1、3.1塑性成形概述v 1概念 金属在外力作用下塑性变形,获得具有一定形状、尺寸、精度和力学性能的毛坯、零件或原材料的加工方法压力加工。3 金属塑性成形1v 2塑性成形应用3.1塑性成形概述3 金属塑性成形机械航空航天船舶军工仪器仪表电器日用五金2冲压成形产品示例日常用品3冲压成形产品示例高科技产品汽车覆盖件飞机蒙皮456v 3塑性成形分类3.1塑性成形概述3 金属塑性成形锻压 (Metal forging and stamping)轧制(Rolling)1.体积成形 (Bulk Metal Forming):1.1 锻造 (Forging)1.1.1自由锻造1.1.2模锻1.2 挤压(Extr
2、usion)1.3 拉拔(Drawing)板材轧制型材轧制管材轧制横轧纵轧2. 板料成形 (Sheet Metal Forming)2.1 冲裁(blanking)2.2 弯曲(Bending)2.3 拉深(Deep drawing)2.4 翻边(flanging)2.5 胀形(Bulging)辊锻,楔横轧, 辗环,辊弯73.1塑性成形概述3 金属塑性成形塑性成形类型8 体积成形 体积成形主要是指那些利用锻压设备和工、模具,对金属坯料(块料)进行体积重新分配的塑性变形,得到所需形状、尺寸及性能的制件。 主要包括锻造(Forging)和挤压(Extrusion)两大类。 前者在成形过程中,变形区
3、的形状随变形的进行而发生改变,属于非稳定塑性变形; 后者在变形的大部分阶段变形区的形状不随变形的进行而改变,属于稳定塑性变形。3.1塑性成形概述3 金属塑性成形93.1塑性成形概述3 金属塑性成形 汽车曲轴锻造(体积成形)103.1塑性成形概述3 金属塑性成形阶梯轴类零件的楔横轧113.1塑性成形概述3 金属塑性成形高温合金涡轮盘锤锻(体积成形)123.1塑性成形概述3 金属塑性成形汽车中的锻件13 板料成形 板料成形又称为冲压,这种成形方法通常都是在常温下进行,所以也称为冷冲压。按照金属的变形性质又可以分为分离工序和成形工序。 分离工序主要是利用冲模在压力机外力的作用下,使板料分离出一定的形
4、状和尺寸工件的冲压工序。它包括落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序。 成形工序是利用冲模在压力机外力的作用下,使板料产生塑性变形而得到相应工件的冲压工序。主要包括弯曲、拉深、翻边、胀形、扩口、缩口、旋压等。3.1塑性成形概述3 金属塑性成形143.1塑性成形概述3 金属塑性成形 汽车覆盖件成形(板料成形)153.1塑性成形概述3 金属塑性成形 汽车前翼子板成形(板料成形)16 圆筒的拉深成形(板料成形)3.1塑性成形概述3 金属塑性成形17 汽车中的冲压件(钣金)3.1塑性成形概述3 金属塑性成形18v 4.塑性成形优点 组织细化致密、力学性能提高。 体积不变的材料转移成形,材料利用率高。 生产
5、率高,易机械化、自动化。 制品精度较高。3.1塑性成形概述3 金属塑性成形19v 塑性成形缺点 不能加工脆性材料。 难以加工形状特别复杂(特别是内腔)、体积特别大的制品。 设备、模具投资费用高。3.1塑性成形概述3 金属塑性成形20v 塑性变形: 在外力作用下,金属材料产生的不可逆永久变形。v 弹性变形: 外力卸除后,自动消失的可逆变形。3.2塑性成形机理3 金属塑性成形21v 1.塑性: 在外力作用下,金属材料产生不可逆永久变形而不发生破坏的能力。 衡量金属变形难易程度的指标。 塑性越好,变形抗力越小,成形越容易。 用伸长率、断面收缩率表示: = (L1-L0)/ L0 100% =( S0
6、-S1)/S0100%3 金属塑性成形3.2塑性成形机理223 金属塑性成形v 2.金属塑性变形的实质3.2塑性成形机理金属显微组织晶体原子典型晶格结构: 体心立方(Body-Centered Cube bcc)面心立方(Face-Centered Cube fcc)密排六方(Close-Package Hexagonal Hex)金属变形: 晶粒内部变形 + 晶界变形晶内变形:滑移(slipping)和孪晶(twin crystal)23v金属结构3 金属塑性成形3.2塑性成形机理原子结构晶体结构显微结构243 金属塑性成形3.2塑性成形机理v典型金属晶体结构体心立方(Body Center
7、ed Cube)(- Fe、Cr、W、V、Mo)面心立方(Face Centered Cube)(Al、Cu、-Fe、Ni)密排六方(Close-package Hexagonal)(Mg、Zn、Cd、-Ti)253 金属塑性成形3.2塑性成形机理v 滑移滑移带 500倍263 金属塑性成形3.2塑性成形机理v滑移273 金属塑性成形3.2塑性成形机理v滑移28晶体外表面的滑移痕迹12示意图滑移带(铜) 5003 金属塑性成形3.2塑性成形机理v滑移29v 孪晶3 金属塑性成形3.2塑性成形机理孪晶后孪晶面孪晶前工业纯铁 孪晶 100倍30v晶内变形3 金属塑性成形3.2塑性成形机理31v 晶
8、界变形3 金属塑性成形3.2塑性成形机理32v 3.金属塑性变形的影响因素 化学成分的影响 组织状态的影响 变形温度的影响 变形速度的影响 应力状态的影响3 金属塑性成形3.2塑性成形机理33 (1)化学成分的影响 钢的碳含量,塑性成形性 钢的合金元素含量,塑性成形性o 碳 少量有利 过量有害(Fe3C)o 磷 有害, “冷脆”o 硫 有害, “热脆”o 氮 有害,“时效脆性”o 氢 “氢脆” “白点”o 氧 与其它杂质结合 有害3 金属塑性成形3.2塑性成形机理34 (2)金属组织 单相固溶体的塑性成形性优于多相组织 常温下,均匀细小等轴晶的塑性成形性优于粗大树枝晶 钢中存在网状二次渗碳体,
9、塑性成形性3 金属塑性成形3.2塑性成形机理35 (3)变形温度的影响 变形温度高,原子振动增强,结合力减弱,塑性提高,变形抗力减少;金属高温下发生再结晶,加工硬化消除。 高温下,金属的变形抗力仅为常温的1/4-1/5。 温度,塑性,变形抗力,塑性成形性能 在加热过程的某些温度区间,过剩相析出和相变的原因,会产生脆性。p 碳钢蓝脆: 200-350 渗碳体析出热脆: 800-950 Pearlite Austenite高温脆区: 1300 过热、过烧3 金属塑性成形3.2塑性成形机理36 (4)变形速度的影响 单位时间内的变形程度越大,金属塑性下降,抗力提高。但超过一定的临界点后,变形热来不及
10、散发,会产生“热效应”,使金属塑性提高,抗力减小。 变形速度,硬化速度,塑性成形性 变形速度,热效应,塑性成形性 一般生产条件下采用较低变形速度。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理37 (5)应力状态的影响 拉应力状态易产生应力集中,促使裂纹产生和扩展,造成破坏。故拉应力越多,材料塑性越差,压应力数目越多,塑性越好。 压应力数目,塑性,变形抗力 拉应力数目,塑性,变形抗力3 金属塑性成形3.2塑性成形机理38 (6)表面状态的影响 润滑条件 坯料表面质量 表面缺陷易成为“裂纹源”。表面质量好,有利于提高塑性。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理39v 如何提高金属塑性变形 提高材料的成分和组织的
11、均匀性 合理选择成形温度和成形速度 选择三向受压较强的变形方式 减少变形的不均匀性3 金属塑性成形3.2塑性成形机理40v 4.塑性变形对组织和性能的影响p 变形后的组织和性能 形成纤维组织: 晶粒被压扁、拉长,晶界模糊不清。 晶粒破碎,细化。 产生冷变形强化,或加工硬化。 形成变形织构: 晶粒择优取向,形成变形织构,使金属各向异性。 残余内应力: 由于变形不均匀,局部区域变形量的大小不同,造成受拉或受压。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理41铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织42变形10% 100变形40% 100 变形80%纤维组织100 工业纯铁不同变形度的显微组织433 金属塑性成形3
12、.2塑性成形机理44铁于冷变形过程中位错缠结和胞状组织的发展过程(a)应变1%;(b)应变3.5%;(c)应变9%;(d)应变20%45v (1)变形温度的影响 再结晶温度以下的塑性变形冷变形,会产生加工硬化,制品表面质量好、尺寸精度高、力学性能好。 再结晶温度以上的塑性变形热变形,加工硬化会同时被再结晶消除,制品表面易氧化,精度和表面质量较低。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理46v 冷变形金属加热时的变化 变化过程: 形成织构、加工硬化的金属 (加热至0.25-0.3T熔) 回复(继续加热至0.5-0.7T熔) 再结晶(保温) 晶粒长大回复: 加热温度不高,内应力降低,组织、性能无明显变化
13、。 再结晶: 加热温度较高,原子扩散、重新排列,形成新的等晶粒。 加工硬化消除,变形抗力降低,塑性提高。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理473 金属塑性成形3.2塑性成形机理 冷作后 经时间t1 经时间t2 经时间t3 经时间t4 经时间t5|-加热至大约Tm/2-| 晶粒长大|纯铁冷拔90%后在550加热不同时间后的显微组织回复-|-再结晶-|483 金属塑性成形3.2塑性成形机理回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变化示意图49v 热变形后金属组织与性能热变形:在再结晶温度以上进行的变形。 变形造成的加工硬化随时被再结晶消除(动态再结晶)。变化如下: 金属的致密度提高,气孔、缩松被压缩而发
14、生焊合。 晶粒细化,性能提高。 锻造流线形成,力学性能呈各向异性。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理503 金属塑性成形3.2塑性成形机理513 金属塑性成形3.2塑性成形机理523 金属塑性成形3.2塑性成形机理v(2)流线的影响53 热塑性变形时,金属中的夹杂物、第二相等,随变形方向呈现的宏观“流线”状分布流线。 流线不能用热处理方法消除,只能通过塑性变形改变其方向和分布。 设计制造时应注意: (1)使零件工作时的正应力方向与流线方向一致,切应力方向与流线方向垂直。 (2)使流线沿零件外形轮廓分布,尽量不被切断。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理54v (3)变形程度的影响 变形程度过小,
15、不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的。 变形程度过大,会因严重的纤维组织,使金属各向异性增加,且易出现开裂等缺陷。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理55v 5.塑性变形遵循的几个规律 最小阻力定律 卸载弹性恢复规律 加工硬化规律 体积不变规律3 金属塑性成形3.2塑性成形机理56 最小阻力定律 塑性变形过程中,金属各质点有向多个方向流动的可能时,将向阻力最小的方向流动。最小阻力定律镦圆图3 金属塑性成形3.2塑性成形机理57 卸载弹性恢复规律 金属变形包括塑性和弹性二部分,外力卸除之后,塑性变形部分保留,而弹性变形部分会因为弹性恢复而消除。如弯曲时回弹。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理58
16、 加工硬化规律 金属冷变形时,随变形程度的增加,强度和硬度提高,塑性和韧性下降。 冷作硬化,冷变形强化。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理59 体积不变规律 变形前后,金属体积保持不变。(致密材料)3 金属塑性成形3.2塑性成形机理60v 6.变形量的表达3 金属塑性成形3.2塑性成形机理工程应变: 改变量/初始尺寸。 L/L0对数应变(真实应变): ln(变形后尺寸/初始尺寸) Ln(L1/L0)61 工程应变 设坯料原来的高度H0,压缩后高度为H1,高度差H=H1-H0,工程应变为:3 金属塑性成形3.2塑性成形机理e =HH 0 100 (%)62 对数应变 真实应变(对数应变):在变形
17、过程中,如原始尺寸L0经过无穷多个中间数值逐渐变到L1,则由L0变到L1终了的应变程度可以看作是各阶段相对应变的总和,这个总和称为对数应变或真实应变。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理例如高100mm的坯料被压缩到高为40mm时,对数应变= 0.9163。=niilll10lim表达成积分形式0101lnln10lllllldlxllxx=633 金属塑性成形3.2塑性成形机理对数应变具有下列特点:p1.一般大变形情况下,工程应变不能确切地反映工件真实的应变程度;在小变形情况下,两者相差不多,例如,工程应变为10%时,对数应变为0.095。p2.工程应变和对数应变的关系p3.在分次成形时,对数
18、变形指标能够相加。)1ln()(ln(ln001001ellllll= 例如:毛坯到工件的长度的变化L1 L2 L3,,则13lnLL=12lnLL=23lnLL=132312lnlnlnLLLLLL 64p 4.对数应变是可以比较的应变。 例如有两个试件,其中试件1长度为L,被拉伸成长度为2L;试件2长度为2L,被压缩成长度为L。 用工程应变来衡量,试件1的工程应变为e1=100%,试件2的工程应变为e2=-50% 用对数应变来衡量,试件1的对数应变为1=ln2=0.6931,试件2的对数应变为2=ln0.5=-0.6931,3 金属塑性成形3.2塑性成形机理可以看出,对于这样实际上变形程度
19、一样的情况,用工程应变来衡量两者相差却很多;显然对数应变能够准确地表达大变形的变形程度。653 金属塑性成形3.2塑性成形机理两种应变的比较66压缩中的工程应变3 金属塑性成形3.2塑性成形机理67拉伸中真实应变3 金属塑性成形3.2塑性成形机理68v 其他塑性变形量的表达 锻比 断面收缩率 体积不变规则3 金属塑性成形3.2塑性成形机理69锻比(挤压比)变形前后的截面积比值3 金属塑性成形3.2塑性成形机理10AAK =70 断面收缩率3 金属塑性成形3.2塑性成形机理%100010=AAA71v 体积不变规则 在金属塑性成形中,三个相互垂直方向的均匀变形量不能同时都是伸长,或同时都是压缩。三个相互垂直的方形满足下列关系: 一个方向压缩,另外两个方向都伸长,如镦粗。 两个方向压缩,第三个方向伸长,如挤压或拔长。 一个方向长度不变,其余两个方向一为伸长、变形另一个为压缩,如平面变形。3 金属塑性成形3.2塑性成形机理72