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1 超塑性成形 -金屬超塑性的概念

超塑性是指在特定的條件下,即在低的應變速率(ε=10-2~10-4s-1),一定的變形溫度(約為熱力學熔化溫度的一半
)和穩定而細小的晶粒度(0.5~5μm)的條件下,某些金屬或合金呈現低強度和大伸長率的一種特性。其伸長率可超過100%以上,如鋼的伸長率超過500%,純鈦超過300%,鋁鋅合金超過1000%。
目前常用的超塑性成形的材料主要有鋁合金、鎂合金、低碳鋼、不鏽鋼及高溫合金等。

2 超塑性成形 -超塑性成形的特點

1)金屬塑性大為提高過去認為只能採用鑄造成形而不能鍛造成形的鎳基合金,也可進行超塑性模鍛成形,因而擴大了可鍛金屬的種類。

2)金屬的變形抗力很小一般超塑性模鍛的總壓力只相當於普通模鍛的幾分之一到幾十分之一,因此,可在噸位小的設備上模鍛出較大的製件

3)加工精度高超塑性成形加工可獲得尺寸精密、形狀複雜、晶粒組織均勻細小的薄壁製件,其力學性能均勻一致,機械加工余量小,甚至不需切削加工即可使用。因此,超塑性成形是實現少或無切削加工和精密成形的新途徑。

3 超塑性成形 -超塑性成形的應用

1)板料成形
其成形方法主要有真空成形法和吹塑成形法。
真空成形法有凹模法和凸模法。將超塑性板料放在模具中,並把板料和模具都加熱到預定的溫度,向模具內吹入壓
縮空氣或將模具內的空氣抽出形成負壓,使板料貼緊在凹模或凸模上,從而獲得所需形狀的工件。對製件外形尺寸精度
要求較高時或淺腔件成形時用凹模法,而對製件內側尺寸精度要求較高時或深腔件成形時則用凸模法。
真空成形法所需的最大氣壓為105Pa,其成形時間根據材料和形狀的不同,一般只需20~30s。它僅適於厚度為0.4
~4mm的薄板零件的成形。
2)板料深沖
在超塑性板料的法蘭部分加熱,並在外圍加油壓,一次能拉出非常深的容器。深沖比H/d0可為普通拉深的15倍左右。
3)擠壓和模鍛
超塑性模鍛高溫合金和鈦合金不僅可以節省原材料,降低成本,而且大幅度提高成品率。所以,超塑性模鍛對那些可鍛性非常差的合金的鍛造加工是很有前途的一種工藝。

4 超塑性成形 -精密模鍛

1.精密模鍛的概念

精密模鍛是在模鍛設備上鍛造出形狀複雜、鍛件精度高的模鍛工藝。如精密模鍛傘齒輪,其齒形部分可直接鍛出而
不必再經切削加工。模鍛件尺寸公差等級可達CT12~CT15,表面粗糙度為Ra3.2~1.6μm。
2.精密模鍛的工藝
一般精密模鍛的工藝過程大致是:先將原始坯料普通模鍛成中間坯料;再對中間坯料進行嚴格的清理,除去氧化皮
或缺陷;最後採用無氧或少氧化加熱后精鍛(圖2-62)。為了最大限度地減少氧化,提高精鍛件的質量,精鍛的加熱溫度
較低,對碳鋼鍛造溫度在900~450℃之間,稱為溫模鍛。精鍛時需在中間坯料中塗潤滑劑以減少摩擦,提高鍛模生命和降低設備的功率消耗。

3.精密模鍛工藝特點
①需要精確計算原始坯料的尺寸,嚴格按坯料質量下料;否則會增大鍛件尺寸公差,降低精度。

②需要精細清理坯料表面,除凈坯料表面的氧化皮、脫碳層及其他缺陷等。
③為提高鍛件的尺寸精度和降低表面粗糙度,應採用無氧化或少氧化加熱法,盡量減少坯料表面形成的氧化皮。
④精密模鍛的鍛件精度在很大程度上取決於鍛模的加工精度,因此,精鍛模膛的精度必須很高。一般情況下,它要
比鍛件精度高兩級。精鍛模一定有導柱導套結構,保證合模準確。為排除模膛中的氣體,減小金屬流動阻力,使金屬更
好地充滿模膛,在凹模上應開有排氣小孔。
⑤模鍛時要很好地進行潤滑和冷卻鍛模。
⑥精密模鍛一般都在剛度大、精度高的模鍛設備上進行,如曲柄壓力機、摩擦壓力機或高速錘等。

5 超塑性成形 -粉末鍛造

粉末鍛造是粉末冶金成形方法和鍛造相結合的一種金屬加工方法。它是將粉末預壓成形后,在充滿保護氣體的爐子
中燒結制坯,將坯料加熱至鍛造溫度后模鍛而成。其工序如圖2-63所示。
與模鍛相比,粉末鍛造具有以下優點。
①材料利用率高,可達90%以上;而模鍛的材料利用率只有50%左右。
②機械性能高。材質均勻無各向異性,強度、塑性和衝擊韌性都較高。
③鍛件精度高,表面光潔,可實現少或無切削加工。
④生產率高,每小時產量可達500~1000件。
⑤鍛造壓力小,如130汽車差速器行星齒輪,鋼坯鍛造需用總力為2500~3000kN壓力機,粉末鍛造只需總力為800kN壓力機。
⑥可以加工熱塑性差的材料,如難於變形的高溫鑄造合金可用粉末鍛造方法鍛出形狀複雜的零件。採用粉末鍛造出的零件有差速器齒輪、柴油機連桿、鏈輪、襯套等。

6 超塑性成形 -高能高速成形

高能高速成形是一種在極短時間內釋放高能量而使金屬變形的成形方法。高能高速成形的歷史可追溯到100多年前,但由於成本太高及當時工業發展的局限,該工藝在當時並未得到應用。隨著高新技術的發展及某些重要零部件的特殊需求,近些年來,高能高速成形得以飛速發展。高能高速成形主要包括:利用高壓氣體使活塞高速運動來產生動能的高速成形,利用火藥爆炸產生化學能的爆炸成
形,利用電能的電液成形,以及利用磁場力的電磁成形。
這些特殊的成形工藝不僅賦予了成形后的材料特殊的性能,而且與常規成形方法相比還有以下特點。
①高能高速成形幾乎不需模具和工裝以及衝壓設備,僅用凹模就可以實現成形。

②高能高速成形時,零件以極高的速度貼模,這不僅有利於提高零件的貼模性,而且可以有效地減小零件彈復現象。所以得到的零件精度高,表面質量好。

③因為是在瞬間成形,所以材料的塑性變形能力提高,對於塑性差的用普通方法難以成形的材料,採用高能高速成形仍可得到理想的成形產品。

④高能高速成形方法對製造複合材料具有獨特的優越性,例如,在製造鋼-鈦複合金屬板中,採用爆炸成形瞬間即可完成。
⑤高能高速成形是特殊的成形工藝,成本高、專業技術性強是這種工藝的不足之處。

7 超塑性成形 -靜液擠壓

利用高壓粘性介質給坯料外力而實現擠壓的方法,稱為靜液擠壓法。靜液擠壓的原理如圖2-64所示。

圖2-64靜液擠壓原理圖

靜液擠壓所使用的高壓介質,一般有粘性液體和粘塑性體。前者如蓖麻油、礦物油等,主要用於冷靜液擠壓和500
~600℃以下的溫、熱靜液擠壓;後者如耐熱脂、玻璃、玻璃-石墨混合物等,主要用於較高熔點金屬的熱靜液擠壓(坯
料加熱溫度在700℃以上的擠壓)。
與普通擠壓法一樣,根據需要,靜液擠壓可在不同的溫度下進行。一般將金屬和高壓介質均處於室溫時的擠壓過程,
稱為冷靜液擠壓;在室溫以上變形金屬的再結晶溫度以下的擠壓過程,稱為溫靜液擠壓;而在再結晶溫度以上的擠壓過
程,稱為熱靜液擠壓。
1.靜液擠壓的特點

靜液擠壓時的金屬流動均勻,特別適合於各種包復材料的擠壓成形,如鈦包銅電極、多芯低溫超導線材的成形。
靜液擠壓時坯料處於高壓介質中,有利於提高坯料的變形能力,因而靜液擠壓適於難加工材料的成形、精密型材成
形。
靜液擠壓的材料主要有鋁合金、銅合金、鋼鐵等金屬材料,以及各種複合材料、粉體材料等。
用於靜液擠壓的坯料準備比普通擠壓時的要求高。為了在擠壓初期順利地在擠壓筒內建立起工作壓力,一般需要將
坯料的頭部車削成與所用擠壓模模腔相一致的形狀。為了提高擠壓製品的質量,防止污染高壓介質,需要對坯料進行車
皮處理。坯料表面的車削狀態對擠壓製品的表面質量影響較大。當擠壓比較小時,要求表面粗糙度在幾個微米的範圍內
;當擠壓比較大時,要求表面粗糙度在十幾個微米以下。對於用於管材擠壓的坯料,還要進行鏜孔。

2.靜液擠壓的應用
1)異型材擠壓
由於靜液擠壓時可以獲得良好的潤滑條件和均勻塗層流動狀態,因而特別適合於內表面或外表面帶有細小複雜筋條,且形狀與尺寸精度和表面質量要求高的各種異型管材與棒材的成形。靜液擠壓可以在較低溫度下實現大變形程度的高速擠壓,所以對於一些高強度鋁合金,由於高溫脆性的緣故,在普通擠壓機上,只能採取很低的速度進行擠壓;而靜液擠壓可以將擠壓溫度降低至200~300℃,這樣既可以避免高溫脆性
又可以大幅度提高擠壓速度。採用靜液擠壓法,銅及銅合金小尺寸管材可用高達數百的擠壓比實現一次擠壓成形,大大簡化了生產工藝。同時,由於擠壓溫度較低,可獲得細小再結晶組織的製品。

2)難加工材料擠壓

鈦合金型材,特別是薄壁型材,採用普通擠壓方法成形十分困難。採用靜液擠壓法擠壓鈦合金時,擠壓溫度可大大降低,且擠壓製品具有尺寸精度高,表面質量好,性能均勻等特點,同時,還可以提高擠壓製品的力學性能。
3)高溫合金擠壓
利用靜液擠壓強烈的三向壓應力作用,可以改善金屬的變形能力,進行鎳基合金、金屬間化合物等高溫合金零部件的直接成形。
4)難熔金屬材料擠壓
大多數難熔金屬因其變形抗力大、塑性差,採用常規擠壓法擠壓難熔金屬難度大。在900~1500℃高溫下,難熔金屬不能在空氣介質中成形,因為金屬易與氣體發生作用,使性能顯著劣化。採用靜液擠壓法,以玻璃-石墨混合物為高壓介質,使部分難熔金屬擠壓成為可能。
5)粉體材料擠壓
熱靜液擠壓同時具有熱等靜壓和擠壓成形兩種功能,尤其適合於粉體材料的直接擠壓成形。例如,在鋼質包套中以70%的相對密度填充高速鋼粉末,然後進行熱靜液擠壓,可以獲得與鑄造坯料經鍛造后材料力
學性能的製品。採用熱等靜壓工藝處理,然後在400~500℃溫度下進行靜液擠壓,可以獲得緻密無缺陷的SiC纖維強化鋁基複合材料。
6)包復材料擠壓
利用金屬流動均勻和具有高靜水壓力作用等特點,靜液擠壓非常適合於各種包復材料(或稱層狀複合材料)的成形。
例如,冷靜液擠壓的銅包鋁複合材料,在高溫下金屬間化合物的包復材料的成形。由於高溫和高壓作用,容易獲得具有完全冶金接合的界面接合質量。

8 超塑性成形 -連續擠壓

與軋制、拉拔等加工方法相比,常規擠壓(包括正擠壓、反擠壓、靜液擠壓)的最大缺點是生產的不連續性,一個擠
壓周期中非生產性間隙時間長,對擠壓生產效率的影響較大。並且,由於這種間隙性生產的緣故,使得擠壓生產的幾何
廢料(壓余與切頭尾)比例大為增加,成品率下降。因此,擠壓加工領域很早以來一直致力於盡可能地縮短擠壓周期中的
非生產性間隙時間,並同時力求減少擠壓生產幾何廢料。因此,自20世紀70年代起,各國都在致力於連續擠壓新技術的
開發和研究。連續擠壓方法(包括半連續擠壓法)大致可以分為兩大類。第一類是基於Green的Conform連續擠壓原理的方
法,其共同特徵是通過槽輪或鏈帶的連續運動(或轉動),實現擠壓筒的「無限」工作長度,而擠壓變形所需的力,則由
與坯料相接觸的運動件所施加的摩擦力提供。例如,連續摩擦筒擠壓法(Fuchs等,1973年)、軋擠法(Avitzur,1974年)、
輪盤式連續擠壓法(Sekiguchi等,1975年)、鏈帶式連續擠壓法(Black等,1976年)、連續鑄擠(英國Alform公司,1983
年)等均屬此類。第二大類是源於20世紀60年代後期為了克服靜液擠壓生產周期中間隙時間過長的缺點,而試圖使擠壓
生產連續化的研究。這一類方法的共同特點是,利用高壓液體的壓力或粘性摩擦力,或再輔之以外力作用,實現半連續
或連續的擠壓變形。例如,半連續靜液擠壓-拉拔法(Sabroff等,1967年)、粘性流體摩擦擠壓法(Fuchs,1970年)、連續
靜液擠壓-拉拔法(松下富春等,1974年)等屬於此類。所有這些方法中,Conform連續擠壓法是目前應用範圍最廣、工業
化程度最高的方法。
Conform連續擠壓原理為了實現連續擠壓,必須滿足以下兩個基本條件:

①不需藉助擠壓軸和擠壓墊片的直接作用,即可對坯料施加足夠
的力實現擠壓變形;

②擠壓筒應具有無限連續工作長度,以便使用無限長的坯料。

為了滿足第一個條件,其方法之一是採用如圖2-65(a)所示的方
法,用帶矩形斷面槽的運動槽塊和將擠壓模固定在其上的固定矩形塊
(簡稱模塊)構成一個方形擠壓筒,以代替常規的圓形擠壓筒。當運動
槽塊沿圖中箭頭所示方向連續向前運動時,坯料在槽內接觸表面摩擦
力的作用下向前運動而實現擠壓。但因為運動槽塊的長度是有限的,
所以仍無法實現連續擠壓。
為了滿足上述的第二個條件,其方法之一就是採用槽輪(習慣上稱
為擠壓輪)來代替槽塊,如圖2-65(b)所示。隨著擠壓輪的不斷旋轉,
即可獲得「無限」工作長度的擠壓筒。擠壓時,藉助於擠壓輪凹槽表
面的主動摩擦力作用,坯料(一般為連續線桿)連續不斷地被送入,通
過安裝在擠壓靴上的模子擠出成所需斷面形狀的製品。這一方法稱為
Conform連續擠壓法,是由英國原子能局(UKAEA)斯普林菲爾德研究所
的D.Green於1971年提出來的。






 

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