材料成形工艺大全：轧制、锻造、拉拔、深冲等核心技术解析

绪论

本文深度解析13种核心材料成形工艺，涵盖轧制、锻造、拉拔、深冲、弯曲、挤压、冲裁、高能率成形、冷镦、螺纹轧制、管材穿孔、旋压、拉伸成形，重点阐述工艺原理、设备选型、模具设计及工程应用要点。

1. 轧制

生产模式与设备布局

轧制通常需多道次、多机架连续完成。可逆式轧机减少搬运，三辊轧机优化空间。热轧需最小化时间防止工件冷却，长条料可用轮轧机（循环轧机）实现连续多道次。循环器（弯管/槽）实现工件循环。

辊子挠度控制

给定压下量下，辊子分离力随工作辊半径R线性增加（式3.20）。增大工作辊直径难有效控制挠度，经济方案是配备支撑辊：工作辊小直径承受分离力，支撑辊大直径提供刚性。不可避免的辊子弯曲可通过凸度设计（凸度辊）补偿，使受力后辊缝均匀。简支梁模型下中心挠度计算公式及λ₁、λ₂典型值见文中表格。

工艺参数与辊材选择

关键参数：温度区间（热轧）、速度程序、压下量分配。辊材：铸/锻钢、合金铸铁（降本）、特种合金钢（高强高刚）。热轧辊粗糙/开槽利于咬入，冷轧辊磨削保证表面质量。

2. 锻造

主要变种

• 自由锻：最古老工艺，手持工具/动力锤在平砧上成形，品种受限。
• 模锻：闭合模腔，多余金属形成飞边后修剪，复杂件需多套模。
• 压力锻造：渐进施力，对中要求低，单冲程完成，需排气/排润滑剂通道。
• 镦粗：局部锻造（如螺栓头）。防止屈曲规则：自由镦粗 l≤3d；闭式镦粗 l>3d时模腔直径D≤1.5d；工件超出模腔长度l₁≤d。
• 径向锻造/旋锻：径向运动模具冲击，用于棒管减径锥制。
• 辊锻：半圆槽辊减径棒材，分级槽渐进成形。

锻模关键设计要素

① 圆角半径利于金属流动、减少磨损与裂纹；② 拔模斜度便于脱模；③ 飞边槽容纳多余材料。热锻模需预留收缩量。模材：中高碳合金钢，硬度HRC 45-60。

3. 拉拔

减小棒线直径。速度范围：大直径10 m/min，细线1800 m/min。起始端镦小入模。大变形分道次，冷作硬化需水冷模具。管材拉拔称"沉管"。模具材料：大模高碳/高速钢，中模硬质合金，细线模金刚石。

4. 深冲

工艺核心矛盾与解决

最大限度拉入材料可减薄筒壁，但边缘压缩应力超限会起皱，需压边圈防皱。拉深系数(r_j/r_d)≤1.2可无压边圈。更高系数需配合坯料厚度与模型（图3.43）。

复合拉深与反向拉深

大拉深比需分级：后续道次称"再拉深"。常规再拉深（图3.44a）材料在压边圈与模圆角处反向弯曲；反向拉深（图3.44b）材料单向弯曲（外/内模圆角），变形更均匀，圆角模（图3.44c）更缓和。道间退火恢复延展性。修边去除多余材料。模具凹模下凹利用回弹脱模。

5. 弯曲

复杂形状需多道次或连续弯曲成形辊组，闲置辊侧向压紧。管材弯绕芯模，刮板辊恒定曲率可铰链安装。防塌陷可填充砂芯。

6. 挤压

正挤压与反挤压

正挤压：坯料随挤压杆前进，摩擦大、负荷高、容器承受高径向应力。反挤压：坯料静止，仅模腔-容器界面有摩擦，负荷降低且与坯长无关。

管材挤压与特种工艺

芯棒法挤压管料（开/闭口），芯棒固定于挤压杆或独立机构（图3.51）。冲击挤压制薄壁罐，限软延性材料、冷态。静液压挤压：流体介质消除坯料-容器摩擦（图3.53a）。双压力静液压挤压：接收室保持半压力，降低应变梯度，可挤压脆性材料、制大件，但速度慢（图3.53b）。分模闭腔挤压制复杂非均匀截面（图3.53c）。

润滑与表面完整性

氧化皮若非层流变形会进入芯部降低强度。润滑保证层流，使坯料表层成制品"皮"。钢热挤压1200-1500℃，模具~200℃。玻璃润滑剂（粉/纤维）利用粘温特性：模面高粘度保护模具并形成0.025mm玻璃皮；容器界面低粘度降低负荷。包覆技术用于高强材料及包覆制品（如铀/钍燃料棒包铜/黄铜防氧化污染）。

7. 冲孔与落料

相关剪切操作

缺口、冲切（不产废料、常配合弯曲制耳片）、剪切（纵向分切卷料）、啃切（小冲头重叠切割任意形状）、修边（切除法兰/飞边）。

模具设计与生产效率

导柱保证凸凹模定位。卸料板脱料兼压边，弹簧顶料器脱落落料。复合模：单冲程多工位（图3.56），落料冲模倒置，先冲孔后落料，可结合拉深/弯曲。连续模：多工位分级，料带逐站推进，实现连续生产。

排样优化与废料最小化

最小边距 g = t + 0.015h（t板厚，h落料宽度）。坯料间距b随板厚变化（表3.1）。纹理方向限制排样自由度。圆形落料仅可通过多排优化。

8. 高能率成形（HERF）

能量密度优势

动能∝v²，小质量高速体可替代大吨位设备。500kN压力机0.15m行程输出75kJ；42kN锤6m/s同等能量；仅26N水锤经爆炸加速至240m/s即可输出同等能量。功率密度对比：压力机0.5s/150kW，锤0.06s/1.25MW，爆炸0.0007s/107MW。爆炸与电放电成形基于此原理。

三大主流HERF工艺

• 爆炸成形：水介质中炸药产生冲击波。小件用全波前（密闭），大件用部分波前（非密闭）。密闭效率高但模具失效风险大。高能炸药（TNT/炸药）达35kN/mm²，低能（黑火药）限350N/mm²。峰值压力公式见文。炸药-水面距离≥2倍立离距离。
• 电液成形：电容器放电火花产生冲击波，特性似爆炸成形，能量较低。峰值压力函数：放电能量、立离距离。
• 电磁成形：电容器放电经线圈产生变化磁场，感应工件涡流建立反向磁场，线圈排斥工件入模。工件需导电非磁性。线圈寿命短是主要问题。

9. 冷镦

闭式模锻变种，对薄扁件施加侧向约束实现厚度局部变化。广泛用于硬币、徽章等需清晰模面印记制品。

10. 螺纹轧制

批量螺纹件（螺栓/螺钉）用两平板往复模或反向旋转螺纹辊，塑性变形成螺纹。本质属轧制工艺。

11. 管材穿孔

无缝钢管核心工艺。实心坯料经两反向倾斜辊压入芯棒，倾斜角与转速决定进给率，热态进行。辊子挤压旋转使材料椭圆变形、长轴开裂，继续旋转裂纹扩展成孔，经芯棒定径。

12. 旋压

板料贴合旋转芯模，辊具/成形工具逐步成形回转面。伴随板料变薄称"剪力旋压"。

13. 拉伸成形

弯曲伴随压应力易起皱/屈曲。施加张力抑制压应力，同步拉伸弯曲即拉伸成形。