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第二节金属塑性成形原理第一节概述第五节板料冲压第三节自由锻第四节模锻第六节其他塑性成形方法第二章锻压锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。第一节概述1、锻压锻压设备锻造通常都将金属坯料加热至高温在塑性状态下进行，主要有自由锻和模锻。冲压加工的对象主要是金属薄板，一般在常温下进行，又称板料冲压或冷冲压。通过铸造方法得到的金属坯件大多不能直接使用，还需要进一步的加工成形，如轧制、挤压、拉拔等。2、锻压加工的基本方式:３、锻压特点：1）锻件的各种力学性能明显好于相同化学成分的铸件。金属铸锭经塑性变形后，铸造组织的内部缺陷如气孔、缩孔、微裂纹等得到焊合，再结晶后可细化晶粒。2）冲压件具有重量轻、精度高、刚性好等优点。3）锻件形状所能达到的复杂程度不如铸件。锻压件是在固态成形，金属的流动受到限制。4）锻件的成本比铸件高，材料利用率等方面也不如铸件。5）冲压件模具制造成本很高，一般只适用于大批量生产。五、金属的塑性变形规律第二节金属塑性成形原理一、金属的塑性变形的实质二、塑性变形对金属组织与性能的影响三、锻造流线和锻造比四、金属的锻造性能塑性变形的主要方式＿滑移将一个表面经过抛光的纯锌单晶体进行拉伸试验，在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线条的痕迹，称为滑移带。锌单晶体拉伸试验示意图（a）变形前试样（b）变形后试样指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。滑移一、金属的塑性变形的实质1、单晶体的塑性变形晶体滑移后，在其表面上出现滑移痕迹，通常称为滑移带。在电子显微镜下观察还会发现，任何一条滑移带实际上都是由若干条滑移线组成的。滑移带滑移带和滑移系的示意图滑移的机理大量的理论和试验研究的结果证明，滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图如上图，左侧有一个刃型位错，在切应力作用下该位错沿滑移面逐步向右运动，当其运动出晶体时便在右侧表面形成了滑移量为一个原子单蹄大小的台阶。若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。2、多晶体的塑性变形以单晶体的间隔性变形为基础，但取向不同的晶粒、晶界的存在对间隔性变形的阻力增加，晶粒之间也要相互滑动和转动。多晶体的塑性变形示意图变形前变形后二、塑性变形对金属组织与性能的影响金属在冷变形时，随变形程度的增加，强度、硬度提高而塑性韧性下降的现象。1、冷变形强化（加工硬化）冷变形程度对低碳钢性能的影响2、回复与再结晶扫描P76图2－9塑性变形使畸变的晶格牌高势能的不稳定状态，金属原子有恢复到晶格畸变前稳定状态的自发趋势。但是，在常温下绝大多数金属的原子扩散能力都很低，只能维持不变。如果加热，原子就能比较容易地恢复到规则化的排列，使畸变大大减轻，使冷变形强化现象得到一定的缓解，同时，变形引起的内应力也大大下降，这个过程称为回复。T回≈0.3T熔回复再结晶T再≈0.4T熔如果将变形金属加热到更高温度，使原子具有更强的扩散能力，就能以滑移面上的碎晶块或其他近地点为晶核，成长出与变形前明显可知结构相同的新的等轴晶粒，这个过程称为再结晶。在实际生产中，金属在进行锻造或其他热变形加工时，由于变形是在远远超过其再结晶温度的状态下进行的，金属在间隔性塑性变形的同时随即发生了再结晶。因此在此过程中金属始终保持良好的塑性。（1）热锻在金属再结晶温度以上进行的锻造工艺称为热锻。在变形过程中冷变形强化和再结晶同时存在，属于动态再结晶。（2)冷锻在室温下进行的锻造工艺称为冷锻。冷锻可以避免金属加热出现的缺陷，获得较高的精度和表面质量，并能提高工件的强度和硬度。但冷锻变形抗力大，需用较大吨位的设备，多次变形时需增加再结晶退火和其它辅助工序。目前冷锻主要局限于低碳钢、有色金属及其合金的薄件及小件加工。3.热变形和冷变形从金属学的观点划分锻压加工的界限为再结晶温度。（3）温锻在高于室温和低于再结晶温度范围内进行的锻造工艺称为温锻。与热锻相比，坯料氧化脱碳少，有利于提高工件的精度和表面质量；与冷锻相比，变形抗力减小、塑性增加，一般不需要预先退火、表面处理和工序间退火。温锻适用于变形抗力大、冷变形强化敏感的高碳钢、中高合金钢、轴承钢、不锈钢等。（4）等温锻在锻造全过程中，温度保持恒定不变的锻造方法称为等温锻。三、锻造流线和锻造比锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线，又叫纤维组织。锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法。通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。锻造比对锻件的锻透程度和力学性能有很大影响。当锻造比达到2时，随着金属内部组织的致密化，锻件纵向和横向的力学性能均有显著提高；当锻造比为2-5时，由于流线化的加强，力学性能出现各向异性，纵向性能虽仍略提高，但横向性能开始下降，锻造比超过5后，因金属组织的致密度和晶粒细化度均已达到最大值，纵向性能不再提高，横向性能却急剧下降。因此，选择适当的锻造比相当重要。一般，碳素结构钢取2～3，合金结构钢取3～4。对于某些高合金工具钢和特殊性能的合金钢，为促进合金碳化物分布的均匀化，击碎钢中的碳化物，常采用较大的锻造比，如高速钢取5～12，不绣钢取4～6。锻造比越大，锻造流线越明显；锻造流线的稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。四、金属的锻造性能指材料在锻压加工时的难易程度。若金属在锻压加工时塑性好，变形抗力小，则锻造性好；反之，则锻造性差。因此，金属及合金的锻造性常用其塑性及变形抗力来衡量。（一）金属的本质对锻造性能的影响（二）变形条件对锻造性能的影响纯金属一般具有良好的锻造性能。碳钢随碳的质量分数的增加，锻造性能逐渐变差。合金元素的加入会劣化锻造性能（一）金属的本质对锻造性能的影响1．化学成分单相组织（纯金属及固溶体）锻造性能好，而碳化物的锻造性能差。铸态柱状晶组织和粗晶结构不如细小均匀晶粒结构的金属锻造性能好。2．金属组织提高金属变形时的温度，可使原子动能增加，原子间的结合力消弱，使塑性提高，变形抗力减小，锻造性好。（二）变形条件对锻造性能的影响1．变形温度但变形温度过高，晶粒将迅速长大，从而降低了金属及合金材料的力学性能，这种现象称为“过热”。若变形温度进一步提高，接近金属材料的熔点时，金属的晶界发生氧化，锻造时金属及合金易沿晶界产生裂纹，这种现象称为“过烧”。锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔。温度↑→原子的动能↑→容易滑移→塑性↑,变形抗力↓变形速度指单位时间内的变形程度，变形速度低时，金属的回复和再结晶能够充分进行，塑性高、变形抗力小；随变形速度的增大，回复和再结晶不能及时消除冷变形强化，使金属塑性下降，变形抗力增加，锻造性能变差。常用的锻压设备不可能超过临界变形速度。2．变形速度采用不同的变形方法，在金属中产生的应力状态是不同的。应力状态对于塑性的影响为：压应力数目越多，塑性越好；拉应力数目越多，塑性越差；应力状态对于变形抗力的影响为：同号应力状态下的变形抗力大于异号状态下的变形抗力。所以，在选择变形方法时，对于塑性高的金属，变形时出现拉应力有利于减少能量消耗；对于塑性低的金属应尽量采用三向压应力以增加塑性，防止裂纹。3．应力状态几种常用锻压方法的应力状态表面粗糙或有划痕、微裂纹、粗大夹杂都会在变形过程中产生应力集中，使缺陷扩展甚至开裂。故塑性加工前应对坯料表面进行清理消除缺陷，有时甚至需要进行表面预切削去掉坯料的表层金属。4．坯料表面质量1．体积不变条件由于塑性变形时金属密度的变化很小，所以可认为变形前后的体积相等。实际上，坯料在变形过程中体积有些减小。例如，钢锭锻造时，消除了内部微裂纹、疏松等缺陷，使金属的密度由7.8×103kg/m3提高到7.85×103kg/m3，但这些极小的体积变化相对于坯料的体积，可以忽略不计。应使用体积不变定律能计算锻压零件的坯料尺寸、工序间尺寸及锻模模膛。五、金属的塑性变形规律不同截面金属的流动情况指金属变形时首先向阻力最小的方向流动。一般地说，金属内某一质点流动阻力最小的方向是通过该质点向金属变形部分周边所作的法线方向，因为质点沿此方向移动的距离最短，所需的变形功最小。例如，圆形截面的金属朝径向流动，方形、长方形截面则分成四个区域分别朝垂直于四个边流动，最后逐渐变成圆形、椭圆形（图13-7）。a)圆形截面b)方形截面c)长方形截面2．最小阻力定律利用冲击力或静压力使经过加热的金属在锻压设备的上、下砧间向四周自由流动产生塑性变形，获得所需锻件的加工方法称为自由锻。自由锻分为手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，机器锻造是自由锻的主要方式。自由锻主要用于单件、小批量锻件的生产以及大型锻件的生产。第三节自由锻四、自由锻的特点及应用一、自由锻设备二、自由锻工艺规程的制订三、自由锻零件结构工艺性一、自由锻设备根据对坯料作用力的性质不同，自由锻设备可分为产生冲击力的锻锤___空气锤和产生静压力的压力机___水压机两大类。设备吨位（T）锻件质量作用力动力空气锤0.05~1100kg冲击力电动机蒸气-空气锤0.5~51500kg冲击力蒸气或压缩空气水压机500~150001~300T静压力高压水)变形大、锻透深度大、内部质量好，没有振动，噪音小。是生产大型锻件的唯一方式。20MPa(200个大气压)0.4~0.9MPa(4~9个大气压）空气锤水压机蒸汽或压缩空气双柱拱式蒸汽锤水压机二、自由锻工艺规程的制订（四）选定设备（五）确定锻造温度范围（六）自由锻工艺规程实例（一）绘制锻件图（二）计算坯料的重量和尺寸（三）选择变形工序锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制的图（图2-15）。模锻件的锻件图还应考虑分模面的选择、模锻斜度和圆角半径等。锻件图的绘制方法如下：（一）绘制锻件图1.锻件的形状用粗实线，同时用双点划线描绘出零件的形状。2.锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面或侧面。3.图上无法标注的技术要求，如锻造温度范围、锻造比、氧化缺陷、脱碳层深度等以技术条件方式用文字说明。典型锻件图锻件的余量及敷料余块（敷料）＿＿为简化锻件形状、便于进行锻造而增加的一部分金属。当零件上带有难以直接锻出的凹槽、台阶、凸肩、小孔时，均须添加余块。余量＿＿由于自由锻锻件的尺寸精度低、表面质量差，所以应在零件的加工表面上增加供切削加工用的金属，该金属称为锻件余量。（二）计算坯料的重量和尺寸1．坯料重量坯料的重量为锻件的重量与锻造时各种金属损耗的重量之和：m坯=m锻+m烧+m芯+m切m锻＿锻件重量；m烧＿加热时坯料表面氧化烧损的重量。与所用加热设备类型等因素有关，可参考相关资料；m芯＿冲孔时的芯料重量；m切＿锻造中被切掉的金属重量。2．坯料尺寸根据计算出的坯料重量即可计算坯料的体积，最后依据选择的坯料截面尺寸确定其长度。（三）选择变形工序自由锻件的成形过程由一系列变形工序组合而成，工序选择主要是根据锻件的形状和工序特点来确定。辅助工序、基本工序、精整工序基本工序适于饼块类，盘套类适于轴类、杆类拔长、镦粗经常交替反复使用。有时一头镦粗，另一头拔长。（通孔、盲孔）常用方法：镦粗—冲孔镦粗—冲孔—扩孔工件轴线产生一定曲率。某一部分转一定角度。自由锻工序分为三类：镦粗：拔长：冲孔弯曲：扭转：切割：表２-４常见锻件的自由锻工序锻件类别常见锻件图例锻造工序盘类零件齿轮、凸轮等镦粗、冲孔传动轴、连杆等镦粗、拔长、切肩、拔长筒类零件筒体等拔长、镦粗、冲孔、在心轴上拔长环类零件圆环、法兰、齿圈等镦粗、冲孔、扩孔曲轴类零件曲轴、偏心轴等拔长、错移、拔长、扭转弯曲类零件吊钩、轴瓦等拔长、弯曲轴杆类零件自由锻锻锤的锻造能力范围锻件类型锻锤吨位/t0.250.50.751235圆盘D/mmH/mm20035250