第5章 塑性成形新技术50.ppt

1,第五章塑性成形新技术,一、高速高能成形概念：一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。高速高能成形的历史可追溯到一百多年前。但由于成本太高及当时工业发展的局限，该工艺并未得到应用。随着航空及导弹技术的发展，高速高能成形方法才进入到实际应用。分类：利用火药爆炸产生化学能的爆炸成形；利用电能的电液成形；利用磁场力的电磁成形。,2,高速高能成形的特点:与常规成形方法相比，高速高能成形具有以下特点：1)模具简单仅需要凹模即可成形。可节省模具材料,缩短模具制造周期，降低模具成本。2)零件精度高成形时，零件以很高的速度贴模，在零件与模具之间发生很大的冲击力，这不但有利于提高零件的贴模性。而且可以有效地减少零件弹复现象。3)表面质量好毛坯变形是在液体、气体等传力介质作用下实现(电磁成形则无需传力介质)。因此，毛坯表面不受损伤，而且可提高变形的均匀性。,3,4)可提高材料的塑性变形能力与常规成形方法相比，高速高能成形可提高材料的塑性变形能力。因此，对于塑性差的难成形材料，高速高能成形是一种较理想的工艺方法。5)利于采用复合工艺用常规成形方法需多道工序才能成形的零件，采用高速高能成形方法可在一道工序中完成。因此，可以有效地缩短生产周期，降低成本,4,二）高速高能成形的类型1、爆炸成形1）概念爆炸瞬间释放出巨大的化学能，对金属毛坯进行加工的高速高能成形。2）原理爆炸成形时，爆炸物质的化学能在极短时间内转化为周围介质(空气或水)中的高压冲击波，并以脉冲波的形式作用于毛坯，使其产生塑性变形。冲击波对毛坯的作用时间为微秒级，仅占毛坯变形时间的一小部分。这种异乎寻常的高速变形条件，使爆炸成型的变形机理及过程与常规冲压加工有着根本性的差别。,5,炸药包起爆后，爆炸物质以极高的传爆速度在极短时间内完成爆轰过程。位于爆炸中心周围的介质，在爆炸过程中产生的高温和高压气体的骤然作用下，形成了向四周急速扩散的高压冲击波。,爆炸拉深装置l.电雷管2.炸药3.水筒4.压边圈5.螺栓6.毛坯7.密封8.凹模9.真空管道10.缓冲装置11.压缩空气管路12.垫环13.密封,6,当冲击波与成形毛坯接触时，由于冲击波压力大大超过毛坯塑性变形抗力，毛坯开始运动并以很大的加速度积累自己的运动速度。冲击波压力很快地降低，当其降低到等于毛坯变形抗力时，毛坯位移速度达到最大值。这时毛坯所获得的能量，是它在冲击波压力低于毛坯变形抗力和在冲击波停止作用以后仍然继续变形，并以一定的速度贴模。从而完成成形过程。,7,3）特点（除高速高能成形共有的特点外）简化设备一般情况下，爆炸成形无需使用冲压设备。设备费用低，生产条件得到简化。模具及工装制造简单，周期短，成本低。4）用途大型零件的成形，尤其是小批量和试制特大型冲压件。主要用于板材的拉深、胀形、校形等工艺。还常用于爆炸焊接、表面强化、管件结构的装配、粉末压制等。,8,2、电液成形1）概念是利用液体中强电流脉冲放电所产生的强大冲击波，对金属进行加工的一种高速高能成形方法。2）特点与爆炸成形相比，成形时能量易于控制，成形过程稳定，操作方便，生产率高，便于组织生产。受设备容量限制，只限于中小型零件的加工。3）用途主要用于板材的拉深、胀形、翻边、冲裁等。,9,4）原理该装置主要由充电回路及放电回路组成。,电液成形原理图1.升压变压器2.整流器3.充电电阻4.电容器5.辅助间隙6.水7.水箱8.绝缘9.电极10.毛坯11.抽气孔12.凹模,交流电经过变压器及整流器后，变为高压直流并向电容器4充电。当充电电压达到所需值之后，导通辅助间隙5，高压电瞬时加到两放电电极9所形成的主放电间隙上，并使间隙击穿，在其间产生高压放电，在放电回路中形成强大的冲击电流，使电极周围介质中形成冲击波及液流冲击而使金属毛坯成形。,10,电磁成形装置原理图1.升压变压器2.整流器3.限流电阻4.电容器5.辅助间隙6.工作线圈7.毛坯,3、电磁成形1）概念由电容器通过工作线圈瞬间放电所产生脉冲磁场力，导致金属坯料变形。脉冲磁场力是磁场间相互排斥或相互吸引的作用力。2）结构原理除放电元件不同外，其它都与电液成形装置相同。电液成形的放电元件为水介质中的电极，而电磁成形的放电元件为空气中的线圈。,11,3）工作原理由高压发生器对电容器2充电；让高压放电开关3闭合，电容器2通过开关3和线圈1放电；在电感线圈中产生强大的脉冲电流，使线圈中就建立起强大的脉冲磁场，见图a所示,电磁成形原理1.线圈2.电容器3.高压开关4.磁力线5.绝缘体6.工件,12,3）工作原理若在线圈中放置导电体工件6，图b所示，则由电磁感应定律可知，在工件6上就会产生一个阻碍脉冲磁场变化的感应电流，该电流的方向与线圈中的电流方向相反，产生一个反向磁通阻止原磁场穿过工件6，迫使磁力线密集于线圈和工件之间的间隙内，而密集的磁力线具有膨胀作用，因而工件受到一个沿半径方向向内的磁场压力，于是工件便产生压缩变形。,电磁成形原理1.线圈2.电容器3.高压开关4.磁力线5.绝缘体6.工件,13,若把线圈置于管状工件内部时，工件则受到内压力而产生胀形。,线圈置于工件内部时工件胀形示意图1.工件2.线圈3.磁力线,14,若将磁力线圈改为平板型线圈，则在平板线圈内通以脉冲电流，同样建立起一个脉冲磁场。该脉冲磁场与导体工件上的感应磁场相互排斥，于是使工件向下运动，从而使工件贴合凹模成形。,平板成形1.线圈2.板材3.凹模,15,4）电磁成形工艺的应用应用领域：如在汽车、仪器仪表、军工、宇航等领域。电磁成形工艺：可以完成焊接、翻边、成形、胀形、压缩成形、缩锻、粉末压实等多种工序，既可加工管材又可加工板材，对管材加工优越性更为突出。,16,5）电磁成形工艺的应用实例局部胀形将线圈置于金属管(工件)内，当放电电流通过线圈时，金属管受脉冲磁场力作用而紧贴模具成形。,管坯胀形实例a-胀形前b-胀形后1.线圈2.模具3.管坯,17,翻边可进行管壁翻边和管端翻边.,管端翻边,18,切断对薄壁管的切断具有明显的优越性，能得到切口整齐，毛刺小的优质工件。,管子切断1.线圈2.模具3.管子4.刃口,19,联接联接是电磁成形中应用最多的工艺，管件联接如图所示。,管件联接a-联接成形前b-联接成形后1.管坯2.线圈3.内联接件,20,缩锻缩锻实例如图所示。,缩锻成形a-缩锻前b-缩锻后1.管坯2.芯轴,21,板材成形板材成形实例,板材成形a-成形前b-成形后的零件1.线圈2.板材3.模具,22,方框架成形方形框架成形,a-毛坯-成形框架方形框架电磁成形,23,二、少无切削成形一）精密模锻概念：在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻工艺。如精密模锻锥齿轮。其齿形部分可直接锻出而不必再经过切削加工。模锻件尺寸精度可达IT12ITl5，表面粗糙度值Ra为3.21.6m。,24,1精密模锻工艺过程先将原始坯料普通模锻成中间坯料；再对中间坯料进行严格的清理，除去氧化皮和缺陷；最后采用无氧化或少氧化加热后精锻，如图所示。,a)下料b)普通模锻c)精密模锻精密模锻的大致工艺过程,25,2.精密锻造的工艺特点1)需要精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。2)需要精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其它缺陷等。3)为了提高锻件的尺寸精度和降低表面粗糙度，应采用无氧化和少氧化加热，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。4）为了最大限度地减少氧化，提高锻件的质量，精锻的加热温度较低，对于碳素钢，锻造温度在900-950之间，称为温模锻。,26,2.精密锻造的工艺特点5)精密模锻的锻件精度在很大程度上取决于锻模的加工精度。因此，精锻模膛的精度必须很高。一般要比锻件精度高两级。精锻模一定要有导柱导套结构，保证合模准确。为排除模膛中的气体，减少金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。6)模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。7)精密模锻一般都在刚度大、精度高的模锻设备上进行,如曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤等。,27,28,二）粉末锻造是粉末冶金成形和锻造相结合的一种加工方法。普通的粉末冶金件，其尺寸精度高，而塑性、韧度差。锻件的力学性能虽好，但精度低。将二者取长补短，便产生了粉末锻造方法。1.原理将粉末预压成型在保护气份炉子中烧结制坯将坯料加热至锻造温度后模锻而成。,粉末锻造简图,29,2.粉末锻造的优点与模锻相比，粉末锻造具有以下优点：1)材料利用率高可达90以上。而模锻的材料利用率只有50左右。2)力学性能高材质均匀无各向异性，强度、塑性和韧度都较高。3)锻件精度高表面光洁，可现实少、无切削加工。,30,2.粉末锻造的优点(二)4)生产率高每小时产量可选500100件。5)锻造压力小例如130汽车差速器行星齿轮粉末锻造只需800kN压力机。钢坯锻造需用25003000kN压力机。6)可以加工热塑性差的材料比如难于变形的高温铸造合金，可用粉末锻造方法锻造出形状复杂的零件。采用粉末锻造出的零件有差速器齿轮、柴油机连杆、链轮、衬套等。,31,三）液态模锻1、概念实质是把液态金属直接浇入金属型内，以一定压力作用于液态(或半液态)金属并保压，金属在压力下结晶并产生局部塑性变形。液态模锻实际上是铸造加锻造的组合工艺。它兼有铸造工艺简单、成本低，又有锻造产品性能好、质量可靠等优点。对于生产形状较复杂的工件，且在性能上又有一定要求时，液态模锻更能发挥其优越性。,32,2、液态模锻的工艺过程把一定量的金属液浇入凹模型腔中。当熔液还处在熔融或半熔融状态(固相加液相)时便施加压力，迫使金属充满型腔的各个部分形成工件。对工件保持压力，以便压实工件内部在凝固时产生的缺陷，并产生局部塑性变形。工件凝固并经塑性变形后，借助顶杆或其它方法将其推出。,液态模锻工艺示意图a)浇注b)加压系统c)脱模,33,3、液态模锻工艺的主要特点1)在成形过程中，液态金属在压力下结晶凝固并成形，组织和性能都能得到改善。2)已凝固的金属在压力作用下，产生局部塑性变形，使制件外侧紧贴金属型壁，传热快，凝固时间短，为普通铸造的13到14。3）工件表面光滑，凝固后内部组织致密。由于金属熔液在凝固过程中受到高压作用，增加了金属成核率。工件在压力下结晶，可以减少或消除工件内部疏松、缩孔等缺陷。4)液态模锻对材料的选择范围很宽，且其利用率高。它不仅适用于铸造合金，而且还适用于变形合金。5）对于铸铁，液态模锻还有促进石墨化和改善其大小及分布，细化机体组织的作用。,34,四、超塑性成形概念：指金属或合金在特定条件下。即低的变形速率(=10-210-4s-1)一定的变形温度(约为熔点的一半)和均匀的细晶粒度(平均直径为0.25m)，其相对伸长率超过100以上的特性。例如钢可超过500、纯钛超过300、锌铝合金超过1000。超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，金属的变形应力可比常态下降低几倍至几十倍。因此，超塑性金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。,35,五、微成形概念：指以塑性加工的方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术。实际应用：主要源于电子工业的兴起，随着大规模集成电路制造技术和以计算机为代表的微电子工艺的发展，而且还来自技术的需要，例如医疗器械、传感器及电子器械的发展。越来越多的电子元件、电器组件及计算机配件等相关零件开始采用这一工艺方法进行生产。随着制造领域中微型化趋势的不断发展，微型零件的需求量越来越大，特别是在微型机械和微型机电系统中。,36,微成形具有极高的生产效率、最小或零材料损失、最终产品优秀的力学性能和紧公差等特点，所以适合于近净成形或净成形产品的大批量生产。,37,能放入手里的微挤压机械,就技术开发而言，已有超塑性微型加工机械,38,微小部件铅框架,（）（）挤压生产的微型齿轮,挤压生产的微型零件,39,由于尺寸效应的影响，微零件成形比传统的成形困难，原因如下：(1)当零件越小，表面积与体积比迅速增大;(2)对于小尺寸零件，工件与工具间的粘着力、表面张力等显著增大;(3)晶粒尺度的影响很显著，不能再像传统成形工艺那样看成是各向同性的均匀连续体;(4)工件表面存储润滑剂相对困难。,40,六、内高压成形内高压成形是近10多年来迅速发展起来的一种成形方法，它是结构轻量化的一种成形方法。1)概念是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。作为生产支叉管等管路配件的一种方法，可追溯到30年前，但成形压力一般小于30MPa。近年来，由于超高压液压技术的成熟，德国和美国已将该成形技术用于机器零件的制造，其成形压力一般大于400MPa，有时超过1000MPa。目前，已用于汽车等机器制造领域的实际生产。,41,2)内高压成形原理通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形。基本工艺过程：首先将管坯放入下模，闭合上模，然后在管坯内充满液体，并开始加压，同时管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料使管坯成形。对于轴线为曲线的构件，需要把管坯预弯成接近零件形状，然后加压成形。,管材液压成形1.管坯2.上模3.下模4、5.轴向冲头,42,3)优点与传统的冲压焊接工艺相比：(1)减轻质量，节约材料对于空心轴类零件可以减轻40%50%，有些件可达75%。(2)减少零件和模具数量，降低模具费用内高压件通常仅需要一套模具，而冲压件多需要多套模具(3)可减少后续机械加工和组装焊接量以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174个减少到20个，工序由13道减少到6道，生产率提高66%。(4)提高强度与刚度，尤其疲劳强度仍以散热器支架为例，垂直方向提高39%，水平方向提高50%。(5)降低生产成本根据统计，内高压件比冲压件平均降低成本15%20%，模具费用降低20%30%。,43,4）应用范围：行业：制造航空、航天、汽车行业制件结构特点：沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或异型截面空心构件如汽车的排汽系统异型管件、非圆截面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架(约占汽车总重量的11%15%)和空心轴类件、复杂管件等。5）适用材料：碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金及镍合金等，原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。,44,七、可变轮廓模具成形（柔性加工）对于小批量多品种板料件成形，例如舰艇侧面的弧形板、航空风洞收缩体板、飞机的蒙皮都是三维曲面，但批量很小甚至是单件生产，由于工件尺寸大，这样模具成本很高，何况即使模具加工完成，也有一个需要修模与调节的过程，因此用可变轮廓模具成形一直是塑性加工界及模具界的研究方向之一。,45,原理：从本质上讲，任何一个曲面都可以写成z=f(x，y)的形式，如图，因此可变轮廓模具的基本构成为很多个轴向(z向)分布在(x，y)平面内的小冲头组成，是将整体模离散化。至于冲头的调节可以是手拧螺旋，也可以是靠伺服电机驱动螺旋机构完成。,46,可变轮廓模具成形示意图,在