金属材料的塑性成形

第一章 金属材料的塑性成形

1.1 概述

金属材料的塑性成形又称金属压力加工，它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。

金属材料固态成形的基本条件：一是成形的金属必须具备可塑性；二是外力的作用。

一、金属塑性成形的方法：

（1）轧制 将金属材料通过轧机上两上相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材的加工方法。如图所示：压机开坯、轧板、轧圆钢等。

图1.1 轧制

（2）挤压 将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法。

图1.2 挤压

（3）拉拔 将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、其断面与模孔相同的加工方法。

图1.3 拉拔

（4）自由锻造 将加热后的金属坯料置于上下砧铁之间受冲击力或压力而变形的加工方法。

图1.4 自由锻造

（5）模型锻造（模锻） 将加热后的金属坯料置于具有一定形状的锻造模具模膛内，金属毛坯受冲击力或压力的作用而变形的加工方法。

图1.5 模锻

（6）板料冲压 金属板料在冲压模之间受压产生分离或变形而形成产品的加工方法。

图1.6 板料冲压

按金属固态成形时的温度，其成形过程分为两大类：

（1）冷变形过程 金属在塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。

冷变形的特征——金属变形后产生加工硬化。

（2）热变形过程 金属在塑性变形时的温度高于该金属的再结晶温度。

热变形的特征 —— 金属变形后会再结晶，塑性好，消除内部缺陷，产生纤维组织。

金属塑性加工的特点：

（1）材料利用率高

（2）生产效率高

（3）产品质量高，性能好，缺陷少。

（4）加工精度和成形极限有限。

（5）模具、设备费用高。

利用金属固态塑性成形过程可获得强度高、性能好的产品，生产率高、材料消耗少。但该方法投资大，能耗大，成形件的形状和大小受到一定限制。

二、金属塑性成形过程的理论基础

1、金属塑性变形的能力

金属塑性变形的实质——金属塑性变形是金属晶体每个晶粒内部的变形（晶内变形）和晶粒间的相对移动、晶粒的转动（晶界变形）的综合结果。

金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得毛坯或零件的难易程度。

可锻性用金属的塑性指标 （延伸系数δ和断面减缩率Ψ ）和变形抗力来综合衡量。

影响金属塑性的因素：

（1）金属本身的性质 —— 纯金属塑性优于合金；铁、铝、铜、镍、金、银塑性好；金属内部为单相组织塑性好；晶粒均匀细小塑性好。

（2）变形的加工条件

1）变形温度↑ ，塑性↑；

2）变形速度的影响；

3）压状态为三向压应力时塑性最好。

图1.7 低碳钢力学性能与温度变化

图1.8 变形速度对塑性及变形抗力的影响

2、金属塑性变形的基本规律

（1）体积不变定理

金属固态成形加工中金属变形后的体积等于变形前的体积。

根据体积不变定律，在金属塑性变形的每一工序中，坯料一个方向尺寸减少，必然在其他方向尺寸有所增加，在确定各中间工序尺寸变化时非常方便。

（2）最小阻力定律

金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动。

一般来说，金属内某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向就是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线的方向。应用最小阻力定律可以事先判定锻造时金属截面的变化。

1.2 金属的锻造

锻造是塑性加工的重要分支。它是利用材料的可塑性，借助外力的作用产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。锻造属于二次塑性加工，变形方式为体积成形。

锻造的分类：

锻造分为自由锻造和模锻两大类。

锻造材料：

锻造用材料涉及面很宽，既有多种牌号的钢及高温合金，又有铝、镁、钛、铜等有色金属；既有经过一次加工成不同尺寸的棒材和型材，又有多种规格的锭料。

锻造前的准备：

1．算料与下料

算料与下料是提高材料利用率，实现毛坯精化的重要环节之一。过多材料不仅造成浪费，而且加剧模膛磨损和能量消耗。下料若不稍留余量，将增加工艺调整的难度，增加废品率。此外，下料端面质量对工艺和锻件质量也有影响。

2．金属加热

加热目的 锻造和模锻前金属的加热目的是：提高金属的塑性，降低变形抗力，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。因此金属加热是热锻生产中不可缺少的重要工序之一。

金属锻造温度范围的确定 锻造温度范围时至始锻温度和终缎温度间的一段温度间隔。始锻温度主要受到过热和过烧的限制，它一般应低于熔点100～200℃。

对于碳钢，由状态图可看出，始锻温度应该随含碳量的增加而降低。对于合金钢，通常始锻温度随含碳量的增加降低得更多。

钢锭由于液态凝固时得到的原始组织比较稳定，过热的倾向小，因此钢锭的始锻温度可比同种钢的钢坯和钢材高20～50℃。

终锻温度主要应保证在结束锻造之前金属还具有足够的塑性以及锻件在锻后获得再结晶组织。但过高的锻造温度也会使锻件在冷却过程中晶粒继续长大，因而降低了力学性能，尤其是冲击韧度。

一、自由锻造

只用简单的通用工具，或在锻造设备的上、下铁砧间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需几何形状及内部质量的锻件的加工方法，称为自由锻造。 （一）自由锻造的基本工序

1．镦粗 使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序叫做镦粗，在坯料上某一部分进行的镦粗叫做局部镦粗。

镦粗用于由横断面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小的锻件。例如：冲孔前增大毛坯横断面积和平整毛坯端面；提高下一步拔长时的锻造比；提高锻件的力学性能和减少力学性能的异向性等。反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布。

镦粗时的注意事项：

1）为防止镦粗时产生纵向弯曲，圆柱体毛坯高度与直径之比不应超过2.5～3，在2～2.2的范围内更好。对于平行六面体毛坯，其高度与较小的基边之比应小于3.5～4。

镦粗前毛坯端面应平整，并与轴心线垂直。

镦粗前毛坯加热温度应均匀，镦粗时要把毛坯围绕着它的轴心线不停的转动，毛坯发生弯曲时必须立即校正。

2）镦粗较高的毛坯（H/D≈3）时，常常先要产生双鼓形（图1-1-5），上部和下不变形大，中部变形小。毛坯更高（H/D＞3）时，镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴线不垂直，或毛坯有初弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时更易产生弯曲。弯曲了的毛坯如不及时校正而继续镦粗则要产生折迭。

图1.9 高毛坯镦粗时形成双鼓形

2．拔长 使毛坯横断面积减小而长度增加的工序叫拔长。有矩形断面毛坯的拔长和圆断面毛坯的拔长。拔长的主要问题是生产率和质量，主要的工艺参数时送进量（l）和压下量(Δh)，如图所示。

图1.10 拔长

1）矩形断面毛坯的拔长

矩形断面毛坯拔长时，送进量和压下量对质量的影响是很大的。送进量(l/h)过大时易产生外部横向裂纹、交裂和对角线裂纹。但当送进量过小，如l/h=0.25时，上部和下部变形大，中部变形小，变形主要集中在上、下部分，中间部分锻不透，而且轴心部分沿轴向受附加拉应力，在拔长锭料和大截面的低塑性坯料时，易产生内部横向裂纹。综上所述，可以看出送进量过大和过小都是不好的，因此，正确的选择送进量极为重要。根据试验和生产实践，一般认为l/h=0.5～0.8虽然较为合适，但由于工具摩擦和两端不变形部分的影响，一次压缩后沿轴向的变形分布仍然是不均匀的。为了获得较为均匀的变形，使锻件和锻后的组织和性能均匀，在拔长操作使，应使前后各遍压缩时的进料位置相互错开。

2）圆断面毛坯的拔长

用平砧拔长圆断面毛坯时，若压下量较小，则接触面积较窄较长，金属多作横向流动，不仅生产效率低，而且常易在锻件内部产生纵向裂纹，如图所示。

图1.11 平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯

图1.12 平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯时产生的纵裂

拔长圆断面毛坯通常采用下述两种方法：

（1）在平砧上拔长时先将圆断面毛坯压成矩形断面，再将矩形断面毛坯拔长到一定尺寸，然后再压成八角形，最后锻成圆形，其主要变形阶段是矩形断面毛坯在平砧上拔长

（2）在型砧（或摔子）内进行拔长，利用工具的侧面压力限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。与平砧比可提高拔长生产效率20%～40%。在型砧内（或摔子内）拔长似的应力状态，也能防止内部纵向裂纹产生。拔长用型砧有圆型砧和V形砧两类，如图所示。

图1.13 型砧拔长圆断面毛坯

3．芯轴拔长

芯轴拔长是一种减小空心毛坯外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序，用于锻制长筒类锻件，如图所示。

图1.14 用芯轴拔长

4．冲孔 在坯料中冲出透孔或不透孔的锻造工序叫做冲孔。

（二）自由锻造工艺过程的制定

制定自由锻工艺过程的主要内容是：

1）根据零件图作出锻件图；

2）确定毛坯的重量和尺寸；

3）决定变形工艺和工具；

4）选择设备；

5）确定火次、锻造温度范围、加热和冷却规范；

6）确定热处理规范；

7）对锻件提出技术要求和检验要求；

8）编制工时定额。

1．锻件图的绘制

锻件图是根据零件图绘制的，在零件图的基础上考虑余块、机械加工余量和锻造公差三个因素而形成的。

锻件图上的锻件形状用粗实线描绘。为了便于了解零件的形状和检查锻造后的实际余量，在锻件图上用假象线（一线两点的点画线）或细实线画出零件的简单形状。锻件的公称尺寸和公差注在尺寸线上面，而机械加工后的零件工称尺寸注在尺寸线下面的括号内，加放余块的部分在尺寸线之间的括号内注上零件尺寸。在锻件图上还应注明锻件的总长和各部分的长度。

2 确定毛坯的重量和尺寸

1）毛坯重量的计算

锻制锻件所需毛坯重量为锻件重量与锻造时金属损耗的重量之和，计算重量的公式如下：

G毛坯=G锻件+G切头+G烧损

式中 G毛坯——所需原毛坯重量；

G锻件——锻件的重量；

G切头——锻造过程中切掉的料头等的重量；

G烧损——烧损的重量。

当用钢锭作原毛坯时，上式中还应加上冒口重量G冒口和底部重量G底部。

锻件重量G锻件根据锻件图决定。对于复杂形状的锻件，一般先将锻件分成形状简单的几个单元体，然后按公称尺寸计算每个单元体的体积，G锻件可按下式求得：

G锻件=γ（V1+V2+…+Vn）

式中 γ——金属的密度；

V1、V2、…Vn——各单元体体积。

2）毛坯尺寸的确定

毛坯尺寸的确定与所采用的第一个基本工序（镦粗或拔长）有关，所采用的工序不同，确定的方法也不一样。

（1）采用镦粗法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定

对于钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度H不超过其直径D（或方形边长A）的2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度H不应小于1.25D（或A），即

1.25D（A）≤H≤2.5D（A）

对圆毛坯：