金属塑性成形综述

金属塑性成形
摘要：金属塑性成形技术是机械冶金、汽车拖拉机、电工仪表、宇航军工、五金日用品等制造业最基本，最古老，亦是极重要的加工手段之一。

文章主要对塑性成形的基本方法、主要研究内容，发展趋势做了综合介绍。

一、引言
塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点,已成为当今先进制造技术的重要发展方向。

据国际生产技术协会预测,21世纪,机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。

【1】
在现代制造技术中，人们广泛的利用金属材料生产各种零件和产品。

金属加工方法多种多样，包括成型、切削等。

金属塑性成形是其中一种重要的加工方法，是利用金属在外力作用下产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，因此也称为金属塑性加工或金属压力加工。

图1 传统金属塑性成形工艺
二、金属塑性成形的主要形式
金属塑性成形工艺的种类有很多，包括轧制、挤压、拉拔、锻造和冲压等基本工艺类型。

随着技术的发展，也有很多新的成型方式出现，它们具备精密、高效、节能、节材、清洁等优点，得到广泛关注。

2.1 体积成型
金属体积成型是指对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法，主要分为热态金属体积成型和冷温态金属体积成型。

热态金属变形过程可分为热锻、轧制、挤压、拉拔、辗压等工艺技术；冷温态变形过程可分为冷锻、冷精轧、冷挤压、冷拔、冷辗扩等工艺。

2.2 板材成型
所谓板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作为原材料进行塑性加工的成形方法。

在忽略板厚的变化时，可视为平面变形问题来处理，板材成型可分为:冲裁、弯曲、拉延、胀形、翻边、扩孔、辊压等工艺技术。

2.3 粉末态金属成形
随着制粉技术的发展，其应用领域不断扩展，对于复杂形状的机械零件来说，它具有高效、精密成形的特点，但成本较高，机械性能不如整体金属材料。

粉末态金属成形的工艺过程为制粉、造型、压实、烧结、精锻。

2.4半固态金属材料成形
70年代开发研究的新技术，原金属材料作过特殊前处理，当材料加热到一定温度时可使30%的金属材料处于融溶状态，其余70%的金属材料呈均匀细颗粒组织的固态。

在此状态加压变形，其流动性特好，可成形结构形状特别复杂的零件，而变形杭力很小。

2.5 复合成形技术
现代的科学越来越相互交叉、渗透，出现许多边缘学科、交叉学科一样，材料成形技术也逐渐突破原有铸、锻、焊、粉末冶金等技术相互独立的格局，相互融合、渗透，产生了种类繁多的“复合成形技术”。

【2】金属塑性的复合成型技术主要有两个方面
（1）各种成形工艺的组合优化达到优化工艺和产品的目的。

（2）铸、锻、焊、热处理等不同加工方法的组合。

三、金属塑性成形技术主要研究内容
由于压力加工中,少、无切屑的特点和精密加工技术的发展,使金属塑性成型理论的研究受到日益广泛的重视而进入工程应用的前列.一般认为,研究金属塑性科学的历史开始于Tresa在1864年提出的屈服准则,至今不过100多年,而
首次将塑性理论应用于金属加工则是VonKarman在1925年对金属薄带轧制时应力分布的研究【3】,至今才五十多年,因此,可以说这一理论是“古老的工艺,年轻的学科”.回顾发展，金属塑性研究的范围很广,主要集中于以下几个方面。

3.1 塑性变形的金属学、力学基础研究
对塑性变形的金属学、力学基础研究是改善金属塑性加工的基础，研究主要关注于以下几个方面【4】：
(l)微观变形机理的研究、塑性变形动力学的研究以及晶间变形、滑移的机理的研究；
(2)应力状态对变形行为的影响；
(3)变形材料冶金过程组织状态的影响；
(4)变形工艺的影响，比如变形速度、变形温度、变形压力等因素的影响；
(5)变形过程中摩擦条件的影响。

3.2 金属变形过程(宏观)的模拟技术
随着计算机的发展, CAD、CAE软件的广泛使用,传统的“经验法”、“试模法”逐渐被计算机模拟所代替。

【5】对金属变形过程(宏观)的模拟技术的研究主要有两个方面：物理模拟技术的研究和变形过程的数值模拟技术的研究：(l)物理模拟技术:包括模拟材料、模拟方法、模拟相似理论、模拟过程的数据采集技术及模拟结果的误差分析技术的研究；
(2)变形过程的数值模拟技术:包括塑性变形的数学模型的建立(刚塑性、粘塑性、弹塑性等)，计算数学(FEM)技巧，三维网络自动划分及畸变处理技术，数据处理及误差分析技术，软件的工程化及商品化。

3.3 金属超塑性成形技术
超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率(ε=10-2～10-4s-1)，一定的变形温度（约为热力学熔化温度的一半）和稳定而细小的晶粒度(0.5～5μm)的条件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。

对金属超塑性成形技术的研究主要关注于超塑性新材料，超塑性材料的前处理技术，金属超塑性变形机制，超塑性变形力学，超塑性成形工艺模具及亚超塑性高效成形技术等方面。

【6】
3.4精锻成型技术
精锻成形技术即近净成形技术或净成形技术，是指零件成形后，仅需要少量加工或不再加工，就可以用作机械构件的成形技术，即制造接近零件形状的工件毛坯。

【7】对精锻成型技术的研究主要分为两类：热精锻技术、冷温精锻技术的研究。

（1）热精锻成型技术：研究少无氧化加热技术、工艺模拟及优化技术，新工艺技术(多向锻造、闭寨锻造、半固态成形、液态模锻、径向锻造及粉末锻造技术等)，特种合金的等温锻造技术，锻件后处理技术及提高模具寿命，润滑等配套技术，成套生产线设计技术。

（2）冷温精锻锻成形技术：研究金属冷温精锻材料的前处理工艺，工艺模具优化设计技术，润滑技术，提高模具寿命技术、质量控制技术，成套生产线设计技术。

3.6 回转成形技术
金属回转成形是指在成形过程中,或工件回转或工具回转或两者都回转的成形机械零件及其毛坯的金属塑性加工工艺【8】。

对金属回转成形的研究主要涉及辊锻、楔横轧、旋转锻造，旋压、摆辗、辗扩等成形方法的优化工艺，模具设计和制造技术。

3.7 板料冲压技术
板料冲压是指利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法。

板料冲压的坯料厚度一般小于4mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压，简称冲压。

板料厚度超过8～10mm时，才用热冲压。

对板料冲压的研究主要涉及各种新材料、复合材料的冲压成形加工工艺技术，冲压成形的模拟技术，虚拟试模技术，回弹预报技术，模具设计制造技术，配套技术，板材成形过程中的失稳机理研究。

3.8 金属的特种成形技术
对金属的特种成形技术研究有很多，比如对高速冲击成形，放电成形、喷射成形、无模拉拔及热应力变形等新工艺的研究。

四、金属塑性成型技术的发展趋势
目前金属塑性成形技术主要朝着轻量化、整体化、微型化、超大构件、柔性成形等几个方面发展：
（1轻量化成形是“精密成形”或“净成形”发展的新阶段，所成零件不仅要求接近零件形状、余量小或精度高，直接成型出具有轻量化特征的结构。

（2）整体化成形是将若干分别成形在连接的构件成形为一个整体化结构。

整体化成形不仅解决了连接可靠性差的问题，而且是减重的的一个重要途径。

该技术的最大难点是需要大吨位成形力、模块尺寸大，迫切发展省力成形技术。

（3）微成形是指加工的零件至少两个方向的尺寸小于1mm，适合大批量、低成本的制造微零件。

由于尺效应、摩擦机制和晶粒尺度的影响，并非传统塑性成形的简单缩小，需要进一步研究其机理和关键技术。

（4）超大构件成形是通过先进技术利用相对小的设备或模具加工出较大的构件，解决了构件尺寸或吨位超过现有制造设备能力的问题。

由于这类零件尺寸大或重量大、批量小、运输困难等问题，根据不同的结构特点采用不同的技术途径。

（5）柔性成形是适应多品种、小批量零件加工的需要。

采用多点实现模具轮廓不变、数控增量加载、无模成形是柔性成形的重要途径。

在薄板成形的基础上，向中厚板和复杂板型面件成形发展。

五、总结
金属塑性成形技术是机械冶金、汽车拖拉机、电工仪表、宇航军工、五金日用品等制造业最基本，最古老，亦是极重要的加工手段之一。

文章主要对塑性成形的基本方法、主要研究内容、发展趋势做了综合介绍。

结合近代科技，金属成形技术正向轻量化、整体化、微型化、超大构件、柔性成形几个方面发展，仍然有很大的研究空间。

References:
【1】洪慎章.塑性成形技术的现状及发展趋势.Die and Mould Technology ,2003(01):54-56.
【2】王冬，王利民，李永志.金属的复合成形技术及其发展.铸造技术，2008，（03）:411-415.
【3】von Karman,Math Mech,5,135(1925).
【4】皮华春，韩静涛，薛永栋．金属塑性成形的晶体塑性学有限元模拟研究进展 [J]．机械工程学报，2006，(03).
【5】吴丽平，刘建雄，刘新胜，肖正明．基于塑性变形有限元模拟的模具结构优化．锻压技术，2006，(02):55-57.
【6】王春荣.几种金属材料超塑性研究的综述[J].金属成型工艺，2009,(2)：47-55. 【7】胡亚民.精锻成形技术60年的发展与进步.金属加工，2010，（15）：1-5.
【8】郭长武.金属回转成形技术.钢铁，1993，（10）：73-78.。