《制造工程基礎(chǔ)》課件 第二章 金屬的塑性成形

第二章

金屬的塑性成形

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(dá)到毛坯零件得到1、金屬塑性成形的定義壓力很大，功率巨大，又稱為壓力加工。

材料的塑性是塑性成形的前提條件（內(nèi)因）；對(duì)加工材料施加外力和做功（外因）。兩個(gè)基本成形條件：2、金屬塑性成形技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1．力學(xué)性能高1）組織致密；2）晶粒細(xì)化；3）壓合鑄造缺陷；4）使纖維組織合理分布。2．節(jié)約材料1）力學(xué)性能高，承載能力提高；2）減少金屬消耗（與切削加工相比）。3．生產(chǎn)率高4．精度較高缺點(diǎn)：不能加工脆性材料（如鑄鐵）和形狀特別復(fù)雜（特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜）或體積特別大的零件或毛坯。1.1金屬塑性變形的本質(zhì)1.1.1單晶體（晶內(nèi)）的塑性變形

(a)未變形(b)彈性變形(c)彈塑性變形(d)彈性恢復(fù)后的塑性變形單晶體滑移變形晶體的一部分相對(duì)一部分沿一定的晶面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。1.1.1單晶體（存在缺陷）的塑性變形

(a)未變形(b)位錯(cuò)移動(dòng)(c)位錯(cuò)移動(dòng)(d)塑性變形位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形1.1.2多晶體（實(shí)際金屬）的塑性變形

多晶體塑性變形的主要方式是滑移變形。晶內(nèi)：滑移晶間：滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)

宏觀塑性變形多晶體塑性變形1.2金屬塑性變形的組織和性能1.冷變形及其影響1）組織變化的特征：①晶粒沿變形最大方向伸長(zhǎng)；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：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：常溫下經(jīng)塑性變形后，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。（a）原始組織（b）變形后的組織圖鑄錠變形前后的組織回復(fù)：加熱到回復(fù)溫度(=(0.2~0.3)T熔點(diǎn)(K))時(shí)，使金屬內(nèi)部原子回復(fù)到平衡狀態(tài)，加工硬化部分消除；再結(jié)晶：加熱到再結(jié)晶溫度時(shí)，金屬原子開始以碎晶或雜質(zhì)為核心生長(zhǎng)成新的晶粒，完全消除加工硬化。塑性變形前的組織塑性變形后的組織金屬回復(fù)后的組織再結(jié)晶組織純金屬的再結(jié)晶溫度：T再=0.4T熔點(diǎn)

(K)2.熱變形及其影響1）不產(chǎn)生加工硬化2）使組織得到改善，提高了力學(xué)性能①細(xì)化晶粒；②壓合了鑄造缺陷；③組織致密。1.3纖維組織的利用原則（1）在平行于纖維組織的方向上：材料的抗拉強(qiáng)度提高（2）在垂直于纖維組織的方向上：材料的抗剪強(qiáng)度提高纖維組織的分布比較1.4塑性變形理論及假設(shè)1.4.1最小阻力定律（

LeastResistance）在變形過程中，如果金屬質(zhì)點(diǎn)有可能向各個(gè)不同方向移動(dòng)，則每一質(zhì)點(diǎn)將沿著阻力最小方向移動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)阻力最小方向是通過該質(zhì)點(diǎn)指向金屬變形部分周邊的法線方向。圓形正方形矩形坯料鐓粗時(shí)不同截面上質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向1.4.2體積不變條件由于塑性變形時(shí)金屬密度變化很小，所以可以認(rèn)為變形前后的體積相等。實(shí)際上在變形中有微小變化。氣孔、縮松被壓合、氧化及耗損等。1.4.3金屬塑性變形程度的計(jì)算金屬的可鍛性是金屬材料在壓力加工時(shí)成形的難易程度。可鍛性的衡量指標(biāo)1）塑性：2）變形抗力：材料的塑性越好，其可鍛性越好。材料的變形抗力越小，其可鍛性越好。1.5影響塑性變形的因素一、材料性質(zhì)二、加工條件三、應(yīng)力狀態(tài)化學(xué)成分變形溫度金屬組織變形速度一、材料性質(zhì)化學(xué)成分碳

鋼：Fe和C合金鋼：Fe、C和其他合金元素雜

質(zhì)：S、P、N、H、O碳：隨著碳含量的增加，滲碳體的量增加，從而使的塑性降低，抗力提高。磷：有害雜質(zhì)。冷脆性硫：有害雜質(zhì)。熱脆性（FeS）氮：Fe4N使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，塑性和韌性大為降低。氫：氫脆現(xiàn)象氧：Fe3O4、FeO、MnO和SiO2等雜質(zhì)形式存在。金屬組織1.單相組織比多相組織塑性好，變形抗力低；2.晶粒細(xì)化有利于提高金屬的塑性，同時(shí)提高變形抗力；3.鑄態(tài)組織具有粗大晶粒和夾雜、氣泡、縮孔和縮松等缺陷時(shí)，會(huì)降低金屬的塑性。二、加工條件變形溫度變形速度三、應(yīng)力狀態(tài)三向壓應(yīng)力—塑性最好三向拉應(yīng)力—塑性最差金屬塑性變形時(shí)，三個(gè)方向中壓應(yīng)力的數(shù)目越多，則金屬表現(xiàn)出的塑性越好；拉應(yīng)力的數(shù)目多，則金屬的塑性就差。金屬的可鍛性取決于金屬的性質(zhì)和變形條件。力求創(chuàng)造最有利的變形加工條件，提高塑性，降低變形抗力，達(dá)到塑性加工的目的。應(yīng)使能耗低、耗材少、生產(chǎn)率高、品質(zhì)好。第7章鍛造成形技術(shù)7.1自由鍛（熱變形）7.2模鍛

錘上模鍛、壓力機(jī)上模鍛7.3胎模鍛2.1自由鍛（熱變形）上砧鐵下砧鐵坯料——利用沖擊力或靜壓力使金屬在上下兩個(gè)砧鐵之間產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀及尺寸的鍛件?！に囲`活，通用性強(qiáng)；—精度低，加工余量大；—是大型和特大型鍛件的唯一成形方法。根據(jù)變形性質(zhì)和程度不同，自由鍛工序可分為：基本工序、輔助工序和精整工序。工序基本工序輔助工序精整工序鐓粗、拔長(zhǎng)沖孔、彎曲扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)移壓鉗口壓棱邊壓肩整形鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、彎曲、扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)移鐓粗：是使坯料高度減小、橫截面積增大的工序。適于餅塊、盤套類鍛件的生產(chǎn)。2.1.1自由鍛工序2.1.1.1基本工序全鐓粗局部鐓粗高度和直徑比圓形截面：2.5~3方形截面：3.5~4全鐓粗局部鐓粗鐓粗部分高度和直徑比

2.5~3拔長(zhǎng)：是使坯料橫截面積減小、長(zhǎng)度增大的工序。適于軸類、桿類鍛件的生產(chǎn)。2.1.1.1基本工序沖孔：是使坯料具有通孔或盲孔的工序。2.1.1.1基本工序<25mm的孔不鍛出薄坯料（H/D<0.125），一次沖出；坯料較厚，一邊沖孔深到2/3時(shí)，翻轉(zhuǎn)工件，從反面沖透。坯料直徑/孔徑>2.52.1.1.2自由鍛輔助工序——壓肩，壓鉗口等，是在基本工序之前的預(yù)變形工序。壓肩2.1.1.3自由鍛精整工序——清除鍛件表面凸凹不平，整形等以提高鍛件的尺寸及位置精度等的工序，在基本工序之后進(jìn)行。自由鍛造成形過程零件圖繪制鍛造圖計(jì)算坯料質(zhì)量和尺寸、下料確定工序、加熱溫度和設(shè)備等加熱坯料鍛打檢驗(yàn)鍛件2.1.2自由鍛

工藝設(shè)計(jì)——根據(jù)零件圖繪制鍛件圖、計(jì)算坯料的質(zhì)量與尺寸、確定鍛造工序、選擇鍛造設(shè)備和確定坯料加熱、冷卻及熱處理規(guī)范和填寫工藝卡等。2.1.2.1繪制鍛件圖——在零件圖的基礎(chǔ)上考慮加工余量、鍛造公差、工藝余塊（敷料）等之后繪制的圖，它是組織生產(chǎn)過程、制定操作規(guī)范、控制和檢驗(yàn)產(chǎn)品品質(zhì)的依據(jù)。敷料加工余量鍛件公差考慮因素：2.1.2.1繪制鍛件圖敷料為了簡(jiǎn)化鍛件形狀便于鍛造而增添的金屬部分2.1.2.1繪制鍛件圖鍛造余量典型鍛件圖2.1.2.2計(jì)算坯料的質(zhì)量及尺寸自由鍛所用坯料的質(zhì)量為鍛件的質(zhì)量與鍛造時(shí)各種金屬消耗的質(zhì)量之和，可由下式計(jì)算：G坯料=G鍛件+G燒損+G料頭

G燒損——首次加熱取(2~3%)G鍛件,以后每次加熱，取(1.5~2.0%)G鍛件

G料頭——

(2~4%)G鍛件（鍛鋼件）2.1.2.2計(jì)算坯料的質(zhì)量及尺寸根據(jù)坯料重量和比重確定體積；坯料的橫截面尺寸的確定與第一基本工序有關(guān)；還必須考慮鍛造比。鍛件質(zhì)量是根據(jù)名義尺寸計(jì)算的：G鍛件

=r×V鍛件

式中：G鍛件

——鍛件的質(zhì)量

r

——金屬的密度V鍛件——鍛件的體積

2.1.2.3基本工序的選用軸類件:拔長(zhǎng)（鐓粗、拔長(zhǎng)）、壓肩、鍛臺(tái)階筒類件:鐓粗（拔長(zhǎng)、鐓粗）、沖孔、心軸上拔長(zhǎng)環(huán)類件:鐓粗（拔長(zhǎng)、鐓粗）、沖孔、心軸上擴(kuò)孔彎曲類件:拔長(zhǎng)（鐓粗、拔長(zhǎng)）、彎曲曲軸類件:拔長(zhǎng)（鐓粗、拔長(zhǎng)）、錯(cuò)移、扭轉(zhuǎn)盤類件:鐓粗（局部鐓粗）、沖孔鍛件類別圖例鍛造工序盤類零件鐓粗（或拔長(zhǎng)－鐓粗），沖孔等軸類零件拔長(zhǎng)（或鐓粗－拔長(zhǎng)），壓肩，鍛臺(tái)階等桶類零件鐓粗（或拔長(zhǎng)－鐓粗），沖孔，在芯軸上拔長(zhǎng)等環(huán)類零件鐓粗（或拔長(zhǎng)－鐓粗），沖孔，在芯軸上擴(kuò)孔等彎曲類零件拔長(zhǎng)，彎曲等2.1.2.4選擇鍛造設(shè)備（確定噸位數(shù)G）鐓粗:G=（0.002~0.003）?

K?A[Kg]

式中,K—與材料強(qiáng)度極限有關(guān)的因數(shù)，查表確定；

A—鐓粗后的橫截面積，cm3。

拔長(zhǎng):G=2.5?A0A0—拔長(zhǎng)前的橫截面積，cm3。查表法

經(jīng)驗(yàn)類比法；2.1.2.5坯料加熱確定鍛造溫度范圍的原則：

鍛造溫度范圍應(yīng)盡可能寬，以便有充足的鍛造時(shí)間，從而降低加熱次數(shù)和材料消耗，提高生產(chǎn)率。2.1.3自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性原則1：避免錐體或斜面結(jié)構(gòu)。在滿足使用性能的前提下，鍛件的形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，易于鍛造。原則2：避免幾何體之間的相交線為空間曲線。原則3：避免加強(qiáng)筋、凸臺(tái)。原則4：合理采用組合結(jié)構(gòu)。44自由鍛典型過程舉例①盤類鍛件的鍛造過程②軸類鍛件的鍛造過程2.2模鍛——將金屬坯料置于鍛模模膛內(nèi)，在沖擊力和壓力下產(chǎn)生塑性流動(dòng)，充滿模膛并獲得與之形狀相同的鍛件。

特點(diǎn)（與自由鍛相比）：生產(chǎn)率高、易于機(jī)械化，可成批大量生產(chǎn)；能鍛造形狀復(fù)雜的鍛件，并可使金屬流線分布更為合理，提高零件的使用壽命；鍛件尺寸精度高，Ra值??；節(jié)省金屬材料，減少切削加工工作量。但是：模具成本高，需有專用的模鍛設(shè)備，不適合于單件或小批量生產(chǎn)2.2.1模鍛的分類（按鍛模類型）2.2.1.1胎模鍛——是在自由鍛設(shè)備上使用簡(jiǎn)單的非固定模具（胎模）生產(chǎn)模鍛件的一種工藝方法。2.2.1.2錘上模鍛——利用鍛模錘，產(chǎn)生沖擊力使金屬變形，可以多次鍛打成形。2.2.2鍛模模膛及其功用鍛模結(jié)構(gòu)：1－錘頭

2－上模

3－飛邊槽

4－下模

5－模墊

6、7、10－緊固楔鐵

8－分模面

9－模膛2.2.2鍛模模膛及其功用——按功能可分為：模鍛模膛和制坯模膛。模鍛模膛分為：終鍛模膛和預(yù)鍛模膛；制坯模膛分為：拔長(zhǎng)、滾擠、彎曲、切斷模膛等2.2.2鍛模模膛及其功用終鍛模膛：終鍛模膛尺寸>鍛件尺寸模膛四周有飛邊槽：沖孔連皮帶有沖孔連皮及飛邊的模鍛件1—飛邊；2—分模面；3—沖孔連皮；4—鍛件預(yù)鍛模膛：沒有飛邊槽；圓角和斜度較大。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單或批量不大的模鍛件可以不設(shè)預(yù)鍛模膛。使坯料變形到接近于鍛件的形狀和尺寸，這樣再進(jìn)行終鍛時(shí)金屬容易充滿終鍛模膛，同時(shí)也減小了終鍛模膛的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。制坯模膛：拔長(zhǎng)、滾擠、彎曲、切斷模膛等拔長(zhǎng)模膛：減少橫截面積，增加長(zhǎng)度。滾擠模膛：減少某部分橫截面積，

增加另一部分的橫截面積。彎曲模膛：對(duì)于彎曲的桿類模鍛件，

需用彎曲模膛來彎曲坯料。切斷模膛：在上模與下模的角部組成

一對(duì)刀口，用來切斷金屬

成形模膛、鐓粗臺(tái)及擊扁面單膛鍛?；蚨嗵佩懩?。模鍛過程零件圖繪制模鍛件圖計(jì)算坯料質(zhì)量和尺寸確定工序、加熱溫度、設(shè)備等模膛設(shè)計(jì)和制造坯料加熱模鍛修整（切邊、沖連皮等）熱處理、清理、精壓、檢驗(yàn)合格鍛件2.2.3模鍛工藝規(guī)程的制定——根據(jù)零件圖繪制鍛件圖、計(jì)算坯料的質(zhì)量與尺寸、確定模鍛工步（設(shè)計(jì)或選擇模膛）、選擇鍛造設(shè)備和確定加熱規(guī)范及安排修整工序等。2.2.3.1鍛件圖設(shè)計(jì)1.選擇分模面——上、下鍛模在鍛件上的分界面原則1：保證模鍛件能從模膛中順利取出，一般分模面應(yīng)分模面應(yīng)選在模鍛件最大尺寸的截面上。X原則2：應(yīng)使上、下兩模沿分模面的模腔輪廓一致。以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)模現(xiàn)象，便于及時(shí)調(diào)整鍛模位置。X原則3：最好使分模面為一個(gè)平面，并使上下鍛模的模膛深度基本一致。X原則4：選定的分模面應(yīng)該使零件上所加的敷料最少。原則5：最好把分模面選取在能使模膛深度最淺處，這樣可使金屬很容易充滿模膛，便于取出鍛件。X2.確定機(jī)加工余量和鍛件公差模鍛件的加工余量、公差<自由鍛件其數(shù)值根據(jù)鍛件大小、形狀和精度等級(jí)有所不同，一般機(jī)加工余量為1-4mm，公差為-0.3mm-+3mm之間（查有關(guān)手冊(cè)）。對(duì)于孔徑d>25mm的模鍛件，孔應(yīng)鍛出，但須留沖孔連皮；沖孔連皮厚度：當(dāng)孔徑為Φ30~Φ80時(shí)，

連皮厚度為4~8mm。注意：3.確定模鍛斜度模鍛件上凡平行于鍛壓方向的表面（或垂直于分模面的表面）都須具有斜度。常用的模鍛斜度系列為：3°，5°，7°，10°，12°，15°模膛深度越深，模鍛斜度越大內(nèi)壁斜度比外壁斜度大2~5°有頂出裝置，模鍛件上的斜度可減小一級(jí)。4.確定模鍛圓角半徑鋼的模鍛件外圓角半徑(ｒ)一般取1.5mm～12mm，內(nèi)圓角半徑(R)比外圓角半徑大2～3倍。模膛深度越深，圓角半徑值越大。5.留出沖孔連皮錘上模鍛不能直接鍛出通孔，孔內(nèi)留有一定厚度的金屬層，稱為沖孔連皮，鍛后在壓力機(jī)上沖除。2.2.3.2坯料質(zhì)量和尺寸計(jì)算坯料質(zhì)量=模鍛件質(zhì)量+氧化燒損質(zhì)量+飛邊(連皮)質(zhì)量飛邊質(zhì)量=（20%~25%）模鍛件質(zhì)量氧化燒損質(zhì)量=（3%~4%）（模鍛件質(zhì)量+飛邊質(zhì)量）其他規(guī)則可參照自由鍛坯料質(zhì)量及尺寸計(jì)算。2.2.3.3模鍛工步的確定和模膛種類選擇盤類：常選用鐓粗-終鍛工序?qū)τ谝恍└咻嗇灐⒈≥嗇椀哪ｅ懠翰捎苗叴帧A(yù)鍛—終鍛工序制坯工序、預(yù)鍛工序和終鍛工序的確定長(zhǎng)軸類：預(yù)鍛—終鍛；滾擠—預(yù)鍛—終鍛；拔長(zhǎng)—滾擠—預(yù)鍛—終鍛；拔長(zhǎng)—滾擠—彎曲—預(yù)鍛—終鍛等672.2.4模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：鍛造工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約金屬、保證鍛件質(zhì)量、生產(chǎn)率高。原則1：模鍛件必須具有一個(gè)合理的分模面：保證鍛件易于取出，敷料最少，金屬流線好；原則2：與分模面垂直的非加工表面應(yīng)設(shè)計(jì)出模鍛斜度。兩個(gè)非加工表面形成的角（包括內(nèi)角和外角）都應(yīng)按模鍛圓角設(shè)計(jì)。原則3：為使金屬易于充滿模膛和減少工序，模鍛件外形力求簡(jiǎn)單、平直和對(duì)稱——模鍛件截面間差別不能太大，避免薄壁、高筋或凸起等結(jié)構(gòu)。原則4：盡量避免深孔和多孔結(jié)構(gòu)。原則5：復(fù)雜件可采用鍛-焊組合工藝