锻压件的塑性变形及结构工艺性

赵 培，薛 河，严周民

（1.陕西能源职业技术学院机电工程系，陕西 咸阳 712000；2.西安科技大学机械工程学院，陕西 西安710000）

1 前言

塑性是金属的一种重要的机械性能，采用金属的塑性使用金属材料的塑性变形加工性的各种加工品。金属不仅通过锻压发生塑性变形来获得一定的形状和尺寸，而且也可能引起金属内部的组织和结构的改善和提高。因此，在金属塑性变形机制的研究过程中，了解金属组织结构的变形和性能的变化规律，对正确选用合适的加热、加压处理的方法，正确的选择合理设计加压成形的零件以及提高加工的金属材料产品质量等方面都具有重要意义。

2 金属的塑性变形过程

通过各种金属压力加工方法来实现的金属的塑性变形。金属在外力作用下，首先产生弹性变形，当外力只超过一定限度，发生塑性变形。弹性变形的实质是在外力作用下，金属内部原子偏离原来的平衡位置，发生金属的变形，并导致增加原子位能的增高。然而，在以高能量的原子有一种倾向，具有返回到原来低位能的平衡位置，所以，当外力被移除时，原子返回到原来的位置，和变形也随之消失。在超过金属的屈服点，使该金属的内部应力，即使外力停止运作，金属的变形不消失，当外力被增加至这样的变形称为塑性变形。冷变形的金属发生组织变化，导致硬化后，内部压力也很大，变形金属处于不稳定的状态。如果变形的金属被加热时，变形的金属的显微组织和性能的一系列变化将发生。金属材料的塑性成形性能是使用塑料的加工方法形成的金属材料的困难程度的度量，并且是金属材料的工艺性能。常用的金属塑性成形塑性变形抗力两项指标来衡量。金属塑性好。变形抗力低，金属塑性加工性能，反之则差。金属成型加工性能取决于金属和变形条件的性质。

3 锻压件的基本结构工艺性

（1）自由锻件的结构工艺性。为了适应品种繁多的单件、小批生产，自由锻只限于使用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料成形，锻件形状主要靠人工操作技术锻出，难以锻出形状复杂的锻件，因此要求自由锻件结构设计的原则是：在满足使用性能的条件下锻件形状应尽量简单，以减少工艺余块和简化锻造工艺，易于锻造。为此，在设计零件结构时应注意下列问题：①应避免锥面或楔形，尽量采用圆柱面或平行平面，以利于锻造。②各表面交接处应避免弧线或曲线，尽量采用直线或圆，以利于锻制。③应避免筋板或凸台，以利于减少余块和简化锻造工艺。④大件和形状复杂的锻件，可采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构，以利于锻造和机械加工。

（2）模锻件的结构工艺性。模锻主要靠锻模模膛使坯料成形，锻件形状比较复杂。但为减少制模成本和简化模锻工艺，设计模锻零件时，应根据模锻特点和工艺要求，使零件结构符合下列原则，以便于模锻生产和降低成本。①模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出，又利于金属充填、减少余块和敷料，使锻模容易制造。②与分模面垂直的非加工面应设计出模锻斜度，以利于从模膛中取出锻件。非加工面的交接处应采用圆角过渡，以利于金属在模膛中流动充填和防止产生应力集中。③应避免肋的设置过密或高宽比过大，以利于金属充填模腔。④为了减小变形抗力，使金属容易充满模膛和减少工序，零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，腹板过薄，或具有薄壁、高筋、凸起等结构。⑤由于模锻件尺寸精度高和表面粗糙度低，因此零件上只有与其他机件配合的表面才需进行机械加工，其他表面均应设计为非加工表面。

（3）挤压件的结构工艺性。挤压加工的实质是使金属材料在模腔内产生塑性流动，从而获得所需的形状和尺寸的挤压件。也就是说，不能实现这种流动或者冷挤后难以取出的零件形状，采用挤压成形是困难的。因此，为了顺利地进行挤压成形，降低加工压力，减少工序数目，延长模具寿命，获得优质的挤压件，对于挤压成形的零件形状(以冷挤成形为例)，应作如下限制：①供冷挤成形的零件应尽量为轴对称形状，以保证成形过程中，金属材料产生均匀性的流动。为此，与压缩方向相垂直的断面形状应为同心圆。具有锐角的非对称形状易产生不均匀流动，且不易充满模具转角处，模具的横方向又作用着不平衡的力，极易损坏模具。因此，非对称形状的零件不适宜于进行冷挤压成形。②对于需镦挤成形的零件来说，头部直径与高度之比不宜过大，否则会在镦挤末期引起压力急剧上升，使头部侧表面作用着较大的拉应力，从而产生纵向开裂。对于在这种情况下进行镦挤，即使可以挤压成形，但由于头部加工硬化过大，在挤压件使用时如受到较大的冲击作用，头部也很易开裂。③对于底部与壁部过渡部分，或断面急剧变化部分的连接线，应尽量圆滑过渡或设有足够大的圆角半径。当挤压件出现锐角时，模具在相应部分也为锐角，该处就会产生较大的应力集中，且不利于金属流动，金属也难以充满锐角处。

（4）冲压件的结构工艺性。冲压件的工艺性是指冲压件对冲压加工工艺的适应性。良好的冲压工艺性，是指在满足零件使用要求的前提下，能以最简单、最经济的冲压方式加工出来。冲压件一般无需切削加工；操作简便，生产率高，故材料费在制件成本中所占的比例较大。因此，零件的材料、质量和结构要求应利于减少制模费用和材料消耗，利于金属在模具中成形和提高模具的使用寿命，降低成本和保证产品质量。影响冲压件工艺性的主要因素有冲压件的形状、尺寸、精度及材料等。应尽量选用价格较低的材料，如以钢代替有色金属，以薄板代替厚板，并充分利用边脚余料，以降低材料费。对塑性成形件，应选用塑性成形性好的材料，如低碳钢、铝及其合金、铜及其合金等。

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