超塑性成形高能高速成形

高能高速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。高能高速成形的歷史可追溯到100多年前，但由于成本太高及當時工業(yè)發(fā)展的局限，該工藝在當時并未得到應用。隨著高新技術的發(fā)展及某些重要零部件的特殊需求，近些年來，高能高速成形得以飛速發(fā)展。高能高速成形主要包括:利用高壓氣體使活塞高速運動來產(chǎn)生動能的高速成形，利用火藥爆炸產(chǎn)生化學能的爆炸成形，利用電能的電液成形，以及利用磁場力的電磁成形。

這些特殊的成形工藝不僅賦予了成形后的材料特殊的性能，而且與常規(guī)成形方法相比還有以下特點。

①高能高速成形幾乎不需模具和工裝以及沖壓設備，僅用凹模就可以實現(xiàn)成形。

②高能高速成形時，零件以極高的速度貼模，這不僅有利于提高零件的貼模性，而且可以有效地減小零件彈復現(xiàn)象。所以得到的零件精度高，表面質量好。

③因為是在瞬間成形，所以材料的塑性變形能力提高，對于塑性差的用普通方法難以成形的材料，采用高能高速成形仍可得到理想的成形產(chǎn)品。

④高能高速成形方法對制造復合材料具有獨特的優(yōu)越性，例如，在制造鋼-鈦復合金屬板中，采用爆炸成形瞬間即可完成。

⑤高能高速成形是特殊的成形工藝，成本高、專業(yè)技術性強是這種工藝的不足之處。

粉末鍛造是粉末冶金成形方法和鍛造相結合的一種金屬加工方法。它是將粉末預壓成形后，在充滿保護氣體的爐子

中燒結制坯，將坯料加熱至鍛造溫度后模鍛而成。

與模鍛相比，粉末鍛造具有以下優(yōu)點。

①材料利用率高，可達90%以上;而模鍛的材料利用率只有50%左右。

②機械性能高。材質均勻無各向異性，強度、塑性和沖擊韌性都較高。

③鍛件精度高，表面光潔，可實現(xiàn)少或無切削加工。

④生產(chǎn)率高，每小時產(chǎn)量可達500~1000件。

⑤鍛造壓力小，如130汽車差速器行星齒輪，鋼坯鍛造需用總力為2500~3000kN壓力機，粉末鍛造只需總力為800kN壓力機。

⑥可以加工熱塑性差的材料，如難于變形的高溫鑄造合金可用粉末鍛造方法鍛出形狀復雜的零件。采用粉末鍛造出的零件有差速器齒輪、柴油機連桿、鏈輪、襯套等。

精密模鍛是在模鍛設備上的模鍛工藝。如精密模鍛傘齒輪，其齒形部分可直接鍛出而不必再經(jīng)切削加工。模鍛件尺寸公差等級可達CT12~CT15，表面粗糙度為Ra3.2~1.6μm。

一般精密模鍛的工藝過程大致是:先將原始坯料普通模鍛成中間坯料;再對中間坯料進行嚴格的清理，除去氧化皮或缺陷;最后采用無氧或少氧化加熱后精鍛(圖2-62)。為了最大限度地減少氧化，提高精鍛件的質量，精鍛的加熱溫度較低，對碳鋼鍛造溫度在900~450℃之間，稱為溫模鍛。精鍛時需在中間坯料中涂潤滑劑以減少摩擦，提高鍛模生命和降低設備的功率消耗。

，嚴格按坯料質量下料;否則會增大鍛件尺寸公差，降低精度。

②需要精細清理坯料表面，除凈坯料表面的氧化皮、脫碳層及其他缺陷等。

③為提高鍛件的尺寸精度和降低表面粗糙度，應采用無氧化或少氧化加熱法，盡量減少坯料表面形成的氧化皮。

④精密模鍛的鍛件精度在很大程度上取決于鍛模的加工精度，因此，精鍛模膛的精度必須很高。一般情況下，它要比鍛件精度高兩級。精鍛模一定有導柱導套結構，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、精度高的模鍛設備上進行，如曲柄壓力機、摩擦壓力機或高速錘等。

板料成形

其成形方法主要有真空成形法。

真空成形法有凹模法和凸模法。將超塑性板料放在模具中，并把板料和模具都加熱到預定的溫度，向模具內吹入壓縮空氣或將模具內的空氣抽出形成負壓，使板料貼緊在凹?；蛲鼓Ｉ?，從而獲得所需形狀的工件。對制件外形尺寸精度要求較高時或淺腔件成形時用凹模法，而對制件內側尺寸精度要求較高時或深腔件成形時則用凸模法。

真空成形法所需的最大氣壓為105Pa，其成形時間根據(jù)材料和形狀的不同，一般只需20~30s。它僅適于厚度為0.4~4mm的薄板零件的成形。

板料深沖

在超塑性板料的法蘭部分加熱，并在外圍加油壓，一次能拉出非常深的容器。深沖比H/d0可為普通拉深的15倍左右。

擠壓和模鍛

超塑性模鍛高溫合金和鈦合金不僅可以節(jié)省原材料，降低成本，而且大幅度提高成品率。所以，超塑性模鍛對那些可鍛性非常差的合金的鍛造加工是很有前途的一種工藝。

利用高壓粘性介質給坯料外力而實現(xiàn)擠壓的方法，稱為靜液擠壓法。

靜液擠壓所使用的高壓介質，一般有粘性液體和粘塑性體。前者如蓖麻油、礦物油等，主要用于冷靜液擠壓和500~600℃以下的溫、熱靜液擠壓;后者如耐熱脂、玻璃、玻璃-石墨混合物等，主要用于較高熔點金屬的熱靜液擠壓(坯料加熱溫度在700℃以上的擠壓)。

與普通擠壓法一樣，根據(jù)需要，靜液擠壓可在不同的溫度下進行。一般將金屬和高壓介質均處于室溫時的擠壓過程，稱為冷靜液擠壓;在室溫以上變形金屬的再結晶溫度以下的擠壓過程，稱為溫靜液擠壓;而在再結晶溫度以上的擠壓過程，稱為熱靜液擠壓。

靜液擠壓時的金屬流動均勻，特別適合于各種包復材料的擠壓成形，如鈦包銅電極、多芯低溫超導線材的成形。

靜液擠壓時坯料處于高壓介質中，有利于提高坯料的變形能力，因而靜液擠壓適于難加工材料的成形、精密型材成形。

靜液擠壓的材料主要有鋁合金、銅合金、鋼鐵等金屬材料，以及各種復合材料、粉體材料等。

用于靜液擠壓的坯料準備比普通擠壓時的要求高。為了在擠壓初期順利地在擠壓筒內建立起工作壓力，一般需要將坯料的頭部車削成與所用擠壓模模腔相一致的形狀。為了提高擠壓制品的質量，防止污染高壓介質，需要對坯料進行車皮處理。坯料表面的車削狀態(tài)對擠壓制品的表面質量影響較大。當擠壓比較小時，要求表面粗糙度在幾個微米的范圍內;當擠壓比較大時，要求表面粗糙度在十幾個微米以下。對于用于管材擠壓的坯料，還要進行鏜孔。

1)異型材擠壓

由于靜液擠壓時可以獲得良好的潤滑條件和均勻涂層流動狀態(tài)，因而特別適合于內表面或外表面帶有細小復雜筋條，且形狀與尺寸精度和表面質量要求高的各種異型管材與棒材的成形。靜液擠壓可以在較低溫度下實現(xiàn)大變形程度的高速擠壓，所以對于一些高強度鋁合金，由于高溫脆性的緣故，在普通擠壓機上，只能采取很低的速度進行擠壓;而靜液擠壓可以將擠壓溫度降低至200~300℃，這樣既可以避免高溫脆性

又可以大幅度提高擠壓速度。采用靜液擠壓法，銅及銅合金小尺寸管材可用高達數(shù)百的擠壓比實現(xiàn)一次擠壓成形，大大簡化了生產(chǎn)工藝。同時，由于擠壓溫度較低，可獲得細小再結晶組織的制品。

2)難加工材料擠壓

鈦合金型材，特別是薄壁型材，采用普通擠壓方法成形十分困難。采用靜液擠壓法擠壓鈦合金時，擠壓溫度可大大降低，且擠壓制品具有尺寸精度高，表面質量好，性能均勻等特點，同時，還可以提高擠壓制品的力學性能。

3)高溫合金擠壓

利用靜液擠壓強烈的三向壓應力作用，可以改善金屬的變形能力，進行鎳基合金、金屬間化合物等高溫合金零部件的直接成形。

4)難熔金屬材料擠壓

大多數(shù)難熔金屬因其變形抗力大、塑性差，采用常規(guī)擠壓法擠壓難熔金屬難度大。在900~1500℃高溫下，難熔金屬不能在空氣介質中成形，因為金屬易與氣體發(fā)生作用，使性能顯著劣化。采用靜液擠壓法，以玻璃-石墨混合物為高壓介質，使部分難熔金屬擠壓成為可能。

5)粉體材料擠壓

熱靜液擠壓同時具有熱等靜壓和擠壓成形兩種功能，尤其適合于粉體材料的直接擠壓成形。例如，在鋼質包套中以70%的相對密度填充高速鋼粉末，然后進行熱靜液擠壓，可以獲得與鑄造坯料經(jīng)鍛造后材料力

學性能的制品。采用熱等靜壓工藝處理，然后在400~500℃溫度下進行靜液擠壓，可以獲得致密無缺陷的SiC纖維強化鋁基復合材料。

6)包復材料擠壓

利用金屬流動均勻和具有高靜水壓力作用等特點，靜液擠壓非常適合于各種包復材料(或稱層狀復合材料)的成形。

例如,冷靜液擠壓的銅包鋁復合材料，在高溫下金屬間化合物的包復材料的成形。由于高溫和高壓作用，容易獲得具有完全冶金接合的界面接合質量。

與軋制、拉拔等加工方法相比，常規(guī)擠壓(包括正擠壓、反擠壓、靜液擠壓)的最大缺點是生產(chǎn)的不連續(xù)性，一個擠壓周期中非生產(chǎn)性間隙時間長，對擠壓生產(chǎn)效率的影響較大。并且，由于這種間隙性生產(chǎn)的緣故，使得擠壓生產(chǎn)的幾何廢料(壓余與切頭尾)比例大為增加，成品率下降。因此，擠壓加工領域很早以來一直致力于盡可能地縮短擠壓周期中的非生產(chǎn)性間隙時間，并同時力求減少擠壓生產(chǎn)幾何廢料。因此，自20世紀70年代起，各國都在致力于連續(xù)擠壓新技術的開發(fā)和研究。連續(xù)擠壓方法(包括半連續(xù)擠壓法)大致可以分為兩大類。第一類是基于Green的Conform連續(xù)擠壓原理的方法，其共同特征是通過槽輪或鏈帶的連續(xù)運動(或轉動)，實現(xiàn)擠壓筒的"無限"工作長度，而擠壓變形所需的力，則由與坯料相接觸的運動件所施加的摩擦力提供。例如，連續(xù)摩擦筒擠壓法(Fuchs等，1973年)、軋擠法(Avitzur,1974年)、輪盤式連續(xù)擠壓法(Sekiguchi等，1975年)、鏈帶式連續(xù)擠壓法(Black等，1976年)、連續(xù)鑄擠(英國Alform公司，1983年)等均屬此類。第二大類是源于20世紀60年代后期為了克服靜液擠壓生產(chǎn)周期中間隙時間過長的缺點，而試圖使擠壓生產(chǎn)連續(xù)化的研究。這一類方法的共同特點是，利用高壓液體的壓力或粘性摩擦力，或再輔之以外力作用，實現(xiàn)半連續(xù)或連續(xù)的擠壓變形。例如，半連續(xù)靜液擠壓-拉拔法(Sabroff等，1967年)、粘性流體摩擦擠壓法(Fuchs,1970年)、連續(xù)靜液擠壓-拉拔法(松下富春等，1974年)等屬于此類。所有這些方法中，Conform連續(xù)擠壓法是目前應用范圍最廣、工業(yè)

化程度最高的方法。

Conform連續(xù)擠壓原理為了實現(xiàn)連續(xù)擠壓，必須滿足以下兩個基本條件:

①不需借助擠壓軸和擠壓墊片的直接作用，即可對坯料施加足夠的力實現(xiàn)擠壓變形;

②擠壓筒應具有無限連續(xù)工作長度，以便使用無限長的坯料。為了滿足第一個條件，其方法之一是采用如圖2-65(a)所示的方法，用帶矩形斷面槽的運動槽塊和將擠壓模固定在其上的固定矩形塊(簡稱模塊)構成一個方形擠壓筒，以代替常規(guī)的圓形擠壓筒。當運動槽塊沿圖中箭頭所示方向連續(xù)向前運動時，坯料在槽內接觸表面摩擦力的作用下向前運動而實現(xiàn)擠壓。但因為運動槽塊的長度是有限的，所以仍無法實現(xiàn)連續(xù)擠壓。為了滿足上述的第二個條件，其方法之一就是采用槽輪(習慣上稱為擠壓輪)來代替槽塊，如圖2-65(b)所示。隨著擠壓輪的不斷旋轉，即可獲得"無限"工作長度的擠壓筒。擠壓時，借助于擠壓輪凹槽表面的主動摩擦力作用，坯料(一般為連續(xù)線桿)連續(xù)不斷地被送入，通過安裝在擠壓靴上的模子擠出成所需斷面形狀的制品。這一方法稱為Conform連續(xù)擠壓法，是由英國原子能局(UKAEA)斯普林菲爾德研究所的D.Green于1971年提出來的。

緒論

第1章有色金屬材料塑性加工方法

1.1基本塑性加工方法

1.1.1擠壓

1.1.2軋制

1.1.3拉拔

1.1.4鍛造

1.1.5沖壓

1.2特種塑性成形

1.2.1超塑性成形

1.2.2旋壓成形

1.2.3擺動碾壓成形

1.2.4粉末冶金鍛造

1.2.5液態(tài)模鍛

1.2.6高能率成形

1.2.7充液拉深

1.2.8聚氨酯成形

第2章有色金屬板帶箔材加工

2.1簡單軋制過程的基本概念

2.1.1簡單軋制過程及變形參數(shù)

2.1.2變形區(qū)及參數(shù)

2.1.3軋制過程建立的條件

2.1.4軋制過程的基本特點

2.2軋制時的流動與變形

2.2.1沿軋件斷面高向流動與變形的不均勻性

2.2.2軋制時的縱向變形前滑與后滑

2.2.3軋制時的橫向變形寬展

2.2.4最小可軋厚度

2.3軋制壓力

2.3.1軋制壓力的概念

2.3.2軋制壓力的通常確定方法

2.3.3單位壓力的確定

2.3.4平均單位壓力與應力狀態(tài)系數(shù)n，的確定

2.3.5金屬實際變形抗力的確定

2.3.6軋制壓力計算舉例

2.4軋機傳動力矩及主電機功率計算

2.4.1軋機傳動力矩的組成

2.4.2軋制力矩的確定

2.4.3附加摩擦力矩的確定

2.4.4空轉力矩的確定

2.4.5動力矩的確定

2.4.6軋制負荷圖與主電機功率計算

2.5板帶箔材生產(chǎn)基本工藝

2.5.1板帶箔材產(chǎn)品及生產(chǎn)方法與工藝流程

2.5.2熱軋錠坯準備

2.5.3熱軋工藝

2.5.4冷軋工藝

2.5.5有色金屬板帶箔材典型生產(chǎn)工藝舉例

2.5.6板帶箔產(chǎn)品的主要缺陷與質量控制

第3章有色金屬管棒型材加工

3.1有色金屬管棒型材擠壓加工

3.1.1擠壓基本理論

3.1.2擠壓制品的組織與性能

3.1.3擠壓工藝

3.2有色金屬管棒型材的拉拔

3.2.1拉拔時的應力與變形

3.2.2拉拔力

3.2.3拉拔工藝

3.3管材冷軋

3.3.1管材冷軋的主要方法

3.3.2周期式冷軋管機軋制的變形原理和工具設計

第4章有色金屬線材加工

4.1金屬線材的生產(chǎn)方法

4.2線桿的生產(chǎn)

4.2.1線桿的孔型軋制

4.2.2線桿的連鑄連軋

4.2.3紫銅線桿的直接鑄造

4.3線材拉拔及拉線機

4.3.1拉線理論基礎

4.3.2拉線機的拉線原理及其配模設計

4.4有色金屬線材生產(chǎn)工藝

4.4.1圓銅線

4.4.2圓鋁線

4.4.3鎢絲

4.4.4扁線和型線

4.4.5雙金屬線

第5章有色金屬鍛造與沖壓成形

5.1自由鍛

5.1.1鐓粗

5.1.2拔長

5.1.3沖孔

5.1.4擴孔

5.1.5鍛造設備噸位選擇

5.1.6自由鍛鍛件的結構工藝性

5.2模鍛

5.2.1概述

5.2.2開式模鍛

5.2.3閉式模鍛

5.2.4鍛錘噸位計算

5.2.5模鍛件的結構工藝性

5.2.6模鍛工藝舉例

5.3沖壓成形

5.3.1沖裁

5.3.2彎曲

5.3.3拉深

5.3.4脹形

5.3.5翻邊

5.4沖壓件的工藝性

5.4.1沖壓件的形狀和尺寸

5.4.2沖壓件精度

總復習題

專業(yè)詞匯中英文對照

參考文獻