其他塑性成形技术

8.3　其他塑性成形技术

随着科技和工业的不断发展，对基础生产过程提出了越来越高的要求，不仅要求生产的毛坯质优，生产效率高、消耗低、无污染，且要求能生产出切削加工量少的毛坯甚至直接生产出零件。近年来，在塑性成形加工方面出现了不少新技术，如零件的挤压、辊轧成形、超塑性成形、摆辗成形、液态模锻等，这些技术还在不断地发展。下面作简要介绍。

8.3.1　挤压成形

早期，挤压过程主要用于金属型材和管件的生产，第二次世界大战后，挤压过程也广泛地用于零件的制造。

1.零件的挤压方式

零件挤压的基本方式如图8－78所示。

（1）正挤压　挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压法适用于制造横截面是圆形、椭圆形、扇形、矩形等的零件，也可是等截面的不对称零件。

（2）反挤压　挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压适用于制造横截面为圆形、方形、长方形、多层圆形、多格盒形的空心件。

（3）复合挤压　挤压时坯料的一部分金属流动方向与凸模运动方向一致，而另一部分金属的流动方向则与凸模运动方向相反。复合挤压法适用于制造截面为圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、杯－杆类零件。

（4）径向挤压　挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直。此类成形过程可制造十字轴类零件，也可制造花键轴的齿形部分、齿轮的齿形部分等。

挤压设备为机械压力机或液压机。

图8－78　挤压方式

1—凸模；2—凹模

2.挤压的特点及应用

1）冷挤压的特点及应用

金属材料在再结晶温度以下进行的挤压称为冷挤压。对于大多数金属而言，其在室温下的挤压即为冷挤压。冷挤压的主要优点如下。

（1）由于冷挤压过程中金属材料受三向压应力作用，挤压变形后材料的晶粒组织更加致密；金属流线沿挤压件轮廓连续分布；加之冷挤压变形的加工硬化特性，使挤压件的强度、硬度及耐疲劳性能显著提高。

（2）挤压件的精度和表面品质较高。一般尺寸精度可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra＝1.6～0.2μm。故冷挤压是一种净形或近似净形的成形方法，且能挤压出薄壁、深孔、导型截面等一些较难进行机加工的零件。如图8－79所示的零件，用冷挤压直接可得到零件。

（3）材料利用率高，生产率也较高。冷挤压已在机械、仪表、电器、轻工、航天航空、军工等部门得到应用。

但冷挤压的变形力相当大，特别是对较硬金属材料进行挤压时，所需的变形力更大，这就限制了冷挤压件的尺寸和质量；冷挤压模材质要求高，常用材料为W18Cr4V、Cr12M、V等；设备吨位大。而且，为了降低挤压力，减少模具磨损，提高挤压件表面品质，金属坯料常须进行软化处理，尔后清除其表面氧化皮，再进行特殊的润滑处理。

图8－79　缝纫机梭心套壳（材料2Cr13）冷挤压

2）温挤压的特点及应用

温挤压即把坯料加热到强度较低，氧化较轻的温度范围进行挤压。温挤压兼有冷、热挤压的优点，又克服了冷、热挤压的某些不足。虽然温挤压件的精度和表面品质不如冷挤压，但对于一些冷挤压难以塑性成形的材料（如不锈钢、中高碳钢及合金钢、耐热合金、镁合金、钛合金等）均可用温挤压。而且坯料可不进行预先软化处理和中间退火，也可不进行表面的特殊润滑处理。这有利于机械化、自动化生产，另外，温挤压的变形量较冷挤压大，这样，可减少工序、降低模具费用，且不一定需要大吨位的专用挤压机。如图8－80所示微型电机外壳，材料为1Cr18Ni9Ti，坯料尺寸为5.8 mm×14mm，若采用冷挤压，则需经多次挤压才能成形，生产率低；若将坯料加热到260℃，采用温挤压，只需两次挤压即可成形。其过程为:第一次用复合挤压得到尾部21（见图8－80（b）），第二次用正挤压即得零件（见图8－80（c））。

图8－80　微型电动机外壳温挤压过程

3）热挤压的特点及应用

热挤压时，由于坯料加热至锻造温度，这使得材料的变形抗力大为降低；但由于加热温度高、氧化脱碳及热胀冷缩等问题，大大降低了产品的尺寸精度和表面品质。因此，热挤压一般都用于高强（硬）度金属材料（如高碳钢、高强度结构钢、高速钢、耐热钢等）的毛坯成形。如热挤发动机气阀毛坯，汽轮机叶片毛坯，机床花键轴毛坯等。

8.3.2　辊轧成形

辊轧过程近年来在机械制造业中得到较广泛的应用。用辊轧过程生产某些机器的毛坯或零件，具有原料省、生产率高、产品品质好、成本低等优点。常见辊轧过程如下。

1.辊锻

辊锻是由轧制过程发展起来的一种锻造过程。辊锻是使坯料通过装有圆弧形模块的一对相对旋转的轧辊时，受压而变形的生产方法，示意图如图8－81所示。它与轧制不同的是这对模块可装拆更换，以便生产出不同形状的毛坯或零件。

辊锻不仅可作为模锻前的制坯工序，还可直接辊锻出制品，如各种扳手、钢丝钳、镰刀、锄头、犁铧、麻花钻、连杆、叶片、刺刀、铁道道岔等。

2.辊环轧制（扩孔）

辊环轧制是用来扩大环形坯料的外径和内径，以得到各种环状毛坯或零件的轧制过程，如图8－82所示。用它代替锻造方法生产环形锻件，可节省金属15%～20%。

图8－81　辊锻示意图

图8－82　辊环轧制示意图

1—驱动辊；2—毛坯；3—从动辊；

4—导向辊；5—信号辊

这种方法生产的环类件，其横截面可以是多种形状的，如火车轮轮箍、大型轴承圈、齿圈、法兰等。

3.横轧过程

横轧是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制方法。常见的有以下几种。

（1）齿轮齿形轧制　齿轮齿形轧制是一种净形或近似净形加工齿形的新技术，如图8－83所示。在轧制前将坯料外缘加热，然后将带齿形的轧轮做径向进给，迫使轧轮与坯料对辗。在对辗过程中，坯料上一部分金属受压形成齿谷，相邻部分的金属被轧轮齿部“反挤”而形成齿顶。直齿和斜齿均可用热轧成形。

（2）螺旋斜轧　螺旋斜轧是用两上带有螺旋形槽的轧辊，相互交叉成一定角度，并做同方向旋转，使坯料在轧辊间既绕自身轴线转动，又向前推进，同时辊压成形，得到所需产品。如钢球轧制（见图8－84（a））、周期性毛坯轧制（见图8－84（b））、冷轧丝杆、带螺旋线的高速钢滚刀毛坯轧制等。

图8－83　热轧齿形示意图

1—感应加热器；2—轧轮；3—坯料；4—导轮

图8－84　螺旋斜轧示意图

（3）楔横轧　楔横轧是用两个外表面镶有楔形凸块，并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制成形的方法。如图8－85所示。楔横轧还有平板式、三轧辊式和固定弧板式三种类型。

图8－85　两辊式楔横轧

1—导板；2—带楔形凸块的轧辊；3—轧件

图8－86　部分楔横轧产品形状

楔横轧的变形过程主要是靠轧辊上的楔形凸块压延坯料，使坯料径向尺寸减小，长度尺寸增加。它具有产品精度和品质较好，生产率高，节省原材料，模具寿命较高，且易于实现机械化和自动化等。但楔横轧仅限于制造阶梯轴类、锥形轴类等回转体毛坯或零件，如图8－86所示。

8.3.3　超塑性成形

1.金属的超塑性概念

一般工程上用延伸系数δ来判断金属材料的塑性高低。通常，在室温下，钢铁金属的δ值一般不超过40%，非铁合金也不超过60%，即使在高温时也很难超过100%。但有些金属材料在特定的条件下，即超细等轴晶粒（晶粒平均直径在0.5～5μm）、一定的变形温度（一般为0.5～0.7T熔）、极低的形变速度（s＝10^－2～10^－4 m/s），其相对延伸系数δ会超过100%，某些材料如锌铝合金甚至超过1　000%。超塑性成形材料主要有锌铝合金、铝基合金、钛合金、镍基合金等。钢铁金属甚至冷、热模具钢均可进行超塑性成形。

2.超塑性成形的特点

（1）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。这样，对某些变形抗力大、可锻性低、锻造温度范围窄的金属材料，如镍基高温合金、钛合金等，经超塑性处理后，可进行超塑性成形。

（2）可获得形状复杂、薄壁的工件，且工件尺寸精确。为净形或近似净形气精密加工开辟了一条新的途径。

（3）超塑性成形后的工件，具有较均匀而细小的晶粒组织，力学性能均匀一致；具有较高的抗应力腐蚀性能；工件内不存在残余应力。

（4）在超塑性状态下，金属材料的变形抗力小，可充分发挥中、小型设备的作用。

但是，超塑性成形前或过程中需对材料进行超塑性处理，还要在超塑性成形过程中保持较高的温度。

3.超塑性成形的应用

（1）板料深冲　如图8－87（a）所示零件，其直径小但很长。若用普通拉深，则需多次拉深及中间退火；若用锌铝合金等超塑性材料则可一次拉深成形，如图8－87（b）所示，且产品品质好，无方向性。

图8－87　超塑性板料拉深

1—冲头；2—压板；3—加热器；4—凹模；5—工件；6—液压管

（2）超塑性挤压　主要用于锌铝合金、铝基合金及铜基合金。

（3）超塑性模锻　主要用于镍基高温合金及钛合金。其过程是:先将合金在接近正常再结晶温度下进行热变形，以获得超细晶粒组织；然后在预热的模具（预热温度为超塑性变形温度）中模锻成形；最后对锻件进行热处理以恢复合金的高强度状态。

8.3.4　摆辗成形

摆辗又称摆动辗压，是用一具有一定图形母线的上模，上模中线与摆辗机主轴中心线相交成α角（此角称摆角），当主轴旋转时，上模又绕主轴作轨迹运动，与此同时，滑块在油缸作用下上升对坯料施压，这样，上模母线在坯料表面连续不断地滚压，使坯料表面由连续的局部塑性变形而达到整体变形，从而得到所需形状和尺寸的零件或制品（见图8－88）。

图8－88　摆辗工作原理图

1—上模（摆头）；2—坯料；3—滑块；4—进给缸；5—摆头

上模母线决定了辗压工件表面的形状，若上模母线为一直线，辗压工件表面为平面；若上模母线为一曲线，则辗压工件表面为一定形状的曲面。

摆辗要求材料有足够的塑性（无论是冷辗还是热辗）。摆辗件的尺寸精度和表面品质均较好，一般无须进行切削加工；设备为摆辗机，辗压中噪声及振动小，过程易实现机械化和自动化。

摆辗主要适用于生产饼盘类及带法兰的半轴类件。如汽车半轴、止推轴承圈、碟形弹簧、锥齿轮、铣刀毛坯等。

除上述介绍的塑性成形方法外，还有爆炸成形、液电成形等。

本章介绍了以固态金属材料的塑性变形为基础的成形技术原理、成形方法、结构技术特征、过程特点及应用等知识，然而，更为重要的是使读者能以崭新的方法，富有想象力地去运用这些基本原理和基本知识，在生产实践中取得技术与经济上的进步。