锻压工艺基础

9.1.1 锻压加工方法及特点

1.锻压加工方法

锻压包括锻造和冲压，属于金属压力加工生产的一部分。常见的压力加工方法如图9－1所示。

（1）轧制。金属坯料通过两个回转轧辊空隙中间，在压力作用下，产生连续塑性变形使坯料截面减小、长度增加的加工方法称为轧制，如图9－1（a）所示。轧制所用坯料主要是金属锭，通过轧制可以生产出不同截面的型材、管材和板材等。

（2）挤压。将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出而成形的加工方法称为挤压，如图9－1（b）所示。挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件，主要适用于加工低碳钢、有色金属及其合金。

（3）拉拔。坯料在牵引力作用下拉过拉拔模的模孔而成形的加工方法称为拉拔，如图9－1（c）所示。拉拔主要生产各种细线材、薄壁异形管及特殊截面型材。低碳钢和大多数有色金属及其合金都可以进行拉拔。

（4）自由锻。将金属坯料放置在锻造设备的上、下砧铁之间，受冲击力或压力作用而成形的加工方法称为自由锻，如图9－1（d）所示。凡承受复杂应力、工作环境恶劣的重要零件，通常都采用锻造毛坯经切削加工制成，如重要齿轮、主轴等。

（5）模锻。利用一定形状的锻模模膛使金属坯料在冲击力或压力作用下产生塑性变形而成形的加工方法称为模锻，如图9－1（e）所示。

（6）板料冲压。板料冲压是通过模具对金属板料施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得一定尺寸、形状制件的加工方法，如图9－1（f）所示。由于冲压通常在常温进行，故又称为冷冲压。

2.锻压加工特点

金属锻压加工具有以下特点。

图9－1 压力加工基本方式示意图

1—轧辊；2、4、8、10、13、17—坯料；3、16—凸模；5—挤压模；7—拉拔模；9—上砧铁；11—下砧铁；6、12—下模；14—上模；15—压板；18—凹模

（1）改善金属组织，提高金属的力学性能。通过锻压可以压合铸造组织中的内部缺陷，使组织致密，获得较细密的晶粒结构。

（2）可以形成并能控制金属的纤维方向使其沿着零件轮廓更合理地分布，提高零件使用性能。

（3）锻压生产中许多零件的尺寸精度和表面粗糙度已接近或达到成品零件的要求，只需少量或不需切削加工即可得到成品零件，以减少金属加工损耗，节约材料。

（4）锻压产品适用范围广泛，且模锻、冲压有较高的劳动生产率。

9.1.2 金属材料的塑性变形

金属的塑性变形根据其变形温度不同可分为冷塑性变形与热塑性变形。

塑性变形的实质是金属在切应力作用下，金属晶体内部产生大量位错运动的宏观表现。通过位错运动实现金属塑性变形的基本过程如图9－2所示。金属晶体在切应力作用下，位错中心上面的原子列向右作微量位移，而位错中心下面的原子列向左作微量位移。继续施加切应力，位错将从晶体的一侧移动到晶体的另一侧，从而造成了一个原子间距的位移过程。同时，晶体在外力作用下会不断增殖新的位错并位移至晶体的表面，当去除切应力的作用后就获得了塑性成形的效果。在金属晶体中，由于晶界的存在和各个晶粒的位向不同及其他晶体缺陷等因素，使得各晶粒的塑性变形相互受到阻碍与制约，塑性变形的同时也导致了金属的强化。

图9－2 金属塑性变形示意图

9.1.3 塑性变形对金属组织和性能的影响

1.冷变形对金属组织和性能的影响

金属材料经冷塑性变形后，不仅外形和尺寸发生变化，其组织与性能也产生了很大变化。

（1）形成纤维组织。塑性变形在改变金属外形的同时，内部晶粒的形状也发生了相应的变化。晶粒将沿变形方向被压扁、伸长甚至变成细条状。金属中的夹杂物也沿着变形方向被伸长，形成所谓纤维组织，这种组织使金属在不同方向上表现出不同的性能。

（2）产生加工硬化。加工硬化也称形变强化或冷作硬化，是指随着金属冷变形程度的增加，金属材料的强度和硬度不断提高而塑性和韧度不断下降的现象。塑性变形使金属的晶格产生严重畸变。当变形量较大时，除形成纤维组织外，还能将晶粒破碎成许多细碎的小晶块——亚晶。由于这种加工硬化组织的位错密度增加，造成金属的变形抗力增大，给金属的继续变形造成困难。

加工硬化在工程技术方面应用的实际意义，一是强化金属材料的重要手段，特别适用于那些不能用热处理方法强化的金属材料；二是当金属的某些变形部分产生硬化后，继续变形则主要在未变形和变形较少的部分进行，有利于金属变形的均匀一致。

2.回复与再结晶

加工硬化组织是一种不稳定的组织状态，具有自发地向稳定状态转化的趋势。常温下，多数金属的原子活动能力很低，这种转化较难以实现。生产中，经常采用“中间退火”的处理方法，对加工硬化组织进行加热，增强金属原子的活动能力，加速金属组织向稳定状态转化。随着加热温度的升高，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。冷变形金属加热时组织和性能的变化如图9－3所示。

图9－3 冷变形金属加热时组织变化示意图和性能的变化曲线

（1）回复。当加热温度较低，变形金属处于回复阶段。此时，原子活动能力不很大，变形金属的纤维组织不发生显著变化，强度、硬度略有下降；塑性、韧度有所回升；内应力有较明显的降低。在工业生产中，利用低温加热的回复过程，在保持变形金属很高强度的同时降低它的内应力。例如：冷拔弹簧钢丝绕制弹簧后常进行低温去应力退火处理，其目的就是为了既保持冷拔钢丝的高强度，又降低或消除冷卷弹簧时产生的内应力。

（2）再结晶。当加热温度较高进入再结晶阶段时，变形金属的纤维组织发生了显著的变化，破碎的、被伸长和压扁的晶粒将向均匀细小的等轴晶粒转化。金属的强度、硬度明显下降；塑性、韧度显著提高。因为这一过程类似于结晶过程，也是通过形核和长大的方式完成的，故称为“再结晶”。需要指出的是，再结晶前后晶粒的晶格类型不变，化学成分不变，只改变晶粒的形状，因此，再结晶不是相变过程。

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与熔点之间的大致关系为T再≈0.4T熔，式中温度均用热力学温度（K）表示。金属再结晶过程的特点如下。

①再结晶不是在恒温下进行的，而是在一定温度范围内进行的过程。

②金属变形程度越大晶体缺陷越多，组织越不稳定，再结晶温度越低。当金属变形程度达到70％～80％时，再结晶温度趋于稳定。

③在其他条件相同时，金属的熔点越高，其最低再结晶温度越高。

④金属中的杂质或合金元素起到阻碍金属原子扩散和晶界迁移的作用，使再结晶温度提高。

（3）晶粒长大。在变形晶粒完全消失，再结晶晶粒彼此接触后，继续延长加热时间或提高加热温度，则晶粒会明显长大，成为粗晶组织，金属的力学性能下降。

3.冷变形与热变形

金属的冷、热变形通常是以再结晶温度为界加以区分。冷变形是指坯料低于再结晶温度状态下进行的变形加工。变形后具有明显的加工硬化现象，所以，冷变形的变形量不宜过大，避免工件撕裂或降低模具寿命。冷变形产品具有尺寸精度高、表面质量好、力学性能好的特点，广泛应用于板料冲压、冷挤压、冷镦及冷轧等常温变形加工。热变形是指坯料高于再结晶温度状态下进行的变形加工。加工过程中产生的加工硬化随时被再结晶软化和消除，使金属塑性显著提高，变形抗力明显减小。因此，可以用较小的能量获得较大的变形量，适合于尺寸较大、形状比较复杂的工件变形加工。热变形产品表面易形成氧化皮，尺寸精度和表面质量较低，而且，劳动条件较差。自由锻、热模锻、热轧等工艺都属于热变形范畴。

4.热变形对金属组织和性能的影响

金属热变形时组织和性能的变化主要表现在以下几方面。

（1）热变形加工时，金属中的脆性杂质被破碎，并沿金属流动方向呈粒状或链状分布；塑性杂质则沿变形方向呈带状分布，这种杂质的定向分布称为流线。通过热变形可以改变和控制流线的方向与分布，加工时应尽可能使流线与零件的轮廓相符合而不被切断。如图9－4所示为锻造曲轴和轧材切削加工曲轴的流线分布，明显看出，经切削加工的曲轴流线易沿轴肩部位发生断裂，流线分布不合理。

图9－4 曲轴的流线分布示意图

（2）热变形加工可以使铸锭中的组织缺陷得到明显改善，如铸态时粗大柱状晶经热变形加工能变成较细的等轴晶粒；气孔、缩松被压实，使金属组织的致密度增加；某些合金钢中的大块碳化物被打碎并均匀分布；可以部分地消除金属材料的偏析，使成分均匀化。

9.1.4 金属的锻造性能

金属的锻造性能（可锻性）是衡量材料经受塑性成形加工，获得优质锻件难易程度的一项工艺性能。金属锻造性能的优劣，常用金属的塑性变形能力和变形抗力两个指标来衡量。金属塑性高，变形抗力低，则锻造性能好；反之，则锻造性能差。影响金属塑性变形能力和变形抗力的因素有以下几个方面。

1.化学成分

不同化学成分的金属其锻造性能不同。一般纯金属的锻造性能优于合金；钢中的碳含量越低，锻造性能越好；随合金元素含量的增加，特别是当钢中含有较多碳化物形成元素（铬、钨、钒、钼等）时，锻造性能显著下降。

2.金属组织

对于同样成分的金属，组织结构不同，其锻造性能也存在较大的区别。固溶体的锻造性能优于金属化合物，钢中碳化物弥散分布的程度越高、晶粒越细小均匀，其锻造性能越好，反之则差。

3.变形温度

在—定的变形温度范围内，随着变形温度升高，锻造性能提高。若加热温度过高，会使金属出现过热、过烧等缺陷，塑性反而下降，受外力作用时易产生脆断和裂纹，因此，必须严格控制锻造温度。

4.变形速度

变形速度反映金属材料在单位时间内的变形程度。它对塑性和变形抗力的影响具有两重性。

（1）一般的变形速度（低于图9－5中变形速度临界值a），再结晶过程来不及完成，不能及时消除变形产生的加工硬化，故随变形程度的增加，塑性下降、变形抗力增大，锻造性能变差。

（2）当变形速度高达一定数值（如高速锻锤、爆炸成形）时，可使金属的温度升高，产生所谓的热效应，变形速度越快，热效应越明显，锻造性能也得到改善。在一般锻压生产中，变形速度并不很快，因而，热效应作用也不明显。

图9－5 变形速度对锻造性能的影响

1—变形抗力曲线；2—塑性变化曲线

5.变形程度

锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。通常，用变形前后的截面比、长度比或高度比Y来表示。即拔长时的锻造比为

Yb=Ao／A=L／Lo　（9－1）

镦粗时的锻造比为

Yd=A／Ao=Ho／H 　（9－2）

式中：Ao、Lo、Ho——分别为坯料变形前的横截面积、长度和高度；

A、L、H——分别为坯料变形后的横截面积、长度和高度。

以钢锭为坯料，镦粗锻造比一般取Yd=2～2.5；拔长锻造比一般取Yb=2.5～3。以型材为坯料时，因型材在轧制过程中内部组织和力学性能都得到了不同程度的改善，锻造比可取Yd=1.1～1.5。锻造高合金钢或特殊性能钢时，为使碳化物弥散和细化，可采用较大的锻造比，如高速钢可取Yd=5～10。

除以上所述因素外，还有加工方法对材料内部所产生应力的大小和性质、坯料尺寸及表面质量等因素的影响。总之，金属的锻造性能不仅取决于金属的内在因素（如化学成分、金属组织等，通过选材可以确定）；还取决于变形条件（如变形温度、变形速度等，通过加工手段加以确定）。在锻压生产中应力求创造有利的变形条件，降低功耗，达到最佳的塑性成形效果。