金屬塑性成形綜述

1、金屬塑性成形摘 要：金屬塑性成形技術(shù)是機(jī)械冶金、汽車拖拉機(jī)、電工儀表、宇航軍工、五金日用品等制造業(yè)最基本，最古老，亦是極重要的加工手段之一。文章主要對(duì)塑性成形的基本方法、主要研究?jī)?nèi)容，發(fā)展趨勢(shì)做了綜合介紹。一、引言 塑性成形技術(shù)具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗等顯著特點(diǎn),已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。據(jù)國(guó)際生產(chǎn)技術(shù)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè),21世紀(jì),機(jī)械制造工業(yè)零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式實(shí)現(xiàn)。【1】在現(xiàn)代制造技術(shù)中，人們廣泛的利用金屬材料生產(chǎn)各種零件和產(chǎn)品。金屬加工方法多種多樣，包括成型、切削等。金屬塑性成形是其中一種重要的加工方法，是利用金屬在外力作用下產(chǎn)生的塑性變形來(lái)獲得具有一定形

2、狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方法，因此也稱為金屬塑性加工或金屬壓力加工。圖1 傳統(tǒng)金屬塑性成形工藝二、金屬塑性成形的主要形式金屬塑性成形工藝的種類有很多，包括軋制、擠壓、拉拔、鍛造和沖壓等基本工藝類型。隨著技術(shù)的發(fā)展，也有很多新的成型方式出現(xiàn)，它們具備精密、高效、節(jié)能、節(jié)材、清潔等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛關(guān)注。2.1 體積成型 金屬體積成型是指對(duì)金屬塊料、棒料或厚板在高溫或室溫下進(jìn)行成形加工的方法，主要分為熱態(tài)金屬體積成型和冷溫態(tài)金屬體積成型。熱態(tài)金屬變形過(guò)程可分為熱鍛、軋制、擠壓、拉拔、輾壓等工藝技術(shù)；冷溫態(tài)變形過(guò)程可分為冷鍛、冷精軋、冷擠壓、冷拔、冷輾擴(kuò)等工藝。2.2 板材成型 所謂

3、板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作為原材料進(jìn)行塑性加工的成形方法。在忽略板厚的變化時(shí)，可視為平面變形問(wèn)題來(lái)處理，板材成型可分為:沖裁、彎曲、拉延、脹形、翻邊、擴(kuò)孔、輥壓等工藝技術(shù)。2.3 粉末態(tài)金屬成形隨著制粉技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，對(duì)于復(fù)雜形狀的機(jī)械零件來(lái)說(shuō)，它具有高效、精密成形的特點(diǎn)，但成本較高，機(jī)械性能不如整體金屬材料。粉末態(tài)金屬成形的工藝過(guò)程為制粉、造型、壓實(shí)、燒結(jié)、精鍛。2.4半固態(tài)金屬材料成形70年代開(kāi)發(fā)研究的新技術(shù)，原金屬材料作過(guò)特殊前處理，當(dāng)材料加熱到一定溫度時(shí)可使30%的金屬材料處于融溶狀態(tài)，其余70%的金屬材料呈均勻細(xì)顆粒組織的固態(tài)。在此狀態(tài)加壓變形，其流動(dòng)性特

4、好，可成形結(jié)構(gòu)形狀特別復(fù)雜的零件，而變形杭力很小。2.5 復(fù)合成形技術(shù)現(xiàn)代的科學(xué)越來(lái)越相互交叉、滲透，出現(xiàn)許多邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科一樣，材料成形技術(shù)也逐漸突破原有鑄、鍛、焊、粉末冶金等技術(shù)相互獨(dú)立的格局，相互融合、滲透，產(chǎn)生了種類繁多的“復(fù)合成形技術(shù)”?！?】金屬塑性的復(fù)合成型技術(shù)主要有兩個(gè)方面（1）各種成形工藝的組合優(yōu)化達(dá)到優(yōu)化工藝和產(chǎn)品的目的。（2）鑄、鍛、焊、熱處理等不同加工方法的組合。三、金屬塑性成形技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容由于壓力加工中,少、無(wú)切屑的特點(diǎn)和精密加工技術(shù)的發(fā)展,使金屬塑性成型理論的研究受到日益廣泛的重視而進(jìn)入工程應(yīng)用的前列.一般認(rèn)為,研究金屬塑性科學(xué)的歷史開(kāi)始于Tresa在186

5、4年提出的屈服準(zhǔn)則,至今不過(guò)100多年,而首次將塑性理論應(yīng)用于金屬加工則是VonKarman在1925年對(duì)金屬薄帶軋制時(shí)應(yīng)力分布的研究【3】,至今才五十多年,因此,可以說(shuō)這一理論是“古老的工藝,年輕的學(xué)科”.回顧發(fā)展，金屬塑性研究的范圍很廣,主要集中于以下幾個(gè)方面。 3.1 塑性變形的金屬學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)研究對(duì)塑性變形的金屬學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)研究是改善金屬塑性加工的基礎(chǔ)，研究主要關(guān)注于以下幾個(gè)方面【4】：(l)微觀變形機(jī)理的研究、塑性變形動(dòng)力學(xué)的研究以及晶間變形、滑移的機(jī)理的研究；(2)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)變形行為的影響；(3)變形材料冶金過(guò)程組織狀態(tài)的影響；(4)變形工藝的影響，比如變形速度、變形溫度、變形壓力

6、等因素的影響；(5)變形過(guò)程中摩擦條件的影響。3.2 金屬變形過(guò)程(宏觀)的模擬技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展, CAD、CAE軟件的廣泛使用,傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)法”、“試模法”逐漸被計(jì)算機(jī)模擬所代替?！?】對(duì)金屬變形過(guò)程(宏觀)的模擬技術(shù)的研究主要有兩個(gè)方面：物理模擬技術(shù)的研究和變形過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)的研究：(l)物理模擬技術(shù):包括模擬材料、模擬方法、模擬相似理論、模擬過(guò)程的數(shù)據(jù)采集技術(shù)及模擬結(jié)果的誤差分析技術(shù)的研究；(2)變形過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù):包括塑性變形的數(shù)學(xué)模型的建立(剛塑性、粘塑性、彈塑性等)，計(jì)算數(shù)學(xué)(FEM)技巧，三維網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)劃分及畸變處理技術(shù)，數(shù)據(jù)處理及誤差分析技術(shù)，軟件的工程化及商品化。3

7、.3 金屬超塑性成形技術(shù)超塑性是指在特定的條件下，即在低的應(yīng)變速率(=10-210-4s-1)，一定的變形溫度（約為熱力學(xué)熔化溫度的一半）和穩(wěn)定而細(xì)小的晶粒度(0.55m)的條件下，某些金屬或合金呈現(xiàn)低強(qiáng)度和大伸長(zhǎng)率的一種特性。對(duì)金屬超塑性成形技術(shù)的研究主要關(guān)注于超塑性新材料，超塑性材料的前處理技術(shù)，金屬超塑性變形機(jī)制，超塑性變形力學(xué)，超塑性成形工藝模具及亞超塑性高效成形技術(shù)等方面。【6】3.4精鍛成型技術(shù)精鍛成形技術(shù)即近凈成形技術(shù)或凈成形技術(shù)，是指零件成形后，僅需要少量加工或不再加工，就可以用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)，即制造接近零件形狀的工件毛坯?！?】對(duì)精鍛成型技術(shù)的研究主要分為兩類：熱精鍛技

8、術(shù)、冷溫精鍛技術(shù)的研究。（1）熱精鍛成型技術(shù)：研究少無(wú)氧化加熱技術(shù)、工藝模擬及優(yōu)化技術(shù)，新工藝技術(shù)(多向鍛造、閉寨鍛造、半固態(tài)成形、液態(tài)模鍛、徑向鍛造及粉末鍛造技術(shù)等)，特種合金的等溫鍛造技術(shù)，鍛件后處理技術(shù)及提高模具壽命，潤(rùn)滑等配套技術(shù)，成套生產(chǎn)線設(shè)計(jì)技術(shù)。（2）冷溫精鍛鍛成形技術(shù)：研究金屬冷溫精鍛材料的前處理工藝，工藝模具優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，潤(rùn)滑技術(shù)，提高模具壽命技術(shù)、質(zhì)量控制技術(shù)，成套生產(chǎn)線設(shè)計(jì)技術(shù)。3.6 回轉(zhuǎn)成形技術(shù)金屬回轉(zhuǎn)成形是指在成形過(guò)程中,或工件回轉(zhuǎn)或工具回轉(zhuǎn)或兩者都回轉(zhuǎn)的成形機(jī)械零件及其毛坯的金屬塑性加工工藝【8】。對(duì)金屬回轉(zhuǎn)成形的研究主要涉及輥鍛、楔橫軋、旋轉(zhuǎn)鍛造，旋壓、擺輾、輾

9、擴(kuò)等成形方法的優(yōu)化工藝，模具設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。3.7 板料沖壓技術(shù)板料沖壓是指利用沖模在壓力機(jī)上使板料分離或變形，從而獲得沖壓件的加工方法。板料沖壓的坯料厚度一般小于4mm，通常在常溫下沖壓，故又稱為冷沖壓，簡(jiǎn)稱沖壓。板料厚度超過(guò)810mm時(shí)，才用熱沖壓。對(duì)板料沖壓的研究主要涉及各種新材料、復(fù)合材料的沖壓成形加工工藝技術(shù)，沖壓成形的模擬技術(shù)，虛擬試模技術(shù)，回彈預(yù)報(bào)技術(shù)，模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)，配套技術(shù)，板材成形過(guò)程中的失穩(wěn)機(jī)理研究。3.8 金屬的特種成形技術(shù)對(duì)金屬的特種成形技術(shù)研究有很多，比如對(duì)高速?zèng)_擊成形，放電成形、噴射成形、無(wú)模拉拔及熱應(yīng)力變形等新工藝的研究。四、金屬塑性成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)目前金屬

10、塑性成形技術(shù)主要朝著輕量化、整體化、微型化、超大構(gòu)件、柔性成形等幾個(gè)方面發(fā)展：（1輕量化成形是“精密成形”或“凈成形”發(fā)展的新階段，所成零件不僅要求接近零件形狀、余量小或精度高，直接成型出具有輕量化特征的結(jié)構(gòu)。 （2）整體化成形是將若干分別成形在連接的構(gòu)件成形為一個(gè)整體化結(jié)構(gòu)。整體化成形不僅解決了連接可靠性差的問(wèn)題，而且是減重的的一個(gè)重要途徑。該技術(shù)的最大難點(diǎn)是需要大噸位成形力、模塊尺寸大，迫切發(fā)展省力成形技術(shù)。（3）微成形是指加工的零件至少兩個(gè)方向的尺寸小于1mm，適合大批量、低成本的制造微零件。由于尺效應(yīng)、摩擦機(jī)制和晶粒尺度的影響，并非傳統(tǒng)塑性成形的簡(jiǎn)單縮小，需要進(jìn)一步研究其機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)

11、。（4）超大構(gòu)件成形是通過(guò)先進(jìn)技術(shù)利用相對(duì)小的設(shè)備或模具加工出較大的構(gòu)件，解決了構(gòu)件尺寸或噸位超過(guò)現(xiàn)有制造設(shè)備能力的問(wèn)題。由于這類零件尺寸大或重量大、批量小、運(yùn)輸困難等問(wèn)題，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用不同的技術(shù)途徑。（5）柔性成形是適應(yīng)多品種、小批量零件加工的需要。采用多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模具輪廓不變、數(shù)控增量加載、無(wú)模成形是柔性成形的重要途徑。在薄板成形的基礎(chǔ)上，向中厚板和復(fù)雜板型面件成形發(fā)展。五、總結(jié)金屬塑性成形技術(shù)是機(jī)械冶金、汽車拖拉機(jī)、電工儀表、宇航軍工、五金日用品等制造業(yè)最基本，最古老，亦是極重要的加工手段之一。文章主要對(duì)塑性成形的基本方法、主要研究?jī)?nèi)容、發(fā)展趨勢(shì)做了綜合介紹。結(jié)合近代科技，金屬成形技術(shù)正向輕量化、整體化、微型化、超大構(gòu)件、柔性成形幾個(gè)方面發(fā)展，仍然有很大的研究空間。References:【1】洪慎章.塑性成形技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). Die and Mould Technology ,2003(01):54-56.【2】王冬，王利民，李永志.金屬的復(fù)合成形技術(shù)及其發(fā)展. 鑄造技術(shù)，2008，（03）:411-415.【3】von Karman,Math Mech,5,135(1925). 【4】皮華春，韓靜濤，薛永棟金屬塑性成形的晶體塑性學(xué)有限元模擬研究進(jìn)展 J機(jī)械工程學(xué)報(bào)，200