机械制造基础-塑性成形

第3章塑性成形3.1塑性成形理论基础3.2塑性成形方法3.3塑性成形工艺设计3.4塑性加工方法的结构工艺性3.5塑性成形新发展返回塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。塑性成形加工的特点：优点：1）改善金属的组织，提高金属的力学性能；2）节约金属材料和切削加工工时，提高金属材料的利用率和经济效益；3）具有较高的劳动生产率。4）适应性广。缺点：1）锻件的结构工艺性要求较高，内腔复杂零件难以锻造；2）锻造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；3）需重型机器设备和较复杂模具，设备费用与周期长；4）生产现场劳动条件较差。常用塑性成形加工方法有：1）自由锻造；2）模型锻造；3）挤压；4）拉拔；5）轧锻；6）板料冲压。如图3-1所示。塑性成形主要用于主轴、曲轴、连杆、齿轮、叶轮、炮筒、枪管、吊钩、飞机和汽车零件等力学性能要求高的重要零部件。第1节塑性成形理论基础3.1.1塑性成形的实质3.1.2冷变形强化与再结晶3.1.3锻造比与锻造流线3.1.4塑性成形基本规律3.1.5金属的锻造性能3.1.1塑性成形的实质具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构来说明。1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形有两种方式：滑移变形和双晶变形。1）滑移变形：晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图3-2所示。晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现的。如图3-3所示。当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，如图3-4所示，形成可见的变形。2）双晶：亦叫孪晶。晶体在外力作用下，晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。如图3-5所示。2.多晶体的塑性变形多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的塑性变形很复杂，可分为晶内变形和晶间变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形；晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。如图3-6所示。多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，也是滑移和双晶，但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。因为其产生的切应力最大。如图3-7反映了晶粒位向与受力变形的关系。同时在多晶体的晶界处，由于相邻晶粒间的位向差别，产生晶格的畸变，并有杂质的存在，以及晶粒间犬牙交错状态，对多晶体的变形造成很大障碍。低温时，晶界强度高于晶粒内部强度，变形抗力大不易变形；高温时，晶界强度降低，晶粒易于相互移动。所以多晶体由于存在晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要远高于同种金属的单晶体。3.1.2冷变形强化与再结晶金属塑性变形时，在不同的温度下，对金属组织和性能产生不同的影响。主要讨论加工硬化、回复和再结晶。1.冷变形强化（加工硬化）指金属在低温下进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，如图3-8所示；变形程度越大，冷变形强化现象越严重。冷变形强化的原因是：在塑性变形过程中，在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶，滑移面附近的晶格也产生了畸变，增加了继续滑移的阻力，使继续变形困难。对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。2.回复指当温度升高时，金属原子获得热能，使冷变形时处于高位能的原子回复到正常排列，消除由于变形而产生的晶格扭曲的过程，可使内应力减少。回复温度较低，对于纯金属，可用下式计算：熔回TT3.02.0式中----金属的绝对回复温度；----金属的绝对熔化温度；回T熔T回复作用不改变晶粒的形状及晶粒变形时所构成的方向性，也不能使晶粒内部的破坏现象及晶界间物质的破坏现象得到恢复，只是逐渐消除晶格的扭曲程度。故回复作用可以降低内应力，但力学性能变化不大，强度稍降低，塑性稍提高。如图3-9b所示。3.再结晶指当温度升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，通过金属原子的扩散，使冷变形强化的结晶构造进行改变，成长出许多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶。如图3-9c所示。再结晶过程：先在变形金属中出现再结晶核心（小晶块，或破碎物），结晶核心周围的畸变晶格中的原子向再结晶核心聚集，从不稳定状态向稳定状态过渡，有秩序地排列起来，而形成新的具有正常晶格结构的晶粒，直至新晶粒完全形成，再结晶结束。如果继续升温或保温，再结晶晶粒还会聚合长大，即二次再结晶。再结晶使内应力全部消除，强度降低，塑性增加。如图3-10所示为变形后的金属在加热时组织和性能的变化。再结晶的最低温度称为再结晶温度，一般纯金属的再结晶温度为：再结晶处理：利用金属再结晶过程消除低温变形后的冷变形强化，恢复金属的良好塑性，以利于后继的冷变形加工。4.冷变形和热变形熔再TT4.0冷变形：指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔，能获得较高的硬度及表面质量。热变形：指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形。如锻造、热挤和轧制等，能消除冷变形强化的痕迹，保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性。3.1.3锻造比和锻造流线（纤维组织）1.锻造流线的形成在金属铸锭中含有的夹杂物多分布在晶界上，在金属塑性变形时，晶粒沿变形方向伸长，塑性夹杂物也随着变形一起被拉长，呈带状分布；脆性夹杂物被打碎呈碎粒状或链状分布；通过再结晶过程，晶粒细化，而夹杂物却依然呈条状和链状被保留下来，形成锻造流线。如图3-11所示。锻造流线使金属的力学性能呈现各向异性，平行于纤维方向塑性和韧性增加，垂直于纤维方向则下降。2、锻造比它是锻造生产中代表金属变形大小的一个参数，一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示：如镦粗工序，锻造比为：HHAAy00镦拔长锻造比：00LLAAy拔3.锻造比对金属的组织和性能的影响一般情况下，增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件的力学性能。但当锻造比过大，金属组织的紧密程度和晶粒细化程度已到极限，故力学性能不再升高，而增加各向异性。锻造比越大，锻造流线越明显，其力学性能的方向性越明显。如图3-12所示为碳素结构钢锭采用不同锻造比进行拔长后的力学性能变化曲线。当锻造比增加时，钢的强度在横向和纵向差别不大，而塑性和韧性纵向明显好于横向。锻造流线的稳定性很高，而且用热处理不能消除。故在设计和制造易受冲击载荷的零件时，必须考虑锻造流线的方向，使最大正应力与流线方向一致，切应力或冲击应力与流线方向垂直；使锻造流线的分布与零件的外形轮廓相符合，而不被切断。如图3-13所示的拖钩，如图3-14所示的齿轮。3.1.4塑性成形基本规律塑性成形规律：就是塑性成形时金属质点流动的规律，即在给定条件下，变形体内将出现什么样的位移速度场和位移场，以确定物体形状、尺寸的变化及应变场。从而为选择变形工步和设计成形模具奠定基础。1.体积不变定律金属塑性变形前后体积不变，实际中略有缩小；可计算各工序尺寸。2.最小阻力定律塑性变形时金属质点首先向阻力最小方向移动。一般金属某质点移动时阻力最小方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向，如图3-15，图3-16所示。3.1.5金属的锻造性能金属的锻造性能是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。影响金属锻造性能的因素有：金属的本质和金属的变形条件。1.金属本质的影响1）金属的化学成分：化学成分不同，塑性不同，锻造性能不同。2）金属的组织状态：组织结构不同，锻造性能不同；单一固溶体组成的合金，塑性好，锻造性能好；铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构；金属内部有缺陷也不一样。1）变形温度：温度升高，塑性上升，降低变形抗力，易于锻造；但温度过高也会产生相应的缺陷，如氧化，脱碳、过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。锻造温度范围指始锻温度与终锻温度间的温度范围，以合金状态图为依据。对始锻温度，原则是在不出现过热和过烧的前提下，尽量提高始锻温度。碳钢的始锻温度为AE线下2000C。终锻温度即停止锻造的温度，对于锻件质量有很大影响，终锻温度太高，停锻后晶粒会重新长大，降低锻件力学性能；太低，再结晶困难，冷变形强化现象严重，变形抗力太大，甚至产生锻造裂纹，也易损坏设备和工具。碳钢在加热时奥氏体晶粒长大示意图如图3-17a所示，锻造温度见图3-17b。2.金属的变形条件2）变形速度：指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好。如图3-18所示。3）变形时的应力状态：不同压力加工方法，金属内部的应力状态是不同的，如图3-19所示。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力则使塑性变形降低，应为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。思考题：1.试述单晶体和多晶体塑性变形的实质。2.锻造流线的存在对金属力学性能有何影响？在零件设计中应注意哪些问题？3.试述金属的锻造性能及其影响因素。第2节塑性成形方法3.2.1锻造3.2.1.1自由锻自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁之间，施加冲击力或压力，使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法。坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具通用性强。自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。1.自由锻设备自由锻设备常用的有锻锤和压力机。1）空气锤：它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适用于小型锻件；其结构与原理如图3-20所示。2）蒸汽—空气锤：利用蒸汽或压缩空气作为动力，构造及工作原理如图3-21所示，适用于中小型锻件。3）水压机：以压力代替锤锻时的冲击力，适用于锻造大型锻件；其工作过程包括空程、工作行程、回程、悬空。其原理和结构如图3-22所示。1）基本工序：改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等。最常用的是镦粗、拔长、冲孔。2）辅助工序：为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如压钳口、倒棱和切肩。3）精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲。2.自由锻工序根据作用与变形要求的不同，可分为基本工序、辅助工序和精整工序。3.自由锻的特点优点：1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的设备吨位小。缺点：1）锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证，故尺寸精度低，加工余量大，金属材料消耗多；2）锻件形状比较简单，生产率低，劳动强度大。故自由锻只适用于单件或小批量生产。3.2.1.2模锻模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内，在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法。坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。与自由锻相比，模锻的优点是：1）由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂；2）锻件内部的锻造流线比较完整，从而提高了零件的力学性能和使用寿命。3）锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和切削加工工时；4）生产率较高；5）操作简单，易于实现机械化；6）生产批量越大成