第六章 固态成形 —— 金属压力加工

1. 第六章 固态成形——金属压力加工 [机械制造工程]精品课程小组

2. 教学目的与要求: • 1.了解金属压力加工的基本原理。 • 2.掌握常用压力加工的工艺装备，主要工艺过程、特点及应用条件。 • 重点、难点： • 教学内容： • 1.金属压力加工的基本原理。 • 2.锻造成形，冲压成形 • 重点：常用压力加工方法的特点及应用条件。 • 难点：金属压力加工的基本原理。

3. 一、何谓固态成形（金属压力加工) 金属在固态条件下，对其施加压力，使其产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的成形工艺，称为固态成形（也称为塑性成形、固态利用成形)工艺。

4. 二、常用的成形方式 板料冲压 模锻 自由锻

5. 拉拔 挤压 轧制

6. 轧制产品截面形状图 挤压产品截面形状图 拉拔产品截面形状图

7. 三、特点 优点： 1.压力加工：机械性能好，强度高，韧性好，承载大； 2.某些加工方法不需或者少后序加工，效率高，材料利用率高。 缺点： 1.工艺投入比较大，成本高； 2.都需要模具； 3.形成复杂件难以成形，或者不能成形。

8. 四、应用条件 1. 液态成形达不到性能要求的，可采用压力加工。 2. 在工艺上不适合采用液态成形的制件。 承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等），都应采用锻件毛坯加工。 压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。

9. 第一节 金属压力加工基本原理 一、金属塑性变形的实质 1. 单晶体 单晶体的变形过程示意图

10. 2. 晶体变形特点 多晶体塑性变形示意图

11. 二、金属的加工硬化与回复、再结晶 (一)加工硬化 1. 现象 随着变形程度的增加，金属的强度和硬度逐渐升高，而塑性和韧性降低，这种现象称为加工硬化。 2. 原因 金属发生塑性变形时， 位错密度增加, 位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化， 使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。

12. 3 . 影响 (1) 可提高材料的硬度，耐磨性，特别是不能通过热处理强化的金属材料。 (2) 不利因素，后需继续加工不利。 4、消除加工硬化的措施 (1) 再结晶退火。 (2) 去应力退火 。

13. （二）回复 加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发回复到稳定状态的倾向，但在室温下不易实现。当提高温度时，原子因获得热能，热运动加剧，使原子排列回复到正常状态，从而消除晶格扭曲，并部分消除加工硬化。这个过程称为”回复”。 回复温度T回，T回＝（0.25～0.3）T熔 T回、T熔为用绝对温度表示的回复温度、熔点

14. 常温下塑性变形对低碳钢机械性能的影响

15. （三）再结晶 1.再结晶的概念 变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。 2.再结晶温度 再结晶温度指的是最低再结晶温度（T再），通常用经大变形量（70%以上）的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。 最低在结晶温度（T再）与该金属的熔点（T熔）的关系： T再=（0.35～0.4）T熔

16. 3.影响最低再结晶温度的因素： (1)预先变形度； (2)金属的熔点； (3)杂质和合金元素； (4)加热速度和保温时间。 4.再结晶后晶粒的晶粒度 再结晶晶粒度取决于: (1)塑性变形程度； (2)加热温度； (3)保温时间

17. 加热过程中材料的性能变化

18. 三、金属塑性变形的分类 1. 种类 （1）冷变形(冷变形<T再) • 在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。 • 变形过程中只有加工硬化而无再结晶现象，金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，变形后的金属只具有加工硬化组织。 • 冷变形加工的产品具有表面质量好，尺寸精度高，力学性能好的优点，一般不需再进行切削加工。

19. 2) 热变形（T再<热变形） • 在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。 • 变形产生的加工硬化立即随金属的再结晶而消失，变形后金属具有细而均匀的再结晶等轴晶粒组织而无任何加工硬化痕迹。 • 金属只有在热变形的情况下，才能在较小的变形功的作用下产生较大的变形，加工出尺寸较大和形状较复杂的工件；同时，能获得具有较高力学性能的再结晶组织。 • 由于热变形是在高温下进行的，因而金属在加热过程中，表面容易形成氧化皮，产品尺寸精度和表面质量较低。 • 金属在自由锻﹑热模锻﹑热轧﹑热挤压中的变形都属于热变形。

20. 2、热变形和冷变形特点比较 1) 加工性：热变形优于冷变形； 2）制件质量：冷变形优于热变形； 3）共同处：都可以提高承载能力。

21. 金属的纤维组织和各向异性 • 由于金属压力加工生产采用的最初坯料内部存在杂质，因此在产生塑性变形时，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，沿着变形方向被拉长，呈纤维形状，这种结构称为纤维组织。 • 纤维组织使金属在性能上具有方向性，平行于纤维方向（纵向）上的塑性和韧性明显高于垂直于纤维方向（横向）上的相应性能。金属的变形越大，纤维组织越明显，性能的方向性也就越明显。

22. 切削加工曲轴 锻造曲轴

23. 3、选择 充分利用纤维组织方向性应遵循原则： 1、使零件所受最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。 2、使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断。 1）根据材料性能； 2）根据制件复杂程度。

24. 四、金属的可变形性——压力加工性 • 评定条件 1）金属的塑性 2）变形抗力 2、影响因素 1）化学成分 2）金属组织 3）变形温度 4）变形速度 5）应力状态

25. 第二节 锻造成形 一、锻造加热 1. 锻造温度范围 2. 加热速度 （1）导热性； （2）截面积大小； （3）形状复杂程度。

26. 二、锻造成形工艺 1、自由锻 • 自由锻是用冲击力或压力使金属在锻造设备的上下砧块（或砥铁）间产生塑性变形，从而获得所需几何形状及内部品质锻件的压力加工方法。 • 自由锻的打击力来自锻锤或手锤，靠人工而不用模具来控制金属的变形。 • 实际生产中最常用的是镦粗、拔长、冲孔、错移、扭转等工序。

27. 2、模锻 • 模锻是将加热到锻造温度的金属坯料置于锻模模膛内，使其承受一次或多次冲击力或压力的作用而被迫流动成型以获得锻件的压力加工方法。 • 方法分类：锤上模锻、曲柄压力机模锻、 平锻机模锻、摩擦压力机模锻。

28. C41-150空气锤

29. 蒸汽锤

30. YQ12系列快速锻造液压机 • 锻造液压机主要用于进行各种自由锻造工艺，利用上、下砧块和一些简单的通用工具进行拔长，镦粗、精整、冲孔、切断等工序，也可完成胎膜锻工艺。

31. J53-300 双盘摩擦压力机 J53-8000t

32. 连杆锻模的工作原理

33. 压力机上模锻工作原理

34. 平锻机上模锻工作原理示意图

35. 3、胎模锻 • 胎模锻是介于自由锻和模锻之间的一种锻造方法。在自由锻设备上，使用可移动的胎模生产锻件的锻造方法，称为胎模锻造方法。

36. 胎模锻工作示意图

38. 4、应用条件 1）生产批量； 2）锻件质量要求，各种加工方法所达到的加工质量不一样； 3）锻件的尺寸、重量大小； 4）锻件形状复杂程度。

39. 5、模锻的特点（与自由锻相比） 1)加工质量； 2)加工效率； 3)工艺投入费用； 4)灵活性大小； 5)适用范围大小； 6)工人劳动强度； 7)对工人技术要求。

40. 三、 模锻工艺规程的制定 • 锤上模锻成形的工艺过程一般为： • 切断坯料→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→入库存放。

41. 1、模锻件图的绘制 (1) 选择模锻件的分模面； 锤上模锻示意图

42. (2) 确定模锻件的机械加工余量及尺寸公差； (3) 确定模锻斜度和圆角； (4) 留冲孔连皮。 带有冲孔连皮及飞边的模锻件

43. 2. 确定变形工步

44. 第三节 板料的冲压成形 一、何谓冲压成形 • 板料冲压成形是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法，板料冲压的坯料厚度一般小于4mm，通常是在常温下进行的，所以又叫冷冲压。 二、工艺分类 • 分离工序 • 变形工序

45. 三、板料冲压的特点 1、操作简单，加工效率高； 2、一般不需再进行切削加工，因而节约材料，节约能源消耗； 3、加工质量高，基本不需要后序加工； 4、对工人技术要求低； 5、灵活性差。

46. 四、应用 1、较大批量； 2、原始坯料较薄的板材； 3、只能生产薄壁的制件。

47. 五、常用冲压方法 (一) 冲裁与剪切 1、剪裁工序及其设备 2、冲压设备

48. 3、落料和冲孔 • 落料：被分离的部分为成品，而留下的部分是废料； • 冲孔：被分离的部分为废料，而留下的部分是成品。

50. 冲裁过程示意图