资源简介

(共43张PPT)
锻压
锻压加工的基础知识
Part 01
金属的冷变形强化对金属组织和性能的影响
Part 03
金属的塑性变形
Part 02
金属的回复、再结晶、晶粒长大
Part 04
金属冷变形与热变形的区别
Part 05
模锻和胎模锻
Part 08
板料冲压
Part 10
其它锻造方法
Part 09
锻压新技术与新工艺
Part 11
自由锻
Part 07
热变形对金属组织和性能的影响
Part 06
锻压加工的基础知识
一、锻压加工的基础知识
锻压是对坯料施加外力，使金属产生塑性变形，改变尺寸、形状，改善性能，以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法，是锻造和冲压的总称。锻压包括锻造（自由锻、模锻、胎模锻等）、板料冲压、，挤压，轧制及拉拔等工艺方法。锻件如图1所示。
一、锻压加工的基础知识
锻压以金属的塑性变形为基础，各种钢材和大多数塑性较好的非铁金属及其合金都具有良好的塑性和韧性，因此它们可在冷态或热态下进行锻压，而脆性材料（如灰铸铁、铸造铜合金、铸造铝合金等）则不能进行锻压。锻压在机械制造中具有广泛的应用，这是由于锻压具有如下特点：
（1）锻压可改善金属内部组织，提高金属的力学性能
金属经锻压后，可使金属毛坯的晶粒变得细小，并使锻压前的原始铸造组织中的内部缺陷（如微裂纹、气孔、缩松等）压合，因而提高了金属的力学性能。例如，锻件比相同材质的铸件具有较高的力学性能。
1.锻压的特点
一、锻压加工的基础知识
（2）锻压可节省金属材料
由于锻压提高了金属的强度等力学性能，所以可相对地缩小零件的横截面尺寸，减轻零件质量。另外，采用精密锻压时，可使锻压件的尺寸精度和表面粗糙度值接近成品零件，做到少切削加工或无切削加工。
（3）锻压具有较高的生产率
除自由锻外，其他几种锻压加工方法都具有较高的生产率，如齿轮压制成形、滚轮压制成形等制造方法均比切削加工的生产率高。
1.锻压的特点
一、锻压加工的基础知识
（4）锻压适用范围广
锻压可以生产各种不同类型与不同质量的产品，从质量不足1g的冲压件到质量高达数百吨的大型锻件都可以生产。
想一想
人民币中的一元硬币是用什么金属材料制造的？采用何种加工工艺？
观察生活和学习环境，有哪些器件是采用锻压生产的？
1.锻压的特点
一、锻压加工的基础知识
金属锻压的不足之处是不能获得形状比较复杂的工件，一般工件的尺寸精度、几何精度和表面质量还不够高；加工设备比较昂贵；工件的加工成本比铸造高。另外，锻压过程中会对金属的内部组织和性能产生不利影响，需要在锻压之后或锻压过程中进行热处理（如退火、正火等），使其发生回复与再结晶，消除锻压产生的不良影响。
1.锻压的特点
一、锻压加工的基础知识
金属在锻压过程中产生塑性变形而不开裂的能力称为金属的可锻性。可锻性与金属的塑性和变形抗力有关，金属塑性越好，金属变形抗力越小，则金属可锻性越好；反之，则金属可锻性越差。金属的可锻性好，表明金属容易进行锻压；金属的可锻性差，表明金属不宜进行锻压。
2.可锻性
金属的塑性变形
二、金属的塑性变形
金属的塑性变形过程实质上是金属内部的位错沿着滑移面的运动过程，如图1所示。在滑移过程中，一部分旧的位错消失，又产生大量新的位错，总的位错数量是增加的，大量位错运动的宏观表现就是金属的塑性变形。位错运动观点认为晶体缺陷及位错相互纠缠会阻碍位错运动，导致金属强化，即产生冷变形强化现象
金属的冷变形强化对金属组织和性能的影响
三、金属的冷变形强化对金属组织和性能的影响
冷变形强化（或加工硬化）是指随着冷变形程度的增大，金属的所有强度指标和硬度都有所提高，但塑性有所下降的现象。变形后，金属的晶格结构严重畸变，变形金属的晶粒被压扁或拉长，甚至一个晶粒破碎成许多小晶块，这种组织称为纤维组织，如图1所示。纤维组织中的位错密度提高，变形难度加大，并使金属在不同方向上表现出不同的性能，即产生一定程度的各向异性。低碳钢塑性变形时力学性能的变化规律如图2所示，从图中可以看出：强度与硬度随变形程度的增大而提高，塑性与韧性则明显下降。
1.金属的冷变形强化
三、金属的冷变形强化对金属组织和性能的影响
1.金属的冷变形强化
图1低碳钢冷轧前后多晶体晶粒形状的变化
图2 低碳钢塑性变形时力学性能的变化规律
三、金属的冷变形强化对金属组织和性能的影响
虽然冷变形强化现象使金属的可锻性恶化，但它也有应用价值，如利用冷变形强化现象可以强化纯金属和不能热处理强化的金属。当需要消除冷变形强化现象时，可在金属变形过程中合理安排“退火”工序。
1.金属的冷变形强化
金属的回复、再结晶、晶粒长大
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
经过冷变形强化的金属组织处于不稳定状态，它具有自发地恢复到稳定状态的倾向。但是在室温下，金属原子的活动能力很小，这种不稳定状态的组织能够保持很长时间而不发生明显的变化。只有对冷变形金属进行加热，增强金属原子的活动能力，才会发生显微组织和力学性能的变化，并逐步使冷变形金属的内部组织恢复到稳定状态。冷变形金属加热时显微组织的变化过程包括回复、再结晶和晶粒长大三个阶段，如图1所示。
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
将冷变形金属加热至一定温度后，使原子回复到平衡位置，晶粒内残余应力大大减小的现象称为回复。冷变形金属在回复过程中，由于加热温度不高，所以原子的活动能力较小，金属的显微组织变化不大，金属的强度和硬度基本保持不变，但金属的塑性略有回升，残余内应力部分消除。例如，冷拔弹簧钢丝绕制成弹簧后常进行低温退火（加热温度低于再结晶温度），其目的就是利用回复处理保持冷拔弹簧钢丝的高强度，同时消除冷卷弹簧时产生的内应力。
1.回复
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
将冷变形金属加热至一定温度后，使原子回复到平衡位置，晶粒内残余应力大大减小的现象称为回复。冷变形金属在回复过程中，由于加热温度不高，所以原子的活动能力较小，金属的显微组织变化不大，金属的强度和硬度基本保持不变，但金属的塑性略有回升，残余内应力部分消除。例如，冷拔弹簧钢丝绕制成弹簧后常进行低温退火（加热温度低于再结晶温度），其目的就是利用回复处理保持冷拔弹簧钢丝的高强度，同时消除冷卷弹簧时产生的内应力。
1.回复
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
当加热温度较高时，塑性变形后的晶粒及被拉长了的晶粒会重新生核，转变为均匀的等轴晶粒，并且金属的可锻性得到恢复，这个过程称为再结晶。
2.再结晶
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
再结晶是在一定的温度范围内进行的，开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。纯金属的再结晶温度T再为
T再≈0.4T熔
式中：T熔一一纯金属的热力学温度熔点，K。
2.再结晶
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
加入合金元素会使再结晶温度显著提高。在常温下经过塑性变形的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶的处理过程称为再结晶退火。再结晶退火可以消除冷变形强化现象，提高金属的塑性，便于金属进行锻压，如金属在冷轧、冷拉、冷冲压过程中，需在各工序中穿插再结晶退火对金属进行软化。
有些金属，如铅和锡的再结晶温度低于室温，在室温下随时会发生再结晶，因此铅和锡经过冷变形后不会产生冷变形强化现象，总是感觉很软。
2.再结晶
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
拓展知识
冷加工与热加工的界限
冷加工与热加工的界限是以再结晶温度划分的。在再结晶温度以上进行的塑性变形属于热加工，在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工。显然，冷加工与热加工并不是以具体加工温度的高低来区分的。例如，钨的再结晶温度约为1200℃，因此钨即使在稍低于1200℃的高温下进行的塑性变形仍属于冷加工；而锡的再结晶温度约为－7℃，因此锡即使在室温下进行的塑性变形仍属于热加工。在冷加工过程中，由于冷变形强化使金属的可锻性变差。在热加工过程中，由于同时进行着再结晶过程，金属的可锻性好，所以能够顺利地进行塑性变形，从而实现锻压成形。
2.再结晶
四、金属的回复、再结晶、晶粒长大
产生纤维化组织的金属通过再结晶一般都能得到细小而均匀的等轴晶粒，但是如果加热温度过高或加热时间过长，则晶粒会明显长大，成为粗晶组织，如图2所示，从而使金属的力学性能下降，可锻性变差。
3.晶粒长大
金属冷变形与热变形的区别
五、金属冷变形与热变形的区别
变形有热变形与冷变形之分。从金属学的观点来说，把再结晶温度以上的变形称为热变形；而把再结晶温度以下的变形称为冷变形。如锡、铅的再结晶温度低于室温，因此它们在室温的变形也属于热变形。铁的最低再结晶温度为450℃，故即使它在400℃的变形仍属于冷变形。
五、金属冷变形与热变形的区别
金属材料冷变形和热变形后组织的对照如图，可以看出，冷变形后金属晶粒被拉长，在变形过程中不发生再结晶，金属将保留加工硬化现象。热变形是在再结晶温度以上进行的，变形过程中要发生再结晶过程，金属将不显示加工硬化现象。
五、金属冷变形与热变形的区别
为了获得良好的塑性和加速再结晶过程，工业中采用的热变形温度大大超过再结晶温度。因为，除了高温下塑性好，变形抗力小以外，热变形还给金属带来很多好处，如它能消除铸造金属中的某些缺陷（气孔的焊合、粗大晶粒的破碎及改变夹杂物的分布等）。但是，由于在高温下变形，金属表面严重氧化，表面粗糙而且精度差，故一般用于大件或截面较厚和变形量大的毛坯。
热变形对金属组织和性能的影响
六、热变形对金属组织和性能的影响
通过热变形（通常是轧制或锻压）可使金属锭中的气孔焊合、压实分散的缩孔，使材料的密度增加；由于在温度与压力的作用下扩散速度增快，因而偏析可部分地消除，使成分比较均匀。经过热变形后，一般都会使晶粒细化。当然，能否得到细化晶粒作用，取决于变形量及终锻温度。只要避免临界变形量和过高的终锻温度，就可以细化晶粒，提高金属材料力学性能。
1.使金属材料组织致密和细化晶粒
热变形不能使金属硬化，但它能使金属的组织和性能发生显著的变化。
六、热变形对金属组织和性能的影响
金属内部的夹杂物在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中金属锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使金属锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致，使之变成条带状、线状或片层状，在宏观试样上沿着变形方向呈现为一条条的细线，这就是热变形金属中的流线。由一条条流线勾划出来的这种组织称为热变形纤维组织。
2.产生热变形纤维组织（流线）
六、热变形对金属组织和性能的影响
2.产生热变形纤维组织（流线）
纤维组织的出现，将使金属的力学性能呈现各向异性。沿着纤维伸展的方向上具有较高的力学性能，而垂直于纤维伸展的方向的性能较低。如图所示的锻造齿轮和曲轴，要比切削加工出来的纤维组织分布状态为佳，因而具有较高的力学性能。
六、热变形对金属组织和性能的影响
3.可能产生带状组织
在经过热变形的亚共析钢的显微组织中，因铁素体在被拉长的杂质上优先成核，有时还会出现铁素体与珠光体沿金属的加工变形方向呈平行交替分布的层状或条带状组织，称为带状组织。
带状组织使钢材的力学性能呈各向异性，纵向和横向的力学性能不同，并可降低塑性和韧性，热处理时易产生变形，且使钢材组织、硬度不均匀；带状碳化物会影响轴承和工具的使用寿命。
六、热变形对金属组织和性能的影响
3.可能产生带状组织
减轻或消除带状组织的主要措施有：
①提高钢的纯度，降低硫、磷和非金属夹杂物的含量。
②热变形时采用加热和长时间保温，以减轻或消除枝晶偏析。
热加工后提高冷却速度，细化晶粒。
自由锻
七、自由锻
1.典型锻件的自由锻工艺过程
形状比较复杂的锻件一般需要采用多种工序分步进行锻造才能锻制成形。表1列出了部分典型锻件自由锻过程的主要工序。
表1部分典型锻件自由锻过程的主要工序
锻件类型 锻件简图 主要工序
盘类和圆环类锻件 镦粗、冲孔拔长、扩径、定径
套筒类锻件 镦粗、沖孔、芯棒拔长、滚圆、定径
七、自由锻
1.典型锻件的自由锻工艺过程
表1部分典型锻件自由锻过程的主要工序
锻件类型 锻件简图 主要工序
轴类锻件 拔长、压肩、滚圆、定径
曲轴类锻件 拔长，错移、压肩、扭转、滚圆、定径
连杆类锻件 拔长、压肩、修整、冲孔
弯曲类锻件 拔长、弯曲、修整
模锻和胎模锻
八、模锻和胎模锻
模锻是利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法。用模锻生产的锻件称为模锻件。由于坯料在锻模内整体锻打成形，所以金属模锻时所需的变形力较大。
模锻按所用设备的不同可分为模锻锤上模锻、曲柄压力机上模锻及摩擦压力机上模锻等。图1所示为模锻锤上模锻。锻模由上锻模和下锻模两部分组成，分别安装在锤头和模垫上，工作时上锻模随锤头一起上下运动，上锻模向下扣合时，对模膛中的金属坯料进行冲击，使之充满整个模膛，从而得到所需的锻件。
1.模锻
八、模锻和胎模锻
1.模锻
模锻与自由锻相比具有很多优点，如生产率高，有时比自由锻高几十倍；模锻件尺寸比较精确，切削加工余量小，故可节省金属材料，减少切削加工工时；模锻能够锻制形状比较复杂的锻件。但模锻受到设备吨位的限制，模锻件质量一般在150kg以下，且制造锻模的成本较高。因此，模锻主要用于大批量生产形状比较复杂，精度要求较高的中小型锻件。
八、模锻和胎模锻
胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。胎模是一种只有一个模膛且不固定在锻造设备上的锻模，只是在使用时才放在锤头或砧座上。
胎模锻是介于自由锻和模锻之间的一种锻造方法。胎模锻一般采用自由锻方法制坯，使坯料初步成形，然后在胎模中终锻成形。胎模的种类较多，常用的胎模有扣模、套模、摔模、弯曲模、合模和冲切模等。图2所示为胎模锻示意图。
2.胎模锻
八、模锻和胎模锻
胎模锻与自由锻相比，生产率高，锻件成本低、精度较高，节约金属材料；胎模锻与模锻相比，不需要吨位较大的设备，工艺灵活，但胎模锻比模锻的劳动强度大，模具寿命短，生产率低。因此，胎模锻一般在中，小批量生产及无模锻设备的中、小型工厂应用广泛。
2.胎模锻

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