金属塑性成型前沿热点

金属塑性成型前沿热点

报告人：于英华教授1金属塑性成型方法的综述

1.1.1概念

塑性加工是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，从而改变尺寸形状，又改善性能的一种用以制造机器零件或毛坯的成形加工方法。

通常也把塑性成型称为塑性加工或压力加工。

1.1塑性成形特点

1.1.2优点

（1）性能会得到改善和提高。（2）材料利用率高。（3）生产效率高。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。

（4）毛坯或零件的精度较高。例如，精密锻造的伞齿轮齿形部分可不经切削加工直接使用。

1.1.3材料

钢和非铁金属可以在冷态或热态下压力加工。

1.1.4用途

承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等），都应采用锻件毛坯加工。所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖拉机上的锻件质量分数约占60%~80%。

1.2塑性成形方法

金属塑性成形在工业生产中称为压力加工，分为：锻造（自由锻、模锻）、板料冲压、拉拔、轧制以及新的塑性成型方法，如：挤压、超塑性加工成形、高速高能成型、液态成型、精密冲裁等等。2锻造成形

2.1锻造成型的概念锻造是指在加压设备及模具的作用下，使坯料铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。其实质是利用固态金属的塑性流动性能来实现成形的，可分为自由锻、模锻等类型。

2.2.1精密模锻

1.概念

精密模锻是提高锻件精度和表面质量的一种先进工艺。它能利用模锻设备，锻造一些形状复杂、尺寸精度要求高的零件。如精密模锻伞齿轮、气轮叶片、航空零件等。锻造公差可在±0.02mm。2.2锻造新技术

2.精密模锻的特点和应用

1)模膛表面精度要求高，并开排气小孔；

2)精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料；

3)精细清洁坯料表面和模膛内表面；

4)在锻造过程中，应避免因加热引起的锻件表面氧化；

5)模锻时要润滑和冷却锻模；

6)模锻设备应具有刚度大、精度高等特点；

7)适于锻造超高精度的中小型零件。

1.概念专门加工实心或空心长轴类零件的旋转锻造方法。锻造时，分布在棒料圆周方向的锤头(2～8个)对工件快速和同步锻打。如工件为圆截面,则一面低速旋转,一面轴向进给移动;如工件为非圆截面,则只轴向进给而不旋转。

2特点不需要专用模具,能按预定程序锻出精密的轴类零件。径向锻造每次压缩量小，每分钟锻打次数高,一般为240～1800次／分，能提高金属的塑性。这种方法可用于热锻或冷锻。2.2.2径向锻造

又称“多柱塞模锻”，综合模锻和挤压的优点。在专用水压机的可分模具中，用冲头的一次冲程把仅需加热一次的毛坯锻挤成无飞边、无斜度(或很小)、多分支或带深孔的复杂锻件的成形方法。其锻模是可分式的组合模具，具有多个分模面，其分模形式通常有垂直分模，水平分模和水平垂直联合分模。为了保证多向模锻组合凹模或冲头运动的准确性、导向性，模具上必须设置导向装置。突破了模锻锤、水压机、曲柄压力机的局限，改变了大型、复杂锻件余块大、余量大、公差大等一系列缺点，实现毛坯精化，提高了内部质量。2.2.3多向模锻

根据我国“十五”规划，2005年我国汽车总产量为300万辆，摩托车产量度1300万辆，锻压行业的主要战场将集中在车辆制造方面，有人预测量2020年，中国将成为世界最大的汽车生产国，所以我国的锻造工业技术发展的重点应放在模锻上，而精密模锻则是重中之重。与汽车行业共同发展的锻压行业带来的将不仅仅是国内市场，还有广阔的国际市场。2.3锻压行业技术发展的重点与热点2.3.1锻压行业技术市场的预测

普通模锻生产能力富裕，在高精度锻件的生产能力上欠缺。目前，各锻压企业应以提高模具寿命为中心，对模具材料及热处理、加工技术及设备以及锻造加热、锻造工艺、设备、润滑等有关影响模具寿命的因素和技术环节，进行系统分析，延长模具寿命，保证锻件的尺寸精度。另外，加快蒸气汽锤淘汰和改造电液锤的步伐；坚决淘汰燃煤炉，推广中频感应加热，强化模锻生产机组的配套水平；采用锻件余热等温退火，锻压直接淬火技术；发展有色金属锻造。2.3.2加快普通模锻生产的技术改造

在汽车、电器等行业中推广应用冷、温、热挤压精密模锻、闭塞锻造及复合工艺技术，充分发挥特种锻造优势。

2.3.3大力推广应用精密锻造技术我国的锻造设备的生产制造水平也落后于发达国家，主要表现在结构超大化，缺少现代技术和材料，加工装配质量低，服务滞后，开发设计能力低。因此就必须更新教育模式，全面加强人才培养；引进先进技术，同时加强开发、研究，加强对引进技术的消化吸收。2.3.4发展现代化锻造设备和模具制造设备

锻造工艺模拟及工艺CAD/CAM。2.4锻压成型研究热点

在塑性成形过程中，材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响等等，都是十分复杂的问题，借助模拟方法能使人们获得对于塑性成形过程规律的认识，以较小的代价、在较短的时间内找到最优的或可行的设计方案。

模拟针对某个现象或过程的原型，建立一个与该现象或过程具有相似性而又便于人们进行观测和控制的模型，通过研究模型在各种条件下的响应来推测原型在相应条件下的响应，从而获得对原型规律性的认识。

分类

物理模拟方法、有限元模拟方法两大类。

物理模拟方法采用物理模型进行实验模拟。

有限元模拟方法采用一组数学方程和定解条件将实际过程抽象成理论模型，采用计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在相应条件下所发生的实际过型测。

薄壁异形管弯曲成形工艺及模具结构优化模拟仿真研究

Pro/E软件建立模型，DEFORM-3D有限元分析软件对成形过程进行了数值模拟，得变形过程中的流动速度场、有效应力场与有效应变场、压力-行程曲线。齿轮泵体半固态挤压成形的数值模拟研究

冲模是冲压生产中必不可少的模具，它直接影响着冲压件的质量及冲压生产的效率。冲模的种类很多，按模具动作特点，一般可分为简单冲模、连续冲模和组合冲模等，冲压模具是衡量冲压技术的一个重要的指标。3.2冲压模具3冲压成形3.1冲压成形概念冲压是使板料经分离或成形而得到制件的工艺。由于加工对象主要是塑性较好的金属薄板料、条带料，所以也叫板料冲压。因其通常在室温下进行，故又称板料冷冲压。一、简单冲模二、复合模三、连续模

改革开放以来，模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心。3.3冲压模具发展现状

一些国内模具企业已普及了二维CAD，并陆续开始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件，个别厂家还引进了Autoform、Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。

以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步，东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。此外，许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。

例如，吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分析KMAS软件，华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模CAD/CAE/CAM软件，上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模CAD软件等在国内模具行业拥有不少的用户。

虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低；CAD/CAE/CAM技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。

“交货期短”“精度高”“质量好”“价格低”3.4未来冲压模具制造技术发展趋势及研究热点

(1)全面推广CAD/CAM/CAE技术(2)高速铣削加工(3)模具扫描及数字化系统(4)电火花铣削加工(5)提高模具标准化程度

(6)优质材料及先进表面处理技术(7)模具研磨抛光将自动化、智能化

(8)模具自动加工系统的发展

(9)对于信息化、高速化生产与高精度化发展是模具发展的重点模具数字化制造、系统集成、逆向工程、快速原型/模具制造及计算机辅助应用技术等方面形成全方位解决方案，提供模具开发与工程服务，全面提高企业水平和模具质量，这更是冲压模具技术发展的重点和热点。

4其他塑性成形方法及塑性成形新工艺

4.1挤压

1、概念

挤压是模锻加工中的一种少、无切屑加工工艺。它是利用锻压设备的简单往复运动，坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出，使之成为所需制品的加工方法。

2.挤压的主要工艺类型根据金属的流动方向和凸模运动方向，挤压分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。

正挤压：金属流动方向与凸模运动方向相同的挤压方式。

反挤压：金属流动方向与凸模运动方向相反的挤压方式。

复合挤压：一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，另一部分金属流向相反的挤压方式。复合挤压径向挤压

径向挤压：金属流动方向与凸模运动方向成90°角度的挤压方式。

4.2超塑性加工成形

超塑性是指金属材料在特定条件下，在低载荷作用下，其拉伸变形的伸长率超过100%的现象，其中最大伸长率可达1000-2000%。超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，变形应力可比常态下金属的变形应力降低几倍至几十倍。所以该种金属极易成形，可采用多种工艺方法制出各种复杂零件。

目前常用的超塑性材料主要是锌铝合金、铝基合金、铜合金、钛合金及高温合金。经过超塑性加工成形的制件，其内部组织仍呈超细晶粒状态，则室温下强度较高，高温下蠕变性能较差，影响超塑性的因素很多，主要有变形温度、变形速度、组织结构及晶粒度等。

高能高速成型是一种在极短时间内释放高能量（化学能、电能、电磁能和机械能等）而使金属变形的成型方法。高能高速成型的特点:模具简单零件精度高，表面质量好可提高材料的塑性变形能力利于采用复合工艺4.3

高能高速成型

1．爆炸成型

爆炸成型是利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能对金属毛坯进行加工的高能高速成型方法。

1-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-密封毛坯固定在压边圈和凹模之间，为了减少振动和噪声，将模具埋在水中，以水作为成型的介质。爆炸时的高速及高压冲击波在水中传播，爆炸时，炸药以2000-8000m/s的高速及高压冲击波在水中传播，使毛坯成型。成型时间极短，一般仅1ms左右。

2．电液成型电液成型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能高速成型方法。可以对板材、管材等进行拉深、胀形、校形和冲孔。与爆炸成型相比，电水成型时能量较易控制，成型过程稳定，操作方便，生产率高。但加工能力受设备能量的限制，一般仅用于￠40mm以下的形状简单的小零件加工。

3．电磁成型电磁成型是利用脉冲磁场对金属坯料进行压力加工的高能高速成型方法。成型线圈放在管坯内部，相当于变压器的一次侧，管坯相当于变压器的二次侧。放电时，管坯内表面的感应电流I′与线圈内的放电电流I方向相反，这两种电流产生的磁场磁力线，在线圈内部空间因方向相反而抵消，在线圈和管坯之间因方向相同而加强，其结果是管坯内表面受到强大的磁场压力，使管坯胀形。

电磁管材胀型原谅1-电容器2-开关3-成型线圈4-管材毛坯

粉末锻造是粉末冶金成型方法和锻造相结合的一种金属加工方法。它是将粉末预压成型后，在充满保护气体的炉子中烧结制坯，将坯料加热至锻造温度后模锻而成。4.4

粉末锻造硬质合金即是将一些难熔的金属化合物粉末和黏结剂粉末混合加压成型，再烧结而成的一种粉末冶金产品4.5

液态成型4.6连续局部塑性成形此外，还有5塑性成形研究热点总结

技术融合的趋势：

一方面，塑性成形技术的进步需要从相关学科的发展中吸取自身发展的动力，如在塑性变形机理的研究中要利用材料科学和力学的进步来深化对于塑性成形中材料组织性能演化规律的认识，以便更好地解释和预测热成形过程中回复、再结晶以及流动应力的变化，塑性成形中的织构演化和塑性各向异性、损伤的演化和破裂准则；在塑性成形工艺优化中，需要利用计算数学和计算力学中的新方法等等。

另一方面，科学技术的发展也为塑性成形技术不断开辟新的应用领域，如微制造中用塑性成形工艺部分地取代起源于集成电路制造工艺的光刻、腐蚀等技术，可以降低成本、减少环境污染。

技术融合的趋势对于从事塑性成形理论研究和技术开发的科技人员提出了新的要求和挑战。

1.数值模拟（冲压工艺分析，冲压成形分析，参数分析）

10多年来一直是国际塑性加工领域的一个研究热点。世界各国尤其是发达国家的汽车制造业主都投入大量人力来研究，并与大学、研究所展开了广泛的合作，开发自己的数值仿真软件。国外开发的冲压成形模拟软件Dynaform、AutoForm，Flowcast体积成形模拟软件DEFORM等在我国已拥有大量用户，我国自行研发的模拟软件、如FASTAMP等也已得到推广应用。目前的研究己从对简单形状的材料成形分析逐步发展到对复杂的汽车覆盖件成形过程进行模拟，特别是对数值仿真软件处理多工序、模拟起皱和回弹的能力提出了较高要求。

2、塑性成形工艺优化

塑性成形模拟技术主要用于校核成形工艺和模具设计的可行性。如果设计存在缺陷，需要设计人员提出改进方案，然后再对新方案进行模拟和评价。由于影响塑性成形过程的因素众多且关系复杂，同时模拟计算的工作量很大，所以，除了较为简单的问题，还难以利用软件自动地实现优化计算，由于逆算法的应用，冲压工艺参数优化方面取得了较大的进展。在优化思想方面，逆算优化方法近年来得到了广泛应用。该方法实质上是微分方程的反演问题，即已知问题的最终状态，要求问题的初始状态、边界条件和模型参数。在工程应用中，逆算优化方法主要用于解决如下三类问题。在逆算优化计算中，除了应用传统的数学规划方法以外，也越来越多地应用各种智能化的优化方法，如模拟退火