塑性成型理论及其应用综述

第一篇：塑性成型理论及其应用综述

塑性成型理论及其应用综述 非金属与复合材料及成型工艺概述

前言

从目前来看，越来越多的材料都与我们的生活息息相关，特别是金属材料。已被广泛应用在各个领域，然而非金属与复合材料的出现,使人们对材料有了更多的认识，非金属与复合材料具有许多优良的独特性能，已发展成为重要的工程材料，在武器装备制造中发挥着越来越重要的作用。本片主要介绍高分子材料、陶瓷材料、与复合材料及相应的成型工艺。同时还介绍了这些材料在国防武器装备中的应用。

由于本人对非金属与复合材料的应用及其成型工艺的掌握不是很全面,相关知识领域和水平有限，对书中的疏漏和不当,敬请老师批评指正。正文

1．1 高分子材料及成型工艺

1．1．1 高分子材料及应用

高分子材料是以高分子化合物(聚合物)为主要组分的材料.高分子化合物可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物两类。按照用途可将高分子材料分为塑料、橡胶、纤维和胶粘剂等。

1． 塑料

塑料是以天然或合成的高分子化合物(树脂)为主要成分的材料。它具有良好的可塑性，在室温下能保持形状不变。塑料按高分子化学和加工条件下的流变性能，可分为热塑性和热固性塑料。（1）热塑性塑料

热塑性材料是指在特定温度范围内具有可反复加热软化，冷却硬化特性的塑料品种。聚乙烯（PE）聚乙烯有单体乙烯聚合而成，一般可分为低密度聚乙烯（LDPE）○和高密度聚乙烯（HDPE）两种。LDPE因其相对分子质量，密度及结晶度较低，质地柔软，且耐冲击，常用于制造塑料薄膜、软管等。HDPE因其相对分子质量，密度及结晶度较高、比较刚硬、耐磨、耐腐蚀、绝缘性也较好，所以可作结构材料，如耐腐蚀管等。聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯是以氯乙烯为单体制得的高聚物。由于PVC大分子链○中存在极性基因氯原子，故增大了分子间作用力，同时PVC大分子链的密度较高，故其强度，刚度及硬度均高于PE。PVC加入少量添加剂时刻制得软，硬两种PVC。硬质PVC塑料具有较高的强度，良好的耐腐蚀性、耐油性和耐水性，常被用于化工，纺织工业和建筑业中。软质的由于坚韧柔软、耐挠去曲、弹性和电绝缘性好，吸水率低，难燃及耐候性好等，广泛用于制造农用塑料薄膜，包装材料，防雨材料及电线电缆的绝缘层等，工业用途十分广泛。

其他主要的热塑性材料还有，聚丙烯（PP），ABS塑料，聚酰胺（PA，俗称尼龙或锦纶），聚甲醛(POM)，聚四氟乙烯（PTFE或F-4，俗称塑料王），聚甲基丙烯酸甲酯等等。

（2）热固性塑料

热固性塑料是指在特定的温度下加热或加入固化剂可发生交联反应变成不溶不熔塑 制品的塑料品种。

○1 酚醛塑料(PF)酚醛塑料是以酚醛树脂为主，加入添加剂而制成的。PF具有一定 1 的强度和硬度，绝缘性良好，兼有耐热，耐磨及耐腐蚀的优良性能，但不耐碱，性脆。PF被广泛应用于机械，汽车，航空和电器等工业部门，用来制造电器绝缘件，在较高温度下工作的零件以及耐磨，耐腐蚀材料，并能代替部分有色金属制作的零件。

○2 环氧塑料（EP）环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂填料或其他添加剂后制成的热固性塑料。环氧树脂是很好的胶粘剂，有万能胶之称。在室温下容易调和固化，对金属和非金属都有很强的胶粘能力。EP通过处理后可用作化工管道和容器以及汽车，船舶和飞机等的零部件。

2．橡胶

橡胶是一种在使用温度范围内处于高弹性态的高聚物材料。由于它具有良好的伸缩性、储能能力以及耐磨、隔音和绝缘等性能，因而广泛用于弹性材料、密封材料减磨材料、防震材料和传动材料，使之在促进工业，农业，交通和国防的发展及提高人民生活水平等方面，起到其他材料所不能替代的作用。

橡胶的种类有两种。一是天然橡胶，二是合成橡胶。

3．纤维

纤维材料是指在室温下分子的轴向强度很大，受力后变形较小，在一定温度范围内力学性能变化不打得高聚物材料。

纤维材料分为天然纤维和化学纤维两大类。

1．1．2

1．塑料的成型加工

塑料成型加工时将各种形态的成型用物料加工为具有固定形状制品的各种工艺技术。热塑性和热固性塑料的加工性质不同，采用的加工技术也不同。热塑性塑料的成型方法主要有挤出成型、注射成型、压延成型和吹塑成型等；热固性塑料的成型方法主要模压成型、传递成型和层压成型等。其中传递成型、层压成型和注射成型等既可以用于热塑性塑料，又可以用于热固性塑料。连接方法主要有焊接，粘接和机械连接等。下面我们主要介绍的是挤出成型和注射成型。

(1)挤出成型

挤出成型是将粉状或粒状的塑料由热传导和剪切摩擦热使其熔融而呈流动状态，并在压力下挤出成型。此法主要用于热塑性塑料的成型，也用于某些热固性塑料。挤出制品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜和电线电缆包覆层。

（2）注射成型

注射成型亦称注塑成型。它是将粉状或粒状塑料原料加热至溶化状态，经喷嘴注入模具中，冷却后打开模具既可得到所需的塑料制品。注射成型法成型周期短，能一次成型外形复杂，尺寸精确及带有金属或非金属嵌件的模塑品。因此，该法适应性强，生产效率高。1．2 陶瓷材料及成型工艺

现代陶瓷材料主要是一些金属或非金属的氧化物、氮化物、碳化物及硼化物大亨。陶瓷材料的性能取决于晶体结构、晶界性质和显微结构。陶瓷材料作为结构和功能材料在武器装备制造中正在得到应用。在一些民用的产品中也能看到很多的陶瓷材料。

1．2．1 陶瓷材料及其应用

1．陶瓷材料的性能

（1）力学性能

○1 弹性模量

陶瓷有很高的弹性模量，多数陶瓷的弹性模量高于金属，比高聚物高2~4个数量级。

○2 硬度

陶瓷的硬度很高，绝大多数陶瓷的硬度远高于金属和高聚物。

○3 强度

陶瓷一般具有优于金属的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性，适宜作高温材料。

○4 塑性和韧性

陶瓷在室温几乎没有塑性。但在高温慢速加载的条件下，特别是组织中存在玻璃相识，陶瓷业能表现出一定的塑性。

(2)物理性能

○1 热膨胀，导热性和抗震性

多数陶瓷的热膨胀系数较小；陶瓷多为较好的绝热材料；多数陶瓷材料的抗震性差。

○2 导电性

多数陶瓷具有良好的绝缘性能，但有些陶瓷具有一定的导电性。

○3 光学性能

陶瓷材料由于有晶界，气孔的存在，一般不透明。但是近些年来，由于烧结机制的研究和控制晶粒直径技术的进展，可将某些原是不透明的氧化物陶瓷烧结成能透光的透明陶瓷。

○4 化学性能

陶瓷的结构非常稳定，很难同介质中的氧发生作用。

2．常用的陶瓷材料

常用的陶瓷材料有，氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷和碳化硼陶瓷等。

1．2．2 陶瓷材料的成型

陶瓷制品的生产过错主要包括配料、成型和烧结三个阶段。烧结是通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉体产生高强度并导致致密华和再结晶的过程。陶瓷的显微组织及相应的性能都是经烧结后产生的。烧结过程直接影响晶粒尺寸与分布，气孔尺寸与分布等显微组织结构。

陶瓷材料的成型方法主要有干压成型、注浆成型、热压成型、注射成型等。下面主要介绍的干压成型和注浆成型。1． 干压成型

干压成型是将粉料装入钢模内，通过模冲对粉末施加压力，压制成具有一定形状和尺寸的压坯的成型方法。御模后将坯体从阴模中脱出由于压制过程中粉末颗粒之间及粉末与模冲，模壁之间存在摩擦，使压力损失而造成压坯密度分别不均匀，故常采用双向压制并在粉料中加入少量有机润滑剂，有时加入少量粘结剂以增强粉料的粘结力。该方法一般适用于形状简单，尺寸较小的制品。2．注浆成型

这种成型方法是将陶瓷颗粒悬浮于液体中，然后注入多孔质模具，由模具的气孔把料浆中的液体吸出，而在模具内留下坯体。注浆成型的工艺过程包括料浆制备，模具制备和料浆浇注三个阶段。料浆制备是关键工序。其要求是：具有良好的流动性，足够小的粘度，良好的悬浮性和足够的稳定性等。最常用的模具为石膏模，近年来也有多孔塑料模的。料浆浇注入模并吸干其中液体后，拆开模具取出坯体，去除多余料，再室温下自然干燥或在可调湿度装置中干燥。该成型方法可制造形状复杂，大型薄壁的制品。1．3 复合材料及成型工艺 先进复合材料对于发展高技术和高性能武器装备具有重要作用。采用先进复合材料不仅能够大大改进武器系统的性能，保障和提高武器系统的生存能力，而且还可以降低武器系统的成本。目前，先进复合材料已经广泛应用航天、航空、兵器、电子、舰船和核工业等各种领域的重要武器系统中。1．3．1 复合材料及应用 1．复合材料性能

（1）比强度、比模量高

复合材料的比强度与比模量比其他材料高得多。这表明复合材料具有较高的承载能力。它不仅具有高强度，而且还有质量轻的特点。（2）抗疲劳性能好

复合材料有高疲劳强度。（3）破损安全性好

（4）减震性能好（5）耐热性能好

（6）成型工艺简单

复合材料可用一般模具采用一次成型制成各种构件，工艺简单，材料利用率高。2．复合材料类型

（1）聚合物基复合材料

聚合物基复合材料是目前应用最广泛、消耗能量最大的一类复合材料。该类材料主要以纤维增强的树脂为主。1）玻璃纤维-树脂复合材料

通常被称为玻璃钢。玻璃钢具有瞬时耐高温性能。它被用做人造卫星、导弹和火箭的外壳。玻璃钢不反射无线电波，微波穿透性好，是制造雷达罩、声呐罩的理想材料。

2）碳纤维-树脂复合材料

也被称碳纤维增强复合材料。常用的这类复合材料由碳纤维与聚酯、酚醛、环氧和聚四氟乙烯等树脂组成。其性能优于玻璃钢，密度小，强度高，弹性模量高，比强度和比模量高，并且具有优良的抗疲劳、耐冲击性能，良好的自润滑性、减震性、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性。其缺点是碳纤维与基体结合力低，各向异性严重。

3）碳化硅纤维-树脂复合材料 4）芳纶纤维-树脂复合材料

（2）金属基复合材料

金属基复合材料的基体大多采用铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、镁及镁合金和镍及镍合金等。金属基复合材料的增强材料要求高强度和弹性模量、高抗磨性与高化学稳定性。金属基复合材料有以下几种： 1）纤维增强金属基复合材料 2）颗粒增强金属基复合材料（3）无机非金属基复合材料 1）陶瓷基复合材料

2）碳/碳复合材料

是由碳纤维增强体与碳基体组成的复合材料。具有卓越的高温性能、良好的耐烧蚀特性和较好的抗热冲击性能，同时还具有热膨胀系数低、抗化学腐蚀的特点。它是目前可使温度最高的复合材料（最高温度可达2000以上），被用于航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘以抵御起飞载荷和再入大气层的高温作用。1．3．2 复合材料的成型工艺

复合材料成型工艺的实质和特点主要取决于复合材料的基体。一般情况下其基体材料的成型工艺方法也常常适用于以该类材料为基体的复合材料，特别是以颗粒、晶须和短纤维为增强体的复合材料。1．树脂基复合材料成型（1）喷射成型

喷射成型是将经过特殊处理而雾化的树脂与短纤维混合并通过喷射机的喷枪喷射到模具上，至一定厚度时，用压辊排泡压实，再继续喷射，直至完成坯件制件，然后固化成型。这种方法主要用于不须加压、室温固化的不饱和聚酯树脂。

（2）层压成型

层压成型是制取复合材料的一种高压成型工艺。此工艺多用纸、棉布和玻璃布作为增强填料，以热固性酚醛树脂、芳烃甲醛树脂、氨基树脂、环氧树脂及有机硅树脂为粘结剂。

一些主要的树脂基复合材料成型工艺还有收糊成型、热压罐成型、对模模压成型和缠绕成型等。金属基复合材料的成型

由于金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、晶须和颗粒等为增强体的复合材料，其成型过程常常也是复合过程。复合工艺主要有固态法（如扩散结合、粉末冶金）和液相法（如压铸、精铸、真空吸铸和共喷射等）。3 陶瓷基复合材料成型

陶瓷基复合材料的成型方法分为两类：一类是针对短纤维、晶须、晶片和颗粒等增强体，基体采用传统的陶瓷成型工艺，即热压烧结合化学气相渗透法；另一类是针对连续纤维增强体，由料浆喷出后热压烧结法和化学气相渗透法。小结

本文是以非金属与复合材料与成型技术及其相互关系为核心。分别介绍了一些常用的高分子材料、陶瓷材料与复合材料以及它们在国防上的应用，并着重介绍了高分子材料、陶瓷材料和复合材料的成型工艺。由于查阅的资料有限，所以文中介绍的并不是很详细，只是大致的囊括了非金属与复合材料成型技术的部分内容。参考文献 张彦华.工程材料与塑性成型技术。第1版。北京：北京航空航天大学出版社，2005 2 吕广庶，张远明。工程材料及成型技术基础。北京：高等教育出版社，2001 3 沈其文。材料成型工艺基础。武汉：华中理工大学出版社，1999 5

第二篇：材料成型论文-塑性成形新技术概况

塑性成形新技术概况

摘要：文章介绍了当前塑性成形加工中的微成形、超塑成型、柔性加工、半固态加工等各种新技术，并分别阐述了各新技术的相关概念、特点、发展趋势等。这些相关介绍及发展概况对理解塑性成形技术及推广和运用高新技术，推动塑性成形的进一步发展具有一定参考意义。

关键词：塑性成形；新技术；发展概况

The Overview About Plastic forming technology Abstract：The paper introduces all kinds of new technology such as Micro Molding ,Sup-erplastic Forming Technology ,Flexible Machining, Semi-Solid Processing in the plastic for-ming process nowadays and expounds the new technology’s related concepts ,characteristics , development tendency and so on.The related introduction and development situation has certain reference significance for understanding the plastic forming technology and promo-ting and using the advanced technology, promoting the further development of Plastic For-ming.Keywords: Plastic forming;The new technology;Development situation引言

塑性成形就是利用材料的塑性，在工具及模具的外力作用下来加工制件的少切削或无切削的工艺方法。塑性成形技术可分为板材成形和体积成形两大类。板材成形是使用成型设备通过模具对金属板料在室温下加压以获得所需形状和尺寸零件的成形方法，习惯上也称为冲压或冷冲压。板料成形可分为分离工序和成形工序。分离工序俗称冲裁，包括落料、冲孔、修边等。成形工序包括弯曲、拉伸、胀形、翻边等。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，主要包括锻造、轧制、挤压或拉拔等。

塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技术协会预测，到21世纪，机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性成形新技术的发展提供了原动力

[1]和空前的机遇。塑性成形新技术

随着科学技术的迅速发展，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性成形相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广泛是过去任何时代无法比拟的，塑性成形新工艺和新设备不断地涌现，出现了高速高能成形、少无切削、超塑成型、柔性加工、半固态加工等多种塑性加工新技术。掌握塑性成形技术的现状和发展趋势，有助于及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性成形技术的持续发展。

2.1 高速高能成形

高速高能成形是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。

高速高能成形的历史可追溯到一百多年前。但由于成本太高及当时工业发展的局限，该工艺并未得到应用。随着航空及导弹技术的发展，高速高能成形方法才进入到实际应用。与常规成形方法相比，高速高能成形具有以下特点：

1)模具简单：仅需要凹模即可成形。可节省模具材料，缩短模具制造周期，降低模具成本。

2)零件精度高：成形时，零件以很高的速度贴模，在零件与模具之间发生很大的冲击力，这不但有利于提高零件的贴模性。而且可以有效地减少零件弹复现象。

3)表面质量好： 毛坯变形是在液体、气体等传力介质作用下实现(电磁成形则无需传力介质)。因此，毛坯表面不受损伤，而且可提高变形的均匀性。

4)可提高材料的塑性变形能力：与常规成形方法相比，高速高能成形可提高材料的塑性变形能力。因此，对于塑性差的难成形材料，高速高能成形是一种较理想的工艺方法。

5)利于采用复合工艺：用常规成形方法需多道工序才能成形的零件，采用高速高能成形方法可在一道工序中完成。因此，可以有效地缩短生产周期，降低成本。

2.2少无切削成形

机械制造中用精确成形方法制造零件的工艺，也称少无切屑加工。少无切削加工工艺包括精密锻造、冲压、精密铸造、粉末冶金、工程塑料的压塑和注塑等。

传统的生产工艺最终多应用切削加工方法来制造有精确的尺寸和形状要求的零件，生产过程中坯料质量的30％以上变成切屑。这不仅浪费大量的材料和能源，而且占用大量的机床和人力。采用精确成形工艺，工件不需要或只需要少量切削加工即可成为机械零件，可大大节约材料、设备和人力。

锻压少无切削的发展，使锻压加工突破了毛坯生产的范畴，能生产某些成品零件。锻压少无切削件除具有一般锻件的特点外，还具有材料消耗低，加工工序简化，节约加工工时，成本低等优点。近几年来出现的各种新型、专用的少无切削锻压设备，如多工位冷挤压机、嫩锻机、精冲压力机、特种轧机、精密锻轴机等，都具有生产率高、机械化自功化程度高等

[2]特点。

与传统工艺相比，少无切削加工具有显著的技术经济效益，能实现多种冷、热工艺综合交叉、多种材料复合选用，把材料与工艺有机地结合起来，是机械制造技术的一项突破。

2.3 超塑性成形

-2-4-1超塑性成形指金属或合金在特定条件下，即低的变形速(=10～10s)一定的变形温度

(约为熔点的一半)和均匀的细晶粒度(平均直径为0.2～5μm)，其相对伸长率δ超过100％以上的特性。例如钢可超过500％、纯钛超过300％、锌铝合金超过1000％。

超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，也不会断裂，金属的变形应力可比常态下降低几倍至几十倍。因此，超塑性金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。

目前超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术，利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点，一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有成形性好、设计

[3]自由度大、成形精度高、没有回弹、无残应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。

2.4 微成形

微成形指以塑性加工的方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术。

随着科技的提高，微型机电系统有了飞速的发展，而微成形技术是微型机电系统的灵魂，世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上。到目前为止，涌现出了多种成熟的微成形技术，以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械家加工技术，此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等

[4]一些方兴未艾的微成形技术。

微成形技术主要源于电子工业的兴起，随着大规模集成电路制造技术和以计算机为代表的微电子工艺的发展，而且还来自技术的需要，例如医疗器械、传感器及电子器械的发展。

越来越多的电子元件、电器组件及计算机配件等相关零件开始采用这一工艺方法进行生产。随着制造领域中微型化趋势的不断发展，微型零件的需求量越来越大，特别是在微型机械和微型机电系统中。

微成形具有极高的生产效率、最小或零材料损失、最终产品优秀的力学性能和紧公差等特点，所以适合于近净成形或净成形产品的大批量生产。

2.5 内高压成形

内高压成形是近10 多年来迅速发展起来的一种成形方法，它是结构轻量化的一种成形方法。是以管材为毛坯在内压和轴向补料联合作用下将管材成形为所需形状的先进制造技术。内高压成形件实现以空心替代实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面，比冲焊件的质量减少 15%~30%，且可大幅提高零件的刚度和疲劳强度。20 世纪 80 年代初，德国和美国的研究机构系统地开展了内高压成形基础理论、工艺及应用研究，并从 20 世纪

[5]90 年代中期开始在汽车工业领域大批量应用。

与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形具有以下优点：

(1)减轻质量，节约材料 对于空心轴类零件可以减轻40%～50%，有些件可达75%。

(2)减少零件和模具数量，降低模具费用 内高压件通常仅需要一套模具，而冲压件多需要多套模具

(3)可减少后续机械加工和组装焊接量 以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174个减少到20个，工序由13道减少到6道，生产率提高66%。

(4)提高强度与刚度，尤其疲劳强度 仍以散热器支架为例，垂直方向提高39%，水平方向提高50%。

(5)降低生产成本 根据统计，内高压件比冲压件平均降低成本15%～20%，模具费用降低20%～30%。

2.6 可变轮廓模具成形（柔性加工）

柔性制造技术也称柔性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称。柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制造加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。

采用柔性制造技术的企业，平时能满足品种多变而批量很小的生产需求，战时能迅速扩大生产能力，而且产品质优价廉。柔性制造设备可在无需大量追加投资的条件下提供连续采

[6]用新技术、新工艺的能力，也不需要专门的设施，就可生产出特殊的军用产品。

对于小批量多品种板料件成形，例如舰艇侧面的弧形板、航空风洞收缩体板、飞机的蒙皮都是三维曲面，但批量很小甚至是单件生产，由于工件尺寸大，这样模具成本很高，何况即使模具加工完成，也有一个需要修模与调节的过程，因此用可变轮廓模具成形一直是塑性加工界及模具界的研究方向之一。

2.7 半固态成形

半固态成形是20世纪70年代发展起来的金属成形新技术，指对经过特殊处理的固体坯料加热，或在液态金属凝固过程中加以搅拌等处理而得到的具有非枝晶结构的固相、液相组织共存的半固态坯料进行成形加工，得到所需形状和性能的制品的加工方法。它主要包括半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等工艺类型，在汽车、通讯、航空、航天、国防等领域得到了越来越广泛的应用，被称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。

从半固态自身发展看，研究不同制浆方法下的形核和长大机理、制浆过程的精确控制以及发展适合半固态成形的新型合金是该技术的主要发展方向； 从拓展半固态研究领域看，在近液相附近实现成分场和温度场的精确控制，将推动该项技术向高合金化金属的近终成形

[7]以及纯金属的晶粒细化的研究与应用方向发展。结束语

随着现代先进制造技术的发展，塑性成形将逐渐发展为高性能材料新材料与复杂结构特殊性的有机结合。21世纪最缺什么？——技术创新。由于新技术的应用和引导,塑性成形技术在国民经济中的作用愈来愈大，在一定程度上决定了我国机械制造业在21世纪的市场竞争能力，为此我们要有足够的认识并采取得力的措施。抓住机遇和挑战，推进新新技术的发展。

参考文献：

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[5]刘刚，内高压成形理论与技术的新进展[J]，中国有色金属学报，2011，（10）

[6]曹著明，浅谈柔性加工技术综合实训课程的开发[J]，北京电子科技职业学院，2011，（1）

[7]徐骏，半固态加工技术的最新进展[J]，哈尔滨理工大学学报，2013，（4）

第三篇：金属塑性成型工艺及模具设计毕业补考要点总结

1、试讨论冲裁间隙的大小与冲裁断面质量间的关系。

答：冲裁间隙过小：材料在刃口处的裂纹不重合，凹模刃口处的裂纹进入凸模下压应力区停止发展，而由凸模刃口处裂纹进入凹模上压应力区停止发展，此时两裂纹在最近处发生第二次拉裂。上裂纹表面压入凹模时，受凹模挤压产生第二光亮带。在两光亮带之间夹有残留的断裂带，部分材料挤出材料表面形成高而薄的毛刺。

间隙过大：材料在刃口处的裂纹也不重合。第二次拉裂产生的断裂带斜度增加，因此断面产生两个斜度，此时毛刺大而厚难于去处降低冲裁件的质量。

确定锻造温度范围的原则是什么？

答：确定锻造温度范围的基本原则是：在锻造温度范围内，应保证金属具有良好的塑性和较低的变形抗力以利于锻造变形；能改善金属内部组织性能，获得优质锻件；范围宽度尽可能大些，以减少加热火次，提高生产效率。

模锻件图：确定模锻工艺和设计锻模的依据，指导模锻工进行生产和检验人员验收的主要技术文件。分为冷锻件图，用于锻件检验，热锻件图，用于模锻设计和加工。冷锻件图是编制锻造工艺规程、验收锻件、设计检验夹具及机械加工卡具的依据。热锻件图是在冷锻件图的基础上加上热胀量而设计的，它是设计、制造锻造模具及切边模的依据.终锻型腔设计内容为如何绘制锻件图和确定飞边槽尺寸。

冷热锻件图区别：热锻件图尺寸比冷锻件图相应尺寸增加一个收缩率。飞边槽作用：容纳多余金属。增加金属流入型腔的阻力。缓冲，减轻上下模大几，防止模锻早期破裂和压塌。容易切边。

从模腔中挤出，从而获得所需形状，尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。分类：

正挤压：金属被挤压出方向和加压方向相同

反挤压：金属被挤出方向和加压方向相反。凸模向下，受力大于凹模。复合挤压：一部分金属被挤出方向和加压方向相同，一部分相反 径向挤压：挤压时金属的流动方向和凸模轴线方向相垂直。

冷锻件用材料：线材，棒材，板材。下料方法：切削，剪切，冲裁，拉深反挤压

在回复温度以下进行的锻造。包括镦锻，模锻，挤压，压印。

1.冲压:在室温下，利用冲模在压床上对金属板料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而得到一定形状，满足一定使用要求零件的一加工方法.冲压加工的三要素

1、合理的冲压成形工艺

2、先进的模具

3、高效的冲压设备

冲压加工优点：属少、无屑加工，能加工形状复杂的零件，零件精度较高，零件强度、刚性高而重量轻、外表光滑美观，材料利用率高，生产率高，便于实现机械化和自动化，操作方便，要求的工人技术等级不高，产品的成本低。缺点：模具要求高、制造复杂、周期长、制造费昂贵，因而在小批量生产中受到限制。生产中有噪音。

2.变形性质分类：分离工序，成型工序

压力机型号：JB23-63 J机械压力机第二种变形23开式可倾压力机63公称压力630KN,63tf 力学性能和冲压成型关系：板料的强度指标越高，产生相同变形量所需要的力越大。塑性指标越高，成型时承受的极限变形量越大。刚性指标越高，成型时抗失稳起皱能力越大。伸长率大，屈强比小。弹性模量大，硬化指数高，厚向异性系数大，有利于冲压成型。

3.板料对冲压成型工艺的适应能力，称为板料的冲压成形性能。板料在成形过程出现两种失稳显现：拉伸失稳，板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂。压缩诗文，板料在压应力作用下起皱。板料在失稳前可以达到的最大变形程度叫做成形极限。

4.冲裁：利用冲模使板料一部分沿一定轮廓形状和另一部分相互分离的冲压工序。包括落料冲孔切口切边剖边整修精密冲裁等。

冲裁变形机理不同，分为普通冲裁:凸凹模刃口间产生剪裂纹的形式实现材料分离。精密冲裁：以塑性变形的形式实现材料分离

5.冲裁变形过程：弹性变形阶段（变形区内部材料应力小于屈服应力）塑性变形阶段（变形区内部材料应力大于屈服应力。凸、凹模间隙存在，变形复杂，并非纯塑性剪切变形）断裂分离阶段（变形区内部材料应力大于强度极限）

6.冲裁件断面：圆角带（光滑圆弧带，刃口刚压入材料，刃口附近材料牵连产生弯曲伸长变形。弹性变形阶段产生，大小与材料塑性和模具间隙有关）光亮带（塑性剪切变形时产生，材料在模具侧面接触中挤光形成的光亮垂直断面，质量最好的区域）断裂带（刃口处微裂纹在拉应力下不断扩展断裂形成撕裂造成）毛刺（模具拉挤结果，毛刺不可避免。裂纹产生点和刃尖距离为毛刺高度）

冲裁件质量影响因素：质量指标:：断面质量，尺寸精度，形状误差

7.影响断面质量因素：断面光亮带越宽，断裂带越窄，毛刺和圆角越小，冲裁件断面质量越好。可以通过增加光亮带的高度（延长塑性变形，推迟裂纹产生，增大光亮带），休整工序实现。1材料性能：塑性好，裂纹出现迟，板料剪切深度大，光亮带比例大，毛刺大，断裂带窄。2模具间隙：冲裁间隙过小：材料在刃口处的裂纹不重合，凹模刃口处的裂纹进入凸模下压应力区停止发展，而由凸模刃口处裂纹进入凹模上压应力区停止发展，此时两裂纹在最近处发生第二次拉裂。上裂纹表面压入凹模时，受凹模挤压产生第二光亮带。在两光亮带之间夹有残留的断裂带，部分材料挤出材料表面形成高而薄的毛刺。间隙过大：材料在刃口处的裂纹也不重合。第二次拉裂产生的断裂带斜度增加，因此断面产生两个斜度，此时毛刺大而厚难于去处降低冲裁件的质量。

8.模具刃口锋利情况：模具刃口磨损成圆角变钝，刃口和材料接触面积增加，应力集中效应减轻，挤压作用大，延缓裂纹的产生，制件圆角大，光亮带宽，裂纹发生点由刃口侧边向上移动，毛刺高度增大，即使间隙合理也产生较大毛刺。凸模钝落料件产生毛刺，凹模钝冲空间毛刺

9.模具和设备的导向情况：精度高，冲裁间隙合理，断面质量好

10.影响冲件尺寸精度的因素：1冲模本身的制造精度2模具间隙3材料性质4工件形状与尺寸等。其中间隙起主导作用。

11.间隙：冲裁模凸模工作部分和凹模工作部分之差。

间隙对模具寿命影响：冲裁过程中模具的失效形式一般有：磨损、崩刃和凹模洞口胀裂三种。间隙对磨损，胀裂影响。间隙过小，冲裁力侧压力摩擦力卸料力推件力增大，材料粘连刃口加剧磨损，二次剪切，磨屑使磨损增大。间隙小，落料件或废料梗塞在凹模洞口，使凹模胀裂。间隙增大，冲裁卸料力减小，刃口磨损减小。间隙过大，零件毛刺，卸料力增大，刃口磨损大。

第四篇：快速成型技术及应用学习心得

《快速成型技术及应用》学习心得

对于本学期黄老师的《快速成型技术及应用》学习心得，主要从RP技术的应用现状和发展趋势、主要的RP成型工艺分析和RP技术在当代模具制造行业的应用三个方面进行说明：

一、RP技术的应用现状与发展趋势

快速成型（Rapid Prototyping）技术是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

目前，快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。

RP技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。从目前国内外RP 技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面：

（1）大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。

（2）开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。

（3）提高RP 系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。

（4）RPM 与CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。

（5）研制新的快速成型方法和工艺。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金属成型工艺将是以后的发展焦点。

二、几种常见RP工艺

1、FDM，丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。

2、SLA，光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography）原理的一种工艺，简称SLA，是最早出现的一种快速成型技术。

3、SLS，粉末材料选择性烧结（Selected Laser Sintering）是一种快速原型工艺，简称SLS。粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉等与粘结剂的混合粉）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆集成三维实体的快速成型方法。

4、LOM，箔材叠层实体制作（Laminated Object Manufacturing）快速原型技术是薄片材料叠加工艺，简称LOM。箔材叠层实体制作是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动，最后叠加成型。

三、RP技术在模具制造中的应用

传统的模具制造方法可分为两种,一种是借助母模翻制模具,另一种就是用数控机床直接制造模具。在新产品开发过程中,减少模具制造所需成本和时间对缩短整个产品开发时间及降低成本是最有效的步骤,快速成型技术的一个飞跃就是进入模具制造领域,其潜力所在正是能降低模具制造成本并减少模具开发时间。将快速成型技术引入模具制造过程后的模具开发制造就是快速模具制造。

快速成型技术在模具制造领域的应用主要是用来制作模具设计制造过程中所用的母模,有时也用快速成型技术直接制造模具。因此可以将基于RP的快速模具制造分为两类，即：直接制模法和间接制模法。（这里就不一一阐述了）

利用RP 技术发展快速模具制造技术还存在以下主要问题需要解决或者说需要进一步提高。

(1)表面质量如何满足模具的要求,否则无法承受如注射成型这样的高压。分层制造法不可避免会产生台阶,斜面时更严重,后处理是目前通用的作法。

(2)尺寸精度如何满足模具制造的要求,尤其是制造较大模具时,尺寸更不稳定。

(3)用作母模时的强度,耐热和耐腐蚀性,形状和尺寸的时效问题。

(4)塑料或树脂类模具的导热性很差，导热差虽然带来了可用较低注射压力的好处,但生产周期太长也必须考虑。

(5)多数所谓金属模具都需要最后渗铜,这就造成这种金属模具的使用温度不可太高,可能超过500 ℃就不行了。

(6)使用寿命的进一步延长和使用成本的进一步降低。

(7)目前所能制造的模具的体积都很小,怎样制造大型模具?

(8)受不可缺少的后处理工序的限制,目前还不能制造具有很小细节特征的模具,尤其是具有内凹形状的模具。

(9)目前快速成型方法所能成型的材料种类及其有限,需要开发新型材料。

第五篇：超塑性钛合金在航空航天领域的应用

石河子大学机械电气工程学院 机械工程材料•新型材料课题论文

课题论文题目： 超塑性合金在航空航天领域的应用

姓 名： 刘萍

学 号： 2011509291 院系专业班级： 机械电气工程学院11机制

（二）班 联 系 电 话： *** 指 导 教 师： 魏敏 填 表 日 期： 2012年12月8号

《机械工程材料》课程组 2012年11月26日

超塑性钛合金在航空航天领域的应用

摘要：钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能，在航空航天、舰艇、化工等领域得到日益广泛的应用。阐述了航空航天用钛合金盘件的研究现状，重点介绍了高性能钛合金盘件的制备工艺，包括粉末冶金热等静压成形和超塑性等温锻造成形。分析了钛合金盘件在航空航天领域的应用现状，并探讨了航天航空用钛合金盘件的发展趋势。

关键词：钛合金；超塑性；超塑性成形；扩散连接

1，超塑性合金的定义：

超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。根据金属材料的结构和变形条件(温度、应力)，可超塑性合金大致划分为微晶超塑性合金，相变超塑性合金2大类。由于钛合金在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用。

2，钛合金的结构特点：

钛合金的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化性和抗腐蚀性，而且密度较小，因此是理想的航天和航空材料。当前世界上研究较多的钛合金有TiAl、Ti3Al等。然而，这些材料的室温塑性和韧性一般较差；加工性能较差。在其主要优点不受很大损失的前提下，改善其塑性、韧性及加工性。而实现这些目标的主要措施是添加合金元素以形成塑性较好的第二相，超塑性钛合金的实现一般还需要通过一定的形变热处理以得到等轴细晶显微组织。近年来的研究结果已经表明，钛合金可以获得很高的超塑性水平——Ti3Al合金的伸长率超过1000%；TiAl合金的伸长率达470%。发展起来的超塑成形技术，改善了钛合金难以成形的状况，因而充分发挥了钛合金的优势。超塑性钛合金正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。

3，超塑性成形工艺：

超塑性成形工艺主要包括了气胀成形和体积成形两类。超塑性气胀成形是用气体的压力使板坯料（也有管坯料或其他形状坯料）成形为壳型件，如仪差壳、抛物面天线、球型容器、美术浮雕等。气胀成形又包括了Female和Male两种方式，分别由图1和图2表示。Female成形法的特点是简单易行，但是其零件的先帖模和最后贴模部分具有较大的壁厚差。Male成形方式可以得到均匀壁厚的壳型件，尤其对于形状复杂的零件更具有优越性。

超塑性气胀成形与扩散连接的复合工艺（SPF／DB）在航空工业上的应用取得重要进展，特别是钛合金飞机结构件的SPF／DB成形提高了飞机的结构强度，减少了飞机重量，对航空工业的发展起到重要作用。

超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等），主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低，流动性好等特点。一般情况下，超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料，对于应变速率及温度有更严格的要求。这种方法利用自由运动的辊压轮对坯料施加载荷使其变形，使整体变形变为局部变形，降低了载荷，扩大了超塑性工艺的应用范围。他们采用这样的方法成形出了钛合金、镍基高温合金的大型盘件以及汽车轮毂等用其他工艺难于成形的零件。

4，超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）：

超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）是航空领域多年来重点发展和应用的一种近无余量先进成形技术。通过在一次加热、加压过程中成型整体构件，不需要中间处理，能有效减轻结构重量和提高材料利用率，可为设计提供更大的自由度，具有广阔的应用前景。

基本原理是：利用金属及合金的超塑性和扩散焊无界面的一体化特点，在材料超塑温度和扩散焊温度相近时，采用吹胀或模锻法在一次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接两道工序，从而制造高精度复杂的大型整体构件。该技术具有以下特点：

（1）成形压力低/变形大而不破坏（2）外形尺寸精确，无残余应力和回弹效应（3）节省装备，缩短制造周期

（4）改善结构性能，提高结构完整性，延长机体寿命（5）降低制造成本，减轻结构重量

从以上特点分析，SPF/DB简化了零件制造过程和装配过程，减少了零件（标准件）和工装数量，消除大量连接孔，避免了连接裂纹及疲劳问题，有利于提高结构耐久性和可靠性，尤其适合于加工复杂形状的零件，如飞机机翼、机身框架、发动机叶片等。对于钛合金，SPF/DB解决了钛合金冷成形和机加工难的缺点，促进了钛合金整体构件的使用（如图3），相对常规金属结构，夹层结构具用足够的疲劳强度、良好的塑性和断裂韧性。英国、美国是世界上开展SPF/ DB 技术研究及应用较早的国家，目前已建立了专业化生产厂，如英国TKR 公司、罗罗公司、Superform 公司和美国RTI公司等都具有很强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。另外，法国、德国、俄罗斯以及日本对钛合金SPF/ DB 技术也进行了大量研究和应用，具备了较强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。国外SPF/ DB 钛合金结构件在飞机上的应用广泛（见图4），如民机A300、A310/ 320的前缘缝翼收放机构外罩，减重10%，A330、A340机翼检修口盖、驾驶舱顶盖、缝缘传动机构等采用SPF/DB结构，减重46 %，技术经济效益显著。此外，A380飞机吊舱舱门结构采用了SPF/DB工艺。国内开展钛合金SPF/DB研究已多年，已逐渐用于主承力结构，取得了一定的减重效果和经济效益，图5为某飞机TC4钛合金SPF/DB腹鳍结构，已通过了全尺寸静力试验考核，结果证明满足设计要求，成本降低16％，减重11％，但国内还未开展该技术在民机上的应用。

SPF/DB在国外已比较广泛的应用于军民用飞机，显示出巨大的技术经济效益，但在国内还处于应用初期，没有充分发挥这一技术的优势。针对民用飞机使用要求、主要结构特点等，要实现该技术的工程化成熟应用，需要尽快开展以下研究工作：

（1）SPF／DB结构设计技术，目前，SPF/ DB 技术多用于层板结构，这种板结构在强度方面存在不足。因此，应大力发展体积成形与扩散连接结合的新型SPF/ DB 构件。

（2）SPF/ DB制造控制技术，包括成形过程组织演变和变形机制，工艺过程控制与加工过程自动化，结构完整性及应力与变形控制，实现组织与性能匹配。（3）SPF/ DB质量评估与检测技术，建立设计用性能数据库，研制低成本检测技术，提高检测精度，制定质量控制程序和检验标准。

（4）SPF/ DB结构静力与疲劳考核验证，以适航标准为依据进行符合性验证，确保民用飞机安全可靠使用。

5，高性能钛合金盘件的研究现状：

对于航空航天用发动机压气机盘、涡轮盘等转动部件，不仅要求具有良好的高温热强性，还要求在高温条件下有优良的抗疲劳性能和长期使用的可靠性。因此，制备高性能钛合金，要综合考虑合金成分、热加工工艺、组织与性能及可加工性等因素。只有制备洁净度高、成分和组织均匀的铸锭，并在先进涡轮盘锻压技术和热处理工艺的配合下，才能保证钛合金盘件流线形态的完整性、盘件组织的均匀性和性能的高可靠性。目前制备高性能盘件的主要方法有超塑性等温锻造成形工艺和粉末冶金热等静压成形两种，这两种方法各有特点。

粉末冶金钛合金盘件在热处理时，盘件内部存在温度梯度，会产生较大的残余热应力。这些残余应力对盘件保持完整性和机加工性能的影响很大，当局部残余应力足够大时，盘件就可能开裂。而小的残余应力，也会影响盘件的加工性能，如加工变形等。因此，粉末冶金钛合金盘件的热处理工艺极为关键。对于大规格高性能钛合金盘件，由于钛合金导热率低，盘件规格较大，不同部位存在较大的温度梯度，容易造成组织和性能的不均匀性，则主要采用等温超塑成形的方法。

超塑性等温锻造是利用钛合金在高温及低应变速率下材料具有异常好的塑性及变形抗力低的特点发展起来的一种锻造方式。通常采用近卢或准卢热模锻造两种锻造方式。这种新工艺能获得尺寸精确度高、组织均匀、性能稳定、形状复杂的高精度锻件，而且可用小吨位的液压机锻造大型锻件，来提高材料的利用率和减少切削加工量。等温锻造有以下特征：①在整个锻造过程中，锻模与锻件始终保持在同一加工温度；②锻造速度很慢，应变速率很小；③为防止氧化，锻模与锻件有时需置于真空或惰性气体环境中。等温锻造可通过控制加工温度、应变率、变形程度等来控制微观组织，以实现组织优化的目标。结合优化的调质热处理制度，使钛合金的组织和性能满足不同零部件的应用需求“。等温锻造的薄壁钛锻件具有良好的拉伸强度和综合性能，是用于宇航加工中最经济且简易的成形方法。

参考文献

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