塑性成形方法

2023年12月4日發(作者：抓螃蟹作文)

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塑性成形方法 第五節 其它塑性成形方法

隨著工業的不斷發展，人們對金屬塑性成形加工生產提出了越來越高的要求，不僅要求生產各種毛坯，而且要求能直接生產出更多的具有較高精度與質量的成品零件。其它塑性成形方法在生產實踐中也得到了迅速發展和廣泛的應用，例如擠壓、拉拔、輥軋、精密模鍛、精密沖裁等。

一、擠壓

擠壓：指對擠壓模具中的金屬錠坯施加強大的壓力作用，使其發生塑性變形從擠壓模具的模口中流出，或充滿凸、凹模型腔，而獲得所需形狀與尺寸制品的塑性成形方法。

擠壓法的特點：

（1）三向壓應力狀態，能充分提高金屬坯料的塑性，不僅有銅、鋁等塑性好的非鐵金屬，而且碳鋼、合金結構鋼、不銹鋼及工業純鐵等也可以采用擠壓工藝成形。在一定變形量下，某些高碳鋼、軸承鋼、甚至高速鋼等也可以進行擠壓成形。對于要進行軋制或鍛造的塑性較差的材料，如鎢和鉬等，為了改善其組織和性能，也可采用擠壓法對錠坯進行開坯。

（2）擠壓法可以生產出斷面極其復雜的或具有深孔、薄壁以及變斷面的零件。

（3）可以實現少、無屑加工，一般尺寸精度為IT8～IT9，表面粗糙度為Ra3.2～0.4μ m，從而

（4）擠壓變形后零件內部的纖維組織連續，基本沿零件外形分布而不被切斷，從而提高了金屬的力學性能。

（5）材料利用率、生產率高；生產方便靈活，易于實現生產過程的自動化。

擠壓方法的分類： 1．根據金屬流動方向和凸模運動方向的不同可分為以下四種方式：

（１）正擠壓 金屬流動方向與凸模運動方向相同，如圖2-69所示。

（２）反擠壓 金屬流動方向與凸模運動方向相反，如圖2-70所示。

（３）復合擠壓 金屬坯料的一部分流動方向與凸模運動方向相同，另一部分流動方向與凸模運動方向相反，如圖2-71所示。

（４）徑向擠壓 金屬流動方向與凸模運動方向成90°角，如圖2-72所示。

圖2-69 正擠壓

圖2-70 反擠壓

圖2-73 拉拔示意圖

1—坯料 2—拉拔模 3—制品

拉拔方法按制品截面形狀可分為實心材拉拔與空心材拉拔。實心材拉拔主要包括棒材、異型材及線材的拉拔。空心材拉拔主要包括管材及空心異型材的拉拔。

拉拔的特點：

（1）制品的尺寸精確，表面粗糙度小。

（2）設備簡單、維護方便。

（3）受拉應力的影響，金屬的塑性不能充分發揮。拉拔道次變形量和兩次退火間的總變形量受到拉拔應力的限制，一般道次伸長率在20%～60%之間，過大的道次伸長率將導致拉拔制品形狀、尺寸、質量不合格，過小的道次伸長率將降低生產率。

（4）最適合于連續高速生產斷面較小的長制品，例如絲材、線材等。

拉拔一般在冷態下進行，但是對一些在常溫下塑性較差的金屬材料則可以采用加熱后溫拔。采用拉拔技術可以生產直徑大于500mm的管材，也可以拉制出直徑僅0.002mm的細絲，而且性能符合要求，表面質量好。拉拔制品被廣泛應用在國民經濟各個領域。

三、輥軋 金屬坯料在旋轉軋輥的作用下產生連續塑性變形，從而獲得所要求截面形狀并改變其性能的加工方法，稱為輥軋。常采用的輥軋工藝有輥鍛、橫軋及斜軋等。

（一）輥鍛

輥鍛：使坯料通過裝有圓弧形模塊的一對相對旋轉的軋輥，受壓產生塑性變形，從而獲得所需形狀的鍛件或鍛坯的鍛造工藝方法，如圖2-74所示。它既可以作為模鍛前的制坯工序也可以直接輥鍛鍛件。目前，成形輥鍛適用于生產以下三種類型的鍛件：

圖2-74 輥鍛示意圖

（1）扁斷面的長桿件，如扳手、鏈環等。

（2）帶有頭部，且沿長度方向橫截面面積遞減的鍛件，如葉片等。葉片輥鍛工藝和銑削舊工藝相比，材料利用率可提高4倍，生產率提高2.5倍，而且葉片質量大為提高。

（3）連桿，采用輥鍛方法鍛制連桿，生產率高，簡化了工藝過程。但鍛件還需用其它鍛壓設備進行精整。

（二）橫軋

橫軋：軋輥軸線與軋件軸線互相平行，且軋輥與軋件作相對轉動的軋制方 法，如齒輪軋制等。

齒輪軋制是一種少、無切屑加工齒輪的新工藝。直齒輪和斜齒輪均可用橫軋方法制造，齒輪的橫軋如圖2-75所示。在軋制前，齒輪坯料外緣被高頻感應加熱，然后將帶有齒形的軋輥作徑向進給，迫使軋輥與齒輪坯料對輾。在對輾過程中，毛坯上一部分金屬受軋輥齒頂擠壓形成齒谷，相鄰的部分被軋輥齒部“反擠”而上升，形成齒頂。

圖2-75 熱軋齒輪示意圖

（三）斜軋

斜軋又稱螺旋斜軋：斜軋時，兩個帶有螺旋槽的軋輥相互傾斜配置，軋輥軸線與坯料軸線相交成一定角度，以相同方向旋轉。坯料在軋輥的作用下繞自身軸線反向旋轉，同時還作軸向向前運動，即螺旋運動，坯料受壓后產生塑性變形，最終得到所需制品。例如鋼球軋制、周期軋制均采用了斜軋方法，如圖2-76所示。斜軋還可直接熱軋出帶有螺旋線的高速鋼滾刀、麻花鉆、自行車后閘殼以及冷軋絲杠等。

如圖2-76a所示鋼球斜軋，棒料在軋輥間螺旋型槽里受到軋制，并被分離成單個球，軋輥每轉一圈，即可軋制出一個鋼球，軋制過程是連續的。

圖2-76 斜軋示意圖

a）鋼球軋制 b）周期軋制

四、旋壓

旋壓：利用旋壓機使毛坯和模具以一定的速度共同旋轉，并在滾輪的作用下，使毛坯在與滾輪接觸的部位產生局部塑性變形，由于滾輪的進給運動和毛坯的旋轉運動，使局部的塑性變形逐步擴展到毛坯的全部所需表面，從而獲得所需形狀與尺寸零件的加工方法。圖2-77表示旋壓空心零件的過程。旋壓基本上是靠彎曲成形的，不象沖壓那樣有明顯的拉深作用，故壁厚的減薄量小。

圖2-77 旋壓示意圖

1—頂桿 2—毛坯 3—滾輪 4—模具 5—加工中的毛坯

旋壓的工藝特點：

（1）局部連續成形，變形區很小，所需要的成形力小。旋壓是一種既省力，效果又明顯的壓力加工方法，可以用功率和噸位都非常小的旋壓機加工大型的工 件。

（2）工具簡單、費用低，而且旋壓設備的調整、控制簡便靈活，具有很大的柔性，非常適合于多品種小批量生產。

（3）對沖壓難以成形的復雜零件，如頭部很尖的火箭彈藥錐形罩、薄壁收口容器，帶內螺旋線的獵槍管等。

（4）旋壓件尺寸精度高，甚至可與切削加工相媲美。

（5）旋壓零件表面粗糙度容易保證。此外，經旋壓成形的零件，抗疲勞強度高，屈服點、抗拉強度、硬度都大幅度提高。

不足：只適用于軸對稱的回轉體零件；對于大量生產的零件，它不如沖壓方法高效、經濟；材料經旋壓后塑性指標下降，并存在殘余應力。

五、塑性成形新工藝、新技術簡介

塑性成形新工藝的特點是：

（1）盡量使成形件的形狀接近零件的形狀，以便達到少、無切屑加工的目的，同時得到合理分布的纖維組織，提高零件的力學性能。

（2）具有更高的生產率。

（3）減小了變形力，可以在較小的壓力設備上制造出大型零件。

（4）廣泛采用電加熱和少氧化、無氧化加熱，提高零件表面質量，改善勞動條件。

（一）精密模鍛

精密模鍛：在模鍛設備上鍛造出形狀復雜、高精度鍛件的模鍛工藝。如精密模鍛傘齒輪，其齒形部分可直接鍛出而不必再經過切削加工。精密模鍛件尺寸精度可達IT12～IT15，表面粗糙度為Ra3.2～1.6μm。 精密模鍛工藝特點：

（1）精確計算原始坯料的尺寸，嚴格按坯料質量下料。

（2）精細清理坯料表面，除凈坯料表面的氧化皮、脫碳層及其它缺陷等。

（3）采用無氧化或少氧化加熱方法，盡量減少坯料表面形成的氧化皮。

（4）精鍛模膛的精度必須很高，一般要比鍛件的精度高兩級。精密鍛模一定有導柱、導套結構，以保證合模準確。為排除模膛中的氣體，減小金屬流動阻力，使金屬更好地充滿模膛，在凹模上應開有排氣小孔。

（5）模鍛時要很好地進行潤滑和冷卻鍛模。

（6）精密模鍛一般都在剛度大、精度高的曲柄壓力機、摩擦壓力機或高速錘上進行。

（二）超塑性成形

超塑性成形：金屬或合金在低的變形速率（ε=10-2～10- 4/s）、一定的變形溫度（約為熔點絕對溫度的一半）和均勻的細晶粒度（晶粒平均直徑為０.2～5μm）條件下，其相對伸長率δ超過100%以上的變形。例如鋼可超過500%、純鈦可超過300%、鋅鋁合金可超過1000%。

超塑性狀態下的金屬在拉伸變形過程中不產生縮頸現象，變形應力可比常態下金屬的變形應力降低幾倍至幾十倍，因此極易變形，可采用多種工藝方法制出復雜零件。

常用的超塑性成形材料：主要是鋅鋁合金、鋁基合金、鈦合金及高溫合金。

主要應用：

（1）板料超塑性沖壓成形 采用鋅鋁合金等超塑性材料，可以一次拉深較大變形量的杯形件，而且質量很好，無制耳產生。 （2）板料超塑性氣壓成形 將具有超塑性性能的金屬板料放于模具之中，把板料與模具一起加熱到規定溫度，向模具內吹入壓縮空氣或抽出模具內空氣形成負壓，使板料沿凸模或凹模變形，從而獲得所需形狀，如圖2-78所示。氣壓成形能加工的板料厚度為0.4～4mm。

圖2-78 板料氣壓成形

a）凹模內成形 b）凸模上成形

1—電熱元件 2—進氣孔 3—板料 4—工件 5—凹（凸）模 6—模框 7—抽氣孔

（3）超塑性模鍛或擠壓 高溫合金及鈦合金在常態下塑性很差，變形抗力大，不均勻變形引起各向異性的敏感性強，常規方法難于成形，材料損耗大。如采用普通熱模鍛毛坯，再進行機械加工，金屬消耗達80%左右，導致產品成本升高。在超塑性狀態下進行模鍛或擠壓，就可克服上述缺點，節約材料，降低成本。

超塑性模鍛利用金屬及合金的超塑性，擴大了可鍛金屬材料的類型。如過去只能采用鑄造成形的鎳基合金，也可以進行超塑性模鍛成形。超塑性模鍛時，金屬填充模膛的性能好，可鍛出尺寸精度高、機械加工余量很小、甚至不用加工的零件，并且金屬的變形抗力小，可充分發揮中、小設備的作用。鍛后可獲得均勻、細小的晶粒組織，零件力學性能均勻一致。

（三）高能率成形

高能率成形是一種在極短時間內釋放高能量而使金屬變形的成形方法。

高能率成形包括： 1．爆炸成形加工 金屬板材被置于凹模上，在板料上布放炸藥，利用炸藥在爆炸時釋放出的瞬間巨大能量使板料快速成形。爆炸成形加工用于小批量或單件的大型工件生產，也可用于多層復合材料的制造。

2．電磁沖壓成形 金屬毛坯被置于凹模和電磁線圈之間，借瞬間產生的電磁沖擊力使坯料靠向凹模而成形，也可用于管材擴口成形。

（四）計算機在塑性成形加工中的應用

計算機技術的應用：

制訂金屬塑性成形生產工藝和工藝制度（CAPP）。CAPP可以根據給定條件，通過引入優化技術制訂出最優化工藝和工藝制度。這對塑性成形加工生產特別重要，因為塑性成形生產往往是多階段、多工序和多因素交互影響的過程，通過手工優化設計計算無法完成。

幫助設計人員進行金屬塑性成形產品、工具、機器、車間或企業等的設計工作（CAD）。在塑性成形中，工具設計的CAD系統已廣泛應用，例如軋輥孔型的CAD系統，冷彎型鋼生產的輥型設計CAD系統，沖壓、擠壓和拉拔等模具設計CAD系統，以及塑性成形生產車間或工廠設計的CAD系統等。

可以由計算機輔助完成金屬塑性成形生產中從產品設計、工藝計劃制定，到工藝過程的控制和產品檢驗，以及生產的計劃管理的過程。這種綜合系統稱為計算機集成制造系統（CIMS），構成了整個生產系統的計算機化。

借助于數值計算方法，可進行塑性成形加工過程的計算機數值模擬，以替代真實的塑性成形過程或其中的物理現象，這樣可節省經費和消耗，靈活控制和調節影響因素及其變化，準確測量實驗數據。

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