材料成形工艺（共11篇）
材料成形工艺 篇1
0 引言
喷射成形(Spray forming),又称喷射沉积(Spray deposition),有时也称为液体动态固结(Liquid dynamics compaction)和喷射铸造(Spray casting),在商业上则通称为奥斯普瑞工艺(Osprey process)[1]。喷射成形技术是20世纪60年代末由英国Swansea大学的A.Singer教授发明的[2],作为一种新颖的金属加工技术,经过近半个世纪的发展已引起了人们日益浓厚的兴趣,用途极广,可涉及许多材料和不同的加工领域。金属喷射成形工艺具有快速凝固的特点,与常规的铸造方法相比,凝固过程的冷却速率要高得多,因而能解决铸造合金中普遍存在的晶粒粗大、宏观偏析、析出相粗大等弊病。而且它工艺简单,能使液态金属直接形成接近最终形状的制品,故在许多材料的加工和成形方面显示出巨大的潜力[3]。但是通过喷射成形技术直接制备出来的制品不可避免地含有一定数量的孔隙,密度相对较低,性能相对较差,必须通过合理的后续致密化工艺对其进行致密化处理才能得到高致密度的制品,以充分发挥出制品的各种性能[4]。因此,本文介绍6种主要的喷射成形多孔材料的致密化工艺。
1 热挤压工艺
热挤压工艺是利用挤压机上挤压杆传递的高压,将封闭在挤压筒中的坯料挤压成与模具形状相同制品的一种塑性加工方法,也是一种有效的使多孔材料致密化的工艺[5],其示意图见图1。
挤压工艺的最大特点是近于在密闭工具中进行。因此,变形是在很高的静水压力下进行的。
多孔材料的热挤压包括坯料热压缩和热机械加工2个过程。致密度相对较低的喷射成形锭坯在挤压过程中受三向压应力作用,产生两向压缩一向拉伸的变形流动。这样的应力状态十分有利于材料内部孔洞的闭合,同时可阻止裂纹的生成和扩展。并且挤压时锭坯与挤压筒壁之间存在摩擦,这造成了被挤坯料径向变形的不均匀,即中心流动速度快,表面流动速度慢,从而形成剪切作用,这有利于坯料中夹杂的氧化膜的破碎,从而形成新的结合界面,形成冶金结合,提高材料的强度。
采用挤压工艺对喷射成形材料进行致密化具有很多优越性,但也存在一些局限性:(1)坯料内空隙中的气体不易排出,在挤压过程中可能导致材料表面起泡,影响材料的力学性能;(2)难以挤压大型坯件;(3)挤压变形过程中易形成织构,使材料产生各向异性,对材料的最终使用很不利。
影响喷射成形坯热挤压致密化工艺的2个关键因素是加热温度[6]和变形量。肖于德等[7]的研究表明,在挤压变形时,挤压温度不能过高,变形量不能太小。
2 轧制工艺
轧制是靠2个轧辊之间的压缩来减薄工件的厚度,以获得所需尺寸的零件或使坯样致密化的一种工艺[8],其示意图见图2。该工艺在金属的再结晶温度以上进行时,称为热轧;在金属的再结晶温度以下进行时,则称为冷轧。
轧制工艺不仅可以对致密金属进行塑性加工,而且可以对多孔材料进行致密化处理。但是多孔材料的轧制变形与致密金属的轧制变形相比,具有自身的特点[9],如厚度压下量相等时,其纵向流动要比致密金属小得多。多孔材料的纵向流动量与材料的压下量、材料的瞬时密度等有关。
采用挤压、锻造、热等静压等技术对喷射成形材料进行后续致密化和塑性变形时,由于受设备吨位、模具尺寸和性能的限制及其工艺特征的影响,使得喷射成形多孔材料致密化后的最终性能并不理想。而轧制提供了与上述工艺通过高的静水压应力场致密多孔材料的不同应力场,是一种有效的使多孔材料完全致密化的工艺[10,11]。多孔材料在轧制过程中,力场包括静水压力及偏应力分量。多孔材料在这样一种应力场作用下,孔洞会发生扁平化塌陷,材料迅速致密化。同时轧制变形是应力状态为一向压缩、两向延伸的变形,材料的纵向流动可以使孔洞发生剪切破碎,因而有利于多孔材料的致密化。
轧制坯料一般是经过挤压的坯料或经过挤压和锻造的坯料,与挤压变形相比,直接采用轧制加工,变形过程具有很大的难度,总的来说可归因于:(1)轧制过程的静水压力条件要差一些,由于变形不均匀容易导致轧件边部开裂;(2)轧制时,由于轧件厚向温度不均匀而造成变形不均匀性增加,容易使表面开裂;(3)易出现劈头、分层等断裂形式。
基于大多喷射成形合金难于实现直接轧制的缺点,陈振华教授等[12,13]采用交叉横轧、包套轧制、外框限制与陶瓷颗粒包覆轧制等新颖技术(见图3)致密喷射成形多孔板坯,取得了较好的效果。其中包套轧制是利用包套材料增大喷射成形多孔板坯在轧制中的静水压力,适当限制其横向宽展,并使板坯各部分在轧制中保持均匀的温度以使变形均匀,防止轧板开裂。而外框限制与陶瓷颗粒包覆轧制是利用具有流动性的陶瓷粉末作为传力和保温介质,使板坯在轧制中产生准等静压的效果,有效致密多孔坯料,避免板坯开裂。
3 锻造工艺
锻造是利用冲击力或压力使金属材料在上下2个砧铁或锤头与砧铁之间产生变形,从而获得所需形状、尺寸、致密度和力学性能的锻件的成型过程。锻造的主要特点是工艺过程简单,不受条件限制,应用非常广泛[14]。
锻造一般来说可分为自由锻和模锻2种形式(见图4),对于大型锻件,自由锻是唯一可能的加工方法[15]。多孔材料经过加热,在闭式模中进行模锻,可以制取相对密度为98%以上的锻件,零件的强度和韧性得到显著提高[16]。
与致密金属的锻造过程不同,多孔坯料的锻造变形伴随着由于致密化带来的体积变小,这样使锻造时的鼓形更小。但由于外摩擦引起的不均匀变形导致坯料应力状态也不均匀,即锻件在鼓形表面产生周向拉应力,并且与致密坯料相比,多孔材料中孔隙对拉应力更加敏感,从而使多孔材料在拉应力状态下具有低塑性的特点,导致坯件开裂。因此通常采用包套或模锻的方式[17](以限制坯料的切向流动量)对喷射成形多孔坯料进行致密化处理,以防止坯件的开裂。
目前,对锻造过程中多孔材料的变形与断裂的研究主要包括:锻造压力、相对密度、高向应变的关系;相对密度与泊松比的关系;锻造过程的塑性理论研究;锻件的密度分布;墩粗过程表面断裂时的拉应变与压应变之间的关系等。锻造过程中材料的变形、致密化和断裂行为主要取决于预成形坯料的形状、尺寸、密度的设计。影响多孔材料锻造性能的因素除多孔坯的可锻性外,还有锻造压力、锻造温度、锻模温度、润滑及冷却等。
4 热等静压工艺
热等静压[18]工艺(见图5)是采用高温和各向均等的高压,使多孔材料的孔隙得到有效闭合的一种材料致密化工艺。运用热等静压工艺可使喷射成形多孔材料的致密度达到99.7%～99.9%,甚至更高,从而获得高致密的、可供工程实验用的优良材质[19]。
热等静压一方面可以去除孔隙,另一方面可以稳定组织。由于坯件是在三向等压应力状况下致密的,其致密化速度快,晶粒不易长大,并能保持喷射成形坯件晶粒细小、杂质含量低以及部分快速冷凝组织等优点。另外,热等静压制品的形状不受任何限制,所得产品成分、密度、硬度都比钢模冷压或石墨热压产品均匀[20,21]。
由于是对固体块状材料进行加压,且热等静压的温度比一般粉末冶金的烧结温度低,故热等静压只能基本消除喷射成形坯料内部的细小孔隙,使孔隙率大大降低,但不可能彻底去除所有孔隙。而且,由于晶粒在整个热等静压过程中基本上等轴变形,因此不利于粉末颗粒表面氧化膜的破碎,也不能使晶粒变形,故不利于颗粒之间的冶金结合。此外,热等静压设备昂贵,成本较高。
目前,热等静压技术在其它方面的应用主要有[22,23]金属和陶瓷的固结、金刚石刀具的烧结、铸件质量的修复和改善、高性能磁性材料及靶材的致密化、硬合金后期致密及扩散粘结等。
5 楔形压制工艺
楔形压制工艺(又称循环压制,Cyclic pressing),最初是一种粉末压制工艺,通过局部小变形累积而实现整体成形[24,25,26,27],其工艺过程示意图见图6。
楔形压制的基本原理是利用上模冲头的预压斜面与粉末体间的摩擦而产生的自锁作用,阻止在垂直压力作用下产生侧压力使粉末体向后滑动来实现成形。
近些年,陈振华教授等根据楔形压制的原理和楔形压头的设计原则[28],将楔形压制工艺发展为一种喷射成形坯料的楔形热压和楔形锻造工艺。在一定温度下,楔形压头按环件旋转楔压(锻)或按直线方向楔压(锻)板带件,如图7(a)、(b)所示。另外,还可以采用楔压(锻)工艺对大型管件进行致密,如图7(c)所示。通过楔压或楔锻使喷射成形坯产生一定的塑性变形,可大幅度提高坯件的密度和性能。
在压制过程中,压头单次压下量很小,采用步进方式,从一端开始压制,每次向前移动一定距离,直至压完全程。通过多道次压制的累积,使多孔坯致密成形,压制出连续的板带坯、环件和管件。与其它压制成形工艺相比,楔形压制工艺具有明显的特点[26]:因为它是一种通过局部小变形、多道次小变形累积实现整体大变形直至致密的工艺,所以需要的压力机吨位不大(一般为60～100t),模具结构简单,操作简便,板坯长度、环件和管件尺寸不受压力机吨位和工作台尺寸的限制,压制后坯件的密度分布较为均匀,组织缺陷得到大幅度的消除,性能得到大幅度的提高。
6 陶粒压制工艺
陶粒压制就是利用具有一定性质的陶瓷颗粒作为传力介质,压力通过该介质传递到多孔材料上,使工件被压制成近净形产品,并且达到完全致密[29]。陶粒压制的具体流程如图8所示[30]。
首先,将坯件置于一个可控压的加热设备中加热;与此同时,将陶瓷颗粒加热到与坯件相同的温度;然后,将加热后的陶瓷颗粒装入一圆筒形模具中;再将坯件置于陶粒中。同样,也可先把坯件置于陶瓷颗粒中,再一起加热到预定温度。但前者更适合进行批量生产。坯件应完全被包覆在作为传力介质的陶瓷颗粒里面,为了提高压制后坯件的表面质量,通常情况下,要对预成形坯件表面进行涂层处理。接下来将装有坯件和陶瓷颗粒的圆筒形模子置于另一固定的圆筒形钢模中,等待压制。在压制过程中,使压力机冲头进入模腔对陶瓷颗粒沿轴向加载,由于陶瓷颗粒的传压作用,坯件会受到轴向力和侧向压力的同时作用,使坯件致密且成形(合理地选取压制过程中的可变参数值,可使压制后坯件接近全致密)。最后脱模将预成形坯件与陶瓷颗粒直接倾倒出来,并将坯件与陶瓷颗粒分离,压制成形完毕。
与热等静压技术(HIP)相比,陶粒压制工艺(Ceracon)具有如下的优点[31]:陶粒压制工艺所用的设备简单,投资很低;陶粒压制工艺可达到的最大压力相对较高,压制温度相对更低,工艺的循环周期更短。
不过陶粒压制工艺也存在一些缺点:由于是陶粒直接与坯件相互作用,这使得压制后坯件的表面比较粗糙,精度较低;此外,陶粒压制工艺对陶粒的选择有较高的要求,理想的陶瓷颗粒应该是球形的、弹性模量高、不易破碎和不易发生塑性变形、在高温下不易发生烧结,这在一定程度上又增加了该工艺的成本。
7 展望
喷射成形多孔材料后续致密化工艺发展至今,有了很大的进展,但还不完善。虽然工艺很多,但是由于多孔材料的塑性变形具有体积变小、质量不变的特点,这就导致了致密材料的塑性变形理论不适用于多孔材料,而到目前为止还没有一套完整的关于多孔材料塑性变形的理论模型。因此进一步完善多孔材料的致密化机理和塑性变形理论模型十分必要。其次,致密化过程中坯件形状尺寸的控制还是一个难点,有待进一步的研究。另外,致密化过程造成材料组织微观不均匀性的成因及其对材料最终使用性能的影响规律也是一个值得深入研究的方面。
喷射成形多孔材料致密化工艺虽然还不完全成熟,但是其在改善多孔材料组织、提高多孔材料性能等方面发挥了巨大的作用。相信随着其理论的完善和工艺的成熟,多孔材料的致密化工艺必然会为喷射成形技术带来新的发展前景。
摘要：介绍了6种常用的喷射成形多孔材料致密化工艺,即热挤压、轧制、锻造、热等静压、楔形压制和陶粒压制工艺,重点介绍了各种工艺的原理、特点、优缺点以及针对某些缺点而采取的一些改进措施。发现热挤压、轧制、锻造、热等静压和陶粒压制工艺能单次使喷射成形多孔材料整体成形致密化,而楔形压制是一种通过局部小变形累积以实现整体成形致密化的工艺;楔形压制在致密化喷射成形大尺寸材料方面具有独到的优势。最后,探讨和展望了今后的发展方向。
关键词：喷射成形,多孔材料,致密化工艺
材料成形工艺 篇2
充液拉深成形工艺与传统工艺的比较
以液体为介质成形零件已经有100多年的历史了.充液拉深成形与传统工艺相比具有许多优点,本课题从成形力、模具、拉深比及成形精度等几个方面阐述了充液拉深成形与传统工艺的区别.
作 者：王建琪 Wang Jianqi 作者单位：瑞典萨耀机床公司北京办事处 刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：V2 关键词：充液拉深 橡皮囊 模具 拉深比 成形精度材料成形工艺 篇3
【关键词】 薄板 冲压形成 工艺特点 实现方法
1. 薄板冲压成形性能的基本概念及其系统性质
薄板冲压成形性能指金属薄板对于冲压成形工艺过程及其模具结构的适应性，或将其视为金属薄板制品在其成形过程或冲压卸载时抵抗破裂、起皱和回弹等各种成形缺陷的能力，其技术物理状态最终都要表现为冲压制品的形状结构、冲压板料的性质性能、冲压成形工艺条件以及模具技术结构等诸多设计变域之间的相互协调程度，因此从制造工程理论上讲，冲压成形性能是一种具有多种层级因素相互作用的系统，其总体状态可用图1表示，而系统的优劣最终表现为金属薄板制品的冲压成形难易程度和冲压成形生产的质量好坏。
2. 薄板冲压件的主要成型工艺特点
2.1直接成形
金属薄板在各种冲压成形工艺过程或冲压成形试验中表现出的成形性能称为直接成形性能，其优劣程度或表征指标与冲压成形工艺或冲压成形试验设计的成形方式、工艺条件和模具结构等技术状态有关。
2.2间接成形
利用非冲压成形或非冲压成形试验获取的与成形性能相关，或对成形性能具有影响的金属薄板性能或性质称为间接成形性能，它们的表征指标与冲压成形工艺或冲压成形试验设计的成形方式、工艺条件和模具结构等技术状态无关，主要被用来划分金属薄板的成形性能品级，或作为金属薄板订货和供货的依据。
间接成形性能主要是冶金工业部门或材料工程行业对金属薄板所追求的产品性能性质指标，亦即金属薄板的各种本征性能和性质。最常用的间接成形性能主要指各种拉伸试验性能（包括塑性應变比值、应变硬化指数值和应变速率敏感系数值）指标，以及晶粒度、硬度和表面状态等材料性质，它们亦被称作金属薄板的基本成形性能参数或特定的成形性能指标。
2.3模拟成形
从成形几何条件与技术物理属性的相似性或近似性出发，对各种冲压成形方式、各种冲压变形模式、冲压成形过程的各种工艺和模具状态，以及不同类别冲压成形制品的制造信息等技术对象所设计的典型化试验称为模拟成形性能试验。金属薄板在各种模拟冲压成形试验中，对其成形试验过程的适应能力称为模拟成形性能。
由于模拟成形试验的典型化意义，针对不同的模拟目标所设计的模拟成形试验及其性能指标，可以从普遍意义的层面上表征金属薄板对于典型化冲压成形方式、典型化冲压变形模式、典型化冲压成形技术或各种典型化的冲压制品类别的可加工性质，表征模拟成形性能的试验指标通常可用作评定或选用金属薄板冲压成形品级的工艺性依据。
2.4实际成形
金属薄板对于实际冲压生产中个体制品成形过程的适应性，亦即个体制品的成形性能、冲压制品的成形难度，或称冲压成形制品的可制造性，这些概念均属于实际成形性能的技术范畴。
实际成形性能与模拟成形性能技术意义相对，前者包含个体冲压成形制品的全部制造信息（形状结构、尺寸大小、精度等级和表面状态等），是金属薄板成形性能对于冲压制品的个体化表现，是控斜冲压成形生产质量的依据；而后者则是把冲压制品的制造信息进行了典型化处理，属于金属薄板在普遍意义上面向某种典型技术目标的可加工性质。
3. 薄板冲压件成型工艺的实现方法
3.1断裂分离工序
断裂分离工序是在冲压过程中使冲压零件与板料沿一定轮廓线相互分离的工序，如落料、冲孔、修边、切口、剖切等等。
3.1.1落料：落料是在平板的毛坯上沿封闭轮廓进行冲裁，余下的就是废料。落料常用于工件的首工序。
3.1.2冲孔。冲孔是以落料件或其他成形件为工序件，完成各种形状孔的冲孔冲裁加工。
3.1.3修边。修边是指对成形件边缘进行冲裁，以获得工件要求的形状和尺寸。
3.1.4切口。如下图所示，在材料上将局部材料切开并弯成一定的角度，但不与主体完全分离，称为切口，也可称为冲切成形。
3.2塑性成形工序
塑性成形工序是材料在不破裂的条件下产生塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和精度要求的零件，如弯曲、拉深、涨形、翻边、缩口、卷圆等。
3.2.1弯曲：如图6所示，用将平板毛坯压弯成一定角度或将已弯件作进一步成形。如：压弯、卷边、扭曲等。
3.2.2拉伸：如图7所示，将平板毛坯压延成空心件，或使空心毛坯作进一步变形。
3.2.3缩口：如图8所示，在空心件外部施加压力，使局部直径缩小，例如：不锈钢盖、罐类产品等。
结束语
在实际零件成形过程中，应力和应变是非常复杂的，零件上每一点都在发生变化，因此，单纯根据应力和应变对零件进行成形分类是困难的。根据零件的外形特征，并结合实践与经验是重要的。
参考文献：
[1] 张鼎承.冲模设计手册.北京：机械工业出版社，2000-l2.
材料成形工艺 篇4
在不锈钢薄壁管材推弯成形工艺中, 管材内部需要填充滚珠防止失稳, 压下过程中滚珠对管壁压力、反推压力、摩擦因数与珠粒直径之间的参数关系难以用显函数表达, 优化设计中存在影响因素多、耗时长、效率低, 难以获得全局最优结果等问题。本文采用将神经网络、遗传算法和均匀设计法[1]三者结合的方法求解材料成形工艺中的最佳参数。以不锈钢薄壁管材推弯成形为例, 首先采用均匀设计法建立试验样本, 然后通过有限元模拟获得神经网络的训练样本, 经过训练学习得到稳定的神经网络模型, 最后利用遗传算法找出目标值最大的优化参数作为管材推弯工艺参数[2]。
1 神经网络、遗传算法和均匀设计法
1.1 均匀设计法
均匀设计法具有布点均匀、代表性好、试验次数明显比其他方法少、试验效益高[3]的特点。从均匀设计法手册[4]推荐的表中选择适合的表进行试验设计, 对于试验范围较大并且因素水平多的试验, 效果较好。
1.2 神经网络
在此采用误差反向传播的神经网络模型 (简称BP算法) , BP神经网络的训练模型如图1所示, 神经网络训练流程如图2所示。BP算法可以实现多层前馈神经网络的训练, 训练过程如下:
(1) 初始化设置, 在[-1, 1]区间内随机选取权值和阈值的初始值。
(2) 输入向量xp (p=1, 2, …, m) 和期望输出yq (q=1, 2, …, k) 的值。
(3) 计算隐层单元的误差状态:
其中:E为误差向量;Aj为网络误差;dj是第j个单元的权值;Wij是第i个单元和第j个单元的联接权值。
(4) 计算网络输出的误差状态:
其中:Ij为第j个单元所接受总输入变化时的误差导数。
(5) 若误差小于设定值, 则学习结束;否则反向传播误差值。
(6) 计算误差状态:
(7) 修正阈值θ和权值W:
其中:n为当前训练项数;θj为第j个单元的修正阈值;η为学习率;α为计算参数;δpj为径向扩展参数;Opj为上一层单元j的输出。阀值和权值满足要求, 则转步骤 (8) , 否则重复步骤 (3) 至 (7) 。
(8) 保存阈值和权值。
1.3 遗传算法
用BP神经网络建立起工艺参数和模具参数与成形力结果之间的映射关系后, 再利用遗传算法进行优化。优化时先调用人工神经网络函数 (ANN函数) 初始化种群, 然后对数据用并行、随机和自适应的优化算法, 再调用ANN函数进行复制、交叉、变异和选择操作, 最终求得问题的最优解或满意解。
2 试验应用
薄壁管弯头广泛应用于航天航空等领域。对于不锈钢薄壁管弯头来说, 由于壁厚很薄 (管径与壁厚比通常在50以上) , 弯曲过程中很容易出现失稳、起皱与开裂等缺陷。采用珠粒填充推弯成形工艺可以很好地解决这一问题, 然而, 推弯过程中的内压力、反推压力、摩擦润滑与珠粒直径需要花费大量的时间确定。这里通过均匀设计、有限元模拟、工艺试验以及多目标神经网络遗传算法优化程序实现壁厚0.3mm、外径Φ30mm不锈钢薄壁管材推弯成形工艺参数优化。
(1) 冷推弯成形工艺中要优化的4个输入量参数作为均匀设计法的4个因素, 取值范围见表1。
(2) 采用均匀设计法, 对其中的样本分别进行有限元模拟, 每个样本分别得出3个输出结果, 即管材截面椭圆度差值t, 最大管壁厚度差Tmax, 最小管壁厚度差Tmin。将内压力、反推压力、摩擦润滑与珠粒直径作为输入变量, 管材截面椭圆度差值、管材壁厚偏差作为输出结果, 通过神经网络进行训练学习测试后, 可以得到稳定的神经网络模型。
(3) 建立模型评价函数F:
其中:常数C1=0.4, C2=0.6。
模型评价函数考虑了最终推弯后的不锈钢薄壁管弯头壁厚偏差和管材截面椭圆度变化差值。薄壁管弯头壁厚偏差越小, 推弯后的弯头壁厚越均匀;管材截面椭圆度差值反映了最终工件的截面圆度, 也反映了最终的成品薄壁管弯头几何形状与尺寸是否满足工艺要求。
(4) 采用VB开发的多目标神经网络遗传算法优化程序, 对薄壁不锈钢管材推弯成形工艺参数进行优化, 寻找目标值最大的工艺优化参数, 将其作为薄壁管材推弯最优工艺参数, 优化结果如表2所示。
(5) 对上面计算得到的最优工艺参数进行有限元模拟检验。模拟得到薄壁管材推弯成形效果最佳时的内压力为15MPa, 反推压力在12MPa~15MPa之间, 摩擦系数在0.20~0.60之间, 粒径为0.7mm。
3 结论
综合运用均匀设计法、神经网络、遗传算法与有限元法等优化方法, 可以充分发挥各种算法的优势。将这些方法应用于薄壁不锈钢管材推弯成形工艺的参数优化中, 取得了很好的效果, 获取的网络模型合理、试验周期短、非线性逼近能力强、全局优化性强, 且目标优化准确率高。
摘要：基于均匀设计法、神经网络与遗传算法, 对不锈钢薄壁管材推弯成形工艺进行了参数优化, 优化后的结果具有均匀可靠性、全局优化特性、网络预测推理功能, 运用了神经网络的非线性映射, 最后得出最优结果。通过不锈钢薄壁管材推弯成形工艺进行验证, 证明该方法高效、可靠, 可为实际生产提供有效的优化平台。
关键词：神经网络,遗传算法,均匀设计,参数优化
参考文献
[1]郭海丁, 路志峰.基于BP神经网络和遗传算法的结构优化设计[J].航空动力学报, 2003, 18 (2) :216-220.
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[3]金汀.均匀设计优化软件的开发及应用[J].医药工程设计, 1998 (4) :41-43.
[4]肖专文, 徐日庆.求解复杂工程优化问题的一种实用方法[J].水利学报, 1992 (2) :23-27.
[5]邱建新, 张士宏, 李国禄, 等.均匀设计法、神经网络和遗传算法结合在内高压成形工艺参数优化中的应用[J].塑性工程学报, 2005, 12 (4) :76-79.
材料成形工艺 篇5
超塑成形/扩散焊接组合工艺数值模拟初探
基于超塑性材料高温扩散蠕变、晶界滑移、孔洞闭合、界面再结晶机理,研究SPF/DB组合工艺的数值模拟,用非线性有限元数值模拟超塑成形和预测厚度变薄率,将有限元结果作为加载条件,计算扩散焊接焊合率和预测焊接强度,计算结果与3维实验数据曲面比较,吻合良好.
作 者：李靖谊 王卫英 Li Jingyi Wang Weiying 作者单位：南京航空航天大学机电工程学院,南京,210016刊 名：南京航空航天大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS & ASTRONAUTICS年，卷(期)：199931(3)分类号：V261.3 O345关键词：超塑性成形 扩散焊 非线性有限元 数值模拟 焊合率
材料成形工艺 篇6
【关键词】螺旋伞齿轮；铸造工艺；锻造工艺；模腔
0.引言
随着我国制造业水平的不断提升，我国汽车工业在向环保、舒适、节能、安全等方向发展。汽车从动螺旋伞齿轮作为汽车的重要部件，性能的好坏直接影响汽车的安全和传动效率。其生产工艺的优化对整个机械行业的整体技术水平提高具有至关重要的作用。
1.汽车从动螺旋伞齿轮成形方法简介
1.1铸造成形法
螺旋伞齿轮长期采用的加工工艺是锻造成形法方法，汽车传动的主动和从动螺旋伞齿轮，其生产工艺是先用铸造制坯，然后进行机械加工的方法。在长期的应用中，铸造加工逐渐发展成一种比较成熟的工艺，并成为主流的工艺[1-3]。但是这种方法的缺点和不足同样很突出，效率低下，对材料的浪费严重，在切削过程中，材料内部的流线被严重的破坏，极大的影响了齿轮重要部位的抗弯曲坯料的能力，耐磨性和防腐蚀性能也有很大程度的降低，进而影响其寿命[4]。其工艺路线如图一。
图一
1.2锻造成形法
锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。[5]要使车用螺旋伞齿轮节能降耗、降低成本，需要用锻造工艺直接生产减速器螺旋伞齿轮，通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，必须保证工艺的可靠性和可行性，模具寿命是否足够高以收回成本，其中稳定性是一个关键问题，能不能充满，会不会出现折叠，脱模性如何[3，4]。用物理模拟的方法进行研究显然是奢侈的，会浪费很大的人力物力，产生大量的模具材料费、模具加工费、研发时间也会很长。需利用有限元方法和数值模拟清晰的显示成形过程中的每一个细节，对成形缺陷的优化更简洁。其工艺路线如图二：
图二
1.3铸造锻造成形方法比较
1.3.1微观组织性能得到改善
锻造的特点在于，成形过程中坯料收到三向压应力作用，促使材料晶粒细化，提高了组织的致密性，很多缺陷愈合。使得金属流线都沿着外表面，消除了残余应力，热处理后齿形基本不会变形，从而使得齿轮的性能得到提高。从理论上说，锻造后齿轮抗冲击强度提高了15%，抗弯曲疲劳寿命和强度均能提高20%以上[6]。
1.3.2精度较高
一般齿轮锻造后不需要机械加工，或者只要进行少量机械加工就可以进入热处理环节，并开始使用。这样就使得生产效率得到了提高，生产成本相应的降低。从理论上说，使用精锻生产齿轮，与通常机械加工对照，生产效率能够翻倍，如果进行批量生产，成本会降低三成以上，材料利用率提高大约40%。从经济的角度考虑，如果零件一批生产超过2000件，精密模锻的优点就十分突出。若现有的锻造和加热设备能够满足工艺要求，超过500件时便可以采用精密模锻技术进行生产，精锻的优势也会有比较好的体现[7]。
1.3.3与机械加工方便比较，精锻可以减少机床和场地的利用量，而且，研究发现，精锻齿轮具有较小的啮合噪音
综上所述，精锻齿轮相比传统的机械加工，能够显著提高产品性能和节约成本。
2.车用主减速器从动螺旋伞齿轮锻造成形工艺
车用主减速器从动螺旋伞齿轮采用一火两锻，工艺流程为：坯料少无氧化加热→制坯（镦粗、 冲孔、 扩孔）→粗锻→精压→表面清理→车削除齿面以外其他部分→精铣齿面→热处理→磨内孔。这里对螺旋伞齿轮成型过程中的制坯、粗锻、终锻进行设计。
2.1制坯工步设计
在精锻螺旋伞齿轮时，坯料形状和尺寸的选择极为重要，它不仅影响轮齿成形，而且影响锻件内部质量及锻模寿命。为了确保良好的成形，减少坯料成形初始阶段的自由镦粗的时间，坯料的外直径应尽量接近齿根圆。根据体积不变定律，螺旋伞齿轮精锻成形所用原始坯料的体积和重量应当与精锻成形件的体积和重量相等，以及原始坯料的高度L与直径D之比必须小于2.5的原则[8]。为了使金属流动易于充满齿形，坯料要预成形，加工成与锻件形状接近的圆锥或圆柱台形。设计当中根据精锻成形所用原始坯料的体积和重量应当与精锻成形件的体积和重量相等原则，设计了预制坯，预制坯形状如图三所示
图三 预制坯实体模型
2.2粗锻、终锻工步设计
粗锻的填充是为了保证终锻更好的成形，因此在粗锻时可适当加大过渡处的圆角，但过大的圆角有可能在终锻时产生折叠，因此必须注意R的选择， R必须符合式 R1=R+C的要求，其中R为终锻模腔上相应处的圆角半径。式中的C值按表1选取。
表1 C与h的关系
根据以上设计原则，螺旋伞齿轮在中心分流工艺中上下凸模带有圆台凸台的预锻件及终锻件的形状。依据螺旋伞齿轮的锻件图以及工艺要求，运用UG建立的螺旋伞齿轮精锻模具的实体模型如图四所示。
（a）预锻件 （b）终锻件
图四 预锻件及终锻件图
2.3模腔的设計
（1）为避免预锻件放入终锻型腔中产生折叠和流线交错的缺陷，必须保证预锻件和终锻型腔的匹配，因此预锻型腔必须与终锻型腔匹配。
（2）为保证终锻的充填，再设计预锻件时，一般都是考虑使预锻件在终锻型腔中以镦粗的方式充填，预锻模具的分模面相较终锻型腔要小一些，连皮尺寸要厚一些。
（3）通常设计时，预锻件要比终锻模膛高度方向高2-5mm[9]，这样可以使金属在预锻时高度方向流动的阻力减小，保证终锻时，型腔的填充。 （下转第210页）
（上接第148页）（4）预锻件放入型腔时，希望以压入方式填充终锻型腔，预锻型腔拔模斜度一般与终锻型腔相同，这样当预锻件进入终锻型腔时，锻件会接触终锻模腔壁，逐渐流向模腔深处，可以有效防止因为不良好贴合而产生的折叠和流线不顺问题。
（5）因为终锻模膛在更大程度上保证了锻件的质量精度，因此，我们必须保证较大的变形量在预锻时完成，以减少终锻模具磨损。在设计圆角过渡部位时，或转角部位时，一般先在预锻模腔上设置一个较大的过度，然后在终锻模腔上设置比较准确的过度，这样，可以改善金属流动，减少产生折叠和流线不均匀的问题。
（6）对于锻件上一些小的凸台、凹槽，这些小的结构在终锻时就可一次成型，不需要预锻时设置过度。有时设置过度反而会增加缺陷产生的几率[10]。
3.结语
目前，世界汽车工业正向着轻量化、高速、安全、节能、舒适、低成本、长寿命与环境污染小的方向发展。减速器齿轮作为汽车重要部件，其需求不断增加，生产方法也不断发展，铸造、锻造以及各种成形相结合的各类新技术不断涌现。锻造齿轮已在制造企业中得到了广泛的使用。 [科]
【参考文献】
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材料成形工艺 篇7
材料成形工艺基础是工科院校材料成形及控制工程专业的一门必修课。该课程的教学目标是学生通过学习, 了解金属材料成形工艺的基本理论知识、工艺规程制订以及模具设计的原则和方法, 掌握典型的液态成形、塑性成形及金属连接成形方法, 能够正确分析零件结构、合理选择零件成形工序, 并能够掌握有关设计手册和参考资料的能力。该课程在整个专业知识结构体系中具有承上启下的重要作用, 它是应用型本科院校培养学生合理选择材料加工方法, 正确制定生产工艺规程, 分析解决生产实际问题的关键环节, 为学生后续有关专业课程的学习和未来从事材料设计及加工制造方面的工作奠定必要的工艺基础。
2 课程内容与特点
我校开设的材料成形工艺基础课程共计56学时 (含8学时的实验) , 学分为3.5分。教材采用清华大学严绍华教授主编的《材料成形工艺基础 (第2版) 》, 内容涉及材料成形理论基础、铸造成形、塑性成形、材料连接成形、粉末冶金成形、非金属制品成形、现代材料成形技术、材料成形工艺自动化等[1]。由于该课程知识体系庞杂, 名词、术语、概念较多, 微观原理抽象难懂, 工艺方法实践性和应用性较强, 对于缺乏实践经验和工艺知识感性认识的学生而言, 课程乏味、枯燥、难学。
为此, 笔者按照学校本科教育的基本要求, 以培养“宽口径、厚基础、重实践、强能力、高素质”的实用型人才为目标, 本着“宽基础、高效率”为学生传授综合知识的原则, 从多个方面对课程进行了教学改革, 取得了较好的效果。
3 教学改革与实践
3.1 改进教学方法
教学方法是师生为完成教学任务, 传授与学习教学内容所运用的手段和途径, 包括教师教的方法和学生学的方法两个方面。在教学目标和教学内容确定之后, 教学方法使用得当, 对后续的教学效果起着至关重要的作用[2]。
传统的教学方法主要为应试型教育, 通常以“教师—黑板—教材”为中心, 在这种“填鸭式”的讲授方法下, 学生的学习主动性和积极性不高, 学习效果也较差。随着现代科学技术的发展, 大量教学方法被广泛应用, 如启发式、导入式、问答式、案例式、讨论式等。这些教学方法的应用, 使学生带着问题去听课、去思考, 不仅让教学有的放矢, 避免了教学的盲目性和被动性, 还可以活跃课堂气氛, 提高学生自主学习的积极性, 锻炼其分析、解决问题的能力。因此, 对于教师而言, 必须改变传统单一的讲授式教学方法, 熟练掌握并灵活运用各种教学方法, 充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用, 在现有条件和有限时间内取得更好的教学效果。
例如:在讲述材料成形工艺基础课程板料冲压时, 可采用启发式和讨论式教学方法, 以日常生活中常用的不锈钢餐盘、保温水杯、奶锅等为例导入新课, 让学生利用所学专业知识, 充分发挥想象力, 积极思考并分小组讨论餐盘、水杯、奶锅的制作方法。在此基础上, 引出板料冲压的两种基本工序, 即分离工序和成形工序, 并从基本原理、变形过程等方面重点、详细地介绍拉深成形工艺, 最后总结出拉深工艺的特点以及常见缺陷。采用这种教学方式, 不仅增大了教学过程中知识信息的传递量, 而且加深了学生对拉深工艺的认识和理解, 大大提高了课堂教学效果。
3.2 优化教学内容
在传统教学观念中, 由于过分强调课程理论的系统性和完整性, 教师若不加选择地按教材讲解, 常常使教学如蜻蜓点水一般。同时, 由于课程教学内容多而繁杂、理论抽象枯燥, 因此课程重点很难突出。在现代化信息需求量不断增大的当今社会, 为了让学生在有限的时间内获得更多的专业知识, 教师讲授时应根据学生知识结构的需要和应用型本科教学的特点, 尽可能结合工程实际, 在注重加强与拓宽专业基础知识面的前提下, 进行“去粗取精、画龙点睛”式教学[3]。在材料成形工艺基础课程的教学内容改革上, 笔者根据材料成形及控制工程专业特点和专业方向的需求, 在充分体现教学目的和教学任务的前提下, 在讲授内容方面采取了删减、增加和侧重并举的措施。
鉴于材料成形工艺基础这门课程综合性和实践性很强的特点, 笔者在讲授铸造、锻压和焊接三大传统工艺的基础上, 增加了新工艺、新技术等先进知识的介绍, 如非金属制品的成形、快速成形技术、材料成形复合工艺、材料成形过程中的计算机模拟等。此外, 还增加国内外相关先进技术与工艺对比的内容介绍, 让学生充分了解我国装备制造业的发展现状、自身竞争优势和目前存在的问题, 培养学生良好的科研与创新意识, 鼓励学生拓宽思维, 积极参与实践活动, 撰写学术论文。
例如:目前有限元模拟仿真技术在金属塑性成形中得到了广泛应用, 是金属成形工艺预测、优化和定量控制的有效方法。利用有限元技术, 可以研究成形过程中金属的流动规律以及组织性能的变化过程, 而且还可以获得成形件的瞬时位移场、瞬时速度场、瞬时温度场以及瞬时应力场等热力学参数, 从而可以模拟金属材料的整个变形过程。在讲述材料成形工艺基础课程材料成形工艺自动化时, 应补充这方面的知识, 让学生通过了解有限元的思想、有限元建模的基本步骤以及有限元软件的使用方法, 加深对金属塑性成形工艺变形过程本质的理解和掌握, 从而使专业知识形象化和具体化, 便于理论与实践相结合。总之, 教师教学应该“突出重点、解决难点、联系实际、提取精髓”, 学生在自学等其他环节应注重“辅助课堂、拓宽知识、发散思维、培养能力”, 从而实现“以学强学”的最终目的。
3.3 丰富教学手段
材料成形工艺基础课程的教学过程, 始终贯穿着机械产品生产工艺方法、零部件结构设计、材料成形设备工具的操作等实践性较强的内容, 存在较大的教学难度。因此, 在教学手段改革过程中, 应摒弃单一的教学方式, 采用实物模型、教学动画、录像视频、多媒体课件等现代化教学手段和板书共用的教学方法, 让学生在较短的时间内较为感性地直观、清楚、正确地了解零件的各种成形方法及工艺设计过程。然后, 进一步讲解各种成形工艺的基本原理、工艺过程、特点和适用范围等内容, 从而使课程教学内容具体化、形象化, 概念和规律简单化, 在一定程度上弥补学生工艺知识学习和专业实践环节锻炼不足的问题, 提高教学效率和教学效果。
例如:在讲述材料成形工艺基础特种铸造时, 通过在多媒体课件中引入教学动画、语音视频等手段, 生动形象地展示熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等先进的材料成形工艺与方法, 使课堂教学由单纯的听觉刺激转变为视听同步的动画模拟演示, 增加学生感性认识, 扩大课堂的信息量。
除此之外, 随着现代网络和信息技术的发展, 网络远程教学方法日益完善, 使课堂教学超越了学校围墙的限制, 逐渐利用社会的公共资源[4]。在教学过程中, 可以尝试将网络教学与课堂教学有机结合, 建立教学和辅导平台, 便于师生互动。通过将课程教学大纲、教学进度表、教案、多媒体课件等电子教学文件上传到校园网课程建设平台, 供学生随时学习和查阅答疑之用;在学校网络或电子邮件、QQ会话中与学生进行及时的交流互动, 增强学生学习的积极性和自主性。
3.4 完善考核体系
课程考核是检查与评价教学效果的重要手段, 在促进学生学习、改进教师教学、提高教学质量等方面有着重要的意义。在传统教学过程中, 对学生的考核往往单纯地以卷面分数评定成绩, 从而导致大多数学生高分低能, 平时不注重专业知识的理解和积累, 考前死记硬背, 考试及格万岁, 考后知识基本忘光。这种应试教育的方法既不能真正检验学生的实际能力水平, 也不能客观评价教师的课堂教学效果[5]。因此, 在教学改革的探索与实践活动中, 必须建立一种长期、有效、客观的考核方式。
对材料成形工艺基础课程的考核, 笔者采用“总成绩=平时成绩 (30%) +考试卷面成绩 (60%) +实验成绩 (10%) ”的考核方式。其中, 平时成绩的考核不仅局限于学生旷课、迟到、早退、缺席等表面情况, 更注重学生平时课堂回答、参与程度、课堂讨论、综合作业等方面的表现, 从而较为客观和全面地考核学生平时的学习情况和接受能力。此外, 在期末考题的出题方式上, 笔者进一步加大其灵活性。如适量增加多选题、综合题等以考核学生对知识掌握的程度和实际运用能力。事实证明, 考核方式的改革和完善, 在大大调动学生学习积极性和主动性的同时, 也提高了学生的实践创新能力和专业知识的综合运用能力。
4 结束语
通过对材料成形工艺基础课程开展教学改革与实践活动, 教师的课程教学水平和教学效果有很大提高, 学生普遍反映专业知识和工程实践能力的掌握得到了明显改善。然而, 随着材料成形新技术、新工艺的不断涌现和迅速发展, 该课程的教学改革仍需不断探索, 需要我们在教学过程中不断摸索、更新和完善。只有这样, 才能从根本上提高应用型本科院校的课堂教学质量, 培养大批合格专业技术人才, 服务于工程领域的各行各业, 促进我国经济建设和发展。
参考文献
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材料成形工艺 篇8
正向成形加工过程如下:预先加工与要成形的产品形状一致的木模,将木模置于金属板材下方并且紧贴金属板材,然后用夹紧装置固定住金属板材。在计算机控制下,成形压头先走到模型的顶部设定位置,即加工轨迹的起点,对板材压下设定的压下量,然后按照第一层断面轮廓,以走等高线的方式,对板材施行渐进塑性加工。在模型顶部板材加工面形成第一层轮廓曲面后,成形压头再压下一个设定高度,沿第二层断面轮廓运动,并形成第二层轮廓曲面。如此重复直至整个工件成形完毕。原理如图1所示。
目前,国内外学者的研究主要集中在金属板材渐近成形中板料的成形性能、各种工艺参数对成形过程的影响、成形过程中成形力的变化、成形过程的有限元模拟、板料的回弹研究以及直壁件成形方法等。但是这些研究主要集中在理论基础方面[2],有关金属板材渐近成形技术的应用很少,由于实际产品的复杂性,在成形过程中会产生各种问题。本工作基于渐近成形技术对滚塑模具成形的研究,对比了三个单人滑梯滚塑模具的成形结果,根据产品的结构特征,针对成形过程中出现的产品失效以及缺陷问题,分析了产生原因,结合成形参数因素(成形工具头直径、Z轴进给量)对产品成形性能的影响,在此基础上提出改进措施。
1 滚塑模具的渐进成形方法
1.1 实验条件
单人滑梯滚塑模具的建模通过UG软件中的建模(Modeling)部分生成需要加工的几何模型,再通过UG软件中的加工(Manufacturing)部分生成加工轨迹,继而生成G代码用于数控成形设备加工;数控成形设备为研制的数控柔性快速成形机,其机床尺寸:L×W×H=6430mm×3500mm×3590mm,工作台尺寸:1960mm×1300mm,板料夹持尺寸:2200mm×1540mm,工作精度为±0.1mm以内。正成形所需的支撑模型材料选择高密度板,大型龙门式数控铣模机作为木模加工设备;板料夹具选用金属压板、大力钳和C形夹;成形工具为球头成形头。
1.2 产品结构特征以及成形方案
如图2所示,单人滑梯滚塑模具的滑道面有6条筋状结构,并且产品的头尾部分的成形角度比较大,分别为60°和65°。
为了分析成形过程中成形参数因素(成形工具头直径、Z轴进给量)对产品成形性能的影响,设计以下成形方案(见表1)。选用成形材料为厚度1mm的ST12钢板,其屈服强度与抗拉强度为130MPa和270MPa。
2 成形缺陷与分析
2.1 筋状结构
如图3所示,单人滑梯滑道面成形件中有6条筋状结构,经过激光扫描仪进行的曲面反求结果得出6条筋状结构之间的凸起和内凹之处都与设计数据有细微偏差,如表2所示。
由表2可知,在成形单人滑梯滚塑模具滑道上的筋状结构时,3个成形件均产生了两类缺陷(图4):(1)成形后筋状结构有突起现象;(2)筋之间的部分并非所期望的平整的零件,而是有局部内凹现象。如图4所示,第一类缺陷是由于渐进成形过程中,板料的变形并不是理想的单点变形,而是在很小的局部范围内,故形成局部突起,成形深度越深,凸起越明显;第二类缺陷的成因与第一类缺陷的成因相反,即远离成形工具头区域的材料虽然发生一定的变形,但与成形工具头周围的材料相比很小,从而在它周围的材料随着成形工具头下降的同时该区域却变形很小,从而形成局部内凹。相比之下2号成形件产生的缺陷要比1号和3号成形件大,因为2号件的工具头直径较小,压头和拟成形材料间的接触面积较小,故成形力也相对较小,对材料施加的贴模力不够,导致2号缺陷要比1号和3号成形件大。
2.2 破裂缺陷
在成形1号件尾部结构时,板材由于过度减薄而开裂,如图5所示,而在成形2号件与3号件时却无此现象。在金属板材渐近成形过程中,制件壁厚t与板材毛坯厚度t0及成形倾角θ遵循余弦法则(t=t0cosθ,t0表示初始厚度,θ表示此处切线与水平方向夹角,成形角),如图6所示。
金属板材渐进成形的成形极限与零件的成形角θ有关,如果成形角超过了其材料的成形极限角,则零件会产生破裂[3]。由于ST12钢板的成形极限角为68°[4],图2所示的单人滑梯滚塑模具尾部结构的成形角为65°,并未超过ST12钢板的成形极限角。
如图7(a)所示,采用大Z轴进给量(1.5mm)时,在已成形的上一个轨迹和正在成形的轨迹之间的深灰色区域,材料被滚压到靠模上,同时,水平位置上的区域2被拉进正在成形的区域。这种类似于滚动的过程应用了合页效果,对材料进行折弯而非拉伸,有效减少了对已成形区域的拉伸作用,因而降低了对板材的减薄效应。而采用小Z轴进给量(0.5mm)时,如图7(b)所示,成形下一轨迹时,成形头在上一轨迹的已成形区域上进一步成形,材料被挤压到成形头前端的未成形区,造成在成形头后的已成形区无可用材料;而板料在垂直方向受力远大于水平方向,造成已成形区域的拉伸减薄作用。
由于在成形1号件的时候采用了较小的Z轴进给量,而且单人滑梯滚塑模具尾部结构的成形角接近ST12钢板的成形极限角,因此板料由于过度拉伸减薄而破裂。
(a)大Z轴进给量;(b)小Z轴进给量
(a)big Z axis feed;(b)small Z axis feed
2.3 回弹缺陷
对3个成形后的整体产品进行曲面反求,数据对比发现成形后的3个成形件均产生了回弹(见表3),由于成形后要卸载压边力,因此积聚在板材内的残余应力得到了释放,而由于残余应力从成形初期开始就逐渐叠加,因此成形后期的板材内残余应力最大,所以3个成形件成形后期的回弹量均大于成形初期的回弹量。
由表3可知,1号成形件平均回弹量与最大回弹量最小,2号成形件的平均回弹量和最大回弹量最大。对比1号成形件与3号成形件(见图8),可知在成形工具头直径相等的情况下,Z轴进给量越大,回弹量越大。这是由于随着Z轴进给量的增加,板材已成形区对正在成形区的影响减少,因此板料的成形过程趋向于折弯而非拉伸。加工时间可以明显降低,但是零件表面粗糙度也增加很快,成形力也有很大增加,从而造成后续板料的面内产生大的压应力,随着成形的进行,板料内积聚的残余应力较大,当卸载压边力后引起的回弹也较大。
对比2号成形件与3号成形件(见图9),可知在Z轴进给量相等的情况下,成形工具头直径越小,成形后的回弹量越大。这是因为随着成形工具头直径的增加,成形工具头与板料之间的接触区域增加,成形力也相应增加,更利于板料贴紧支撑模,抑制回弹的发展。
3 改进措施
增大成形工具头直径对减小回弹有一定作用,这是因为随着成形工具头直径的增加,工具头与板料间的接触区域增加,使回弹不易发展。但成形工具头直径过大,对半径小的过渡圆角和尺寸小的结构加工不到,在成形类似于筋状结构时候不能保证成形精度。所以,工具头直径选择要根据成形工件形状结构复杂程度以及材料性能综合考虑[5]。在确定进给量时,也应该根据加工表面粗糙度、成形力、回弹等综合考虑。另外,根据前面所述的余弦法则可知曲面越陡,减薄效应越明显,会导致板材开裂[6],因此成形件工艺性也该考虑。
根据前面的失效分析,采用工具头直径为20mm,Z轴进给量为1.0mm的成形方案,得到的成形件如图10所示,经过曲面反求后得到的数据对比后发现可以解决上述缺陷问题。
4 结论
(1)金属板材渐进成形技术具有柔性加工优势,适用于快速成形复杂曲面钣金件,在滚塑模具开发方面具有很大的前景,可以满足现代滚塑行业产品更新快、品种多、批量小等特点。
(2)成形过程中,尽量避免加工成形角过大的成形件或者接近于直壁的成形件,如果遇到具有这种外观形状的成形件时,可以适当增加Z轴进给量,使成形工具头对材料进行折弯而非拉伸,以此减少对已成形区的拉伸作用,降低减薄效应,避免成形件过度拉伸而破裂。
(3)当成形件上有加强筋或者类似于加强筋的结构时,为了避免缺陷的产生,可以考虑在保证成形质量的前提下适当增加成形工具头的直径。
(4)采用金属板材渐进成形技术成形钣金件时应该综合考虑成形过程中的工艺、工具参数(成形角、工具头直径、每层进给量等),合理选择加工参数(如增大或减少成形工具头直径及增加或减少每层进给量)有助于板材的高质量成形。
摘要：将金属板材渐进成形技术应用于单人滑梯的滚塑模具成形。在介绍单人滑梯滚塑模具成形原理的基础上,实验比较了不同成形参数下单人滑梯滚塑模具的成形结果,根据产品的结构特征,针对成形过程中出现的产品失效以及缺陷问题,分析其产生原因,获得了成形参数(成形工具头直径、Z轴进给量)对产品成形性能的影响规律,并提出了改进措施。结果表明,金属板材渐近成形技术用于滚塑模具的成形是可行的,综合考虑成形件工艺性、进给量、工具参数和加工参数,能保证高质量的成形。
关键词：渐进成形,滚塑模具,缺陷,成形工艺
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楔块精锻成形工艺研究 篇9
楔块形状比较复杂, 锻造成形规律很难准确掌握。以往由于缺乏理论分析手段, 在工艺设计上采取试错法, 需要不断调整工艺参数以及修改模具, 不仅开发成本高, 而且周期长[1]。通过在锻造工艺开发中应用数值模拟技术, 即在计算机上模拟整个成形过程, 得到任一时刻坯料的变形场量信息, 从而指导工艺设计人员优化成形工艺。
1 工艺分析
楔块的材料为42Cr Mo, 外形复杂, 截面变化大, 底面开有镶铜条的凹槽, 增加了成形难度。摩擦吸能的使用工况决定了楔块3个摩擦表面的摩擦因子有一定要求, 须直接锻造成形, 并且对表面质量如平面度、氧化皮凹坑等也有严格要求[2]。所以, 楔块精锻成形的难点主要是较高的尺寸精度和摩擦面的直接锻造成形。
2 有限元模型的建立
楔块的成形是一个复杂的过程, 伴随着各种因素的交互作用, 比如坯料的尺寸、坯料在模具中的摆放位置以及各种边界条件等。为了分析这些因素的作用, 在专业软件Deform中建立了热力耦合有限元分析模型 (见图2) , 各种模拟参数如下:材料选用ANSI 4140 (与中国的42Cr Mo相近) ;采用1/2模型, 10万个四面体网格划分;摩擦因数0.3, 坯料与空气、坯料与模具的换热系数分别为0.02 N/ (sec·mm·℃) 和5 N/ (sec·mm·℃) ;上模下压速度250mm/s。
3 模拟结果分析
图3所示为精锻时坯料成形各个阶段的情况, 图4为行程—载荷曲线。从图3、4可以看出, 在模具刚开始接触坯料的初始变形阶段, 先成形底部的的凹槽和上表面的凹档, 此时的载荷小而平稳 (图4中的a阶段) 。在b阶段载荷上升比较平缓, 此时上模与坯料的接触面积增大, 底部凹槽基本成形。随着滑块下压, 坯料与上模紧密接触 (见图4中的c阶段) , 载荷快速上升, 并开始形成飞边。在上模接近打靠位置时, 载荷急剧上升, 挤出飞边, 零件最终成形, 最大载荷为638 t。
楔块底面的凹槽两端在成形过程中其金属流动比较复杂, 在刚开始成形时模具楔入坯料, 此处金属与模具之间的间距比较大, 最终打靠时很高的三向压应力迫使金属充填先前存在的空隙, 这样金属汇流容易造成折叠。图5的模拟结果表明了这一点, 而实际的情况如图6所示, 尤其是在坯料的宽度比较小的情况下出现折叠的概率比较高, 实际生产也证实了这一点, 通过采取出坯时严格控制宽度尺寸的措施减少了锻件的报废。
此外, 由于楔块下模成形凹槽的筋凸起9 mm, 精锻时坯料放正不易, 因此设置了坯料偏置2 mm、4mm、6 mm三种情况进行数值模拟。在坯料偏置4mm时还不会对楔块成形造成很大的影响, 但在偏置6 mm时出现了相应部位坯料充填不满的情况, 由此表明在实际生产中需要关注坯料在模具中的位置, 否则锻件将出现质量问题。
变形的基本参数—温度对锻件的晶粒度、晶粒均匀度、成形工艺和模具寿命均有直接的影响。为了控制好锻件的内在质量, 必须严格控制始锻温度和终锻温度。成形打靠阶段楔块剖面上的温度分布如图7所示, 可见温度最高的区域出现在楔块芯部, 尤其是在尾部飞边的桥部, 高达1 150℃, 而温度最低的区域出现在坯料与模具接触区。这主要是因为芯部一方面受模具冷却作用小, 另一方面随着变形过程的进行, 塑性功生成的热量对芯部温度也有一定的补偿作用[1]。由于上、下模的接触传热, 楔块表面温度较低, 而其表面和芯部的温差较大容易产生热裂纹, 所以必须控制始锻温度不能太高 (低于1 100℃) 以及缩短锻件在模具中的停留时间。
4 工艺路线
综合数值模拟和工艺试验所取得的结果, 为了保证降低切边造成的锻件变形, 增加了整形工序, 最终楔块精锻工艺路线为:下料→剥皮→出坯→终锻→切边→整形→喷丸, 锻造温度区间900~1 100℃, 锻造设备使用560 kg空气锤和1 000 t摩擦压力机, 并且加强对出坯宽度尺寸、坯料摆放位置和锻造温度的控制, 以保证精锻质量。
5 结论
采用Deform软件对楔块的精锻过程进行了数值模拟, 得到了变形过程中坯料的变形场量信息和载荷曲线, 为精锻工艺的优化设计指明了方向。此外数值模拟还准确预测缺陷产生的位置, 为生产过程中发现问题、解决问题提供了科学依据。综合数值模拟和工艺试验, 成功开发了楔块的精锻工艺。
参考文献
[1]吕成等.重型燃机叶片锻造过程数值模拟与工艺优化[J].大连理工大学学报, 2007 (3) :353-357.
单模冷压成形工艺与应用 篇10
为得到图1的喇叭口形状工件, 通用的方法是, 用一块钢板卷成图2所示的毛坯圆筒, 通过凸、凹模具压成喇叭口形状, 比先压成若干瓣 (西瓜皮式) 然后再拼焊成形的方法要方便、简单易行, 可以节省材料和焊接工作量。
但是在生产的过程中, 由于存在1) 坯料 (钢板) 厚度公差;2) 材料表面硬度、塑性变形时流动性的不一致;3) 凹、凸模制造时的尺寸误差及椭圆度、圆柱度等形位误差造成的凹、凸模闭合内腔的大小不一致等因素, 导致压制后, 坯料变形而挤入凸、凹模形成的不规则的空间, 造成凸、凹模和工件三者咬死而难以脱模。而且在模具加工时必须完全按照图纸要求的尺寸克隆, 结构庞大, 显得粗笨 (图3) 。
通过试验, 采用单模冷压 (仅用一个凸模压制) 工艺 (图4) , 不但解决了脱模问题, 减少了模具安装过程中凸、凹模中心调正工序的工作量, 提高了生产效率, 而且在凸模的结构上还可以去掉下段的直线段部分, 仅保留弧线段的结构, 使得1付模具的总重量仅是原来凸、凹模时的30%, 大大节省了模具的制作成本与周期, 带动新品交货期提前, 经济效益可以显著的提高。
1 单模压制工艺过程
1.1 批量压制时
1) 模具通过连接柄 (或是直接) 用螺栓固定到油压机的活动横梁上, 模具的中心与油压机中心重合。
2) 移出油压机的活动工作台, 吊上坯料, 将坯料筒体中心对准工作台中心放好。
3) 活动工作台回位后, 启动压机, 活动横梁带动模具向下移动, 模具下端的导向斜角首先导入坯料, 带动坯料作某一方向的少量偏移, 使之与模具同心。随着模具的压入, 坯料内表面贴合着模具的外曲面不断向外扩张, 形成与模具相同曲率的弧线, 逐步成形。
4) 在活动梁压到设定位置后, 进行短暂停留 (保压) , 提升活动横梁, 凸模退出, 工件与凸模脱离。
5) 移出活动工作台, 吊离工件, 吊上新的坯料, 重复压制。
1.2单件压制时, 模具可不与活
1) 移出活动工作台, 吊上坯料, 把模具吊起, 让模具下端的导向斜角导入坯料, 修正模具与坯料的中心, 并使模具的上平面与工作台尽可能平行, 松开吊具。2) 活动工作台回位, 启动油压机进行压制, 在设定位置保压后, 提升活动横梁。3) 移出活动工作台, 吊离模具、工件。压制完成。
2 在应用单模压制工艺时, 要关注以下几点
2.1 坯料
1) 成形后喇叭口处的板厚减薄量。在由坯料圆筒压制成喇叭口形状的工件后, 扩口部分的材料会有减薄, 减薄量的大小与扩口前、后的直径比成正比。当工件对厚度有控制要求时, 要适量预加坯料板材的厚度。
2) 毛坯筒料尺寸的确定。毛坯料圆筒的高度与直径, 影响到成形后工件尺寸的符合程度。在制作毛坯筒时, 毛坯筒直径取成形后工件直线部分的直径加2mm, 毛坯筒的高度为成形后工件内表面展开长度加2~5m m。超过此范围, 成形后工件上口直径与弧线的线性比例会出现较大偏差。
3) 坯料钢板正火处理。
2.2 模具
1) 为使模具顺利进入坯料, 毛坯筒不能过度失圆, 圆度误差要控制在±5mm以内, 并在模具的下口设置单边60°的导向斜角。同时在毛坯筒的内侧 (与模具的接触处) 倒上圆角 (圆角半径R为坯料板厚的1/2~1/3, 最小5m m) , 既避免压制时毛坯对模具表面的损伤又减少压制过程中的摩擦阻力。
2) 在模具上要预加回弹量。当压制外力撤除后, 材料的机械性能会使变形产生反弹, 在模具设计制作时, 尺寸上必须预先进行处理抵消回弹的影响, 使线型尺寸满足工件的要求。
2.3 操作
1) 压制过程中模具进入工件深度 (压入量) 的把握, 决定工件上口直径与高度是否满足图纸要求。需要根据不同材质、不同压机反复试验, 并总结、记录。
2) 压制时要注意安全, 观察圆筒体的对接焊缝、扩口圆周有无裂纹, 防止裂开伤人。
3) 坯料圆筒体内表面、模具外表面涂滑粉或废机油, 减少摩擦阻力, 并易脱模。
压制完成后, 要对变形部位进行磁粉或超声波探伤, 并对缺陷及时修补。此工艺不适用高含碳量、塑性差、内部缺陷、性能不达标的钢材及过大扩口比的结构。
内高压成形工艺及设备概述 篇11
内高压成形是一种制造空心整体构件的先进制造技术, 本文通过解析汽车行业发展与车企的核心竞争力, 从而引入车身轻量化与内高压成形工艺, 并对内高压成形工艺流程、特点及设备进行了详细阐述。基于新、旧工艺优缺点的对比分析, 指出内高压成形工艺提高了工件加工质量与生产效率, 必将在汽车车身制造中得到广泛应用。
内高压成形技术原理及特点
1. 内高压成形原理及过程
内高压成形是一种以管材为坯料, 以油液为传压介质, 在管材内部施加超高压的同时, 对管坯的两端施加轴向推力进行补料。因两种外力的合力作用, 管坯产生塑性变形, 最终与模腔内壁贴合, 使管坯成为具有三维形状零件的现代塑性加工技术。
按管坯成形特点, 零件分为成形区和送料区。成形区是管坯发生塑性变形直径变化的部分;送料区是向成形区补料的部分。内高压成形时管端密封是由冲头和模具挤压形成刚性密封, 因此该处模具容易磨损, 通常在模具密封段采用耐磨镶块, 来提高模具寿命。在零件成形后, 依靠模具内的辅助液压缸完成开槽、冲孔等后续工序。然后油液卸压, 轴向冲头回程, 液压机滑块上行, 即可取出零件。
内高压成形工艺过程 (见图1) 主要分为三个阶段:
(1) 初始充填阶段将管坯放入模腔并合模, 两端的轴向冲头水平推进, 形成密封。通过预充液体将管内空气排出。
(2) 成形阶段在管坯加压胀形的同时, 冲头按设定的加载曲线向内推进补料, 在内压和轴向补料的联合作用下使管坯基本贴靠模具。此阶段除过渡R角外的大部分区域已经成形。
(3) 整形阶段提高内压使过渡R角完全贴合模腔, 工件完成成形。
2. 内高压成形工艺技术参数
内高压成形的主要技术参数有初始屈服压力、开裂压力、成形压力、轴向进给力、合模力和补料量。
(1) 初始屈服压力管坯产生塑性变形所需的压力。
(2) 开裂压力管坯发生开裂时的压力。
(3) 整形压力在后期整形阶段, 为保证零件完全成形所需要的压力。
(4) 轴向进给力轴向推进缸选型的依据, 具体由保证管坯塑性变形的力、冲头高压反力和摩擦力等三部分决定。
(5) 合模力在成形过程中使模具闭合所需要的力, 是液压机选型的主要依据。
(6) 补料量确定水平缸行程的重要参数。由于加载路径与摩擦力的影响, 补料量无法完全送到成形区, 成形区壁厚要减薄, 实际补料量通常为理想补料量的60%～80%。
3.内高压成形工艺特点
相对于传统的薄板冲压与焊接工艺, 内高压成形以管材为加工对象, 具有以下特点:
1) 内高压成形工艺可减少开发与制造成本, 降低车身重量, 提高材料利用率。内高压成形件通常只需一副模具, 而薄板冲压往往需要三道及以上的工序, 工装开发及后续的制造成本将会大大提高。工序减少了, 其工艺废料也会相应减少。在满足零件使用要求的情况下, 内高压成形的空心零件较冲压焊接组合件可实现减重20%～30%, 材料利用率提高30%～50%。
2) 内高压成形工艺可提高零件加工精度与车身安全性能。针对形状复杂的零件, 内高压成形可实现一次成形, 避免了零件在多序加工过程中产生的累积误差, 从而提高零件精度。内高压成形属于冷加工工艺, 通过变形过程中的加工硬化可大大提高零件强度, 且原始管坯的整体性较好, 其整体刚度也能得到保证, 因此应用于汽车车身的承载结构件中可提升车身的安全性能。
3) 由于内高压成形所需压力较高, 所以合模压力机所需吨位也较大, 通常在3500t以上, 其高压生成源及电气控制系统相对复杂, 设备制造成本也高。另外, 因零件成形质量和壁厚分布与加载路径密切相关, 其研发与试制费用较高。这些因素在一定程度上限制了内高压成形工艺的发展与普及。
内高压成形生产线
基于内高压成形工艺过程, 内高压成形生产线主要可分为四大模块:合模压力机、成形模具、高压生成系统及电气控制系统, 如图2所示。
1. 机械手2.预成形液压机3.内高压成形合模机4.运输设备5.模具6. 水平进给7.管口精整8.运料9.弯管机
1.合模压力机
合模压力机通常采用液压机, 主要由本体和泵站组成, 用于安装模具和轴向推进缸。液压机活动横梁驱动模具开合, 并在成形过程中提供成形合模力, 最大合模力由内压合工件的最大表面积决定, 工作台则根据模具尺寸进行设计。因工件成形所需的合模力较大, 为保证设备刚度, 液压机机身通常采用组合框架式结构, 四面开挡, 方便模具的安装。
2. 成形模具
模具是工件成形的关键性部件, 由本体与轴向缸组成。模具基于零件数模进行设计, 其沿零件的分型面分为上模和下模, 分别安装在滑块与工作台上, 模具闭合后形成封闭的模腔。
管坯成形过程中补料进给时所需的轴向推力和位移则由轴向缸提供。轴向缸通常安装在专用模架上, 根据产品种类变更随时可切换模块, 更换便捷, 具有一定的柔性;也可直接安装在模具上, 连接可靠, 但调整或更换相对困难。轴向缸具有一定的通用性, 适合多品种生产的需要, 加工不同的零件时, 只需更换配套的冲头即可。
3. 高压生成系统
高压发生装置是内高压成形系统的核心模块, 直接影响到设备的加工能力。最大内压力由零件的材料、壁厚、形状等因素确定, 一般可达150～400MPa。高压发生装置利用增压器产生高压, 输出液体的压力取决于液压泵的输出油压和增压比。液压泵输出油压一般在30MPa以下, 增压比通常为10～25。输出的高压油通过高压管路、轴向冲头内孔进入管坯内腔。
由于增压器活塞的行程上下死点位置存在换向冲击, 为了减小液体压力的波动幅度, 一般要求设置蓄能器。此外, 在高压系统中配置油液的净化、搅拌、加热与冷却装置等。
4. 电气控制系统
电气控制系统主要用于采集与分析成形过程中的各项技术参数, 如轴向冲头行程、轴向推力、油液内压、合模力及成形温度等, 并控制各参数之间的变化关系, 以提高管坯的成形能力, 通常通过相应的传感器进行测量。系统控制方式一般可分为开环和闭环两类, 目前应用较多的是闭环控制, 其对油液内压、行程的控制精度极高。
为提高内高压成形的工艺性, 保障工件质量, 内高压成形生产线往往还需一些辅助设备, 如管坯分拣装置、弯管机、预成形机、成品堆垛装置等。此外, 为了降低工人操作的强度, 一般在生产线各上下料位置配有机器人及输送带。
现状与趋势
近几年来, 由于管类零件内高压成形技术具备的工艺和成本优势, 在汽车工业中得到了迅速推广。为了进一步推动汽车轻量化设计, 将会在车身上开发更多的空心部件。随着内高压成形零件逐步应用于车身各个位置后, 可能会颠覆人们对汽车造型与车身的认识。
目前内高压成形工艺在汽车零部件上的应用如图3所示。
1.前梁2.散热器支架3.冷却水管4.排气集管5.凸轮轴6.传动轴7.座椅构架8.安全防护架9.后桥支架10.车体构架11.横梁12.发动机托架13.前保险杠
内高压成形工艺与设备, 目前主要由欧洲与日本的一些大型设备厂商设计和制造, 如舒勒、SPS、APT及川崎油工、Opton等, 而国内正处于起步阶段, 哈尔滨工业大学、中国一重、齐齐哈尔二机床及合肥锻压等已开始了内高压成形设备与工艺的研究和设计。为满足工艺的特殊要求, 内高压成形生产线通常需进行专业的设计开发, 其发展趋势是大型化、自动化、柔性化和智能化, 超高压装置和伺服控制系统将成为设备开发的核心技术与攻关难点。