1、塑性成形技术的现状及发展趋势刘东利（中国民航大学，航空工程系，天津，300300）摘要：叙述了塑性成形技术的现状,介绍了现代塑性加工新技术及塑性成形的发展趋势,金属塑性成形技术展望，提出了当代塑性成形技术的研究方向。关键词：塑性成形技术；塑性加工新技术；发展趋势；技术展望；研究方向Current situation and development trend of plasticity forming technologyLiu Dong Li(Aeronautical Engineering CollegeCollege of Civil Aviation University of Chi
2、na, Tianjin, 300300)Abstract: The present situation of plastic forming technology, introduced the modern plastic processing of new technology and development trend of plastic forming, metal plastic forming technology, puts forward the research direction of modern plastic forming technology.Key words
3、: The plastic forming technology;New technology of plastically processing;Development trend; prospect; research direction1 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。工业部门的广泛需求为塑性成形新工艺新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。金属及非金属材料的塑性成形过程都是在模具型腔中来完成的1。实施塑性成形技术的最
4、终形式就是模具产品,而模具工业发展的关键是模具技术进步,模具技术又涉及到多学科的交叉。模具作为一种高附加值产品和技术密集型产品,其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。展望 12 世纪,材料塑性成形技术一方面正在从制造工件的毛坯向直接制造工件,即精确成形或称净成形方向发展。另一方面,为控制或确保工件品质,材料塑性成形技术已经从经验走向有理论指导,成形过程的计算机模拟仿真技术已经进入实用化阶段。2 塑性加工新技术塑性加工新技术新世纪，科学技术面临着巨大的变革。通过与计算机的紧密结合，数控加工激光成形人工智能材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展速度之快，学科领域
5、交叉之广是过去任何时代所无法比拟的。目前，塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现，把握塑性加工技术的现状和发展前景，有助于及时研究“推广和应用高新技术，推动塑性加工技术的持续发展。2.1 基于新能源的塑性成形新技术激光、电磁场、超声波和微波等新能源的应用为塑性加工提供了新的方法。激光热应力成形利用激光扫描金属薄板时，在热作用区域内产生强烈的温度梯度，引起超过材料屈服极限的热应力，使板料实现热塑性变形。电磁成形工艺是利用金属材料在交变电磁场中产生感生电流（涡流），而感生电流又受到电磁场的作用力，在电磁力的作用下坯料发生高速运动而与单面凹模贴模产生塑性变形。超声塑性成形是对变形体或工装模具施加高
6、频振动，坯料与工装模具之间的摩擦力可以显著降低，结果引起坯料变形阻力和设备载荷显著降低，并且还能大幅度提高产品的质量和材料成形极限，因此，成为一些特殊新材料的最有效加工途径。2.2 基于新介质的塑性成形新技术传统的塑性加工都是利用锤头、模具等刚性物体对坯料施加外部载荷。而液体、气体等新介质在塑性加工中的使用产生了新的成形技术2。液压成形技术通过液体压力的直接作用使材料变形，分为板材液压成形技术、管件液压成形技术与流体引伸技术。流体压力成形指采用液态的水、油或粘性物质作传力介质，代替刚性的凹模或凸模， 使坯料在传力介质的压力作用下发生塑性变形。流体压力成形主要包括内高压成形、板液压成形和粘性介质
7、压力成形3。气压成形技术主要有热态金属气压成形（HMGF）和快速塑性成形（QPF）技术。HMGF针对管状结构件气压成形；而 QPF 是针对板料的高温气压成形。新工艺主要通过热火化成形过程，改善材料的成形性能和变形机制，并可获得优化的热处理后力学性能。喷丸成形是利用高速弹丸撞击金属板料表面，使受撞击表面及其下一层金属产生塑性变形，导致面内产生残余应力，在此应力作用下，逐步使板料达到要求外形的一种成形方法。目前，波音和空中客车等飞机制造公司在其现代客机的生产中，都已采用了该技术。其工艺方法有弯曲喷丸、延伸喷丸和预应力喷丸三种。2.3 基于不同加载方式的塑性成形新技术传统的塑性成形加载方式为采用模具
8、对整个坯料施加变形载荷，这样的加载方式对于厚大零件成形较困难，而改变塑性加工的加载方式可得到新的加工工艺。无模多点成形借助于高度可调整的基本体群构成离散的上、下工具表面，替代传统的上、下模具进行板材的曲面成形。2.4 基于提高材料塑性的塑性成形新技术针对金属材料在常温下塑性较差、成形困难的问题，出现了基于提高材料塑性的新技术。金属等温塑性成形方法是最具代表性的一种新技术，它是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的，从而避免了坯料在变形过程中温度降低和表面激冷问题。2.5 基于复合方式的塑性成形新技术复合塑性成形技术指将不同种类的塑性加工方法组合起来,或将其它金属成形方法(如铸造、粉末冶
9、金等)和塑性加工方法结合起来使用,使变形金属在外力作用下产生流动和变形,从而得到所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法4。包括热锻冷锻复合技术、板料冲压冷锻复合技术、以及结合铸造和锻造特点开发出来的铸造锻造技术和半固态成形技术。在使用铸造锻造复合工艺时应注意以下几点:(1)应选用兼有良好铸造性能和锻造性能的合金；(2)兼顾铸造成形和锻造成形要求的铸件(锻件铸坯)的形状设计；(3)确立合理的铸造、锻造、热处理的适当条件。在一般的金属凝固过程中,生成的固相呈树枝状,当固相比率达到 20%时,枝状结构就开始硬化,难以进行成形加工。若在金属凝固的同时加以搅动,金属的凝固组织就由枝状结晶变成球状的等轴晶,
10、当 40 固相含量为 60%以下时的流动特性好,变形抗力小,可以用锻造、挤压、轧制、压铸等方法成形。这种在对半固态金属进行加工的工艺称为半固态成形技术5。2.6 基于新知识的塑性成形新技术超塑成形在特定的变形状态下,金属的变形能力可以几倍以至几十倍地提高,而变形抗力可以减少到几分之一至几十分之一,这一被称为超塑性的特性,已经为几十年大量的科学实践证明是普遍存在的。人们不仅配制出了几十种具有明显超塑性的有实用价值的超塑性新合金,而且对几百种现有的工业合金的超塑性进行了研究。超塑新材料和一些现有材料的超塑成形已经得到了工业应用,特别是几种钦合金超塑成形已经成为其优先选择的成形方法,在航空工业被成功
11、地采用。此外,几种铝合金的超塑成形也很成功。超塑成形的主要特点是根据不同零件的要求,科学地选择变形条件,严格地控制变形条件,以达到提高材料的变形能力和降低变形抗力的目的。超塑成形有时可以代替 4 至 5 道传统的成形过程,直接制成精确的不需要再机械加工的零件,而所需的设备和制造成本是其他方法的几分之一6。由于塑性是与金属的多种物理、化学、力学性能有关的性质,所以超塑性必然会对金属的使用和加工产生巨大影响。许多专家学者预测,将有越来越多的金属零件采用超塑成形加工。2.7 基于特殊材料的塑性成形新技术粉末冶金塑性成形新技术，具有少无切削、容易实现多种材料的复合、可生产具有特殊结构和性能的材料和制品
12、、减少组织不均匀、可有效进行材料再生和综合利用。目前，发展的粉末冶金塑性成形技术有金属粉末锻造成形、金属粉末超塑性成形、粉末喷射、喷涂成形、粉末轧制、粉末注射成形、温压成形、粉末增塑挤压、热等静压、计算机辅助激光快速成形技术等。3 塑性成形的发展趋势3.1 现代模具工业的发展趋势传统的模具制造技术,主要是根据设计图纸,用仿型加工,成形磨削以及电火花加工方法来制造模具。而现代模具不同,它不仅形状与结构十分复杂,而且技术要求更高,用传统的模具制造方法显然难于制造,必须借助于现代科学技术的发展,采用先进制造技术,才能达到它的技术要求。当前,整个工业生产的发展特点是产品品种多、更新快、市场竞争剧烈。为
13、了适应市场对模具制造的短交货期,高精度、低成本的迫切要求,模具将有如下发展趋势:(1)愈来愈高的模具精度。10 年前,精密模具的精度一般为 5m,现在已达 23m,不久1m 精度的模具即将上市。随着零件微型化及精度要求的提高,有些模具的加工精度要求在 1m 以内,这就要求发展超精加工7。(2)日趋大型化模具。这一方面是由于用模具成形的零件日渐大型化,另一方面也是由于高生产率要求的一模多腔(现在有的已达一模几百腔)所致。(3)扩大应用热流道技术。由于采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量,并能大幅度节约制件的原材料,因此热流道技术的应用在国外发展较快,许多塑料模具厂所生产的塑料模具 50%
14、以上采用了热流道技术,甚至达到 80%以上,效果十分明显。热流道模具在国内也已生产,有些企业使用率上升到 20%30%。(4)进一步发展多功能复合模具。一副多功能模具除了冲压成形零件外,还担负着叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务,这种多功能复合模具生产出来的不再是单个零件,而是成批的组件,可大大缩短产品的生产及装配周期,对模具材料的性能要求也越来越高。(5)日益增多高挡次模具。大致可分三个层 55 模具技术 2003.N0.1 次,一是用于汽车、飞机、精密机械的微米级(m)精密加工;二是用于磁盘、磁鼓制造的亚微米级(0.01m)精密加工;三是用于超精密电子器件的毫微米级(0.001m)精密加工。
15、目前,超精密加工已进入纳米级(0.1100nm)精度阶段。这将使模具的技术含量不断提高,使中、高档模具比例将不断增大。(6)进一步增多气辅模具及高压注射成型模具。随着塑料成形工艺的不断改进和发展,为了提高注塑件质量,气辅模具及高压注射成型模具将随之发展。(7)增大塑料模具比例。随着塑料原材料的性能不断提高,各行业的零件将以塑代钢,以塑代木的进程进一步加快,使塑料模具的比例日趋增大。同时,由于机械零件的复杂程度和精度的逐渐提高,对塑料模具的制造要求也越来越高。(8)增多挤压模及粉末锻模。由于汽车、车辆和电机等产品向轻量化发展,如以铝代钢,非全密度成形,高分子材料、复合材料、工程陶瓷、超硬材料成形
16、和加工。新型材料的采用,不仅改变产品结构和性能而且使生产工艺发生了根本变革,相应地出现了液态(半固态)挤压模具及粉末锻模。对这些模具的制造精度要求是高的。(9)日渐推广应用模具标准化。模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期,且还能提高模具的质量和降低模具制造成本。因此,模具标准件的应用在“十五”期间必将得到较大的发展。(10)大力发展快速制造模具。目前是多品种小批量生产时代,21 世纪,这种生产方式占工业生产的比例将达到 75% 以上。由此,一方面是制品使用周期缩短,另一方面花样变化频繁,要求模具的生产周期愈短愈好。因此,开发快速成型模具将越来越引起人们的重视和关注8。3.2 金
17、属塑性成形技术的分析可将其总体发展趋势总结概括为以下几点：(1) 过程综合过程综合主要包括两个方面的含义：其一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化，各个环节的关联越来越紧密；其二是指多个过程（如凝固与成形） 的综合化。多种工艺技术的综合常可导致新的制造原理或制造技术的突破，如精冲复合成形技术、半固态加工技术和连续铸轧技术等。（2）技术综合技术综合是指塑性成形技术越来越发展成为一门多种技术相结合的应用技术科学。21世纪的塑性成形技术将以新材料、新能源、新介质，以及计算机、信息、电子、控制技术等为依托，尤其体现为制备、成形、加工技术与计算机技术以及信息技术的综合，与各种先进控制技术的综合，以更快
18、的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。如激光成形、电磁成形、超声塑性成形、爆炸成形、液压成形、气压成形、数控渐进成形等。（3）学科综合学科综合则体现为传统三级学科（铸造、塑性加工、热处理和焊接）之间的综合，与材料物理与化学、材料学等学科的综合，与计算机科学、信息工程、环境工程等材料科学与工程学科以外的其他学科的综合。各学科间的界限越来越不明显，学科渗透与相互依赖性越来越强。如金属半固态加工、连续铸挤、连续铸轧、粉末冶金塑性成形新技术、爆炸焊接或扩散焊接后进行塑性加工、复合材料塑性成形新技术等。塑性加工技术的发展目标是高效、节能、节材、注重环境保护和降低成本，而精确塑性成技术
19、将是实现上述目标最重要的发展方向，精确塑性成形技术将不断吸收现代最新科技成果，作为一种综合性技术在 21 世纪更快的发展9。4 研究方向4.1 塑性成形基本理论的研究(1)塑性成形试验和模拟技术的研究。(2)塑性成形过程变形区应力应变速度、温度场分布的研究。(3)塑性变形数值分析和模拟技术的研究。成形工艺过程预测和优化设计方法的研究。(4)塑性加工中摩擦学的研究。42 塑性成形技术的研究(1)高效精密塑性成形技术的研究、扩大推应用。(2)金属基粒状复合材料，纤维复合材料和层状复合材料成形工艺的研究。非晶、徽晶材料成形工艺的研究。(3)复合成形工艺的研究，包括铸一锻，焊一锻，热一温一冷锻等多种工
20、艺复合锻造技术的研究。(4)常用金属、合金超塑成形技术的研究，扩大超塑成形性速度区间范围的研究。5 结束语21 世纪，中国的汽车工业、机械装备工业、航空、航天工业等支柱产业将有大的发展。材料科学、计算机技术、信息控制技术等的快速发展，将为塑性成形技术提供更多更新的发展基础。当前工业部门的广泛需求，为塑性成形新工艺新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。因此，塑性加工技术的发展需要加快从经验向科学化转化的进程，做到更精、更省、更净10。同时通过近几年的实践和摸索,现代先进制造技术已在改变塑性成形领域的许多传统观念和生产组织方式,技术创新已成为 21 世纪企业竞争的焦点。由于新技术的应用和引导
21、,塑性成形技术在国民经济中的作用愈来愈大,在一定程度上决定了我国机械制造业在 21 世纪的市场竞争能力,为此我们要有足够的认识并采取得力的措施。参考文献：1洪慎章。塑性成形技术的现状及发展趋势J.模具技术 2003，（1）：54-56.2崔冰艳，陈丽文，白叶飞。材料加工中塑性成形领域研究新进展J.中国水运 2007 07（02）：124-125.3刘华，闫洁，刘斌。现代塑性加工新技术及发展趋势J.锻压装备与制造技术 2014（4）：10-12.4蒋鹏，贺小毛，吴瑛，谢华。复合塑性成形新技术及其应用J.锻压技术，2000，（1）：38-41.5蒋鹏，贺小毛，张秀峰.半固态金属成形技术的研究概况N.塑性工程学报，1998，5（3）：1-7.6教务处，王蛇小.塑性成形的发展方向N.包头职业技术学院学报，47-49.7阮雪榆等。中国模具工业技术发展J.模具技术，2001，（2）：72-74.8申容华。金属塑性成形技术展望J.机械工人（热加工），2001，（6）：3-4.9王玉。塑性加工技术前沿综述J.塑性工程学报，2003，（6）：4-7.10李德群。塑性加工技术发展状况及趋势J.航空制造技术，2000，（3）:21-22.
