金属塑性成形先进加工方法

金属塑性成形先进加工方法

摘要：分析了当前金属塑性加工的几种技术：传统锻造、精密锻造、细微塑性成形。分析了各种加工技术的优缺点及适用性，以及作为先进塑性成形加工方法的细微塑性成形要解决的为题。

关键词金属塑性成形精密锻造细微塑性成形

在现代制造技术中，人们广泛的利用金属材料生产各种零件和产品。金属加工方法多种多样，包括成型、切削等。金属所形成形式其中一种重要的加工方法，它是利用固态下金属的塑性，是金属在外力作用下成形的一种加工方法，因此也称为金属塑性加工或金属压力加工。金属塑性成形工艺的种类有很多，包括轧制、挤压、拉拔、锻造和冲压等基本工艺类型。

一、传统锻造工艺分类及用途

与其它加工方法相比,锻造加工生产率最高,零件的形状、尺寸稳定性好,并有最佳的综合力学性能。锻件的最大优势是韧性高,纤维组织合理。锻造是金属在外力作用下产生塑性变形并获得所需形状与性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。

根据锻造生产使用工具和生产工艺的不同，锻造又可以分为自由锻、模锻和胎膜锻三种。

自由锻

自由锻是金属锻造时在上下两贴砧之间自由流动的变形。自由锻又包括镦粗、拔长、冲孔、切割、扭转、错移等。自由锻的设备较为简单，需要较高的操作技术，不使用专用模具，因此锻件表面粗糙，尺寸精度低，生产效率也不高，只适用于单件小批量生产。

模锻

模锻是迫使坯料在一定形状的锻模模膛内产生塑性流动成型的方法。模锻是指将坯料放如上、下模块的型槽(按零件形状尺寸加工)间,借助锻锤锤头、压力机滑块或液压机活动横梁向下的冲击或压力成形为锻件。由于模锻时金属的成型由模具控制，因此模锻件有相当精确的外形和尺寸，锻件的复杂程度、尺寸精度、表面质量均高于自由锻。

胎膜锻

胎膜锻是利用自由锻的设备制坯，然后在自由锻设备上使用简单的模具成型的方法。使用的模具成为胎膜，胎膜一般不固定在锻锤上，可以根据使用需要随时放置。胎膜锻的灵活性和适应性强，不需要昂贵的末端设备，模具较为简单，且生产效率、锻造精度、允许的锻件复杂程度介于自由锻和模锻之间，因此，许多批量不大的中小型锻件广泛采用胎膜锻。

二、精密锻造技术

精密锻造成形技术( 净成形) 是指零件锻造成形后, 只需少量加工或不再加工即符合零件要求的成形技术。精密锻造成形技术是先进制造技术的重要组成部分,不仅节约材料、能源, 减少加工工序和设备, 而且显著提高生产率和产品质量, 降低生产成本。

目前已应用于生产的精密锻造工艺很多。按成形温度不同可以分为冷精锻、温精锻、热精锻、复合精锻、等温精锻等。

冷精锻

冷精锻是在室温下进行的精密锻造工艺。室温下坯料的塑性差、变形抗力大，在冷锻时要产生变形和加工硬化，使锻模承受高的荷载，因此，需要使用高强度的锻模和采用防止磨损和粘结的硬质润滑膜处理方法。另外，为防止坯料裂纹，需要时进行中间退火以保证需要的变形能力。为保持良好的润滑状态，可对坯料进行磷化处理。在用棒料和盘条进行连续加工时，目前对断面还不能作润滑处理，正在研究使用磷化润滑方法的可能。【1】

冷锻件形状和尺寸较易控制，避免了高温带来的误差，工件的强度和硬度高，表面质量好，具有切削加工无法比拟的优点，特别适合大批量的生产，经常被用作为最终产品的制造方法。在交通运输工具、航空航天和机床等行业具有广泛的应用，也为当前的交通运输工业和机床工业的飞速发展提供原动力。

温精锻

温精锻是在再结晶温度之下某个适合的温度下进行的精密锻造工艺。温锻精密成形技术既突破冷锻成形中变形抗力大、零件形状不能太复杂、需增加中间热处理和表面处理工步的局限性, 又克服了热锻中因强烈氧化作用而降低表面质量和尺寸精度的问题。它同时具有冷锻和热锻的优点, 克服了二者的缺点。但是温精锻工艺锻造温度低、锻造温度范围狭窄且对其锻造范围要求较为严格, 需要

高精度专门的设备, 而且对模具结构和模具材料有较高的要求。【2】

热精锻

锻造温度在再结晶温度之上的精密锻造工艺称热精锻。有塑性变形过程引起的变性硬化效应被再结晶过程的软化作用所抵消，使材料保持了良好的塑性状态，锻件的变形抗力低，容易成形比较复杂的工件,但是因高温的而强烈氧化降低了工件的表面质量和尺寸精度。

闭式模锻是热精锻中使用最普遍的工艺方法，产生的变形抗力大，对设备和模具造成的损害较大。一般采用分流降压原理在封闭型腔最后充满的地方设置形状和尺寸大小合理的分流降压腔孔，当型腔中完全充满后，坯料的多余金属从分流腔孔挤出, 这样既解决了坯料体积与型腔体积不能严格相等的矛盾, 同时又降低了型腔的内部压力, 有利于提高模具寿命。

复合精锻

复合精锻工艺将冷、温、热锻工艺进行组合共同完成一个工件的锻造, 能发挥冷、温、热锻的优点, 摒弃冷、温、热锻的缺点。

表1 不同工艺直齿锥齿轮的技术性能比较

【3】

从表1可以看出三种不同的加工工艺中，复合精锻工艺生产的工件其机械性能、尺寸精度、表面粗糙度与其它2 个工艺相比, 都有所提高。因此,复合精锻工艺是目前精锻工艺发展的一个重要方向。

等温精锻

等温锻造工艺的关键是要求坯料在一定温度点或者在一定温度段发生变形，而且对不同变形坯料来说，其最佳变形温度有所不同，所以在等温锻造过程中温

度的控制十分重要。锻模的温度要控制在和毛坯加热温度大致相同的范围内，使毛坯在温度基本不变的条件下完成锻造。等温锻造加工得到的锻件，组织均匀、力学性能优良，锻件无回弹、尺寸稳定、材料的利用率高、表面质量好，因此等温锻造的实用性比较广。在航空工业中常用的钛合金、高温合金、粉末合金等高性能材料锻造温度范围窄、变形抗力大，使用常规的模锻方法成型困难重重，都采用等温锻造工艺。

我国等温锻造技术是从上个世纪80年代开始的,经过几十年的发展已经达到较为成熟的程度。目前,我国应用等温锻造技术可以对不同的锻件进行锻造,并使锻件呈现较好的组织均匀性、结构稳定性,同时还可以有效提高锻件材料的应用效率,节省材料。【4】

三、微细塑性成形技术

微细塑性成形加工生产的零件尺寸可以达到500nm到500μm的范围，特别适于微机电系统器件的制造，而且生产成本低、效率高，零件的强度高、表面质量好、尺寸精度高、工艺简单，在微型器件的批量生产制造方面显示了巨大的潜力。目前，微塑性成形工艺和方法的研究主要集中在微体积成型和微冲压成型两个方面。微体积成形方面主要进行微连接器、弹簧、螺钉、顶杆、齿轮、阀体、泵计叶片等微型器件的精密成型研究。微冲压成型主要研究微拉伸、微冲裁、增量成形、和弯曲微冲压的方法。

微成形工艺是一项新兴的多学科交叉的工艺技术，经过国内外学者几十年的研究和实验，该技术已得到一定的发展。但仍有一些问题需要解决，如：如何制造出精度较高,且足够用于微细塑性成形的工具来、如何在高速度的情况下获得较高的尺寸精度和表面质量。

四、结束语

塑性加工具有高产、优质、低耗等特点, 已成为当今先进制造技术的重要发展方向。还可以推动汽车工业、机械装备工业、航空、航天工业等支柱产业的发展。同时材料科学、计算机技术、信息控制技术等的快速发展, 又为塑性成形技术提供更多更新的发展基础。当前工业部门的广泛需求为塑性成形新工艺新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。因此, 塑性加工技术的发展需要加快从经验向科学化转化的进程, 做到更精、更省、更净。我国的塑性加工领域,