金属塑性成形
本章重点
- 金属塑性成形的理论；
- 掌握常用金属的塑性成形工艺；
- 掌握薄板冲压成形工艺。
本章内容
- 金属塑性成形概述
- 金属的塑性变形（塑性成形理论）
- 锻造工艺
- 板料冲压
- 锻造及冲压零件的结构工艺性
- 塑性成形新工艺简介
- 塑性成形的概念
- 塑性成形加工的特点及应用
- 金属塑性加工方法
一、 概 述
又称为压力加工。
金属坯料
外力
塑性变形
产生
改变形状
改变尺寸
改善性能
达到
毛坯
零件
得到
1、金属塑性成形的定义
（1）特点
优点：
a）与铸造相比：力学性能高，内部缺陷被压合，
晶粒显著细化。
ｂ)与切削加工比：材料的利用率和生产率高。
缺点：
a) 形状不能太复杂 b) 坯料塑性要好
（2）应用
汽车、拖拉机、宇航、军工、电器、桥梁、建筑等
2、塑性成形加工的特点及应用
3、塑性变形方式
（1）轧制
塑性变形方式主要有：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压
（2）挤压
使金属坯料从挤压模孔挤出而成形为各种型材、管材、零件等。
挤压的方法：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压
（3）锻造
将金属坯料置于上下砧或锻模内，用冲击力或压力使金属成形为各种型材和锻件等
锻造的种类有：
自由锻、模锻、胎模锻
（4）冲压
利用冲模将金属板料切离或变形为各种冲压件。
（5）拉拔
将金属坯料从拉模的模孔中拉出而成形为各种线材、薄壁管材、特殊截面型材等
第一节 金属塑性变形
- 塑性变形的实质
- 冷变形和热变形
- 金属的可锻性及影响因素
一、金属塑性成形的实质
塑性：金属在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。
金属变形过程：
a）金属材料在外力作用下发生弹性变形
b）当外力超过一定值后产生塑性变形
c）外力继续加大，发生断裂
金属塑性变形的实质：
a）晶粒内部滑移和孪生
b）晶间滑移和晶粒转动
1、单晶体的塑性变形
（1）单晶体滑移
晶体的一部分相对另一部分沿一定晶面（滑移面）和这个晶面上的一定晶向（滑移方向）产生相对移动的现象。
坯料在拉伸时受力分析：
正应力——晶粒弹性伸长——拉断
切应力——晶粒扭曲——滑移
- 理论上，整体刚性滑移——滑移困难
- 实际上，位错移动——滑移容易
（2）孪生
晶体在外力作用下，一部分沿着一定晶面（孪生面）产生一定角度的切变。
当滑移困难时(位错塞积），出现孪生变形
塑性变形过程：滑移 ——孪生——滑移——孪生…….
2、多晶体的塑性变形
工业中实际使用的金属大多是多晶体。
1、多晶体的特征：
a）晶体形状和大小不等
b）相邻晶粒的位向不同
c）多晶体内存在大量晶界
2、实际塑性变形：
a）各个晶粒内部滑移和孪生的总和，构成整体塑性变形。
b）各个晶粒间的变形，是产生内应力和开裂的原因。
1、加工硬化
金属经过塑性变形后，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降的现象。
原因：
a）晶格扭曲
b）晶粒破碎
消除办法：回复或再结晶退火。
二、金属变形过程中的组织与性能
2、回复
随着温度的上升，原子热运动加剧，晶格扭曲被消除，内应力明显下降的现象称为回复。
回复的结果：
a）晶格扭曲消除
b）内应力明显下降
T回=（0.25-0.3）T熔 （K）
回复只能部分消除加工硬化
3、再结晶
温度上升到一定温度时，开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒，加工硬化完全消除，这个过程称为再结晶。
（1）再结晶的结果
a）原子热振动加剧
b）以某些质点为核心重结晶
c）加工硬化全部消除
（2）再结晶温度
金属经大量塑性变形后开始再结晶的最低温度。
T再=（0.4-0.5）T熔 （K）
金属的回复和再结晶示意图
（3）影响再结晶后晶粒大小的因素：
a）变形程度
变形程度很小时不发生再结晶。
变形程度在2-8%时,晶粒特别粗大——临界变形程度。
当变形程度大于临界变形程度，随变形程度增加，晶粒显著细化。
b）再结晶后状态
金属在高温下停留，晶粒长大，力学性能变差。
变形后的金属在加热时组织和性能的变化
1—内应力曲线
2—晶粒度曲线
3—强度曲线（变形抗力）
4—延伸率曲线
4、纤维组织
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。
性能特点：具有各向异性
a）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加
b）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低但抗剪切能力显著增强
纤维组织合理分布
（1）零件最大拉应力方向应与锻造流线平行
（2）零件最大剪切应力方向应与锻造流线垂直
（3）零件外形轮廓应与锻造纤维的分布相符合而不被切断。
1、冷变形：变形温度低于再结晶温度
（1）生产方法：冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等
（2）特点
a）位错密度上升——显著加工硬化
b）尺寸精度高、表面质量好
三、冷变形和热变形
2、热变形： 变形温度高于再结晶温度
（1）生产方式：热锻、热轧、热挤压
（2）热变形后的组织特征
a）加工硬化和再结晶同时发生
b）冶金缺陷得到改善或消除
c）最终得到细小的等轴晶
d）组织致密，力学性能显著提高
四、金属的可锻性
可锻性——常用金属材料经受塑性变形加工的难易程度。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来衡量的。
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本质(内因)和塑性成形的条件(外因)。
1、材料性质的影响(内因)
（1）化学成分的影响
a）纯金属比合金的可锻性好；
b）含合金元素少的合金比多的好。
（2）金属组织的影响
a）单相组织（纯金属或固溶体）比多相好；
b）钢中碳化物呈弥散分布比网状分布好；
c）晶粒细化的组织比粗大好。
2、加工条件的影响(外因)
温度升高，塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。
但要防止“过热和过烧”。
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
（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。
（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，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。
第二节 锻造工艺
- 锻造简介
- 自由锻
- 模锻
- 胎模锻
一、锻造工艺简介
锻造工艺特点：
锻件的力学性能好，但形状简单，内腔不能太复杂；加工余量大，材料利用率低。
应用：
制造齿轮、传动轴、曲轴、连杆等传动件和要求力学性能高的重要件。
根据坯料成形方法的不同，分为：
自由锻、模锻、胎模锻
一、自由锻
1、自由锻特点
（1）坯料变形时，只有部分表面受到限制，其余可自由流动；
（2）所用设备及工具简单，适应性强，锻件重量不受限制；
（3）由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的精度低，生产率低；
（4）适用于单件小批生产，也是大型锻件的唯一锻造方法。
2、自由锻的方法
（1）手工锻造
（2）机器锻造
a）锻锤自由锻
利用冲击力使坯料产生塑性变形
常用设备有：空气锤、 蒸汽---空气锤
b）液压机自由锻
利用静压力使坯料变形
常用设备是水压机，适用于大型锻件。
3、自由锻的工序
（1）基本工序
用来改变坯料的形状和尺寸的工序，主要包括：镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移等。
（2）辅助工序
为了完成基本工序而进行的预先变形工序，主要包括：压钳把、倒棱、压痕等。
（3）修整工序
用来减少锻件表面缺陷的工序，主要包括：校正、滚圆、平整等。
4）自由锻工艺规程的制订
- 锻件图的绘制
- 确定坯料的重量和尺寸
- 选择自由锻工序
- 选择锻造设备
- 填写工艺卡
（1）锻件图的绘制
工艺：将原材料或半成品加工成产品的工作、方法、技术等。
规程：将某种政策、制度等所做的分章分条的规定。
在零件图的基础上，考虑加工余量、锻造公差、余块等因素后绘制的工艺图。
（2）确定坯料的重量和尺寸
1）坯料重量计算
m坯=m锻件+m损
m损=m烧+m芯+m切
其中： m烧——火耗损失
m芯——冲孔冲掉的芯料
m切——修切端部的损失
2）坯料尺寸、锻造比
锻造比是锻件在锻造成形时变形程度的一种表示方法。
锻造比选择合适时，则毛坯内部缺陷被压合，树枝晶被打碎，晶粒显著细化，力学性能得到提高。
a）锻造比的计算方法:
拔长时，B拔=A0/A
镦粗时，B镦=H0/H
一般情况下，铸锭作为坯料时，锻造比不小于2.5—3；轧制型材作为坯料时，锻造比选择1.3—1.5。
b）坯料尺寸：根据坯料重量和锻造比确定。
（3）选择自由锻工序
（4）选择锻造设备
根据锻件的尺寸、形状、材料等条件来选择设备种类及其规格，既保证锻透工件、有较高的生产率，又不浪费动力，并使操作方便。
（5）填写工艺卡
1、模锻的特点（与自由锻相比）
优点：a）锻件形状复杂，尺寸精确，表面光洁；
b）加工余量小，节约材料和工时；
c）锻造流线分布符合外形结构，力学性能高；
d）生产效率高。
缺点：a）模具费用高，生产周期长；
b）锻件重量小，一般小于150公斤。
二、模锻
2、锤上模锻
锤上模锻一般选用1-16吨的蒸汽-空气模锻锤。锻模制作成带燕尾的上下两半模，上下模分别用楔铁紧固在锤头和模垫上。
（1）锻模结构与模膛
锻模一般由上模和下模两部分组成，上下合拢形成内部模膛。
模膛按其功用不同分为制坯模膛、预锻模膛和终锻模膛。
制坯模膛：拔长、滚圆、弯曲切断以及镦粗、击匾等。
预锻模膛：使坯料接近锻件的形状和尺寸，有利于坯料最终成形，并减少终端模膛磨损。
终端模膛：用来完成锻件的最终成形。
（2）锻模模膛的功用
（a）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。
（b）终锻模膛
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。
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。
（c）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，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属按模锻件形状来分布。
弯曲模膛——对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛来弯曲坯料。
切断模膛——上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属。
3、锤上模锻工艺规程的制订
锤上模锻的工艺过程一般为：切断毛坯→加热坯料→模锻→切除模锻件的飞边→校正锻件→锻件热处理→表面清理→检验→成堆存放。
锤上模锻的工艺设计包括制定锻件图、确定模锻工步(选择模膛)、制订修整工序等。其中最主要的是锻件图的制定和模锻工步的确定。
（a）选择模锻件的分模面
分模面即是上、下锻模在锻件上的分界面。制订模锻锻件图时，必须按以下原则确定分模面位置：
- 要保证模锻件能从模膛中取出，分模面应选在模锻件最大尺寸的截面上。
- 按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，及时调整锻模位置。
（1）模锻件图的制定
- 最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处。这样可使金属很容易充满模膛，便于取出锻件，并有利于锻模的制造。
- 选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。
- 最好使分模面为一个平面，使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不宜过大，以便于制造锻模。
（b）确定模锻件的机械加工余量及公差
机械加工余量一般为1～4 mm，锻造公差一般取在±0.3～3 mm之间。
（c）标注模锻斜度
当模膛宽度b小而深度h大时，模锻斜度要取大些。内壁斜度要略大于外壁斜度(a 2> a 1)。
（d）标注模锻圆角半径
锻件上所有转角处都应做成圆角。一般内圆角半径（R）应大于其外圆半径（r）。
（e）留出冲孔连皮
锻件上直径小于25mm的孔，一般不锻出，或只压出球形凹穴。大于25mm的通孔，也不能直接模锻出通孔，而必须在孔内保留一层连皮。
模锻圆角半径
内圆角半径R是外圆角半径r的３－４倍
内壁斜度β应比外壁斜度α大一级
长轴类锻件，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等。一般为拔长、滚压、弯曲、预锻、终锻成型。
饼类模锻件，如齿轮、法兰盘等。一般为镦粗、预锻、终锻成型。
（2）确定模锻工步
切边和冲孔，模锻件的飞边和冲孔连皮一般在压力机上切除。
校正，对于在工序中引起的变形需进行校正；对于过热组织和加工硬化，需进行热处理消除；此外还有清理、精压等。
（3）确定修整工序
1、胎模锻的特点
（1）与自由锻相比，模锻件的形状较为复杂，尺寸精确，生产效率高。
（2）与模锻相比，可利用自由锻设备组织生产，胎模制造成本低。
三、胎模锻
2、胎模的种类
按胎模的结构特点分为扣模、弯曲模、套筒模和合模等。
（1）扣模：分单扣模和双扣模两种。
（2）弯曲模：由上、下模组成
（3）套筒模：适合生产饼类锻件
（4）合模：
由上下模组成，并有导柱或导锁定位。
板料冲压
板料冲压又叫冷冲压，它是利用冲模使板料产生变形或分离，从而获得具有一定形状和尺寸的锻件的工艺方法。
冷冲压所用材料一般为小于4mm的板料、条料、带料等，所用设备为冲床和剪床。
冷冲压的特点
（1）可生产形状复杂的零件、零件精度高、表面粗糙度低、互换性好。零件的强度高、刚度好。
（2）材料的利用率高，一般可达70—80%。
（3）适应性强，金属及非金属均可用冲压方法加工。零件可大可小。
（4）生产率高，每分钟可冲压小件数千件，易实现机械化和自动化。
（5）模具结构复杂、制造成本高。
板料冲压的基本工序
板料冲压的基本工序包括分离工序和变形工序两大类。其中分离工序包括剪切、冲裁（分落料和冲孔）、切口、修边和剖切等。变形工序包括弯曲、拉伸、翻边、成形等。
1.分离工序
分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。如落料、冲孔、切断、精冲等。
板料冲压的基本工序
3.4.1.1 落料及冲孔
落料是被分离的部分为成品，而周边是废料；
冲孔是被分离的部分为废料，而周边是成品;
落料过程
冲孔过程
- 冲裁变形过程
- 冲裁变形过程包括三个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂分离阶段
- 凸凹模间隙对冲裁件质量的影响
间隙小
间隙大
间隙适中
- 凸凹模刃口尺寸的确定
设计落料模时，应先按落料件确定凹模刃口尺寸，取凹模作设计基准件，然后根据间隙Z确定凸模尺寸（即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值）。
设计冲孔模时，先按冲孔件确定凸模尺寸，取凸模作设计基准件，然后根据间隙Z确定凹模尺寸（即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值）。
落料凹模和冲孔凸模尺寸
落料凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小的尺寸。
冲孔凸模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸。
- 冲裁件的排样
排样是指落料件在条料，带料或板料上合理布置的方法。
落料件的排样有两种类型：无搭边排样和有搭边排样。
修整
修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，从而提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。
修整后冲裁件公差等级
达IT6～IT7，表面粗糙度
Ra为0.8～1.6μm。
修整工序简图
变形工序
变形工序是使坯料一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。它包括弯曲、拉深、翻边、成形等工序。
弯曲变化过程
弯曲是将坯料弯成一定的角度，一定的曲率形成一定形状零件的工序。
弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直。
回弹现象--由于弹性变形的恢复，坯料略微弹回一点，使被弯曲的角度增大。一般回弹角为0～10°。
与坯料纤维方向垂直
拉深过程及变形特点：
拉深过程如图示，其凸模和凹模有一定的圆角，其间隙一般稍大于板料厚度。拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。直壁厚度有所减小。
圆筒形零件的拉深
拉深也称拉延，是利用模具使冲裁后得到的平面毛坯变成为开口空心零件的冲压工艺。
拉深变形过程
拉深中常见的缺陷有拉穿和起皱
从拉深过程中可以看到，拉伸件中最危险的部位是直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的强度极限时，此处将被“拉穿”。
防止“拉穿”的措施有：正确选择拉伸系数合理设计拉深模工作零件
起皱是由于法兰部分在切向力的作用下导致的结果。
为了防止起皱，可用压边圈把坯料压紧。
正确选择拉深系数
拉深件直径d与坯料直径D的比值称为拉深系数，用m表示，即m = d/D。
拉深系数不小于0.5～0.8。坯料的塑性差取上限值，塑性好取下限值。
如果拉深系数过小，不能一次拉深成形时，则可采用多次拉深工艺。
第一次拉深系数 m1 = d1/D
第二次拉深系数 m2 = d2/d1
第几次拉深系数 mn = dn/dn-1
总的拉深系数 m =
m1×m2×mn
其它冲压成型
胀形主要用于平板毛坯的局部胀形（或叫起伏成型），如压制凹坑，加强筋，起伏形的花纹及标记等。另外，管类毛坯的胀形（如波纹管）、平板毛坯的拉形等，均属胀形工艺。
1.胀形
管坯胀形
1—凸模； 2—凹模；3—坯料；
4—橡胶；5—外套
翻边是在坯料的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成型方法。分内孔翻边和外缘翻边两种。
2.翻边
旋压的基本要点是：
(1)合理的转速;
(2)合理的过渡形状;
(3)合理加力。
3.旋压
翻边筒
旋压
1.简单冲模
在冲床的一次冲程中只完成一个工序的冲模，称为简单冲模。模具简单，造价低。
冲模的分类和构造
简单冲模
冲床的一次冲程中，在模具不同部位上同时完成数道冲压工序的模具，称为连续模。生产率高，要求定位精度高。
2. 连续冲模（级进模）
连续冲模
冲床的一次冲程中，在模具同一部位上同时完成数道冲压工序的模具，称为复合模。精度高，模具复杂。
3. 复合冲模
落料拉伸复合冲模
拉伸件
锻造及冲压零件的结构工艺性
设计零件时，不仅要保证其良好的使用性能，还应考虑其锻造、冲压时的工艺性能。
为使零件的结构便于加工，降低成本，提高生产效率，就要对被加工零件的毛坯在形状、尺寸、精度等方面给于限定或规定。
自由锻造采用简单、通用的工具，锻件的形状和尺寸精度很大程度上取决于锻工的技术水平，所以锻件的形状不能复杂。
自由锻件的结构工艺性
自由锻件的结构工艺性
避免锥体和斜面结构
几何体间的交接处
不应形成空间曲线
自由锻件的结构工艺性
自由锻件上不应设计
出加强肋、凸台、工字形截面
截面变化大的锻件，
采用组合连接
- 对冲裁件的要求
- 冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用。
- 应避免长槽与细长悬臂结构，否则制造模具困难。
利用率高
利用率低
落料外形不合理
冲压件的结构工艺性
零件形状与节约材料的关系
- 冲裁件的内、外形转角处，要尽量避免尖角，应以圆弧连接。以避免尖角处应力集中被冲模冲裂。
- 冲孔件尺寸与厚度关系合理
- 弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径，并应考虑材料纤维方向，以免成型过程中弯裂。
- 弯曲边过短不易弯成型，故应使弯曲边高度H＞2s。若H＜2s，则必须压槽，或增加弯曲边高度，然后加工去掉。
- 对弯曲件的要求
- 弯曲带孔件时，为避免孔的变形，孔的边缘距弯曲中心应有一定的距离（如图）。图中L＞1.5～2s。当L过小时,可在弯曲线上冲工艺孔,如对零件孔的精度要求较高，则应弯曲后再冲孔。
- 对拉伸件的要求
- 拉深件外形应简单、对称，且不宜太高。以便使拉深次数尽量少，并容易成型。
- 拉深件的圆角半径（如图示）应满足：rd≥S，R≥2S，r≥（3-5）S。否则，应增加整形工序。
- 拉深件的壁厚变薄量一般要求不应超出拉伸工艺壁厚变化的规律（最大变薄率约在10%～18%左右）。
思 考 题
1. 工件拉深时为什么会起皱？为什么会拉穿？采取什么措施解决上述问题？
2.冲下列零件时，应采用哪些冲压工序？饭盒；煤气罐封头；脸盆；硬币。
3.如何利用弯曲回弹现象设计弯曲模，使工件得到准确的弯曲角度？