體積成形

體積成形是指對金屬塊料、棒料或厚板在高溫或室溫下進行成形加工的方法。模鍛件應儘量避免帶小孔、窄槽、夾角，形狀要儘量對稱，即使不能做到軸對稱，也希望達到上、下對稱或左、右對稱。要設計拔模斜度，避免應力集中和模鍛單位壓力增大，克服偏心受載和模具磨損不均等缺陷。

基本介紹

• 中文名：體積成形
• 外文名：bulk forming
• 內容：鍛造成形、擠壓成形和彎曲成形
• 特點：只改變形狀，不改變體積
• 特種體積成形：超塑性成型、粉末冶金鍛造等

簡介

體積成形包括鍛造成形、擠壓成形和彎曲成形。在鋼結構工藝技術中常用鍛造成形工藝技術完成其鋼結構加工成形。體積成形的特點是：工件毛坯經加熱鍛壓等工藝加工，只改變形狀，不改變體積。

鍛造成形工藝技術一般分為自由鍛造和模具鍛造兩種方式。

自由鍛造是手工與簡單的工具相結合的在鍛造機械（包括捶擊）鍛造成形工件的過程。

以一般起重吊鉤為例，其自由鍛造成形的工序過程為：①圓鋼下料。選擇圓鋼的直徑大於吊鉤最大截面直徑；②加熱。在加熱爐中將圓鋼坯料加熱到1000℃左右，並保溫適當時間；③用摔子鍛造拔桿為吊鉤各部截面形狀（摔子是凹弧形錘）；④彎曲。按吊鉤圖樣要求逐漸彎曲成形；⑤調矯。依據樣板對工件進行精確調矯。

自由鍛造工藝簡單實用，但精度較差適用小批量單件的製造。

模具鍛造和自由鍛造的工藝過程基本相似。以起重吊鉤為例，主要區別是工件彎曲成形時不是對照樣板進行自由鍛造，而是將工件彎曲的毛坯放在預製的專用模具之中（模具分上、下模具）進行鍛造成形。

模鍛成形工件的精度較高，並且工藝技術並不十分複雜。其工藝過程中應保證：①鍛造工件的模具應符合要求；②工件毛坯的體積計算應精確，儘量保證工件毛坯和成品的體積基本相同。

模鍛工藝技術在鍛造成形中經常得到套用。除上述起重吊鉤等簡單工具和零件外，標準件（螺栓、螺母等）、管件等機械零件的毛坯等大都是採取模鍛的工藝加工方式進行成形加工。模鍛工藝還能較容易地實現生產線自動控制的操作。例如在標準件自動生產線中，常利用模鍛工藝技術完成工件毛坯的加工成形。

精密塑性體積成形

精密塑性體積成形是指所成形的製件達到或接近成品零件的形狀和尺寸，它是在傳統塑性加工基礎上發展起來的一項新技術。它不但可以節材、節能、縮短產品製造周期、降低生產成本，而且可以獲得合理的金屬流線分布，提高零件的承載能力，從而可以減輕製件的質量，提高產品的安全性、可靠性和使用壽命。該項新技術由子具有上述諸多優點，加之工業發展的需要，近20多年來得到了迅速發展，尤其在一些工業已開發國家發展迅猛。目前，精密塑性體積成形技術作為先進制造技術的重要組成部分，已成為提高產品性能與質量、提高市場競爭力的關鍵技術和重要途徑。

精密塑性體積成形的套用：

①成形大批量生產的零件，如汽車、機車上的一些零件，特別是複雜形狀的零件。

②成形航空、航天等工業的一些複雜形狀的零件，特別是一些難切削的複雜形狀的零件；難切削的高價材料（如鈦、鋯、鉬、鈮等合金）的零件；要求性能高、使結構質量輕化的零件等。

體積成形過程問題

金屬塑性成形問題大致可以分為體積成形問題和板料成形問題兩大類。對於體積成形過程，其初始毛坯一般為方坯、圓棒或厚板，而且在成形過程中發生塑性變形部分材料的表面積與體積的比率顯著增大。體積成形過程有兩點顯著特徵：

①工件發生了大的塑性變形，並且伴隨著顯著的形狀變化與截面的改變；

②工件發生永久性塑性變形的變形量遠大於彈性變形量，因此彈性回復可以忽略不計。

屬於體積成形範疇的塑性成形工藝有鐓粗、閉式模鍛、開式模鍛、自由鍛、徑向鍛造、正擠壓、反擠壓、複合擠壓、軋厚板、軋管、型軋、旋壓、擺碾、拉拔等。在體積成形問題中，變形材料與模具間的接觸問題以及接觸面間的摩擦問題對其成形過程有顯著的影響。目前，利用體積成形方法來生產各種零部件的塑性加工技術正廣泛套用於機械、冶金、能源、兵器和汽車等工業部門，並且有著十分廣闊的套用前景。

由於體積成形過程中塑性變形部分遠大於彈性變形部分的變形量，即彈性變形可忽略不計，因此，對於體積成形過程的分析通常採用剛塑性有限元方法。目前，剛塑性有限元法在體積成形過程的仿真中得到了廣泛而成功的套用。在二維體積成形問題的分析技術方面，應該說已經比較成熟。除了能夠模擬普通的平面應變、平面應力和軸對稱成形過程外，還能夠最佳化預成形過程，預測成形過程中的表面和內部缺陷，模擬像雙金屬和粉末燒結體金屬這樣的特殊塑性成形過程。同時，在利用二維剛塑性有限元模擬技術來研究金屬材料在塑性變形過程中的巨觀力學行為與微觀組織結構變化的關係方面也取得了可喜的進步。從而，為實現計算機控制體積成形過程奠定了理論基礎。在三維體積成形問題的有限元模擬技術方面，隨著計算機運算速度的大幅度提高和儲存量的大大增加，三維剛塑性有限元法逐漸在複雜體積成形過程的分析與仿真中顯示出了其優勢。尤其是三維接觸問題的解決和三維格線再劃分技術的日漸成熟，使三維剛塑性有限元仿真技術已在三維鍛造、擠壓、軋制、旋壓等方面得到了成功的套用。

成形模具設計

設計模具時應充分利用CAD系統功能對產品進行二維和三維設計，保證產品原始信息的統一性和精確性，避免人為因素造成的錯誤，提高模具的設計質量。產品三維立體的造型過程以在鍛造前全面反映出產品的外部形狀，及時發現原始設計中可能存在的問題，同時根據產品信息，用電腦設計出加工模具型腔的電極，為後續模具加工做好準備。

採用CAM技術可以將設計的電極精確地按指定方式生產。採用數控銑床(或加工中心)加工電極，可保證電極的加工精度，減小試模時間，減少模具的廢品率和返修率，減少鉗工勞動量。

對於一些外形複雜，精度要求高的鍛件，靠模具鉗工採用常規模具製造方法保證某些外形尺寸而採用CAD/CAM技術可以對這些複雜的鍛件進行精確的尺寸描述，確定合理的分模面，保證合模精度，從模具製造這一環節確保產品精度。

CAD/CAM/CAE技術可以進行有限元分析，對關鍵部位的尺寸設計是否合理可以提供修改依據，從而在為客戶提供高質量鍛件的同時，也為客戶的設計提供了依據，加強了與客戶的合作。

成形是模鍛過程中最重要的工步，模鍛件的幾何形狀是靠鍛模來保證的，模鍛過程中要全面考慮各種因素，尤其是對生產中可能發生的或已暴露出的問題，在模具設計時應採取措施減輕後續工序的加工難度。按照這一原則在預防為減少模鍛件開裂與變形，提高鍛件合格率方面，可以有針對性地採取一些對策和措施。如鍛件的某些部位在切邊和沖孔時易變形而影響產品質量時，可在鍛模設計上適當增加相應變形部位的加工餘量予以補償，這一點對於切邊時鍛件變形大的薄法蘭更為重要。對一些帶有桿部且桿部直徑相對較小的鍛件，在切邊和熱處理過程中會產生有規律的幾何變形，而用冷校正方式無法或難以校直。如某廠生產的TS60曲軸，可根據實踐經驗和統計數據預先將中心線在一定範圍內變形方向反向偏移一定的預補反變形量。

特種成形技術的研究開發

常規變形條件下固態金屬的成型性總是不盡理想的，加之影響金屬流動的因素比較複雜、不易控制，因此形狀複雜精細的零件很難鍛出；再者，固態金屬的變形抗力較大，導致設備噸位增大，模具工作條件繁重。這些都是傳統塑性加工的不利因素，而目前發展的一些特種塑性成型技術，對於克服這些不利因素具有明顯的優越性。下面僅介紹其中的幾種。

超塑性成型

將某些金屬進行預處理，以獲得穩定的超細晶粒組織（晶粒直徑小於10μm），然後在恆定高溫（T≈0.5～0.7T_m，T_m為材料的絕對熔化溫度）和低變形速率（ε≈10^-4～10^-2/s）條件下變形，則金屬會表現出大伸長率（δ可達百分之幾百、甚至百分之幾千）、無細頸、低應力（僅及常規變形時的幾分之一到幾十分之一）和易成型的特性，因而可以生產用常規塑性加工方法無法生產的具有薄壁、薄腹板、高肋和細微凸出部的精密複雜零件。

粉末冶金鍛造

與固態整體金屬相比，顆粒（粉末）態的金屬具有很好的充填性和成型性，且元偏析和便於合金化。因此，利用粉末冶金方法可以生產形狀複雜、尺寸重量精確的零件。但是，粉末冶金製件密度低、力學性能較差，實際用途受到限制。如果將粉末冶金與鍛造相結合，則可使粉末件的密度提高到理論密度的98%以上，性能指標也接近普通鍛造水平。這種將粉末冶金與鍛造結合起來的工藝方法，就稱為粉末冶金鍛造。

省力成型

靜液擠壓法是利用高壓液體作為擠壓壓頭，使毛坯與擠壓筒之間充滿高壓液體，消除了外摩擦。因此與普通擠壓相比，力能消耗大為減小，而擠壓變形程度卻大為增加。

液態模鍛是一種鑄、鍛結合的成形方法，將熔融金屬直接澆入金屬模腔內，在壓力作用下使液態金屬充型、凝固，並發生少量的塑性變形。這樣形成的鍛件與壓力鑄造件相比，晶粒特別細微，無縮孔、縮松，力學性能好。另外從成形角度講，金屬的流動性好，填充容易，可以成形形狀複雜、帶有薄壁的鍛件，而模鍛力大大減小。