塑性成形发展史（精选8篇）
塑性成形发展史 篇1
超塑性成形的发展状况
摘要：金属材料的超塑性是指金属在特定条件下，具有更大的塑性。本文主要介绍了超塑性成形的主要发展历程，超塑性成形的主要应用，非金属材料的超塑性研究和国内外的发展现状。关键词：超塑性 金属材料 成形
一、绪论
近年来，高温合金和钦合金的使用不断增加，尤其是在宇航飞行器及其发动机生产中。这些合金的特点是:流变杭力高，可塑性低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成木高昂。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达80%左右，如采用超塑性成形方法，就能改变锻件肥头大耳的落后状况。
金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化.极低的变形速度及等温变形)下，具有更大的塑性。如低碳钢拉伸时延伸率只有30~40%，塑性好的有色金属也只有60~70%，但超塑性状态。一般认为塑性差的金属延伸率在100~200%范围内，塑性好的金属延伸率在500~2000%范围内。
要使超塑性出现，必须满足某些必要条件。首先必须使金属具有0.25-2.5μm的极细晶粒，即必须小于一般晶粒大小的十分之一。其次，当温度达金属熔点一半以上时，具有一般晶粒金属的晶粒便开始长大，而这时细晶粒金属的晶粒保持稳定。因此，超塑性除要求有极细的晶粒度外，还必须具有高的延伸率和低的屈服应力，并以低的变形速率在高于熔点一半的温度下进行加工。
二、超塑性成形的发展
早在1920年，德国W.Rosenhain等人将冷轧后的Zn-Al-Cu三元共晶合金的铝板慢速弯曲的时候，发现这种脆性材料被弯成180°而未出现裂纹，它和普通晶体材料大不相同。他们推断这种负荷速度有密切依赖关系的异常现象，可能是由于加工产生了非晶质。1934年，英国C.E.pearson初次对共晶合金的异常弯曲进行了详细研究。这种合金的挤压材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson将其缓慢拉伸，得到了伸长率为2000%的试样。很奇怪的是这种慢速大延伸的金属，在落地实验中呈脆性断裂，这是一个更大的发现，在当时虽然引起了一部分人的强烈反响，但在第二次世界大战的却被搁置了。
第二次世界大战后，前苏联科学家对金属的异常延伸现象进行了系统研究，用Zn-Al共析合金在高温拉伸试验中得到异常的伸长率，并应用于“超塑性”这个词汇。1962年，美国E.E.Underwood发表了一篇评论解说性文章，从冶金学的角度分析了实现超塑性成形的可能性、条件及基本原理。人们评价这篇文章是超塑性研究的总结。从此超塑性研究引起了人们越来越多的重视。
三、超塑性成形的应用
由于金属及合金在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力，对成形加工极为有利。对于形状极为复杂或变形量很大的零件，都可以一次成形。从已报导的成形已有多种形式，如板料成形，管材成形，无模拉丝，吹塑成形和各种挤压，模锻等。利用这种异常的塑性，有些原来很多零件拚合成的部件，现在可以用超塑性成形一次加工出来，减轻了零件的重量，节约大量加工工时。具体应用介绍如下:
1、板料深冲
锌铝合金等超塑性板料，在法兰部分加热，并在外围加油压，一次能拉出非常深的容器。如果在冲头下部和拉伸好的筒部采用冷却装置，深冲比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分时深冲系数不变。超塑性成形件最大特点是没有各向异性，拉伸的杯形件没有制耳。
2.板料吹塑成形(气压成形)这是在超塑性材料的延伸率高和变形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的启发而发展起来的新工艺。用于Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr和钛合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形状，把板料和模具加热到预定的温度，用压缩空气的压力，使压紧的板料涨开贴紧在凹模或凸模上，以获得所需形状的薄板工件。目前能加工的板料厚度为0.4~4毫米。根据工件要求在它的表面上或在内腔内有清晰的形状和花纹，选用凹模内或凸模上成形。
3.挤压和模锻
近年来高温合金和钛合金的应用不断增加，尤其是国防工业生产中。这些合金的特点是:流变抗力高，可塑性极低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成本昂高。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达80%左右，而机械加工的性能是很差的，所以往往不能满足零件所需的机械性能。但是采用超塑性模锻方法，就能改变过去肥头大耳的落后的锻造工艺。
四、应用举例
美国军工材料-机械研究中心用超塑性模锻法成功地制成了直升飞机用的Ti-6AL-4V钛合金风扇叶轮。该叶轮直径为34Omm。叶片厚度为4mm，模具材料采用MAR一M200镍基铸造高温合金，毛坯加热温度为950℃，模具温度为870℃，平均单位压力为11.9kg/mm2，超塑性模锻件重10kg，而普通模锻件重24kg。加工后成品叶轮净重4.8kg。
五、超塑性成形的发展现状
超塑性成形的主要研究前沿是“先进材料的超塑性开发”。所谓先进材料是指金属基复合材料、金属化合物、陶瓷等，由于他们具有某些优异的性能（例如强度、高温性能等），所以可以得到很大的发展。然而这些材料却有其共同的不足之处-难于加工成型，因此开发这些材料的超塑性具有重要意义。近年来其中一些材料的超塑性已经达到很高的指标，然而这些材料的超塑性应用上有一定的距离。
超塑性成型的历史尚短，仍属于新兴工艺，对各种材料的各种成型工艺过程，还在不断地实验、比较、淘汰、选择、发展和完善、从目前的发展趋势上来看，有下述几点值得注意。
1.成型大型金属结构及相关成型设备。采用超塑胀形工艺来成型大型金属结构具有显著的技术经济效益。这一类金属结构在美国的B-1型飞机和F14A、F15、F18飞机以及英国的直升飞机上获得应用，其中最大的构件是B-1机的发动机舱门，平面尺寸达到2790*1520cm。与这种成型工艺相适应设备研究也在发展，这种设备与通用液压机有很大的区别，对于整个成型过程采用自动控制。目前，美国已推出系列机型，英国、日本也有使用的报道。
2.陶瓷材料与复合材料的超塑性。国际上，陶瓷材料的超塑性研究有很大进展。日本物质和材料研究机构最近开发成功一种具有超塑性的新型陶瓷。这种陶瓷在高温下能够像金属一样被拉长，可以用来制造形状复杂的机械零件。这种新陶瓷是把钴、铝和尖金石三种材料在一起用一般方法烧制出来的。实验结果表明，1cm的材料片在1650℃的高温下，其应变速度1s可拉长1cm，是一般陶瓷的大约100倍。它可以像金属一样，进行轧制和锻造，制造发动机和涡轮机零件等产品。
我国的陶瓷材料超塑性研究也列入了863高技术研究规划之列。此外，以金属超塑性材料为基体的复合材料的研究也在进行中，从制备（包括材料设计）、性能测试、成型实验等诸多方面发展。比如，在金属基超塑性材料中加入SiC纤维形成的超塑性材料，可以达到超塑性气压胀形的要求。
六、超塑性的发展方向
世界上超塑性的研究已开展了四十年，70年代形成了“超塑热”，现在也有不少的专家教授在从事超塑性研究。然而，迄今为止超塑性技术尚未发挥其应有的作用。其主要原因在于研究的范围在不断拓展，但纵深性不够，很多研究工作还停留在理论和试验室，由于在理论上尚未吃透、工程上缺乏经验，超塑技术在工程上的应用受到阻碍。超塑技术想在关键承力结构件上得以应用，必须进行艰苦细致的工作，在关键环节上进行纵深研究。
1.先进稳定的工艺研究
超塑性成形是一种新工艺，它的特点是，可以利用小吨位设备进行具有大变形量的复杂零件的成形。然而这种工艺也有缺点，主要是成形速度慢。工程应用中应注意发挥超塑成形技术的优越之处，专门成形其它塑性工艺难以甚至不能成形的重要零件，这样就显示出了超塑工艺的先进性。另外超塑性成形与传统成形方法相比，生产环境较为复杂，生产过程中不可控因素较多，加上生产经验积累不足，导致生产工艺的不稳定性。因此，须针对典型超塑部件，重点突破关键工艺，并对已有的工艺应进行完善和稳定化，这是产业化的基础。
2.辅助环节的研究
抓住每一工艺环节，包括辅助环节。超塑性成形工艺本身包括材料的加热―入模预热―加压成形―出模―校形―热处理等环节，这仅仅是成形工艺的主线，模具的设计、制造、加热、维护、润滑剂的选择与使用，成形设备的设计、使用、维护及改进等，也都直接关系到超塑性成形工艺的成败。实际上，我国在超塑领域与发达国家的差距更多的体现在模具、成形设备等辅助环节上，其原因在于基础工业的相对落后，导致在模具设计的先进性、成形设备的智能化等方面满足不了超塑成形所需条件，成为超塑技术发展的瓶颈。
3.工艺的智能控制研究
现在一些大的超塑成形研究公司如美国的SUPERFORM公司已经对超塑成形全程计算机机控制，只要事先输入数据，成形设备就可以自动按时准确的进行加温―加压―充气―放气等动作，工人只用放入坯料，取出好的零件。这种超塑性成形的零件成品率高，一致性好，更体现出超塑成形工艺的先进性。在工艺的智能控制研究方面，在硬件(自动化超塑成形设备)及软件(优化准确的工艺流程和参数)上都有很大欠缺，可研究的空间很大。
4.产品质量、成本控制研究
超塑成形产品要想真正得以应用尤其是在航天器关键结构件上得以应用,必须进行产品质量、成本控制研究。现在的很多技术发展都是基于这个原则进行的，比如目前很热的钛合金渗氢技术，以获得低温(700℃左右)超塑性，可以大幅度降低成本，更重要的是可防止晶粒长大，提高最终材料性能，保障产品质量。另外，超塑成形中的材料性能变化、变薄率的研究等都应给予高度的关注。国外工业发达国家的超塑成形技术已发展到成熟的工程应用阶段，很多航天、航空公司都有自己的超塑研究、生产部门，形成规模效益，并互相竞争，加速技术发展。而我国目前仅有少数单位能生产合格超塑产品，并且技术还相当落后。
所以在超塑领域不断拓宽的同时，更需对关键技术、关键产品进行纵深研究，“变热点为亮点，以宽度换深度”，培养几个具有自己技术特色的研究、生产单位。对于技术相对落后且有巨大背景需求的研究单位，应采取“以背景换技术，用需求促发展”的战略，与拥有先进技术的公司、学校合作，以提升自身的研发能力，迅速发展壮大自己，在超塑成形领域占有一席之地。
参考文献
[1]万美珍.超塑性成形的应用和材料[J].1997,(09).[2]洪慎章．金属超塑性成形的应用概况[J]．机械制造，1982，（01）.[3]曹毅杰.超塑性成形研究动态[J].机械研究,1994.（4）.[4]赵晓宾，王高潮，曹春晓．TC11钛合金的最大m值的超塑性变形研究[J].航空材料学报，2008，28(2)：5-8.[5]张志清.TC6钛合金的超塑性研究．硕士学位论文，西北工业大学，2002.[6]王旭．国外钛合金超塑性成形应用现状及发展趋势[J]．航天工艺，1989，(4)：20-25.[7]文九巴，杨蕴林，杨永顺等．超塑性应用技术[M].北京：机械工业出版社,2005:3-5.[8]曾立英，赵永庆，李丹柯等．超塑性钛合金的研究进展[J]．金属热处理，2005，30(5):8-33.[9] 施连杰，刘延山，许晓静．钢的超塑性与超塑性成形[J]．金属热处理，2005，[10] 张永昌.高温合金和钛合金的超塑性模锻现状和发展[J].锻压技术.1979(01).
塑性成形发展史 篇2
塑性成形技术由于具有高产、优质、低耗等显著工艺优点, 而成为当今先进制造技术的重要发展方向[1]。
塑性成形技术主要是通过施加力场或同时辅以温度场, 使材料产生塑性变形, 实现体积转移, 获得形状、尺寸和性能都满足要求的成形制造方法[2,3]。
在制造轴的方法中, 基于去除钢坯圆棒上层材料的加工方法较受欢迎。这项技术成功应用于小公司, 受车床加工范围局限, 常用数控加工操作。另外, 该方法可达到高精度和重复性生产。然而, 在实际生产阶段, 不仅要考虑加工制造时材料损失的余量, 还要考虑精加工工艺产品尺寸精度。例如, 粗车削余量在2mm到6mm内, 成形工艺范围在0.7mm到1.5mm, 这两种半成品直径的加工余量必须同时得到保障。
本文分析传统锻造模、旋转锻造模 (扣压) 、冷压模、烧结成形模式, 同时探析了拉丝模对阶梯轴和对称轴之类的产品成型工艺的局限性。
1 塑性成形技术[4,5,6]
1.1 拉丝模与锻造模
在机械零件成型工艺的方法中, 尤其需要注意金属内部组织结构[7]。通过对机械加工后的材料与金属成型后的材料进行对比发现, 经过“冷作”处理后的材料具有连续纤维体, 且该材料具有强的耐久性。具体而言, 对于具有轴对称金属零件成形方法中, 常考虑拉丝模、滚动挤压模、传统的锻造模、旋转锻造模 (扣压) 、冷压模、烧结成形模这几种成形模式。
经金属成形工艺加工后, 材料纤维分布相对均匀。上述技术需求的选择, 取决于经济规模和秩序稳定两方面。每一个制造方法都有其一定的局限性和优势。这些优势注定他们只能用在指定的应用程序。制造商认为, 所有制造成本的费用都起着潜在决定性的作用。此外, 制造可重复性也需着重考虑。考虑到全挖空元素主要用作高速轴, 要想保证薄壁墙厚度的许用公差及有限的形状尺寸公差是很难的, 且该成品轴的旋转速度高而尺寸公差小。为满足这些需求, 需要通过绘图技术来改善性能, 特别是高质量的外表面、抛光表面和小维公差。此外, 由于拉伸之前进行了适当的金属热处理, 便有可能获得高耐用性和能保持良好塑性性能的疲劳特性的产品。拉伸工艺过程建立在通过拉丝模 (如图1、图2所示) 得延伸产品的基础上。然而, 力并不作用在成形零部件上。
在形成产品时, 某部分的一段尺寸或形状会发生变化。同时, 钢坯会受到挤压, 导致作用力的大小受到一定的局限。因此, 这个力要比未成形的半成品的屈服点所需的力小, 而超过这个极限值时, 半成品就可能会发生变形。
拉丝技术的局限性不仅与工艺特点有关, 而且也可能与产品的制造形状有关。在拉丝过程中, 获得产品的形状一般不是非常复杂, 如类似于法兰产品外部的部分。为保持所形成的中空产品具有恒定的直径和壁厚, 必须使半成品零件能顺利通过。在拉伸工艺中, 除了会有非金属杂质扩展引起的重叠和缩孔的残渣, 还会由于不正确的拉伸出现材料裂开, 这可能是由于压力过大所引起的。另外, 也可能会由低温时过度滚动材料引起脆性断裂, 由拉丝模具损坏而导致表面划痕, 等等。
传统的锻造技术 (见图3) 只应用于重型机器中轴的形成。由于必须使用相当高精度的终加工技术, 因此从经济和定性的角度来看, 这种方法逐渐被更现代化的旋锻和扣压技术所取代。
相对壁厚较短产品而言, 冲压常被作为比锻造更有效的技术, 图5是厚壁套管打孔原理图。
使用打孔可以获得良好组织性能的结构材料。然而, 产品的壁厚公差 (横截面和纵截面) 却较大。随着成型力的增加, 迫使冲床的结构丧失稳定性;随着打孔的进一步加深, 产品壁厚的分布变得越来越不均匀。
为了能轻易从模具中摘下产品, 也考虑到推进器能自由推出成品, 必须使所成型零件的外表面与模具间有一定的技术聚合。如果不能设计一种能解决这类成形件深层加工与应用的方案, 就允许增大零件公差值的大小。为了完成该零件最终圆筒形状的目的, 必须采取机械加工或其他金属成形方式如拉长歪斜轧机来延伸。
增大壁厚的均匀性便可获得所需产品的直径。为消除纵切面上壁厚易变的问题, 可通过 (如图6所示) 亚哈哈德[8]等人设计的挤压套筒挤术的系统来应用。它能消除工具箱的合流点, 获得圆柱形状产品。
1.2 挤压成型与旋锻
目前, 挤压还应用于制造螺丝或螺钉 (地脚螺栓) 。经该操作后, 产品的部分直径会相应变化 (见图7) 。经挤压操作后的成形零件相比零件其余部分而言, 具有相当大的耐久性。但是, 由于该方法尚不可能获得长阶梯状的元件, 所以这种方法还不能广泛应用于汽车行业。
旋锻加工允许管材和棒料的直径缩小, 以获得大的弯曲值。在冷加工下所得的尺寸公差更精确, 一方面利于保留材料层的流动, 另一方面也利于增加材料的机械性能, 以增加其上层硬化的可能性。通过该方法能非常精确地得到产品的内部形貌 (圆柱孔和圆锥孔) 。在冷的 (热的) 成型条件下, 工艺过程如图9所示。
该工艺一般应用于环状的元件 (主要是汽车轮辋钢圈和铁路轮) 中。旋锻和旋转锻造两者的主要区别在于成形材料, 而不在于成形工具。通过计算所得尺寸公差值也非常接近, 这可能是为了符合市场需求而设。
冷挤压工艺似乎由于受冲头负荷力的影响, 更在意怎样使模具中的材料流动起来。在这个工艺过程中, 长度获得很大的增量 (甚至1000%铝) 。根据材料流动方向与冲头运动的区别, 可以分为以下几种不同类型:共挤压, 间接挤压, 前后两个方向 (或结合) 挤压。为了减少材料损失, 通过选用与之相关的摩擦焊接的方法而制造成挖空轴取代实心轴。图10为具管形状物的冷挤压工艺原理图。
1.3 触变成形
触变成形技术是一种把低熔点合金进行熔化, 以高速、高压把原料注入金属模具内进行成型的技术。它采用一体化成型方式, 将压铸和注射工艺合二为一。模具和成型材料与半固态压铸工艺相似, 工艺过程则接近注射成型。在室温条件下, 颗粒状的合金原料由料斗强制输入到料筒中, 料筒中旋转的螺旋体使合金颗粒向模具运动。当其通过料筒的加热部位时, 合金颗粒呈半固态。在螺旋体剪切作用下, 呈半固态的枝晶组织的合金转变成颗粒状初生相组织;当其累积到预定体积时, 以高速将其压入到抽真空的预热模具中成型。成型时, 加热系统采用电阻、感应复合加热工艺, 合金固相体积分数高达60%, 同时通入氩气保护。触变成型的工艺图如图11所示。
1.4 楔形滚压成形[9,10,11,12]
基于轴对称楔形滚压成形采用一体成形的楔形和两辊 (如图12所示) , 被轧制产品放置在驱动辊上, 以与楔相反方向运动及相同的速度旋转。辊可做成光滑或异形的, 该楔水平移动切入到材料中, 最后形成一定尺寸的缩颈。相比于交叉楔横轧而言, 楔形滚压成形除了较经济外, 也可减少轴向材料开裂的损失, 还可以增加产品的输出。
2 结束语
塑性成形发展史 篇3
智力优势 成就科研硕果
目前，北京机电研究所已取得国家和省部级相关领域科研成果和专利技术约200余项，其中荣获国家级成果奖项目21项；荣获国家重点新产品项目9项；先后有4人荣获美国通用汽车公司（GM）科技成就二等奖。
2003年，北京机电研究所在承担的欧盟第五框架项目“铝合金超塑成形技术研究及在汽车上的应用”课题中，采用成形工艺数值模拟优化技术在国内首次对铝合金的大型复杂覆盖件——汽车前轮防护板进行了超塑气胀精密成形加工，并成功地完成了该零件的制造。
近年来，北京机电研究所加大对计算机工程金属塑性成形数值模拟技术的研究力度，现已开发出对热塑性成形零件的金属组织晶粒度进行分析和预测的应用技术，得到国际学者的肯定和密切关注。
北京机电研究所在主导专业领域方面的优势，得益于拥有一大批在机电等专业理论和应用技术上具有深厚理论基础和应用实践经验的高素质人才队伍，该所现有工程院院士1人、高级工程师150人、研究员级高工40人、博士及硕士120余名。
在全体科研人员的共同努力下，北京机电研究所逐步实现了由单纯的科研型院所向以高科技为主体，集科工贸于一体的多元型科技企业转变。近年来，北京机电研究所为国内汽车和制造工业提供了几十条锻造生产线和热处理生产线，以及锻压机器人、辊锻机、真空热处理炉等生产线配套设备。
引进技术提升竞争实力
北京机电研究所地处中关村高科技开发区。拥有约9000平方米试制工厂和约28000平方米的科研孵化基地。试制工厂配置有多种国外进口的高精度数控加工机床和常规的车铣刨磨机床，部分设备产品远销东南亚市场。
从1980年开始，北京机电研究所与德国奥姆科（EUMUCO）公司合作，引进并消化吸收了11个系列100多个品种的自动化技术设备，其中包括具有4～6个运动自由度的工业机器人10余种，且已设计开发和制造出几百台套的自动化设备和工业机器人，部分产品出口并受到海外市场的欢迎。
塑性精密成形技术
提升机械制造业
今天，“塑性精密成形”作为一门学科工程，已形成其自身独特的研究理论、方法和应用领域。“塑性精密成形”涉及产品设计、材料学、成形工艺和塑性力学、热学、成形设备、成形模具、润滑材料等诸多领域， 例如在锻造行业,“塑性成形”技术的应用，使锻造生产从传统的粗坯、费力、脏乱、污染的作坊式制作，一跃成为具有高精度、高质量、高效率、低能耗、低污染和低成本的现代化机械制造工艺。当代的机械制造行业中，塑性成形加工技术的应用非常广泛，小到最简单的家庭所用的锅碗瓢盆类的日用品，大到复杂精密的宇宙飞船、飞机、舰船、汽车等大量现代高技术产品，无不体现出塑性成形技术的威力，特别是在钢铁和有色金属的生产制造技术上，近70%～80%产品的生产过程离不开塑性加工技术的帮助。
“塑性精密成形”不仅是传统产业改造所必不可少的工艺方法，而且正在成为现代化高新技术产业的精密加工重要手段。它是利用现代科技成就，直接生产出全部或尽量接近零件最终形状的产品，使产品在机械性能、尺寸、成本和防污染方面凸显更好、更精、更省、更净的优势。现代塑性成形加工技术在注重节能、节材、高质量、高效率、低污染等方面取得飞速发展的同时，伴随着航空航天、汽车、家电、农机等产业不断增长的对高精度、高性能基础件的要求，已逐步形成了精密“塑性成形”的高科技加工技术新概念。这一方面大幅度提高了材料的使用率，另一方面由于减少了很多的切削加工工序，使金属零件的纤维组织保持连续不断，因此提高了材料的机械性能。进入21世纪以来，精密塑性成形在金属塑性加工的比例正在逐步增大。左图显示了近代精密成形技术在金属的塑性成形产品生产中所占的比例。
近代电子计算机数值模拟工程技术应用于塑性成形工程后，不仅使产品在未成形前就可以实现制造工艺优化设计，而且可以对塑性成形过程中的金属流动参数实现精确的工艺控制，还可对其成形过程中的应力场、应变场、温度场以及结构几何尺寸变化过程实现可视化。这无疑大大提高了产品的外在和内在质量，极大地促进了塑性成形技术的发展，准确地讲，金属材料“塑性成形”是现代综合技术科学的结晶。
“精密成形国家工程
研究中心” 行业领跑
北京机电研究所“精密成形国家工程研究中心”由原国家计委批准列入国家“九·五”科技发展规划，是利用世界银行科技贷款和国内拨款建设的国家级工程研究中心。该工程中心以汽车、机械、电子、家用电器、能源、通讯、计算机、办公机械等新技术产业为服务对象，以精密成形技术工程化研究、中试和相应的配套技术研发为主体，向企业提供成熟的、成套的生产应用技术及包括软件、硬件、咨询、人员培训等系列服务。
塑性成形发展史 篇4
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：
[1]李德群，塑性加工技术发展状况及趋势[J]，航空制造技术，2000，（3）
[2] 锻压少无切屑工艺发展概况[J]，华中工学院锻压教研室，1978，（3）
[3]邵杰，超塑成形/扩散连接：一种先进钣金轻量化制造技术[J]，中国航空报，2013，（9）
[4]潘豪，微成形技术的研究概述[J]，苏州高等职业技术学校，2013，（9）
[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）
词语塑性造句 篇5
2、现在你能很清楚看到,塑性流动的部分。
3、这部分都是塑性流动。
4、在一次新闻发布会上，他说这种新型玻璃比钢铁更牢固，因为“这种玻璃能承受来自压力的极强塑性，让它弯曲而不破裂。”
5、其效果就像是快速旋转一些橡皮泥。尽管地球的可塑性很大，但却远远小于儿童所熟悉的硅粉塑性黏土。
6、漫步在狭窄的小巷的露天市场，你就会明白为什么摩洛哥食物是如此的让舌头—发麻;看看那些精心塑性，彩虹般多彩让人眼花缭乱的香料吧。
7、通过退火实验发现绝热剪切带在一定的退火工艺后自行消失，从而得出绝热剪切带是一种塑性变形组织。
8、并以此为基础研究了非均质焊接接头塑性断裂力学分析的工程方法。
9、最后利用弹塑性分析方法对单锚模型进行了参数研究，为锚固区的设计提供一些有益的参考。
10、当B在电工圆铝杆中的质量分数超过0.045%时，塑性有所下降;
11、塑性或减肥计划有助于提高你的自尊。
12、这表明本文推导的计算公式是可行的，近似塑性条件对理论计算的挤压变形力具有显著的影响。
13、塑性变形就是在断裂前弯曲或变形的能力。
14、纯弹性断裂总是极少的，因之在加载应力作用下，裂纹顶端总是存在着或大或小的塑性区，存在着裂纹与位错的`交互作用。
15、考虑岩石和土体变形，取对数螺旋面为破坏面，利用塑性力学中的极限分析方法对边坡的临界高度进行了研究。
16、首先，采用弹塑性理论分析，对不同覆岩运动结构下采场煤层底板的应力状态进行了分析，获得了一些规律性认识。
17、这一结论不仅与一些文献结果相吻合，而且说明用梯度塑性理论能够近似描述等间距现象。
18、国内外不少专家学者对这一问题进行了研究，积累了宝贵的试验数据，并提出了一些塑性设计的建议和方法。
19、一般冲压弯头中含碳量较高则硬度越大，强度也越高，但塑性较低。
20、本文分析结果对指导超塑性胀形工艺设计具有实际意义。
21、拉伸残余应力较大的区域与等效塑性应变较大的区域具有较好的对应关系。
22、弹性模量是塑性混凝土的一项重要力学性能指标。
23、把仿真得到的载荷-位移曲线和试验结果拟合，如果两者基本一致，材料的塑性特性即被获得。
24、为了避免活塞因端面不均衡塑性变形而导致端部边缘破损、端面与轴线垂直度破坏等情况发生，需要对活塞端部结构进行改进。
塑性成形发展史 篇6
数值模拟的主要方法是有限元法, 它是一种与解析法完全不同的思路, 它的基本思想是将一个连续域离散为有限个力学单元, 这些单元通过有限个公共节点相连接, 组成的集合体能提供整个连续域结构的力学特性。由于单元能按不同的联结方式进行组合, 且单元本身又可以有不同形状, 因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来, 一个问题的有限元分析中, 未知场函数在各个节点上的数值就成为新的未知量, 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题, 一经求解出这些未知量, 就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值, 从而得到整个求解域上的近似解。
1 有限元方法的发展历史
有限元法最早可追溯到上世纪40年代。Courant首次成功应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理求解了圣维南扭转问题。50年代中期, Turner和Clough等在分析飞机结构时, 将钢架位移法推广运用于弹性力学平面问题, 使用三角形单元得到了平面应力分析的正确答案, 使人们认识到了它的功效, “有限单元法” (finiteelement method, FEM) 一词由此而生。1963年Melosh认识到, 有限单元法的数学基础是一种基于变分原理的分片Ritz法, 从而奠定了其数学理论基础。1967年, Marcal和King[1]首次用有限元法求解了弹塑性变形问题, 揭开了有限元法在塑性加工领域应用的序幕。到了20世纪七八十年代, 有限元分析基本理论和方法已发展成熟, 从最早的结构化矩阵分析渐渐发展到板、壳和实体等连续体力学分析。随后的研究致力于高精度单元、板壳单元、非线性问题的迭代求解方法、适用于新型材料的有限元方法、多尺度有限元和多场耦合等问题研究。
2 有限元商业软件简介
目前在国际上, 用于分析塑性成形问题的有限元软件不下100个。如表1-1[2,3,4,5]所示列出了目前国际上在塑性成形数值模拟领域比较有名的软件及其应用情况。
3 塑性变形过程数值模拟的基本过程
3.1 物体离散化
结构离散化, 就是将分析的对象划分为有限多个单元体, 并在单元体的指定点设置结点, 把相邻的单元体连接起来组成单元的集合体, 以代替原来的结构, 这个过程又称为网格 (单元) 划分。单元体的形状、大小和所有单元的总数都会影响模拟计算的结果, 一般来说, 网格密度越高 (即在网格中单元的数量越大) , 计算结果就越精确, 随着网格密度的增加, 分析结果会收到唯一解, 但用于分析计算所需的时间也会增加。
如果分析的对象是连续体, 那么怎么划分单元就成为有限元分析首先遇到的问题。为了有效地逼近实际的连续体, 就要合理地选择单元的形状、确定单元数目和划分方案等。
对于连续体结构的离散, 需要人为地设置一些结点, 结点与结点之间的连线将成为单元的边界。结构离散化是有限元分析的第一步, 它实际上涉及整个分析计算方案的确定。
3.2 选择位移模式
有限元分析的主要目的是计算出分析对象的盈利、应变和位移, 但在基本方程中, 只有结点处的位移作为未知量。为了能用结点位移表示单元内任一点处的位移, 必须对整个单元内位移的分布作出一定的假设, 即必须位移是坐标的某种简单的函数, 这种函数就称为位移模式, 也称为位移函数。
3.3 单元力学特性分析
单元的力学特性分析主要包括三部分的内容。
3.3.1 利用几何方程中的应变与位移关系, 由位移表达式 (1) 导出用结点位移
表示单元应变的关系式, 即:
式中:{ε}为:单元内任意一点的应变矩阵;[B]为:单元应变矩阵。
3.3.2 利用物理方程, 即应力应变关系{σ}=[D]{ε}及应变与位移关系式 (2-2) 可导出用结点位移表示单元应力的关系, 即:
式中:{σ}为:单元内任意一点的应变矩阵;[D]为:单元应变矩阵。
3.3.3 按照虚功原理建立作用于单元上的结点力与结点位移的关系, 即单元的刚度方程, 记为:
式中:{R}为:单元内任意一点的应变矩阵;[K]为:单元应变矩阵。
4 结语
4.1 本文对有限元方法的发展历史进行了详细的介绍和分析, 并在此基础至少总结了之前的学者对于有限元分析研究的成果, 提出了学者的研究现状与未来的发展方向。
4.2 本文对当前国际上的主流CAE数值模拟分析技术进行分析, 总结了当前国内外各种分析技术的主要特点和应用场合, 为以后的设计和分析提供了指导和参考。
4.3 本文通过结合之前学者的研究成过得出了塑性成形中数值模拟的基本过程为:物体离散、选择位移模式以及单元力学特性分析, 三大步骤。
摘要：本文以金属成形工艺中的有限元数值模拟技术为研究对象, 基于之前学者的研究基础, 对现有的数值模拟技术种类与理论技术尽心了系统的介绍和分析, 并通过对现有的有限元数值模拟软件和技术进行对比分析, 得出得出了各种数值模拟软件的特点和应用场合, 为实际的设计和仿真提供了很好的参考和指导。
关键词：CAE,金属成形,数值模拟技术
参考文献
[1]V, M.P.and K.IP, Elastic-plastic analysis of two-dimensions tress system by the finite element method[J].Int.J.Mech.Sci, 1967 (9) :143-155.
[2]胡忠.塑性有限元模拟技术的最新进展[J].塑性工程学报, 1994, 3 (1) :3-13.
[3]Koc M and Altan T.prediction of forming limits and parameters in the tube hydroofrming process[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002 (42) :123-138.
[4]韩聪, 王小松, 苑世剑.管材内高压成形多步法数值模拟[J].材料科学与工艺, 2007, 15 (4) :465-468.
塑性成形发展史 篇7
2010年是我国“十一五”计划的完成年, 是国家科技计划重大专项“高档数控机床与基础制造装备”的执行年。“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项子课题中有多个塑性精密成形技术的项目和重型、大型锻压装备的项目。为了共同探讨中国塑性加工 (锻压) 业对制造装备和工艺的需求, 以及精密成形技术和设备的自主创新, 将于2010年9月25日在湖北省宜昌市举办“高档数控机床与制造工艺创新技术——精密塑性成形技术论坛”。针对塑性成形技术中塑性精密成形技术的发展, 总结“十一五”, 展望“十二五”, 开创精密成形技术的新篇章。
1.论坛主题:
面向塑性成形技术与装备、近净成形技术需求, 发展自主创新的制造装备和先进塑性成形装备与工艺。
2.主要议题
(征文内容) :①塑性成形先进技术与装备 (高速数控冲床、大型锻压设备、精密锻压技术) ;②航空航天、汽车、船舶、电站对塑性成形技术的工艺需求及新型装备;③精密塑性成形技术的产、学、研结合和发展途径;④企业自主创新能力的培育;⑤如何推动国产化装备和工艺技术在行业中的应用。
3.论坛日程
(2010年9月25日～26日) :①邀请主管部门负责人和直接参与“高档数控机床与基础制造装备”项目的负责人作论坛报告;②来自锻压骨干企业、参与国家重大研究的典型装备制造企业、研究机构的高管、专家和学者进行论坛发言 (可自愿申请报名演讲) 。③选择本次会议的征文进行专题交流。
4.联系方式:
北京市海淀区学清路18号 塑性工程学会秘书处 邮编:100083 电话:010-62920654, 82415084 传真:010-62920654 E-mail:duanya@cmes.联系人:张倩生 刘竹楠
快速成形技术的发展 篇8
随着科技进步和全球市场一体化的形成,制造工业已经从单品种、大批量、长周期向多品种、小批量、短周期的方向发展。为此,快速响应市场需求,已成为制造业发展的重要走向。近年来,工业化国家一直在不遗余力地开发先进的制造技术以提高制造工业的发展水平。随着计算机、微电子、信息化、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展,产生了一批新的制造技术和制造模式,制造工程与科学取得了前所未有的成就。20世纪60年代发展起来的快速成形(rapid prototyping,RP)技术,就是在这种背景下产生的。它能在很短的时间内直接制造产品样品,无需传统的机械加工设备和工艺,从而显著地缩短了产品投放市场的周期,增强了企业的竞争能力。目前,RP技术是世界上发展最快的制造技术,也是近年来增长最快的工业领域之一。因此,我国为了顺应世界发展的潮流,已经把RP制造技术列为高新技术。
1 RP技术的基本成形原理
RP技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)或材料增加成形(MAP)技术及其集成。通俗地说,快速成形技术就是利用三维CAD的数据,通过快速成形机,将一层层的材料堆积成实体原型。快速成形的技术体系如图1所示。
2RP常用的四种成形工艺
RP技术的成形方法多达十余种,目前应用较多的有立体光固化法(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、熔积成形(FDM)等。这些工艺方法都是在材料叠加成形的原理基础上,结合材料的物理化学特性和先进的工艺方法而形成的,它与其他学科的发展密切相关。
2.1SLA
SLA也常被称为立体光刻或立体印刷成形,是最早发展起来的RP技术。它以光敏树脂为原料,通过计算机控制紫外激光,按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。一层固化完成后,工作台下移一个层厚的距离,以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,如此重复,直至得到三维实体模型。光固化成形的优点是:1)成形速度快,自动化程度高;2)尺寸精度高;3)表面品质好,可以达到磨削加工的表面效果。其主要缺点是:1)需要支撑结构;2)成形过程发生物理和化学变化,容易翘曲变形;3)原材料有污染;4)需要固化处理,且不便进行机加工;5)成形件易吸湿膨胀,抗腐蚀能力较差。根据以上特点,SLA法主要应用于复杂、高精度、有艺术用途的精细件。
2.2LOM
LOM也称薄形材料选择性切割。它根据CAD三维模型每一个截面的轮廓线,在计算机的控制下,用CO2激光对薄形材料进行切割,逐步得到各层截面,并粘结在一起,这样反复逐层切割、粘合直至形成所需产品。零件轮廓以外的部分用激光剪切成小碎片,以便零件制作完毕之后移去。这种方法的主要优点是:1)成形精度高;2)无需后固化处理;3)无需支撑结构;4)原材料价格便宜,成本低。其主要缺点是:(1)不适宜做薄壁原形;(2)表面比较粗糙,成形后需要打磨;(3)易吸湿膨胀;(4)工件强度差,缺少弹性;5)材料浪费大,清理废料比较困难。根据以上特点,LOM法主要适合成形大中型的实体零件。
2.3FDM
FDM又被称为熔丝沉积法或丝状材料选择性熔覆。它是将丝状的热熔性材料加热熔化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。然后重复以上过程,继续熔喷沉积,直至形成整个实体造型。熔丝沉积法的主要优点是:1)成形材料种类多,成形件强度高;2)精度高,表面品质好,易于装配;3)无公害,可在办公室环境下进行。其主要缺点是:1)成形时间较长;2)需要支撑;3)沿成形轴垂直方向的强度比较弱。所以,此方法主要应用于成形小塑料件。
2.4SLS
SLS又称为选区激光烧结。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末),激光在计算机控制下,按照界面轮廓信息,对实心部分粉末进行烧结,然后不断循环,层层堆积成形。此方法的优点是:1)可直接得到金属件;2)材料选择范围广;3)原则上无需支撑结构;4)材料利用率高,成形速度快。其主要缺点是:1)成形件的强度和精度较差;2)能量消耗高;3)后处理工艺复杂,样件的变形较大。针对以上特点,SLS法主要应用于铸造业,用来直接制作快速模具。
3RP技术的特点
a) 快速性:通过STL格式文件,RPM系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接,从CAD模型到完成原形制作通常只需几小时到几十小时,可实现产品开发的快速闭环反馈;
b) 高度柔性:RP系统是真正的数字化制造系统,它取消了工装夹具,系统不作任何改变和调整即可完成不同类形的零件的加工制作,特别适合新品开发或单件小批量生产;
c) 与复杂程度无关性:零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关,而只与其净体积有关;
d) 高度集成化:RP应用重复的三维扫描成形复杂的三维零件,避免了数控加工的复杂编程步骤,并从根本上克服了CAD/CAM集成时,计算机辅助工艺过程设计(computer aided process planning,CAPP)这一瓶颈问题,从而实现高度自动化和程序化;
e) 材料的广泛性:RP技术可以制造树脂类、塑料类原型,还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型;
f) 加工特点:RP技术突破了“毛坯/切削加工/成品”的传统的零件加工模式,开创了不用刀具制作零件的先河,是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比,RP加工具有以下优点:1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等,零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关,大大降低了新产品的开发成本和开发周期;2)属于非接触加工,不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具,无刀具磨损和切削力的影响;3)无振动,噪声和切削废料;4)可实现完全自动化生产;5)加工效率高,能快速制作出产品实体模型及模具。
4RP技术的发展趋势
4.1RP设备的大型化和小型微型化
目前,RP技术向两个方向发展:一是工业化大型系统,用于制造高精度、高性能零件。例如美国南加州大学的CC-Contour crafting工艺等。另一方面是自动化的桌面小型系统,此类系统称为概念模型机或台式机,主要特点是成形速度快、精度适中、设备小巧、运行可靠、清洁、无噪声,主要用于制造概念原形。现在出现的桌面系统,如3D Systems的Actua2100系统、EOS的DESKTOP200系统、我国殷华公司的MEM-200等就是典型的快速概念型制造系统。另外,RP同时向微型制造领域进军,如日本Nagoya大学已可用聚焦直径为5μm的激光束来制造出微型静脉阀、集成电路零件等。
4.2RP行业的标准化
由于RP技术刚刚起步,在很多方面缺乏标准。因此,迫切需要制定合理的行业标准,这样有利于RP技术的推广应用。
4.3 快速成形与生物制造
生物制造是在制造科学和生命科学的交叉领域产生的新的方向,它当前最关注的目标是采用有生命的细胞以及生物材料,采用RP的成形原理,在RP工艺支持下,组装有生命的特定功能的组织和器官以及活性或非活性功能体。尤其是目前对可植入患者体内用于器官替代和修复的活体器官或功能体,有着巨大需求。因此,快速成形在生物制造方面的应用也是热门方向之一。
4.4 先进材料的应用
先进材料应用于RP技术是未来几年重要的发展方向。目前,光子晶体材料、热敏聚合物材料、微制造RP材料、功能梯度复合材料等各类先进材料已经得到应用。特别需要指出的是,生物学工程在21世纪将成为继信息产业后最重要的科学研究和增长热点。因此,以组织工程材料RP为主导的生物制造将是今后的热点。
4.5 绿色制造
产品的绿色设计、制造、清洁化生产以及人类的可持续发展是当今的研究热点。因此,RP技术是否符合绿色制造要求,直接关系到该技术的可持续发展。所以,绿色材料、绿色工艺将成为RP所需解决的问题。
5 结语
RP技术是一种处在发展完善过程的高新技术,它与其他科学交叉是其发展趋势。21世纪将是以知识经济和信息社会为特征的时代,随着市场竞争和科技发展,该技术必将更加广泛地应用于社会的各个领域,这不仅给企业和人类生活带来更大的收益,而且会促使其它相关产业和技术的发展。因此必须赶超世界先进水平,加快我国的RP技术的工业化、产业化和市场化步伐,为经济发展和小康社会的宏伟目标做出更大贡献。
摘要：介绍了快速成形(RP)技术的发展状况,具体分析了RP技术的原理和目前应用较多的立体光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、熔积成形(FDM)4种RP方法,并结合该技术研究的最新进展,提出了未来的发展趋势。
关键词：快速成形,立体光固化,激光烧结,分层实体制造,熔积成形
参考文献
[1]曹炜,曾忠,李合生.快速成形技术及其发展趋势[J].机械设计与制造,2006(5).
[2]王广春,赵国群.快速成形与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]夏卿坤.快速成形技术[J].长沙大学学报,2005(9).
[4]陈晓华.快速成形技术[J].电气制造,2006(3).
[5]罗辑,黄强,陈世平,等.快速成形技术及其对制造业的影响[J].机床与液压,2006(3).