塑性加工

塑性加工是使金屬在外力（通常是壓力）作用下，產生塑性變形，獲得所需形狀，尺寸和組織，性能的製品的一種基本的金屬加工技術，以往常稱壓力加工。金屬塑性加工的種類很多，根據加工時工件的受力和變形方式，基本的塑性加工方法有鍛造，軋制，擠壓，拉拔，拉伸，彎曲，剪下等幾類

基本介紹

• 中文名：塑性加工
• 外文名：metalforming 
• 學科：金屬塑性加工
• 加工方法：鍛造，軋制，擠壓等
• 目的：生產各種鋼材和有色金屬材
• 套用領域：足機械製造，交通運輸，電力電訊

簡史

金屬塑性加工技術在冶金史上出現很早。已發現的天然金的製品最早出於公元前5千年。由隕鐵製作的鐵器最早的是公元前4千年。中國發現最早的隕鐵文物是在河北藁城出土的商代中期 （約公元前13世紀中葉）的鐵刃銅鉞。研究證明，這些天然金屬製品都是經過鍛打製成的。中國古代冶金技術比歐洲先進，但偏重於鑄造技術而忽視金屬塑性加工，始終沒有發展軋制生產。明代宋應星（1587～?）的《天工開物》中描述的鍛制千鈞錨和抽絲的生產過程也有相當規模，但以後長期停留在手工階段。經過產業革命，歐洲的冶金業迅速走向現代化，通過採用動力機械，金屬塑性加工也相應地轉向近代大工業生產。1766年出現帶孔型的二輥軋機，1836年出現用蒸汽機驅動的二輥和三輥軋機。中國的近代冶金技術（包括塑性加工生產技術）則是由歐洲引進的。中國近代的軋鋼廠最早的是1871年福州船政局所屬的拉鐵 （軋鋼） 廠。以後較具規模的有建於1894年的漢陽鐵廠的800mm鋼軌軋機以及以後的上海、天津、太原等地的中小型軋機。1931年以後日本在遼寧鞍山陸續建起了較大規模的軋鋼廠以及本溪、撫順和大連等地的小型軋機。1949年以後隨著大規模社會主義經濟建設的進行，軋鋼和有色金屬加工業得到飛躍的發展。到1997年中國鋼產量已達10 756萬t，鋼材產量已達9700萬t，居世界第一位。有色金屬產量達581萬t。各種類型的軋鋼廠和金屬加工廠已形成體系和合理布局。

塑性加工的種類

金屬塑性加工的種類很多，根據加工時工件的受力和變形方式，基本的塑性加工方法有鍛造，軋制，擠壓，拉拔，拉深，彎曲，剪下等幾類。

鍛造

靠鍛壓機的鍛錘錘擊工件產生壓縮變形的一種加工方法，有自由鍛和模鍛兩種方式。自由鍛不需專用模具，靠平錘和平砧間工件的壓縮變形，使工件鐓粗或拔長，其加工精度低，生產率也不高，主要用於軸類，曲柄和連桿等單件的小批生產。模鍛通過上，下鍛模模腔拉制工作的變形，可加工形狀複雜和尺寸精度較高的零件，適於大批量的生產，生產率也較高，是機械零件製造上實現少切削或無切削加工的重要途徑。

軋制

使通過兩個或兩個以上旋轉軋輥間的軋件產生壓縮變形，使其橫斷面面積減小與形狀改變，而縱向長度增加的一種加工方法。根據軋輥與軋件的運動關係，軋制有縱軋，橫軋和斜軋三種方式。

擠壓

使裝入擠壓筒內的坯料，在擠壓筒後端擠壓軸的推力作用下，使金屬從擠壓筒前端的模孔流出，而獲得與擠壓模孔形狀，尺寸相同的產品的一種加工方法。擠壓有正擠壓和反擠壓兩種基本方式。正擠壓時擠壓軸的運動方向與從模孔中擠出的金屬流動方向一致；反擠壓時，擠壓軸的運動方向與從模孔中擠出的金屬流動方向相反。擠壓法可加工各種複雜斷面實心型材，棒材，空心型材和管材。它是有色金屬型材，管材的主要生產方法。

拉拔

靠拉拔機的鉗口夾住穿過拉拔模孔的金屬坯料，從模孔中拉出。而獲得與模孔形狀，尺寸相同的產品的一種加工方法。拉拔一般在冷態下進行。可拉拔斷面尺寸很小的線材和管材。如直徑為0.015mm的金屬線，直徑為0.25mm管材。拉拔製品的尺寸精度高，表面光潔度極高，金屬的強度高（因冷加工硬化強烈）。可生產各種斷面的線材，管材和型材，廣泛用於電線，電纜，金屬網線和各種管材生產上。

拉深

又叫衝壓，依靠沖頭將金屬板料頂入凹模中產生拉延變形，而獲得各種杯形件，桶形件和殼體的一種加工方法。衝壓一般在室溫下進行，其產品主要用於各種殼體零件，如飛機蒙皮，汽車覆蓋件，子彈殼，儀表零件及日用器皿等。

彎曲

在彎矩作用下，使板料發生彎曲變形或使板料或管，棒材得到矯直的一種加工方法。

剪下

坯料在剪下力的作用下產生剪下。使板材沖裁，以及板料和型材切斷的一種常用加工方法。

塑性加工的特點

金屬塑性加工與金屬鑄造，切削，焊接等加工方法相比，有以下特點:

（1）金屬塑性加工是金屬整體性保持的前提下，依靠塑性變形發生物質轉移來實現工件形狀和尺寸變化的，不會產生切屑，因而材料的利用率高得多。

（2）塑性加工過程中，除尺寸和形狀發生改變外，金屬的組織，性能也能得到改善和提高，尤其對於鑄造坯，經過塑性加工將使其結構緻密，粗晶破碎細化和均勻，從而使性能提高。此外，塑性流動所產生的流線也能使其性能得到改善。

（3）塑性加工過程便於實現生產過程的連續化，自動化，適於大批量生產，如軋制，拉拔加工等，因而勞動生產率高。

（4）塑性加工產品的尺寸精度和表面質量高。

（5）設備較龐大，能耗較高。

套用

金屬塑性加工由於具有上述特點，不僅原材料消耗少，生產效率高，產品質量穩定，而且還能有效地改善金屬的組織性能。這些技術上和經濟上的獨到之處和優勢，使它成為金屬加工中極其重要的手段之一，因而在國民經濟中占有十分重要的地位。如在鋼鐵材料生產中，除了少部分採用鑄造方法直接製成零件外，鋼總產量的90%以上和有色金屬總產量的70%以上，均需經過塑性加工成材，才能滿足機械製造，交通運輸，電力電訊，化工，建材，儀器儀表，航空航天，國防軍工，民用五金和家用電器等部門的需要；而且塑性加工本身也是上述許多部門直接製造零件而經常採用的重要加工方法，如汽車製造，船舶製造，航空航天，民用五金等部門的許多零件都須經塑性加工製造。因此，金屬塑性加工在國民經濟中占有十分重要的地位。

塑性加工金屬學

依據金屬晶體結構的運動機制，研究控制和改善熱力學及力學條件，以求最有成效地進行金屬塑性成形的專業基礎理論學科。本學科的主要研究任務是探索金屬及其合金在外力作用下產生塑性變形的適宜的熱力學和力學條件、尋求提高變形性能、降低變形抗力(見金屬的變形抗力)、避免產生缺陷、變形後達到最佳的結晶組織狀態與性能的工藝條件，以獲取最優的內外質量的產品並達到節能降耗的目標。塑性加工金屬學的主要研究內容包括：

(1)金屬塑性變形機制。闡明金屬及其合金在外力作用下產生塑性變形的機制、研究內部和外部諸條件因素在塑性變形過程中所起的作用與導致的後果;

(2)金屬的屈服與變形抗力。研究單晶體多晶體金屬由彈性變形狀態轉變到塑性變形狀態的物理與力學條件，研究金屬抗拒塑性變形所產生的力即變形抗力隨變形的發展而變化的規律;

(3)金屬塑性變形的熱力學條件。研究變形溫度、變形程度、變形速度對金屬塑性、變形抗力和結晶組織狀態變化的影響;

(4)金屬塑性變形與組織性能的變化。研究塑性變形過程中金屬組織性能變化的規律，以期產品達到良好的性能;

(5)金屬的塑性與斷裂。研究金屬在一定條件下承受塑性變形而不產生斷裂的能力，促使金屬達到最佳塑性狀態的條件及提高其塑性的途徑;

(6)不均勻變形及殘餘應力。研究不均勻變形發生與擴展的原因及其引起的不良後果與所造成的殘餘應力，研究減輕與防止產生不均勻變形的措施。

金屬塑性加工力學

分析研究金屬及其合金在塑性加工變形中的力學行為與規律的專業基礎理論。研究任務是分析塑性變形中的應力應變狀態和變形體內應力應變分布規律、確定變形材料的物理力學方程、根據變形力學的基本方程和塑性加工變形過程的特點建立變形和力能參數的分析計算方法，從而為正確選擇塑性加工變形方式、制訂合理的工藝規程、最佳化設計工具模具和加工設備、分析和解決產品缺陷提供依據。

塑性加工力學是以塑性力學的基本理論和方法為基礎，隨著金屬塑性加工技術的發展而逐步形成的。近年來對加工產品的尺寸精度的要求日益嚴格，生產過程的自動控制和調節日益發展，這些都需要更精確地掌握金屬變形規律、更精確地計算工具和設備的受力與彈性變形量，這就更加有力地推動塑性加工力學不斷取得新進展。尤其是近年來電子計算技術的發展也給塑性加工力學的進步創造了條件。

塑性加工力學的諸多解析方法中套用較廣泛的有：工程解法(見變形力學問題工程解法)、滑移線解法(見變形力學問題滑移線解法)、上界法和有限元解法(見變形力學問題有限元解法)等。隨著電子計算技術的發展，各種數值計算法受到重視，其中非線性有限元法和複合解析法套用日益廣泛。

另外，塑性加工的實驗力學方法，如視塑性法，光塑性法，雲紋法等也都有新的研究進展。

當前塑性加工力學的發展趨向是：

(1)研究提供各種實際材料在各種變形條件下的更精確的變形抗力模型和本構方程;

(2) 研究塑性變形中工件與工具接觸表面摩擦的類型和不同的作用機制，建立更確切的摩擦力模型;

(3) 研究能夠反映複雜成形過程的更精確的解法和簡捷實用的計算方法。