金属锻压：塑性成形的基础工艺

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：金属的塑性成形方法又称锻压，它是指对坯料施加外力，使其产生塑性变形，达到改变尺寸、形状及改善性能，用以制造毛坯或零件的成形加工方法。金属的弹性变形量很小，一般不超过1%，并具有可逆性，不能用于金属成形；金属塑性变形量则较大，_____又不可恢复，被广泛用于金属的成形，是金属锻压的基础。但加工硬化会增加冷轧、冲压等成形工艺的动力消耗，为恢复金属的塑性往往要进行中间退火，使其生产周期延长、成本增加。

金属的塑性成形方法又称锻压，它是指对坯料施加外力，使其产生塑性变形，达到改变尺寸、形状及改善性能，用以制造毛坯或零件的成形加工方法。锻压是锻造与冲压的总称，如图2－2 所示。

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图2-2　锻压的分类

1.金属的塑性变形

金属在外力作用下产生的变形可以分为弹性变形和塑性变形。金属的弹性变形量很小，一般不超过1%，并具有可逆性，不能用于金属成形；金属塑性变形量则较大，_____又不可恢复，被广泛用于金属的成形，是金属锻压的基础。

实际使用的金属材料均为多晶体，其塑性变形过程比较复杂。我们先研究比较简单的单晶体塑性变形，然后再讨论多晶体的塑性变形。

（1）单晶体的塑性变形

单晶体金属塑性变形的基本方式有两种：滑移和栾生。其中，滑移是最基本、最重要的变形方式。

1）滑移变形。

滑移是晶体两部分之间沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生的相对滑动。

当单晶体受到拉力F（见图2－3）时，在一定晶面上分解为垂直于晶面的正应力σN 和平行于晶面的切应力 pagenumber_ebook=66,pagenumber_book=61 ，在正应力σN 作用下，晶格沿受力方向被拉长，这就是弹性变形。

当σN 大于原子间的结合力时，晶体断裂。这种断裂属于脆性断裂，特点是金属断口有闪烁的光泽。正应力只能使晶体产生弹性变形和断裂，不会产生塑性变形。

在切应力作用下单晶体的变形如图2－4（b）所示。当切应力较小时，晶体沿受力方向产生歪扭，开始发生弹性变形，当增大到一定值后，晶体的一部分相对于另一部分就会沿一定晶面和晶向产生相对移动，这就是滑移。

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图2-3　单晶体在拉力作用下应力的分解

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图2-4　单晶体变形示意图

（a）在正应力作用下；（b）在切应力作用下

滑移的距离等于原子间距的整数倍。此时去除应力后，弹性变形的部分可以恢复，但产生滑移的部分则不可恢复，成为永久的塑性变形。如果切应力很大，晶体在产生一定量的塑性变形后也会被切断破坏，但这种断裂属于韧性断裂，特点是金属断口呈纤维状，灰暗无光泽。

研究证明，滑移并非为如图2－4（b）所示的刚性移动，而是通过晶体内部的位错运动实现的，它所需要的切应力比发生刚性移动时小得多。

2）孪生变形。

孪生是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向逐层移动，相对于另一部分产生切变位移。相邻原子间的位移不是原子间距的整数倍，而是原子间距的几分之一，多层晶面累积起来的位移则是原子间距的许多倍。孪生变形一次移动的原子数较多，所需的切应力也较大，变形速度很快。

金属一般是以滑移的方式发生塑性变形。孪生方式多在低温或受快速冲击的体心立方晶格金属和密排六方晶格金属中发生。

（2）多晶体的塑性变形

多晶体是由很多形状、大小和位向不同的晶粒组成的，每个晶粒都相当于一个单晶体。它的塑性变形也是通过滑移和栾生来实现的，但晶界和晶粒位向都会对变形产生重要影响。

晶界上原子排列不规则，富集有杂质原子，处于高能量状态，在常温下对滑移起阻碍作用。因此，金属的晶粒越细，滑移阻力越大，金属的强度也越高。另一方面，滑移可以分散到更多的晶粒中进行，又增大了变形能力，所以细晶粒金属的塑性和韧性也好。

（3）塑性变形对金属组织和性能的影响

1）塑性变形对金属组织的影响。

塑性变形使晶粒沿变形方向伸长并使晶粒破碎。

当变形量较大时，还可形成纤维组织或晶粒位向趋于一致的“变形织构”，从而使金属产生各向异性现象。变形织构会使板材金属塑性变形不均匀，在冲压杯形零件时将出现“制耳”，导致报废。

2）塑性变形对金属力学性能的影响。

塑性变形除会使金属产生各向异性外，还会使晶粒中产生晶格畸变，位错密度增高，位错运动困难，从而导致强度、硬度增高（内应力也增大），塑性和韧性降低，这种现象称为加工硬化。

加工硬化是提高金属强度的重要方法，特别是对纯金属和不能进行热处理强化的合金尤为重要；其次，能使金属拉拔成形和冲压制品获得均匀截面，是冷作成形的基本条件之一，同时它能防止金属零件超载时突然断裂失效，提高了安全性。但加工硬化会增加冷轧、冲压等成形工艺的动力消耗，为恢复金属的塑性往往要进行中间退火，使其生产周期延长、成本增加。

（4）回复与再结晶

冷变形金属的晶格严重畸变，原子处于不稳定状态，有向规则排列的稳定状态转化的自发趋势，但在常温下不明显。若将冷变形金属加热，则会加速这种转变，金属的组织和性能会因加热温度的不同而出现不同的变化。

1）回复。

回复是冷塑变形后的金属在加热温度不高时发生组织及性能变化的过程，其加热温度一般为金属熔点的1／4～1／3。在回复过程中，金属原子短距离扩散，使位错密度有所降低，晶格畸变减少，但变形的晶粒形状和大小不变，纤维组织仍然存在。回复使金属的强度和硬度略有下降，塑性略有升高，内应力显著降低，电阻降低。工业上常利用回复把冷变形金属进行去应力退火，如把冷拉钢丝绕制成弹簧后，在250～300 ℃下退火，可使其保持高的强度，内应力显著降低，尺寸定型。

2）再结晶。

再结晶是冷塑变形后的金属在加热温度较高时，通过新晶核的生成和长大，由畸变晶粒变为等轴晶粒的过程。经过再结晶的冷塑变形金属，畸变晶粒和纤维组织消失，由新的无畸变的等轴晶粒所代替（但其成分和晶体结构并无变化，故还不是相变）；强度和硬度显著下降，塑性和韧性提高，内应力完全消除，加工硬化现象消失。不同的金属具有不同的再结晶温度，且再结晶温度也不是一个恒定值。通常以变形量大于70%经过1 h 能完成再结晶过程的最低温度作为金属的再结晶温度。它与金属的熔点有下述近似关系：

工业上选择再结晶退火的温度，通常都比金属的再结晶温度高100～200 ℃以上，目的是确保完成再结晶过程和缩短退火周期。

但温度过高会引起晶粒长大，强度和塑性都会变坏。此外，金属的变形量应避开2%～10%的范围，否则也会导致晶粒显著长大。再结晶退火的目的是恢复变形金属的塑性，使压力加工继续进行，多用于板料冲压过程中的中间退火。

（5）金属的热变形加工和冷变形加工

金属在再结晶温度以上的加工称为热变形加工，而在再结晶温度以下的加工称为冷变形加工。在热变形加工时，金属的加工硬化随时会被再结晶过程所消除，所以没有加工硬化现象。热变形加工的优点是变形抗力小，可用较小的能量获得较大的变形量，是大、中型零件或毛坯的主要加工方法，如锻造、热轧等。但加工后表面氧化严重，精度较差。金属的冷变形加工可获得精度较高、表面质量较好的零件，但变形抗力大，且加工硬化会使金属塑性下降，故变形量不宜过大。其是中小型零件、精化毛坯和原材料的主要加工方法，如冷轧、冷挤压、板料冲压等。

2.锻造

用锤或压力机使金属材料在热态下发生塑性变形的过程，称为锻造。锻造俗称“打铁”，是压力加工中的主要类别，它能加工各种不同形状和大小的零件。锻造生产的过程主要包括下料、加热、锻造成形、冷却和热处理等。

根据变形温度不同，锻造分为热锻、温锻和冷锻。按照材料成形方法不同，锻造分为自由锻和模锻两大类。按照所用设备和工具不同，自由锻又可分为手工自由锻和机器自由锻两种。模锻又分为胎模锻和锤上锻等多种。

用于锻造的金属必须具有良好的塑性，以便在锻造时产生永久变形而不破裂。经过锻造轧制的钢坯，内部组织致密、均匀，性能优于铸件，能承受较大的载荷及冲击，所以机车车辆上重要的零件一般都采用锻件毛坯，如车轴、曲轴、钩尾销以及电力机车牵引叉头等。

（1）金属的可锻性

金属的可锻性是指金属对锻压加工的适应性，即在一定的压力加工条件下，经受锻压获得合格零件（毛坯或原材料）的难易程度。

可锻性常用金属的塑性指标和变形抗力综合衡量。金属的塑性越好，变形抗力越小，其可锻性就越好。但可锻性还与变形条件有关，它是一个相对的概念。影响金属可锻性的因素主要有两个方面：金属的本质和变形条件。

1）金属本质的影响

①化学成分。纯金属的可锻性优于合金，如纯铁可锻性比钢好，它的塑性高而且变形抗力也小，随着碳钢中含碳量的增加，可锻性下降。合金钢的合金元素越多，可锻性就越差。

②金属组织。单相固溶体组织的可锻性优于多相混合物，如钢加热到单相奥氏体状态时具有良好的可锻性。晶粒细小而均匀的组织状态比粗晶粒或柱状晶粒的可锻性好。

2）变形条件的影响

①温度。在一定条件下，提高变形温度可使金属塑性增大、变形抗力降低、可锻性提高。生产中常把金属塑性与温度的关系画成塑性图，作为确定变形温度的重要依据之一。

②变形速度。单位时间的变形量。变形速度对可锻性有两个矛盾的影响：一方面，变形速度增大会使金属的变形抗力增加，而且再结晶速度低于变形速度，可锻性下降；另一方面，变形速度增大会增大塑性变形的热效应，使金属温度升高，从而又使可锻性提高。

③应力状态。拉应力易在金属内部缺陷部位造成应力集中而产生裂纹，使塑性降低；压应力则有利于金属产生晶内变形，提高塑性。

④其他条件。包括材料尺寸和表面质量。尺寸大则单位面积上的变形抗力较小；材料表面平整光洁、无氧化皮和微裂纹，均会使可锻性提高。

（2）自由锻造

在自由锻设备的上、下砾铁之间，利用简单、通用的工具使加热的金属材料产生塑性变形以获得锻件的加工方法称为自由锻。自由锻适合单件、小批量生产，也是锻制大型锻件的唯一方法。自由锻分为手工自由锻和机器自由锻。

手工自由锻是利用手工工具使材料变形的加工方法，其锤击力小，生产效率低，只适于生产小锻件。

机器自由锻能锻造各种尺寸的锻件，生产率高，是目前普遍采用的锻造方法。

机器自由锻设备分为两类：一类作用力以冲击力为主，如空气锤、蒸汽－空气自由锻锤等；一类作用力以静压力为主，如水压机等。中、小锻件多采用空气锤锻造，大型锻件常采用水压机锻造。

（3）模型锻造

模型锻造简称模锻，是把金属材料放在锻模模槽内施加压力使其变形的一种锻造方法。模锻适用于中、小型锻件的大批量生产。模锻与自由锻相比，具有生产率高、锻件质量好、可锻造出复杂形状等优点，但使用的材料加工成本高，要求设备的吨位较大，只适用于中、小型锻件的大批量生产。

1）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。胎模不固定在锤头或砧座上，只是在使用时才放上去。

通常，胎模锻件的制造过程是先用自由锻造的墩粗或者拔长等工序制坯，然后在胎模内终锻成形。胎模锻适用于小件的中、小批量生产。

2）锤上模锻。在模锻锤（蒸汽－空气锤、无砧座锤、高速锤等）上进行的模锻简称锤上模锻。模锻锤与其他模锻设备相比，工艺适应性好，可锻造各种类型的模锻件，生产效率高，设备造价较低。锤上模锻在国内外锻造行业仍占据重要地位。

3）压力机上模锻。压力机上模锻是指在摩擦压力机、曲柄压力机、平锻机等压力机上进行的模锻。一般摩擦压力机上模锻适合中、小型锻件的中、小批量生产；曲柄压力机上模锻适合大批量生产；平锻机上模锻适合带头部的杆类和有孔的锻件，也可锻造曲柄压力机上不能模锻的锻件。

由于模锻锤存在着振动强烈、噪声大、劳动条件差、蒸汽效率低、能源消耗多等不易克服的缺点，故大吨位模锻锤有逐步被压力机所取代的趋势。

3.板料冲压

板料冲压是指利用冲压设备和冲模使板料产生变形分离，从而获得毛坯或零件的加工方法，和锻造一样也属于压力加工。因其通常在常温下进行，故又称为冷冲压。

板料冲压的材料必须具有良好的塑性，常用的材料有低碳钢、塑性好的合金钢以及铜、铝有色金属等。冲压的基本工序可分为分离和变形两大类。分离工序是将板料的一部分和另一部分分开的工序，如剪切、落料、冲孔等；变形工序是使板料发生塑性变形的工序，如弯曲、拉伸等。冲压设备主要有剪床和冲床两大类。剪床（剪板机）是将板料按要求切成一定宽度条料的过程（即下料），供下一步冲压使用。

冲床（压力机）是冲压加工的基本设备，用于切断、落料、冲孔、弯曲和其他冲压工序。由于冲压加工操作简便、易于实现机械化和自动化、生产效率高、加工费用低，所以在工业生产中得到广泛的应用。

金属锻压：塑性成形的基础工艺

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