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材料成形设备小论文

塑性成形新技术概况

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2016年 4 月 12 日

天津大学仁爱学院2017届本科生材料成形设备小论文
摘要：文章介绍了当前塑性成形加工中的微成形、超塑成型、柔性加工、半固态加工等各种新技术，并分别阐述了各新技术的相关概念、特点、发展趋势等。这些相关介绍及发展概况对理解塑性成形技术及推广和运用高新技术，推动塑性成形的进一步发展具有一定参考意义。
关键词：塑性成形；新技术；发展概况
1 引言
塑性成形就是利用材料的塑性，在工具及模具的外力作用下来加工制件的少切削或无切削的工艺方法。塑性成形技术可分为板材成形和体积成形两大类。板材成形是使用成型设备通过模具对金属板料在室温下加压以获得所需形状和尺寸零件的成形方法，习惯上也称为冲压或冷冲压。板料成形可分为分离工序和成形工序。分离工序俗称冲裁，包括落料、冲孔、修边等。成形工序包括弯曲、拉伸、胀形、翻边等。体积成形是指对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法，主要包括锻造、轧制、挤压或拉拔等。
塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技术协会预测，到21世纪，机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性成形新技术的发展提供了原动力和空前的机遇。[1]
2 塑性成形新技术
随着科学技术的迅速发展，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性成形相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广泛是过去任何时代无法比拟的，塑性成形新工艺和新设备不断地涌现，出现了高速高能成形、少无切削、超塑成型、柔性加工、半固态加工等多种塑性加工新技术。掌握塑性成形技术的现状和发展趋势，有助于及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性成形技术的持续发展。
3.1 高速高能成形
高速高能成形是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。
高速高能成形的历史可追溯到一百多年前。但由于成本太高及当时工业发展的局限，该工艺并未得到应用。随着航空及导弹技术的发展，高速高能成形方法才进入到实际应用。
与常规成形方法相比，高速高能成形具有以下特点：
1)模具简单：仅需要凹模即可成形。可节省模具材料，缩短模具制造周期，降低模具成本。
2)零件精度高：成形时，零件以很高的速度贴模，在零件与模具之间发生很大的冲击力，这不但有利于提高零件的贴模性。而且可以有效地减少零件弹复现象。
3)表面质量好： 毛坯变形是在液体、气体等传力介质作用下实现(电磁成形则无需传力介质)。因此，毛坯表面不受损伤，而且可提高变形的均匀性。
4)可提高材料的塑性变形能力：与常规成形方法相比，高速高能成形可提高材料的塑性变形能力。因此，对于塑性差的难成形材料，高速高能成形是一种较理想的工艺方法。
5)利于采用复合工艺：用常规成形方法需多道工序才能成形的零件，采用高速高能成形方法可在一道工序中完成。因此，可以有效地缩短生产周期，降低成本。
3.2少无切削成形
机械制造中用精确成形方法制造零件的工艺，也称少无切屑加工。少无切削加工工艺包括精密锻造、冲压、精密铸造、粉末冶金、工程塑料的压塑和注塑等。
传统的生产工艺最终多应用切削加工方法来制造有精确的尺寸和形状要求的零件，生产过程中坯料质量的30％以上变成切屑。这不仅浪费大量的材料和能源，而且占用大量的机床和人力。采用精确成形工艺，工件不需要或只需要少量切削加工即可成为机械零件，可大大节约材料、设备和人力。
锻压少无切削的发展，使锻压加工突破了毛坯生产的范畴，能生产某些成品零件。锻压少无切削件除具有一般锻件的特点外，还具有材料消耗低，加工工序简化，节约加工工时，成本低等优点。近几年来出现的各种新型、专用的少无切削锻压设备，如多工位冷挤压机、嫩锻机、精冲压力机、特种轧机、精密锻轴机等，都具有生产率高、机械化自功化程度高等特点。[2]
与传统工艺相比少无切削加工具有显著的技术经济效益，能实现多种冷、热工艺综合交叉、多种材料复合选用，把材料与工艺有机地结合起来，是机械制造技术的一项突破。
3.3 超塑性成形
超塑性成形指金属或合金在特定条件下，即低的变形速(=10-2～10-4s-1)一定的变形温度(约为熔点的一半)和均匀的细晶粒度(平均直径为0.2～5μm)，其相对伸长率δ超过100％以上的特性。例如钢可超过500％、纯钛超过300％、锌铝合金超过1000％。
超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，也不会断裂，金属的变形应力可比常态下降低几倍至几十倍。因此，超塑性金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。
目前超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术，利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点，一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有成形性好、设计自由度大、成形精度高、没有回弹、无残应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。[3]
3.4 微成形
微成形指以塑性加工的方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术。
随着科技的提高，微型机电系统有了飞速的发展，而微成形技术是微型机电系统的灵魂，世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上。到目前为止，涌现出了多种成熟的微成形技术，以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械家加工技术，此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等一些方兴未艾的微成形技术。[4]
微成形技术主要源于电子工业的兴起，随着大规模集成电路制造技术和以计算机为代表的微电子工艺的发展，而且还来自技术的需要，例如医疗器械、传感器及电子器械的发展。越来越多的电子元件、电器组件及计算机配件等相关零件开始采用这一工艺方法进行生产。随着制造领域中微型化趋势的不断发展，微型零件的需求量越来越大，特别是在微型机械和微型机电系统中。
微成形具有极高的生产效率、最小或零材料损失、最终产品优秀的力学性能和紧公差等特点，所以适合于近净成形或净成形产品的大批量生产。
3.5 内高压成形
内高压成形是近10 多年来迅速发展起来的一种成形方法，它是结构轻量化的一种成形方法。是以管材为毛坯在内压和轴向补料联合作用下将管材成形为所需形状的先进制造技术。内高压成形件实现以空心替代实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面，比冲焊件的质量减少 15%~30%，且可大幅提高零件的刚度和疲劳强度。20 世纪 80 年代初，德国和美国的研究机构系统地开展了内高压成形基础理论、工艺及应用研究，并从 20 世纪 90 年代中期开始在汽车工业领域大批量应用。[5]
与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形具有以下优点：
(1) 减轻质量，节约材料　对于空心轴类零件可以减轻40%～50% ，有些件可达75%。
(2) 减少零件和模具数量，降低模具费用　内高压件通常仅需要一套模具，而冲压件多需要多套模具
(3) 可减少后续机械加工和组装焊接量　以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174个减少到20个，工序由13道减少到6道，生产率提高66%。
(4) 提高强度与刚度，尤其疲劳强度　仍以散热器支架为例，垂直方向提高39% ，水平方向提高50%。
(5) 降低生产成本　根据统计，内高压件比冲压件平均降低成本15%～20 ，模具费用降低20%～30%。
3.6 可变轮廓模具成形（柔性加工）
柔性制造技术也称柔性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称。柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制造加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。
采用柔性制造技术的企业，平时能满足品种多变而批量很小的生产需求，战时能迅速扩大生产能力，而且产品质优价廉。柔性制造设备可在无需大量追加投资的条件下提供连续采用新技术、新工艺的能力，也不需要专门的设施，就可生产出特殊的军用产品。[6]
对于小批量多品种板料件成形，例如舰艇侧面的弧形板、航空风洞收缩体板、飞机的蒙皮都是三维曲面，但批量很小甚至是单件生产，由于工件尺寸大，这样模具成本很高，何况即使模具加工完成，也有一个需要修模与调节的过程，因此用可变轮廓模具成形一直是塑性加工界及模具界的研究方向之一。
3.7 半固态成形
半固态成形是20世纪70年代发展起来的金属成形新技术，指对经过特殊处理的固体坯料加热，或在液态金属凝固过程中加以搅拌等处理而得到的具有非枝晶结构的固相、液相组织共存的半固态坯料进行成形加工，得到所需形状和性能的制品的加工方法。它主要包括半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等工艺类型，在汽车、通讯、航空、航天、国防等领域得到了越来越广泛的应用，被称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。
从半固态自身发展看，研究不同制浆方法下的形核和长大机理、制浆过程的精确控制以及发展适合半固态成形的新型合金是该技术的主要发展方向；从拓展半固态研究领域看，在近液相附近实现成分场和温度场的精确控制，将推动该项技术向高合金化金属的近终成形以及纯金属的晶粒细化的研究与应用方向发展。[7]
4 结束语
随着现代先进制造技术的发展，塑性成形将逐渐发展为高性能材料新材料与复杂结构特殊性的有机结合。21世纪最缺什么？——技术创新。由于新技术的应用和引导,塑性成形技术在国民经济中的作用愈来愈大，在一定程度上决定了我国机械制造业在21世纪的市场竞争能力，为此我们要有足够的认识并采取得力的措施。抓住机遇和挑战，推进新新技术的发展。

参考文献：
[1]李德群.塑性加工技术发展状况及趋势[J].航空制造技术，2000.
[2] 锻压少无切屑工艺发展概况[J].华中工学院锻压教研室，1978.
[3]邵杰.超塑成形/扩散连接：一种先进钣金轻量化制造技术[J].中国航空报，2013.
[4]潘豪.微成形技术的研究概述[J].苏州高等职业技术学校，2013.
[5]刘刚.内高压成形理论与技术的新进展[J].中国有色金属学报，2011.
[6]曹著明.浅谈柔性加工技术综合实训课程的开发[J].北京电子科技职业学院，2011.
[7]徐骏.半固态加工技术的最新进展[J].哈尔滨理工大学学报，2013.