4種復(fù)合塑性成形技術(shù)的簡介及應(yīng)用

來源：發(fā)布時間：2014-06-06 11:42:31點擊率：

　　一、引言

　　復(fù)合塑性成形技術(shù)指將不同種類的塑性加工方法組合起來，或?qū)⑵渌饘俪尚畏椒?如鑄造、粉末冶金等)和塑性加工方法結(jié)合起來使用，使變形金屬在外力作用下產(chǎn)生流動和變形，從而得到所需形狀、尺寸和性能的制品的加工方法。

　　在塑性成形技術(shù)的發(fā)展過程中，復(fù)合化一直是一種技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑，其特點是在成形過程中將原來分屬不同范疇的加工方法組合起來使用，其目的是節(jié)約材料和能源，減少加工難度和加工工序，提高零件的加工精度，盡可能做到無切削(即凈Shape)或少切削(即近凈形NeaShape)加工，提高勞動生產(chǎn)率和降低成本，以滿足日益發(fā)展的工業(yè)和社會需求。

　　在以前的復(fù)合塑性成形技術(shù)中，以液態(tài)模鍛和粉末鍛造較為典型。液態(tài)模鍛技術(shù)結(jié)合了壓鑄和模鍛的特點，可生產(chǎn)形狀復(fù)雜程度高于鍛件，而力學(xué)性能優(yōu)于鑄件的制品，在金屬特別是有色金屬的成形過程中占據(jù)重要的地位[1]。粉末鍛造作為粉末冶金和熱鍛結(jié)合的一種復(fù)合成形技術(shù)，以粉末燒結(jié)體作為坯料進行熱鍛，其制品消除了粉末冶金件的內(nèi)部孔隙，致密性好，機械性能也有明顯的改善。

　　近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是汽車工業(yè)不斷發(fā)展的要求，提出了一些新形狀和高精度要求零件成形加工的課題，例如小汽車變速箱由手動結(jié)構(gòu)改為自動結(jié)構(gòu)后，就出現(xiàn)了多種帶齒形零件的成形問題。為了解決這些問題，一些新型的復(fù)合塑性加工技術(shù)被開發(fā)出來并加以利用。其中，將熱鍛與冷鍛結(jié)合起來的熱鍛冷鍛技術(shù)，在板料沖壓和冷鍛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的沖壓冷鍛技術(shù)，結(jié)合鍛造和鑄造工藝特點開發(fā)出來的鑄造鍛造技術(shù)和半固態(tài)成形技術(shù)等新型復(fù)合塑性成形技術(shù)優(yōu)點顯著，在生產(chǎn)中被有效的利用，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟效果。

　　二、熱鍛冷鍛技術(shù)

　　熱鍛冷鍛是將熱鍛和冷鍛結(jié)合起來的一種新型成形技術(shù)，它充分利用了熱鍛和冷鍛各自的優(yōu)點：熱態(tài)下金屬塑性好，流動應(yīng)力低，因此主要變形過程用熱鍛完成;冷鍛件的精度高，因此重要尺寸用冷鍛終成形，這樣可以得到高精度的零件。其一般工藝流程為：下料→加熱→熱鍛→切飛邊、沖連皮→退火→清理→磷化皂化處理→冷鍛→熱鍛冷鍛件。

　　熱鍛和冷鍛的設(shè)備及模具分別與熱鍛和冷鍛的設(shè)備及模具相同。由于熱鍛和冷鍛分別進行，因此不存在兩者之間生產(chǎn)協(xié)調(diào)和節(jié)拍配合的問題，只是在分配熱鍛冷鍛各自的變形量時應(yīng)充分考慮各自的變形特點，做到既能成形高質(zhì)量的制品，又能減少成形力，提高模具壽命，降低鍛件成本。

　　建筑機械用減速機的行星齒輪為直齒圓柱齒輪。以前用圓環(huán)狀鍛坯銑出或滾出齒形，現(xiàn)在可用熱鍛冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)鍛出齒形，省去了齒形機加工工序。加工精度可以達到表1所示值[2]。

　　圖1是農(nóng)機行業(yè)用的一種大型直齒圓錐齒輪[3]，它用于拖拉機的前驅(qū)動系統(tǒng)，使用條件差，特別重視強度和耐久性。采用熱鍛冷鍛工藝生產(chǎn)該零件，金屬流線完整，生產(chǎn)率提高而成本下降。

　　該零件的成形在40000kN壓力機上進行，工藝過程如下：下料→加熱→壓扁→預(yù)鍛→齒形成形→切飛邊、沖連皮→退火→噴丸處理→磷化皂化→冷鍛→切削加工(齒形不加工)→滲碳處理→成品。

　　熱鍛冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)在生產(chǎn)齒形零件中具有一定的優(yōu)勢，除了前述的直齒輪和直傘齒輪外，用該工藝還可生產(chǎn)出齒形帶有3°倒錐角的汽車同步器齒輪零件，減少了機加工量，大幅度降低了成本。但就目前的加工精度而言，還不能達到精密機加工的水平。

　　三、板料沖壓冷鍛技術(shù)

　　在一般板料成形過程中，通常不考慮板料在厚度方向的變形，工藝過程為：板料→平面變形→等壁厚件(沖壓件);而鍛造變形是三維的，為體積成形過程，工藝過程為：棒料→體積成形→冷鍛件。

　　板料成形變形力小，成形過程簡單，但僅能成形等壁厚件，限制了它的應(yīng)用范圍。隨著汽車工業(yè)中一些薄壁但壁厚有變化的零件的加工要求，板料沖壓與冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)發(fā)展起來了，其工藝路線為上述兩種工藝路線的交叉和綜合，為：板料→(平面變形→)體積成形→板料冷鍛件。

　　圖2為不同的成形工藝工件應(yīng)力[4]，可以看出，板料沖壓冷鍛的工件應(yīng)力比普通板料成形高，比冷鍛低，介于兩者之間，表明其對模具強度要求低，有利于模具壽命的提高。

　　圖3為沖壓冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)適合加工的一些零件形狀示意圖[4]。可以看出，板料厚度有變化是該類零件的共同特點，這也是沖壓冷鍛和普通沖壓的根本區(qū)別所在。

　　圖4是汽車起動電機磁極采用板料沖壓冷鍛技術(shù)成形的工藝過程示意圖，這種工藝使工件的成形力大大降低，但其材料利用率低于普通冷鍛。

　　四、鑄造鍛造技術(shù)

　　鑄造鍛造技術(shù)也可以稱為鑄件鍛造，它是將鑄件作為鍛造工步的坯料使用，對其進行塑性加工的方法。鑄造鍛造技術(shù)可以改善制品的組織和性能，并有以下因素可以使成本降低：(1)鑄造材料比鍛造用材料價格低;(2)對形狀復(fù)雜的制品，鑄件可以近凈形成形，材料利用率高;(3)鍛造工步減少，加工費降低。

　　一般的鑄造鍛造工藝流程為：合金熔化→鑄造→清理鑄件→加熱→鍛造→熱處理機械加工。

　　小汽車的鋁合金車輪(見圖5)是一種既有高機械性能要求，又有外觀品質(zhì)要求的零件[5]，目前成形工藝有低壓鑄造、液態(tài)模鍛、半固態(tài)成形和鍛造成形等，該零件采用鑄造鍛造成形的工藝過程見圖6。

　　表2為幾種工藝成形件的主要機械性能的比較。鑄造鍛造工藝生產(chǎn)的制品可以達到鍛件的性能指標(biāo)，加工費用和鍛件比降低了30%。

　　在使用鑄造鍛造復(fù)合工藝時應(yīng)注意以下幾點：(1)應(yīng)選用兼有良好鑄造性能和鍛造性能的合金;(2)兼顧鑄造成形和鍛造成形要求的鑄件(鍛件鑄坯)的形狀設(shè)計;(3)確立合理的鑄造、鍛造、熱處理的適當(dāng)條件。

　　五、半固態(tài)成形技術(shù)

　　在一般的金屬凝固過程中，生成的固相呈樹枝狀，當(dāng)固相比率達到20%時，枝狀結(jié)構(gòu)就開始硬化，難以進行成形加工。若在金屬凝固的同時加以攪動，金屬的凝固組織就由枝狀結(jié)晶變成球狀的等軸晶，當(dāng)固相含量為60%以下時的流動特性好，變形抗力小，可以用鍛造、擠壓、軋制、壓鑄等方法成形。這種在對半固態(tài)金屬進行加工的工藝稱為半固態(tài)成形技術(shù)[6]。其工藝過程見圖7。

　　可以看出，半固態(tài)成形通常的工藝路線有兩條：一條是將經(jīng)攪拌等工藝獲得的半固態(tài)漿體坯料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進行半固態(tài)成形;另一種是將半固態(tài)坯料冷卻凝固后，按所需尺寸下料，再重新加熱至半固態(tài)溫度，然后進行成形加工。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用的是后面一條工藝路線。

　　采用半固態(tài)成形工藝制造的汽車主剎車缸體，坯料為電磁攪拌制造的Φ76直徑棒料。制品重量減輕，機加工量減少，生產(chǎn)率大大提高。有關(guān)數(shù)據(jù)見表3。在性能方面，半固態(tài)成形件氣密性和耐磨性優(yōu)良，氮氣滲透經(jīng)過實測可以達到9.7MPa，抗疲勞測試結(jié)果經(jīng)過30～100萬次而沒有磨損跡象。

　　半固態(tài)成形技術(shù)在歐美國家已經(jīng)成功地被用于工業(yè)生產(chǎn)中，可以制造重量從幾十克到9kg的零件。用該技術(shù)制造的黃銅零件用于管道、鍋爐系統(tǒng)及電器系統(tǒng)領(lǐng)域。鋁零件，特別是A357材料被廣泛地用于制造汽車制動器、發(fā)動機、燃料供給系統(tǒng)、懸掛裝置、空調(diào)零件、小汽車輪轂及數(shù)種軍用品[7]。

　　半固態(tài)成形技術(shù)是本世紀70年代才被研究開發(fā)出來的新的金屬成形工藝，具有舊有加工技術(shù)所沒有的各種特點和優(yōu)點，被專家們稱為21世紀新興的金屬制造關(guān)鍵技術(shù)之一。預(yù)計半固態(tài)成形技術(shù)在汽車、通訊、計算機及其輔助設(shè)備等領(lǐng)域，航空、航天以及國防等領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景。

　　六、結(jié)束語

　　復(fù)合塑性成形技術(shù)的實質(zhì)是將塑性體積成形技術(shù)加工對象的擴展而成。原有的塑性體積成形一般由金屬材料下料開始，單純在熱態(tài)或冷態(tài)下進行至變形完工結(jié)束。復(fù)合塑性成形技術(shù)則將加工對象由棒料擴展到了熱鍛件、沖壓件、鑄件、半固態(tài)金屬、液態(tài)金屬或粉末冶金材料，并將不同成形工藝的特點加以有效利用，從而獲得良好的經(jīng)濟和技術(shù)效果。以上介紹的幾種復(fù)合塑性成形技術(shù)及其應(yīng)用就很好的說明了這一點。復(fù)合塑性成形技術(shù)突破了舊有塑性成形技術(shù)的局限性，開辟了塑性加工領(lǐng)域研究與開發(fā)的新天地，必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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