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2023-11-06•金属塑性成形概述•金属塑性成形工艺•金属塑性成形设备•金属塑性成形技术的发展趋势•金属塑性成形过程中的缺陷与质量控制目•金属塑性成形实例分析录01金属塑性成形概述金属塑性成形是一种使金属材料发生塑性变形，以获得所需形状、尺寸和性能的加工方法。
金属塑性成形广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、电子等领域，是一种重要的材料加工技术。
金属塑性成形的定义金属塑性成形可以制造出复杂形状的零件，并且能够获得较高的精度和表面质量。
与切削加工相比，金属塑性成形具有更高的材料利用率和更低的能耗。
金属塑性成形过程中材料的变形是均匀的，因此可以避免应力集中和裂纹等缺陷。
金属塑性成形的特点03金属塑性成形的基本原理包括应力状态、屈服准则、塑性流动规律等。
金属塑性成形的基本原理01金属塑性成形的原理是基于金属的塑性变形规律，即在外力作用下，金属材料会发生形状和尺寸的变化。
02在金属塑性成形过程中，材料的变形受到应力状态、变形温度、变形速度等因素的影响。
02金属塑性成形工艺自由锻工艺自由锻是利用冲击力或静压力使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义特点流程应用自由锻具有较大的灵活性，可以生产形状各异的锻件，但生产效率较低，适用于单件或小批量生产。
自由锻的流程包括坯料准备、加热、变形和锻后冷却。
自由锻主要用于大型锻件和难变形材料的加工，如轴、轮毂、法兰等。
模锻工艺模锻是利用模具使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义模锻具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具制造成本较高。
特点模锻的流程包括坯料准备、加热、放入模具、变形、锻后冷却和修整。
流程模锻广泛应用于中小型锻件的生产，如齿轮、轴套、法兰等。
应用板料冲压工艺板料冲压是利用冲压机将金属板料变形，并施加外力将其冲制成所需形状和尺寸的加工方法。
定义板料冲压具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具对材料的厚度和硬度有一定要求。
第四章金属塑性成形在工业生产中，金属塑性成形方法是指：金属材料通过压力加工，使其产生塑性变形，从而获得所需要工件的尺寸、形状以及性能的一种工艺方法。
常用的金属塑性成形方法如下：自由锻造：手工自由锻、机器自由锻锻造成形模型锻造：锤上模锻、压力机上模锻金属塑性成形冲压成形、挤压成形、拉拔成形、轧锻成形金属材料经过塑性成形后，其内部组织更加致密、均匀，承受载荷能力及耐冲击能力有所提高。
因此凡承受重载荷及冲击载荷的重要零件，如机床主轴、传动轴、齿轮、曲轴、连杆、起重机吊钩等多以锻件为毛坯。
用于塑性成形的金属必须具有良好的塑性，以便加工时易于产生永久性变形而不断裂。
钢、铜、铝等金属材料具有良好的塑性，可进行锻压加工；铸铁的塑性很差，在外力作用下易裂碎，不用于锻压。
在金属塑性成形方法中，锻造、冲压两种成形方法合称锻压，主要用于生产各种机器零件的毛坯或成品。
挤压、拉拔、轧锻三种成形方法是以生产金属材料为主，如型材、管材、线材、板料等，也用于制造某些零件，如轧锻齿轮、挤压活塞销等。
第一节锻造锻造是金属热加工成形的一种主要加工方法，通常采用中碳钢和低合金钢作锻件材料，锻造加工一般在金属加热后进行，使金属坯料具有良好的可变形性，以保证锻造加工顺利进行。
基本生产工艺过程如下：下料→坯料加热→锻造成形→冷却→热处理→清理→检验。
一、锻坯的加热和锻件的冷却1．加热的目的锻坯加热是为了提高其塑性和降低变形抗力，以便锻造时省力，同时在产生较大的塑性变形时不致破裂。
一般地说，金属随着加热温度的升高，塑性增加，变形抗力降低，可锻性得以提高。
但是加热温度过高又容易产生一些缺陷，因此，锻坯的加热温度应控制在一定的温度范围之内。
2．锻造温度范围各种金属材料在锻造时允许的最高加热温度，称为该材料的始锻温度。
加热温度过高会产生组织晶粒粗大和晶间低熔点物质熔化，导致过热和过烧现象。
碳钢的始锻温度一般应低于其熔点100～200︒C，合金钢的始锻温度较碳钢低。
第一章1.什么是金属的塑性什么是塑性成形塑性成形有何特点塑性----在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力；塑性变形----当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能的加工方法，也称塑性加工或压力加工；塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高2.试述塑性成形的一般分类。
Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。
可分为一次成型和二次加工。
一次加工：①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。
分纵轧、横轧、斜轧；用于生产型材、板材和管材。
②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。
分正挤压、反挤压和复合挤压；适于(低塑性的)型材、管材和零件。
③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。
生产棒材、管材和线材。
二次加工：①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形状和尺寸的加工方法。
精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。
②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。
分开式模锻和闭式模锻。
2）板料成型一般称为冲压。
分为分离工序和成形工序。
分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。
金属塑性成形的概念金属塑性成形是指通过在金属材料中施加外力、应用热力或化学反应等手段，使金属材料发生塑性变形的一种金属加工工艺。
与传统的金属加工方式相比，金属塑性成形具有高效性、精确性和经济性的特点。
它广泛应用于汽车、航空航天、冶金等行业。
金属塑性成形的基本原理是利用金属材料的塑性变形特性，通过施加外力使金属材料由原有的形态发生塑性变形，从而得到所需的形状和尺寸。
金属塑性成形可以分为几种不同的形式，主要包括锤击成形、挤压成形、拉伸成形、压力成形和转轧成形等。
锤击成形是一种传统的金属塑性成形方法，它通常通过将金属材料置于锻造设备中，然后利用锤击力量使金属材料发生塑性变形。
锤击成形具有成本低、生产周期短的优点，但是需要大量的人力和物力投入。
挤压成形是指将金属材料置于挤压机中，通过挤压头施加压力使金属材料发生塑性变形。
挤压成形可以分为直接挤压和间接挤压两种形式。
直接挤压是指将金属材料直接放入挤压腔内，然后施加压力使金属材料发生压缩变形。
间接挤压是指将金属材料包裹在特殊形状的模具中，然后施加压力使金属材料逐渐挤出模具，从而达到所需的形状和尺寸。
拉伸成形是通过在金属材料表面施加拉力，使其发生塑性变形。
拉伸成形通常用于制备薄壁结构，如汽车车身、空调管道等。
拉伸成形由于受到法向拉力和剪切力的作用，易造成材料表面的应力集中和变形不均匀，因此在拉伸成形过程中需要注意控制应力分布和变形。
压力成形是一种利用液压或气压对金属材料施加压力的金属塑性成形方法。
压力成形通常具有成形精度高、产品质量好的优点，并且可以实现批量生产。
压力成形主要包括冲压成形、压铸成形和锻压成形等。
转轧成形是一种将金属材料置于转轧机中进行塑性变形的金属加工方法。
转轧成形通常用于制备薄板材料，如钢板、铝板等。
转轧成形具有高效、节省原材料和简便的优点，且可以保证成形件的尺寸精度和表面质量。
总之，金属塑性成形是一种广泛应用于金属加工领域的重要技术，通过施加力量和热力等手段，对金属材料进行塑性变形，从而得到所需的形状和尺寸。
塑性成形原理知识点塑性成形是一种利用金属材料的塑性变形能力，在一定的条件下通过压力使金属材料发生塑性变形，从而获得所需形状的加工方法。
塑性成形技术是金属加工工艺中的重要分支，广泛应用于汽车、航空、航天、电子、家电、建筑等工业领域。
1.塑性变形：在塑性成形过程中，金属材料通过外力作用下的塑性变形使其形状发生改变。
塑性变形是金属材料中原子的相对位置发生改变而引起的宏观形变，其主要表现为材料的延伸、压缩、弯曲等。
塑性变形是金属材料的塑性性质所决定的，不同材料的塑性性能不同。
2.应力-应变关系：金属材料受到外力作用时，材料内部会产生应力，应力与应变之间存在一定的关系。
在塑性成形过程中，材料会发生塑性变形，使其产生应变。
应力-应变关系是描述材料塑性变形过程中应力和应变之间关系的数学模型，常用的模型有胡克定律模型和流变模型。
3.材料流动：塑性成形过程中，材料会发生流动从而获得所需的形状。
材料流动是指塑性材料在外力作用下，发生内部原子的相对位移和重新组合，从而使整个材料的结构发生变化。
材料流动是实现塑性成形的关键，其流动性能决定了成形工艺的可行性和成品质量。
4.成形工艺：塑性成形工艺是金属材料经过一系列工艺操作，通过压力使其发生塑性变形，最终获得所需形状的过程。
常见的塑性成形工艺包括冲压、拉伸、挤压、压铸、滚压等。
不同工艺适用于不同形状的零件，根据材料的性质和零件的要求选择合适的成形工艺。
5.工艺过程控制：塑性成形过程中，需要对各个环节进行控制以确保成品质量。
工艺过程控制包括工艺参数的选择、设备的调整、模具结构的设计等。
在塑性成形过程中，要控制好温度、应力、应变速率等因素，以避免过大的变形应力引起材料的断裂或变形过大导致零件尺寸偏差。
塑性成形技术不仅可以实现复杂形状的制造，而且可以提高材料的强度和刚度，降低材料的质量，节省原材料和能源。
因此，塑性成形技术在现代工业生产中具有重要的地位和应用价值。
列举一种塑性成形的方法
塑性成形是一种常见的加工方法，用于将金属材料加工成所需形状。
以下是一种常见的塑性成形方法：
1. 锻造（Forging）：通过施加压力使金属材料在高温或常温下改变形状。
这种方法适用于各种金属，包括钢铁、铝、铜等。
2. 拉伸（Stretching）：将金属板材或棒材拉伸到所需的形状。
这种方法常用于制造汽车车身、金属罐体等。
3. 冲压（Stamping）：使用模具将金属板材冲压成特定形状。
这是大规模生产金属零件的常见方法，例如汽车零件、电器外壳等。
4. 深冲（Deep Drawing）：将金属板材通过冲压方法深度拉伸，形成较深的形状，例如制造锅具、洗衣机筒等。
5. 滚压（Rolling）：通过使金属材料通过一对辊子，使其在压力下改变形状。
这种方法常用于制造金属板材、棒材等。
这只是几种常见的塑性成形方法之一，实际上还有许多其他方法，根据不同的材料和形状需求选择适合的方法。
第3章金属材料的塑性成形概述3.1金属塑性成形基础3.2 常用的塑性成形方法3.3 少、无切削的塑性成形方法3.4 常用的塑性成形金属材料概述金属塑性成形是利用金属材料所具有的塑性，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。
由于外力多数情况下是以压力的形式出现的，因此也称为金属压力加工。
塑性成形的产品主要有原材料、毛坯和零件三大类。
金属塑性成形的基本生产方式有：轧制、拉拔、挤压、自由锻、模锻、板料冲压等。
塑性成形的特点及应用：（1）消除缺陷，改善组织，提高力学性能。
（2）材料的利用率高。
（3）较高的生产率。
如利用多工位冷镦工艺加工内角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍。
（4）零件精度较高。
应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。
如精密锻造的伞齿轮可不经切削加工直接使用。
但该方法不能加工脆性材料和形状特别复杂或体积特别大的零件或毛坯。
塑性成形加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到了广泛应用。
例如，飞机上的塑性成形零件约占85%；汽车、拖拉机上的锻件占60%～80%。
3.1 金属塑性成形基础3.1.1 单晶体和多晶体的塑性变形3.1.2 金属的塑性变形3.1.3 塑性成形金属在加热时组织和性能的变化3.1.4 金属的塑性成形工艺基础3.1.1单晶体和多晶体的塑性变形1.单晶体的塑性变形金属塑性变形最常见的方式是滑移。
滑移是晶体在切应力的作用下，一部分沿一定的晶面（亦称滑移面）和晶向（也称滑移方向）相对于另一部分产生滑动。
晶体滑移变形示意图滑移的实质:是通过晶体中的位错线沿滑移面的移动来实现的。
位错运动引起的滑移变形原理图2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形是以单晶体的塑性变形为基础的，但多晶体中的晶粒取向不同、晶界的存在，对塑性变形的阻力增加。
晶粒之间也要相互滑动和转动。
3.1.2 金属的塑性变形1.形变强化（亦称加工硬化）金属塑性变形时产生的强度和硬度增加,塑性和韧性下降的现象，称形变强化（亦称加工硬化）。
图3.1.1 纯铜冷轧变形度对力学性能的影响2.塑性变形后金属的组织结构变化图3.1.3 亚组织细化晶粒沿变形方向伸长、性能趋于各向异性；形变强化、亚组织细化。
图3.1.2变形前后晶粒形状变化示意3.塑性变形产生的残余内应力残余内应力是指外力去除后，残留于金属内部且平衡于金属内部的应力。
它主要是金属在外力作用下，内部变形不均匀造成的，可分为三类。
第一类残余内应力由于金属一部分和另一部分变形不均匀而平衡于它们之间的宏观残余内应力。
如拉丝时表面和心部。
当宏观残余应力与工作应力方向一致时会降低材料强度。
第二类残余内应力相邻晶粒变形不均匀或晶内不同部位变形不均匀造成的微观残余内应力。
第三类残余内应力由于位错等缺陷的增加所造成的晶格畸变应力。
这三类应力中，第三类占90%以上。
3.1.3 塑性成形金属在加热时组织和性能的变化1.加热时组织和性能变化要消除形变强化、消除残余应力，必须对塑性变形金属加热，因为在室温下，原子活动能量小，不可能自行恢复到未变形前的稳定状态。
加热后，原子活动能力增加，就能消除晶格畸变和降低残余应力。
随着加热温度的升高，塑性变形金属组织和性能变化可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
（1）回复（2）再结晶再结晶温度可用经验关系式表示如下：T 再（k）＝0.4T熔(k)式中T再为最低的再结晶温度；T 熔为金属熔点的温度。
变形金属加热时组织和性能的变化再结晶只是改变了晶粒的形状，消除了因变形而产生的某些晶体缺陷，再结晶没有改变晶格的类型，再结晶不是相变过程。
为了消除形变强化所进行的热处理称为再结晶退火。
再结晶退火的温度应比最低再结晶温度高150～250℃。
（3）晶粒长大温度继续升高，或延长保温时间，则再结晶后的晶粒又会长大而形成粗大晶粒，从而使金属的强度、硬度和塑性降低。
所以要正确选择再结晶温度和加热时间的长短。
晶粒长大动画示意2.金属的冷成形、热成形及温成形金属在塑性变形时根据加工温度可分为热成形、冷成形及温成形。
（1）冷成形即坯料在回复温度以下进行的塑性成形过程，变形过程中会出现形变强化（加工硬化）。
形变强化对金属冷变形加工的影响1）金属强度提高，要求压力加工设备的功率增大。
2）金属塑性下降，使金属继续塑性变形困难，需增加中间退火工序，降低了生产率，提高了生产成本。
3）一些不能用热处理方法强化的金属材料，可应用冷形变强化来提高金属构件的承载能力。
（2）热成形即金属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，如硬化被再结晶完全消除，可获得综合力学性能良好的再结晶组织。
各国习惯上将塑性成形加工分为两大类。
一类是生产原材料为主的塑性加工称为一次塑性加工，另一类是生产零件及其毛坯为主的塑性加工称为二次塑性加工。
大多数情况下，二次塑性加工都是用经过一次塑性加工所提供的原材料进行再次加工。
一次塑性加工如图3.1.4所示。
一次热变形时组织和性能的变化：1)消除铸造缺陷，部分消除偏析，提高材料的力学性能。
例如，铜铸锭的密度为6.9g/cm 3，经热轧后可提高到7.85g/cm 3。
2)细化晶粒，提高材料的力学性能。
3) 形成纤维组织（又称热加工流线）。
图3.1.4钢锭在热轧过程中的组织变化及再结晶示意图图3 .1.5一次热变形型材示意二次热变形时组织和性能的变化：1) 消除缺陷，提高材料的致密度。
2) 细化晶粒，提高材料的力学性能。
3) 改变流线的方向。
纤维组织，不能用热处理方法消除。
则在锻造时可采用交替镦粗与拔长来改变流线的方向。
二次热变形时组织变化示意（3）温成形金属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过程。
变形过程中有加工硬化及回复现象，但无再结晶，硬化只得到部分消除。
温成形较之冷成形可降低变形力且利于提高金属塑性，较之热成形可降低能耗且减少加热缺陷，适用于强度较高、塑性较差的金属，在生产用于尺寸较大、材料强度较高的零件或半成品制造。
冷塑性变形金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷塑性变形。
热塑性变形在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热塑性变形。
在锻压生产中，进行冷塑性变形又称冷加工，进行热塑性变形又称热加工。
3.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，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。
例如：拔长时：y=A0/A=L/L镦粗时：y=A/A=H/H式中y—锻造比；A、A—毛坯变形前、后截面积；L、L—毛坯变形前、后的长度；H、H—毛坯变形前、后的高度。
在锻造过程中，随着锻造比的增加，金属的力学性能显著提高，这是由于组织致密程度和晶粒细化程度提高所致。
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）锻造流线锻造时，热塑性成形时形成的纤维组织（或称为流线），当达到一定的锻造比后，流线明显改变，沿锻件的轮廓连续分布，使锻件的性能发生改变，沿流线纵向上的力学性能显著高于流线横向，如图3.1.6所示。
图3.1.6 金属热成形时力学性能与形变强度的关系１－纵向性能２－横向性能锻造成型切削成型因此，热塑性成形时应力求使工件上的锻造流线分布合理，如图3.1.7所示。
图3.1.7 曲轴流线分布示意图3.1.4 金属的塑性成形工艺基础1.塑性成形的基本生产按照成形特点，一般把压力加工分为轧制、拉拔、挤压、锻造（自由锻和模锻）和冲压五大类。
其中轧制、拉拔和挤压适合于连续的大量生产，生产型材、板材、管材和线材等金属原材料，而锻造和冲压成形适宜于间歇生产，适于机器零件或坯料的生产。
锻造属体积成形，而冲压属于板料成形，故称板料冲压。
锻造和板料冲压又称为锻压。
凡承受重载荷的机器零件，如机器的主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常需采用锻件作毛坯，再经切削加工而制成。
板料冲压广泛用于汽车制造、电器、仪表及日用品工业等方面。
（1）轧制是指金属坯料在两个回转轧辊的孔隙中受压变形，以获得各种产品的加工方法。
轧制示意（2）挤压指金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。
挤压示意（3）拉拔是指将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法.拉拔模模孔常选用耐磨的硬质合金或其它耐磨材料来制造。
（4）自由锻和模锻自由锻是指金属坯料在上下砧铁间受冲击力或压力而变形的加工方法。
模锻是指金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。
拉拔示意（5）板料冲压是指金属板料在冲模之间受压力产生分离或变形的加工方法。
最常用的如下图所示。
弯曲示意冲裁示意2.金属的塑性成形性材料的塑性成形性是指材料经过塑性变形不产生裂纹和破裂以获得所需形状的加工性能。
其中，材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力称为锻造性能。
材料的塑性成形性常用塑性和变形抗力综合衡量，通常材料的塑性越好，变形抗力越低，则塑性成形性越好。
材料的塑性成形性取决于材料的本质和变形条件两方面的因素。
（1）材料本质的影响材料本质方面的影响因素有化学成分和组织等。
1)化学成分一般情况下，纯金属的塑性成形性优于合金，合金中合金元素含量越多，塑性成形性越差。
钢中碳含量、合金元素含量越多，塑性成形性越差。
硫易使钢产生热脆，磷易使钢产生冷脆，都会使钢的塑性成形性降低。
2)金属组织同样的化学成分，固溶体组织的塑性成形性优于机械混合物；细晶组织的塑性成形性优于粗晶组织；热成形组织的塑性成形性优于冷成形组织和铸态组织。
（2）变形条件的影响1)变形温度一般说来，随着变形温度的提高，金属的塑性成形性提高，如图3.1.22所示。
如45钢＝600MPa δ＝20％室温σb＝50MPa δ＝60％800℃σb1200℃σ＝20MPa δ＝80％b这是由于原子的热运动增强，有利于滑移变形和再结晶。
但过高的变形温度会使金属的加热缺陷和烧损增多。
图3.1.8变形温度对钢的塑性成形3)应力状态压应力有利于防止裂纹的产生和扩展，压应力个数越多、数值越大，金属的塑性就越好。
2) 应变速率应变速率，是应变相对于时间的变化率（单位为S -1）。
如图3.1.9，应变速率增加，加工硬化，不易被消除，金属塑性成形性变差。
高于εc 时，变形能转化的热能使金属温度上升，金属塑性成形性变好。
图3.1. 9 应变速率对金属塑性成性的影响１－变形抗力曲线２－塑性曲线图3.1. 11 异型砧圆棒拔长受力图如下图，圆棒拔长采用V型砧可拔得更长。
