第3章 金屬塑性成形

定義：利用外力使金屬產(chǎn)生塑性變形，使其改變形狀、尺寸和改善性能，獲得型材或鍛壓件的加工方法。兩個條件：外力、塑性，缺一不可

優(yōu)點：金屬組織致密、晶粒細小、力學(xué)性能提高；

屬于少、無切削加工，材料利用率高，生

產(chǎn)效率高。缺點：制件形狀比鑄件簡單，生產(chǎn)條件較差應(yīng)用：金屬材料生產(chǎn)承受較大負荷或復(fù)雜載荷的機械零件第三篇金屬壓力加工3.1金屬塑性成形基礎(chǔ)3.1.1金屬塑性變形的機理1．單晶體的塑性變形以理想單晶體為例（無缺陷、晶格規(guī)則）

滑移：金屬原子沿某些特定面移動(即金屬原子在外力的作用下產(chǎn)生了一定的位移）滑移通常是通過位錯的移動來實現(xiàn)的。

結(jié)論：切應(yīng)力引起塑性變形，正應(yīng)力引起彈性變形；

金屬塑性變形的實質(zhì)是原子的移動；塑性變形前后晶格類型保持不變。2．多晶體的塑性變形

多晶體的塑性變形＝（晶內(nèi)變形+晶間變形)

晶內(nèi)變形：主要以滑移方式進行。晶間變形：晶粒間的相對滑動和轉(zhuǎn)動。各晶粒的變形是分批、逐步進行的。

（低溫時多為晶內(nèi)變形，變形量較?。?.1.2金屬的加工硬化、回復(fù)和再結(jié)晶1．金屬的加工硬化組織變化：晶粒沿變形方向被拉長；滑移面附近晶格產(chǎn)生畸變；出現(xiàn)許多微小碎晶性能變化：強度和硬度增加；塑性、韌性下降優(yōu)點：強化金屬，發(fā)揮金屬材料性能潛力，尤其適合于不能用熱處理強化的合金。缺點：繼續(xù)塑性成形或切削加工難度加大，增大內(nèi)應(yīng)力。

2．回復(fù)和再結(jié)晶

(1)回復(fù)：回復(fù)使晶格畸變減輕或消除，使制件保持較高的強度且降低脆性?；貜?fù)溫度約為（0.25～0.30）T熔K(2)再結(jié)晶：塑性變形后金屬被拉長了的晶粒重新生核、結(jié)晶，變?yōu)榈容S細晶。完全消除加工硬化現(xiàn)象，

再結(jié)晶溫度一般為0.4T熔K以上。(再結(jié)晶是原子重新排列的過程）3.1.3金屬的冷成形、熱成形及溫成形

冷成形:在回復(fù)溫度以下進行的塑性成形，變形過程中會出現(xiàn)加工硬化。

有利于提高金屬的強度和表面質(zhì)量,用于制造半成

品或成品。(變形材料應(yīng)有較好的塑性且變形量不宜過大）

熱成形:在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性成形，變形過程中既有加工硬化又有再結(jié)晶，且硬化被再結(jié)晶完全消除。

綜合力學(xué)性能好,變形力小，變形程度大,用于毛坯

或半成品的制造。

為使再結(jié)晶迅速、徹底，實際熱成形溫度應(yīng)高于再

結(jié)晶溫度，但不能過高或保溫時間過長。溫成形:在高于回復(fù)溫度和低于再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)進行的塑性成形,有加工硬化及回復(fù)現(xiàn)象，但無再結(jié)晶。

用于強度較高、塑性較差的金屬，或尺寸較大、材料強度較高的零件或半成品制造。

3.1.4鍛造比與鍛造流線1．鍛造比：鍛造時變形程度的一種表示方法拔長時：鐓粗時：隨著鍛造比的增加，金屬的力學(xué)性能顯著變化

結(jié)構(gòu)鋼鋼錠的鍛造比一般為2～4，各類鋼坯和軋材的鍛造比一般為1.1～1.32．鍛造流線：鍛造時，金屬的脆性雜質(zhì)被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布；塑性雜質(zhì)隨著金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布，這樣熱鍛后的金屬組織就具有一定的方向性。應(yīng)使工件上的鍛造流線與工件的應(yīng)力方向相合理

工作時的最大正應(yīng)力方向與流線方向一致（平行），切應(yīng)力方向與流線方向垂直，且流線沿零件輪廓分布而不被切斷。

3.1.5材料的塑性成形性

用塑性和變形抗力綜合衡量

2．變形條件的影響

變形溫度：原子熱運動能力

應(yīng)變速率：變形分布、熱效應(yīng)、變形慣性

應(yīng)力狀態(tài)：壓應(yīng)力的影響

1．材料本質(zhì)的影響

化學(xué)成分：

越純越好

金屬組織：均勻、細晶最好

3.1.6金屬塑性成形的基本規(guī)律1、體積不變條件：由于塑性變形時金屬密度的變化很小，可認為變形前后的體積相等，此假設(shè)稱為體積不變條件。即Ex+Ey+Ez=0或Ex=－（Ey+Ez）2、最小阻力定律：物體變形過程中某質(zhì)點有向各種方向移動的可能性時，則其將向著阻力最小的方向移動。宏觀上變形阻力最小的方向上變形量最大根據(jù)體積不變條件和最小阻力定理可以分析塑性成形過程中金屬坯料的變形趨勢，可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，產(chǎn)生缺陷的原因并采取相應(yīng)的工藝措施，以保證生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

鍛造手工鍛造自由鍛沖壓沖裁拉深彎曲縮口起伏翻邊脹形模鍛胎模鍛機器鍛造落料沖孔軋制拉拔擠壓壓力加工3.2金屬塑性成形方法3.2.1鍛造

鍛造是在加壓設(shè)備及工（模）具的作用下，使坯料、鑄錠產(chǎn)生局部或全部的塑性變形，以獲得具有一定幾何尺寸、形狀和質(zhì)量的鍛件的加工方法。

（一）自由鍛只用簡單的通用性工具使坯料變形而獲得所需的幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量鍛件的加工方法。

自由鍛時，金屬只有部分表面受到工具限制，其余則為自由表面。設(shè)備：空氣錘、蒸氣—空氣自由鍛錘、液壓機等

基本工序：鐓粗、拔長、沖孔等變形特點：局部成形、效果疊加生產(chǎn)特點：設(shè)備通用性好、工具簡單；鍛件組織細密、力學(xué)性能好；操作技術(shù)要求高，生產(chǎn)效率低；鍛件形狀較簡單、加工余量大、精度低。

應(yīng)用:小型鍛件以成形為主；

大型鍛件（尤其是重要件）和特殊鋼則以

改善內(nèi)部質(zhì)量為主。

主要用于單件、小批生產(chǎn)，且是特大型鍛

件唯一的生產(chǎn)方法。畫法:鍛件輪廓用粗實線繪出，零件基本形狀用雙點劃線表示；鍛件尺寸和公差標注于尺寸線上方，零件公稱尺寸標注在相應(yīng)鍛件尺寸下方(或后方)的括弧內(nèi)

3.3.1自由鍛工藝設(shè)計

1．繪制鍛件圖

余塊:簡化鍛件形狀,便于鍛造

余量:所有面都應(yīng)添加加工余量

公差:數(shù)值較大

2．確定變形工序

依據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)形狀進行確定

盤塊類軸桿類圓筒類圓環(huán)類彎曲類4．計算毛坯尺寸首道工序為鐓粗時：

D0≥0.8首道工序為拔長時：

D0≥

3．計算毛坯質(zhì)量mo=(md+mc+mq)(1+δ)

將上述內(nèi)容，按變形順序，以簡圖形式繪于

一張表格上，就是鍛造工藝卡，用以指導(dǎo)自

由鍛生產(chǎn)過程的進行和自由鍛件的檢驗。5．零件結(jié)構(gòu)的自由鍛工藝性避免錐面或楔形避免立體相貫線

（實際上是避免自然過渡）避免肋板或凸臺

采用鍛-焊、鍛-螺紋連接等組合結(jié)構(gòu)

自由鍛件的設(shè)計應(yīng)盡可能簡單、平直、對稱

6．自由鍛工藝設(shè)計示例零件結(jié)構(gòu)分析繪制鍛件圖

確定變形工序

拔長—切肩—鍛臺階

計算坯料質(zhì)量和尺寸

（二）模鍛

利用模具使毛坯變形獲得鍛件的方法。

設(shè)備:蒸汽-空氣模鍛錘、鍛造壓力機、螺旋壓力機和平鍛機等變形特點：整體成形、逐步逼近生產(chǎn)特點:產(chǎn)品形狀復(fù)雜、鍛造流線分布合理、加工余量小；表面質(zhì)量較好；生產(chǎn)率高

應(yīng)用:主要用于中、小型件的成批、大量生產(chǎn)(1)錘上模鍛1）錘模鍛在各種模鍛錘上進行的模鍛

工藝適應(yīng)性強，可用于多種變形工步；錘擊力及行程可變動，可鍛造多種類型的鍛件，設(shè)備費用較低工作時振動和噪音大，生產(chǎn)效率較低。錘模鍛是我國應(yīng)用最多的一種模鍛方法

錘模鍛時，金屬的變形是在模具的各個模膛中依次完成的，在每個模膛中的鍛打變形稱為一個工步。3.3.2錘模鍛工藝設(shè)計1．鍛件圖繪制(1)確定分模面

便于順利取出易于金屬充填盡量采用平面盡量減少余塊利于發(fā)現(xiàn)錯模(2)

確定余塊

窄槽、小孔和妨礙鍛件取出的橫向孔需要鍛出的孔內(nèi)須留沖孔連皮(3)確定機械加工余量和鍛件公差

凡需切削加工的表面均應(yīng)有機械加工余量，所有配合尺寸均應(yīng)給出鍛造公差。(4)確定模鍛斜度

鍛件上垂直于分模面的表面需帶一定斜度。外壁斜度通常為5°～7°，內(nèi)壁斜度通常為7°～10°。

(5)確定圓角半徑：

鍛件上的轉(zhuǎn)角處須采用圓角，凸圓角半徑為r，凹圓角半徑為R=(2～3)r

齒輪鍛件圖

未注公差：

水平+1.75

-1.75

高度+1.5

-0.75

未注圓角：R2.52．模鍛工步選擇

主要根據(jù)模鍛方法和模鍛件的結(jié)構(gòu)形狀確定盤類：鐓粗、（預(yù)鍛）、

終鍛直軸類：拔長、滾壓、（預(yù)鍛）、終鍛彎軸類：拔長、滾壓、彎曲、（預(yù)鍛）、終鍛3．修整工序

(1)切邊：通常用熱切邊(2)沖連皮：一般和切邊同時進行

(3)校正：提高鍛件形狀精度(4)熱處理和清理：正火或退火清除鍛件表面缺陷或氧化皮

4．零件結(jié)構(gòu)的模鍛工藝性

(1)應(yīng)有合理的分模面

(2)應(yīng)有合適的結(jié)構(gòu)斜度和圓角(3)避免高肋、薄壁、細深孔及多孔結(jié)構(gòu)(4)采用鍛-焊、鍛-螺紋連接等組合結(jié)構(gòu)

5．模鍛工藝設(shè)計示例未注公差：水平+2.5

-1.5

高度+2.0

-1.75

未注圓角：R2.5

2）胎模鍛：在自由鍛設(shè)備上使用可移動模具生產(chǎn)模鍛件的鍛造方法。

模具簡單，工藝靈活；可鍛出各類鍛件且可進行無飛邊模鍛；可鍛出有側(cè)向凹檔或無模鍛斜度的鍛件。勞動強度大，模具壽命低、生產(chǎn)效率低，常需多次加熱且鍛件表面質(zhì)量較差。

多在無模鍛設(shè)備時采用，用于鍛件的中、小批量生產(chǎn)簡圖1簡圖2(2)鍛造壓力機模鍛

1）液壓機模鍛：模鍛液壓機是用高壓液體（通常為水或油）來驅(qū)動安裝在活動橫梁上的鍛模進行模鍛的

可模鍛形狀較復(fù)雜的大型鍛件，利于鍛造塑性差的金屬，適用于航空工業(yè)中鋁、鎂合金模鍛件的生產(chǎn)。2）鍛壓機模鍛：鍛壓機即熱模鍛機械壓力機，是通過曲柄連桿機構(gòu)使滑塊往復(fù)運動進行模鍛的

鍛件精度高；變形較均勻且生產(chǎn)效率高；鍛件的模鍛斜度??；利于提高金屬塑性，可采用組合式模,鍛模成本較低且易于修復(fù)。行程和速度固定，需另行制坯

3）平鍛機模鍛：平鍛機是具有鐓鍛滑塊和夾緊滑塊的臥式機械壓力機

鍛件質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、振動和噪音小

有兩個分模面，可鍛出在兩個方向上均有凹坑或凹檔的鍛件。用于帶頭桿件和空心件的大批、大量生產(chǎn)，如汽車半軸、齒輪等

(3)螺旋壓力機模鍛：螺旋壓力機是靠主螺桿的旋轉(zhuǎn)帶動滑塊上、下運動，向上實現(xiàn)回程，向下進行鍛打的壓力機

有鍛錘和壓力機的雙重特性，工藝適應(yīng)性強；

可采用組合式模,鍛件的精度高，需在其它設(shè)備上制坯

3.2.2沖壓

使板料經(jīng)分離或成形而得到制件的工藝統(tǒng)稱。通常在冷態(tài)下進行，稱冷沖壓。沖壓件輕、薄、剛度好，形狀可較復(fù)雜；質(zhì)量穩(wěn)定，表面光潔；操作簡便，生產(chǎn)率和材料利用率高；需專用設(shè)備和模具，生產(chǎn)批量小時不夠經(jīng)濟。制造各種尺寸和精度的制件。

大部分板材、管材及型材需通過沖壓加工

1．沖裁

利用沖模使板料沿封閉或不封閉的輪廓線與坯料分離(1)沖裁變形過程：

彈性變形塑性變形剪裂分離沖裁可直接生產(chǎn)具有一定平面形狀的零件或為其它沖壓工序準備毛坯(2)沖裁間隙：

凹模與凸模工作部分水平投影尺寸之差，用符號Z表示小間隙中等間隙大間隙(3)

排樣：沖裁件在板料或帶料上的布置方法。

合理的排樣有利于簡化模具結(jié)構(gòu)、提高材料利用率和沖裁件質(zhì)量，且操作方便、生產(chǎn)率高直排斜排對排混合排(4)提高沖裁質(zhì)量的沖壓工藝：當沖裁件剪斷面用作工作表面或配合表面時，常采用整修、擠光、精密沖裁等工藝以提高沖裁件質(zhì)量。

整修擠光精密沖裁2．彎曲

將板料、型材或管材在彎矩作用下彎成具有一定曲率和角度的制件的成形方法。

(1)彎曲變形過程：變形區(qū)外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，越接近表面，應(yīng)力越大。當應(yīng)力達到屈服強度時，出現(xiàn)塑性變形，并由內(nèi)、外兩側(cè)向中心擴展，最終達到塑性彎曲

(2)最小彎曲半徑：

坯料彎曲時最外層纖維瀕于拉裂時內(nèi)表面的彎曲半徑生產(chǎn)中常用其相對值（rmin/δ

）表示彎曲時的成形極限。其相對值越小，板料允許的彎曲程度越大。

材料的塑性越好，rmin/δ值越?。粡澢€與材料纖維方向垂直時的rmin/δ值較平行時的rmin/δ值小。低碳鋼板的rmin值一般為（0.2～1.2），碳含量較低或彎曲線與流紋方向垂直時取較小值。(3)回彈：

外載荷去除后，形狀和尺寸發(fā)生與加載時變形方向相反的變化，從而消去一部分彎曲變形效果的現(xiàn)象稱為回彈。卸載后的回彈Δα＝α-α’回彈造成的形狀、尺寸變化是彎曲的主要缺陷。

(4)彎曲的分類和應(yīng)用

1）壓彎：回彈量較大，工藝適應(yīng)性強

2）拉彎：回彈量較小，常用于彎曲半徑較大的制件3）輥彎：工藝較簡便，通過仿形或自控，可卷制任意柱面3．拉深

使板料（或淺的空心坯）成形為空心件（或深的空心件）而厚度基本不變的加工方法。

(1)拉深變形過程：

將直徑D0的平板坯料拉深成高度h、直徑d的制件時，坯料凸緣部分的扇形單元經(jīng)切向壓縮和徑向拉長而逐漸變形為筒壁上的長方形單元。

(2)拉深系數(shù)：拉深變形后制件直徑與其毛坯直徑之比，用符號m表示，m=d/D0。保證制件不被拉裂的拉深系數(shù)最小值稱為極限拉深系數(shù)。無凸緣筒形件的極限拉深系數(shù)一般為0.5～0.8，坯料厚度/D0較大時可取較小值。多次拉深時，后續(xù)各次拉深的極限拉深系數(shù)應(yīng)取較大值。

對于彈殼、深筒等深拉深件，通常須采用多次拉深工藝，且工序間常需穿插再結(jié)晶退火，以消除加工硬化，提高材料的塑性成形性能。(3)拉深缺陷

1）拉裂：拉深時,筒壁與底部的轉(zhuǎn)角處破裂的現(xiàn)象。防裂措施：控制拉深系數(shù)（多次拉),加大凸、凹模圓角，加大拉深間隙,加強潤滑。2）起皺：相對厚度較小時，毛坯失穩(wěn)形成折皺的現(xiàn)象。防皺措施：采用壓邊裝置，拉深間隙不應(yīng)過大，拉深系數(shù)不應(yīng)過小。4．其它沖壓成形工藝

縮口：將管件或空心制件的端部徑向尺寸縮小起伏：在產(chǎn)品表面上獲得各種形狀的凸起與凹陷翻邊：在板料上沖制出豎直邊緣的成形方法

脹形：使板料或空心坯料局部尺寸增大

3.3.3沖壓工藝設(shè)計1．沖裁工藝設(shè)計

刃口尺寸間隙Z(落料模、沖孔模)2．彎曲工藝設(shè)計

(1)凸模圓角半徑取等于或略小于工件內(nèi)側(cè)圓角半徑r

(2)彎曲件毛坯長度計算L0=l0+l1+l2

3．拉深工藝設(shè)計

(1)拉深間隙Z：

拉深模具中凸凹模之間的單邊徑向間隙Z值一般取(1.1～1.2)δ(2)凸、凹模直徑：

(3)毛坯直徑計算：依據(jù)：拉深件與坯表面積相等(4)拉深次數(shù)確定：

m總

=m1·m2…mn

且m1<[m1],m2<[m2]……當其乘積等于或略小于m總時即可知拉深次數(shù)，同時，還可計算出各次拉深的半成品尺寸

d1=m1×D0

d2=m2×d1……4．沖壓工序選擇

(1)工序類型：根據(jù)沖壓件的形狀、尺寸等確定

（沖孔）、落料、（切口）、（起伏）

落料、彎曲、（沖孔）落料、拉深、（沖孔）

落料、拉深、脹形

落料、沖孔、翻孔

落料、拉深、沖底孔、翻邊

平板件彎曲件空心件凸肚形件翻孔件無底空心件(2)工序順序：根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀和模具類型確定1）帶孔平板件:用單工序模時先落料后沖孔，用連續(xù)模時則須先沖孔后落料

2）帶孔的彎曲件或拉深件：孔位于或接近于變形區(qū)，應(yīng)先彎曲或拉深后再沖孔3）形狀復(fù)雜的彎曲件：

先兩端，后中間5．模具選擇(1)模具類型的選擇：

1）單工序模：結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和維修，適用面廣，生產(chǎn)率低

2）連續(xù)模：

壓力機的一次行程中，在模具的不同位置上同時完成數(shù)道沖壓工序的模具生產(chǎn)率高，易于機械化、自動化，但制件精度較低

3）復(fù)合模：

壓力機的一次行程中，在模具的同一位置完成兩道或兩道以上工序的模具

結(jié)構(gòu)緊湊，加工精度高，制造復(fù)雜，成本高

凸、凹模做成一體(2)模具結(jié)構(gòu)的選擇：

鑲塊式模柔性模低熔點合金模高精度沖模硬質(zhì)合金沖模

6．零件結(jié)構(gòu)的沖壓工藝性

(1)合理選材：選用價格較低的材料，利用邊腳余料，選用塑性成形性好的材料，薄板代替厚板(2)合適的精度和表面質(zhì)量：精度要求不超過IT8～IT10，表面質(zhì)量要求不超過原材料的質(zhì)量

(3)沖壓件的形狀和尺寸：1）形狀盡可能簡單、對稱2）圓弧過渡、避免銳角3）注意孔形、孔徑、孔位(4)采用組合工藝或切口工藝：形狀復(fù)雜件和大件可采用沖-焊、沖-鉚、沖-螺紋連接等組合工藝

7．沖壓工藝設(shè)計示例

零件結(jié)構(gòu)分析：

孔邊距過小,宜加大

(2)沖裁間隙：取大間隙Z/2=(10%～12.5%)δ，故Z=0.30～0.38mm。

(3)模具刃口尺寸：

落料模

：D凹≈（Dmin）=33.2

D凸≈（D凹-Zmin）=32.9沖孔模：

d凸≈（dmax）=26.7d凹≈（d凸+Zmin）=27

(4)沖壓工序選擇工序類型：沖孔和落料工序工序順序：先沖孔后落料(5)模具類型：精度要求不高且為大批量生產(chǎn)，采用連續(xù)模

3.2.3軋制材料在旋轉(zhuǎn)軋輥的作用下，產(chǎn)生連續(xù)塑性變形獲得產(chǎn)品

1．縱軋

2．斜軋

3．橫軋

楔橫軋齒輪軋制輾環(huán)特點：軋制時坯料連續(xù)產(chǎn)生局部變形，所需設(shè)備噸位小，環(huán)境噪聲小，生產(chǎn)效率高；材料消耗少，制件纖維連續(xù)分布，力學(xué)性能好。

3.2.4擠壓坯料在封閉模腔內(nèi)受三向不均勻壓應(yīng)力作用，從模具的孔口或縫隙擠出成為所需制品的加工方法

正擠壓反擠壓復(fù)合擠壓徑向擠壓

特點：生產(chǎn)率高，材料消耗少，制件形狀復(fù)雜、精度高力學(xué)性能好；金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，利于提高塑性，但變形力較大，模具壽命低。

3.2.5其它塑性成形方法

1．柔性模成形

橡皮成形液壓成形液壓－橡皮囊成形

特點：適應(yīng)性強，模具簡單、通用；坯料定位準確，拉深系數(shù)可較?。恢萍诤窬鶆?、不易起皺，精度較高，表面不易擦傷。多數(shù)軟模成形方法適用于沖壓生產(chǎn)中成形形狀復(fù)雜件和深筒件

2．擺動輾壓

上模的軸線與被輾壓工件（放在下模）