年9月材料工程基礎(chǔ)塑性加工

1、材 料 工 程 基 礎(chǔ),第五章 金屬塑性加工,5.1-1,5.1 概述5.1.1 金屬塑性加工及其分類,為什么金屬材料要進(jìn)行塑性加工？ 什么是塑性加工？ 有哪些類型？ 為什么要學(xué)？ 目前發(fā)展趨勢如何？,認(rèn)識(shí)塑性加工 了解塑性加工 掌握塑性加工,5.1-2,我們常見的板帶材、各種型材(鋁合金門窗、鋼軌等)、線材(銅導(dǎo)線、鋼筋等)、管材(輸油、送水鋼管，銅管等)，這些民用、軍用產(chǎn)品都必須經(jīng)過金屬塑性加工或壓力加工成形。 塑性加工的對(duì)象是鑄錠或鑄坯，冶煉車間鑄出的鑄錠(如昆鋼煉鋼廠的連鑄坯、云南鋁廠鑄造車間的鑄錠、云銅加工分廠的連鑄坯、洛銅的半連鑄和連鑄坯)，其內(nèi)部比較疏松多孔，晶粒組織粗大且不均勻

2、，偏析比較嚴(yán)重，所以鑄錠一般都得經(jīng)過塑性加工使其成坯或成材。 金屬塑性加工是使金屬在外力(通常是壓力)作用下，產(chǎn)生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸和組織、性能的制品的一種基本的金屬加工技術(shù)，以往常稱壓力加工。,5.1-3,如果不計(jì)加工時(shí)切頭、切尾、切邊和氧化燒損等損失，可以認(rèn)為塑性變形前后金屬的質(zhì)量相等；如果忽略變形中金屬的密度變化也可認(rèn)為變形前后金屬的體積不變(鑄錠在開始幾道變形時(shí)例外)。所以，也把塑性加工叫無屑加工。 塑性加工分類之一 金屬塑性加工的種類很多，根據(jù)加工時(shí)工件的受力和變形方式，基本的塑性加工方法有鍛造、軋制、擠壓、拉拔、拉深、彎曲、剪切等幾類(見表5.1.1)。,5.1-4,表5

3、.1.1 金屬塑性加工按工件的受力和變形方式分類,5.1-5,其中鍛造、軋制和擠壓是依靠壓力作用使金屬發(fā)生塑性變形；拉拔和拉深是依靠拉力作用發(fā)生塑性變形；彎曲是依靠彎矩作用使金屬發(fā)生彎曲變形；剪切是依靠剪切力作用產(chǎn)生剪切變形或剪斷。鍛造、擠壓和一部分軋制多在熱態(tài)下進(jìn)行加工；拉拔、拉深和一部分軋制，以及彎曲和剪切是在室溫下進(jìn)行的。 1.鍛造 靠鍛壓機(jī)的鍛錘錘擊工件產(chǎn)生壓縮變形的一種加工方法，有自由鍛和模鍛兩種方式。自由鍛不需專用模具，靠平錘和平砧間工件的壓縮變形，使工件鐓粗或拔長，其加工精度低，生產(chǎn)率也不高，主要用于軸類、曲柄和連桿等單件的小批生產(chǎn)。模鍛通過上、下鍛模模腔拉制工作的變形，可加工形

4、狀復(fù)雜和尺寸精度較高的零件，適于大批量的生產(chǎn)，生產(chǎn)率也較高，是機(jī)械零件制造上實(shí)現(xiàn)少切削或無切削加工的重要途徑。,5.1-6,2. 軋制 使通過兩個(gè)或兩個(gè)以上旋轉(zhuǎn)軋輥間的軋件產(chǎn)生壓縮變形，使其橫斷面面積減小與形狀改變，而縱向長度增加的一種加工方法。根據(jù)軋輥與軋件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，軋制有縱軋、橫軋和斜軋三種方式。 (1) 縱軋 兩軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反，軋件的縱軸線與軋輥軸線垂直，金屬不論在熱態(tài)或冷態(tài)都可以進(jìn)行縱軋，是生產(chǎn)矩形斷面的板、帶、箔材，以及斷面復(fù)雜的型材常用的金屬材料加工方法，具有很高的生產(chǎn)率，能加工長度很大和質(zhì)量較高的產(chǎn)品，是鋼鐵和有色金屬板、帶、箔材以及型鋼的主要加工方法。 (2) 橫軋 兩軋輥

5、旋轉(zhuǎn)方向相同，軋件的縱軸線與軋輥軸線平衡，軋件獲得繞縱軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。可加工加轉(zhuǎn)體工件，如變斷面軸、絲桿、周期斷面型材以及鋼球等。,5.1-7,(3) 斜軋 兩軋輥旋轉(zhuǎn)方向相同，軋件軸線與軋輥軸線成一定傾斜角度，軋件在軋制過程中，除有繞其軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還有前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，是生產(chǎn)無縫鋼管的基本方法。 3.擠壓 使裝入擠壓筒內(nèi)的坯料，在擠壓筒后端擠壓軸的推力作用下，使金屬從擠壓筒前端的?？琢鞒?，而獲得與擠壓模孔形狀、尺寸相同的產(chǎn)品的一種加工方法。擠壓有正擠壓和反擠壓兩種基本方式。正擠壓時(shí)擠壓軸的運(yùn)動(dòng)方向與從模孔中擠出的金屬流動(dòng)方向一致；反擠壓時(shí)，擠壓軸的運(yùn)動(dòng)方向與從?？字袛D出的金屬流動(dòng)方向相反。擠壓法可

6、加工各種復(fù)雜斷面實(shí)心型材、棒材、空心型材和管材。它是有色金屬型材、管材的主要生產(chǎn)方法。,5.1-8,4.拉拔 靠拉拔機(jī)的鉗口夾住穿過拉拔模孔的金屬坯料，從?？字欣?。而獲得與?？仔螤睢⒊叽缦嗤漠a(chǎn)品的一種加工方法。拉拔一般在冷態(tài)下進(jìn)行。拉拔制品的尺寸精度高，表面光潔度極高，金屬的強(qiáng)度高(因冷加工硬化強(qiáng)烈)?？缮a(chǎn)各種斷面的線材、管材和型材，廣泛用于電線、電纜、金屬網(wǎng)線和各種管材生產(chǎn)上。 5.拉深(又叫沖壓) 依靠沖頭將金屬板料頂入凹模中產(chǎn)生拉延變形，而獲得各種杯形件、桶形件和殼體的一種加工方法。沖壓一般在室溫下進(jìn)行，其產(chǎn)品主要用于各種殼體零件，如飛機(jī)蒙皮、汽車覆蓋件、子彈殼、儀表零件及日用器皿

7、等。,5.1-9,6.彎曲 在彎矩作用下，使板料發(fā)生彎曲變形或使板料或管、棒材得到矯直的一種加工方法。 7.剪切 坯料在剪切力的作用下產(chǎn)生剪切。使板材沖裁，以及板料和型材切斷的一種常用加工方法。 8.組合成形 為了擴(kuò)大加工產(chǎn)品品種，提高生產(chǎn)率，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相繼研究開發(fā)了多種由基本加工方式相組合而成的新型塑性加工方法。如軋制與鑄造相結(jié)合的連鑄連軋法、鍛造與軋制相結(jié)合的輥鍛法、軋制與彎曲相結(jié)合的輥?zhàn)兂尚畏ā④堉婆c剪切相結(jié)合的搓軋法(異步軋制法)、拉深與軋制相結(jié)合的旋壓法等等。,5.1-10,塑性加工分類之二 按加工時(shí)的工件溫度特征可分為熱加工、冷加工和溫加工。 熱加工：在進(jìn)行充分再結(jié)晶的溫

8、度以上所完成的加工。 冷加工：在不產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶的溫度以下進(jìn)行的加工。 溫加工：介于冷熱加工之間的這度進(jìn)行的加工。 熱加工是為了改善產(chǎn)品的組織性能，常常要控制加熱溫度、變形終了溫度、變形程度和加工后產(chǎn)品的冷卻速度，從而提高產(chǎn)品的強(qiáng)韌性。 冷加工的實(shí)質(zhì)是冷加工退火冷加工成品退火的過程，可得到表面光潔、尺寸精確、組織性能良好的產(chǎn)品。,5.1-11,溫加工的目的有的是為了降低金屬的變形抗力(如奧氏體不銹鋼溫軋)；有的是為了改善金屬的塑性(如高速鋼的溫拔和溫軋)；也有的是為了在韌性不顯著降低時(shí)提高金屬的強(qiáng)度，如合金結(jié)構(gòu)鋼在低溫過冷的不穩(wěn)定奧氏體區(qū)進(jìn)行溫軋，然而冷卻下來可獲得微細(xì)結(jié)構(gòu)的馬氏體，并進(jìn)行回

9、火，從而可得到具有一定韌性的高強(qiáng)度鋼材。 復(fù)習(xí)重點(diǎn) 1 塑性加工的必要性、不同受力方式下的各種塑性加工方式。 2 不同溫度特征下的加工方式及其目的。,5.1-12,5.1.2 塑性加工的特點(diǎn)及在國民經(jīng)濟(jì)中的地位,金屬塑性加工與金屬鑄造、切削、焊接等加工方法相比，有以下特點(diǎn)： (1) 金屬塑性加工是金屬整體性保持的前提下，依靠塑性變形發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)工件形狀和尺寸變化的，不會(huì)產(chǎn)生切屑，因而材料的利用率高得多(成材率高)。 (2) 塑性加工過程中，除尺寸和形狀發(fā)生改變外，金屬的組織、性能也能得到改善和提高，尤其對(duì)于鑄造坯，經(jīng)過塑性加工將使其結(jié)構(gòu)致密、粗晶破碎細(xì)化和均勻，從而使性能提高。此外，塑性

10、流動(dòng)所產(chǎn)生的流線也能使其性能得到改善。 (3) 塑性加工過程便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動(dòng)化，適于大批量生產(chǎn)，如軋制、拉拔加工等，因而勞動(dòng)生產(chǎn)率高。 (4) 塑性加工產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量高。 (5) 設(shè)備較龐大，能耗較高。(一般而言),5.1-13,金屬塑性加工由于具有上述特點(diǎn)，不僅原材料消耗少、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而且還能有效地改善金屬的組織性能。這些技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)到之處和優(yōu)勢，使它成為金屬加工中極其重要的手段之一，因而在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。如在鋼鐵材料生產(chǎn)中，除了少部分采用鑄造方法直接制成零件外，鋼總產(chǎn)量的90%以上和有色金屬總產(chǎn)量的70%以上，均需經(jīng)過塑性加工成材

11、，才能滿足機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、電力電訊、化工、建材、儀器儀表、航空航天、國防軍工、民用五金和家用電器等部門的需要；而且塑性加工本身也是上述許多部門直接制造零件而經(jīng)常采用的重要加工方法，如汽車制造、船舶制造、航空航天、民用五金等部門的許多零件都須經(jīng)塑性加工制造。,5.1-14,金屬塑性加工正朝著制備成形一體化(近終成形：半固態(tài)技術(shù)、鑄擠、鑄軋、鑄鍛)、連續(xù)化(連續(xù)鑄擠、連續(xù)擠壓、連鑄連軋)、大型化(飛機(jī)殼體整體成形、快速飛機(jī)跑道、長軌)、微型化(微米級(jí)導(dǎo)線)等方向發(fā)展。各種復(fù)合成形工藝和技術(shù)不斷涌現(xiàn)并得到長足發(fā)展。 復(fù)習(xí)重點(diǎn) 塑性加工的特點(diǎn),5.1.3 塑性加工理論的發(fā)展概況,金屬塑性加工理論是

12、20世紀(jì)40年代才逐漸發(fā)展成一門獨(dú)立的應(yīng)用學(xué)科，由金屬塑性加工力學(xué)、塑性變形材料學(xué)、塑性加工摩擦學(xué)三大部分組成。 塑性力學(xué)的形成可追溯到1864年法國工程師屈斯卡(H. Tresca)首次提出最大剪力屈服準(zhǔn)則。最早將塑性力學(xué)應(yīng)用于金屬塑性加工的是德國學(xué)者卡爾曼(Von. Karmam)，他在1925年用初等解析法建立了求解軋制壓力分布的微分平衡方程，此后不久，薩克斯(G.Sachs)和齊別爾(E.Siebel)在研究拉拔時(shí)提出了類似的求解方法平截面法(Slab法)，即通常所謂的工程法或主應(yīng)力法。此后，人們對(duì)塑性加工過程的應(yīng)力、應(yīng)變和變形力的求解逐步建立了許多理論求解方法，如20世紀(jì)中期滑移線法

13、成了研究平面變形問題的一種重要解析方法，50年代發(fā)展起來的變形功平衡法，特別是極值法(含上限法和下限法)70年代后得到了廣泛應(yīng)用。,金屬塑性加工材料學(xué)是運(yùn)用物理冶金原理對(duì)塑性變形過程金屬組織性能變化規(guī)律研究而形成的一個(gè)分支。自20世紀(jì)30年代位錯(cuò)理論的提出，用位錯(cuò)理論科學(xué)地解釋了金屬塑性變形過程的許多現(xiàn)象，如滑移、孿晶、加工硬化、回再結(jié)晶和金屬的斷裂等，使人們對(duì)金屬塑性變形的微觀機(jī)理有了科學(xué)的認(rèn)識(shí)。隨著電子計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展起來，數(shù)值計(jì)算方法(如塑性有限元法)得到了飛躍發(fā)展，近年來得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)建立了理論解析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，如視塑性法、云紋法和光塑性法等。同時(shí)，對(duì)于金屬塑性和斷裂

14、過程物理本質(zhì)的研究、認(rèn)識(shí)到金屬塑性的狀態(tài)屬性，它不僅取決于金屬材料的本身(如溫度、速度條件和力學(xué)狀態(tài)條件等)，從而加深了對(duì)塑性變形過程材料塑性及變形抗力變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，了解了不同金屬材料的組織結(jié)構(gòu)與性能變化與塑性變形條件的關(guān)系。,為合理選擇塑性加工工藝條件，保證塑性加工的順利進(jìn)行，并通過變形手段來改善組織結(jié)構(gòu)，為獲得所需使用性能的金屬材料提供了理論依據(jù)；同時(shí)為改進(jìn)和開發(fā)新的塑性加工工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量指明了方向，開辟了新的途徑。 塑性加工中接觸表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)必然引起摩擦，在摩擦過程中運(yùn)動(dòng)表面間將發(fā)生一系列物理化學(xué)和力學(xué)變化，這些變化對(duì)金屬塑性變形過程和產(chǎn)品質(zhì)量將產(chǎn)生重要的影響。研究塑性加工過程的摩擦、潤滑和磨損現(xiàn)象、特點(diǎn)及其規(guī)律是金屬塑加工摩擦這的重要任務(wù)。,關(guān)于摩擦的研究可追溯到1508年意大利的達(dá)芬奇摩擦第一定律(摩擦力與法向載荷成正比)和第二定律(摩擦系數(shù)與接觸面積無關(guān))的提出，1699年法國的阿蒙頓首先提出了摩擦系數(shù)的概念，1780年庫侖提出第三摩擦定律(摩擦系數(shù)與速度無關(guān))，并建立了阿蒙頓庫侖摩擦定律(常摩擦系數(shù)定律)，這一定律認(rèn)為摩擦力來源于表面凸凹不平的機(jī)械嚙合作用，它為一般機(jī)械副間的摩擦奠定了理論基礎(chǔ)，故也稱機(jī)械摩擦