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  • 体积成形

    体积成形是指对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法。 模锻件应尽量避免带小孔、窄槽、夹角,形状要尽量对称,即使不能做到轴对称,也希望达到上、下对称或左、右对称。要设计拔模斜度,避免应力集中和模锻单位压力增大,克服偏心受载和模具磨损不均等缺陷。

    编辑摘要

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    简介/体积成形 编辑

    体积成形包括锻造成形、挤压成形和弯曲成形。在钢结构工艺技术中常用锻造成形工艺技术完成其钢结构加工成形。体积成形的特点是:工件毛坯经加热锻压等工艺加工,只改变形状,不改变体积。

    锻造成形工艺技术一般分为自由锻造和模具锻造两种方式。

    自由锻造是手工与简单的工具相结合的在锻造机械(包括捶击)锻造成形工件的过程。

    以一般起重吊钩为例,其自由锻造成形的工序过程为:①圆钢下料。选择圆钢的直径大于吊钩最大截面直径;②加热。在加热炉中将圆钢坯料加热到1000℃左右,并保温适当时间;③用摔子锻造拔杆为吊钩各部截面形状(摔子是凹弧形锤);④弯曲。按吊钩图样要求逐渐弯曲成形;⑤调矫。依据样板对工件进行精确调矫。

    自由锻造工艺简单实用,但精度较差适用小批量单件的制造。

    模具锻造和自由锻造的工艺过程基本相似。以起重吊钩为例,主要区别是工件弯曲成形时不是对照样板进行自由锻造,而是将工件弯曲的毛坯放在预制的专用模具之中(模具分上、下模具)进行锻造成形。

    模锻成形工件的精度较高,并且工艺技术并不十分复杂。其工艺过程中应保证:①锻造工件的模具应符合要求;②工件毛坯的体积计算应精确,尽量保证工件毛坯和成品的体积基本相同。

    模锻工艺技术在锻造成形中经常得到应用。除上述起重吊钩等简单工具和零件外,标准件(螺栓、螺母等)、管件等机械零件的毛坯等大都是采取模锻的工艺加工方式进行成形加工。模锻工艺还能较容易地实现生产线自动控制的操作。例如在标准件自动生产线中,常利用模锻工艺技术完成工件毛坯的加工成形。 [1]

    精密塑性体积成形/体积成形 编辑

    精密塑性体积成形是指所成形的制件达到或接近成品零件的形状和尺寸,它是在传统塑性加工基础上发展起来的一项新技术。它不但可以节材、节能、缩短产品制造周期、降低生产成本,而且可以获得合理的金属流线分布,提高零件的承载能力,从而可以减轻制件的质量,提高产品的安全性、可靠性和使用寿命。该项新技术由子具有上述诸多优点,加之工业发展的需要,近20多年来得到了迅速发展,尤其在一些工业发达国家发展迅猛。目前,精密塑性体积成形技术作为先进制造技术的重要组成部分,已成为提高产品性能与质量、提高市场竞争力的关键技术和重要途径。

    精密塑性体积成形的应用:

    ①成形大批量生产的零件,如汽车、摩托车上的一些零件,特别是复杂形状的零件。

    ②成形航空、航天等工业的一些复杂形状的零件,特别是一些难切削的复杂形状的零件;难切削的高价材料(如钛、锆、钼、铌等合金)的零件;要求性能高、使结构质量轻化的零件等。 [2]

    体积成形过程问题/体积成形 编辑

    金属塑性成形问题大致可以分为体积成形问题和板料成形问题两大类。对于体积成形过程,其初始毛坯一般为方坯、圆棒或厚板,而且在成形过程中发生塑性变形部分材料的表面积与体积的比率显著增大。体积成形过程有两点显著特征:

    ①工件发生了大的塑性变形,并且伴随着显著的形状变化与截面的改变;

    ②工件发生永久性塑性变形的变形量远大于弹性变形量,因此弹性回复可以忽略不计。

    属于体积成形范畴的塑性成形工艺有镦粗、闭式模锻、开式模锻、自由锻、径向锻造、正挤压、反挤压、复合挤压、轧厚板、轧管、型轧、旋压、摆碾、拉拔等。在体积成形问题中,变形材料与模具间的接触问题以及接触面间的摩擦问题对其成形过程有显著的影响。目前,利用体积成形方法来生产各种零部件的塑性加工技术正广泛应用于机械、冶金、能源、兵器和汽车等工业部门,并且有着十分广阔的应用前景。

    由于体积成形过程中塑性变形部分远大于弹性变形部分的变形量,即弹性变形可忽略不计,因此,对于体积成形过程的分析通常采用刚塑性有限元方法。目前,刚塑性有限元法在体积成形过程的仿真中得到了广泛而成功的应用。在二维体积成形问题的分析技术方面,应该说已经比较成熟。除了能够模拟普通的平面应变、平面应力和轴对称成形过程外,还能够优化预成形过程,预测成形过程中的表面和内部缺陷,模拟像双金属和粉末烧结体金属这样的特殊塑性成形过程。同时,在利用二维刚塑性有限元模拟技术来研究金属材料在塑性变形过程中的宏观力学行为与微观组织结构变化的关系方面也取得了可喜的进步。从而,为实现计算机控制体积成形过程奠定了理论基础。在三维体积成形问题的有限元模拟技术方面,随着计算机运算速度的大幅度提高和储存量的大大增加,三维刚塑性有限元法逐渐在复杂体积成形过程的分析与仿真中显示出了其优势。尤其是三维接触问题的解决和三维网格再划分技术的日渐成熟,使三维刚塑性有限元仿真技术已在三维锻造、挤压、轧制、旋压等方面得到了成功的应用。 [3]

    成形模具设计/体积成形 编辑

    设计模具时应充分利用CAD系统功能对产品进行二维和三维设计,保证产品原始信息的统一性和精确性,避免人为因素造成的错误,提高模具的设计质量。产品三维立体的造型过程以在锻造前全面反映出产品的外部形状,及时发现原始设计中可能存在的问题,同时根据产品信息,用电脑设计出加工模具型腔的电极,为后续模具加工做好准备。

    采用CAM技术可以将设计的电极精确地按指定方式生产。采用数控铣床(或加工中心)加工电极,可保证电极的加工精度,减小试模时间,减少模具的废品率和返修率,减少钳工劳动量。

    对于一些外形复杂,精度要求高的锻件,靠模具钳工采用常规模具制造方法保证某些外形尺寸而采用CAD/CAM技术可以对这些复杂的锻件进行精确的尺寸描述,确定合理的分模面,保证合模精度,从模具制造这一环节确保产品精度。

    CAD/CAM/CAE技术可以进行有限元分析,对关键部位的尺寸设计是否合理可以提供修改依据,从而在为客户提供高质量锻件的同时,也为客户的设计提供了依据,加强了与客户的合作。

    成形是模锻过程中最重要的工步,模锻件的几何形状是靠锻模来保证的,模锻过程中要全面考虑各种因素,尤其是对生产中可能发生的或已暴露出的问题,在模具设计时应采取措施减轻后续工序的加工难度。按照这一原则在预防为减少模锻件开裂与变形,提高锻件合格率方面,可以有针对性地采取一些对策和措施。如锻件的某些部位在切边和冲孔时易变形而影响产品质量时,可在锻模设计上适当增加相应变形部位的加工余量予以补偿,这一点对于切边时锻件变形大的薄法兰更为重要。对一些带有杆部且杆部直径相对较小的锻件,在切边和热处理过程中会产生有规律的几何变形,而用冷校正方式无法或难以校直。如某厂生产的TS60曲轴,可根据实践经验和统计数据预先将中心线在一定范围内变形方向反向偏移一定的预补反变形量。 [4]

    特种成形技术的研究开发/体积成形 编辑

    常规变形条件下固态金属的成型性总是不尽理想的,加之影响金属流动的因素比较复杂、不易控制,因此形状复杂精细的零件很难锻出;再者,固态金属的变形抗力较大,导致设备吨位增大,模具工作条件繁重。这些都是传统塑性加工的不利因素,而目前发展的一些特种塑性成型技术,对于克服这些不利因素具有明显的优越性。下面仅介绍其中的几种。

    超塑性成型

    将某些金属进行预处理,以获得稳定的超细晶粒组织(晶粒直径小于10μm),然后在恒定高温(T≈0.5~0.7T,T为材料的绝对熔化温度)和低变形速率(ε≈10 ~10 /s)条件下变形,则金属会表现出大伸长率(δ可达百分之几百、甚至百分之几千)、无细颈、低应力(仅及常规变形时的几分之一到几十分之一)和易成型的特性,因而可以生产用常规塑性加工方法无法生产的具有薄壁、薄腹板、高肋和细微凸出部的精密复杂零件。

    粉末冶金锻造

    与固态整体金属相比,颗粒(粉末)态的金属具有很好的充填性和成型性,且元偏析和便于合金化。因此,利用粉末冶金方法可以生产形状复杂、尺寸重量精确的零件。但是,粉末冶金制件密度低、力学性能较差,实际用途受到限制。如果将粉末冶金与锻造相结合,则可使粉末件的密度提高到理论密度的98%以上,性能指标也接近普通锻造水平。这种将粉末冶金与锻造结合起来的工艺方法,就称为粉末冶金锻造。

    省力成型

    静液挤压法是利用高压液体作为挤压压头,使毛坯与挤压筒之间充满高压液体,消除了外摩擦。因此与普通挤压相比,力能消耗大为减小,而挤压变形程度却大为增加。

    液态模锻是一种铸、锻结合的成形方法,将熔融金属直接浇入金属模腔内,在压力作用下使液态金属充型、凝固,并发生少量的塑性变形。这样形成的锻件与压力铸造件相比,晶粒特别细微,无缩孔、缩松,力学性能好。另外从成形角度讲,金属的流动性好,填充容易,可以成形形状复杂、带有薄壁的锻件,而模锻力大大减小。 [5]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2019-07-07
    [2]^引用日期:2019-07-07
    [3]^引用日期:2019-07-07
    [4]^引用日期:2019-07-07
    [5]^引用日期:2019-07-07

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