金屬塑性成形技術

1、文獻綜述題 日 金屬塑性成形學 院航空制造工程學院 專 業(yè) 機械制造及其自動化姓 名段盼光學 號1403080201012015年6月10日金屬塑性成形()【摘要】金屬塑性成形技術是機械冶金、汽車拖拉機、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，包括鍛、沖、擠、軋，拉、輥、旋、 輾等工藝技術。結合近代科技，金屬成形技術正向精密、高效、節(jié)能、節(jié)材，清潔化生產(chǎn)方 向發(fā)展，是國家工業(yè)發(fā)展的最基礎工藝技術之一。文章主要對塑性成形的基本原理、方法以 及應用做了綜合介紹。文章還列舉了塑性成形在工業(yè)生產(chǎn)中的具體應用實例，收集了國內(nèi)外 關于塑性成形的一些最新研究進展。最

2、后針對塑性成形技術的發(fā)展提出了一些建議和對該技 術在以后的生產(chǎn)中的展望?！娟P鍵詞】塑性成形原理應用展望L abstractMetal plastic forming technology is the most basic,oldest and important processingmeans in machinery, metallurgy, automobile tractor, electrician instruments, the space industry, including forging, blunt, extrusion, rolling, pull, roller,

3、spin and rolling process technology. With modern technology, metal forming technology of positive precision, high efficiency, energy saving, section, the clean production direction development, is the national industrial development of one of the most basic technology. The thesis mainly introduced t

4、he principle、method and application of plastic forming.In addition,the thesis also listed some specific application examples about plastic forming in industrial production and collected some latest research progress about plastic forming. Finally, in allusion to the development of plastic forming ,I

5、 have given some personal opinions and made a good expectation for the technology .【key words plastic forming principle application expectation引言金屬塑性成形就是利用金屬的塑性，在工具及模具的外力作用下來加工制件的少切削 或無切削的工藝方法。由于工藝本身的特點，它雖然有很長的發(fā)展歷史卻又在不斷的研究和 創(chuàng)新之中，新工藝、新方法層出不窮。這些研究和創(chuàng)新的基本目的不外乎增加材料塑性、提 高成形零件的精度及性能、降低變形力、增加模具使用壽命和節(jié)約能源等。而塑

6、性成形原 理”正是實現(xiàn)這些目的的基礎理論知識。金屬塑性成形技術是機械冶金、汽車拖拉機、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。除了 這些傳統(tǒng)的應用外金屬成形技術正向精密、高效、節(jié)能、節(jié)材，清潔化生產(chǎn)方向發(fā)展，是國 家工業(yè)發(fā)展的最基礎工藝技術之一。一、金屬塑性成形機理1、冷態(tài)下的塑性成形塑性成形所用的金屬材料絕大部分是多晶體，其變形過程較單晶體的復雜得多，這主要 是與多晶體的結構特點有關。多晶體是由許多結晶方向不同的晶粒組成。每個晶?？煽闯墒?一個單晶體。晶粒之間存在厚度相當小的晶界。a、晶內(nèi)變形晶內(nèi)變形的主要方式和單晶體一樣為滑移和攣生。（1）滑移當晶

7、體受力時，由于各個滑移系相對于外力的空間位向不同，其上所作用的切應力分 量的大小也必然不同。現(xiàn)設某一晶體作用有由拉力P引起的拉伸應力o，其滑移面的法線 方向與拉伸軸的夾角為U，面上的滑移方向與拉伸軸的夾角為入，通過簡單的靜力學分析 可知，在此滑移方向上的切應力分量為T =o cosu cos入令 p =cosu cos入，稱為取向因子。若U =A =45,則 p =p max=0.5, T =T max=o /2。此意味 著該滑移系處于最佳取向，其上的切應力分量最有利于優(yōu)先達到臨界值而發(fā)生滑移，而當 U =90, A =0或U =0,入=90時，p =t =0此時無論o多大，滑移的驅動力恒等于

8、零，處于此 取向的滑移系不能發(fā)生滑移。（2）攣生攣生是晶體在切應力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（稱為攣生面）和一定的 晶向（稱為攣生方向）發(fā)生均勻切變。在常溫下，大多數(shù)體心立方金屬滑移的臨界切應力小 于攣生的臨界切應力，所以滑移是優(yōu)先的變形方式，只有在很低的溫度下，由于攣生的臨界 切應力低于滑移的臨界切應力，這時攣生才能發(fā)生。攣生變形后由于變形部分位向改變，可 能變得有利于滑移，于是晶體又開始滑移，二者交替地進行。b、晶間形變晶間變形的主要方式是晶粒之間相互滑動和轉動，多晶體受力變形時，沿晶界處可能產(chǎn) 生切應力，當此切應力足以克服晶粒彼此間相對滑移的阻力時，便發(fā)生相對滑動。另外，由 于各

9、晶粒所處位向不同，其變形情況及難易程度亦不相同。這樣，在相鄰晶粒間不然引起力 的相互作用，而可能產(chǎn)生一對力偶，造成晶粒間的相互轉動。2、熱態(tài)下的塑性成形在熱塑性變形過程中，回復、再結晶與加工硬化同時發(fā)生，加工硬化不斷被回復或再結 晶所抵消，而使金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)。按其性質可分為以下幾種：動態(tài)回復，動態(tài)再結晶，靜態(tài)回復，靜態(tài)再結晶，亞靜態(tài)再 結晶等。動態(tài)回復和動態(tài)再結晶是在熱塑性變形過程發(fā)生的；而靜態(tài)回復、靜態(tài)再結晶和亞 動態(tài)再結晶則是在熱變形的間歇或熱變形后，利用金屬的高溫余熱進行的。a、晶內(nèi)滑移在通常條件下（一般晶粒大于10M m以上時），熱變形的只要機理仍然是晶內(nèi)滑移。b

10、、晶界滑移熱塑性變形時，由于晶界強度低于晶內(nèi)，使得晶界滑移易于進行；又由于擴散作用的增 強，及時消除了晶界滑動所引起的破壞。c、擴散性蠕變擴散性蠕變是在應力場作用下，由空位的定向移動所引起的。二、金屬塑性成形的主要形式體積成型熱態(tài)金屬變形過程可分為：熱鍛、軋制、擠壓、拉拔、輾壓等工藝技術。冷溫態(tài)變形過程可分為冷鍛、冷精軋、冷擠壓、冷拔、冷輾擴等工藝。板材成型在忽略板厚的變化時，可視為平面變形問題它可分為:沖裁、彎曲、拉延、 脹形、翻邊、擴孔、輥壓等工藝技術。液態(tài)金屬成形目前大量應用仍以有色金屬件為主，在金屬凝過程中加壓。粉末態(tài)金屬成形隨著制粉技術的發(fā)展，其應用領域不斷擴展，對二復雜形狀的機械零

11、件來說，它有高效、 精密成形的特點，但成本較高，機械性能不如整體金屬材料，其工藝過程為制粉、造型、壓 實、燒結、精鍛。豐固態(tài)金屬材料成形70年代開發(fā)研究的新技術勺原金屬材料作過特殊前處理，當材料加熱到一定溫度時可 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顆粒組織的固態(tài)。在此狀態(tài) 加壓變形，其流動性特好，可成形結構形狀特別復雜的零件，而變形杭力很小。復合成形技術各種成形工藝的組合優(yōu)化達到優(yōu)化仁藝和產(chǎn)品的日的。鑄、鍛、焊、熱處理等不同加工方法的組合。三、金屬塑性成形技術研究方向及主要內(nèi)容主要研究方向:改善材料的塑性;優(yōu)化工藝技術;先進的工藝裝備。塑性變形的金屬學、力學基礎研究微

12、觀變形機理的研究及塑性變形動力學的研究晶間變形、滑移的機理晶內(nèi)變形:晶格 畸變、李晶、位錯等現(xiàn)象應力狀態(tài)對變形行為的影響變形材料冶金過程組織狀態(tài)的影響變形速度的影響變形溫度的影響變形過程中摩擦條件的影響金屬變形過程（宏觀）的模擬技術（1）物理模擬技術的研究:包括模擬材料、模擬方法、模擬相似理論、模擬過程的數(shù)據(jù)采 集技術及模擬結果的誤差分析技術的研究。（2）變形過程的數(shù)值模擬技術（ZD、3D）:包括塑性變形的數(shù)學模型的建立（剛塑性、粘塑 性、彈塑性等），計算數(shù)學（FEM）技巧，三維網(wǎng)絡自動劃分及畸變處理技術，數(shù)據(jù)處理及誤差 分析技術，軟件的工程化及商品化。金屬超塑性成形技術研究超塑性新材料，超塑

13、性材料的前處理技術，金屬超塑性變形機制，超塑性變形力學， 超塑性成形工藝模具及亞超塑性高效成形技術等熱精鍛技術研究少無氧化加熱技術、工藝模擬及優(yōu)化技術，新工藝技術（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等），特種合金的等溫鍛造技術，鍛件后處 理技術及提高模具壽命，潤滑等配套技術，成套生產(chǎn)線設計技術。冷溫鍛成形技術研究金屬冷溫鍛材料的前處理工藝，工藝模具優(yōu)化設計技術，潤滑技術，提高模具壽命 技術、質量控制技術，成套生產(chǎn)線設計技術?；剞D成形技術研究輥鍛、楔橫軋、旋轉鍛造，旋壓、擺輾、輾擴等成形方法的優(yōu)化工藝，模具設計制 造技術。板料沖壓加工技術研究各種新材料、復合材料的

14、沖壓成形加工工藝技術，沖壓成形的模擬技術，虛擬試模 技術，回彈預報技術，模具設計制造技術，配套技術，板材成形過程中的失穩(wěn)機理研究。金屬的特種成形技術研究、高速沖擊成形，放電成形、噴射成形、無模拉拔及熱應力變形新工藝。高效新型鍛壓成形設備設計制造技術研究大臺面多工位壓力機、精密回轉成形設備，高速沖壓設備、高速激鍛設備 的優(yōu)化設計及仿真模擬技術。金屬成形加工過程的機械化自動化技術，機器人設計制造技術研究冷熱成形加工過程中應用的機器人、機械化裝置 的抗熱、防震、防塵、抗千擾及精確定位的設計技術，制造技術，智能化控制技術等。四、我國金屬塑性成形技術的研究和生產(chǎn)水平世界工業(yè)發(fā)達國家的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:金屬加

15、工產(chǎn)品（零部件）的36%是采用金屬塑性成形 技術進行生產(chǎn)的，或以它為毛坯生產(chǎn)完成的。需經(jīng)塑性成形加工的零件，飛機制造業(yè)占85%， 電器儀表制造業(yè)占90%，汽車制造業(yè)占60% 70%，農(nóng)機拖拉機制造業(yè)占70%，電子產(chǎn)品加工 業(yè)占85%，日用品五金工具等加工業(yè)占80%。目前，我國金屬塑性成形技術的生產(chǎn)能力已具有很大規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計，鍛壓件生產(chǎn)廠廠點 約4000家，廠房約300萬mZ，鍛壓設備超過2萬臺，年生產(chǎn)能力280320萬t/年產(chǎn)鍛件約 120 一 150萬七），職工人數(shù)在11萬人左右。研究水平和國外先進工業(yè)化國家相比約落后1015年。研究深度和實用化程度差:原因是生產(chǎn)需求不足，研究條件差，研究經(jīng)

16、費是工業(yè)發(fā)達國家 的 1/51/10。行業(yè)生產(chǎn)水平差距:小部分汽車和軍工生產(chǎn)部門達80年代水平，大部分是60 一 70 年代水平，設備工藝落后。產(chǎn)品質量差，尺寸精度差1-2級，內(nèi)部質量不穩(wěn)定，達不到國際標準。節(jié)能、節(jié)材任務重，模具消耗是日本的4一6倍，能耗2一3倍。生產(chǎn)管理技術現(xiàn)代化差距更大，是影響技術進步的很重要的因素。例如，信息技術的 利用:CAE技術，CIMS、Mls、CAT等技術;管理信白、市場信息等等，實現(xiàn)現(xiàn)代化信白、化管 理有很大差距。1509000系列標準的實施，貫徹亦有很大差距。五、金屬塑性成形技術的展望塑性成形的發(fā)展趨勢：輕量化成形，整體化成形，微成形，超大構件成形，柔性成形

17、。1、輕量化成形輕量化成形是“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構。輕量化結構特征包括空心變截面、高次函數(shù)空間曲面、變厚度薄壁殼體、薄壁高筋和整 體構件。結構特征與輕質材料特征耦合，使輕量化塑性成形比以往的“凈成形“難度更大。2、整體化成形整體化成形是將若干分別成形在連接的構件成形為一個整體化結構。整體化成形不僅解決了連接可靠性差的問題，而且是減重的的一個重要途徑。該技術的最大難點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。3、微成形微成形是指加工的零件至少兩個方向的尺寸小于1mm，適合大批量、低成本的制造

18、微零 件。由于尺效應、摩擦機制和晶粒尺度的影響，并非傳統(tǒng)塑性成形的簡單縮小，需要進一步 研究其機理和關鍵技術。4、超大構件成形超大構件成形是通過先進技術利用相對小的設備或模具加工出較大的構件，解決了構件 尺寸或噸位超過現(xiàn)有制造設備能力的問題。由于這類零件尺寸大或重量大、批量小、運輸困難等問題，根據(jù)不同的結構特點采用不 同的技術途徑。5、柔性成形柔性成形是適應多品種、小批量零件加工的需要。采用多點實現(xiàn)模具輪廓不變、數(shù)控增 量加載、無模成形是柔性成形的重要途徑。在薄板成形的基礎上，想中厚板和復雜板型面件 成形發(fā)展?！緟⒖嘉墨I】【1】王引真.材料工程基礎.東營：中國石油大學出版社，2011,02【2】邵潭華.材料工程基礎.西安：西安交通大學出版社，200,03【3】雷玉成，汪建敏，賈志宏.金屬材料