[科普中國(guó)]-塑性加工

簡(jiǎn)史

金屬塑性加工技術(shù)在冶金史上出現(xiàn)很早。已發(fā)現(xiàn)的天然金的制品最早出于公元前5千年。由隕鐵制作的鐵器最早的是公元前4千年。中國(guó)發(fā)現(xiàn)最早的隕鐵文物是在河北藁城出土的商代中期 （約公元前13世紀(jì)中葉）的鐵刃銅鉞。研究證明，這些天然金屬制品都是經(jīng)過(guò)鍛打制成的。中國(guó)古代冶金技術(shù)比歐洲先進(jìn)，但偏重于鑄造技術(shù)而忽視金屬塑性加工，始終沒(méi)有發(fā)展軋制生產(chǎn)。明代宋應(yīng)星（1587～?）的《天工開(kāi)物》中描述的鍛制千鈞錨和抽絲的生產(chǎn)過(guò)程也有相當(dāng)規(guī)模，但以后長(zhǎng)期停留在手工階段。經(jīng)過(guò)產(chǎn)業(yè)革命，歐洲的冶金業(yè)迅速走向現(xiàn)代化，通過(guò)采用動(dòng)力機(jī)械，金屬塑性加工也相應(yīng)地轉(zhuǎn)向近代大工業(yè)生產(chǎn)。1766年出現(xiàn)帶孔型的二輥軋機(jī)，1836年出現(xiàn)用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的二輥和三輥軋機(jī)。中國(guó)的近代冶金技術(shù)（包括塑性加工生產(chǎn)技術(shù)）則是由歐洲引進(jìn)的。中國(guó)近代的軋鋼廠最早的是1871年福州船政局所屬的拉鐵 （軋鋼） 廠。以后較具規(guī)模的有建于1894年的漢陽(yáng)鐵廠的800mm鋼軌軋機(jī)以及以后的上海、天津、太原等地的中小型軋機(jī)。1931年以后日本在遼寧鞍山陸續(xù)建起了較大規(guī)模的軋鋼廠以及本溪、撫順和大連等地的小型軋機(jī)。1949年以后隨著大規(guī)模社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)行，軋鋼和有色金屬加工業(yè)得到飛躍的發(fā)展。到1997年中國(guó)鋼產(chǎn)量已達(dá)10 756萬(wàn)t，鋼材產(chǎn)量已達(dá)9700萬(wàn)t，居世界第一位。有色金屬產(chǎn)量達(dá)581萬(wàn)t。各種類(lèi)型的軋鋼廠和金屬加工廠已形成體系和合理布局。2

塑性加工的種類(lèi)金屬塑性加工的種類(lèi)很多，根據(jù)加工時(shí)工件的受力和變形方式，基本的塑性加工方法有鍛造，軋制，擠壓，拉拔，拉深，彎曲，剪切等幾類(lèi)。

鍛造靠鍛壓機(jī)的鍛錘錘擊工件產(chǎn)生壓縮變形的一種加工方法，有自由鍛和模鍛兩種方式。自由鍛不需專(zhuān)用模具，靠平錘和平砧間工件的壓縮變形，使工件鐓粗或拔長(zhǎng)，其加工精度低，生產(chǎn)率也不高，主要用于軸類(lèi)，曲柄和連桿等單件的小批生產(chǎn)。模鍛通過(guò)上，下鍛模模腔拉制工作的變形，可加工形狀復(fù)雜和尺寸精度較高的零件，適于大批量的生產(chǎn)，生產(chǎn)率也較高，是機(jī)械零件制造上實(shí)現(xiàn)少切削或無(wú)切削加工的重要途徑。

軋制使通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上旋轉(zhuǎn)軋輥間的軋件產(chǎn)生壓縮變形，使其橫斷面面積減小與形狀改變，而縱向長(zhǎng)度增加的一種加工方法。根據(jù)軋輥與軋件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，軋制有縱軋，橫軋和斜軋三種方式。

擠壓使裝入擠壓筒內(nèi)的坯料，在擠壓筒后端擠壓軸的推力作用下，使金屬?gòu)臄D壓筒前端的?？琢鞒觯@得與擠壓?？仔螤睿叽缦嗤漠a(chǎn)品的一種加工方法。擠壓有正擠壓和反擠壓兩種基本方式。正擠壓時(shí)擠壓軸的運(yùn)動(dòng)方向與從?？字袛D出的金屬流動(dòng)方向一致；反擠壓時(shí)，擠壓軸的運(yùn)動(dòng)方向與從?？字袛D出的金屬流動(dòng)方向相反。擠壓法可加工各種復(fù)雜斷面實(shí)心型材，棒材，空心型材和管材。它是有色金屬型材，管材的主要生產(chǎn)方法。

拉拔靠拉拔機(jī)的鉗口夾住穿過(guò)拉拔?？椎慕饘倥髁希瑥哪？字欣?。而獲得與?？仔螤?，尺寸相同的產(chǎn)品的一種加工方法。拉拔一般在冷態(tài)下進(jìn)行?？衫螖嗝娉叽绾苄〉木€材和管材。如直徑為0.015mm的金屬線，直徑為0.25mm管材。拉拔制品的尺寸精度高，表面光潔度極高，金屬的強(qiáng)度高（因冷加工硬化強(qiáng)烈）。可生產(chǎn)各種斷面的線材，管材和型材，廣泛用于電線，電纜，金屬網(wǎng)線和各種管材生產(chǎn)上。

拉深又叫沖壓，依靠沖頭將金屬板料頂入凹模中產(chǎn)生拉延變形，而獲得各種杯形件，桶形件和殼體的一種加工方法。沖壓一般在室溫下進(jìn)行，其產(chǎn)品主要用于各種殼體零件，如飛機(jī)蒙皮，汽車(chē)覆蓋件，子彈殼，儀表零件及日用器皿等。

彎曲在彎矩作用下，使板料發(fā)生彎曲變形或使板料或管，棒材得到矯直的一種加工方法。

剪切坯料在剪切力的作用下產(chǎn)生剪切。使板材沖裁，以及板料和型材切斷的一種常用加工方法。

塑性加工的特點(diǎn)金屬塑性加工與金屬鑄造，切削，焊接等加工方法相比，有以下特點(diǎn):

（1）金屬塑性加工是金屬整體性保持的前提下，依靠塑性變形發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)工件形狀和尺寸變化的，不會(huì)產(chǎn)生切屑，因而材料的利用率高得多。

（2）塑性加工過(guò)程中，除尺寸和形狀發(fā)生改變外，金屬的組織，性能也能得到改善和提高，尤其對(duì)于鑄造坯，經(jīng)過(guò)塑性加工將使其結(jié)構(gòu)致密，粗晶破碎細(xì)化和均勻，從而使性能提高。此外，塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的流線也能使其性能得到改善。

（3）塑性加工過(guò)程便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)化，自動(dòng)化，適于大批量生產(chǎn)，如軋制，拉拔加工等，因而勞動(dòng)生產(chǎn)率高。

（4）塑性加工產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量高。

（5）設(shè)備較龐大，能耗較高。

應(yīng)用金屬塑性加工由于具有上述特點(diǎn)，不僅原材料消耗少，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而且還能有效地改善金屬的組織性能。這些技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)到之處和優(yōu)勢(shì)，使它成為金屬加工中極其重要的手段之一，因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。如在鋼鐵材料生產(chǎn)中，除了少部分采用鑄造方法直接制成零件外，鋼總產(chǎn)量的90%以上和有色金屬總產(chǎn)量的70%以上，均需經(jīng)過(guò)塑性加工成材，才能滿(mǎn)足機(jī)械制造，交通運(yùn)輸，電力電訊，化工，建材，儀器儀表，航空航天，國(guó)防軍工，民用五金和家用電器等部門(mén)的需要；而且塑性加工本身也是上述許多部門(mén)直接制造零件而經(jīng)常采用的重要加工方法，如汽車(chē)制造，船舶制造，航空航天，民用五金等部門(mén)的許多零件都須經(jīng)塑性加工制造。因此，金屬塑性加工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。

塑性加工金屬學(xué)依據(jù)金屬晶體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，研究控制和改善熱力學(xué)及力學(xué)條件，以求最有成效地進(jìn)行金屬塑性成形的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論學(xué)科。本學(xué)科的主要研究任務(wù)是探索金屬及其合金在外力作用下產(chǎn)生塑性變形的適宜的熱力學(xué)和力學(xué)條件、尋求提高變形性能、降低變形抗力(見(jiàn)金屬的變形抗力)、避免產(chǎn)生缺陷、變形后達(dá)到最佳的結(jié)晶組織狀態(tài)與性能的工藝條件，以獲取最優(yōu)的內(nèi)外質(zhì)量的產(chǎn)品并達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。塑性加工金屬學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容包括：

(1)金屬塑性變形機(jī)制。闡明金屬及其合金在外力作用下產(chǎn)生塑性變形的機(jī)制、研究?jī)?nèi)部和外部諸條件因素在塑性變形過(guò)程中所起的作用與導(dǎo)致的后果;

(2)金屬的屈服與變形抗力。研究單晶體多晶體金屬由彈性變形狀態(tài)轉(zhuǎn)變到塑性變形狀態(tài)的物理與力學(xué)條件，研究金屬抗拒塑性變形所產(chǎn)生的力即變形抗力隨變形的發(fā)展而變化的規(guī)律;

(3)金屬塑性變形的熱力學(xué)條件。研究變形溫度、變形程度、變形速度對(duì)金屬塑性、變形抗力和結(jié)晶組織狀態(tài)變化的影響;

(4)金屬塑性變形與組織性能的變化。研究塑性變形過(guò)程中金屬組織性能變化的規(guī)律，以期產(chǎn)品達(dá)到良好的性能;

(5)金屬的塑性與斷裂。研究金屬在一定條件下承受塑性變形而不產(chǎn)生斷裂的能力，促使金屬達(dá)到最佳塑性狀態(tài)的條件及提高其塑性的途徑;

(6)不均勻變形及殘余應(yīng)力。研究不均勻變形發(fā)生與擴(kuò)展的原因及其引起的不良后果與所造成的殘余應(yīng)力，研究減輕與防止產(chǎn)生不均勻變形的措施。

金屬塑性加工力學(xué)分析研究金屬及其合金在塑性加工變形中的力學(xué)行為與規(guī)律的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論。研究任務(wù)是分析塑性變形中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和變形體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、確定變形材料的物理力學(xué)方程、根據(jù)變形力學(xué)的基本方程和塑性加工變形過(guò)程的特點(diǎn)建立變形和力能參數(shù)的分析計(jì)算方法，從而為正確選擇塑性加工變形方式、制訂合理的工藝規(guī)程、優(yōu)化設(shè)計(jì)工具模具和加工設(shè)備、分析和解決產(chǎn)品缺陷提供依據(jù)。

塑性加工力學(xué)是以塑性力學(xué)的基本理論和方法為基礎(chǔ)，隨著金屬塑性加工技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。近年來(lái)對(duì)加工產(chǎn)品的尺寸精度的要求日益嚴(yán)格，生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)日益發(fā)展，這些都需要更精確地掌握金屬變形規(guī)律、更精確地計(jì)算工具和設(shè)備的受力與彈性變形量，這就更加有力地推動(dòng)塑性加工力學(xué)不斷取得新進(jìn)展。尤其是近年來(lái)電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展也給塑性加工力學(xué)的進(jìn)步創(chuàng)造了條件。

塑性加工力學(xué)的諸多解析方法中應(yīng)用較廣泛的有：工程解法(見(jiàn)變形力學(xué)問(wèn)題工程解法)、滑移線解法(見(jiàn)變形力學(xué)問(wèn)題滑移線解法)、上界法和有限元解法(見(jiàn)變形力學(xué)問(wèn)題有限元解法)等。隨著電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)值計(jì)算法受到重視，其中非線性有限元法和復(fù)合解析法應(yīng)用日益廣泛。

另外，塑性加工的實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法，如視塑性法，光塑性法，云紋法等也都有新的研究進(jìn)展。

當(dāng)前塑性加工力學(xué)的發(fā)展趨向是：

(1)研究提供各種實(shí)際材料在各種變形條件下的更精確的變形抗力模型和本構(gòu)方程;

(2) 研究塑性變形中工件與工具接觸表面摩擦的類(lèi)型和不同的作用機(jī)制，建立更確切的摩擦力模型;

(3) 研究能夠反映復(fù)雜成形過(guò)程的更精確的解法和簡(jiǎn)捷實(shí)用的計(jì)算方法。