（1）對(duì)沖裁件的要求

沖裁件的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單、對(duì)稱，有利于材料的合理利用，同時(shí)應(yīng)避免長(zhǎng)槽與細(xì)長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，否則模具制造困難。沖裁件的內(nèi)外轉(zhuǎn)角處，也要圓弧連接，避免尖角。（2）對(duì)彎曲件的要求彎曲件形狀應(yīng)盡量對(duì)稱，彎曲半徑不能小于材料允許的最小彎曲半徑，并考慮材料纖維方向，以免成形過程中彎裂。（3）對(duì)拉深件的要求拉深件外形應(yīng)簡(jiǎn)單、對(duì)稱，且不宜太高。以便使拉深次數(shù)盡量少，并容易成形。拉深件的圓角半徑如圖所示。應(yīng)滿足：rd≥s，R≥2s，r≥35。否則，應(yīng)增加整形工序。

（4）改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化工藝及節(jié)省材料1)采用沖焊結(jié)構(gòu)

對(duì)于形狀復(fù)雜的沖壓件、可先分別沖制若干個(gè)簡(jiǎn)單件，然后再焊接成整體件2)采用沖口工藝，以減少組合件數(shù)量

3)在使用性能不變的情況下，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化拉深件結(jié)構(gòu)，以便減少工序，節(jié)省材料，降低成本。如消聲器后蓋零件結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，材料減少50％。

（二）彎曲工序?qū)⒉牧蠌澢梢欢ń嵌群托螤畹墓に嚒?、彎曲變形過程與特點(diǎn)2、彎曲工藝設(shè)計(jì)3、彎曲件的結(jié)構(gòu)工藝性（三）拉深平面板料成形為中空形狀零件的沖壓工序本章小結(jié)金屬的可鍛性及影響因素，常用金屬材料的可鍛性。自由鍛、板料沖壓的一般概念。作業(yè)補(bǔ)充題：１、壓力加工有何特點(diǎn)？２、影響金屬可鍛性的因素有哪些？舉例說明。

手工電弧焊、電源接法，焊條及選用，焊接接頭及其組織、性能。預(yù)習(xí)生產(chǎn)中熱軋低碳鋼板，有時(shí)因含碳量偏低強(qiáng)度不夠，為提高強(qiáng)度，采用熱軋后吹風(fēng)甚至噴霧冷卻，試解釋其原因。答：增加熱軋鋼板的冷卻速度，提高了過冷度，從而提高了形核率，使冷卻后熱軋低碳鋼鋼板的組織為F+S或F+T，晶粒變小，因此提高了熱軋低碳鋼鋼板的強(qiáng)度值。

為什么比較重要的大截面的結(jié)構(gòu)零件必須用合金鋼制造？與碳鋼比較，合金鋼有何優(yōu)點(diǎn)？答：碳鋼制成的零件尺寸不能太大，否則淬不透，出現(xiàn)內(nèi)外性能不均，對(duì)于一些大型的機(jī)械零件，要求內(nèi)外性能均勻，就不能采用碳鋼制作，(1)合金鋼的淬透性高(2)合金鋼回火抗力高(3)合金鋼能滿足一些特殊性能的要求，如耐熱性、耐腐蝕性、耐低溫性（低溫下高韌性）。某型號(hào)的柴油機(jī)凸輪軸，要求凸輪表面有高的硬度（>50HRC），而心部具有良好韌性，原來采用45鋼調(diào)質(zhì)處理再在凸輪表面進(jìn)行高頻淬火，最后低溫回火，現(xiàn)因工廠庫(kù)存的45鋼已用完，只剩15鋼，擬用15鋼代替。試說明：(1)原45鋼各熱處理工序的作用(2)改用15鋼后，仍按原熱處理工序進(jìn)行能否滿足性能要求？為什么？(3)改用15鋼后，為達(dá)到所需要的性能，在心部強(qiáng)度足夠的前提下，應(yīng)采用何種工藝。答：（1）45鋼調(diào)質(zhì)，獲良好的綜合性能 表面淬火+低溫回火，使表面獲較高的硬度和耐磨性（2）改用15鋼后仍按原工藝，不能滿足性能要求。因15鋼含C量低，調(diào)質(zhì)后綜合性能遠(yuǎn)不及45鋼，特別是強(qiáng)度和硬度（3）改用15鋼后，應(yīng)采用滲碳工藝，滲碳后淬火+低溫回火處理，心部保持足夠的強(qiáng)韌性，表面具有較高的硬度。要制造車刀、銼刀、彈簧、滾動(dòng)軸承、機(jī)床床身等零件，試從下列牌號(hào)中分別選出合適的材料并敘述所選材料的名稱、成分、熱處理工藝和零件制成后的最終組織。

T1265MnHT200W18Cr4VGCr15

答：車刀：W18Cr4V高速鋼；W%