金屬成型工藝的最新進展

金屬成型工藝的最新進展R.Kopp教授薩爾布呂肯新材料所納米技術(shù)中心，亞琛大學(xué)工業(yè)大學(xué)，茵特澤斯特瓦斯街10號，亞琛大學(xué)，德國（譯自：JournalofMaterialsProcessingTechnology60（1996）1-9）摘要在金屬成型技術(shù)上的多種發(fā)展方向，將會影響未來的工廠建設(shè)形式和生產(chǎn)工藝，并且其影響已經(jīng)非常顯著。本文將描述若干工藝過程的簡化，靈活性和一體化。并且中空結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展也越來越有益于生產(chǎn)創(chuàng)新。此外，本文中提及的有限元仿真與優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)成為新工藝、工廠發(fā)展或改進的著實重要的工具。鑒于有必要盡量降低生產(chǎn)成本，以增加環(huán)境兼容性并使生產(chǎn)的產(chǎn)品具有一定的質(zhì)量標準，長期、復(fù)雜的生產(chǎn)工藝流程應(yīng)該盡可能或有必要的簡化。在帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)該提及到的薄板坯連鑄技術(shù)和薄帶連鑄工藝中的一些工序已經(jīng)完全被消除。對于成型方面，縮短工藝流程可行的辦法包括：在固-液相變范圍內(nèi)成型（即觸變成型），另一種方法是結(jié)合熱處理工藝成型。較短的工藝流程常常意味著生產(chǎn)的產(chǎn)品會具有更好的機械性能和源于此的新的應(yīng)用。在使成型過程變得更加靈活以便擴大產(chǎn)品生產(chǎn)范圍的背景下，有必要使用與前面工藝相適應(yīng)的靈活成型單位的相結(jié)合，以及使用普及的模具和智能控制系統(tǒng)。例如:智能控制開放模鑄允許在很小成本下能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)鍛造完成鍛件。在軋制過程中軋制輥距的可變性就意味著可以通過給定的縱向厚度剖面使載荷與后續(xù)的工序組成相匹配而生產(chǎn)出薄板。不同生產(chǎn)工藝的一體化也為新工藝的發(fā)展鋪平了道路?？梢酝ㄟ^在成型過程中或緊接其后使用局部熱處理工藝以及使用切割或鍛接等耦合工藝，使現(xiàn)存的成型生產(chǎn)工藝范圍得以拓展并優(yōu)化產(chǎn)品的最終性能。在輕量級建設(shè)生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生的一個令人充滿希望的生產(chǎn)工藝式就是中空結(jié)構(gòu)技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用。并且為生產(chǎn)中空結(jié)構(gòu)的加工孔洞的先進生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)也都得到了很好的發(fā)展。除了適當(dāng)?shù)脑囼?，物理和?shù)值模擬也是可用于優(yōu)化現(xiàn)有的或開發(fā)新的生產(chǎn)工藝的方法。物理模擬可以非常成功的解決物質(zhì)流動問題。一種新的物質(zhì)流動模擬器現(xiàn)已出現(xiàn)。數(shù)值模擬主要應(yīng)用于生產(chǎn)過程中基礎(chǔ)變量的定量分析。

緒論工藝和產(chǎn)品的成本、質(zhì)量、生產(chǎn)時間和環(huán)境兼容性都在生產(chǎn)過程中起到了決定性的作用。對于金屬成型生產(chǎn)工藝它們都意味著新的挑戰(zhàn)和機遇。除了每天通過不斷合理化的手段去改善其數(shù)值、分析成本并減小它們，目前在金屬成型生產(chǎn)工藝中所觀察到的趨勢，有些因素在某種情況下將完全可以導(dǎo)致產(chǎn)生對于半成品和成品的生產(chǎn)方法，有些情況下也會考慮到上述所有標準。如圖1所示，為一些這樣的變化趨勢，其中一些將會作為具體例子在下文來講解。圖1:金屬成型技術(shù)的發(fā)展趨勢簡化工藝流程體的單一用途生產(chǎn)線可在很短的時間內(nèi)生產(chǎn)出特定的產(chǎn)品。其中一個例子就是目前在熱軋帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域所實現(xiàn)的帶鋼生產(chǎn)，其正在經(jīng)歷于與一種新型軋機的更大的競爭之中。這些生產(chǎn)流程中比較著名的比如有CSP,ISP和CONROL體的單一用途生產(chǎn)線可在很短的時間內(nèi)生產(chǎn)出特定的產(chǎn)品。其中一個例子就是目前在熱軋帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域所實現(xiàn)的帶鋼生產(chǎn)，其正在經(jīng)歷于與一種新型軋機的更大的競爭之中。這些生產(chǎn)流程中比較著名的比如有CSP,ISP和CONROL生產(chǎn)工藝。它們的特點在于連鑄薄板坯工藝中可以具有更小的輥距（連鑄板坯厚度為40?100?。８豢伤甲h的是通連鑄生產(chǎn)線mm預(yù)恐帶鑄軋1生產(chǎn)線J薄帶鑄軋『n生產(chǎn)線L楓"OO就超薄祐鑄軋生產(chǎn)線圖2:熱軋寬帶鋼生產(chǎn)工藝簡化過雙輥技術(shù)（DR）減少設(shè)備的需求量，其熱軋部分是完全可以省略去的，由此生產(chǎn)的厚度為1?5啞的薄帶生產(chǎn)為冷軋工藝。厚度只有零點幾毫米甚至更薄的超薄帶鋼可以通過單輥生產(chǎn)工藝(SR)加工制造。圖2所示的是薄帶連鑄連軋工藝打生產(chǎn)試料坯$熟處理才善倒褫雄〉產(chǎn)品的凡何形狀與性能參數(shù)工藝■驟故目效率(E)靈活性(F)=產(chǎn)品數(shù)量工藝步驟數(shù)目的工作原理與生產(chǎn)線，以及用于常規(guī)熱軋帶鋼工藝的單輥和雙輥工藝組成。這些工藝的最后普遍存在或應(yīng)用產(chǎn)品的凡何形狀與性能參數(shù)工藝■驟故目效率(E)靈活性(F)=產(chǎn)品數(shù)量工藝步驟數(shù)目圖3表明了效率與靈活性關(guān)系以及術(shù)語定義。在德國之外的很多國家許多CSP和ISP生產(chǎn)線已經(jīng)成功的用于生產(chǎn)。材料類別具體應(yīng)用硅鐵氫催化氧化硅烷偶聯(lián)劑3.0-3.3^硅鐵:.碳鋼C10-C90包萩帶材雙相鋼高臺金不銹鋼1.4301：1.4016:1.45411.4401;1.4828;....有色金屬■"銅舍金.…錫,鋁：圖3:生產(chǎn)工藝簡化材料類別具體應(yīng)用?《當(dāng)代橫向加工》圖4：迄今利用薄帶連鑄法生產(chǎn)的合金為成型過程建立動態(tài)模型預(yù)測帶鋼厚度和溫度褥固過程模型的建立優(yōu)化烙融金屬原料質(zhì)量分布情況圖5：這一復(fù)雜工藝中的幾點理論標準雙輥生產(chǎn)工藝已經(jīng)被建成示范生產(chǎn)模塊，第一條生產(chǎn)線已經(jīng)在澳大利亞建成投產(chǎn)。在德國亞琛工業(yè)大學(xué)，我們與蒂森鋼鐵聯(lián)合公司以及控制工圖3:生產(chǎn)工藝簡化材料類別具體應(yīng)用?《當(dāng)代橫向加工》圖4：迄今利用薄帶連鑄法生產(chǎn)的合金為成型過程建立動態(tài)模型預(yù)測帶鋼厚度和溫度褥固過程模型的建立優(yōu)化烙融金屬原料質(zhì)量分布情況圖5：這一復(fù)雜工藝中的幾點理論標準至今利用薄帶連鑄工藝生產(chǎn)的合金工藝是需要進一步開展理論性研究來全面的了解這一復(fù)雜的過程，尤其是圖5中所涉及到的問題。隨著半成品生產(chǎn)流程簡化的同時，目前，有世界性趨勢來大幅度縮短生產(chǎn)鏈用于生產(chǎn)鍛造零件。圖6所示為與傳統(tǒng)鑄造工藝相比其中的一些新的、簡化了的工藝流程。最令人感興趣的是金屬觸變狀態(tài)的利用。金屬合金是在是在固-液相間隔內(nèi)形成的。對于基礎(chǔ)材料的特殊加工用來確保在重新加熱半成品材料之后，固溶體成分存在于熔融基質(zhì)材料中。在流動過程中外部剪應(yīng)力和粘度的減小，會鍛造出擁有復(fù)雜幾何形狀的鍛件而不需要太大的壓力。不同工藝中觸變成型的異同正在研究中，包括觸變鍛造和觸變壓鑄。這兩種工藝中在物質(zhì)流動方面有著根本的不同：對于前者不需要壓力，即可在半液態(tài)金屬中形成一個開放的鑄模，只是在工藝最后需要增大壓力來消除毛孔；而對于后者，半成品是在壓鑄機中生產(chǎn)出來的，且其對鑄件造成的損失較高，如圖7所示。圖8展示的是選擇觸變成型工藝。目前，流速，不相溶性以及壓力、溫度和流速之間的關(guān)系等根本性問題還在研究當(dāng)中。新壓?；蚱浔砻嫱苛隙夹枰_發(fā)，以適應(yīng)高壓、高溫應(yīng)力的產(chǎn)生。深一層次重點研究領(lǐng)域內(nèi)容包括：最終的性能（局部材料流速，偏析過程，壓力-溫度-流速視窗，…）；觸變狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)整。自從1996年1月，德國研究協(xié)會圖6:鑄造過程中所簡化的工藝原料加工再加熱工藝或型圖7:觸變成型:材料預(yù)成型線路,工藝變化觸變鍛造觸變擠壓圖8:觸變成型:工藝變化一直資助一個特殊的研究機構(gòu)來致力于這項研究,并企圖在加快在打破新工藝變量研究的圖9:觸變成型-研究的潛在性基礎(chǔ)上來生產(chǎn)鐵合金和有色合金的進程，如圖9所示。圖9:觸變成型-研究的潛在性圖10展示了一些來自亞琛大學(xué)試驗室的首次試驗零件。除了耦合或聯(lián)合鍛造和成型工藝，也可以很自然的聯(lián)系或結(jié)合其他工藝，例如:成型和焊接或成型和機械加工。越是較早獲得最終產(chǎn)品的性能和形狀，這個生產(chǎn)工藝就越有效率。從這個角度看,鍛造和成型工藝將會變得日益重要。熱軋環(huán)型工藝就是一個將成型和熱處理聯(lián)系到一起稱為簡化流程的很好例子。圖11展示了分別應(yīng)用傳統(tǒng)與優(yōu)化工藝生產(chǎn)軋輥軸承套圈的時間一溫度曲線。在傳統(tǒng)加工工藝中，容許套圈被冷卻至室溫以及隨后進行的10?12小時的軟退火工藝。然后，又一次被冷卻并在合適的狀態(tài)下進行機械加工以及隨后的鍛造。在這個傳統(tǒng)的工圖11：異型軋輥軸承套圈加工溫度曲線圖10:圖11：異型軋輥軸承套圈加工溫度曲線藝方法中，第一次冷卻所產(chǎn)生的組織完全不適合于機械加工或回火。只有其后10?12小時的熱處理是使材料中形成球形和均勻分布的碳化物并作為進一步加工目的的實現(xiàn)而所需要的。優(yōu)化后的工藝流程也描述于圖中，硬化組織

結(jié)構(gòu)可以直接從由除去軟退火的熱處理工藝和其后產(chǎn)生奧氏體以及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備于一體的熱軋生產(chǎn)工藝中獲得。硬車削工藝取代了軟加工（磨削）工藝，通過特殊的切削材料的使用使這是有可能實現(xiàn)的（例如:聚合酶氮化硼鋼）。麗后工藝j—：胃1匚故如!,MJ勺麗后工藝j—：胃1匚故如!,MJ勺一熟堵和冷壓M55M」￥:口JI執(zhí)史曜_）MJ|耳件?■就jBMlMJ—。231,^2MJJ_1__0一一_MJ[飛福—]ir.rrs匚二甌重二j二P-13.95MJ理堵制沖壓:V25.0W熱燮■]虬職共包南]ru.iitmj|-'y叫匚軍回S5.J5腦J[由頁:—P「1S4.UI匚學(xué)回一]圖12:傳統(tǒng)和優(yōu)化的軋輥軸承套圈生產(chǎn)工藝能量審計靈活性有多種原因來提高生產(chǎn)技術(shù)的靈活性以及由此而產(chǎn)生的金屬成型工藝。其關(guān)鍵因素是，消除對特殊模具的依賴性可編程傕改形狀的模具模具的自動更換消除模具卻機械間的束縛金屬成型工藝的靈活性圖13:金屬成型工藝的靈活性減小生產(chǎn)批量大小和增大產(chǎn)品系列范圍。昂貴的單一用途機械消耗了大量的資金，這往往在經(jīng)濟上是不再可行的。在靈活鍛造中心，最精確的半成品與成品產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝可以盡快制造出最佳性能而不需要大型工具和機器的投入，并且這一點是很重要的。如圖13所示，有很多方法可以使成型技術(shù)更加靈活。尤其是對于特

殊模具的依賴可以通過對簡單、普遍的模具的智能控制和工件定位來消除，這也導(dǎo)致了新的靈活成型工藝的產(chǎn)生。下面內(nèi)容將介紹其中三種具有代表性的工藝。在將來，智能輔助開放模鍛將使“薄-凈-仿形”組件產(chǎn)品在很小的成本下便可以重復(fù)性生產(chǎn)。其前提是6軸控制鍛14:金屬成型工藝的靈活性圖13:金屬成型工藝的靈活性殊模具的依賴可以通過對簡單、普遍的模具的智能控制和工件定位來消除，這也導(dǎo)致了新的靈活成型工藝的產(chǎn)生。下面內(nèi)容將介紹其中三種具有代表性的工藝。在將來，智能輔助開放模鍛將使“薄-凈-仿形”組件產(chǎn)品在很小的成本下便可以重復(fù)性生產(chǎn)。其前提是6軸控制鍛14:鍛造機械和模鍛壓力機造機的制造，它就像一個鐵匠一樣能夠容許在鍛造過程中工件可以在任何想要的位置，并且在規(guī)定的行程之后可以進行重新定位，如圖14所示。圖15展示的是一些首樣組件。示范圖16:靈活鍛造中心的示范單位旦開發(fā)出令人滿意的程序，這種大型、驅(qū)動智能機器就可以通過輸入設(shè)備得到相同的工作

程序并將其對正在加工的原始材料加以貫徹落實，例如:鋁或鋼。如此，樣品鍛件可以在很短的時間（大概1?2小時）內(nèi)制造。圖17展示了一些示范橡皮泥組件。圖18表明了完全靈活的開放模鍛系統(tǒng)，以及其組成間相互作用的模型試驗，仿真和1:1的測試。圖17:橡皮泥樣本組件另一種靈活成型技術(shù)是靈活的縱向軋制工藝，在成型過程中其輥縫可以按照預(yù)定的方案進行變化。它可以生產(chǎn)擁有不同板厚的金屬板狀部件。由于輕巧的特點，這樣的構(gòu)件已經(jīng)引起了人們很大的興趣，并且構(gòu)件材質(zhì)的分布可以完全抵抗其上分布的應(yīng)力,與拼板焊接相比起可以明顯減輕組件重量。圖19展示了國際品牌聯(lián)盟（IBF圖17:橡皮泥樣本組件圖20所示為國際品牌聯(lián)盟所制造的靈活性軋制組件。這種工藝已經(jīng)普及于梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，其中雙-T梁就是由非固定厚度的單一元件鍛接在一起的。圖18:樣品制造流程

圖19:國際品牌聯(lián)盟靈活軋制系統(tǒng)圖20:靈活軋制的深拔組件生產(chǎn)工藝一體化在雙輥軋制工藝中，例如：工藝流程簡化的目的可以通過在一個單一步驟中耦合兩個生產(chǎn)準則來實現(xiàn)。一個成型工藝也可以結(jié)合于另一個不同生產(chǎn)工藝，通過添加、整合加入工藝來拓展工藝范疇就意味著會影響產(chǎn)品性能或大大提高產(chǎn)品最終性能。通過這些方法可以創(chuàng)造出全新的生產(chǎn)系統(tǒng)來簡化工藝流程，但也可以有益于其他目標，如降低成本、提高質(zhì)量等。其他的潛在的發(fā)展還需要簡要的指出：局部加熱技術(shù)拓展了工藝范疇成型過程中所生產(chǎn)廢品的最顯著的特點是過壓點出會產(chǎn)生裂紋。通過體統(tǒng)在壓力參數(shù)上的變化來增加局部熱量，就能對局部應(yīng)變產(chǎn)生積極的影響。更大的壓力和更好的模具填充能夠?qū)崿F(xiàn)無龜裂,甚至可以生成不產(chǎn)生不利影響的微觀結(jié)構(gòu)（組織、晶胞等）。例如:用較好的重復(fù)鍛造模具來擠壓并拉出型鋼。緊接成型之后的局部加熱工藝在大多數(shù)情況下，組件的性能不一定是各向同性的，由此可以想到，只需要在工件的高壓區(qū)給予鍛造或施加給定的殘余應(yīng)力。通過依照ZTU（狀態(tài)圖表）圖來進行局部溫度控制成型熱，可以大大改善當(dāng)前組件的性能而不需要對其整體進行熱處理。局部熱處理也可能導(dǎo)致以后工序中組件性能的明顯改善，例如:機械加工性能。如果成型過程中出現(xiàn)了消極性能（硬化、殘余應(yīng)力），可以通過在指定點處的局部熱處理來消除。成型和鍛接成型工藝特別適于鍛接那些無法或難以焊接的產(chǎn)品。這也特別適用于表面涂層的半成品和工件生產(chǎn)。如果某種成型技術(shù)可在鍛接生產(chǎn)中用于一個或更多部件/工件的生產(chǎn)，那么這個技術(shù)是特別具有吸引力的。成型和切割在許多成型工藝結(jié)束時，組件會被牢牢固定在模具內(nèi)或模具上，例如:徑向環(huán)軋機上實行環(huán)件軋制，旋轉(zhuǎn)和軸向軋機上實行圓狀和環(huán)狀件軋制。所有這些軋制工藝都非常適合直接結(jié)合到機械加工工藝中，可以避免夾不緊和再次固定。且固定偏差和時間也會有益于生產(chǎn)結(jié)果。研究這些一體化工藝的的一些關(guān)鍵性問題包括：?確定生產(chǎn)過程中產(chǎn)品性能的主要影響因子和分析工藝變量間的兼容性；?疊加第二工藝的特性，通過對第二工藝的研究尋找其介入的最佳時機和位置；定義廣泛性一體化工藝的范疇。

中空結(jié)構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)地使用中空結(jié)構(gòu)來獲取最佳的輕質(zhì)組件使其在金屬構(gòu)件領(lǐng)域具有競爭性。其良好的可再利用性能使其可以用于重大創(chuàng)新,例如:鋼的減重技術(shù)。中空結(jié)構(gòu)技術(shù)可以分成生成和改進中空結(jié)構(gòu)兩方面，如圖21所示。圖22展示了生產(chǎn)中空結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)產(chǎn)品：（a）是均勻固體材料，（b）是混合金屬粉末和發(fā)泡劑或是化）的平薄帶，它們通過加高壓操作或噴丸技術(shù)鍛造（SPF）而轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌战Y(jié)構(gòu)的?？战Y(jié)構(gòu)的〕生成）傳統(tǒng)；-沖壓理底創(chuàng)新：-知曹糧管狀成型噴丸技術(shù)鍛造面行工造型割樓

鍛成切希圖空結(jié)構(gòu)的〕生成）傳統(tǒng)；-沖壓理底創(chuàng)新：-知曹糧管狀成型噴丸技術(shù)鍛造面行工造型割樓

鍛成切希圖21:中空結(jié)構(gòu)技術(shù)圖22:中空結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)產(chǎn)品圖23所示則為一條用于生產(chǎn)半成品生產(chǎn)線的工作原理圖。各種成型技術(shù)都適合于改造帶腔的工件，例如：管內(nèi)高壓成型，空心輪廓噴丸或徑向-軸向鍛造技術(shù)，如圖24所示。下面提到的是將來需要研究的一些課題：?侵蝕；?整合適宜的工藝（泡沫技術(shù)、格狀薄帶技術(shù)等）;?強度和剛度的優(yōu)化（優(yōu)化各向異性特點）。內(nèi)都高壓成型筷向一袖向鐐造圖24:改造腔結(jié)構(gòu)技術(shù)模擬與優(yōu)化依靠數(shù)值模擬來密切地平行分析所有現(xiàn)象的幫助來開發(fā)新的產(chǎn)品與工藝。數(shù)值模擬的優(yōu)化也將變成簡化發(fā)展工藝的越發(fā)重要的手段。近些年來，模擬和優(yōu)化都將得到長足的發(fā)展，并且隨著計算機能力的提高其可能會得到更深層次的發(fā)展。模擬和優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展狀態(tài)已然是有聲有色，并將其概括于多級概況內(nèi)都高壓成型筷向一袖向鐐造圖24:改造腔結(jié)構(gòu)技術(shù)模擬與優(yōu)化依靠數(shù)值模擬來密切地平行分析所有現(xiàn)象的幫助來開發(fā)新的產(chǎn)品與工藝。數(shù)值模擬的優(yōu)化也將變成簡化發(fā)展工藝的越發(fā)重要的手段。近些年來，模擬和優(yōu)化都將得到長足的發(fā)展，并且隨著計算機能力的提高其可能會得到更深層次的發(fā)展。模擬和優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展狀態(tài)已然是有聲有色，并將其概括于多級概況圖中，如圖25所示。實現(xiàn)材料模型的現(xiàn)實仿真的先決條件是帶自動三維網(wǎng)格化和開放接口功能的三維有限元軟件的開發(fā)。系統(tǒng)壓力成型軟件就是一個例子，且其已經(jīng)被模擬優(yōu)化L級宏迦層次或整體水平物質(zhì)流動情況,壓力和工4乍要求通過規(guī)劃設(shè)計，優(yōu)化成型工序檢分觀層次或連蝮令質(zhì)等級應(yīng)變，應(yīng)力和局部湛度優(yōu)化應(yīng)力或應(yīng)變的分布情況3^微觀層沃或金屬物理性質(zhì)等級晶粒尺七各向異性土裂紋南產(chǎn)生，位輅密度優(yōu)化組織分布情況圖25:多級概況圖應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)并解決了一系列的實際問題，如圖26所示。在成型工藝優(yōu)化方面，算法優(yōu)化理念已經(jīng)得到很大發(fā)展，其目的在于在很短的時間內(nèi)解決譬如模具設(shè)計等開發(fā)新工藝中的關(guān)鍵性設(shè)計難題。例如:可以使用形第一階段第二階段不定室工具形狀和最經(jīng)高度修正后參數(shù)m優(yōu)化工藝設(shè)計參數(shù)*模塊化結(jié)枸?基本數(shù)據(jù)體系應(yīng)