精密塑性加工技术的分类、原理和特点
学 院：材料科学与工程学院
专 业：材料加工工程
姓 名：张春丽
学 号：2013432116
2013 年7月5日
一 精密塑性加工概述
1.1 精密塑性加工技术的概念
精密塑性加工是金属材料通过精密塑性加工的方法获得精化毛坯或最终产品零件的加工工艺，过去称为少/无切削工艺，近年来称为近/净加工，习惯上统称为精密塑性加工。 精密塑性加工技术是新材料技术、现代模具技术、计算机技术和精密测量技术与传统的 锻造、冲压、挤压等工艺方法相结合的产物。它使加工的制品达到或接近最终零件产品的形状和尺寸，实现质量与性能的优化，缩短制造周期和降低成本。
1.2 精密塑性加工的特点
（1）材料利用率高 采用精密塑性加工工艺生产的制件表面仅留少量的机械切屑加工余量或不留余量。
（2）零件产品性能好 采用精密塑性加工工艺生产的零件，其金属纤维沿零件轮廓形状分布，且连续致密。
（3）零件产品尺寸规格的一致性好 精密塑性加工一般都通过精锻模、挤压模、精冲模和
其他精密模具来实现相应精密零件或制品的生产。同一副模具生产成千上万件、数十万件乃至上百万件的零件产品，仍使产品形状和尺寸精度保持一致。
（4）可实现零件产品质量的有效控制 采用数值模拟仿真如体积金属塑性加工的有限元模拟和板料金属塑性加工的有限元技术，选择合适的模拟软件并建立起合理的有限元模型。通过模拟可以获得变形金属在模具型腔中的流动方向和流动速度场、应力场、应变场、温度场和内部损伤等详细信息和加工规律；预测缺陷部位及原因；优化工艺参数，获得所需要的组织结构，实现零件产品的有效控制，提高产品的安全性、可靠性与使用寿命。
（5）生产效率高 采用精密塑性加工工艺生产，一是多数精密塑性加工的工序比传统塑性加工工序少；二是多采用数控技术和数控设备来实现生产工艺流程，与传统相比，生产效率可提高数十倍甚至上百倍。
（6）存在的主要问题 一是一部分精密塑性加工工具，如精模锻、挤压模的使用寿命有待提高；二是高精度高效专用设备和机械手与机器人的研制与应用。
1.3 精密塑性加工方法的种类
二 精密模锻
精密模锻是一种在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻工艺。如精密模锻锥齿轮。其齿形部分可直接锻出而不必再经过切削加工。模锻件尺寸精度可达IT12～ITl5，表面粗糙度值Ra为3.2～1.6μm。
2.1 精密模锻工艺过程直柄立铣刀
先将原始坯料普通模锻成中间坯料；再对中间坯料进行严格的清理，除去氧化皮和缺陷； 最后采用无氧化或少氧化加热后精锻。
2.2 精密模锻的工艺特点
1)需精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。
2)需要精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其它缺陷等。
3)为了提高锻件的尺寸精度和降低表面粗糙度，应采用无氧化和少氧化加热，尽量减少坯
料表面形成的氧化皮。
4）为了最大限度地减少氧化，提高锻件的质量，精锻的加热温度较低，对于碳素钢，锻造温度在900-950℃之间，称为温模锻。
5)精密模锻的锻件精度在很大程度上取决于锻模的加工精度。因此，精锻模膛的精度必须很高。一般要比锻件精度高两级。精锻模一定要有导柱导套结构，保证合模准确。为排除模膛中的气体，减少金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。
6)模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。7)精密模锻一般都在刚度大、精度高的模锻设备上进行,如曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤等。
三 挤压
挤压是用冲头
或凸模
对放置在凹模中的坯料加压，使之产生塑性流动
，从而获得相应于模具的型孔或凹凸模形状的制件的一种压力加工方法。挤压时，坯料产生三向压应力，即使
是塑性较低的坯料，也可被挤压成形。挤压的工艺特点如下：
（1）挤压时金属坯料处于三向压应力状态下变形，因此可提高金属坯料的塑性，有利于扩大金属材料的塑性加工范围。
（2）可挤压出各种形状复杂、深孔、薄壁和异型截面的零件，且零件尺寸精度高，表面质量好，尤其是冷挤压成形。
（3）零件内部的纤维组织基本沿零件外形分布且连续，有利于提高零件的力学性能。
（4）生产率较高，只需更换模具就能在同一台设备上生产形状，尺寸规格和品种不同的产品。节约原材料，挤压属于少（无）切削加工，大大节约了原材料。
四 特种精密锻造
室温或完全再结晶温度以下通过挤压、镦粗、精整等基本工艺或工艺组合得到净成形（Net-shape-forming）或准净成形（Near-net-shape-forming）锻件，即成形的工件就是最终所需的产品形状或接近产品形状。前者可直接获得成品零件，后者可取代粗切削加工，得到精化的毛坯。精密锻造的工艺特点：
（1）提高材料利用率；
（2）减少或无切削加工；尤其是一些曲面。
（3）成形温度较低，流线未切割，加工硬化等组织优、性能高；
（4）热膨胀、氧化皮小，尺寸精度高；
（5）可成形难切削加工材料。
五 板料金属精密冲压加工
精冲是在普冲的基础上，发展起来的一种精密冲压加工工艺。它虽然与普冲同属于分离工艺，但是包含有特殊工艺参数的加工方法。由它生产的零件也具有不同的质量特征。特别是在精冲与冷成型（如弯曲、拉深、翻边、镦挤、压沉孔、半冲孔和挤压等）加工工艺相结合后，精冲零件已有可能在许多领域（如汽车、摩托车、电子工业等），取代以前由普冲、机加工、锻造、铸造和粉末冶金加工的零件，因而发挥其巨大的技术优势和经济效益。下表为普冲和精冲二种不同工艺方法的特点。
六 板料金属冲压新工艺
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6.1旋压成形
板坯与芯模共同旋转，由辊轮进给并施加压力，使板坯紧贴芯模逐点局部变形的冲压成形工艺。旋压可制造各种轴对称旋转体零件，如扬声器、弹体、高压容器封头、铜锣；也可用于气瓶收口、筒坯成形等。旋压的特点是：用很小的变形力可成形很大的工件；使用设备比较简单，中小尺寸的薄板件可用普通车床旋压；模具简单，只需要一块芯模，材质要求低。旋压适用于小批生产,因其只能加工旋转体零件,局限性较大，生产率低。旋压可用专门机械，采用仿形旋压和数字控制旋压。在旋压成形的同时使板厚减薄的工艺称为变薄旋压,又称强力旋压,多用于加工锥形件、薄壁的管形件等，也可用以旋压大直径的深筒，再剖开后制成平板。
旋压是将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的塑性变形。在旋轮的进给运动和坯料的旋转运动共同作用下，使局部的塑性变形逐步地扩展到坯料的全部表面，并紧贴于模具，完成零件的旋压加工。
旋压加工的优点是设备和模具都比较简单（没有专用的旋压机时可用车床代替），除可成形如圆筒形、锥形、抛物面形成或其它各种曲线构成的旋转体外，还可加工相当复杂形状
的旋转体零件。缺点是生产率较低，劳动强度较大，比较适用于试制和小批量生产。随着飞机、火箭和导弹的生产需要，在普通旋压的基础上，又发展了变薄旋压（也称强力旋压）。
6.2超塑性成形
超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。超塑性的特点有大延伸率，无缩颈，小应力， 易成形。最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等。
超塑性分类：微细晶粒超塑性、相变超塑性、其他超塑性。 微细晶粒超塑性三个条件：（1）材料具有等轴稳定的细晶组织（2）成形温度T≥0.5Tm且大多低于普通热锻温度，并要求温度恒定。（3）应变速率在10-4—10-2s-1内。超塑性特点：
（1）材料具有低的流动应力
（2）比常规变形高一个数量级以上的伸长率
（3）良好的流动性与复制性
（4）晶间滑移变形的比例大幅度提高
6.3多点成形
多点成形是金属板材三维曲面成形的全新技术，是对传统板料生产方式的重大变革。其原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体（或称冲头）。在整体模具成形中，板材由模具曲面来成形，而多点成形中则由基本体冲头的包络面（或称成形曲面）来完成。
多点模具成形法是在成形前把基本体调整到所需的适当位置，使基本体形成制品曲面的包络面，而在成形时各基本体间无相对运动。其实质与模具成形基本相同，只是把模具分成离散点。这种成形方法的整个成形过程。
与传统模具成形相比，多点成形具有如下特点：
（1）实现无模成形
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通过对各基本体运动的控制来构造出各种不同的成形曲面，可以取代传统的整体模具，节省模具设计、制造、调试和保存所需人力、物力和财力，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品的竞争力。与模具成形法相比，不但节省巨额加工、制造模具的费用，而且节省大量的修模与调模时间。与手工成形方法相比，成形的产品精度高、质量好，并且显著提高生产效率。
（2）优化变形路径肘型电缆头
通过基本体调整，实时控制变形曲面，随意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加工范围。
（3）实现无回弹成形
可采用反复成形新技术，消除材料内部的残余应力，并实现少无回弹成形，保证工件的成形精度。
（4）小设备成形大型件
采用分段成形新技术，可以连续逐次成形超过设备工作台尺寸数倍或数十倍的大型工件。
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（5）易于实现自动化
曲面造型、工艺计算、压力机控制、工件测试等整个过程都可以采用计算机技术，实现CAD/CAM/CAT一体化生产，工作效率高，劳动强度小，极大地改善劳动者作业环境。
七 管料金属精密塑性加工
管料金属精密塑性加工就是以管料金属为坯料，通过刚性模具或介质加工成所需的成品零件或毛坯。管料金属精密塑性加工的工艺特点如下
（1）金属的空间分布合理，在保证强度和刚度要求的情况下，能使零件质量减小40-70%，提高材料利用率30-50%。
（2）可以加工出形状复杂的零件，即可以用整体管坯成形代替由多个零件焊接或拼装的复杂结构，从而降低甚至消除焊接变形及弹性变形对零件的几何形状、尺寸精度及力学性能的影响，提高了零件的质量。
（3）金属管坯通过冷态下的塑性变形，制件具有精细的金属组织良好的金属流线及均匀的
壁厚，且制作表面光滑，外表及内在质量好，加工硬化可使零件强度和刚度提高50-300%，最高可达500%。
（4）采用内高压成形或内高压弯曲、压扁相结合的复合成形基本属于一次成形，大大地减少了生产工序，模具数量少，生产成本低、效率高。
（5）模具结构比较简单，由于内高压成形所使用的管坯的几何相似性，大型零件的模架往往作为小型零件的模架使用。因在成形过程中力场变化连续且分布比较均匀、无冲击载荷，模具使用寿命长。
