金屬塑性成形的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

姜翠紅　程　俊

（集美大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，廈門 361021）

金屬塑性成形的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

姜翠紅程俊

（集美大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，廈門 361021）

本文分析拉絲模、傳統(tǒng)鍛造模、旋轉(zhuǎn)鍛造模（扣壓）、冷壓模、觸變成形及楔形滾壓成形，同時探討各種塑性成形對階梯軸和對稱軸之類的產(chǎn)品成型工藝的局限性。

拉絲 旋鍛 冷擠壓 觸變成形 楔形滾壓

引言

塑性成形技術(shù)由于具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗等顯著工藝優(yōu)點，而成為當今先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向[1]。

塑性成形技術(shù)主要是通過施加力場或同時輔以溫度場，使材料產(chǎn)生塑性變形，實現(xiàn)體積轉(zhuǎn)移，獲得形狀、尺寸和性能都滿足要求的成形制造方法[2-3]。

在制造軸的方法中，基于去除鋼坯圓棒上層材料的加工方法較受歡迎。這項技術(shù)成功應(yīng)用于小公司，受車床加工范圍局限，常用數(shù)控加工操作。另外，該方法可達到高精度和重復(fù)性生產(chǎn)。然而，在實際生產(chǎn)階段，不僅要考慮加工制造時材料損失的余量，還要考慮精加工工藝產(chǎn)品尺寸精度。例如，粗車削余量在2mm到6mm內(nèi)，成形工藝范圍在0.7mm到1.5mm，這兩種半成品直徑的加工余量必須同時得到保障。

本文分析傳統(tǒng)鍛造模、旋轉(zhuǎn)鍛造模（扣壓）、冷壓模、燒結(jié)成形模式，同時探析了拉絲模對階梯軸和對稱軸之類的產(chǎn)品成型工藝的局限性。

1　塑性成形技術(shù)[4-6]

1.1拉絲模與鍛造模

在機械零件成型工藝的方法中，尤其需要注意金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)[7]。通過對機械加工后的材料與金屬成型后的材料進行對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過“冷作”處理后的材料具有連續(xù)纖維體，且該材料具有強的耐久性。具體而言，對于具有軸對稱金屬零件成形方法中，?？紤]拉絲模、滾動擠壓模、傳統(tǒng)的鍛造模、旋轉(zhuǎn)鍛造模（扣壓）、冷壓模、燒結(jié)成形模這幾種成形模式。

經(jīng)金屬成形工藝加工后，材料纖維分布相對均勻。上述技術(shù)需求的選擇，取決于經(jīng)濟規(guī)模和秩序穩(wěn)定兩方面。每一個制造方法都有其一定的局限性和優(yōu)勢。這些優(yōu)勢注定他們只能用在指定的應(yīng)用程序。制造商認為，所有制造成本的費用都起著潛在決定性的作用。此外，制造可重復(fù)性也需著重考慮?？紤]到全挖空元素主要用作高速軸，要想保證薄壁墻厚度的許用公差及有限的形狀尺寸公差是很難的，且該成品軸的旋轉(zhuǎn)速度高而尺寸公差小。為滿足這些需求，需要通過繪圖技術(shù)來改善性能，特別是高質(zhì)量的外表面、拋光表面和小維公差。此外，由于拉伸之前進行了適當?shù)慕饘贌崽幚?，便有可能獲得高耐用性和能保持良好塑性性能的疲勞特性的產(chǎn)品。拉伸工藝過程建立在通過拉絲模（如圖1、圖2所示）得延伸產(chǎn)品的基礎(chǔ)上。然而，力并不作用在成形零部件上。

圖1　拉絲模過程

圖2　拉絲工藝過程

在形成產(chǎn)品時，某部分的一段尺寸或形狀會發(fā)生變化。同時，鋼坯會受到擠壓，導(dǎo)致作用力的大小受到一定的局限。因此，這個力要比未成形的半成品的屈服點所需的力小，而超過這個極限值時，半成品就可能會發(fā)生變形。

拉絲技術(shù)的局限性不僅與工藝特點有關(guān)，而且也可能與產(chǎn)品的制造形狀有關(guān)。在拉絲過程中，獲得產(chǎn)品的形狀一般不是非常復(fù)雜，如類似于法蘭產(chǎn)品外部的部分。為保持所形成的中空產(chǎn)品具有恒定的直徑和壁厚，必須使半成品零件能順利通過。在拉伸工藝中，除了會有非金屬雜質(zhì)擴展引起的重疊和縮孔的殘渣，還會由于不正確的拉伸出現(xiàn)材料裂開，這可能是由于壓力過大所引起的。另外，也可能會由低溫時過度滾動材料引起脆性斷裂，由拉絲模具損壞而導(dǎo)致表面劃痕，等等。

傳統(tǒng)的鍛造技術(shù)（見圖3）只應(yīng)用于重型機器中軸的形成。由于必須使用相當高精度的終加工技術(shù)，因此從經(jīng)濟和定性的角度來看，這種方法逐漸被更現(xiàn)代化的旋鍛和扣壓技術(shù)所取代。

圖3　鍛造過程（1-物料）

圖4 鍛造車間

相對壁厚較短產(chǎn)品而言，沖壓常被作為比鍛造更有效的技術(shù)，圖5是厚壁套管打孔原理圖。

圖5　厚壁套管打孔過程圖

圖6　由亞哈哈德設(shè)置的套筒擠壓工藝裝置

使用打孔可以獲得良好組織性能的結(jié)構(gòu)材料。然而，產(chǎn)品的壁厚公差（橫截面和縱截面）卻較大。隨著成型力的增加，迫使沖床的結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性；隨著打孔的進一步加深，產(chǎn)品壁厚的分布變得越來越不均勻。

為了能輕易從模具中摘下產(chǎn)品，也考慮到推進器能自由推出成品，必須使所成型零件的外表面與模具間有一定的技術(shù)聚合。如果不能設(shè)計一種能解決這類成形件深層加工與應(yīng)用的方案，就允許增大零件公差值的大小。為了完成該零件最終圓筒形狀的目的，必須采取機械加工或其他金屬成形方式如拉長歪斜軋機來延伸。

增大壁厚的均勻性便可獲得所需產(chǎn)品的直徑。為消除縱切面上壁厚易變的問題，可通過（如圖6所示）亞哈哈德[8]等人設(shè)計的擠壓套筒擠術(shù)的系統(tǒng)來應(yīng)用。它能消除工具箱的合流點，獲得圓柱形狀產(chǎn)品。

1.2擠壓成型與旋鍛

目前，擠壓還應(yīng)用于制造螺絲或螺釘（地腳螺栓）。經(jīng)該操作后，產(chǎn)品的部分直徑會相應(yīng)變化（見圖7）。經(jīng)擠壓操作后的成形零件相比零件其余部分而言，具有相當大的耐久性。但是，由于該方法尚不可能獲得長階梯狀的元件，所以這種方法還不能廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。

圖7　擠壓工藝原理圖

圖8　鍛壓機上鍛造過程圖

旋鍛加工允許管材和棒料的直徑縮小，以獲得大的彎曲值。在冷加工下所得的尺寸公差更精確，一方面利于保留材料層的流動，另一方面也利于增加材料的機械性能，以增加其上層硬化的可能性。通過該方法能非常精確地得到產(chǎn)品的內(nèi)部形貌（圓柱孔和圓錐孔）。在冷的（熱的）成型條件下，工藝過程如圖9所示。

圖9　旋轉(zhuǎn)鍛造工藝的過程圖

該工藝一般應(yīng)用于環(huán)狀的元件（主要是汽車輪輞鋼圈和鐵路輪）中。旋鍛和旋轉(zhuǎn)鍛造兩者的主要區(qū)別在于成形材料，而不在于成形工具。通過計算所得尺寸公差值也非常接近，這可能是為了符合市場需求而設(shè)。

冷擠壓工藝似乎由于受沖頭負荷力的影響，更在意怎樣使模具中的材料流動起來。在這個工藝過程中，長度獲得很大的增量（甚至1000%鋁）。根據(jù)材料流動方向與沖頭運動的區(qū)別，可以分為以下幾種不同類型：共擠壓，間接擠壓，前后兩個方向（或結(jié)合）擠壓。為了減少材料損失，通過選用與之相關(guān)的摩擦焊接的方法而制造成挖空軸取代實心軸。圖10為具管形狀物的冷擠壓工藝原理圖。

圖10　管狀物的冷擠壓工藝過程圖

1.3 觸變成形

觸變成形技術(shù)是一種把低熔點合金進行熔化，以高速、高壓把原料注入金屬模具內(nèi)進行成型的技術(shù)。它采用一體化成型方式，將壓鑄和注射工藝合二為一。模具和成型材料與半固態(tài)壓鑄工藝相似，工藝過程則接近注射成型。在室溫條件下，顆粒狀的合金原料由料斗強制輸入到料筒中，料筒中旋轉(zhuǎn)的螺旋體使合金顆粒向模具運動。當其通過料筒的加熱部位時，合金顆粒呈半固態(tài)。在螺旋體剪切作用下，呈半固態(tài)的枝晶組織的合金轉(zhuǎn)變成顆粒狀初生相組織；當其累積到預(yù)定體積時，以高速將其壓入到抽真空的預(yù)熱模具中成型。成型時，加熱系統(tǒng)采用電阻、感應(yīng)復(fù)合加熱工藝，合金固相體積分數(shù)高達60%，同時通入氬氣保護。觸變成型的工藝圖如圖11所示。

圖11　觸變成形工藝原理

1.4楔形滾壓成形[9-12]

基于軸對稱楔形滾壓成形采用一體成形的楔形和兩輥（如圖12所示），被軋制產(chǎn)品放置在驅(qū)動輥上，以與楔相反方向運動及相同的速度旋轉(zhuǎn)。輥可做成光滑或異形的，該楔水平移動切入到材料中，最后形成一定尺寸的縮頸。相比于交叉楔橫軋而言，楔形滾壓成形除了較經(jīng)濟外，也可減少軸向材料開裂的損失，還可以增加產(chǎn)品的輸出。

圖12　楔形滾壓成形方式的理想架構(gòu)

2　結(jié)束語

對軸對稱零件而言，常用拉絲模、滾動擠壓模、傳統(tǒng)的鍛造模、旋轉(zhuǎn)鍛造模（扣壓）、冷壓模、粉末燒結(jié)成形模這幾種成形模式。其中，拉伸工藝可能會出現(xiàn)非金屬雜質(zhì)擴展引起的重疊和縮孔的殘渣。而相對而言，滾動擠壓模具有相當大的耐久性，但旋轉(zhuǎn)鍛造能非常精確得到產(chǎn)品的內(nèi)部形貌（圓柱孔和圓錐孔）[13]，粉末冶金不能獲得相比觸變成型較高的精度。

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Application Status and Development Trend of Metal Forming

JIANG Cuihong,CHENG Jun
(College of Mechanic and Energy Engineering,Ji Mei University,Xiamen 361021)

Forging mold of the traditional rotary forging die(withholding)，cold die ，sintering model and wedge-rolls rolling ,and analyzes the limitations of drawing die axis and the axis of symmetry of the ladder like the molding process.

Drawing,Swaging,Cold extrusion,Thixofor ming,Wedge-rolls rolling

福建省教育廳科技項目（JA13189）。