金属塑性成形原理及工艺

第一章绪论一、课程简介金属塑性成形原理及工艺是一门专业理论课。它由两个部分组成：金属塑性成形原理部分和冲压工艺部分。其中，金属塑性成形原理部分是冲压工艺部分的理论基础。随着冲压工艺及模具技术的迅速发展，在现代工业生产中，冲压工艺在航空、兵工、汽车、拖拉机、电器、电子、仪表及日用品生产中应用十分广泛，占有很重要的地位。模具已经成为生产各种工业产品不可缺少的重要工艺装备，为了扩展学生在成形原理和工艺装备方面的知识面，以适应社会的需求，在机械工程及自动化专业开设“塑性成形原理及工艺”课程。金属塑性成形是金属加工的方法之一。它是在外力作用下，使金属产生塑性变形，从而加工成所需要的形状和尺寸的加工方法。所以也将塑性成形称为塑性加工或者压力加工。二、金属塑性成形的优点及分类与金属切削、铸造、焊接等加工方法相比，金属塑性成形具有以下优点：（1）经过塑性加工，金属的组织、性能得到改善和提高金属在塑性加工过程中，往往要经过锻造、轧制、或者挤压等工序，这些工序使得金属的结构更加致密、组织得到改善、性能得到提高。对于铸造组织，这种效果更加明显。例如炼钢铸成的钢锭，其内部组织疏松多孔、晶粒粗大而且不均匀，偏析也比较严重，经过锻造、轧制或者挤压等塑性加工可以改变它的结构、组织性能。（2）金属塑性成形的材料利用率高金属塑性成形主要是依靠金属在塑性状态下的体积转移来实现的，这个过程不会产生切削，因而材料的利用率高。（3）金属塑性成形具有很高的生产率这一点对于金属材料的轧制、拉丝、挤压等工艺尤为明显。例如，在12000×10KN的机械压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；在弧形板行星搓丝机上加工M5mm的螺钉，其生产率可以高达12000件/min。随着生产机械化和自动化的不断发展，金属塑性成形的生产率还在不断提高。（4）通过金属塑性成形得到的工件可以达到较高的精度近年来，由于应用先进的技术和设备进行塑性加工，不少零件已经实现少、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而直接使用，精锻叶片的复杂曲面可以达到只需磨削的精度，等等。由于金属塑性成形具有上述优点，因而在国民经济中得到广泛使用。1三、金属塑性成形方法分类金属塑性成形的种类很多，目前还没有统一的分类方法。按照其成形的特点，一般把塑性加工分为五大类：轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压。其中每一类又包括了各种加工方法，形成了各自的加工领域。1．轧制轧制的示意图如图1所示。它是使坯料经过旋转的轧辊，使坯料经过压缩后，横截面减小、形状改变、长度增加的工艺。图1图22．拉拔拉拔的示意图如图2所示。拉拔是使用拉拔机大的夹钳将金属坯料从一定形状和尺寸的模孔中拉出，从而获得各种断面的型材、线材和管材。3．挤压挤压的示意图如图3所示。图3挤压是把坯料放在挤压机的挤压筒中，在挤压杆的压力作用，使金属从一定的形状和尺寸的模孔中流出。挤压可以分为正挤压和反挤压。正挤压时挤压杆的运动方向和金属从模孔中挤出的金属的流动方向一致，而反挤压时挤压杆的运动方向与模孔中挤出的金属的流动方向相反。24．锻造锻造的示意图如图4所示。锻造可以分为自由锻造和模锻。自由锻造一般是在锤锻或者水压机上，利用简单的工具将金属锭或者块料锤成所需要形状和尺寸的加工方法。自由锻造不需要专用模具，因而锻件的尺寸精度低、生产效率不高。模锻是在模锻锤或者热模锻压力机上利用模具来成形的。金属的成形受到模具的控制，因而其锻件的外形和尺寸精度高，生产效率高，适用于大批量生产，模锻又可以分为开式模锻和闭式模锻。图45．冲压冲压又可以分为拉深、弯曲、剪切等等。其示意图见图5。拉深等成形工序是在曲柄压力机上或者油压机上用凸模把板料拉进凹模中成形，用以生产各种薄壁空心零件。弯曲是坯料在弯矩的作用下成形，如板料在模具中的弯曲成形、板带材的折弯成形、钢材的矫直等等。剪切是指坯料在剪切力作用下进行剪切变形，如板料在模具中的冲孔、落料、切边、板材和钢材的剪切等等。图5在轧制、拉拔和挤压的成形过程中，由于其变形区保持不变，所以它们属于稳定的塑性流动过程，适用于连续的大量生产，起着提供型材、板材、管材和线材等金属原材料的作用。，它们属于冶金工业领域；而锻造和冲压成形的变形区是随着变形过程而变化的，属于非稳定的塑性流动过程，适用于间歇生产，主要用于提供机器零件或者坯料，属于机械制造工业领域。锻造属于体积成形，而冲压属于板料成形，故也称为板料冲压。按照塑性成形时的工件温度，金属塑性成形还可以分为热成形、冷成形和温成形。热成形是在金属再结晶温度以上所完成的加工，如热轧、热锻、热挤压等等；冷成形是在不产生回复和再结晶的温度以下所进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等等；而温成形则是介于热成形和冷成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等等。3四、金属塑性成形理论的发展金属塑性成形加工是具有悠久历史的加工方法，早在两千多年以前的青铜器时代，我国劳动人民就已经发现铜具有塑性变形的能力,并且掌握了锤击金属用以制造兵器和工具的技术。随着近代科学技术的发展，塑性加工技术已经具有了崭新的内容和涵义。作为这门技术的理论基础——金属塑性成形原理发展得比较晚，在本世纪40年代才逐步形成独立的学科。金属塑性成形理论是在塑性成形的物理、物理－化学和塑性力学的基础上发展起来的一门工艺理论。金属塑性变形的物理和物理化学基础属于金属学范畴。本世纪30年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机理做出了科学的解释。对于金属产生永久变形而不破坏其完整性的能力——塑性，人们也有了更深刻的认识。塑性，作为金属的状态属性，不仅取决于金属材料本身（如晶格类型、化学成分和组织结构等），还取决于变形的外部条件，如合适的温度、速度条件和力学状态等等。金属塑性成形原理的另一重要方面是塑性成形力学，它是在塑性理论（或者称塑性力学）的发展和应用中逐渐形成的。1864年，法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）首次提出昀大切应力屈服准则；1913年，密席斯从纯数学的角度出发，提出了另一新的屈服准则——密席斯准则；1925年，德国学者卡尔曼（VonKarman）用初等方法建立了轧制时的应力分布规律，昀早将塑性理论用于金属塑性加工技术。继卡尔曼不久，萨克斯（G.Sachs）和奇别尔（E.Siebel）在研究拉丝过程中提出了相似的求解方法——切块法，即后来所称的主应力法。此后，人们对塑性成形过程的应力、应变和变形力的求解逐步建立了许多理论求解方法：如滑移线法、工程计算法、变分法和变形功法、上限法、有限元法等等。塑性成形中求解应力、应变等是一项繁重的计算工作，近年来由于计算机技术的飞速发展以及在生产中的普遍应用，对塑性成形问题的求解起了很大的促进作用。如已经出现的用于金属塑性成形的有限元分析软件，Ansys，Dynaform，Deform等等，为塑性成形的研究提供了极大的方便。金属塑性成形理论是一门年轻的学科，其中还有大量的问题有待进一步研究和解决。五、课程内容金属塑性成形原理这一部分课程将主要介绍金属的塑性和金属变形的原理、塑性变形的力学基础，对金属塑性变形时的应力状态、应变状态、屈服准则、应力应变关系及应力—应变曲线做了深入、系统的介绍，另外还将介绍金属塑性变形和流动规律（包括昀小阻力定律、变形不均匀性和影响因素、附加应力、残余应力、金属断裂及塑性成形中的摩擦和润滑等），金属塑性成形基本工序的力学分析及主应力法等。具体的内容如下；（1）金属的结构和塑性变形：单晶体的塑性变形、位错理论的基本概念、多晶体的塑性变形、加工硬化；（2）金属的塑性：塑性和塑性指标、金属的化学成分和对塑性的影响、变形温度、变形速度对塑性的影响、提高金属塑性的主要途径、金属超塑性；（3）应力分析：外力和应力、直角坐标系统中的一点的应力状态、应力平衡微分方程、平面应力状态和轴对程应力状态；（4）应变分析：有关变形的基本概念、小变形分析、应变增量和应变速率张量、平面4变形问题和轴对程问题；（5）屈服准则：屈雷斯加屈服准则、密席斯屈服准则、屈服准则的几何表达、平面问题和轴对程问题中屈服准则的简化；（6）本构方程：弹性应力应变关系、塑性变形时应力应变关系的特点、塑性变形的增量理论、塑性变形的全量理论；六、课程要求金属塑性加工原理的任务是研究塑性成形中共同的规律性问题，就是在阐述应力、应变理论以及屈服准则等塑性理论的基础上，研究塑性加工中有关力学问题的各种解法，分析变形体内的应力和应变分布，确定变形力和变形功，为选择设备和模具设计提供依据。所以，要求大家：（1）掌握金属塑性变形的金属学基础，具体的说就是金属的结构和金属塑性变形机理。（2）了解影响金属塑性和塑性成形的主要因素。（3）掌握塑性变形的力学基础：包括应力分析、应变分析、屈服准则和应力应变关系。（4）掌握塑性成形力学问题的各种解法以及其在具体工艺中的应用。5第二章金属的结构及塑性变形一、金属的晶体结构1．晶格和晶胞固体物质中的原子排列有两种情况，一种是原子呈周期性有规则的排列，这种物质被称为晶体，另一种是原子呈不规则排列，被称为非晶体。金属一般是晶体。在晶体中，原子排列的规律不同，其性能也不同。所以研究金属的晶体结构，首先必须从金属原子的实际排列情况着手。实际中，晶体的原子堆积在一起，肉眼难以分辨其规律性。为了清楚的表明原子在空间的排列规律性，人们对晶体结构进行了抽象简化。即将构成晶体的实际质点（包括原子、离子或者分子）忽略，将他们抽象为纯粹的几何点，称之为阵点或结点。这些阵点可以是原子（或者分子）的中心，也可以是原子群（或者分子群）的中心点。用许多平行的直线将这些阵点连接起来，就构成了一个三维的空间格架，这种用以描述晶体中原子（离子或者分子）排列规律的空间格架称为空间点阵，简称为点阵或晶格。从晶格中取出一个能够完全反映晶格特征的昀小几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个昀小的单元称为晶胞。晶胞的棱边长度一般称为晶格常数或者点阵常数。晶胞是晶体的昀小几何单元，晶胞的结构即反映了晶体的结构。2．三种典型的晶胞结构昀长见的金属晶胞结构类型有三种：面心立方晶胞、体心立方晶胞和密排六方晶胞。（1）面心立方晶胞在晶胞的每个角上都有一个原子，每个面的中心也有一个原子，晶胞中的原子数为4，这种晶胞结构称为面心立方晶胞，如图2－2所示。具有面心立方结构的金属有Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pb、γ-Fe等。图2－2（2）体心立方晶胞在晶胞的每个角上各有一个原子，在晶胞的中心还有一个原子，晶胞中的原子数为2，这种晶胞结构称为体心立方晶胞，如图2－3所示。具有体心立方结构的金属有：Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、α–Fe、β-Ti等6（3）密排六方晶胞密排六方晶胞象是一个六棱柱体，晶胞中上、下面的六个角点和中心各有一个原子，上、下面的间隙处还有三个原子，晶胞中的原子数为6，如图2－4所示。具有密排六方结构的金属有：Zn、Mg、Cd、α-Be、α-Ti、α-Co等等。3．晶体的缺陷晶胞的重复堆砌构成了晶体，同一种位向的晶胞堆积在一起，就构成了金属单晶体。单晶体由于原子在各个方向上的排列密集程度有差别，因此，在各个方向上的性能不同，称为各向异性。实际使用的金属是多晶体，由许多晶粒组成，每一个晶粒都是有一定位向的单晶体，由于晶粒间位向不一致，晶粒间的方向性互相抵消，因而在一般情况下，实际金属不显示方向性。在实际金属中，由于晶体的形成条件、加工过程、原子的热运动以及其他因素（如辐射、氧化等）的影响，原子的排列不可能象理想晶体那样规则和完整，而是或多或少地偏离理想结构地区域，出现了不完整性，通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。晶体地缺陷通常分为三大类：（1）点缺陷晶体中的点缺陷主要包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组合而成的复杂缺陷。在晶体中，处于平衡位置的原子不是固定不动的，而是以各自的平衡位置为中心不停的作热振动。随着温度的升高，热振动的振幅和频率都会增加。由于晶体内原子的相互作用，他们将彼此相互影响、相互制约，从而使热振动能量产生起伏。当某些原子振动的能量高