第六章 金属塑性成形的工艺理论基础综述

第六章金属塑性成形的工艺理论基础第一节金属塑性成形的基本工艺第二节金属的塑性变形第三节塑性变形理论及其假设第四节影响塑性变形的因素塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需具有一定形状、尺寸及力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法（成形工艺），称为金属塑性成形工艺（压力加工）。钢和有色金属及其合金均具有较好塑性的材料，可在冷态或热态下进行塑性成形加工。外力:冲击力和压力。锤类设备与压力机。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。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。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。模锻板料冲压轧制挤压拉拔第一节金属塑性成形的基本工艺自由锻锻压的基本方式1.轧制成形轧制也叫压延，是金属坯料通过一对旋转轧辊之间的间隙而使坯料受挤压产生横截面减少、长度增加的塑性变形过程。它是生产型材、板材和管材的主要方法。生产效率高、产品质量好、成本低、节约金属。图6-1轧制挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯料产生定向塑性变形，并通过模具上的孔型，而获得具有一定形状和尺寸的零件的加工方法。2.挤压成形图6-3挤压1）可提高成形零件的尺寸精度，并减小表面粗糙度。2）具有较高的生产率，并可提高材料的利用率。3）提高零件的力学性能。4）挤压可生产形状复杂的管材、型材及零件。挤压的优点：变形阻力大；需能量较大的锻压设备；模具易磨损。挤压的缺点：3.拉拔成形拉拔是使金属坯料通过一定形状的模孔，使其横截面减小、长度增加的加工方法，如图6-5所示。产品形状尺寸精确、表面质量好、机械强度高，常用于拔制金属丝、细管材和异型材等。图6-5拉拔4.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)自由锻设备锻锤压力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。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；65~750Kg蒸汽—空气锤利用蒸汽或压缩空气作为动力，适用于中小型锻件。630Kg~5T水压机油压机落下部分总重量=活塞+锤头+锤杆滑块运动到下始点时所产生的最大压力锻锤吨位=压力机吨位=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。5.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）生产批量越大成本越低。模锻的缺点：1）模锻是整体成形，摩擦阻力大，故模锻所需设备吨位大，设备费用高；2）锻模加工工艺复杂，制造周期长，费用高。故只适用于中小型锻件的成批或大批生产。模锻广泛应用于国防工业和机械制造业，按质量计算模锻件在飞机上占85%，坦克占70%，汽车占80%，机车占60%。6.板料冲压板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。板料冲压的特点：1）在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力。2）金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结构轻巧，强度和刚度较高。3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需机械加工即可作零件使用。4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适用于大批量生产。冲压工艺广泛应用于汽车、飞机、农业机械、仪表电器、轻工和日用品等工业部门。第二节金属的塑性变形一、金属塑性变形后的组织和性能金属受外力作用后，先产生弹性变形，当外力超出其屈服强度后，开始产生塑性变形；塑性变形过程中随着弹性变形的存在；当外力去除后，弹性变形将恢复，该现象称为“恢复”。金属在常温下经塑性变形后，其内部组织变化如下：1）组织变化的特征：①晶粒沿变形最大方向伸长；②晶格与晶粒均发生畸变；③晶粒间产生碎晶。2）性能变化的特征：随着变形程度的增加，其强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降。有利：强化金属材料不利：进一步的塑性变形带来困难加工硬化：回复：当温度升高，原子获得热能其热运动加剧，使原子排列回复到正常状态，从而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化。加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发回复到稳定状态的倾向，在室温下不易实现。T回=（0.25~0.3）T熔（K）回复时的温度称为回复温度T回再结晶：当温度继续升高到T熔的0.4倍，金属原子获得更多的热能，开始以碎晶或杂质为核心结晶成为细小而均匀的再结晶新晶粒，从而消除全部加工硬化。再结晶时的温度称为再结晶温度T再T再=（0.35~0.4）T熔（K）再结晶退火：为了消除加工生产中加工硬化给金属继续进行塑性变形带来的困难，生产中以再结晶以上的温度加热已加工硬化的金属，使其发生再结晶而再次获得良好的塑性的操作工艺。冷变形变形温度低于再结晶温度时，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。特点：产品表面品质好、尺寸精度高、力学性能好，一般不需再切削加工。热变形变形温度高于再结晶温度时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有细而均匀的再结晶等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。特点：小变形功产生较大变形，塑件形状复杂、尺寸较大，再结晶组织力学性能较高。但金属表面易形成氧化皮，产品尺寸精度和表面品质较差，劳动条件较差，生产率较低。二、金属塑性变形的类型金属在不同温度下变形后的组织和性能不同，以再结晶温度为界，金属的塑性变形分为：三、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。为充分利用纤维组织的方向性，遵循的原则：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。5、纤维组织的化学稳定性强，其分布状况一般不能通过热处理消除，只能通过不同方向上的锻压成形才能改变；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)。实例：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。第三节塑性变形理论及其假设一、最小阻力定律金属在手外力作用发生塑性变形时，如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就优先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见图6-10、6-11。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＝S0/S,镦粗时的锻造比为:Y镦＝H0/H.三、塑性变形程度的计算二、塑性变形前后体积不变的假设金属在外力作用发生塑性变形时，由于金属材料连续而致密，其体积变化很小，与形状变化可以忽略不计。这就是体积不变的假设。即V变形前=V变形后如果坯料是钢坯，可求出其直径D（圆钢）或边长A（方钢），再按标准选取直径或边长，从而计算出钢坯的长度。钢坯坯料钢坯SVL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S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：S坯料=Y拔S锻件第四节影响塑性变形的因素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；它反映了金属塑性变形的能力。塑性高，则金属在变形中不易开裂。•变形抗力是指金属对变形的抵抗力。它反映了金属塑性变形难易程度；变形抗力小，则金属的变形能耗小。影响金属锻造性能的因素有：一、材料性质的影响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。良好的锻造性是指金属材料既有较高的塑性，又有较小的变形抗力。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。始锻温度即锻造加热时允许的最高温度。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。二、加工条件的影响若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能减低，这种现象称为“过热”若加热温度接近熔点，界氧化破坏了晶粒间的结合，合金失去塑性而报废，这种现象称为“过烧”v塑性、变形抗力塑性变形抗力cvV变越小，材料的可锻性越好。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，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，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；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。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