塑性成形方法

2023年12月4日发(作者：磨练意志)

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第五节 其它塑性成形方法

随着工业的不断发展，人们对金属塑性成形加工生产提出了越来越高的要求，不仅要求生产各种毛坯，而且要求能直接生产出更多的具有较高精度与质量的成品零件。其它塑性成形方法在生产实践中也得到了迅速发展和广泛的应用，例如挤压、拉拔、辊轧、精密模锻、精密冲裁等。

一、挤压

挤压：指对挤压模具中的金属锭坯施加强大的压力作用，使其发生塑性变形从挤压模具的模口中流出，或充满凸、凹模型腔，而获得所需形状与尺寸制品的塑性成形方法。

挤压法的特点：

（1）三向压应力状态，能充分提高金属坯料的塑性，不仅有铜、铝等塑性好的非铁金属，而且碳钢、合金结构钢、不锈钢及工业纯铁等也可以采用挤压工艺成形。在一定变形量下，某些高碳钢、轴承钢、甚至高速钢等也可以进行挤压成形。对于要进行轧制或锻造的塑性较差的材料，如钨和钼等，为了改善其组织和性能，也可采用挤压法对锭坯进行开坯。

（2）挤压法可以生产出断面极其复杂的或具有深孔、薄壁以及变断面的零件。

（3）可以实现少、无屑加工，一般尺寸精度为IT8～IT9，表面粗糙度为Ra3.2～0.4μ m，从而

（4）挤压变形后零件内部的纤维组织连续，基本沿零件外形分布而不被切断，从而提高了金属的力学性能。

（5）材料利用率、生产率高；生产方便灵活，易于实现生产过程的自动化。

挤压方法的分类：

1．根据金属流动方向和凸模运动方向的不同可分为以下四种方式： （１）正挤压 金属流动方向与凸模运动方向相同，如图2-69所示。

（２）反挤压 金属流动方向与凸模运动方向相反，如图2-70所示。

（３）复合挤压 金属坯料的一部分流动方向与凸模运动方向相同，另一部分流动方向与凸模运动方向相反，如图2-71所示。

（４）径向挤压 金属流动方向与凸模运动方向成90°角，如图2-72所示。

图2-69 正挤压

图2-70 反挤压

图2-71 复合挤压

图2-72 径向挤压

2．按照挤压时金属坯料所处的温度不同，可分为热挤压、温挤压和冷挤压三种方式：

（１）热挤压 变形温度高于金属材料的再结晶温度。热挤压时，金属变形抗力较小，塑性较好，允许每次变形程度较大，但产品的尺寸精度较低，表面较粗糙。应用于生产铜、铝、镁及其合金的型材和管材等，也可挤压强度较高、尺寸较大的中、高碳钢、合金结构钢、不锈钢等零件。目前，热挤压越来越多地用于机器零件和毛坯的生产。

（２）冷挤压 变形温度低于材料再结晶温度（通常是室温）的挤压工艺。冷挤压时金属的变形抗力比热挤压大得多，但产品尺寸精度较高，可达IT8～IT9，表面粗糙度为Ra3.2～0.4μm，而且产品内部组织为加工硬化组织，提高了产品的强度。目前可以对非铁金属及中、低碳钢的小型零件进行冷挤压成形，为了降低变形抗力，在冷挤压前要对坯料进行退火处理。

冷挤压时，为了降低挤压力，防止模具损坏，提高零件表面质量，必须采取润滑措施。由于冷挤压时单位压力大，润滑剂易于被挤掉失去润滑效果，所以对钢质零件必须采用磷化处理，使坯料表面呈多孔结构，以存储润滑剂，在高压下起到润滑作用。常用润滑剂有矿物油、豆油、皂液等。

冷挤压生产率高，材料消耗少，在汽车、拖拉机、仪表、轻工、军工等部门广为应用。

（３）温挤压 将坯料加热到再结晶温度以下高于室温的某个合适温度下进行挤压的方法，是介于热挤压和冷挤压之间的挤压方法。与热挤压相比，坯料氧化脱碳少，表面粗糙度较小，产品尺寸精度较高；与冷挤压相比，降低了变形抗力，增加了每个工序的变形程度，提高了模具的使用寿命。温挤压材料一般不需要进行预先软化退火、表面处理和工序间退火。温挤压零件的精度和力学性能略低于冷挤压零件。表面粗糙度为Ra6.5～3.2μ m。温挤压不仅适用于挤压中碳钢，而且也适用于挤压合金钢零件。

挤压在专用挤压机上进行，也可在油压机及经过适当改进后的通用曲柄压力机或摩擦压力机上进行。

二、拉拔

拉拔：在拉力作用下，迫使金属坯料通过拉拔模孔，以获得相应形状与尺寸制品的塑性加工方法，如图2-73所示。拉拔是管材、棒材、异型材以及线材的主要生产方法之一。

图2-73 拉拔示意图

1—坯料 2—拉拔模 3—制品

拉拔方法按制品截面形状可分为实心材拉拔与空心材拉拔。实心材拉拔主要包括棒材、异型材及线材的拉拔。空心材拉拔主要包括管材及空心异型材的拉拔。

拉拔的特点：

（1）制品的尺寸精确，表面粗糙度小。

（2）设备简单、维护方便。

（3）受拉应力的影响，金属的塑性不能充分发挥。拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受到拉拔应力的限制，一般道次伸长率在20%～60%之间，过大的道次伸长率将导致拉拔制品形状、尺寸、质量不合格，过小的道次伸长率将降低生产率。

（4）最适合于连续高速生产断面较小的长制品，例如丝材、线材等。

拉拔一般在冷态下进行，但是对一些在常温下塑性较差的金属材料则可以采用加热后温拔。采用拉拔技术可以生产直径大于500mm的管材，也可以拉制出直径仅0.002mm的细丝，而且性能符合要求，表面质量好。拉拔制品被广泛应用在国民经济各个领域。

三、辊轧

金属坯料在旋转轧辊的作用下产生连续塑性变形，从而获得所要求截面形状并改变其性能的加工方法，称为辊轧。常采用的辊轧工艺有辊锻、横轧及斜轧等。

（一）辊锻

辊锻：使坯料通过装有圆弧形模块的一对相对旋转的轧辊，受压产生塑性变形，从而获得所需形状的锻件或锻坯的锻造工艺方法，如图2-74所示。它既可以作为模锻前的制坯工序也可以直接辊锻锻件。目前，成形辊锻适用于生产以下三种类型的锻件：

图2-74 辊锻示意图

（1）扁断面的长杆件，如扳手、链环等。

（2）带有头部，且沿长度方向横截面面积递减的锻件，如叶片等。叶片辊锻工艺和铣削旧工艺相比，材料利用率可提高4倍，生产率提高2.5倍，而且叶片质量大为提高。

（3）连杆，采用辊锻方法锻制连杆，生产率高，简化了工艺过程。但锻件还需用其它锻压设备进行精整。

（二）横轧

横轧：轧辊轴线与轧件轴线互相平行，且轧辊与轧件作相对转动的轧制方法，如齿轮轧制等。 齿轮轧制是一种少、无切屑加工齿轮的新工艺。直齿轮和斜齿轮均可用横轧方法制造，齿轮的横轧如图2-75所示。在轧制前，齿轮坯料外缘被高频感应加热，然后将带有齿形的轧辊作径向进给，迫使轧辊与齿轮坯料对辗。在对辗过程中，毛坯上一部分金属受轧辊齿顶挤压形成齿谷，相邻的部分被轧辊齿部“反挤”而上升，形成齿顶。

图2-75 热轧齿轮示意图

（三）斜轧

斜轧又称螺旋斜轧：斜轧时，两个带有螺旋槽的轧辊相互倾斜配置，轧辊轴线与坯料轴线相交成一定角度，以相同方向旋转。坯料在轧辊的作用下绕自身轴线反向旋转，同时还作轴向向前运动，即螺旋运动，坯料受压后产生塑性变形，最终得到所需制品。例如钢球轧制、周期轧制均采用了斜轧方法，如图2-76所示。斜轧还可直接热轧出带有螺旋线的高速钢滚刀、麻花钻、自行车后闸壳以及冷轧丝杠等。

如图2-76a所示钢球斜轧，棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制，并被分离成单个球，轧辊每转一圈，即可轧制出一个钢球，轧制过程是连续的。

图2-76 斜轧示意图

a）钢球轧制 b）周期轧制

四、旋压

旋压：利用旋压机使毛坯和模具以一定的速度共同旋转，并在滚轮的作用下，使毛坯在与滚轮接触的部位产生局部塑性变形，由于滚轮的进给运动和毛坯的旋转运动，使局部的塑性变形逐步扩展到毛坯的全部所需表面，从而获得所需形状与尺寸零件的加工方法。图2-77表示旋压空心零件的过程。旋压基本上是靠弯曲成形的，不象冲压那样有明显的拉深作用，故壁厚的减薄量小。

图2-77 旋压示意图

1—顶杆 2—毛坯 3—滚轮 4—模具 5—加工中的毛坯

旋压的工艺特点：

（1）局部连续成形，变形区很小，所需要的成形力小。旋压是一种既省力，效果又明显的压力加工方法，可以用功率和吨位都非常小的旋压机加工大型的工件。

（2）工具简单、费用低，而且旋压设备的调整、控制简便灵活，具有很大的柔性，非常适合于多品种小批量生产。

（3）对冲压难以成形的复杂零件，如头部很尖的火箭弹药锥形罩、薄壁收口容器，带内螺旋线的猎枪管等。

（4）旋压件尺寸精度高，甚至可与切削加工相媲美。

（5）旋压零件表面粗糙度容易保证。此外，经旋压成形的零件，抗疲劳强度高，屈服点、抗拉强度、硬度都大幅度提高。

不足：只适用于轴对称的回转体零件；对于大量生产的零件，它不如冲压方法高效、经济；材料经旋压后塑性指标下降，并存在残余应力。

五、塑性成形新工艺、新技术简介

塑性成形新工艺的特点是：

（1）尽量使成形件的形状接近零件的形状，以便达到少、无切屑加工的目的，同时得到合理分布的纤维组织，提高零件的力学性能。

（2）具有更高的生产率。

（3）减小了变形力，可以在较小的压力设备上制造出大型零件。

（4）广泛采用电加热和少氧化、无氧化加热，提高零件表面质量，改善劳动条件。

（一）精密模锻

精密模锻：在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的模锻工艺。如精密模锻伞齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再经过切削加工。精密模锻件尺寸精度可达IT12～IT15，表面粗糙度为Ra3.2～1.6μm。 精密模锻工艺特点：

（1）精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。

（2）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）采用无氧化或少氧化加热方法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。

（4）精锻模膛的精度必须很高，一般要比锻件的精度高两级。精密锻模一定有导柱、导套结构，以保证合模准确。为排除模膛中的气体，减小金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。

（5）模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。

（6）精密模锻一般都在刚度大、精度高的曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤上进行。

（二）超塑性成形

超塑性成形：金属或合金在低的变形速率（ε=10-2～10- 4/s）、一定的变形温度（约为熔点绝对温度的一半）和均匀的细晶粒度（晶粒平均直径为０.2～5μm）条件下，其相对伸长率δ超过100%以上的变形。例如钢可超过500%、纯钛可超过300%、锌铝合金可超过1000%。

超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，变形应力可比常态下金属的变形应力降低几倍至几十倍，因此极易变形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。

常用的超塑性成形材料：主要是锌铝合金、铝基合金、钛合金及高温合金。

主要应用：

（1）板料超塑性冲压成形 采用锌铝合金等超塑性材料，可以一次拉深较大变形量的杯形件，而且质量很好，无制耳产生。 （2）板料超塑性气压成形 将具有超塑性性能的金属板料放于模具之中，把板料与模具一起加热到规定温度，向模具内吹入压缩空气或抽出模具内空气形成负压，使板料沿凸模或凹模变形，从而获得所需形状，如图2-78所示。气压成形能加工的板料厚度为0.4～4mm。

图2-78 板料气压成形

a）凹模内成形 b）凸模上成形

1—电热元件 2—进气孔 3—板料 4—工件 5—凹（凸）模 6—模框 7—抽气孔

（3）超塑性模锻或挤压 高温合金及钛合金在常态下塑性很差，变形抗力大，不均匀变形引起各向异性的敏感性强，常规方法难于成形，材料损耗大。如采用普通热模锻毛坯，再进行机械加工，金属消耗达80%左右，导致产品成本升高。在超塑性状态下进行模锻或挤压，就可克服上述缺点，节约材料，降低成本。

超塑性模锻利用金属及合金的超塑性，扩大了可锻金属材料的类型。如过去只能采用铸造成形的镍基合金，也可以进行超塑性模锻成形。超塑性模锻时，金属填充模膛的性能好，可锻出尺寸精度高、机械加工余量很小、甚至不用加工的零件，并且金属的变形抗力小，可充分发挥中、小设备的作用。锻后可获得均匀、细小的晶粒组织，零件力学性能均匀一致。

（三）高能率成形

高能率成形是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。

高能率成形包括： 1．爆炸成形加工 金属板材被置于凹模上，在板料上布放炸药，利用炸药在爆炸时释放出的瞬间巨大能量使板料快速成形。爆炸成形加工用于小批量或单件的大型工件生产，也可用于多层复合材料的制造。

2．电磁冲压成形 金属毛坯被置于凹模和电磁线圈之间，借瞬间产生的电磁冲击力使坯料靠向凹模而成形，也可用于管材扩口成形。

（四）计算机在塑性成形加工中的应用

计算机技术的应用：

制订金属塑性成形生产工艺和工艺制度（CAPP）。CAPP可以根据给定条件，通过引入优化技术制订出最优化工艺和工艺制度。这对塑性成形加工生产特别重要，因为塑性成形生产往往是多阶段、多工序和多因素交互影响的过程，通过手工优化设计计算无法完成。

帮助设计人员进行金属塑性成形产品、工具、机器、车间或企业等的设计工作（CAD）。在塑性成形中，工具设计的CAD系统已广泛应用，例如轧辊孔型的CAD系统，冷弯型钢生产的辊型设计CAD系统，冲压、挤压和拉拔等模具设计CAD系统，以及塑性成形生产车间或工厂设计的CAD系统等。

可以由计算机辅助完成金属塑性成形生产中从产品设计、工艺计划制定，到工艺过程的控制和产品检验，以及生产的计划管理的过程。这种综合系统称为计算机集成制造系统（CIMS），构成了整个生产系统的计算机化。

借助于数值计算方法，可进行塑性成形加工过程的计算机数值模拟，以替代真实的塑性成形过程或其中的物理现象，这样可节省经费和消耗，灵活控制和调节影响因素及其变化，准确测量实验数据。

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