金属塑性加工工艺.doc

_金属塑性加工工艺综述摘要：塑性加工技术随着科技的不断进步和生产率的提高，其应用越来越广泛、越来越引起人们的重视。金属材料经过不同的加工过程会导致金相组织的不同变化，进而影响材料的机械性能。本文分析了当前金属塑性加工的各种新技术, 并对其进行了归类和分析, 预测了金属塑性加工技术的发展趋势。关键词: 塑性加工; 新技术; 发展趋势1 引言塑性加工技术是指包括锻造、冲压、挤压、轧制及其他以材料发生永久变形为特点的材料加工技术。塑性加工过程是在一定外力( 载荷) 和边界条件诸如加载方式、加载速度、约束条件、几何形状、接触摩擦条件、温度场等作用下对材料进行“力”处理和“热处理” 的过程, 从而使材料发生所希望的几何形状的变化( 成形) 与组织性能的变化。现代塑性加工业是制造业的一个重要组成部分。随着国民经济的健康持续发展, 塑性加工技术迎来了空前的发展机遇, 同时也面临诸多挑战。2 塑性加工新技术目前科学技术面临着巨大的变革。通过与计算机的紧密结合, 数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展速度之快, 学科领域交叉之广是过去任何时代所无法比拟的。塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现, 把握塑性加工技术的现状和发展前景, 有助于及时研究、推广和应用高新技术, 推动塑性加工技术的持续发展。2.1 基于新能源的塑性成形新技术激光、电磁场、超声波和微波等新能源的应用为塑性加工提供了新的方法。激光热应力成形是利用激光扫描金属薄板, 在热作用区域内产生强烈的温度梯度, 引起超过材料屈服极限的热应力, 使板料实现热塑性变形。激光冲压成形是在激光冲击强化基础上发展起来一种全新的板料成形技术, 其基本原理是利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在金属板料表面上的能量转换体, 使其汽化电离形成等离子体, 产生向金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力远远大于材料的动态屈服强度, 从而使材料产生屈服和冷塑性变形。电磁成形工艺是利用金属材料在交变电磁场中产生感生电流( 涡流) , 而感生电流又受到电磁场的作用力, 在电磁力的作用下坯料发生高速运动而与单面凹模贴模产生塑性变形。电磁成形适用于薄壁板料的成形、不同管材间的快速连接、管板连接等加工过程, 是一种高速成形工艺。超声塑性成形是对变形体或工装模具施加高频振动, 坯料与工装模具之间的摩擦力可以显著降低, 引起坯料变形阻力和设备载荷显著降低, 并且还能大幅度提高产品的质量和材料成形极限, 因此成为一些特殊新材料的最有效加工途径。管材、线材和棒材的拉拔成形、板料拉深成形都可以采用超声塑性成形技术加工。有些金属在常温或低温下不易轧制成形, 而采用高温轧制则存在坯料前处理工艺复杂、成品率低, 或金属间易发生反应而形成脆性化合物等缺陷。若采用爆炸成形复合后再用常规轧制法加工则可解决上述问题, 称为爆炸焊接轧制成形法。2.2 基于新介质的塑性成形新技术传统的塑性加工都是利用锤头、模具等刚性物体对坯料施加外部载荷, 而液体、气体、黏性物质等新介质在塑性加工中的使用产生了新的成形技术。液压成形技术通过液体压力的直接作用使材料变形, 分为板料液压成形技术、管件液压成形技术与流体引伸技术。由于其成形的构件重量轻、质量好,加上产品设计灵活, 工艺过程简捷, 同时又具有近净成形与绿色制造等特点, 在汽车轻量化领域中获得了广泛的应用。气压成形技术主要有热态金属气压成形( HMGF) 和快速塑性成形( QPF) 技术。HMGF 主要是针对管状结构件气压成形, 而QPF 是针对板料的高温气压成形。新工艺主要通过热活化成形过程, 改善材料的成形性能和变形机制, 并可获得优化的热处理后力学性能。黏性介质压力成形是近年来新出现的一种金属成形工艺。利用黏性介质不能向各个方向传递均匀压力这个特点实现不均匀的压力加载, 从而实现坯料各处分阶段、分部位变形, 显著提高坯料的成形极限, 对于某些难成形材料如脆性铝合金可以得到表面质量优良的高变形量板料零件。喷丸成形是利用高速弹丸撞击金属板料表面,使受撞击表面及其下一层金属产生塑性变形, 导致表面内产生残留应力, 在此应力作用下逐步使板料达到要求外形的一种成形方法。目前波音和空中客车等飞机制造公司在其现代客机的生产中都已采用了该技术。其工艺方法有弯曲喷丸、延伸喷丸和预应力喷丸3 种。2.3 基于不同加载方式的塑性成形新技术传统的塑性成形加载方式为采用模具对整个坯料施加变形载荷, 这样的加载方式成形零件时会遇到设备吨位大、生产效率低、能源利用率低等问题,而改变塑性加工的加载方式可得到新的加工工艺。例如旋压、摆动辗压、辊锻、楔横轧等技术都是典型的采用局部连续加载方式成形的。近些年新提出的无模多点成形和数控渐进成形则更是将这种加载方式的变革带到了新的阶段。无模多点成形借助于高度可调整的基本体群构成离散的上、下工具表面, 替代传统的上、下模具进行板料的曲面成形。其实质就是将通常整体凸模离散化, 并结合现代控制技术, 实现板料三维曲面的无模化生产与柔性制造。该技术也属连续局部塑性加工范畴, 而且是近年来才开始研究的一个新的方向。数控渐进成形是将零件复杂的三维形状沿Z轴方向离散化, 即分解成一系列二维断面层, 并用工具头在这些二维断面层上局部进行等高线塑性加工, 达到所要求的形状, 实现板料设计制造一体化的柔性快速制造。2.4 基于提高材料塑性的塑性成形新技术针对金属材料在常温下塑性较差、成形困难的问题, 出现了基于提高材料塑性的新技术。金属等温塑性成形方法是最具代表性的一种新技术, 它是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的, 避免了坯料在变形过程中温度降低和表面激冷问题。目前, 我国对金属等温塑性成形工艺的研究也得到了迅速发展, 并已进入实用化阶段。如铝合金叶片、钛合金整体涡轮、薄壁铝合金、镁合金舵翼等的等温模锻。除此之外, 还可以通过改变材料所受应力状态提高金属塑性。径向锻造是在坯料周围对称分布多个锤头, 对锻坯沿轴向进行多频率同步锻打。这种加载方式, 使被锻坯料截面处于三向压应力状态,从而提高金属的塑性。2.5 基于复合方式的塑性成形新技术在高新技术突飞猛进的今天, 技术融合是塑性加工技术进步的强大推动力。基于复合方式的塑性成形新技术是技术融合的产物。塑性加工技术与其他材料加工技术融合而产生的新技术比较有代表性的有连续挤压、连续铸挤、连续铸轧等技术。目前取得广泛应用的Conform连续挤压工艺, 它巧妙地将在压力加工中通常做无用功的摩擦力转化为变形的驱动力和使坯料升温的热源, 从而连续挤出制品。该工艺已成为一种高效、节能的加工新技术。连续铸挤是在连续挤压技术基础上发展起来的, 是将连续铸造与Conform连续挤压结合成一体的新型连续成形方法。复合锻造是将不同种类的锻造技术( 热、温、冷锻) 组合起来使用, 合理利用金属在不同温度下的流动和变形特点, 得到所需形状、尺寸和性能制件的加工方法, 如热锻 冷锻技术、温锻 冷锻技术、热锻 温锻技术等。此外, 还有在板料冲压和冷锻基础上开发出来的冲压冷锻技术。随着模具向精密化和大型化方向发展, 超精加工、微细加工和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。如近年来精冲技术与挤压、精锻、压形等其他立体成形工艺复合产生的新技术, 即精冲复合成形技术。另外激光、精密加工技术等在微塑性加工中的应用也产生了新的技术。除了上述复合加工方法外, 现在还有一种新的复合施力成形法, 该方法成形时作用在工件上的是2 个或多个力。2.6 基于金属超塑性的成形新技术金属的“超塑性”是指材料在特定的内在与外在条件下显示出的异常高的塑性, 即超出一般塑性指标的金属特性。随着人们对金属超塑性的深入了解, 先后形成了多种新的工艺, 如深拉深成形法、真空成形法、气压成形法、软压成形加工法、无模拉拔、超塑性模锻等。金属半固态加工( SSM) 技术是20 世纪70 年代美国麻省理工学院Flemimgs 教授提出的新技术, 包括流变成形( rheoforming) 、触变成形( thixoforming)。金属半固态加工综合了液态凝固加工和固态塑性加工的长处, 具有节省材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制件性能等一系列优点, 并可成形复合材料的产品, 因此, 被誉为21 世纪新兴金属塑性加工的关键技术。2.7 基于特殊材料的塑性成形新技术粉末冶金塑性成形新技术具有少无切削、容易实现多种材料的复合、可生产具有特殊结构和性能的材料和制件, 可减少组织不均匀、有效进行材料再生和综合利用等特点。目前粉末冶金塑性成形技术有金属粉末锻造成形、金属粉末超塑性成形、粉末喷射、喷涂成形、粉末轧制、粉末注射成型、温压成形、粉末增塑挤压、热等静压、计算机辅助激光快速成形等。复合材料塑性成形新技术因复合材料种类不同, 其制备与加工方法各异。对于金属基复合材料,可以直接利用塑性加工的方法进行成形, 然后烧结固化, 或者采用铸造、粉末冶金等方法制坯, 继而采用锻造、轧制、挤压等方法进行二次加工。轧制复合加工可生产双金属复合板、减震钢板、铝塑复合板。挤压复合加工可进行双金属管挤压、包覆材料挤压、其他层状复合材料挤压加工。拉拔复合加工法可应用在生产拉拔复合管材、包覆材的拉拔加工中。3 塑性加工发展与创新的思路研究塑性加工技术的发展与创新, 就不能不从塑性加工技术的发展趋势出发, 受现代科技革命的影响, 塑性加工技术表现出以下显著特征: 塑性加工技术的发展表现在技术的工程科学化、技术的集合化及智能化。 塑性加工技术的创新表现在高技术化。(1) 技术的工程科学化。 塑性加工技术从原来的技术向工程科学进步, 以轧制理论为例, 战前主要靠经验, 一般把轧制看成是一种技艺, 显然Karm 方程及Siebel 实验资料的问世, 但仍谈不上系统的理论, 战后第一个10 年是钢铁工业迅速发展时期, 轧机的设计者迫切需要有关知识, 众多的轧制力, 宽展公式问世, 第二个10 年是第三代轧机的准备期, 一方面提高轧制精度, 另一方面研究和描述轧制的动态方程, 使理论与技术取得重大进展,1965年由计算机控制的带材轧机的建成就是其标志, 自适应控制技术的成功应用对稳定自动控制的轧制操作起重要作用。(2) 技术的集合化。 轧制工程愈来愈连续化、自动化, 并且成为一个大而复杂的系统。连续式冷轧机不仅实现了无头轧制, 而且将前后酸洗、退火、精整等工序全部连接起来, 连铸使过程更加宠大, 为使这种复杂生产系统正常运行, 维持高的作业水平, 设计能力水平,必须用系统的观点来处理工艺过程。(3) 技术的智能化。 传统的塑性加工工艺是以试错法为主的, 计算机模拟塑性加工系统已经可以做到予先获得一定工艺条件下的金属流动、应力应变、加工件裂纹的形成, 动态再结晶, 甚至象织构这种对塑性加工工程师而言都较为陌生的东西都可以进行数值模拟, 以减少试验次数, 改善工艺条件, 获得优良性能。(4) 高技术化。 这是一个创新的问题。 传统的塑性加工工艺在处理一些常规材料、常规品种方面, 从工艺角度来说, 问题还不是太大。 众多新材料的问世, 如超导材料, 高性能金属陶瓷材料、超塑性材料、复合材料等向金属塑性加工提出了许多新问题, 迫切需要适于这些新材料特性的成形理论和成形工艺来满足其要求。4 金属塑性加工技术的发展趋势从以上对金属塑性加工技术的分析可以看出,塑性加工技术的发展趋势为:( 1) 过程综合。过程综合主要包括2 个方面的含义, 其一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化, 各个环节的关联越来越紧密; 其二是指多个过程( 如凝固与成形) 的综合化。多种工艺技术的综合常可导致新的制造原理或制造技术的突破, 如精冲复合成形技术、半固态加工技术和连续铸轧技术等。( 2) 技术综合。技术综合是指塑性成形技术越来越发展成为一门多种技术相结合的应用技术科学。21 世纪的塑性成形技术将以新材料、新能源、新介质以及计算机、信息、电子、控制技术等为依托,尤其体现为制备、成形、加工技术与计算机技术和信息技术的综合以及与各种先进控制技术的综合,以更快的速度持续发展, 发展的方向将更加突出“ 精、省、净”的需求。如激光成形、电磁成形、超声塑性成形、爆炸成形、液压成形、气压成形、数控渐进成形等充分体现了其他技术与塑性成形技术综合的这一特点。( 3) 学科综合。学科综合不仅体现为传统三级学科( 铸造、塑性加工、热处理和连接) 之间的综合,还体现在与材料物理与化学、材料学等学科的综合以及与计算机科学、信息工程、环境工程等材料科学与工程学科以外的其他学科的综合。各学科之间的界限越来越不明显, 学科渗透与相互依赖性越来越强。如金属半固态加工、连续铸挤、连续铸轧、粉末冶金塑性成形新技术、爆炸焊接或扩散焊接后进行塑性加工、复合材料塑性成形新技术等都体现了学科综合的特点。参考文献：【l】金相实验技术，冶金工业出版社，任怀亮编，19865【2】小型型钢连轧生产工艺与设备，本书编写组，冶金工业出版社，1999【3】冲压工艺学，机械工业出版社，肖景容主编，19905【4】金属塑性加工新技术与发展趋势，刘华, 江开勇, 刘斌，模具工业2010年第36卷第9期【