试论塑性加工在机械制造中的运用

摘 要：现代塑性加工是原材料生产与最终产品制造之间的零部件生产的主要行业之一，是制造业的一个重要组成部分。随着国民经济的健康持续发展，塑性加工技术迎来了空前的发展机遇，同时也面临诸多挑战根据制造行业越来越高的要求，结合现代化技术，首先介绍了几种当前常用的塑性加工技术，并分析研究塑性加工技术的发展状况，然后结合实例对塑性加工技术进行了分析。

关键词：塑性加工技术 液压成形 精密锻造 激光冲压

中图分类号：TG30 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0086-02

采用锻造、轧制、挤压或弯曲等方法，通过“力”与“热”的处理，可按照要求使金属的尺寸和形状发生变化，以获得最终制品，此过程即为塑性加工。金属塑性加工技术年代久远，可上溯至青铜时期，在工业尤其是机械制造行业起着重要作用。经过长期的演变改进，该技术日臻成熟，与高科技的融合使得该技术应用范围不断扩大，与焊接、切削等方法不同，塑性加工在不影响原材料性能的前提下使其发生塑性变形，材料利用率高，产品的质量较好，在工业制造中有着广泛应用，本文就其在机械制造中的实际应用进行了分析。

1 目前常用的几种塑性加工技术

在高科技的推动下，现代化塑性加工融合计算机技术，变得更为复杂，涉及人工智能、数控加工、激光成形等诸多领域，相关设备日新月异，加工工艺频繁更新，在机械制造业发挥着重要作用。

1.1 新能源塑性成形技术

超声振动塑性加工技术在原来的工艺中融合超声波技术，主要通过施加高频振动减少模具和坯料间的摩擦力，进而降低设备荷载，减弱坯料变形受到的阻力，而且精度更高，对产品的质量也极为有利。在冲压、拉拔等工艺中应用较多，是当前一种重要的塑性加工技术。

金属材料多具有导电性，在交变电磁场的作用下，会有感生电流产生，电磁成形技术即利用这一特性，使得坯料在电磁场中受力，做高速运动，进而与单面凹模贴膜发生塑性变形，该技术成形速度较快，在管板或管材的快速连接、薄彩板成形中较为适用。

利用激光热应力同样可以引起金属材料的塑性形变，因金属承受的热应力是有极限的，当激光在金属板上扫描时，会产生高温，一旦超过了金属的承受范围，便会发生形变。激光冲压技术以激光冲击为基础，先在金属表面覆盖一层能量转换体，然后利用强激光扫描，因其脉冲短，功率密度较高，很容易将其汽化电离形成离子体，发出强冲击波，不断对金属内部发生作用，在强大的冲击压力下，金属材料发生变形。

1.2 新介质塑性成形技术

在以往的塑性加工中，对坯料施加外力时多使用刚性固体，如锤头等，随着高科技的发展，气体和液体也可作为一种新的形式用于金属的塑性加工。

气压成形利用热活化的形成过程使得金属发生形变，处理后的制品的力学性能会有所提升，包括两种工艺，一是快速塑性成形，主要是针对板料的高温气压成形；二是热态金属气压成形，主要用于管状结构件。

液压成形工艺的原理是液体直接对金属材料施压，使其产生形变，过程较为简单，灵活度高，容易掌握，而且具有绿色制造的特点，对环境污染小，另外，制品的质量和精度都有良好的保障，在工业中，尤其是汽车行业，应用十分广泛，该技术主要包括流体引伸、管件/板材液压成形技术。德国宝马和奔驰公司即使用有许多该技术成形的零部件，主要包括汽车底盘、进排气支管、传动轴元件、座椅框架、侧门横梁等。

喷丸成形技术主要包括预应力喷丸。弯曲喷丸及延伸喷丸，其原理是用高速运动的弹丸撞击金属表面，形成强大的冲击力，使材料或下一层材料发生变形。该方法在飞机制造领域应用较广，如波音公司等都采用该工艺。

1.3 以新知识为基础的塑性成形

经不断研究探索，金属的超塑性越来越受关注，即在特定条件下，金属材料会显示出高于一般塑性的性能，相应的工艺技术也相继涌现，主要有超塑性模锻、真空成形、无模拉拔、空气压成形等工艺。

另外，在20世纪70年代，美国将固态加工和液态加工技术相融合，提出了金属半固态加工技术，有利于减少能耗，节约材料和成本，而且制品性能更加优越，模具的使用寿命更长。该技术主要包括触变成形和流变成形技术，是21世纪金属塑性加工研究领域的重点。

2 塑性加工技术在机械制造中的实际应用

某汽车公司成立于20世纪30年代，因当时技术条件有限，研发新款车时多依赖人工设计和计算，模具、样车主要用传统的设备进行制造，设计方案往往要多次修改才能最终定型，效率较低，需要几年才能完成一款新车的开发。在经济技术的推动下，计算机、变量化、CAD、CAE、实体造型等技术日趋成熟，使得汽车制造效率大幅提升，尤其是进入21世纪后，对信息化技术的运用，在质量、安全、性能等方面更具优势。

2.1 精密锻造技术

该技术包括热精锻、温锻、冷锻等多种形式，是一种近净成形技术，在成形后无需过多的加工，因此能够节省大量材料，而且有利于锻件力学性能的提高。由于它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的成形技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、轻量化、低成本、无公害的成形，特别适用于汽车制造行业。以热精锻齿轮为例，其精度为IT7―IT9，在锻造成形后，无需加工，可直接用于零件装配，该公司的冷精锻尺寸精度则达到了0.02～0.05 mm，从2011年开始，积极借鉴德国、美国、日本等国汽车制造行业在此方面的经验。

在齿轮上，该公司主要向日本学习，借鉴其换挡传动齿轮结合齿整体热锻加冷精整成形技术，利用精密锻造技术直接对直齿圆柱齿轮、圆锥直齿轮以及螺旋圆柱齿轮等进行加工，对材料的利用率大幅提升，达到了60%，可节约近30%的材料，为公司省下很多成本。在轴类零件上，该公司使用冷挤压成形技术较多，诸如半轴、输入轴、输出轴都使用的此技术。

此外，精密冲压技术在汽车车身覆盖件的制造中发挥着重要作用，该公司近些年建立起了冲压生产线，多工位压力机的总压力高达65000 kN，能够对特大型轿车覆盖件进行冲压，成品的质量个精度均得到了较高的保障。

2.2 液压成形技术

该公司在上世纪末才正式引入液压成形技术，尤其是管件液压，在制造中的作用不可代替，德国宝马和奔驰公司即使用有许多该技术成形的零部件，该公司经考察摸索，在汽车底盘、进排气支管、传动轴元件、座椅框架、侧门横梁、发动机支撑架等零件中运用该技术，提高了产品的性能和质量，而且制造中较为环保，对周围环境几乎没有任何影响，与以往的冲压焊接方式相比，显然更具优势，为公司节省了大量材料和成本。

2.3 粉末锻造技术

该技术主要以金属粉末为原料，经过预成形压制，在保护气氛中加热烧结，将其作为锻造毛坯，而后在锻造机上一次锻造成形，实现无飞边精密模锻，以获得所需锻件。第一条生产线出现于20世纪70年代，经过几十年的发展，该技术有了很大改进，逐步受到重视。该公司在2006年从福特、丰田等汽车公司学借鉴该技术，并结合自身情况做了改动，主要用于发动机钛气门的制造，能够减重35%，此技术成本合算、产品质量高，而且有利于节约资源，降低污染程度，为公司带来了巨大效益。

3 结语

本文分析提出了塑性加工的若干技术前沿，包括新能源塑性成形技术，新介质塑性成形技术，以新知识为基础的塑性成形技术等。对各技术的现状、存在的问题和发展趋势做了分析论述，对塑性加工技术的发展具有一定指导意义。随着工业和机械制造行业的发展，金属塑性加工技术的作用更为突出，为适应现代化要求，提高制造水平，塑性加工逐步迈向信息化、精密化发展道路。如今，人们的环保意识不断加强，轻质量、环保型产品成了制造领域的主流，塑性加工技术为满足此要求，还需不断改进完善。

参考文献

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