金屬塑性加工
正文
通過塑性變形(範性形變)使固體金屬成為所需形狀的加工過程。又稱金屬壓力加工,此名源於俄語обра-ботка металлов давлением。中國古代的金屬塑性加工技術發展較早(見冶金史)。中國近代的金屬軋制生產,始於1871年福州船政局所屬的拉鐵(軋鋼)廠。以後,較大規模的有始建於1890年的漢陽鐵廠的軋機,還有上海、天津的中小型軋機,山西太原的軋鋼廠,以及1931年以後遼寧鞍山和本溪的軋鋼廠。從1949~1980年,中國的金屬塑性加工生產得到了較大的發展,能生產各種型材、線材,各種中厚鋼板、薄板和箔材,各種鋼管和有色金屬管,鋼絲繩、銅、鋁電線以及各種有色金屬製品。目前已形成品種較全、體系初具的金屬塑性加工業。金屬塑性加工在現代冶金工業生產中占有重要地位,同金屬切削加工相比,塑性加工有以下優點:①從成型原則上說,無切屑,金屬損耗較少;②在取得所需形狀的同時,改善材料的組織和性能,成品能夠直接使用或者便於加工;③適於專業化的大規模生產。主要缺點是:①某些脆性材料和形狀複雜的製品不適於用塑性加工;②專業化生產時需要專用的設備和工具。
金屬塑性加工的類別 可以按照加工施力類型和製品性質(加工硬化程度)等特徵進行分類。
加工施力類型 大致分為以下五類(圖1):①直接受壓,壓力施加於工件,如鍛壓、擠壓和軋制;②間接受壓,施加的力常為張力,但通過工具和工件的反作用而產生的間接壓力可達相當高的數值。如拔絲、拔管和金屬板深拉;③張力,在張力作用下,金屬板被反捲成下面模子的形狀,如拉延;④彎曲,施加的是彎矩,如金屬冷彎成型;⑤剪下,施加剪下使金屬成型,如沖裁、剪下。
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熱加工也產生不少問題。金屬在高溫下氧化吸氣,不僅損耗金屬,而且會惡化製品性質。例如:鈦因高溫氧化而變脆,往往要求特殊的防護;某些鋼材由於表面氧化脫碳,加工後要把表層完全去掉;由於氧化物的壓入,熱加工後難於得到良好的表面;此外,還由於溫度控制有偏差,熱加工製品的尺寸精度和組織均勻度都較低。
熱加工的溫度範圍首先取決於材料化學成分,其次取決於生產條件和控制溫度的水平。熱加工溫度的上限受到金屬熔化、迅速氧化、易熔相的熔化以及金屬熱脆的限制;下限受到和金屬加工應能同時完成再結晶的限制(見塑性加工與金屬組織)。有時為了得到良好的晶粒組織,進行控制軋制。圖2給出碳鋼的加工溫度和含碳量的關係,參見鐵碳平衡圖可更好地理解圖2。
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塑性加工方式的選擇 金屬塑性加工的實際套用,要考慮三方面的因素的影響:
材料的塑性加工性 即材料在某種加工過程中所能容許的變形程度;它不僅取決於材料本身的性質和具體的變形條件(如溫度、應變速率和應力狀態條件等),而且也同材料被破壞的方式有關,因為材料斷裂並非是不能繼續加工的唯一原因。例如在拔制和深沖時,如果材料的加工硬化性不足,可能引起塑性失穩產生頸縮而失效(圖3)。正因如此,通常認為室溫下塑性極好的鉛和錫,由於沒有加工硬化,所以拔制或衝壓加工性很差。同樣,也可能由於其他方式的塑性失穩,使加工過程失敗,這種情況可發生於墩粗、深沖和拉伸,見圖4。
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設備和工具 塑性加工需要有足夠的強度和剛性的工具向工件施力。一般說來,設備和工具的彈性變形應有一定的限度,超出限度就得不到合格的產品(見軋機彈性變形)。
技術經濟比較 同一製品有多種加工方法,各種方法在經濟技術上互相競爭,如初軋和連鑄、無縫管和焊管、熱軋型材和冷彎型材等。選擇加工工藝和設備時要根據產品的品種、質量、批量和總產量,以及原料、勞動力等條件,並充分考慮到現有條件,進行多方面的比較。
塑性加工方法 鍛壓 把工件放在成對工具之間,由衝擊或靜壓使工件高度縮短而得到預期的形狀。鍛壓加工的優點是適應性強,能生產形狀複雜的各種材質的多種製品,又能鍛壓特大工件。對於改善合金鋼組織,特別是消除網狀碳化物來說,鍛壓的效果通常優於軋制。鍛壓的缺點是能耗大,生產效率低,成本高。
擠壓 把坯料放在擠壓筒內,使之從一定形狀和尺寸的孔中擠出,獲得製品。擠壓加工的優點是能夠加工低塑性材料,還可擠壓出形狀複雜、尺寸比較精確的工件。擠壓的主要缺點是成材率低,勞動生產率低,單產投資和成本均高。
軋制 被加工金屬通過轉動的軋輥而變形的過程。軋制的優點是勞動生產率、成材率、機械化和自動化程度都高,能耗低,適於大規模生產,是冶金工業使用最廣的塑性加工方法。缺點是生產品種和批量受到限制。
拔制 被加工金屬由拉力通過傾角約為5°~20°的錐形拉模而變形的過程。拔制的產品可以為棒、絲或管,其斷面通常為圓形,但也有種種異形製品。拔制大多數為冷拔,都屬於二次加工,只能用於特定的產品,而且往往這種方法是唯一可行的方法。拔制工藝的優點是平均單位壓力低,製品尺寸精度高;但不適用於低塑性材料。
板金加工 金屬板材經過加工,厚度無多大變化,而斷面形成各種所需形狀的過程。板金加工屬於二次加工,常為冷加工(見冷彎型材,板材衝壓)。
組合加工 對於特定的製品,常把各種塑性加工過程以及焊接、切削等組合在一起,進行加工。冶金產品中比較典型的例子是螺鏇焊接鋼管(見焊接管生產)和金屬連續鑄軋等。(見彩圖)
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G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1976.