機械工程材料及成型基礎金屬塑性成形金屬的焊接連接第1頁/共208頁9.1概述

金屬的塑性成形是利用金屬材料在外力作用下所產生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的毛坯或零件的加工方法。它的基本工藝包括鍛造與沖壓，簡稱為鍛壓。塑性成形過程中，主要有沖擊力和靜壓力這兩種外力作用到金屬坯料上，其中錘類設備提供的動力為沖擊力，液壓機與機械鍛壓設備提供的動力為靜壓力。

9.1.1塑性成形的加工方法

常用的塑性成形方法包括軋制、拉拔、擠壓、鍛造和板料沖壓等基本方式。第2頁/共208頁

1.軋制軋制加工方法是利用金屬坯料與軋輥接觸面間的摩擦力，使得金屬在兩個回轉軋輥的特定空間中產生塑性變形，以獲得一定截面形狀并改變其性能的塑性加工工藝，如圖9.1所示。軋制工藝包括熱軋工藝和冷軋工藝兩種方法。通過軋制可獲得各種鋼板、型材和無縫鋼管等產品，如圖9.2所示第3頁/共208頁2．拉拔拉拔加工方法是金屬材料在拉力作用下，通過一定形狀、尺寸的?？资蛊洚a生塑性變形，以獲得與?？仔螤?、尺寸相同的小截面材料的塑性成形方法，如圖9.3所示。拉拔工藝分為冷拔工藝和熱拔工藝，在多數情況下采用冷拔工藝以提高產品的質量和尺寸精度。拉?？椎闹圃觳牧弦话氵x用硬質合金，該種模具材料可以提高拉?？讕缀涡螤畹臏蚀_性和使用壽命。拉拔產品主要為各種細線材、薄壁管和各種特殊幾何形狀的型材，如電纜，及圖9.4所示的各種型材。

3．擠壓擠壓工藝是將金屬毛坯放人擠壓模具型腔內，在強大的壓力和一定的速度條件下，迫使金屬從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸及具有一定力學性能的擠壓件。根據金屬流動方向和凸模運動方向之間的關系，將擠壓工藝分為以下3種.

第4頁/共208頁第5頁/共208頁

（l）正擠壓。指金屬被擠出的方向與凸模運動方向一致。圖9.5(a）為實心件正擠壓,圖9.5(b）為空心件正擠壓。擠壓件的斷面形狀可以是圓形、橢圓形、扇形、矩形或棱柱形，也可以是非對稱的等斷面擠壓件和型材。（2）反擠壓。指金屬被擠出的方向與凸模運動方向相反，見圖9.5(c)，適用于制造斷面為圓形、矩形、山形、多層圓筒和多格盒形的空心第6頁/共208頁

（3）復合擠壓。指一部分金屬的擠出方向與凸模運動方向相同，另一部分金屬的擠出方向與凸模運動方向相反，如圖9.5(d）所示。復合擠壓適用于制造斷面是圓形、方形、六角形等的杯一杯類、杯一桿類或桿一桿類擠壓件，也可以是等斷面的不對稱擠壓件。

通過擠壓工藝可以獲得各種復雜截面的型材或零件，如圖9.6所示。

4．鍛造

鍛造工藝指的是，在鍛錘或模鍛設備及工模具的作用下，使坯料、鑄錠產生局部或全部的塑性變形，以獲得一定幾何尺寸、形狀和質量的鍛件的加工方法。鍛造包括自由鍛和模鍛，它們都是通過金屬體積的轉移和分配來獲得毛坯或零件的加工方法。加工過程一般都在熱態下進行。（l）自由鍛。指在鍛錘或水壓機上，利用簡單的通用性工具或在設備的上、下砧鐵間直接使金屬坯料產生塑性變形以獲得所需形狀和尺寸的加工方法。圖9.7為一平砧墩粗示意圖第7頁/共208頁

（2）模鍛。指在模鍛錘或熱模鍛壓力機上，利用模具使毛坯變形而獲得具有模膛外形的鍛件的加工方法，圖9.8為一齒輪毛坯的模鍛示意圖

5．沖壓

沖壓工藝是金屬塑性加工的基本方法之一，它通過沖壓機床經安裝在其上的模具施加壓力于板料或帶料毛坯上，使毛坯全部或局部發生塑性變形，從而獲得所需的零件形狀。圖9.9為一筒形件拉深示意圖。第8頁/共208頁9.1.2塑性成形的特點及應用塑性成形工藝與金屬切削、鑄造、焊接等加工工藝相比，具有以下幾方面的特點。第9頁/共208頁

（1）材料利用率高。金屬塑性成形主要是依靠金屬在塑性狀態下的形狀變化和體積轉移來實現，不產生切屑，材料利用率高，可以節約大量的金屬材料。

（2）力學性能高。金屬塑性成形過程中，金屬的內部組織得到改善，產品性能好。

（3）尺寸精度高。金屬塑性成形的很多工藝方法已經達到少、無切削加工的要求，如齒輪精鍛、冷擠壓花鍵工藝，其齒形精度已達到可以使用的要求；精鍛葉片的復雜曲面可達到只需磨削的程度。

(4）生產效率高。金屬塑性成形工藝適合于大批量生產，隨著塑性成形工、模具的改進及設備機械化、自動化程度的提高，生產效率得到大幅度提高。如在熱模鍛壓力機上鍛造一件汽車發動機用的六拐曲軸只需40S；在雙動拉深壓力機上成形一件汽車覆蓋件僅需幾秒鐘。

塑性成形工藝由于具有這些特點，使之廣泛應用于機械、電子、交通運輸、礦山、動力裝備及軍工產品的生產中，在國民經濟中占有十分重要的地位。例如，各種受力復雜的承受重載、動載的重要零件，如主軸、曲軸、傳動軸、第10頁/共208頁

齒輪、連桿等零件的生產；還有工具、模具上的主要零件，如各種模具中的模塊、導桿、拉桿等；在軍工機械中，如炮筒、槍械及其他零件；包括儀器儀表上的零件及日常生活用品大多數采用的沖壓件；標準件，如螺釘、螺母、螺栓、銷子等零件，都是塑性成形的產品。

塑性成形的缺點是塑性成形過程中的變形量不能太大，工件的形狀不能太復雜；而且塑性成形的設備及所使用的模具投資大。

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9.2塑性成形理論

9.2.1載荷、應力、變形與斷裂外力或載荷F作用到機械零件上，其受力的大小用應力a來表示。當單向拉伸時，應力的大小由表達式。a=F/S計算獲得。式中，S表示試樣的截面積，受力的結果是在零件的截面上產生了正應力和切應力。金屬的塑性變形過程中，一部分功要轉變為內應力殘留于金屬中，使金屬的內能增加。所謂內應力即平衡于金屬內部的應力，它是由于金屬在外力的作用下，所產生的內部變形不均勻所引起的。金屬的表層與心部的變形量不同，就會形成平衡于金屬表層與心部的宏觀內應

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力，這種內應力也稱為“第一類內應力”；晶粒與晶粒之間或晶粒內不同區域之間的變形不均勻會形成微觀內應力，這種內應力也稱為“第二類應力”；由于位錯等晶格缺陷的存在而引起的缺陷附近晶格歪扭所形成的內應力稱為“第三類內應力”。第三類內應力是使金屬產生強化的主要原因，也是變形金屬中的主要內應力。第二類和第三類內應力在其隨后的應力松弛過程中發生應力重新分布，會引起金屬的變形。冷軋鋼板在軋制過程中就會因其變形的不均勻性所產生的內應力而引起冷軋板的翹曲；零件在切削加工過程中所產生的變形也是由于這一原因，另外，金屬中內應力的存在還會導致其抗腐蝕性能的降低。

所謂變形是指在外力的作用下，或者發生在物體本身的物理一機械過程（溫度變化、相變等）的作用下引起的物體尺寸或形狀的改變。作用到固體上的外力總要有原子之間的反向作用力與其平衡，反向作用力也力圖使原子回到勢能最低的位置。原子從平衡位置相對移動的結果使物體發生了變形。第13頁/共208頁

彈性變形時，變形力和原子位移之間保持著比例關系，外力去掉后，物體就回復到原有的尺寸和形狀。如果外力停止作用，物體不能完全恢復，則這部分剩余變形稱為“塑性變形”。在這種情況下，原子不能回復到原來的位置，而存在于新的穩定平衡的位置。塑性變形時，應力和變形之間一般是不存在直線關系的。所謂金屬的塑性是指金屬能夠產生剩余變形而不破壞其完整性的能力。

在塑性變形的方式中，滑移和孿晶是物體塑性變形的基本方式。滑移是金屬晶體在切應力（）作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于晶體的另一部分發生移動或切變，如圖9.10所示。第14頁/共208頁

滑移一般發生在原子排列較緊密的晶面和晶向上，因為在緊密的晶面和晶向上滑移時所受到的阻力最小。具有大量此種晶面和晶向的金屬（如立方晶格），其塑性就好，而具有密排六方晶格的金屬，其塑性就低。具有密排六方晶格結構的金屬，其塑性變形除滑移外，還能夠產生第15頁/共208頁

孿晶的變形方式。所謂“孿晶”，是指晶體的一部分在切應力作用下，沿一定的晶面（孿晶面）發生剪切變形，使變形部分晶體的結晶位向發生了變化，以孿晶面為對稱面，與未變形部分晶體呈鏡面對稱，這種變形方式稱為“孿晶”。與滑移相比，產生孿晶變形較為困難。對于面心立方晶格和體心立方晶格的金屬，只有在很大的變形程度和低溫的情況下才能產生孿晶變形。

多晶體金屬的塑性變形和單晶體金屬的塑性變形一樣，也是以滑移或孿晶的方式進行。所不同的是：多晶體金屬是由很多晶粒所組成的，這些晶粒的結晶位向不相同，因此在多晶體金屬進行塑性變形的過程中，既有單個晶粒內的塑性變形，又有晶粒和晶粒之間的塑性變形；另外，由于多晶體金屬中晶界的存在，增加了晶體滑移的阻力，而且在多晶體金屬中，各個晶粒的空間結晶位向不同，進行塑性變形時，當某一晶粒處于有利位置開始發生滑移時，必然受到周圍的不同結晶位向的其他晶粒的阻礙，也增加了晶體滑移的阻力。

金屬晶體受到阻力必然會有反阻力來平衡，當反阻力大于阻力時，周圍的一些晶粒就會發生相對位置的轉動和第16頁/共208頁

滑動。因此，在多晶體金屬的塑性變形過程中，晶粒之間要通過轉動和滑動，使各個晶粒的結晶取向基本上趨于一致，此種現象稱為“變形織構”。當更大程度的變形發生時，由于晶粒的滑移，晶粒自身的形狀發生了改變。在變形前，晶粒是圓形的，塑性變形后由于按滑移面的移動，晶粒按作用力的方向被拉長，并形成了纖維狀組織。同時，隨著晶粒形狀的改變，晶粒本身也產生了破碎，晶粒分裂成一些小碎片，晶界的完整性被破壞，產生了亞晶粒和亞晶界。晶粒中的小碎片稱為“亞晶?！保∷槠木Ы绶Q為“亞晶界”。亞晶界的出現稱為“亞晶細化”。亞晶細化導致了材料強度和硬度的提高，以及韌性和塑性的降低，金屬材料中這種力學性能的變化稱為“冷變形強化”。這是因為金屬在大的塑性變形過程中，增加了金屬結晶組織的缺陷（如位錯、空位和間隙原子等），阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力，并阻止塑性變形的繼續發展。由于變形的發生，位錯密度增加，從而產生位錯之間的相互作用，阻礙位錯的相互移動，金屬的密度減小，抗腐蝕能力減弱，而電阻提高了。第17頁/共208頁

當應力作用足夠大時，變形過程結束，破壞隨即開始。斷裂破壞是因裂紋的產生和裂紋沿整個試樣（零件）截面的擴展而形成。常見的斷裂形式包括脆性斷裂與韌性斷裂，其中韌性斷裂有明顯的塑性變形；而脆性斷裂時，塑性變形很小。這是由于裂紋的擴展速度不同引起的。韌性斷裂是因裂紋的擴展速度很小而造成，脆性斷裂時，裂紋的擴展速度很大（接近聲速）。根據斷口的外觀形貌，用肉眼可以觀察到的纖維狀斷口是韌性破壞的特征，而有金屬光澤的結晶狀斷口則是脆性破壞的特征。人們利用透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡能夠更進一步地研究斷裂的性質。斷口表面上有韌窩的屬于韌性斷第18頁/共208頁

裂，斷口表面上有指紋狀線條的屬于脆性斷裂。當沿晶界析出脆性微粒時，容易引起沿晶界的脆性斷裂。一般來說，同一種成分的合金，由于加工工藝和試驗方法的不同，既可產生韌性斷裂，也可能產生脆性斷裂。

很多具有體心立方和面心立方晶格的金屬（如Fe、MO、W等），由于所處的溫度不同，它們的斷裂既有可能是韌性的，也有可能是脆性的。隨著溫度的降低，金屬的斷裂由韌性斷裂轉變成脆性斷裂，該現象稱為“冷脆性”，該轉變溫度稱為“韌脆轉折溫度”。因此，對于同一種材料，在比較高的溫度下是韌性金屬，而在比較低的溫度下卻轉變成為脆性金屬。9.2.2加熱對變形金屬的組織和性能的影響第19頁/共208頁

在金屬的變形過程中，大部分功（大于95%）轉變成熱（金屬被加熱），其他部分的能量以組織缺陷（空位，主要是位錯）的形式儲存在金屬中。由于變形引起殘余應力的增大也證明了能量的積累，由此可見，冷變形強化狀態的金屬，從熱力學來說是不穩定的，具有自發向穩定的低能量狀態轉變的傾向，只是在室溫下，這種自發轉變需要的時間很長。若對塑性變形后的金屬加熱，使原子活動能力增強，則將大大加快轉變的過程，有利于金屬迅速恢復到穩定的組織狀態。研究表明，對變形后的金屬進行加熱時，其內部要進行回復與再結晶，并把性能回復到變形前的狀態。

1．回復

把變形金屬加熱到比較低的溫度（0.2～0.3T熔化）就開始了回復過程。由于減少了組織缺陷的密度，改善了冷變形強化金屬的組織，這種加熱過程中所發生的改變稱為“回復”。經過回復處理后的變形金屬，其顯微組織沒有發生明顯的變化。

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回復過程分為兩個階段：較低的溫度（低于0.2T熔化）下進行回復的第一階段，在這個階段中點缺陷（空位）減少了，并發生了位錯的重新分布，但不形成新的晶界；在第二階段中，破碎的晶體轉變成具有小角度晶界的亞晶粒（多邊形）。

晶體變形時產生了位錯，并無序地分布在滑移面上。加熱時，原子能夠進行自由擴散，殘余的位錯排列成位錯壁，在多晶體的晶粒中形成了亞晶粒（多邊形），并脫離了位錯，成為相互間獨立的多邊形。在回復過程中，力學性能不發生變化。一些物理性能（如電阻）甚至在回復的第一階段就完全回復了，這與減少空位密度和位錯的重新分布有關。

2．再結晶繼續提高溫度時，原子的活動能力增大，當達到一定溫度時就形成了新的等軸晶粒。第21頁/共208頁

從圖9.11可以看出，當加熱到高于再結晶溫度以前保留了變形的晶粒，當加熱到高于再結晶溫度時，就會在變形金屬中形成新的結晶核心和新的晶粒的長大。冷變形強化的金屬在加熱時，不能回復舊的晶粒，而產生的是全新的晶粒，晶粒的大小與最初晶粒大小會有實質性的差別。新晶粒的形成取代了變形金屬的纖維組織，稱為“再結晶”。第22頁/共208頁

新晶粒的形成，大大地降低了位錯密度，釋放出冷塑性變形過程中整體金屬所積累的大部分能量，這是再結晶的熱動力學的促進因素。由于再結晶，實際上全部消除了冷變形硬化，并使力學性能接近于原先的力學性能。再結晶時，強度，特別是屈服強度急劇地降低，而塑性提高。這是由于再結晶消除了晶格歪扭，并急劇地減少了位錯密度才導致冷作硬化的消除。再結晶后，位錯密度以/c㎡降低到/c㎡

開始再結晶的最低溫度稱為“再結晶溫度的起點”。高于再結晶溫度的起點時，會發生再結晶，消除冷作硬化。再結晶溫度的起點是一個不定值，對于具體的金屬（合金）來說，它取決于加熱的保溫時間、變形程度、變形前的晶粒大小等。變形程度愈大、加熱時間愈長或變形前的晶粒愈小，再結晶溫度的起點就愈低。對工業純金屬來說，進行大變形后的再結晶溫度接近0.4T熔化（絕對熔化溫度），純金屬降低到（0.1～0.2）T熔化，而固溶體合金則提高到（0.5～0.6）T熔化。要全部消除冷變形強化，必須把金屬加熱到更高的溫度，才能保再結晶的高速度和再結晶的徹底性，這種熱處理就稱為“再結晶退火”。第23頁/共208頁

3．聚集再結晶

再結晶完成之后，金屬獲得均勻細小的等軸晶粒，這些細小的晶粒潛伏著長大的趨勢，再繼續加熱將發生一些再結晶晶?？客滩⑵渌囊恍┰俳Y晶晶粒來進行自身的長大。新的再結晶晶粒繼續長大的過程就稱為“聚集再結晶”。小晶粒長大后就可以減少晶界的總面積，降低總的晶界能量，趨向于減小晶界表面能是發生聚集再結晶的主要原因，晶粒長大，界面張力就減小，從熱力學角度來說，就更加穩定。第二相的微粒能夠阻止晶粒的長大。當加熱溫度高于聚集再結晶溫變時，晶粒會過分長大，如圖9.11第24頁/共208頁

所示，金屬的塑性降低，產生過熱現象。再結晶完成后，繼續升高溫度或延長保溫時間，晶粒會繼續長大，從而使晶界減少，晶界能降低。這種長大稱為正常長大。有時在加熱到較高溫度或保溫很長時間時，晶粒會吞并周圍晶粒而急劇長大，形成很大的晶粒，稱為二次再結晶。這是由于晶界處存在彌散細小的雜質粒子或其他原因（如變形織構）阻礙著晶粒的長大，而當溫度升高或保溫時間延長使彌散的質點溶解時，阻止晶粒長大的因素消失，晶粒就會突然長大。

1）再結晶后的晶粒大小

再結晶晶粒的大小對金屬的性能影響很大。具有細小晶粒的金屬和合金，則具有較高的強度和韌性。冷塑性變形和再結晶后的晶粒大小與多種因素有關，如原始晶粒大第25頁/共208頁

加熱溫度、保溫時間、變形程度、合金的化學成分和夾雜物的多少等。變形量一定時，隨著溫度的提高和保溫時間的延長，晶粒就越長。變形程度愈大時，再結晶晶粒就愈小，如圖9.12所示。變形量很小時，加熱也不發生再結晶。有3％~15％的變形量時，退火后的晶粒急劇長大，并能很多倍地超過原始晶粒的大小，這種變形程度稱為“臨界變形程度”。在臨界第26頁/共208頁

變形程度的情況下，壓縮變形后也不按照新晶粒的形成和長大的機理發生再結晶，只有把經過臨界變形處理的金屬再加熱才能引起一些原始的未再結晶晶粒靠吞并鄰近的晶粒進行快速長大，這種再結晶的機理和二次再結晶的機理一樣，是在小的變形程度下，根據各個晶粒的變形的不均勻性來解釋。因此，加熱時即使具有較低自由能的小變形量的晶粒靠具有較高自由能的大變形量的晶粒的長大也成為可能。臨界變形程度愈小，退火溫度就愈高。

因此，把這種最小的變形程度稱為“臨界變形程度”。高于臨界變形程度加熱時，二次再結晶才成為可能。

2）再結晶織構

進行大變形程度之后產生了織構，這種變形過程產生的織構往往又是隨后加熱時形翩耳結晶織構的原因。再結晶晶粒具有擇優結晶位向，再結晶織構的特點取決于退火的條件、壓力加工的形式（軋制、拉拔等）以及夾雜物的

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數量和本性。具有面心立方晶格的金屬進行低溫退火時，再結晶織構和變形織構一樣，但在高溫下，再結晶織構和變形織構不一樣，或者不產生再結晶織構。在銅、鋁、鐵和其他金屬中，都能看到再結晶織構。形成再結晶織構時，金屬就具有各向異性。如板材深拉伸時，為了避免褶皺、波浪狀的邊緣的形成，板材應該在所有的方向上變形都一樣，因此在這種情況下是不希望各向異性的。但在變壓器鋼中，又利用它的各向異性，因為沿著[100]晶向平行于磁流的方向具有最大的磁穿透性。

4．冷變形與熱變形

根據再結晶溫度的不同，把變形分成冷變形和熱變形。低于再結晶溫度的變形稱為“冷變形”。冷變形過程中能夠產生金屬的強化（冷變形強化）。高于再結晶溫度的變形稱為“熱變形”。在熱變形過程中，塑性變形引起的強化又第28頁/共208頁

被變形過程中同時發生的回復與再結晶全部消除。要保證全部消除冷作硬化，再結晶速度應大于變形速度。

從金屬學的觀點來看，熱變形與冷變形的根本區別在于其變形的溫度是高于其再結晶溫度，還是低于再結晶溫度。熱變形與冷變形不能以是否在加熱條件下進行變形來判定，如鐵的再結晶溫度為450℃，這樣，對鐵來說，450℃以下的變形都屬于冷變形。鉛的再結晶溫度在室溫以下，對鉛來說，室溫下的變形也屬于熱變形。

9.2.3可鍛性

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可鍛性是指金屬材料經受壓力加工時獲得優質零件的難易程度的工藝性能?？慑懶院帽砻鹘饘龠m合于壓力加工成形；可鍛性差表明金屬不宜于選用壓力加工成形?？慑懶猿Ｓ媒饘俚乃苄院妥冃慰沽砗饬?，塑性越好、變形抗力越小，則其可鍛性好；反之則差。金屬的塑性常用金屬的截面收縮率、延伸率表示。凡是、值越大或墩粗時不產生裂紋的情況下變形程度越大的，其塑性越高。變形抗力指在變形過程中金屬抵抗工具作用的力，變形抗力越小，則變形中所消耗的能量也越小。

金屬的可鍛性取決于金屬材料的本質（材料的化學成分和組織）和加工條件（變形溫度、變形速度和應力狀態），影響因素主要有以下幾種。

1．材料的化學成分一般純金屬的可鍛性比其合金要好。碳鋼的可鍛性隨著其含碳量的增加而降低。對于合金鋼，隨著合金元素的增第30頁/共208頁

加，其塑性降低、變形抗力增高，可鍛性變差。

2．材料的組織

單相組織材料（如純金屬及固溶體金屬）的可鍛性比多相組織的好，細晶粒金屬的塑性比粗晶的好，但其變形抗力較大。金屬材料中的柱狀晶、夾渣、偏析、疏松和氣孔等鑄造缺陷使其可鍛性變差。

3．變形溫度

對于大多數金屬材料來說，溫度升高，塑性增加，變形抗力降低，可鍛性提高。金屬的塑性隨溫度的變化趨勢如圖9.13所示。

但溫度過高，會產生過熱、過燒、脫碳和嚴重氧化等缺陷，反而降低了塑性，甚至使鍛件報廢。溫度升高時金屬的塑性提高是由于溫度升高，金屬間的動能增加、原子間結合力減弱；溫度升高，易產生回復和再結晶如圖9.14所示，消除冷變形強化；有些金屬材料，溫度升高到一定值后，其組織由多相變為單相。第31頁/共208頁第32頁/共208頁4．變形速度

變形速度即單位時間內的變形程度，它對可鍛性的影響是雙重的。這是由于隨著變形速度的增大，回復和再結晶不能及時克服冷變形強化現象，使得金屬材料的塑性下降、變形抗力增大（圖9.15)，可鍛性降低；同時，在金屬的變形過程中，消耗于塑性變形的能量有一部分轉化為熱能，使金屬溫度升高（稱為熱效應現象）。變形速度越大，熱效應越明顯，使金屬的塑性提高，變形抗力下降，可鍛性變好。實際生產中，除高速錘鍛造外，一般的壓力加工方法形成的熱效應均不明顯。第33頁/共208頁

5．變形應力狀態金屬在變形過程中，由于加工方法不同，其所受的應力大小和性質（如壓應力或拉應力）也各不相同，如圖9.16和圖9.17所示。

實踐證明，三個方向中壓應力數目越多，則金屬的塑性越好，但變形抗力增大；拉應力的數目越多，則金屬的塑性越差，但變形抗力減小。因此，影響金屬可鍛性的因素比較復雜，但只要正確選用金第34頁/共208頁

料，合理控制變形溫度、變形速度，充分發揮金屬的塑性，盡可能降低變形抗力，即可獲得優質的壓力加工零件。

9.2.4熱加工流線與鍛造比金屬的力學性能隨其內部組織的改變而發生明顯的變化。隨變形程度增大，金屬的強度及硬度升高，而塑性和韌性下降，該現象稱為冷變形強化，亦稱為加工硬化，見圖9.18。冷變形強化是一種不穩定現象，具有自發地回復到穩定狀態的傾向。第35頁/共208頁第36頁/共208頁

金屬在常溫下經過塑性變形后，其內部組織發生了很大的變化。主要包括以下幾個方面。

(1)晶粒沿變形最大的方向伸長，如圖9.19所示。

第37頁/共208頁(2)晶格與晶粒均發生扭曲，產生內應力。

(3)晶粒間產生碎晶。

(4)形成纖維組織。

鑄錠在塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質沿變形方向被拉長，呈纖維狀，因此該結構被形象地稱為纖維組織，即熱加工流線，也稱鍛造流線。纖維組織使金屬的性能具有各向異性的特征。纖維組織越明顯，各向異性就越明顯，在平行于纖維方向上塑性和韌性提高；而垂直纖維方向，塑性和韌性降低。纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關。變形程度越大，纖維組織越明顯。壓力加工過程中，常用鍛造比Y表示變形程度：

Y拔長=S0/S(拔長時）（9-1）

Y鐓粗=H0/H(鐓粗時）（9-2）第38頁/共208頁

式（9一l）、式（9一2）中，S0為毛坯的初始截面積，S為變形后的截面積；H0為毛坯的初始高度，H為變形后的高度。

鍛造比對鍛件的力學性能有較大的影響，因此，鍛造碳素結構鋼時鍛造比取Y=2～3;鍛造合金結構鋼時，鍛造比取Y=3～4。對某些高合金鋼，為了打碎粗大的碳化物，并使碳化物細化和分散，應采取較大的鍛造比，如高速鋼取Y=5～12，不銹鋼取Y=4～6。

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纖維組織的穩定性很高，不能用熱處理的方法加以消除，只有用鍛壓的方法才能改變其方向和形狀。為了獲得具有良好力學性能的零件，在成形零件時，都應使零件在工作中產生的最大正應力方向與纖維方向重合，最大切應力方向與纖維方向垂直，并使纖維方向分布與零件的輪廓相符合，盡量使纖維組織不被切斷，如圖9.20和圖9.21所示。第40頁/共208頁第41頁/共208頁9.3塑性成形工藝9.3.1自由鍛

自由鍛是利用沖擊力或壓力使金屬坯料在上、下砧鐵之間直接產生變形，以獲得所需形狀及尺寸鍛件的方法。

自由鍛具有如下特點：工藝靈活，設備通用性好，適應性強；工具簡單，成本低；生產率較低，操作強度大；鍛件精度低，加工余量較大；適合于單件、小批生產，鍛件形狀簡單，其尺寸和表面質量要求不能太高。自由鍛是生產大型鍛件的唯一鍛造方法。

第42頁/共208頁1．自由鍛的工序

(1）基本工序：所謂基本工序是指使坯料產生變形并使之逐步接近鍛件最終形狀和尺寸的工序，如墩粗、拔長、沖孔、芯軸擴孔、芯軸拔長、彎曲、切割、錯移、扭轉、鍛接等。其中墩粗、拔長、沖孔用得最多。

(2）輔助工序：所謂輔助工序是指，為完成基本工序而使坯料預先產生少量變形的工序，如鋼錠倒棱、壓鉗把、分段壓痕等。

（3）修整工序：所謂修整工序是指，為使鍛件最終平整成形，消除鍛件不平、歪扭，使鍛件完全符合圖樣要求的工序，如鼓性滾圓、彎曲校直、斷面平整等。

2．自由鍛件的分類及基本工序的選用

1）軸桿類鍛件

其基本工序見表9一1。第43頁/共208頁第44頁/共208頁2）空心類鍛件

其基本工序見表9一2

第45頁/共208頁3）彎曲類鍛件其基本工序見表9一3。第46頁/共208頁

3.自由鍛工藝規程

1）繪制鍛件圖

繪制時主要考慮以下三方面的因素：①余塊（敷料）。如圖9.22所示。所謂余塊是指為簡化鍛件形狀、便于鍛造，在其難以鍛造的部分增加一部分金屬，增加的這部分金屬稱余塊。②加工余量（鍛件余量）,如圖9.22所示。自由鍛件尺寸精度和表面質量較差，一般都須經切削加工后制成零件。因此零件的加工表面應根據其尺寸精度的要求留有相應的加工余量。第47頁/共208頁

③鍛件公差。坯料在鍛造時，由于受各種因素的影響，鍛件的實際尺寸不可能鍛得與鍛件基本尺寸一樣，允許有一定限度的偏差。一般鍛件公差為加工余量的1/4~1/3。余塊、加工余量和鍛件公差確定后，即可繪制鍛件圖樣，如圖9.23所示。第48頁/共208頁

2）坯料質量及尺寸的計算

鍛件圖樣繪制好后，可根據它確定坯料尺寸和質量：

m坯=m鍛件

+m燒損

+m芯

+m切(9-3)

式中，m坯―

坯料質量（kg）。

m鍛件―鍛件質量，等于鍛件體積與金屬密度之積（kg）。

m燒損―加熱時坯料氧化燒損的質量（kg）。對于普通鋼材，第一次加熱取被加熱金屬的2％~3%，第二次以后，每次加熱燒損量取1.5％~2.0％。

第49頁/共208頁m芯

―沖孔芯料的質量（kg）。實心沖子沖孔時，m芯

=（1.18~1.57）d2H，其中d為沖孔直徑（mm),H為沖孔坯料高度（mm）。

m芯

―鍛造時切取料頭的質量（kg）。

對于坯料尺寸的計算，根據坯料的質量，由下式求出坯料的體積：

V坯=m坯/

（9一4)

式中，P為材料的密度。

第50頁/共208頁

3）確定鍛造工序包括確定基本工序、輔助工序和精整工序，各工序的次序、坯料的尺寸以及完成各工序所需的工具等。

4）確定鍛造設備及其型號選用鍛造設備及噸位的依據是鍛件的尺寸和質量，同時還要考慮現有的設備條件。中小型鍛件一般選用鍛錘，大型鍛件選用水壓機。常用的自由鍛造設備一般為空氣錘，如圖9.24所示。

5）鍛造溫度范圍的確定鍛造溫度是指始鍛溫度（開始鍛造的溫度）和終鍛溫度（停止鍛造的溫度）間的溫度范圍。始鍛溫度和終鍛溫度的確定以合金狀態圖為依據。

第51頁/共208頁

碳鋼的始鍛溫度和終鍛溫度如圖9.25所示。始鍛溫度比AE線低200℃左右，終鍛溫度約為800℃左右。第52頁/共208頁6）填寫鍛造工藝卡工藝卡片是指導生產和技術檢驗的重要文件。某型號半軸自由鍛鍛造工藝卡如表9一4所示。第53頁/共208頁第54頁/共208頁4．自由鍛鍛件結構工藝性

自由鍛造鍛件結構設計的原則是：除滿足使用性能要求外，還要考慮自由鍛造的設備、工具及工藝特點，盡量使鍛件外形簡單，易于鍛造。具體包括以下幾方面：①鍛件上具有錐體或斜面的結構，從工藝角度講是不合理的（圖9.26）。因為鍛造斜面或錐面的結構，必須用專用工具，且成形困難，操作不便，影響生產率。②鍛件由數個簡單幾何體構成時，幾何體的交接處盡量避免形成空間曲線，如圓柱與圓柱、或圓柱與其他幾何體的交接處就是平面與平面或平面與柱面交接（圖9.27、圖9.28、圖9.29）。③自由鍛鍛件上不應設計出加強筋、凸臺、工字形截面或空間曲線表面。④鍛件的橫截面有急劇變化或形狀較復雜時，應設計成由幾個簡單件構成的組合體。第55頁/共208頁第56頁/共208頁第57頁/共208頁第58頁/共208頁第59頁/共208頁

9.3.2模鍛

模鍛是將加熱后的坯料放置在金屬鍛模模膛內，在沖擊力或壓力作用下，使坯料在模膛內產生塑性變形，以獲得鍛件的生產方法。模鍛與自由鍛相比具有以下特點：生產率較高，一般比自由鍛高數倍；可以鍛出形狀比較復雜的鍛件（圖9.30)；尺寸精確，加工余量小,強度高,使用第60頁/共208頁

壽命長；鍛件流線較合理，大大提高零件的力學性能和使用壽命；操作過程簡單，易實現機械化，大批量生產時能降低成本；模鍛件質量一般小于150kg，但制造鍛模周期長，成本高等。第61頁/共208頁

常用的模鍛方法包括錘上模鍛、胎模鍛、壓力機上模鍛（曲柄壓力機、摩擦壓力機和平鍛機上模鍛）等。

1．錘上模鍛

錘上模鍛所用設備有蒸氣一空氣錘、無砧座錘、高速錘等。蒸氣一空氣錘最常用，模鍛錘的外形、結構及在錘上加工的典型件如圖9.31所示。模鍛錘的噸位（落下部分的質量）。為10~160kN(l~16t)，模鍛件質量為0.5~150kg。不同噸位模鍛錘能鍛造的模鍛件的質量不同。

第62頁/共208頁第63頁/共208頁1）鍛模

錘上模鍛的鍛模結構如圖9.32所示。根據模膛的作用不同，可分為制坯模膛和模鍛模膛兩大類；模膛又根據模膛數量分為單膛模膛和多膛模膛。

(1）制坯模膛。對于形狀復雜的鍛件，為使坯料形狀更為接近鍛件形狀，需預先制坯。制坯模膛有以下幾種：①拔長模膛（圖9.33)；②滾壓模膛（圖9.34)；③彎曲模膛圖[9.35(a）]；④切斷模膛[圖9.35(b）]。

第64頁/共208頁第65頁/共208頁第66頁/共208頁2）模鍛模膛。模鍛模膛分為預鍛模膛和終鍛模膛。

①預鍛模膛是指使坯料變形到接近鍛件的形狀和尺寸，終鍛時容易充滿終鍛模膛；減少終鍛模膛的磨損，延長鍛模的壽命。②終鍛模膛是指使坯料變形到鍛件的最終形狀和尺寸。如圖9.36所示為終鍛后帶有連皮、飛邊的模鍛件。第67頁/共208頁2）制訂模鍛工藝規程

(1）繪制模鍛鍛件圖。

模鍛鍛件圖是制定變形工藝、設計鍛模、計算坯料質量、尺寸及檢驗鍛件的依據，繪制模鍛件圖應考慮以下幾個方面的問題。

①確定分模面（圖9.37）。分模面是上、下模在鍛件上的分界面，分模面的選擇對鍛件質量、模具加工、工步安排和金屬材料的消耗都有很大影響。第68頁/共208頁第69頁/共208頁②加工余量和公差。模鍛件由于尺寸精確、表面光潔，其加工余量和公差范圍比自由鍛件小，一般加工余量在0.4～4mm之間，尺寸公差在0.3～3mm之間。

③模鍛斜度（圖9.38）。為了便于將成形后的鍛件從型腔中取出，鍛模側壁必須做成一定的斜度。鍛件外壁上的斜度為外斜度，鍛件內壁上的斜度為內斜度。鍛件冷卻時，外壁因收縮而離開型腔，容易出模，而鍛件內壁收縮使鍛件抱住型腔突出部分，出模困難。因此，內斜度應比外斜度大一級。為了減少材料消耗和機加工余量，應盡量選擇小的模鍛斜度。④模鍛件圓角半徑（圖9.39）。為了便于金屬在型腔內流動，避免產生折傷并保持金屬流線的連續性、提高鍛模使用壽命，鍛件上的所有尖角應設計成圓弧。外圓角（凸角）半徑為r，內圓角（凹角）半徑為R。第70頁/共208頁第71頁/共208頁⑤沖孔連皮（圖9.36)，具有通孔的零件，在模鍛時不能直接鍛出通孔，而在孔內留有具有一定厚度的金屬層，稱為沖孔連皮?？讖綖?0～80mm時，連皮厚度為4～8mm;孔徑小于30mm時，一般不鍛出。以上參數確定后，繪制模鍛鍛件圖，如圖9.40所示。

第72頁/共208頁2）確定模鍛工步。

根據鍛件形狀的復雜程度確定模鍛的工步，然后根據已確定的工步設計模膛。對于長軸類模鍛件（圖9.41)，如鍛造彎曲連桿（圖9.42）模鍛件，毛坯料一般經過拔長、滾壓、彎曲、預鍛和終鍛等工步，制成帶有飛邊的鍛件；對于盤類模鍛件，如圖9.43所示的盤類零件，常選用墩粗、終鍛等工步。第73頁/共208頁第74頁/共208頁第75頁/共208頁第76頁/共208頁(3）確定修整工序。模鍛后還需進行下一步的修整工序，才能獲得合格的模鍛件。修整工序包括以下幾方面內容：切邊和沖孔（圖9.44)；校正；熱處理，一般采用正火或退火，以消除模鍛件的過熱組織或加工硬化組織；清理去除氧化皮、所沾油污及其他表面缺陷等。第77頁/共208頁3）模鍛件的結構工藝性

設計模鍛件時，應使結構符合以下原則：①模鍛零件應具有一個合理的分模面，以保證模鍛件易于取出、所用敷料最少、鍛模容易制造；②零件外形力求簡單、平直和對稱（圖9.45)，盡量避免零件截面間差別過大，或具有薄壁、高筋、凸起等結構，使金屬易充滿模膛和減少工序；③在零件結構允許時，盡量避免多孔、深孔、窄溝和深槽等結構；④在模鍛件上與分模面垂直的表面上應盡可能避免有凹槽和孔，與分模面垂直的非加工表面，應設模鍛斜度；⑤鍛件上的孔不宜過深，當孔徑小于30mm、孔深大于孔徑兩倍時，不宜采用模鍛；⑥對復雜形狀零件用模鍛制坯困難時，可采用鍛一焊或鍛造－螺釘連接等組合結構，如圖9.46所示。

第78頁/共208頁第79頁/共208頁2.壓力機上模鍛

壓力機是僅次于鍛錘被廣泛應用的模鍛設備。近年來，在自動化、高效率生產與大批量流水線生產中，壓力機上模鍛已越來越多地代替錘上模鍛。

熱模鍛壓力機又稱鍛壓機，它是針對模鍛錘的缺點由一般曲柄壓力機發展而成的。工作時，依靠曲柄的傳動，使得滑塊上、下往復運動進行鍛壓。熱模鍛壓力機的結構和工作原理如圖9.47所示，其規格為6300～125000kN。

1）熱模鍛壓力機上模鍛特點熱模鍛壓力機具有壓力機的特點，因此熱模鍛壓力機上模鍛具有以下特點。

(1）熱模鍛壓力機滑塊行程一定，速度慢，不能實現逐步變形；但在一次行程中金屬變形量大，且金屬容易向水平方向強烈流動，形成很大的飛邊，造成型腔深處充不滿。對于形狀復雜、難于充滿的鍛件，必須經過制坯工步，使毛坯逐步接近鍛件形狀，因此需要正確地設計模鍛工步。第80頁/共208頁第81頁/共208頁(2)在熱模鍛壓力機上需要采用拔長、滾壓等預鍛工步時就需要在其他設備（如輥鍛機、平鍛機、空氣錘等）上進行制坯。在大批量生產時，也可采用周期性軋坯。

(3）為了獲得精度高的鍛件，清除氧化皮是一個重要問題，因此最好采用電加熱或少、無氧化加熱，或者在鍛造前采取有效方法清除氧化皮。

(4）熱模鍛壓力機導向精度高，并采用帶有導向的模具，鍛件精度高。模具可采用鑲塊式，可節約大量模具鋼，同時方便更換鑲塊。

2）鍛件圖的制定

確定鍛件圖的原則和內容與錘上模鍛相同，其不同點如下：

(1）熱模鍛壓力機有頂出裝置，鍛件能方便地從深型腔內取出，因此，分模面可以靈活地選擇；

(2）鍛件拔模斜度一般比錘上模鍛件小一級。

第82頁/共208頁3）終鍛工步設計

終鍛工步是根據熱鍛件圖設計的，其方法與錘上模鍛相似，不同之處有以下幾點。

(1）上、下模充滿的難易程度無多大差別，因此，不一定要將形狀復雜的部分安排在上模，而應考慮鍛件的定位和取出方便。

(2）模具的型腔較深時，應設計排氣孔。

(3）模具頂桿的端面是型腔面的一部分，設計時應予以考慮。

(4）直徑小于26mm的孔，一般不沖出。需沖孔時，連皮厚度通常取S=6～8mm。

(5）飛邊槽的形式與錘上模鍛相似，不同之處在于倉部是開通的，如圖9.48所示第83頁/共208頁4)預鍛工步設計

預鍛工步設計原則與錘上模鍛相似。預鍛工步的設計對鍛件質量、模具壽命等影響很大，設計時應著重考慮以下幾點。

(1）預鍛工步圖的高度尺寸相應要比終鍛大2~5mm，而寬度尺寸要比終鍛小0.5～1mm，特別是對高肋和凸出部分，應取較大值，使毛坯在終鍛時主要以墩粗成形為主。第84頁/共208頁

（2）預鍛工步的體積要比預鍛工步略大，以保證終鍛時更好地充滿型腔；在預鍛工步中金屬應合理分配，避免終鍛時產生折疊。

(3）在預鍛工步圖中，某些部位的形狀和尺寸與終鍛工步應基本吻合，以便在終鍛時更好地定位和防止形成折疊。

5）墩粗工步設計

墩粗工步有封閉式墩粗和開式墩粗兩種形式。

(1）封閉式墩粗，即在型腔內墩粗，如圖9.49所示。經過封閉式墩粗后的坯料能達到一定的形狀要求，使毛坯更接近于預鍛（或終鍛）工步圖，從而改善金屬在預鍛（或終鍛）成形型腔中的流動情況，更好地充滿型腔。第85頁/共208頁(2）開式墩粗，即坯料在兩個平面內進行墩粗，如圖9.50(a）、（b）所示。這種方法能很好地清除坯料側面的氧化皮。第86頁/共208頁

除毛坯有特殊要求外，在一般情況下多采用開式墩粗。有時為了便于在預鍛時定位，在墩粗平面上做成一定的凹槽，如圖9.50(c）、（d）所示。毛坯墩粗后的高度，一般情況下應等于鍛件的最大高度或略小1～2mm，使毛坯的外徑盡量接近鍛件的外徑。

3．胎模鍛

胎模鍛是在自由鍛錘上采用活動鍛模即簡單的不固定模具（胎膜）的一種生產鍛件的工藝方法。一般先用自由鍛方法把坯料預鍛成接近鍛件的形狀，然后在胎膜中最終鍛制成形。

1）胎模鍛的特點

胎模鍛兼有自由鍛和模鍛的特點。與自由鍛相比，胎模鍛操作簡單、生產率較高；鍛件形狀精確、尺寸精度較高；鍛件組織致密，纖維分布更符合性能要求。與模鍛相比，胎模鍛不需采用昂貴的設備，而且擴大了自由鍛設備的生產范圍；其工藝操作靈活，可以局部成形；胎膜結構第87頁/共208頁

較簡單，容易制造，但鍛件質量不如模鍛件，工人勞動強度大，鍛模壽命低，適于中、小批量生產。

2）胎膜結構

按照胎模結構形式，常用胎膜有以下三種類型。

(1）扣模。扣模用來對坯料進行全部或局部扣形，適于生產非回轉體的扣形件或為合模鍛造制坯，如圖9.51所示。第88頁/共208頁(2）套筒模。套筒模可分為開式套筒模和閉式套筒模，如圖9.52所示。套筒模主要用于鍛造齒輪、法蘭盤等回轉體盤類鍛件。開式套筒模只有下模；閉式套筒模由模套和上、下模墊組成。根據具體條件，套筒?？芍瞥烧w模、鑲塊?；驇|模的套筒模。套筒模又可分為簡單筒套模（圖9.53）和組合套筒模（圖9.54）。

(3）合模。合模一般由上、下模和導向裝置（導柱和導銷等）構成，如圖9.55所示。合模有很好的通用性，多用于生產形狀較復雜的非回轉體鍛件，如連桿、叉形件等。第89頁/共208頁第90頁/共208頁第91頁/共208頁3）胎模鍛工藝過程

胎模鍛工藝過程包括制訂工藝規程、制造胎膜、備料、加熱、鍛制胎膜鍛件及后續工序等。

第92頁/共208頁

9.3.3板料沖壓

板料沖壓是利用沖壓設備和模具對板料加壓，使板料產生分離或變形以制造薄壁零件或毛坯的加工方法。板料沖壓的坯料通常都是厚度在1～2mm以下的金屬板料，而且沖壓時一般不需要加熱，故又稱為薄板沖壓或冷沖壓，簡稱冷沖或沖壓。板料沖壓能壓制其他加工工藝難以加工或不能加工的形狀復雜的零件；沖壓件尺寸精度高，表面粗糙度值小，互換性強，沖壓件可直接使用；沖壓件質量輕、強度和剛度較高、材料利用率高；沖壓操作簡單、生產率高，便于機械化和自動化，故成本低；沖模要求高、制造復雜、成本高、只適合于大批量生產。常用沖壓設備是剪床和沖床。

按板料的變形方式，可將板料沖壓的基本工序分為分離工序和變形工序。

1．分離工序

分離工序是坯料的一部分相對另一部分產生分離的工序，主要包括剪切、落料、沖孔、切斷及修整等。第93頁/共208頁1）沖裁沖裁是指使坯料沿著封閉的輪廓線產生分離的工序。一般指落料和沖孔。落料是被分離的部分成為成品，而周邊是廢料；沖孔是被分離的部分成為廢料，而周邊是成品。

(1）沖裁過程。

沖裁過程可分為三個階段（圖9.56)：彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段。正常情況下，沖裁件的斷面處有明顯的四個區，即榻角、光亮帶、剪裂帶和毛刺。沖裁件斷面質量主要與凹凸模間隙、刃口鋒利程度有關，同時受模具結構、材料性能及厚度等因素的影響。

(2）沖裁間隙。

第94頁/共208頁

凸模與凹模的間隙為沖裁間隙，它對沖裁件尺寸精度、斷面質量、模具壽命、沖裁力、卸料力等均有很大影響。設計沖裁模時，應選擇一個合理的間隙。在合理的沖裁間隙范圍內，上、下裂紋能自然會合，光亮帶約占板厚的1/3左右，沖裁件斷面質量處于最佳狀態。如果間隙過大，上下裂紋錯開形成雙層斷裂層，光亮帶會變小，斷面粗糙，毛刺增大；間隙過小，上下裂紋不重合，光亮帶較大，毛刺也較大，同時模具刃口易磨損，使用壽命降低。沖裁間隙由C=mS計算到得，其中，S為材料厚（mm)，m為與材料性能有關的系數。實際中，材料較薄時，對于低碳鋼、純鐵、鋁及其合金、銅及其合金，常取優m=0.06～0.1；對于高碳鋼，常取。m=0.08～0.12；當材料厚度S>3mm時，應把系數m適當放大。

第95頁/共208頁

(3）沖裁件的排樣。

排樣是指落料件在條料、帶料或板料上進行合理布置的方案。排樣合理可使廢料最少，材料利用率大為提高。落料件的排樣按材料利用情況可分為三種方式：有廢料排樣、少廢料排樣和無廢料排樣，如圖9.57所示。第96頁/共208頁

無廢料排樣材料利用率最高，但毛刺大，尺寸精度差；有廢料排樣則與無廢料排樣相反。按沖裁件在條料上的布置方式，排樣又可分為直排、單排、多排、斜排、對排、混合排、少廢料、無廢料、裁搭邊等，如圖9.58所示。

第97頁/共208頁第98頁/共208頁2）修整

如圖9.59所示，修整是利用修整模沿沖裁件外緣或內孔削除一薄層金屬，以切掉沖裁件斷面上留存的斷裂帶和毛刺，提高沖裁件的尺寸精度和光亮帶高度，改善斷面質量。

第99頁/共208頁3）切斷

切斷是指利用剪刀或沖模將板料沿不封閉輪廓進行分離的工序。剪刀安裝在剪床上，把大板料剪成一定寬度的條料，供下一步沖壓工序使用。沖模安裝在沖床上，用以制成形狀簡單、精度要求不高的平板零件。

以下實例圖是汽車凸輪軸經滾擠備坯一終鍛一切邊成形的過程。第100頁/共208頁2．變形工序

變形工序是使坯料的一部分相對另一部分產生位移而不破壞的工序，包括彎曲、拉深、翻邊等。

1）彎曲

彎曲是將板料、型材或管材在彎矩作用下，彎成具有一定的曲率和角度零件的成形方法。

(1）彎曲過程。彎曲過程及彎曲件如圖9.60所示。變形時，坯料內側受壓縮，外側受拉伸。隨著彎曲變形程度的加劇，從內、外側的表層逐步由彈性的壓縮和拉伸變形向塑性的壓縮和拉伸變形過渡。故彎曲時，表層主要是塑性變形，而板料中心部則為彈性變形。

第101頁/共208頁第102頁/共208頁2）最小彎曲半徑Rmin。為防止材料在彎曲時出現裂紋和斷裂，內側的最小彎曲半徑Rmin

≥

(0.25～1)S；其中S為金屬板料的厚度，材料塑性好，彎曲半徑可取較小值。軋材、板材具有各向異性，應盡量使坯料的纖維方向與彎曲垂直，如圖9.61所示。

(3）彎曲件的彈復現象。彎曲過程中，在外載荷作用下，板料產生的變形由塑性變形和彈性變形組成。當外載荷去除后，塑性變形保留下來而彈性變形恢復，此現象稱為彈復。為抵消彈復現象對彎曲件質量的影響，在設計彎曲模時，應使模具角度比零件角度小一個彈復角β，使零件在彎曲后得到所要求的角度。β一般小于10°，如圖9.62所示。第103頁/共208頁第104頁/共208頁2）拉深

拉深是將平板毛坯利用拉深模制成開口空心零件的成形工藝方法，也叫拉延。拉深件的形狀有筒形、錐形、階梯形、球形、方盒形等。拉深工藝在汽車、拖拉機、電器、儀表、電子等工業部門及日常生活中應用很廣泛。

(1）拉深過程。拉深過程如圖9.63所示。在凸模作用下，原始板料直徑D，通過拉深后形成內徑為d、有一定高度的空心筒件。第105頁/共208頁

(2)拉深中的缺陷。拉深中的廢品如圖9.64所示。在拉深過程中，由于應力作用，坯料厚度的變化規律是：在筒壁上部厚度最大，在靠近筒底的圓角部位附近壁厚最小，此處是整個零件強度最薄弱的地方，當該處的拉應力超過材料的強度極限時，就會產生拉裂缺陷；在拉深過程中，凸緣區的切向壓應力達到一定數值時，就將失去穩定而產生拱起，稱為起皺。影響拉深質量的因素有：凸、凹模的圓角半徑；凸、凹模間隙；拉深系數；潤滑程度等。提高拉深件質量的措施

第106頁/共208頁

有：改進模具結構和參數；拉深時設置壓邊圈（圖9.65)；采用多次拉深工序（圖9.66)；拉深時在凹模上加潤滑劑等。第107頁/共208頁3）其他變形工序

其他常用的沖壓變形工序有翻邊、扭轉、收口、成形、脹形和旋壓等，如圖9.67所示。

第108頁/共208頁(1）扭轉。扭轉是指將沖裁后的半成品扭轉成有一定移動角度的工序。

(2）收口。收口是指在筒形零件的某個位置上，使其徑向尺寸減小的工序。

(3）翻邊。翻邊是指將坯料孔的邊緣或外緣翻出豎立于邊緣的工序。

(4）脹形。脹形是指利用塑性物體或液體為傳力介質，使拉深半成品徑向局部擴脹成形的工序。

(5）成形。成形是指在板料毛坯或零件表面局部成形，制成各種形狀突起或凹陷的零件的工序。

(6）旋壓。旋壓是指在旋轉狀態下，用壓桿使板料逐步成形為回轉體的工序，如圖9.68所示。第109頁/共208頁3．沖壓件的結構工藝性

沖壓件設計不僅應保證它具有良好的使用性能，而且還應具有良好的工藝性能。因此對沖壓件的設計在形狀、尺寸、精度等方面提出了種種要求，目的是簡化沖壓生產工藝，提高生產效率，延長模具壽命，降低成本，保證沖壓件質量。

1）沖裁件的結構工藝性

(1）沖裁件的外形和內孔形狀應盡量簡單、對稱，最好是規則的幾何形狀，使排料合理，且b>2S。

(2）為避免應力集中而引第110頁/共208頁

起開裂，沖裁件直線相接處均要以圓角過渡。一般圓角半徑R>0.5S,S指板厚。

(3）沖孔尺寸不能過小，一般沖孔的尺寸如圖9.69所示。

2）彎曲件的結構工藝性

(1）為防止彎裂，彎曲時要考慮彎曲線垂直于纖維方向，彎曲件的圓角半徑不要小于最小彎曲半徑，也不能過大。

(2）彎曲件的形狀應盡量對稱，彎曲半徑應左右對稱，如圖9.70所示。第111頁/共208頁第112頁/共208頁(3）彎曲邊高度不要過短，應使彎曲邊平直部分的高度H>2S,S指板厚，如圖9.71(a）所示。

(4）彎曲帶孔件時，為避免孔變形，孔的位置如圖9.71(b）所示，L>(1.5～2)S。

3）拉深件的結構工藝性

(1）為便于加工，拉深件形狀應力求簡單，避免圓錐形、球面形和空間復雜曲面形，盡量采用軸對稱的形狀，使零件變形均勻和模具加工制造方便。

(2）應使拉深件高度盡可能減低，過高、過深的拉深件易出現廢品，需多次拉深。

(3）對帶凸緣的拉深件，凸緣寬度要適當，過寬需增加拉深次數，過小則容易起皺。

(4）拉深圓筒形零件時，筒底與壁間的圓角半徑尺Rp≈(3～5)S,Rd≈（4～8)S；矩形盒角部的圓角半徑R>3S。

(5）對于半敞開或不對稱的拉深件可采用合沖工藝，即將兩個或幾個零件合并成對稱形狀，一起沖壓，然后切開（圖9.72)，以減少工序、節約材料、易于變形形和第113頁/共208頁保證質量。第114頁/共208頁4.沖模的分類和構造

1）單工序模

沖床滑塊在沖床一次沖程中只完成一道沖壓工序的沖模稱為單工序模。圖9.73所示是導柱式簡單落料沖裁模的基本結構。凹模用壓板固定在下模板上，下模板用螺栓固定在沖床工作臺上，凸模用壓板固定在上模板上，上模板通過模柄固定在沖床的滑塊上。凸?？呻S滑塊上下運動，為保證凸模與凹模能更好地對準并保持它們之間的間隙均勻，通常用導柱和導套導向。操作時，條料在凹模上沿導板送進，定位銷控制每次送進的距離，沖模每次工作后，夾在凸模上的條料在凸模回程時，由卸料板將其卸下，然后條料繼續送進。第115頁/共208頁2）級進模

沖床滑塊在一次沖程中，在同一沖模的不同工位上同時完成幾道沖壓工序的沖模稱為級進模。圖9.74所示為一落料沖孔級進模，凸模3及凹模4為沖孔模，凸模2及凹模5為落料模，將兩種簡單沖模同裝在一塊模板上構成生產墊圈的連續模。工作時用導料銷粗定位，用定位銷進行精定位，保證帶料步距準確，每次沖程內可得到一個環形墊圈。

第116頁/共208頁3）復合模

沖床滑塊在一次沖程中，在沖模同一工位上同時完成數道沖壓工序的沖模稱為復合模，如圖9.75所示。復合模的最大特點是有一個凹凸模，凹凸模外刃口是落料凸模，內孔為拉深凹模，帶料送進時，靠擋料銷定位。當滑塊帶著凸模下降時，條料首先在落料凸模和落料凹模中落料；然后再由拉深凸模將落下的毛坯推人凹模中進行拉深，推出器和卸料器在滑塊回程時將拉深件推出模具。復合模用于大批量生產精確度高的沖壓件，便于實現機械化和自動化，但模具結構復雜，成本高。第117頁/共208頁

上述各類沖模的結構和復雜程度各不相同，但沖模的結構組成是有規律的。手工送料、功能齊全的沖模，一般是由工作零件、定位零件、卸料與推件零件、導向零件、連接固定零件、模架等6部分組成。第118頁/共208頁第10章金屬的焊接連接

第119頁/共208頁10.1焊接工程理論基礎

焊接過程的基礎理論包括許多方面的內容，主要涉及焊接方法、焊接化學冶金、焊接接頭的組織與性能和焊接力學，以及相關的機械、材料、自動化等知識。

10.1.1焊接方法的分類及其特點

從焊接過程的物理本質考慮，母材可以在固態或局部熔化狀態下進行焊接，影響焊接的主要因素有壓力及溫度。在液態下進行焊接時，母材接頭被加熱到熔化溫度以上，它們在液態下相互融合，冷卻后便凝固在一起。這個過程成為熔化焊接。在固態下進行焊接時，又有兩種方式。第一種方式是利用壓力將母材接頭焊接，加熱只起著輔助作用；有時不加熱；有時加熱到接頭的高塑性狀態，甚至使接頭的表面薄層熔化，這便是壓力焊接。第二種方式是在第120頁/共208頁

接頭之間加人熔點遠較母材低的合金，局部加熱使這些合金熔化，借助于液態合金與固態接頭的物理化學作用而達到焊接的目的，這便是釬焊。釬焊用的合金稱為釬焊合金（釬料）。根據加熱方式、熔化過程、釬焊合金等的不同，在工業上使用的焊接方法有幾十種，如圖10.1所示第121頁/共208頁

由于加熱方式及熔煉方式的區別，熔化焊接有氣焊、電弧焊、電渣焊、電子束焊接以及激光焊等。

1）按熔煉方式分類

主要熔化焊類型介紹如下。

(1）氣焊。

氣體混合物燃燒形成高溫火焰，用火焰來熔化焊件接頭及焊條。最常用的氣體是氧與乙炔的混合物，調整氧與乙炔的比值，可以獲得氧化性、中性及還原性火焰。這種方法所用的設備較為簡單，而加熱區寬，但焊接后焊件的變形大，而且操作費用較高，因而逐漸被電弧焊代替。

(2）電弧焊。

這是應用最廣泛的焊接方法。電弧焊的主要特征是：形成穩定的電弧、填充材料的供應以及對熔化金屬的保護和屏蔽。通常，電弧可通過兩種方法產生：第一種：電弧發生在一個可消耗的金屬電焊條和金屬材料之間，焊條在焊第122頁/共208頁

焊接過程中逐漸熔化，由此提供必需的填充材料而將結合部填滿；第二種：電弧發生在工件材料和一個非消耗性的鎢極之間，鎢極的熔點應比電弧的溫度高，所需的填充材料則必須另行提供。電弧焊通常要對金屬熔池加以保護或屏蔽。其保護方法有多種，例如，用適當的焊劑覆蓋在消耗性的焊條之上；用顆粒狀的焊劑粉末或惰性氣體來形成保護層或氣體屏蔽。根據電弧的作用、電極的類型、電流的種類、熔池的保護方法等，電弧焊可分為手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、等離子弧焊等。應用最為廣泛的是手工電弧焊。

(3）真空電子束焊接。

這是一種特種焊接方法，用來焊接尖端技術方面的高熔點及活潑金屬的小零件。它的特點是將焊件放在高真空容器內，容器內裝有電子槍，利用高速電子束打擊焊件將焊件熔化而進行焊接。這種方法可以獲得高品質的焊件。

(4）激光焊

這也是一種特種焊接方法。它是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的方法。第123頁/共208頁2）按加熱方式分類

按照加熱方式的不同，壓力焊可以分為電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊以及擴散焊等。

(1）電阻焊。

這是利用電阻加熱的方法，最常用的有電焊、縫焊及電阻對焊三種。前兩者是將焊件加熱到局部熔化狀態并同時加壓；電阻對焊是將焊件局部加熱到高塑性狀態或表面熔化狀態，然后施加壓力。電阻焊的特點是機械化及自動化程度高，故生產率高，但需要強大的電流。

(2）摩擦焊。

指利用摩擦熱使接觸面加熱到高塑性狀態，然后施加壓力的焊接。由于摩擦時能夠去除焊接面上的氧化物，并且熱量集中在焊接表面，因而特別適用于導熱性好及容易氧化的有色金屬的焊接。

(3）冷壓焊。

這種方法是不加熱，只靠強大的壓力來焊接，適用于熔點較低的母材，如鉛導線、鋁導線、銅導線的焊接。

(4）超聲波焊接。

這也是一種冷壓焊接方法。它借助于超聲波的機械振蕩作用，可以降低所需用的壓力，目前只適用于點焊有色金屬及其合金的薄板。

第124頁/共208頁5）擴散焊。

擴散焊是焊件緊密貼合，在真空或保護氣氛中，在一定溫度和壓力下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互擴散而完成的焊接方法。擴散焊主要用于焊接熔化焊、釬焊難以滿足技術要求的小型、精密、復雜的焊件。

壓力焊接時，壓力使接觸面的凸出部分發生塑性變形，減小凸出部分的高度，增加真實的接觸面積。溫度使塑性變形部分發生再結晶，并加速原子的擴散；此外，表面張力也可以促使接觸面上空腔體積的縮小。這種加熱的壓力焊接過程與粉末冶金中的熱壓燒結過程相似。冷壓焊接時，雖然沒有加熱，但由于塑性變形的不均勻性，所放出的熱局限于真實接觸的部分，因而也有加熱的效應。

釬焊是與上述方法完全不同的焊接過程，是不同金屬間的合金化過程。第125頁/共208頁10.1.2電弧焊的冶金過程及其特點

電弧焊時，焊接區各種物質在高溫下相互作用，產生一系列變化的過程稱為電弧焊金過程。電弧焊的冶金過程如圖10.2所示，電焊在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件和焊條同時熔化成為熔池，焊條金屬液滴借助重力和電弧氣體吹力的作用不斷進人熔池中。電弧熱使焊條的藥皮熔化（或燃燒），與熔融金屬起物理、化學