試論塑性加工在機械制造中的運用

郭喜旺

摘 要：現代塑性加工是原材料生產與最終產品制造之間的零部件生產的主要行業之一，是制造業的一個重要組成部分。隨著國民經濟的健康持續發展，塑性加工技術迎來了空前的發展機遇，同時也面臨諸多挑戰根據制造行業越來越高的要求，結合現代化技術，首先介紹了幾種當前常用的塑性加工技術，并分析研究塑性加工技術的發展狀況，然后結合實例對塑性加工技術進行了分析。

關鍵詞：塑性加工技術 液壓成形 精密鍛造 激光沖壓

中圖分類號：TG30 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0086-02

采用鍛造、軋制、擠壓或彎曲等方法，通過“力”與“熱”的處理，可按照要求使金屬的尺寸和形狀發生變化，以獲得最終制品，此過程即為塑性加工。金屬塑性加工技術年代久遠，可上溯至青銅時期，在工業尤其是機械制造行業起著重要作用。經過長期的演變改進，該技術日臻成熟，與高科技的融合使得該技術應用范圍不斷擴大，與焊接、切削等方法不同，塑性加工在不影響原材料性能的前提下使其發生塑性變形，材料利用率高，產品的質量較好，在工業制造中有著廣泛應用，本文就其在機械制造中的實際應用進行了分析。

1 目前常用的幾種塑性加工技術

在高科技的推動下，現代化塑性加工融合計算機技術，變得更為復雜，涉及人工智能、數控加工、激光成形等諸多領域，相關設備日新月異，加工工藝頻繁更新，在機械制造業發揮著重要作用。

1.1 新能源塑性成形技術

超聲振動塑性加工技術在原來的工藝中融合超聲波技術，主要通過施加高頻振動減少模具和坯料間的摩擦力，進而降低設備荷載，減弱坯料變形受到的阻力，而且精度更高，對產品的質量也極為有利。在沖壓、拉拔等工藝中應用較多，是當前一種重要的塑性加工技術。

金屬材料多具有導電性，在交變電磁場的作用下，會有感生電流產生，電磁成形技術即利用這一特性，使得坯料在電磁場中受力，做高速運動，進而與單面凹模貼膜發生塑性變形，該技術成形速度較快，在管板或管材的快速連接、薄彩板成形中較為適用。

利用激光熱應力同樣可以引起金屬材料的塑性形變，因金屬承受的熱應力是有極限的，當激光在金屬板上掃描時，會產生高溫，一旦超過了金屬的承受范圍，便會發生形變。激光沖壓技術以激光沖擊為基礎，先在金屬表面覆蓋一層能量轉換體，然后利用強激光掃描，因其脈沖短，功率密度較高，很容易將其汽化電離形成離子體，發出強沖擊波，不斷對金屬內部發生作用，在強大的沖擊壓力下，金屬材料發生變形。

1.2 新介質塑性成形技術

在以往的塑性加工中，對坯料施加外力時多使用剛性固體，如錘頭等，隨著高科技的發展，氣體和液體也可作為一種新的形式用于金屬的塑性加工。

氣壓成形利用熱活化的形成過程使得金屬發生形變，處理后的制品的力學性能會有所提升，包括兩種工藝，一是快速塑性成形，主要是針對板料的高溫氣壓成形；二是熱態金屬氣壓成形，主要用于管狀結構件。

液壓成形工藝的原理是液體直接對金屬材料施壓，使其產生形變，過程較為簡單，靈活度高，容易掌握，而且具有綠色制造的特點，對環境污染小，另外，制品的質量和精度都有良好的保障，在工業中，尤其是汽車行業，應用十分廣泛，該技術主要包括流體引伸、管件/板材液壓成形技術。德國寶馬和奔馳公司即使用有許多該技術成形的零部件，主要包括汽車底盤、進排氣支管、傳動軸元件、座椅框架、側門橫梁等。

噴丸成形技術主要包括預應力噴丸。彎曲噴丸及延伸噴丸，其原理是用高速運動的彈丸撞擊金屬表面，形成強大的沖擊力，使材料或下一層材料發生變形。該方法在飛機制造領域應用較廣，如波音公司等都采用該工藝。

1.3 以新知識為基礎的塑性成形

經不斷研究探索，金屬的超塑性越來越受關注，即在特定條件下，金屬材料會顯示出高于一般塑性的性能，相應的工藝技術也相繼涌現，主要有超塑性模鍛、真空成形、無模拉拔、空氣壓成形等工藝。

另外，在20世紀70年代，美國將固態加工和液態加工技術相融合，提出了金屬半固態加工技術，有利于減少能耗，節約材料和成本，而且制品性能更加優越，模具的使用壽命更長。該技術主要包括觸變成形和流變成形技術，是21世紀金屬塑性加工研究領域的重點。

2 塑性加工技術在機械制造中的實際應用

某汽車公司成立于20世紀30年代，因當時技術條件有限，研發新款車時多依賴人工設計和計算，模具、樣車主要用傳統的設備進行制造，設計方案往往要多次修改才能最終定型，效率較低，需要幾年才能完成一款新車的開發。在經濟技術的推動下，計算機、變量化、CAD、CAE、實體造型等技術日趨成熟，使得汽車制造效率大幅提升，尤其是進入21世紀后，對信息化技術的運用，在質量、安全、性能等方面更具優勢。

2.1 精密鍛造技術

該技術包括熱精鍛、溫鍛、冷鍛等多種形式，是一種近凈成形技術，在成形后無需過多的加工，因此能夠節省大量材料，而且有利于鍛件力學性能的提高。由于它是建立在新材料、新能源、信息技術、自動化技術等多學科高新技術成果的基礎上，改造了傳統的成形技術，使之由粗糙成形變為優質、高效、輕量化、低成本、無公害的成形，特別適用于汽車制造行業。以熱精鍛齒輪為例，其精度為IT7—IT9，在鍛造成形后，無需加工，可直接用于零件裝配，該公司的冷精鍛尺寸精度則達到了0.02～0.05 mm，從2011年開始，積極借鑒德國、美國、日本等國汽車制造行業在此方面的經驗。

在齒輪上，該公司主要向日本學習，借鑒其換擋傳動齒輪結合齒整體熱鍛加冷精整成形技術，利用精密鍛造技術直接對直齒圓柱齒輪、圓錐直齒輪以及螺旋圓柱齒輪等進行加工，對材料的利用率大幅提升，達到了60%，可節約近30%的材料，為公司省下很多成本。在軸類零件上，該公司使用冷擠壓成形技術較多，諸如半軸、輸入軸、輸出軸都使用的此技術。endprint

此外，精密沖壓技術在汽車車身覆蓋件的制造中發揮著重要作用，該公司近些年建立起了沖壓生產線，多工位壓力機的總壓力高達65000 kN，能夠對特大型轎車覆蓋件進行沖壓，成品的質量個精度均得到了較高的保障。

2.2 液壓成形技術

該公司在上世紀末才正式引入液壓成形技術，尤其是管件液壓，在制造中的作用不可代替，德國寶馬和奔馳公司即使用有許多該技術成形的零部件，該公司經考察摸索，在汽車底盤、進排氣支管、傳動軸元件、座椅框架、側門橫梁、發動機支撐架等零件中運用該技術，提高了產品的性能和質量，而且制造中較為環保，對周圍環境幾乎沒有任何影響，與以往的沖壓焊接方式相比，顯然更具優勢，為公司節省了大量材料和成本。

2.3 粉末鍛造技術

該技術主要以金屬粉末為原料，經過預成形壓制，在保護氣氛中加熱燒結，將其作為鍛造毛坯，而后在鍛造機上一次鍛造成形，實現無飛邊精密模鍛，以獲得所需鍛件。第一條生產線出現于20世紀70年代，經過幾十年的發展，該技術有了很大改進，逐步受到重視。該公司在2006年從福特、豐田等汽車公司學借鑒該技術，并結合自身情況做了改動，主要用于發動機鈦氣門的制造，能夠減重35%，此技術成本合算、產品質量高，而且有利于節約資源，降低污染程度，為公司帶來了巨大效益。

3 結語

本文分析提出了塑性加工的若干技術前沿，包括新能源塑性成形技術，新介質塑性成形技術，以新知識為基礎的塑性成形技術等。對各技術的現狀、存在的問題和發展趨勢做了分析論述，對塑性加工技術的發展具有一定指導意義。隨著工業和機械制造行業的發展，金屬塑性加工技術的作用更為突出，為適應現代化要求，提高制造水平，塑性加工逐步邁向信息化、精密化發展道路。如今，人們的環保意識不斷加強，輕質量、環保型產品成了制造領域的主流，塑性加工技術為滿足此要求，還需不斷改進完善。

參考文獻

[1] 劉華，閆潔，劉斌.現代塑性加工新技術及發展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，24（4）：187-188.

[2] 楊清建，劉紅普.塑性加工在機械制造中的應用分析[J].中國制造業信息化，2009，23（12）：214.

[3] 趙升噸，李泳嶧，范淑琴.超聲振動塑性加工技術的現狀分析[J].中國機械工程，2013，22（6）：162-163.endprint