金屬工藝學 第三篇 鍛造

金屬工藝學第三篇鍛造第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第三篇金屬的塑性

成形工藝第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六鍛造工藝沖壓工藝軋制工藝擠壓工藝其他特種成形工藝塑性成型工藝（也稱壓力加工）：在不破壞金屬自身完整性的情況下，利用外力的作用使金屬發(fā)生塑性變形獲得毛坯或零件的加工方法，稱為。外力：沖擊力（錘類設備）和壓力（軋機和壓力機）第三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六§1

金屬塑性變形實質近代物理的金屬滑移與位錯理論表明：金屬的塑性變形是由于金屬在外力作用下，晶粒之間產生相對移動的結果。第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六滑移面整體剛性滑移ττττ第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六線缺陷第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六多晶體的塑性變形可以看作是：單個晶粒的位錯及晶粒之間的滑動和轉動的綜合結果。P第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六從以上的分析可知：金屬在發(fā)生塑性變形時，是從彈性塑性的過程，其中一定存在“殘余”的彈性變形，當外力去除后，彈性變形將恢復，既“彈復”現象。彈復現象的存在，對金屬的壓力加工精度產生很大的影響。如：產生尺寸誤差。第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六§2塑性變形后金屬的組織和性能一、金屬塑性變形后的組織和性能

在常溫下經塑性變形后，金屬內部組織將發(fā)生如下變化：

①晶粒沿變形最大的方向伸長；②晶格與晶粒均發(fā)生扭曲，產生內應力；③晶粒間產生碎晶。第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六加工硬化:隨著塑性變形量的增加，金屬的強度和硬度逐漸升高，塑性、韌性逐漸降低的現象。又稱冷變形強化。有利：強化金屬材料，可通過冷軋、噴丸等方法對金屬進行強化的理論根據。不利：進一步的塑性變形帶來困難。是一種不穩(wěn)定現象，有自發(fā)回復到溫度狀態(tài)的傾向。第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

溫度升高，原子獲得了熱能，熱運動就會加劇，使原子排列回復到正常狀態(tài)，從而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化，這個過程稱為回復。T回=

(0.25～0.3)T熔當溫度繼續(xù)升高時，金屬原子獲得更多的熱能，開始以碎晶或雜質為核心結晶成細小而均勻的再結晶新晶粒，從而消除全部加工硬化，這個過程稱為再結晶。T再=

0.4T熔在再結晶溫度以上加熱已產生加工硬化的金屬，使其發(fā)生再結晶而再次獲得良好的塑性，這種操作工藝稱為再結晶退火。這一特性在生產中得到廣泛應用：----如冷軋帶鋼通過再結晶退火，提高材料的綜合性能，尤其是塑性。進一步可用冷軋帶鋼來加工鋼窗型材等。----如在板料拉深工藝中，通過退火提高塑性可增加變形程度。如日用品中的臉盆、飯缸等。當金屬在大大高于再結晶溫度下受力變形時，冷變形強化和再結晶過程同時存在，變形中的強化和硬化隨即被再結晶過程消除。第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六二、金屬塑性變形分類

在再結晶溫度以上的塑性變形稱為:熱變形在再結晶溫度以下的塑性變形稱為:冷變形

第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.熱變形及其影響1）不產生加工硬化2）使組織得到改善，提高了力學性能①細化晶粒；②壓合了鑄造缺陷；3）形成纖維組織③組織致密。2.纖維組織

鑄錠在壓力加工中產生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質形狀都將沿著變形方向被拉長，呈纖維狀，叫纖維組織。第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

變形程度越大，纖維組織越明顯。為了獲得具有最佳力學性能的零件，應充分利用纖維組織的方向性．一般應遵循兩項原則：①使纖維分布與零件的輪廓相符合而不被切斷；②使零件所受的最大拉應力與纖維方向一致，最大切應力與纖維方向垂直。三、纖維組織的利用原則存在纖維組織的金屬，具有各向異性的性質:

（1）在平行于纖維組織的方向上：塑性、韌性提高，材料的抗拉強度提高（2）在垂直于纖維組織的方向上：塑性、韌性降低，材料的抗剪強度提高第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六四、

鍛造比

金屬的變形程度通常用鍛造比來表示。即：AAOY拔=AO

/AY鐓=HO/H0HHAO

、A——坯料變形前、后的截面積。HO

、H——坯料變形前、后的高度。第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

§3金屬的可鍛性可鍛性----是綜合衡量材料在經受壓力加工時獲得優(yōu)質制品難易程度的工藝性能。

一.金屬的本質(內因)1.化學成分的影響

一般情況下，純金屬的可鍛性比合金的好；碳鋼含碳量越低，可鍛性越好；合金中含有碳化物形成元素時，其可鍛性顯著降低。如鉻、鉬、釩、鎢等合金鋼都不易鍛造?？慑懶院辖鸪煞?可鍛性常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。塑性越好，變性抗力越小，可鍛性越好。金屬的可鍛性取決于金屬的本質和加工條件。第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六純金屬和固溶體（如奧氏體）可鍛性好，碳化物（如滲碳體）的可鍛性差；晶粒細小而又均勻的組織可鍛性好于鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒組織。2.金屬組織的影響二、加工條件的影響(外因)1.變形溫度的影響變形溫度：變形溫度越高，材料的可鍛性越好。注意:若加熱溫度過高，晶粒急劇長大，金屬力學性能降低，產生“過熱”。后果與解決辦法：鍛造易擊碎，退火消除。若加熱溫度接近熔點，晶界氧化破壞了晶粒間的結合，金屬失去塑性而報廢，這種現象稱為“過燒”。金屬鍛造加熱時允許的最高溫度稱為始鍛溫度。停止鍛造時的溫度稱終鍛溫度。

鍛造溫度是指始鍛溫度與終鍛溫度之間的溫度。第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2．變形速度的影響

變形速度即單位時間內的變形程度。它對金屬鍛造性的影響可分為兩個階段。第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3、應力狀態(tài)的影響

金屬在進行不同方式的變形時，所產生應力的大小和性質(壓應力或拉應力)是不同的。實踐證明,壓應力數目越多，塑性越好。拉應力數目越多，塑性越差。

三向壓應力—塑性最好、變形抗力最大。

三向拉應力—塑性最差。變形抗力最小.同號應力的變形抗力大于異號應力的變形抗力。

第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第二章鍛造鍛壓成形工藝可分為：自由鍛造成形（也稱自由鍛）模膛鍛造成形（也稱模鍛）

利用沖擊力或壓力使金屬在砥鐵或鍛模中變形，從而獲得所需形狀和尺寸的鍛件的工藝方法。第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六一、自由鍛造成形（也稱自由鍛）：

概念：是用沖擊力或壓力使金屬在鍛造設備的上下砧塊（或砥鐵）間產生塑性變形，獲得所需幾何形狀及內部品質的鍛件加工方法。坯料在受力變形時可沿著變形方向自由流動，不受限制。又可分為手工自由鍛（已逐漸被淘汰）和機器自由鍛。

特點：

優(yōu)點：使用工具簡單、通用，生產周期短，靈活性大使用范圍廣。特別適合單件、小批生產，而且是大型鍛件唯一的鍛造方法。

缺點：生產效率低，對工人的操作技術要求高，工人勞動強度大，鍛件精度差，后續(xù)機加工余量大?！?鍛造方法第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

自由鍛設備：鍛錘壓力機空氣錘蒸汽—空氣錘水壓機油壓機65~750Kg630Kg~5T落下部分總重量=活塞+錘頭+錘桿滑塊運動到下始點時所產生的最大壓力鍛錘噸位=壓力機噸位=第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1、自由鍛工序第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2、鍛件分類及基本工序方案第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六二、模膛鍛造成形（也稱模鍛）：

概念：是使加熱到鍛造溫度的金屬坯料在鍛模模膛內一次或多次承受沖擊力或壓力的作用，而被迫流動成形以獲得鍛件的壓力加工方法。特點（與自由鍛相比）：①生產效率高；②鍛件尺寸精度高，機加工余量小；③可鍛造形狀較復雜的鍛件；④可實現大批量生產，節(jié)省金屬材料，降低成本；⑤操作簡單，易于實現機械化、自動化。模鍛按使用設備不同可分為：錘上模鍛、曲柄壓力機上模鍛、摩擦壓力機上模鍛、胎模鍛等。第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六錘上模鍛所用設備有蒸汽-空氣錘、無砧座錘、高速錘等。一般工廠主要使用蒸汽-空氣錘，其噸位為10～160N，可鍛造0.5～150kg的鍛件。

第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六是由上模和下模兩部分組成。上下模合在一起，中間部分形成完整的模膛。鍛模上有分模面和飛邊槽。鍛模模膛—形成鍛件基本形狀和尺寸的空腔。飛邊槽橋部—增加金屬流動的阻力，促使金屬充滿模膛。倉部—容納多余的金屬。錘上模鍛:第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

模膛的分類(按功能)模膛模鍛模膛制坯模膛終鍛模膛預鍛模膛拔長模膛滾壓模膛彎曲模膛切斷模膛第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

根據模鍛件的復雜程度，所需變形的模膛數量不等，可將鍛模設計成單膛鍛?；蚨嗵佩懩?。單膛鍛模：一副鍛模上只具有一個終鍛模膛。多膛鍛模：是在一副鍛模上具有兩個以上模膛的鍛模。彎曲連桿零件第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2、胎膜鍛

在自由鍛設備上利用胎具生產鍛件的方法。先采用自由鍛方法制坯，然后在胎模中成形。因此，其生產特點具有某些自由鍛與模鍛的特點。胎模的種類主要有三種：扣模、筒模、合模。與自由鍛比較具有的特點：（1）操作簡便，生產率高，對工人技術要求不高。（2）鍛件形狀、尺寸精度高，敷料少、加工余量小。（3）內部組織致密，纖維組織分布更符合性能要求。與模鍛比較具有的特點：（1）設備簡單。（2）工藝靈活，可以局部成形。（3）胎具簡單，制造容易。第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六（1）扣模

對坯料進行全部或局部扣形，生產長桿非回轉體鍛件；也可為合模進行制坯。第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六（2）筒模

主要用于鍛造齒輪、法蘭盤等盤類鍛件。（d）組合筒模第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六（2）合模

由上模和下模組成，并有導向機構，可生產形狀復雜、精度較高的非回轉體鍛件。第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六§2鍛造工藝規(guī)程的制定錘上模鍛工藝規(guī)程包括：繪制模鍛件圖、計算坯料尺寸、確定模鍛工步（選擇模膛）、選擇設備及安排修整工序。其中最主要的是模鍛件圖的繪制和模鍛工步的確定。模鍛件圖的繪制模鍛工步的確定及模膛種類的選擇模鍛件的結構工藝性第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.敷料為簡化鍛件形狀、便于進行鍛造而增加的一部分金屬。2.鍛件余量為保證切削加工的精度而增加的尺寸。3.鍛件公差允許鍛件尺寸的變化范圍。1、

繪制鍛件圖1)確定加工余量、公差和敷料§2鍛造工藝規(guī)程的制定第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2、下料坯料的質量、尺寸計算；

G坯料=G鍛件+G燒損+G料頭

3、鍛造工序的確定：選擇什么工序，工序順序，控制工序

寸，畫出工序草圖；

4、確定噸位，即選擇設備；

5、確定溫度范圍：主要根據相圖和合金材料；

6、熱處理工藝：表面淬火、退火等；

7、制訂技術要求和合格檢驗要求；

8、填寫工藝卡片。第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六2）分模面的選擇①分模面應選在鍛件的最大截面處；②分模面的選擇應使模膛淺而對稱；③分模面的選擇應使鍛件上所加敷料最少；④分模面應最好是平直面。上下鍛模的模膛深度基本一致,便于鍛模制造。分模面是指上下鍛模在模鍛件上的分界面。按上述原則綜合分析，圖中的d—d面是最合理的分模面。第三十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六3）設計模鍛斜度外壁斜度：5~7°內壁斜度：7~12°4）設計模鍛圓角外圓角：r=1.5~12mm內圓角：R=（2~3）r5）確定沖孔連皮:當孔徑為25~80mm時,沖孔連皮厚度取4~8mm.模鍛斜度：5~15°。與模膛深度與寬度的比值（h/b）有關，比值越大，斜度值越大。第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六模鍛件圖繪制實例：10°5°R8第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六二、坯料重量和尺寸的確定坯料重量可按下式計算：

G坯料=G鍛件+G燒損+G料頭坯料尺寸：按坯料的重量、截面形狀及尺寸確定鍛件截面及尺寸。第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六三、

模鍛工步的確定及摸膛種類的選擇圓盤類零件：鐓粗預鍛終鍛長桿類零件：制坯預鍛終鍛第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.盡量避免鍛件上的斜面、錐體等復雜形面。2.鍛件體應由簡單幾何體構成且其交線為簡單曲線、避免復雜曲線，如相貫線等。3.鍛件上不應設計筋條（板）、凸臺、工字形等。4.鍛件的截面有急劇變化或形狀復雜時，應設計成由幾個簡單體構成的組合體。一、自于鍛件的結構工藝性§3

模鍛件結構工藝性第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1.有合理的分模面，保證鍛件易于從鍛模中取出鍛件；2.零件的外形應力求簡單、對稱、平直；避免薄壁、高筋、凸起等結構；3.非加工表面應設計模鍛斜度；兩個非加工面所形成的角都應按模鍛圓角設計。二、模鍛件的結構工藝性第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六4.避免設計深孔、多孔結構；5.采用鍛焊組合工藝。第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第三章板料的沖壓成形工藝板料的沖壓成形：是利用沖模使板料產生分離或變形的成形工藝。通常在常溫下進行，所以又叫冷沖壓。當板厚＞8--10毫米時，才用熱沖壓。①便于實現自動化，生產率很高，操作簡便。②沖壓件一般不需再進行切削加工，因而節(jié)省原材料，節(jié)省能源消耗。③原材料是表面品質好的板料或帶料，所以產品質量小、強度高、剛性好。④產品尺寸穩(wěn)定，互換性好，可以成形形狀復雜的零件。特點：

應用：在汽車、拖拉機、航空、電器、儀表、國防以及日用品工業(yè)中，沖壓件占有相當大的比例。常見沖壓材料---低碳鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金及塑性高的合金鋼。非金屬材料如橡膠、皮革、毛氈、硬紙板等。設備及模具----板料沖壓是在沖床上利用模具進行沖壓加工。第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六拖拉機：400多個。三米收割機：1000多個。第四十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六沖壓設備1.剪床：2.沖床：下料設備1）斜刃剪2）平刃剪3）圓盤剪沖壓設備1）開式沖床2）閉式沖床第五十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)分離工序第二節(jié)成形工序第三節(jié)沖模的分類和構造內容：第五十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六§1

分離工序

落料及沖孔(統稱沖裁):是使坯料按封閉輪廓分離的工序。落料:被分離的部分為成品，而留下的部分是廢料；沖孔:被分離的部分為廢料，而留下的部分是成品。例如沖制平面墊圈，制取外形的沖裁工序稱為落料,而制取內孔的工序稱為沖孔。

1分離工序：是使坯料的一部分相對于另一部分相互分離的工序，包括剪切、沖裁、修整等。二、落料及沖孔一、剪切：使坯料沿不封閉輪廓產生分離。包括：斜刃剪、平刃剪、圓盤剪。第五十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六(1)沖裁變形過程的三個階段當凸、凹模的間隙正常時，沖裁變形過程可分為三個階段：1、沖裁變形過程①彈性變形階段。塑性變形階段彈性變形階段斷裂分離階段②塑性變形階段。③斷裂分離階段。第五十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

①圓角帶是材料被彎曲和拉伸變形的結果。②光亮帶是材料受到剪切和擠壓應力的作用而形成的。③斷裂帶是由于刃口處的微裂紋在拉應力作用下不斷擴展斷裂而形成的。(2)沖裁件切斷面上的區(qū)域特征沖裁件的切斷面不很光滑，并有一定錐度。它可分成三個較明顯的區(qū)域:圓角帶、光亮帶、斷裂帶。第五十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六斷面特點:斷面上形成第二光亮帶缺點:①增大了沖裁力、卸料力和推件力，加劇了凸、凹模的磨損，縮短了模具壽命。②板料在過小間隙沖裁時受到擠壓而產生壓縮變形，所以沖裁件的尺寸略有變化:

落料件的外形尺寸增大；沖孔件的孔腔尺寸縮小。

2、凸、凹模間隙

凸、凹模的間隙不僅嚴重影響沖裁件的斷面品質，而且影響模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度。(1)間隙過小第五十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六缺點：因彈性回復而使落料件的外形尺寸縮小，沖孔件的內腔尺寸增大，品質較差。(2)間隙過大斷面特點：切斷面光亮帶減小，圓角帶與錐度增大，形成厚大的拉長毛刺。優(yōu)點：推件力與卸料力減小，甚至為零，材料對凸、凹模的摩擦作用大大減弱，所以模具壽命較長。應用:對于批量較大而公差又無特殊要求的沖裁件，可適當采用“大間隙”沖裁。第五十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

當間隙合理時，沖裁力、卸料力和推件力適中，模具有足夠長的壽命。這時光亮帶占板厚的l／2～l／3，圓角帶、斷裂帶和錐度均很小。零件的尺寸幾乎與模具一致，完全可以滿足使用要求。(3)間隙合理合理的間隙值可查表選?。畬_裁件品質要求較高時，可將表中數據減小l／3。單邊間隙(c)的合理數值可按下述經驗公式計算：c=mδδ—板料厚度。

m—與板料厚度及性能有關的系數。第五十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六

設計沖孔模：以凸模刃口作設計基準。

D凸

=d孔，D凹

=D凸

+Z注意：沖孔凸?；境叽鐟」ぜ叽绻罘秶鷥鹊淖畲蟪叽?。3．凸、凹模刃口尺寸的確定

在沖裁件尺寸的測量和使用中，都是以光亮帶的尺寸為基準的。設計落料模：以凹模作為設計基準。D凹

=d落，D凸=D凹

-Z注意：落料凹模基本尺寸應取工件尺寸公差范圍內的最小尺寸。12第五十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六兩種排樣類型：4．沖裁件的排樣排樣:指落料件在條料、帶料或板料上合理布置的方法。排樣合理可使廢料最少，板料利用率最大。

②有搭邊排樣。①無搭邊排樣。第五十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六三、修整

修整:利用修整模沿沖裁件外緣或內孔刮削一薄層金屬，以切掉沖裁件切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的一種工藝方法。修整機理相當于切削加工，大間隙沖裁件，單邊修整量約板厚的10%；小間隙沖裁件單邊修整量取板厚的8%以下。修整時應合理確定修整余量及修整次數。修整后沖裁件公差等級達IT6～IT7，表面粗糙度Ra=0.8～1.6μm。

第六十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六§2成形工序

成形工序：使坯料的一部分相對于另一部分產生位移而不破裂的工序，如拉深、彎曲、翻邊、脹型、旋壓等。

一、拉深

拉深：利用拉深模使板料變成開口空心件的沖壓工序?？梢灾瞥赏残?、階梯形、盒形、球形、錐形及其它復雜形狀的薄壁零件。第六十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六1、拉深變形過程及特點變形特點：第六十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六①變形區(qū)是板料的凸緣部分，其它部分是傳力區(qū)；②板料變形在切向壓應力和徑向拉應力的作用下，產生切向壓縮和徑向伸長的變形。③金屬材料塑性流動越大，板料直徑越大，拉探后筒形直徑越小，其變形程度就越大。第六十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期六防止措施：①正確選擇拉探系數。m=d/D

a)、m≥0.5～0.8