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1、第八章金属的塑性变形第1页，共22页，编辑于2022年，星期三单晶体金属的变形有“滑移”、“孪晶”在比例极限（弹性变形阶段）范围内，金属承受切应力时，由于大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，产生晶体塑性变形叫滑移。现象如图示。产生塑性变形时还有一种晶体变化形式叫孪晶，它是晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面产生一定角度的切变，如P202图8-1d所示。第2页，共22页，编辑于2022年，星期三2、多晶体金属的塑性变形与单晶体金属相似，只是因排列的取向不同，滑移受相邻位向不同晶粒的阻碍，在晶界附近造成位错堆积。二、冷变形对金属组织和性能的影响1、产生冷
2、变形强化现象在变形量不大时，由于位错堆积，造成各晶粒破碎，使金属塑性变形的抗力增大，因此，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这就是冷变形强化，也叫冷作硬化。2、产生残余内应力由于多晶体变形分布的严重不均匀性，使金属内部产生应力。导致零件在使用中变形，所以，通常都要进行退火处理，消除残余内应力。第3页，共22页，编辑于2022年，星期三三、冷变形金属在加热时的组织和性能变化（见图8-4）1、低温加热能少量恢复金属内部的位错缺陷，减轻晶格畸变，消除部分因此而产生的内应力。此阶段成为回复，回复温度一般控制在（0.250.3)倍的熔点温度。比如冷卷弹簧卷制完成后都要进行250300的去应力
3、处理，使其定型。2、高温加热变形金属加热到较高温度时，组织中破碎的晶粒形成新的等轴晶粒（呈外观不规则的圆球状），完成了再结晶。此时，金相组织发生了彻底变化，内应力被消除，强度、硬度显著下降，塑性、韧性明显提高，冷作硬化现象消失。几种金属的再结晶退火和去应力退火的温度见表8-1第4页，共22页，编辑于2022年，星期三四、热变形对金属组织和性能的影响1、热变形对金属组织的影响主要是针对钢锭，钢锭的热变形就是锻造或轧制。（1）消除铸态组织 使钢锭中的树枝状晶粒再结晶成等轴晶粒，提高金属的塑性和强度。（2）使晶界处的碳化物均匀的分散在金属基体内，提高金属的使用性能。（3）形成纤维组织见（图8-5），
4、提高金属的机械性能，如吊钩。纤维组织的明显程度，于金属的变形程度有关，变形程度用锻造比来表示，其概念见P205，（解释）。第5页，共22页，编辑于2022年，星期三2、热变形对金属性能的影响锻造不仅使金属组织发生变化，金属性能同时也发生变化。实践表明，碳素钢拔长时，锻造比增加，强度b指标变化不大，而塑性、韧性指标k变化明显。见P205图8-6。当锻造比达到2-5时，开始逐渐形成纤维组织，同时，力学性能也出现各项异性。3、纤维组织的利用纤维组织的化学稳定性很高，难以用热处理消除，只能用压力加工的方法来改变其方向和分布状况，因此制定加工工艺时应根据受力情况注意两点。（1）零件所受拉应力应与纤维方向
5、一致，切应力与纤维方向垂直。2、使纤维组织与零件轮廓相符而不被切断，如图8-7。第6页，共22页，编辑于2022年，星期三五、常用金属材料锻造性能1、影响锻造性能的因素（1）合金的成分纯金属比合金好；钢中含碳化物含量越高，锻造性能越差。（2）变形条件金属加热能提高锻造性，如低碳钢加热到300以上时，原子动能增加，塑性提高，锻造性得到改善。但过高后产生过烧、脱碳、严重氧化等缺陷。变形方式不同，金属内部产生的应力不同：拉拔使组织疏松，塑性下降；挤压使组织细腻，塑性增加。2、常用金属材料的锻造性能具有细小晶粒、单相组织、面心立方晶体结构的合金锻造性较好如铝、铜、铅-Fe；组织结构复杂的高合金比低合金
6、差；铸铁因含有大量的渗碳体和石墨，不能锻造。第7页，共22页，编辑于2022年，星期三第二节：锻造成型 3.2.1 3.2.1 锻造锻造 锻造锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。的锻件的加工方法。按所用的设备和工（模）具的不同，可分为按所用的设备和工（模）具的不同，可分为自由锻和模锻自由锻和模锻两大类。两大类。1.自由锻 只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下帖间直接使坯只用简单的通用性工具，或
7、在锻造设备的上、下帖间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件的加工方法。料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件的加工方法。（1 1）分类 1）手工锻造，用于生产小型锻件。2）机器锻造（如用空气锤，见图8-11），用来生产大、中型锻件。第8页，共22页，编辑于2022年，星期三（2）特点 1）金属坯料在水平方向可自由流动；2）可使用多种锻压设备；3）锻件力学性能好；4）节约金属，减少切削加工工时；5）锻件形状简单，精度低；6）生产率较低，劳动强度较大。主要用于形状简单的单件小批生产。2 2、自由锻基本工序：、自由锻基本工序：常用的的工序。如镦粗、拔长、冲孔、弯曲等。（1）墩粗1)完全
8、镦粗。完全镦粗是将坯料竖直放在砧面上,在上砧的锤击下,使坯料产生高度减小,横截面积增大的塑性变形。2)局部镦粗（垫环墩粗）。将坯料加热后,一端放在漏盘或胎模内,限制这一部分的塑性变形,然后锤击坯料的另一端,使之镦粗成形 见图8-12。第9页，共22页，编辑于2022年，星期三(2)拔长 拔长是使坯料横断面积减小、长度增加的锻造工序。拔长常用于锻造杆、轴类零件。拔长的方法主要有两种:1)在平砧上拔长：就是普通的碾打延长。2)在芯棒上拔长：用于锻造套筒类长空心锻件，锻造时,先把 芯棒 插入冲好孔的坯料中,然后当作实心坯料进行碾打，完成后，取出 芯棒。为便于取出 芯棒,芯棒 的工作部分应有 1:10
9、0 左右的斜度。这种拔长方法可使空心坯料的长度增加,壁厚减小,而内径不变,见图8-13c。第10页，共22页，编辑于2022年，星期三(3)冲孔 冲孔是在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序。方法主要有两种:1）双面冲孔法。用冲头在坯料上冲至 2/33/4 深度时,取出冲头,翻转坯料,再用冲头从反面对准位置,冲出孔来。2）单面冲孔法。厚度小的坯料可采用单面冲孔法。冲孔时,坯料置于垫环上,将一略带锥度的冲头大端对准冲孔位置,用锤击方法打入坯料,直至孔穿透为止。见图8-14a(4)弯曲 弯曲采用一定的工模具将坯料弯成所规定的外形的锻造工序,称为弯曲。如图8-15 弯曲用于得到形状和尺寸较准确的小型锻件
10、。第11页，共22页，编辑于2022年，星期三3、对自由锻件的结构工艺性要求 见表8-24、锻件的加热和冷却（1）锻造温度范围的确定以铁碳合金图为依据，始锻温度比AE线低200左右，温度过高，产生过烧缺陷，过低，变形抗力增加，锻件易被打裂。几种常见材料的始锻、终锻温度见表8-3。（2）锻件的冷却和热处理钢在锻造后的冷却过程中出现热应力和组织应力，应采用不同的处理方法。1）中、低碳钢的中小型锻件采用空冷。2）合金钢采用坑冷或砂、灰冷。3）高碳、高合金钢采用炉冷（加热到500-700）。第12页，共22页，编辑于2022年，星期三 二、模锻 利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。常用的模锻设备有蒸汽-
11、空气模锻锤、压力机等。1、锤上模锻：锤锻模具叫锻模，由带有燕尾的上、下模组成。下模固定在模座上，上模固定在蒸汽（空气）锤锤头上，并随锤头作上下往复锤击运动使锻坯在模膛中成形。模膛：根据锻件形状在锻模上开设的凹腔。单膛模，只有一个模膛的锻模，如图。第13页，共22页，编辑于2022年，星期三多膛模：有多个模膛的锻模，如图。使用方法：坯料在各个模膛内依次变形，最后在终锻模膛成型。优点：能锻造形状复杂、尺寸精确的锻件，切削余量小，节省原材料，操作简单，生产效率高，适应中小型锻件的大批量生产。缺点：模具成本高锻模切边模第14页，共22页，编辑于2022年，星期三 2、胎模锻：在自由锻设备上使用可移动模
12、具的锻造方法，一般先用自由锻预锻雏形，然后再用胎模终端成型。（1）胎模种类：有扣模、套筒模、合模（详见P212及图8-19）（2）特点：与自由锻相比：锻件质量好；生产率高；节约金属。与自由锻相比：锻件质量好；生产率高；节约金属。与自由锻相比：锻件质量好；生产率高；节约金属。与自由锻相比：锻件质量好；生产率高；节约金属。与模锻相比：与模锻相比：与模锻相比：与模锻相比：操作灵活；生产准备周期短；操作灵活；生产准备周期短；操作灵活；生产准备周期短；操作灵活；生产准备周期短；锻件表面质量较差；锻件表面质量较差；锻件表面质量较差；锻件表面质量较差；劳动强度大。劳动强度大。劳动强度大。劳动强度大。适合中小
13、批量生产。3、压力机上模锻：与锤上模锻相同，区别只是将空气锤变成了压力机。工作原理图见图8-21。第15页，共22页，编辑于2022年，星期三第三节 板料冲压冲压是使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称。（2 2）冲压特点）冲压特点 1 1 1 1）冲压件轻、薄、刚度好；）冲压件轻、薄、刚度好；）冲压件轻、薄、刚度好；）冲压件轻、薄、刚度好；2 2 2 2）生产率和材料利用率高；）生产率和材料利用率高；）生产率和材料利用率高；）生产率和材料利用率高；3 3 3 3）成品成品形状可较复杂、形状可较复杂、形状可较复杂、形状可较复杂、尺寸精度高尺寸精度高、表面质量好、表面质量好、质量稳定质量稳定质量
14、稳定质量稳定 ，一般无需切削加工；，一般无需切削加工；，一般无需切削加工；，一般无需切削加工；4 4 4 4）大批量生产时，产品成本低。）大批量生产时，产品成本低。）大批量生产时，产品成本低。）大批量生产时，产品成本低。应用：汽车、拖拉机、电机、电器、仪表仪器、轻工和应用：汽车、拖拉机、电机、电器、仪表仪器、轻工和日用品及国防工业生产等领域。日用品及国防工业生产等领域。常用的冲压材料有低碳钢、高塑性合金钢、铝和铝合金、常用的冲压材料有低碳钢、高塑性合金钢、铝和铝合金、铜和铜合金等金属板料、带料与卷料，还可加工纸板、塑料铜和铜合金等金属板料、带料与卷料，还可加工纸板、塑料板、胶木板、纤维板等非金
15、属板料。板、胶木板、纤维板等非金属板料。第16页，共22页，编辑于2022年，星期三（1）冲压设备：）冲压设备：1）剪床：用来把板料切成一定宽度的条料，为后续的冲）剪床：用来把板料切成一定宽度的条料，为后续的冲压备料压备料,工作原理图见工作原理图见8-23 第17页，共22页，编辑于2022年，星期三2）冲床：用来完成冲压的各道工序，生产出合格的产品。工作原理见图8-24。（一）分离工序：（一）分离工序：即利用即利用冲模冲模将板料以将板料以封闭封闭轮廓线轮廓线或或不封闭不封闭的轮廓线的轮廓线与坯料分离的冲压方法。与坯料分离的冲压方法。即用带刃口的冲模使板料分离。沿封闭轮廓分离叫冲裁:如：冲孔（
16、图8-26）、落料（图8-26）等。沿非封闭轮廓分离叫剪切，如：切口、剖切等。二二.冲压基本工序冲压基本工序基本工序分为分离和变形两大工序基本工序分为分离和变形两大工序第18页，共22页，编辑于2022年，星期三1、弯曲、弯曲：即将板料、型材或管材在弯矩的作用下弯成具有即将板料、型材或管材在弯矩的作用下弯成具有一定曲率和角度的制件的成形方法。一定曲率和角度的制件的成形方法。1 1）弯曲变形过程：）弯曲变形过程：弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 塑性弯曲塑性弯曲板料受力：外侧受拉应力板料受力：外侧受拉应力“+”“+”；内侧受压应力内侧受压应力“-”“-”。外层开裂外层开裂：当：当 外外 b b
17、时，则产生弯裂。时，则产生弯裂。故应限制板料的最大弯曲变形程度（即最小故应限制板料的最大弯曲变形程度（即最小弯曲半径）弯曲半径）,同时注意毛坯下料方向，最好同时注意毛坯下料方向，最好使板料流线方向与弯曲线垂直。使板料流线方向与弯曲线垂直。(二)变形工序第19页，共22页，编辑于2022年，星期三3 3）回回弹弹-由由于于外外力力去去除除后后弹弹性性变变形形的的恢恢复复，造造成成工工件件的的弯弯曲曲角角度度、曲曲率率半半径径与与模模具具不不一一致致的现象。的现象。故故一一般般在在设设计计弯弯曲曲模模时时，模模具具角角度度应应比比成成品品角角度度略略小小一一个个回回弹弹角角度度；或或改改进进工工件
18、件结结构构、弯曲方式及模具结构来减少回弹。弯曲方式及模具结构来减少回弹。2 2）最小弯曲半径：）最小弯曲半径：即坯料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时内表面的即坯料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时内表面的弯曲半径，用符号弯曲半径，用符号r rminmin表示。表示。故在生产中：故在生产中：r rr rminmin。第20页，共22页，编辑于2022年，星期三4 4）弯曲的分类和应用：）弯曲的分类和应用：按所用设备和工具不同，弯曲可分为压弯，拉弯和辊弯等类按所用设备和工具不同，弯曲可分为压弯，拉弯和辊弯等类按所用设备和工具不同，弯曲可分为压弯，拉弯和辊弯等类按所用设备和工具不同，弯曲可分为压弯，拉弯和辊弯等类
19、型。型。型。型。压弯：即用凸模将坯料压入凹模弯曲成形。压弯：即用凸模将坯料压入凹模弯曲成形。压弯：即用凸模将坯料压入凹模弯曲成形。压弯：即用凸模将坯料压入凹模弯曲成形。弯曲工艺适应性强，最常用；弯曲工艺适应性强，最常用；弯曲工艺适应性强，最常用；弯曲工艺适应性强，最常用；拉弯：是使坯料在受拉状态下沿模具弯曲成形。拉弯：是使坯料在受拉状态下沿模具弯曲成形。拉弯：是使坯料在受拉状态下沿模具弯曲成形。拉弯：是使坯料在受拉状态下沿模具弯曲成形。用于弯曲半径较大的工件；用于弯曲半径较大的工件；用于弯曲半径较大的工件；用于弯曲半径较大的工件；辊弯：是使坯料受辊轴旋转时摩擦力作用，连续辊弯：是使坯料受辊轴旋
20、转时摩擦力作用，连续辊弯：是使坯料受辊轴旋转时摩擦力作用，连续辊弯：是使坯料受辊轴旋转时摩擦力作用，连续 进入辊轴间弯曲成形。进入辊轴间弯曲成形。进入辊轴间弯曲成形。进入辊轴间弯曲成形。常用于圆柱面和圆锥面加工。常用于圆柱面和圆锥面加工。常用于圆柱面和圆锥面加工。常用于圆柱面和圆锥面加工。第21页，共22页，编辑于2022年，星期三 2、拉深：也称为拉延，是使板料成形为空心件而厚度基本不变的加工方法。拉深模与冲裁模的主要区别:工作部分不是锋利的刃口而是圆角；凸模与凹模的间隙显著增加，一般 单侧间隙应稍大于板厚。三、冲压成型常用方法三、冲压成型常用方法有简单冲模成型、连续冲模成型和复合冲模成型三种有简单冲模成型、连续冲模成型和复合冲模成型三种，详见图8-29、30、31。d d第22页，共22页，编辑于2022年，星期三