成型工艺：材料成型操作 |制造科学
我们对各种基本成型操作进行了简要描述和分析。希望读者现在已经对这些过程，尤其是所涉及的机制有所了解。然而，这些过程有许多次要和主要的变化。在本文中，我们将讨论其中一些以及相关的技术方面。
成型过程：材料的成型操作
操作# 1.滚动 ：
很少可能一步完成最终的横截面。通常，使用不同的轮询设备以连续方式通过多次通过来执行滚动。整个车间通常被称为轧钢厂。轧制扁平带钢时，可以使用同一对轧辊进行连续的阶段。
通常调整上辊以控制每次通过后的间隙。为了避免大量材料处理的问题，需要提供反转辊旋转方向的措施。结果，工件在连续的通道中来回移动。有时，可以通过使用三辊轧机来优化空间。
在热轧过程中，随着工件不断冷却，应尽量减少时间的流逝。这应该是轧机布局的主要考虑因素之一。通常，通过提供支撑辊来促进作业移动。如果作业足够长且灵活，则可以为三辊轧机提供一些布置，即使在第一道次完成之前，也可以为第二道次进料。这是通过通常称为环磨机实现的。
可以通过使用弯曲的管或槽（称为中继器）以机械方式完成循环。连续多道次轧制也可以通过适当地安排轧制设备，使一个轧制道次靠近另一个轧制道次，从而实现灵活、长期的工作。
对于给定的面积减少，通常称为拔模量，趋向于弯曲轧辊的轧辊分离力随等式 (3.20) 给出的轧辊半径 R 线性增加。
因此，使用大型驱动辊不能非常有效和经济地控制辊的弯曲挠度。减少辊挠度的更好、更经济的方法是使用支撑辊。
在该图中，显示了使用支撑辊的两种不同方法。由于辊分离力取决于驱动辊的半径，因此它们总是保持较小的尺寸，而支撑辊具有较大的半径以增加刚性。
然而，一定量的轧辊弯曲是不可避免的，但这可以通过使用非圆柱形轧辊（图 3.36a）来解决，它在轧辊分离力的作用下弯曲，从而提供辊之间的均匀间隙（图 3.36b）。图 3.36a 所示的轧辊称为凸面轧辊。对于非弧形轧辊，轧制带材的厚度更多地位于中心，如图 3.36c 所示。将轧辊视为端部简单支撑的粗短梁，中心挠度可表示为-
λ1 和 λ2 的典型值对于宽度为 l 的条带为 1.0 和 0.2，对于宽度为 l/2 的条带为 0.5 和 0.1。
轧机的输入坯料通常具有矩形横截面，根据尺寸被称为大方坯或钢坯。为了在轧制后获得不同的横截面，工作必须经过多次通过，使用几何形状逐渐变化的成型辊。例如，图 3.37 显示了在从方形坯料生产圆形细棒时，两个轧辊之间间隙的几何形状如何变化。
轧辊通常由铸钢或锻钢制成。合金铸铁有时用于降低成本。使用特殊合金钢可以获得优异的强度和刚度特性，但显然成本更高。热辊被粗糙化（有时甚至有缺口）以提供良好的咬合效果，而冷辊经过研磨以提供精细的表面以赋予最终产品良好的光洁度。
轧制的主要参数包括 – (i) 温度范围（热轧），(ii) 轧制速度计划，以及 (iii) 不同道次的压下量分配。所有这些反过来又会影响产品的尺寸精度及其物理和机械性能。
操作# 2.锻造 ：
基本的锻造操作有很多变化，最常用的是：
(i) 史密斯锻造：
史密斯锻造可能是最古老的金属加工工艺。在这里，使用手持工具和锤子将热工件赋予所需的形状。如今，动力驱动的锤子被用来反复敲击。铁砧和锤子大多是平的，所需的形状（当然种类有限）是通过操作两次打击之间的工作来获得的。
(ii) 滴锻：
在落锤锻造中，冲击载荷（打击）施加到工件上以引起金属流动，从而使由闭合模具的两半形成的型腔上升。为了确保完全填充，通常会提供过量的材料。这些多余的材料沿圆周流出，形成毛边，随后进行修整。当产品几何形状复杂时，可能需要一组模具才能获得最终形状。
(iii) 压锻：
不是反复打击，而是在压力锻造中施加逐渐的力。但是，根据工作的复杂程度，可能需要一组模具才能获得最终产品。很明显，在这里，模具的两半对齐造成的问题比落锤锻造要少。由于操作是在一个冲程中完成的，因此必须做好空气和多余的模具润滑剂逸出的准备。
(iv) 加厚锻造：
在很多情况下，只需要伪造工作的一部分。一个常见的例子是在杆的一端锻造螺栓头。这种局部锻造操作通常称为镦粗。镦锻操作可以是封闭的也可以是开放的，如图1和2所示。分别为 3.38a 和 3.38b。显然，该操作涉及棒材的纵向压缩。
因此，为了防止屈曲，关于要锻造的无支撑长度遵守以下规则：
(a) 在开放作业中，无支撑部分的长度 (l) 不应超过 3d，d 是作业的直径。
(b) 如果 l 超过 3d，则应进行闭合操作，模具直径 D ≤ 1.5 d。
(c) 如果在闭合操作期间，无支撑长度超出模腔（图 3.38c）l1，则 l1 ≤ d。
(v) Swaging：
型锻是冲击锻造的一种特殊变体，其中通过成形模具的径向运动获得重复的打击。此操作通常用于减小棒材和管材的直径和锥度。
(vi) 滚锻：
辊锻是通过两个平行轴固定的两个半圆形开槽辊进行的。该工艺用于减小棒材的直径。加热的工件放置在处于打开位置的模具之间。辊子旋转半圈后，工件被滚出。然后将其放入较小的凹槽中并继续操作，直到达到所需的尺寸。
很明显，模具是锻造操作中最关键的部件之一，因此工艺的成功在很大程度上取决于模具的设计。
锻造模具应具备的基本特征如下（另见图3.41）：
(i) 为了减轻金属在拐角周围的流动，应始终提供适当的圆角半径。这也有助于防止模具过度磨损和拐角附近的金属断裂。
(ii) 如同在成型图案中一样，此处所有垂直表面也应具有合适的拔模度，以便轻松从模具中取出工件。
(iii) 如前所述，应在芯片边缘周围留出空间以容纳多余的材料，即所谓的毛边。要接收此闪光灯，建议提供闪光灯槽。
在热锻中，模具尺寸应包括收缩余量（以补偿产品冷却后的收缩），因为锻件通常不进行任何后续的整体精加工操作。锻模通常由高碳或中碳合金钢制成，因为它承受着较大的工作量。模具的硬度 (Rc) 通常在 45-60 的范围内。
操作# 3.绘图：
绘制操作主要用于减小棒材和线材的直径。拉拔速度从大直径的 10 m/min 到非常细的线的 1800 m/min 不等。开始操作时，坯料的起始端被锻造成更小的直径，以便于进入模具。
此外，为了防止任何冲击动作，操作以慢速开始。在大的缩减中，操作可以在多次通过中执行。由于连续冷加工会产生足够的热量，因此可能需要用水冷却模具。有时，管子也通过拉丝模拉丝，这种情况下的操作称为下沉。
通常，大型模具由高碳钢或高速钢制成，而碳化钨用于中型模具。为了拉制细线，模具由金刚石制成。
操作# 4.深绘图：
从我们对深拉工艺机制的描述中可以明显看出，应该尝试尽可能多地将金属板拉入模具中。这有助于最大限度地减少杯壁的变薄。因此，坯料的外圆周减小，产生环向压缩应力，当超过极限时，可能导致杯形法兰发生塑性起皱。这些皱纹事后无法消除，但可以通过使用压边条来避免。
但是，来自压边器的过大压力会阻碍材料轻松进入模具。如果拉伸比（定义为rj / rd）不超过1.2，即使没有压边机也可以进行操作。如图 3.43 所示，取决于坯料的厚度和模具轮廓，可以获得更高的拉伸比值。
当毛坯直径与终杯直径之比过大时，操作分多步进行。第一次之后的连续绘制操作称为重绘。图 3.44a 和 3.44b 显示了两个典型的重绘操作。图 3.44b 中所示的操作称为反向重拉，因为在此过程中，最初拉出的杯子被翻转过来。与传统的重拉操作相比，该操作似乎涉及对材料的更严格的加工。
然而，正如现在所解释的，实际情况恰恰相反。在传统的重拉中（图 3.44a），材料在压边圈和模具角周围以相反的方向弯曲。另一方面，在反向绘制中（图 3.44b）；材料仅沿一个方向弯曲，即沿外模角和内模角。在极端情况下，可以为模具提供圆形边缘，如图 3.44c 所示，从而减少对材料的严重加工。
由于在初始操作期间会发生一定程度的应变硬化，因此通常建议在开始重拉操作之前进行退火（以恢复延展性）。
一般来说，金属在整个工件中的流动是不均匀的，并且在大多数情况下，必须对拉制部分进行修整以去除不需要的金属。这种修边可以通过手动操作或使用单独的修边模具来完成。
从冲头上剥离工件可以通过在拉丝模的下侧加工一个轻微的凹槽来实现。在回程过程中，冲头压力从杯子上移开；结果，拉出的杯子会回弹。由于这个动作，凹槽防止拉制杯在冲头向上冲程期间随冲头一起移动。
操作# 5.弯曲：
我们给出的折弯操作分析仅适用于需要在钣金中产生拐角的情况。然而，通过该操作也可以获得更复杂的形状。一般来说，这样的操作可能需要不止一个阶段。为了生产复杂的形状，使用一系列成型辊连续进行弯曲操作。在生产这种形状的过程中，必要时使用惰辊从侧面挤压工件。
管子和其他空心型材也可以通过使用刮水辊将工作包裹在模板周围来弯曲。如果擦拭辊具有恒定的曲率，则它可以铰接在要生产的曲率的中心。图 3.48 解释了弯曲管的这种操作。可以通过用一些填充材料（例如沙子）填充内部空间来防止管子塌陷。不言自明的图表显示了弯管操作。
操作# 6.挤压：
挤压是最有潜力和最有用的金属加工工艺之一，在应用模式上有很多变化。它可以在热和冷的条件下进行。热挤压有助于减少工作负荷（特别是对于高强度材料），但会带来更多问题，例如冷却布置和模具快速磨损。
从我们已经给出的简单正向挤压工艺的分析可以看出，在这个直接工艺中，需要整个坯料向前移动，导致摩擦损失大，高工作负荷。由于这种高工作负荷，容器承受高径向应力。
通过使用坯料保持静止的反向挤压工艺可以避免上述困难。因此，坯料和容器之间不存在摩擦力，摩擦力仅作用于模具-容器界面。后者的大小远小于正向挤压过程中遇到的摩擦力的大小。因此，减少了工作负荷，并且与坯料长度无关。
管状截面也可以通过使用心轴和柱塞挤出，如图 3.51 所示。根据初始坯料形状，可以获得开放（图 3.51a）和封闭（图 3.51b）最终产品。如图 3.51c 所示，心轴既可以固定在柱塞上，也可以固定在单独的主体上。
薄壁罐可以通过使用冲击挤出来获得。此过程仅限于柔软且具有延展性的材料，并且通常在寒冷条件下进行。
不是通过柱塞直接在钢坯上施加载荷，而是可以使用流体介质，如图 3.53a 所示。这个过程被称为流体静力挤压；在这里，消除了钢坯-容器界面的摩擦损失。
此过程的细微变化提供了挤出相对脆性材料的可能性。在这种情况下，除了施加到钢坯上的大静水压力外，接收室中的产品保持在较低的压力下（大约是施加在钢坯上的压力的一半）。如图 3.53b 所示，材料受到较低的应变梯度。在这个过程中，可以生产非常大的物体。然而，由于该过程固有地缓慢，其应用受到限制。
要生产具有不均匀横截面的复杂形状的工件，可以使用带分体模具的闭腔挤压。该过程类似于闭模锻造，如图 3.53c 所示。
所有坯料通常都覆盖有氧化层。在正常的挤压过程中，除非在塑性变形过程中确保层流，否则该氧化层可能会被拉入产品的核心（降低其强度特性）。坯料、模具和容器之间应使用润滑剂，不仅可以减少工作负荷，还可以保持流动层流。结果，坯料的外表面形成了产品的表皮。这种保持表面层的原理也用于高强度材料和复合产品的热挤压，正如现在所讨论的。
钢坯在热挤压过程中的温度范围为 1200-1500°C。模具必须保持在较低的温度（大约 200°C）以避免过度磨损。玻璃纤维（或粉末）通常用作润滑剂，因为玻璃的粘度对温度很敏感。因此，模具表面的粘度较高，为模具磨损提供了良好的保护，并有助于在产品上形成玻璃皮（约 0.025 毫米厚）。同时，由于玻璃在坯料-容器界面处的粘度要低得多，因此工作量也减少了。
此包覆工艺的另一个有用应用是生产放射性核燃料棒，例如铀和钍。棒采用铜或黄铜制成，这两种材料对大气气体的反应性较低，并保护燃料棒免受氧化和其他类型的污染。坯料准备有由包覆材料制成的覆盖层。
操作# 7.冲裁和冲裁：
虽然冲压和下料是最常见的钣金操作，涉及金属带的剪切，但还有其他类似的操作，例如 – (i) 开槽、(ii) 切开、(iii) 分切、 (iv) 啃食，以及 (v) 修剪。
在开槽操作中，材料从金属板的侧面被去除，而切开在金属的中途进行切割，而不会产生任何废料。切缝经常与弯曲结合形成标签。纵切是纵向切割成卷金属板以生产更窄条带的操作。
在步冲操作中，通过从外边界或冲孔开始产生重叠凹口，从金属板上切出复杂的形状。在不使用任何特殊工具的情况下，在固定位置往复移动小尺寸的简单的圆形或三角形冲头。引导金属板以获得所需的切割形状。修整是指去除法兰或毛边中的多余材料。
在减少操作时间和成本方面，下料模具和冲头的设计起着极其重要的作用。典型的简单冲模组合。在一组导柱的帮助下，可以保持冲头和模具的准确相对位置。脱料器有助于在回程期间从冲头上移除钣金工件，而弹簧加载的推杆有助于从冲头表面移除毛坯。剥离器还充当压边器以防止拉丝。
为了优化空间和时间，在同一组件中使用多套模具和冲头，可以在一个行程中执行多于一个操作（图 3.56）。这种组件通常称为复合模具。需要注意的是，冲头和冲模在图 3.56 中处于倒置位置。很明显，内孔的穿孔必须在下料之前进行。有时，为了经济起见，也使用拉深（或弯曲）和下料的组合。
在上述情况下，仅在一个位置执行多个操作。然而，也可以在不同位置使用一系列冲模元件。在这里，在每个工位执行一个操作，金属库存被推进到下一工位。因此，连续操作是可能的。这种模具组合称为级进模。
下料操作的另一个重要方面是通过优化布局设计（也称为嵌套）来最大限度地减少废料。这在图 3.58 中示意性表示。对布局的限制如图 3.58b 所示。坯料边缘和带材侧面之间的最小间隙为 g =t + 0.015h，其中 t 是带材的厚度，h 是坯料的宽度。
两个连续坯料 (b) 边缘之间的间隙取决于带材厚度 t。表 3.1 显示了 b 的各种值。有时，晶粒流动的相对方向（当轧制带材用作库存时）相对于坯料是指定的。在这种情况下，嵌套的自由几乎丧失。
在圆形坯料中，只能通过选择多行来节省废料。
操作# 8.高能率成型工艺：
在我们讨论的所有金属成型工艺中，都使用传统能源。除此之外，还可以使用化学、磁和放电等能源。由于在所有这些过程中，能量流动的速率要高得多，因此这些过程通常被称为高能量速率 (HER) 过程。由于运动物体的动能与其速度的平方成正比，因此相对较小的高速运动物体可以提供大量能量。
例如 - 一台容量为 500 kN 的压力机在 0.15 m 的距离内移动，提供 75 kJ 的能量。如果重量为 42 kN 的锤子以 6 m/s 的速度撞击工件，则可以传递大约相同数量的能量。然而，仅重 26 N 的水锋通过炸药以高达 240 m/sec 的速度移动，可以提供相同数量的能量。这一原理可用于制造小型机器和设备。
现在，让我们考虑一下我们提到的三种情况下的能量释放率。在第一种情况下，消耗的典型时间约为 0.5 秒，表明功率为 150 kW。落锤大约需要 0.06 秒才能停止，所涉及的功率为 1.25 MW。爆炸操作在大约 0.0007 秒内完成，意味着功率为 107 兆瓦。这表明最后一种情况不仅是最紧凑而且也是最强大的机器。高速成型操作，即爆炸成型和放电成型，都是基于上述原理。
我们现在讨论 t 三种常见的HER流程：
我。爆炸成型 ：
图 3.60 显示了两种爆炸成型方案。在这两种情况下，流体介质（通常是水）中的冲击波都是通过引爆炸药而产生的 收费。
对于小部分来说，整个激波前是在密闭空间内使用的，而对于大物体，只使用了部分波前。显然，无约束操作的效率较低。然而，由于爆炸成型不可避免地缺乏控制，在密闭操作中模具失效的风险更大。
典型的炸药包括能量较高的 TNT 和炸药，以及能量较低的火药。将炸药直接放在工件上方，压力高达 35 kN / mm 2 可以生成。对于低爆药，压力限制在 350 N/mm 2 .
以水为传输介质，得到的峰值压力 p 由下式给出 -
炸药和自由水面之间的距离（在无侧限成型中）应该至少是隔离距离的两倍。否则会损失大量能量，降低操作效率。使用各种类型的工具，我们可以形成各种形状。通常，该工艺对材料特性的影响与常规成型相似。
ii.电液成型 ：
以火花形式放电，而不是爆炸物，也可用于在流体中产生冲击波。使用这种产生冲击波原理的操作称为电动液压成型。这个过程的特点与爆炸成型的特点非常相似。电容器组通过充电电路充电；随后，开关闭合，在电极间隙内产生火花，使电容器放电。
这个过程的能量水平低于爆炸成型的能量水平。工件上产生的峰值压力是释放的能量（通过火花）和间隔距离的函数。
iii.电磁成型 ：
就像在电动液压成型中一样，在电磁成型中也是如此，电能首先存储在电容器组中。然后通过闭合开关通过线圈释放该能量。线圈产生磁场；该场的强度取决于电流值。由于金属工件处于该磁场中（随时间变化），工作中会产生感应电流，从而建立自己的磁场。
这些场的方向使得刚性固定的线圈将工件排斥到模具中。工件显然必须是导电的，但不必是磁性的。线圈寿命短是这种操作的主要问题。
操作# 9.铸造：
压印是一种闭模锻造操作，它赋予薄和平坦工件所需的厚度变化（由于横向约束）。顾名思义，该工艺广泛用于生产硬币和其他需要对模面有明确印象的类似物体。
操作# 10.线程滚动：
对于螺纹物体的批量生产，例如螺栓和螺钉，可以使用两个扁平的往复模具（或反向旋转的螺纹辊）通过塑料获得工件中的螺纹形变。这基本上是一个滚压操作，因此得名螺纹滚压。
操作# 11. 管穿孔 ：
无缝管的生产非常重要，通常通过管子穿孔操作来实现。在此操作中，通过两个沿相反方向旋转的倾斜辊迫使实心棒材在一端流过心轴。辊子的速度和倾斜量决定了进给速度。该操作是在高温条件下进行的。
辊同时挤压和旋转，使材料变形为椭圆形，并沿长轴产生裂纹。变形材料的进一步旋转导致裂纹扩展并转变为最终由心轴成形和确定尺寸的孔。
操作# 12.纺纱 ：
在旋压过程中，具有旋转表面的物体由金属板制成。坯料靠在旋转的成型模具上，使用特殊形状的工具或辊子将金属板坯放置在该模具上。如果在操作期间同时减薄金属板，则该过程称为剪切旋压。
操作# 13.拉伸成型 ：
在钣金折弯操作中，总是会产生压应力，并且在某些情况下，压应力可能大到足以导致局部屈曲或起皱。通过在操作过程中保持金属带处于张力下，可以避免此类问题。这种同时拉伸和弯曲的过程称为拉伸成型。
复合材料