金属塑性成形 材料成型 金属加工讲义

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1、金属塑性成形金属塑性成形：在外力作用下金属材料通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。金属塑性成形在工业生产中称为压力加工，分为：自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制等。它们的成形方式如图2-1所示。图2-1常用的压力加工方法a）自由锻b）模锻c）板料冲压d）挤压e）轧制f）拉拔压力加工的特点：（1）改善金属的组织、提高力学性能金属材料经压力加工后，其组织、性能都得到改善和提高，塑性加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，并由于金属的塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织，从而提高金属的力学性能。在零件设计时，若正确选用零件的

2、受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能。（2）材料的利用率高金属塑性成形主要是靠金属的体积重新分配，而不需要切除金属，因而材料利用率高。（3）较高的生产率塑性成形加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的，生产效率高。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。（4）毛坯或零件的精度较高应用先进的技术和设备，可实现少切削或无切削加工。例如，精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用，复杂曲面形状的叶片精密锻造后只需磨削便可达到所需精度。材料：钢和非铁金属可以在冷态或热态下压力加工。用途：承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、

3、连杆等），都应采用锻件毛坯加工。所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖拉机上的锻件质量分数约占60%~80%。缺点：不能加工脆性材料（如铸铁）和形状特别复杂（特别是内腔形状复杂）或体积特别大的零件或毛坯。第一节金属塑性变形基础一、金属塑性变形概念塑性成形性能：用来衡量压力加工工艺性好坏的主要工艺性能指标，称为金属的塑性成形性能。金属的塑性成形性好，表明该金属适用于压力加工。衡量金属的塑性成形性，常从金属材料的塑性和变形抗力两个方面来考虑，材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的塑性成形性越好，越适合压力加

4、工。在实际生产中，往往优先考虑材料的塑性。金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律、加工硬化和体积不变规律等。(一)最小阻力定律最小阻力定律：在塑性变形过程中，如果金属质点有向几个方向移动的可能时，则金属各质点将向阻力最小的方向移动。最小阻力定律符合力学的一般原则，它是塑性成形加工中最基本的规律之一。通过调整某个方向的流动阻力来改变某些方向上金属的流动量，以便合理成形，消除缺陷。例如，在模锻中增大金属流向分型面的阻力，或减小流向型腔某一部分的阻力，可以保证锻件充满型腔。在模锻制坯时，可以采用闭式滚挤和闭式拔长模膛来提高滚挤和拔长的效率。利用最小阻力定律可以推断，任何形状的物体只要有

5、足够的塑性，都可以在平锤头下镦粗使坯料逐渐接近于圆形。这是因为在镦粗时，金属流动距离越短，摩擦阻力也越小。图2-2所示方形坯料镦粗时，沿四边垂直方向摩擦阻力最小，而沿对角线方向阻力最大，金属在流动时主要沿垂直于四边方向流动，很少向对角线方向流动，随着变形程度的增加，断面将趋于圆形。由于相同面积的任何形状总是圆形周边最短，因而最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则。图2-2镦粗时的变形趋向（二）加工硬化及卸载弹性恢复规律弹性恢复规律：金属在常温下随着变形量的增加，变形抗力增大，塑性和韧度下降的现象称为加工硬化。表示变形抗力随变形程度增大的曲线称为硬化曲线，如图2-3所示。由图可知，在弹性变

6、形范围内卸载，没有残留的永久变形，应力、应变按照同一直线回到原点，如图2-3所示OA段。当变形超过屈服点A进入塑形变形范围，达到B点时的应力与应变分别为σB、εB，再减小载荷，应力-应变的关系将按另一直线BC回到C点，不再重复加载曲线经过的路线。加载时的总变形量εB可以分为两部分，一部分εt因弹性恢复而消失，另一部分εs保留下来成为塑性变形。图2-3硬化曲线如果卸载后再重新加载，应力应变关系将沿直线CB逐渐上升，到达B点，应力σB使材料又开始屈服，随后应力-应变关系仍按原加载曲线变化，所以σB又是材料在变形程度为εB时的屈服点。硬化曲线可以用函数式表达为：σ=Aεn式中A——与材料有关的

7、系数，单位为MPa；n——硬化指数。硬化指数n：硬化指数大，表明变形时硬化显著，对后续变形不利。例如，20钢和奥氏体不锈钢的塑性都很好，但是奥氏体不锈钢的硬化指数较高，变形后再变形的抗力比20钢大得多，所以其塑性成形性也较20钢差。（三）塑性变形时的体积不变规律体积不变规律：金属材料在塑性变形前、后体积保持不变。根据体积不变规律，金属塑性变形时主应变状态只有三种，如图2-4所示。图2-4三种主应变状态结论：（1）塑性变形时，只有形状