金屬塑性成型前沿?zé)狳c(diǎn)

金屬塑性成型前沿?zé)狳c(diǎn)

報(bào)告人：于英華教授1金屬塑性成型方法的綜述

1.1.1概念

塑性加工是對(duì)坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而改變尺寸形狀，又改善性能的一種用以制造機(jī)器零件或毛坯的成形加工方法。

通常也把塑性成型稱為塑性加工或壓力加工。

1.1塑性成形特點(diǎn)

1.1.2優(yōu)點(diǎn)

（1）性能會(huì)得到改善和提高。（2）材料利用率高。（3）生產(chǎn)效率高。例如，利用多工位冷鐓工藝加工內(nèi)六角螺釘，比用棒料切削加工工效提高約400倍以上。

（4）毛坯或零件的精度較高。例如，精密鍛造的傘齒輪齒形部分可不經(jīng)切削加工直接使用。

1.1.3材料

鋼和非鐵金屬可以在冷態(tài)或熱態(tài)下壓力加工。

1.1.4用途

承受沖擊或交變應(yīng)力的重要零件（如機(jī)床主軸、齒輪、曲軸、連桿等），都應(yīng)采用鍛件毛坯加工。所以壓力加工在機(jī)械制造、軍工、航空、輕工、家用電器等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。例如，飛機(jī)上的塑性成形零件的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占85%；汽車，拖拉機(jī)上的鍛件質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占60%~80%。

1.2塑性成形方法

金屬塑性成形在工業(yè)生產(chǎn)中稱為壓力加工，分為：鍛造（自由鍛、模鍛）、板料沖壓、拉拔、軋制以及新的塑性成型方法，如：擠壓、超塑性加工成形、高速高能成型、液態(tài)成型、精密沖裁等等。2鍛造成形

2.1鍛造成型的概念鍛造是指在加壓設(shè)備及模具的作用下，使坯料鑄錠產(chǎn)生局部或全部的塑性變形，以獲得一定幾何尺寸、形狀和質(zhì)量的鍛件的加工方法。其實(shí)質(zhì)是利用固態(tài)金屬的塑性流動(dòng)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)成形的，可分為自由鍛、模鍛等類型。

2.2.1精密模鍛

1.概念

精密模鍛是提高鍛件精度和表面質(zhì)量的一種先進(jìn)工藝。它能利用模鍛設(shè)備，鍛造一些形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件。如精密模鍛傘齒輪、氣輪葉片、航空零件等。鍛造公差可在±0.02mm。2.2鍛造新技術(shù)

2.精密模鍛的特點(diǎn)和應(yīng)用

1)模膛表面精度要求高，并開(kāi)排氣小孔；

2)精確計(jì)算原始坯料的尺寸，嚴(yán)格按坯料質(zhì)量下料；

3)精細(xì)清潔坯料表面和模膛內(nèi)表面；

4)在鍛造過(guò)程中，應(yīng)避免因加熱引起的鍛件表面氧化；

5)模鍛時(shí)要潤(rùn)滑和冷卻鍛模；

6)模鍛設(shè)備應(yīng)具有剛度大、精度高等特點(diǎn)；

7)適于鍛造超高精度的中小型零件。

1.概念專門加工實(shí)心或空心長(zhǎng)軸類零件的旋轉(zhuǎn)鍛造方法。鍛造時(shí)，分布在棒料圓周方向的錘頭(2～8個(gè))對(duì)工件快速和同步鍛打。如工件為圓截面,則一面低速旋轉(zhuǎn),一面軸向進(jìn)給移動(dòng);如工件為非圓截面,則只軸向進(jìn)給而不旋轉(zhuǎn)。

2特點(diǎn)不需要專用模具,能按預(yù)定程序鍛出精密的軸類零件。徑向鍛造每次壓縮量小，每分鐘鍛打次數(shù)高,一般為240～1800次／分，能提高金屬的塑性。這種方法可用于熱鍛或冷鍛。2.2.2徑向鍛造

又稱“多柱塞模鍛”，綜合模鍛和擠壓的優(yōu)點(diǎn)。在專用水壓機(jī)的可分模具中，用沖頭的一次沖程把僅需加熱一次的毛坯鍛擠成無(wú)飛邊、無(wú)斜度(或很小)、多分支或帶深孔的復(fù)雜鍛件的成形方法。其鍛模是可分式的組合模具，具有多個(gè)分模面，其分模形式通常有垂直分模，水平分模和水平垂直聯(lián)合分模。為了保證多向模鍛組合凹?；驔_頭運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、導(dǎo)向性，模具上必須設(shè)置導(dǎo)向裝置。突破了模鍛錘、水壓機(jī)、曲柄壓力機(jī)的局限，改變了大型、復(fù)雜鍛件余塊大、余量大、公差大等一系列缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)毛坯精化，提高了內(nèi)部質(zhì)量。2.2.3多向模鍛

根據(jù)我國(guó)“十五”規(guī)劃，2005年我國(guó)汽車總產(chǎn)量為300萬(wàn)輛，摩托車產(chǎn)量度1300萬(wàn)輛，鍛壓行業(yè)的主要戰(zhàn)場(chǎng)將集中在車輛制造方面，有人預(yù)測(cè)量2020年，中國(guó)將成為世界最大的汽車生產(chǎn)國(guó)，所以我國(guó)的鍛造工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)放在模鍛上，而精密模鍛則是重中之重。與汽車行業(yè)共同發(fā)展的鍛壓行業(yè)帶來(lái)的將不僅僅是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，還有廣闊的國(guó)際市場(chǎng)。2.3鍛壓行業(yè)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)與熱點(diǎn)2.3.1鍛壓行業(yè)技術(shù)市場(chǎng)的預(yù)測(cè)

普通模鍛生產(chǎn)能力富裕，在高精度鍛件的生產(chǎn)能力上欠缺。目前，各鍛壓企業(yè)應(yīng)以提高模具壽命為中心，對(duì)模具材料及熱處理、加工技術(shù)及設(shè)備以及鍛造加熱、鍛造工藝、設(shè)備、潤(rùn)滑等有關(guān)影響模具壽命的因素和技術(shù)環(huán)節(jié)，進(jìn)行系統(tǒng)分析，延長(zhǎng)模具壽命，保證鍛件的尺寸精度。另外，加快蒸氣汽錘淘汰和改造電液錘的步伐；堅(jiān)決淘汰燃煤爐，推廣中頻感應(yīng)加熱，強(qiáng)化模鍛生產(chǎn)機(jī)組的配套水平；采用鍛件余熱等溫退火，鍛壓直接淬火技術(shù)；發(fā)展有色金屬鍛造。2.3.2加快普通模鍛生產(chǎn)的技術(shù)改造

在汽車、電器等行業(yè)中推廣應(yīng)用冷、溫、熱擠壓精密模鍛、閉塞鍛造及復(fù)合工藝技術(shù)，充分發(fā)揮特種鍛造優(yōu)勢(shì)。

2.3.3大力推廣應(yīng)用精密鍛造技術(shù)我國(guó)的鍛造設(shè)備的生產(chǎn)制造水平也落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)超大化，缺少現(xiàn)代技術(shù)和材料，加工裝配質(zhì)量低，服務(wù)滯后，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力低。因此就必須更新教育模式，全面加強(qiáng)人才培養(yǎng)；引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)加強(qiáng)開(kāi)發(fā)、研究，加強(qiáng)對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收。2.3.4發(fā)展現(xiàn)代化鍛造設(shè)備和模具制造設(shè)備

鍛造工藝模擬及工藝CAD/CAM。2.4鍛壓成型研究熱點(diǎn)

在塑性成形過(guò)程中，材料的塑性變形規(guī)律、模具與工件之間的摩擦現(xiàn)象、材料中溫度和微觀組織的變化及其對(duì)制件質(zhì)量的影響等等，都是十分復(fù)雜的問(wèn)題，借助模擬方法能使人們獲得對(duì)于塑性成形過(guò)程規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以較小的代價(jià)、在較短的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)的或可行的設(shè)計(jì)方案。

模擬針對(duì)某個(gè)現(xiàn)象或過(guò)程的原型，建立一個(gè)與該現(xiàn)象或過(guò)程具有相似性而又便于人們進(jìn)行觀測(cè)和控制的模型，通過(guò)研究模型在各種條件下的響應(yīng)來(lái)推測(cè)原型在相應(yīng)條件下的響應(yīng)，從而獲得對(duì)原型規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。

分類

物理模擬方法、有限元模擬方法兩大類。

物理模擬方法采用物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

有限元模擬方法采用一組數(shù)學(xué)方程和定解條件將實(shí)際過(guò)程抽象成理論模型，采用計(jì)算機(jī)求得該理論模型在不同條件下的數(shù)值解，以此推測(cè)在相應(yīng)條件下所發(fā)生的實(shí)際過(guò)型測(cè)。

薄壁異形管彎曲成形工藝及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬仿真研究

Pro/E軟件建立模型，DEFORM-3D有限元分析軟件對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得變形過(guò)程中的流動(dòng)速度場(chǎng)、有效應(yīng)力場(chǎng)與有效應(yīng)變場(chǎng)、壓力-行程曲線。齒輪泵體半固態(tài)擠壓成形的數(shù)值模擬研究

沖模是沖壓生產(chǎn)中必不可少的模具，它直接影響著沖壓件的質(zhì)量及沖壓生產(chǎn)的效率。沖模的種類很多，按模具動(dòng)作特點(diǎn)，一般可分為簡(jiǎn)單沖模、連續(xù)沖模和組合沖模等，沖壓模具是衡量沖壓技術(shù)的一個(gè)重要的指標(biāo)。3.2沖壓模具3沖壓成形3.1沖壓成形概念沖壓是使板料經(jīng)分離或成形而得到制件的工藝。由于加工對(duì)象主要是塑性較好的金屬薄板料、條帶料，所以也叫板料沖壓。因其通常在室溫下進(jìn)行，故又稱板料冷沖壓。一、簡(jiǎn)單沖模二、復(fù)合模三、連續(xù)模

改革開(kāi)放以來(lái)，模具的需求量不斷增長(zhǎng)。近年來(lái)，模具工業(yè)一直以15%左右的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展，模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化，除了國(guó)有專業(yè)模具廠外，集體、合資、獨(dú)資和私營(yíng)也得到了快速發(fā)展。浙江寧波和黃巖地區(qū)的“模具之鄉(xiāng)”；廣東一些大集團(tuán)公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，科龍、美的、康佳等集團(tuán)紛紛建立了自己的模具制造中心。3.3沖壓模具發(fā)展現(xiàn)狀

一些國(guó)內(nèi)模具企業(yè)已普及了二維CAD，并陸續(xù)開(kāi)始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等國(guó)際通用軟件，個(gè)別廠家還引進(jìn)了Autoform、Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應(yīng)用于沖壓模的設(shè)計(jì)中。

以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術(shù)已取得很大進(jìn)步，東風(fēng)汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機(jī)構(gòu)和大專院校開(kāi)展模具技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設(shè)計(jì)制造周期等方面做出了貢獻(xiàn)。

例如，吉林大學(xué)汽車覆蓋件成型技術(shù)所獨(dú)立研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件，華中理工大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的注塑模、汽車覆蓋件模具和級(jí)進(jìn)模CAD/CAE/CAM軟件，上海交通大學(xué)模具CAD國(guó)家工程研究中心開(kāi)發(fā)的冷沖模和精沖研究中心開(kāi)發(fā)的冷沖模和精沖模CAD軟件等在國(guó)內(nèi)模具行業(yè)擁有不少的用戶。

雖然中國(guó)模具工業(yè)在過(guò)去十多年中取得了令人矚目的發(fā)展，但許多方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大的差距。例如，精密加工設(shè)備在模具加工設(shè)備中的比重比較低；CAD/CAE/CAM技術(shù)的普及率不高；許多先進(jìn)的模具技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛等等，致使相當(dāng)一部分大型、精密、復(fù)雜和長(zhǎng)壽命模具依賴進(jìn)口。

“交貨期短”“精度高”“質(zhì)量好”“價(jià)格低”3.4未來(lái)沖壓模具制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及研究熱點(diǎn)

(1)全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)(2)高速銑削加工(3)模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)(4)電火花銑削加工(5)提高模具標(biāo)準(zhǔn)化程度

(6)優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)表面處理技術(shù)(7)模具研磨拋光將自動(dòng)化、智能化

(8)模具自動(dòng)加工系統(tǒng)的發(fā)展

(9)對(duì)于信息化、高速化生產(chǎn)與高精度化發(fā)展是模具發(fā)展的重點(diǎn)模具數(shù)字化制造、系統(tǒng)集成、逆向工程、快速原型/模具制造及計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用技術(shù)等方面形成全方位解決方案，提供模具開(kāi)發(fā)與工程服務(wù)，全面提高企業(yè)水平和模具質(zhì)量，這更是沖壓模具技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

4其他塑性成形方法及塑性成形新工藝

4.1擠壓

1、概念

擠壓是模鍛加工中的一種少、無(wú)切屑加工工藝。它是利用鍛壓設(shè)備的簡(jiǎn)單往復(fù)運(yùn)動(dòng)，坯料在三向不均勻壓應(yīng)力作用下，從模具的孔口或縫隙擠出，使之成為所需制品的加工方法。

2.擠壓的主要工藝類型根據(jù)金屬的流動(dòng)方向和凸模運(yùn)動(dòng)方向，擠壓分為正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓和徑向擠壓。

正擠壓：金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同的擠壓方式。

反擠壓：金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反的擠壓方式。

復(fù)合擠壓：一部分金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同，另一部分金屬流向相反的擠壓方式。復(fù)合擠壓徑向擠壓

徑向擠壓：金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向成90°角度的擠壓方式。

4.2超塑性加工成形

超塑性是指金屬材料在特定條件下，在低載荷作用下，其拉伸變形的伸長(zhǎng)率超過(guò)100%的現(xiàn)象，其中最大伸長(zhǎng)率可達(dá)1000-2000%。超塑性狀態(tài)下的金屬在拉伸變形過(guò)程中不產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，變形應(yīng)力可比常態(tài)下金屬的變形應(yīng)力降低幾倍至幾十倍。所以該種金屬極易成形，可采用多種工藝方法制出各種復(fù)雜零件。

目前常用的超塑性材料主要是鋅鋁合金、鋁基合金、銅合金、鈦合金及高溫合金。經(jīng)過(guò)超塑性加工成形的制件，其內(nèi)部組織仍呈超細(xì)晶粒狀態(tài)，則室溫下強(qiáng)度較高，高溫下蠕變性能較差，影響超塑性的因素很多，主要有變形溫度、變形速度、組織結(jié)構(gòu)及晶粒度等。

高能高速成型是一種在極短時(shí)間內(nèi)釋放高能量（化學(xué)能、電能、電磁能和機(jī)械能等）而使金屬變形的成型方法。高能高速成型的特點(diǎn):模具簡(jiǎn)單零件精度高，表面質(zhì)量好可提高材料的塑性變形能力利于采用復(fù)合工藝4.3

高能高速成型

1．爆炸成型

爆炸成型是利用爆炸物質(zhì)在爆炸瞬間釋放出巨大的化學(xué)能對(duì)金屬毛坯進(jìn)行加工的高能高速成型方法。

1-電雷管；2-炸藥；3-水筒；4-壓邊圈；5-螺栓；6-毛坯；7-密封；8-凹模；9-真空管道；10-緩沖裝置；11-壓縮空氣管路；12-墊環(huán)；13-密封毛坯固定在壓邊圈和凹模之間，為了減少振動(dòng)和噪聲，將模具埋在水中，以水作為成型的介質(zhì)。爆炸時(shí)的高速及高壓沖擊波在水中傳播，爆炸時(shí)，炸藥以2000-8000m/s的高速及高壓沖擊波在水中傳播，使毛坯成型。成型時(shí)間極短，一般僅1ms左右。

2．電液成型電液成型是利用液體中強(qiáng)電流脈沖放電所產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波對(duì)金屬進(jìn)行加工的一種高能高速成型方法。可以對(duì)板材、管材等進(jìn)行拉深、脹形、校形和沖孔。與爆炸成型相比，電水成型時(shí)能量較易控制，成型過(guò)程穩(wěn)定，操作方便，生產(chǎn)率高。但加工能力受設(shè)備能量的限制，一般僅用于￠40mm以下的形狀簡(jiǎn)單的小零件加工。

3．電磁成型電磁成型是利用脈沖磁場(chǎng)對(duì)金屬坯料進(jìn)行壓力加工的高能高速成型方法。成型線圈放在管坯內(nèi)部，相當(dāng)于變壓器的一次側(cè)，管坯相當(dāng)于變壓器的二次側(cè)。放電時(shí)，管坯內(nèi)表面的感應(yīng)電流I′與線圈內(nèi)的放電電流I方向相反，這兩種電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁力線，在線圈內(nèi)部空間因方向相反而抵消，在線圈和管坯之間因方向相同而加強(qiáng)，其結(jié)果是管坯內(nèi)表面受到強(qiáng)大的磁場(chǎng)壓力，使管坯脹形。

電磁管材脹型原諒1-電容器2-開(kāi)關(guān)3-成型線圈4-管材毛坯

粉末鍛造是粉末冶金成型方法和鍛造相結(jié)合的一種金屬加工方法。它是將粉末預(yù)壓成型后，在充滿保護(hù)氣體的爐子中燒結(jié)制坯，將坯料加熱至鍛造溫度后模鍛而成。4.4

粉末鍛造硬質(zhì)合金即是將一些難熔的金屬化合物粉末和黏結(jié)劑粉末混合加壓成型，再燒結(jié)而成的一種粉末冶金產(chǎn)品4.5

液態(tài)成型4.6連續(xù)局部塑性成形此外，還有5塑性成形研究熱點(diǎn)總結(jié)

技術(shù)融合的趨勢(shì)：

一方面，塑性成形技術(shù)的進(jìn)步需要從相關(guān)學(xué)科的發(fā)展中吸取自身發(fā)展的動(dòng)力，如在塑性變形機(jī)理的研究中要利用材料科學(xué)和力學(xué)的進(jìn)步來(lái)深化對(duì)于塑性成形中材料組織性能演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以便更好地解釋和預(yù)測(cè)熱成形過(guò)程中回復(fù)、再結(jié)晶以及流動(dòng)應(yīng)力的變化，塑性成形中的織構(gòu)演化和塑性各向異性、損傷的演化和破裂準(zhǔn)則；在塑性成形工藝優(yōu)化中，需要利用計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算力學(xué)中的新方法等等。

另一方面，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為塑性成形技術(shù)不斷開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，如微制造中用塑性成形工藝部分地取代起源于集成電路制造工藝的光刻、腐蝕等技術(shù)，可以降低成本、減少環(huán)境污染。

技術(shù)融合的趨勢(shì)對(duì)于從事塑性成形理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的科技人員提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

1.數(shù)值模擬（沖壓工藝分析，沖壓成形分析，參數(shù)分析）

10多年來(lái)一直是國(guó)際塑性加工領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車制造業(yè)主都投入大量人力來(lái)研究，并與大學(xué)、研究所展開(kāi)了廣泛的合作，開(kāi)發(fā)自己的數(shù)值仿真軟件。國(guó)外開(kāi)發(fā)的沖壓成形模擬軟件Dynaform、AutoForm，F(xiàn)lowcast體積成形模擬軟件DEFORM等在我國(guó)已擁有大量用戶，我國(guó)自行研發(fā)的模擬軟件、如FASTAMP等也已得到推廣應(yīng)用。目前的研究己從對(duì)簡(jiǎn)單形狀的材料成形分析逐步發(fā)展到對(duì)復(fù)雜的汽車覆蓋件成形過(guò)程進(jìn)行模擬，特別是對(duì)數(shù)值仿真軟件處理多工序、模擬起皺和回彈的能力提出了較高要求。

2、塑性成形工藝優(yōu)化

塑性成形模擬技術(shù)主要用于校核成形工藝和模具設(shè)計(jì)的可行性。如果設(shè)計(jì)存在缺陷，需要設(shè)計(jì)人員提出改進(jìn)方案，然后再對(duì)新方案進(jìn)行模擬和評(píng)價(jià)。由于影響塑性成形過(guò)程的因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，同時(shí)模擬計(jì)算的工作量很大，所以，除了較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題，還難以利用軟件自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算，由于逆算法的應(yīng)用，沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化方面取得了較大的進(jìn)展。在優(yōu)化思想方面，逆算優(yōu)化方法近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。該方法實(shí)質(zhì)上是微分方程的反演問(wèn)題，即已知問(wèn)題的最終狀態(tài)，要求問(wèn)題的初始狀態(tài)、邊界條件和模型參數(shù)。在工程應(yīng)用中，逆算優(yōu)化方法主要用于解決如下三類問(wèn)題。在逆算優(yōu)化計(jì)算中，除了應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法以外，也越來(lái)越多地應(yīng)用各種智能化的優(yōu)化方法，如模擬退火