塑形加工技術(shù)廣泛應用于國民經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域,在一定程度上,它反映了一個國家的制造業(yè)水平!端苄约庸は冗M技術(shù)》重點介紹國內(nèi)外近十年來塑性加工先進技術(shù)的最新科研進展、發(fā)展趨勢及企業(yè)應用,注重材料特性、力學原理與工藝技術(shù)相結(jié)合所帶來的創(chuàng)新及其相關(guān)的技術(shù)進步。《塑性加工先進技術(shù)》內(nèi)容分為5章:第1章為緒論部分;第2章介紹體積成形新技術(shù);第3章介紹軋制與旋轉(zhuǎn)加工成形先進技術(shù);第4章介紹板材成形新技術(shù);第5章介紹管材管件制備成形技術(shù)。
《塑性加工先進技術(shù)》適合高等院校和科研院所材料加工工程專業(yè)的高年級本科生、研究生和相關(guān)企事業(yè)單位工程技術(shù)人員閱讀和參考。
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基于國內(nèi)外塑性加工技術(shù)近20年的發(fā)展,張士宏研究員及其團隊編著了《塑性加工先進技術(shù)》。本書凝煉了近20年來國內(nèi)外塑性加工主要新技術(shù)的發(fā)展成果,反映了國際塑性加工技術(shù)的當前水平。本書也涵蓋了作者團隊十幾年來在塑性加工領(lǐng)域所做的一些重要工作和科研進展。該書對于材料加工領(lǐng)域研究生、企業(yè)研發(fā)人員和科研工作者了解有關(guān)塑性加工方面的新進展與國內(nèi)外動態(tài)有重要作用。
張士宏 博士生導師,中國科學院金屬研究所研究員、專用材料與器件研究不去副主任,中國科學院精密銅管工程研究中心主任。
1998年入選中國科學院“百人計劃”及“引進國外杰出人才”項目,2004年3月獲得河南省“杰出人才創(chuàng)新基金”,2007年12月入選遼寧省“百千萬人才工程”百人層次。任全國塑性工程學會副理事長及國際合作工作委員會主任、中國薄鋼板成形技術(shù)研究會(CDDRG)副秘書長、NUMIFORM'2013國際學術(shù)會議主席、大連理工大學兼職教授。發(fā)表國際國內(nèi)期刊論文200余篇,其中90余篇被SCI收錄。或發(fā)明專利授權(quán)30項。僅兩年來先后6次在國際和國內(nèi)學術(shù)會議上做大會特約專題報告。獲英國機械工程師學會(IMechE)2010年度A.M.Strickland獎。主持和完成中國科學院“百人計劃”項目,國家科技攻關(guān)項目,國家863、973項目,國防科工委民口配套項目,國家自然科學基金項目,中丹、中意國際合作項目以及企業(yè)委托項目30余項。
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展為塑性加工新技術(shù)提供了技術(shù)支撐 1
1.2 材料、工藝與設(shè)備一體化是塑性加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 3
1.3 工業(yè)現(xiàn)代化為塑性加工技術(shù)提供了廣闊的需求 5
1.4 中國學者為國際塑性加工技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻 7
參考文獻 9
第2章 體積成形新技術(shù) 11
2.1 鋁合金型材擠壓工藝 11
2.1.1 擠壓工藝概述 11
2.1.2 鋁合金型材的可擠壓性與擠壓條件 16
2.1.3 鋁合金型材擠壓方法 18
2.1.4 用熱擠壓法生產(chǎn)大型鋁合金型材的優(yōu)缺點 27
2.2 連續(xù)擠壓技術(shù) 28
2.2.1 連續(xù)擠壓技術(shù)概述 29
2.2.2 連續(xù)擠壓和連續(xù)包覆技術(shù)原理與工藝特點 29
2.2.3 連續(xù)擠壓工藝 30
2.2.4 連續(xù)包覆工藝 35
2.3 超塑成形 38
2.3.1 超塑性及其特點 38
2.3.2 超塑性的分類 39
2.3.3 超塑性的本構(gòu)關(guān)系 40
2.3.4 超塑成形技術(shù) 41
2.3.5 國內(nèi)外超塑成形技術(shù)工程應用 42
2.4 閉塞模鍛 47
2.4.1 引言 47
2.4.2 閉塞模鍛原理 48
2.4.3 液壓模架簡介 49
2.4.4 閉塞模鍛工藝 52
2.4.5 技術(shù)經(jīng)濟分析 54
2.5 粉末鍛造 56
2.5.1 粉末鍛造工藝原理 56
2.5.2 金屬粉末的選擇及制取 58
2.5.3 粉末鍛件的后續(xù)處理和加工 58
2.5.4 粉末鍛造工藝優(yōu)點 58
2.5.5 粉末鍛造的應用 60
2.5.6 粉末鍛造的技術(shù)關(guān)鍵 61
2.5.7 粉末鍛造設(shè)備的特性 65
2.5.8 粉末鍛造的發(fā)展趨勢 67
2.6 半固態(tài)成形技術(shù) 68
2.6.1 半固態(tài)成形技術(shù)的特點 68
2.6.2 半固態(tài)合金的制備方法 69
2.6.3 半固態(tài)成形工藝 77
2.6.4 金屬半固態(tài)成形的工業(yè)應用 78
2.6.5 半固態(tài)成形技術(shù)研究和應用展望 79
2.7 快速成形技術(shù) 80
2.7.1 快速成形技術(shù)的基本原理和特點 80
2.7.2 快速成形技術(shù)類型 81
2.7.3 快速成形技術(shù)的應用 86
2.7.4 快速成形技術(shù)的發(fā)展方向 87
2.8 微塑性成形技術(shù) 88
2.8.1 微塑性成形技術(shù)概述 88
2.8.2 微塑性成形的應用前景 88
2.8.3 國內(nèi)外微塑性成形研究現(xiàn)狀 89
2.8.4 大塊非晶合金微塑性成形技術(shù)的研究 99
2.9 無模拉伸成形101
2.9.1 無模拉伸成形基本原理 101
2.9.2 無模拉伸工藝基本特征 102
2.9.3 無模拉伸變形機制 104
2.9.4 無模拉伸變形及力能參數(shù) 106
2.9.5 無模拉伸成形工藝應用 110
2.10 鋁合金輪轂鑄旋新技術(shù)113
2.10.1 鋁合金輪轂鑄旋新技術(shù)的發(fā)展背景 113
2.10.2 鋁合金輪轂鑄旋新技術(shù)概述 114
2.10.3 鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓工藝原理和設(shè)備 116
2.10.4 鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓工藝參數(shù) 119
2.10.5 鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓主要缺陷 122
2.10.6 鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓過程的有限元模擬分析 123
參考文獻 128
第3章 軋制與旋轉(zhuǎn)加工成形先進技術(shù) 134
3.1 楔橫軋與斜軋 134
3.1.1 楔橫軋 134
3.1.2 孔型斜軋 139
3.1.3 仿形斜軋 145
3.2 輥鍛 147
3.2.1 輥鍛特點與輥鍛機 147
3.2.2 輥鍛變形與輥鍛模膛 150
3.2.3 制坯輥鍛設(shè)計 154
3.2.4 成形輥鍛設(shè)計 156
3.2.5 輥鍛力能與輥鍛模具 158
3.3 高強鋼板的輥壓成形161
3.4 環(huán)件軋制 167
3.4.1 環(huán)件軋制的起源和分類 167
3.4.2 環(huán)件軋制過程的基本原理和工藝流程 168
3.4.3 環(huán)件軋制的研究現(xiàn)狀 170
3.4.4 環(huán)件軋制的應用 172
3.5 擺動輾壓 173
3.5.1 工作原理、特點和應用 173
3.5.2 擺輾機 175
3.5.3 擺輾技術(shù)參數(shù) 178
3.5.4 擺輾變形流動 179
3.5.5 擺輾力能參數(shù)計算 182
3.5.6 擺輾模具 184
3.6 連鑄連軋 186
3.6.1 連鑄技術(shù) 187
3.6.2 連鑄與連軋的關(guān)鍵技術(shù) 188
3.6.3 管材連軋 190
3.6.4 型材連軋 193
3.7 金屬層狀材料復合成形技術(shù) 196
3.7.1 金屬層狀復合材料的發(fā)展及應用 197
3.7.2 金屬層狀材料傳統(tǒng)復合技術(shù) 198
3.7.3 金屬層狀材料復合成形新技術(shù) 202
3.7.4 金屬層狀復合材料的軋制復合技術(shù)及其應用 206
3.8 板材異步軋制 215
3.8.1 板材異步軋制原理 216
3.8.2 異步軋制中“搓軋區(qū)”的形成 219
3.8.3 軋制力計算 220
3.8.4 異步軋制狀態(tài) 221
3.8.5 異步軋制的應用 222
3.9 板材交叉軋制 223
3.9.1 交叉軋制型式和特點 223
3.9.2 交叉軋制原理 224
3.9.3 變形區(qū)金屬流動規(guī)律 226
3.9.4 軋制壓力計算 227
參考文獻 228
第4章 板材成形新技術(shù) 230
4.1 板材液壓成形與充液拉深成形技術(shù) 230
4.1.1 液壓成形的分類 230
4.1.2 板材液壓成形 230
4.2 特種溫熱沖壓成形技術(shù) 242
4.2.1 鎂合金溫熱沖壓成形 242
4.2.2 鈦合金板材溫熱成形 251
4.2.3 汽車高強鋼熱沖壓熱成形技術(shù) 255
4.3 拉深成形新工藝 265
4.3.1 拉深過程的變形流動 265
4.3.2 多次拉深 271
4.3.3 防皺壓邊問題 274
4.3.4 變薄拉深 278
4.4 高能率成形技術(shù) 282
4.4.1 電液成形 282
4.4.2 爆炸成形技術(shù) 287
4.5 磁脈沖成形技術(shù) 290
4.5.1 概述 290
4.5.2 磁脈沖加工原理 291
4.5.3 磁脈沖加工特點 291
4.5.4 基本加工方式 292
4.5.5 磁脈沖設(shè)備 293
4.5.6 感應器 293
4.5.7 磁脈沖加工典型工藝分析 294
4.5.8 國內(nèi)外磁脈沖工藝應用現(xiàn)狀分析 300
4.6 多點成形技術(shù) 303
4.6.1 多點成形原理與特點 303
4.6.2 多點成形設(shè)備 305
4.6.3 應用實例 308
4.6.4 應用前景 315
4.7 激光拼焊毛坯成形 315
4.7.1 拼焊板的應用 315
4.7.2 激光拼焊毛坯制備技術(shù) 316
4.7.3 激光拼焊板成形特性分析 318
4.7.4 激光拼焊板沖壓成形失效分析 320
4.7.5 拼焊板沖壓成形工藝及設(shè)備 322
4.7.6 激光拼焊板成形極限圖實驗方法 324
4.7.7 激光拼焊板沖壓成形的數(shù)值模擬 331
4.8 漸進成形 333
4.8.1 漸進成形原理 334
4.8.2 漸進成形的研究現(xiàn)狀 335
4.8.3 漸進成形的發(fā)展前景 337
參考文獻 340
第5章 管材管件制備成形技術(shù) 345
5.1 管材高速擠壓成形 345
5.1.1 擠壓與高速擠壓 345
5.1.2 高速擠壓數(shù)值模擬 345
5.1.3 高速擠壓試驗 349
5.2 管材行星旋軋 352
5.2.1 兩輥斜軋法 353
5.2.2 三輥行星旋軋 353
5.2.3 四輥行星軋機 367
5.3 管材浮動芯頭拉拔 371
5.3.1 引言 371
5.3.2 管材拉拔歷史及其發(fā)展 372
5.3.3 管材拉拔設(shè)備 372
5.3.4 浮動芯頭拉拔工藝特點 373
5.3.5 模具磨損 375
5.3.6 影響模具壽命的因素 377
5.3.7 銅管多道次拉拔的道次優(yōu)化 377
5.4 外翅片銅管生產(chǎn)加工及工藝 382
5.4.1 外翅片高效管產(chǎn)品類型及簡介 382
5.4.2 生產(chǎn)工藝流程 387
5.4.3 外翅片高效管加工工藝原理及設(shè)計 387
5.5 薄壁管材與內(nèi)螺紋管材滾珠旋壓 389
5.5.1 旋壓與滾珠旋壓 389
5.5.2 滾珠旋壓工藝特點 390
5.5.3 薄壁筒形(管形)件滾珠旋壓發(fā)展和研究現(xiàn)狀 391
5.5.4 滾珠旋壓的數(shù)值模擬研究 393
5.5.5 滾珠旋壓實驗研究 396
5.5.6 管材滾珠旋壓的典型工藝缺陷 397
5.5.7 內(nèi)螺紋管材滾珠旋壓 399
5.6 精密管材旋壓技術(shù) 403
5.6.1 旋壓工藝特點及分類 404
5.6.2 特種旋壓工藝 409
5.6.3 旋壓技術(shù)發(fā)展概況 413
5.6.4 國內(nèi)外旋壓技術(shù)和設(shè)備的差距及各自的特點 414
5.6.5 旋壓設(shè)備和技術(shù)展望 415
5.7 管材彎曲 416
5.7.1 管材彎曲成形的研究現(xiàn)狀 416
5.7.2 管材彎曲成形工藝方法分類 417
5.7.3 管材彎曲成形原理 418
5.7.4 管材彎曲變形程度及彎曲力矩的計算 419
5.7.5 管材彎曲成形缺陷 420
5.7.6 管材繞彎成形技術(shù) 423
5.7.7 管材壓彎成形技術(shù) 424
5.7.8 管材滾彎成形技術(shù) 426
5.7.9 管材推彎成形技術(shù) 426
5.8 管材液壓成形與脈動液壓成形 428
5.8.1 工藝原理、材料及應用 429
5.8.2 設(shè)備(液壓成形工裝系統(tǒng)、增壓器、模具) 431
5.8.3 管材脈動加載液壓成形 439
5.8.4 主要成形工藝缺陷 439
5.8.5 我國液壓成形技術(shù)與設(shè)備的開發(fā)、存在的問題及發(fā)展思路 440
參考文獻 444
第1 章緒論
近20 年來,國際塑性加工技術(shù)進入了高速發(fā)展的時期,尤其自中國于2001 年加入世界貿(mào)易組織(WTO) 以來,中國制造工業(yè)高速發(fā)展,汽車、高速鐵路、大型飛機、機床、電器、造船、航天、鋼鐵、風電、核電等塑性加工主流產(chǎn)業(yè)都在高速發(fā)展,同時伴隨著制造技術(shù)的飛速提升,加之多方面的需求,制造技術(shù)獲得了空前的改進和創(chuàng)新。
1.1 現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展為塑性加工新技術(shù)提供了技術(shù)支撐
1. 信息與自動化對塑性加工技術(shù)起到了推動作用
塑性加工技術(shù)是使材料在外力作用下發(fā)生永久變形的方法,研究目標是如何利用金屬的塑性使金屬發(fā)生塑性變形以獲得需要的形狀和組織性能且不發(fā)生破壞。使金屬發(fā)生塑性變形有很多方式,如鍛造、擠壓、沖壓、軋制、拉拔、彎曲、拉形等,這些方法即為塑性加工工藝或塑性加工技術(shù)。在依據(jù)一定方式實現(xiàn)金屬塑性變形加工時,需要對外載荷的方向、大小、速度及金屬的外在條件如溫度、摩擦力、流動方向和位移進行控制。原始的控制方式為人工操作,如早期的鍛工。隨著科學技術(shù)的進步,人們發(fā)明了鍛錘、液壓機、機械壓力機、摩擦壓力機等很多設(shè)備,可以實現(xiàn)載荷的增大、速度的加快、溫度的提高;后來人們又發(fā)明了模具,實現(xiàn)了對材料的流動進行約束,可以實現(xiàn)批量生產(chǎn),提高生產(chǎn)效率和零部件精度。隨著計算機和控制技術(shù)的發(fā)展,人們還可以實現(xiàn)對成形時沖頭速度、位移、載荷、溫度等多種參數(shù)的自動控制,塑性加工過程可以按照人們事先設(shè)計好的方式和參數(shù)曲線進行,這使零部件的精度、形狀的復雜性和生產(chǎn)效率得到充分的提高,并可以使材料的塑性成形能力得到最大限度的發(fā)揮。
生產(chǎn)過程信息化和自動化控制目前已成為大多數(shù)塑性加工過程的必要基礎(chǔ)。目前,很多生產(chǎn)線都實現(xiàn)了自動化,而且其自動化是建立在大量數(shù)據(jù)積累和控制的基礎(chǔ)上,生產(chǎn)過程也是信息化控制過程。
更重要的是,越來越多的塑性加工工藝要依靠自動化控制才能完成,沒有自動控制技術(shù)是不可想象的。例如,板材多點成形技術(shù),其上下模具可由幾十個至上百個小沖頭在液壓缸的控制下隨時組成不同的表面形狀,因此一套模具可以代替多組模具,可以成形各種空間形狀的板材零件。這些液壓缸是在軟件控制下實現(xiàn)板面形狀的變化和定位的。整個變形過程的操作也是依靠軟件協(xié)調(diào)控制的。
板材單點增量成形技術(shù)也是一個典型的例子。在這個工藝中,板材周邊被固定,工具實際上是數(shù)控機床控制的一個旋輪或模具(不再是原來的刀具,而是類似于旋壓中的旋輪)。工具以軟件指定的信息數(shù)據(jù)為軌跡進行運動,使接觸區(qū)板材金屬發(fā)生局部脹形的塑性變形,工具反復多次運動,塑性變形得到積累,最后成形為預定形狀的板材零件。日本企業(yè)利用這一技術(shù)成形高速火車頭的蒙皮。
類似的工藝技術(shù)還有很多。可以說,現(xiàn)代塑性加工生產(chǎn)已成為以自動控制為基礎(chǔ)的工藝過程。同樣,由于信息化和自動控制技術(shù),人們還實現(xiàn)了遠程協(xié)同設(shè)計和遠程加工生產(chǎn)。另外,利用信息化和數(shù)控技術(shù),人們可以發(fā)明越來越多的新的塑性加工工藝。因此,塑性加工理論與信息化和控制技術(shù)相結(jié)合也是塑性加工技術(shù)創(chuàng)新的重要源泉。
2. 計算機模擬與優(yōu)化技術(shù)為塑性加工技術(shù)的發(fā)展提供了科學的平臺
自20 世紀60 年代起,有限元法成為塑性加工過程分析的重要手段。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算方法的發(fā)展,有限元法成為主流的塑性加工過程計算機模擬仿真手段,可以用于分析計算各種復雜的工藝過程。進入21 世紀,計算機模擬技術(shù)已成功應用于各種大型企業(yè)和復雜塑性加工過程的模擬預測、過程分析,成為汽車制造、航空航天、鋼鐵制備、機械、電子電器、國防工業(yè)、鐵路、電站等各領(lǐng)域塑性加工過程的必要設(shè)計分析手段,已成為塑性加工設(shè)計生產(chǎn)的一個必要工序。目前,有限元法在塑性加工領(lǐng)域的應用包括彈塑性有限元法、剛塑性有限元法和黏塑性有限元法。其中,彈塑性有限元法主要應用于考慮彈性變形的板料沖壓成形過程和部分精密體積成形過程,包括隱式算法和顯式算法,典型的商業(yè)有限元軟件有LS-DYNA 3D 、MSC.Marc 、ABAQUS、DYNAFORM 、Optris 等。剛塑性有限元法不考慮彈性變形,主要應用于熱鍛、冷鍛、擠壓、拉拔等生產(chǎn)過程,主要商業(yè)軟件有DEFORM 和FORGE 2D/3D。黏塑性有限元法主要用于考慮應變速率的超塑變形過程、熱鍛過程、熱軋過程等,主要軟件有DEFORM 等。
目前,有限元法不但實現(xiàn)了變形過程模擬,提供應變、應力、位移、變形速率等常規(guī)數(shù)據(jù),還可以實現(xiàn)熱力耦合模擬計算,即可以實現(xiàn)不同溫度和變化溫度場內(nèi)的變形計算,給出每一節(jié)點和位置的溫度分布。近年來,人們更致力于塑性變形過程的組織模擬預測。由于塑性加工過程不僅是變形過程,也是依靠變形實現(xiàn)材料組織控制、得到預定組織和材料性能的過程,因此,工業(yè)生產(chǎn)更關(guān)心塑性加工過程的組織模擬預測。通過熱模擬實驗,人們不但可以得到材料的應力應變本構(gòu)關(guān)系,還可以得到材料在不同條件下的組織狀態(tài),因此建立組織演變模型,應用有限元法完全可以預測材料塑性加工變形過程的動態(tài)再結(jié)晶、晶粒長大,甚至相變過程,給出組織的定量數(shù)據(jù)。與元胞自動機等方法結(jié)合,還可以給出材料組織的二維和三維分布圖。
工藝缺陷預測是有限元模擬的一個重要目的。通過有限元法,人們可以預測板料沖壓過程中的局部減薄、起皺等缺陷,甚至可以給出特定條件下的起皺數(shù)目。對于鍛造等成形過程,還可以預測折疊等缺陷。對于破裂、頸縮等問題的模擬預測,則需要結(jié)合斷裂力學、微觀力學或損傷力學的知識,目前已得到很好的發(fā)展。