材料成形原理與工藝第17章塑性加工工藝（新技術(shù).ppt

1、塑性加工工藝,塑性加工新技術(shù)及發(fā)展趨勢,塑性加工的一般情況,塑性加工過程是在外力（載荷）和一定的加載方式、加載速度、約束條件、幾何形狀、接觸摩擦條件、溫度場等作用下對材料進行“力”處理和“熱處理”的過程，使材料發(fā)生所希望的幾何形狀的變化（成形）與組織性能的變化。 塑性加工具有高效、優(yōu)質(zhì)、低耗等特點，是材料加工和零部件制造的重要手段。據(jù)粗略估計，有75%的零件毛坯和50%的精加工零件是采用塑性成形的方式完成的。,塑性加工新技術(shù),基于新能源的技術(shù)：激光、電磁場、超聲波、微波等離子場等； 基于新介質(zhì)的技術(shù)：以液體、氣體等新介質(zhì)取代錘頭、模具等剛性物體向坯料傳遞外部載荷； 基于特殊加載方式的技術(shù)：旋壓

2、、擺動輾壓、輥鍛、楔橫軋等局部連續(xù)加載；噴丸等非連續(xù)的加載； 基于發(fā)揮材料塑性的技術(shù)：等溫變形、超塑性成形、半固態(tài)成形、粉末塑性成形，,塑性加工新技術(shù),柔性快速制造技術(shù)：無模多點成形和數(shù)控漸進成形，借助于高度可調(diào)整的基本體群構(gòu)成離散的上、下工具表面，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的上、下模具進行板材的曲面成形； 復(fù)合材料塑性成形技術(shù)：雙金屬復(fù)合、鋁塑復(fù)合板、管、疊層材料成形； 復(fù)合加工方式的技術(shù)：連續(xù)擠壓、連續(xù)鑄擠、連鑄連軋和連續(xù)鑄軋等。,新能源的利用- 激光,激光熱應(yīng)力成形：激光掃描金屬薄板時，在熱作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強烈的溫度梯度，引起超過材料屈服極限的熱應(yīng)力，使板料實現(xiàn)熱塑性變形； 激光沖壓成形：高功率密度、短脈沖

3、的強激光作用于覆蓋在金屬板料表面上的能量轉(zhuǎn)換體，使其汽化電離形成等離子體，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的強沖擊波。由于沖擊波壓力遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度，從而使材料產(chǎn)生屈服和冷塑性變形。 激光沖擊強化：激光沖擊強化具有高壓( 沖擊波壓力達到GPa甚至 TPa量級)、高能( 峰值功率達到GW量級)、超高應(yīng)變率( 應(yīng)變率達到10exp7 s- 1 )等特點,激光沖壓成形技術(shù)參數(shù),激光脈沖能量：GW/CM2量級，短脈沖ns量級的強激 光，沖擊波能量達數(shù)GPa； 激光沖擊軌跡：垂直板面沖擊，沿輪廓線各離散點法 向沖擊； 疊加方式：逐層沖擊，沖擊量總合決定最終變形量； 脈沖次數(shù)：單點單次沖壓局部成形，多點多次沖

4、擊大面積成形； 凹模仿形：預(yù)制凹模仿形沖壓； 計算機數(shù)控系統(tǒng)：控制激光參數(shù)，沖擊軌跡，自動化運行；,激光柔性沖壓技術(shù)特點,變形速度高：幾十ns級，爆炸成形1ms級， 成形壓力高：GPa級，使難變形材料易于成形； 非接觸式成形：激光束作為柔性沖頭， 能達到高成形精度和對異形凹模的高覆模性， 可控性好：單脈沖沖壓變形可控在0.035mm，最大變形可控在若干毫米；能量聚焦效果好、強度高，適合微零件精細成形； 適應(yīng)性強：對表面質(zhì)量要求低于普通沖壓，加工后表面質(zhì)量高； 復(fù)合功能：成形和表面強化于一體，表面殘余壓應(yīng)力，提高耐磨性、耐蝕性和疲勞壽命； 組織性能好：等離子體爆炸誘發(fā)的力效應(yīng)，避免了熱成形溫度影

5、響導(dǎo)致的不良組織和性能，應(yīng)力波前沿引起的劇烈塑性變形，可使微觀組織均勻和細化；,激光沖擊強化,當短脈沖、高峰值功率密度的激光輻射金屬表面時，金屬表面吸收層（涂覆層）吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓（GPa）等離子體， 等離子體受到約束層的約束，爆炸時產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播，在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)的同時，使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力， 顯著地提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能，,吸收層：黑漆、石墨、鋁箔 約束層：水、樹脂、硅膠,單次激光沖擊下板料的典型成形截面,激光沖擊成形原理,新能源的利用-電磁場力,利用金屬材料在交變電磁場中產(chǎn)生感生電流（渦

6、流），感生電流又受到電磁場的作用力，當電磁壓力達到材料的屈服強度時，金屬材料將發(fā)生塑性變形； 在電磁力的作用下坯料向單面凹模高速運動而貼模產(chǎn)生塑性變形，成為所需要的形狀； 電磁成形工藝適用于薄板材的成形、不同管材間的快速連接、管板連接等加工過程，是一種高速成形工藝。,電磁成形工藝原理,電能儲存在高壓電容器中, 當高壓開關(guān)閉合時, 儲能電容對線圈快速放電(ns級)并在其周圍產(chǎn)生一變化的脈沖磁場； 脈沖磁場穿過工件，在金屬材料中產(chǎn)生感應(yīng)電流( 渦流)， 帶電的金屬處于急劇變化的磁場中會受到磁場力的作用； 磁壓力達到材料的屈服應(yīng)力時, 金屬材料將發(fā)生塑性變形； 電磁成形要求工件的電阻率低于0. 15

7、.m,所以非常適合對鋁、銅及其合金等導(dǎo)電性高的材料加工； 對于導(dǎo)電性能不好或非導(dǎo)電材料(不銹鋼, 非金屬材料等) 可以通過驅(qū)動片、中間傳力介質(zhì)等實現(xiàn)加工。,電磁成形特點,時間短：能量釋放過程在幾微秒內(nèi)發(fā)生，強力作用,工件變形時的運動速度可達50m/s300m/s； 塑性變形能力高： 變形時間短和速度高類似爆炸成形, 材料表現(xiàn)出超塑性, 傳統(tǒng)沖壓, 鋁合金的最大伸長率不得超過30%, 否則就會破裂, 而采用電磁成形, 伸長率可達到100%； 變形均勻：金屬受力均勻, 不易發(fā)生破裂等成形缺陷； 終態(tài)形狀穩(wěn)定：少無回彈,電磁復(fù)合沖壓成形,是把傳統(tǒng)的沖壓成形和局部電磁成形結(jié)合的復(fù)合加工。用普通沖壓方法

8、對工件進行最大限度預(yù)成形, 避免在尖角等難成形部位一次成形, 之后, 利用電磁力使難成形部位成形,整個過程可在壓力機一次行程中完成。,鋁合金汽車內(nèi)門板的電磁復(fù)合沖壓成形 a) 預(yù)成形; b) 電磁校形,電磁復(fù)合沖壓成形中磁場力對回彈的控制 a) 成形裝置; b) 成形件實例,小能量電磁脈沖力可明顯減少回彈,新能源的利用- 超聲波,塑性加工中的摩擦對產(chǎn)品的質(zhì)量和加工過程有重要的影響, 有時是有害的, 有時又是有利的， 塑性加工中對變形體或工裝模具施加超聲波，產(chǎn)生高頻振動，可以改變坯料與工裝模具之間摩擦力的大?。?改變超聲波強度，可改變坯料變形阻力和設(shè)備載荷，大幅度提高產(chǎn)品的質(zhì)量和材料成形極限；

9、管材、線材和棒材的拉拔成形、板材拉深成形都可以引入超聲波，形成塑性成形新技術(shù)，成為一些特殊新材料的有效加工途徑。,功率超聲波成形,柔性成形技術(shù),以軟介質(zhì)（主要是各種液體）代替半邊剛性模具，減小模具制造成本； 模具材料要求降低，可用于加工不同厚度板材，降低模具費用30%以上； 殘余應(yīng)力低，回彈小，成形精度高， 可成形復(fù)雜零部件，代替焊接成形， 特別適用于難變形合金,各種液壓成形,柔性成形技術(shù),成對液壓成形技術(shù),將一對板材充液預(yù)成形，焊接密封后加高壓液壓完成最終成形，適用于成形艙體，與焊接同步進行。,黏性介質(zhì)成形,利用具有應(yīng)變速率敏感性的黏性介質(zhì)，可控制介質(zhì)流動和加壓部位，使深模處局部先成形，然后

10、再使淺模處成形，加壓均勻，速度可調(diào)。,爆炸成形,爆炸成形：1.板材 2.5.模具 3.雷管 4.介質(zhì),大型制件爆炸成形,噴丸成形,噴丸成形由美國Lockheed 航空公司的工程師Jim Boerger在20世紀40年代首先提出。 已成功應(yīng)用于軍用飛機及A310 - A340、707-777、MD11、MD80、MD90、MD95、DC10、ATR72、Do1228、Do1328 等民用飛機的整體壁板零件制造中。,噴丸成形特點,工藝裝備簡單：無需成形模具，只需簡單的夾具，準備周期短，固定投資少； 雙重加工效應(yīng)：在成形的同時，可對板料起到強化作用； 靈活經(jīng)濟：可對變厚度的板料進行成形；零件長度不受

11、限制，現(xiàn)代飛機蒙皮零件的長度已達32m，若采用其他方法，設(shè)備投資將急劇增加； 可進行復(fù)雜成形：既可成形單曲率外形，又可成形雙曲率外形，如機翼上下氣動彎折區(qū)或非直母線區(qū)。,精密塑性成形,熱精鍛技術(shù)用于生產(chǎn)汽車直齒傘齒輪是非常成功的一例。目前在中國,卡車用的直傘齒輪大多數(shù)是通過熱精鍛工藝生產(chǎn)的,其工藝流程為: 帶鋸下料磨外圓去除表面缺陷感應(yīng)加熱9501000 摩擦壓力機預(yù)鍛、終鍛切飛邊650700 溫精壓(或冷整形)。 這種熱精鍛溫精壓(或冷整形)工藝生產(chǎn)的直傘齒輪,齒形精度比冷鍛齒輪低一級。冷間閉塞鍛造是當前最先進的冷鍛技術(shù)之一，鍛件精度更高。,精密塑性成形,精密塑性成形技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要

12、組成部分。它可以生產(chǎn)更接近最終形狀(凈形)的金屬零件。如熱精鍛和冷鍛、溫鍛等，是近年來應(yīng)用發(fā)展很快的精密塑性成形技術(shù)。其可以節(jié)約材料、能源、減少加工工序，顯著提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，從而提高了產(chǎn)品的市場競爭能力。,等溫鍛造,等溫鍛造(isothermal forging) 是指把加熱到稍高于鍛造溫度的坯料置入具有一定溫度的模腔中,并保證鍛造時模具溫度基本不變,使毛坯以低應(yīng)變速率變形的鍛造方法。等溫鍛造適用于難變形材料。,等溫鍛造的設(shè)備,1. 高壓石棉板2. 下加熱板3. 上加熱板4. 液壓機機身 5. 上工作臺6. 高壓石棉板7. 凸模8. 保溫硅酸棉板 9. 坯料10. 凹模

13、,等溫鍛造與普通鍛造組織比較,等溫鍛造特點,顯著提高金屬材料的塑性;減小變形金屬內(nèi)部由于變形不均勻而引起的組織性能的差異,降低鍛造時的變形抗力,有利于模膛的填充;材料利用率高;鍛件具有均勻的力學(xué)性能,鍛件尺寸穩(wěn)定; 可實現(xiàn)復(fù)雜鍛件的精鍛成形;可減小壓力機噸位需求；壓力機行程速度要求低(一般選用液壓機)可使鍛造過程中坯料充分再結(jié)晶,防止由于不完全再結(jié)晶而在后續(xù)熱處理過程中出現(xiàn)晶粒不均勻； 缺點是：生產(chǎn)效率低，模具、與鍛機配套的加熱裝置復(fù)雜。,合金的超塑性與超塑性成形,能夠在一定條件下顯示出異常大的塑性而不發(fā)生縮頸和斷裂的材料稱為超塑性材料； 一般材料的晶粒尺寸在10m 以下, 在一定的溫度和應(yīng)變

14、速率下拉伸時, 其伸長率可達到百分之幾百到幾千, 而變形抗力小至110MPa的現(xiàn)象稱為超塑性(superplasticity)。 應(yīng)用材料在一定條件(溫度、變形速度、組織等)下的超塑性能, 成形復(fù)雜坯料或零件的加工方法，即：超塑性成形。,超塑性成形特點,超細晶粒：0.55.0m，10m； 低應(yīng)變速度： 特定溫度范圍：T0.4Tm； 變形抗力?。?形變量大： 無加工硬化： 可以大大減少能源消耗，用較小的設(shè)備成形復(fù)雜零部件，改善制品的精密度。,超塑性材料,超塑性變形特點,超塑性形變前后晶粒仍保持等軸。實驗觀察表明，在變形中晶界不僅發(fā)生了滑動，而且發(fā)生了轉(zhuǎn)動。有人認為晶界滑動加擴散式協(xié)調(diào)形變是一種可

15、能的超塑性變形機制。,超塑性產(chǎn)生的條件及機理,超塑性主要分為兩類： 結(jié)構(gòu)超塑性：由材料結(jié)構(gòu)上具有某種特點而產(chǎn)生的超塑性。它要求材料具有微細而穩(wěn)定的等軸晶粒組織，最大不超過10m；在適當溫度范圍內(nèi)；以適當?shù)膽?yīng)變速率進行變形，才會出現(xiàn)超塑性。 相變超塑性：借助相變過程發(fā)生的超塑性。它是在相變溫度范圍上下通過溫度循環(huán)的積累而形成的。,超塑性成形加工,超塑性成形加工,超塑性成形加工,蠕變時效成形,利用材料的蠕變變形和時效周期進行加工,蠕變時效成形 Creep aging forming,蠕變時效成形是在一定溫度和外力的作用下, 材料緩慢變形的過程, 其中伴隨著蠕變、應(yīng)力松弛和時效的綜合作用。與滾軋成形

16、、軋壓成形、噴丸成形、拉伸成形等其他傳統(tǒng)方法相比,蠕變時效成形的變形發(fā)生的應(yīng)力水平低, 成形件最后的殘余應(yīng)力和回彈很小。,新型擠壓技術(shù),新型擠壓技術(shù),輥槽連續(xù)擠壓,新型擠壓技術(shù),連續(xù)鑄造擠壓,新型擠壓技術(shù),無余料擠壓,新型擠壓技術(shù),靜液擠壓技術(shù),靜液擠壓加工,靜液擠壓特點： 坯料小于擠壓筒， 坯料不與擠壓筒摩擦， 擠壓變形均勻， 斷面硬度均勻， 存在擠壓筒疲勞應(yīng)力、密封要求高、高壓安全，設(shè)備復(fù)雜等問題。,各種靜液擠壓加工,連續(xù)鑄軋工藝,連鑄連軋,大塑性變形技術(shù)制備超細晶材料,大塑性變形：Severe Plastic Deformation ,SPD 超細晶：Ultra-Fine Grained

17、 ,UFG 層錯能：超大塑性變形下的晶粒細化機制與材料的層錯能有很大的關(guān)系, 對中、高層錯能材料, 變形主要導(dǎo)致的是位錯分割機制, 可獲得的最小晶粒尺寸一般只有幾百納米( 超細晶) ; 對低層錯能材料, 形變孿生和馬氏體相變在晶粒細化過程中起非常重要的作用, 可獲得小于100nm 的晶粒。,強應(yīng)變大塑性變形 （Sevier distortion）,形變是組織尺度控制和強度提高的重要途徑； 傳統(tǒng)工藝，通過熱/冷變形加工（鍛造、軋制、擠壓等）可使鑄造凝固過程中形成的組織得到進一步細化、均勻化、使缺陷得到改善； 強烈應(yīng)變可使金屬晶體缺陷增多，晶粒變形、破碎成更多的亞晶，得到超細化的組織，使材料的綜合

18、力學(xué)性能提高；,新型強應(yīng)變加工技術(shù),等徑角型擠壓( Equal Channel Angular Ext rusion or Pressing , ECAE or ECAP) 工藝、 連續(xù)剪切(Con shearing) 工藝、 連續(xù)約束板帶剪切(Continuous Confined Strip Shearing ,C2S2) 工藝、 等徑角型軋制( Equal Channel Angular Rolling , ECAR) 工藝、 累積疊軋(Accu2 mulative roll2Bonding , ARB) 工藝、,新型強應(yīng)變加工技術(shù),高壓扭轉(zhuǎn)( High Pressure Torsion

19、 , HPT) 工藝、 多向鍛造(Multiple Forging ,MF) 工藝、 循環(huán)擠壓壓縮(Cyclic Ext rusion Compression ,CEC) 工藝、 連續(xù)反復(fù)彎曲(Continuous Cyclic Bending ,CCB) 工藝 反復(fù)彎曲矯直(Repetitive Corrugation and Straightening ,RCS)工藝。,等徑角擠壓 ECAE工藝,N 總應(yīng)變 N 為擠壓道次, 為兩通道內(nèi)側(cè)夾角, 為外側(cè)圓弧角,連續(xù)剪切 Conshearing工藝,該工藝已成功應(yīng)用于制備鋁合金帶材,其可以有效細化晶粒,形成剪切變形織構(gòu),提高鋁合金板材的沖壓性

20、能。,連續(xù)約束板帶剪切 C2S2工藝,C2S2 工藝是一種連續(xù)ECAE 工藝，并能夠?qū)崿F(xiàn)帶材的連續(xù)簡單剪切變形。通道夾角也較大,一般在100140之間。,等徑角軋制 ECAR工藝,該工藝采用普通雙輥熱軋機,將CAR 模具安裝于軋機出口處, ECAR模具與ECAE 模具類似, ,無需帶有行星輥的特殊軋機來實現(xiàn)，減小了模具損耗,降低了對模具加工精度要求。,累積疊軋 ARB工藝,ARB 工藝不僅是一個軋制變形過程,還包含一個焊合的過程(疊軋焊合) 。所以為了取得好的焊合效果,獲得良好的界面結(jié)合,在每道次疊軋過程中還存在一個臨界壓下量（一般超過35 % ）,當壓下量低于該值時難以充分焊合；每道次疊軋前,必須對材料進行表面處理, 去除材料表面的油污、雜質(zhì)、氧化物等。,多向鍛造 MF,MF 工藝實際是一個反復(fù)多向鐓粗與拔長的自由鍛造過程，變形溫度通常在0. 1Tm0. 5Tm ( Tm 金屬熔點) 之間, 變形與動態(tài)再結(jié)晶聯(lián)系在一起，對鈦合金、鎂合金、鎳基合金等材料的MF 工藝研究表明, 該工藝可有效細化晶粒。,高壓扭轉(zhuǎn) HPT工藝,HPT 工藝是通過壓桿向置于固定的模具中的盤狀材料施加很高