塑性加工新技术与发展趋势

引言

金属塑性加工是使金属在外力（通常是压力）作用下，产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和组织、性能的制品的一种基本的金属加工技术，以往常称压力加工。金属塑性加工的种类很多，根据加工时工件的受力和变形方式，基本的塑性加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、拉深、弯曲、剪切等几类。现代塑性加工业是制造业的一个重要组成部分。随着国民经济的健康持续发展，塑性加工技术迎来了空前的发展机遇，同时也面临诸多挑战。

金属塑性加工在现代冶金工业生产中占有重要地位，同金属切削加工相比，塑性加工有以下优点：①从成型原则上说，无切屑，金属损耗较少;②在取得所需形状的同时，改善材料的组织和性能，成品能够直接使用或者便于加工;③适于专业化的大规模生产工具。随着科学技术在各个领域的突破，促进了塑性成形的飞速发展，工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。

1.塑性加工新技术

通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术的发展大大促使了塑性成形的飞速发展。

2.高速高能成型

高速高能成形是在极短的时间内（毫秒级）将化学能、电能、电磁能或机械能传递给被加工的金属材料，使之迅速成形的工艺。高速高能成形速度快，可以使难变形的材料进行成形，加工时间短，加工精度高。

高速高能成形与常规成形方法相比，具有以下特点。

（1）模具简单。高速高能成形为单模成形，甚至不用模具，因此节省模具材料，降低生产成本。

（2）可提高材料塑性变形能力。高速高能成形时形成的高压冲击波对毛坯的作用时间短，

（3）使其变形速度快，这样可提高材料塑性变形能力，可成形塑性差的材料（加钛合金等）。

（4）有利于实现复合工艺。一些用常规成形方法需多道工序才能成形的零件，采用高速高能成形方法可在一道工序中完成，因此可有效缩短生产周期。

3.少无切屑成型

少无切削加工是机械制造中用精确成形方法制造零件的工艺，也称少无切屑加工。传统的生产工艺最终多应用切削加工方法来制造有精确的尺寸和形状要求的零件，生产过程中坯料质量的30%以上变成切屑。这不仅浪费大量的材料和能源，而且占用大量的机床和人力。采用精确成形工艺，工件不需要或只需要少量切削加工即可成为机械零件，可大大节约材料、设备和人力。少无切削加工工艺包括精密锻造、冲压、精密铸造、粉末冶金、工程塑料的压塑和注塑等。型材改制，如型材、板材的焊接成形，有时也被归入少无切削加工。

4.超塑性成型

超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率（ε=10-2～10-4s-1），一定的变形温度（约为热力学熔化温度的一半）和稳定而细小的晶粒度（0.5～5μm）的條件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。其伸长率可超过100%以上，如钢的伸长率超过500%，纯钛超过300%，铝锌合金超过1000%。目前常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。

目前超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术，利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性、的特点，一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量的特点，不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有成形性好、设计自由度大、成形精度高、没有回弹、无残应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。

5.微成型

微成型技术是一种仅有十几年历史的新兴技术，它是指以塑性加工的方法生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米级的零件或结构技术。典型的微成型技术工艺有微挤压、微钣金、微模锻工艺等。它是一种可以进行重复的批量生产复杂而有精密微细结构塑件的制造技术。在微成形技术中，最突出的特点是微尺度效应。

微成型技术继承了传统塑性加工技术生产效率高、材料利用率高、力学性能好等优点， 可以采用各种塑性加工方法， 如冲裁、拉伸、挤压和弯曲等， 精密成形各种复杂形状的微型零件， 广泛运用于电子和微机械产品中， 如集成电路引线框和紧固件。

6.内高压成型

内高压成形也叫液压成形或液力成形，是一种利用液体作为成形介质，通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零件目的的材料成形工艺。

内高压成形的构件质量轻，产品质量好，并且产品设计灵活，工艺过程简捷，同时又具有近净成形与绿色制造等特点，因此在汽车轻量化领域获得了广泛的应用。通过有效的截面设计与壁厚设计，许多汽车零部件都能用标准管材，通过内高压成形制成结构复杂的单一整体构件。这显然在产品质量，生产工艺简捷性等方面比传统的冲压焊接方式优越得多。大多数液压成形工序只需一个与零件形状一致的凸模（或液压成形冲头），液压成形机上的橡胶隔膜起到通常凹模的作用，因而模具成本比传统模具少约50%。与传统的需多道工序的冲压成形相比，液压成形只需一步就可成形相同零件。

与冲压焊接件相比，管材液压成形的优点是：节约材料，减轻重量，一般结构件可减重20%～30%，轴类零件可减重30%～50%：如轿车副车架，一般冲压件重为12kg，内高压成形件为7～9kg，减重34%，散热器支架，一般冲压件重16.5kg，内高压成形件为11.5kg，减重24%;可减少后续的机加工量和组焊工作量;提高构件的强度与刚度，由于焊点减少而提高疲劳强度。与冲焊件相比，材料利用率为95%～98%;降低生产成本和模具费用30%。

7.可变轮廓磨具成型

柔性制造技术也称柔性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称。柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制造加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。

采用柔性制造技术的企业，平时能满足品种多变而批量很小的生产需求，战时能迅速扩大生产能力，而且产品质优价廉。柔性制造设备可在无需大量追加投资的条件下提供连续采用新技术、新工艺的能力，也不需要专门的设施，就可生产出特殊的军用产品。

8.半固态成型

半固态成型技术是20世纪70年代由美国麻省理工学院Flemmings教授根据球状非枝晶的奇异特性而研究开发出来的。半固态成型技术因其突出的强化效果而受到广大科技工作者的关注，成为近年来研究的热点之一。

半固态成型技术包括触变铸造、触变锻造、半固态轧制和射铸成型几种工艺，但应用最广的是触变铸造。触变铸造是指把经在固-液温度区间搅拌的金属先制成非枝晶淀料，然后根据所做零件的大小截成小的坯料，再将坯料重新加热到半固态温度后压入模具的方法。

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