金属塑性成型及加工综述分析

金属塑性成型及加工综述分析

栗源涛、任俊伟、窦一幸、张永建、王麒翔、韩翔宇、王晨霖、张龙飞、孙厚礼、杨鸿宇、刘铸、穆航、陈文涛、陈东方

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：在动车机车的制造过程中，金属塑性成型及加工技术是必须要进行精通和学习的技术。无论冷塑性变形还是热塑性变形以及锻造和冲压等加工工艺及设备，都时时刻刻离不开金属塑性成型及加工技术的深度研究。本文主要从各种金属塑性成型及加工技术的原理和方法进行分析，然后进一步分析其特点。金属塑性成型及加工技术的综合研究，会在未来的动车机车的制造过程中发挥越来越重要的作用。

关键词：塑性成型、冷塑型变形、热塑性变形、加工工艺、加工设备

作者简介：栗源涛（1998年4月-）性别：男，民族：汉族，籍贯：山东省临沂市，学历：硕士，研究方向：新材料、装备制造。

正文

材料的塑性是在外力的作用下，产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。材料的塑性加工是利用金属材料所具有的塑性变形能力，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。金属塑性成型时材料成型的主要组成部分，在国民经济的加工工业中占有重要的地位，是现代制造业的基础和发展方向。

1.金属塑性变形及其影响

1.1冷塑性变形的影响：

冷塑型变形过程中，晶粒内部出现滑移带和孪生带。晶粒的形状发生了很多变化，随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状。晶粒的位向也发生了很大的改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成形变织构。冷塑性变形对性能有很多的影响，冷塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降，即产生了加工硬化。加工硬化过程也会有很多的影响，加工硬化提高了金属的强度，可作为强化金属的一种手段（形变强化）；还可以改善一些冷加工工艺性能，使塑性变形能够较均匀地分布于整个工件。加工硬化同时增加了变形的困难，提高了变形抗力，甚至降低了金属的塑性。

1.2热塑性变形的影响：

金属的热塑性性变形过程有很多的优点：（1）改善晶粒组织：经过热塑性变形可获得均匀细小的再结晶组织。（2）锻合内部缺陷：铸态金属中的缺陷经过锻造后被压实，致密度得到提高。（3）改善颗粒分布：可以使碳化物和夹杂物被击碎，并均匀分布在基体中。（4）改善偏析：在热塑性变形中枝晶破碎和扩散，可使铸态金属的偏析略有改善。

2金属塑性加工工艺及设备

金属塑性加工工艺包括冲压、锻造以及特种塑性加工，包括超塑性成形以及粉末锻造。按加工时金属受力和变形特点来分：金属塑性成形可以分为锻造、轧制、挤压、拉拔。锻造又可以分为自由锻造和模锻。轧制、挤压、拉拔通常用来生产原材料(如管材、板材、型材等)。锻造和冲压用来生产零件或毛坯。

2.1金属塑性加工工艺-锻造

在加压设备及工模具作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。自由锻造是利用冲击力或压力使金属材料在上下砧铁之间或锤头与砧铁之间产生变形，而获得所需形状、尺寸和力学性能锻件的成形过程。自由锻造的工序有很多，根据各工序变形性质和变形程度的不同，可以使坯料产生一定程序的热变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的过程，主要有镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲和扭转等。辅助工序主要是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压肩、倒棱等。精整工序主要是为改善锻件表面品质而进行的工序，如整形、清除表面氧化皮等。镦粗工序是指使坯料高度减小、横截面积增大的工序。拔长工序可以使坯料横截面积减小、长度增加的工序，适用于轴类、杆类锻件的生产。冲孔是指在坯料上冲出通孔或盲孔的工序。对圆环类锻件，冲孔后还应进行扩孔工作。弯曲可以使坯料轴线产生一定曲率的工序扭转可以使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。模型锻造可以将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形而获得锻件的成形过程。固定模锻（按其所用设备不同）主要分为5大类：锤上模锻、曲柄压力机模锻、摩擦压力机上模锻、胎膜锻、平锻机上模锻。蒸汽-空气模锻锤的设备的运动副之间的间隙小，运动精度高，可保证模锻的合模准确性。

2.2金属塑性加工工艺-冲压

冲压工序是利用压力装置和模具使板料产生分离或塑性变形，获得成形件或制品的成形方法。其中，金属板料厚度为6mm以下，通常采用冷成形。当板料厚度超过8mm时，才采用热成形。冲压工序主要包括分离工序、变形工序。

分离工序包括冲裁、修整、切断。冲裁指的是坯料按封闭轮廓分离的工序。落料时，冲落部分为成品，而余料为废料。冲孔时，冲落部分是废料，余料部分为成品。塑性变形阶段冲头继续向下运动，变形达到一定程度，位于凸模、凹模刃口处金属硬化加剧出现微裂纹，微裂纹继续扩展，上下裂纹相应重合后材料被剪断。排样指的是冲裁件在条料或带料上的布置方法。合理排样十分讲究技巧，可以使得废料最少，材料利用率高。

变形工序包括拉深、弯曲、胀形、翻边、旋压。变形工序主要指的是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。拉深指的是将平板坯料放在凹模上，冲头推压金属料通过凹模形成杯形工件的过程。为了保证坯料具有足够的塑性，在一两次拉深后，应安排工序间的退火处理。其次，在多次拉深中，拉深系数应一次比一次略大一些，以确保质量。弯曲指的是坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度和曲率的变形工序。弯曲回弹指的是弯曲卸载后，塑性变形保留，弹性变形消失，弯曲角形状和尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化。板料越厚，内弯曲半径越小，拉应力就越大，越容易弯裂。翻边主要是在预先冲孔的板料上冲制成竖直边缘。胀形主要用于板料的局部胀大，如压制凹坑、加强肋、起伏形的花纹及标记等。旋压主要指的是加工金属空心回转体件，顶块把板料压紧在模具上，机床主轴带动模具和板料一同旋转，手工操作擀棒加压于板料，反复压碾，使板料逐渐贴于模具上而成形。

2.3金属塑性加工设备

冲压生产时，用到的设备是冲压机。冲压机的原理主要是通过电动机驱动飞轮，并通过离合器，传动齿轮带动曲柄连杆机构使滑块上下运动，带动拉伸模具对钢板成型。

3先进金属塑性加工技术

3.1激光冲击波板料塑性成型

激光冲击波板料塑性成型机理指的是从激光器发出的高功率密度、短脉冲的强激光束，冲击覆盖在金属板材表面上的柔性贴膜，使其汽化电离、形成高温高压的等离子体而爆炸，产生向金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力远远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生塑性变形高度。激光冲击波板料塑性成型的优点有很多：（1）成型压力高，激光与物质相互作用产生冲击波的压力可达GPa量级。（2）超快，在几十纳秒内瞬间完成塑性变形。（3）高应变率，达到107～109量级。（4）成型不需模具，不需外力，通过激光的脉冲参数和脉冲轨迹控制板料的成型量级和成型形状，节省了传统的冲压成型中模具制造和调试的时间，缩短产品的生产周期。

3.2内高压成型技术

内高压成形技术通常是用管坯作为原材，通过对管腔内施加液体压力、轴向施加负荷作用，使其在给定模具型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的技术。

3.3智能化增量技术

金属板料数控增量塑性成形技术的成形思路是将复杂的三维形状分解成一系列二维层，并以工具头走等高线的方式，在二维层上进行塑性加工，实现金属板料的数字化制造。

第一作者简介：栗源涛（1998年04月），性别：男；籍贯：山东省临沂市；学历：硕士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，材料工程师；本科期间获5次校综合三等奖学金；研究生期间获校二等、三等学术奖学金；地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；研究方向：新材料、装备制造。

第二作者简介：任俊伟（1992年11月），性别：男；籍贯：山东省烟台市；学历：博士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，材料工程师；北京大学博雅元培教授；中国管理科学研究院教授；地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；研究方向：新材料，装备制造，应急管理，医药化工。