1、金属塑性成形原理Principle of Metal Forming主讲教师：杨嵩Email：应变应变应应力力绪 论塑形成形基本概念及特点塑形成形理论发展概述塑形加工方法课程任务 又称为压力加工又称为压力加工( (锻造锻造/拉深拉深/弯曲）弯曲）金属坯料外力塑性变形产生改变形状改变尺寸改善性能达到毛坯零件得到1 1、金属塑性成形的定义、金属塑性成形的定义几个基本概念 塑性：金属在外力作用下，产生永久变形而不破坏其完整性的能力（不可逆性）。 金属变形过程： a）金属材料在外力作用下发生弹性变形 （卸载后变形可以恢复特性，可逆性） b）当外力超过一定值后产生塑性变形 c）外力继续加大，发生断裂塑形
2、成形基本概念及特点1.与铸造相比：塑形成形过程受压力作用，内部缺陷被压合，能改善组织性能，减轻偏析、致密结构、细化晶粒等，从而提高材料的综合力学性能。 2.与切削加工比：金属塑性成形主要是靠金属在塑性状态下的体积转移，而不需靠部分地切除金属的体积，因而制件的材料利用率高，流线分布合理，从而也提高了制件的强度，不需切除大量的多余金属，所以金属收得率较高、材料浪费较少。 3. 生产率高。这体现在塑性成形可采用高的加工速度，以及可采用连续式的生产方式。因此特别适用于大批量生产。这一点对于金属材料的轧制、拉丝、挤压等工艺尤其明显。随着锻压生产机械化的发展，机械零件的生产情况也是如此。例如，在万吨机械压
3、力机上锻造汽车用的六拐曲轴仅需40s；在曲柄压力机上压制一个汽车覆盖件仅需几秒钟。柴油机底箱 3. 精度高。用塑性成形方法得到的工件可以达到较高的精度。近年来，应用先进的技术和设备，不少零件已达到少、无切削的要求。例如，精密锻造的伞齿轮，其齿形部分精度可不经切削加工直接使用，精锻叶片的复杂曲面可达到只需磨削的精度。 大众途观 由于上述优点，占产钢总量90%以上的钢制品,有色金属总产量的70%以上都要经过塑性成形加工过程，其产品广泛应用于各种行业、部门，并随着塑性成形技术的发展，能生产的产品品种及规格也越来越多，因此金属塑性成形在国民经济中占有重要地位。缺点： a)a) 加工零件形状不能太复杂杂
4、, ,体积不能体积不能过大（过大（ 风机主轴）。风机主轴）。 b)b) 坯料塑性要好。2022-3-818塑形成形理论发展概述金属塑性变形理论是一门基于金属塑性成形的物理学、物理-化学、金属学与力学基础上的应用技术理论。金属塑性加工是具有悠久的历史的加工方法,早在两千多年前的青铜时期,我国劳动人民就已经发现铜具有塑性变形的能力,并掌握了锤击金属以制造兵器和工具的技术.作为塑性变形理论的重要基础的塑性理论的形成与发展也经历了一百多年的历史。在此其间提出的一些经典理论与方法归列于下2022-3-819法国工程师屈雷斯加（法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）1864提出最大剪应力屈服准则提出最大剪
5、应力屈服准则德国米塞斯（德国米塞斯（Von Mises），），1913，Mises屈服准则屈服准则M.Levy 1871年，提出了应力应变增量关系年，提出了应力应变增量关系 Levy-MisesB.Saint-Venant 圣维南圣维南1870，应力应变速率方程，（塑性流动方程，应力应变速率方程，（塑性流动方程）M.levy 列维列维1923，平面塑性变形的滑移线几何性质，平面塑性变形的滑移线几何性质A.Reuss 劳斯劳斯 1930，弹塑性应力应变关系，弹塑性应力应变关系1940，H.Hencky亨盖等，滑移线法亨盖等，滑移线法1950，R.Hill等，极值分析方法等，极值分析方法 1970
6、，小林史郎，小林史郎，C.H.Lee等，刚等，刚塑性有限元解析法塑性有限元解析法 1985，巴雷特提出三参数巴雷特屈服准则，巴雷特提出三参数巴雷特屈服准则 近年来已开始用有限元方法来研究金属塑性成形方面的问题。所谓有限元近年来已开始用有限元方法来研究金属塑性成形方面的问题。所谓有限元对物体进行力学分析时，把物体剖分成一个又一个微小的单元，离散后单元与对物体进行力学分析时，把物体剖分成一个又一个微小的单元，离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来，通过分析求解单个单元的应力应变情单元之间利用单元的节点相互连接起来，通过分析求解单个单元的应力应变情况，利用一系列平衡条件来近似求解整个物体。因
7、为实际问题被较简单的问题况，利用一系列平衡条件来近似求解整个物体。因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。国内外一些学者对镦粗，挤压、摩擦等问题的有限元解发表过不少文章。一般认为有限元法是预测变形体应力、应变、应变速度和温度分布的强有力的手段。塑性成形中求解应力、应变等是一项繁重的计算工作。近年来电子计算机技术的引入，对塑性成形问题的求解起了很大促进作用。有限元方法过
8、程复杂，计算工作繁重，必须借助电子计算机才能演算。常用塑性成形CAE软件：ansys,deform,dynaform.塑形加工方法 按金属塑性成形的加工方式，即综合考虑工具的特征及工件的变形方式，可将塑性成形方法分为五大类：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压常见塑性加工 卷芯辊用定位套三维建模图卷芯辊用定位套三维建模图碾环流程碾环流程（1）轧制 轧制是使金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间(直线的或异型的)，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。这是由大截面材料变为小截面材料的常用加工过程。主要作用材料厚度变薄，长度增加。利用轧制方法可生产出型材、板材和管材。（型材（section bar）是铁或钢
9、以及具有一定强度和韧性的材料（如塑料、铝、玻璃纤维等）通过轧制，挤出，铸造等工艺制成的具有一定几何形状的物体。）冷连轧板生产线冷连轧板生产线 热连轧板生产线热连轧板生产线 纵 轧.swf 两轧辊旋转方向相反，轧件纵轴线与轧辊轴线垂直， 横 轧.swf 两轧辊旋转方向相同，轧件纵轴线与轧辊轴线平行。 斜轧.swf 两轧辊旋转方向相同，轧件纵轴线与轧辊轴线成一定角度。钢管轧制2 2）挤压）挤压 使金属坯料从挤压模孔挤出而成形为各种型材、使金属坯料从挤压模孔挤出而成形为各种型材、管材、零件等。管材、零件等。冷挤压件精度高、表面光洁，可以直冷挤压件精度高、表面光洁，可以直接用作零件而不需经切削加工或其
10、他精整。挤压按坯接用作零件而不需经切削加工或其他精整。挤压按坯料温度区分有热挤压、冷挤压和温挤压料温度区分有热挤压、冷挤压和温挤压 3 3种。种。金属坯金属坯料处于再结晶温度以上时的挤压为热挤压；在常温下料处于再结晶温度以上时的挤压为热挤压；在常温下的挤压为冷挤压；高于常温但不超过再结晶温度下的的挤压为冷挤压；高于常温但不超过再结晶温度下的挤压为温挤压。挤压为温挤压。 挤压的方法：正挤压、反挤压。挤压的方法：正挤压、反挤压。挤压车间挤压车间铜铝型材挤压机铜铝型材挤压机 正挤压.swf 挤压杆与挤出金属流动方向一致。 反挤压.swf 挤压杆与挤出金属流动方向相反。2022-3-837挤压型材挤压
11、型材挤压型材模具挤压型材模具卧式挤压机卧式挤压机（3）锻造 将金属坯料置于上下砧（自由锻）或锻模（模锻）内，用冲击力或压力使金属成形为各种型材和锻件等。 锻造的种类有： 自由锻 一般是在锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或块料锻成特定形状和尺寸的加工方法。进行自由锻时不使用专用模具，因而锻件的尺寸精度低，生产率也不高，所以自由锻主要用于单件、小批生产或大锻件的生产世界范围内拥有世界范围内拥有4万吨级以上模锻液压机生产能力的万吨级以上模锻液压机生产能力的国家只有美、俄、法国家只有美、俄、法3国。国。2012九月中国首台九月中国首台4万吨大万吨大型模锻液压机在西安阎良国家航空高技术产业基地正型
12、模锻液压机在西安阎良国家航空高技术产业基地正式投产，式投产， 由清华大学研究设计。美国拥有两台由清华大学研究设计。美国拥有两台45万万吨模锻液压机，俄罗斯拥有两台吨模锻液压机，俄罗斯拥有两台75万吨模锻液压机，万吨模锻液压机，法国拥有一台法国拥有一台65万吨模锻液压机。空中客车公司生万吨模锻液压机。空中客车公司生产的产的A380客机起落架的成型，就是在俄罗斯客机起落架的成型，就是在俄罗斯75万吨万吨压力机上完成的。在大型机械设备和重要装备中，如压力机上完成的。在大型机械设备和重要装备中，如轧钢、电站（水电、火电、核电）、石油、化工、造轧钢、电站（水电、火电、核电）、石油、化工、造船、航空、航天
13、、重型武器等，都要采用大型自由锻船、航空、航天、重型武器等，都要采用大型自由锻件和大型模锻件，这些大锻件都是采用大型自由锻液件和大型模锻件，这些大锻件都是采用大型自由锻液压机和大型模锻液压机来锻造。压机和大型模锻液压机来锻造。 模锻液压机模锻液压机 模锻.swf 模锻是适于大批量生产的锻造方法，锻件的成形要用适合于每个锻件的模具来进行。由于模锻时金属的成形由模具控制，因此模锻件就有相当精确的外形和尺寸，也有相当高的生产率。模锻又分为开式模锻和闭式模锻开式模锻:变形金属的流动不完全受模腔限制的一种锻造方式。模具并不完全封闭，多余金属沿垂直于作用力方向流动形成飞边。闭式模锻：模具完全封闭，一般在锻
14、造过程中上模与下模的间隙不变，坯料在四周封闭的模膛中成型，不产生横向飞边，少量的多余材料将形成纵向飞刺，飞刺在后续工序中除去。 主要优点：锻件几何形状、尺寸精度和表面质量最大限度地接近产品，省去了飞边，与开式模锻相比，闭式模锻可以大大提高金属材料的利用率。 按变形温度，锻造又可分为热锻（锻造温度高于坯料金属的再结晶温度）、温锻（锻造温度低于金属的再结晶温度）和冷锻（常温）。钢的开始再结晶温度约为727，但普遍采用800作为划分线，高于800的是热锻；在300800之间称为温锻。（4）冲压 利用冲模将金属板料切离或变形为各种冲压件。主要分为：拉深.swf 拉深是把板料冲制成中空形状冲压件的变形工
15、序，又称拉延 冲裁.swf 冲裁是利用冲模使部分材料从另一部分材料分离的一种冲压工序。冲裁是剪切、落料、冲孔、冲缺、冲槽、剖切、凿切、切边、切舌、切开、整修等分离工序的总称。 弯曲.swf 弯曲可分为压弯、滚弯和拉弯。2022-3-845典型冲压件典型冲压件 （5）拉拔 利用拉拔机夹钳将金属坯料从拉模的模孔中拉出而成形为各种线材、薄壁管材、特殊截面型材等 实心材拉拔.swf 空心材拉拔.swf课程任务 金属塑性成形方法多种多样，具有各自的特点，但它们在塑性变形的金属学和力学方面则有着共同的基础和规律。金属塑性成形原理课程的目的就在于科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续地工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础，因此，本课程的任务是： 1阐明金属塑性变形的金属学基础，研究金属的塑性变形行为以及外部条件对塑性和流动应力的影响，以便获得最佳的塑性状态、最高的变形效率和优质的性能。 2阐明应力、应变、应力应变关系和屈服准则等塑性理论基础知识，分析研究塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的应用，从而科学地确定变形体中的应力、应变分布和所需的变形力和功，为选择锻压设备吨位和设计模具提供依据。 3阐述塑性成形时的金属流动规律和变形特点，以便确定适当的锻压工步和合理的坯料尺寸，使工件顺利成形。
