金属塑性成形的应用现状及发展趋势

姜翠红　程　俊

（集美大学 机械与能源工程学院，厦门 361021）

金属塑性成形的应用现状及发展趋势

姜翠红程俊

（集美大学 机械与能源工程学院，厦门 361021）

本文分析拉丝模、传统锻造模、旋转锻造模（扣压）、冷压模、触变成形及楔形滚压成形，同时探讨各种塑性成形对阶梯轴和对称轴之类的产品成型工艺的局限性。

拉丝 旋锻 冷挤压 触变成形 楔形滚压

引言

塑性成形技术由于具有高产、优质、低耗等显著工艺优点，而成为当今先进制造技术的重要发展方向[1]。

塑性成形技术主要是通过施加力场或同时辅以温度场，使材料产生塑性变形，实现体积转移，获得形状、尺寸和性能都满足要求的成形制造方法[2-3]。

在制造轴的方法中，基于去除钢坯圆棒上层材料的加工方法较受欢迎。这项技术成功应用于小公司，受车床加工范围局限，常用数控加工操作。另外，该方法可达到高精度和重复性生产。然而，在实际生产阶段，不仅要考虑加工制造时材料损失的余量，还要考虑精加工工艺产品尺寸精度。例如，粗车削余量在2mm到6mm内，成形工艺范围在0.7mm到1.5mm，这两种半成品直径的加工余量必须同时得到保障。

本文分析传统锻造模、旋转锻造模（扣压）、冷压模、烧结成形模式，同时探析了拉丝模对阶梯轴和对称轴之类的产品成型工艺的局限性。

1　塑性成形技术[4-6]

1.1拉丝模与锻造模

在机械零件成型工艺的方法中，尤其需要注意金属内部组织结构[7]。通过对机械加工后的材料与金属成型后的材料进行对比发现，经过“冷作”处理后的材料具有连续纤维体，且该材料具有强的耐久性。具体而言，对于具有轴对称金属零件成形方法中，常考虑拉丝模、滚动挤压模、传统的锻造模、旋转锻造模（扣压）、冷压模、烧结成形模这几种成形模式。

经金属成形工艺加工后，材料纤维分布相对均匀。上述技术需求的选择，取决于经济规模和秩序稳定两方面。每一个制造方法都有其一定的局限性和优势。这些优势注定他们只能用在指定的应用程序。制造商认为，所有制造成本的费用都起着潜在决定性的作用。此外，制造可重复性也需着重考虑。考虑到全挖空元素主要用作高速轴，要想保证薄壁墙厚度的许用公差及有限的形状尺寸公差是很难的，且该成品轴的旋转速度高而尺寸公差小。为满足这些需求，需要通过绘图技术来改善性能，特别是高质量的外表面、抛光表面和小维公差。此外，由于拉伸之前进行了适当的金属热处理，便有可能获得高耐用性和能保持良好塑性性能的疲劳特性的产品。拉伸工艺过程建立在通过拉丝模（如图1、图2所示）得延伸产品的基础上。然而，力并不作用在成形零部件上。

图1　拉丝模过程

图2　拉丝工艺过程

在形成产品时，某部分的一段尺寸或形状会发生变化。同时，钢坯会受到挤压，导致作用力的大小受到一定的局限。因此，这个力要比未成形的半成品的屈服点所需的力小，而超过这个极限值时，半成品就可能会发生变形。

拉丝技术的局限性不仅与工艺特点有关，而且也可能与产品的制造形状有关。在拉丝过程中，获得产品的形状一般不是非常复杂，如类似于法兰产品外部的部分。为保持所形成的中空产品具有恒定的直径和壁厚，必须使半成品零件能顺利通过。在拉伸工艺中，除了会有非金属杂质扩展引起的重叠和缩孔的残渣，还会由于不正确的拉伸出现材料裂开，这可能是由于压力过大所引起的。另外，也可能会由低温时过度滚动材料引起脆性断裂，由拉丝模具损坏而导致表面划痕，等等。

传统的锻造技术（见图3）只应用于重型机器中轴的形成。由于必须使用相当高精度的终加工技术，因此从经济和定性的角度来看，这种方法逐渐被更现代化的旋锻和扣压技术所取代。

图3　锻造过程（1-物料）

图4 锻造车间

相对壁厚较短产品而言，冲压常被作为比锻造更有效的技术，图5是厚壁套管打孔原理图。

图5　厚壁套管打孔过程图

图6　由亚哈哈德设置的套筒挤压工艺装置

使用打孔可以获得良好组织性能的结构材料。然而，产品的壁厚公差（横截面和纵截面）却较大。随着成型力的增加，迫使冲床的结构丧失稳定性；随着打孔的进一步加深，产品壁厚的分布变得越来越不均匀。

为了能轻易从模具中摘下产品，也考虑到推进器能自由推出成品，必须使所成型零件的外表面与模具间有一定的技术聚合。如果不能设计一种能解决这类成形件深层加工与应用的方案，就允许增大零件公差值的大小。为了完成该零件最终圆筒形状的目的，必须采取机械加工或其他金属成形方式如拉长歪斜轧机来延伸。

增大壁厚的均匀性便可获得所需产品的直径。为消除纵切面上壁厚易变的问题，可通过（如图6所示）亚哈哈德[8]等人设计的挤压套筒挤术的系统来应用。它能消除工具箱的合流点，获得圆柱形状产品。

1.2挤压成型与旋锻

目前，挤压还应用于制造螺丝或螺钉（地脚螺栓）。经该操作后，产品的部分直径会相应变化（见图7）。经挤压操作后的成形零件相比零件其余部分而言，具有相当大的耐久性。但是，由于该方法尚不可能获得长阶梯状的元件，所以这种方法还不能广泛应用于汽车行业。

图7　挤压工艺原理图

图8　锻压机上锻造过程图

旋锻加工允许管材和棒料的直径缩小，以获得大的弯曲值。在冷加工下所得的尺寸公差更精确，一方面利于保留材料层的流动，另一方面也利于增加材料的机械性能，以增加其上层硬化的可能性。通过该方法能非常精确地得到产品的内部形貌（圆柱孔和圆锥孔）。在冷的（热的）成型条件下，工艺过程如图9所示。

图9　旋转锻造工艺的过程图

该工艺一般应用于环状的元件（主要是汽车轮辋钢圈和铁路轮）中。旋锻和旋转锻造两者的主要区别在于成形材料，而不在于成形工具。通过计算所得尺寸公差值也非常接近，这可能是为了符合市场需求而设。

冷挤压工艺似乎由于受冲头负荷力的影响，更在意怎样使模具中的材料流动起来。在这个工艺过程中，长度获得很大的增量（甚至1000%铝）。根据材料流动方向与冲头运动的区别，可以分为以下几种不同类型：共挤压，间接挤压，前后两个方向（或结合）挤压。为了减少材料损失，通过选用与之相关的摩擦焊接的方法而制造成挖空轴取代实心轴。图10为具管形状物的冷挤压工艺原理图。

图10　管状物的冷挤压工艺过程图

1.3 触变成形

触变成形技术是一种把低熔点合金进行熔化，以高速、高压把原料注入金属模具内进行成型的技术。它采用一体化成型方式，将压铸和注射工艺合二为一。模具和成型材料与半固态压铸工艺相似，工艺过程则接近注射成型。在室温条件下，颗粒状的合金原料由料斗强制输入到料筒中，料筒中旋转的螺旋体使合金颗粒向模具运动。当其通过料筒的加热部位时，合金颗粒呈半固态。在螺旋体剪切作用下，呈半固态的枝晶组织的合金转变成颗粒状初生相组织；当其累积到预定体积时，以高速将其压入到抽真空的预热模具中成型。成型时，加热系统采用电阻、感应复合加热工艺，合金固相体积分数高达60%，同时通入氩气保护。触变成型的工艺图如图11所示。

图11　触变成形工艺原理

1.4楔形滚压成形[9-12]

基于轴对称楔形滚压成形采用一体成形的楔形和两辊（如图12所示），被轧制产品放置在驱动辊上，以与楔相反方向运动及相同的速度旋转。辊可做成光滑或异形的，该楔水平移动切入到材料中，最后形成一定尺寸的缩颈。相比于交叉楔横轧而言，楔形滚压成形除了较经济外，也可减少轴向材料开裂的损失，还可以增加产品的输出。

图12　楔形滚压成形方式的理想架构

2　结束语

对轴对称零件而言，常用拉丝模、滚动挤压模、传统的锻造模、旋转锻造模（扣压）、冷压模、粉末烧结成形模这几种成形模式。其中，拉伸工艺可能会出现非金属杂质扩展引起的重叠和缩孔的残渣。而相对而言，滚动挤压模具有相当大的耐久性，但旋转锻造能非常精确得到产品的内部形貌（圆柱孔和圆锥孔）[13]，粉末冶金不能获得相比触变成型较高的精度。

[1]洪慎章.塑性成形技术的现状及发展趋势[J].模具技术，2003，（1）：54-56.

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[7]王智文，张治民，等.镁合金的应用现状及其塑性成型技术[J].华北工学院学报，2005，（1）：70-74.

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[13]Hayama M.Optimum Working Conditions in the Cross Rolling of Stepped Shaft[J].Journal of Mechanical Working Technology，1979，（3）：31-46.

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

福建省教育厅科技项目（JA13189）。