材料成形技术基础第3章金属的塑性成形pptConvertor.docx
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材料成形技术基础第3章金属的塑性成形pptConvertor
定义
利用外力使金属产生塑性变形，使其改变形状
尺寸和改善性能，获得型材或锻压件的加工方法
两个条件：
外力、塑性，缺一不可
基本特点：
金属组织致密、晶粒细小、力学性能
提高；属于少、无切削加工，材料利
用率高，生产效率高
应用：
金属材料生产
承受较大负荷或复杂载荷的机械零件
缺点：
制件形状比铸件简单，生产条件较差
第3章金属的塑性成形
3.1.1金属塑性变形的机理
1．单晶体的塑性变形
以理想单晶体为例（无缺陷、晶格规则）
滑移：
金属原子沿某些特定面移动
（即金属原子在外力的作用下产生了一定的位移）
3.1金属塑性成形基础
滑移通常是通过位错的移动来实现的。
结论：
切应力引起塑性变形，正应力引起弹性变形
金属塑性变形的实质是原子的移动
塑性变形前后晶格类型保持不变
2．多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形＝（晶内变形+晶间变形）
晶内变形：
主要以滑移方式进行
晶间变形：
晶粒间的相对滑动和转动
各晶粒的变形是分批、逐步进行的
（低温时多为晶内变形，变形量较小）
3.1.2金属的加工硬化、回复和再结晶
1．金属的加工硬化
组织变化：
晶粒沿变形方向被拉长；滑移面附近
晶格产生畸变；出现许多微小碎晶
性能变化：
强度和硬度增加；塑性、韧性下降
优点：
强化金属，发挥金属材料性能潜力，尤其适合于
不能用热处理强化的合金
缺点：
继续塑性成形或切削加工难度加大，增大内应力
2．回复和再结晶
（1）回复：
回复使晶格畸变减轻或消除，使制件保
持较高的强度且降低脆性
回复温度约为（0.25～0.30）T熔K
（2）再结晶：
塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新
生核、结晶，变为等轴细晶
完全消除加工硬化现象
再结晶温度一般为0.4T熔K以上
（再结晶只是原子重新排列的过程）
3.1.3金属的冷成形、热成形及温成形
冷成形:
在回复温度以下进行的塑性成形，变形过程中会
出现加工硬化。
有利于提高金属的强度和表面质量,用于制造半成
品或成品。
（变形材料应有较好的塑性且变形量不宜
过大）
热成形:
在再结晶温度以上进行的塑性成形，变形过程中
既有加工硬化又有再结晶，且硬化被再结晶完全消除
综合力学性能好,变形力小，变形程度大,用于毛坯
或半成品的制造。
为使再结晶迅速、彻底，实用热成形温度远高于再
结晶温度
温成形:
在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的
塑性成形,有加工硬化及回复现象，但无再结晶
用于强度较高、塑性较差的金属
用于尺寸较大、材料强度较高的零件或半成品制造。
3.1.4锻造比与锻造流线
1．锻造比：
锻造时变形程度的一种表示方法
拔长时：
镦粗时：
随着锻造比的增加，金属的力学性能显著变化
结构钢钢锭的锻造比一般为2～4，各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1～1.3
2．锻造流线
金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布；（冷变形时拉长的晶粒）
造成力学性能的方向性
锻造流线影响的消除：
工作时的最大正应力方向与流线方向一致，切应力方向与流线方向垂直；
锻造流线沿零件轮廓分布而不被切断
3.1.5材料的塑性成形性
常用塑性和变形抗力综合衡量
3.1.6金属塑性成形的基本规律
1、体积不变条件：
由于塑性变形时金属密度的变化很小，可认为变形前后的体积相等，此假设称为体积不变条件。
即εx+εy+εz=0或εx=－（εy+εz）
2、最小阻力定律：
物体变形过程中某质点有向各种方向移动的可能性时，则其将向着阻力最小的方向移动。
宏观上变形阻力最小的方向上变形量最大
根据体积不变条件和最小阻力定理可以分析塑性成形过程中金属坯料的变形趋势，可能出现的现象，产生缺陷的原因并采取相应的工艺措施，以保证生产过程和产品质量的控制。
1．自由锻
定义：
只用简单的通用性工具使坯料变形而获得
所需的几何形状及内部质量锻件的加工方法
自由锻时，金属只有部分表面受到工具
限制，其余则为自由表面
设备：
空气锤、蒸气—空气自由锻锤、液压机等
基本工序：
镦粗、拔长、冲孔等
3.2金属塑性成形方法
3.2.1锻造
锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。
自由锻工序
基本工序：
变形量较大的改变坯料形状和
尺寸，实现锻件基本成形的工序
辅助工序：
为便于实施基本工序而预先使
坯料产生少量变形的工序
精整工序：
基本工序之后进行的小量修
整工序
自由锻件的成形都是这三种工序的组合
自由锻基本工序
镦粗
使坯料高度减小横截面积增大的锻造工序
用于锻造齿轮坯、饼块类、法兰类锻件；在锻造空心锻件时，作为冲孔前的辅助工序
镦粗坯料的原始高度H0与直径D0的比值应小于2.5～3，大于0.5
拔长
使坯料横截面积减小而长度增加的工序
主要用于轴、杆类及长筒类锻件的成形，也可用于和镦粗工序一起增大变形量
被拔长部分L=（0.3～0.7）B,
B为抵铁宽度；
边拔长，边翻转
冲孔
用冲子在坯料上锻出通孔或不通孔的工序
用于各类带孔锻件
拍平端面；
较薄的坯料通常采用单面冲孔；
厚度较大的锻件，一般采用双面冲孔法
芯轴拔长和芯棒扩孔
减小空心坯料的壁厚而增加其长度，适用于锻造长筒形锻件
使坯料的壁厚减薄，内、外径同时增大的工序，适用于锻造圆环类锻件
变形特点：
局部成形、效果叠加
生产特点：
设备通用性好、工具简单；
锻件组织细密、力学性能好；
操作技术要求高，生产效率低；
锻件形状较简单、加工余量大、精度低。
应用:
小型锻件以成形为主；
大型锻件（尤其是重要件）和特殊钢则以
改善内部质量为主。
主要用于单件、小批生产，且是特大型锻
件唯一的生产方法。
画法:
锻件轮廓用粗实线绘出；
零件基本形状用双点划线表示；
锻件尺寸和公差标注于尺寸线上方；
零件公称尺寸标注在相应锻件尺寸下方（或后方）的括弧内
3.3.1自由锻工艺设计（P122）
1．绘制锻件图
余块:
简化锻件形状,便于锻造
余量:
所有面都应添加加工余量
公差:
数值较大
2．确定变形工序依据锻件的结构形状进行确定
盘块类轴杆类圆筒类
圆环类
弯曲类
3．计算毛坯重量
mo=（md+mc+mq）（1+δ）
将上述内容，按变形顺序，以简图形式绘于
一张表格上，就是锻造工艺卡，用以指导自
由锻生产过程的进行和自由锻件的检验
锻件名称
工艺类别
锻造温度范围
设备
材料
加热火次
齿轮坯
自由锻
1200～800℃
65Kg空气锤
45钢
1
锻件图
坯料图
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
序号
工序名称
工序简图
使用工具
操作要点
1
局部镦粗
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
火钳
镦粗漏盘
控制镦粗后的高度为45mm
典型锻件的自由锻工艺示例
序号
工序名称
工序简图
使用工具
操作要点
2
冲孔
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
火钳
镦粗漏盘
冲子
冲孔漏盘
（1）注意冲子对中
（2）采用双面冲孔
3
修整外圆
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
火钳
冲子
边轻打边修整，消除外圆鼓形，并达到Φ92±1mm
序号
工序名称
工序简图
使用工具
操作要点
4
修整平面
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
火钳
镦粗漏盘
轻打使锻件厚度达到44±1mm
5．零件结构的自由锻工艺性尽量简单、平直、对称
6．自由锻工艺设计示例
零件结构分析绘制锻件图确定变形工序
拔长—切肩—锻台阶计算坯料质量和尺寸
2．模锻
定义:
利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。
设备:
蒸汽—空气模锻锤、锻造压力机、螺旋
压力机和平锻机等
变形特点：
整体成形、逐步逼近
生产特点:
产品形状复杂、锻造流线分布合
理、加工余量小；表面质量较好；
生产率高
应用:
主要用于中、小型件的成批、大量生产
（1）锤上模锻
1）锤模锻
在各种模锻锤上进行的模锻
工艺特点：
工艺适应性强，可用于多种
变形工步；
锤击力及行程可变动，可锻
造多种类型的锻件，设备费
用较低
振动和噪音大，生产效率较低
锤锻模结构特点：
整体式
多模膛
带有固定部分
锤模锻是我国应用最多的一种模锻方法
（1）锤上模锻：
在模锻锤上进行的模锻
锤模锻时，金属的变形是在模具的各个模膛中依次完成的，在每个模膛中的锻打变形称为一个工步。
3.3.2锤模锻工艺设计
（P125）
1．锻件图绘制
（1）确定分模面
（2）确定余块
窄槽、小孔和妨碍锻件取出的横向孔
需要锻出的孔内须留冲孔连皮
（3）确定机械加工余量和锻件公差
凡需切削加工的表面均应有
机械加工余量，所有配合
尺寸均应给出锻造公差。
（4）确定模锻斜度
锻件上垂直于分模面的表
面需带一定斜度
外壁斜度通常为5°～7°，
内壁斜度通常为7°～10°。
（5）确定圆角半径：
锻件上的转角处须采用圆角，
凸圆角半径为r，凹圆角半径为R=（2～3）r
齿轮锻件图
未注公差：
水平+1.75
-1.75
高度+1.5
-0.75
未注圆角：
R2.5
2．模锻工步选择
主要根据模锻方法和
模锻件的结构形状确定
盘类：
镦粗、（预锻）、
终锻
直轴类：
拔长、滚压、
（预锻）、终锻
弯轴类：
拔长、滚压、
弯曲、（预锻）、
终锻
3．修整工序
切边：
通常用热切边
（2）冲连皮：
一般和切边同时进行（3）校正：
提高锻件形状精度（4）热处理和清理：
正火或退火
清除锻件表面
缺陷或氧化皮
4．零件结构的模锻工艺性
应有合理的分模面
（2）应有合适的结构斜度
和圆角
（3）避免高肋、薄壁、细
深孔及多孔结构
（4）采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构
5．模锻工艺设计示例
未注公差：
水平+2.5
-1.5
高度+2.0
-1.75
未注圆角：
R2.5
原零件图
改后零件图
锻件图
2）胎模锻：
在自由锻设备上使用可移动模具生产
模锻件的锻造方法。
模具简单，工艺灵活；可锻出各类锻件且可进行无飞边模锻；可锻出有侧向凹档或无模锻斜度的锻件。
劳动强度大，模具寿命低、生产效率低，常需多次加热且锻件表面质量较差。
多在无模锻设备时采用，用于锻件的中、小批量生产
胎模锻工艺示例：
（2）锻造压力机模锻
1）液压机模锻：
模锻液压机是用
高压液体（通常
为水或油）来驱
动安装在活动横
梁上的锻模进行
模锻的
变形速率低，变
形深、透，利于锻
造塑性差的金属；噪音低，可模锻形状较复杂的大型锻件；适用于航空工业中铝、镁合金模锻件的生产。
2）锻压机模锻：
锻压机即热模锻机械压力机，是通过曲柄连杆机构使滑块往复运动进行模锻的
锻件精度高；
变形较均匀且
生产效率高；锻件的模锻斜度小；利于提高金属塑性；可采用组合式模；锻模成本较低且易于修复；需另行制坯
3）平锻机模锻：
平锻机是具有镦锻滑块和夹紧滑块的卧式机械压力机
（3）螺旋压力机模锻：
螺旋压力机是靠主螺杆的旋转带动滑块上、下运动，向上实现回程，向下进行锻打的压力机
3.2.2冲压
使板料在模具（冲模）内经分离或成形而得到
制件的工艺统称。
通常在冷态下进行，称冷冲压。
冲压件轻、薄、刚度好，形状可较复杂；
质量稳定，表面光洁；
操作简便，生产率和材料利用率高；
需专用设备和模具，生产批量小时不够经济。
制造各种尺寸和精度的制件。
大部分板材、管材及型材需通过冲压加工
1．冲裁
利用冲模使板料沿封闭或不封闭的轮廓线与坯料分离
（1）冲裁变形过程：
弹性变形
塑性变形
剪裂分离
冲裁可直接生产具有一定平面形状的零件或为其它冲压工序准备毛坯
小间隙中等间隙大间隙
（2）冲裁间隙：
凹模与凸模工作部分水平投影尺寸之差，用符
号Z表示
小间隙中等间隙大间隙
（3）排样：
冲裁件在板料或带料上的布置方法。
合理的排样有利于简化模具结构、提高材料利用率和冲裁件质量，且操作方便、生产率高
（4）提高冲裁质量的冲压工艺：
当冲裁件剪断面用作工作表面或配合表面时，常采用整修、挤光、精密冲裁等工艺以提高冲裁件质量
2．弯曲
（1）弯曲变形过程：
变形区外侧受拉，内侧受压，越接近表面，应力越大。
当应力达到屈服强度时，出现塑性变形，并由内、外两侧向中心扩展，最终达到塑性弯曲
（2）最小弯曲半径：
坯料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时内表面的
弯曲半径
生产中常用其相对值（rmin/δ）表示弯曲时的成形极限。
其相对值越小，板料允许的弯曲程度越大。
材料的塑性越好，rmin/δ值越小；弯曲线与材料纤维方向垂直时的rmin/δ值较平行时的rmin/δ值小。
低碳钢板的rmin值一般为（0.2～1.2），碳含量较低或弯曲线与流纹方向垂直时取较小值。
（3）回弹：
外载荷去除后，形状和尺寸发生与加载时变形方向相反的变化，从而消去一部分弯曲变形效果的现象称为回弹。
卸载后的回弹Δα＝α-α’
回弹造成的形状、尺寸变化是弯曲的主要缺陷。
（4）弯曲的分类和应用
1）压弯：
回弹量较大，工艺适应性强
2）拉弯：
回弹量较小，常用于弯曲半径较大的制件
3）辊弯：
工艺较简便，通过仿形或自控，可卷制任
意柱面
3．拉深
使板料（或浅的空心坯）成形为空心件（或深的空心件）而厚度基本不变的加工方法。
（1）拉深变形过程：
将直径D0的平板坯料拉深成高度h、直径d的制件时，坯料凸缘部分的扇形单元经切向压缩和径向拉长而逐渐变形为筒壁上的长方形单元。
（2）拉深系数：
拉深变形后制件直径与其毛坯直径之比
m=d/D0。
（mn=dn/dn-1）
m值越小，板料的变形程度就越大，越易拉裂。
保证不拉裂的拉深系数最小值称为极限拉深系数
无凸缘筒形件拉深时的极限拉深系数一般为0.5～0.8
坯料相对厚度h/D0较大时取较小值
多次拉深时，后续各次拉深的极限拉深系数应取较大值。
（3）拉深缺陷
1）拉裂：
拉深时,筒壁与底部
的转角处破裂的现象
防裂措施：
控制拉深系数（多次拉）
加大凸、凹模圆角，
加大拉深间隙
加强润滑
2）起皱：
相对厚度较小时，毛
坯失稳形成折皱的现象
防皱措施：
采用压边装置
拉深间隙不应过大
拉深系数不应过小
4．其它冲压成形工艺
缩口：
将管件或空心制件的
端部径向尺寸缩小
起伏：
在产品表面上获得各
种形状的凸起与凹陷
翻边：
在板料上冲制出竖直
边缘的成形方法
胀形：
使板料或空心坯料局
部尺寸增大
实用冲压件随形状的不同，往往需多种工艺方法配合使用。
3.3.3冲压工艺设计（P125）
1．冲裁工艺设计
冲裁模刃口尺寸
冲孔d凸≈Dmax落料D凹≈dmin
间隙Z＝Zmin
2．弯曲工艺设计
（1）凸模圆角半径取等于或略小于工件内侧圆角半径r
（2）回弹角模具上预补偿
（3）弯曲件毛坯长度计算
L0=l0+l1+l2
3．拉深工艺设计
（1）毛坯直径计算：
依据：
拉深件与毛坯
表面积相等
（2）拉深次数确定：
m总=m1·m2…mn且m1<[m1],m2<[m2]……
当其乘积等于或略小于m总时即可知拉深次数，
同时，还可计算出各次拉深的半成品尺寸
d1＝m1×D0d2＝m2×d1＝m1×m2×D0……
（3）拉深间隙Z：
拉深模具中凸凹模之间的单边径向间隙
Z值一般取（1.1～1.2）δ
（4）凸、凹模直径：
按尺寸标注情况选取基准模
4．冲压工序选择
（1）工序类型：
根据冲压件的形状、尺寸等确定
（冲孔）、落料、
（切口）、（起伏）
落料、弯曲、（冲孔）
落料、拉深、（冲孔）
落料、拉深、胀形
落料、冲孔、翻孔
落料、拉深、冲底孔、翻边
（2）工序顺序：
根据零件的结构形状和模具类型确定
1）带孔平板件：
用单工序模时先落料后冲孔，
用连续模时则须先冲孔后落料
2）带孔的弯曲件或拉深件：
孔位于或接近于变形区，应
先弯曲或拉深后再冲孔
3）形状复杂的弯曲件：
先两端，后中间
5．模具选择
（1）模具类型的选择：
1）单工序模：
结构简单，易于制造和维修，适用面广，生产率低
2）连续模：
压力机的一次行程中，在模具的不同位置上同时完成数道冲压工序的模具
生产率高，易于机械化、自动化，但制件精度较低
3）复合模：
压力机的一次行程中，在模具的同一位置完成两道或两
道以上工序的模具
结构紧凑
加工精度高
制造复杂
成本高
（2）模具结构的选择：
镶块式模、柔性模、低熔点合金模、高精度冲模、硬质合金冲模
6．零件结构的冲压工艺性
合理选材：
选用价格较低的材料；利用边脚余料；选
用塑性成形性好的材料；薄板代替厚板
（2）合适的精度精度要求不超过IT8～IT10；
和表面质量：
表面质量要求不超过原材料的质量
（3）冲压件的形状和尺寸：
1）形状尽可能简单、对称2）圆弧过渡、避免锐角3）注意孔形、孔径、孔位
（4）采用组合工艺或切口工艺：
形状复杂件和大件可采用冲-焊、冲-铆、冲-螺纹连接等组合工艺
7．冲压工艺设计示例
零件结构分析：
孔边距偏小,宜加大
（2）冲裁间隙：
取大间隙Z/2=（10%～12.5%）δ，
故Z=0.30～0.38mm。
（4）冲压工序选择工序类型：
冲孔和落料工序
工序顺序：
先冲孔后落料
（5）模具类型：
精度要求不高且为大批量生产，采用连续模
3.2.3轧制材料在旋转轧辊的作用下，产生连
续塑性变形获得产品
1．纵轧
2．斜轧
3．横轧
辗环轧制齿轮轧制楔横轧
特点：
轧制时坯料连续产生局部变形，所需设备吨位
小，环境噪声小，生产效率高；材料消耗少，
制件纤维连续分布，力学性能好。
3.2.4挤压
坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用，从模具的孔口或缝隙挤出成为所需制品的加工方法
正挤压反挤压复合挤压径向挤压
特点：
生产率高，材料消耗少，制件形状复杂、精
度高力学性能好；金属处于三向压应力状态，
利于提高塑性，但变形力较大，模具寿命低。
3.2.5其它塑性成形方法
1．柔性模成形
橡皮成形液压成形液压－橡皮囊成形
特点：
适应性强，模具简单、通用；坯料定位准确，
拉深系数可较小；制件壁厚均匀、不易起皱，
精度较高，表面不易擦伤。
多数软模成形方法
适用于冲压生产中成形形状复杂件和深筒件
2．摆动辗压
上模的轴线与被辗压工件（放在下模）的轴线倾斜一个角度，
模具一面绕轴心旋转，一面对坯料进行压缩（每一瞬时仅压
缩坯料横截面的一部分）的加工方法
特点：
变形力小，所需设备吨位小；制品精度高、表面光洁，
易于成形薄盘形件；易于实现机械化，无冲击、低噪
声，劳动条件好。
但设备复杂且结构刚度要求高
3．径向锻造对轴向旋转送进的棒料或管料施加径向脉冲打
击力，锻成沿轴向具有不同横截面制件
特点：
金属处于三向压应力下的高速多向局部成形，
可锻造低塑性的材料；工具简单、成本低，可
用于各种批量生产；可锻多种截面形状，制件
精度高，表面光洁。
4．粉末锻造
金属粉末经压实后烧结，再用烧结体作为毛坯的锻造方法
特点:
变形力小,材料利用率高，锻件精度高、表面光洁、各向性能一致。
5．液态模锻
将熔化金属倒入凹模模腔内，在金属即将凝固或未凝固状态（即液、固两相并存）下用冲头加压，使之在压力下凝固以得到所需形状锻件的加工方法。
实质上是铸造与锻造的复合工艺
特点：
具有压力铸造工艺简单，制件形状复杂及成本低的特
点，又具有模锻制品精度高、内部质量和力学性能的
特点；成形工序少，成形压力小。
对锻模要求高。
6．超塑成形
利用金属在一定的温度、极慢的变形速度、一定的组织条件下所具有的超高的塑性（δ＞500％）和极低的变形抗力来进行塑性加工
特点：
变形抗力小（轴承钢GCr15可低至3MPa），制件精
度高、晶粒细小，力学性能稳定；
辅助措施要求严格，生产率较低，生产批量较小
7．高能成形
利用高能率的冲击波，通过介质使金属板料产生塑性变形而获得所需形状的加工方法
爆炸成形
（2）电液成形
特点：
高能成形易于成形形
状复杂的制件和难加
工材料，制件精度很高。
适用于各类冲压工序
（3）电磁成形
3.4金属塑性成形技术的发展趋势
3.4.1计算机技术的应用
1．塑性成形过程的数值模拟
2．塑性成形过程的控制和检测
3.4.2先进成形技术的开发和应用
1．精密塑性成形技术
2．复合工艺和组合工艺
3.4.3塑性成形设备及生产自动化
1．塑性成形设备
2．塑性成形的自动化
3.4.4配套技术的发展
1．模具生产技术
2．坯料加热方法
塑性成形
塑性变形是基础。
随塑性变形，形状、尺寸变、组
织变、性能变
塑性变形的实质→金属原子的被迫移动
塑性变形的组织变化及导致的性能变化
加工硬化、再结晶、锻造流线的影响
冷成形和热成形的应用、锻造流线的影响及消除
影响锻造性能的因素
自由锻：
自由锻件图的画法、基本工序的选择
模锻：
零件图和模锻件图的区别、分模面的选择、
模锻工步、模锻工艺过程
板料冲压：
工序分类、冲裁、弯曲、拉深的主要
工艺参数、模具结构的区别
结构工艺性
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