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第9章 锻压成形 9.1 锻压成形原理 9.1.1 金属的塑性变形 金属材料在外力作用下先产生弹性变形，当外力增加超过材料的屈服点时，就会发生塑性变形。锻压就是对材料施加外力，使之产生塑性变形。 9.1.2 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 金属在较低温度下进行塑性变形后，金属晶粒的形状会发生改变，由等轴状变成扁平状或长条状，其显微组织出现晶粒伸长、破碎、晶粒扭曲等特征，并伴随着晶体缺陷增多，同时由于变形的不均匀性以及变形造成的晶体晶格畸变，会导致内应力的产生。 2. 冷变形强化 金属在塑性变形过程中，随晶粒变形程度的增加及晶体缺陷的增多，阻碍了晶体的滑移，从而使金属材料的力学性能发生改变，即强度和硬度提高而塑性和韧性下降。这种现象称为冷变形强化。 9.1.3 冷变形金属在加热和冷却时的组织和性能变化 经冷变形后，金属内部存在残余应力并伴随冷变形强化，为了恢复材料的塑性，消除残余应力，需对金属进行加热。在加热过程中冷变形金属的组织和性能将发生一系列的变化。 1. 回复 金属产生的冷变形强化是不稳定，有恢复到稳定状态的趋势。在低温时，由于原子的活动能力较低，自发变化的程度不大。温度提高到一定程度时，原子的活动能提高，使不规则的原子排列逐步转向规则排列，晶格畸变得到缓解，内应力大大降低，这一过程称为回复。 2. 再结晶 当加热温度继续升高时，金属原子活动能增加，通过扩散，开始以碎晶或杂质为核心，按正常晶格结晶出新的晶粒，使冷变形后的扁平状或长条状晶粒又恢复到等轴状，从而使塑性、韧性恢复，冷变形强化消除，这个过程称为再结晶。 9.1.4 热变形对金属组织和性能的影响 金属在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热变形。变形后伴随的冷变形强化会自发经再结晶消除，所以只会发生再结晶组织变化，而不会导致冷变形强化。生产上常用的热变形工艺方法有热锻、热轧、热挤压等。由于金属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锻造流线。 9.2 锻造工艺过程 9.2.1 金属的锻造性能 金属的锻造性能是金属工艺性能的一个重要指标，它是用来衡量金属材料锻压成形难易程度的。金属的锻造性越好，表明该材料适宜于通过锻压成形。 金属的锻造性常用塑性好坏和变形抗力大小两个指标来衡量。变形抗力越低，设备耗能越少，塑性越好，工件越易获得准确的外形且不遭受破坏。 影响金属锻造性能的因素主要有材料性质和变形条件两个方面： 1. 材料性质 （1）化学成分 （2）组织状态 2. 变形条件 （1）变形温度 （2）变形速度 （3）应力状态 9.2.2 锻造加热 1. 始锻温度 始锻温度即坯料开始锻造时的温度，始锻温度越高，塑性就越好，越易锻造成形。但始锻温度受到过热和过烧的限制，对于碳钢来说，通常选在其固相线以下100～200℃。 2. 终锻温度 终锻温度即坯料终止锻造时的温度。终锻温度过高，会增加加热次数，同时在其冷却过程中晶粒又会重新长大，过共析钢还会出现网状渗碳体，导致锻件力学性能降低。终锻温度过低，则再结晶过程来不及完成，塑性降低，甚至会导致裂纹。因此，终锻温度应保证坯料锻造结束前具有足够的塑性，锻后得到再结晶组织。 9.2.3 锻件冷却 坯料锻造成形后，由于终锻温度较高，如冷却方式不当，则会导致锻件表面硬度过高而难以切削，或由于锻件表里冷却收缩不一致，使锻件产生较高的内应力而变形、出现裂纹等缺陷。锻件常用的冷却方式有空冷、坑冷和炉冷三种。空冷即在空气中冷却，一般适用于含碳量小于0.5%的碳钢、含碳量小于0.3%的低合金钢的中、小型锻件；坑冷即在干砂或石灰坑中冷却，一般适用于中碳钢、碳素工具钢及大多数低合金钢的中型锻件；炉冷即随炉冷却，一般适用于中碳钢、低合金钢的大型锻件和高合金钢的锻件。 9.3 自由锻 自由锻是指利用设备的上、下砧或只用简单的通用性锻造工具，直接使坯料变形而获得锻件的一种锻造方法。自由锻所用设备简单、生产准备时间短，且可加工各种大小的锻件，尤其适合于大型锻件的生产。因此自由锻在机械制造中得到广泛应用。但由于自由锻生产效率低、劳动强度大、锻件精度低、加工余量大，因此自由锻一般只适用于单件小批量生产。 9.3.1 自由锻基本工序 自由锻工序就是指自由锻工艺方法。它可分为基本工序、辅助工序和修整工序三大类。 1. 基本工序 自由锻基本工序是外力使金属材料产生一定程度的塑性变形，以获得所需形状、尺寸锻件的工艺过程，主要有镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、错移、扭转等，其工艺过程简图如表9.2所示。 2. 辅助工序