材料成形原理与工艺第17章塑性加工工艺（新技术.ppt

1、塑性加工工艺,塑性加工新技术及发展趋势,塑性加工的一般情况,塑性加工过程是在外力（载荷）和一定的加载方式、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，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。 塑性加工具有高效、优质、低耗等特点，是材料加工和零部件制造的重要手段。据粗略估计，有75%的零件毛坯和50%的精加工零件是采用塑性成形的方式完成的。,塑性加工新技术,基于新能源的技术：激光、电磁场、超声波、微波等离子场等； 基于新介质的技术：以液体、气体等新介质取代锤头、模具等刚性物体向坯料传递外部载荷； 基于特殊加载方式的技术：旋压

2、、摆动辗压、辊锻、楔横轧等局部连续加载；喷丸等非连续的加载； 基于发挥材料塑性的技术：等温变形、超塑性成形、半固态成形、粉末塑性成形，,塑性加工新技术,柔性快速制造技术：无模多点成形和数控渐进成形，借助于高度可调整的基本体群构成离散的上、下工具表面，代替传统的上、下模具进行板材的曲面成形； 复合材料塑性成形技术：双金属复合、铝塑复合板、管、叠层材料成形； 复合加工方式的技术：连续挤压、连续铸挤、连铸连轧和连续铸轧等。,新能源的利用- 激光,激光热应力成形：激光扫描金属薄板时，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：高功率密度、短脉冲

3、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。 激光冲击强化：激光冲击强化具有高压( 冲击波压力达到GPa甚至 TPa量级)、高能( 峰值功率达到GW量级)、超高应变率( 应变率达到10exp7 s- 1 )等特点,激光冲压成形技术参数,激光脉冲能量：GW/CM2量级，短脉冲ns量级的强激 光，冲击波能量达数GPa； 激光冲击轨迹：垂直板面冲击，沿轮廓线各离散点法 向冲击； 叠加方式：逐层冲击，冲击量总合决定最终变形量； 脉冲次数：单点单次冲压局部成形，多点多次冲

4、击大面积成形； 凹模仿形：预制凹模仿形冲压； 计算机数控系统：控制激光参数，冲击轨迹，自动化运行；,激光柔性冲压技术特点,变形速度高：几十ns级，爆炸成形1ms级， 成形压力高：GPa级，使难变形材料易于成形； 非接触式成形：激光束作为柔性冲头， 能达到高成形精度和对异形凹模的高覆模性， 可控性好：单脉冲冲压变形可控在0.035mm，最大变形可控在若干毫米；能量聚焦效果好、强度高，适合微零件精细成形； 适应性强：对表面质量要求低于普通冲压，加工后表面质量高； 复合功能：成形和表面强化于一体，表面残余压应力，提高耐磨性、耐蚀性和疲劳寿命； 组织性能好：等离子体爆炸诱发的力效应，避免了热成形温度影

5、响导致的不良组织和性能，应力波前沿引起的剧烈塑性变形，可使微观组织均匀和细化；,激光冲击强化,当短脉冲、高峰值功率密度的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层（涂覆层）吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压（GPa）等离子体， 等离子体受到约束层的约束，爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播，在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力， 显著地提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能，,吸收层：黑漆、石墨、铝箔 约束层：水、树脂、硅胶,单次激光冲击下板料的典型成形截面,激光冲击成形原理,新能源的利用-电磁场力,利用金属材料在交变电磁场中产生感生电流（涡

6、流），感生电流又受到电磁场的作用力，当电磁压力达到材料的屈服强度时，金属材料将发生塑性变形； 在电磁力的作用下坯料向单面凹模高速运动而贴模产生塑性变形，成为所需要的形状； 电磁成形工艺适用于薄板材的成形、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。,电磁成形工艺原理,电能储存在高压电容器中, 当高压开关闭合时, 储能电容对线圈快速放电(ns级)并在其周围产生一变化的脉冲磁场； 脉冲磁场穿过工件，在金属材料中产生感应电流( 涡流)， 带电的金属处于急剧变化的磁场中会受到磁场力的作用； 磁压力达到材料的屈服应力时, 金属材料将发生塑性变形； 电磁成形要求工件的电阻率低于0. 15

7、.m,所以非常适合对铝、铜及其合金等导电性高的材料加工； 对于导电性能不好或非导电材料(不锈钢, 非金属材料等) 可以通过驱动片、中间传力介质等实现加工。,电磁成形特点,时间短：能量释放过程在几微秒内发生，强力作用,工件变形时的运动速度可达50m/s300m/s； 塑性变形能力高： 变形时间短和速度高类似爆炸成形, 材料表现出超塑性, 传统冲压, 铝合金的最大伸长率不得超过30%, 否则就会破裂, 而采用电磁成形, 伸长率可达到100%； 变形均匀：金属受力均匀, 不易发生破裂等成形缺陷； 终态形状稳定：少无回弹,电磁复合冲压成形,是把传统的冲压成形和局部电磁成形结合的复合加工。用普通冲压方法

8、对工件进行最大限度预成形, 避免在尖角等难成形部位一次成形, 之后, 利用电磁力使难成形部位成形,整个过程可在压力机一次行程中完成。,铝合金汽车内门板的电磁复合冲压成形 a) 预成形; b) 电磁校形,电磁复合冲压成形中磁场力对回弹的控制 a) 成形装置; b) 成形件实例,小能量电磁脉冲力可明显减少回弹,新能源的利用- 超声波,塑性加工中的摩擦对产品的质量和加工过程有重要的影响, 有时是有害的, 有时又是有利的， 塑性加工中对变形体或工装模具施加超声波，产生高频振动，可以改变坯料与工装模具之间摩擦力的大小； 改变超声波强度，可改变坯料变形阻力和设备载荷，大幅度提高产品的质量和材料成形极限；

9、管材、线材和棒材的拉拔成形、板材拉深成形都可以引入超声波，形成塑性成形新技术，成为一些特殊新材料的有效加工途径。,功率超声波成形,柔性成形技术,以软介质（主要是各种液体）代替半边刚性模具，减小模具制造成本； 模具材料要求降低，可用于加工不同厚度板材，降低模具费用30%以上； 残余应力低，回弹小，成形精度高， 可成形复杂零部件，代替焊接成形， 特别适用于难变形合金,各种液压成形,柔性成形技术,成对液压成形技术,将一对板材充液预成形，焊接密封后加高压液压完成最终成形，适用于成形舱体，与焊接同步进行。,黏性介质成形,利用具有应变速率敏感性的黏性介质，可控制介质流动和加压部位，使深模处局部先成形，然后

10、再使浅模处成形，加压均匀，速度可调。,爆炸成形,爆炸成形：1.板材 2.5.模具 3.雷管 4.介质,大型制件爆炸成形,喷丸成形,喷丸成形由美国Lockheed 航空公司的工程师Jim Boerger在20世纪40年代首先提出。 已成功应用于军用飞机及A310 - A340、707-777、MD11、MD80、MD90、MD95、DC10、ATR72、Do1228、Do1328 等民用飞机的整体壁板零件制造中。,喷丸成形特点,工艺装备简单：无需成形模具，只需简单的夹具，准备周期短，固定投资少； 双重加工效应：在成形的同时，可对板料起到强化作用； 灵活经济：可对变厚度的板料进行成形；零件长度不受

11、限制，现代飞机蒙皮零件的长度已达32m，若采用其他方法，设备投资将急剧增加； 可进行复杂成形：既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形，如机翼上下气动弯折区或非直母线区。,精密塑性成形,热精锻技术用于生产汽车直齿伞齿轮是非常成功的一例。目前在中国,卡车用的直伞齿轮大多数是通过热精锻工艺生产的,其工艺流程为: 带锯下料磨外圆去除表面缺陷感应加热9501000 摩擦压力机预锻、终锻切飞边650700 温精压(或冷整形)。 这种热精锻温精压(或冷整形)工艺生产的直伞齿轮,齿形精度比冷锻齿轮低一级。冷间闭塞锻造是当前最先进的冷锻技术之一，锻件精度更高。,精密塑性成形,精密塑性成形技术是先进制造技术的重要

12、组成部分。它可以生产更接近最终形状(净形)的金属零件。如热精锻和冷锻、温锻等，是近年来应用发展很快的精密塑性成形技术。其可以节约材料、能源、减少加工工序，显著提高了生产率和产品质量，降低了生产成本，从而提高了产品的市场竞争能力。,等温锻造,等温锻造(isothermal forging) 是指把加热到稍高于锻造温度的坯料置入具有一定温度的模腔中,并保证锻造时模具温度基本不变,使毛坯以低应变速率变形的锻造方法。等温锻造适用于难变形材料。,等温锻造的设备,1. 高压石棉板2. 下加热板3. 上加热板4. 液压机机身 5. 上工作台6. 高压石棉板7. 凸模8. 保温硅酸棉板 9. 坯料10. 凹模

13、,等温锻造与普通锻造组织比较,等温锻造特点,显著提高金属材料的塑性;减小变形金属内部由于变形不均匀而引起的组织性能的差异,降低锻造时的变形抗力,有利于模膛的填充;材料利用率高;锻件具有均匀的力学性能,锻件尺寸稳定; 可实现复杂锻件的精锻成形;可减小压力机吨位需求；压力机行程速度要求低(一般选用液压机)可使锻造过程中坯料充分再结晶,防止由于不完全再结晶而在后续热处理过程中出现晶粒不均匀； 缺点是：生产效率低，模具、与锻机配套的加热装置复杂。,合金的超塑性与超塑性成形,能够在一定条件下显示出异常大的塑性而不发生缩颈和断裂的材料称为超塑性材料； 一般材料的晶粒尺寸在10m 以下, 在一定的温度和应变

14、速率下拉伸时, 其伸长率可达到百分之几百到几千, 而变形抗力小至110MPa的现象称为超塑性(superplasticity)。 应用材料在一定条件(温度、变形速度、组织等)下的超塑性能, 成形复杂坯料或零件的加工方法，即：超塑性成形。,超塑性成形特点,超细晶粒：0.55.0m，10m； 低应变速度： 特定温度范围：T0.4Tm； 变形抗力小： 形变量大： 无加工硬化： 可以大大减少能源消耗，用较小的设备成形复杂零部件，改善制品的精密度。,超塑性材料,超塑性变形特点,超塑性形变前后晶粒仍保持等轴。实验观察表明，在变形中晶界不仅发生了滑动，而且发生了转动。有人认为晶界滑动加扩散式协调形变是一种可

15、能的超塑性变形机制。,超塑性产生的条件及机理,超塑性主要分为两类： 结构超塑性：由材料结构上具有某种特点而产生的超塑性。它要求材料具有微细而稳定的等轴晶粒组织，最大不超过10m；在适当温度范围内；以适当的应变速率进行变形，才会出现超塑性。 相变超塑性：借助相变过程发生的超塑性。它是在相变温度范围上下通过温度循环的积累而形成的。,超塑性成形加工,超塑性成形加工,超塑性成形加工,蠕变时效成形,利用材料的蠕变变形和时效周期进行加工,蠕变时效成形 Creep aging forming,蠕变时效成形是在一定温度和外力的作用下, 材料缓慢变形的过程, 其中伴随着蠕变、应力松弛和时效的综合作用。与滚轧成形

16、、轧压成形、喷丸成形、拉伸成形等其他传统方法相比,蠕变时效成形的变形发生的应力水平低, 成形件最后的残余应力和回弹很小。,新型挤压技术,新型挤压技术,辊槽连续挤压,新型挤压技术,连续铸造挤压,新型挤压技术,无余料挤压,新型挤压技术,静液挤压技术,静液挤压加工,静液挤压特点： 坯料小于挤压筒， 坯料不与挤压筒摩擦， 挤压变形均匀， 断面硬度均匀， 存在挤压筒疲劳应力、密封要求高、高压安全，设备复杂等问题。,各种静液挤压加工,连续铸轧工艺,连铸连轧,大塑性变形技术制备超细晶材料,大塑性变形：Severe Plastic Deformation ,SPD 超细晶：Ultra-Fine Grained

17、 ,UFG 层错能：超大塑性变形下的晶粒细化机制与材料的层错能有很大的关系, 对中、高层错能材料, 变形主要导致的是位错分割机制, 可获得的最小晶粒尺寸一般只有几百纳米( 超细晶) ; 对低层错能材料, 形变孪生和马氏体相变在晶粒细化过程中起非常重要的作用, 可获得小于100nm 的晶粒。,强应变大塑性变形 （Sevier distortion）,形变是组织尺度控制和强度提高的重要途径； 传统工艺，通过热/冷变形加工（锻造、轧制、挤压等）可使铸造凝固过程中形成的组织得到进一步细化、均匀化、使缺陷得到改善； 强烈应变可使金属晶体缺陷增多，晶粒变形、破碎成更多的亚晶，得到超细化的组织，使材料的综合

18、力学性能提高；,新型强应变加工技术,等径角型挤压( Equal Channel Angular Ext rusion or Pressing , ECAE or ECAP) 工艺、 连续剪切(Con shearing) 工艺、 连续约束板带剪切(Continuous Confined Strip Shearing ,C2S2) 工艺、 等径角型轧制( Equal Channel Angular Rolling , ECAR) 工艺、 累积叠轧(Accu2 mulative roll2Bonding , ARB) 工艺、,新型强应变加工技术,高压扭转( High Pressure Torsion

19、 , HPT) 工艺、 多向锻造(Multiple Forging ,MF) 工艺、 循环挤压压缩(Cyclic Ext rusion Compression ,CEC) 工艺、 连续反复弯曲(Continuous Cyclic Bending ,CCB) 工艺 反复弯曲矫直(Repetitive Corrugation and Straightening ,RCS)工艺。,等径角挤压 ECAE工艺,N 总应变 N 为挤压道次, 为两通道内侧夹角, 为外侧圆弧角,连续剪切 Conshearing工艺,该工艺已成功应用于制备铝合金带材,其可以有效细化晶粒,形成剪切变形织构,提高铝合金板材的冲压性

20、能。,连续约束板带剪切 C2S2工艺,C2S2 工艺是一种连续ECAE 工艺，并能够实现带材的连续简单剪切变形。通道夹角也较大,一般在100140之间。,等径角轧制 ECAR工艺,该工艺采用普通双辊热轧机,将CAR 模具安装于轧机出口处, ECAR模具与ECAE 模具类似, ,无需带有行星辊的特殊轧机来实现，减小了模具损耗,降低了对模具加工精度要求。,累积叠轧 ARB工艺,ARB 工艺不仅是一个轧制变形过程,还包含一个焊合的过程(叠轧焊合) 。所以为了取得好的焊合效果,获得良好的界面结合,在每道次叠轧过程中还存在一个临界压下量（一般超过35 % ）,当压下量低于该值时难以充分焊合；每道次叠轧前,必须对材料进行表面处理, 去除材料表面的油污、杂质、氧化物等。,多向锻造 MF,MF 工艺实际是一个反复多向镦粗与拔长的自由锻造过程，变形温度通常在0. 1Tm0. 5Tm ( Tm 金属熔点) 之间, 变形与动态再结晶联系在一起，对钛合金、镁合金、镍基合金等材料的MF 工艺研究表明, 该工艺可有效细化晶粒。,高压扭转 HPT工艺,HPT 工艺是通过压杆向置于固定的模具中的盘状材料施加很高