1、第二章第二章 金属的塑性成形金属的塑性成形第一节第一节 金属塑性成形的工艺基础金属塑性成形的工艺基础第二节第二节 金属热锻成形工艺金属热锻成形工艺第三节第三节 板料冲压成形工艺板料冲压成形工艺第四节第四节 特种塑性成形技术简介特种塑性成形技术简介1第 页第一节第一节 金属塑性成形的工艺基础金属塑性成形的工艺基础一、金属塑性成形概述一、金属塑性成形概述二、金属的塑性成形性能及影响因素二、金属的塑性成形性能及影响因素2第 页 利用金属的塑性，用工具对金属材料所进行的加利用金属的塑性，用工具对金属材料所进行的加工工艺的总称。目的工工艺的总称。目的:在外力的作用下改变材料的形在外力的作用下改变材料的形
2、状和尺寸而不产生切屑，使成为半成品或成品。状和尺寸而不产生切屑，使成为半成品或成品。一、金属塑性成形概述一、金属塑性成形概述1.1.塑性成形工艺方法及分类塑性成形工艺方法及分类轧轧 制制挤挤 压压拉拉 拔拔一一 次次 塑塑 性性 加加 工工自自 由由 锻锻 造造模模 型型 锻锻 造造冲冲 压压二二 次次 塑塑 性性 加加 工工塑塑 性性 成成 形形3第 页二次塑性加工二次塑性加工板料成形板料成形体积成形体积成形冷冲压或板料冲压冷冲压或板料冲压锻造锻造挤压挤压冲压基本工序有：分离工序和成形工序冲压基本工序有：分离工序和成形工序热成形、温成形、冷成形热成形、温成形、冷成形4第 页 用轧辊来轧压金属
3、材料。轧辊上开有一定形状和用轧辊来轧压金属材料。轧辊上开有一定形状和尺寸的轧槽，材料通过两轧辊之间的轧槽，就形成各尺寸的轧槽，材料通过两轧辊之间的轧槽，就形成各种形状和尺寸的横剖面，如各种型式的钢材（圆钢、种形状和尺寸的横剖面，如各种型式的钢材（圆钢、工字钢、槽钢等）工字钢、槽钢等）1 1）轧制（）轧制（rollingrolling）坯料坯料轧辊轧辊录像录像1录像录像2示例示例1示例示例2钢管轧制钢管轧制.swf5第 页2 2）挤压（）挤压（extrudingextruding）使金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的方法。使金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的方法。挤压筒挤压筒挤压模挤
4、压模凸模凸模坯料坯料挤压筒挤压筒挤压模挤压模凸模凸模坯料坯料正挤压正挤压反挤压反挤压6第 页3)3)拉拔（拉拔（drawing)drawing)将较大剖面的金属材料强行拉过拉拔模（它中间有将较大剖面的金属材料强行拉过拉拔模（它中间有一尺寸较材料稍小的模孔，一端为喇叭口），以获得所一尺寸较材料稍小的模孔，一端为喇叭口），以获得所要求的剖面形状和尺寸的方法。通常在室温下进行。经要求的剖面形状和尺寸的方法。通常在室温下进行。经过拉拔可得到尺寸精确、表面光洁并具有较好机械性能过拉拔可得到尺寸精确、表面光洁并具有较好机械性能的线材、型材、管材等。的线材、型材、管材等。拉拔模拉拔模坯料坯料7第 页4)4)
5、自由锻造（自由锻造（free forging)free forging)使金属坯料在锻锤或压力机的上下抵铁（上砧、使金属坯料在锻锤或压力机的上下抵铁（上砧、下砧）间受冲击力或压力而变形的方法。下砧）间受冲击力或压力而变形的方法。坯料坯料下砧下砧上砧上砧自由锻造录像自由锻造录像8第 页5)5)模锻（模锻（die forging)die forging)利用装在锻造机器上的锻模，在锤的打击或压力利用装在锻造机器上的锻模，在锤的打击或压力机的压力下，使金属在一定形状和尺寸的模膛内变形机的压力下，使金属在一定形状和尺寸的模膛内变形的方法。的方法。坯料坯料下模下模上模上模曲轴锻模曲轴锻模9第 页6)6)
6、冲压（冲压（pressing)pressing)凹模凹模凸模凸模坯料坯料 使金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的方使金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的方法。法。10第 页1)1)用压力加工方式制造的产品，具有较高的机械性能用压力加工方式制造的产品，具有较高的机械性能例例 抗拉强度（抗拉强度（MpaMpa）屈服强度（屈服强度（MpaMpa）延伸率（延伸率（%）ZG45 580 320 12ZG45 580 320 12轧制轧制45 610 360 1645 610 360 16提高百分率提高百分率 5%12%30%5%12%30%ZG45与轧制4 5 的性 能 比较580320126103
7、6016123性能ZG45轧制4 52.塑性成形工艺的特点：塑性成形工艺的特点：11第 页塑性成形工艺特点塑性成形工艺特点（2）材料利用率高；材料利用率高；仅依靠形状变化和体积转移来实现。（3）生产效率高生产效率高；生产自动化、机械化（4）尺寸精度高尺寸精度高。少、无切削加工，向近净成形发展 12第 页产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。凡承受重载的机器零件，如机器的主轴、重要凡承受重载的机器零件，如机器的主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常需采用锻件作毛齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常需采用锻件作毛坯，再经切削加工而制成。坯，再经切削加工而制成。一般用于
8、受力较大的重要零件。一般用于受力较大的重要零件。用途：用途：实例实例1 1实例实例2 2实例实例3 3实例实例4 4实例实例5 5塑性成形工艺不足塑性成形工艺不足13第 页二、金属的塑性成形性能及影响因素二、金属的塑性成形性能及影响因素1.金属的塑性及变形规律塑性：塑性：金属材料在外力作用下，发生金属材料在外力作用下，发生永久变形而不永久变形而不开裂开裂的能力。的能力。不同材料塑性不同，而同一材料变形条件不同塑性不同材料塑性不同，而同一材料变形条件不同塑性也不相同。也不相同。14第 页 金属塑性成形的基本规律金属塑性成形的基本规律1 1）最小阻力定律）最小阻力定律：即如果物体在变形过程中某质点
9、有向各种方向移即如果物体在变形过程中某质点有向各种方向移动的可能性时，则物体各质点将动的可能性时，则物体各质点将向阻力最小的方向向阻力最小的方向移动。移动。故宏观上变形阻力最小的方向上变形量大。故宏观上变形阻力最小的方向上变形量大。依据该定律：依据该定律：镦粗矩形截面镦粗矩形截面坯料，最终会成为坯料，最终会成为圆形截面圆形截面。图例图例15第 页（2 2）体积不变规律）体积不变规律 由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可由于塑性变形时金属密度变化很小，所以可以认为变形前后的体积相等以认为变形前后的体积相等实际上在变形中有微小变化。气孔、缩松被压实际上在变形中有微小变化。气孔、缩松被压合；氧化及
10、耗损等。合；氧化及耗损等。运用此定律，便于运用此定律，便于估算坯料体积估算坯料体积、质量及坯料、质量及坯料在各工序中的尺寸；在各工序中的尺寸；16第 页2.塑性变形对金属组织和性能的影响（1）变形程度的影响随着变形程度的增加，可以消除铸态粗大树枝晶组随着变形程度的增加，可以消除铸态粗大树枝晶组织，获得均匀细小的等轴晶组织；织，获得均匀细小的等轴晶组织；破碎并分散碳化物和非金属夹杂物的分布；破碎并分散碳化物和非金属夹杂物的分布；锻合内部孔隙和缩松锻合内部孔隙和缩松强度和抗疲劳性能得以提高强度和抗疲劳性能得以提高，特别是塑性、韧性提，特别是塑性、韧性提高较大。高较大。17第 页变形程度的表示方法变
11、形程度的表示方法 锻造比：拔长时，S前/S后；镦粗时：H前/H后 相对弯曲半径 拉深系数 翻边系数18第 页（2)2)纤维组织的影响纤维组织的影响 在塑性变形过程中，晶粒和晶间杂质都沿着变在塑性变形过程中，晶粒和晶间杂质都沿着变形最大方向伸长；再结晶后，晶粒恢复成等轴晶，而形最大方向伸长；再结晶后，晶粒恢复成等轴晶，而杂质仍然保持线状分布。此即纤维组织。杂质仍然保持线状分布。此即纤维组织。特点：性能出现方向性特点：性能出现方向性 顺纤维方向，强度、塑性、韧性较高；顺纤维方向，强度、塑性、韧性较高；垂直纤维方向，强度、塑性、韧性较低，但抗剪垂直纤维方向，强度、塑性、韧性较低，但抗剪切能力强。切能
12、力强。图例图例图例图例图例图例动画动画19第 页 锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其锻造流线的化学稳定性很高，用热处理或其它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变它方法都不能消除，只能通过重新锻压才能改变其流线方向和分布状况其流线方向和分布状况。20第 页如何纤维组织的利用如何纤维组织的利用 轴类轴类：最大拉应力方向与纤维方向一致，最大剪：最大拉应力方向与纤维方向一致，最大剪应力方向与纤维组织垂直。应力方向与纤维组织垂直。容易疲劳剥损的零件容易疲劳剥损的零件：工作表面避免纤维露头，：工作表面避免纤维露头，使纤维的分布与零件的外形轮廓相符合。使纤维的分布与零件的外形轮廓相符合。受力复杂件受
13、力复杂件：不希望明显的纤维组织，减少各向：不希望明显的纤维组织，减少各向异性。异性。21第 页1 1）在冷变形（在再结晶温度以下的变形）条件下：）在冷变形（在再结晶温度以下的变形）条件下：组织：加工硬化组织（晶粒沿变形最大的方向伸长；组织：加工硬化组织（晶粒沿变形最大的方向伸长；晶格歪扭；产生碎晶）晶格歪扭；产生碎晶）（3 3）冷变形与热变形的影响）冷变形与热变形的影响22第 页性能：性能：随变形程度增加，强度、硬度提高，塑性、韧随变形程度增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。（此现象称为加工硬化）性下降。（此现象称为加工硬化）23第 页2 2）在热变形（在再结晶温度以上的变形）条件下：）在热
14、变形（在再结晶温度以上的变形）条件下：组织：再结晶组织（均匀、细小的晶粒）组织：再结晶组织（均匀、细小的晶粒）性能：具有较高的综合机械性能。性能：具有较高的综合机械性能。24第 页(1)(1)金属的本质金属的本质 1 1）化学成分化学成分 如纯铜和纯铁如纯铜和纯铁 2 2）组织组织 如钢中如钢中 A A与与FeFe3 3C C AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3CIIP+F问题：问题：在室温下受力时，含碳量在室温下受力时，含碳量0.10.1的钢与含碳量的钢与含碳量1.01.0的钢相的钢相比，哪个容易产生塑性变形？为比，哪个容易产生塑性变形？为什么？什么？3.3.影响金属塑性变形的因素
15、影响金属塑性变形的因素25第 页(2)(2)加工条件加工条件 1 1）变形温度变形温度 变形温度提高，可锻性提高变形温度提高，可锻性提高原因：温度提高，原子动能提原因：温度提高，原子动能提高，有利于滑移变形；高，有利于滑移变形；温度提高，有可能改变金温度提高，有可能改变金属组织，如钢，属组织，如钢，1000 1000 单一单一 A A 组织；组织；温度 Cb400AA+LA+Fe3CIIA+FAEP+Fe3CIIP+F26第 页锻造温度范围锻造温度范围始锻温度和终锻温度间的温度范围始锻温度和终锻温度间的温度范围 始锻温度过高，容易产生氧化、脱碳、过热、始锻温度过高，容易产生氧化、脱碳、过热、过
16、烧等缺陷过烧等缺陷过热：晶粒过分粗大过热：晶粒过分粗大过烧：晶界氧化或熔化过烧：晶界氧化或熔化(自由锻造录像自由锻造录像)27第 页碳钢的锻造温度范围：碳钢的锻造温度范围：始：始：AE AE线下线下200200；终：终：800 80028第 页2 2）变形速度变形速度 在一定的变形速度以下，可锻性下降；在一定的变形速度以下，可锻性下降；当超过某一变形速度时，可锻性提高；当超过某一变形速度时，可锻性提高；变形速度变形速度变形抗力变形抗力塑塑 性性原因：原因：变形变形加工硬化加工硬化热能热能 再结晶再结晶 变形速度提高，热能增加，变形速度提高，热能增加，再结晶作用增强再结晶作用增强问题：问题：金属
17、在热变形过程中，是否存在加工硬化现象？金属在热变形过程中，是否存在加工硬化现象？29第 页3 3）应力状态）应力状态 压应力数目多，塑性好，有利于成形，但变形抗压应力数目多，塑性好，有利于成形，但变形抗力提高。力提高。示例示例30第 页b)b)拉拔时，压应力数目少，材料容易拉裂，但拉拔时，压应力数目少，材料容易拉裂，但需要的动力小与挤压需要的动力小与挤压a)a)挤压时，压应力数目多，因此材料不容易破挤压时，压应力数目多，因此材料不容易破裂，但需要很大的挤压力。裂，但需要很大的挤压力。返返 回回31第 页（3）其他因素）其他因素 摩擦条件摩擦条件 摩擦力越大，摩擦力越大，变形不均匀变形不均匀程度
18、越严重，所引起的程度越严重，所引起的附加应力也越大，从而导致附加应力也越大，从而导致变形抗力增加变形抗力增加，塑性塑性降低降低。采取润滑剂。采取润滑剂。模具结构模具结构 合理设计模具，如合理设计模具，如圆角圆角 减小减小金属成形时的金属成形时的流动阻力流动阻力，避免割断纤维和出，避免割断纤维和出现折叠。现折叠。32第 页综上所述，金属的塑性成形性能取决于综上所述，金属的塑性成形性能取决于 内在因素内在因素：化学成分，金属组织化学成分，金属组织 外在因素：加工条件（变形温度、变形速度、加工条件（变形温度、变形速度、应力状态）应力状态）其他因素（摩擦条件、模具结构）其他因素（摩擦条件、模具结构）3
19、3第 页34第 页返返 回回35第 页返返 回回锻造曲轴的纤维组织锻造曲轴的纤维组织36第 页a)a)用圆钢棒料直接切制；用圆钢棒料直接切制；b)b)用板料（钢板）直接切制；用板料（钢板）直接切制；c)c)用棒料锻造镦粗后切制；用棒料锻造镦粗后切制；d)d)轧制成形后再切削；轧制成形后再切削；返返 回回37第 页纤维组织的形成纤维组织的形成.swf38第 页39第 页返返 回回轧制轧制AVI40第 页返返 回回轧制轧制AVI41第 页带钢带钢返返 回回42第 页图图3-15 不同截面的金属流动情况不同截面的金属流动情况a)圆形圆形 b)正方形正方形 c)长方形长方形 返回返回图图3-16 金属镦粗变形金属镦粗变形返返 回回各种型钢各种型钢45第 页齿轮与花键轴齿轮与花键轴46第 页曲轴与连杆曲轴与连杆47第 页传动轴万向节毛坯传动轴万向节毛坯拖钩拖钩吊环吊环48第 页斧头斧头双头呆扳手双头呆扳手双头梅花扳手双头梅花扳手镐头镐头带柄羊角锤带柄羊角锤八角锤八角锤瓦刀瓦刀活扳手活扳手49第 页铜索钳铜索钳航空电缆剪航空电缆剪钢丝钳钢丝钳锉刀锉刀50第 页
