金属基复合材料成形加工工艺

2、成 形
1）定义： 成形是利用局部变形使坯料或半成品改变形
状的工序。该工序常用于形成刚性筋条，或增大半成品 内径（胀形）。
模压成形
橡胶胀形
2、翻 边 液体胀形
3、旋压成形
1
2
3
4
5
4、爆炸成形
爆炸成形是利用化学能 在10-12～10-7s的时间内转换 为冲击波能量，并以脉冲波 的形式作用在坯料上，使其 产生塑性变形的加工方法。
5、电磁成形
首先，绕在坯料上的 线圈由于脉冲电流作用， 将产生一个交变磁场；相 应地，坯料内产生感应电流，感应电流产生的磁场与线圈 磁场相互作用，线圈和坯料之间就出现斥力，最终导致坯 料以较大的运动速率和模具贴合而成形。
第四节 挤 压
挤压是将金属坯料放入挤压模具中，在压力作用下使 坯料从模孔中挤出而变形的加工工艺。
➢ 楔横轧：利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行
轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。
轧制时坯料径向尺寸减小，长度增加
金属变形过程
楔横轧主要 用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。
➢ 连铸连轧：
连铸连轧技术已经实用化。
锻造
锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工 艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公 元前4000年——甚至8000年。
左右短时加热后再加载
3、吕德斯带现象的消除 利用应变时效理论解决这一问题。将薄板在冲压之
前进行一道微量冷轧工序（1～2％的压下量），或向钢 中加入少量的Ti或Al，C，N等间隙原子形成化合物， 以消除屈服点，随后再进行冷压成形，便可保证工件表 面平滑光洁。
➢ 制 耳：
当用有织构的轧制板材来拉深成型零件时，将会因 织构的各向异性造成板材各方向变形量不同，使拉深出 来的工件边缘不齐，壁厚不均，这种现象称为“制耳”。
锻造最初是通过石制 工具锤打的方法来制造珠 宝、钱币和各种器具，再 发展成铁匠这一古老的职 业。
铸造生产的C5A运输机着陆齿轮构件
锻造概述：
➢ 基本步骤：
右图表示的是锻 造锥齿轮轴的步骤。 （美国锻造工业协会 提供）
➢ 流线组织：
Casting
Machining
Forging
锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。
➢ 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。
➢ 基本工艺过程：
1、普通模锻
2、模锻＋切边
3、一模多锻
➢ 基本工序：
1、盘状锻件
镦粗
（预 锻）
2、直轴类锻件 拔长
滚压
终锻
终锻
（预 锻）
3、弯轴类锻件 拔长 滚压 弯曲
终锻
（预 锻）
4、叉类锻件 拔长
滚压
终锻
预锻
5、枝芽类锻件 拔 长 滚 压 成 形 （预 锻） 终 锻
➢ 特点和应用：
超塑性模锻：
➢ 定义：是指在较低的成形速率下，在可调速的水压
机或液压机上使超塑性金属模锻变形，模锻时变形速率 逐渐减小的工艺方法。
➢ 基本工艺过程：
➢ 特点和应用：
1、显著提高材料的工艺塑性； 2、极大降低金属的变形抗力； 3、金属充填性能良好，尺寸精度高，切削余量小； 4、可获得均匀细小晶粒，综合机械性能好； 5、适于一次锻造出形状复杂、薄壁和高筋的锻件。
冷轧是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷 轧产品尺寸精度高，表面光洁，机械强度高。冷轧变形 抗力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。
现代化的连续轧制生产线
轧制的主要工艺类型
根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制可分为纵
轧、横轧、斜
工
轧和楔横轧。 字
钢
➢ 纵轧：
的 轧
制
轧辊轴 过
程
线与坯料轴
低碳钢的屈服现象
低碳钢薄板表面的吕德斯带
1、吕德斯带对冲压制品的危害 制品表面粗糙，增加机加工工序，浪费原材料。
2、应变时效理论（Cotrell气团解释） 应变时效：将经过少量变形的试样放置一段时间，或经 过200 ℃左右短时加热后再进行拉伸，则屈服点又出 现，且屈服应力提高的现象。
左图：低碳钢的应变时效 a：预塑性变形 b：去载后立即加载 c：去载后放置一段时间或在 200 ℃
5.2.3 轧 制
轧制最早在16世纪后期发展起来，目前约有90％的金 属材料涉及轧制工艺。
轧制的基本操作是平板轧制，即简单轧制，轧出来的
是平板和薄板。
6 mm 平 板
平板 轧制
< 6 mm 薄 板
300 mm 大锅炉支撑
150 mm 100～125 mm
反应容器 坦克装甲
1.8 mm
波音747蒙皮
➢ 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。
线方向垂直。
固定芯杆
移动芯杆
无芯杆
芯杆＋凹轧辊
几种常见的管材轧制工艺
➢ 纵轧：轧辊轴线与坯料轴线方向平行。
横轧与轧件的典型横截面示意图
➢ 斜轧：轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度。
在轧制过程中，金属棒料在轧辊间螺旋 型槽里受到轧制，并被分离成单个的小 球，轧辊每旋转一周即可轧制出一个钢 球。
第三节 板材冲压
板材冲压时利用冲模使薄板产生分离或变形的加工方 法。通常用于加工表面积与厚度之比很大的工件，与体积 成形工艺（如锻造）不同，板料成形时材料的厚度通常不 会减少，目的是避免缩颈和撕裂。
与铸造、锻造出来的零件相比，薄板冲压的零件有 着重量轻、形状多变的优点。由于低碳钢价格低，具有 足够的强度及良好的成形性能，所以它是最常用的金属 薄板料。而航空宇航业则常选用铝和钛薄板料。
➢ 主要工序：
1、实心圆截面光轴 及阶梯轴
拔长（镦粗及拔长）
切割
锻台阶
2、实心圆截面光杆及阶梯杆 拔长（镦粗及拔长） 切 割
锻台阶
冲孔
3、单拐及多拐曲轴
拔长（镦粗 及拔长）
错移
锻台阶
切割
扭转
4、空心光环及阶梯环 拔长（镦粗及拔长）
冲孔
扩孔
5、空心筒 拔长（镦粗及拔长）
拔长
6、弯曲件 拔长
弯曲
➢ 特点和应用：
➢ 锻造缺陷：
冲锻时，锻件可能留下 贯穿组织的流线，这些晶界
445MN（50000t）水压机
直接暴露在外，容易被环境腐蚀，产生粗糙表面，应力集中。
自由锻造：
➢ 定义：是指借助锻压设备上下砧块的压力使坯料成
形的压力加工方法，在锻造过程中，金属沿垂直于作用 力的方向上自由变形。
➢ 基本工艺过程：
1、锻件的质量范围宽，操作工具简单； 2、生产效率低，劳动强度大，金属损耗大； 3、锻件尺寸精度低，形状不太复杂； 4、适于单件小批量生产和锻造大型零件毛坯。
模型锻造：
➢ 定义：把金属坯料放在锻模的模膛内，在模锻锤或
压力机上利用冲击力或压力使坯料在模膛内产生变形， 从而获得形状与模膛内轮廓相一致的锻件的加工方法。
5.2 金属基复合材料的成形加工
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
轧制 锻造 板材冲压 挤压 拉拔
通过铸造方法得到的金属坯件大多不能直接使用，还 需要进一步的加工成形，如轧制、挤压、拉拔等。
压力加工是指在不破坏金属自身完整性的条件下，利 用外力作用使金属产生塑性变形，从而获得具有一定形状、 尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法，也称位塑性成 形或塑性加工。
常见的胎模有扣模、套筒模及合模三大类。
➢ 特点和应用：
1、生产效率较自由锻高，但比模锻低； 2、锻件尺寸精确较自由锻高，但比模锻低； 3、与模锻相比，设备简单，锻模易加工； 4、适于批量锻造中小型零件。
精密模锻：
➢ 定义：在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高
的模锻工艺方法。
➢ 基本工艺过程：
制耳现象的处理： 1）严格控制轧制板材的压下量。 2）拉深前对轧制板材适当退火。 3）对有制耳的产品进行机加工。
冲压的主要工艺类型
根据板料在加工过程中其整体性是否破坏，板料冲压 可以分为分离工序和变形工序两大类。
➢ 分离工序：
1、剪 切
剪刀
冲模
剪切
2、落 料
落料
3、冲 孔
冲孔
4、切 口 在坯料上沿不封闭轮廓冲出缺口，切口部分发生弯
冲压概述：
➢ 冲压的主 要参数：
➢ 冲压的变形区域：
C表示冲头与定模之间的间隙
冲剪变形区域的显微硬度分布
当间隙C增加时，材料倾向于被拉 进定模内，而不是被剪切。在实际生 产中，间隙C控制在板厚的2～10％。
➢ 吕德斯带：
当应力到达上屈服点时，在试样应力集中处首先开 始塑性变形，能在试样表面观察到与纵轴呈约45°的应 变痕迹，称为吕德斯带。与此同时，应力降到下屈服点， 吕德斯带就沿试样长度方向扩展，此即屈服延伸阶段。
多数实心或空心截面都可以通过挤压成形获得。由于 挤出过程中，模具的几何形状不变，因此挤出件具有恒定 的截面。
挤出成形可在室温或高温下成形， 这主要取决于材料的塑性。由于要用到 模膛，每个毛坯要单独挤压，因此挤压 是一种分批的或半连续的成形工艺。
挤压概述：
挤压过程示意图
挤压主要的影响因素：
在挤压的主要影响因素中，挤压模的角度α和坯 料挤出前后的横截面积之比A0/Af（称为挤压比）属于 几何变量；此外，坯料的温度、挤出的速度以及润滑 剂的种类对挤压工艺来说也相当重要。
曲，如通风板。
5、切 边
4、剖 切 把半成品切成两个
或多个制件，常用于成 双冲压。
➢ 变形工序：
1、弯 曲
1）定 义： 使用模具或其它工具，将坯料的一部分
相对于另一部分弯曲成一定的角度或弧度的冲压过程。
2）最小弯曲半径：
薄板发生弯曲时，弯曲应变ε可以用以下函数关系表示。
＝
(r
1 /δ)＋1
当r/δ减小，即弯曲半径r与板厚δ的比值变小，薄
挤压成形的特点：
1、挤压时金属坯料在三向受压状态变形，因此可提高 金属坯料的塑性；
2、可挤各种形状复杂、深孔、薄壁、异性断面的零件； 3、零件精度高、表面粗糙度低； 4、挤压件内部的纤维组织提高了力学性能； 5、节约原材料，生产率较高。
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、 反挤、复合挤压和径向挤压。另外，还有静液挤压等。
板外侧金属的应变将增加，直至材料最终出现裂纹。
裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小 弯曲半径。 讨论
1、对相同厚度的薄板，塑性越好，则弯曲半径越小； 2、对相同塑性的薄板，板料越厚，则弯曲半径越小。
3）弹性后效（回弹现象）：
弹性后效是指弯曲后的零件在去除外力后，其弯 曲角度出现增大或减小的现象。
1、生产效率高； 2、锻件尺寸精确，表面光洁、加工余量小，节约材料； 3、成形依靠模膛控制，可锻造复杂形状的零件； 4、适于中小型复杂锻件的大批量生产。
胎模锻造：
➢ 定义：在自由锻设备上利用自由锻的方法进行坯料
变形，最后在未固定的锤头或砧座上的简单模具（胎模） 内成形的压力加工方法。
➢ 基本工Fra Baidu bibliotek过程：
➢ 轧件的组织变化：
➢ 轧机的轧辊数：
轧机有不同的轧辊配置，如：二辊式、三辊式、四 辊式、多辊式和串连式等，可以对材料施加前张紧力或 后张紧力，以提高工艺可行性或减小轧制力。
➢ 热轧和冷轧（按轧制温度分类）
热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，热 轧变形抗力小，塑性较差或变形量大，生产效率高，适 合轧制较大断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。
0.1 mm
饮料罐
0.008 mm 香 烟 铝 箔
轧制概述：
➢ 极限轧制量：
极限轧制量： h0 hf＝ 2 R
其中：μ为轧辊与工件之间的摩擦系数
➢ 轧制力：
轧制力函数： F＝L w Yavg
其中：Yavg为工件受轧时的平均真应力
讨论：（方程描述了无摩擦情况下轧制力的函数变化情况。）
为减小轧制力，可采取的措施有： 1、减小摩擦力； 2、用半径小的轧辊； 3、减小轧制时的压下量； 4、提高轧制温度。
裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小 弯曲半径。
减小弹性后 效的措施： 1、工艺设计时，使零件弯曲角度相差一个回弹角度； 2、弯曲后进行必要的校正（如模具校正和热校正等）。
4）弯曲的主要工艺类型：
自由弯曲
模弯
双模卷绕
单模卷绕
四模弯曲
2、拉 深（制耳） 拉深是在压力机上，利用
模具使金属板料产生塑性变形， 使之成为开口空心零件的一种 冲压工艺，也称拉延。