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3-2 金属塑性成形

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2.4.5 大型自由锻件的锻造工艺
1. 模块 最大重量6000kg 碳 钢 2. 气轮机叶轮 34CrMoA 34CrMo1A 35CrMoV 34CrNi3Mo 3. 圆盘 最大直径Φ2100 最 大重量5500kg 4. 环形件 最大直径Φ2100
(1) 大锻件的特点
大锻件通常是指用10000KN以上的水压机或50KN以上的 锻锤，将10吨以上的钢锭锻压成各种重型机器的锻件
过热
金属加热的温度超过某一温度界限， 并在此温度下长期加热，奥氏体晶粒会急 剧长大，晶界会析出硫化物和磷化物夹 杂，这种现象叫过热
过烧
在加热温度接近熔点之前，钢料内部 的低溶成分和夹杂物会产生氧化和溶解， 破坏晶界的结合，失去塑性，不能锻压加 工，这种现象叫过烧
裂纹
毛坯在加热中，由于其表层与心部温 度的差异造成的温度应力，相变发生时间 的差异引起的组织应力超出材料在此温度 下的强度极限时便产生裂纹。
高径比 H0/D0 H0/D0 =0.8~2.0 H0/D0 =1.5~2.5 H0/D0 =2.5~3.0 H0/D0 〉2.5~3.0 单鼓 双鼓——单鼓 双鼓 失稳弯曲
(2) 垫环镦粗
2.4.4 拔长 定义：使坯料横截面积减少而长度增加的锻造工序称为拔长
作用：成形轴杆类锻件，改善锻件内部质量 特点：逐次送进，反复转动坯料
脱碳
钢在高温加热时，表层中的碳和炉气中的氧 化性气体（如O2 、CO2、H2O、SO2）及某些还原 性气体（如H2）发生化学反应，生成甲烷或一氧 化碳，造成钢料表层的含碳量减少，这种现象称 为脱碳。 2Fe3C + O2 ⇔ 6Fe + 2CO Fe3C+ 2H2 ⇔ 3Fe + CH4 Fe3C + H2O ⇔ 3Fe + CO +H2 Fe3C + CO2 ⇔ 3Fe + 2CO
特种锻造
是在专用设备上或在特殊模具内使金属毛 坯成形的一种特殊锻造工艺，这些工艺方 法都是为了成形一般锻造方法很难或无法 得到的锻件，如精密锻造、径向锻造、热 热锻、温锻和冷锻
热锻：在再结晶温度以上进行的塑性变形
减少金属的变形抗力 改变钢锭的铸态结构 提高钢的塑性
自由锻（ Open forging ） 模锻（ Die forging ） 胎模锻造（ Blocker-type forging ） 特种锻造（ Special forging ）
分类：（按成形温度分类）
热锻（Hot forging） 温锻（Warm forging） 冷锻 （Cold forging）
典型的自由锻造工艺
典型的自由锻造工艺
2.4.1 自由锻造基本工步
镦粗 拔长 冲孔 自由锻造 扩孔 弯曲 扭转 错移
2.4.2 自由锻分类
自由锻造的工序可以分为三类，即基本工序、辅助工序和修 正工序 基本工序：改变坯料形状和尺寸以获得锻件 镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯 曲、切割、错移、扭转和锻接 辅助工序：为了完成基本工序而使坯料预先产生某一变形 钢锭倒棱、预压钳把和分段压痕
难变形区
大变形区
小变形区
(1) 平砧镦粗 （应力，应变）
(1) 平砧镦粗 针对上述问题的解决方法
预热工具和使用润滑剂
工具预热至200-300°C 润滑剂：玻璃粉、玻璃棉、石磨粉以及MnS2等
凹形坯镦粗 软金属垫镦粗
凹 形 坯 软 金 属 垫
(1) 平砧镦粗
坯料迭起镦粗 反复镦粗拔长
(1) 平砧镦粗____高径比对镦粗件形状的影响
重型机器的关键性零件，要求机械性能高、质量可靠。但 生产批量一般不大，外形也不太复杂
大锻件的锻压加工具有开坯锻造和成形锻造双重作用
工程实例———汽轮机叶轮
汽轮自由锻造工艺分析
工程实例———发电机转子
工程实例———航天飞行器部件
（2）大型轴类锻件自由锻造方法
直接拔长法 拔长和镦粗结合法 表面降温后压实中心法（JTS） 上砧下台锻造法
表面降温后压实中心法（JIS）
60年代中期，日本学者Tefeno和Shikano发明，也 成为JTS法，在中国称为中心压实法 采用该法于其他方法比较，产品合格率明显提 高，由35%提高到83.5% 增加工序和投入，车间环境差
FM锻造法
70年代，日本学者河合正吉提出上平砧下平 台的锻造方法，主要根据考虑边界条件对 锻件的内部受力影响。避免中心部位的拉 应力
材料加热到一定温度后，晶粒内变形剧烈的区域或晶界的 附近会出现新的晶核，晶核逐渐长大成新的晶粒，改变了 旧的晶体结构。新的晶粒内原子排列整齐而有规则，完全 和未经变形的金属一样，这个过程叫再结晶 （recrystallization）
再结晶温度
纯金属 高合金钢 高碳钢
T再 ≈ 0.4T熔
T再 ≈ (0.6 ~ 0.65)T熔 ,
T再 ≈ (0.7 ~ 0.85)T熔
2.2 锻前加热 2.2.1 加热方法
加热方法：电加热 火焰加热 １ 火焰加热 燃料：煤、焦炭、煤气、重油和柴油 600-700°C 对流 700-800°C 辐射 ☺ 燃料来源方便、炉子制造简单、加热费用较低、对毛坯的 适应范围广 加热速度慢，效率低，不适合大批量的规模生产。加热质 量难以控制；劳动条件差，对环境有污染
再结晶 温度
温锻：在室温以上完全再结晶温度以下进行的塑
性变形
减少锻压力 精度较高
室温
冷锻：在室温时进行塑性变形
没有温度波动和氧化作用，锻件精度高而表面光洁 提高锻件的强度和硬度 限于比较小的机器零件和低碳钢及有色金属材料
回复与再结晶
变形金属在退火时先要加热，高温状态增加了原子的动能 和扩散作用。加热到一定温度后，镶嵌块内歪曲了的晶体 结构能局部恢复到整齐而有规则的排列，内应力消失，硬 度下降，这种现象叫回复（recovery）
模锻
胎模锻
胎模锻：是在自由锻设备上采用不与上、下砧相接的活动 模具成型的方法。它是介于自由锻与模锻之间的锻造工艺 方法。 胎模锻的特点及应用：胎模锻与自由锻相比，可获得 形状较复杂、尺寸较为精确的锻件，节省了金属，提高了 生产率。 与模锻相比，可利用自由锻设备组织各类锻件生产， 胎模制造较简便。但胎模锻件的尺寸精度低于锤上模锻； 另外，劳动生产率、模具寿命等方面均低于模锻。胎模锻 适用于中小批生产，它在没有模锻设备的工厂应用较为普 遍。 （月饼制造方法）
(2) 圆形坯料的常用拔长方法（b） 在型砧（摔模）内拔长，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，这 种应力状态可防止内部纵向裂纹的生成。
2.4.5 大型自由锻件的锻造工艺
1. 套筒 最大重量5500kg 碳 钢、低合金钢 2. 轴类 最大重量8000kg 3. 套筒 4. 曲轴坯 最大重量 5500kg 碳钢、低合金钢 5. 电机轴 最大重量 5500kg 碳钢、低合金钢
WHF
宽平砧在高温下对钢锭进行大变形，锻合 钢中缺陷。
2.2.1 加热方法
２ 电加热 电能—热能 感应加热、接触加热、电阻炉加热、盐浴炉加热
☺
速度快
质量好
适合自动化生产
劳动条件好
费用太高
2.2.2 加热中的缺陷
氧化 脱碳 过热 过烧 裂纹
氧化
金属在高温炉内加热时，钢材表面的 合金化元素将和炉气中的氧化性气体（如 O2 、CO2、H2O、SO2）发生反应，使钢料 表层生成氧化铁皮，这种现象称为氧化， 或叫烧损。
2.
3.
2.3.3 碳钢的锻造温度范围
始锻温度在始熔温度下 150～250℃ 终锻温度要在Ar1线以上 终锻温度要高于金属的 再结晶温度50～100℃
2.4 自由锻
自由锻大多属于热锻：利用锻压设备上的砧块和一些简单通
用工具，使坯料在压力作用下产生塑性变形。
自由锻造
手工自由锻 自由锻造 机器自由锻 锻锤自由锻：中小锻件 水压机自由锻：大型锻件
2.3 锻造温度的确定
2.3.1 始锻温度和终锻温度
始锻温度:从加热炉取出放
到锻压设备上开始锻压，这时 坯料的温度叫始锻温度
终锻温度 :为要保证热锻后
锻压件内部为再结晶组织 , 热 锻的最低温度叫终锻温度
2.3.2 确定锻造温度范围的原则
1.
使金属在锻造温度范围内具有良好的塑性和较 低的变形抗力； 锻造出的锻件机械性能及微观组织良好； 锻造温度范围尽可能宽，这样加热的次数比较 少，可以提高生产效率。
《材料加工》课程工艺部分
金属塑性加工
Metal Forming Processes (2)
清华大学机械工程系
2 锻造工艺
2.1 锻造工艺概述（目的和分类） 2.2 锻前加热 2.3 锻造温度的确定 2.4 自由锻造 2.5 模型锻造
2.1 锻造工艺概述
目的：成形和改性（机械性能、内部组织） 分类：（按成形工具分类）
局部加载、局部受力、局部变形
分类：矩形截面坯料、圆形截面坯料和空心坯料拔长
(1) 矩形截面坯料的拔长 主要缺陷 内部纵向裂纹、横向裂纹 表面横向裂纹、角裂 对角裂纹 内部组织和性能不均匀
(2) 圆形坯料的常用拔长方法（a）
为避免平砧直接接触圆柱形坯料，先将圆柱形变为 矩形，主要变形阶段在矩形截面阶段，然后变为八角 形，最后变为圆形。
修正工序： 使锻件完全达到锻件图要求，精整锻件尺寸和形 状，消除锻件平面不平歪扭 鼓形滚圆、端面平整、弯曲校直等
2.4.3 镦粗
定义：使坯料高度减小而横截面积增大的锻造工序 特点：金属向四周流动 主要方法：平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗
(1) 平砧镦粗 主要质量问题
侧表面易产生纵向或呈45°方向的裂纹。 锭料镦粗后在上下两端保留铸态组织 鼓肚：由于摩擦力和温度分布的影响 双鼓：高度较大时，出现两个鼓肚

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金属材料的塑性成形

金属材料的塑性成形

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）。

塑性成形的特点与基本生产方式

塑性成形的特点与基本生产方式


一.板料冲压的基本工序
分离工序：落料、冲孔、切断、切口 变形工序：弯曲、拉深、翻边、成形
1、分离工序
将冲压件与板料按要求的轮廓线分离的工序，如剪 切、落料、冲孔。落料和冲孔总称为冲裁。
（2）冲裁件断裂面
① 蹋角带 ② 光亮带：表面光滑,断
面质量最好。 ③ 剪裂带：表面粗糙,略
带斜度。 ④ 毛刺：微裂纹出现时产
July 2021
2、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年六月十七日2021年6月17日星期四
难易程度。
衡量指标：
塑性 变形抗力
目 标：
塑性好 变形抗力小
影响锻造性能的因素：(1)金属本质 (2)变形条件
1. 金属本质的影响
纯金属锻造性能好
化学成分
合金差 碳钢，含碳量越少，锻造性能越好
硫、磷含量越少，可锻性越好
内部组织
纯金属、固溶体可锻性好 金属碳化物差 细晶粒好，粗晶粒差
2. 变形条件的影响
（1）变形温度
适当高温利于锻造
过热
温度过高产生
过烧 氧化
脱碳
在始锻与终锻温度之间
温 度 /C °
1538A 固相线液相线 L
1250 始锻温度L+A
碳 钢
的
E
A
锻
造
G 912
温
800
A+Fe3CⅡ
度
A+F
K
6 金属塑性变形与流动问题

6 金属塑性变形与流动问题

定义：变形体为保持自身的完整和连续， 约束不均匀变形而产生的内力。 特点： （１）附加应力由不均匀变形引起，同 时又限制不均匀变形的自由发展。 （２）附加应力必然互相平衡成对出现。 （即当一处受附加压应力时，另一处必受附 加拉应力）
附加应力定律：任何塑性变形物体内部，在变形过程中均
有自相平衡的附加应力。


6. 2. 2 变形条件对金属塑性的影响
一、变形温度
碳钢的塑性随温度变化图
就大部分金属来言，其总的趋势是：随着温 度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的 线性上升。
2．变形速度
塑 性
Ⅰ Ⅱ
变形速度，1/秒 图5-18 变形速度对塑性的影响
3．变形程度
冷变形时，变形程度越大，塑性越低；热变 形时，变形程度越大，塑性越高。
变形过程中，物体各质点将 向着阻力最小的方向移动。即 做最少的功，走最短的路。
图3-1 开式模锻的金属流动
图3-2 最小周边法则
拔长效率较低，主 要用于修正尺寸
拔长效率较高
6. 2 影响金属塑性、塑性变形和流动的 因素
6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 塑性、塑性指标和塑性图 变形条件对金属塑性的影响 其他因素对塑性的影响 提高金属塑性的途径 摩擦对金属塑性变形和流动的影响 工具形状对金属塑性变形和流动的影响 金属各部分之间关系对塑性变形和流动的影响 金属本身性质不均匀对塑性变形和流动的影响
三、残余应力
定义：引起应力的外因去除后在物体内仍残存的应力。 特点：残余应力是弹性应力，它不超过材料的屈服极限。 分类： （１）第一类残余应力：存在于变形体各大区之间； （２）第二类残余应力：存在于各晶粒之间； （３）第三类残余应力：存在于晶粒内部。 残余应力产生的原因： （１）塑性变形不均匀。残余应力的符号与引起该残余应力 的塑性应变符号相反。 （２）温度不均匀（加热／冷却不均匀）引起的热应力。 （３）相变过程引起的组织应力。
金属塑性成型工艺

金属塑性成型工艺

第二篇金属的塑性成形工艺金属塑性成形——在外力作用下，金属产生了塑性变形，以此获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件。

此生产方法称金属塑性成形（也称压力加工）外力冲击力——锤类设备压力——轧机、压力机有一定塑性的金属——压力加工（热态、冷态）基本生产方法：1．轧制——钢板、型材、无缝管材（图6-1）（图6-2）2．挤压——低碳钢、非铁金属及其合金（图6-3）（图6-4）3．拉拔——各种细线材，薄壁管、特殊几何形状的型材（图6-5）（图6-6）4．自由锻——坯料在上、下砥铁间受冲击力或压力而变形（图6-7a）5．模锻——坯料在锻模模腔内受冲击力或压力而变形（图6-7b）6．板料冲压——金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法（图6-7c）金属的原材料，大部通过轧制、挤压、拉拔等制成。

第六章金属塑性成形的工艺理论基础压力加工——对金属施加外力→塑性变形金属在外力作用下，使其内部产生应力——发生弹性变形外力>屈服应力塑性变形塑性变形过程中一定有弹性变形存在，外力去除后，弹性变形将恢复→“弹复”现象，它对有些压力加工件的变形和工件质量有很大影响，须采取工艺措施的保证产品质量。

§6-1 塑性变形理论及假设一、最小阻力定律金属塑性成形问题实质，金属塑性流动，影响金属流动的因素十分复杂（定量很困难）。

应用最小阻力定律——定性分析（质点流动方向）最小阻力定律——受外力作用，金属发生塑性变形时，如果金属颗粒在几个方向上都可移动，那么金属颗粒就沿着阻力最小的方向移动。

利用此定律，调整某个方向流动阻力，改变金属在某些方向的流动量→成形合理。

最小阻力定律示意图在镦粗中，此定律也称——最小周边法则二、塑性变形前后体积不变的假设弹性变形——考虑体积变化塑性变形——假设体积不变（由于金属材料连续，且致密，体积变化很微小，可忽略）此假设+最小阻力定律——成形时金属流动模型三、变形程度的计算变形程度——用“锻造比”表示拔长时锻造比为： T 拔=Fo/F镦粗时锻造比： Y 镦=Ho/H式中：H 0、F 0——坯料变形前的高度和横截面积H 、F ——坯料变形后的高度和横截面积T 锻=2~2.5 （要求横向力学性能）纵向Y 锻↑由Y 锻可得坯料的尺寸。