北京資訊與控制研究所

[拼音]:jinshu suxing jiagong

[英文]:plastic working of metals

通過塑性變形(範性形變)使固體金屬成為所需形狀的加工過程。又稱金屬壓力加工,此名源於俄語обра-ботка металлов давлением。中國古代的金屬塑性加工技術發展較早(見冶金史)。中國近代的金屬軋製生產,始於1871年福州船政局所屬的拉鐵(軋鋼)廠。以後,較大規模的有始建於1890年的漢陽鐵廠的軋機,還有上海、天津的中小型軋機,山西太原的軋鋼廠,以及1931年以後遼寧鞍山和本溪的軋鋼廠。從1949~1980年,中國的金屬塑性加工生產得到了較大的發展,能生產各種型材、線材,各種中厚鋼板、薄板和箔材,各種鋼管和有色金屬管,鋼絲繩、銅、鋁電線以及各種有色金屬製品。目前已形成品種較全、體系初具的金屬塑性加工業。

金屬塑性加工在現代冶金工業生產中佔有重要地位,同金屬切削加工相比,塑性加工有以下優點:

(1)從成型原則上說,無切屑,金屬損耗較少;

(2)在取得所需形狀的同時,改善材料的組織和效能,成品能夠直接使用或者便於加工;

(3)適於專業化的大規模生產。主要缺點是:

(1)某些脆性材料和形狀複雜的製品不適於用塑性加工;

(2)專業化生產時需要專用的裝置和工具。

金屬塑性加工的類別

可以按照加工施力型別和製品性質(加工硬化程度)等特徵進行分類。

加工施力型別

大致分為以下五類(圖1):

(1)直接受壓,壓力施加於工件,如鍛壓、擠壓和軋製;

(2)間接受壓,施加的力常為張力,但通過工具和工件的反作用而產生的間接壓力可達相當高的數值。如拔絲、拔管和金屬板深拉;

(3)張力,在張力作用下,金屬板被反捲成下面模子的形狀,如拉延;

(4)彎曲,施加的是彎矩,如金屬冷彎成型;

(5)剪下,施加剪下使金屬成型,如衝裁、剪下。

加工硬化程度

按照塑性加工時是否完全消除加工硬化,分為熱加工和冷加工(見塑性變形的力學原理)。對大多數金屬和合金來說,熱加工是塑性加工的第一步。熱加工能量消耗低,允許變形程度高,有助於消除鑄錠的鑄態組織中的粗晶、空洞和疏鬆,並能減輕偏析;經過熱加工的製品的延性和韌性優於鑄件。在實際生產中,對特定的金屬或合金品種和生產條件,往往有一個完全消除鑄態組織或保證獲得某種效能所必需的加工量。這個加工量對鍛壓稱為開坯鍛壓比,對軋製稱為開坯壓縮比。

熱加工也產生不少問題。金屬在高溫下氧化吸氣,不僅損耗金屬,而且會惡化製品性質。例如:鈦因高溫氧化而變脆,往往要求特殊的防護;某些鋼材由於表面氧化脫碳,加工後要把表層完全去掉;由於氧化物的壓入,熱加工後難於得到良好的表面;此外,還由於溫度控制有偏差,熱加工製品的尺寸精度和組織均勻度都較低。

熱加工的溫度範圍首先取決於材料化學成分,其次取決於生產條件和控制溫度的水平。熱加工溫度的上限受到金屬熔化、迅速氧化、易熔相的熔化以及金屬熱脆的限制;下限受到和金屬加工應能同時完成再結晶的限制(見塑性加工與金屬組織)。有時為了得到良好的晶粒組織,進行控制軋製。圖2給出碳鋼的加工溫度和含碳量的關係,參見鐵碳平衡圖可更好地理解圖2。

冷加工常同各種形式的退火結合,構成加工硬化-退火軟化的交替迴圈操作。由於退火氣氛可以控制,這就減少了氧化和由溫度變化引起最終制品的尺寸變化,從而獲得良好的金屬表面和尺寸精度。因此這種工藝常用於成品加工(見回覆和再結晶)。

塑性加工方式的選擇

金屬塑性加工的實際應用,要考慮三方面的因素的影響:

材料的塑性加工性

即材料在某種加工過程中所能容許的變形程度;它不僅取決於材料本身的性質和具體的變形條件(如溫度、應變速率和應力狀態條件等),而且也同材料被破壞的方式有關,因為材料斷裂並非是不能繼續加工的唯一原因。例如在拔制和深衝時,如果材料的加工硬化性不足,可能引起塑性失穩產生頸縮而失效(圖3)。正因如此,通常認為室溫下塑性極好的鉛和錫,由於沒有加工硬化,所以拔制或衝壓加工性很差。同樣,也可能由於其他方式的塑性失穩,使加工過程失敗,這種情況可發生於墩粗、深沖和拉伸,見圖4。

塑性加工大多是因為工件產生裂紋或斷裂而無法繼續進行。裂紋按形成部位分為:

(1)在自由表面上的裂紋,如墩粗時形成桶形裂紋,軋製時產生側邊裂紋(圖5);

(2)在磨擦力特強部位的裂紋,如擠壓時靠近模子處的龜裂(圖6);

(3)內裂,如拔棒時生成的中間裂口(圖3)。

材料的塑性加工性可用多種方法測定。這些方法既是研究的手段,又是加工後檢驗產品的手段。測定的試驗方法可分為兩類:

(1)同普通材料試驗相似,測定材料在拉、壓、彎、扭等情況下的表現,主要用於探討變形條件(溫度、應變速率等)對塑性的影響;

(2)模擬實際加工條件的試驗,如對板的衝壓成型性用液壓脹形試驗、杯突試驗、頂鍛、楔形軋製以及旋鍛試驗等。

裝置和工具

塑性加工需要有足夠的強度和剛性的工具向工件施力。一般說來,裝置和工具的彈性變形應有一定的限度,超出限度就得不到合格的產品(見軋機彈性變形)。

技術經濟比較

同一製品有多種加工方法,各種方法在經濟技術上互相競爭,如初軋和連鑄、無縫管和焊管、熱軋型材和冷彎型材等。選擇加工工藝和裝置時要根據產品的品種、質量、批量和總產量,以及原料、勞動力等條件,並充分考慮到現有條件,進行多方面的比較。

塑性加工方法

鍛壓

把工件放在成對工具之間,由衝擊或靜壓使工件高度縮短而得到預期的形狀。鍛壓加工的優點是適應性強,能生產形狀複雜的各種材質的多種製品,又能鍛壓特大工件。對於改善合金鋼組織,特別是消除網狀碳化物來說,鍛壓的效果通常優於軋製。鍛壓的缺點是能耗大,生產效率低,成本高。

擠壓

把坯料放在擠壓筒內,使之從一定形狀和尺寸的孔中擠出,獲得製品。擠壓加工的優點是能夠加工低塑性材料,還可擠壓出形狀複雜、尺寸比較精確的工件。擠壓的主要缺點是成材率低,勞動生產率低,單產投資和成本均高。

軋製

被加工金屬通過轉動的軋輥而變形的過程。軋製的優點是勞動生產率、成材率、機械化和自動化程度都高,能耗低,適於大規模生產,是冶金工業使用最廣的塑性加工方法。缺點是生產品種和批量受到限制。

拔制

被加工金屬由拉力通過傾角約為5°~20°的錐形拉模而變形的過程。拔制的產品可以為棒、絲或管,其斷面通常為圓形,但也有種種異形制品。拔制大多數為冷拔,都屬於二次加工,只能用於特定的產品,而且往往這種方法是唯一可行的方法。拔制工藝的優點是平均單位壓力低,製品尺寸精度高;但不適用於低塑性材料。

板金加工

金屬板材經過加工,厚度無多大變化,而斷面形成各種所需形狀的過程。板金加工屬於二次加工,常為冷加工(見冷彎型材,板材衝壓)。

組合加工

對於特定的製品,常把各種塑性加工過程以及焊接、切削等組合在一起,進行加工。冶金產品中比較典型的例子是螺旋焊接鋼管(見焊接管生產)和金屬連續鑄軋等。(見彩圖)

參考書目

G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1976.