精密塑性成形技术介绍

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材料、能源、和信息是当代科学技术的三大支柱，材料成形与加工是现代材料科学的组成要素之一。近年来，随着机械工业，尤其是汽车工业的飞速发展与国际竞争的激化，零部件及其设计与生产过程的高精度、高性能、高效率、低成本、低能耗，已成为提高产品竞争力的唯一途径。常规切削加工技术和完全拘泥于传统的粗放型的塑性加工制坯工艺已难以满足发展要求，因此以生产尽量接近最终形状的产品（near-net-shape），甚至是以完全提供成品零件(net-shape)为目标应是塑性加工技术变革的必然趋势和发展方向。
, W2 B9 ]$ {1 t% V; T" N精密塑性体积成形是指所成形的制件达到或接近成品零件的形状和尺寸，它是在传统塑性加工基础上发展起来的一项新技术。精密塑性体积成形技术作为先进制造技术的主要组成部分，伴随着汽车、航空、航天、电子、机械等支柱产业的需求与发展而得到了迅速的发展，并已成为提高产品性能与质量，提高市场竞争力的关键技术与重要途径。这是因为精密塑性成形不但可以节材、节能、缩短产品制造周期、降低生产成本、而且由于可以使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的材料组织结构与性能，从而可以减轻制件的质量，提高产品的安全性、可靠性和使用寿命，这一点对航空、航天产品尤其重要。
目前，精密塑性体积成形主要用于两大领域：
/ S2 f' g& M1 i! b7 O1）批量生产的零件，例如汽车、摩托车上的一些零件，特别是复杂形状的零件。
% M2 ^: F; T# k5 E1 `4 E2）航空、航天等工业的一些复杂形状的零件，特别是一些难切削的复杂形状的零件；难切削的高价材料（如钛、锆、钼、铌等合金）的零件；高性能、轻量化结构零件等。
精密塑性体积成形技术是在传统成形工艺的基础上逐渐完善和发展起来的。初期，采用自由锻方法生产锻件，随着锻件所需批量增大、形状复杂，自由锻满足不了要求，便产生了胎模锻、模锻，为适应不同形状锻件的成形需要，出现了挤压、碾扩、辊锻等成形方法。近几十年来，为提高锻件尺寸精度，又出现了小飞边、无飞边模锻（即闭式模锻）、径向锻造（旋转锻造）、多边模锻、电热镦粗、摆动碾压、粉末成形、横向轧制、楔横轧、强力旋压和超塑性模锻等。为进一步提高锻件精度和适应精密成形技术等新的成形方法，又出现了闭塞式锻造和采用分流原理的精密成形等新的成形方法，原有的成形方法也在采用新工艺的基础上进一步得到了完善，并广泛采用了冷成形和温成形工艺。为适应某些低塑性难变形材料的成形还采用了等温成形工艺。
2 s0 |, T* z8 R" P" p6 h1 n精密塑性体积成形技术正向着部分或全部取代切削加工，直接生产机械零件的方向发展。精密塑性体积成形技术发展的总趋势是产品的复杂化、精密化、和质量优化，工艺设计的模拟化、准确化、模具、模样设计制造的CAD/CAM一体化

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1．等温精密成形：
等温精密成形主要用于钛合金、铝合金、镁合金零件的锻造。在常规条件下，这些金属材料的锻造温度范围比较窄，尤其是在锻造具有簿腹板、高肋条和薄壁锻件时，毛坯料的温度下降很快，需要大幅度地提高设备吨位才能完成锻造，并且极易造成锻件和模具开裂。等温精密成形工艺是一种新兴工艺，它与其他常规模锻的主要不同点在于：把锻模的温度控制在和毛坯加热温度大致相同的范围内，使毛坯在温度不变的条件下完成锻造的全过程。等温精密成形由于减小或消除了模具激冷和材料应变硬化的影响，提高了材料的塑性，不仅使变形抗力减小，而且有利于简化成形过程，以较少的变形工步成形具有复杂形状的锻件。等温精密成形还可以显著的提高锻件的精度，这主要因为：金属的变形抗力和成形压力的降低减小了模具系统的弹性变形；变形温度波动范围小，使得锻件的几何尺寸得到稳定；锻件内部的残余应力的减小，使锻件在冷却和热处理时变形减小。等温精密成形对模具装置、变形设备和润滑剂提出了特殊要求。
2．内高压成形
4 }0 x3 X, f4 E5 U/ \液力成形（Hydro-forming）是利用液体压力使工件成形的一种工艺。按使用的毛坯料的不同，可以分为三种类型：板料液力成形（sheet Hydro-forming）、壳体液力成形（shell Hydro-forming）和管坯液力成形（Tube Hydro-forming）。板料和壳体的成形使用的成形压力一般较低，而管毛坯内成形的压力较高，一般要达到几千甚至上万大气压，故称为内高压成形（Internal High Pressure Forming）内高压成形原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入模具型腔使其成形，其基本工艺过程为：首先将管坯放在下模内，然后闭合上模，将管的两端用水平冲头封闭，并使管毛坯内充满液体，在加压胀形的过程中，两端的冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴力的联合作用下使管毛坯贴靠模具而成形为所需的工件。
与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形主要优点有：
% W6 x! G8 r) y# W（1）减轻重量节约材料。
- }; y* J7 P" `  b（2）减少零件和模具数量，降低模具费用。
（3）可减少后续机械加工和组装焊接量。
（4）提高强度和刚度，尤其是疲劳强度
（5）降低生产成本。
) G8 `& H/ T4 m& ?: I4 J% W3．半固态加工成形
半固态金属加工技术是21世纪前沿性金属加工技术。半固态金属加工是金属在凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料，这种浆料在外力的作用下，即是固相效率达到60％仍具有较好的流动性。可以用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件。采用这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术（Semi-Solid Metal Forming or Semi-Solid Metal Press）,简称SSM)。
与普通的加工方法相比，半固态加工成形具有许多优点：
: c' @) J+ C5 \) M" Q0 J# u4 R& T（1）应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态成形。（2）SSM充形平稳、无喘流和喷溅、加工温度低、凝固收缩小，因而零件尺寸精度高，成形尺寸与成品尺寸几乎相同，极大地减少机械加工量，做到少无切削加工，从而节约了资源。同时SSM凝固时间短，从而有利于提高生产效率。
' s, D; \% i, q- J/ M（3）半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是对模具的冲击，使其寿命大幅度提高。
) F" f5 [* \6 l7 M5 z（4）SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密、内部气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达到锻件的性能。
（5）与固态金属模锻相比，SSM的流动应力显著降低，因此SSM模锻成形速度更高，而且可以成形十分复杂的零件。