試論塑性加工在機械制造中的運用

郭喜旺

摘 要：現(xiàn)代塑性加工是原材料生產(chǎn)與最終產(chǎn)品制造之間的零部件生產(chǎn)的主要行業(yè)之一，是制造業(yè)的一個重要組成部分。隨著國民經(jīng)濟的健康持續(xù)發(fā)展，塑性加工技術(shù)迎來了空前的發(fā)展機遇，同時也面臨諸多挑戰(zhàn)根據(jù)制造行業(yè)越來越高的要求，結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)，首先介紹了幾種當(dāng)前常用的塑性加工技術(shù)，并分析研究塑性加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，然后結(jié)合實例對塑性加工技術(shù)進行了分析。

關(guān)鍵詞：塑性加工技術(shù) 液壓成形 精密鍛造 激光沖壓

中圖分類號：TG30 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0086-02

采用鍛造、軋制、擠壓或彎曲等方法，通過“力”與“熱”的處理，可按照要求使金屬的尺寸和形狀發(fā)生變化，以獲得最終制品，此過程即為塑性加工。金屬塑性加工技術(shù)年代久遠，可上溯至青銅時期，在工業(yè)尤其是機械制造行業(yè)起著重要作用。經(jīng)過長期的演變改進，該技術(shù)日臻成熟，與高科技的融合使得該技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴大，與焊接、切削等方法不同，塑性加工在不影響原材料性能的前提下使其發(fā)生塑性變形，材料利用率高，產(chǎn)品的質(zhì)量較好，在工業(yè)制造中有著廣泛應(yīng)用，本文就其在機械制造中的實際應(yīng)用進行了分析。

1 目前常用的幾種塑性加工技術(shù)

在高科技的推動下，現(xiàn)代化塑性加工融合計算機技術(shù)，變得更為復(fù)雜，涉及人工智能、數(shù)控加工、激光成形等諸多領(lǐng)域，相關(guān)設(shè)備日新月異，加工工藝頻繁更新，在機械制造業(yè)發(fā)揮著重要作用。

1.1 新能源塑性成形技術(shù)

超聲振動塑性加工技術(shù)在原來的工藝中融合超聲波技術(shù)，主要通過施加高頻振動減少模具和坯料間的摩擦力，進而降低設(shè)備荷載，減弱坯料變形受到的阻力，而且精度更高，對產(chǎn)品的質(zhì)量也極為有利。在沖壓、拉拔等工藝中應(yīng)用較多，是當(dāng)前一種重要的塑性加工技術(shù)。

金屬材料多具有導(dǎo)電性，在交變電磁場的作用下，會有感生電流產(chǎn)生，電磁成形技術(shù)即利用這一特性，使得坯料在電磁場中受力，做高速運動，進而與單面凹模貼膜發(fā)生塑性變形，該技術(shù)成形速度較快，在管板或管材的快速連接、薄彩板成形中較為適用。

利用激光熱應(yīng)力同樣可以引起金屬材料的塑性形變，因金屬承受的熱應(yīng)力是有極限的，當(dāng)激光在金屬板上掃描時，會產(chǎn)生高溫，一旦超過了金屬的承受范圍，便會發(fā)生形變。激光沖壓技術(shù)以激光沖擊為基礎(chǔ)，先在金屬表面覆蓋一層能量轉(zhuǎn)換體，然后利用強激光掃描，因其脈沖短，功率密度較高，很容易將其汽化電離形成離子體，發(fā)出強沖擊波，不斷對金屬內(nèi)部發(fā)生作用，在強大的沖擊壓力下，金屬材料發(fā)生變形。

1.2 新介質(zhì)塑性成形技術(shù)

在以往的塑性加工中，對坯料施加外力時多使用剛性固體，如錘頭等，隨著高科技的發(fā)展，氣體和液體也可作為一種新的形式用于金屬的塑性加工。

氣壓成形利用熱活化的形成過程使得金屬發(fā)生形變，處理后的制品的力學(xué)性能會有所提升，包括兩種工藝，一是快速塑性成形，主要是針對板料的高溫氣壓成形；二是熱態(tài)金屬氣壓成形，主要用于管狀結(jié)構(gòu)件。

液壓成形工藝的原理是液體直接對金屬材料施壓，使其產(chǎn)生形變，過程較為簡單，靈活度高，容易掌握，而且具有綠色制造的特點，對環(huán)境污染小，另外，制品的質(zhì)量和精度都有良好的保障，在工業(yè)中，尤其是汽車行業(yè)，應(yīng)用十分廣泛，該技術(shù)主要包括流體引伸、管件/板材液壓成形技術(shù)。德國寶馬和奔馳公司即使用有許多該技術(shù)成形的零部件，主要包括汽車底盤、進排氣支管、傳動軸元件、座椅框架、側(cè)門橫梁等。

噴丸成形技術(shù)主要包括預(yù)應(yīng)力噴丸。彎曲噴丸及延伸噴丸，其原理是用高速運動的彈丸撞擊金屬表面，形成強大的沖擊力，使材料或下一層材料發(fā)生變形。該方法在飛機制造領(lǐng)域應(yīng)用較廣，如波音公司等都采用該工藝。

1.3 以新知識為基礎(chǔ)的塑性成形

經(jīng)不斷研究探索，金屬的超塑性越來越受關(guān)注，即在特定條件下，金屬材料會顯示出高于一般塑性的性能，相應(yīng)的工藝技術(shù)也相繼涌現(xiàn)，主要有超塑性模鍛、真空成形、無模拉拔、空氣壓成形等工藝。

另外，在20世紀(jì)70年代，美國將固態(tài)加工和液態(tài)加工技術(shù)相融合，提出了金屬半固態(tài)加工技術(shù)，有利于減少能耗，節(jié)約材料和成本，而且制品性能更加優(yōu)越，模具的使用壽命更長。該技術(shù)主要包括觸變成形和流變成形技術(shù)，是21世紀(jì)金屬塑性加工研究領(lǐng)域的重點。

2 塑性加工技術(shù)在機械制造中的實際應(yīng)用

某汽車公司成立于20世紀(jì)30年代，因當(dāng)時技術(shù)條件有限，研發(fā)新款車時多依賴人工設(shè)計和計算，模具、樣車主要用傳統(tǒng)的設(shè)備進行制造，設(shè)計方案往往要多次修改才能最終定型，效率較低，需要幾年才能完成一款新車的開發(fā)。在經(jīng)濟技術(shù)的推動下，計算機、變量化、CAD、CAE、實體造型等技術(shù)日趨成熟，使得汽車制造效率大幅提升，尤其是進入21世紀(jì)后，對信息化技術(shù)的運用，在質(zhì)量、安全、性能等方面更具優(yōu)勢。

2.1 精密鍛造技術(shù)

該技術(shù)包括熱精鍛、溫鍛、冷鍛等多種形式，是一種近凈成形技術(shù)，在成形后無需過多的加工，因此能夠節(jié)省大量材料，而且有利于鍛件力學(xué)性能的提高。由于它是建立在新材料、新能源、信息技術(shù)、自動化技術(shù)等多學(xué)科高新技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，改造了傳統(tǒng)的成形技術(shù)，使之由粗糙成形變?yōu)閮?yōu)質(zhì)、高效、輕量化、低成本、無公害的成形，特別適用于汽車制造行業(yè)。以熱精鍛齒輪為例，其精度為IT7—IT9，在鍛造成形后，無需加工，可直接用于零件裝配，該公司的冷精鍛尺寸精度則達到了0.02～0.05 mm，從2011年開始，積極借鑒德國、美國、日本等國汽車制造行業(yè)在此方面的經(jīng)驗。

在齒輪上，該公司主要向日本學(xué)習(xí)，借鑒其換擋傳動齒輪結(jié)合齒整體熱鍛加冷精整成形技術(shù)，利用精密鍛造技術(shù)直接對直齒圓柱齒輪、圓錐直齒輪以及螺旋圓柱齒輪等進行加工，對材料的利用率大幅提升，達到了60%，可節(jié)約近30%的材料，為公司省下很多成本。在軸類零件上，該公司使用冷擠壓成形技術(shù)較多，諸如半軸、輸入軸、輸出軸都使用的此技術(shù)。endprint

此外，精密沖壓技術(shù)在汽車車身覆蓋件的制造中發(fā)揮著重要作用，該公司近些年建立起了沖壓生產(chǎn)線，多工位壓力機的總壓力高達65000 kN，能夠?qū)μ卮笮娃I車覆蓋件進行沖壓，成品的質(zhì)量個精度均得到了較高的保障。

2.2 液壓成形技術(shù)

該公司在上世紀(jì)末才正式引入液壓成形技術(shù)，尤其是管件液壓，在制造中的作用不可代替，德國寶馬和奔馳公司即使用有許多該技術(shù)成形的零部件，該公司經(jīng)考察摸索，在汽車底盤、進排氣支管、傳動軸元件、座椅框架、側(cè)門橫梁、發(fā)動機支撐架等零件中運用該技術(shù)，提高了產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，而且制造中較為環(huán)保，對周圍環(huán)境幾乎沒有任何影響，與以往的沖壓焊接方式相比，顯然更具優(yōu)勢，為公司節(jié)省了大量材料和成本。

2.3 粉末鍛造技術(shù)

該技術(shù)主要以金屬粉末為原料，經(jīng)過預(yù)成形壓制，在保護氣氛中加熱燒結(jié)，將其作為鍛造毛坯，而后在鍛造機上一次鍛造成形，實現(xiàn)無飛邊精密模鍛，以獲得所需鍛件。第一條生產(chǎn)線出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該技術(shù)有了很大改進，逐步受到重視。該公司在2006年從福特、豐田等汽車公司學(xué)借鑒該技術(shù)，并結(jié)合自身情況做了改動，主要用于發(fā)動機鈦氣門的制造，能夠減重35%，此技術(shù)成本合算、產(chǎn)品質(zhì)量高，而且有利于節(jié)約資源，降低污染程度，為公司帶來了巨大效益。

3 結(jié)語

本文分析提出了塑性加工的若干技術(shù)前沿，包括新能源塑性成形技術(shù)，新介質(zhì)塑性成形技術(shù)，以新知識為基礎(chǔ)的塑性成形技術(shù)等。對各技術(shù)的現(xiàn)狀、存在的問題和發(fā)展趨勢做了分析論述，對塑性加工技術(shù)的發(fā)展具有一定指導(dǎo)意義。隨著工業(yè)和機械制造行業(yè)的發(fā)展，金屬塑性加工技術(shù)的作用更為突出，為適應(yīng)現(xiàn)代化要求，提高制造水平，塑性加工逐步邁向信息化、精密化發(fā)展道路。如今，人們的環(huán)保意識不斷加強，輕質(zhì)量、環(huán)保型產(chǎn)品成了制造領(lǐng)域的主流，塑性加工技術(shù)為滿足此要求，還需不斷改進完善。

參考文獻

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