金属工艺学—3金属塑性加工

金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/31第三篇金属压力加工金属工艺学第三篇金属塑性加工主要内容：本篇重点：1.了解金属塑性成型的理论基础；2.掌握金属的塑性成型方法及工艺；3.掌握薄板冲压成形工艺，包括各种成形模具结构、基本工序和典形零件的工艺制定。第9章金属压力加工基础第10章常用的锻造方法第11章板料冲压第12章特种压力加工方法简介2019/10/32金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/33概述一、金属压力加工（塑性成形或俗称“打铁”）金属在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。二、塑性成形的基本生产方式5．模锻1．轧制2．挤压3．拉拔4．自由锻造6．板料冲压金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/341．轧制金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/35轧制产品金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/362．挤压施加强大压力作用于模具，迫使放在模具内的金属坯料产生定向塑性变形并从模孔中挤出，从而获得所需零件或半成品的加工方法。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/37挤压产品金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/383．拉拔将金属坯料从拉拨模的模孔中拉出而变形的加工方法金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/39拉拔产品金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3104．自由锻造上砥铁下砥铁坯料只用简单的通用性工具．或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需锻件的锻造方法。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3115．模锻利用模具使坯料变形而获得所需锻件的锻造方法。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3126．板料冲压利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获得所需零件的工艺方法。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3134.毛坯或零件的精度较高三、塑性成形（压力加工）的特点1．力学性能高1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷；4）正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能2．节约材料3．生产率高金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配，而不需要切除金属。金属塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工。金属工艺学第三篇金属塑性加工第9章塑性成型的理论基础9.1金属塑性变形的实质9.2塑性变形对金属组织和性能的影响9.3金属的可锻性重点内容：1.金属塑性成型的原理；2.纤维组织的形成及利用；3.金属可锻性及其影响因素。主要内容2019/10/314金属工艺学第三篇金属塑性加工上次课内容的回顾常用的压力加工生产方式：自由锻、模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔2019/10/315型砂应具备的性能：强度、透气性、耐火性、退让性特种铸造铸件壁厚的设计：（1）铸件壁厚应均匀、避免厚大截面1．铸件的结构圆角2．避免锐角连接3．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡4．减缓筋、辐收缩的阻碍（2）铸件壁的连接：金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/316第一节金属塑性变形的实质1.单晶体的塑性变形1）滑移：单晶体承受切应力时，晶体会发生弹性变形，当切应力的数值超过某一临界值时，晶体内的一部分相对另一部分沿一定的晶面（称滑移面）和晶向（称滑移方向）发生相对滑动。ττττ金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/317但实际金属的滑移是靠位错的移动来实现的。实际晶体内部存在大量缺陷。其中，以位错对金属塑性变形的影响最为明显。由于位错的存在，部分原子处于不稳定状态。在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子很容易从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上，形成位错运动。位错运动的结果，就实现了整个晶体的塑性变形。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3182）孪生：晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面和晶向发生相对转动。2.多晶体的塑性变形晶内变形晶间变形滑移孪生滑动转动多晶体塑性变形的实质：晶粒内部发生滑移和孪生；同时晶粒之间发生滑移和转动。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/319第二节塑性变形对金属组织和性能的影响1.金属在常温下经塑性变形后，内部组织将发生变化：①晶粒沿变形最大方向伸长；②晶格与晶粒均发生畸变；③晶粒间产生碎晶。2.加工硬化：随着变形程度的增加，其强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降。有利：强化金属材料不利：进一步的塑性变形带来困难原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3203.回复T回=（0.25~0.3）T熔(K)加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定状态的倾向。对具有加工硬化现象的金属加热，使原子获得热能，当加热温度T回(用K氏温标)并使原子恢复正常排列，消除晶格扭曲，使加工硬化现象得到部分消除。经过回复处理能使冷变形后的金属在具备高强度的同时，减少脆性，适当提高其塑性。注：开尔文温度（绝对温度）(T)单位:开尔文(K)换算关系:T=t+273℃金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/321对具有加工硬化现象的金属加热，使原子获得热能，当加热温度T再(用K氏温标)并使某些碎晶或杂质为核心构成新晶粒，从而消除了全部加工硬化现象。经过回复处理能使冷变形后的金属恢复良好的塑性。4.再结晶T再=0.4T熔(K)金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/322金属的回复和再结晶示意图5.冷变形及热变形（1）冷变形：在再结晶温度以下的变形；冷变形后金属强度、硬度较高，低粗糙度值。但变形程度不宜过大，否则易裂。（2）热变形：再结晶温度以上变形。变形具有强化作用，再结晶具有强化消除作用。在热变形时无加工硬化痕迹。金属工艺学第三篇金属塑性加工10/3/20195:45PM1、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，获得细化的再结晶组织。2、同时铸锭中的气孔、缩松等经热塑变形后被压实或焊合在一起，使金属组织更加致密，其力学性能会有很大提高。3、铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。具有纤维组织的金属，各个方向上的力学性能不相同。顺纤维方向的力学性能比横纤维方向的好。金属压力加工大多属热变形，具有再结晶组织，热加工后组织性能变化：金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3246.纤维组织变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工中常用锻造比y来表示变形程度。拔长时锻造比y拔=A0/A镦粗时锻造比y镦=H0/H纤维组织很稳定，不能（难以）用热处理方法来消除。只有经过锻压来改变其方向、形状。铸锭热变形前后的组织金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/325在设计和制造零件时，应使最大正应力的方向于纤维方向重合，最大切应力的方向于纤维方向垂直。尽量使纤维组织不被切断。（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高（2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高螺栓的冷镦金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/326第三节金属的可锻性一、可锻性金属材料在压力加工时成形的难易程度。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。1.可锻性的衡量指标*1）塑性：2）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。材料的变形抗力越小，其可锻性越好。塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。变形抗力是指金属对变形的抵抗力。2.影响可锻性的因素金属的可锻性取决于材料的性质(内因)和加工条件(外因)。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3271）金属的本质（内在因素）①化学成分：纯金属的可锻性比合金好；有些元素可使可锻性显著下降（如铬，钨，钒等）。钢的含碳量越低，可锻性越好。②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。2）加工条件（外在因素）①变形温度：T温越高，材料的可锻性越好。温度↑→原子的运动能力↑→容易滑移→塑性↑→变形抗力↓→可锻性改善.过热：超过一定温度，晶粒急剧长大，锻造性能↓，机械性能↓。已过热工件可通过锻造，控制冷却速度，热处理，使晶粒细化。过烧：接近材料熔化温度，晶间的低熔点物质开始熔化，且晶界上形成氧化层。金属失去锻造性能，一击便碎，无法挽回。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/328始锻温度：终锻温度：过热、过烧缺陷加工硬化45:1200℃~800℃②变形速度：单位时间的变形程度。加工硬化积累↑→塑性↓，变形抗力↑，可锻性变差变形热效应↑→塑性↑，变形抗力↓，可锻性变好变形速度↑变形速度塑性、变形抗力塑性变形抗力a变形速度对塑性及变形抗力的影响金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/329③应力状态：（1）三向应力中，压应力数目愈多，则塑性越好；拉应力数目愈多，则塑性越差。（2）同号应力状态下引起的变形抗力大于异号应力状态下引起的变形抗力。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/330第十章锻造第一节锻造方法金属塑性成型方法主要分为无模自由成型(也称为自由锻)和模膛塑性成型(也称为模锻)。只用简单的通用性工具．或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需锻件的锻造方法。一、自由锻造优点：设备工具简单、通用性大，成本低，工艺灵活性，使用范围广，特别适用于单件、小批量生产。自由锻是大型件唯一的锻造方法。缺点：生产率低，劳动强度大，锻件精度差、表面粗糙、加工余量大。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/331自由锻分自由锻分为手工自由锻和机器自由锻两种，目前大多采用机器锻造。（1）手工自由锻：使用锻锤（空气锤和蒸汽-空气自由锻锤），依靠产生的冲击力使金属坯料变形，由于能力有限，只用来锻造中、小型锻件。（2）机器自由锻：使用液压机（水压机和油压机），依靠产生的静压力使金属坯料变形。其中，水压机可产生很大作用力，能锻造质量达300t的锻件，是重型机械厂锻造生产的主要设备。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3321、自由锻的工序基本工序：使金属坯料实现较大变形，达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工序。主要包括：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转等。辅助工序：进行基本工序之前的预变形工序。如压钳口、倒棱、压肩等。精整工序：在完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸及位置精度的工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/3332、自由锻基本工序（1）镦粗定义：使坯料高度减小，横截面积增大的锻造工序，若使材料局部截面增大则为局部镦粗。镦粗后坯料表面将成鼓形。适用：1）锻造高度小、截面大的饼块、盘套类的工件。2）空心锻件冲孔前的端面平整。3）增加杆类零件拔长时的锻造比。注意：为防止镦粗时产生弯曲，坯料的高径比为：1.5≤H0/D0≤2.5金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/334当镦粗时的H0/D02.5~3时金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/335（2）拔长定义：使坯料横截面积减小，长度增加的锻造工序。适用锻造轴类、杆类工件。注意：1）拔长的送进量应小于坯料宽度；2）拔长矩形坯料时，要不断将坯料翻转90°，以免偏心与弯曲；3）将圆形断面坯料拔长为圆形断面锻件时，应先拔长为较大截面的方坯，再拔长为小方坯，最后滚圆成圆棒；4）为达到规定的锻造比和改变金属内部组织结构，锻制以钢锭为坯料的锻件时，拔长经常与镦粗交替反复使用。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/336芯轴拔长拔长套筒类的空心锻件时，要使用一定锥度的芯棒，称为芯轴拔长。金属工艺学第三篇金属塑性加工2019/10/337（3）冲孔定义：使坯料具有通孔或盲孔的锻造工序。注意：1）主要用于带孔的饼块类锻件及长筒类锻件的成形；2）孔径大于400mm，采用空心冲子冲孔；3）薄饼类锻件上的孔在垫环上进行单面冲孔；4）孔径小于25mm，不冲出；5）圆环类锻件，冲孔后还应进行扩孔；6）为了保证冲孔质量，应先将坯料镦粗并使端面平整，