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收藏词条   编辑词条 锻压

创建时间:2008-08-02

一、锻压的概述

【锻压】是指对坯料施加压力,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。它是锻造和冲压的总称。

锻压包括轧制、挤压、拉拨、自由锻造、模型锻造、冲压等加工方法,其典型工序实例如图所示。

常用的锻压加工方法

锻压加工是以金属的塑性变形为基础的,各种钢和大多数非铁金属及其合金都具有不同程度的塑性,因此它们可在冷态或热态下进行锻压加工,而脆性材料(如灰铸铁、铸造铜合金、铸造铝合金等)则不能进行锻压加工。

金属锻压加工的主要特点:

优点:

(1)能改善金属内部组织,提高金属的力学性能。

(2)节省金属材料。与直接切削钢材的成形相比,还可以节省金属材料的消耗,而且也节省加工工时。

(3)生产效率较高。如齿轮轧制、滚轮轧制等制造方法均比机械加工的生产率高出几倍甚至几十倍以上。

缺点:

(1)不能获得形状很复杂的制件,其制件的尺寸精度、形状精度和表面质量还不够高;

(2)加工设备比较昂贵,制件的成本比铸件高。

二、金属的塑性变形

金属在外力作用下将产生变形,其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。

【弹性变形】是指除去外力后,物体完全恢复原状的变形。

【塑性变形】是指作用在物体上的外力取消后,物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。塑性变形不仅能用于成形加工,还会对金属的组织和性能产生很大影响。

(一)塑性变形的实质

1.单晶体的塑性变形

单晶体的变形方式有滑移和孪生两种。

【滑移】看作是晶体的一部分相对于另一部分产生错动的结果,如图所示。实际金属中,滑移是通过晶体内位错缺陷沿着滑移面移动来实现的。

单晶体滑移示意图

【孪生】是晶体的一部分相对于另一部分发生切变,而且发生切变的部分与未切变部分的晶体结构呈对称形式分布,如图所示(注意图中画影线的部分)。

孪生变形时原子的移动

2.多晶体的塑性变形

多晶体塑性变形是各个晶粒塑性变形的综合结果。此外,在多晶体晶粒之间还有少量的相互移动和转动,这部分塑性变形为晶间变形,如图所示。由于每个晶粒在塑性变形时都要受到周围晶粒及晶界的影响和阻碍,故多晶体塑性变形时的抗力要比单晶体高得多。

多晶体的晶间变形情况

(二)冷变形对金属组织结构和性能的影响

【冷变形强化】在冷变形时,随着变形程度的增加,金属材料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,金属的晶格严重畸变,变形金属的晶粒被压扁或拉长,形成纤维组织,如图所示。

冷变形强化使金属的可锻性降低,冲压时产生“织耳”,制件厚度不均等缺陷。

冷轧前后晶粒变形情况

低碳钢的冷变形强化

(三)回复与再结晶

对冷变形强化组织进行加热,变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化,如图所示。

金属的回复和再结晶示意图

1.回复

【回复】是指将冷变形后的金属加热至一定温度后,使原子回复到平衡位置,晶内残余应力大大减小的现象。

回复时不改变晶粒形状,金属的强度、硬度略有下降;塑性、韧性有所回升;内应力有较明显下降。某些物理、化学性能则显著减小。冷拔弹簧钢丝绕制弹簧后常进行低温退火(也称定形处理),其实质就是利用回复保持冷拔钢丝的高强度,消除冷卷弹簧时产生的内应力。

2.再结晶

【再结晶】当加热温度较高时,塑性变形后的金属组织与性能在加热时全部恢复的过程,也是被拉长了的晶粒重新生核长大,变为细小、均匀等轴晶粒的过程。再结晶恢复了变形金属的可锻性。

【再结晶温度】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为:

T再≈0.4T熔

式中T熔——纯金属 开氏温度 的熔点,K。

金属的再结晶温度与变形程度、杂质(或合金元素)的含量及加热速度、加热时间等有关。如变形程度愈大,再结晶温度便愈低。

【再结晶退火】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称为再结晶退火。

再结晶退火可以消除金属材料的冷变形强化,提高其塑性,便于其继续锻压加工。如冷轧、冷拉、冷冲压过程中,需在各工序中穿插再结晶退火。

3.晶粒长大

冷变形的金属,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,成为粗晶粒组织。

(四)热变形对金属组织和性能的影响

【热变形】在再结晶温度以上的变形。

【冷变形】在再结晶温度以下的变形。

大多数锻件的锻压加工是在再结晶温度以上进行的,这样,由变形引起的强化现象,会因随后的再结晶过程而消失,所以锻造毛坯可以连续地锻压变形。只要终锻温度控制好,锻件的晶粒是细小的。再加之锻坯中孔洞的被压合,所以热变形可提高金属材料的力学性能。下图是经过热轧后得到细小再结晶晶粒的示意图。

热轧时组织变化

【锻造流线】也称流纹,在锻造时,金属的脆性杂质被打碎,顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布;塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布,这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性。

锻造流线使金属性能呈现异向性;沿着流线方向(纵向)抗拉强度较高,而垂直于流线方向(横向)抗拉强度较低。生产中若能利用流线组织纵向强度高的特点,使锻件中的流线组织连续分布并且与其受拉力方向一致,则会显著提高零件的承载能力。例如,吊钩采用弯曲工序成形时,就能使流线方向与吊钩受力方向一致(下图a),从而可提高吊钩承受拉伸载荷的能力。图b所示锻压成形的曲轴中,其流线的分布是合理的。图c是切削成形的曲轴,由于流线不连续,所以流线分布不合理。

吊钩、曲轴中的流线分布

三、可锻性

【可锻性】材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。

金属的可锻性可用塑性和塑性变形抗力来综合衡量。塑性越高,变形抗力越小,金属的可锻性就越好;低的塑性变形抗力使设备耗能少;优良的塑性使产品获得准确的外形而不遭破裂。

金属的内在因素和外部加工条件影响金属的可锻性。

(一)内在因素

1、化学成分的影响

不同材料具有不同的塑性和变形抗力。纯金属比合金的塑性高,而且变形抗力较小,所以纯金属的可锻性优于合金。对钢来讲,含碳量愈低,可锻性愈好;含合金元素愈多,可锻性愈差。

2.金属组织的影响

纯金属与固溶体具有良好的可锻性。金属化合物,因其高硬度和低塑性,故不具备好的可锻性,致使大量含有它的金属可锻性变坏。另外,金属中晶粒越细小,越均匀,其塑性越高,可锻性越好。

具有面心立方晶格的奥氏体,其塑性比具有体心立方晶格的铁素体高,比机械混合物的珠光体更高。所以钢材大多加热至奥氏体状态进行锻压加工。

(二)外部加工条件

1.变形温度的影响

一般来讲,金属的变形温度升高,可锻性变好。

对于钢而言,加热还另具意义。当温度升至Accm或Ac3以上时,高硬度低塑性的Fe3C将全部溶入奥氏体中,形成单一固溶体组织,因而大大提高钢的可锻性。

2.变形速度的影响

【变形速度】是指金属在单位时间的相对变形量。

它对金属的可锻性施加两个相反方向的影响:

一是由于变形速度增大,使再结晶滞后,从而冷变形强化不能及时消除,因此变形抗力增加,塑性下降,可锻性变坏;

二是变形速度增加时,变形热效应也增加,导致温度升高,变形抗力降低和塑性增加,又能改善其可锻性。根据这个原理,利用高速锤锻造、爆炸成形等工艺来加工低塑性材料,可显著提高其可锻性。

3.应力状态的影响

金属在挤压变形时,如图所示呈三向受压状态,表现出良好的可锻性。

可当它在拉拔时,如图所示则呈二向受压一向受拉的状态,可锻性下降。

挤压时金属的应力状态

拉拔时金属的应力状态

实践证明,三个方向中压应力数目愈多,可锻性愈好;拉应力数目愈多,可锻性愈差。因此,许多用普通锻造效果不好的材料改用挤压后可达到加工的目的。

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李哲

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