金屬材料及工藝（第二版）鍛壓篇之現代塑性加工與發展趨勢主講：第17章現代塑性加工與發展趨勢

隨著工業生產的發展和科學技術的進步，古老的鍛壓加工方法也有了突破性的進展，涌現了許多新工藝、新技術，如超塑性成形、粉末鍛造、液態模鍛、高能率成形等。這些新工藝、新技術一方面極大地提高了制件的精度和復雜度，突破了傳統鍛壓只能成形毛坯的局限，采用直接鍛壓成形使各種復雜形狀的精密零件實現了近凈成形和凈終成形；另一方面，又使過去難以鍛壓或不能鍛壓的材料以及新型復合材料的塑性成形加工成為現實，從而為塑性成形提供了更為寬廣的應用前景。4117.1.1

超塑性成形

1.超塑性成形的概念

超塑性（微細晶粒超塑性）是指當材料具有晶粒度等于0.5～5μm的超細等軸晶粒，并在T＝（0.5～0.7）T熔的成形溫度范圍和ε＝（10－2～10－4）m/s的低應變速率下變形時，某些金屬或合金呈現出超高的塑性和極低的變形抗力的現象（見視頻37）。超塑性成形就是對超塑性狀態的坯料進行鍛造、沖壓、擠壓等加工，以制出高質量、高精度復雜零件的方法。目前常用的超塑性成形材料主要有鋅合金、鋁合金、銅合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼及高溫合金等。42教學視頻37

超塑成形432.超塑性成形的特點

(1)金屬材料具有超常規塑性，成形性極好，因而僅用一道工序就可獲得形狀復雜的薄壁工件。采用超塑性模鍛成形技術使以前不能鍛壓的金屬成為可能，從而擴大了可鍛金屬的范圍。

(2)變形抗力很小，因而可用小設備鍛壓大工件，而且延長了模具的使用壽命。

(3)工件尺寸精密、形狀復雜、晶粒細小、組織均勻且機械性能各向同性，是實現少、無切削加工的新途徑。443.超塑性成形的工藝

1）超塑性模鍛超塑性模鍛是將已具備超塑性的毛坯加熱到超塑性變形溫度，以超塑變形允許的應變速率，在液壓機上進行等溫模鍛，最后對鍛件進行熱處理以恢復強度的方法。超塑性模鍛需要在成形過程中保持模具和坯料恒溫，故而在其鍛模中設置有加熱和隔熱裝置（如動畫54的感應加熱圈、隔熱板等），這是與普通鍛模最大的不同。動畫54

超塑性模鍛452）板料深沖

超塑性模鍛已成功地應用于軍工、儀表、模具等行業中，用于小批量生產高溫合金和鈦合金等難成形、難加工材料的高精度零件，如高強度合金的飛機起落架和渦輪盤、注塑模型腔、特種齒輪等，大大節約了原材料，降低了生產成本。如動畫55所示，在拉深模中對超塑性板料的法蘭部分加熱，并在外圈加油壓，就能一次拉深出高深的薄壁容器，且制件的壁厚均勻、無凸耳、力學性能各向同性。動畫55

超塑性板料深沖463）板料的真空成形和吹塑成形

將超塑性板料放在模具中，并與模具一起加熱到超塑性溫度后，將模具內的空氣抽出（真空成形）或向模具內吹入壓縮空氣（吹塑成形），利用氣壓差使板坯緊貼在模具上，從而獲得所需形狀的工件。這種方法主要適合于成形鈦合金、鋁合金、鋅合金等形狀復雜的殼體零件。

圖19

真空成形和吹塑成形47零件的厚度在0.4～4mm之間的薄板通常用真空成形法，而厚度較大、強度較高的板料用吹塑法（見圖19）。17.1.2

粉末鍛造

1.粉末鍛造概述粉末鍛造是將各種粉末壓制成的預成形坯加熱燒結后再進行模鍛，從而得到尺寸精度高、表面質量好、內部組織致密的鍛件。它是傳統的粉末冶金與精密模鍛相結合的一種新工藝。既保持了粉末冶金近凈成形和凈終成形工藝的優點，又發揮了鍛造成形的特點，使粉末冶金件的力學性能達到甚至超過普通鍛件的水平，因此在現代工業尤其是汽車制造中得到了廣泛的應用。482.粉末鍛造的工藝流程粉末鍛造的工藝流程（如動畫56所示）為：制粉混粉冷壓制坯燒結加熱模鍛熱處理成品。動畫56

粉末鍛造的工藝流程493.粉末鍛造的特點

(1)鍛件精度和表面質量高于一般模鍛件，可制造形狀復雜的精密鍛件，特別適合于熱塑性不良材料的鍛造，材料利用率很高，可實現近凈成形和凈終成形。

(2)通過調整預制坯的形狀和密度，可得到具有合理流線和各向同性的鍛件。

(3)變形力小于普通模鍛，鍛件的力學性能大體上與普通模鍛件相當，只是塑性、韌性略差。5017.1.3

液態模鍛液態模鍛是將熔融金屬直接澆注進金屬模腔內，然后以一定的壓力作用于液態或半固態的金屬上，使之在壓力下流動充型和結晶并產生一定程度的塑性變形，從而獲得鍛件的一種加工方法，如視頻38所示。教學視頻38

液態模鍛5117.1.4

多向模鍛

1.多向模鍛概念

多向模鍛是將坯料放于模具內，用幾個沖頭從不同方向同時或先后對坯料施加脈沖力，以獲得形狀復雜的精密鍛件。多向模鍛一般需要在具有多向施壓的專門鍛造設備上進行。這種鍛壓設備的特點就在于能夠在相互垂直或交錯的方向加壓，如動畫57所示。動畫57

多向模鍛522.多向模鍛工藝特點多向模鍛采用封閉式鍛模，沒有飛邊槽，鍛件可設計成空心或實心的，零件易卸出，拔模斜度小。鍛件精度高，材料的利用率較高，達40%～90%以上。多向模鍛盡量采用擠壓成形，金屬分布合理，金屬流線完好理想，力學性能好，強度一般能提高30％以上，伸長率也有提高。采用擠壓成形的多向模鍛亦稱三維擠壓。多向模鍛的缺點是，必須采用專用多向模鍛壓力機；毛坯加熱時抗氧化要求高，只允許有一層極薄的氧化皮；毛坯尺寸要求嚴格，下料必須準確。5317.1.5

半固態金屬塑性成形

半固態金屬加工技術（SSM）是21世紀前沿性金屬加工技術。半固態技術有一系列特點，最突出的是半固態材料的觸變性和優良的組織結構，同時，成形零件的尺寸和精度能達到近凈成形或凈終成形。半固態金屬成形技術主要有兩條成形線路：一是半固態鑄造成形，即半固態流變成形（Rheocasting）和半固態觸變鑄造成形(Thixoforming)；二是半固態壓力加工成形，即采用半固態流變和半固態觸變塑性成形。半固態塑性成形方法是將半固態漿料制備成坯料，根據產品尺寸下料，重新加熱到半固態溫度后，再塑性加工成形。對于觸變成形，由于半固態坯料便于輸送，易于實現自動化，因而，在工業中較早得到了廣泛應用。541.觸變模鍛工藝過程進入模膛的半固態合金坯料，只有初生相之間（5～30μm）薄層。由于是低熔點物質，呈熔融態，在壓力下，以黏性流動方式填充模膛，隨后產生高壓凝固和塑性變形，從而獲得精密制件。其工藝過程見動畫58。動畫58

半固態鍛造工藝流程552.半固態金屬塑性成形工藝特點

(1)黏度可調整。半固態坯料含有一半左右初生相，在重力下可以機械搬運,在機械壓力下黏度迅速下降便于充填。

(2)成形速度高。如美國阿盧馬克斯工程金屬工藝公司半固態鍛造鋁合金汽車制動總泵體，每小時成形150件，而利用金屬型鑄造同樣的制件，每小時僅24件。

(3)改善充填條件。成形過程不易噴濺，減輕金屬裹氣和氧化，提高制件的致密性。制件可熱處理強化，強度比壓鑄件高。

(4)減少凝固收縮。坯料充填前，已有近一半固相，因此制件精度高，加工余量小，易實現近凈成形。

(5)充型溫度低。減輕了模具熱沖力，提高了模具壽命。

(6)減少環境污染。成形車間不需處理液態金屬，操作安全。56

(1)適用于半固態加工的合金。包括鋁合金、鎂合金、鋅合金、鎳合金、銅合金和鋼鐵合金等。其中鋁合金、鎂合金、鋅合金因熔點低，生產易于實現，獲得廣泛應用。

(2)制造金屬基復合材料。利用半固態金屬的高黏度，可有效使不同材料混合，制成新的復合材料。3.半固態金屬塑性成形適用范圍

(7)與固態塑性成形相比變形力小。由于半固態金屬塑性成形變形力顯著降低，成形速度比固態模鍛高，因此可成形很復雜的鍛件，縮短了加工周期，降低了成本。半固態金屬塑性成形變形抗力低，消耗能量小，減少了對模具的鐓擠作用，提高了模具的壽命。5717.1.6

高能率成形高能率成形是利用炸藥或電裝置在極短時間內釋放出化學能、電能、電磁能等，通過空氣或水等傳壓介質產生的高壓沖擊波使板坯迅速變形和貼模而獲得制件的成形方法。常用的高能率成形方法有爆炸成形、電液成形、電磁成形等。它們的共同特點是模具簡單，零件精度高、表面質量好，能加工塑性差的難成形材料，生產周期短、成本低。

1.爆炸成形爆炸成形是利用高能炸藥在爆炸瞬間釋放出的巨大化學能對金屬毛坯進行加工的一種高能率成形方法（見動畫59）。動畫59

爆炸成形581）爆炸成形工藝特點爆炸成形所用模具簡單、無需沖壓設備、能簡易地加工出大型板材零件等，尤其適合于小批量或試制大型沖壓件。由于爆炸時噪音大、震動強，煙霧污染環境，并有一定的危險性，所以爆炸成形常在野外進行。爆炸成形可分為封閉式和非封閉式兩種，見圖20。

2）在生產中的應用爆炸成形主要用于板材的拉深、脹形、彎曲、壓花紋等成形工藝，如生產鍋爐管板、貨艙底板、波紋板和汽車后橋殼體等零件。此外還可用于爆炸焊接、表面強化、粉末壓制等。圖20

爆炸成形592.電液成形電液成形是利用液體中強電流脈沖放電所產生的強大沖擊波對金屬進行加工的一種高能率成形方法（見動畫60）。與爆炸成形相比，電液成形時能量易于控制，成形過程穩定，操作方便、安全，生產率高，噪音小，便于組織生產。但由于受到設備容量的限制，目前僅限于加工中小型零件。電液成形主要用于板料的拉深、脹形、翻邊及沖裁等，尤其適合于管子的脹形加工。動畫60電液成形603.電磁成形

電磁成形是利用電容器放電在工作線圈中產生脈沖電流所形成的放電脈沖磁場與毛坯中感應電流所產生的感應脈沖磁場的相互作用使坯料迅速貼模成形的方法（見圖21）。

1）電磁成形的工藝特點電磁成形除具有前述的高能率成形的共同特點外，還具有無需傳壓介質，可以在真空或高溫下成形、能量易于控制，成形過程穩定、無污染、生產效率高，易于實現機械化自動化的優點。圖21

電磁成形61電磁成形主要適用于板材尤其是管材的脹形、縮口、翻邊、壓印、剪切及裝配連接等（見動畫61），特別是可將金屬裝配到陶瓷、玻璃等脆性材料上去，這是其他工藝方法難以實現的。因此，電磁成形比其他高能率成形方法得到了更加廣泛的應用。2）在生產中的應用動畫61

電磁成形62

精密沖裁是指通過一次沖壓行程即可獲得低表面粗糙度和高精度的沖裁零件的工藝方法（見動畫62，圖22，視頻38）。精密沖裁是利用小間隙的凸、凹模獲得純塑性剪切變形的原理，避免出現撕裂現象，從而獲得既不帶錐度又表面光潔的沖裁件。精沖件斷面平直、光亮、外形平整，尺寸精度可達IT8～IT6級，表面粗糙度Ra可達0.8～0.4μm，因此不需進行任何加工即可直接使用。17.1.7

精密沖裁63動畫62

精沖圖22

普通沖栽與精沖的斷口比較64((

一般沖裁：精度為IT10～IT11，Ra:12.5～3.2μm。精密沖裁：IT8～IT9，Ra:3.2～0.20μm。

2.精沖特點精沖與普通沖裁相比具有以下特點（見視頻39）。

(1)材料分離形式。純塑性剪切變形。

(2)斷面質量。全是光亮帶。

(3)間隙及刀口形式。精沖凸、凹模間隙要比普通沖模小得多；凸、凹模的刃口也不一定做得很鋒利，而有時須做成圓弧及圓角形式。

(4)毛刺。是在板料分離將要結束時形成的，形成后不再變形(不再被拉長)。1.精沖與普通沖裁的比較65

(5)精沖的工件極限尺寸較小,可沖裁寬度或孔徑小于料厚0.5～0.7mm

的工件。

(6)要求原材料須有良好的塑性。

(7)使用模具設備比普通沖裁復雜,使用自動及精沖專用設備；或在普通沖床上使用精沖模。

(8)成本低。對同一精度沖裁件精沖提高了效率(普通沖裁需加整修工序)、節約工時、降低成本。教學視頻39

精沖6617.1.8

回轉成形回轉成形是指在坯料加工過程中，采用加工工具回轉，或坯料回轉，或加工工具與坯料同時回轉的方式進行壓力加工的新工藝。回轉成形過程是通過對坯料進行連續的局部變形來實現工件的成形，故所需設備噸位較小，易于實現高速、節能和自動化生產。

1.輥鍛輥鍛是將坯料在裝有扇形模塊的一對相對旋轉的軋輥中間通過，使坯料受壓發生塑性變形，從而獲得鍛件或鍛坯的鍛壓方法（見動畫63，教學視頻40）。輥鍛的實質是縱向軋制，根據工件形狀的復雜程度，可以一次輥鍛成形，也可以分別在軋輥上的幾個模槽中輥鍛多次。67與模鍛件相比，輥鍛件力學性能較好，尺寸穩定，可節省材料，但尺寸和形狀精度不高并且只能使截面變小，不能使截面變大，故主要適用于生產長軸類、長桿類鍛件或鍛坯。目前，輥鍛工藝已用于制造汽車和拖拉機的前梁、連桿、傳動軸、轉向節以及渦輪機葉片等零件。教學視頻40

輥鍛動畫63

輥鍛682.軋制

1）橫軋

橫軋是軋輥軸線與坯料軸線相互平行的一種軋制方法。動畫64為齒輪橫軋示意圖。橫軋時，左右兩軋輥、同向旋轉，帶動齒輪坯

反向旋轉，感應加熱器將齒輪動畫64

橫軋齒輪69坯輪緣加熱到1000～1050oC,主軋輥1壓入齒坯齒坯輪緣受擠壓產生變形，形成輪齒。橫軋生產效率高、節省金屬材料，常用于生產各種類型的齒輪、螺紋。

縱軋是軋輥軸線與坯料軸線在空間互相垂直的軋制方法。兩軋輥軸線平行，旋轉方向相反，坯料作垂直于軋輥軸線方向的運動。縱軋工件不旋轉，僅作直線2）縱軋運動，在軋輥的作用下產生連續性的拔長變形和一些增寬變形,見動畫65。縱軋包括各種型材和板材的軋制，輥鍛軋制，輾環軋制等方法。動畫65

縱軋70

斜軋是軋輥軸線與坯料軸線在空間相夾一定角度的軋制方法。常見的斜軋方式主要為螺旋斜軋和穿孔斜軋兩種。3）斜軋圖23以螺旋斜軋鋼球為例，軋輥1、3相交成4o～14o之間，軋輥上有多頭圓弧形螺旋槽，圓柱形坯料2在軋輥作用下繞自身軸線旋轉并沿軸線方向前進，在軋輥擠壓下產生連續變形，形成鋼球。(a)螺旋斜軋鋼球；(b)螺旋斜軋周期性軋材；(c)穿孔斜軋無縫鋼管1-上軋輥；2-坯料；3-下軋輥；4-芯頭

(a)(b)

(c)圖23螺旋斜軋鋼球71動畫66

斜軋可生產的零件72斜軋可生產的零件如動畫66所示。4）楔橫軋楔橫軋是一種特殊的橫軋工藝，楔橫軋兩個軸線平行的軋輥上均裝有楔塊。當兩軋輥同向轉動時，楔塊擠壓坯料，使坯料直徑逐步變小，長度逐步增加，金屬沿軸向流動而形成各種軸類零件。楔橫軋工件尺寸精度高、表面粗糙度低并且生產率高，易于實現自動化。但軋輥楔塊制造較為困難，故適用于大批量生產軸類毛坯。見圖24，動畫67。動畫67

楔橫軋圖24

用楔橫軋生產的各種軸類零件73

環形毛坯在旋轉的軋輥中受壓變形而使厚度變薄直徑擴大的鍛壓方法稱為碾環，如動畫68所示。主要用于生產等截面的環形件，如火車輪轂、軸承內外套圈、齒輪圈、法蘭等。5）碾環動畫68

碾環軋制74旋壓是在板坯隨芯模旋轉或旋壓工具繞板坯與芯模旋轉的同時，旋壓工具相對芯模進給，使坯料受壓并實現連續、逐點變形的工藝方法，有普通旋壓和變薄旋壓（亦稱強力旋壓）之分。主要用于圓筒形、錐形、曲面形等復雜形狀的空心回轉體工件或高強度難變形的材料加工（見動畫69）。

6）旋壓

(1)工藝特點。模具結構簡單、費用低，設備簡單；加工范圍廣，既可制造旋轉體筒形件，又可加工螺紋及翻孔、縮口、卷邊和切邊等工序。但操作技術要求高，零件的通用性及互換性較差。

(2)適用范圍。復印機卷筒、聚光鏡罩、導彈和衛星的鼻錐和封頭等。動畫69

旋壓

757）軋制的特點及應用動畫70

冷軋螺紋

(2)適用范圍。型材軋制(一次塑性成形)；零件的軋制(二次塑性成形)。76動畫70為冷軋螺紋生產示意圖。

(1)軋制的工藝特點。生產效率高(為錘上模段的5～10倍)；質量好(連續變形且變形均勻)；節約金屬材料(比錘上模鍛損耗降低6～10個百分點)；勞動條件好,易于實現“兩化”；設備結構簡單,對廠房地基條件要求低。拉拔成形是用拉拔機的鉗子將金屬料從一定形狀和尺寸的拉拔模的模孔中拉出的一種加工方法，主要用于生產各種斷面的型材、線材和管材。

1）特點

(1)應力狀態。變形時金屬處于一拉兩壓的應力狀態。

(2)變形抗力小。

(3)產生拔制應力(作用力在型材頭部,脫離變形區后仍有拉應力存在,即拔制應力)，使材料塑性被降低，故變形量受限，中間需作退火、潤滑處理。

(4)拉拔成形常在冷態下進行。17.1.9

其他成形

1.拉拔成形77拉拔成形主要用于生產各種斷面的型材、線材和管材（見動畫71，視頻41）。如生產圓鋼、扁鋼、電線、電纜、無縫鋼管等，特別適用于加工各種規格的線材。2）應用教學視頻41

拉拔成形動畫71

拉拔成形78

擠壓是將金屬坯料放在擠壓筒內,用強大的壓力使坯料從模具中擠出成形的一種加工方法（見動畫72，圖25、26，視頻42）。2.擠壓

動畫72

擠壓原理圖25圖26

用擠壓生產的零件79

擠壓與軋制、拉拔相比其優點(以活塞銷為例，見視頻42

)。1）擠壓特點

(1)塑性好、變形程度大，可一次擠壓斷面形狀復雜的管材和型材。

(2)對那些難于用其他塑性成形方法加工的脆性材料,僅需幾秒鐘便完成加工,這對變形溫度范圍窄的材料尤為有利。

(3)變形抗力大,擠壓設備需要噸位大,故為了降低抗力型材和管材等常采用熱擠壓成形。教學視頻42

活塞銷冷擠壓80(1)按擠壓時金屬流動方向和凸模運動方向的關系,可分為:正擠壓（動畫73）:凸模運動方向與坯料金屬流動方向相同。反擠壓（動畫74）:凸模運動方向與坯料金屬流動方向相反。2）擠壓分類動畫73

正擠壓動畫74

反擠壓81動畫75

復合擠壓動畫76

徑向擠壓復合擠壓（動畫75）:凸模運動方向與坯料部分流動方向相同，82部分相反。徑向擠壓（動畫76）:凸模運動方向與坯料流動方向垂直。

(2)按照擠壓時坯料的溫度狀態可分為:

熱擠壓:將毛坯加熱到熱模鍛的溫度范圍內的擠壓,擠壓力小,但精度低,如視頻