金屬材料塑性精確成形工藝及理論

王從軍聯(lián)系電話mail:walden@263.net3.1金屬塑性成形種類與概述3.1.1金屬塑性成形在國民經(jīng)濟(jì)中的地位3.1.2金屬塑性成形方法的分類3.1.3金屬塑性成形方法的現(xiàn)狀3.1.4金屬塑性成形方法的最新進(jìn)展3.1.5金屬塑性成形方法的發(fā)展方向3.1.1金屬塑性成形在國民經(jīng)濟(jì)中的地位金屬塑性加工是金屬加工方法之一。它是利用金屬的塑性，通過外力使金屬發(fā)生塑性變形，成為具有所要求的形狀、尺寸和性能的制品的加工方法。因此，這種加工方法也稱為金屬壓力加工或金屬塑性加工。由于金屬塑性加工是通過塑性變形得到要求制件的，因而是一種少(無)切屑加工方法。金屬塑性加工時，一個零件一般是在設(shè)備的一個行程或幾個行程內(nèi)完成的，因而生產(chǎn)率很高。對于一定重量的零件，從力學(xué)性能、冶金質(zhì)量和使用可靠性看，一般說來，金屬塑性加工比鑄造或機(jī)械加工方法優(yōu)越。由于上述情況，金用塑性加工在汽車、拖拉機(jī)、宇航、船舶、兵工、電器和日用品等工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。僅就航空工業(yè)而百，機(jī)身各分離面間的對接接頭、機(jī)翼大梁，發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤和渦輪盤、整流罩和火焰筒等重要零件或其毛坯都是用金屬塑性加工方法制成的。3.1.2金屬塑性加工方法的分類（１）體積成形體積成形所用的坯料一般為棒材或扁坯。當(dāng)體積成形時，坯料經(jīng)受很大的塑性變形，使坯料的形狀或橫截面以及表面積與體積之出發(fā)生顯著的變化。由于體積成形過程中工件上絕大部分經(jīng)受較大的塑性變形．因而成形后基本上不發(fā)生彈性恢復(fù)現(xiàn)象。屬于體積成形的典型塑性加工方法有擠壓、鍛造、軋制、和拉拔等。金屬塑性加工方法的分類體積成形 典型的體積成形塑性加工方法有擠壓、鍛造、軋制、和拉拔等。金屬塑性加工方法的分類（２）板料成形板料成形所用坯料是各種板材或用板材預(yù)先加工成的中間坯科。在板料成形過程中，板坯的形狀發(fā)生顯著變化，但其橫截面形狀基本上不變。當(dāng)板料成形時，彈性變形在總變形中所占比例是比較大的，因此，成形后會發(fā)生彈性回復(fù)或回彈現(xiàn)象。3.1.3金屬塑性成形方法的現(xiàn)狀

縱觀20世紀(jì)，塑性成形技術(shù)取得了長足的進(jìn)展。主要體現(xiàn)在:(1)塑性成形的基礎(chǔ)理論已基本形成，包括位錯理論、Tresca、Mises屈服準(zhǔn)則、滑移線理論、主應(yīng)力法、上限元法以及大變形彈塑性和剛塑性有限元理論等；(2)以有限元為核心的塑性成形數(shù)值仿真技術(shù)日趨成熟，為人們認(rèn)識金屬塑性成形過程的本質(zhì)規(guī)律提供了新途徑，為實(shí)現(xiàn)塑性成形領(lǐng)域的虛擬制造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持；(3)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(CADCAECAM)在塑性成形領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，使制件質(zhì)量提高，制造周期下降；(4)新的成形方法不斷出現(xiàn)并得到成功應(yīng)用，如超塑性成形、爆炸成形等。3.1.4金屬塑性成形方法的最新進(jìn)展（１）微成形（２）內(nèi)高壓成形（３）可變輪廓模具成形（４）粘性介質(zhì)壓力成形(VPF)

（１）微成形

產(chǎn)品的最小化的要求不僅是來自用戶希望隨身用的多功能電子器件小型化，而且還來自技術(shù)的需要，例如醫(yī)療器械、傳感器及電子器械的發(fā)展需要制造出微小的零件。目前對微零件的需求越來越多。由于塑性加工的方法最適于大批量低成本的生產(chǎn)微零件，所以近來得到很大發(fā)展。所謂微零件通常的界定是至少有某一方向的尺寸小于100μm。

冷鐓成形的微零件

（2）內(nèi)高壓成形

內(nèi)高壓成形是近10多年來迅速發(fā)展起來的一種成形方法，它是結(jié)構(gòu)輕量化的一種成形方法。液體以往多是用于設(shè)備的傳動，如液壓機(jī)用油或水傳動，成形還是靠剛性模具進(jìn)行。近年來由于液體壓力提高到400MPa，甚至1000MPa，液體已經(jīng)可以直接對工件進(jìn)行成形。將管坯1放在下模2上，用上模3夾緊，左沖頭4與右沖頭5同時進(jìn)給，在進(jìn)給的同時，由沖頭內(nèi)孔向管坯中注入高壓液體，從內(nèi)部將管材脹形直至與模腔貼合。

（2）內(nèi)高壓成形

不銹鋼接頭

鋁合金變徑管件

復(fù)雜空心變截面構(gòu)件

（2）內(nèi)高壓成形

內(nèi)高壓成形的汽車發(fā)動機(jī)支架

用內(nèi)高壓成形法生產(chǎn)的Volvo車用鋁合金下梁

（3）可變輪廓模具成形對于小批量多品種板料件成形，例如艦艇側(cè)面的弧形板、航空風(fēng)洞收縮體板、飛機(jī)的蒙皮都是三維曲面，但批量很小甚至是單件生產(chǎn)，由于工件尺寸大，這樣模具成本很高，何況即使模具加工完成，也有一個需要修模與調(diào)節(jié)的過程，因此用可變輪廓模具成形一直是塑性加工界及模具界的研究方向之一。從本質(zhì)上講，任何一個曲面都可以寫成z=f(x，y)的形式，因此可變輪廓模具的基本構(gòu)成為很多個軸向(z向)分布在(x，y)平面內(nèi)的小沖頭組成，是將整體模離散化。至于沖頭的調(diào)節(jié)可以是手?jǐn)Q螺旋，也可以是靠伺服電機(jī)驅(qū)動螺旋機(jī)構(gòu)完成。

（3）可變輪廓模具成形

多點(diǎn)模具

（3）可變輪廓模具成形

可調(diào)節(jié)型腔

（3）可變輪廓模具成形

在可調(diào)節(jié)模腔形狀的模具上成形鋼板

（3）可變輪廓模具成形

在可調(diào)節(jié)模腔形狀的模具上壓制鋁合金球瓣

（4）粘性介質(zhì)壓力成形(VPF)

粘性介質(zhì)壓力成形(ViscousPressureForming)是近10年在美國剛開始出現(xiàn)的成形方法，顧名思義，成形時傳力介質(zhì)既不是液體，也不是固體，而是一種粘性介質(zhì)，它適用于難成形材料的成形。

（4）粘性介質(zhì)壓力成形(VPF)原理VPF工作原理

1.介質(zhì)注入缸2.上模3.板坯4.粘性介質(zhì)

5.下模6.介質(zhì)流出缸7.壓邊缸

成形前先將板料兩側(cè)充填粘性介質(zhì)，然后注入缸向型腔注入介質(zhì)，下模膛中的介質(zhì)向右下方流出，這時可以實(shí)現(xiàn)背壓外流使板料兩側(cè)都有壓應(yīng)力，避免開裂。此時左下方的油缸仍注入介質(zhì)，目的是使板料盡可能流向右下方的深膛，減少該處的高度，最后兩個溢流缸都向外排介質(zhì)，直至貼模為止。（4）粘性介質(zhì)壓力成形(VPF)

內(nèi)壁板（4）粘性介質(zhì)壓力成形(VPF)

鋁合金件的主要尺寸及試樣3.1.5金屬塑性成形方法的發(fā)展方向

數(shù)字化塑性成形技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化塑性成形技術(shù)是一項(xiàng)在塑性成形全過程(塑性成形產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和制造過程)中融合數(shù)字化技術(shù)，且以系統(tǒng)工程為理論基礎(chǔ)的技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔的生產(chǎn)。數(shù)字化塑性成形技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)塑性成形產(chǎn)品數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)KBE工程反向工程數(shù)字化的產(chǎn)品分析數(shù)字化建模虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化的產(chǎn)品制造高速切削技術(shù)快速原型技術(shù)塑性成形技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)：基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，PDM,MRPII計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及工程數(shù)據(jù)庫

（１）設(shè)計(jì)數(shù)字化技術(shù)

設(shè)計(jì)雖然只占產(chǎn)品生命周期成本的5%～15%，但決定了70%～75%以上的產(chǎn)品成本和80%左右的產(chǎn)品質(zhì)量和性能，而且上游的設(shè)計(jì)失誤將以1∶10的比例向下游逐級放大，可見設(shè)計(jì)、尤其是早期概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)過程中最為重要的一環(huán)。 為了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，近年來，學(xué)術(shù)界提出了并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)大批量定制設(shè)計(jì)等新的設(shè)計(jì)理論與方法，其核心思想是:借助專家知識，采用并行工程方法和產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以便能夠有效地滿足客戶需求。實(shí)施這些設(shè)計(jì)理論與方法的基礎(chǔ)是數(shù)字化技術(shù)，其中基于知識的工程技術(shù)(KBE)和反求工程技術(shù)是兩項(xiàng)重要支撐技術(shù)。

反求工程

以實(shí)物模型為依據(jù)來生成數(shù)字化幾何模型的設(shè)計(jì)方法即為反求工程。反求工程并不是一種創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思路，但是通過對多種方案的篩選和評估，有可能使其設(shè)計(jì)方案優(yōu)于現(xiàn)有方案，并且縮短方案的設(shè)計(jì)時間，提高設(shè)計(jì)方案的可靠性反求工程是產(chǎn)品數(shù)字化的重要手段之一，作為21世紀(jì)數(shù)字化塑性成形技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，反求工程這種思想對于消化吸收國外模具設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)，提高我國的模具設(shè)計(jì)水平具有重要的意義。反求工程的研究重點(diǎn)(1)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和思路。數(shù)據(jù)采集設(shè)備與方法是數(shù)據(jù)獲取的保證，研制快速、精確和能夠測量具有復(fù)雜內(nèi)外形狀的新設(shè)備是發(fā)展方向。

(2)數(shù)據(jù)前處理。包括對測量所得數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償、數(shù)據(jù)噪聲點(diǎn)的有效濾除以及測量數(shù)據(jù)的合理分布，此外還包括建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，減少數(shù)據(jù)丟失和失真等。

(3)數(shù)據(jù)優(yōu)化。測量所得的數(shù)據(jù)文件通常非常龐大，往往被形象地稱為數(shù)據(jù)云或者海量數(shù)據(jù)需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，主要問題有:如何合理的分布數(shù)據(jù)點(diǎn)，在盡量保有各種特征信息的基礎(chǔ)上合理簡化數(shù)據(jù)；如何使數(shù)據(jù)真實(shí)反映形面的保凸特性；如何減少人工交互，提高數(shù)據(jù)區(qū)域劃分中的自動化與效果。

(4)曲面重構(gòu)研究。在反算控制點(diǎn)時仍然存在反算標(biāo)準(zhǔn)及精度的問題；對于起伏劇烈的數(shù)據(jù)點(diǎn)群，使用單塊曲面描述會有較大差異；如何解決有關(guān)曲面重構(gòu)算法的有效性、效率以及誤差問題曲面在三角離散和層切時的不確定性問題等。基于知識的工程設(shè)計(jì)

(KnowledgeBasedEngineering，KBE) KBE(KnowledgeBasedEngineering，KBE)是面向工程開發(fā)，以提高市場競爭力為目標(biāo)，通過知識的繼承、繁衍、集成和管理，建立各領(lǐng)域異構(gòu)知識系統(tǒng)和多種描述形式知識集成的分布式開放設(shè)計(jì)環(huán)境，并獲得創(chuàng)新能力的工程設(shè)計(jì)方法。KBE的特點(diǎn)(1)KBE是一個知識的處理過程，包含了知識的繼承、繁衍、集成和管理，它不僅處理顯性知識，更關(guān)注Knowhow等隱性知識的顯性化，因而是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要使能技術(shù)。

(2)KBE處理多領(lǐng)域知識和多種描述形式的知識，是集成化的大規(guī)模知識處理環(huán)境。

(3)KBE是面向整個設(shè)計(jì)過程，甚至是產(chǎn)品全生命周期的各異構(gòu)系統(tǒng)的集成，是一種開放的體系結(jié)構(gòu)。

(4)KBE系統(tǒng)涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科知識范疇是模擬和協(xié)助人類專家群體的推理決策活動，往往具有分布、分層、并行的特點(diǎn)。KBE技術(shù)在塑性成形領(lǐng)域的意義(1)KBE技術(shù)的研究與實(shí)施，將有助于提高傳統(tǒng)塑性成形技術(shù)的創(chuàng)新能力和競爭力，通過有效地組織和管理公共知識庫體系，使之成為推動塑性成形技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力。(2)系統(tǒng)地對KBE技術(shù)在塑性成形領(lǐng)域進(jìn)行研究與工程實(shí)施，在有效地提升塑性成形開發(fā)技術(shù)的同時，有利于提高在其它相關(guān)領(lǐng)域影響。(3)基于以信息化帶動塑性成形技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略，實(shí)施KBE技術(shù)，將建立相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)有效整理、繼承、運(yùn)用和形成知識資產(chǎn)的方法。KBE技術(shù)在塑性成形領(lǐng)域的意義(4)KBE技術(shù)提供了多種獲取知識和產(chǎn)生新知識的途徑，為相關(guān)企業(yè)和部門的知識積累和原創(chuàng)新能力的提高提供了有效的技術(shù)保證。(5)KBE技術(shù)是人工智能技術(shù)與其它計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的有效集成，從而使計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)充分集成了知識，充分模擬專家解決問題的思路，使復(fù)雜工程問題的求解方法更有效。KBE研究的重點(diǎn)(1)基于知識的產(chǎn)品建模:

將專家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)過程的有關(guān)知識，表示在產(chǎn)品信息模型中，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)智能化、自動化提供有力的信息。(2)工程知識的融合和繁衍技術(shù):

用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來存儲數(shù)據(jù)、用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來分析數(shù)據(jù)，挖掘大量數(shù)據(jù)背后的知識，即KDD(KnowledgeDiscoveringDatabase)。從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)出來的知識可以應(yīng)用于信息管理、過程控制、決策支持和工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；由于KDD模式選取的好壞將直接影響到所發(fā)現(xiàn)知識的好壞，目前大多數(shù)的研究都集中在數(shù)據(jù)挖掘算法和模式的選取上。KBE研究的重點(diǎn)(3)工程知識的表示和推理技術(shù):

從追求效果和不追求知識統(tǒng)一表示的目的出發(fā)，存在多種知識表示方法，如經(jīng)驗(yàn)公式、規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和事例等。單一的知識表示形式是無法描述復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)和塑性加工過程的，KBE摒棄了在傳統(tǒng)專家系統(tǒng)中常用的單一產(chǎn)生式表示模式，代之以集成多種模式的知識表示方法，從而最大限度地提高知識利用的質(zhì)量與知識創(chuàng)新的層次；同時，多種推理方式(如RBR、CBR、MBR)的集成應(yīng)用將使工程知識能真正應(yīng)用于模具創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)踐。(2)分析數(shù)字化技術(shù)--數(shù)字化模擬

金屬塑性成形過程的機(jī)理非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)也是基于經(jīng)驗(yàn)的多反復(fù)性過程，從而導(dǎo)致了模具的開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。面對激烈的市場競爭壓力，模具行業(yè)迫切需要新技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，縮短模具的開發(fā)時間，從而更有效地支持相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。塑性加工過程的數(shù)值模擬技術(shù)正是在這一背景下產(chǎn)生和發(fā)展的。

(2)分析數(shù)字化技術(shù)--數(shù)字化模擬

金屬體積成形過程的數(shù)值模擬目前研究的熱點(diǎn)主要有應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場和組織結(jié)構(gòu)場的多物理場耦合技術(shù)、可以避開三維網(wǎng)格再劃分這一瓶頸問題的基于任意的拉格朗日—?dú)W拉描述的有限元法和無網(wǎng)格分析法。

(2)分析數(shù)字化技術(shù)--數(shù)字化模擬

板料成形過程的數(shù)值模擬目前研究的熱點(diǎn)側(cè)重于采用更為準(zhǔn)確的材料性能模型和單元類型，提高數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測缺陷尤其是預(yù)測回彈的能力，同時，越來越多的研究人員開始考慮材料的晶體塑性對成形質(zhì)量的影響。(2)分析數(shù)字化技術(shù)--

虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強(qiáng)制造過程各級的決策與控制能力。

(2)分析數(shù)字化技術(shù)--

虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)從根本上改變了設(shè)計(jì)、試制、修改設(shè)計(jì)和規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式，在產(chǎn)品真正制造出來之前，首先在虛擬環(huán)境中生成虛擬產(chǎn)品原型進(jìn)行性能分析和造型評估，使制造技術(shù)走出依賴經(jīng)驗(yàn)的天地，發(fā)展到全方位預(yù)報的新階段。如美國波音公司運(yùn)用VM技術(shù)研制777飛機(jī)，使得該飛機(jī)在一架樣機(jī)也未生產(chǎn)的情況下就獲得訂貨投入生產(chǎn)；而空中客車公司使用VM技術(shù)，把空中客車試制周期從4年縮短到2年，從而提高了他們的全球競爭能力。(3)制造數(shù)字化技術(shù)--高速制造

高速加工技術(shù)是自上個世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其研究應(yīng)用的一個重要目標(biāo)是縮短加工時的切削與非切削時間，對于復(fù)雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量。由于不同加工工藝和工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速加工給出一個確切的定義。目前，一般的理解為切削速度達(dá)到普通加工切削速度的5～10倍即可認(rèn)為是高速加工。(3)制造數(shù)字化技術(shù)--高速制造

高速加工與傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法相比沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，兩者牽涉到同樣的工藝參數(shù)，但其加工效果相對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工有著無可比擬的優(yōu)越性；有利于提高生產(chǎn)率；有利于改善工件的加工精度和表面質(zhì)量；有利于延長刀具的用壽命和應(yīng)用直徑較小的刀具；有利于加工薄零件和脆性材料；簡化了傳統(tǒng)加工工藝；經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。(3)制造數(shù)字化技術(shù)--高速制造

目前，高速加工涉及到的新技術(shù)主要有:(1)高速主軸高速加工是通過大幅度提高主軸轉(zhuǎn)速和加工進(jìn)給速度來實(shí)現(xiàn)的，為了適應(yīng)這種高速切削加工，主軸設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術(shù)。(2)高速伺服進(jìn)給系統(tǒng)高速加工通常要求在高主軸轉(zhuǎn)速下，使用在很大范圍內(nèi)變化的高速進(jìn)給。高速進(jìn)給的需求已引起機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的重大變化:采用直線伺服電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)絲杠驅(qū)動。(3)制造數(shù)字化技術(shù)--高速制造

(3)適于高速加工的數(shù)控系統(tǒng)

高速加工數(shù)控系統(tǒng)需要具備更短的伺服周期和更高的分辨率，同時具有待加工軌跡監(jiān)控功能和曲線插補(bǔ)功能，以保證在高速切削時，特別是在4～5軸坐標(biāo)聯(lián)動加工復(fù)雜曲面輪廓時仍具有良好的加工性能。(4)刀具技術(shù)刀具性能和質(zhì)量對高速切削加工具有重大影響，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，從而提高了生產(chǎn)率，延長了刀具壽命。(5)刀夾裝置及快速刀具交換技術(shù)

在高速加工中，切削時間和每個托盤化零件加工時間已顯著縮短。高速、高精度定位的托盤交換裝置已成為今后的發(fā)展方向。(3)制造數(shù)字化技術(shù)--快速原型

從RP/RT技術(shù)的現(xiàn)狀來看，未來主要發(fā)展趨勢如下:(1)提高RP系統(tǒng)的速度、控制精度和可靠性；開發(fā)專門用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、模擬制品可視化，而對尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求不高的概念機(jī)。(2)研究開發(fā)成本低、易成形、變形小、強(qiáng)度高、耐久及無污染的成形材料。(3)研究開發(fā)新的成形方法。(4)研究新的高精度快速模具工藝。3.2

超塑性成形3.2

超塑性成形

3.2.1超塑性成形的基本特點(diǎn)和種類3.2.2微細(xì)晶粒超塑性的力學(xué)特性3.2.3超塑性變形機(jī)理3.2.4超塑性成形的應(yīng)用3.2.5超塑性成形的材料與工藝規(guī)范3.2.1超塑性成形的基本特點(diǎn)和種類(1)．超塑性成形的基本特點(diǎn)1）拉伸試驗(yàn)延伸率可達(dá)百分之幾百，甚至百分之幾千。2）拉伸試驗(yàn)時，試樣均勻變形，在宏觀上不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。3）拉伸試驗(yàn)時，流動應(yīng)力很低。4）成形過程中基本上沒有加工硬化現(xiàn)象，所以超塑性合金的流動性和填充性好，容易成形。(2)．超塑性成形的種類超塑性實(shí)際上是材料在特定條件下的一種特殊狀態(tài)。超塑性通常按變形特性和狀態(tài)分為三類:微細(xì)晶粒超塑性(又稱恒溫超塑性或第一類超塑性)相變超塑性(又稱變態(tài)超塑性、轉(zhuǎn)變超塑性或第二類超塑性)其他超塑性(又稱第三類超塑性)。

3.2.1超塑性成形的基本特點(diǎn)和種類微細(xì)晶粒超塑性具有三個條件：①材料具有等軸穩(wěn)定的細(xì)晶組織(通常要求晶粒尺寸在0.5-5

m之間)。—般而言．晶粒越細(xì)，越有利于出現(xiàn)超塑性。②成形溫度T

0.5Tm(Tm為材料熔點(diǎn)的熱力學(xué)溫度)且大多低于普通熱鍛溫度，并要求溫度恒定。③應(yīng)變速率在10-4-10-2s-1的區(qū)間內(nèi)。

1）微細(xì)晶粒超塑性

(恒溫超塑性或第—類超塑性)

這類超塑性并不要求材料具有超細(xì)晶粒，而是在一定的溫度和負(fù)荷條件下，經(jīng)過多次循環(huán)相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變獲得的。相變超塑性的第一個必要條件是材料具備固態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變能力，如某些金屬和合金；第二個必要條件是應(yīng)力作用和在相變溫度區(qū)內(nèi)循環(huán)加熱和冷卻，誘發(fā)反復(fù)的結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生超塑性。

2）相變超塑性

(變態(tài)超塑性、轉(zhuǎn)變超塑性或第二類超塑性)

非超塑性材料在一定條件下，會出現(xiàn)短時間的細(xì)而穩(wěn)定的等軸晶粒組織，并能顯示出超塑性。在消除應(yīng)力退火過程中，在應(yīng)力作用下可以得到超塑性。球墨鑄鐵和灰鑄鐵經(jīng)特殊處理也可以得到超塑性。

3）其他超塑性

(短暫超塑性或第三類超塑性)

金屬試樣超塑性拉伸試驗(yàn)時，在載荷達(dá)到最大值以后，隨著應(yīng)變量的增加。載荷緩慢下降。在拉伸過程中，金屬的流動非常穩(wěn)定，幾乎看不到縮頸現(xiàn)象。流動應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)變之間的關(guān)系與理想彈塑性體的相類似。流動應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系具有牛頓粘性體的特征，即流動應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而上升。從力學(xué)特性上講，超塑性最主要的特性就是材料流動應(yīng)力對應(yīng)變速率的敏感性。

3.2.2微細(xì)晶粒超塑性的力學(xué)特性

描述這種特性最簡單也最常用的是著名的貝可芬(Backofen)方程

(3.1)式中，

為超塑性流動應(yīng)力；為應(yīng)變速率；m為流動應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，稱為m值；K為與材料成分、結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)溫度等有關(guān)的常數(shù)。貝可芬(Backofen)方程mKes.=e.

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值是表征超塑性的一個重要指標(biāo)。其物理意義說明如下：在m值大的情況下。隨著應(yīng)變速率增大，流動應(yīng)力迅速增大。因此，如果試樣某處出現(xiàn)縮頸的趨勢，此處的應(yīng)變速率就增大，使此處繼續(xù)變形所需的流動應(yīng)力隨之劇增，于是變形只能在其余部分繼續(xù)進(jìn)行。如果再出現(xiàn)縮頸趨勢，同樣由于縮頸部位應(yīng)變速率增加而局部強(qiáng)化，使縮頸傳播到其他部位，從而可獲得巨大的宏觀均勻變形。以上分析表明，m值反映金屬和合金拉伸時抗縮頸的能力，因而是評定金屬和合金是否能呈現(xiàn)超塑性的重要指標(biāo)。根據(jù)研究結(jié)果，對于普通金屬和合金，m=0.02-0.2；對于超塑性材料，一般m=0.3-0.8，某些情況下接近1。

圖a為在對數(shù)坐標(biāo)中Mg-A1共晶合金的流動應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系曲線，呈S形。曲線可分為I區(qū)，II區(qū)和III區(qū)。在II區(qū)內(nèi)，流動應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化很大，超塑性發(fā)生在此應(yīng)變速率敏感區(qū)。將式(3.1)兩邊取對數(shù)后求導(dǎo)可得m=d(1g

)/d(1g)，因此，m值是1g

-1g曲線上各點(diǎn)的斜率。圖就是根據(jù)Mg-A1共晶合金的S曲線求得的m-1g關(guān)系曲線。從圖b可以看出，在區(qū)域II內(nèi)m

0.3，所以這區(qū)域是超塑性變形區(qū)。

（1）溶解—沉淀理論（2）亞穩(wěn)態(tài)理論（3）擴(kuò)散蠕變機(jī)制（４）擴(kuò)散流動機(jī)制--Ashby-Verral模型（5）位錯蠕變機(jī)制

3.2.3超塑性變形機(jī)理1945年，為解釋超塑性現(xiàn)象，蘇聯(lián)學(xué)者包赤伐爾提出所謂“溶解—沉淀”理論。根據(jù)這種理論，超塑性主要發(fā)生在兩相合金中。當(dāng)合金中一相在另一相中的極限溶解度隨溫度變化時，由于在變形過程中可能產(chǎn)生局部溫度波動，使一些相界上發(fā)生溶解過程，而在另一些相界上發(fā)生沉淀過程。這種特定的物質(zhì)遷移擴(kuò)散過程引起晶粒相互移動，在合適的高溫下，變形速度小則產(chǎn)生超塑性。這一理論對于大量晶間滑移、晶粒轉(zhuǎn)動及單相合金的超塑性現(xiàn)象還無法解釋。（1）溶解—沉淀理論

帕烈斯涅哥夫等認(rèn)為，“溶解—沉淀”理論并不能解釋超塑性，因?yàn)橛行┖辖鹬袃上嗟臉O限溶解度并不隨溫度變化，而且在恒溫變形過程中不可能有很大的局部溫度波動。通過對Zn-A1等合金超塑性的研究，提出超塑性與合金的特殊組織狀態(tài)--亞穩(wěn)態(tài)組織有關(guān)。認(rèn)為金屬超塑性變形是組織從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)態(tài)的過程，把亞穩(wěn)態(tài)相看作一種物質(zhì)的新態(tài)，具有無定型的準(zhǔn)液態(tài)粘性流動特性，變形時產(chǎn)生“準(zhǔn)液態(tài)的擴(kuò)散塑性”。這一理論可以解釋共晶和共折合金的超塑性、冷加工后再結(jié)晶或有序到無序轉(zhuǎn)變引起的超塑性。但不能解釋晶間滑移、單相合金及一些無需淬火的材料超塑性。

（2）亞穩(wěn)態(tài)理論

N-H（Nabarro-Herring）型擴(kuò)散蠕變理論認(rèn)為，在拉應(yīng)力作用下，空位的化學(xué)勢能產(chǎn)生局部的變化，垂直拉伸軸的晶界處于高位能狀態(tài)，平行拉伸軸的晶界處于低位能狀態(tài)。因此，在拉伸應(yīng)