第2章金属塑性变形与压力加工

机械制造基础制造科学与工程学院梅筱琴第二章金属塑性变形与压力加工本讲内容一、金属塑性变形二、压力加工方法：自由锻三、压力加工方法：模锻四、锻造工艺五、锻件结构工艺性六、板料冲压七、特种压力加工方法简介麻花钻制造金属塑性变形与压力加工压力加工利用外力使金属材料发生塑性变形，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压力加工基本生产方式锻造、轧制、挤压、拉拔、板料冲压应用范围原材料金属型材、板材、管材、线材零件主轴、齿轮、枪炮管、汽车覆盖件、日用五金压力加工的生产特点锻造组织均匀、致密、晶粒细小，形成了纤维组织，锻件力学性能优于其它制造方法制得的零件或毛坯，适合于重要机器零件（或毛坯）的制造冲压大部分制件有加工硬化现象，可提高制件的强度和硬度；制件精度高，可直接成形零件；生产率高，适合大批量生产轧制组织和性能兼有以上二者的特点；是各种型材的主要制造方式一、金属塑性变形—金属塑性变形机理晶内变形单晶体滑移变形单晶体孪晶变形晶间变形未变形弹性变形弹塑性变形塑性变形滑移带和多系滑移滑移带的形成50Mn18Cr4V钢多系滑移时的滑移带(500x)单晶体孪晶变形（双晶变形）晶体的一部分沿一定晶面和晶向产生一定角度的切变孪晶变形所需的切应力高于滑移变形所需的切应力位错理论晶体内部存在大量“缺陷”，这些缺陷使金属在塑性变形时，其变形抗力减小数千倍未变形位错运动塑性变形晶体内部的缺陷点缺陷——只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷空位；填隙（间隙固溶体）；替位（置换固溶体）线缺陷——沿晶格中某条线周围，多个原子间距范围内出现的晶格缺陷位错面缺陷——沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧，大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷堆垛层错、小角晶界、孪晶界面等体缺陷——晶粒内部包藏杂质、孔洞等常见位错缺陷刃型位错螺型位错多晶体塑性变形多晶体塑性变形晶内变形+晶间变形晶粒大小对多晶体的塑性变形影响很大(二)塑性变形对金属组织与性能的影响1.组织和性能的变化内部组织晶粒沿最大变形方向伸长晶格畸变与晶粒扭曲，产生内应力晶粒间产生碎晶性能冷变形强化变形增大，强度、硬度提高，塑性、韧性下降晶格畸变和碎晶增大了继续滑移的阻力塑性变形与性能的关系冷变形强化材料强度、硬度升高，塑性、韧性下降常温下塑性变形对低碳钢力学性能的影响2.回复和再结晶冷变形强化不稳定，有自发回复稳定状态的趋势变形后的金属加热，增强原子扩散能力，则原子容易恢复规则排列，晶格畸变大大减轻，内应力大大下降2.回复和再结晶回复T回＝（0.25~0.3）T熔（K）晶格畸变回复到稳定状态，内应力消除再结晶T再＝0.4T熔（K）除回复外，碎晶重新结晶，形成新的细小的等轴晶消除冷变形强化的方法？再结晶退火冷变形和热变形冷变形再结晶温度以下的塑性变形生产方法：冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等特点：利用加工硬化，尺寸精度高、表面质量好热变形再结晶温度以上的塑性变形强化与再结晶过程同时存在，强化消失生产方式：热锻、热轧、热挤压特点：冶金缺陷得到改善或消除，得到细小的等轴晶，组织致密，力学性能显著提高热轧钢板的组织变化试判断下列两种金属的变形属何种变形？铅（熔点327℃）在0℃时的变形T再＝0.4T熔＝0.4（327＋273）K＝240K0℃＝273K：热变形钨（熔点3380℃）在1100℃时的变形T再＝0.4T熔＝0.4（3380＋273）K＝1461K1100℃＝1373K：冷变形注意：冷变形不是“室温”下的变形3.金属纤维组织和锻造流线纤维组织又称锻造流线。是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。螺钉工作状态受力示意图不同方法加工的齿轮纤维组织3.金属纤维组织和锻造流线纤维组织使金属力学性能呈方向性平行于纤维组织方向承受拉应力和压应力能力增强，承受剪切应力能力减小垂直于纤维方向承受压应力和剪切应力能力增加，承受拉应力能力减小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，只有经过锻压使金属重新变形，才能改变其方向和形状。金属塑性变形量-锻造比锻造比衡量金属塑性变形大小。镦粗的锻造比Y镦=H坯/H件拔长的锻造比Y拔=L件/L坯Y锻1，Y锻越大则变形量越大。注意与拉深系数m的区别(三)金属可锻性及其影响因素金属可锻性金属材料通过压力加工获得合格零件的难易程度塑性好、变形抗力小，则金属的可锻性好影响金属可锻性的因素金属的本质化学成分内部组织加工条件变形温度变形速度应力状态金属可锻性的影响因素金属的本质化学成分纯金属的可锻性比合金的可锻性好钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。金属组织纯金属和固溶体(如奥氏体)的可锻性好；碳化物(如渗碳体)的可锻性差铸态组织和粗晶粒组织不如细晶而又均匀的组织可锻性好加工条件-变形温度随着温度升高，原子动能升高，则金属塑性提高，变形抗力减小，有效改善可锻性始锻温度金属在锻造前加热允许的最高温度钢：AE线以下200℃～300℃过热与过烧终锻温度金属热变形允许的最低温度。钢：800℃左右终锻温度过高过低会产生什么影响？常用钢材的锻造温度范围锻造温度的判断-火色鉴别法碳钢火色与加热温度的对应关系火色黄白色淡黄深黄桔黄始锻温度1300120011001000火色淡红樱红暗红暗褐终锻温度900800700600以下讨论：“趁热打铁”铁能打吗？工业上“铁”即是“铸铁”脆性材料，可锻性极差，绝对不能“锻打”热合适的锻造温度始锻温度终锻温度加工条件-变形速度一方面，变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，则金属塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏另一方面，在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好工业生产中如何利用？加工条件-应力状态拉应力易使缺陷扩展，不利于塑性变形，故压力加工时，尽可能使金属受压应力二、自由锻特点坯料沿各个方向自由变形流动适应性极强大型、特大型锻件唯一成形方法自由锻设备上下各一个抵铁中小型锻件：利用锻锤冲击力大型锻件：利用液（或水）压机的液压力空气锤自由锻基本工序演示蒸汽锤中国第一台万吨水压机2008年我国建造的15000吨自由锻水压机自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工序－基本工序镦粗拔长冲孔弯曲扩孔错移切割扭转自由锻工步方案：盘类锻件（局部）镦粗－（局部拔长）－冲孔盘类零件锻造过程演示自由锻工步方案：轴类锻件（局部）镦粗－拔长－切肩－锻台阶大、中、小型轴类零件锻造过程演示自由锻工步方案：筒类锻件镦粗－冲孔－在芯轴上拔长自由锻工步方案：环类锻件镦粗－冲孔－在芯轴上扩孔自由锻工步方案：曲轴类锻件（局部）镦粗－拔长－错移－锻台阶－扭转自由锻工步方案：弯曲类锻件拔长－弯曲叉杆类零件锻造过程演示三、模锻把加热好的金属毛坯放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造。由型腔限制金属的变形，从而获得与型腔形状一致的锻件金属在锻模模膛内产生塑性变形和流动，其变形和流动均受到端模的限限制，因此：模锻件尺寸精确、结构可较复杂、生产率高按设备分类模锻液压机模锻锤螺旋压力机摩擦压力机上模锻机械压力机曲柄压力机上模锻模锻的特点与应用与自由锻相比：压应力数目多，有利于塑性变形，可制造较复杂的锻件锻造流线和纤维组织连续，零件综合力学性能较高锻件尺寸精度高操作简单，生产率高锻模成本高，适于中、小锻件大批量生产模具成本高设备成本高锻模液压机－俄罗斯75000吨模锻水压机水压机是锻造万吨巨轮发动机主轴、大型发电机转子轴、大型轧钢机机架、炮管及导弹壳等不可缺少的设备。截至20世纪末，全世界共有万吨级模锻液压机40余台，美、俄各有10余台，约占总台数和总吨位的70％，其建造背景均源于发展航空航天工业。60年代中期以后，由于锻压工艺的改进，需要的水压机规格有所降低，国外新制的自由锻造水压机一般都不超过8千吨。重大设备-俄罗斯为法国制造65000吨模锻水压机2008年我国建造的15000吨自由锻水压机大型整体模锻和精密模锻是我国锻造行业的主流发展方向。大型模锻压机是生产航空大型模锻件、发展大型军事装备和其他大型民用装备必须的基础设备。中国目前最大的30000吨级模锻压机，无法满足对大型航空模锻件产品生产的需要，已立项建造10万、8万吨大型模锻液压机。目前世界上最大的民航客机——A380。虽然法国已有70年代向苏联订购的65000吨模锻液压机，但A380的钛合金起落架的成型，仍然需要到俄罗斯的75000吨压力机上完成。450KG钛合金结构框锤上模锻锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头上下运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，从而获得锻件。机械压力机－曲柄压力机螺旋压力机－摩擦压力机锻模结构1－锤头2－上模3－飞边槽4－下模5－模垫6/7/10－楔铁8－分模面9－模膛锻模件模锻的变形工步及模膛变形工步（模膛）包括:1.制坯工步（模膛）镦粗、拔长、滚挤、弯曲、切断（模膛）等2.模锻工步（模膛）预锻（模膛）终锻（模膛）制坯模膛－拔长制坯模膛－滚压制坯模膛－弯曲和切断弯曲连杆的锻造过程曲柄压力机用的锻模胎模锻在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件，即模具不固定在锤头和砧座上。结构简单，形式多种多样，介于自由锻和模锻之间。胎模锻特点可获得比自由锻形状复杂、尺寸精确的锻件；节省金属材料，提高生产效率与模锻相比，对设备要求较低，操作灵活，模具制造简单胎模锻分类扣模、筒模、合模筒模合模四、锻造工艺锻件图设计余量、公差、敷料分模面、飞边槽模锻斜度、模锻圆角半径、冲孔连皮坯料重量和尺寸计算G坯料＝G锻件＋G烧损＋G料头锻造工步设计其他问题设备选择，加热冷却范、辅助工序1.绘制锻件图（1）余量、公差、敷料（余块）（2）分模面选择①保证取件②易于充满，模膛最浅③上下模膛对称，简化模具制造④易于及时发现错模⑤尽量为平面，辅料最少（3）飞边槽桥部仓部作用：①限制金属流出，使金属充满模膛②容纳多余金属（4）模锻斜度作用？（5）模锻圆角半径作用？（6）冲孔连皮冲孔连皮的作用？3.锻件毛坯计算坯料重量计算依据锻件图和材料的密度G坯料＝G锻件＋G烧损＋G料头坯料尺寸计算依据总体积不变原理和锻造比Y计算4.锻造工序（工步）设计长轴类零件7.锻造工序（工步）设计短轴类零件自由锻工艺实例1—压盖自由锻工艺自由锻工艺实例2—氧化反应器筒体五、锻件结构工艺性锻件结构工艺性好锻造成型方便节约金属保证质量提高生产率工艺性原则：相对的1.自由锻件力求简单1.自由锻件避免锥面、斜面1.自由锻件避免锥面、斜面1.自由锻件杆类零件避免复杂相贯线1.自由锻件杆类零件避免非规则截面和非规则外形1自由锻件盘类零件避免肋板、凸台和小孔等结构1.自由锻件盘类零件避免肋板、凸台和小孔等结构1.自由锻件复杂、大型自由锻件采用锻焊组合结构2.模锻件的结构工艺性合理的分模面2.模锻件的结构工艺性结构力求简单对称避免薄片、高肋、高台等结构2.模锻件的结构工艺性结构斜度避免深孔、深槽和多孔等结构2.模锻件