第8章 金属固态塑性成形技术

一、内容提要

1．金属（固态）塑性成形技术理论基础

1）金属固态塑性成形原理及工艺流程等

锻压的原理、实质、工艺流程、特点与应用：

锻压的原理：金属固态塑变成形；

锻压的实质：在外力作用下金属材料通过塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或者零件。

锻压的工艺流程：锻压的工艺方法有许多，但其基本工序及流程相同。

特点与应用：

（1）能改善金属的内部组织，提高或改善其力学性能等；

（2）材料的利用率高；

（3）较高的生产率；

（4）多数工艺方法生产的产品精度较高。

缺点是不能压力加工脆性材料（如铸铁，铸铝合金等）和形状特别复杂（尤其是内腔形状复杂）或体积特别大的毛坯或零件，另外，多数压力加工工艺的投资较大等。

主要用于原材料的生产、承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等）毛坯及薄壁件生产等。

锻压是锻造和冲压的统称。它是通过金属在固态下发生塑性变形来实现的，是制造机械零件毛坯的主要成形方法之一。

2）金属（固态）塑性变形理论基础

要对金属材料进行固态塑性成形，则须对金属在工业上实现这类过程的可能性和局限性作出正确的评价，以便于掌握和运用。

有关金属材料塑性变形的知识在相关图书中已有详细的叙述，这里不再重复。

（1）金属的可锻性及影响因素。金属的可锻性决定于金属本身的塑性（δ、Ψ）和变形抗力，金属的塑性越好，变形抗力越小，则可锻性越好。

金属的可锻性除与金属的本质有关外，还决定于变形（加工）条件，其中最重要的因素是温度。应选择适当的始锻、终锻温度。变形速度的影响有双重性，一般而言，提高变形速度，金属的再结晶来不及消除加工硬化，使金属的塑性下降，变形抗力增加，从而使可锻性降低。但当变形速度达到某一临界值后，由于塑性变形的热效应，而导致温度升高，从而又使可锻性提高，高速锤锻造就是利用这个原理。常用的各种锻造方法，变形速度都低于临界速度，对塑性差的材料，宜采用减慢变形速度的工艺，以防断裂。应力状态对可锻性也有影响，出现拉应力会引起金属内部缺陷的扩展，因而在各向受拉时，金属呈现较小的塑形，而各向受压时，则呈现较大的塑性。

（2）金属塑性变形的基本规律。金属的塑性变形属固态成形，其遵循的基本规律主要有体积不变规律、最小阻力定律和加工硬化等。掌握和应用这些基本规律，以便优质高效的生产出锻（压）件。

（3）金属塑性变形对组织和性能的影响。

① 冷变形（又叫冷成形）过程及其影响。冷变形的特征是金属塑性变形后具有加工硬化现象，即金属的强度、硬度升高，塑性和韧度下降；冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好；对于那些不能或不易用热处理方法提高强度、硬度的金属构件（特别是薄壁细长件），利用金属在冷成形过程中的加工硬化来提高构件的强度和硬度不但有效，而且经济。例如各类冷冲压件、冷轧冷挤型材、冷卷弹簧、冷拉线材、冷镦螺栓等，故冷变形加工在各行各业中应用广泛。

由于冷变形过程中的加工硬化现象，使金属材料的塑性变差，给进一步塑性变形带来困难，故冷变形需重型和大功率设备，对加工坯料要求其表面干净、无氧化皮、平整等。另外，加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低。

② 热变形（又叫热成形）过程及其影响。金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑性变形，又因高温下金属的屈服强度较低，故变形抗力低，也易于变形。热变形使金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压实，粗大（树枝状）的晶粒组织结构被再结晶细化，从而使金属内部组织结构致密细小，力学性能（特别是韧度）明显改善和提高。热变形使金属材料内部晶粒间的杂质和偏析元素沿金属流动的方向呈线条状分布，再结晶后，晶粒的形状改变，但定向伸长的杂质并不因再结晶的作用而消除，就形成了纤维组织，使金属材料的力学性能具有方向性，且纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。

热变形广泛应用于大变形量的热轧、热挤以及高强度高韧度毛坯等的锻造生产。但热变形中，金属表面氧化较严重，工件精度和表面品质较冷变形的低。另外，设备维修工作量大，劳动强度也较大。

2．常用金属固态塑性成形技术

金属塑性成形技术的选择和实施与材料、成形件的几何形状、工艺过程的实施条件（压力、温度、速度等）等有着密切关系。机械制造业中，人们充分利用冷、热塑性变形及其相应工艺的优点，生产出各类毛坯或零件。

1）自由锻造（自由锻）

（1）自由锻工艺特点及应用。

① 成形过程中坯料整体或局部塑性成形，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料在水平方向能自由变形流动，不受限制，故自由锻锻件的形状和尺寸取决于操作者的技术水平，但锻件质量不受限制。

② 自由锻要求被成形材料（黑色金属或有色金属）在成形温度下须具有良好的塑性。经自由锻成形所获得的锻件，其精度和表面品质差。

③ 自由锻可使用多种锻压设备（空气锤、蒸汽锤、机械压力机、液压机等），其锻造所用工具简单且通用性大，操作方便。但是，自由锻生产率低、金属损耗大、劳动条件较差。

故自由锻适用于形状简单的单件或小批量毛坯成形，特别是重型、大型锻件的生产。

（2）自由锻工艺规程。自由锻工艺规程包括绘制锻件图、选择锻造工序、确定锻造设备、确定锻造温度和冷却规范等。

锻件图的工艺设计中，加工余量和锻造公差的概念较易理解，而敷料（余块）的出现是为了简化锻件外形，利于锻造而多留的金属，但其取舍不仅会影响锻造及其后续工序工时的分配、材料利用率，而且还会影响流线组织的分布和零件的质量，应慎重对待。

锻造工序的确定应根据锻件的结构特点以及具体的生产条件，结合各变形工序的特点，综合比较分析后确定。

锻造设备选用时，要大体知道各类设备的能力。空气锤吨位小于10kN，用于小型锻件生产；蒸汽锤吨位在50kN以下，用于中小型锻件生产；水压机吨位可达105kN以上，用于大型锻件生产。

此外，还应根据锻件尺寸，控制锻件的加热和冷却速度。由于锻造过程中的应力的产生，所以应配备适当的热处理。

（3）自由锻件的结构工艺性（结构技术特征）。由于自由锻本身的特点，锻件外形结构的复杂程度受到很大限制，所以在设计自由锻件时应考虑锻造是否可能、方便和经济。如锥面、斜面（锻打过程中产生水平分力，不易操作）及其他复杂截面，非平面交接结构以及加强筋、小凸台等，均应改为简单的、平直的形状。

2）模型锻造（简称模锻）

（1）模锻工艺特点及应用。

① 模型锻造时坯料是整体塑性成形，坯料三向受压。坯料放于固定锻模模膛中，当动模作合模运动时（一次或多次），坯料发生塑性变形并充满模膛，随后，模锻件由顶出机构顶出模膛。模锻是热成形过程，可生产各种外形的锻件，锻件形状仅受成形过程、模具条件和锻造力的限制。

② 热成形模锻件的精度和表面品质除取决于锻模的精度和表面品质外，还取决于氧化皮的厚度和润滑剂。生产出的热成形模锻件一般都符合要求，但要得到零件配合面最终精度和表面品质还须再进行精加工（如车削、铣削、刨削等）。

③ 模锻可使用多种锻压设备（蒸汽锤、机械压力机、液压机、卧式机械镦锻机等），所需设备要根据生产量和实际采用的成形工艺来选择。但模锻件受到形状和重量的限制，且锻模造价高，制造周期长等。

模锻适用于大批量生产的中小型锻件。

（2）模锻工艺规程。模锻工艺规程包括绘制锻件图、选择锻造工序及锻模模膛设计、确定锻造设备、确定锻造温度和冷却规范等。

在模锻件图工艺设计时，应考虑分模面、公差、余量、模锻斜度、圆角半径、冲孔连皮等。其中分模面的选择当然是至关重要的，它决定了金属在终锻模膛中充填的难易，锻件能否顺利取出以及锻模制造的繁简等一系列问题。

模锻件的形状决定了模锻锻造工序，如长轴类零件常选用拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工序，而盘类锻件，一般无需制坯工序，只需将坯料墩粗一下，即可进入终锻模膛。

锻模模膛一般分为制坯模膛、预锻模膛和终锻模膛。终锻模膛的形状应与锻件形状相同，尺寸要比锻件尺寸放大一个收缩量。为便于坯料和锻件出模，垂直于分模面的表面必须有斜度。在锻模上两个面相交处以圆角过渡，其作用是减小坯料流人模槽的摩擦阻力，减小转角处的应力集中。模膛四周的飞边槽以容纳被挤出的多余金属。对于通孔锻件因无法直接冲出通孔，只能压凹成盲孔，中间留有冲孔连皮，锻后与飞边一同切除。

对于简单锻件只需终锻模膛一次成形，但对于形状复杂锻件则需经过制坯模膛和预锻模膛逐步成形，使坯料变形接近于锻件的形状和尺寸。制坯模膛如滚压模膛等实现坯料体积的重新分配。预锻模膛不同于终锻模膛之处在于预锻模膛的圆角和斜度较大，没有飞边槽。

（3）模锻件的结构工艺性（结构技术特征）。要使金属易于充填模膛，并注意合理的分模面、模锻斜度和圆角半径等。

（4）其他模锻方法的特点及其应用范围。胎模锻使用不固定在设备上的各种称为胎模的单膛模具成形模锻件，具有操作比较灵活、胎模模具简单、容易制造加工、成本低、生产准备周期短等优点。

曲柄压力机模锻由于作用力的性质是压力而非冲击力，因此具有高的模锻精度。

平锻机相当于卧式的曲柄压力机，除具有曲柄压力机的特点外，还因为它具有两个分模面（凹模可分），特别适合锻制带头部的杆类锻件和带孔的以及同时带有凹挡的锻件等。

摩擦压力机则主要适用于小型锻件的批量生产。

3）板料冲压

（1）特点及应用。板料冲压常在室温下进行，由于塑性变形产生的加工硬化使冲压件的强度、刚度提高，加上冲压模具能保证相当高的精度，所以无需进一步加工即可直接作为零件使用，特别适宜于轻质薄壁件生产，并且板料冲压具有很高的生产率。由于板料成形模具较复杂，设计和制作费用高、周期长，故只有在大批量生产的情况下，才能显示其优越性。

（2）冲压工序及变形特点。冲压工序分为分离和成形工序两大类。如落料和冲孔时坯料的切离过程，弯曲时，板料各层的受力和变形情况，拉深时，板料各部分受力情况等。在此基础上，应能正确分析出确保每一工序顺利进行，获得符合要求的冲压件的必要条件，如落料和冲孔时，凸模与凹模刃口要锋利，两者间隙合理；弯曲时注意控制相对弯曲半径r/S；拉深时，凸、凹模的顶角要做成圆角，两者有合理的间隙，并且有一定的拉深系数d/D（拉深后零件直径d与拉深前的板料直径D之比，一般为0.5～0.8）要求等。

其他如旋压、翻边、胀形和冲口变形工序作一般性的了解。

（3）冲压模具（冲模）。冲模按完成工序的多少和方式可分为简单冲模、连续冲模和复合冲模三种。简单冲模和复合冲模都只在一个工位上完成工作，在一次行程中，简单冲模只完成一道工序，而复合冲模则完成多个工序。连续冲模是在一次行程中，在板料上顺序完成多个工序。

（4）冲压件结构工艺性。冲压件结构工艺性是根据各工序的具体特点分别考虑。弄懂了冲压过程中各工序的变形特点，就不难理解教材中的冲压件结构工艺性分析。

4）其他锻压工艺简介

对一些先进锻压工艺，只需作一般性了解。与常规模锻工艺相比较，这些先进的模锻工艺具有下述特点：

（1）改变坯料锻压过程中的受力状态，使之处于二向以上受压，抑制材料的断裂（如精密冲裁）或使其在超塑性状态下进行冲压、挤压以及模锻，这样就能大大改善材料的锻造性能。

（2）采用少氧或无氧加热，甚至不加热，直接采用冷变形（如冷挤压），以提高表面质量，使产品具有更高的精度和更小的粗糙度，实现少切削、无切削加工的目的。

（3）提高锻模精度来实现精密模锻。

二、本章重点

（1）掌握锻压的理论基础—金属的塑性变形。

（2）熟悉自由锻、锤上模锻、冲压的特点及应用。

（3）弄懂自由锻、锤上模锻、冲压件的结构工艺性。