第2章金属塑性变形与压力加工

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1、机械制造基础机械制造基础制造科学与工程学院 梅筱琴第第二章二章 金金属属塑性塑性变变形形与压与压力加工力加工 本讲内容本讲内容n一、金属塑性变形n二、压力加工方法1.自由锻2.模锻n三、锻造工艺n四、锻件结构工艺性n五、板料冲压n六、特种压力加工方法简介麻花钻制造麻花钻制造金属塑性变形与压力加工金属塑性变形与压力加工n压力加工利用外力使金属材料发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法n压力加工基本生产方式锻造、轧制、挤压、拉拔、板料冲压n应用范围原材料n金属型材、板材、管材、线材毛坯或零件n主轴、齿轮、枪炮管、汽车覆盖件、日用五金压力加工的生产特点压力加

2、工的生产特点n锻造组织均匀、致密、晶粒细小，形成了纤维组织，锻件力学性能优于其它制造方法制得的零件或毛坯，适合于重要机器零件（或毛坯）的制造n冲压大部分制件有加工硬化现象，可提高制件的强度和硬度；制件精度高，可直接成形零件；生产率高，适合大批量生产n轧制组织和性能兼有以上二者的特点；是各种型材的主要制造方式一、金属塑性变形一、金属塑性变形 金属塑性变形机理n晶内变形单晶体滑移变形单晶体孪晶变形n晶间变形未变形未变形弹性变形弹性变形弹塑性变形弹塑性变形塑性变形塑性变形滑移带和多系滑移滑移带和多系滑移滑移带的形成滑移带的形成50Mn18Cr4V钢多系滑移时的滑移带钢多系滑移时的滑移带(500 x)

3、单晶体单晶体孪晶变形孪晶变形（双晶变形）（双晶变形）n晶体的一部分沿一定晶面和晶向产生一定角度的切变n孪晶变形所需的切应力高于滑移变形所需的切应力位错理论位错理论n晶体内部存在大量 “缺陷”，这些缺陷使金属在塑性变形时，其变形抗力减小数千倍未变形未变形位错运动位错运动塑性变形塑性变形晶体内部的缺陷晶体内部的缺陷n点缺陷只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷空位；填隙（间隙固溶体）；替位（置换固溶体）空位；填隙（间隙固溶体）；替位（置换固溶体）n线缺陷沿晶格中某条线周围，多个原子间距范围内出现的晶格缺陷位错位错n面缺陷沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧，大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷堆垛层错、

4、小角晶界、孪晶界面等。堆垛层错、小角晶界、孪晶界面等。n体缺陷晶粒内部包藏杂质、孔洞等常见位错缺陷常见位错缺陷刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错多晶体塑性变形多晶体塑性变形n多晶体塑性变形晶内变形+晶间变形晶粒大小对多晶体的塑性变形影响很大(二二)塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响1.组织和性能的变化内部组织n晶粒沿最大变形方向伸长n晶格畸变与晶粒扭曲，产生内应力n晶粒间产生碎晶性能n冷变形强化冷变形强化随着变形增大，强度、硬度提高，塑性、韧性下降随着变形增大，强度、硬度提高，塑性、韧性下降晶格畸变和碎晶增大了继续滑移的阻力晶格畸变和碎晶增大了继续滑移的阻力塑性变形与性

5、能的关系塑性变形与性能的关系n冷变形强化材料强度、硬度升高，塑性、韧性下降材料强度、硬度升高，塑性、韧性下降常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响2.回复和再结晶回复和再结晶n冷变形强化不稳定，有自发回复稳定状态的趋势n变形后的金属加热，增强原子扩散能力，则原子容易恢复规则排列，晶格畸变大大减轻，内应力大大下降2.回复和再结晶回复和再结晶n回复T回（0.250.3）T熔（K）晶格畸变消除，回复到稳定状态；内应力消除。n再结晶T再0.4T熔（K）除回复外，碎晶重新结晶，形成新的细小的等轴晶n消除冷变形强化的方法？再结晶退火冷变形和热变形冷变形和热变形n冷变形再结晶温度以下的塑性变形生产方法：冷冲压

6、、冷挤压、冷轧、冷拔等特点：利用加工硬化，尺寸精度高、表面质量好n热变形再结晶温度以上的塑性变形强化与再结晶过程同时存在，强化消失生产方式：热锻、热轧、热挤压特点：冶金缺陷得到改善或消除，得到细小的等轴晶，组织致密，力学性能显著提高热轧钢板的组织变化热轧钢板的组织变化试判断下列两种金属塑性变形后，有无试判断下列两种金属塑性变形后，有无加工硬化？加工硬化？n铅（熔点327 ）在0 时的变形T再0.4T熔0.4（327273）K240K0 273K：热变形n钨（熔点3380 ）在1100 时的变形T再0.4T熔 0.4（3380273）K1461K1100 1373K：冷变形n注意：冷变形不是“室

7、温”下的变形3.金属纤维组织和锻造流线金属纤维组织和锻造流线n纤维组织又称锻造流线。是金属晶界上的夹杂物随晶粒沿变形最大方向被拉长得到的组织。螺钉工作状态受力示意图螺钉工作状态受力示意图不同方法加工的齿轮纤维组织不同方法加工的齿轮纤维组织3.金属纤维组织和锻造流线金属纤维组织和锻造流线n纤维组织使金属力学性能呈方向性平行于纤维组织方向承受拉应力和压应力能力增强，承受剪切应力能力减小垂直于纤维方向承受压应力和剪切应力能力增加，承受拉应力能力减小n纤维组织的稳定性很高，不能用热处理或其它方法加以消除，只有经过锻压使金属重新变形，才能改变其方向和形状。金属塑性变形量金属塑性变形量-锻造比锻造比n锻造

8、比衡量金属塑性变形大小。镦粗的锻造比nY镦=H坯/H件拔长的锻造比nY拔=L件/L坯Y锻1，Y锻越大则变形量越大。注意与拉深系数m的区别(三三)金属可锻性及其影响因素金属可锻性及其影响因素n金属可锻性金属材料通过压力加工获得合格零件的难易程度n塑性好、变形抗力小，则金属的可锻性好n影响金属可锻性的因素金属的本质金属的本质n化学成分n内部组织加工条件加工条件n变形温度n变形速度n应力状态金属可锻性的影响因素金属可锻性的影响因素n金属的本质化学成分n纯金属的可锻性比合金的可锻性好n钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。金属组织n纯金属和固溶体(如奥氏体)的可锻性好；碳化物

9、(如渗碳体)的可锻性差n铸态组织和粗晶粒组织不如细晶而又均匀的组织可锻性好加工条件加工条件-变形温度变形温度n随着温度升高，原子动能升高，则金属塑性提高，变形抗力减小，有效改善可锻性n始锻温度金属在锻造前加热允许的最高温度钢：AE线以下200300过热与过烧n终锻温度金属热变形允许的最低温度。钢：800左右终锻温度过高过低会产生什么影响？常用钢材的锻造温度范围锻造温度的判断-火色鉴别法n碳钢火色与加热温度的对应关系火色黄白色淡黄深黄桔黄始锻温度1300120011001000 火色淡 红樱 红暗 红暗 褐终锻温度900800700600以下讨论：讨论：“趁热打铁趁热打铁”n铁能打吗？工业上“铁

10、”即是“铸铁”脆性材料，可锻性极差，绝对不能 “锻打”n热合适的锻造温度n始锻温度n终锻温度加工条件加工条件-变形速度变形速度n一方面，变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，则金属塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏n另一方面，在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好n工业生产中如何利用？加工条件加工条件-应力状态应力状态n拉应力易使缺陷扩展，不利于塑性变形，故压力加工时，尽可能使金属受压应力二、自由锻二、自由锻n特点坯料沿各个方向自由变形流动

11、适应性极强n大型、特大型锻件唯一成形方法n自由锻设备上下各一个抵铁中小型锻件：利用锻锤冲击力大型锻件：利用液（或水）压机的液压力空气锤空气锤自由自由锻锻基本工基本工序演示序演示蒸汽锤蒸汽锤中国第一台万中国第一台万吨水压机吨水压机2008年我国建造的年我国建造的15000吨自由锻水压机吨自由锻水压机自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n

12、冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工序基本工序自由锻工序基本工序n镦粗n拔长n冲孔n弯曲n扩孔n错移n切割n扭转自由锻工步方案：盘类锻件自由锻工步方案：盘类锻件n（局部）镦粗（局部拔长）冲孔盘类盘类零件零件锻锻造造过过程演示程演示自由锻工步方案：轴类锻件自由锻工步方案：轴类锻件n（局部）镦粗拔长切肩锻台阶大、中、小型大、中、小型轴类轴类零件

13、零件锻锻造造过过程演示程演示自由锻工步方案：筒类锻件自由锻工步方案：筒类锻件n镦粗冲孔在芯轴上拔长自由锻工步方案：环类锻件自由锻工步方案：环类锻件n镦粗冲孔在芯轴上扩孔自由锻工步方案：曲轴类锻件自由锻工步方案：曲轴类锻件n（局部）镦粗拔长错移锻台阶扭转自由锻工步方案：弯曲类锻件自由锻工步方案：弯曲类锻件n拔长弯曲叉杆叉杆类类零件零件锻锻造造过过程演示程演示三、模锻三、模锻n把加热好的金属毛坯放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造。由型腔限制金属的变形，从而获得与型腔形状一致的锻件n金属在锻模模膛内产生塑性变形和流动，其变形和流动均受到端模的限限制，因此：模锻件尺寸精确、结构可较复杂、生产率高n按

14、设备分类模锻液压机模锻锤螺旋压力机n摩擦压力机上模锻机械压力机n曲柄压力机上模锻模锻的特点与应用模锻的特点与应用n与自由锻相比：压应力数目多，有利于塑性变形，可制造较复杂的锻件锻造流线和纤维组织连续，零件综合力学性能较高锻件尺寸精度高操作简单，生产率高锻模成本高，适于中、小锻件大批量生产n模具成本高n设备成本高锻模液压机锻模液压机俄罗斯75000吨模锻水压机 水压机是锻造万吨巨轮发动机主轴、大型发电机转子轴、大型轧钢机机架、炮管及导弹壳等不可缺少的设备。截至20世纪末，全世界共有万吨级模锻液压机40余台，美、俄各有10余台，约占总台数和总吨位的70，其建造背景均源于发展航空航天工业。60年代中

15、期以后，由于锻压工艺的改进，需要的水压机规格有所降低，国外新制的自由锻造水压机一般都不超过8千吨。重大设备重大设备-俄罗斯为法国制造65000吨模锻水压机2008年我国建造的年我国建造的15000吨自由锻水压机吨自由锻水压机 大型整体模锻和精密模锻是我国锻造行业的主流发展方向。大型模锻压机是生产航空大型模锻件、发展大型军事装备和其他大型民用装备必须的基础设备。中国目前最大的30000吨级模锻压机，无法满足对大型航空模锻件产品生产的需要，已立项建造10万、8万吨大型模锻液压机。目前世界上最大的民航客机A380。虽然法国已有70年代向苏联订购的65000吨模锻液压机，但A380的钛合金起落架的成型

16、，仍然需要到俄罗斯的75000吨压力机上完成。450KG钛合金结构框锤上模锻锤上模锻 锤上模锻是将上模固定在锤头上，锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头上下运下模紧固在模垫上，通过随锤头上下运动的上模，对置于下模中的金属坯料施动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，从而获得锻件。以直接锻击，从而获得锻件。机械压力机曲柄压力机机械压力机曲柄压力机螺旋压力机摩擦压力机螺旋压力机摩擦压力机锻模结构锻模结构1锤头2上模3飞边槽4下模5模垫6/7/10楔铁8分模面9模膛锻模件锻模件模锻的变形工步及模膛模锻的变形工步及模膛n变形工步（模膛）包括:1.制坯工步（模膛）n镦粗、拔长

17、、滚挤、弯曲、切断（模膛）等2.模锻工步（模膛）n预锻（模膛）n终锻（模膛）制坯模膛拔长制坯模膛拔长制坯模膛滚压制坯模膛滚压制坯模膛弯曲和切断制坯模膛弯曲和切断弯曲连杆的锻造过程弯曲连杆的锻造过程曲柄压力机用的锻模曲柄压力机用的锻模胎模锻胎模锻n在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件，即模具不固定在锤头和砧座上。结构简单，形式多种多样，介于自由锻和模锻之间。n胎模锻特点可获得比自由锻形状复杂、尺寸精确的锻件；节省金属材料，提高生产效率与模锻相比，对设备要求较低，操作灵活，模具制造简单n胎模锻分类扣模、筒模、合模筒模筒模合模合模四、锻造工艺四、锻造工艺n锻件图设计余量、公差、敷料分模面、飞边槽模锻

18、斜度、模锻圆角半径、冲孔连皮n坯料重量和尺寸计算G坯料G锻件G烧损G料头n锻造工步设计n其他问题设备选择，加热冷却范、辅助工序1.绘制锻件图绘制锻件图 （1 1）余量、公差、敷料（余块）余量、公差、敷料（余块）（2）分模面选择）分模面选择保证取件保证取件易于充满，模膛最浅易于充满，模膛最浅上下模膛对称，简化上下模膛对称，简化 模具制造模具制造易于及时发现错模易于及时发现错模尽量为平面，辅料最少尽量为平面，辅料最少（3）飞边槽）飞边槽桥部桥部仓部仓部 作用：作用：限制金属流出，使金属充满模膛限制金属流出，使金属充满模膛容纳多余金属容纳多余金属 （4）模锻斜度）模锻斜度作用？作用？（5）模锻圆角半

19、径）模锻圆角半径作用？作用？（6）冲孔连皮）冲孔连皮作用？作用？3.锻件毛坯计算锻件毛坯计算n坯料重量计算依据锻件图和材料的密度G坯料G锻件G烧损G料头n坯料尺寸计算依据总体积不变原理和锻造比Y计算锻造比的确定n墩粗时，为防止墩弯，Y2.53.0，同时为方便下料，Y1.25；n拔长时，坯料为钢锭时，Y取2.33.0；坯料为型材时，Y取1.31.5；n合金钢铸锭锻造重要受力件时，由于其内部缺陷严重，Y可取6.08.0。4.锻造工序（工步）设计锻造工序（工步）设计n长轴类零件7.锻造工序（工步）设计锻造工序（工步）设计n短轴类零件短轴类零件齿轮毛坯自由锻工艺实例齿轮毛坯自由锻工艺实例齿轮毛坯自由锻

20、工艺实例齿轮毛坯自由锻工艺实例氧化反应器筒体自由锻工艺氧化反应器筒体自由锻工艺五、锻件结构工艺性五、锻件结构工艺性n锻件结构工艺性好锻造成型方便节约金属保证质量提高生产率n工艺性原则：相对的1.自由锻件自由锻件n力求简单1.自由锻件自由锻件n避免锥面、斜面1.自由锻件自由锻件n避免锥面、斜面1.自由锻件自由锻件杆杆类类零件零件n避免复杂相贯线1.自由锻件自由锻件杆类零件杆类零件n避免非规则截面和非规则外形1自由锻件自由锻件盘类盘类零件零件n避免肋板、凸台和小孔等结构1.自由锻件自由锻件盘类盘类零件零件n避免肋板、凸台和小孔等结构1.自由锻件自由锻件复杂、大型自由锻件采用锻焊组合结构2.模锻件的

21、结构工艺性模锻件的结构工艺性n合理的分模面2.模锻件的结构工艺性模锻件的结构工艺性n结构力求简单对称n避免薄片、高肋、高台等结构2.模锻件的结构工艺性模锻件的结构工艺性n结构斜度n避免深孔、深槽和多孔等结构2.模锻件的结构工艺性模锻件的结构工艺性复杂、对称型锻件采用锻焊组合结构六、板料冲压六、板料冲压n使板料经分离或变形而得到制件的工艺统称为冲压n原料具有足够塑性的板料、带料、条料等低碳钢、不锈钢、高塑性合金钢、铜、镁、铝及其合金等金属材料；胶木、云母、纤维板、皮革等非金属材料n冷冲压：常温下进行n热冲压：810mmn应用广泛：汽车、航空、电器板料冲板料冲压压演示演示板料冲板料冲压压工序工序冲

22、压生产特点冲压生产特点1.1.制件复杂，废料少；制件复杂，废料少；2.2.精细光滑，互换好；精细光滑，互换好；3.3.刚强较高，节省料；刚强较高，节省料；4.4.易于控制，效率高；易于控制，效率高；5.5.大批生产，成本低。大批生产，成本低。1.分离工序分离工序n冲压过程中使冲压件与板料沿一定轮廓相互分离的工序。n基本工序冲孔、落料、切断、切口、切边、剖切、整修等。1.分离工序分离工序-冲裁冲裁n冲裁：落料及冲孔冲裁件冲裁件n断口包括：塌角光亮带断裂带毛刺冲裁模冲裁模n凸凹模都具有锋利的刃口，两者之间留有间隙Zn间隙Z大小影响冲裁件精度和模具寿命过大：塌角、断裂带和毛刺带较大过小：二次光亮带、

23、毛刺带大 Zm冲裁模具尺寸冲裁模具尺寸n考虑模具磨损落料件模具尺寸：nD凹=D件min，D凸=D凹-Z冲孔件模具尺寸：nD凸=D件max，D凹=D凸+Z冲裁件排样冲裁件排样 有搭边排样有搭边排样 无搭边排样无搭边排样 修整：类似切削加工修整：类似切削加工2.变形工序变形工序 变形工序是使冲压板料在不被破坏的条件下发生塑性变形，以获得所要求的工件形状和精度的工序。2.变形工序变形工序-弯曲弯曲 把平面毛坯料制成具有一定角度和尺寸要求的一种塑性成形工艺。弯曲时的纤维方向弯曲时的纤维方向回复和中性层变形工序变形工序-拉深拉深拉深中的废品拉深中的废品n模具间隙C单边C(1.1-1.2)t过小：拉穿过大

24、：皱褶n拉深系数md/D nd 拉深件直径nD 坯料直径nm 0.5 0.8 多次拉深多次拉深nm太小则必须多次拉深n由于加工硬化一次比一次严重m 应该逐步变大多次拉深演示多次拉深演示起皱拉深件起皱拉深件n损坏零件侧面起皱痕迹拉断n损坏拉深模n板材越薄、m越小，越容易起皱压边圈防止起皱压边圈防止起皱其他变形工序其他变形工序旋压拉深旋压拉深其他变形工序其他变形工序翻边翻边其他变形工序其他变形工序成形成形/胀形胀形简单冲模简单冲模连续冲模（级进模）连续冲模（级进模）连续连续模演示模演示电机转子多工位级进模电机转子多工位级进模复合冲模复合冲模复复合模演示合模演示电机定子、转子复合模电机定子、转子复合

25、模易拉罐冲压工艺易拉罐冲压工艺3.冲压件的结构工艺性冲压件的结构工艺性n避免长槽、长悬臂节省材料节省材料结构尺寸与板材厚度的关系结构尺寸与板材厚度的关系交接处：圆弧过渡交接处：圆弧过渡冲裁件结构设计冲裁件结构设计n形状简单，多采用圆形、矩形等规则形状，便于模具制造n线与线相交应圆弧过渡n考虑排样，节约材料弯曲件结构设计弯曲件结构设计nR大于最小弯曲半径可取R（1-2）nH 2nL (1.52)L=R+(12)n当孔有精度要求时，应先弯曲后冲孔；一般情况下则应先冲孔后弯曲。拉深件结构设计拉深件结构设计n单次拉深深度不宜过大无凸缘筒形件：H（0.5-0.7）d中带凸缘筒形件：H（0.4-0.6）d

26、中n最小许可半径rr2简化工艺、节省材料简化工艺、节省材料n复杂零件：冲压焊接简化工艺、节省材料简化工艺、节省材料n采用冲口工艺：减少零件数量简化工艺、节省材料简化工艺、节省材料n保证性能不变的前提下，简化形状冲压件的厚度冲压件的厚度n合理使用加强筋，减小壁厚冲压件的精度和表面质量冲压件的精度和表面质量n精度上限落料件：IT10冲孔件：IT9弯曲件：IT10 IT9拉深件：n高度IT10 IT8、直径IT10 IT9n整形后IT7 IT6n表面质量：不超过原材料七、特种压力加工方法简介七、特种压力加工方法简介n精密模锻精锻件形状比模锻件复杂，可接近零件形状；精锻件一般不留或少量加工余量；尺寸精

27、度可达0.250.01mm；Ra0.83.2m用于成形零件上难切削加工部位。精锻件精锻件-汽轮机叶片汽轮机叶片精锻件精锻件-汽车连杆、轮毂汽车连杆、轮毂零件挤压零件挤压n正挤压n反挤压n复合挤压n径向挤压四四种挤压种挤压方向演示方向演示零件挤压零件挤压n热挤压高于再结晶温度表面脱碳，粗糙n冷挤压低于再结晶温度变形抗力大、表面光滑n温挤压介于室温和再结晶温度之间抗力不大，表面尚可比冷变形模具简单提高模具寿命热挤压热挤压演示演示零件挤压的工艺特点零件挤压的工艺特点n三向应力，塑性好（高碳钢、高速钢）n可制造形状复杂、深孔、薄壁、异型断面的零件nIT76，Ra3.20.4n纤维组织连续n材料利用率高零件轧制零件轧制n纵轧麻花麻花钻钻和和丝丝杠杠轧轧制制过过程演示程演示零件轧制零件轧制板材板材轧轧制制棒材棒材轧轧制制零件轧制零件轧制n横轧齿轮轧制碾环轧制零件轧制零件轧制n斜轧零件轧制零件轧制n楔横轧钢管轧制钢管轧制轧辊轧辊轧辊轧辊开坯机座轧辊开坯机座轧辊总结总结n金属的塑性变形n金属的锻造性能（即塑性变形能力）n锻造方法自由锻、模锻、胎模锻锻造工艺n锻件的结构工艺性n板料冲压两种工艺冲压件结构工艺性n特种压力加工超塑性超塑性变变形形实验实验演示演示