1、金屬材料塑性精確成形工藝金屬材料塑性精確成形工藝及理論及理論 王從軍聯系電話mail:3.1 金屬塑性成形種類與概述 3.1.1金屬塑性成形在國民經濟中的地位3.1.2金屬塑性成形方法的分類3.1.3金屬塑性成形方法的現狀3.1.4金屬塑性成形方法的最新進展3.1.5金屬塑性成形方法的發展方向3.1.1金屬塑性成形在國民經濟中的地位金屬塑性成形在國民經濟中的地位金屬塑性加工是金屬加工方法之一。它是利用金屬的金屬塑性加工是金屬加工方法之一。它是利用金屬的塑性，通過外力使金屬發生塑性變形，成為具有所要求的形塑性，通過外力使金屬發生塑性變形，成為具有所要求的形狀、尺寸和性能

2、的制品的加工方法。因此，這種加工方法也狀、尺寸和性能的制品的加工方法。因此，這種加工方法也稱為金屬壓力加工或金屬塑性加工。稱為金屬壓力加工或金屬塑性加工。由于金屬塑性加工是通過塑性變形得到要求制件的，由于金屬塑性加工是通過塑性變形得到要求制件的，因而是一種少因而是一種少(無無)切屑加工方法。切屑加工方法。 金屬塑性加工時，一個金屬塑性加工時，一個零件一般是在設備的一個行程或幾個行程內完成的，因而生零件一般是在設備的一個行程或幾個行程內完成的，因而生產率很高。產率很高。 對于一定重量的零件，從力學性能、冶金質量和對于一定重量的零件，從力學性能、冶金質量和使用可靠性看，一般說來，金屬塑性加工比鑄造

3、或機械加工使用可靠性看，一般說來，金屬塑性加工比鑄造或機械加工方法優越。由于上述情況，金用塑性加工在汽車、拖拉機、方法優越。由于上述情況，金用塑性加工在汽車、拖拉機、宇航、船舶、兵工、電器和日用品等工業部門獲得廣泛應用。宇航、船舶、兵工、電器和日用品等工業部門獲得廣泛應用。僅就航空工業而百，機身各分離面間的對接接頭、機翼大梁，僅就航空工業而百，機身各分離面間的對接接頭、機翼大梁，發動機的壓氣機盤和渦輪盤、整流罩和火焰筒等重要零件或發動機的壓氣機盤和渦輪盤、整流罩和火焰筒等重要零件或其毛坯都是用金屬塑性加工方法制成的。其毛坯都是用金屬塑性加工方法制成的。 3.1.2金屬塑性加工方法的分類（）體積

4、成形 體積成形所用的坯料一般為棒材或扁坯。當體積成形時，坯料經受很大的塑性變形，使坯料的形狀或橫截面以及表面積與體積之出發生顯著的變化。由于體積成形過程中工件上絕大部分經受較大的塑性變形因而成形后基本上不發生彈性恢復現象。 屬于體積成形的典型塑性加工方法有擠壓、鍛造、軋制、和拉拔等。金屬塑性加工方法的分類體積成形典型的體積成形塑性加工方法有擠壓、鍛造、軋制、和拉拔等。金屬塑性加工方法的分類（）板料成形（）板料成形 板料成形所用坯料是各種板材或用板材預先加工板料成形所用坯料是各種板材或用板材預先加工成的中間坯科。在板料成形過程中，板坯的形成的中間坯科。在板料成形過程中，板坯的形狀發生顯著變化，但

5、其橫截面形狀基本上不變。狀發生顯著變化，但其橫截面形狀基本上不變。當板料成形時，彈性變形在總變形中所占比例當板料成形時，彈性變形在總變形中所占比例是比較大的，因此，成形后會發生彈性回復或是比較大的，因此，成形后會發生彈性回復或回彈現象。回彈現象。3.1.3金屬塑性成形方法的現狀 縱觀縱觀20世紀，塑性成形技術取得了長足的進展。主世紀，塑性成形技術取得了長足的進展。主要體現在要體現在:(1)塑性成形的基礎理論已基本形成，包括位錯理論、塑性成形的基礎理論已基本形成，包括位錯理論、Tresca、Mises屈服準則、滑移線理論、主應力法、上屈服準則、滑移線理論、主應力法、上限元法以及大變形彈塑性和剛塑

6、性有限元理論等；限元法以及大變形彈塑性和剛塑性有限元理論等；(2)以有限元為核心的塑性成形數值仿真技術日趨成熟，為以有限元為核心的塑性成形數值仿真技術日趨成熟，為人們認識金屬塑性成形過程的本質規律提供了新途徑，為人們認識金屬塑性成形過程的本質規律提供了新途徑，為實現塑性成形領域的虛擬制造提供了強有力的技術支持；實現塑性成形領域的虛擬制造提供了強有力的技術支持；(3)計算機輔助技術計算機輔助技術(CAD CAE CAM)在塑性成形領域的應在塑性成形領域的應用不斷深入，使制件質量提高，制造周期下降；用不斷深入，使制件質量提高，制造周期下降；(4)新的成形方法不斷出現并得到成功應用，如超塑性成形、新

7、的成形方法不斷出現并得到成功應用，如超塑性成形、爆炸成形等。爆炸成形等。3.1.4金屬塑性成形方法的最新進展（）微成形（）內高壓成形（）可變輪廓模具成形（）粘性介質壓力成形(VPF) （）微成形 產品的最小化的要求不僅是來自用戶希望隨身用的多功能電子器件小型化，而且還來自技術的需要，例如醫療器械、傳感器及電子器械的發展需要制造出微小的零件。目前對微零件的需求越來越多。由于塑性加工的方法最適于大批量低成本的生產微零件，所以近來得到很大發展。所謂微零件通常的界定是至少有某一方向的尺寸小于100m。 冷鐓成形的微零件 （2）內高壓成形 內高壓成形是近10多年來迅速發展起來的一種成形方法，它是結構輕量

8、化的一種成形方法。 液體以往多是用于設備的傳動，如液壓機用油或水傳動，成形還是靠剛性模具進行。近年來由于液體壓力提高到400MPa，甚至1000MPa，液體已經可以直接對工件進行成形。 將管坯1放在下模2上，用上模3夾緊，左沖頭4與右沖頭5同時進給，在進給的同時，由沖頭內孔向管坯中注入高壓液體，從內部將管材脹形直至與模腔貼合。 （2）內高壓成形 不銹鋼接頭 鋁合金變徑管件 復雜空心變截面構件 （2）內高壓成形 內高壓成形的汽車發動機支架 用內高壓成形法生產的Volvo車用鋁合金下梁 （3）可變輪廓模具成形 對于小批量多品種板料件成形，例如艦艇側面的弧形 板、航空風洞收縮體板、飛機的蒙皮都是三維

9、曲面，但批量很小甚至是單件生產，由于工件尺寸大，這樣模具成本很高，何況即使模具加工完成，也有一個需要修模與調節的過程，因此用可變輪廓模具成形一直是塑性加工界及模具界 的研究方向之一。 從本質上講，任何一個曲面都可以寫成z=f(x，y)的形式， 因此可變輪廓模具的基本構成為很多個軸向(z向)分布在(x，y)平面內的小沖頭組成，是將整體模離散化。至于沖頭的調節可以是手擰螺旋，也可以是靠伺服電機驅動螺旋機構完成。 （3）可變輪廓模具成形 多點模具多點模具 （3）可變輪廓模具成形 可調節型腔可調節型腔 （3）可變輪廓模具成形 在可調節模腔形狀的模具上成形鋼板在可調節模腔形狀的模具上成形鋼板 （3）可變

10、輪廓模具成形 在可調節模腔形狀的模具上壓制鋁合金球瓣在可調節模腔形狀的模具上壓制鋁合金球瓣 （4）粘性介質壓力成形(VPF) 粘性介質壓力成形粘性介質壓力成形(Viscous Pressure Forming)是近是近10年在年在美國剛開始出現的成形方法，顧名思美國剛開始出現的成形方法，顧名思義，成形時傳力介質既不是液體，也義，成形時傳力介質既不是液體，也不是固體，而是一種粘性介質，它適不是固體，而是一種粘性介質，它適用于難成形材料的成形。用于難成形材料的成形。 （4）粘性介質壓力成形(VPF)原理VPF工作原理 1.介質注入缸2.上模3.板坯4.粘性介質 5.下模6.介質流出缸7.壓邊缸 成

11、形前先將板料兩側充填粘性介質，然后注入缸向型腔注成形前先將板料兩側充填粘性介質，然后注入缸向型腔注入介質，下模膛中的介質向右下方流出，這時可以實現背壓外入介質，下模膛中的介質向右下方流出，這時可以實現背壓外流使板料兩側都有壓應力，避免開裂。此時左下方的油缸仍注流使板料兩側都有壓應力，避免開裂。此時左下方的油缸仍注入介質，目的是使板料盡可能流向右下方的深膛，減少該處的入介質，目的是使板料盡可能流向右下方的深膛，減少該處的高度，最后兩個溢流缸都向外排介質，直至貼模為止。高度，最后兩個溢流缸都向外排介質，直至貼模為止。（4）粘性介質壓力成形(VPF) 內壁板內壁板（4）粘性介質壓力成形(VPF) 鋁

12、合金件的主要尺寸及試樣鋁合金件的主要尺寸及試樣3.1.5金屬塑性成形方法的發展方向 數字化塑性成形技術體系和關鍵技術 數字化塑性成形技術是一項在塑性成形全過程(塑性成形產品設計、分析和制造過程)中融合數字化技術，且以系統工程為理論基礎的技術體系，實現優質、高效、低耗、清潔的生產。數字化塑性成形技術體系和關鍵技術塑性成形產品數字化產品設計KBE工程反向工程數字化的產品分析數字化建模虛擬現實數字化的產品制造高速切削技術快速原型技術塑性成形技術系統集成技術：基于網絡的協同設計環境，PDM,MRPII計算機網絡及工程數據庫 （）設計數字化技術 設計雖然只占產品生命周期成本的設計雖然只占產品生命周期成本

13、的5%15%，但決定了但決定了70%75%以上的產品成本和以上的產品成本和80%左右的左右的產品質量和性能，而且上游的設計失誤將以產品質量和性能，而且上游的設計失誤將以1 10的的比例向下游逐級放大，可見設計、尤其是早期概念設計比例向下游逐級放大，可見設計、尤其是早期概念設計是產品開發過程中最為重要的一環。是產品開發過程中最為重要的一環。為了提高設計質量，降低成本，縮短產品開發周期，為了提高設計質量，降低成本，縮短產品開發周期，近年來，學術界提出了并行設計、協同設計大批量定制近年來，學術界提出了并行設計、協同設計大批量定制設計等新的設計理論與方法，其核心思想是設計等新的設計理論與方法，其核心思

14、想是:借助專家借助專家知識，采用并行工程方法和產品族的設計思想進行產品知識，采用并行工程方法和產品族的設計思想進行產品設計，以便能夠有效地滿足客戶需求。實施這些設計理設計，以便能夠有效地滿足客戶需求。實施這些設計理論與方法的基礎是數字化技術，其中基于知識的工程技論與方法的基礎是數字化技術，其中基于知識的工程技術術(KBE)和反求工程技術是兩項重要支撐技術。和反求工程技術是兩項重要支撐技術。 反求工程以實物模型為依據來生成數字化幾何模型以實物模型為依據來生成數字化幾何模型的設計方法即為反求工程。反求工程并不是一的設計方法即為反求工程。反求工程并不是一種創造性的設計思路，但是通過對多種方案的種創造

15、性的設計思路，但是通過對多種方案的篩選和評估，有可能使其設計方案優于現有方篩選和評估，有可能使其設計方案優于現有方案，并且縮短方案的設計時間，提高設計方案案，并且縮短方案的設計時間，提高設計方案的可靠性反求工程是產品數字化的重要手段之的可靠性反求工程是產品數字化的重要手段之一，作為一，作為21世紀數字化塑性成形技術的重要世紀數字化塑性成形技術的重要環節，反求工程這種思想對于消化吸收國外模環節，反求工程這種思想對于消化吸收國外模具設計的先進技術，提高我國的模具設計水平具設計的先進技術，提高我國的模具設計水平具有重要的意義。具有重要的意義。反求工程的研究重點 (1)數據采集設備和思路。數據采集設備

16、與方法是數據獲取的保證，數據采集設備和思路。數據采集設備與方法是數據獲取的保證，研制快速、精確和能夠測量具有復雜內外形狀的新設備是發展方向。研制快速、精確和能夠測量具有復雜內外形狀的新設備是發展方向。 (2)數據前處理。包括對測量所得數據點進行測頭半徑補償、數據噪數據前處理。包括對測量所得數據點進行測頭半徑補償、數據噪聲點的有效濾除以及測量數據的合理分布，此外還包括建立統一的聲點的有效濾除以及測量數據的合理分布，此外還包括建立統一的數據格式轉化標準，減少數據丟失和失真等。數據格式轉化標準，減少數據丟失和失真等。 (3)數據優化。測量所得的數據文件通常非常龐大，往往被形象地稱數據優化。測量所得的

17、數據文件通常非常龐大，往往被形象地稱為數據云或者海量數據需要對測量數據進行優化處理，主要問題有為數據云或者海量數據需要對測量數據進行優化處理，主要問題有:如何合理的分布數據點，在盡量保有各種特征信息的基礎上合理簡如何合理的分布數據點，在盡量保有各種特征信息的基礎上合理簡化數據；如何使數據真實反映形面的保凸特性；如何減少人工交互，化數據；如何使數據真實反映形面的保凸特性；如何減少人工交互，提高數據區域劃分中的自動化與效果。提高數據區域劃分中的自動化與效果。 (4)曲面重構研究。在反算控制點時仍然存在反算標準及精度的問題；曲面重構研究。在反算控制點時仍然存在反算標準及精度的問題；對于起伏劇烈的數據

18、點群，使用單塊曲面描述會有較大差異；如何對于起伏劇烈的數據點群，使用單塊曲面描述會有較大差異；如何解決有關曲面重構算法的有效性、效率以及誤差問題曲面在三角離解決有關曲面重構算法的有效性、效率以及誤差問題曲面在三角離散和層切時的不確定性問題等。散和層切時的不確定性問題等。基于知識的工程設計(Knowledge Based Engineering， KBE)KBE (Knowledge Based Engineering， KBE)是面向工程開發，以提高市場競爭力為是面向工程開發，以提高市場競爭力為目標，通過知識的繼承、繁衍、集成和管理，目標，通過知識的繼承、繁衍、集成和管理，建立各領域異構知識系

19、統和多種描述形式知建立各領域異構知識系統和多種描述形式知識集成的分布式開放設計環境，并獲得創新識集成的分布式開放設計環境，并獲得創新能力的工程設計方法。能力的工程設計方法。KBE的特點 (1)KBE是一個知識的處理過程，包含了知識的繼承、是一個知識的處理過程，包含了知識的繼承、繁衍、集成和管理，它不僅處理顯性知識，更關注繁衍、集成和管理，它不僅處理顯性知識，更關注Know how等隱性知識的顯性化，因而是創新設計的等隱性知識的顯性化，因而是創新設計的重要使能技術。重要使能技術。 (2)KBE處理多領域知識和多種描述形式的知識，是集處理多領域知識和多種描述形式的知識，是集成化的大規模知識處理環境

20、。成化的大規模知識處理環境。(3)KBE是面向整個設計過程，甚至是產品全生命周期是面向整個設計過程，甚至是產品全生命周期的各異構系統的集成，是一種開放的體系結構。的各異構系統的集成，是一種開放的體系結構。 (4)KBE系統涉及多領域、多學科知識范疇是模擬和協系統涉及多領域、多學科知識范疇是模擬和協助人類專家群體的推理決策活動，往往具有分布、分層、助人類專家群體的推理決策活動，往往具有分布、分層、并行的特點。并行的特點。KBE技術在塑性成形領域的意義(1)KBE技術的研究與實施，將有助于提高傳統塑技術的研究與實施，將有助于提高傳統塑性成形技術的創新能力和競爭力，通過有效地組性成形技術的創新能力和

21、競爭力，通過有效地組織和管理公共知識庫體系，使之成為推動塑性成織和管理公共知識庫體系，使之成為推動塑性成形技術發展的強大動力。形技術發展的強大動力。(2)系統地對系統地對KBE技術在塑性成形領域進行研究與技術在塑性成形領域進行研究與工程實施，在有效地提升塑性成形開發技術的同工程實施，在有效地提升塑性成形開發技術的同時，有利于提高在其它相關領域影響。時，有利于提高在其它相關領域影響。(3)基于以信息化帶動塑性成形技術發展的戰略，基于以信息化帶動塑性成形技術發展的戰略，實施實施KBE技術，將建立相關企業、研究機構有效技術，將建立相關企業、研究機構有效整理、繼承、運用和形成知識資產的方法。整理、繼承

22、、運用和形成知識資產的方法。KBE技術在塑性成形領域的意義(4)KBE技術提供了多種獲取知識和產生新知識的技術提供了多種獲取知識和產生新知識的途徑，為相關企業和部門的知識積累和原創新能途徑，為相關企業和部門的知識積累和原創新能力的提高提供了有效的技術保證。力的提高提供了有效的技術保證。 (5)KBE技術是人工智能技術與其它計算機輔助技技術是人工智能技術與其它計算機輔助技術的有效集成，從而使計算機輔助技術充分集成術的有效集成，從而使計算機輔助技術充分集成了知識，充分模擬專家解決問題的思路，使復雜了知識，充分模擬專家解決問題的思路，使復雜工程問題的求解方法更有效。工程問題的求解方法更有效。KBE研

23、究的重點(1)基于知識的產品建模基于知識的產品建模:將專家的設計經驗和設計過程的有關知識，表示將專家的設計經驗和設計過程的有關知識，表示在產品信息模型中，為實現產品設計智能化、自動在產品信息模型中，為實現產品設計智能化、自動化提供有力的信息。化提供有力的信息。(2)工程知識的融合和繁衍技術工程知識的融合和繁衍技術:用數據庫管理系統來存儲數據、用機器學習的方用數據庫管理系統來存儲數據、用機器學習的方法來分析數據，挖掘大量數據背后的知識，即法來分析數據，挖掘大量數據背后的知識，即KDD (Knowledge Discovering Database)。從數。從數據庫中發現出來據庫中發現出來 的知識

24、可以應用于信息管理、過程的知識可以應用于信息管理、過程控制、決策支持和工程設計等領域；由于控制、決策支持和工程設計等領域；由于KDD模式模式選取的好壞將直接影響到所發現知識的好壞，目前選取的好壞將直接影響到所發現知識的好壞，目前大多數的研究都集中在數據挖掘算法和模式的選取大多數的研究都集中在數據挖掘算法和模式的選取上。上。KBE研究的重點(3)工程知識的表示和推理技術工程知識的表示和推理技術:從追求效果和不追求知識統一表示的目的出發，從追求效果和不追求知識統一表示的目的出發，存在多種知識表示方法，如經驗公式、規則、神經存在多種知識表示方法，如經驗公式、規則、神經網絡和事例等。單一的知識表示形式

25、是無法描述復網絡和事例等。單一的知識表示形式是無法描述復雜的模具設計和塑性加工過程的，雜的模具設計和塑性加工過程的，KBE摒棄了在傳摒棄了在傳統專家系統中常用的單一產生式表示模式，代之以統專家系統中常用的單一產生式表示模式，代之以集成多種模式的知識表示方法，從而最大限度地提集成多種模式的知識表示方法，從而最大限度地提高知識利用的質量與知識創新的層次；同時，多種高知識利用的質量與知識創新的層次；同時，多種 推理方式推理方式(如如RBR、CBR、MBR)的集成應用將使的集成應用將使工程知識能真正應用于模具創新設計的實踐。工程知識能真正應用于模具創新設計的實踐。(2) 分析數字化技術-數字化模擬 金

26、屬塑性成形過程的機理非常復雜，傳統金屬塑性成形過程的機理非常復雜，傳統的模具設計也是基于經驗的多反復性過程，從的模具設計也是基于經驗的多反復性過程，從而導致了模具的開發周期長，開發成本高。面而導致了模具的開發周期長，開發成本高。面對激烈的市場競爭壓力，模具行業迫切需要新對激烈的市場競爭壓力，模具行業迫切需要新技術來改造傳統的產業，縮短模具的開發時間，技術來改造傳統的產業，縮短模具的開發時間，從而更有效地支持相關產品的開發。塑性加工從而更有效地支持相關產品的開發。塑性加工過程的數值模擬技術正是在這一背景下產生和過程的數值模擬技術正是在這一背景下產生和發展的。發展的。 (2) 分析數字化技術-數字

27、化模擬金屬體積成形過程的數值模擬目前研究的金屬體積成形過程的數值模擬目前研究的熱點主要有應力應變場、溫度場和組織結構場熱點主要有應力應變場、溫度場和組織結構場的多物理場耦合技術、可以避開三維網格再劃的多物理場耦合技術、可以避開三維網格再劃分這一瓶頸問題的基于任意的拉格朗日分這一瓶頸問題的基于任意的拉格朗日歐拉歐拉描述的有限元法和無網格分析法。描述的有限元法和無網格分析法。 (2) 分析數字化技術-數字化模擬 板料成形過程的數值模擬目前研究的板料成形過程的數值模擬目前研究的熱點側重于采用更為準確的材料性能模型熱點側重于采用更為準確的材料性能模型和單元類型，提高數值模擬技術預測缺陷和單元類型，提高

28、數值模擬技術預測缺陷尤其是預測回彈的能力，同時，越來越多尤其是預測回彈的能力，同時，越來越多的研究人員開始考慮材料的晶體塑性對成的研究人員開始考慮材料的晶體塑性對成形質量的影響。形質量的影響。(2) 分析數字化技術- 虛擬現實 虛擬現實技術是實際制造過程在計算機虛擬現實技術是實際制造過程在計算機上的本質實現，即采用計算機仿真與虛擬現實上的本質實現，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在計算機上群組協同工作，實現產品的技術，在計算機上群組協同工作，實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業各級過程的管理與控制等產品檢驗，以及企業各級過程的

29、管理與控制等產品制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。與控制能力。(2) 分析數字化技術- 虛擬現實 虛擬現實從根本上改變了設計、試制、虛擬現實從根本上改變了設計、試制、修改設計和規模生產的傳統制造模式，在產品修改設計和規模生產的傳統制造模式，在產品真正制造出來之前，首先在虛擬環境中生成虛真正制造出來之前，首先在虛擬環境中生成虛擬產品原型進行性能分析和造型評估，使制造擬產品原型進行性能分析和造型評估，使制造技術走出依賴經驗的天地，發展到全方位預報技術走出依賴經驗的天地，發展到全方位預報的新階段。如美國波音公司運用的新階段。如美國波音公司運用

30、VM技術研制技術研制777飛機，使得該飛機在一架樣機也未生產的飛機，使得該飛機在一架樣機也未生產的情況下就獲得訂貨投入生產；而空中客車公司情況下就獲得訂貨投入生產；而空中客車公司使用使用VM技術，把空中客車試制周期從技術，把空中客車試制周期從4年縮短年縮短到到2年，從而提高了他們的全球競爭能力。年，從而提高了他們的全球競爭能力。 (3)制造數字化技術-高速制造 高速加工技術是自上個世紀高速加工技術是自上個世紀80年代發展年代發展起來的一項高新技術，其研究應用的一個重要起來的一項高新技術，其研究應用的一個重要目標是縮短加工時的切削與非切削時間，對于目標是縮短加工時的切削與非切削時間，對于復雜形狀

31、和難加工材料及高硬度材料減少加工復雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實現產品的高精度和高質量。工序，最大限度地實現產品的高精度和高質量。由于不同加工工藝和工件材料有不同的切削速由于不同加工工藝和工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速加工給出一個確切的度范圍，因而很難就高速加工給出一個確切的定義。目前，一般的理解為切削速度達到普通定義。目前，一般的理解為切削速度達到普通加工切削速度的加工切削速度的510倍即可認為是高速加工。倍即可認為是高速加工。 (3)制造數字化技術-高速制造高速加工與傳統的數控加工方法相比沒有高速加工與傳統的數控加工方法相比沒有什么本質的區別，兩者牽

32、涉到同樣的工藝參數，什么本質的區別，兩者牽涉到同樣的工藝參數，但其加工效果相對于傳統的數控加工有著無可但其加工效果相對于傳統的數控加工有著無可比擬的優越性；有利于提高生產率；有利于改比擬的優越性；有利于提高生產率；有利于改善工件的加工精度和表面質量；有利于延長刀善工件的加工精度和表面質量；有利于延長刀具的用壽命和應用直徑較小的刀具；有利于加具的用壽命和應用直徑較小的刀具；有利于加工薄零件和脆性材料；簡化了傳統加工工藝；工薄零件和脆性材料；簡化了傳統加工工藝；經濟效益顯著提高。經濟效益顯著提高。 (3)制造數字化技術-高速制造 目前，高速加工涉及到的新技術主要有目前，高速加工涉及到的新技術主要有

33、:(1)高速主軸高速主軸高速加工是通過大幅度提高主軸轉速和加工進給速高速加工是通過大幅度提高主軸轉速和加工進給速度來實現的，為了適應這種高速切削加工，主軸設計度來實現的，為了適應這種高速切削加工，主軸設計采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術。采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術。(2)高速伺服進給系統高速伺服進給系統高速加工通常要求在高主軸轉速下，使用在很大范高速加工通常要求在高主軸轉速下，使用在很大范圍內變化的高速進給。高速進給的需求已引起機床結圍內變化的高速進給。高速進給的需求已引起機床結構設計上的重大變化構設計上的重大變化:采用直線伺服電機來代替傳統采用直線伺服電機來代替傳統的電

34、機的電機 絲杠驅動。絲杠驅動。 (3)制造數字化技術-高速制造 (3)適于高速加工的數控系統適于高速加工的數控系統高速加工數控系統需要具備更短的伺服周期和更高的分辨率，高速加工數控系統需要具備更短的伺服周期和更高的分辨率，同時具有待加工軌跡監控功能和曲線插補功能，以保證在高速切同時具有待加工軌跡監控功能和曲線插補功能，以保證在高速切削時，特別是在削時，特別是在45軸坐標聯動加工復雜曲面輪廓時仍具有良好軸坐標聯動加工復雜曲面輪廓時仍具有良好的加工性能。的加工性能。(4)刀具技術刀具技術刀具性能和質量對高速切削加工具有重大影響，新型刀具材料刀具性能和質量對高速切削加工具有重大影響，新型刀具材料的采

35、用，使切削加工速度大大提高，從而提高了生產率，延長了的采用，使切削加工速度大大提高，從而提高了生產率，延長了刀具壽命。刀具壽命。(5)刀夾裝置及快速刀具交換技術刀夾裝置及快速刀具交換技術在高速加工中，切削時間和每個托盤化零件加工時間已顯著縮在高速加工中，切削時間和每個托盤化零件加工時間已顯著縮短。高速、高精度定位的托盤交換裝置已成為今后的發展方向。短。高速、高精度定位的托盤交換裝置已成為今后的發展方向。 (3)制造數字化技術-快速原型 從從RP/RT技術的現狀來看，未來主要發展趨技術的現狀來看，未來主要發展趨勢如下勢如下:(1)提高提高RP系統的速度、控制精度和可靠性；系統的速度、控制精度和可

36、靠性；開發專門用于檢驗設計、模擬制品可視化，而開發專門用于檢驗設計、模擬制品可視化，而對尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求不高對尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求不高的概念機。的概念機。(2)研究開發成本低、易成形、變形小、強度高、研究開發成本低、易成形、變形小、強度高、耐久及無污染的成形材料。耐久及無污染的成形材料。 (3)研究開發新的成形方法。研究開發新的成形方法。 (4)研究新的高精度快速模具工藝。研究新的高精度快速模具工藝。3.2 超塑性成形3.2 超塑性成形 3.2.1 超塑性成形的基本特點和種類3.2.2 微細晶粒超塑性的力學特性3.2.3 超塑性變形機理 3.2.4 超塑性成形的

37、應用3.2.5 超塑性成形的材料與工藝規范 3.2.1 超塑性成形的基本特點和種類超塑性成形的基本特點和種類(1)超塑性成形的基本特點1）拉伸試驗延伸率可達百分之幾百，甚至百分之幾千。2）拉伸試驗時，試樣均勻變形，在宏觀上不出現縮頸現象。3）拉伸試驗時，流動應力很低。4）成形過程中基本上沒有加工硬化現象，所以超塑性合金的流動性和填充性好，容易成形。(2)超塑性成形的種類超塑性實際上是材料在特定條件下的一種特殊狀態。超塑性通常按變形特性和狀態分為三類:微細晶粒超塑性(又稱恒溫超塑性或第一類超塑性)相變超塑性(又稱變態超塑性、轉變超塑性或第二類超塑性)其他超塑性(又稱第三類超塑性)。 3.2.1

38、超塑性成形的基本特點和種類超塑性成形的基本特點和種類微細晶粒超塑性具有三個條件：材料具有等軸穩定的細晶組織(通常要求晶粒尺寸在0.5-5m之間)。般而言晶粒越細，越有利于出現超塑性。成形溫度T0.5Tm(Tm為材料熔點的熱力學溫度)且大多低于普通熱鍛溫度，并要求溫度恒定。應變速率在10-4-10-2s-1的區間內。 1）微細晶粒超塑性(恒溫超塑性或第類超塑性) 這類超塑性并不要求材料具有超細晶粒，而是在一定的溫度和負荷條件下，經過多次循環相變或同素異構轉變獲得的。 相變超塑性的第一個必要條件是材料具備固態結構轉變能力，如某些金屬和合金；第二個必要條件是應力作用和在相變溫度區內循環加熱和冷卻，誘

39、發反復的結構變化而產生超塑性。 2）相變超塑性(變態超塑性、轉變超塑性或第二類超塑性) 非超塑性材料在一定條件下，會出現短時間的細而穩定的等軸晶粒組織，并能顯示出超塑性。 在消除應力退火過程中，在應力作用下可以得到超塑性。 球墨鑄鐵和灰鑄鐵經特殊處理也可以得到超塑性。 3）其他超塑性(短暫超塑性或第三類超塑性) 金屬試樣超塑性拉伸試驗時，在載荷達到最大值以后，隨著應變量的增加。載荷緩慢下降。在拉伸過程中，金屬的流動非常穩定，幾乎看不到縮頸現象。流動應力與真實應變之間的關系與理想彈塑性體的相類似。流動應力與應變速率之間的關系具有牛頓粘性體的特征，即流動應力隨應變速率的增加而上升。從力學特性上講，

40、超塑性最主要的特性就是材料流動應力對應變速率的敏感性。 3.2.2 微細晶粒超塑性的力學特性 描述這種特性最簡單也最常用的是著名的貝可芬(Backofen)方程 (3.1)式中，為超塑性流動應力； 為應變速率；m為流動應力的應變速率敏感性指數，稱為m值；K為與材料成分、結構和試驗溫度等有關的常數。 貝可芬(Backofen)方程mKe. =e. 應變速率敏感性指數m值是表征超塑性的一個重要指標。其物理意義說明如下：在m值大的情況下。隨著應變速率增大，流動應力迅速增大。因此，如果試樣某處出現縮頸的趨勢，此處的應變速率就增大，使此處繼續變形所需的流動應力隨之劇增，于是變形只能在其余部分繼續進行。如

41、果再出現縮頸趨勢，同樣由于縮頸部位應變速率增加而局部強化，使縮頸傳播到其他部位，從而可獲得巨大的宏觀均勻變形。以上分析表明，m值反映金屬和合金拉伸時抗縮頸的能力，因而是評定金屬和合金是否能呈現超塑性的重要指標。根據研究結果，對于普通金屬和合金，m=0.02-0.2；對于超塑性材料，一般m=0.3-0.8，某些情況下接近1。 圖a為在對數坐標中Mg-A1共晶合金的流動應力與應變速率之間的關系曲線，呈S形。曲線可分為I區，II區和III區。在II區內，流動應力隨應變速率變化很大，超塑性發生在此應變速率敏感區。將式(3.1)兩邊取對數后求導可得m=d(1g)/d(1g )，因此，m值是1g-1g 曲

42、線上各點的斜率。圖就是根據Mg-A1共晶合金的S曲線求得的m-1g 關系曲線。從圖b可以看出，在區域II內m0.3，所以這區域是超塑性變形區。 eee（1）溶解沉淀理論（2）亞穩態理論（3）擴散蠕變機制（）擴散流動機制-Ashby-Verral模型 （5）位錯蠕變機制 3.2.3 超塑性變形機理 19451945年，為解釋超塑性現象，蘇聯學者包赤伐爾年，為解釋超塑性現象，蘇聯學者包赤伐爾提出所謂提出所謂“溶解溶解沉淀沉淀”理論。根據這種理論，理論。根據這種理論，超塑性主要發生在兩相合金中。當合金中一相在超塑性主要發生在兩相合金中。當合金中一相在另一相中的極限溶解度隨溫度變化時，由于在變另一相中

43、的極限溶解度隨溫度變化時，由于在變形過程中可能產生局部溫度波動，使一些相界上形過程中可能產生局部溫度波動，使一些相界上發生溶解過程，而在另一些相界上發生沉淀過程。發生溶解過程，而在另一些相界上發生沉淀過程。這種特定的物質遷移擴散過程引起晶粒相互移動，這種特定的物質遷移擴散過程引起晶粒相互移動，在合適的高溫下，變形速度小則產生超塑性。這在合適的高溫下，變形速度小則產生超塑性。這一理論對于大量晶間滑移、晶粒轉動及單相合金一理論對于大量晶間滑移、晶粒轉動及單相合金的超塑性現象還無法解釋。的超塑性現象還無法解釋。 （1）溶解沉淀理論 帕烈斯涅哥夫等認為，“溶解沉淀”理論并不能解釋超塑性，因為有些合金中

44、兩相的極限溶解度并不隨溫度變化，而且在恒溫變形過程中不可能有很大的局部溫度波動。通過對Zn-A1等合金超塑性的研究，提出超塑性與合金的特殊組織狀態-亞穩態組織有關。認為金屬超塑性變形是組織從亞穩態轉變到穩態的過程，把亞穩態相看作一種物質的新態，具有無定型的準液態粘性流動特性，變形時產生“準液態的擴散塑性”。這一理論可以解釋共晶和共折合金的超塑性、冷加工后再結晶或有序到無序轉變引起的超塑性。但不能解釋晶間滑移、單相合金及一些無需淬火的材料超塑性。 （2）亞穩態理論 N-H（Nabarro-Herring）型擴散蠕變理論認為，在拉應型擴散蠕變理論認為，在拉應力作用下，空位的化學勢能產力作用下，空位

45、的化學勢能產生局部的變化，垂直拉伸軸的生局部的變化，垂直拉伸軸的晶界處于高位能狀態，平行拉晶界處于高位能狀態，平行拉伸軸的晶界處于低位能狀態。伸軸的晶界處于低位能狀態。因此，在拉伸應力作用下，必因此，在拉伸應力作用下，必然會引起空位從高位能區向低然會引起空位從高位能區向低位能區移動位能區移動(見右圖見右圖， 實線為原實線為原晶粒，虛線表示擴散蠕變示意晶粒，虛線表示擴散蠕變示意)。 （3）擴散蠕變機制 空位的這種移動，引起原子向相反方向的移動，其結果是，使晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂直拉伸軸方向縮短。在應力作用下，原子通過晶格按箭頭方向擴散，晶粒發生變形。變形速率與應力的關系可由下式表示 （3.2）

46、式中，a為晶粒形狀常數(a=5-15)；V為原子體積；DL為晶格內擴散系數；k為波耳茲曼常數；T為溫度；d為晶粒尺寸。 2/kTdaVDLe=這種機理的特征是：1) 流動應力和應變速率呈線性變化， 即m等于1。2) 應變速率與晶粒尺寸的平方成反比。3) 變形過程的激活能是自擴散的。4) 變形中晶粒拉長。 此理論可以解釋一些材料的蠕變變形，但不能充分解釋超塑性變形，如在蠕變變形中，m值可為1，并且晶粒沿外力方向拉長；而在超塑性變形中，m值一般不大于0.8，變形后晶粒仍保持等軸狀。 Ashby和Verral模型由四個六方晶粒所組成。這組晶粒在垂直方向拉伸應力作用下，通過晶界三角點處原子的擴散和晶界

47、的滑動，使這組晶粒由初始狀態(圖a)演變成中間狀態(圖b)。 （4）擴散流動機制-Ashby-Verral模型 Ball和和Hutchison提出以位錯運動調節晶界滑移的提出以位錯運動調節晶界滑移的超塑性流變模型。假定兩群晶粒在沿晶界滑移過程中，超塑性流變模型。假定兩群晶粒在沿晶界滑移過程中，遇到障礙晶粒，使滑移被迫停止，同時在障礙晶粒內遇到障礙晶粒，使滑移被迫停止，同時在障礙晶粒內引起內應力以及位錯的產生和運動。其結果是，位錯引起內應力以及位錯的產生和運動。其結果是，位錯塞積在接觸的晶界上，當障礙晶粒內應力達到一定程塞積在接觸的晶界上，當障礙晶粒內應力達到一定程度時，塞積前端和位借沿晶界攀移

48、而消失，使內應力度時，塞積前端和位借沿晶界攀移而消失，使內應力得到松弛，晶界滑移恢復。得到松弛，晶界滑移恢復。 （5）位錯蠕變機制 最后，在以上介紹的幾種超塑性變形機理的理論和模型的基礎上，對超塑性變形機理作一簡要的歸納。 超塑性變形主要是一種晶界行為，是多種機制綜合作用的結果。如果根據S曲線來討論問題，那么在最佳應變速率范圍(II區)內，變形以晶界滑移為主；隨著應變速率降低到I區，擴散蠕變機制的作用增大；當應變速率增加到III區時，位錯蠕變機制的作用增大。 3.2.4 超塑性成形的應用 利用利用SPF/DB工藝制造的發動機整流葉片形工藝制造的發動機整流葉片形 3.2.4 超塑性成形的應用 軍

49、用飛機采用的超塑成形零件軍用飛機采用的超塑成形零件 3.2.4 超塑性成形的應用 鋁合金超塑成形構件的市場分布鋁合金超塑成形構件的市場分布 3.2.4 超塑性成形的應用 SPF構件用料情況 （1） 微細晶粒超塑性成形1)開式模鍛2)閉式模鍛3)反擠壓4)氣壓成形5)氣壓脹形擴散連接復合工藝 (SPFDB)（2） 相變超塑性 3.2.4 超塑性成形的應用 與普通開式模鍛比較，模具結構基本相同，但需要增加與模具為體的加熱和保溫裝置。同時，由于應變速率要求在較低范圍內，不能采用錘和熱模鍛壓力機，只能用液壓機。在成形方面，具有充模好、變形力低、組織性能好、變形道次少、彈復小的特點。用于鋁、鎂、鈦合金的

50、葉片、翼板等薄腹板帶肋件或類似形狀復雜零件的模鍛。 1) 開式模鍛 2) 閉式模鍛 與上述開式模鍛比較，在模具結構上主要區別是閉式模鍛模不設飛邊槽。因而，鍛造時，模腔內的壓力也就是靜水壓力，遠高于開式模鍛。這樣，模腔更容易充滿，而且，鍛件無飛邊，可基本上作到無屑加工，成形件的精度也更高。這種模鍛的脫模稍困難一些，它可用于難成形材料形狀復雜零件的成形，如鈦合金渦輪盤鍛造。 2) 閉式模鍛3) 反擠壓 超塑性反擠壓的成形精度高，表面質量好。主要用于成形筒體、殼體件與鋅基合金和合金鋼的模具型腔。與冷擠壓相比，可大幅度降低成形載荷。 3) 反擠壓 金屬在常溫狀態下的液壓脹形，由于受材料塑性的限制，較難

51、用于成形復雜的殼體零件。超塑性脹形工藝用氣體作為加壓介質，利用超塑性材料低的流動應力和高達百分之數百的伸長率及良好的復制性，可以成形鈦合金、鋁合金、鋅合金的形狀復雜的殼體零件，已應用于航空航天器制造業、機電工業、工藝美術品加工業等許多領域。這種工藝通常只需要一個凹模或凸模，與普通沖壓成形相比可以減少成形工序和工裝套數。 4) 氣壓成形實驗證明，金屬材料在超塑性狀態下具有良好的擴散連接性能。這一性能與超塑性氣壓脹形結合就形成了超塑性氣壓脹形/擴散連接復合工藝，即SPF/DB。這種工藝的用途是成形夾層結構件，主要用于鈦合金和鋁合金的飛機與航天器結構件成形。實際上，這是迄今為止超塑性成形應用最成功的方面之一。 5) 氣壓脹形擴散連接復合工藝(SPFDB) 在相變超塑性狀態下得到低的變形抗力與高的塑性。在相變超塑性狀態下得到低的變形抗力與高的塑性。總的看來，超塑性成形在工藝上還有一些缺點。第一，總的看來，超塑性成形在工藝上還有一些缺點。第一，為獲得微細等軸晶粒的組織，需要進行預處理；第二，為獲得微細等軸晶粒的組織，需要進行預處理；第二，在成形過程中需要較長時間保持恒溫且材料與模具要在成形過程中需要較長時間保持恒溫且材料與模具要等溫，需要與模具一體的保溫加熱裝置。同時，在材等溫，需要與模具一體的保溫加熱裝置。同時，在材料超塑性成形溫度較高的情況下，如鈦合金與鋼的超料超塑性成形溫度較高的