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第三章金属压力加工金属压力加工是利用外力，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。压力加工方法分类1、轧制借助于摩擦力和压力使金属坯料通过两个旋转的轧辊间的空隙而变形，截面减小，长度增加。轧制主要用于生产各种规格的钢板、型钢和钢管等钢材。2、挤压挤压是利用压力，将金属坯料从挤压模的模孔中挤出而成形的压力加工方法。按照金属流动方向与凸模运动方向，分为3种：①正挤压；②反挤压；③复合挤压。可以生产复杂截面形状的型材、毛坯、零件。3、拉拔拉拔是利用拉力，将金属坯料拉过拉拔模的模孔而成形，截面减小，长度增加。常需经多次拉拔，依次通过形状和尺寸逐渐变化的模孔，才能得到所需截面的产品。通常在室温下进行，又称冷拉。主要用于细线材、薄壁管材和特殊形状截面的型材。4、自由锻自由锻是利用冲击力或压力，使放在上下砧之间的金属坯料变形，从而得到所需锻件的压力加工方法。5、模锻模锻是利用冲击力或压力，使放在锻模模膛内的金属坯料变形，最后充满模膛而成形的压力加工方法。6、板料冲压板料冲压是利用压力，使放在冲模间的金属板料产生分离或变形的压力加工方法。§1-1金属塑性变形的实质弹性变形——塑性变形。一、单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的主要方式是滑移。滑移是在切应力作用下，晶体的一部分原子相对另一部分原子，沿着一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）产生的移动。滑移面：原子排列最密的晶面；滑移方向：原子排列最密的方向。滑移面、滑移方向越多，塑性越好。实际晶体的滑移不象理想晶体那样，而是通过位错运动实现的。位错：晶体内部存在的原子错排缺陷。二、多晶体的塑性变形首先在滑移面与外力成45度角的晶粒开始。受到周围晶粒的阻力，促进周围晶粒滑动、转动，产生滑移。逐批进行的晶内滑移和晶粒转动——多晶体塑性变形。变形特点：1、每个晶粒变形不均匀；2、晶粒间产生滑动和转动；3、变形抗力大。晶粒越小，变形抗力越大，塑性越好。同等变形分散到更多晶粒中，变形更均匀，推迟裂纹的形成，适于压力加工。塑性变形的基本规律1、体积不变V变形前＝V变形后。变形后，损耗很小，通常忽略不计。2、最小阻力金属流动沿着阻力最小的方向进行。3、变形不均匀性变形时，工具与金属接触面存在摩擦力。造成内应力和变形不均匀。影响制件内部组织和性能。圆柱体镦粗：I区——难变形区。II区——剧烈变形区。III区——变形介于I、II区。控制金属流动的方法接触面的摩擦力、工具形状、坯料用材。改变工具与坯料接触面形状、尺寸，可以控制金属流动。V型砧拔长，可以限制展宽，促进伸长变形。塑性变形后金属的组织和性能一、加工硬化金属进行塑性变形时，随着变形程度的增加，强度和硬度不断提高，塑性和冲击韧性不断降低，这种现象称为加工硬化。加工硬化的金属内部组织变化特点：1、晶粒沿变形最大的方向伸长，排列位向趋于一致；2、位错密度增加，晶格严重扭曲，产生内应力；3、滑移面和晶粒间产生碎晶。二、回复和再结晶1．回复T回复=（0.25～0.3）T熔点（K）式中T回复为金属回复的绝对温度；T熔点为金属熔化的绝对温度。回复使晶格扭曲被消除，内应力明显降低，但力学性能变化不大，部分地消除了加工硬化。2．再结晶再结晶以某些碎晶或杂质为晶核，成长为新的等轴细晶粒的过程称为再结晶。一般纯金属的再结晶温度为：T再结晶≈0.4T熔点（K）再结晶消除了全部加工硬化，使金属的强度和硬度明显下降，塑性和韧性显著提高。消除金属加工硬化的热处理方法叫再结晶退火。再结晶的特点：1、只有产生加工硬化的金属才能产生再结晶。2、不同于同素异构转变，不发生晶体结构变化。3、可以细化晶粒。但过份地延长加热时间，晶粒会不断长大，金属力学性能下降。二、回复和再结晶三、冷变形、热变形和温变形1．冷变形金属在回复温度以下的变形，具有加工硬化组织。冷变形特点：工件获得较高的精度和表面质量。冷变形也是强化金属的一种重要手段。但变形抗力大。变形程度不宜过大。2．热变形金属在再结晶温度以上的变形，具有再结晶组织。热变形特点：金属在热变形过程中，也产生加工硬化，但随时被再结晶所消除。热变形时，金属的变形抗力小，塑性好。工件的表面质量低于冷变形。变形速度大，必须提高工作温度，保证再结晶及时消除加工硬化。3．温变形金属在回复温度和再结晶温度之间的变形,具有部分加工硬化组织。兼有冷变形、热变形的综合特点。既有加工硬化，又有回复、有时还有部分再结晶。四、金属锻件的特点1、金属更加致密。铸造缺陷如气孔、缩松等被压合。2、获得细化的再结晶组织。因此，金属的力学性能得到很大提高。3、形成纤维组织，或称流线。纤维组织金属晶界上的夹杂物随晶粒沿变形最大方向被拉长得到的组织。纤维组织的特点变形程度越大，纤维组织越明显。锻造比Y表示变形程度。坯料拔长时的锻造比为：Y=F0/F式中F0为坯料拔长前的横截面积；F为坯料拔长后的横截面积。Y2，开始出现纤维组织；y5，纤维组织非常明显。纤维组织使金属在性能上具有方向性。纵向（平行于纤维方向）上的塑性、韧性提高，横向（垂直于纤维方向）上的塑性、韧性降低。纤维组织的稳定性很高，不能用热处理或其它方法加以消除，只有经过塑性变形，才能改变其方向和形状。合理利用纤维组织1、应使零件在工作中所受的最大正应力方向与纤维方向重合。2、最大切应力方向与纤维方向垂直，3、纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量不被切断。§1-4金属的锻造性能一、可锻性金属的锻造性能，是指金属材料在压力加工时获得优质产品难易程度的工艺性能。衡量指标：塑性和变形抗力。塑性越高，变形抗力越小，则金属的可锻性越好。二、影响可锻性的因素1．金属的本质化学成分纯金属的可锻性比合金好。而钢的可锻性随碳和合金元素的质量分数的增加而变差。组织结构固溶体（如奥氏体）的可锻性好，而化合物（如渗碳体）差。金属在单相状态下的可锻性比在多相状态下的好。细晶粒金属的塑性较粗晶粒的好，可锻性较好。2．压力加工条件1）变形温度随着温度的升高，钢的强度下降，塑性上升，即钢的可锻性变好。因此，压力加工都力争在高温下进行，即采用热变形。锻造温度范围开始锻造的温度称为始锻温度，指金属在锻造前加热允许的最高温度。始锻温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。过热加热温度过高，导致奥氏体晶粒急剧长大的现象。该缺陷可以通过重新退火、正火热处理消除。过烧加热温度过高（过热之后），导致晶界严重氧化，甚至局部熔化的现象。产生该缺陷后，性能极脆，不能挽救，只能报废。停止锻造的温度称为终锻温度，指金属热变形允许的最低温度。终锻温度过低，金属的加工硬化严重，变形抗力急剧增加，加工难于进行。2）变形速度1、变形速度的增大，加工硬化严重，可锻性变坏。2、另一方面，在变形过程中，产生热效应。热效应使金属温度升高，塑性提高，变形抗力减小，可锻性变好。超过临界变形速度，热效应显著，可锻性好。但是，除了高速锤以外，在普通锻压设备上都不可能超过临界变形速度。所以，一般塑性较差的金属，应以较小的变形速度，在压力机上进行锻造。3）应力状态三个方向中压应力的数目越多，则金属的塑性越好。拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。压应力使各种缺陷受到抑制，不易扩展，故可提高金属的塑性。在拉应力作用下，气孔、裂纹极易扩展，甚至破坏，使金属失去塑性。同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。综上所述，金属的可锻性既取决于金属的本质，又取决于加工条件。在压力加工过程中，要力求创造最有利的加工条件，提高塑性，降低变形抗力。第二节锻造方法-自由锻自由锻利用冲击力或压力，使放在上下砧之间的金属坯料产生塑性变形，从而得到所需锻件的压力加工方法。坯料的四周表面为自由表面，变形不受限制。自由锻分手工锻造和机器锻造两种，目前都采用机器锻造。自由锻通常采用热变形，常以逐段变形的方式来达到成形的目的。自由锻只能锻造形状简单的锻件，生产率低，劳动强度大，锻件精度差、表面粗糙、加工余量大。自由锻只适用于单件、小批量生产。自由锻是大型锻件唯一可能的锻造方法。§2-1自由锻设备自由锻锤产生冲击力使金属变形的，生产中使用的自由锻锤是空气锤和蒸汽-空气自由锻锤。自由锻锤的吨位是用落下部分（包括上砧、锤头和工作缸活塞）质量来表示，空气锤的吨位用一般为50～1000公斤。蒸汽-空气自由锻锤的吨位，一般为1～5吨。750kg空气锤水压机水压机是以静压力使金属变形的。水压机的吨位用所能产生的最大压力来表示，一般为5～150MN（500～15000吨）。水压机靠静压力工作，无振动，变形速度低（水压机上砧速度约为0.1～0.3m/s；锻锤锤头速度可达7～8m/s)，有利于改善材料的可锻性，并容易达到较大的锻透深度。常用于大型锻件的生产，所锻钢锭质量可达300吨。大锻件品种主要是电站锻件（火电和核电用汽轮机高中低压转子、发电机主轴、护环）、船用低速柴油机组合曲轴、轧辊（大型支承辊、要求较高的热轧和冷轧工作辊）、部份高压容器筒体等。我国重要战略装备项目——15000吨水压机在中国第一重型机械集团2006年12月一次热负荷试车成功。上海重型机器厂自行研制、世界最大的1.65万吨自由锻造油压机和操作机2009年8月在上海重型机器厂有限公司全面投运，标志着我国大型铸锻件极端制造能力跻身世界一流水平。§2-2自由锻的基本工序根据变形性质和变形程度的不同，自由锻工序可分为辅助工序、基本工序及修整工序。辅助工序：便于基本工序操作，预先变形。压钳口、倒棱、压肩修整工序：精整锻件形状和尺寸。变形量小，终锻温度以下。校直、滚圆、压平1）镦粗部分的长度与直径比应小于2.5，否则容易镦弯。2）镦粗力要足够大，否则会形成细腰形或夹层。拔长过程中应作90°翻转，较重锻件常采用锻打完一面再翻转90°锻打另一面；较小锻件则采用来回翻转90°的锻打方法，圆形截面坯料拔长时，先锻成方形截面，在拔长到边长直径接近锻件直径时，锻成八角形截面，最后倒棱滚打成圆形截面。这样拔长效率高，且能避免引起中心裂纹。自由锻工艺规程的制定绘制锻件图计算坯料质量及尺寸确定变形工序，选择锻造设备和工具确定锻造温度范围和加热、冷却及热处理规范提出锻件技术要求及验收要求填写工艺卡等§2-3自由锻工艺规程的制定1.绘制锻件图绘制锻件图应考虑以下几个因素：敷料为了简化零件形状、便于锻造而增加的一部分金属称为敷料(也称为余块)。机械加工余量零件的加工表面上为机械加工而增加的一层金属。锻件公差锻件的实际尺寸与名义尺寸之间所允许的偏差，称为锻件公差。§2-3自由锻工艺规程的制定2.确定坯料质量和尺寸(1)确定坯料质量G坯料＝G锻件+G烧损+G切损G烧损：第一次加热,2～3％G坯料；以后，1.5~2%G坯料G切损：冲孔、切端部等，2～3％G锻件(2)确定坯料尺寸当采用拔长工序锻造时：F坯料≥YF锻件以碳素钢锭为坯料,Y≥2.5～3；以型材为坯料，Y＝1.3～1.5；以合金结构钢钢锭为坯料，Y≥3～4。当采用镦粗工序锻造时，（过短不利于镦粗变形）1.25D0≤H0≤2.5D0（易于镦弯）3选择自由锻工序2．如图7-3所示的整体活塞采用自由锻制坯。试在右侧双点划线绘制的零件轮廓图上定性绘出锻件图，选择合理的坯料直径（现有圆钢直径有：φ120、φ110、φ100、φ90、φ80、φ70），并说明理由，拟定锻造基本工序，在表7-1中画出工序简图。坯料直径：φ100选择原因：局部镦粗时保证1.25高径比＜2.53．为修复一台大型设备，需制造一个圆锥齿轮，如图7-4所示。试选择锻造方法，定性绘出锻件图，并制定锻造基本工序，在表7-2中画出工序简图。5．如图7-6所示支座零件，采用自由锻制坯，试修改零件结构设计不合理之处。§2-5胎模锻胎模锻是在自由