第三编金属压力加工

1第三编金属的塑性成形教学目的:掌握金属塑性成形的机理及各种塑性成形的方法，熟悉金属塑性成形工艺设计。教学重点:1.金属塑性成形的机理、工艺；2.金属塑性成形性及其影响因素。教学难点：自由锻与模锻工艺设计教学内容：3.1金属塑性成形基础；3.2金属塑性成形方法；3.3金属塑性成形工艺设计；自学内容：3.4金属塑性成形技术的发展趋势。23.1概述3.2塑性成型的理论基础3.4薄板的冲压成型3.5塑性成型新工艺3.3塑性成型方法及工艺3金属塑性成型的基本生产方法：轧制示意图挤压示意图金属塑性成型：由利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、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。3.1概述4锻压生产方式示意图5船链、系泊链横档6789101112131415161718大制造环境下的压力加工自动线19万吨水压机20213.金属塑性成形特点（1）产品力学性能优于铸件和切削加工件；（2）材料利用率高，生产率高；（3）产品形状不能太复杂；（4）易实现机械化、自动化，模具投资较大。4.分类（1）轧制；（2）挤压；（3）拉拔；（4）自由锻；（5）模锻；（6）冲压。锻造锻压22金属塑性变形的实质金属晶体单晶体（理想金属）多晶体（实际金属）问题：金属材料为什么能产生塑性变形？塑性变形的实质？23晶体的两个部分之间沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移向）发生的相对移动。（1）正应力σ作用下，试样发生弹性伸长并在σ足够大时发生断裂。切应力τ能使试样发生弹性歪扭，当τ增大到一定值时，则一定晶面两侧的两部分晶体产生相对移动。（2）如果除去外力，晶格的弹性歪扭随之消失，而滑移到新位置的原子已经不能回到原来地位置，在新的位置上处于平衡状态。（3）以上原因使得晶体产生微量的塑性变形，许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形。24孪生变形：晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）进行剪切变形的现象。密排六方金属常以孪生方式变形；体心立方金属只有在低温拉伸或受到冲击载荷时才发生孪生变形；面心立方金属容易滑移变形一般不发生孪生变形。25问题：计算应力远远大于实际变形应力？切应力位错滑移面2627晶粒位向与受力变形关系2829303132333.2塑性成型理论的理论基础3.2.1塑性变形理论及假设3.2.2金属变形过程中的组织与性能3.2.3冷变形及热变形3.2.4影响塑性变形的因数本节的重点：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。343.2.1塑性变形理论及假设1最小阻力定律如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就沿着阻力最小的方向移动，这就叫做最小阻力定律。圆形、方形、矩形截面上各质点在镦粗时的流动方向，方形截面镦粗后的截面形状。推论：任何形状的具有足够塑性的物体，都可以在平锤头下镦粗成圆形。35在压力加工过程中，常用锻造比(Y锻)来表示变形度。锻造比的计算公式与变形方式有关。拔长时的锻造比为:Y拔＝F0/F,镦粗时的锻造比为:Y镦＝H0/H.根据锻造比即可得出坯料的尺寸。例如采用拔长锻造时，坯料所用的截面F坯料的大小应保证满足技术要求规定的锻造比Y拔，即坯料截面积应为：F坯料=Y拔/F锻件3变形程度的计算2塑性变形前后体积不变的假设36纤维组织的利用原则：1、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、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合在一起，使金属更加致密，其机械性能会有很大提高。3、此外，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。3.2.2金属变形过程中的组织与性能373839使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。4、具有纤维组织的金属，各个方向上的机械性能不相同。顺纤维方向的机械性能比横纤维方向的好。金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能的方向性也就越显著。40纤维组织41当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图示)。当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图示)，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。实例：423.2.3冷变形及热变形43冷变形变形温度低于回复温度时，金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。热变形变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。44冷变形和热变形冷变形——再结晶温度以下的塑性变形。热变形——再结晶温度以上的塑性变形冷变形加工硬化冲压、冷弯、冷挤、冷轧塑性材料热变形加工硬化+再结晶锻造、热挤、轧制变形量大，易氧化45消除加工硬化，提高塑性。在结晶速度取决于加热温度和变形程度。再结晶是一个形核、长大过程。保持加工硬化，消除内应力。如冷卷弹簧进行去应力退火。46问题：为什么锻件质量优于铸件质量？474849冷变形强化（加工硬化）金属材料在冷塑性变形时，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降的现象——冷变形强化.加工硬化的应用原因？提高强度使变形均匀提高安全性产生原因：滑移面上产生了微小碎晶，晶格畸变。（内应力）50=An硬化指数n是冷变形硬化参数，反映材料的变形抗力。n51523.2.4影响塑性变形的因素可锻性——常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。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。金属的可锻性取决于材料的性质(内因)和加工条件(外因)。53材料性质的影响(内因)(1)化学成分的影响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。例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。(2)金属组织的影响纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好。而碳化物(如渗碳体)的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。54加工条件的影响(外因)在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称终锻温度。(1)变形温度的影响55(2)变形速度的影响一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。另一方面，金属在变形过程中，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。56(3)应力状态的影响挤压时为三向受压状态。拉拔时为两向受压一向受拉的状态。压应力的数量愈多，则其塑性愈好；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。57思考题1.纤维组织是怎样形成的?它对金属的力学性能有何影响?2.试分析用棒料切削加工成形和用棒料冷镦成形制造六角螺栓的力学性能有何不同?583.3塑性成型方法及工艺3.3.1模膛锻造成型工艺3.3.2锻模模膛及其功用3.3.3制坯模膛3.3.4锤上模锻成型工艺设计3.3.5压力机上模膛成型工艺3.3.6模锻件的缺陷59自由锻概念利用使加热好的金属在上、下抵铁之间产生变形。冲击力或压力工艺特点：坯料变形时，除与上、下抵铁或其它辅助工具接触部分表面外，都是自由表面，变形不受限制。自由锻——60自由锻特点与应用•工具简单，不需造价昂贵的模具；•可以锻造各种重量的锻件，对于大型锻件几乎是唯一的锻造方法；•自由锻所需设备的吨位较小；•锻件的尺寸精度低，加工余量大；•锻件形状简单，生产率低，劳动强度大。自由锻应用——单件和小批量生产；特别适于重型、大型锻件生产。61自由锻分类(1)手工锻造，生产小型锻件。(2)机器锻造，生产大、中、小型锻件。自由锻设备设备吨位（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。20MPa(200个大气压)0.4~0.9MPa(4~9个大气压）62自由锻的基本工序分类：（1）辅助工序：为方便基本工序的操作而预先进行局部小变形的工序。如倒棱、压肩等。（2）基本工序：锻造过程中直接改变坯料形状和尺寸的工序。如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲等。（3）精整工序：修整锻件最终形状和尺寸、消除表面不平和歪斜的工序。如修整鼓形、校平、校直等。63基本工序——拔长64基本工序——镦粗65基本工序——冲孔66基本工序——弯曲67基本工序——错移68基本工序——扭转69半轴自由锻工艺锻件图材料:18CrMnTi坯料尺寸:Ф130×240坯料重量:25kg锻造设备:0.5T自由锻锤拔长并留出台阶锻出头部拔长拔长及修整台阶锻出凹挡及拔长端部并修整70模锻：利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。常用的模锻设备有蒸汽-空气模锻锤、压力机等。（1）模锻分类：1）锤上模锻：在锻锤上进行；2）胎模锻：在自由锻设备上使用可移动模具；3）压力机上模锻：在压力机上对热态金属进行模锻。3.3.1模膛锻造成型工艺71（2）模锻特点1）坯料整体塑性变形，三向受压；2）锻件尺寸精确，加工余量小；3）锻件形状可较复杂；4）生产率较高；5）锻模造价高，制造周期长。适于小型锻件的成批大量生产。如飞机、机车、军工、轴承等制造业中的齿轮、轴、连杆等零件。723.3.1.1胎模锻造成型工艺及应用胎模锻造成型是在自由锻设备上，使用可移动的胎模具生产锻件的锻造方法。胎模成型与自由成型相比，具有较高的生产率，锻件质量好，节省金属材料，降低锻件成本。与固定模膛成型相比，不需要专用锻造设备，模具简单，容易制造。锻件质量不如固定模膛成型的锻件高，工人劳动强度大，胎模寿命短，生产率低。胎模成型只适用于小批量生产，多用在没有模锻设备的中小型工厂中。胎模的种类：扣模；筒模；合模。73胎膜锻扣模组合筒模合模743.3.1.2固定模膛成型工艺分类及设备固定模膛成型工艺主要分为锤上模膛成型工艺和压力机上模膛成型工艺。锤上模锻成型用于大批量锻件生产。所用设备有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。压力机上模膛成型常用的设备有曲柄压力机、摩擦压力机和平锻机、模锻水压机等。75模膛种类制坯模膛（体积分配）模锻模膛（锻件成形）切断模膛（锻件与坯料切离）预锻→初步成形终锻→最终成形设飞边槽★放收缩率镦粗拔长滚挤★弯曲…●3.3.2锻模模膛及其功用763.3.2.1预锻模膛预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模的使用寿命。预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。飞边槽的作用？773.3.2.2终锻模膛终锻模膛的作用是：是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。钢件收缩量取1.5%沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮。为什么?783.3.3制坯模膛拔长模膛——用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。滚压模膛——用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一