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第八章 锻压成形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，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法，它是锻造与冲压的总称锻压能改善金属组织，提高力学性能，重要零件应采用锻件毛坯锻压不足之处是不能加工脆性材料（如铸铁）和形状毛坯第一节 锻压成形工艺基础一、金属塑性变形的实质金属在外力作用下首先要产生弹性变形，当外力增大到内应力超过材料的屈服点时，就会产生塑性变形锻压成形加工需要利用塑性变形金属塑性变形是金属晶体每个晶粒内部的变形和晶粒间的相对移动、晶粒的转动的综合结果单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生的形式实现即在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面产生滑移，如图8-1所示单晶体的滑移是通过晶体内的位错运动来实现的，而不是沿滑移而所有的原子同时作刚性移动的结果，所以滑移所需要的切应力比理论值低得多位错运动滑移机制的示意图见图8-2所示二、塑性变形对金属组织和性能的影响1、冷塑性变形后的组织变化 金属在常温下经塑性变形，其显微组织出现晶粒伸长、破碎、晶粒扭曲等特征，并伴随着内应力的产生2、冷变形强化 金属在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，强度和硬度提高而塑性和韧性下降的现象称为冷变形强化（也称加工硬化）。

冷变形强化在生产中具有重要的意义，它是提高金属材料强度、硬度和耐磨性的重要手段之一但冷变形硬化后由于塑性和韧性进一步降低，给进一步变形带来困难，甚至导致开裂和断裂，冷变形的材料各向异性，还会引起材料的不均匀变形3、回复与再结晶 冷变形强化是一种不稳定状态，具有恢复到稳定状态的趋势当金属温度提高到一定程度，原子热运动加剧，使不规则原子排列变为规则排列，消除晶格扭曲，内应力大为下降，但晶粒的形状、大小和金属的强度、塑性变形不大，这种现象称为回复当温度继续升高，金属原子活动具有足够热运动力时，则开始以碎晶或杂质为核心结晶出新的晶粒，从而消除了冷变形强化现象，这个过程称为再结晶金属开始再结晶的温度称为再结晶温度，一般为该金属熔点的0.4倍，即图8-3为冷变形后的金属在加热过程中发生回复与再结晶的组织变化示意图通过再结晶后，金属的性能恢复到变形前的水平金属在常温下进行压力加工，常安排中间再结晶退火工序在实际生产中为缩短生产周期，通常再结晶退火温度比再结晶温度高100～200℃再结晶过程完成后，如再延长加热时间或提高温度，则晶粒会产生明显长大，成为粗晶组织，导致材料力学性能下降，使锻造性能恶化三、金属的冷变形和热变形金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形。

如钢在常温下进行的冷冲压、冷轧、冷挤压等在变形过程中，有冷变形强化现象而无再结晶组织冷变形工件没有氧化皮，可获得较高的公差等级，较小的表面粗糙度，强度和硬度较高由于冷变性金属存在残余应力和塑性差等缺点，因此常常需要中间退火，才能继续变形热变形是在再结晶温度以上进行的，变形后只有再结晶组织而无冷变形强化现象如热锻、热轧、热挤压等热变形与冷变形相比，其优点是塑性良好，变形抗力低，容易加工变形，但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四、锻造流线及锻造比热变形使铸锭中的脆性杂质粉碎，并沿着金属主要伸长方向呈碎粒状分布，而塑性杂质则随金属变形，并沿着主要伸长方向呈带状分布，金属中的这种杂质的定向分布通常称为铸造流线热变形对金属组织和性能的影响主要取决于热变形的程度，而热变形的大小可用锻造比Y来表示锻造比是金属变形程度的一种表示方法，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来计算拔长锻造比 镦粗锻造比 式中 、、——变形前坯料的截面积、长度和高度； 、、——变形后坯料的截面积、长度和高度。

锻造比愈大，热变形程度愈大，则金属的组织、性能改善愈明显，锻造流线也愈明显锻造流线使金属的性能呈各向异性当分别沿着流线方向和垂直流线方向拉伸时，前者有较高的抗拉强度当分别沿着流线方向和垂直方向剪切时，后者有较高的抗剪强度在设计和制造机器零件时，必须考虑锻造流线的合理分布，使零件工作时的正应力与流线方向垂直，并尽量使锻造流线与零件的轮廓相符而不被切断图8-4a所示为采用棒料直接切削加工制造的螺栓，受横向切应力时使用性能好，受纵向切应力是埸损坏；若采用图8-4b所示局部镦粗方法制造的螺栓，则其受横向、纵向切应力时使用性能均好五、合金的锻造性能合金的锻造性能是指材料在锻压加工时的难易程度若金属及合金材料在锻压加工时塑性好，变形抗力小，则锻造性能好；反之，则锻造性能差因此，金属及合金的锻造性能常用其塑性及变形抗力来衡量合金的锻造性能主要取决于材料的本质及其变形条件1、材料的本质（1）化学成分 不同化学成分的合金材料具有不同的锻造性能纯金属比合金的塑性好，变形抗力小，因此纯金属比合金的锻造性能好；合金元素的含量越高，锻造性能越差，因此低碳钢比高碳钢的锻造性能好；相同碳含量的碳钢比合金钢的锻造性能好，低合金钢比高合金钢的锻造性能好。

2）组织结构 金属的晶粒越细，塑性越好，但变形抗力越大金属的组织越均匀，塑性也越好相同成分的合金，单相固溶体比多相固溶体塑性好，变形抗力小，锻造性能好2、变形条件（1）变形温度 随变形温度的提高，金属原子的动能增大，削弱了原子间的引力，滑移所需的应力下降，金属及合金的塑性增加，变形抗力降低，锻造性好但变形温度过高，晶粒将迅速长大，从而降低了金属及合金材料的力学性能，这种现象称为“过热”若变形温度进一步提高，接近金属材料的熔点时，金属晶界产生氧化，锻造时金属及合金易沿晶界产生裂纹，这种现象成为“过烧”过热可通过重新加热锻造和再结晶使金属或合金恢复原来的力学性能，但过热使锻造火次增加，而过烧则使金属或合金报废因此，金属及合金的锻造温度必须控制在一定的温度范围内，其中碳钢的锻造温度范围可根据铁-碳平衡相图确定2）变形速度 变形速度是指单位时间内的变形量金属在再结晶以上温度进行变形时，加工硬化与回复、再结晶同时发生采用普通锻压方法（低速）时，回复、再结晶不足以消除由塑性变形所产生的加工硬化，随变形速度的增加，金属的塑性下降，变形抗力增加，锻造性降低因此塑性较差的材料（如铜和高合金钢）宜采用较低的变形速度（即用液压机而不用锻锤）成形。

当变形速度高于临界速度时，产生大量的变形热，加快了再结晶速度，金属的塑性增加，变形抗力下降，锻造性提高因此生产上常用高速锤锻造高强度、低塑性等难以锻造的合金3）变形方式（应力状态） 变形方式不同，变形金属的内应力状态也不同拉拔时，坯料沿轴向受到拉应力，其他方向为压应力，这种应力状态的金属塑性较差镦粗时，坯料中心部分受到三向压应力，周边部分上下和径向受到压应力，而切向为拉应力，周边受拉部分塑性较差，易镦裂挤压时，坯料处于三向压应力状态，金属呈现良好的塑性状态实践证明，拉应力的存在会使金属的塑性降低，三向受拉金属的塑性最差三个方向上压应力的数目越多，则金属的塑性越好第二节 自由锻利用自由锻设备的上、下砧或一些简单的通用性工具，直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件，这种方法称为自由锻由于自由锻所用的工具简单，并具有较大的通用性，因而自由锻应用较为广泛生产的自由锻件质量可以从1克的小件到300吨的大件对于特大型锻件，自由锻是唯一可行的加工方法，所以自由锻在重型工业中具有重要意义自由锻不足之处是锻件精度低，生产率低，生产条件差自由锻适用于单件小批量生产一、自由锻的基本工序自由锻工序分为基本工序、辅助工序、精整（或修整）工序三大类。

自由锻的基本工序是指锻造过程中使金属产生塑性变形，从而达到锻件所需形状和尺寸的工艺过程1、基本工序 是使金属材料产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状和所需尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲和扭转等，见表8-12、辅助工序 是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压钳口、压肩、钢锭倒棱等3、精整工序 是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序，如校正、滚圆、平整等实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个基本工序二、自由锻工艺规程的制订制订工艺规程、编写工艺卡片是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，是组织生产过程、规定操作规程、控制和检查产品质量的依据其主要内容包括：1、绘制锻件图 锻件图是制定锻造工艺过程和检验的依据，绘制时主要考虑余块、余量和锻件公差2、计算坯料质量与尺寸3、选择锻造工序自由锻锻造工序的选取应根据工序特点和锻件形状来确定一般而言，盘类零件多采用镦粗（或拔长－镦粗）和冲孔等工序；轴类零件多采用拔长，切肩和锻台阶等工序一般锻件的分类及采用的工序见表8-1表8-1 锻件分类及所需锻造工序锻件类别 图 例 锻造工序 盘类零件 镦粗（或拔长－镦粗），冲孔等 轴类零件 拔长（或镦粗－拔长），切肩，锻台阶等 筒类零件 镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上拔长等 环类零件 镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔等 弯曲类零件 拔长，弯曲等 工三、自由锻锻件的结构设计自由锻件的设计原则是：在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。

1、尽量避免锥体或斜面结构 锻造具有锥体或斜面结构的锻件，需制造专用工具，锻件成形也比较困难，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率，应尽量避免，如图8-7所示2、避免几何体的交接处形成空间曲线 如图8-8a所示的圆柱面与圆柱面相交，锻件成形十分困难改成如图8-8b所示的平面相交，消除了空间曲线，使锻造成形容易3、合理采用组合结构 锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，可设计成由数个简单件构成的组合体，如图8-9所示每个简单件锻造成形后，再用焊接或机械联接方式构成整体零件4、避免加强肋、凸台，工字形、椭圆形或其它非规则截面及外形 如图8-10a所示的锻件结构，难以用自由锻方法获得，若采用特殊工具或特殊工艺来生产，会降低生产率，增加产品成本改进后的结构如图8-10b所示第三节 模锻模锻：在模锻设备上，利用高强度锻模，使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的加工方法称为模锻在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时可获得与模膛形状相符的模锻件与自由锻相比，模锻具有如下优点：(1) 生产效率较高模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。

2) 能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命3) 模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小4) 节省金属材料，减少切削加工工作量在批量足够的条件下，能降低零件成本5) 模锻操作简单，劳动强度低但模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在150kg以下模锻设备投资较大，模具费用较昂贵，工艺灵活性较差，生产准备周期较长因此，模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产模锻按使用的设备不同，可分为：锤上模锻、压力机上模锻、胎模锻一、锤上模锻上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头作上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法模锻工作示意图如图8-11所示锤上模锻的工艺特。