复合塑性成形新技术及其应用

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介绍了几种复合塑性成形新技术，包括热锻冷锻复合技术、板料冲压冷锻复合技术、以及结合铸造和锻造特点开发出来的铸造锻造技术和半固态成形技术，以及它们在工业生产中的应用情况。
! c- i- ?  ^! i" n% W0 d) u9 K关键词：复合；塑性成形；新技术；应用

一、引言

: [3 R6 e! \1 U; x* A4 c复合塑性成形技术指将不同种类的塑性加工方法组合起来，或将其它金属成形方法(如铸造、粉末冶金等)和塑性加工方法结合起来使用，使变形金属在外力作用下产生流动和变形，从而得到所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法。
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; O" E2 v  i6 R% l在塑性成形技术的发展过程中，复合化一直是一种技术创新的重要途径，其特点是在成形过程中将原来分属不同范畴的加工方法组合起来使用，其目的是节约材料和能源，减少加工难度和加工工序，提高零件的加工精度，尽可能做到无切削(即净形Net Shape)或少切削(即近净形Near Net Shape)加工，提高劳动生产率和降低成本，以满足日益发展的工业和社会需求。

在以前的复合塑性成形技术中，以液态模锻和粉末锻造较为典型。液态模锻技术结合了压铸和模锻的特点，可生产形状复杂程度高于锻件，而力学性能优于铸件的制品，在金属特别是有色金属的成形过程中占据重要的地位［1］。粉末锻造作为粉末冶金和热锻结合的一种复合成形技术，以粉末烧结体作为坯料进行热锻，其制品消除了粉末冶金件的内部孔隙，致密性好，机械性能也有明显的改善。

% d7 v0 X) m9 l* ~% ?5 X+ h近年来，随着工业的发展，特别是汽车工业不断发展的要求，提出了一些新形状和高精度要求零件成形加工的课题，例如小汽车变速箱由手动结构改为自动结构后，就出现了多种带齿形零件的成形问题。为了解决这些问题，一些新型的复合塑性加工技术被开发出来并加以利用。其中，将热锻与冷锻结合起来的热锻冷锻技术，在板料冲压和冷锻基础上开发出来的冲压冷锻技术，结合锻造和铸造工艺特点开发出来的铸造锻造技术和半固态成形技术等新型复合塑性成形技术优点显著，在生产中被有效的利用，取得了良好的技术和经济效果。
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/ a( }5 K4 ?8 E% D' ]2 |二、热锻冷锻技术

, I6 j9 u4 }5 d* R( q  h9 j' v8 t热锻冷锻是将热锻和冷锻结合起来的一种新型成形技术，它充分利用了热锻和冷锻各自的优点：热态下金属塑性好，流动应力低，因此主要变形过程用热锻完成；冷锻件的精度高，因此重要尺寸用冷锻最终成形，这样可以得到高精度的零件。其一般工艺流程为：下料→加热→热锻→切飞边、冲连皮→退火→清理→磷化皂化处理→冷锻→热锻冷锻件。

热锻和冷锻的设备及模具分别与热锻和冷锻的设备及模具相同。由于热锻和冷锻分别进行，因此不存在两者之间生产协调和节拍配合的问题，只是在分配热锻冷锻各自的变形量时应充分考虑各自的变形特点，做到既能成形高质量的制品，又能减少成形力，提高模具寿命，降低锻件成本。

建筑机械用减速机的行星齿轮为直齿圆柱齿轮。以前用圆环状锻坯铣出或滚出齿形，现在可用热锻冷锻复合塑性成形技术锻出齿形，省去了齿形机加工工序。加工精度可以达到表1所示值［2］。

表1热锻冷锻行星齿轮的精度
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项目	要求值	实测值	精度等级(JIS)
公法线齿厚(5齿)	41.72+0.050	41.74～41.76	——
齿形误差	＜36μm	17～30μm	6级
齿线误差	＜26μm	7～26μm	7级
齿槽偏差	＜115μm	22～71μm	5级

图1是农机行业用的一种大型直齿圆锥齿轮［3］，它用于拖拉机的前驱动系统，使用条件差，特别重视强度和耐久性。采用热锻冷锻工艺生产该零件，金属流线完整，生产率提高而成本下降。

图1农机行业用的一种大型直齿圆锥齿轮

该零件的成形在40000kN压力机上进行，工艺过程如下：下料→加热→压扁→预锻→齿形成形→切飞边、冲连皮→退火→喷丸处理→磷化皂化→冷锻→切削加工(齿形不加工)→渗碳处理→成品。
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热锻冷锻复合塑性成形技术在生产齿形零件中具有一定的优势，除了前述的直齿轮和直伞齿轮外，用该工艺还可生产出齿形带有3°倒锥角的汽车同步器齿轮零件，减少了机加工量，大幅度降低了成本。但就目前的加工精度而言，还不能达到精密机加工的水平。

三、板料冲压冷锻技术
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在一般板料成形过程中，通常不考虑板料在厚度方向的变形，工艺过程为：板料→平面变形→等壁厚件(冲压件)；而锻造变形是三维的，为体积成形过程，工艺过程为：棒料→体积成形→冷锻件。
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( g6 h( W: k& w+ M: k# d板料成形变形力小，成形过程简单，但仅能成形等壁厚件，限制了它的应用范围。随着汽车工业中一些薄壁但壁厚有变化的零件的加工要求，板料冲压与冷锻复合塑性成形技术发展起来了，其工艺路线为上述两种工艺路线的交叉和综合，为：板料→(平面变形→)体积成形→板料冷锻件。

( x& ^: r& |/ v0 H# w9 c  }图2为不同的成形工艺工件应力［4］，可以看出，板料冲压冷锻的工件应力比普通板料成形高，比冷锻低，介于两者之间，表明其对模具强度要求低，有利于模具寿命的提高。

图2不同的成形工艺的工件应力(材料：10号钢)

图3为冲压冷锻复合塑性成形技术适合加工的一些零件形状示意图［4］。可以看出，板料厚度有变化是该类零件的共同特点，这也是冲压冷锻和普通冲压的根本区别所在。

: [( |* m2 I) P5 T$ Z! d# P图3冲压冷锻复合塑性成形技术所适合加工的一些零件示意图

图4是汽车起动电机磁极采用板料冲压冷锻技术成形的工艺过程示意图，这种工艺使工件的成形力大大降低，但其材料利用率低于普通冷锻。

& z2 K% D2 i8 b" _$ p( b图4汽车起动电机磁极板料冲压冷锻工艺过程示意图
(a)落料 (b)整形R (c)冲孔 (d)弯曲成形 (e)尖端精整 (f)整形

四、铸造锻造技术

$ U0 K7 s; z- m0 \' S! b- N铸造锻造技术也可以称为铸件锻造，它是将铸件作为锻造工步的坯料使用，对其进行塑性加工的方法。铸造锻造技术可以改善制品的组织和性能，并有以下因素可以使成本降低：(1)铸造材料比锻造用材料价格低；(2)对形状复杂的制品，铸件可以近净形成形，材料利用率高；(3)锻造工步减少，加工费降低。
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# z$ J& W& L# Q: G0 U一般的铸造锻造工艺流程为：合金熔化→铸造→清理铸件→加热→锻造→热处理机械加工。
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4 p. n# e$ Q3 S3 ~/ ~; O; P( H小汽车的铝合金车轮(见图5)是一种既有高机械性能要求，又有外观品质要求的零件［5］，目前成形工艺有低压铸造、液态模锻、半固态成形和锻造成形等，该零件采用铸造锻造成形的工艺过程见图6。

图5铸造锻造小汽车铝合金车轮

图6铝合金车轮铸造锻造工艺过程
/ X. h6 p3 t1 }0 }(a)铸造 (b)预锻 (c)终锻 (d)切飞边冲连皮

表2为几种工艺成形件的主要机械性能的比较。铸造锻造工艺生产的制品可以达到锻件的性能指标，加工费用和锻件比降低了30%。

表2铸造锻造工艺与其它工艺成形材料的性能比较

工艺	材料	主要成分(%)				机械性能
		Si	Mg	Cu	Fe	σb(Mpa)	σ0.2 (MPa)	延伸率%
铸造锻造	自制	2.7～3.3	0.4～0.5	0.4～0.5	≤0.12	300	220	10
铸造	AC4CH*	6.5～7.5	0.25～0.45	≤0.2	≤0.20	250	190	5
锻造	A6061**	0.4～0.8	0.8～1.2	0.15～0.40	≤0.7	300	280	12

在使用铸造锻造复合工艺时应注意以下几点：(1)应选用兼有良好铸造性能和锻造性能的合金；(2)兼顾铸造成形和锻造成形要求的铸件(锻件铸坯)的形状设计；(3)确立合理的铸造、锻造、热处理的适当条件。

6 a" C9 H" ^0 X五、半固态成形技术
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在一般的金属凝固过程中，生成的固相呈树枝状，当固相比率达到20%时，枝状结构就开始硬化，难以进行成形加工。若在金属凝固的同时加以搅动，金属的凝固组织就由枝状结晶变成球状的等轴晶，当固相含量为60%以下时的流动特性好，变形抗力小，可以用锻造、挤压、轧制、压铸等方法成形。这种在对半固态金属进行加工的工艺称为半固态成形技术［6］。其工艺过程见图7。

3 K7 a- s( P5 G# L7 T图7半固态成形的工艺过程

可以看出，半固态成形通常的工艺路线有两条：一条是将经搅拌等工艺获得的半固态浆体坯料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态成形；另一种是将半固态坯料冷却凝固后，按所需尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后进行成形加工。在实际工业生产中，主要采用的是后面一条工艺路线。

6 E' O6 V" Z$ ~' c6 U- B采用半固态成形工艺制造的汽车主刹车缸体，坯料为电磁搅拌制造的Φ76直径棒料。制品重量减轻，机加工量减少，生产率大大提高。有关数据见表3。在性能方面，半固态成形件气密性和耐磨性优良，氮气渗透经过实测可以达到9.7MPa，抗疲劳测试结果经过30～100万次而没有磨损迹象。

表3主刹车缸零件重量和生产率
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成形工艺	铝合金牌号	成形件重量(g)	完工零件重量(g)	切削加工量(%)	单副模具生产率(件/h)
半固态成形	357-T5	450	390	13	150
金属型模铸	356-T6	760	450	40	24

半固态成形技术在欧美国家已经成功地被用于工业生产中，可以制造重量从几十克到9kg的零件。用该技术制造的黄铜零件用于管道、锅炉系统及电器系统领域。铝零件，特别是A357材料被广泛地用于制造汽车制动器、发动机、燃料供给系统、悬挂装置、空调零件、小汽车轮毂及数种军用品［7］。
8 z% A2 z* {, r+ r% d4 O: A
8 B' Y( V* Q% l4 r, F" ?半固态成形技术是本世纪70年代才被研究开发出来的新的金属成形工艺，具有旧有加工技术所没有的各种特点和优点，被专家们称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。预计半固态成形技术在汽车、通讯、计算机及其辅助设备等领域，航空、航天以及国防等尖端领域都将有广阔的应用前景。

六、结束语

' H, B$ `" b4 Y4 I, F  H复合塑性成形技术的实质是将塑性体积成形技术加工对象的扩展而成。原有的塑性体积成形一般由金属材料下料开始，单纯在热态或冷态下进行至变形完工结束。复合塑性成形技术则将加工对象由棒料扩展到了热锻件、冲压件、铸件、半固态金属、液态金属或粉末冶金材料，并将不同成形工艺的特点加以有效利用，从而获得良好的经济和技术效果。以上介绍的几种复合塑性成形技术及其应用就很好的说明了这一点。复合塑性成形技术突破了旧有塑性成形技术的局限性，开辟了塑性加工领域研究与开发的新天地，必将得到越来越广泛的应用。