第8章金屬固態塑性成形技術1、金屬固態塑性成形技術理論基礎1）金屬固態塑性成形原理及工藝流程等鍛壓的原理、實質、工藝流程、特點與應用：鍛壓的原理：金屬固態塑變成形；實質：在外力作用下金屬材料通過塑性變形，以獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的毛坯或者零件。工藝流程：鍛壓的工藝方法有許多，但其基本工序及流程相同。特點與應用：①能改善金屬的內部組織，提高或改善其力學性能等；②材料的利用率高；③較高的生產率；④多數工藝方法生產的產品精度較高。缺點是不能壓力加工脆性材料（如鑄鐵，鑄鋁合金等）和形狀特別復雜（尤其是內腔形狀復雜）或體積特別大的毛坯或零件，另外，多數壓力加工工藝的投資較大等。主要用于原材料的生產、承受沖擊或交變應力的重要零件（如機床主軸、齒輪、曲軸、連桿等）毛坯及薄壁件生產等。鍛壓是鍛造和沖壓的統稱。它是通過金屬在I茸態下發生塑性變形實現的，是制造機械2）金屬（固態）塑性變形理論基礎要對金屬材料進行固態塑性成形，則須對金屬在工業上實現這類過程的可能性和局限性作出正確的評價，以便于掌握和運用。有關金屬材料塑性變形的知識在工程材料學的第3章已有詳細的敘述，這里不再重復。（1）金屬的可鍛性及影響因素金屬的可鍛性決定于金屬本身的塑性(δ、Ψ)和變形抗力，金屬的塑性越好，變形抗力越小，則可鍛性越好。金屬的可鍛性除與金屬的本質有關外，還決定于變形（加工）條件，其中最重要的因素是溫度。應選擇適當的始鍛、終鍛溫度。變形速度的影響有雙重性，一般而言，提高變形速度，金屬的再結晶來不及消除加工硬化，使金屬的塑性下降，變形抗力增加，從而使可鍛性降低；但當變形速度達到某一臨界值后，由于塑性變形的熱效應，而導致溫度升高，從而又使可鍛性提高，高速錘鍛造就是利用這個原理；常用的各種鍛造方法，變形速度都低于臨界速度，對塑性差的材料，宜采用減慢變形速度的工藝，以防斷裂。應力狀態對可鍛性也有影響，出現拉應力會引起金屬內部缺陷的擴展，因而在各向受拉時，金屬呈現較小的塑形，而各向受壓時，則呈現較大的塑性。（2）金屬塑性變形的基本規律金屬的塑性變形屬固態成形，其遵循的基本規律主要有體積不變規律、最小阻力定律和加工硬化等。掌握和應用這些基本規律，以便優質高效的生產出鍛（壓）件。（3）金屬塑性變形對組織和性能的影響a.冷變形(又叫冷成形)過程及其影響冷變形的特征是金屬塑性變形后具有加工硬化現象，即金屬的強度、硬度升高，塑性和韌度下降；冷變形制成的產品尺寸精度高、表面質量好；對于那些不能或不易用熱處理方法提高強度、硬度的金屬構件(特別是薄壁細長件)，利用金屬在冷成形過程中的加工硬化來提高構件的強度和硬度不但有效，而且經濟。例如各類冷沖壓件、冷軋冷擠型材、冷卷彈簧、冷拉線材、冷鐓螺栓等等，故冷變形加工在各行各業中應用廣泛。由于冷變形過程中的加工硬化現象，使金屬材料的塑性變差，給進一步塑性變形帶來困難，故冷變形需重型和大功率設備；對加工坯料要求其表面干凈、無氧化皮、平整等；另外，加工硬化使金屬變形處電阻升高，耐蝕性降低等。b.熱變形(又叫熱成形)過程及其影響金屬在熱變形中始終保持著良好的塑性，可使工件進行大量的塑性變形，又因高溫下金屬的屈服強度較低，故變形抗力低，易于變形；熱變形使金屬材料內部的縮松、氣孔或空隙被壓實，粗大(樹枝狀)的晶粒組織結構被再結晶細化，從而使金屬內部組織結構致密細小，力學性能(特別是韌度)明顯改善和提高；熱變形使金屬材料內部晶粒間的雜質和偏析元素沿金屬流動的方向呈線條狀分布，再結晶后，晶粒的形狀改變了，但定向伸長的雜質并不因再結晶的作用而消除，形成了纖維組織，使金屬材料的力學性能具有方向性，且纖維組織形成后，不能用熱處理方法消除，只能通過鍛造方法使金屬在不同方向變形，才能改變纖維的方向和分布。熱變形廣泛應用于大變形量的熱軋、熱擠以及高強度高韌度毛坯的鍛造生產等；但熱變形中，金屬表面氧化較嚴重，工件精度和表面品質較冷變形的低；另外，設備維修工作量大，勞動強度也較大。2、常用金屬固態塑性成形技術金屬塑性成形技術的選擇和實施，與材料、成形件的幾何形狀、工藝過程的實施條件(壓力、溫度、速度等)等有著密切關系。機械制造業中，人們充分利用冷、熱塑性變形及其相應工藝的優點，生產出各類毛坯或零件。1）自由鍛造（簡稱自由鍛）（1）自由鍛工藝特點及應用：①成形過程中坯料整體或局部塑性成形，除與上、下砧鐵接觸的金屬部分受到約束外，金屬坯料在水平方向能自由變形流動，不受限制，故自由鍛鍛件的形狀和尺寸取決于操作者的技術水平，但鍛件質量不受限制。②自由鍛要求被成形材料(黑色金屬或有色金屬)在成形溫度下須具有良好的塑性。經自由鍛成形所獲得的鍛件，其精度和表面品質差。③自由鍛可使用多種鍛壓設備(空氣錘、蒸汽錘、機械壓力機、液壓機等)，其鍛造所用工具簡單且通用性大，操作方便。但是，自由鍛生產率低，金屬損耗大，勞動條件較差等。故自由鍛適用于形狀簡單的單件或小批量毛坯成形，特別是重型、大型鍛件的生產。（2）自由鍛工藝規程自由鍛工藝規程包括繪制鍛件圖、選擇鍛造工序、確定鍛造設備、確定鍛造溫度和冷卻規范等。鍛件圖的工藝設計中，加工余量和鍛造公差的概念較易理解，而敷料(余塊)的出現是為了簡化鍛件外形，利于鍛造而多留的金屬，但其取舍不僅會影響鍛造及其后續工序工時的分配、材料利用率等，而且還會影響流線組織的分布和零件的質量，應慎重對待。鍛造工序的確定應根據鍛件的結構特點以及具體的生產條件，結合各變形工序的特點，綜合比較分析后確定。鍛造設備選用時，要大體知道各類設備的能力。空氣錘噸位小于10kN，用于小型鍛件生產，蒸汽錘噸位在50kN以下，用于中小型鍛件生產。水壓機噸位可達l05kN以上，用于大型鍛件生產。此外，還應根據鍛件尺寸，控制鍛件的加熱和冷卻速度。由于鍛造過程中的應力的產生，因此應配備以適當的熱處理。（3）自由鍛件的結構工藝性（又稱結構技術特征）由于自由鍛本身的特點，鍛件外形結構的復雜程度受到很大限制。因此在設計自由鍛件時應考慮鍛造是否可能、方便和經濟。如錐面、斜面(鍛打過程中產生水平分力，不易操作)及其他復雜截面，非平面交接結構以及加強筋、小凸臺等，均應改為簡單的、平直的形狀。2）模型鍛造（簡稱模鍛）（1）模鍛工藝特點及應用：①模型鍛造時坯料是整體塑性成形，坯料三向受壓。坯料放于固定鍛模模膛中，當動模作合模運動時(一次或多次)，坯料發生塑性變形并充滿模膛，隨后，模鍛件由頂出機構頂出模膛。模鍛是熱成形過程，可生產各種外形的鍛件，鍛件形狀僅受成形過程、模具條件和鍛造力的限制。②熱成形模鍛件的精度和表面品質除鍛模的精度和表面品質外，還取決于氧化皮的厚度和潤滑劑等，一般都符合要求，但要得到零件配合面最終精度和表面品質還須再進行精加工(如車削、銑削、刨削等)。③模鍛可使用多種鍛壓設備(蒸汽錘、機械壓力機、液壓機、臥式機械鐓鍛機等)，所需設備要根據生產量和實際采用的成形工藝來選擇。但模鍛件的形狀和重量受到限制，且鍛模造價高，制造周期長等。模鍛適宜于大批量生產的中小型鍛件。2）模鍛工藝規程模鍛工藝規程包括繪制鍛件圖、選擇鍛造工序及鍛模模膛設計、確定鍛造設備、確定鍛造溫度和冷卻規范等。在模鍛件圖工藝設計時，應考慮分模面、公差、余量、模鍛斜度、圓角半徑、沖孔連皮等。其中分模面的選擇當然是至關重要的，它決定了金屬在終鍛模膛中充填的難易，鍛件能否順利取出以及鍛模制造的繁簡等一系列問題。模鍛件的形狀決定了模鍛鍛造工序，如長軸類零件常選用拔長、滾壓、彎曲、預鍛和終鍛等工序，而盤類鍛件，一般無需制坯工序，只需將坯料墩粗一下，即可進入終鍛模膛。鍛模模膛一般分為制坯模膛、預鍛模膛和終鍛模膛。終鍛模膛的形狀應與鍛件形狀相同，尺寸要比鍛件尺寸放大一個收縮量；為便于坯料和鍛件出模，垂直于分模面的表面必須有斜度；在鍛模上兩個面相交處以圓角過渡，其作用是減小坯料流人模槽的摩擦阻力，減小轉角處的應力集中；模膛四周的飛邊槽以容納被擠出的多余金屬；對于通孔鍛件因無法直接沖出通孔，只能壓凹成盲孔，中間留有沖孔連皮，鍛后與飛邊一同切除。對于簡單鍛件只需終鍛模膛一次成形，但對于形狀復雜鍛件則需經過制坯模膛和預鍛模膛逐步成形，使坯料變形接近于鍛件的形狀和尺寸。制坯模膛如滾壓模膛等實現坯料體積的重新分配。預鍛模膛不同于終鍛模膛之處在于預鍛模膛的圓角和斜度較大，沒有飛邊槽。（3）模鍛件的結構工藝性（又稱結構技術特征）要使金屬易于充填模膛，并注意合理的分模面、模鍛斜度和圓角半徑等。（4）對其他模鍛方法只需了解各自的特點及其應用范圍即可。胎模鍛使用不固定在設備上的各種稱為胎模的單膛模具成形模鍛件，具有操作比較靈活，胎模模具簡單、容易制造加工、成本低，生產準備周期短等。曲柄壓力機模鍛由于作用力的性質是壓力而非沖擊力，因此具有高的模鍛精度。平鍛機相當于臥式的曲柄壓力機，除具有曲柄壓力機的特點外，還因為它具有兩個分模面(凹模可分)，因而特別適合鍛制帶頭部的桿類鍛件和帶孔的以及同時帶有凹擋的鍛件等。摩擦壓力機則主要適用于小型鍛件的批量生產。3）板料沖壓（1）特點及應用板料沖壓常在室溫下進行，由于塑性變形產生的加工硬化使沖壓件的強度、剛度提高，加上沖壓模具能保證相當高的精度，因此無需進一步加工即可直接作為零件使用，特別適宜于輕質薄壁件生產，并且板料沖壓具有很高的生產率。由于板料成形模具較復雜，設計和制作費用高、周期長，故只有在大批量生產的情況下，才能顯示其優越性。（2）沖壓工序及變形特點沖壓工序分為分離和成形工序兩大類。如落料和沖孔時坯料的切離過程；彎曲時，板料各層的受力和變形情況；拉深時，板料各部分受力情況等。在此基礎上，應能正確分析出確保每一工序順利進行，獲得符合要求的沖壓件的必要條件，如落料和沖孔時，凸模與凹模刃口要鋒利，兩者間隙合理；彎曲時注意控制相對彎曲半徑r／S；拉深時，凸、凹模的頂角要做成圓角，兩者有合理的間隙，并且有一定的拉深系數d／D（拉深后零件直徑d與拉深前的板料直徑D之比，一般為0.5～0.8)要求等。其他如旋壓、翻邊、脹形和沖口變形工序作一般性的了解。（3）沖壓模具（簡稱沖模）沖模按完成工序的多少和方式可分為簡單沖模、連續沖模和復合沖模三種。簡單沖模和復合沖模都只在一個工位上完成工作，在一次行程中，簡單沖模只完成一道工序，而復合沖模則完成多個工序。連續沖模是在一次行程中，在板料上順序完成多個工序。（4）沖壓件結構工藝性沖壓件結構工藝性是根據各工序的具體特點分別考慮。弄懂了沖壓過程中各工序的變形特點，就不難理解教材中的沖壓件結構工藝性分析。3）其他鍛壓工藝簡介對一些先進鍛壓工藝，只需作一般性了解。與常規模鍛工藝相比較，這些先進的模鍛工藝其有下述