金属成型工艺的最新进展

金属成型工艺的最新进展R.Kopp教授萨尔布吕肯新材料所纳米技术中心，亚琛大学工业大学，茵特泽斯特瓦斯街10号，亚琛大学，德国（译自：JournalofMaterialsProcessingTechnology60（1996）1-9）摘要在金属成型技术上的多种发展方向，将会影响未来的工厂建设形式和生产工艺，并且其影响已经非常显著。本文将描述若干工艺过程的简化，灵活性和一体化。并且中空结构技术的发展也越来越有益于生产创新。此外，本文中提及的有限元仿真与优化技术已经成为新工艺、工厂发展或改进的着实重要的工具。鉴于有必要尽量降低生产成本，以增加环境兼容性并使生产的产品具有一定的质量标准，长期、复杂的生产工艺流程应该尽可能或有必要的简化。在带钢生产领域，应该提及到的薄板坯连铸技术和薄带连铸工艺中的一些工序已经完全被消除。对于成型方面，缩短工艺流程可行的办法包括：在固-液相变范围内成型（即触变成型），另一种方法是结合热处理工艺成型。较短的工艺流程常常意味着生产的产品会具有更好的机械性能和源于此的新的应用。在使成型过程变得更加灵活以便扩大产品生产范围的背景下，有必要使用与前面工艺相适应的灵活成型单位的相结合，以及使用普及的模具和智能控制系统。例如:智能控制开放模铸允许在很小成本下能够实现反复锻造完成锻件。在轧制过程中轧制辊距的可变性就意味着可以通过给定的纵向厚度剖面使载荷与后续的工序组成相匹配而生产出薄板。不同生产工艺的一体化也为新工艺的发展铺平了道路。可以通过在成型过程中或紧接其后使用局部热处理工艺以及使用切割或锻接等耦合工艺，使现存的成型生产工艺范围得以拓展并优化产品的最终性能。在轻量级建设生产领域产生的一个令人充满希望的生产工艺式就是中空结构技术的系统应用。并且为生产中空结构的加工孔洞的先进生产工艺和生产技术也都得到了很好的发展。除了适当的试验，物理和数值模拟也是可用于优化现有的或开发新的生产工艺的方法。物理模拟可以非常成功的解决物质流动问题。一种新的物质流动模拟器现已出现。数值模拟主要应用于生产过程中基础变量的定量分析。

绪论工艺和产品的成本、质量、生产时间和环境兼容性都在生产过程中起到了决定性的作用。对于金属成型生产工艺它们都意味着新的挑战和机遇。除了每天通过不断合理化的手段去改善其数值、分析成本并减小它们，目前在金属成型生产工艺中所观察到的趋势，有些因素在某种情况下将完全可以导致产生对于半成品和成品的生产方法，有些情况下也会考虑到上述所有标准。如图1所示，为一些这样的变化趋势，其中一些将会作为具体例子在下文来讲解。图1:金属成型技术的发展趋势简化工艺流程体的单一用途生产线可在很短的时间内生产出特定的产品。其中一个例子就是目前在热轧带钢生产领域所实现的带钢生产，其正在经历于与一种新型轧机的更大的竞争之中。这些生产流程中比较著名的比如有CSP,ISP和CONROL体的单一用途生产线可在很短的时间内生产出特定的产品。其中一个例子就是目前在热轧带钢生产领域所实现的带钢生产，其正在经历于与一种新型轧机的更大的竞争之中。这些生产流程中比较著名的比如有CSP,ISP和CONROL生产工艺。它们的特点在于连铸薄板坯工艺中可以具有更小的辊距（连铸板坯厚度为40〜100哑）。更不可思议的是通连铸生产线mm预恐带铸轧1生产线J薄带铸轧『n生产线L枫"OO就超薄祐铸轧生产线图2:热轧宽带钢生产工艺简化过双辊技术（DR）减少设备的需求量，其热轧部分是完全可以省略去的，由此生产的厚度为1〜5哑的薄带生产为冷轧工艺。厚度只有零点几毫米甚至更薄的超薄带钢可以通过单辊生产工艺(SR)加工制造。图2所示的是薄带连铸连轧工艺打生产试料坯$熟处理才善倒褫雄〉产品的凡何形状与性能参数工艺■骤故目效率(E)灵活性(F)=产品数量工艺步骤数目的工作原理与生产线，以及用于常规热轧带钢工艺的单辊和双辊工艺组成。这些工艺的最后普遍存在或应用产品的凡何形状与性能参数工艺■骤故目效率(E)灵活性(F)=产品数量工艺步骤数目图3表明了效率与灵活性关系以及术语定义。在德国之外的很多国家许多CSP和ISP生产线已经成功的用于生产。材料类别具体应用硅铁氢催化氧化硅烷偶联剂3.0-3.3^硅铁:.碳钢C10-C90包萩带材双相钢高台金不锈钢1.4301：1.4016:1.45411.4401;1.4828;....有色金属■"铜舍金.…锡,铝：图3:生产工艺简化材料类别具体应用•《当代横向加工》图4：迄今利用薄带连铸法生产的合金为成型过程建立动态模型预测带钢厚度和温度褥固过程模型的建立优化烙融金属原料质量分布情况图5：这一复杂工艺中的几点理论标准双辊生产工艺已经被建成示范生产模块，第一条生产线已经在澳大利亚建成投产。在德国亚琛工业大学，我们与蒂森钢铁联合公司以及控制工图3:生产工艺简化材料类别具体应用•《当代横向加工》图4：迄今利用薄带连铸法生产的合金为成型过程建立动态模型预测带钢厚度和温度褥固过程模型的建立优化烙融金属原料质量分布情况图5：这一复杂工艺中的几点理论标准至今利用薄带连铸工艺生产的合金工艺是需要进一步开展理论性研究来全面的了解这一复杂的过程，尤其是图5中所涉及到的问题。随着半成品生产流程简化的同时，目前，有世界性趋势来大幅度缩短生产链用于生产锻造零件。图6所示为与传统铸造工艺相比其中的一些新的、简化了的工艺流程。最令人感兴趣的是金属触变状态的利用。金属合金是在是在固-液相间隔内形成的。对于基础材料的特殊加工用来确保在重新加热半成品材料之后，固溶体成分存在于熔融基质材料中。在流动过程中外部剪应力和粘度的减小，会锻造出拥有复杂几何形状的锻件而不需要太大的压力。不同工艺中触变成型的异同正在研究中，包括触变锻造和触变压铸。这两种工艺中在物质流动方面有着根本的不同：对于前者不需要压力，即可在半液态金属中形成一个开放的铸模，只是在工艺最后需要增大压力来消除毛孔；而对于后者，半成品是在压铸机中生产出来的，且其对铸件造成的损失较高，如图7所示。图8展示的是选择触变成型工艺。目前，流速，不相溶性以及压力、温度和流速之间的关系等根本性问题还在研究当中。新压模或其表面涂料都需要开发，以适应高压、高温应力的产生。深一层次重点研究领域内容包括：最终的性能（局部材料流速，偏析过程，压力-温度-流速视窗，…）；触变状态的优化调整。自从1996年1月，德国研究协会图6:铸造过程中所简化的工艺原料加工再加热工艺或型图7:触变成型:材料预成型线路,工艺变化触变锻造触变挤压图8:触变成型:工艺变化一直资助一个特殊的研究机构来致力于这项研究,并企图在加快在打破新工艺变量研究的图9:触变成型-研究的潜在性基础上来生产铁合金和有色合金的进程，如图9所示。图9:触变成型-研究的潜在性图10展示了一些来自亚琛大学试验室的首次试验零件。除了耦合或联合锻造和成型工艺，也可以很自然的联系或结合其他工艺，例如:成型和焊接或成型和机械加工。越是较早获得最终产品的性能和形状，这个生产工艺就越有效率。从这个角度看,锻造和成型工艺将会变得日益重要。热轧环型工艺就是一个将成型和热处理联系到一起称为简化流程的很好例子。图11展示了分别应用传统与优化工艺生产轧辊轴承套圈的时间一温度曲线。在传统加工工艺中，容许套圈被冷却至室温以及随后进行的10〜12小时的软退火工艺。然后，又一次被冷却并在合适的状态下进行机械加工以及随后的锻造。在这个传统的工图11：异型轧辊轴承套圈加工温度曲线图10:图11：异型轧辊轴承套圈加工温度曲线艺方法中，第一次冷却所产生的组织完全不适合于机械加工或回火。只有其后10〜12小时的热处理是使材料中形成球形和均匀分布的碳化物并作为进一步加工目的的实现而所需要的。优化后的工艺流程也描述于图中，硬化组织

结构可以直接从由除去软退火的热处理工艺和其后产生奥氏体以及相关生产设备于一体的热轧生产工艺中获得。硬车削工艺取代了软加工（磨削）工艺，通过特殊的切削材料的使用使这是有可能实现的（例如:聚合酶氮化硼钢）。丽后工艺j—：胃1匚故如!,MJ勺丽后工艺j—：胃1匚故如!,MJ勺一熟堵和冷压M55M」¥:口JI执史曜_）MJ|耳件•■就jBMlMJ—。231,^2MJJ_1__0一一_MJ[飞福—]ir.rrs匚二瓯重二j二P-13.95MJ理堵制冲压:V25.0W热燮■]虬职共包南]ru.iitmj|-'y叫匚军回S5.J5脑J[由页:—P「1S4.UI匚学回一]图12:传统和优化的轧辊轴承套圈生产工艺能量审计灵活性有多种原因来提高生产技术的灵活性以及由此而产生的金属成型工艺。其关键因素是，消除对特殊模具的依赖性可编程傕改形状的模具模具的自动更换消除模具却机械间的束缚金属成型工艺的灵活性图13:金属成型工艺的灵活性减小生产批量大小和增大产品系列范围。昂贵的单一用途机械消耗了大量的资金，这往往在经济上是不再可行的。在灵活锻造中心，最精确的半成品与成品产品的生产工艺可以尽快制造出最佳性能而不需要大型工具和机器的投入，并且这一点是很重要的。如图13所示，有很多方法可以使成型技术更加灵活。尤其是对于特

殊模具的依赖可以通过对简单、普遍的模具的智能控制和工件定位来消除，这也导致了新的灵活成型工艺的产生。下面内容将介绍其中三种具有代表性的工艺。在将来，智能辅助开放模锻将使“薄-净-仿形”组件产品在很小的成本下便可以重复性生产。其前提是6轴控制锻14:金属成型工艺的灵活性图13:金属成型工艺的灵活性殊模具的依赖可以通过对简单、普遍的模具的智能控制和工件定位来消除，这也导致了新的灵活成型工艺的产生。下面内容将介绍其中三种具有代表性的工艺。在将来，智能辅助开放模锻将使“薄-净-仿形”组件产品在很小的成本下便可以重复性生产。其前提是6轴控制锻14:锻造机械和模锻压力机造机的制造，它就像一个铁匠一样能够容许在锻造过程中工件可以在任何想要的位置，并且在规定的行程之后可以进行重新定位，如图14所示。图15展示的是一些首样组件。示范图16:灵活锻造中心的示范单位旦开发出令人满意的程序，这种大型、驱动智能机器就可以通过输入设备得到相同的工作

程序并将其对正在加工的原始材料加以贯彻落实，例如:铝或钢。如此，样品锻件可以在很短的时间（大概1〜2小时）内制造。图17展示了一些示范橡皮泥组件。图18表明了完全灵活的开放模锻系统，以及其组成间相互作用的模型试验，仿真和1:1的测试。图17:橡皮泥样本组件另一种灵活成型技术是灵活的纵向轧制工艺，在成型过程中其辊缝可以按照预定的方案进行变化。它可以生产拥有不同板厚的金属板状部件。由于轻巧的特点，这样的构件已经引起了人们很大的兴趣，并且构件材质的分布可以完全抵抗其上分布的应力,与拼板焊接相比起可以明显减轻组件重量。图19展示了国际品牌联盟（IBF图17:橡皮泥样本组件图20所示为国际品牌联盟所制造的灵活性轧制组件。这种工艺已经普及于梁结构领域，其中双-T梁就是由非固定厚度的单一元件锻接在一起的。图18:样品制造流程

图19:国际品牌联盟灵活轧制系统图20:灵活轧制的深拔组件生产工艺一体化在双辊轧制工艺中，例如：工艺流程简化的目的可以通过在一个单一步骤中耦合两个生产准则来实现。一个成型工艺也可以结合于另一个不同生产工艺，通过添加、整合加入工艺来拓展工艺范畴就意味着会影响产品性能或大大提高产品最终性能。通过这些方法可以创造出全新的生产系统来简化工艺流程，但也可以有益于其他目标，如降低成本、提高质量等。其他的潜在的发展还需要简要的指出：局部加热技术拓展了工艺范畴成型过程中所生产废品的最显著的特点是过压点出会产生裂纹。通过体统在压力参数上的变化来增加局部热量，就能对局部应变产生积极的影响。更大的压力和更好的模具填充能够实现无龟裂,甚至可以生成不产生不利影响的微观结构（组织、晶胞等）。例如:用较好的重复锻造模具来挤压并拉出型钢。紧接成型之后的局部加热工艺在大多数情况下，组件的性能不一定是各向同性的，由此可以想到，只需要在工件的高压区给予锻造或施加给定的残余应力。通过依照ZTU（状态图表）图来进行局部温度控制成型热，可以大大改善当前组件的性能而不需要对其整体进行热处理。局部热处理也可能导致以后工序中组件性能的明显改善，例如:机械加工性能。如果成型过程中出现了消极性能（硬化、残余应力），可以通过在指定点处的局部热处理来消除。成型和锻接成型工艺特别适于锻接那些无法或难以焊接的产品。这也特别适用于表面涂层的半成品和工件生产。如果某种成型技术可在锻接生产中用于一个或更多部件/工件的生产，那么这个技术是特别具有吸引力的。成型和切割在许多成型工艺结束时，组件会被牢牢固定在模具内或模具上，例如:径向环轧机上实行环件轧制，旋转和轴向轧机上实行圆状和环状件轧制。所有这些轧制工艺都非常适合直接结合到机械加工工艺中，可以避免夹不紧和再次固定。且固定偏差和时间也会有益于生产结果。研究这些一体化工艺的的一些关键性问题包括：•确定生产过程中产品性能的主要影响因子和分析工艺变量间的兼容性；•叠加第二工艺的特性，通过对第二工艺的研究寻找其介入的最佳时机和位置；定义广泛性一体化工艺的范畴。

中空结构技术系统地使用中空结构来获取最佳的轻质组件使其在金属构件领域具有竞争性。其良好的可再利用性能使其可以用于重大创新,例如:钢的减重技术。中空结构技术可以分成生成和改进中空结构两方面，如图21所示。图22展示了生产中空结构的基础产品：（a）是均匀固体材料，（b）是混合金属粉末和发泡剂或是化）的平薄带，它们通过加高压操作或喷丸技术锻造（SPF）而转变为中空结构的。空结构的〕生成）传统；-冲压理底创新：-知曹粮管状成型喷丸技术锻造面行工造型割楼

锻成切希图空结构的〕生成）传统；-冲压理底创新：-知曹粮管状成型喷丸技术锻造面行工造型割楼

锻成切希图21:中空结构技术图22:中空结构的基础产品图23所示则为一条用于生产半成品生产线的工作原理图。各种成型技术都适合于改造带腔的工件，例如：管内高压成型，空心轮廓喷丸或径向-轴向锻造技术，如图24所示。下面提到的是将来需要研究的一些课题：•侵蚀；•整合适宜的工艺（泡沫技术、格状薄带技术等）;•强度和刚度的优化（优化各向异性特点）。内都高压成型筷向一袖向镣造图24:改造腔结构技术模拟与优化依靠数值模拟来密切地平行分析所有现象的帮助来开发新的产品与工艺。数值模拟的优化也将变成简化发展工艺的越发重要的手段。近些年来，模拟和优化都将得到长足的发展，并且随着计算机能力的提高其可能会得到更深层次的发展。模拟和优化技术的发展状态已然是有声有色，并将其概括于多级概况内都高压成型筷向一袖向镣造图24:改造腔结构技术模拟与优化依靠数值模拟来密切地平行分析所有现象的帮助来开发新的产品与工艺。数值模拟的优化也将变成简化发展工艺的越发重要的手段。近些年来，模拟和优化都将得到长足的发展，并且随着计算机能力的提高其可能会得到更深层次的发展。模拟和优化技术的发展状态已然是有声有色，并将其概括于多级概况图中，如图25所示。实现材料模型的现实仿真的先决条件是带自动三维网格化和开放接口功能的三维有限元软件的开发。系统压力成型软件就是一个例子，且其已经被模拟优化L级宏迦层次或整体水平物质流动情况,压力和工4乍要求通过规划设计，优化成型工序检分观层次或连蝮令质等级应变，应力和局部湛度优化应力或应变的分布情况3^微观层沃或金属物理性质等级晶粒尺七各向异性土裂纹南产生，位辂密度优化组织分布情况图25:多级概况图应用于工业生产并解决了一系列的实际问题，如图26所示。在成型工艺优化方面，算法优化理念已经得到很大发展，其目的在于在很短的时间内解决譬如模具设计等开发新工艺中的关键性设计难题。例如:可以使用形第一阶段第二阶段不定室工具形状和最经高度修正后参数m优化工艺设计参数*模块化结枸•基本数据体系应