金屬成型工藝最新進(jìn)展

1、太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)金屬成型工藝的最新進(jìn)展RKopp教授薩爾布呂肯新材料所納米技術(shù)中心,亞琛大學(xué)工業(yè)大學(xué),茵特澤斯特瓦斯街10號(hào),亞琛大學(xué),德國(guó)(譯自: Journal of Materials Processing Technology 60 (1996) 1-9)摘要在金屬成型技術(shù)上的多種發(fā)展方向,將會(huì)影響未來(lái)的工廠建設(shè)形式和生產(chǎn)工藝,并且其影響已經(jīng)非常顯著。本文將描述若干工藝過(guò)程的簡(jiǎn)化,靈活性和一體化。并且中空結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越有益于生產(chǎn)創(chuàng)新。此外,本文中提及的有限元仿真與優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)成為新工藝、工廠發(fā)展或改進(jìn)的著實(shí)重要的工具。鑒于有必要盡量降低生產(chǎn)成本,以增加環(huán)境兼容性并使

2、生產(chǎn)的產(chǎn)品具有一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),長(zhǎng)期、復(fù)雜的生產(chǎn)工藝流程應(yīng)該盡可能或有必要的簡(jiǎn)化。在帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域,應(yīng)該提及到的薄板坯連鑄技術(shù)和薄帶連鑄工藝中的一些工序已經(jīng)完全被消除。對(duì)于成型方面,縮短工藝流程可行的辦法包括:在固-液相變范圍內(nèi)成型(即觸變成型),另一種方法是結(jié)合熱處理工藝成型。較短的工藝流程常常意味著生產(chǎn)的產(chǎn)品會(huì)具有更好的機(jī)械性能和源于此的新的應(yīng)用。在使成型過(guò)程變得更加靈活以便擴(kuò)大產(chǎn)品生產(chǎn)范圍的背景下,有必要使用與前面工藝相適應(yīng)的靈活成型單位的相結(jié)合,以及使用普及的模具和智能控制系統(tǒng)。例如:智能控制開(kāi)放模鑄允許在很小成本下能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)鍛造完成鍛件。在軋制過(guò)程中軋制輥距的可變性就意味著可以通過(guò)給定

3、的縱向厚度剖面使載荷與后續(xù)的工序組成相匹配而生產(chǎn)出薄板。不同生產(chǎn)工藝的一體化也為新工藝的發(fā)展鋪平了道路?？梢酝ㄟ^(guò)在成型過(guò)程中或緊接其后使用局部熱處理工藝以及使用切割或鍛接等耦合工藝,使現(xiàn)存的成型生產(chǎn)工藝范圍得以拓展并優(yōu)化產(chǎn)品的最終性能。在輕量級(jí)建設(shè)生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生的一個(gè)令人充滿(mǎn)希望的生產(chǎn)工藝式就是中空結(jié)構(gòu)技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用。并且為生產(chǎn)中空結(jié)構(gòu)的加工孔洞的先進(jìn)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)也都得到了很好的發(fā)展。除了適當(dāng)?shù)脑囼?yàn),物理和數(shù)值模擬也是可用于優(yōu)化現(xiàn)有的或開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝的方法。物理模擬可以非常成功的解決物質(zhì)流動(dòng)問(wèn)題。一種新的物質(zhì)流動(dòng)模擬器現(xiàn)已出現(xiàn)。數(shù)值模擬主要應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中基礎(chǔ)變量的定量分析。緒論工藝和產(chǎn)

4、品的成本、質(zhì)量、生產(chǎn)時(shí)間和環(huán)境兼容性都在生產(chǎn)過(guò)程中起到了決定性的作用。對(duì)于金屬成型生產(chǎn)工藝它們都意味著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。除了每天通過(guò)不斷合理化的手段去改善其數(shù)值、分析成本并減小它們,目前在金屬成型生產(chǎn)工藝中所觀察到的趨勢(shì),有些因素在某種情況下將完全可以導(dǎo)致產(chǎn)生對(duì)于半成品和成品的生產(chǎn)方法,有些情況下也會(huì)考慮到上述所有標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示,為一些這樣的變化趨勢(shì),其中一些將會(huì)作為具體例子在下文來(lái)講解。圖 1: 金屬成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.簡(jiǎn)化工藝流程通過(guò)簡(jiǎn)化工藝流程可以得到許多有益的結(jié)果。例如:縮短生產(chǎn)時(shí)間,降低成本,降低能源消耗,減少?gòu)U物的產(chǎn)生。反之,也會(huì)使其失去生產(chǎn)產(chǎn)品多樣化的能力。集多功能組成于一體的

5、單一用途生產(chǎn)線可在很短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出特定的產(chǎn)品。其中一個(gè)例子就是目前在熱軋帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域所實(shí)現(xiàn)的帶鋼生產(chǎn),其正在經(jīng)歷于與一種新型軋機(jī)的更大的競(jìng)爭(zhēng)之中。這些生產(chǎn)流程中比較著名的比如有CSP,ISP和CONROL生產(chǎn)工藝。它們的特點(diǎn)在于連鑄薄板坯工藝中可以具有更小的輥距(連鑄板坯厚度 圖 2: 熱軋寬帶鋼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化為 40100)。更不可思議的是通過(guò)雙輥技術(shù)(DR)減少設(shè)備的需求量,其熱軋部分是完全可以省略去的,由此生產(chǎn)的厚度為15的薄帶生產(chǎn)為冷軋工藝。厚度只有零點(diǎn)幾毫米甚至更薄的超薄帶鋼可以通過(guò)單輥生產(chǎn)工藝(SR)加工制造。圖2所示的是薄帶連鑄連軋工藝的工作原理與生產(chǎn)線,以及用于常規(guī)熱軋帶鋼工藝

6、的單輥和雙輥工藝組成。這些工藝的最后普遍存在或應(yīng)用主要取決于對(duì)生產(chǎn)所需產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和靈活性等方面的要求。圖3表明了效率與靈活性關(guān)系以及術(shù)語(yǔ)定義。在德國(guó)之外的很多國(guó)家許多CSP和ISP生產(chǎn)線已經(jīng)成功的用于生產(chǎn)。雙輥生產(chǎn)工藝已經(jīng)被建成示范生 圖3: 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化產(chǎn)模塊,第一條生產(chǎn)線已經(jīng)在澳大利亞建成投產(chǎn)。在德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué),我們與蒂森鋼鐵聯(lián)合公司以及控制工程研究所合作,并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)多種合金的工作性能進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)。圖4展示了在雙輥軋制工藝中所得到的合金都具有良好性能?，F(xiàn)已建成了隸屬于諾爾-沙希勒和蒂森克虜伯鋼鐵的90t帶鋼卷生產(chǎn)試驗(yàn)基地。 圖4：迄今利用薄帶連鑄法生產(chǎn)的合金至今利用薄帶連鑄工藝生產(chǎn)的

7、合 金工藝是需要進(jìn)一步開(kāi)展理論性研究來(lái)全面的了解這一復(fù)雜的過(guò)程，尤其是圖5中所涉及到的問(wèn)題。 隨著半成品生產(chǎn)流程簡(jiǎn)化的同時(shí),目前，有世界性趨勢(shì)來(lái)大幅度縮短生產(chǎn)鏈用圖5： 這一復(fù)雜工藝中的幾點(diǎn)理論標(biāo)準(zhǔn) 于生產(chǎn)鍛造零件。圖6所示為與傳統(tǒng)鑄造工藝相比其中的一些新的、簡(jiǎn)化了的工藝流程。 最令人感興趣的是金屬觸變狀態(tài)的利用。金屬合金是在是在固-液相間隔內(nèi)形成的。對(duì)于基礎(chǔ)材料的特殊加工用來(lái)確保在重新加熱半成品材料之后，固溶體成分存在于熔融基質(zhì)材料中。在流動(dòng)過(guò)程中外部剪應(yīng)力和粘度的減小，會(huì)鍛造出擁有復(fù)雜幾何形狀的鍛件而不需要太大的壓力。不同工藝中觸變成型的異同正在研究 圖6: 鑄造過(guò)程中所簡(jiǎn)化的工藝中，包括

8、觸變鍛造和觸變壓鑄。這兩種工藝中在物質(zhì)流動(dòng)方面有著根本的不同：對(duì)于前者不需要壓力，即可在半液態(tài)金屬中形成一個(gè)開(kāi)放的鑄模，只是在工藝最后需要增大壓力來(lái)消除毛孔；而對(duì)于后者，半成品是在壓鑄機(jī)中生產(chǎn)出來(lái)的，且其對(duì)鑄件造成的損失較高，如圖7所示。圖8展示的是選擇觸變成型工藝。目前，流速，不相溶性以及壓力、 圖7:觸變成型:材料預(yù)成型線路,工藝變化溫度和流速之間的關(guān)系等根本性問(wèn)題還在研究當(dāng)中。新壓?；蚱浔砻嫱苛隙夹枰_(kāi)發(fā)，以適應(yīng)高壓、高溫應(yīng)力的產(chǎn)生。深一層次重點(diǎn)研究領(lǐng)域內(nèi)容包括： 最終的性能（局部材料流速，偏析過(guò)程，壓力-溫度-流速視窗，）； 觸變狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)整。 自從1996年1月，德國(guó)研究協(xié)會(huì) 圖8

9、: 觸變成型:工藝變化一直資助一個(gè)特殊的研究機(jī)構(gòu)來(lái)致力于這項(xiàng)研究，并企圖在加快在打破新工藝變量研究的基礎(chǔ)上來(lái)生產(chǎn)鐵合金和有色合金的進(jìn)程，如圖9所示。 圖10展示了一些來(lái)自亞琛大學(xué)試驗(yàn)室的首次試驗(yàn)零件。 除了耦合或聯(lián)合鍛造和成型工藝,也可以很自然的聯(lián)系或結(jié)合其他工藝,例如:成型和焊接或成型和機(jī)械加工。越是較早獲得最終產(chǎn)品的性能和形狀,這個(gè)生產(chǎn)工藝就越有效率。從這個(gè)角度看,鍛造和成型工藝將會(huì)變得日益重要。熱軋環(huán)型工藝就是一個(gè)將成型和熱處理聯(lián)系到一起稱(chēng)為簡(jiǎn)化流程的很好例子。圖11 圖9: 觸變成型-研究的潛在性展示了分別應(yīng)用傳統(tǒng)與優(yōu)化工藝生產(chǎn)軋輥軸承套圈的時(shí)間溫度曲線。在傳統(tǒng)加工工藝中,容許套圈被冷

10、卻至室溫以及隨后進(jìn)行的1012小時(shí)的軟退火工藝。然后,又一次被冷卻并在合適的狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械加工以及隨后的鍛造。在這個(gè)傳統(tǒng)的工圖10: 一些觸變成型產(chǎn)品藝方法中,第一次冷卻所產(chǎn)生的組織完全不適合于機(jī)械加工或回火。只有其后1012小時(shí)的熱處理是使材料中形 成球形和均勻分布的碳化物并作為進(jìn)一步加工目的的實(shí)現(xiàn)而所需要的。優(yōu)化圖11: 異型軋輥軸承套圈加工溫度曲線 后的工藝流程也描述于圖中,硬化組織結(jié)構(gòu)可以直接從由除去軟退火的熱處理工藝和其后產(chǎn)生奧氏體以及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備于一體的熱軋生產(chǎn)工藝中獲得。硬車(chē)削工藝取代了軟加工(磨削)工藝,通過(guò)特殊的切削材料的使用使這是有可能實(shí)現(xiàn)的(例如:聚合 酶氮化硼鋼)。這一

11、新的熱軋環(huán)型生產(chǎn)工藝大幅度減少了所需能量。如圖12所示, 為對(duì)傳統(tǒng)和優(yōu)化的軋輥軸承套圈生產(chǎn)工藝的能量審計(jì)。圖12: 傳統(tǒng)和優(yōu)化的軋輥軸承套圈生產(chǎn)工藝能量審計(jì)2.靈活性有多種原因來(lái)提高生產(chǎn)技術(shù)的靈活性以及由此而產(chǎn)生的金屬成型工藝。其關(guān)鍵因素是減小生產(chǎn)批量大小和增大產(chǎn)品系列范圍。昂貴的單一用途機(jī)械消耗了大量的資金,這往往在經(jīng)濟(jì)上是不再可行的。在靈活鍛造中心,最精確的半成品與成品產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝可以盡快制造出最佳性能而不需要大型工具和機(jī)器的投入,并且這一點(diǎn)是很重要的。如圖13所示,有很多方法可以 使成型技術(shù)更加靈活。尤其是對(duì)于特 圖13: 金屬成型工藝的靈活性殊模具的依賴(lài)可以通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單、普遍的模具的智

12、能控制和工件定位來(lái)消除,這也導(dǎo)致了新的靈活成型工藝的產(chǎn)生。下面內(nèi)容將介紹其中三種具有代表性的工藝。在將來(lái),智能輔助開(kāi)放模鍛將使“薄-凈-仿形”組件產(chǎn)品在很小的成本下便可以重復(fù)性生產(chǎn)。其前提是6軸控制鍛 14: 鍛造機(jī)械和模鍛壓力機(jī)造機(jī)的制造,它就像一個(gè)鐵匠一樣能夠容許在鍛造過(guò)程中工件可以在任何想要的位置,并且在規(guī)定的行程之后可以進(jìn)行重新定位,如圖14所示。圖15展示的是一些首樣組件。示范 材料的優(yōu)化試驗(yàn)可以通過(guò)半比例規(guī)模、圖15: 通過(guò)機(jī)器手操縱開(kāi)放模鍛造技術(shù)生產(chǎn)的樣品組件 非驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器進(jìn)行,如圖16所示。一圖16: 靈活鍛造中心的示范單位旦開(kāi)發(fā)出令人滿(mǎn)意的程序,這種大型、驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器就可以

13、通過(guò)輸入設(shè)備得到相同的工作程序并將其對(duì)正在加工的原始材料加以貫徹落實(shí),例如:鋁或鋼。如此,樣品鍛件可以在很短的時(shí)間(大概12小時(shí))內(nèi)制造。圖17展示了一些示范橡皮泥組件。圖18表明了完全靈活的開(kāi)放模鍛系統(tǒng),以及其組成間相互作用的模型試驗(yàn),仿真和1:1的測(cè)試。另一種靈活成型技術(shù)是靈活的縱向軋制工藝,在成型過(guò)程中其輥縫可以按照預(yù)定的方案進(jìn)行變化。它可以生產(chǎn)擁有不同板厚的金屬板狀部件。由于輕巧的特點(diǎn),這樣的構(gòu)件已經(jīng)引起了人們很大的興趣,并且構(gòu)件材質(zhì)的分布可以完全抵抗其上分布的應(yīng)力,與拼板焊接相比起可以明顯 減輕組件重量。圖19展示了國(guó)際品牌聯(lián)圖17: 橡皮泥樣本組件 盟(IBF)的試驗(yàn)系統(tǒng)。圖20所

14、示為國(guó)際品牌聯(lián)盟所制造的靈活性軋制組件。這種工藝已經(jīng)普及于梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,其中雙-T梁就是由非固定厚度的單一元件鍛接在一起的。圖18: 樣品制造流程 圖19: 國(guó)際品牌聯(lián)盟靈活軋制系統(tǒng)圖20: 靈活軋制的深拔組件3.生產(chǎn)工藝一體化在雙輥軋制工藝中,例如:工藝流程簡(jiǎn)化的目的可以通過(guò)在一個(gè)單一步驟中耦合兩個(gè)生產(chǎn)準(zhǔn)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)成型工藝也可以結(jié)合于另一個(gè)不同生產(chǎn)工藝,通過(guò)添加、整合加入工藝來(lái)拓展工藝范疇就意味著會(huì)影響產(chǎn)品性能或大大提高產(chǎn)品最終性能。通過(guò)這些方法可以創(chuàng)造出全新的生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化工藝流程,但也可以有益于其他目標(biāo),如降低成本、提高質(zhì)量等。其他的潛在的發(fā)展還需要簡(jiǎn)要的指出:局部加熱技術(shù)拓展了工藝范

15、疇成型過(guò)程中所生產(chǎn)廢品的最顯著的特點(diǎn)是過(guò)壓點(diǎn)出會(huì)產(chǎn)生裂紋。通過(guò)體統(tǒng)在壓力參數(shù)上的變化來(lái)增加局部熱量,就能對(duì)局部應(yīng)變產(chǎn)生積極的影響。更大的壓力和更好的模具填充能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)龜裂,甚至可以生成不產(chǎn)生不利影響的微觀結(jié)構(gòu)(組織、晶胞等)。例如:用較好的重復(fù)鍛造模具來(lái)擠壓并拉出型鋼。緊接成型之后的局部加熱工藝在大多數(shù)情況下,組件的性能不一定是各向同性的,由此可以想到,只需要在工件的高壓區(qū)給予鍛造或施加給定的殘余應(yīng)力。通過(guò)依照Z(yǔ)TU(狀態(tài)圖表)圖來(lái)進(jìn)行局部溫度控制成型熱,可以大大改善當(dāng)前組件的性能而不需要對(duì)其整體進(jìn)行熱處理。局部熱處理也可能導(dǎo)致以后工序中組件性能的明顯改善,例如:機(jī)械加工性能。如果成型過(guò)程中出

16、現(xiàn)了消極性能(硬化、殘余應(yīng)力),可以通過(guò)在指定點(diǎn)處的局部熱處理來(lái)消除。成型和鍛接成型工藝特別適于鍛接那些無(wú)法或難以焊接的產(chǎn)品。這也特別適用于表面涂層的半成品和工件生產(chǎn)。如果某種成型技術(shù)可在鍛接生產(chǎn)中用于一個(gè)或更多部件/工件的生產(chǎn),那么這個(gè)技術(shù)是特別具有吸引力的。成型和切割在許多成型工藝結(jié)束時(shí),組件會(huì)被牢牢固定在模具內(nèi)或模具上,例如:徑向環(huán)軋機(jī)上實(shí)行環(huán)件軋制,旋轉(zhuǎn)和軸向軋機(jī)上實(shí)行圓狀和環(huán)狀件軋制。所有這些軋制工藝都非常適合直接結(jié)合到機(jī)械加工工藝中,可以避免夾不緊和再次固定。且固定偏差和時(shí)間也會(huì)有益于生產(chǎn)結(jié)果。研究這些一體化工藝的的一些關(guān)鍵性問(wèn)題包括: 確定生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品性能的主要影響因子和分析工

17、藝變量間的兼容性; 疊加第二工藝的特性,通過(guò)對(duì)第二工藝的研究尋找其介入的最佳時(shí)機(jī)和位置;定義廣泛性一體化工藝的范疇。4.中空結(jié)構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)地使用中空結(jié)構(gòu)來(lái)獲取最佳的輕質(zhì)組件使其在金屬構(gòu)件領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)性。其良好的可再利用性能使其可以用于重大創(chuàng)新,例如:鋼的減重技術(shù)。中空結(jié)構(gòu)技術(shù)可以分成生成和改進(jìn)中空結(jié)構(gòu)兩方面,如圖21所示。圖22展示了生產(chǎn)中空結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)產(chǎn)品:(a)是均勻固體材料,(b)是混合金屬粉末和發(fā)泡劑或是(c)的平薄帶,它們通過(guò)加高壓操作或噴丸技術(shù)鍛造(SPF)而轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌战Y(jié)構(gòu)的。圖 圖21: 中空結(jié)構(gòu)技術(shù) 圖22: 中空結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)產(chǎn)品 圖23所示則為一條用于生產(chǎn)半成品生產(chǎn)線的工作原理圖。

18、各種成型技術(shù)都適合于改造帶腔的工件,例如:管內(nèi)高壓成型,空心輪廓噴丸或徑向-軸向鍛造技術(shù),如圖24所示。下面提到的是將來(lái)需要研究的一些課題: 侵蝕; 整合適宜的工藝(泡沫技術(shù)、格狀薄帶技術(shù)等); 圖23: 生產(chǎn)雙帶的連續(xù)化操作流程 強(qiáng)度和剛度的優(yōu)化(優(yōu)化各向異性特點(diǎn))。圖24: 改造腔結(jié)構(gòu)技術(shù)5.模擬與優(yōu)化依靠數(shù)值模擬來(lái)密切地平行分析所有現(xiàn)象的幫助來(lái)開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品與工藝。數(shù)值模擬的優(yōu)化也將變成簡(jiǎn)化發(fā)展工藝的越發(fā)重要的手段。近些年來(lái),模擬和優(yōu)化都將得到長(zhǎng)足的發(fā)展,并且隨著計(jì)算機(jī)能力的提高其可能會(huì)得到更深層次的發(fā)展。模擬和優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)已然是有聲有色,并將其概括于多級(jí)概況圖中,如圖25所示。實(shí)現(xiàn)材料模型的現(xiàn)實(shí)仿真的先決條件是帶自動(dòng)三維網(wǎng)格化和開(kāi)放接口功能 的三維有限元軟件的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)壓力 圖25: 多級(jí)概況圖成型軟件就是一個(gè)例子,且其已經(jīng)被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)并解決了一系列的實(shí)際問(wèn)題,如圖26所示。在成型工藝優(yōu)化方面,算法優(yōu)化理念已經(jīng)得到很大發(fā)展,其目的在于在很短的時(shí)間內(nèi)解決譬如模具設(shè)計(jì)等開(kāi)發(fā)新工藝中的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)難題