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3 . 金属的塑性成型. 本章重点：. 了解金属塑性成型的理论基础； 掌握 金属的塑性成型方法及工艺 ； 掌握 薄板冲压成形工艺，包括各种成形模具结构、基本工序和典形零件的工艺制定 。. 3 . 金属的塑性成型. 3 .1 概述. 3 .2 塑性成型的理论基础. 3 . 3 塑性成型方法及工艺. 3 . 4 薄板的冲压成型. 3 . 5 塑性成型新工艺. 3 .1 概述. 金属塑性成型 ： 由 利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工 。. 金属塑性成型的基本生产方法.
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3.金属的塑性成型 本章重点： • 了解金属塑性成型的理论基础； • 掌握金属的塑性成型方法及工艺； • 掌握薄板冲压成形工艺，包括各种成形模具结构、基本工序和典形零件的工艺制定。
3.金属的塑性成型 3.1 概述 3.2 塑性成型的理论基础 3.3塑性成型方法及工艺 3.4薄板的冲压成型 3.5塑性成型新工艺
3.1 概述 金属塑性成型：由利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，也称为压力加工。 金属塑性成型的基本生产方法 挤压示意图 轧制示意图
3.2 塑性成型理论的理论基础 3.2.1 塑性变形理论及假设 3.2.2 金属变形过程中的组织与性能 3.2.3 冷变形及热变形 3.2.4 影响塑性变形的因数 本节的重点： 1. 金属塑性成型的原理； 2. 纤维组织的形成及利用； 3. 金属可锻性及其影响因素。
3.2.1塑性变形理论及假设 1 最小阻力定律 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，这就叫做最小阻力定律。圆形、方形、矩形截面上各质点在镦粗时的流动方向，方形截面镦粗后的截面形状。
2 塑性变形前后体积不变的假设 3 变形程度的计算 在压力加工过程中，常用锻造比(Y锻)来表示变形度。锻造比的计算公式与变形方式有关。 拔长时的锻造比为:Y拔＝F0/F, 镦粗时的锻造比为:Y镦＝H0/H.根据锻造比即可得出坯料的尺寸。例如采用拔长锻造时，坯料所用的截面F坯料的大小应保证满足技术要求规定的锻造比Y拔，即坯料截面积应为：F坯料 = Y拔F锻件
3.2.2 金属变形过程中的组织与性能 纤维组织的利用原则： 1、将铸锭加热进行压力加工后，由于金属经过塑性变形及再结晶，从而改变了粗大的铸造组织，获得细化的再结晶组织。 2、同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等结合在一起，使金属更加致密，其机械性能会有很大提高。 3、此外，铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。
4、具有纤维组织的金属，各个方向上的机械性能不相同。顺纤维方向的机械性能比横纤维方向的好。金属的变形程度越大，纤维组织就越明显，机械性能的方向性也就越显著。 • 使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断； • 使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。
实例： 当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图示 )。 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图示)，纤维不被切断且连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。
3.2.3冷变形及热变形 冷变形变形温度低于回复温度时，金属在变形过程中只有加工硬化而无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。 热变形变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。
钢丝变形模拟 加工硬化与再结晶
3.2.4 影响塑性变形的因素 可锻性——常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。 变形抗力是指金属对变形的抵抗力。 金属的可锻性取决于材料的性质(内因)和加工条件(外因)。
材料性质的影响(内因) 化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金的可锻性好。 钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。 例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。 金属组织的影响 纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好。而碳化物(如渗碳体)的可锻性差。 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好
加工条件的影响(外因) 变形温度的影响 在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。 若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。 金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。 不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称终锻温度。
变形速度的影响 一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。 另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好。
应力状态的影响 挤压时为三向受压状态。 拉拔时为两向受压一向受拉的状态。 压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。
思 考 题 1.纤维组织是怎样形成的?它对金属的力学性能有何影响? 2.试分析用棒料切削加工成形和用棒料冷镦成形制造六角螺栓的力学性能有何不同?
3.3 塑性成型方法及工艺 3.3.1 模膛锻造成型工艺 3.3.2 锻模模膛及其功用 3.3.3 制坯模膛 3.3.4 锤上模锻成型工艺设计 3.3.5 压力机上模膛成型工艺 3.3.6 模锻件的缺陷
3.3.1 模膛锻造成型工艺 3.3.1.1 胎模锻造成型工艺及应用 胎模锻造成型是在自由锻设备上，使用可移动的胎模具生产锻件的锻造方法。 胎模成型与自由成型相比，具有较高的生产率，锻件质量好，节省金属材料，降低锻件成本。 与固定模膛成型相比，不需要专用锻造设备，模具简单，容易制造。 锻件质量不如固定模膛成型的锻件高，工人劳动强度大，胎模寿命短，生产率低。 胎模成型只适用于小批量生产，多用在没有模锻设备的中小型工厂中。
3.3.1.2 胎固定模膛成型工艺的分类及设备 固定模膛成型工艺主要分为锤上模膛成型工艺和压力机上模膛成型工艺。 锤上模锻成型用于大批量锻件生产。所用设备有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。 压力机上模膛成型常用的设备有曲柄压力机、摩擦压力机和平锻机、模锻水压机等。
3.3.2 锻模模膛模膛及其功用 3.3.2.1 预锻模膛 预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻模膛。同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模的使用寿命。 预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。
3.3.2.2 终锻模膛 终锻模膛的作用是：是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。 终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。钢件收缩量取1.5% 沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。 终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮。
3.3.3 制坯模膛 拔长模膛——用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。 滚压模膛——用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属按模锻件形状来分布。
3.3.4 锤上模锻成型工艺设计 锤上模锻成型的工艺过程一般为：切断毛坯→加热坯料→模锻→切除模锻件的飞边→校正锻件→锻件热处理→表面清理→检验→成堆存放。 锤上模锻成型的工艺设计包括制定锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步(选择模膛)、选择设备及安排修整工序等。其中最主要的是锻件图的制定和模锻工步的确定。
3.3.4.1 模锻件图的制定 选择模锻件的分模面 • 分模面即是上下锻模在模锻件上的分界面。制订模锻锻件图时，必须按以下原则确定分模面位置： • 要保证模锻件能从模膛中取出，分模面应选在模锻件最大尺寸的截面上。 • 按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，及时调整锻模位置。 • 最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处。这样可使金属很容易充满模膛，便于取出锻件，并有利于锻模的制造。 • 选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。 • 最好使分模面为一个平面，使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不宜过大，以便于制造锻模。
确定模锻件的机械加工余量及公差 机械加工余量一般为1～4 mm，锻造公差一般取在±0.3～3 mm之间。 标注模锻斜度 当模膛宽度b小而深度h大时，模锻斜度要取大些。内壁斜度要略大于外壁斜度(a 2> a 1)。 标注模锻圆角半径 锻件上所有转角处都应做成圆角(图8-10)。一般内圆角半径（R）应大于其外圆半径（r）。 留出冲孔连皮 锻件上直径小于25mm的孔，一般不锻出，或只压出球形凹穴。大于25mm的通孔，也不能直接模锻出通孔，而必须在孔内保留一层连皮。 冲孔连皮的厚度s与孔径d有关，当d =30～80mm时，s =4～8mm。
模锻圆角半径 内圆角半径R是外圆角半径r的３－４倍 内壁斜度β应比外壁斜度α大一级
3.3.4.2 模锻工步的确定及模膛种类的选择 长轴类锻件，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等(图8-12)；一般为拔长、滚挤、预锻、弯曲、预锻、终锻成型。 盘类模锻件，如齿轮、法兰盘等(图8-13)。一般为镦粗、预锻、终锻成型。 模锻工步确定以后，再根据已确定的工步选择相应的制坯模膛和模锻模膛。
3.3.4.3 模锻成型件的结构工艺性 • 模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、锻模容易制造。 • 零件上与锤击方向平行的非加工表面，应设计出模锻斜度。非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。 • 为了使金属容易充满模膛和减少工序，零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、凸起等结构。 • 在零件结构允许的条件下，设计时尽量避免有深孔或多孔结构。 • 在可能条件下，应采用锻-焊组合工艺，以减少敷料，简化模锻工艺。
模锻成型件的结构 过扁、过薄 截面相差过大
自由锻件的结构工艺性 避免锥体和斜面结构 几何体间的交接处 不应形成空间曲线
自由锻件的结构工艺性 截面变化大的锻件， 采用组合连接 自由锻件上不应设计 出加强筋、凸台、工字形截面
3.3.5塑性变形理论及假设 1．错模 锤头导轨的间隙过大、模具缺少平衡导锁以及模具安装不合理等原因都可能产生错模，如图所示。 2．欠压 即上、下模分模面未打靠，也称“锻不足”。 3．局部充不满 由于坯料体积过小或坯料放偏等原因致使锻件上的凸筋、外圆角等部位因模槽未充满而欠缺，这种缺陷一般无法修正。
4．折纹 由于操作不当或模槽设计不合理等原因，锻件表面产生金属重叠称为折纹。由于折纹处之金属已经氧化，因此一般无法修正。 5．凹坑 由于模槽中未吹除的氧化皮被压入锻件中，锻件清理后氧化皮脱落即形成凹坑或麻点。 6．残留毛刺 由于切边模的间隙过大或间隙不均以及切边凹模刃口变钝等原因常导致锻件切边后在分模面处出现残留毛刺。残留毛刺过大时需要砂轮磨掉。
