1、第3章 塑性成形 3.1 塑性成形理論基礎3.2 塑性成形方法3.3 塑性成形工藝設計3.4 塑性加工方法的結構工藝性 3.5 塑性成形新發展返回 塑性成形：指固態金屬在外力作用下產生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸及力學性能的毛坯或零件的加工方法。具有較好塑性的材料如鋼和有色金屬及其合金均可在冷態或熱態下進行塑性成形加工。 塑性成形加工的特點：優點：1）改善金屬的組織，提高金屬的力學性能；2）節約金屬材料和切削加工工時，提高金屬材料的利用率和經濟效益；3）具有較高的勞動生產率。4）適應性廣。 缺點：1）鍛件的結構工藝性要求較高，內腔復雜零件難以鍛造；2）鍛造毛坯的尺寸精度不高，一般需切削加工；3

2、）需重型機器設備和較復雜模具，設備費用與周期長；4）生產現場勞動條件較差。 常用塑性成形加工方法有：1）自由鍛造；2）模型鍛造；3）擠壓；4）拉拔；5）軋鍛；6）板料沖壓。如圖3-1所示。 塑性成形主要用于主軸、曲軸、連桿、齒輪、葉輪、炮筒、槍管、吊鉤、飛機和汽車零件等力學性能要求高的重要零部件。第1節 塑性成形理論基礎3.1.1 塑性成形的實質 3.1.2 冷變形強化與再結晶3.1.3 鍛造比與鍛造流線3.1.4 塑性成形基本規律3.1.5 金屬的鍛造性能3.1.1 塑性成形的實質 具有一定塑性的金屬坯料在外力作用下，當內應力達到一定的條件，就會發生塑性變形；由于金屬材料都是晶體，故要說明塑

3、性變形的實質，必須從其晶體結構來說明。1. 單晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形有兩種方式：滑移變形和雙晶變形。 1）滑移變形：晶體內的一部分相對另一部分，沿原子排列緊密的晶面作相對滑動。其變形過程如圖3-2 所示。 晶體在晶面上的滑移，是通過位錯的不斷運動來實現的 。如圖3-3所示。 當很多晶面同時滑移積累起來就形成滑移帶，如圖3-4所示，形成可見的變形。2）雙晶：亦叫孿晶。晶體在外力作用下，晶體內一部分原子晶格相對于另一部分原子晶格發生轉動。如圖3-5所示。2. 多晶體的塑性變形 多晶體是由大量的大小、形狀、晶格排列位向各不相同的晶粒所組成，故它的塑性變形很復雜，可分為晶內變形和晶間變形。晶

4、粒內部的塑性變形稱為晶內變形；晶粒之間相互移動或轉動稱為晶間變形。如圖3-6所示。 多晶體的晶內變形方式和單晶體一樣，也是滑移和雙晶，但各個晶粒所處的塑性變形條件不同，即晶粒內晶格排列的方向性決定了其變形的難易，與外力成45度的滑移面最易變形。因為其產生的切應力最大。如圖3-7反映了晶粒位向與受力變形的關系。 同時在多晶體的晶界處，由于相鄰晶粒間的位向差別，產生晶格的畸變，并有雜質的存在，以及晶粒間犬牙交錯狀態，對多晶體的變形造成很大障礙。低溫時，晶界強度高于晶粒內部強度，變形抗力大不易變形；高溫時，晶界強度降低，晶粒易于相互移動。所以多晶體由于存在晶界和各晶粒的位向差別，其變形抗力要遠高于同

5、種金屬的單晶體。 3.1.2 冷變形強化與再結晶 金屬塑性變形時，在不同的溫度下，對金屬組織和性能產生不同的影響。主要討論加工硬化、回復和再結晶。 1. 冷變形強化（加工硬化） 指金屬在低溫下進行塑性變形時，金屬的強度和硬度升高，塑性和韌性下降的現象，如圖3-8所示；變形程度越大，冷變形強化現象越嚴重。 冷變形強化的原因是：在塑性變形過程中，在滑移面上產生了許多晶格方向混亂的微小碎晶，滑移面附近的晶格也產生了畸變，增加了繼續滑移的阻力，使繼續變形困難。 對某些不能通過熱處理來強化的金屬，可用低溫變形來提高金屬強度指標，如用冷軋、冷拔和冷擠來提高低碳鋼、純銅、防銹鋁等所制型材和鍛壓件的強度和硬度

6、。 但在塑性加工中，冷變形強化使塑性變形困難，故采用加熱的方法使金屬再結晶，而獲得好的塑性。 2.回復 指當溫度升高時，金屬原子獲得熱能，使冷變形時處于高位能的原子回復到正常排列，消除由于變形而產生的晶格扭曲的過程，可使內應力減少。 回復溫度較低，對于純金屬，可用下式計算：熔回TT3.02.0式中 -金屬的絕對回復溫度； -金屬的絕對熔化溫度； 回T熔T 回復作用不改變晶粒的形狀及晶粒變形時所構成的方向性，也不能使晶粒內部的破壞現象及晶界間物質的破壞現象得到恢復，只是逐漸消除晶格的扭曲程度。故回復作用可以降低內應力，但力學性能變化不大，強度稍降低，塑性稍提高。如圖3-9b所示。 3. 再結晶

7、指當溫度升高到一定程度時，金屬原子獲得更高的熱能，通過金屬原子的擴散，使冷變形強化的結晶構造進行改變，成長出許多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原變形晶粒的過程即為再結晶。如圖3-9c所示。 再結晶過程：先在變形金屬中出現再結晶核心（小晶塊，或破碎物），結晶核心周圍的畸變晶格中的原子向再結晶核心聚集，從不穩定狀態向穩定狀態過渡，有秩序地排列起來，而形成新的具有正常晶格結構的晶粒，直至新晶粒完全形成，再結晶結束。如果繼續升溫或保溫，再結晶晶粒還會聚合長大，即二次再結晶。 再結晶使內應力全部消除，強度降低，塑性增加。如圖3-10所示為變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化。 再結晶的最低溫度稱為再結晶溫

8、度，一般純金屬的再結晶溫度為： 再結晶處理： 利用金屬再結晶過程消除低溫變形后的冷變形強化，恢復金屬的良好塑性，以利于后繼的冷變形加工。4. 冷變形和熱變形 熔再TT4.0冷變形：指金屬在其再結晶溫度以下進行塑性變形。如冷沖壓、冷彎、冷擠、冷鐓、冷軋和冷拔，能獲得較高的硬度及表面質量。熱變形：指金屬在其再結晶溫度以上進行塑性變形。如鍛造、熱擠和軋制等，能消除冷變形強化的痕跡，保持較低的塑性變形抗力和良好的塑性。 3.1.3 鍛造比和鍛造流線（纖維組織） 1. 鍛造流線的形成 在金屬鑄錠中含有的夾雜物多分布在晶界上，在金屬塑性變形時，晶粒沿變形方向伸長，塑性夾雜物也隨著變形一起被拉長，呈帶狀分布

9、；脆性夾雜物被打碎呈碎粒狀或鏈狀分布；通過再結晶過程，晶粒細化，而夾雜物卻依然呈條狀和鏈狀被保留下來，形成鍛造流線。如圖3-11所示。鍛造流線使金屬的力學性能呈現各向異性，平行于纖維方向塑性和韌性增加，垂直于纖維方向則下降。 2、鍛造比 它是鍛造生產中代表金屬變形大小的一個參數，一般用鍛造過程中的典型工序的變形程度來表示：如鐓粗工序，鍛造比為： HHAAy00鐓拔長鍛造比： 00LLAAy拔3. 鍛造比對金屬的組織和性能的影響 一般情況下，增加鍛造比，可使金屬組織細密化，提高鍛件的力學性能。但當鍛造比過大，金屬組織的緊密程度和晶粒細化程度已到極限，故力學性能不再升高，而增加各向異性。鍛造比越大

10、，鍛造流線越明顯，其力學性能的方向性越明顯。如圖3-12所示為碳素結構鋼錠采用不同鍛造比進行拔長后的力學性能變化曲線。當鍛造比增加時，鋼的強度在橫向和縱向差別不大，而塑性和韌性縱向明顯好于橫向。 鍛造流線的穩定性很高，而且用熱處理不能消除。故在設計和制造易受沖擊載荷的零件時，必須考慮鍛造流線的方向，使最大正應力與流線方向一致，切應力或沖擊應力與流線方向垂直；使鍛造流線的分布與零件的外形輪廓相符合，而不被切斷。如圖3-13所示的拖鉤，如圖3-14所示的齒輪。3.1.4 塑性成形基本規律 塑性成形規律：就是塑性成形時金屬質點流動的規律，即在給定條件下，變形體內將出現什么樣的位移速度場和位移場，以確

11、定物體形狀、尺寸的變化及應變場。從而為選擇變形工步和設計成形模具奠定基礎。1. 體積不變定律 金屬塑性變形前后體積不變，實際中略有縮小；可計算各工序尺寸。2. 最小阻力定律 塑性變形時金屬質點首先向阻力最小方向移動。一般金屬某質點移動時阻力最小方向是通過該質點向金屬變形部分的周邊所作的法線方向，如圖3-15，圖3-16所示。3.1.5 金屬的鍛造性能 金屬的鍛造性能是用來衡量金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度，是金屬的工藝性能指標之一。常用金屬的塑性和變形抗力兩個因素來綜合衡量。塑性越好，變形抗力越小，則鍛造性能越好。影響金屬鍛造性能的因素有：金屬的本質和金屬的變形條件。 1.金屬本質的影

12、響1）金屬的化學成分：化學成分不同，塑性不同，鍛造性能不同。2）金屬的組織狀態：組織結構不同，鍛造性能不同；單一固溶體組成的合金，塑性好，鍛造性能好；鑄態柱狀組織和粗晶結構不如細小均勻的晶粒結構；金屬內部有缺陷也不一樣。 1）變形溫度：溫度升高，塑性上升，降低變形抗力，易于鍛造；但溫度過高也會產生相應的缺陷，如氧化，脫碳、過熱和過燒等。故要嚴格控制鍛造溫度范圍。 鍛造溫度范圍指始鍛溫度與終鍛溫度間的溫度范圍，以合金狀態圖為依據。對始鍛溫度，原則是在不出現過熱和過燒的前提下，盡量提高始鍛溫度。碳鋼的始鍛溫度為AE線下2000C。終鍛溫度即停止鍛造的溫度，對于鍛件質量有很大影響，終鍛溫度太高，停鍛

13、后晶粒會重新長大，降低鍛件力學性能；太低，再結晶困難，冷變形強化現象嚴重，變形抗力太大，甚至產生鍛造裂紋，也易損壞設備和工具。 碳鋼在加熱時奧氏體晶粒長大示意圖如圖3-17a所示，鍛造溫度見圖3-17b。 2.金屬的變形條件2）變形速度：指金屬在鍛壓加工過程中單位時間內的相對變形量。變形速度的影響較復雜：一方面變形速度增大，冷變形強化現象嚴重，變形抗力增大，鍛造性能變壞；另一方面變形速度很大時產生的熱能使金屬溫度升高，提高塑性，降低變形抗力，鍛造性能變好。 如圖3-18所示。3）變形時的應力狀態：不同壓力加工方法，金屬內部的應力狀態是不同的，如圖3-19所示。在金屬塑性變形時，壓應力數目越多，

14、其塑性變形越好，因為壓應力使滑移面緊密結合，防止產生裂紋；拉應力則使塑性變形降低，應為它使缺陷擴大，使滑移面分離。但壓應力時變形抗力增大。故必須綜合考慮塑性和變形抗力。 思考題：1.試述單晶體和多晶體塑性變形的實質。2.鍛造流線的存在對金屬力學性能有何影響？在零件設計中應注意哪些問題？3.試述金屬的鍛造性能及其影響因素。 第 2節 塑性成形方法3.2.1 鍛造3.2.1.1自由鍛 自由鍛指將金屬坯料放在鍛造設備的上下抵鐵之間，施加沖擊力或壓力，使之產生自由變形而獲得所需形狀的成形方法。坯料在鍛造過程中，除與上下抵鐵或其它輔助工具接觸的部分表面外，都是自由表面，變形不受限制，鍛件的形狀和尺寸靠鍛

15、工的技術來保證，所用設備與工具通用性強。 自由鍛主要用于單件、小批生產，也是生產大型鍛件的唯一方法。1. 自由鍛設備 自由鍛設備常用的有鍛錘和壓力機。1）空氣錘：它由電動機直接驅動，打擊速度快，錘擊能量小，適用于小型鍛件；其結構與原理如圖3-20所示。2）蒸汽空氣錘：利用蒸汽或壓縮空氣作為動力，構造及工作原理如圖3-21所示，適用于中小型鍛件。3）水壓機：以壓力代替錘鍛時的沖擊力，適用于鍛造大型鍛件；其工作過程包括空程、工作行程、回程、懸空。其原理和結構如圖3-22所示。1）基本工序：改變坯料的形狀和尺寸以達到鍛件基本成形的工序，包括鐓粗、拔長、沖孔、彎曲、切割、扭轉、錯移等。最常用的是鐓粗、

16、拔長、沖孔。2）輔助工序：為了方便基本工序的操作，而使坯料預先產生某些局部變形的工序。如壓鉗口、倒棱和切肩。3）精整工序：修整鍛件的最后尺寸和形狀，消除表面的不平和歪扭，使鍛件達到圖紙要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直彎曲。 2. 自由鍛工序 根據作用與變形要求的不同，可分為基本工序、輔助工序和精整工序。 3.自由鍛的特點優點：1）自由鍛使用工具簡單，不需要造價昂貴的模具；2）可鍛造各種重量的鍛件，對大型鍛件，它是唯一方法3）由于自由鍛的每次鍛擊坯料只產生局部變形，變形金屬的流動阻力也小，故同重量的鍛件，自由鍛比模鍛所需的設備噸位小。缺點：1）鍛件的形狀和尺寸靠鍛工的操作技術來保證，故尺寸

17、精度低，加工余量大，金屬材料消耗多；2）鍛件形狀比較簡單，生產率低，勞動強度大。故自由鍛只適用于單件或小批量生產。3.2.1.2 模鍛 模鍛是將加熱好的坯料放在鍛模模膛內，在鍛壓力的作用下迫使坯料變形而獲得鍛件的一種加工方法。坯料變形時，金屬的流動受到模膛的限制和引導，從而獲得與模膛形狀一致的鍛件。 與自由鍛相比，模鍛的優點是：1）由于有模膛引導金屬的流動，鍛件的形狀可以比較復雜；2）鍛件內部的鍛造流線比較完整，從而提高了零件的力學性能和使用壽命。3）鍛件表面光潔，尺寸精度高，節約材料和切削加工工時；4）生產率較高；5）操作簡單，易于實現機械化；6）生產批量越大成本越低。 模鍛的缺點：1）模鍛

18、是整體成形，摩擦阻力大，故模鍛所需設備噸位大，設備費用高；2）鍛模加工工藝復雜，制造周期長，費用高。故只適用于中小型鍛件的成批或大批生產。如圖3-23所示為典型模鍛件。 模鍛廣泛應用于國防工業和機械制造業，按質量計算模鍛件在飛機上占85%，坦克占70%，汽車占80%，機車占60%。 按使用設備不同，模鍛可分為：錘上模鍛、胎模鍛、曲柄壓力機上模鍛、摩擦壓力機上模鍛、平鍛機上模鍛等。1. 錘上模鍛 錘上模鍛即在模鍛錘上的模鍛。模鍛錘的構造如圖3-24a所示，鍛模結構如圖3-24b所示，由帶有燕尾的上模和下模組成。其運動過程如動畫所示。 模膛根據其功能不同可分為制坯模膛和模鍛模膛兩大類：（1）制坯模

19、膛。用于將形狀復雜的模鍛件初步鍛成近似鍛件的模膛。又可分為：1）拔長模膛。減少坯料某部分橫截面積，增加該部分長度，如圖3-25a所示。2）滾壓模膛。翻轉操作使零件成形的模膛。如圖3-25b所示。3）彎曲模膛。使坯料彎曲的模膛，如圖3-25-c所示。4）切斷模膛。如圖3-25d所示。（2）模鍛模膛1）預鍛模膛。為改善金屬流動條件，使鍛件最終成形前獲得接近終鍛形狀的模膛。2）終鍛模膛。模鍛時最后成形用模膛，需有飛邊槽。帶沖孔連皮和飛邊的鍛件如圖3-26所示。 根據模鍛件的復雜程度，可將鍛模設計為單膛鍛模和多膛鍛模，簡單鍛件如齒輪坯可僅設計為單膛鍛模；對彎曲連桿可設計為多膛鍛模，如圖3-27所示。2

20、. 胎模鍛 胎模鍛是在自由鍛設備上使用簡單的非固定模具（胎模）生產模鍛件的一種工藝方法。其特點是，與自由鍛相比，生產率和鍛件精度較高，粗糙度低，節約金屬材料。與模鍛相比，節約了設備投資，簡化了模具制造。但生產率和鍛件質量比模鍛低，勞動強度大，安全性差，模具壽命低。胎模鍛適用于小型鍛件的中小批量生產。 胎模結構可分為以下幾類，如圖3-28所示。1）摔模，用于鍛造回轉體鍛件；2）扣模，用于平整側面；3）套筒模，用于鐓粗鍛件；4）合模，用于鍛造比較復雜的鍛件。3. 曲柄壓力機上模鍛 曲柄壓力機的結構與傳動原理如圖3-29所示，噸位一般為2001200kN；與錘上模鍛比，具有下述特點：優點：1）鍛造力

21、是壓力，坯料的變形速度較低，可鍛造較低塑性合金；2）鍛造時滑塊的行程不變，每個變形工步在一次行程中即可完成，便于實現機械化和自動化，具有很高生產率；3）滑塊運動精度高，并有鍛件頂出裝置，使模鍛斜度、加工余量、鍛造公差減小，鍛件精度比錘上模鍛高。4）振動和噪聲較小，勞動條件改善。缺點：1）設備費用高，模具結構復雜；2）滑塊行程和壓力不能在鍛造過程中調整，因此不能進行拔長、滾壓等制坯。 4.摩擦壓力機上模鍛 摩擦壓力機是將飛輪旋轉所積蓄的能量轉化成金屬的變形能進行鍛造的，屬鍛錘類鍛壓設備。其結構與傳動原理如圖3-30所示。摩擦壓力機上模鍛的特點如下：1）滑塊運動速度低，可鍛造低塑性合金鋼和有色金屬

22、；2）承受偏心載荷能力差，僅適合單膛模鍛；3）打擊速度低，可采用組合模具，降低生產成本，縮短生產周期；4）滑塊行程不固定，故工藝性廣泛。 5. 平鍛機上模鍛 平鍛機相當于臥式的曲柄壓力機，它沿水平方向對坯料施加鍛造壓力。其結構和原理如圖3-31所示。其特點是：1）坯料都是棒料或管材，并且只進行局部（一端）加熱和局部變形加工，因此可鍛造立式鍛壓設備上不能鍛造的某些長桿類鍛件。平鍛機上鍛件如圖3-32所示。2）鍛模有兩個分模面，鍛件出模方便，可以鍛出在其它設備上難以完成的在不同方向上有凸臺或凹槽的鍛件。3）需配備對棒料局部加熱的專用加熱爐。4）是高效率、高質量、容易實現機械化的鍛造方法，但設備結構

23、復雜，價格貴，適用于大批量生產。 6.精密模鍛 精密模鍛是在普通鍛壓設備上，裝置具有模腔形狀復雜（近于產品零件形狀）、尺寸精度高的鍛模，直接鍛造出所要求的產品零件，如圖3-33所示的差速器行星錐齒輪。精密模鍛與一般模型鍛造相比，其特點是：1）鍛件公差小，表面質量高；2）鍛件內部形成按輪廓分布的封閉纖維組織，力學性能好。3）其缺點是模具制造復雜，對坯料尺寸和加熱質量要求較高，僅適于大批量生產。工藝要點：1）選擇合理的成形工藝與制造精密鍛造所用模具；2）選好坯料和加熱方法。3.2.2 板料沖壓 板料沖壓是利用裝在沖床上的沖模對金屬板料加壓，使之產生變形或分離，從而獲得零件或毛坯的加工方法。板料沖壓

24、又稱薄板沖壓或冷沖壓。板料沖壓的特點：1）在常溫下加工，金屬板料必須具有足夠的塑性和較低的變形抗力。 2）金屬板料經冷變形強化，獲得一定的幾何形狀后，結構輕巧，強度和剛度較高。 3）沖壓件尺寸精度高，質量穩定，互換性好，一般不需機械加工即可作零件使用。 4）沖壓生產操作簡單，生產率高，便于實現機械化和自動化。 5）可以沖壓形狀復雜的零件，廢料少。6）沖壓模具結構復雜，精度要求高，制造費用高，只適用于大批量生產。 沖壓工藝廣泛應用于汽車、飛機、農業機械、儀表電器、輕工和日用品等工業部門。3.2.2.1 板料沖壓的基本工序 板料沖壓的基本工序按變形性質可分為分離工序和變形工序兩大類。1. 分離工序

25、 使坯料的一部分與另一部分分離的工序。主要有：（1）沖孔和落料（沖裁 ） 兩個工序的變形過程和模具結構是一樣的，沖孔是在板料上沖出孔洞，而落料是得到與孔洞同樣形狀的板料。如圖3-34所示。1）沖裁過程分析。板料沖裁時有變形和分離兩個過程；如圖3-35所示，當凸模向下運動壓住板料時，板料受到擠壓，產生彈性變形并進而產生塑性變形。當上下刃口附近材料內的應力超過一定限度后，即開始出現裂紋，裂紋擴展，板料切離。 沖裁區可分為塌角、光亮帶、剪裂帶和毛刺四部分。光亮帶具有最好的尺寸精度和光潔的表面。其它三個區域降低沖裁件質量。這與凹凸模間隙、刃口鋒利程度、模具結構、材料的性質，板料厚度等有關。 3）凹凸模

26、刃口尺寸的確定。沖裁后，沖下件的尺寸和余料的相應尺寸是不同的，二者相差數值為模具間隙的兩倍。故在設計沖孔模具時，應使凸模刃口尺寸等于孔的尺寸，凹模刃口尺寸為孔的尺寸加兩倍間隙值；落料模具時，凹模刃口尺寸為成品尺寸，凸模刃口尺寸為成品尺寸減去相應間隙值。模具間隙一般為板料厚度的5%10%。 2）凸凹模間隙。間隙對沖裁件質量、沖裁力大小和模具壽命影響很大。間隙合適，上下裂紋重合，斷口表面平整，毛刺小，沖裁力小。間隙太小，上下裂紋不重合，斷口中部出現撕裂，毛刺也會增大，還會加速模具模損，沖裁質量很快惡化；間隙太大，材料的拉伸變形增大，塌角、毛刺、剪裂帶均增大，沖裁質量惡化。4）沖裁力計算。沖裁力是選

27、用沖床噸位和檢驗模具強度的主要依據，平刃沖模的沖裁力可用下式計算： 310KLF沖裁力，單位為kN；沖裁件周邊長度，單位為mm；板料剪切強度，單位為MPa；板料厚度，單位為mm；系數，與模具間隙、刃口、材料力學性能、厚度等有關，常取1.3。FL0K式中5）沖裁件的排樣。排樣指落料件在條料、帶料或板料上進行合理布置的方法。如圖3-36為四種不同排樣方法消耗材料的對比。排樣可分為無搭邊排樣（圖3-36d）和有搭邊排樣（如圖3-36a、b、c)。（2）修整。利用修整模沿沖裁件的外緣或內孔，切去一薄層金屬，以除去塌角、剪裂帶和毛刺，提高尺寸精度和降低表面粗糙度。修整沖裁件的外形為外緣修整，修整內孔為內

28、緣修整。如圖3-37所示。 （3）切斷。指用剪刃或沖模將板料沿不封閉輪廓進行分離的工序。剪刃安裝在剪床上，把大板料剪成條料或平板零件。 （4）精密沖裁。用壓邊圈使板料沖裁區處于靜壓作用下，抑制剪裂紋的發生，實現塑性變形分離的沖裁方法。目前已大規模采用。（5）切口。將材料沿不封閉的曲線部分地分離開，其分離部分的材料發生彎曲的沖壓方法。 2. 變形工序 變形工序是使坯料的一部分相對于另一部分產生相對位移而不破裂的工序。（1）拉深。是使平面板料變為開口的中空形狀零件的沖壓工序，又稱拉延。拉深件種類很多，大體可分為旋轉件、矩形件和復雜件，如圖3-38所示。對較深零件還可采用多次拉深法，如圖3-39所示

29、。1）拉深變形過程。 拉深過程如圖3-40所示，板料在拉深過程中的變形過程和應力分布如圖所示，在凸模壓力作用下，處于凸模底部的板料被壓入凹模，形成筒底，在拉深過程中基本不變形，受徑向和切向拉應力；拉深零件的側壁由底部以外的環形部分變形后形成，受軸向拉應力；尚未進入凹模的環形區存在徑向拉應力和切向壓應力。 由于上述應力的作用，拉深件的壁厚在不同的部位有減薄或增厚的變化，側壁的上部增加最多，靠近底部的圓角部位附近，壁厚最小，也是拉深過程中最容易破裂的部分。底部和側壁的拉應力應限制在不使材料發生塑性變形內，而環形區內的徑向拉應力應達到或超過材料的屈服極限，任何部位的應力總和應小于強度極限。否則會造成

30、拉穿缺陷。同時環狀變形區的切向壓力很大，易使板料出現皺折，應采取措施預防。 2）拉深板料的計算。可以概略地按照拉深前后工件面積相等的原則計算，對圓筒狀零件根據面積相等有：RhhdRRdRRdD482222203）拉深系數與拉深次數。拉深系數，板料拉深時的變形程度， ，即拉深后的工件直徑與板料直徑或半成品直徑之比。拉深系數越小，生產率越高，拉深應力越大。能保證拉深過程正常進行的最小拉深系數，稱為極限拉深系數。它與材料的內部組織、力學性能、板料相對厚度、沖模的圓角半徑、間隙值及潤滑條件有關。對不能一次拉 Ddm/srR零件高度；切邊余量。hh式中制成形的可多次拉深，拉深系數可取大些。4）拉深廢品及

31、缺陷。拉深過程中，環狀變形區的切向壓力很大，當毛坯中多余三角形不能順利變厚及沿高度方向伸長時，易使板料出現皺折，嚴重時導致坯料拉穿。如圖3-41所示。預防措施：1）拉深模具的工作部分，應加工成合理的圓角，2）控制凸模和凹模之間的間隙；3）合理的拉深系數；4）為減少由于摩擦引起的拉深件內應力的增加及減少模具磨損，應涂潤滑劑。5）為防止皺折，通常用壓邊圈將工件壓住，但壓力應適中。（2）彎曲。 彎曲是將平直板料彎成一定角度和圓弧的工序。如圖3-42所示變形區外層金屬受切向拉應力作用，發生伸長變形；內層金屬受切向壓應力作用，產生壓縮變形；在這兩個應力-應變區之間存在一個不產生應力和應變的中性層，位置在

32、板料的中心部位。 彎曲變形區的外表層存在最大的切向拉應力和最大的伸長變形，是最危險的部位。如果最大拉應力超過材料的強度極限，則會造成板料破裂。最大拉應力與彎曲半徑、板料厚度、材料性能有關。彎曲時應使實際彎曲半徑大于材料允許的最小半徑，并使拉應力方向和鍛造流線方向一致。如圖3-43所示。 彈復（回彈）：塑性彎曲使板料產生彈性變形和塑性變形，當外載荷去除后，彈性變形部分恢復，從而使板料產生與彎曲方向相反的變形 。如圖3-44所示。 彈復現象會影響彎曲件的尺寸精度。材料的屈服強度越高，彈復角越大；彎曲半徑越大，彈性變形所占比例越大，彈復角越大；彎曲半徑不變時，彎曲角越大，彈復角越大。 克服彈復現象的

33、措施有：1）增大凸模壓下量，或適當改變模具尺寸，使彈復后達到零件要求。2）改變彎曲時的應力狀態，把彈復現象限制在最小范圍內。 （3）翻邊。 是使平板坯料上的孔或外圓獲得內、外凸緣的變形工序。如圖3-45所示。 （4）成形。利用局部變形使坯料或半成品改變形狀的工序。如壓肋、收口、脹形等。如圖3-46所示為橡皮壓肋和橡皮脹形。1. 簡單模 在壓力機的一次行程中只完成一道工序的模具，如圖3-47所示。模具結構簡單，制造方便，適于小批量生產。3.2.2.2 沖模的分類與構造2. 連續模 連續模又稱級進模，在沖床的一次行程中，在模具不同部位上同時完成數道沖壓工序的模具，如圖3-48所示。連續模生產效率高

34、、易于實現自動化，但定位精度要求高，制造成本高，適于大批量生產。3. 復合模 在壓力機的一次行程中，在模具的同一位置完成一道以上工序的模具，如圖3-49所示的落料拉深復合模。零件精度高、平整性及生產率高，但模具制造復雜成本高，適于大批量生產中小型零件。3.2.3 其他塑性加工方法1. 擠壓成形 擠壓成形是使坯料在外力作用下，使模具內的金屬坯料產生定向塑性變形，并通過模具上的孔型，而獲得具有一定形狀和尺寸的零件的加工方法。擠壓的優點：1）可提高成形零件的尺寸精度，并減小表面粗糙度。2）具有較高的生產率，并可提高材料的利用率。3）提高零件的力學性能。4）擠壓可生產形狀復雜的管材、型材及零件。缺點：

35、變形阻力大，需能量較大的鍛壓設備，模具易磨損。 成形方式： 根據成形時溫度的不同可分為： 1）熱擠壓：在擠壓前，將金屬坯料加熱，使坯料在一般鍛造溫度范圍內進行擠壓。塑性好，變形抗力小，但對模具的耐熱性能要求高，且零件尺寸精度較低，表面較粗糙。 2）溫擠壓：將金屬加熱到一定溫度（對鋼材一般為8000C以下），再擠壓。既利用其塑性好，變形抗力低；又可提高尺寸精度，減小表面粗糙度。 3）冷擠壓：使金屬在室溫狀態下擠壓成形。變形抗力大，但零件尺寸精度高，表面粗糙度低。冷擠壓成形所產生的加工硬化作用，提高零件的強度。適用于變形抗力較低，塑性較好的有色金屬及其合金、低碳鋼、低碳合金鋼。 根據金屬的流動方向

36、和凸模運動方向的關系可分為：1）正擠壓：兩者方向相同，如圖3-50a所示。2）反擠壓：兩者方向相反，如圖3-50b所示。3）復合擠壓：兩方向同時發生，如圖3-50c所示。 4）徑向擠壓：金屬的流動方向與凸模運動方向垂直。如圖3-50d所示。 2.軋制成形 軋制也叫壓延，是金屬坯料通過一對旋轉軋輥之間的間隙而使坯料受擠壓產生橫截面減少、長度增加的塑性變形過程。它是生產型材、板材和管材的主要方法。生產效率高、產品質量好、成本低、節約金屬。 按軋輥的形狀、軸線配置等的不同，軋制可分為：輥鍛、輾環、橫軋、斜軋。1）輥鍛：使坯料通過一對旋轉的裝有圓弧形模塊的軋輥時受輾壓而變形的加工方法，如圖3-51所示

37、。這種方法用于制造扳手、鉆頭、連桿等。2）輾環：通過擴大環形坯料的內、外徑來獲得各種環形零件的工藝方法，如圖3-52所示。這種方法用于加工火車輪箍、軸承座圈、齒輪及凸緣等。3）橫軋：軋輥軸線與坯料軸線平行，且軋輥與坯料作相對轉動的軋制方法；如圖3-53所示為齒輪橫軋。4）斜軋：軋輥相互傾斜配置，以相同方向旋轉，坯料在軋輥的作用下反方向旋轉，同時作軸向運動的軋制方法，如圖3-54a軋制鋼球，圖3-54b軋制周期變截面型材。 5）楔橫軋：利用兩個外表面鑲有楔形凸塊、作同向旋轉的平行軋輥對沿軋輥軸向送進的坯料進行軋制的方法，如圖3-55所示，主要用于加工階梯軸、錐形軸等。 3. 拉拔成形 拉拔是使金

38、屬坯料通過一定形狀的模孔，使其橫截面減小、長度增加的加工方法，如圖3-56所示。產品形狀尺寸精確、表面質量好、機械強度高，常用于拔制金屬絲、細管材和異型材等。4.超塑性成形 超塑性是指金屬材料在特定條件下所表現出極大的異常塑性的現象。利用材料的超塑性進行成形的方法即為超塑性成形，如圖3-57所示。其變形抗力低、充模性能好、工件尺寸精確、力學性能好。 5. 擺動輾壓 上模軸線相對坯料軸線傾斜一個角度，上模一邊繞軸線旋轉，一邊對坯料進行壓縮的加工方法。如圖3-58所示。局部變形，無沖擊，噪聲振動小，生產率高；常用于加工回轉體類、盤類零件，如汽車半軸、齒輪等。6. 液態模鍛 將定量的熔化金屬液倒入凹

39、模型腔內，在金屬液即將凝固或半凝固狀態下用沖頭加壓，使其凝固成形的加工方法。7.高速高能成形 在極短時間內將化學能、電能、電磁能或機械能傳遞給坯料，使之迅速成形的加工方法，如爆炸成形、電液成形、電磁成形等。思考題：1. 試述錘上模鍛的鍛模模膛的分類。2. 沖裁時，板料的變形和分離過程如何？3. 試為下列零件選擇塑性成形方法。 發動機曲軸、大型水輪機軸、汽車大梁、鋁飯盒、無切削齒輪、鋼球。第3節 塑性成形工藝設計3.3.1 自由鍛工藝規程的制訂 自由鍛的工藝規程包括：繪制鍛件圖，計算坯料的重量和尺寸，確定變形工步，選定設備和工具，確定鍛造溫度范圍，加熱、冷卻及熱處理的方法及規范等。 1. 繪制鍛

40、件圖 鍛件圖是根據零件圖，并考慮加工余量，鍛造公差和余塊等繪制而成。它是計算坯料、確定變形工藝、設計工具和檢驗鍛件的依據。 加工余量，鍛造公差和余塊及典型鍛件圖的畫法如圖3-59所示。1）坯料質量。 坯料質量為鍛件質量與鍛造時各種金屬損耗的質量之和。可用下式計算：2. 計算坯料質量和尺寸切芯燒鍛坯mmmmm坯料質量；鍛件質量；坯料加熱時因氧化而燒損質量，常取鍛件的2.5%；沖孔時的芯料質量；鍛造中被切掉部分的質量。坯m燒m芯m切m鍛m式中2）坯料尺寸。 首先根據坯料質量計算出坯料體積，然后考慮鍛造比和變形方式等因素確定坯料截面尺寸，最后計算出長度尺寸或鋼錠尺寸。3. 確定變形工序 確定變形工序

41、的依據是鍛件的形狀特征、尺寸、技術要求、生產批量和生產條件等。包括確定鍛件成形所必需的基本工序、輔助工序和精整工序，以及設備和工具 。對軸桿類采用拔長為基本工序；對空心類采用鐓粗加沖孔；對曲軸類采用拔長和錯移。 工藝規程還包括選擇鍛造設備、確定加熱火次、確定工夾具、加熱設備、加熱及冷卻規范、熱處理及鍛件的后續熱處理等。3.3.2 自由鍛工藝規程實例 現以冷軋軋輥為例，確定其工藝卡如表3-1所示。 3.3.3 模鍛工藝規程的制訂 模鍛工藝規程包括制訂鍛件圖、計算坯料尺寸、確定模鍛工步（模膛）、選擇設備及安排修整工序等。1. 制訂鍛件圖 鍛件圖是生產和檢驗鍛件及設計鍛模的依據。制訂鍛件圖時應考慮如

42、下問題：1）分模面的確定。 分模面即是上下鍛模在模鍛件上的分界面，其位置影響鍛件成形、鍛件出模、模具加工、工步安排、金屬材料消耗和鍛件質量。應遵循以下原則。圖3-60 分模面的選擇比較 保證模鍛件能從模膛取出，應在最大截面處分模；如圖3-60所示， 面不合理。 防止錯模，應使上下模膛輪廓相同。如圖3-60所示， 面不合理。 應使模膛深度最淺，以利于金屬充滿模膛，模具加工；如圖3-60所示， 面不合適。aaccbb 節約金屬、減少切削加工量。如圖3-60所示， 面無法鍛出孔。 使分模面為平面，并使上下模膛深度基本一致。如圖3-60所示， 面分型最合適。bbdd2）確定加工余量、公差、余塊、模鍛斜

43、度、圓角半徑、沖孔連皮。 加工余量、公差、余塊：比自由鍛件小，孔應有沖孔連皮。模鍛斜度：為取出模鍛件，在平行于錘擊方向的表面設計的斜度。如圖3-61a所示。圓角半徑：在模鍛件上所有兩平面的交角處均需做成圓角，如圖3-61b所示，以增加鍛件強度，使鍛造時金屬易于充填模膛，避免裂紋，減輕鍛模磨損。 最后繪制鍛件圖，如圖3-62為齒輪坯的模鍛件圖。2.確定模鍛工步 模鍛工步主要根據模鍛件的形狀和尺寸來確定。1）長軸類。 長度明顯大于其寬度和高度的零件，如臺階軸、曲軸、連桿等，如圖3-63所示。鍛造時常選用拔長、滾壓、彎曲、預鍛、終鍛等工步。2）盤類。 軸向尺寸較短，在分模面上投影為圓形或長寬尺寸相近

44、的零件，如齒輪、凸緣、十字軸等，如圖3-64所示。常采用鐓粗、終鍛等工步。3. 坯料計算 計算方法與自由鍛相同，包括鍛件、飛邊、連皮、鉗口料頭和氧化皮的質量。4. 選擇模鍛設備5. 安排修整工序1）切邊和沖孔，如圖3-65所示。2）校正。3）熱處理。正火或退火。4）清理。去除氧化皮、油污及其他表面缺陷。5）精壓。平面精壓或體積精壓，如圖3-66所示。第4節 塑性加工方法的結構工藝性 3.4.1 自由鍛件的結構工藝性 自由鍛采用簡單和通用性的工具，因此鍛件設計時應在滿足使用要求的前提下采用簡單規則的形狀。如表3-2所示。如圖3-67所示為自由鍛鍛件類型。3.4.2 模鍛件的結構工藝性 設計模鍛件

45、時，應根據模鍛特點和工藝要求，使零件結構符合下列原則：1）模鍛件應具備合理的分模面。2）僅配合表面設計為加工面，其余為非加工面，與錘擊方向平行的非加工面應有模鍛斜度，連接面應有圓角。3）零件外形應簡單、平直和對稱，截面相差不宜過于懸殊，避免高肋、薄壁、凸起等不利于成形的結構。如圖6-68所示的a、b、c均不利成形，而d較好。4）應避免窄溝、深槽、深孔及多孔結構，以利于充填和模具制造。5）形狀復雜的鍛件應采用鍛-焊或鍛-機械連接組合工藝，以減少余塊，簡化模鍛工藝。3.4.3 板料沖壓件的結構工藝性 設計沖壓件時，應在滿足使用要求的前提下，具有良好的沖壓工藝性能，從而保證產品質量、提高生產率、節約

46、金屬材料、降低生產成本。1. 對各類沖壓件的共同要求1）盡量選用普通材料，盡量采用較薄板料和加強肋結構，如圖3-69所示；2）盡量采用簡單而對稱的外形，使坯料受力均衡，簡化工序，便于模具制造，如圖3-70所示；3）精度要求不宜過高，否則增加精壓工序；4）改進結構，簡化工藝，節約材料，如圖3-71的沖焊組合結構，圖3-72的沖口工藝。2. 對沖裁件的要求1）工件外形應盡量符合既好又無廢料的排樣要求，如圖3-73所示；2）沖孔時應力求簡單、對稱，盡量采用圓形、矩形等規則形狀；3）避免長槽與細長懸臂結構，如圖3-74為不合理結構；4）圓孔直徑、方孔邊長、孔距等符合圖3-75的要求；5）沖裁線相交處應

47、有圓角過渡，以避免模具開裂。圓角半徑應大于0.5個板厚。3. 拉深件的要求1）外形力求簡單，盡量采用軸對稱形狀，以減少拉深次數；2）盡量避免深度過大；3）拉深件的圓角半徑要合適。4.對彎曲件的要求1）彎曲件形狀盡量對稱，彎曲半徑不得小于材料允許的最小半徑。 2）彎曲邊不宜過短；3）彎曲帶孔件時，孔的位置應大于1.5 2個板厚。如圖3-76所示。第5節 塑性成形新發展1. 精密塑性成形技術 如精沖技術、超塑性成形技術、航空制造技術、冷擠壓技術、成形軋制、無飛邊熱模鍛技術、溫鍛技術、多向模鍛技術等。2. 快速制模技術 快速成形技術的應用。3. 塑性成形的計算機模擬思考題：1.自由鍛和模鍛的工藝規程

48、分別包括哪些主要內容？2.下圖所示零件采用模鍛制坯，試修改設計不合理結構，并說明理由；繪制鍛件圖。返回文檔圖3-1 各種塑性成形方法返回文檔圖3-2 單晶體的塑性變形動畫演示a) 未變形前 b) 彈性變形 c) 彈、塑性變形 d) 塑性變形后圖3-3 位錯運動形成滑移的示意圖 返回文檔動畫演示 返回文檔圖3-4 很多晶面滑移組成滑移帶返回文檔圖3-5 晶體的雙晶變形動畫演示 返回文檔圖3-6 多晶體塑性變形示意圖動畫演示a) 變形前 b) 變形后圖3-7 多晶體晶粒位向與受力變形關系示意圖返回文檔返回文檔圖3-8 常溫下塑性變形對低碳鋼力學性能的影響圖3-9 金屬的回復和再結晶示意圖返回文檔回

49、復動畫演示a)塑性變形后的組織 b）金屬回復后的組織 c）再結晶組 圖3-10 變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化返回文檔1內應力曲線2晶粒度曲線3強度曲線（變形抗力）4延伸率曲線返回文檔圖3-11 熱軋對晶粒組織的影響圖3-12 鍛造比對力學性能的影響返回文檔返回文檔圖3-13 拖鉤的纖維流線返回文檔圖3-14 不同成形工藝齒輪的流線分布a) 棒料經切削成形 b) 扁鋼經切削成形c) 棒料鐓粗后切削成形 d)熱軋成形 返回文檔圖3-15 不同截面的金屬流動情況a)圓形 b)正方形 c)長方形 返回文檔圖3-16 金屬鐓粗變形返回文檔圖3-17a 碳鋼在加熱時奧氏體的形成及晶粒長大示意圖圖3

50、-17b 碳鋼的鍛造溫度范圍返回文檔圖3-18 變形速度對塑性及變形抗力的影響 1變形抗力曲線 2塑性變化曲線返回文檔圖3-19 不同變形方式時的應力狀態a)擠壓 b)拉拔 c)自由鍛 返回文檔圖3-20 空氣錘 圖3-21 雙柱拱式蒸汽空氣自由鍛錘返回文檔1工作氣缸 2落下部分 3機架 4砧座 5操作手柄 6滑閥 7進氣管 8滑閥氣缸 9活塞 10錘桿 11排氣管圖3-22 自由鍛水壓機本體結構返回文檔1工作缸 2工作柱塞3上橫梁 4活動橫梁5立柱 6下橫梁7回程缸 8回程柱塞9回程橫梁 10拉桿11上砧 12下砧圖3-23 典型模鍛件返回文檔返回文檔圖3-24a 模鍛錘圖3-24b 錘上鍛

51、模1錘頭 2上模 3飛邊槽4下模 5模墊 6、7、10楔鐵8分模面 9模膛返回文檔圖3-25b 滾壓模膛圖3-25a 拔長模膛a）開式 b）閉式 a）開式 b）閉式 圖3-25d 切斷模膛 返回文檔圖3-25c 彎曲模膛返回文檔圖3-26 帶沖孔連皮和飛邊的模鍛齒輪坯1飛邊 2分模面 3沖孔連皮 4鍛件 圖3-27 彎曲連桿的模鍛過程返回文檔返回文檔圖3-28 胎模種類a）摔模 b）扣模 c）開式套筒模 d）閉式套筒模 e）合模 圖3-29 曲柄壓力機返回文檔1電動機 2小帶輪 3大帶輪（飛輪） 4傳動軸 5小齒輪 6大齒輪 7離合器8偏心軸 9連桿 10滑塊 11楔形工作臺 12下頂桿 13

52、楔鐵 14頂出機構15制動器 16凸輪返回文檔圖3-30 摩擦壓力機1電動機 2V帶 3摩擦盤 4飛輪 5螺桿 6螺母 7滑塊8導軌 9機架 10工作臺 12操縱機構返回文檔圖3-31 平鍛機的工作情況和傳動系統1電動機 2飛輪 3離合器 4傳動軸 5制動器 6曲軸 7連桿 8主滑塊 9 滾輪 10凸模 11擋板 12固定凹模 13坯料 14活動凹模 15橫滑塊16杠桿系統 17側滑塊 18滾輪 19凸輪返回文檔圖3-32 平鍛機上鍛造的鍛件返回文檔圖3-33 差速器行星錐齒輪差速器行星錐齒輪鍛件圖 精密模鍛壞料與凹模接觸情況 a)不合理 b)合理 返回文檔圖3-34 落料與沖孔示意圖a) 落

53、料 b) 沖孔返回文檔圖3-35 沖裁過程a) 變形三階段 b) 沖裁力的變化 c) 沖裁零件斷面返回文檔圖3-36 不同排樣方式材料消耗對比a) b) c) d)返回文檔圖3-37 修正工序簡圖a) 外緣修整 b）內緣修整 1-凸模 2-凹模 返回文檔圖3-38 各種拉深件返回文檔圖3-39 拉深工序圖1坯料 2第一次拉深的產品（第二次拉深的坯料）3凸模 4凹模 5成品 返回文檔圖3-40 拉深過程及變形和應力1凸模 2壓邊圈3板料 4凹模a）變形過程 b）應力分布返回文檔圖3-41 起皺與拉穿a) 起皺 b) 拉穿返回文檔a)彎曲過程 b）彎曲產品 1工件 2凸模 3凹模圖3-42 彎曲過

54、程中金屬變形簡圖返回文檔圖3-43 彎曲時的纖維方向返回文檔圖3-44 彎曲時的回彈現象 1回彈前 2回彈后返回文檔 圖3-45 翻邊簡圖1坯料 2翻邊 3凸模 4凹模圖3-46 成形工序簡圖 返回文檔a) 壓肋 b) 脹形返回文檔圖3-47 簡單模1凸模 2凹模 3上模板 4下模板5模柄 6凸模壓板 7凹模壓板 8卸料板9導板 10定位銷 11導套 12導柱 返回文檔圖3-48 連續模1落料凸模 2定位銷 3落料凹模 4沖孔凸模 5沖孔凹模 6卸料板 7坯料 8成品 9廢料 a) 沖壓前 b) 沖壓時返回文檔圖3-49 落料及拉深復合模1擋料銷 2、3凸凹模(落料凸模、拉深凹模) 4條料 5壓板（卸料器） 6落料凹模 7拉深凸模 8頂出器 9落料成品 10開始拉深件 11零件(成品) 12廢料 a)沖壓前 b)沖壓時 返回文檔圖3-50 擠壓的幾種方式a)b)c)d)a)正擠壓 b)反擠壓 c)復合擠壓 d)徑向擠壓 1凸模 2凹模 3坯料 4擠壓產品返回文檔圖3-51 輥鍛1鍛輥 2模塊 3坯料 返回文檔圖3-52 輾環1驅動輥 2