《金属材料加工基本原理》课件

《金属材料加工基本原理》金属材料加工是现代工业制造的基础，通过各种加工工艺将金属原材料转化为具有特定形状、尺寸和性能的零部件本课程将系统介绍金属材料加工的基本原理，包括材料科学基础、塑性变形理论以及各种加工工艺的原理与应用课程概述课程目标与学习成果教材与参考资料系统掌握金属材料加工的基本原理和主要工艺方法，能够分析金属材料主要教材包括《金属塑性加工原理》、《金属加工学》等专业书籍，辅在加工过程中的变形行为和组织演变规律，具备金属加工工艺设计的基以国内外最新研究文献和行业标准，确保教学内容的先进性和实用性本能力考核方式课时安排理论考核占70%，包括期中考试、期末考试和平时作业；实践考核占30%，包括实验报告和课程设计，全面评价学生的理论知识和实践能力第一章金属材料基础金属晶体结构基本知识金属原子按一定规律排列形成晶体结构，主要有体心立方（BCC）、面心立方金属材料分类与特性（FCC）和六方密堆（HCP）三种基本类型，不同晶体结构赋予金属不同的物按化学成分可分为纯金属和合金；理和力学性能按主要成分可分为黑色金属和有色金属；按用途可分为结构材料、功微观结构与宏观性能关系能材料和工具材料等金属材料普遍具有良好的强度、塑性、导电导热性能金属晶体结构体心立方（）结构面心立方（）结构六方密堆（）结构BCC FCCHCP立方晶胞的八个顶点和体心各有一个立方晶胞的八个顶点和六个面心各有原子，配位数为8，空间利用率为一个原子，配位数为12，空间利用率68%典型金属包括α-Fe、Cr、达到74%典型金属包括Cu、Al、Mo、W等，具有较高强度但塑性稍Ni、γ-Fe等，具有优良的塑性和韧差原子堆积不够紧密，位错滑移系性由于滑移系多，变形能力强，适较少，变形时容易产生解理断裂合各种塑性加工金属的物理性质密度与比重金属材料的密度差异显著，从轻金属镁（

1.74g/cm³）到重金属铂（

21.45g/cm³）不等常用结构金属中，铁的密度为

7.87g/cm³，铝为

2.7g/cm³，铜为

8.9g/cm³密度直接影响产品重量和应用领域熔点金属熔点从汞的-

38.8℃到钨的3410℃差异巨大常用金属中，钢的熔点约1500℃，铝约660℃，铜约1083℃熔点决定了加工温度范围和热加工工艺参数选择导电性与导热性金属普遍具有良好的导电导热性，其中银导电性最佳，铜次之（导电率58MS/m）铝的导电率约为铜的61%，但因密度低，单位重量导电性能优于铜导热性通常与导电性呈正相关磁性特征与应用金属的力学性质强度金属抵抗外力破坏的能力，主要指标包括屈服强度和抗拉强度低碳钢的屈服强度约235MPa，抗拉强度约400MPa；高强钢可达800MPa以上强度是设计计算的基础参数，决定材料的承载能力硬度金属抵抗硬物压入的能力，常用布氏、洛氏、维氏硬度表示普通碳钢的布氏硬度在120-200HB之间，经热处理可提高到300-600HB硬度通常与耐磨性成正比，是评价材料使用性能的重要指标塑性金属在破坏前产生塑性变形的能力，用伸长率和断面收缩率表征低碳钢的伸长率可达25-40%，铝合金通常为10-25%良好的塑性是金属加工成形的基础，塑性越高，加工余量可越大韧性金属吸收能量并抵抗冲击载荷的能力，通常用冲击功表示低温环境下，金属材料韧性显著降低，可能发生脆性断裂优良的韧性可防止构件在动载荷或低温条件下突然失效合金相图基础相图应用指导合金成分设计、热处理工艺制定和组织控制杠杆定则计算两相区中各相的比例和成分相图解读理解相区、相界线和热力学平衡关系相图基本概念相、组元、自由度等基础定义合金相图是表示合金在不同温度、成分条件下相平衡状态的图形，是研究和应用合金的重要工具Fe-C相图是钢铁材料研究的基础，其中包含奥氏体、铁素体、渗碳体等相区，以及共晶、共析等重要转变掌握相图分析方法对于理解金属热处理过程和组织控制具有关键意义钢的热处理基础表面热处理表面淬火、渗碳、渗氮等工艺淬火与回火形成马氏体并调节硬度韧性正火工艺细化晶粒、均匀组织退火工艺降低硬度、消除应力热处理是通过加热、保温和冷却的方式改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的工艺过程完全退火在A3温度以上30-50℃加热，经缓慢冷却，得到接近平衡态的组织正火在A3以上30-50℃加热后空冷，冷却速度较退火快，强度高于退火态淬火通过快速冷却形成马氏体，获得高硬度，随后进行回火降低脆性表面热处理可选择性地提高表面硬度，内部保持韧性第二章金属塑性变形基本理论塑性变形的微观机制金属塑性变形主要通过晶体中位错的运动实现，位错是晶格中的线缺陷，其滑移和攀移是塑性变形的基本方式位错理论解释了金属为何能在远低于理论强度的应力下发生大量变形位错理论基础位错包括刃位错和螺位错两种基本类型，实际金属中通常为混合位错位错密度一般为10⁸-10¹²/cm²，通过塑性变形会显著增加，导致加工硬化现象位错的产生、增殖和相互作用构成了塑性变形的微观本质塑性变形的宏观表现金属在塑性变形过程中表现出加工硬化、晶粒形状变化、织构形成等宏观现象这些变化直接影响加工后金属的力学性能和各向异性特征，是金属加工工艺设计的重要考虑因素金属塑性变形的微观机制单晶体滑移变形原理金属单晶体在临界剪切应力作用下，沿特定晶面和晶向产生滑移变形滑移面一般为原子排列最密的晶面，滑移方向为这些面上原子排列最密的方向面心立方金属有12个滑移系，体心立方金属有48个滑移系，六方密堆金属仅有3个主滑移系位错的定义与类型位错是晶体中的线缺陷，主要有刃位错和螺位错两种基本类型刃位错可看作在完整晶格中插入一个额外半原子面；螺位错则使晶体沿位错线呈螺旋状排列实际金属中位错多为混合性质，具有刃位错和螺位错的特征位错运动与塑性变形关系位错运动是金属塑性变形的基本机制当晶体受到剪切应力时，位错沿滑移面移动，每个位错移动一个原子距离，对应表面只错开一个原子距离大量位错协同运动形成宏观塑性变形，使金属能承受大变形而不断裂位错密度影响退火态金属的位错密度约为10⁸/cm²，塑性变形后可增至10¹²/cm²位错密度增加导致位错间相互阻碍，移动变得困难，表现为加工硬化通过热处理可降低位错密度，恢复金属塑性，这是金属热加工的理论基础多晶金属的变形特征多晶金属由大量随机取向的晶粒组成，晶界是相邻晶粒的交界面，是原子排列不连续的区域晶界阻碍位错运动，增强金属强度，细晶粒材料强度高于粗晶粒材料，符合Hall-Petch关系σ=σ₀+kd⁻¹/²，其中d为晶粒尺寸塑性变形过程中，晶粒取向逐渐一致，形成变形织构，导致性能各向异性织构影响材料的加工性能和使用性能，如深冲板材R值、磁性材料磁导率方向性等冷加工与热加工冷加工特点热加工特点冷加工在再结晶温度以下进行，约为金属熔点的

0.4倍以热加工在再结晶温度以上进行，变形抗力低，可实现大变下变形过程中，金属内部积累大量位错，位错密度从形量变形过程中，动态回复和再结晶同时发生，消除加10⁸/cm²增加到10¹²/cm²，导致显著的加工硬化现象工硬化，保持良好塑性热加工可显著改善金属内部组织，冷加工可明显提高金属的强度和硬度，但降低塑性和韧细化晶粒，提高综合性能性•变形抗力低，可实现50%以上变形量•加工硬化显著，强度提高30-80%•动态软化消除加工硬化•尺寸精度高，表面质量好•组织改善，晶粒细化•存在加工极限，需多道次变形•能耗高，表面质量较差回复与再结晶回复过程变形金属加热到低温阶段（

0.3Tm左右），位错密度略有降低，位错重新排列形成亚结构回复过程中内应力减小，硬度略有下降，但晶粒形状基本不变回复是热处理中的应力消除退火阶段，可改善金属的电导率和耐腐蚀性再结晶核形成温度升高到再结晶温度（约

0.4Tm）时，变形组织中能量高的区域（晶界、变形带）开始形成再结晶核再结晶核形成需满足尺寸、取向差等条件，才能稳定生长变形量越大，再结晶核越多，再结晶温度越低再结晶生长再结晶核通过高角度晶界迁移吞噬周围变形组织而生长生长速率与温度、变形量和合金成分有关再结晶完成后，形成新的等轴晶粒，内部位错密度大幅降低，硬度回到变形前水平，塑性得到恢复晶粒长大再结晶完成后，继续加热会导致晶粒长大，以降低系统能量晶界能越低，晶粒长大趋势越弱合金元素和第二相颗粒可钉扎晶界，抑制晶粒长大通过控制加热温度和时间可获得所需晶粒尺寸第三章金属成形加工应力分析应力与应变基础金属材料应力应变关系-应力张量描述材料内部任一点的应金属在小变形下遵循胡克定律，大力状态，包括正应力和切应力应变形下表现出非线性关系塑性加变张量表征材料变形程度，包括弹工中需考虑真应力-真应变关系，包性应变和塑性应变应力-应变关系括加工硬化效应和应变率效应是加工过程分析的基础屈服准则加工过程中的应力状态描述金属材料开始塑性变形的条件，塑性加工中材料受到复杂应力作用，常用Tresca准则和von Mises准则通过应力分析可确定变形区域的应屈服准则用于确定复杂应力状态下力分布、变形力计算和工艺参数优材料的变形行为，指导加工工艺设化，预测和防止加工缺陷计应力与应变基础应力分量物理意义符号表示正应力垂直于截面的应力分量σx,σy,σz切应力平行于截面的应力分量τxy,τyz,τzx主应力特定方向上纯正应力状态σ1,σ2,σ3偏应力应力张量的偏量部分sij=σij-δij·σm静水压应力应力张量的球量部分σm=σ1+σ2+σ3/3等效应力复杂应力状态的标量表示σe=√3J2三维应力状态可用九个应力分量表示，构成应力张量根据平衡条件，应力张量是对称的，实际有六个独立分量通过坐标变换可得到主应力状态，此时切应力为零静水压应力表示体积变化，偏应力表示形状变化金属塑性变形主要受偏应力控制，静水压应力影响变形能力和断裂行为真应力真应变曲线-15-45%伸长率范围常见金属材料的最大伸长率，塑性越好，伸长率越大

0.1-

0.5加工硬化指数n表征金属加工硬化能力，n值越大，抗颈缩能力越强300-2000MPa抗拉强度范围常见工程金属的强度水平，合金钢可达1500MPa以上σ=Kεⁿ方程Hollomon描述金属塑性变形区的真应力-真应变关系工程应力-应变曲线基于原始截面积计算，而真应力-真应变曲线考虑实时截面变化，更准确反映材料变形行为两者的转换关系为σ真=σ工1+ε工，ε真=ln1+ε工真应力-真应变曲线在均匀变形阶段通常符合Hollomon经验方程σ=Kεⁿ，其中K为强度系数，n为加工硬化指数n值大小反映材料抵抗局部变形的能力，对金属成形性有重要影响金属材料屈服准则屈服准则屈服准则Tresca vonMises最大切应力准则认为，当材料中最大切应力达到临界值时发生屈服数学表畸变能准则认为，当材料中的畸变能密度达到临界值时发生屈服数学表达达式为τmax=σ1-σ3/2=k，其中k为材料的剪切屈服强度，约为单轴屈式为σ1-σ2²+σ2-σ3²+σ3-σ1²=2σs²，其中σs为单轴屈服强度服强度的一半Tresca准则计算简单，工程中应用广泛，但略微低估材料强Mises准则更符合实验结果，特别是对于面心立方结构金属度屈服面与屈服轨迹不同屈服准则的适用范围在主应力空间中，屈服准则形成一个封闭曲面，称为屈服面Tresca准则的Tresca准则计算简便，工程应用广泛，但低估材料强度约15%Mises准则屈服面是一个六棱柱，Mises准则的屈服面是一个圆柱体应力点位于屈服更精确，特别适合FCC金属实际计算中，选择何种准则需考虑材料特性、面内部表示弹性状态，位于面上表示屈服状态，不可能位于面外计算复杂度和精度要求对安全性要求高的场合，可采用Tresca准则金属材料塑性变形条件单向拉伸塑性变形条件压缩变形塑性条件1金属在单向拉伸时，当应力超过屈服强度σs时发生塑性变形，但变金属在压缩条件下屈服强度与拉伸相同，但变形能力远大于拉伸形均匀性受塑性不稳定性影响当σ=dσ/dε时，变形开始不均匀，压缩变形中，摩擦导致变形不均匀，形成鼓形摩擦系数越大，鼓形成颈缩颈缩处应力状态从单轴转为三轴，加速断裂加工硬化形越明显高宽比试样更易产生失稳，需控制变形过程稳定性指数n值越大，均匀伸长率越高复杂应力状态下的塑性变形摩擦对塑性变形的影响实际加工过程中，材料处于复杂应力状态，由屈服准则判断是否发摩擦力既阻碍金属流动又促进变形传递，对加工过程有复杂影响生塑性变形静水压应力增大材料的塑性变形能力，是精密成形和摩擦增加变形不均匀性和能量消耗，但有助于某些成形过程的稳定超塑性成形的理论基础增加反向应力可显著降低变形抗力，是各性通过润滑可降低摩擦系数，减小变形力并提高表面质量，但过向同性材料的普遍特性度润滑可能导致不充分成形第四章轧制加工基本原理轧制工艺基础轧制力计算轧制是金属坯料通过旋转轧辊间隙被压轧制力是轧制过程中最重要的工艺参数，缩变形的加工方法，是钢铁和有色金属直接关系到设备选择和工艺稳定性轧最主要的成形工艺轧制可分为热轧和制力主要由变形抗力、接触面积和摩擦冷轧，产品包括板材、型材、管材等条件决定，通过理论计算和实验修正相轧制生产效率高，产品质量稳定，是现结合的方法确定代工业的基础工艺轧辊变形与补偿轧制缺陷及防止轧制过程中轧辊在轧制力作用下产生弹轧制过程中可能产生表面裂纹、内部组性变形，导致轧件厚度不均匀通过轧织不均、板形不良等缺陷通过优化轧辊弯曲、轧辊窜辊、轧辊凸度设计等方制参数、改善润滑条件、加强板形控制法可补偿轧辊变形，保证轧件的平直度可有效预防轧制缺陷，提高产品质量和板形质量轧制过程基础轧制过程中的摩擦摩擦角与摩擦系数前滑区与后滑区中性点的物理意义润滑对轧制过程的影响轧制过程需要适当的摩擦条件才能变形区可分为后滑区和前滑区，两中性点是金属流动速度等于轧辊线润滑减小摩擦系数，降低轧制力和咬入金属并完成轧制咬入条件为者边界为中性点在后滑区，金属速度的位置，也是摩擦力方向改变能耗，改善表面质量冷轧通常采tanα≤μ，α为咬入角，μ为摩擦系流动速度小于轧辊线速度，摩擦力的位置中性点位置影响轧制力分用乳化液或轧制油润滑，热轧主要数热轧时μ约为

0.3-

0.5，冷轧时方向与金属流动方向相同在前滑布和能耗，理想情况下位于变形区靠氧化皮自润滑润滑程度需合理μ约为

0.05-

0.15摩擦太小导致咬区，金属流动速度大于轧辊线速度，中心张力轧制可改变中性点位置，控制，过度润滑会导致咬入困难，入困难，摩擦太大增加能耗和轧辊摩擦力方向与金属流动方向相反优化轧制过程润滑不足则增加能耗和表面缺陷磨损板材轧制工艺热轧板生产工艺流程热轧板生产始于钢坯加热至1200-1250℃，经粗轧机组进行破皮轧制和初步变形，然后进入精轧机组进行多道次连续轧制，最终经过层流冷却和卷取热轧板厚度一般为

1.2-25mm，宽度可达2000mm以上，具有较高生产效率和良好力学性能冷轧工艺特点冷轧以热轧板为原料，经酸洗去除氧化皮后进行轧制冷轧通常采用四辊或六辊可逆式轧机，轧制力大，变形抗力是热轧的2-3倍冷轧板厚度可达

0.15-3mm，表面质量和尺寸精度高冷轧后需进行退火处理恢复塑性，满足后续深冲加工需求连续轧制与可逆轧制连续轧制由多架轧机串联组成，金属同时在多个轧机中变形，生产效率高，适合大批量生产可逆轧制使用单架轧机多次往复轧制，投资低，灵活性好，适合小批量、多品种生产张力轧制是连接相邻轧机的重要技术，可减小轧制力并改善板形板形控制技术板形是衡量板材平直度的重要指标，主要由轧辊变形引起控制板形的主要手段包括轧辊凸度设计（一般为

0.3-

0.5%）、轧辊弯曲（最大弯曲力可达5MN）、轧辊窜辊（窜辊量±100mm）和选择性冷却现代轧机普遍采用自动板形控制系统（AFC），实现精确板形控制型材轧制特点型材轧制变形特征轧槽设计原则道次安排与计算型材轧制是利用特殊形状的轧槽对金轧槽设计是型材轧制的核心技术，直型材轧制的道次安排直接影响生产效属坯料进行多道次变形，最终获得所接影响产品质量和轧制稳定性设计率和产品质量道次安排原则包括需横截面形状的长条材与板材轧制原则包括均匀分配道次压下量，保总道次数最少，减少能耗和时间；各相比，型材轧制变形更为复杂，金属证各道次变形均匀；合理控制展宽，道次压下量均匀，避免局部过载；考流动具有三维特性，各部位变形程度避免欠填和过填；保证型材各部位金虑轧机能力匹配；保证半成品稳定传不均匀型材轧制主要特点是各部位属流动协调；减小轧制力和能耗轧送普通型钢一般需10-15道次，复杂变形不均匀、横向金属流动明显、翼槽设计方法包括几何法、断面积法、截面可能需20道次以上道次压下率缘和腹板变形协调困难体积不变法等一般控制在15-25%•三维变形，流动复杂•均匀变形原则•道次压下率15-25%•各部位变形不均匀•合理展宽控制•总道次数10-20道•需精确控制金属分配•金属流动协调•考虑轧机负荷均衡•轧制力最小化轧制缺陷及预防表面缺陷表面缺陷包括裂纹、折叠、麻点、划伤等，主要由原料缺陷、轧制参数不当和轧辊质量问题引起裂纹常见于边部和表面，与变形不均或材料塑性不足有关；折叠多发生在型材的翼缘和腹板连接处；麻点常由表面氧化皮和润滑不良引起预防措施包括原料质量控制、加热工艺优化、合理的道次安排和轧辊表面质量保证内部缺陷内部缺陷主要包括中心疏松、分层、内裂等，多与原料质量和变形工艺有关中心疏松是铸造坯料凝固收缩形成的疏松组织，轧制过程中难以完全消除；分层是板材内部平行于表面的层状裂纹，常由夹杂物或气泡引起；内裂多发生在大变形量和低温轧制条件下预防措施包括提高原料质量、控制轧制温度、采用适当的道次压下量和施加背压形状缺陷形状缺陷包括弯曲、扭转、波浪边、中凸/中凹等，主要由轧制过程中变形不均引起板材波浪边是由于边部与中部厚度差异导致的应力不平衡；中凸/中凹是由轧辊弹性变形和磨损引起的厚度不均；弯曲和扭转多见于非对称截面型材预防措施包括轧辊凸度优化、轧辊弯曲力控制、合理的道次安排和精确的辊缝调整缺陷预防与控制措施轧制缺陷预防需从原料、设备、工艺和操作四个方面综合考虑提高原料质量，确保成分均匀和表面无缺陷；保持设备良好状态，特别是轧辊表面质量和轧机刚度；优化轧制工艺参数，包括温度、压下量、轧制速度和润滑条件；加强操作管理，规范操作流程，及时发现和处理异常情况现代轧制生产线普遍采用在线检测和自动控制系统，实现缺陷的早期发现和预防第五章锻造加工基本原理精密锻造技术实现近净成形，减少后续加工模锻工艺设计模具设计与锻件成形工序安排自由锻与模锻两种基本锻造方式的特点与应用锻造变形机理金属在锻压下的流动规律与组织演变锻造是利用锻压设备对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得所需形状和性能的加工方法锻造加工不仅能改变金属外形，还能优化内部组织结构，提高力学性能锻造是重要的金属成形工艺，广泛应用于汽车、航空航天、能源、机械等领域的关键零部件制造锻造变形特点锻造过程中的压缩变形是基本变形模式，具有以下特点一是摩擦影响显著，工件与模具接触面由于摩擦阻力导致金属流动受限，形成鼓形；二是变形不均匀，中心变形大于表面，导致内部组织和性能的差异；三是纤维组织形成，变形过程中金属内部形成沿流动方向排列的纤维状组织，赋予锻件方向性能锻造变形抗力计算需考虑材料基本变形抗力、摩擦影响和形状因素鼓形系数越大，变形抗力系数越高热锻时，温度对变形抗β力影响显著，1200℃时的变形抗力可能只有室温的1/10变形速度对变形抗力的影响在高温下更为明显，是锻造设备选择的重要考虑因素自由锻基本工序镦粗工艺镦粗是将坯料沿轴向压缩，使横截面积增大的操作镦粗时应控制高径比h/d≤

2.5，防止失稳镦粗计算基于体积不变原则，可得到新直径d₁=d₀√h₀/h₁镦粗可改善金属流线，消除铸造组织，是提高横向性能的重要工序拔长工序拔长是沿坯料长度方向逐步锻打，使其长度增加，截面减小的操作拔长时锻锤宽度b应满足b≤

1.5h（h为坯料高度），每次进给量s为

0.5-

0.7b，压下率控制在15-25%拔长过程应绕坯料轴线旋转90°，保证变形均匀，防止产生十字裂纹冲孔与扩孔冲孔是在坯料上制作通孔的工序，通常先预锻凹坑再冲孔冲孔后常需进行扩孔，增大孔径并改善内表面质量扩孔使用锥形或阶梯形冲头，每次扩孔直径增加不超过30%大型环形件多采用冲孔-扩孔-拔长工艺路线制作弯曲与扭转弯曲用于制作弯曲形状零件，应在加热状态下进行，预留足够的弯曲余量弯曲时外侧金属拉长，内侧压缩，中性层长度不变扭转用于制作具有一定扭转角度的零件，如汽车扭力杆扭转应均匀进行，防止局部变形过大导致裂纹模锻工艺原理坯料准备根据锻件体积计算坯料尺寸，考虑锻造余量和飞边损耗坯料一般取锻件体积的120-130%，确保模腔充满坯料多采用热轧圆钢或方钢，需确保表面无缺陷、尺寸精确和重量稳定大型或复杂锻件可能需要预成形处理预成形预成形是在最终成形前进行的准备工序，目的是使金属初步分布接近最终形状，减轻终锻模具负荷常见预成形工序包括镦粗、拔长、弯曲等合理的预成形可大幅提高模具寿命，减少终锻缺陷预锻模具设计应确保金属流动合理终锻成形终锻在终锻模具中完成，使金属充满整个模腔，形成最终形状终锻模具包括上下模和分型面，设计应保证排气通畅、易于脱模飞边槽设计对控制金属流动和充型压力至关重要，宽度一般为坯料厚度的15-20%，深度为3-5mm后处理锻造后处理包括冲切飞边、冲孔、矫正和热处理等冲切飞边在专用冲切模具中进行，应在锻件未完全冷却前完成热处理通常为正火或退火，目的是细化晶粒、消除内应力和提高可加工性检验包括外观检查、尺寸测量和探伤检测精密锻造技术闭式模锻工艺精密锻造变形特点模具设计与寿命闭式模锻是一种无飞边的精密锻造精密锻造的金属流动更为复杂，需精密锻造模具设计更为复杂，需考工艺，上下模完全封闭，坯料体积精确控制采用多向锻造力，确保虑金属流动、排气、脱模等因素必须精确控制与开式模锻相比，金属全面充型；模具温度控制更为模具材料多采用高合金工具钢或高闭式模锻材料利用率高达95-98%，严格，一般预热至200-300℃；变速钢，热处理硬度达HRC58-62表省去飞边切除工序，但对设备精度形速度较低，减少动态硬化和温度面处理技术如氮化、PVD涂层可提和坯料准备要求极高闭式模锻适升高精密锻造往往结合等温锻造高耐磨性精密锻造模具寿命比普用于中小型对称性好的锻件，如齿或温锻工艺，实现更高的尺寸精通模锻高3-5倍，但成本也显著增轮、法兰等度加精锻件的精度控制精锻件精度可达IT8-IT10级，表面粗糙度Ra

1.6-

3.2μm，远优于普通锻件的IT12-IT14级和Ra

6.3-

12.5μm精度控制措施包括坯料体积精确控制（误差≤

0.5%）；模具精度保证；锻造参数稳定控制；适当的润滑和冷却管理部分精锻件可直接装配使用，大幅减少机械加工工序特种锻造技术等温锻造工艺等温锻造是在恒定温度下进行的锻造工艺，模具温度与坯料相同，一般控制在850-950℃，温度波动控制在±5℃以内等温锻造的主要优点是金属流动性好，变形抗力低，可实现复杂形状一次成形；变形均匀，内部组织质量高；尺寸精度好，可达IT7-IT9级等温锻造主要用于难变形合金如钛合金、高温合金、高强度钢等高速锻造特点高速锻造是变形速率达10²-10⁴s⁻¹的锻造工艺，主要设备为高速锤和高能成形设备高速锻造的变形特点是应变速率效应显著，材料变形抗力增大；惯性效应使金属流动更充分；绝热变形导致温度急剧升高高速锻造适用于大批量生产的小型复杂锻件，生产效率高，但模具寿命较短温锻与冷锻工艺温锻在再结晶温度以下、室温以上进行，通常为200-700℃温锻兼具热锻的良好塑性和冷锻的高精度特点，能耗低于热锻，尺寸精度优于热锻冷锻在室温下进行，精度最高，表面质量好，但变形抗力大，仅适用于塑性好的材料和简单形状冷锻常用于小型紧固件、轴类零件等大批量生产组合锻造技术组合锻造将多种锻造工艺结合使用，发挥各自优势如热-温锻结合工艺先在高温下完成大变形，再在中温下精整成形；精密模锻与自由锻结合可生产大型精密锻件；锻-焊复合工艺可生产复杂异形件新型复合成形技术如轧-锻复合、锻-挤复合等能显著提高材料利用率和性能第六章挤压加工基本原理挤压变形特征挤压力计算挤压是金属在密闭容器中通过模孔挤压力与挤压比、材料变形抗力、变形的加工方法，具有变形大、组摩擦条件和模具结构有关准确计织致密化、金属流动复杂的特点算挤压力对设备选择和工艺稳定性挤压变形主要集中在变形区，其几至关重要，通常采用理论和经验相何形状影响金属流动和挤压力结合的方法挤压缺陷控制挤压工艺设计挤压过程中可能出现表面裂纹、内工艺设计包括挤压比确定、温度选部缺陷和几何变形等问题通过优择、速度控制和模具设计等方面化模具设计、控制挤压参数和改善合理的工艺设计可提高产品质量、润滑条件可有效防止缺陷产生降低能耗并延长模具寿命挤压加工基础正向挤压与反向挤压挤压比与变形程度挤压力计算正向挤压是金属流动方向与冲头运动挤压比是坯料截面积与挤出产品截面挤压力计算需考虑材料变形抗力、挤λ方向相同的挤压方式特点是模具结积之比，是表征挤压变形程度的重要压比、摩擦条件和变形区几何形状构简单，适用范围广，但摩擦损失参数冷挤压时，铝合金λ可达20-对于直接挤压，可用公式大，挤压力高反向挤压是金属流动30，钢材λ为8-12；热挤压时，铝合P=σsa+blnλ，其中σs为材料屈服强方向与冲头运动方向相反的挤压方金λ可达40-60，钢材λ为15-25挤压度，a、b为与摩擦和变形区几何形状式特点是摩擦损失小，挤压力低15-比越大，变形抗力越高，产品力学性有关的系数对于反向挤压，挤压力30%，但模具强度较差，脱模困难能越好，但挤压难度也越大约为正向挤压的70-85%精确计算需结合有限元分析和经验公式•热挤钢材λ=15-25•正向挤压适合实心型材•P=σsa+blnλ•热挤铝合金λ=40-60•反向挤压适合薄壁空心件•a、b为经验系数•冷挤钢材λ=8-12•复合挤压结合两种方式优点•变形区形状影响挤压力挤压工艺参数挤压温度选择挤压温度直接影响材料流动性、变形抗力和产品质量铝合金热挤压温度为450-500℃，铜合金为750-850℃，钢材为1100-1250℃温度过高会引起晶粒粗大、表面氧化和烧伤；温度过低则增加挤压力，可能导致模具过载温度均匀性对挤压质量至关重要，温度梯度应控制在±10℃以内挤压速度影响因素挤压速度影响金属流动、温升、表面质量和生产效率铝合金挤压速度一般为5-25m/min，铜合金为3-10m/min，钢材为1-5m/min挤压速度过高会导致温度急剧升高，引起表面龟裂和烧伤；速度过低则影响生产效率，且温度下降可能导致不充分成形大挤压比和复杂截面需采用较低速度模具结构与设计挤压模具主要包括模筒、模芯、冲头和支撑系统模具设计需考虑强度、刚度、耐磨性和散热性模具角度是关键参数挤压角α一般为45-60°，影响挤压力和金属流动；锥形区长度影响变形均匀性；模孔带长度（一般为

0.5-2倍厚度）影响产品尺寸稳定性和表面质量模具材料多采用高合金工具钢，热处理硬度HRC48-58润滑对挤压过程的影响良好的润滑可降低摩擦，减小挤压力20-40%，延长模具寿命2-3倍，并改善产品表面质量热挤压常用石墨、玻璃和氧化物作润滑剂；冷挤压多采用磷化皂化处理和专用挤压油润滑剂的选择需考虑温度稳定性、润滑性能和环保要求润滑层均匀性对挤压质量有重要影响，需保证润滑剂涂覆均匀一致金属管材挤压空心型材挤压原理生产高质量、复杂截面的无缝管材管材挤压模具结构针-模配合精度控制壁厚一致性变截面管材挤压工艺特殊模具设计满足异形管需求管材挤压缺陷控制温度均匀性和流动平衡确保质量金属管材挤压是制造无缝管和空心型材的重要方法，分为有芯挤压和无芯挤压两种基本方式有芯挤压使用芯棒控制内腔形状，可生产薄壁精密管材，壁厚偏差控制在±

0.1mm以内，但芯棒与模孔的同轴度要求高无芯挤压是通过特殊模具设计使金属围绕分流筋流动形成空心结构，工艺简单但壁厚控制性较差管材挤压质量控制的关键在于金属流动平衡，避免跑偏现象导致壁厚不均变截面管材挤压需特殊的变截面芯棒设计，控制内腔形状变化避免管材缺陷需保证坯料质量无气孔和夹杂，挤压温度均匀，模具设计合理，挤压速度适中特种挤压技术液压挤压技术液压挤压是利用高压液体（通常为油或乳化液）作为传压介质的挤压方法工作压力可达1000MPa，适用于难变形材料和复杂截面型材液体传压均匀，变形更为均匀，产品质量高此技术特别适合钛合金、高温合金等高强度材料的成形，但设备复杂，成本高连续挤压成形工艺连续挤压是对传统间歇式挤压的改进，实现连续送料和连续出产品Conform连续挤压利用轮槽与闭合模的摩擦力带动材料变形，适合铜、铝等有色金属长材生产；Linex连续挤压采用无端带传动，可实现黑色金属的连续挤压连续挤压效率高，能耗低，适合大批量生产复合挤压成形复合挤压将两种或多种金属同时挤压，形成复合结构产品常见工艺有套筒法、双料筒法和同心挤压法典型产品包括铝包钢线、铜铝复合排、不锈钢-铝复合管等复合挤压可结合不同材料的优点，实现性能互补，广泛应用于电力、石化、航空等领域复合界面结合强度控制是技术难点第七章拉伸加工基本原理拉伸变形特点拉伸是金属通过模具受拉应力而变形的加工方法拉伸变形特点是材料沿拉伸方向伸长，横向收缩，厚度减小拉伸可以显著改善金属的尺寸精度、表面质量和机械性能，是生产棒材、管材和深冲件的重要工艺拉伸力计算拉伸力主要由材料变形抗力、断面减小程度和摩擦条件决定棒材拉伸力一般为F=

1.15σb·S，其中σb为材料抗拉强度，S为拉伸后截面积，

1.15为考虑摩擦和附加变形的系数准确计算拉伸力对设备选择和工艺稳定性至关重要拉伸工艺设计拉伸工艺设计包括拉伸道次安排、模具角度选择、减面率确定和润滑方案设计合理的工艺设计可提高产品质量、延长模具寿命并减少能耗拉伸工艺参数的优化需综合考虑材料特性、设备能力和产品要求拉伸缺陷控制拉伸过程中可能出现表面划伤、内部裂纹、尺寸不稳定等缺陷通过优化模具设计、控制拉伸参数和改善润滑条件可有效防止缺陷产生拉伸缺陷的预防与控制需全面了解材料行为和工艺特点棒材与线材拉伸管材拉伸工艺固定芯棒拉伸浮动芯棒拉伸无芯拉伸工艺固定芯棒拉伸是使用固定在拉浮动芯棒拉伸中，芯棒不固定，无芯拉伸不使用芯棒，仅通过伸机后方的芯棒控制管内径的而是依靠摩擦力随管材一起运模具控制管外径，内径随之变拉伸方法这种方法可以精确动这种方法适合长管拉伸，化这种方法操作简单，适合控制内径尺寸和内表面质量，操作简单，生产效率高浮动壁厚较大的管材无芯拉伸的适合生产精密管和薄壁管固芯棒拉伸的特点是适应性好，特点是工艺简单，设备要求低，定芯棒拉伸的特点是内外表面可拉伸长管，但内径精度和表但内径尺寸精度差，壁厚均匀质量好，内径精度高，但由于面质量略逊于固定芯棒法芯性难以保证，一般用于对内径芯棒受拉，长度受限，一般不棒与模孔的同心度控制是工艺精度要求不高的管材或作为预超过6米，且润滑要求高难点拉工序管材减壁与减径拉伸根据变形特点，管材拉伸可分为减径拉伸和减壁拉伸减径拉伸主要减小管径，壁厚略有增加；减壁拉伸主要减小壁厚，直径变化不大两种方式可结合使用，根据产品需求选择合适工艺薄壁精密管多采用固定芯棒减壁拉伸，普通管材多采用减径拉伸或复合拉伸板材拉深加工原理拉深极限预测与控制成形极限图和工艺参数优化拉深力计算与工艺控制压边力和拉深力的确定方法法兰区与壁部变形特点应力状态和失效机理分析拉深成形机理将平板成形为空心容器的原理板材拉深是将平板金属坯料加工成开口空心件的塑性成形方法，广泛应用于汽车、家电、航空等领域拉深过程中，板材各区域受力状态不同底部基本不变形；壁部主要承受拉应力，产生减薄变形；法兰区在径向拉应力和切向压应力作用下产生收缩变形拉深比是衡量拉深难度的重要参数，定义为坯料直径与冲头直径之比D₀/d单道次极限拉深比与材料性能、板厚和摩擦条件有关，低碳钢约为

2.1，不锈钢约为

1.8，铝合金约为

1.8-

2.0超过极限拉深比会导致壁部拉断拉深过程需合理控制压边力，防止法兰区起皱，同时避免过大压边力导致壁部拉断拉深工艺参数设计₀D=d√4n+1毛坯尺寸计算根据等体积原则确定坯料直径

2.0-

2.2极限拉深比低碳钢单道次拉深的理论极限5-15MPa压边力范围常用板材拉深的边缘压力控制值

0.15-

0.25拉深间隙拉深模具间隙与板厚的比例拉深工艺设计首先需确定毛坯尺寸，遵循等体积原则，可用公式D₀=d√4n+1计算，其中d为冲头直径，n为拉深比h/d对于复杂形状，可采用等投影面积法或有限元分析法确定拉深比超过极限值时，需采用多道次拉深，常用方法有减径法和扩径法，减径系数一般为

0.7-

0.85压边力控制是拉深成功的关键，一般采用法兰区单位面积压力5-15MPa计算，实际工作中常采用可调压边力，根据工件变形情况动态调整拉深间隙对成形质量有重要影响，一般取板厚的

1.15-

1.25倍，间隙过大易起皱，过小增加摩擦和拉深力成形极限图FLD是预测拉深成形性的重要工具，通过测定不同应变路径下的极限应变来评估材料成形能力第八章剪切与落料加工剪切加工是利用一对刀具的相对运动，在材料中产生剪切变形直至分离的加工方法剪切广泛应用于各种金属板材、棒材和型材的分离、冲孔和落料剪切过程包括弹性变形、塑性变形、裂纹形成和断裂分离四个阶段，在适当的剪切间隙下，上下刀具产生的裂纹会相互连接，形成完整分离影响剪切质量的主要因素包括材料性能、剪切间隙、刀具状态和剪切速度剪切间隙是决定剪切质量的关键参数，合理的间隙可使剪切面平整、毛刺小、变形区窄冲裁是剪切的重要应用形式，通过冲模和凹模的配合实现板材的精确分离，是板材零件制造的基本工艺精密冲裁技术可获得高质量断面，减少后续加工剪切变形过程弹性变形阶段剪切初期，材料在刀具压力下产生弹性变形这一阶段变形量很小，仅为总剪切行程的5-8%金属表面出现轻微压痕，但未发生永久变形此阶段所需力小，变形完全可恢复弹性变形阶段结束于材料屈服点，接下来进入塑性变形阶段塑性变形阶段当应力超过屈服强度后，材料发生塑性变形，形成明显的剪切带此阶段约占剪切行程的10-25%，剪切力快速上升至最大值金属在剪切区发生明显流动，断面上形成光滑的剪切区塑性变形阶段的延续时间与材料塑性有关，韧性材料此阶段较长裂纹形成阶段随着塑性变形继续，材料在高应力区域开始产生微裂纹，通常在刀刃附近首先出现裂纹沿最大剪应力方向扩展，此阶段剪切力开始下降裂纹形成阶段约占剪切行程的10-15%，断面上表现为粗糙的撕裂区裂纹形成的时机和扩展方向直接影响剪切质量断裂分离阶段最后阶段是裂纹扩展导致材料完全分离在合适的剪切间隙下，上下刀具产生的裂纹会相互连接，形成完整分离面；间隙不合适则会形成二次剪切此阶段剪切力迅速下降至零，断面上形成毛刺断裂分离过程的控制是获得高质量剪切面的关键冲裁工艺设计冲裁间隙选择冲裁间隙是冲模边缘与凹模边缘之间的单侧距离，是影响冲裁质量的关键参数间隙过小会增加冲裁力和刀具磨损；间隙过大会导致毛刺增大和变形区扩大最佳间隙通常为板厚的5-8%软钢取6-8%，硬钢取4-6%，铝合金取4-7%，不锈钢取2-4%间隙应均匀一致，周向变化不应超过±

0.01mm冲裁力计算方法冲裁力主要由材料抗剪强度、冲裁周长和板厚决定，计算公式为F=τs·L·t，其中τs为材料抗剪强度（约为

0.8倍抗拉强度），L为冲裁周长，t为板厚实际应用中，考虑到工艺因素和安全裕度，常将计算结果放大10-20%冲裁力准确计算对设备选择和模具设计至关重要板料排样与材料利用率排样是确定冲件在板料上的排列方式，直接影响材料利用率和生产成本常用排样方式包括直排、斜排和嵌套排列对于圆形冲件，最佳排列方式为三角形布置，材料利用率可达75%；方形冲件采用紧密排列，利用率可达85%以上复杂形状需通过CAD软件优化排样，提高材料利用率模具结构与寿命冲裁模具主要由冲头、凹模、压板、卸料机构和导向装置组成模具材料通常采用高碳高铬工具钢或高速钢，硬度要求为HRC58-62模具寿命受多种因素影响，包括材料选择、热处理质量、结构设计和使用维护通过表面处理技术如氮化、PVD涂层可延长模具寿命2-3倍精密导向和适当的刚度设计对保证冲裁质量和模具寿命至关重要精密冲裁技术精冲工艺原理与特点三向压应力作用机制精密冲裁是一种能获得全切断面的高精度冲裁工艺，其特点是断面光滑无撕裂精冲中的三向压应力是通过特殊的模具结构实现的凸模外围设有压边圈，凹模区，尺寸精度高达IT7-IT8级，表面粗糙度Ra

0.8-

1.6μm与普通冲裁相比，精内有挤压环，两者共同作用使剪切区金属处于三向压应力状态压应力增加了金冲件直接可用，省去后续加工精冲的核心原理是在冲裁区域形成三向压应力状属的塑性，延缓了裂纹形成，使剪切带贯穿整个板厚三向压应力的形成是精冲态，抑制裂纹形成，使金属在塑性状态下完成分离质量的关键，需精确控制压边力和模具结构参数精冲工艺参数精冲件质量控制精冲的关键工艺参数包括压边压力、背压力、冲裁间隙和冲裁速度压边压力一精冲件质量主要体现在断面质量、尺寸精度和平面度三方面断面质量要求光滑般为30-50MPa，显著高于普通冲裁；背压力为10-25MPa；冲裁间隙为板厚的区占断面的95%以上，毛刺高度小于

0.05mm尺寸精度控制在IT7-IT8级，平

0.5-1%，远小于普通冲裁；冲裁速度一般控制在5-15mm/s，低于普通冲裁面度偏差不超过

0.1mm影响质量的因素包括材料性能、模具精度和工艺参数精冲对润滑要求高，通常采用专用精冲油，确保稳定的润滑条件材料应具有良好的塑性和均匀的组织，碳含量一般不超过

0.5%，晶粒度8级以上第九章金属材料二次加工焊接基本原理表面处理技术焊接是利用热能或压力或两者结合表面处理改变材料表面特性，提高使金属材料原子间形成牢固结合的耐腐蚀性、耐磨性和美观性常用连接工艺焊接方法多样，包括熔方法包括电镀、阳极氧化、喷涂、化焊、压力焊和钎焊等，是金属结物理气相沉积等，是金属制品的重构制造的重要手段要增值工艺特种加工方法热处理工艺特种加工利用非传统能源和原理加热处理通过加热、保温和冷却控制工难以用常规方法处理的材料电金属内部组织结构，获得所需性能火花、激光、超声波和电化学等方淬火、回火、退火和正火等工艺可法可实现高精度、复杂形状和特殊调整硬度、强度、韧性和内应力，材料的加工，扩展了制造能力是性能优化的关键手段金属焊接基础焊接方法热源种类适用材料特点手工电弧焊电弧热碳钢、低合金钢设备简单，适应性强TIG焊氩弧不锈钢、铝、钛焊缝美观，无飞溅MIG/MAG焊金属气体保护电弧各种钢材、铝合金效率高，易自动化埋弧焊电弧+焊剂化学热中厚板结构钢深熔透，生产效率高电阻焊电阻热薄板钢材速度快，适合批量生产激光焊激光束精密薄板热影响区小，变形小焊接过程中，金属经历复杂的热循环，形成特殊的热影响区焊接接头通常包括焊缝区、熔合区和热影响区，各区域组织和性能不同焊接变形主要由不均匀加热和冷却引起，控制方法包括合理的焊接顺序、刚性夹具固定、预变形和对称焊接等焊接缺陷主要有气孔、夹渣、未熔合、裂纹和变形等，可通过优化工艺参数、改善操作和选用合适的焊材预防表面处理技术金属表面强化方法表面涂层技术电镀与阳极氧化表面强化技术通过改变表面层组织和性能提高表面涂层为基体材料提供特殊性能的表面层电镀是利用电解原理在金属表面沉积另一种金零件耐磨性和疲劳强度喷丸强化利用高速钢物理气相沉积PVD利用蒸发、溅射等方式沉积属或合金的工艺常见电镀有镀锌、镀铬、镀珠轰击表面产生塑性变形和残余压应力，可提TiN、CrN等硬质涂层，厚度为1-5μm，硬度可镍、镀银等，可提供防腐、装饰和特殊功能表高疲劳强度30-50%激光表面淬火利用激光瞬达HV2000-3000，广泛用于切削工具化学气面阳极氧化是将铝等金属置于电解液中作为时高温使表面层快速淬火，形成硬化层，硬度相沉积CVD通过气相化学反应在基体表面形成阳极，通电形成致密氧化膜的工艺铝的阳极可达HRC60以上，硬化深度

0.1-

1.5mm感应涂层，如金刚石涂层、碳化钨涂层等热喷涂氧化膜厚度为10-25μm，具有优良的耐腐蚀性淬火和渗碳、渗氮等化学热处理可形成硬化表技术可形成50-500μm厚的陶瓷或金属涂层，和装饰性，可进行染色处理获得彩色表面层，综合改善表面性能适用于大型零件的表面强化第十章先进金属加工技术超塑性成形技术超塑性成形利用金属材料在特定条件下表现出的超高塑性（伸长率可达500-2000%）进行加工超塑性需要细小均匀的晶粒（通常小于10μm）、高温（约

0.5Tm）和低应变速率（10⁻⁴-10⁻²s⁻¹）这种工艺可加工复杂形状零件，减少焊接连接，材料利用率高，但生产效率较低典型应用材料包括Ti-6Al-4V、7475铝合金、Zn-Al合金等半固态成形半固态成形是在金属固液共存状态（固相率40-60%）下进行的成形工艺这种非枝晶状浆料表现出触变性，静止时表现为固体，加压流动时表现为液体半固态成形结合了铸造和锻造的优点，成形压力低，组织致密，力学性能好，可加工薄壁复杂形状零件主要工艺有搅拌成形、流变铸造和压射成形等，广泛应用于铝、镁合金零件制造精密成形技术精密成形技术追求近净成形或无余量成形，最大限度减少后续加工精密锻造可实现IT7-IT8级精度；粉末冶金通过压制-烧结路线一次成形复杂零件；等温模锻在模具和坯料等温条件下进行，变形均匀，精度高；数控辊锻技术可实现异形截面轴类零件的精确成形这些技术具有材料利用率高、能耗低和力学性能好的特点，但模具和装备成本较高数字化制造数字化制造将计算机技术与传统加工相结合，实现智能化生产计算机辅助设计/制造CAD/CAM实现从设计到加工的无缝集成；有限元模拟技术可预测成形过程中的变形、应力和缺陷；智能控制系统实现工艺参数的实时监控和自适应调整数字孪生技术构建物理加工系统的虚拟映射，优化工艺参数和生产流程，显著提高生产效率和质量稳定性金属增材制造技术课程总结与发展趋势金属加工理论体系回顾先进加工技术发展方向智能制造与金属加工结合金属材料加工基本原理围绕材料-工艺-性能这金属加工技术正向精密化、复合化和智能化方向智能制造是金属加工未来的重要发展方向数字一核心关系展开，包括金属材料基础理论、塑性发展近净成形技术追求一次成形获得最终尺寸孪生技术构建物理加工系统的虚拟映射，实现预变形原理和各种加工工艺原理材料科学解释了和性能，减少后续加工；多工艺复合成形集成多测性分析和优化；工业物联网通过传感器网络实金属在微观层面的组织与性能关系；塑性力学提种成形手段，优化加工路径；温-热复合成形在不时监测加工参数和设备状态；人工智能算法通过供了变形过程的应力分析方法；各种加工工艺则同温度区间优化变形行为；超细晶材料加工利用自学习持续优化加工参数和质量控制；柔性制造是这些理论的具体应用工艺参数优化和质量控晶粒细化显著提高材料性能；高能束加工采用激系统适应多品种小批量生产需求；人机协作系统制贯穿整个加工过程，构成完整的理论体系光、电子束等能源实现高精度加工；低塑性材料结合人类经验和机器精度优势这些技术融合形加工拓展了难变形材料的加工边界成了智能化金属加工新模式，提高生产效率和产品质量。