1、超塑性成形工艺班级:成型 113 姓名:许红梅 学号:2011101259一 超塑性的定义超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率(=10-210-4s-1)，一定的变形温度（约为热力学熔化温度的一半）和稳定而细小的晶粒度(0.55m)的条件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。其伸长率可超过 100%以上，如钢的伸长率超过500%，纯钛超过 300%，铝锌合金超过 1000%。目前常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。1920 年 Rsenhain 发现 Zn-4Cu-7Al 合金在低速弯曲时，可以弯曲近 1801934 年 英国 Pearso
2、n 发现 Pb-Sn 共晶合金在室温低速拉深时可以得到 200%的延伸率1945 年 前苏联 Bochvar 发现 Zn-Al 共析合金具有异常高的延伸率1964 年 美国 Backofen 对 Zn-Al 合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数m1 特点1)金属塑性大为提高过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。2)金属的变形抗力很小一般超塑性模锻的总压力只相当于普通模锻的几分之一到几十分之一，因此，可在吨位小的设备上模锻出较大的制件3)加工精度高超塑性成形加工可获得尺寸精密、形状复杂、晶粒组织均匀细小的薄壁制件，其力学性
3、能均匀一致，机械加工余量小，甚至不需切削加工即可使用。因此，超塑性成形是实现少或无切削加工和精密成形的新途径。2 应用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。将超塑性板料放在模具中，并把板料和模具都加热到预定的温度，向模具内吹入压缩空气或将模具内的空气抽出形成负压，使板料贴紧在凹模或凸模上，从而获得所需形状的工件。对制件外形尺寸精度要求较高时或浅腔件成形时用凹模法，而对制件内侧尺寸精度要求较高时或深腔件成形时则用凸模法。真空成形法所需的最大气压为 105Pa，其成形时间根据材料和形状的不同，一般只需 2030s。它仅适于厚度为 0.44mm 的薄板零件的成形
4、。板料深冲在超塑性板料的法兰部分加热，并在外围加油压，一次能拉出非常深的容器。深冲比 H/d0 可为普通拉深的 15 倍左右。挤压和模锻超塑性模锻高温合金和钛合金不仅可以节省原材料，降低成本，而且大幅度提高成品率。所以，超塑性模锻对那些可锻性非常差的合金的锻造加工是很有前途的一种工艺。3 精密模锻概念精密模锻是在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻工艺。如精密模锻伞齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再经切削加工。模锻件尺寸公差等级可达 CT12CT15，表面粗糙度为Ra3.21.6m。工艺一般精密模锻的工艺过程大致是：先将原始坯料普通模锻成中间坯料；再对中间坯料进行严格的清理，除去氧化皮或
5、缺陷；最后采用无氧或少氧化加热后精锻(图 2-62)。为了最大限度地减少氧化，提高精锻件的质量，精锻的加热温度较低，对碳钢锻造温度在900450之间，称为温模锻。精锻时需在中间坯料中涂润滑剂以减少摩擦，提高锻模生命和降低设备的功率消耗。工艺特点需要精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料；否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。需要精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其他缺陷等。为提高锻件的尺寸精度和降低表面粗糙度，应采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。精密模锻的锻件精度在很大程度上取决于锻模的加工精度，因此，精锻模膛的精度必须很高。一般情况下，它要比锻件精度高两级
6、。精锻模一定有导柱导套结构，保证合模准确。为排除模膛中的气体，减小金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。精密模锻一般都在刚度大、精度高的模锻设备上进行，如曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤等。4 粉末锻造简介粉末锻造是粉末冶金成形方法和锻造相结合的一种金属加工方法。它是将粉末预压成形后，在充满保护气体的炉子中烧结制坯，将坯料加热至锻造温度后模锻而成。优点与模锻相比，粉末锻造具有以下优点。材料利用率高，可达 90%以上；而模锻的材料利用率只有 50%左右。机械性能高。材质均匀无各向异性，强度、塑性和冲击韧性都较高。锻件精度高，表面光洁，可实现少
7、或无切削加工。生产率高，每小时产量可达 5001000 件。锻造压力小，如 130 汽车差速器行星齿轮，钢坯锻造需用总力为25003000kN 压力机，粉末锻造只需总力为 800kN 压力机。可以加工热塑性差的材料，如难于变形的高温铸造合金可用粉末锻造方法锻出形状复杂的零件。采用粉末锻造出的零件有差速器齿轮、柴油机连杆、链轮、衬套等。5 高能高速成形简介高能高速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。高能高速成形的历史可追溯到 100 多年前，但由于成本太高及当时工业发展的局限，该工艺在当时并未得到应用。随着高新技术的发展及某些重要零部件的特殊需求，近些年来，高能高速成形得以飞
8、速发展。高能高速成形主要包括：利用高压气体使活塞高速运动来产生动能的高速成形，利用火药爆炸产生化学能的爆炸成形，利用电能的电液成形，以及利用磁场力的电磁成形。特点这些特殊的成形工艺不仅赋予了成形后的材料特殊的性能，而且与常规成形方法相比还有以下特点。高能高速成形几乎不需模具和工装以及冲压设备，仅用凹模就可以实现成形。高能高速成形时，零件以极高的速度贴模，这不仅有利于提高零件的贴模性，而且可以有效地减小零件弹复现象。所以得到的零件精度高，表面质量好。因为是在瞬间成形，所以材料的塑性变形能力提高，对于塑性差的用普通方法难以成形的材料，采用高能高速成形仍可得到理想的成形产品。高能高速成形方法对制造复
9、合材料具有独特的优越性，例如，在制造钢-钛复合金属板中，采用爆炸成形瞬间即可完成。高能高速成形是特殊的成形工艺，成本高、专业技术性强是这种工艺的不足之处。6 静液挤压简介利用高压粘性介质给坯料外力而实现挤压的方法，称为静液挤压法。静液挤压所使用的高压介质，一般有粘性液体和粘塑性体。前者如蓖麻油、矿物油等，主要用于冷静液挤压和 500600以下的温、热静液挤压；后者如耐热脂、玻璃、玻璃-石墨混合物等，主要用于较高熔点金属的热静液挤压(坯料加热温度在 700以上的挤压) 。与普通挤压法一样，根据需要，静液挤压可在不同的温度下进行。一般将金属和高压介质均处于室温时的挤压过程，称为冷静液挤压；在室温以
10、上变形金属的再结晶温度以下的挤压过程，称为温静液挤压；而在再结晶温度以上的挤压过程，称为热静液挤压。特点静液挤压时的金属流动均匀，特别适合于各种包复材料的挤压成形，如钛包铜电极、多芯低温超导线材的成形。静液挤压时坯料处于高压介质中，有利于提高坯料的变形能力，因而静液挤压适于难加工材料的成形、精密型材成形。静液挤压的材料主要有铝合金、铜合金、钢铁等金属材料，以及各种复合材料、粉体材料等。用于静液挤压的坯料准备比普通挤压时的要求高。为了在挤压初期顺利地在挤压筒内建立起工作压力，一般需要将坯料的头部车削成与所用挤压模模腔相一致的形状。为了提高挤压制品的质量，防止污染高压介质，需要对坯料进行车皮处理。
11、坯料表面的车削状态对挤压制品的表面质量影响较大。当挤压比较小时，要求表面粗糙度在几个微米的范围内；当挤压比较大时，要求表面粗糙度在十几个微米以下。对于用于管材挤压的坯料，还要进行镗孔。应用1)异型材挤压由于静液挤压时可以获得良好的润滑条件和均匀涂层流动状态，因而特别适合于内表面或外表面带有细小复杂筋条，且形状与尺寸精度和表面质量要求高的各种异型管材与棒材的成形。静液挤压可以在较低温度下实现大变形程度的高速挤压，所以对于一些高强度铝合金，由于高温脆性的缘故，在普通挤压机上，只能采取很低的速度进行挤压；而静液挤压可以将挤压温度降低至 200300，这样既可以避免高温脆性又可以大幅度提高挤压速度。采
12、用静液挤压法，铜及铜合金小尺寸管材可用高达数百的挤压比实现一次挤压成形，大大简化了生产工艺。同时，由于挤压温度较低，可获得细小再结晶组织的制品。2)难加工材料挤压钛合金型材，特别是薄壁型材，采用普通挤压方法成形十分困难。采用静液挤压法挤压钛合金时，挤压温度可大大降低，且挤压制品具有尺寸精度高，表面质量好，性能均匀等特点，同时，还可以提高挤压制品的力学性能。3)高温合金挤压利用静液挤压强烈的三向压应力作用，可以改善金属的变形能力，进行镍基合金、金属间化合物等高温合金零部件的直接成形。4)难熔金属材料挤压大多数难熔金属因其变形抗力大、塑性差，采用常规挤压法挤压难熔金属难度大。在 9001500高温
13、下，难熔金属不能在空气介质中成形，因为金属易与气体发生作用，使性能显著劣化。采用静液挤压法，以玻璃-石墨混合物为高压介质，使部分难熔金属挤压成为可能。5)粉体材料挤压热静液挤压同时具有热等静压和挤压成形两种功能，尤其适合于粉体材料的直接挤压成形。例如，在钢质包套中以 70%的相对密度填充高速钢粉末，然后进行热静液挤压，可以获得与铸造坯料经锻造后材料力学性能的制品。采用热等静压工艺处理，然后在 400500温度下进行静液挤压，可以获得致密无缺陷的 SiC 纤维强化铝基复合材料。6)包复材料挤压利用金属流动均匀和具有高静水压力作用等特点，静液挤压非常适合于各种包复材料(或称层状复合材料)的成形。例
14、如,冷静液挤压的铜包铝复合材料，在高温下金属间化合物的包复材料的成形。由于高温和高压作用，容易获得具有完全冶金接合的界面接合质量。7 连续挤压与轧制、拉拔等加工方法相比，常规挤压(包括正挤压、反挤压、静液挤压)的最大缺点是生产的不连续性，一个挤压周期中非生产性间隙时间长，对挤压生产效率的影响较大。并且，由于这种间隙性生产的缘故，使得挤压生产的几何废料(压余与切头尾) 比例大为增加，成品率下降。因此，挤压加工领域很早以来一直致力于尽可能地缩短挤压周期中的非生产性间隙时间，并同时力求减少挤压生产几何废料。因此，自 20 世纪 70 年代起，各国都在致力于连续挤压新技术的开发和研究。连续挤压方法(包
15、括半连续挤压法) 大致可以分为两大类。第一类是基于 Green 的 Conform 连续挤压原理的方法，其共同特征是通过槽轮或链带的连续运动(或转动) ，实现挤压筒的“无限”工作长度，而挤压变形所需的力，则由与坯料相接触的运动件所施加的摩擦力提供。例如，连续摩擦筒挤压法(Fuchs 等，1973 年) 、轧挤法(Avitzur,1974 年 )、轮盘式连续挤压法(Sekiguchi 等，1975 年) 、链带式连续挤压法(Black 等，1976 年)、连续铸挤(英国 Alform 公司，1983 年)等均属此类。第二大类是源于 20 世纪 60 年代后期为了克服静液挤压生产周期中间隙时间过长
16、的缺点，而试图使挤压生产连续化的研究。这一类方法的共同特点是，利用高压液体的压力或粘性摩擦力，或再辅之以外力作用，实现半连续或连续的挤压变形。例如，半连续静液挤压-拉拔法(Sabroff 等，1967 年)、粘性流体摩擦挤压法(Fuchs,1970 年)、连续静液挤压-拉拔法 (松下富春等，1974 年)等属于此类。所有这些方法中，Conform 连续挤压法是目前应用范围最广、工业化程度最高的方法。连续挤压原理为了实现连续挤压，必须满足以下两个基本条件：不需借助挤压轴和挤压垫片的直接作用，即可对坯料施加足够的力实现挤压变形；挤压筒应具有无限连续工作长度，以便使用无限长的坯料。为了满足第一个条件
17、，其方法之一是采用如图 2-65(a)所示的方法，用带矩形断面槽的运动槽块和将挤压模固定在其上的固定矩形块(简称模块)构成一个方形挤压筒，以代替常规的圆形挤压筒。当运动槽块沿图中箭头所示方向连续向前运动时，坯料在槽内接触表面摩擦力的作用下向前运动而实现挤压。但因为运动槽块的长度是有限的，所以仍无法实现连续挤压。为了满足上述的第二个条件，其方法之一就是采用槽轮(习惯上称为挤压轮)来代替槽块，如图 2-65(b)所示。随着挤压轮的不断旋转，即可获得“无限” 工作长度的挤压筒。挤压时，借助于挤压轮凹槽表面的主动摩擦力作用，坯料(一般为连续线杆)连续不断地被送入，通过安装在挤压靴上的模子挤出成所需断面形状的制品。这一方法称为 Conform 连续挤压法，是由英国原子能局(UKAEA)斯普林菲尔德研究所的 D.Green 于 1971 年提出来的。
