什么是金属塑性加工?

什么是金属塑性加工?

[拼音]：jinshu suxing jiagong

[外文]：plastic working of metals

通过塑性变形（范性形变）使固体金属成为所需形状的加工过程。又称金属压力加工，此名源于俄语обра-ботка металлов давлением。中国古代的金属塑性加工技术发展较早（见冶金史）。中国近代的金属轧制生产，始于1871年福州船政局所属的拉铁(轧钢)厂。以后，较大规模的有始建于1890年的汉阳铁厂的轧机，还有上海、天津的中小型轧机，山西太原的轧钢厂，以及1931年以后辽宁鞍山和本溪的轧钢厂。从1949～1980年，中国的金属塑性加工生产得到了较大的发展，能生产各种型材、线材，各种中厚钢板、薄板和箔材，各种钢管和有色金属管，钢丝绳、铜、铝电线以及各种有色金属制品。目前已形成品种较全、体系初具的金属塑性加工业。

金属塑性加工在现代冶金工业生产中占有重要地位，同金属切削加工相比，塑性加工有以下优点：

（1）从成型原则上说，无切屑，金属损耗较少；

（2）在取得所需形状的同时，改善材料的组织和性能，成品能够直接使用或者便于加工；

（3）适于专业化的大规模生产。主要缺点是：

（1）某些脆性材料和形状复杂的制品不适于用塑性加工；

（2）专业化生产时需要专用的设备和工具。

金属塑性加工的类别

可以按照加工施力类型和制品性质（加工硬化程度）等特征进行分类。

加工施力类型

大致分为以下五类(图1)：

（1）直接受压，压力施加于工件，如锻压、挤压和轧制；

（2）间接受压，施加的力常为张力，但通过工具和工件的反作用而产生的间接压力可达相当高的数值。如拔丝、拔管和金属板深拉；

（3）张力，在张力作用下，金属板被反卷成下面模子的形状，如拉延；

（4）弯曲，施加的是弯矩，如金属冷弯成型；

（5）剪切，施加剪切使金属成型，如冲裁、剪切。

加工硬化程度

按照塑性加工时是否完全消除加工硬化，分为热加工和冷加工(见塑性变形的力学原理)。对大多数金属和合金来说，热加工是塑性加工的第一步。热加工能量消耗低，允许变形程度高，有助于消除铸锭的铸态组织中的粗晶、空洞和疏松，并能减轻偏析；经过热加工的制品的延性和韧性优于铸件。在实际生产中，对特定的金属或合金品种和生产条件，往往有一个完全消除铸态组织或保证获得某种性能所必需的加工量。这个加工量对锻压称为开坯锻压比，对轧制称为开坯压缩比。

热加工也产生不少问题。金属在高温下氧化吸气，不仅损耗金属，而且会恶化制品性质。例如：钛因高温氧化而变脆，往往要求特殊的防护；某些钢材由于表面氧化脱碳，加工后要把表层完全去掉；由于氧化物的压入，热加工后难于得到良好的表面；此外，还由于温度控制有偏差，热加工制品的尺寸精度和组织均匀度都较低。

热加工的温度范围首先取决于材料化学成分，其次取决于生产条件和控制温度的水平。热加工温度的上限受到金属熔化、迅速氧化、易熔相的熔化以及金属热脆的限制；下限受到和金属加工应能同时完成再结晶的限制（见塑性加工与金属组织）。有时为了得到良好的晶粒组织，进行控制轧制。图2给出碳钢的加工温度和含碳量的关系，参见铁碳平衡图可更好地理解图2。

冷加工常同各种形式的退火结合，构成加工硬化-退火软化的交替循环 *** 作。由于退火气氛可以控制，这就减少了氧化和由温度变化引起最终制品的尺寸变化，从而获得良好的金属表面和尺寸精度。因此这种工艺常用于成品加工（见回复和再结晶）。

塑性加工方式的选择

金属塑性加工的实际应用，要考虑三方面的因素的影响：

材料的塑性加工性

即材料在某种加工过程中所能容许的变形程度；它不仅取决于材料本身的性质和具体的变形条件(如温度、应变速率和应力状态条件等)，而且也同材料被破坏的方式有关，因为材料断裂并非是不能继续加工的唯一原因。例如在拔制和深冲时，如果材料的加工硬化性不足，可能引起塑性失稳产生颈缩而失效（图3）。正因如此，通常认为室温下塑性极好的铅和锡，由于没有加工硬化，所以拔制或冲压加工性很差。同样，也可能由于其他方式的塑性失稳，使加工过程失败，这种情况可发生于墩粗、深冲和拉伸，见图4。

塑性加工大多是因为工件产生裂纹或断裂而无法继续进行。裂纹按形成部位分为：

（1）在自由表面上的裂纹，如墩粗时形成桶形裂纹，轧制时产生侧边裂纹（图5）；

（2）在磨擦力特强部位的裂纹，如挤压时靠近模子处的龟裂（图6）；

（3）内裂，如拔棒时生成的中间裂口（图3）。

材料的塑性加工性可用多种方法测定。这些方法既是研究的手段，又是加工后检验产品的手段。测定的试验方法可分为两类：

（1）同普通材料试验相似，测定材料在拉、压、弯、扭等情况下的表现，主要用于探讨变形条件（温度、应变速率等）对塑性的影响；

（2）模拟实际加工条件的试验，如对板的冲压成型性用液压胀形试验、杯突试验、顶锻、楔形轧制以及旋锻试验等。

设备和工具

塑性加工需要有足够的强度和刚性的工具向工件施力。一般说来，设备和工具的d性变形应有一定的限度，超出限度就得不到合格的产品（见轧机d性变形）。

技术经济比较

同一制品有多种加工方法，各种方法在经济技术上互相竞争，如初轧和连铸、无缝管和焊管、热轧型材和冷弯型材等。选择加工工艺和设备时要根据产品的品种、质量、批量和总产量，以及原料、劳动力等条件，并充分考虑到现有条件，进行多方面的比较。

塑性加工方法锻压

把工件放在成对工具之间，由冲击或静压使工件高度缩短而得到预期的形状。锻压加工的优点是适应性强，能生产形状复杂的各种材质的多种制品，又能锻压特大工件。对于改善合金钢组织，特别是消除网状碳化物来说，锻压的效果通常优于轧制。锻压的缺点是能耗大，生产效率低，成本高。

挤压

把坯料放在挤压筒内，使之从一定形状和尺寸的孔中挤出，获得制品。挤压加工的优点是能够加工低塑性材料，还可挤压出形状复杂、尺寸比较精确的工件。挤压的主要缺点是成材率低，劳动生产率低，单产投资和成本均高。

轧制

被加工金属通过转动的轧辊而变形的过程。轧制的优点是劳动生产率、成材率、机械化和自动化程度都高，能耗低，适于大规模生产，是冶金工业使用最广的塑性加工方法。缺点是生产品种和批量受到限制。

拔制

被加工金属由拉力通过倾角约为5°～20°的锥形拉模而变形的过程。拔制的产品可以为棒、丝或管，其断面通常为圆形，但也有种种异形制品。拔制大多数为冷拔，都属于二次加工，只能用于特定的产品，而且往往这种方法是唯一可行的方法。拔制工艺的优点是平均单位压力低，制品尺寸精度高；但不适用于低塑性材料。

板金加工

金属板材经过加工，厚度无多大变化，而断面形成各种所需形状的过程。板金加工属于二次加工，常为冷加工（见冷弯型材，板材冲压）。

组合加工

对于特定的制品，常把各种塑性加工过程以及焊接、切削等组合在一起，进行加工。冶金产品中比较典型的例子是螺旋焊接钢管(见焊接管生产)和金属连续铸轧等。（见彩图）

参考书目

G. E. Dieter， Mechanical metallurgy， 2nd ed.，McGraw-Hill，New York，1976.