塑性成形技术的现状及发展趋势

塑性成形技术的现状及发展趋势塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点,已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技术协会预测,21世纪,机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性成形新工艺新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。金属及非金属材料的塑性成形过程都是在模具型腔中来完成的。因此,模具工业已成为国民经济的重要基础工业。新世纪,科学技术面临着巨大的变革。通过与计算机的紧密结合,数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性成形相关联的技术发展速度之快,学科领域交叉之广泛是过去任何时代无法比拟的,塑性成形新工艺和新设备不断地涌现,掌握塑性成形技术的现状和发展趋势,有助于及时研究、推广和应用高新技术,推动塑性成形技术的持续发展。实施塑性成形技术的最终形式就是模具产品,而模具工业发展的关键是模具技术进步,模具技术又涉及到多学科的交叉。模具作为一种高附加值产品和技术密集型产品,其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。1塑性成形技术的现状精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。近10年来,精密成形技术都取得了突飞猛进的发展。精冲技术、冷挤压技术、无飞边热模锻技术、温锻技术、超塑性成形技术、成形轧制、液态模锻、多向模锻技术发展很快。例如电机定转子双回转叠片硬质合金级进模的步距精度可达2μm,寿命达到1亿次以上。集成电路引线框架的20～30工位的级进模,工位数最多已达160个。自动冲切、叠压、铆合、计数、分组、转子铁芯扭斜和安全保护等功能的铁芯精密自动叠片多功能模具。新型轿车的大尺寸覆盖件成形、大功率汽车的六拐曲轴成形。700mm汽轮机叶片精密辊锻和精整复合工艺,楔横轧汽车、拖拉机精密轴类锻件。除传统的锻造工艺外,近年来半固态金属成形技术也日趋成熟,引起工业界的普遍关注。所谓半固态成形,是指对液态液相共存的半固态坯料进行各种成形加工。它具有节省材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制件性能等一系列优点,并可成形复合材料的产品,被誉为21世纪新兴金属塑性加工的关键技术。此外,在粉末冶金和塑料加工方面,金属粉末锻造成形,金属粉末超塑性成形,粉末注射成形、粉末喷射和喷涂成形以及塑料注射成形中热流道技术,气体辅助技术和高压注射的成功应用,大大扩充了现代精密塑性成形的应用范围。2现代模具工业的发展趋势传统的模具制造技术,主要是根据设计图纸,用仿型加工,成形磨削以及电火花加工方法来制造模具。而现代模具不同,它不仅形状与结构十分复杂,而且技术要求更高,用传统的模具制造方法显然难于制造,必须借助于现代科学技术的发展,采用先进制造技术,才能达到它的技术要求,表1列出了传统模具与现代模具制造的技术水平。当前,整个工业生产的发展特点是产品品种多、更新快、市场竞争剧烈。为了适应市场对模具制造的短交货期,高精度、低成本的迫切要求,模具将有如下发展趋势:(1)愈来愈高的模具精度。10年前,精密模具的精度一般为5μm,现在已达2～3μm,不久1μm精度的模具即将上市。随着零件微型化及精度要求的提高,有些模具的加工精度要求在1μm以内,这就要求发展超精加工。(2)日趋大型化模具。这一方面是由于用模具成形的零件日渐大型化,另一方面也是由于高生产率要求的一模多腔(现在有的已达一模几百腔)所致。(3)扩大应用热流道技术。由于采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量,并能大幅度节约制件的原材料,因此热流道技术的应用在国外发展较快,许多塑料模具厂所生产的塑料模具50%以上采用了热流道技术,甚至达到80%以上,效果十分明显。热流道模具在国内也已生产,有些企业使用率上升到20%～30%。(4)进一步发展多功能复合模具。一副多功能模具除了冲压成形零件外,还担负着叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务,这种多功能复合模具生产出来的不再是单个零件,而是成批的组件,可大大缩短产品的生产及装配周期,对模具材料的性能要求也越来越高。(5)日益增多高挡次模具。大致可分三个层次,一是用于汽车、飞机、精密机械的微米级(μm)精密加工;二是用于磁盘、磁鼓制造的亚微米级(0.01μm)精密加工;三是用于超精密电子器件的毫微米级(0.001μm)精密加工。目前,超精密加工已进入纳米级(011～100nm)精度阶段。这将使模具的技术含量不断提高,使中、高档模具比例将不断增大。(6)进一步增多气辅模具及高压注射成型模具。随着塑料成形工艺的不断改进和发展,为了提高注塑件质量,气辅模具及高压注射成型模具将随之发展。(7)增大塑料模具比例。随着塑料原材料的性能不断提高,各行业的零件将以塑代钢,以塑代木的进程进一步加快,使塑料模具的比例日趋增大。同时,由于机械零件的复杂程度和精度的逐渐提高,对塑料模具的制造要求也越来越高。(8)增多挤压模及粉末锻模。由于汽车、车辆和电机等产品向轻量化发展,如以铝代钢,非全密度成形,高分子材料、复合材料、工程陶瓷、超硬材料成形和加工。新型材料的采用,不仅改变产品结构和性能而且使生产工艺发生了根本变革,相应地出现了液态(半固态)挤压模具及粉末锻模。对这些模具的制造精度要求是高的。(9)日渐推广应用模具标准化。模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期,且还能提高模具的质量和降低模具制造成本。因此,模具标准件的应用在“十五”期间必将得到较大的发展。(10)大力发展快速制造模具。目前是多品种小批量生产时代,21世纪,这种生产方式占工业生产的比例将达到75%以上。由此,一方面是制品使用周期缩短,另一方面花样变化频繁,要求模具的生产周期愈短愈好。因此,开发快速成型模具将越来越引起人们的重视和关注。3当代塑性成形技术的研究方向国内塑性成形技术与国外相比还有一定的差距,加入WTO之后,为了塑性成形技术逐步达到国际水平,需在如下六方面不断研究,不断提高:(1)塑性成形有限元分析金属流动;数值仿真金属流动;成形工艺过程模拟,预测缺陷;纳米材料(超细、微细晶粒)成形,微观视塑法;快速原型成形。模具设计计算机辅助设计;反(逆)向工程;并行工程;快速设计;协同设计;人工智能;基于知识的工程;基于事例的推理;基于模型的推理;集成化技术;网络化技术;多学科多功能综合技术;特征技术。(3)模具结构标准化模具;模块单元组合模具;基于Web的CAPP体系结构;纳米模具。(4)模具材料A1基本材料:新型模具材料(冷作、热作);钢结硬质合金。B1表面工程技术:热扩渗技术;热喷涂与热喷焊技术;复合电镀与复合电刷镀技术;化学镀技术;物理气相及化学气相沉积技术;高能束(激光束、离子束、电子束)技术;稀土表面工程技术;纳米表面工程技术。(5)模具制造数控;电火花;线切割;超精加工;高速铣削;计算机集成制造系统;快速模具制造;柔性制造系统;敏捷制造系统;虚拟制造系统;智能制造系统;协同制造系统;精益生产体系;绿色制造系统;信息管理系统。(6)绿色环保技术无色热锻润滑剂(削除乌烟肮脏);拉深润滑剂(可完全挥发的);无噪声技术;消震、隔震技术。