塑性加工新理论新技术新方法.docx

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塑性加工新理论新技术新方法

塑性加工新理论、新技术、新方法

塑性加工是使金属在外力（通常是压力）作用下，产生塑性变形，获得所需形状、尺寸、组织和性能的制品的一种基本的金属加工技术，以往常称压力加工。

金属塑性加工的种类很多，根据加工时工件的受力和变形方式，基本的塑性加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、拉深、弯曲、剪切等几类。

金属塑性加工与金属铸造、切削、焊接等加工方法相比,有以下特点:

（1）金属塑性加工是金属整体性保持的前提下,依靠塑性变形发生物质转移来实现工件形状和尺寸变化的,不会产生切屑,因而材料的利用率高得多。

（2）塑性加工过程中,除尺寸和形状发生改变外,金属的组织,性能也能得到改善和提高,尤其对于铸造坯,经过塑性加工将使其结构致密，粗晶破碎细化和均匀,从而使性能提高.此外,塑性流动所产生的流线也能使其性能得到改善。

（3）塑性加工过程便于实现生产过程的连续化，自动化，适于大批量生产，如轧制、拉拔加工等,因而劳动生产率高。

（4）塑性加工产品的尺寸精度和表面质量高.

（5）设备较庞大、能耗较高.

金属塑性加工由于具有上述特点，不仅原材料消耗少，生产效率高，产品质量稳定，而且还能有效地改善金属的组织性能。

这些技术上和经济上的独到之处和优势，使它成为金属加工中极其重要的手段之一，因而在国民经济中占有十分重要的地位。

如在钢铁材料生产中，除了少部分采用铸造方法直接制成零件外，钢总产量的90%以上和有色金属总产量的70%以上,均需经过塑性加工成材,才能满足机械制造,交通运输,电力电讯、化工、建材、仪器仪表、航空航天、国防军工、民用五金和家用电器等部门的需要；而且塑性加工本身也是上述许多部门直接制造零件而经常采用的重要加工方法,如汽车制造、船舶制造、航空航天、民用五金等部门的许多零件都须经塑性加工制造。

因此，金属塑性加工在国民经济中占有十分重要的地位。

金属塑性加工是具有悠久的历史的加工方法，早在两千多年前的青铜时期,我国劳动人民就已经发现铜具有塑性变形的能力，并掌握了锤击金属以制造兵器和工具的技术，随着近代科学技术的发展，已经赋予塑性加工技术以崭新的内容和涵义。

但是，作为这一技术的理论基础---金属塑性加工理论则发展得较晚，直到20世纪40年代才逐渐发展成一门独立的应用学科。

在欧、美及日本等发达国家,塑性加工主要是围绕汽车构件的生产而不断发展的，虽然近几年我国在塑性加工领域取得很大的进步，不过与传统的制造业强国还是有不小的差距。

本文主要介绍塑性加工的几种新技术极其原理。

板料单点数控增量成形

传统的板材零件成型都是利用模具的凸凹模来加工制作的，因为模具的制造成本很高，因此不适宜于小批量生产，通常是应用于大批量生产中。

而板料数控渐进成形工艺不需要专用的模具，是一种柔性的成形工艺，它根据板料零件的成形要求设计数控程序，然后通过数控机床的进给系统，成形工具按照一定的轨迹逐步地成形板料，直到得到需要的零件。

可以通过修改产品的数字模型来调节成形工具的成形运动轨迹，达到改变成形零件的形状的目的。

因此，它的成形周期短，产品更新快。

这种工艺非常适合于小批量、多品种和复杂的板料产品。

金属板料数控渐进成形技术，是一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技术基础之上的先进制造技术，它采用快速原型制造技术“分层制造”的思想，将复杂的三维形状沿z轴方向离散化，即分解成一系列二维层，在这些二维层上进行局部的加工，着重强调层作为加工单元。

金属板料数控渐进成形技术，是通过计算机直接驱动CAD模型，实现设计与制造一体化的柔性快速制造方法。

采用专门研制的三轴数控成形设备，控制成形工具作相对三维曲线运动，沿其运动轨迹对板料进行局部的塑性加工，使板料逐步成形为所需的工件。

金属板料数控渐进成形的加工过程如图1.1所示。

数控成形系统主要由成形工具头、导向装置（导柱、导套）、顶支撑模型、托板、压板和机床本体组成。

工具头在数控系统的控制下进行运动，顶支撑模型起支撑板料的作用，对于形状复杂的零件，该顶支撑模型可以制成简单的模具，有利于板料的成形。

成形时，首先将被加工板料置于一个通用顶支撑模型上，在托板四周用压板夹紧板料，该托板可沿导柱上下滑动，如图1.1（a）所示。

然后将该装置固定在三轴联动的数控无模成形机上，加工时，成形工具先走到指定位置，并对板料压下一个设定的压下量，然后根据控制系统的指令，按照第一层轮廓的要求，以走等高线的方式，对板料进行单点渐进塑性加工，如图1.1（b）所示。

在形成所需的第一层截面轮廓后，成形工具又压下一个设定的压下量，再按第二层截面轮廓要求运动，并形成第二层轮廓。

如此重复，直到整个工件成形完成。

在金属板料数控渐进成形过程中，每点的变形对其他未变形部分的影响很小，变形后的工件凸缘基本上保持变形前的原状。

（a）成形前（b）成形后

图1.1数控渐进成形原理图

1坯料②成形工具③固定工具④托板⑤压板⑥底座⑦导柱⑧气缸

哈尔滨工业大学王仲仁教授主要研究薄壁件数控单点增量成形工艺[1]。

其实质是以连续的微小区域变形代替工件整体的成形，由于工件与工具的接触面积小，所以载荷并不大。

文献[2]阐述了对数控增量成形技术进行的实验研究并探讨了加工轨迹对增量成形壁厚分布的影响，同时指出该技术不需专用模具，可通过数控设备加工出成形极限较大、形状复杂的板材零件。

应用面较广，适合于航天、汽车和民用产品中的小批量板件加工，有着广阔的发展前景。

文献[3]以圆弧成形轨迹为例，对较为简单的二维轴对称成形进行分析，从板坯与成形件之间的映射关系入手，讨论了如何控制金属流动才能使变形后应变均匀化程度得以提高，为成形轨迹的选定提供了理论依据。

此外，还指出了增量成形能提高成形极限的原因，探讨了影响成形件表面质量的因素。

文献[4]根据对增量成形工艺的研究，提出了增量成形轨迹设计的一般原则，其中变形的均匀化原则对指导板料成形工艺的设计，具有较强的实用价值，并指出不同的成形轨迹对板料变形的影响不同，合理地制定成形轨迹是增量成形工艺的关键。

板料单点增量成形已经应用于包括汽车覆盖件、工艺品、军工制品等零件的生产加工。

实践证明，这种成形方法具有经济快速、柔性大等点。

随着对其成形机理的更深入研究和工艺方案的不断完善，制件的成形质量和精度将得到更为有效的控制和改进。

粘性介质压力成形

由于全球竞争的加剧，迫使人们去研究新的成形技术来替代常规的耗能大的成形方法以节约资源。

粘性介质压力成形（viscouspressureforming，VPF）是一种新的板料软模成形技术，尤其适合于汽车、航空航天等领域多品种、小批量难成形材料如铝合金、镁合金、钛合金以及高温合金和复合材料等的成形。

其工艺原理如图2.1所示，在成形过程中，粘性介质被注入到板料两侧形成压力场，同时调节压边力的大小和分布使板料按要求顺序成形，以避免板料局部过分减薄，最终得到符合要求的零件。

图2.1粘性介质压力成形工艺原理

与常规的刚性凸凹模成形相比，不仅节约了大部分模具费用,而且成形零件尺寸精度高,厚度分布更均匀。

实际生产中成品率大大提高,完全达到设计要求。

粘性介质压力成形与其他软模成形的主要不同点在于所采用的传力介质是一种半固态、可流动且具有应变速率敏感性的物质。

成形过程中，粘性介质的变形抗力可以自适应于板料的变形，因此模腔内的压力场是非均匀变化的。

这非常有利于板料成形性能的提高。

另一个特点是在成形过程中，粘性介质可以同时注入到板料的两侧，这样，反向压力的存在可以减少微裂纹的产生并改善板料的应力状态，同样也有利于提高板料的成形性。

常规刚性模具成形相比，粘性介质压力成形工艺消除了成形时对零件表面的划伤。

尤其是在成形复杂型面零件时，常规成形容易造成板料局部撕裂或不能贴模，而粘性介质压力成形工艺则可以避免破坏且成形件尺寸精度高。

与以水或油为传力介质的液压相比，粘性介质压力成形对密封的要求较低，因此压边力可以得到很好的控制，进而得到壁厚分布更为均匀的零件。

与聚氨酯或橡胶成形相比,粘性介质在压力下有很好的流动性，可以充填小角度和复杂曲面，因此得到的零件贴模性好。

粘性介质压力成形工艺有利于提高板材成形性能，因此适用于难变形材料以及形状复杂零件的成形。

在粘性介质压力成形中，通过工艺参数的优化有利于难成形零件的成形，采用合理分布的压边力就是方法之一。

粘性介质压力成形里的压边力不仅要防止法兰起皱，而且还要阻止粘性介质泄漏。

压边力过小，零件法兰起皱，粘性介质容易泄漏，模具腔内压力达不到成形要求；压边力过大，阻碍法兰部分材料的流动，容易使零件产生裂纹。

因此，粘性介质压力成形过程中需要充分考虑压边力的影响。

Ahmetoglu等[5-6]根据粘性介质压力成形特点推导了模具腔内粘性介质压力与压边力及其它作用力之间的关系，认为在压边力较低时可以增加粘性介质注入速度（粘性介质来不及泄漏）提高模具腔内压力，因而有利于材料流入到模具腔内。

通过使用多点压边设计，研究了压边力分布及大小对板材成形的影响（如图2.2所示）。

对于几何形状特殊的零件，优化压边板厚度，压边缸的数量及位置等参数能获得所需的压边力分布。

针对小半径薄壁波纹零件，文献[7-8]采用粘性介质压力成形工艺，通过优化粘性介质压力与压边力之间的关系，成功地成形出符合要求的波纹零件（如图2.3所示），并确定了坯料完全贴模的条件。

通过对铝合金回转体阶梯形试验和数值分析，确定了零件产生法兰起皱、顶端破裂以及无缺陷时的压边力的范围[9]

图2.2不同压边力模式下6061铝合金板材成形状态

a）高温合金b）不锈钢

图2.3薄壁波纹零件

VPF技术已成功地应用于镍基高温合金波纹形薄壁板件、铝合金阶梯形板件和不锈钢阀芯半球壳的成形，成形件具有很高的尺寸精度和表面质量，说明VPF适合于成形高强度材料复杂形状和高尺寸精度和表面质量的板料件。

成形过程粘性介质注入压力和压边力之间的匹配关系是能否得到合格成形件的关键因素。

采用数值模拟方法可以对成形过程粘性介质压力和压边力的变化进行预测和优化。

粉末冶金成形

粉末冶金是制取金属粉末和用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术[10]。

广义上，它也包括以氧化物、氮化物、碳化物等非金属化合物粉末为原料，用成形-烧结制造材料或制品的技术。

将金属粉末制成金属材料或金属制品，常采用的生产工序是：

1）金属粉末的筛分或分级。

用筛子将粉末筛分成不同的粒度范围，依据用途将它们按所需比率进行混合。

例如，可以通过选择合适的粒度组成，以有效地填充相互接触颗粒的空隙。

这有助于冷压制后达到最佳密度。

图3.1粉末冶金生产流程图

2）粉体的混合。

将所需的基本原料粉末（如铁粉、铜粉等）、用于合金化的金属与非金属粉末（如镍粉、钼粉、石墨粉等）以及压制时所需的固体润滑剂粉末（如硬质酸锌等），进行机械混合，以制成无偏析的均匀的混合粉末。

3）粉体的压制成形。

最常用的金属粉末压制方法是，在常温下用单轴向或双轴向刚性模具压制成形。

压制成形的毛坯要有足够的强度，使其能从模具中脱出并进行运输。

压坯可能是坯料，也可能形状与制品相近或相同。

坯料在烧结后还需要进一步轧制、锻造、挤压或拉伸。

4）烧结。

为了使压坯有足够的强度满足应用，必须进行烧结。

烧结一般在保护气氛或真空中，将压坯加热至高温。

在烧结时，由于发生固体冶金反应而大大改善了原始粉末颗粒间界面的结合。

对粉末压制成形机理仍各执一词，并无定论，粉末成形建模途径和理论各不相同。

在建模时要考虑粉末成形的特性，即粉末变形时体积是变化的，流动应力随着粉末压坯的相对密度变化而变化，静水压力对粉末体的屈服行为有影响。

根据粉末变形的特性，目前普遍采用的建模的方法主要有两种方法，即基于连续介质力学建模方法和基于非连续介质力学建模方法。

从本质上看，粉末在压制初期是非连续体，但由于非连续介质连续的基本理论还不完善，若将粉末体视为非连续体来研究其变形规律，将会给问题的解决带来很大的不便，基于连续介质力学对粉末成形进行研究是将粉末体视为连续体，即将粉末体视为“可压缩的连续体”。

这样就可以应用连续体塑性力学理论来研究粉末成形行为。

基于连续介质力学所形成的建模方法有基于粉末烧结体塑性力学方法和基于广义塑性力学（土塑性力学）方法。

基于非连续介质力学所形成的建模方法有基于密集堆积球形颗粒的微观力学方法。

基于粉末烧结体塑性力学方法是对粉末成形研究最多的一种建模方法。

该方法是在完全致密体金属塑性变形求解（即金属塑性力学-VonMisses理论）基础上，通过一定的假设，然后进行实验修正，提出的建模方法。

该方法建立的模型大多数是基于某种特定材料提出的屈服模型，不具有广泛性，同时由于该建模方法是基于可压缩连续体的假设建立起来的，与实际情况有差别，特别是压制初期，粉末体处于松散性较大的状况，这与连续体又很大的差别，因此目前基于连续介质力学建立的模型在高密度区域还能解释粉末的变形行为在低密度区域其准确性较低。

基于土塑性力学方法建模方法是根据粉末体与土体的性质有着重要的相似性，即屈服过程中体积可变。

因此近年来有些学者试图从土塑性力学的理论出发，寻找理论建立金属粉末体压制成形模型的方法。

该种建模方法一般都包含很多试验参数。

对于粉末金属而言，这些参数需要通过大量深入的试验获得，因此建模比较困难，参数选择不同，模型精度也有所不同，同时土体在低密度区还会出现体积膨胀的现象，这与金属粉末压制状况是不同的。

目前基于土塑性力学的数学模型只是应用经典的Mohr-Coulomb屈服准则，即认为粉末金属的屈服只是等效应力超过材料的粘聚力，还不能考虑到材料的硬化现象。

基于密集堆积球形颗粒的微观力学方法是为了研究粉末的微观特性对成形性能的影响而建立起来的一种非连续介质力学建模方法。

该方法把粉末体视为颗粒的集合体，粉末颗粒被近似视为弹性或弹塑性的圆形（2D）或球形（3D）单元，并建立单个颗粒行为与粉末集合体宏观行为的联系，通过单个颗粒的变形行为来近似的描述粉末集合体的变形行为，从而确定粉末成形塑性变形规律。

在该模型建立的过程中球的数量、形状及分布特征直接影响模拟结果以及计算机运算速度，因此普遍采用比较理想化的建模方法，即采用一定数量的规则粉末颗粒（如球形、椭圆形、多变形等），颗粒遵循某种规律堆积或纯粹的理想堆积模型，通常采用二维模型进行模拟，但由于这种建模方法过于理想化，同时颗粒的变形行为与宏观粉末体的变形行为有一定的差距，再加上人们在描述粉末成形时更关注于对象的宏观特性的变化情况，因而该建模方法目前尚处于探索阶段。

目前国外粉末冶金行业已将计算机仿真技术运用于粉末成形。

对压制成形过程的数值模拟也在积极的进行中，但还未达到实用阶段，究其原因主要是粉末成形过程中粉末形状十分复杂，产品形状也十分复杂，加载条件多样，同时，粉末压制成形机理没有定论，松散介质力学尚处于发展阶段，现有的数学模型还不能完全正确的描述真实的粉末成形过程以及预测缺陷产生原因，因此，有必要对金属粉末成形理论进行深入的研究，得到更加精确的数学描述模型，以研究粉末压制过程中的粉末变形行为。

由于粉末体是非连续体，其变形是一个非常复杂的过程，需要从各个颗粒的变形以及各个颗粒之间的协调关系，研究其整体变形。

同时由于压制工艺、条件及粉末颗粒参数不同，也影响模型的建立，因此要找到一个十分精确、严格的数学模型来描述它是十分困难的，近几年一种不需明确界定粉末屈服曲面的建模方法—内蕴时间方法逐渐引起了广大学者的关注。

该方法由K.C.Valanis在1977年提出的，其思想是：

任意一点的即时应力状态是该点领域内的整个变形和温度的历史泛函，该历史是通过一个取决于变形中材料特性和变形程度的内蕴时间标定的。

由于内蕴时间模型绕开了一个不是很精确的物理量的屈服点及其相应的屈服面带来的困扰，因此具有很大的吸引力，但是由于内蕴时间理论尚处于发展中，以及内蕴时间函数的建立是个难点，而且在粉末成形中的应用也是刚刚起步，因此研究难度较大。

金属塑性变形屈服准则是研究金属塑性成形过程的重要内容，合理的屈服模型能准确的描述金属塑性变形过程以及变形规律，并应用于指导实际生产，得到各项性能优异的粉末冶金制品。

对粉末成形屈服准定的研究主要形成了椭圆形、圆锥帽子形、抛物线形、混合型等不同形状曲面的屈服准则。

纯粹的理论推导所得到的粉末屈服模型由于公式过于抽象，形式过于复杂，参数难以获得，应用前景不大，但是以实验参数得到的粉末屈服模型，由于其适用范围的限制，参数过多，修正实验量较大，应用比较困难。

目前所建立的各种粉末屈服准则有其适用范围及各种假设条件，现在还没有一种屈服准则能广泛应用于不同粉末、不同压制状况，因此研究通用性较广、准确性较高的屈服模型是目前广大学者的主要任务之一。

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