项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 1 1 4 4 5 5 2 2 6 6 3 3 概述概述 压力加工基本理论压力加工基本理论 自由锻造自由锻造 模型锻造模型锻造 板料冲压板料冲压 现代塑性加工技术与发展趋势现代塑性加工技术与发展趋势 压力加工压力加工锻压锻压 教 学 重 点 金属的塑性变 形理论，锻造 工艺，板料冲 压工艺。 教 学 难 点 金属的加工硬化，回 复和再结晶，纤维 组织，金属的可锻性 。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 一、概述 历史悠久 公元前14世纪 的商代 兵器 生产(1972年 出土铁韧铜钺) 技艺高超 (湖 北江陵楚墓： 越王勾践的宝 剑；秦始皇陵 ：合金钢锻制 的宝剑，外硬 心韧) 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 定义 锻压常分 为轧制（型 材）、挤压 （型材）、 拉拔（线材 、薄壁管） 、自由锻、 模锻、板料 冲压等，如 图。 锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变 形，改变尺寸、形状及改善性能的成型加工 方法，是锻造（俗称打铁）和冲压的总和。 锻压特点：金属的性能得到提高；生产效率高；节约金 属；生产范围广。但设备费用较高，形状简单。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 轧制 轧制是借助于摩擦力和压力使 金属坯料通过两个旋转的轧辊间 的空隙而变形的压力加工方法。 挤压是利用压力 ，将金属坯料从挤压 模的模孔中挤出而成 形的压力加工方法。 有正、反和复合挤压 。 二者产品均为 ： 钢板型材管材 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 拉拔是利用拉力，将金属坯料拉过拉拔模的模孔而 成形的压力加工方法。常需经多次拉拔，依次通过形状 和尺寸逐渐变化的模孔，才能得到所需截面的产品（细 线材、薄管材、特殊型材）。 拉拔 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 自由锻 用简单的通用性工具或 在锻造设备的上、下砧间，使坯 料受冲击力作用而变形，获得所 需形状的锻件的加工方法。 模锻 利用模具使金属坯料在模膛 内受冲击力或压力作用，产生塑性 变形而获得锻件的加工方法。 板料冲压 用冲模使板料经分离 或成形得到制件的加工方法。 锻 压 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 在上述的六种金 属塑性加工方法中，轧 制、挤压和拉拔主要用 于生产型材、板材、线 材、带材等；自由锻、 模锻和板料冲压总称锻 压，主要用于生产毛坯 或零件；锻造主要用于 生产承受重载的机械零 件，如机器主轴、重要 齿轮、连杆、炮管、枪 管等；板料冲压主要用 于生产汽车制造、电器 、仪表及日用品。 型材线材 板材管材 小结： 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 二、压力加工基本理论 金属在常温下经塑性变形后，内部组织和性能将发 生变化。 组织上的变化表现为：晶粒沿最大变形的方向伸长；晶 格与晶粒发生扭曲，产生内应力；晶粒产生碎晶。 性能上的变化表现为：随着变形程度的增加，强度及硬 度显著提高，而塑性和韧性则很快下降。变形度愈大， 性能的变化也愈大。 冷、热变形冷、热变形 以以T T再 再为界，低于 为界，低于T T再 再温度的变形为冷变形；高于 温度的变形为冷变形；高于T T再 再 温度的变形为热变形。温度的变形为热变形。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 16 1.加工硬化 冷作硬化冷作硬化 现象：强度、硬度上升，而塑性、韧性下现象：强度、硬度上升，而塑性、韧性下 降。降。 原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭 曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。 利用：冷加工后使材料强度利用：冷加工后使材料强度 硬度硬度 。如冷拉。如冷拉 钢，不能热处理强化的金属材料。钢，不能热处理强化的金属材料。 消除：再结晶退火消除：再结晶退火 650750650750。 加工硬化是一种不稳定的现象，具有自发恢复到稳定 状态的倾向。室温下不易实现。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 2.回复与再结晶 回复：冷作硬化是一种不稳定的现象，具回复：冷作硬化是一种不稳定的现象，具 有自发恢复到稳定状态的倾向。室温下不有自发恢复到稳定状态的倾向。室温下不 易实现。当提高温度时，原子获得热能，易实现。当提高温度时，原子获得热能， 热运动加剧，当加热温度热运动加剧，当加热温度T T回回( (用用K K氏温标氏温标) ) T T回回= =（0.250.30.250.3）T T熔熔 使原子回复到正常排列，消除了晶格使原子回复到正常排列，消除了晶格 扭曲，使加工硬化得到部分消除。扭曲，使加工硬化得到部分消除。 再结晶：再结晶： 当加热温度当加热温度T T再：再： T T再再=0.4T=0.4T熔熔 原子获得更多热能，开始的某些原子获得更多热能，开始的某些 碎晶或杂质为核心构成新晶粒，因碎晶或杂质为核心构成新晶粒，因 为是通过形核和晶核长大方式进行为是通过形核和晶核长大方式进行 的，故称再结晶。的，故称再结晶。 再结晶后清除了全部加工硬化。再结晶后清除了全部加工硬化。 再结晶后晶格类型不变，只改变再结晶后晶格类型不变，只改变 晶粒外形。晶粒外形。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 3.纤维组织 热处理和再结晶无法消除 合理利用 锻造比 Y = 拔长前坯料的横截面积 拔长后坯料的横截面积 锻造比 变形量，性能，各向异性 并非越大越好 变形加工时，金属中的脆性杂质被击碎，并变形加工时，金属中的脆性杂质被击碎，并 沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂 质则沿变形方向被拉长呈带状分布，这种杂质则沿变形方向被拉长呈带状分布，这种杂 质的定向分布称为流线（纤维组织）。质的定向分布称为流线（纤维组织）。 纤维组织特点:使金属在性能上具有方向性；变形程度越 大，纤维组织越明显；纤维组织只能靠锻压方法改变。 在设计和制造零件时，应 尽可能使流线与零件的轮 廓相符合而不被切断。使 最大正应力的方向与纤维 方向重合，最大切应力的 方向与纤维方向垂直。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 实例 当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时(如图a) ，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。 当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(如图b) ，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。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 加工硬化现象在工程技术中具有重要的实用意义： 加工硬化是强化金属的重要方法之一。纯金属及某些不 能通过热处理方法强化的合金，可通过冷拔、冷轧、冷 挤压等工艺来提高其强度和硬度。 加工硬化不利的一面。由于它使金属塑性降低，给进一 步冷塑性变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大 。 为了消除加工硬化，恢复材料的塑性，以便继续进 行变形加工，或为了消除变形过程中产生的内应力，就 要对工件进行退火处理。 4.加工硬化的利用和消除 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 1. 冷热加工的界限是以T来划分的。冷加工， 如钢在常温下进行的冷冲压、冷轧、冷挤压等，其 优点是塑性良好，变形抗力低，容易加工变形，缺 点是高温下金属容易产生氧化皮，所以制件的尺寸 精度低，表面粗糙。热加工，如热锻、热轧、热挤 压等。 2.金属经塑性变形及再结晶，可使原来存在的 不均匀、晶粒粗大的组织得以改善，或将铸锭组织 中的气孔、缩松等压合，得到更致密的再结晶组织 ，提高金属的力学性能。 3.锻件质量优于铸件的原因：使晶粒细化；消 除了铸锭缺陷，使金属更加致密；形成纤维组织。 结论： 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 金属的锻造性能 衡量指标:金属的可锻性（金属材料锻压加工成形的 难 程度）。 塑性， 锻造性能，不易开裂(微观：容易产生滑移) 变形抗力，锻造性能 可锻性取决于：金属本质和加工条件。 可锻性的衡量：塑性（表征塑变能力）和变形抗力 （表征塑变难易程度） 。 塑性好，变形抗力小则可锻性好 。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 1.金属的本质 1）化学成分的影响 纯金属的可锻性比合金好；合金元素的含量越多，可 锻性越差。钢的含碳量越低，可锻性越好。 2）金属组织的影响 组织不同，可锻性有很大差异： 纯金属、单一固溶体（如奥氏体）组织的锻造性 能好于化合物组织，碳化物可锻性差。 铸态柱状组织和粗晶粒不如细小均匀晶粒的可性好。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 2.加工条件 变形温度低，金属的塑性差，不但锻压困难，而且容易开 裂。提高变形温度，塑性提高，变形抗力减小。 加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，锻 造性能下降，称为“过热” 。如果加热温度接近熔点，会使晶界 氧化甚至融化，导致金属的塑性变形能力完全消失，称为“过烧” 。坯料如果过烧将报废。 1）变形温度的影响 金属的变形温度必须严格控制在规 定的范围内（碳钢的锻造温度范围依据 相图来确定）。锻造温度： 始锻温度：碳钢比AE线低200C左右 。 终锻温度：800C左右。过低难于锻 造，若强行锻造，将导致锻件破裂报废 。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 2.加工条件 2)变形速度的影响 变形速度-单位时间内的相对变形量。 变形速度低，塑性高、变形抗力小；变形速度增大 ，金属 塑性下降，锻造性能变差。常用的锻压设备不可能超过 临界变 形速度。 3）应力状态影响 三向应力中，压应力数目愈多，则塑性越好。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 定义：定义：只用只用简单的通用性工具，或在简单的通用性工具，或在 锻造设备的上、下砧间直接使坯料变锻造设备的上、下砧间直接使坯料变 形获得所需的几何形状及内部质量的形获得所需的几何形状及内部质量的 锻件锻件。金属材料除在上、下两个平砧。金属材料除在上、下两个平砧 之间受约束外，金属坯料朝其他各方之间受约束外，金属坯料朝其他各方 向金属的流动不受限制故而得名。向金属的流动不受限制故而得名。 分类分类 手工锻造：劳动强度，生产率 机器锻造：劳动强度，生产率 空气锤 空气蒸汽自由锻锤 水压机、曲柄压力机 摩擦压力机、油压机 （静压力 ） 设备 小型： 大、中型 （冲击力） 三、三、自由锻造自由锻造 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 自由锻造 特点及应用 （1）自由锻工艺灵活，工具简单，设备和工具的通 用性强。 （2）应用范围广，可锻造的锻件质量由不及1kg到 300t.在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的 唯一方法。 （3）锻件精度低，加工余量大，生产率低。 一般只适用于单件小批量生产。是锻制大型锻件的 唯一方法（万吨水压机立柱，大型发电机主轴）。 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 自由锻造 设备简介 蒸汽锤中、小型锻件 主要有锻锤（冲击力，有空 气锤和蒸汽锤）、水压机、液 压机等。 水压机 大型水压机 静压成形特点：变形速度慢，锻 造性能，但机构庞大，造价高（供 水，操纵系统）。适用于大型锻件。 空气锤小型锻件 项目二 热加工工艺 任务2.1 锻压工艺 自由锻造 基本工序 辅助工序：为基本工序操作方便而进行的预变形工序。 压钳口、倒棱、压肩 基本工序：用来改变坯料的形状和尺寸的工序 镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切断、扭转、错移 精整工序：用来减少锻件表面缺陷的工序。校直、滚圆、平整、精压 镦粗 平砧镦粗 垫环镦粗（整体变形，坯料直径 垫环内径，齿轮） 局部镦粗（局部变形，坯料直径 t) 压边圈(防止起皱) 润滑(防止拉破) 凸缘 圆角 筒壁 拉深 (冲压成型) 项目二 热加工工艺 任务2 锻压工艺 翻边 翻边是将内孔或外缘翻成竖 直边缘的冲压工序。 凸模