金属的铸造成形工艺Word文件下载.docx

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6-2冷变形及热变形

金属的塑性变形冷变形——在再结晶温度以下的变形

热变形——在再结晶温度以上的变形

一、冷变形

变形过程中无回复与再结晶现象，变形后的金属只具有加工硬化现象——故变形过程中变形程度不宜过大，避免产生破裂。

冷变形可获得较高硬度和低粗糙度，可提高产品的表面质量和性能。

常温下进行的冷镦、冷挤、冷轧、冷冲压

二、热变形

变形后，金属具有再结晶组织，而无加工硬化痕迹。

金属只有在热变形情况下，才能以较小的功达到较大的变形，同时能获得具有高力学性能的再结晶组织。

故，金属压力加工多采用热变形来进行。

自由锻、热模锻、热轧、热挤压等。

6-3纤维组织的利用原则

压力加工最原始坯料—铸锭（钢锭）

内部组织很不均匀、晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。

加热压力加工后→塑性变形、再结晶→改变粗大铸造组织→获得细化再结晶组织，并使气孔、缩松、压合→致密、力学性能↑

铸锭在压力加工产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生变形→沿着变形方向被拉长，呈纤维形状→这种结构叫纤维组织。

它使金属性能上具有方向性，对变形后的质量也有影响。

顺纤维方向的力学性能优于横纤维方向；

金属的变形程序越大，纤维组织越明显，力学性能的方向性也越显著。

[注]纤维组织的化学稳定性强，不能用热处理方法加以消除，只有经过锻压，使金属变形，才能改变其方向和形状。

因此，为获得具有最好力学性能的零件，设计、制造时，应充分利用纤维组织方向性。

①使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断。

②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。

（图6-9）切削加工与局部镦粗。

6-4影响塑性变形的因素

金属的可锻性——衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一个工艺性能。

可锻性好——适合于压力加工成形

可锻性差——不宜于选用压力加工

可锻性常用金属的塑性

变形抗力综合衡量

塑性越大、变形抗力越小——可锻性好

金属的塑性，用截面收缩率ψ、延伸率δ、冲击韧性αk表示，

ψ、δ、αk↑→塑性↑，

变形抗力——金属对变形的抵抗力。

变形抗力↓→变形中所消耗的能量↓，

金属的可锻性取决于材质和加工条件。

一、材料性质的影响

1．化学成分的影响

纯金属的可锻性比合金要好；

纯铁、低碳钢、高合全钢——可锻性依次下降

2．金属组织的影响

内部的组织结构不同，可锻性差别很大

纯金属及固溶体（如奥氏体）的可锻性好；

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。

二、加工条件的影响

1．变形温度的影响

提高变形时的温度→改善可锻性，并对生产率、产品质量及金属的有效利用均影响大。

但温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷→锻件报废

应严格控制锻造温度——始锻温度和终锻温度间的温度范围（以合金状态图为依据）

2．变形速度的影响

变形速度——单位时间内的变形程度。

其影响是矛盾的（图6-12）

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→金属塑性↓抗力↑→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，使温度升高（热效应现象），使塑性↑变形抗力↓（图中a点以后）→可锻性好，但热效应现象除高速锤锻造外，一般压力加工的变形过程不明显→故采用较小的变形速度为宜。

3．应力状态的影响

三向应力状态图中压应力数量↑→塑性好

拉应力数量↑→塑性差

（图6-13）（图6-14）

第七章锻压成形工艺

锻压成形自由锻（无模自由成形）

模锻（模膛塑性成形）

自由锻——利用冲击力或压力使金属在上、下砥铁间产生塑性变形→所需几何形状及内部质量的锻件。

手工自由锻——小型锻件，生产率低

机器自由锻——锤上自由锻——空气锤、蒸汽—空气锤（1500kg锻件）

液压机上自由锻——水压机（300吨锻件）

生产巨型锻件唯一成形设备

自由锻可分为基本工序、辅助工序、精整工序

基本工序——使金属坯料产生一定程度的塑性变形，满足形状、尺寸

辅助工序——为基本工序操作方便而进行的预先变形工序

（如压钳口、压钢锭棱边、切肩等）

精整工序——用以减少锻件表面缺陷

[注]由于自由锻的生产效率低，对操作工人技艺要求高，劳动强度大，锻件精度差→自由锻日趋衰落，而模锻逐渐取代自由锻

国外工业发达国家，自由锻（中、小型）只占20%~40%。

7-1模膛锻造成形

模锻——在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形，在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。

模锻与自由锻比较有如下优点。

①生产率较高

②模锻尺寸精确，加工余量小

③可锻出形状比较复杂的锻件

④节省金属材料，减少切削加工量

⑤操作简单，易于机械化、自动化

模锻按使用的设备不同分为：

锤上模锻（固定模腔成形）

胎模锻

压力机上模锻

一、胎模锻造成形工艺及应用

在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。

两种方法：

胎模放在砧座上，将加热后的坯料放入胎模，锻制成形

自由锻预锻→胎模终锻成形

特点及应用——生产率较高，锻件质量好，节省材料，成本低，不需专用锻造设备，模具简单，易制造，应用——小批量生产（也逐渐淘汰）。

二、固定模膛成形工艺的分类及设备

成型设备不同：

锤上模镗成形工艺——大批量（蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤）

压力机上模镗成形工艺

设备：

曲柄压力机、摩擦压力机、平锻机、模锻水压机等

7-2锻模模膛及其功用

（图7-2）锤上模锻用的锻模

模膛根据功用的不同，可分为：

模锻模膛（终锻模镗、预锻模镗）

制坯模膛：

拔长模膛（图7-4）

（预先制坯）滚压模膛（图7-5）

弯曲模膛（图7-6）a）

切断模膛（图7-6）b）

终锻模镗——形状同锻件，尺寸比锻件放大一个收缩量。

（图7-3）

预锻模镗——形状、尺寸与锻件接近，无飞边槽，圆角和斜度较大

[注]按变形的模膛数：

单膛锻模（如齿轮坯）

多膛锻模（图7-7）

7-3锤上模锻成形工艺设计

模锻生产的工艺规程包括：

制订锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步（选模膛）、选择设备及安排修整工序等。

最主要是锻件图的制定和模锻工步的确定

一、模锻锻件图的制定

是设计和制造锻模、计算坯料、检查锻件的依据。

制定时应考虑如下几个问题：

1．选择模锻件的分模面

（图7-8）选d-d是最合理的

2．余量、公差及敷料

余量一般为1~4mm；

公差一般取在±

0.3~3mm

3．模锻斜度（图7-9）

一般5°

~15°

α2-α1=2°

~5°

4．模锻圆面半径（图7-10）

R＞r

5．留出冲孔连皮

d<

25mm孔一般不锻出

d>

25mm孔带冲孔连皮（图7-3）

连皮厚度s与d有关，d=30~80→s=4~8mm

（图7-11）齿轮坯模锻件图

粗实线——锻件的形状

双点划线——零件的轮廓形状

二、模锻工步的确定及模膛种类的选择

形状分长轴类锻件（图7-12）

盘类锻件（图7-13）

模锻工步确定后，再选择制坯模膛和模锻模膛。

[注]：

修整工序——①切边和冲孔②热处理———正火、退火

③校正——防变形④清理——去氧化皮等

三、模锻成形件的结构工艺性

便于模锻生产，降低成本

原则：

①②③④⑤

7-4压力机上模膛成形

由于模锻锤工作时震动、噪音大，劳动条件差，蒸汽效率低，能源消耗多等缺点。

近年来，大吨位模锻锤有逐步被压力机所取代趋势。

压力机有：

摩擦压力机、曲柄压力机、平锻机、模锻水压机

一、摩擦压力机上模锻

（图7-17）工作原理

吨位350t~1000t

多用于中、小型锻件

特点：

①②③④

——结构简单，造价低，投资少，使用维修方便，基建要求不高、工艺用途广泛。

中、小型工厂均有此类设备

二、曲柄压力机模锻

传动系统如（图7-18）

吨位2000~12000吨

锻件精度高，生产率高，劳动条件好，节省金属等

适合于大批大量生产（造价高）

三、平锻机上模锻

（图7-19）传动图滑块水平运动

吨位500kN~31500kN（50～3150吨）

φ25mm~φ230mm棒料

7-5模锻件的缺陷

1．错模

2．欠压

3．局部充不满—无法修正

4．折纹——无法修正

5．凹坑

6．残留毛利

第八章板料的冲压成形工艺

利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法——板料的冲压成形

常温下进行的，又叫冷冲压或薄板冲压。

只有当板料厚度>

8~10mm时，采用热冲压，

板料冲压的特点：

（1）可冲出形状复杂的零件，废料较少；

（2）产品精度高，表面粗糙度较低，互换性好；

（3）能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件；

（4）操作简单，工艺过程便于机械化，自动化，生产率很高——成本低

故应用广泛，特别在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表及国防等工业，占有极其重要的地位。

常用金属材料——低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢等。

常用设备——剪床、冲床

冲压生产可进行多种工序，其基本工序：

分离工序、变形工序

8-1分离工序

使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。

落料、冲孔、切断、精冲、修整等。

一、落料及冲孔（统称冲载）

使坯料按封闭轮廓分离的工序，其坯料变形过程和模具结构都是一样，只是取舍不同。

落料——被分离的部分为成品，而周边是废料

冲孔——被分离的部分为废料，而周边是成品

平面垫圈：

制取外形——落料

制取内孔——冲孔

1．冲裁变形过程

冲裁件质量、冲裁模结构与冲裁时板料变形过程关系密切，

其过程分三个阶段

（1）弹性变形阶段（图8-1）

冲头接触板料后，继续向下运动的初始阶段，使板料产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形，板料中应力迅速增大。

此时，凸模下的材料略有弯曲，凹模上的材料则向上翘，间隙↑→弯曲、上翘↑

（2）塑性变形阶段

冲头继续压入，应力值→屈服极限→塑性变形，变形达一定程度时，位于凸、凹模刃口处的材料硬化加剧——出现微裂纹；

塑性变形阶段结束。

（3）断裂分离阶段

冲头继续压入，已形成的上、下微裂纹扩大——向内扩展，上、下裂纹相遇重合时，材料被剪断分离。

（图8-2）冲裁变形区的应力与变形情况和冲裁件的切断面的状况

圆角带

光亮带

断裂带

2．凸、凹模间隙

不仅严重影响冲裁件的断面质量，而且影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。

（图8-3a）间隙过小——上、下裂纹向外错开，且材料与凸、凹模之间的摩擦力增加→冲裁力、卸料力、推件力↑，磨损加剧→模具寿命↓

（图8-3）c间隙过大→上、下裂纹向内错开，光亮带减小，圆角带与锥度增大→厚大的拉长毛刺，冲裁的翘曲现象严重。

对于批量较大而公差又无特殊要求的冲裁件——采用“大间隙”冲裁，提高模具寿命。

（图8-3）b间隙合适，上、下裂纹重合一线，冲裁力、卸料力、推件力适中，模具寿命足够，零件尺寸几乎与模具一样。

（表8-1）冲裁模合理间隙值

3．凸、凹模刃口尺寸的确定

落料、冲孔分别计算

设计落料模——落料件确定凹模刃口尺寸

取凹模作设计基准件→根据间隙z确定凸模尺寸

（缩小凸模刃口尺寸保证间隙值）

设计冲孔模——冲孔件确定凸模尺寸，

取凸模作设计基准件——z确定凹模尺寸

（用扩大凹模刃口尺寸保证间隙值）

4．冲裁力的计算

冲裁力是选用冲床吨位和检验模具强度的一个重要依据。

平刃冲模的冲裁力按下式计算

——冲裁力（N）

L——冲裁周边长度（mm）

S——坯料厚度（mm）

K——系数，常取1.3

τ——材料抗剪强度（MPa）查手册，或取

5．冲裁件的排样

排样是指落料件在条料、带料或板料上合理布置的方法，排样合理可使废料最少，材料利用率↑

（图8-4）不同排样方式材料消耗对比

落料件的排样有两种类型：

无搭边排样——用落料件形状的一个边作为另一个落料件的边缘（图d），

材料利用率很高，但毛刺不在同一平面上，且尺寸不易准确。

有搭边排样——各落料件之间均留有一定尺寸的搭边，

优点：

毛刺小，且在同一平面上，尺寸准确，质量高，但材料消耗多。

二、修整

利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺→尺寸精度↑表面粗糙度↓

（图8-5）a外缘修整

（图8-5）b内孔修整

修整后，冲裁件公差等级IT6~IT7

表面粗糙度Ra0.8~1.6μm

三、精密冲裁

公差IT6~IT8级，表面粗糙造度Ra0.8~0.4μm，且生产率高。

基本出发点——改变冲裁条件，以增大变形区的静水压作用，抑制材料的断裂，使塑性剪切变形延续到剪切的全过程，与材料不出现剪裂纹的冲裁条件下实现材料的分离——得到断面光滑而垂直的精密零件。

（图8-6）精冲法与普通冲裁法所用模具的比较

8-2变形工序

变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序

拉深、弯曲、翻边、胀型、旋压等

一、拉深

1．拉深过程及变形特点

利用模具使平面坯料变成开口空心件的冲压工序；

可制成筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其它复杂形状的薄壁零件。

（图8-7）拉伸变形过程示意图

2．拉深中常见的废品及防止措施

最危险部位——直壁与底部过渡圆角处，

拉应力>

材料强度极限时——拉裂

防裂措施

（1）正确选择拉深系数

d——拉深件直径；

D——坯料直径

m↓→d↓→变形程度↑易成拉裂

一般m≥0.5~0.8

[注]若m过小——可采用多次拉深（图8-9）

（2）合理设计拉深模工作零件

凸、凹模圆角半径——过小，易拉裂

凸、凹模间隙——z=（1.1~1.2）s（比冲裁模大）

（3）注意润滑

摩擦↓→磨损↓→加润滑剂

（图8-10）起皱拉深件

（图8-11）有压边圈的拉深

3．毛坯尺寸及拉深力的确定

毛坯尺寸计算——拉深前后的面积不变原则进行

最大拉伸力（圆筒件）

（具体说明P132）

二、弯曲

坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序。

（图8-12）

坯料内侧—受压

外侧——受拉

弯曲时，尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直（8-13）以免破裂

三、其它冲压成形

1．胀形

主要用于平板毛坯的局部胀形（或叫起伏成形），

压制凹坑、加强筋、花纹、标记等。

胀形时，毛坯两向拉应力状态，不会产生失稳起皱现象——零件表面光滑、质量好

模具：

刚模

软模（图8-14）——广泛采用

2．翻边

在坯料的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成形工序。

内孔翻边——（图8-15）不变薄翻边——

外缘翻边——变薄翻边——

3．旋压

（图8-16）旋压过程示意图

旋压的基本要点合理的转速

合理的过渡形状

合理加力

8-3冲模的分类和构造

一、简单冲模（图8-17）

二、连续冲模（图8-18）

三、复合冲模（图8-19）

第九章金属的其它塑性成形工艺

科学技术的不断发展，压力加工要求越高，不仅要生产各种毛坯，而且还要直接生产出各种形状复杂的零件；

不仅能用易变形材料加工，而且还要用更难变形的材料进行生产

近年来，出现了许多新工艺、新技术

超塑性成形、粉末锻造、零件的挤压、精密模锻、零件的轧制、液态模锻、高能高速成形等。

新工艺特点

①尽量使锻压件的形状接近零件的形状，以便少、无屑加工，节省原材料、切削加工工作量，提高力学性能和使用性能；

②具有更高的生产率；

③减小变形力，可在较小锻压设备上制造出大锻件；

④广泛利用电加热和少氧化、无氧化加热，提高锻件表现质量，改善劳动条件。

9-1零件的挤压

使坯料在挤压筒中受强大的压力作用而变形的加工方法。

一、挤压特点

①坯料在三向受压状态下变形，故可提高金属坯料的塑性。

挤压材料不仅有铝、钢等塑性好的非铁金属，而且碳钢、合金结构钢、不锈钢及工业纯铁等也可用挤压工艺成形。

在一定的变形量下某些高碳钢、轴承钢、甚至高速钢等也可进行挤压。

②可挤压动各种形状复杂、深孔、薄壁、异型断面的零件。

③零件精度高，表面粗糙度低

一般尺寸精度为IT6~IT7，表面粗糙度Ra3.2~0.4

④提高了零件的力学性能（纤维组织连续）

⑤节约原材料，材料利用率可达70%，生产率也高。

二、分类

1．按金属流动方向和凸模运动方向分类

①正挤压

金属流动方向与凸模运动方向相同（图9-1）

②反挤压

金属流动方向与凸模运动方向相反（图9-2）

③复合挤压

挤压时，坯料一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，而另一部分则相反（图9-3）

④径向挤压

金属流动方向与凸模运动方向成90°

角（图9-4）

2．按金属坯料所具有的温度分类

①热挤压

挤压时坯料变形温度高于材料的再结晶温度，与锻造温度相同。

热挤压变形抗力小，允许每次变形程度较大，但产品表面粗糙。

广泛用于冶金部门中生产铝、铜、镁及其合金的型材和管材。

②冷挤压

坯料变形温度低于材料再结晶温度（经常在室温下）的挤压工艺。

其变形抗力比热挤压高得多，但产品表现光洁，内部组织为加工硬化组织→提高了产品强度。

广泛用于制造机器零件和毛坯。

③温挤压

介于热挤压和冷挤压之间的挤压方式，将金属加热到再结晶温度以下的某个合适温度（100~800℃）进行挤压。

不仅可挤压中碳钢，也可挤压合金钢零件。

此外，还有静液挤压方法（图9-5），凸模与坯料不直接接触，给液体加压（30000个大气压以上），液体传给坯料，使金属通过凹模而成形。

变形较均匀，挤压力较小，用于低塑性材料

[注]挤压设备——专用挤压机（液压式、曲轴式、肘杆式），也可在改进的曲柄压力机或摩擦压力机上进行。

9-2零件的轧制

轧制——除生产型材、板材和管材外，还可生产各种零件。

零件的轧制具有生产率高、质量好，成本低，并可大量减少金属材料的消耗。

一、零件轧制的特点

①设备结构简单，吨位小

②劳动条件好，易机械化，自动化，生产率高

③模具价廉——球墨铸铁、冷硬铸铁

④质量好，力学性能好

⑤材料利用率高（90%以上）

二、零件轧制的类型

根据轧辊轴线与坯料轴线不同，分为：

纵轧、横轧、斜轧、楔横轧

1．纵轧

轧辊轴线与坯料轴线互相垂直的轧制方法。

包括各种型材轧制、辊锻轧制、辗环轧制

①辊锻轧制

（图9-6）把轧制工艺应用到锻造生产中，目前，成型辊锻适用于生产的三种类型锻件：

扁断面的长杆件，如板手，活动板手，链环等

带有不变形头部而沿长度方向横截面面积递减的锻件，如叶片

连杆成型辊锻

②辗环轧制（图9-7）

2．横轧

轧辊轴线与坯料轴线互相平行（如齿轮轧制）（图9-8）

3．斜轧

亦称螺旋斜轧、轧辊轴线与坯料轴线相交一定角度的轧制方法，

如图9-9b钢球轧制

如图9-9a周期轧制（此外，丝杠冷轧）

4．楔横轧

利用两个表面镶有楔形凸块，并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法（图9-10）

主要用于加工阶梯轴，锥形轴等各种对称的零件或毛坯。

9-3精密模锻

在模锻设备上锻造形状复杂，锻件精度高的模锻工艺

精密模锻伞齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再切削加工

尺寸精度可达IT12～IT15Ra3.2~1.6

一、工艺过程（图9-20）

二、工艺特点

①②③④⑤⑥

9-4多向模锻

将坯料放于锻模内，用几个冲头从不同方向同时或先后对坯料加压，以获得形状复杂的精密锻件（图9-21）

凹面、凸肩、多向孔穴等，不需模锻斜度

一、优点

1．提高材料利用率、节约金属材料（40％～90％）

2．提高力学性能——强度↑30%以上

3．降低劳动强度

4．节约设备，提高劳动生产率

5．应用范围广

二、局限性

①需专用压力机，大吨位设备

②电力消耗量大（感应电加热，或气体保护无氧化加热）

③要求严格（毛坯尺寸）——精密计算或试料

9-5径向（旋转）锻造

（图9-22）两个以上锻模高频率、短冲程施加径向脉冲打击力——坯料径向尺寸减小、轴向尺寸增大。

（图9-23）径向锻造形式，

特点及应用——

9-6液态模锻

铸造+锻造组合工艺，

在压力铸造基础上发展起来。

一、工艺过程（图9-26）

工艺流程：

原材料配制→熔炼→浇注→加压成形→脱模——灰坑冷却→热处理→检验→入库

液压机

二、工艺的主要特点

①成形时，液态金属在压力下完成结晶凝固

②已凝金属在压力作用下——塑性变形（静压）

③对材料选择范围宽

9-7粉末锻造

一、原理

粉末冶金成形法+锻造（工序如图9-27）

二、优点

①材料利用率高（90%以上）

②力学性能高

③锻件精度高，