塑性加工工艺2
金属塑性加工
单日志页面显示设置网易首页网易博客金属塑性加工默认分类 2008-07-07 18:27 阅读620 评论0字号：大中小绪论一、金属塑性加工及其分类金属塑性加工是使金属在外力（通常是压力）作用下，产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和组织、性能的制品的一种基本的金属加工技术，以往常称压力加工。
金属塑性加工的种类很多，根据加工时工件的受力和变形方式，基本的塑性加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、拉深、弯曲、剪切等几类（见表0-1）。
其中锻造、轧制和挤压是依靠压力作用使金属发生塑性变形；拉拔和拉深是依靠拉力作用发生塑性变形；弯曲是依靠弯矩作用使金属发生弯曲变形；剪切是依靠剪切力作用产生剪切变形或剪断。
锻造、挤压和一部分轧制多半在热态下进行加工；拉拔、拉深和一部分轧制，以及弯曲和剪切是在室温下进行的。
1．锻造靠锻压机的锻锤锤击工件产生压缩变形的一种加工方法，有自由锻和模锻两种方式。
自由锻不需专用模具，靠平锤和平砧间工件的压缩变形，使工件镦粗或拔长，其加工精度低，生产率也不高，主要用于轴类、曲柄和连杆等单件的小批生产。
模锻通过上、下锻模模腔拉制工作的变形，可加工形状复杂和尺寸精度较高的零件，适于大批量的生产，生产率也较高，是机械零件制造上实现少切削或无切削加工的重要途径。
2．轧制使通过两个或两个以上旋转轧辊间的轧件产生压缩变形，使其横断面面积减小与形状改变，而纵向长度增加的一种加工方法。
根据轧辊与轧件的运动关系，轧制有纵轧、横轧和斜轧三种方式。
（1）纵孔两轧辊旋转方向相反，轧件的纵轴线与轧辊轴线垂直，金属不论在热态或冷态都可以进行纵轧，是生产矩形断面的板、带、箔材，以及断面复杂的型材常用的金属材料加工方法，具有很高的生产率，能加工长度很大和质量较高的产品，是钢铁和有色金属板、带、箔材以及型钢的主要加工方法。
（2）横轧两轧辊旋转方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴线平衡，轧件获得绕纵轴的旋转运动。
可加工加转体工件，如变断面轴、丝杆、周期断面型材以及钢球等。
第三篇(塑性加工)
纤维组织的稳定性很高，不能用热处理或其它方法加以消 除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。 合理利用纤维组织
应使零件在工作中所受的最大正应力方向与纤维方向重合;
最大切应力方向与纤维方向垂直; 并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量不被切断。
§1-3
金属的可锻性
金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。 （经塑性加工而不断裂） 塑性
三拐曲轴的锻造过程
§2-1 锻造方法
自由锻特点
●
坯料表面变形自由；
● 设备及工具简单，锻件重量不受限制； ● ● ●
锻件的精度低； 生产率低，适用于单件小批生产； 是大型锻件的唯一锻造方法。
§2-1 锻造方法
模锻
使加热后的金属在模膛内
受压变形以获得所需锻件 的方法。 应用： 大批量生产中小锻件。 ＜150Kg，如曲轴、连 杆、齿轮。
在冷加工时,形变强化使金属塑性降低,进
一步加工困难,应安排中间退火工艺。 实质：塑性变形时位错运动受阻，使交叉滑移中位错运动范围缩小，因 此，金属性能随之改变。
一、金属材料产生加工硬化
金属材料 强度和硬 度提高， 塑性和韧 性下降。
有利：加工硬化可提高产品性能! 不利：进一步的塑性变形带来困难! 加热可消除硬化现象!
压力使金属成型为各种型材和锻件等。
a）自由锻 b）模锻 c）胎模锻 胎模锻：自由锻设备上，采用不与上、下砧相连接的活动模具 成形锻件的方法。是介于自由锻和模锻之间的锻造工艺方法。 2）冲压 利用冲模将金 属板料切离或变形 为各种冲压件。
3）轧制 使金属坯料通过两个旋转轧辊之间的间隙而产生塑性变形的 加工方法。 用于生产各种型材、管材、板材等。
模锻
模锻是利用锻模使坯 料变形而获得锻件的 锻造方法。
塑性加工原理
44
二 、 稳定轧制阶段
稳定轧制阶段：
从轧件前端离开轧辊中心连线开始，到轧件后端 进入变形区入口断面止，这一阶段称为稳定轧制阶段。
45
三 、抛 (甩)出阶段
抛 (甩)出阶段： 从轧件后端进入入口断面时起到轧件完全通过辊 缝（轧辊中心连线），称为抛 (甩)出阶段。
46
1.2.1 咬入条件
1.（自然）咬入条件 受力分析如图 1-1
将各道次的延伸系数相乘，得 F0 F1 Fn1 ln 1 2 n F1 F2 Fn L
F0 1 2 n Fn
故可得出结论：总延伸系数等于相应各部分延 伸系数的乘积。
41
（2）累积压下率与道次压下率之间关系
H hn ＝ H 即 1 (1 1 )(1 2 )(1 3 ) L L (1 n ) H hn hn 1 hn H h1 h1 h2 因为：1 (1 )(1 ) L L (1 ) H H h1 hn hn h1 h2 hn L L H H h1 hn 1
轧件对轧辊的作用力 轧辊对轧件的作用力
图1-1 咬入时轧件受力分析
图1-2
P和T力的分解
47
轧辊对轧件的作用力P、T Py 、Ty ：压缩轧件，使轧件产生塑性变形 Px 、Tx ：决定轧件能否咬入 Px ＞ Tx ：不能咬入 Px = Tx ：临界咬入 Px ＜ Tx ：咬入 咬入条件：Px ≤ Tx 而Px = Psinα Tx=P f cosα 即sinα≤f cosα tanα≤f =tanβ
4
3、塑性加工的主要方法
1）按变形温度分类：
热加工：是指再结晶温度以上所完成的压力加工过程。
冷加工：指在再结晶温度以下所完成的压力加工过程。
塑性加工原理
3D model of extrusions
Axis symmetrical finite element model of extrusion
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。主要用于生产各种细线材、薄壁管和一些特殊 截面形状的型材。
自由锻造：
将加热后的金属坯料置于上下砧铁间受冲击力或压力而变形的 加工方法。 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模模膛内受冲击力 或压力而变形的加工方法。
根据金属流动方向与挤压凸模运动方向的关系,挤压可分为四种 方式:
(1)正挤压---金属流动方向与凸模运动方向相同. (2)反挤压---金属流动方向与凸模运动方向相反. (3)复合挤压---坯料一部分金属流动方向与凸模运动方向相同, 另一部分 则相反. (4)径向挤压---金属流动方向与凸模运动方向成90℃.
(3)温挤压---介于冷挤压和热挤压之间的挤压方法.温挤压时将金属 加热到适当温度(100~800℃)进行挤压.温挤压比冷挤压的变形抗 力小,较容易变形.
挤压成形的工艺特点:
(1)挤压时金属坯料处于三向压应力状态下变形,因此可提高金属坯 料的塑性,有利于扩大金属材料的塑性加工范围.
(2)可挤压出各种形状复杂,深孔,薄壁和异型截面的零件,且零件尺寸 精度高,表面质量好,尤其是冷挤压成形.
1、金属塑性成型特点 • 组织、性能好 • 材料利用率高 • 尺寸精度高 • 生产效率高
2、金属塑性成型的分类
1）块料成型 （1）一次加工
•轧制 •挤压 •拉拔 （2）二次加工 •自由锻 •模锻
2）板料成型
•冲裁 •弯曲 •拉延
3、课程目的和任务
1）阐明金属塑性变形的物理基础：从微观上研究塑性变形机理 及变形条件对金属塑性的影响，以便使工件在塑性成型时获得 最佳塑性状态、最高的变形效率和力学性能。
塑性加工练习题参考答案
SUST
金属工艺学
自由锻典型零件工序制定 （参见教材111页表3-1）
SUST
金属工艺学
自由锻典型零件工序制定 （参见教材111页表3-1）
SUST
金属工艺学
自由锻典型零件工序制定 （参见教材111页表3-1）
SUST
金属工艺学
自由锻典型零件工序制定 （参见教材111页表3-1）
SUST
金属工艺学
课后习题：P126-1、2、3、4、5、6、7、10；P138-2、3、4、5、6、7
SUST
金属工艺学
1. 压力加工的基本生产方式有 对于大型重要件，例如大型发电机中转子的毛坯应采用 方法来生产。
，
2. 图示垫圈拟采用简单冲裁模生产，其冲压工序为 （1） 、（2） ，若模具的 单面间隙为 0.05mm，则（1）的凸模尺寸为 、 凹模尺寸为 ，（2）的凸模尺寸 为 、凹模尺寸为 。
自由锻典型零件工序制定 （参见教材111页表3-1）
SUST
金属工艺学
模锻典型零件工序制定（参见教材121页三、锻造工序的确定）
10.根据下图，说明齿轮坯模锻的工艺过程
图3
SUST
金属工艺学
模锻典型零件工序制定（参见教材121页三锻造、锻造工序的确定）
SUST
金属工艺学
冲压工艺制定范例1
计算图示筒形制件的板料直径D拉深次数n及各半成品尺寸，包括直 径di、高度hi 和圆角半径ri 。材料为08F。板厚1mm
金属工艺学
SUST
金属工艺学
分析冲压件的结构工艺性
SUST
金属工艺学
SUST
金属工艺学
(6) 计算各次拉深半成品高度。
SUST
塑性成形第14章塑性加工工艺(轧制挤压)
品表面光洁、板形平直、尺寸精度高和机械性能好。 工艺特点： （1）加工温度低，产生加工硬化，需要中间退火。 （2）采用工艺冷却和润滑 （3）张力轧制
管材轧制
（1）压下量
h h0 h1 h 2R(1 cos)
咬入角 entering angle
D R
O
（2）变形区长度
l2 R2 (R h )2 2
h0
a
A
C
B
l
h1
l Rh (h2 ) Rh 4
b1
b0
tg
R
Rh ( h)
h R
2
h 2R
（3）延伸系数 λ=L1/L0
（4）压下率Biblioteka 表面夹杂暴露在钢材表面上的非金属物质称为 (1)钢坯带来的表面非金属夹杂物。 表面夹杂,一 般呈点状、块状和条状 (2)在加热或轧制过程中，偶然有非金 分布，其颜色有暗红、淡黄、灰白等， 属夹杂韧(如加热炉的耐火材料及炉 机械的粘结在型钢表面上，夹杂脱落 渣等)，炉附在钢坯表面上，轧制时 后出现一定深度的凹坑，其大小、形 被压入钢材，冷却经矫直后部分脱落 状无一定规律。
名。例工、槽、角钢的腿长、腿短、腰 (2)切深孔切人太深，造成腿长无法消除。 厚、腰薄及一腿长，一腿短。
斜轧穿孔生产管材
板带材轧制
特点：宽厚比（B/H）大 规格：中厚板（中板4~20mm，厚板20~60mm，
特厚板60mm以上） 薄板和带材（0.2~4mm） 极薄带材和箔材（0.001~0.2mm） 技术要求： 尺寸精度、板形、表面光洁度、性能
第八章塑性加工
第八章塑性加工※8·1 锻造成形8·2 板料冲压成形8·3 挤压、轧制、拉拔成形8·4 特种塑性加工方法8·5 塑性加工零件的结构工艺性8·6 塑性加工技术新进展本章小结塑性加工的基本知识塑性变形的主要形式：滑移、孪晶。
滑移的实质是位错的运动。
金属经过塑性变形后将使其强度、硬度升高，塑性、韧性降低。
即产生形变强化。
此外，还将形成纤维组织。
塑性加工特点：1·塑性加工产品的力学性能好。
2·精密塑性加工的产品可以直接达到使用要求，不须进行机械加工就可以使用。
实现少、无切削加工。
3·塑性加工生产率高，易于实现机械化、自动化。
4·加工面广（几克~几百吨）。
常用的塑性加工方法：锻造、板料冲压、轧制、挤压、拉拔等。
8·1 锻造成形8·1·1 自由锻定义、手工自由锻、机器自由锻设备（锻锤和液压机）1·自由锻工序（基本工序、辅助工序、精整工序）基本工序：镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转、错移辅助工序：压钳口、压钢锭棱边、切肩各种典型锻件的锻造2·自由锻工艺规程的制订（举例）8·1·2 模锻定义、特点（生产率高、尺寸精度高、加工余量小、节约材料，减少切削、形状比自由锻的复杂、生产批量大但质量不能大）1·锤上模锻2·压力机上模锻8章塑性加工拔长29使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长。
拔长主要用于轴杆类锻件成形，其作用是改善锻件内部质量。
(1)拔长的种类。
有平砥铁拔长、芯轴拔长、芯轴扩孔等。
8章塑性加工30芯轴拔长8章塑性加工芯轴扩孔型砧拔长圆形断面坯料冲孔采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。
其方法有实心冲子双面冲孔、空心冲子冲孔、垫环冲孔等。
8章塑性加工各种典型锻件的锻造1、圆轴类锻件的自由锻2、盘套类锻件的自由锻3、叉杆类锻件的自由锻4、全纤维锻件的自由锻8章塑性加工典型锻件的自由锻工艺示例43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锻件图坯料图序号工序名称工序简图使用工具操作要点1局部镦粗火钳镦粗漏盘控制镦粗后的高度为45mm序号工序名称工序简图使用工具操作要点2冲孔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修整外圆火钳冲子边轻打边修整，消除外圆鼓形，并达到φ92±1 mm续表序号工序名称工序简图使用工具操作要点4修整平面火钳镦粗漏盘轻打使锻件厚度达到45±1 mm续表自由锻工艺规程的制订（1）绘制锻件图（敷料或余块、锻件余量、锻件公差）※锻件图上用双点画线画出零件主要轮廓形状，并在锻件尺寸线下面用括号标出零件尺寸。
2金属在塑性加工变形中组织性能的变化
2 金属在塑性加工变形中组织性能的变化2.1 在冷加工变形中组织性能的变化一、金属组织的变化1、晶粒被拉长在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图2-1在晶粒被拉长的同时，晶间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排列，这种组织称为纤维组织。
变形程度越大，纤维组织越明显。
由于纤维组织的存在，使变形金属的横向（垂直于延伸方向）机械性能降低，而呈现各向异性。
2、亚结构亚结构是指金属经过冷变形后，其各个晶粒被分割成许多单个的小区域，如图3-2图2-1 冷轧前后晶粒形状变化（a ）变形前的退火状态组织；（b ）变形后的冷轧变形组织图2-2 塑性变形时的亚结构3、变形织构（1）定义：由原来位向紊乱的晶粒到出现有序化，并有严格位向关系的组织结构，称为变形织构。
（2）种类：按照坯料或产品的外形可分为丝织构和板织构。
1）丝织构在拉拔和挤压条件下形成的织构称为丝织构。
特点：各晶粒有一共同晶向相互平行，并与拉伸轴线一致，以此晶向来表示丝织构。
如图2-3所示。
2）板织构在轧制过程中形成的织构称为板织构。
特点：晶面与轧制面平行，晶向又与轧制方向一致（见图3-3）。
二、金属性能的变化1.机械性能的改变金属的变形抗力指标随变形程度的增加而升高，金属的塑性指标随变形程度的增加而降低。
2、物理及物理-化学性质的变化（1）金属的密度降低（2）金属的导电性降低（或电阻增大）（3）导热性降低（4）化学稳定性降低（5）金属与合金经冷变形后所出现的纤维组织及结构，皆会使变形后的金属与合金产生各向异性，即材料的不同方向上具有不同的性能。
（a ） （b ）图2-3 多晶体晶粒的排列情况（a ）晶粒的紊乱排列；（b ）晶粒的整齐排列2.2 在热加工变形中对组织与性能的影响一、热加工的变形特点在一定的条件下，热加工变形较其冷加工方法，具有一系列的优点：（1）变形抗力低（2）塑性升高，产生断裂的倾向性减少（3）不易产生织构（4）生产周期短（5）组织与性能基本满足要求不足之处：（1）生产细或薄的产品时较困难（2）产品表面质量差（3）组织与性能的不均匀（4）产品的强度不高（5）金属的消耗较大（6）对含有低熔点的合金不宜加工二、金属组织性能的变化（1）使铸态组织得到压密和焊合。
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3. 特点： ① 具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，
金属可以发挥其最大的塑性，获得大变形 量。可加工用轧制或锻造加工有困难甚至 无法加工的金属材料。
② 可生产断面极其复杂的，变断面的管材和 型材。
③ 灵活性很大，只需更换模具，即可生产出 很多产品。
④ 产品尺寸精确，表面质量好。
⑤ 工艺流程简单，设备投资少，实现生产过程 自动化和封闭化比较容易。
• 外层网格变形为平行四边形，说明承受了剪切变 形，外层金属的主延伸变形比内层的大，沿纵向 制品后端的主延伸变形比前端的大。
• 使用平模或大模角锥模挤压时，都存在死区。模 角增大、摩擦加大、挤压比减小、挤压速度降低， 死区增大。死区的存在对提高制品表面质量极为 有利。
• 棒材前端横向线弯曲很小，制品头部晶粒粗大， 机械性能低劣，应切除。
1.变形区主要参数 2. 轧件在轧辊作用下产生变形的 区 域叫变形区，变形区以外两端 不 产生 变形的区域叫外区或刚端。
（1）压下量
h 2R(1 cos )
（2）变形区长度
l2 R2 (R h )2 2
l Rh ( h2 ) Rh 4
tg
R
Rh ( h)
h R
2
h 2R
b0
h0
⑥ 金属的固定废料损失较大。压余量10～15％， 轧件的切头尾损失仅为1～3％。
⑦ 加工速度低。 ⑧ 沿长度和断面上制品的组织、性能不够均一。 ⑨ 工具消耗较大。
小结： 挤压法非常适合于生产品种、规格、批数繁多
的有色金属管、棒、型材及线坯。在生产断面复杂 的或薄壁的管材和型材，直径与壁厚之比趋近于2的 超厚壁管材，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面， 挤压法是唯一可行的压力加工方法。
• 1 咬入条件
• 1) 咬入:依靠回转的轧辊与轧件之间 的摩擦力,轧辊将轧件拖入轧辊之间 的现象.
2) 咬入条件的确定(分析金属刚被咬入时的受力)
α
p
αα
轧件受力分析
轧辊受力分析
受力分析
α
p
αα
轧件受力分析
轧辊受力分析
轧件受垂直合力: (使轧件受压变形)
F y T sin p cos (T Pf )
第三节 挤压
一、挤压原理、基本方法 及特点
1. 挤压定义：对放在挤压筒内的金属坯料 施加压力，使之从特定的模孔中流出， 获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加 工方法。
2. 挤压方法： 可按挤压方向、变形特征、 润滑状态、挤压温度、挤压速度、模具 种类或结构、坯料形状或数目、制品形 状或数目分类。
常用挤压方法
水平合力 :
F x T cos p sin 当 F x 0轧件才可能被咬入, 完成轧制.
结论
T sin tg P cos f tg (咬入条件)
说明咬入角的正切等于 轧件与轧辊之间的摩擦系数
物理概念
• 根据物理概念: • 摩擦系数可用摩擦角表示.即摩擦角的正切
就是摩擦系数f. • tgβ=f • 则 tgβ≥tgα • β≥α • 轧制过程中的咬入条件为摩擦角大于咬入
轧件边旋转边沿自身纵轴线方向前进，且前进
方向与轧辊纵轴线方向成一定角度。
5.
横轧：轧辊的纵轴线相互平行，轧件沿自
己的横轴线方向运动前进，与轧辊纵轴线垂直。
3. 按轧制生产过程 半成品轧制—开坯 成品轧制—粗轧、精轧
纵轧
斜轧
横轧
三、板带材轧制
特点：宽厚比（B/H）大 规格：中厚板（中板4~20mm，厚板20~60mm，
（3）终了挤压阶段 挤压力上升
各种缩尾形成过程示意图 减少缩尾的措施：进行不完全挤压，留压 余；脱皮挤压；机加工锭坯表面。
2. 反挤压时的金属流动
• 挤压力比正挤压小30～40％，且与坯料长度 无关。
• 反挤压时的塑性变形区很小，集中在模孔附 近，网格的横向线与筒壁基本上垂直，进入 模孔时才发生剧烈的弯曲。不存在锭坯内中 心层与周边层区域的相对位移，金属流动较 均匀。
角, β =α为临界条件
3. 咬入条件
a
R
N T
T
N
Nx
Tx
咬入时
α φ
P
T
θ
咬入后
改善咬入条件的途径： （1）降低角： （2）提高角：
二、轧制方法
1. 按轧制温度 热轧
2.
冷轧
2. 按轧件与轧辊的相对运动关系
3.
纵轧：轧辊的纵轴线相互平行，轧件运动
方向与延伸方向与轧辊纵轴线垂直。
4.
斜轧：轧辊的纵轴线倾斜互成一定角度，
• 产生挤压缩尾的倾向很小，压余可比正挤压 时减少一半。
• 挤压筒和模具的磨损小，寿命长。
• 死区很小，恶化制品表面质量。
3. 影响金属流动的因素
（1）挤压筒壁上的摩擦力 （2）筒温 （3）金属导热性 （4）润滑剂的绝热性 （5）合金相状态 （6）金属的强度 （7）模角 （8）变形程度
D
R O
a
A
C
B
l
b1
h1
（3）延伸系数 λ=L1/L0
（4）压下率
(h / h0 ) 100%
（5）宽展
b =b1－b0
3. 咬入条件
a
R
N T
T
N
Nx
Tx
咬入时
α φ
P
T
θ
咬入后
4 实现轧制过程的条件
• 轧制过程是否能建立，决定于轧件能否被旋转 的轧辊咬入．因此，研究分析轧辊咬入轧件的 条件，具有非常重要的实际意义．
二、挤压基本理论
1. 正挤压时金属的流动
挤 压 力 P
Ⅰ
正挤压
பைடு நூலகம்反挤压
Ⅱ
Ⅲ
挤压轴位移
（1）填充挤压阶段： 锭筒间隙，填充系数 Rt=Ft/F0 坯锭的长度与直径之比
（2）基本挤压阶段 挤压比＝锭坯断面积/制品断面积
• 纵向线两次弯曲，弯曲角度由外向内逐渐缩小。 压缩锥（变形区）。
• 横向线弯曲。
塑性加工工艺
第二节 轧制
轧制定义： 靠旋转的轧辊与轧件之间形成
的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并 使之受到压缩产生塑性变形的过程。
一、轧制过程及其基本原理
• 简单理想轧制过程： • 两个轧辊均被驱动、直径相等、转速相同； • 轧制过程中两个轧辊完全对称； • 轧辊为刚性的；轧件除受轧辊作用外，不受
其它外力作用； • 轧件的机械性质均匀。
特厚板60mm以上） 薄板和带材（0.2~4mm） 极薄带材和箔材（0.001~0.2mm） 技术要求： 尺寸精度、板形、表面光洁度、性能
四、管材轧制
1. 无缝钢管 （1）穿孔
（2）轧管：自动轧管机 （3）均整：带芯棒斜轧 （4）定径和减径：无芯棒连轧
2. 焊管 将管坯（钢板或带钢）弯曲成所需的钢管形 状，然后采用焊接法焊接成钢管。