塑性加工技术新进展.

塑性加工技术新进展王仲仁滕步刚汤泽军哈尔滨工业大学,哈尔滨,150001摘要:综述了塑性加工技术的当前进展。分别介绍了薄坯铸轧、高强度钢板冷冲压、镁合金板材热态成形、内高压成形、单点数控增量成形、薄板热冲压-淬火、多点三明治成形及多尺度数值模拟等塑性加工新技术的特点及应用情况,如通过边凝固边轧制目前可得到约1~3mm厚的铸轧坯,可大幅度降低后续轧板的变形量与能耗,新研发的强度超过1000MPa的高强度钢的延伸率已可达60%。指出了塑性加工领域未来的发展趋势。关键词:塑性加工;温成形;增量成形;多点三明治成形中图分类号:TG306文章编号:1004132X(200901010805NewDevelopmentonTechnologyofPlasticityWangZhongrenTengBugangTangZejunHarbinInstituteofTechnology,Harbin,150001Abstract:Thenewtechnologiesofplasticalformingwereintroduced,andtheywerecontinuouscasting-rollingthinbillet,coldstampingofhighstrengthsteelsheet,hotsheetformingofmagnesiumalloy,tubehighpressurehydro-forming,singlenumericalincrementalforming,sheethotstamping-qunching,multipointsandwichformingandmulti-scalenumericalsimulation,theircharacteristicsandapplication.Bycasting-rollingthebilletthicknesswith1~3mmcanbereached,sonowthedeformationandenergyconsummationcanbereducedgreatlyforsubsequentsheetrolling.Thestrengthofnewlydevelopedhighstrengthsteelsexceeds1000MPa,simultaneouslytheelongationcanbereached60%.Thedevelopingtendencyofplasticalformingisanalyzedseparately.Keywords:technologyofplasticity;warmforming;incrementalforming;multi-pointsandwichforming收稿日期:20081020基金项目:国家自然科学基金资助项目(50435010,508750600引言塑性加工既是材料制备的主要手段,又是装备制造的重要环节,前者如轧制及挤压,可生产板材、管材、棒材和型材,后者如锻造与冲压,可生产各种锻件和冲压件。在欧、美及日本等发达国家,塑性加工主要是围绕汽车构件的生产而不断发展的,汽车覆盖件用冷轧板的性能标志着钢铁厂的水平,汽车覆盖件的尺寸控制精度则代表了汽车业制造大型冲压件的水平。近年来,我国在这两方面已有长足的进步,其重要标志是部分进口车型的覆盖件已由国外进口转为用国产钢板在国内汽车厂冲压生产。但是,在塑性加工方面,我国目前的水平与发达国家相比仍有一定差距,如汽车结构件的生产目前国内仍是采用用强度较低的钢板冷冲压后再焊接组装的工艺路线,尚未采用热冲压-淬火技术及内高压成形技术。本文重点针对上述有关方面说明塑性加工技术的新进展。1薄坯铸轧技术连铸连轧是轧钢生产中的一项重大技术革新,其突出优点是节能和生产连续化。据统计,每吨钢的熔化需要消耗约2000~5000kWh的电能,钢锭与钢坯的加热能量折合为电能每吨约消耗400~700kWh,轧制钢材时每吨耗电约120~140kWh。采用连铸连轧技术不仅省去了钢锭和钢坯的加热环节,还由于取消了大直径的初轧机而使轧制力大幅下降,变形也很均匀。由于结晶技术的限制,1980年以前所能获得的连续铸造钢坯的厚度一般在250mm左右,需要通过大量后续的热轧和冷轧工序才能获得1mm左右厚的薄板。直到1980年,一种新的连续铸造工艺使连铸坯的厚度减至40~100mm,才缩短了整条热轧生产线。近年来,已将先连铸后连轧的技术改进为铸轧薄坯再进行轧制的方式[1],即先通过边凝固边轧制得到约1~3mm厚的铸轧坯,紧接着再通过后续轧制成材,这样所需的总变形量可以大幅度减小,后续轧制生产线可以得到大幅简化。图1为不同厚度连铸坯的轧制生产线示意图,由该图可以看出采用铸轧薄坯法所需的能量仅为采用连铸坯法生产时的43%[1]。108图1轧制用不同厚度坯料时的能耗对比2高强度钢板冷冲压近年来,有关高强度钢板的研究有较快的发展,传统高强度钢的强度与延伸率的乘积b很难超过200MPa,而目前新研发的高强钢的强度超过1000MPa,延伸率也很高,有的可达60%,如图2所示。图2中,TWIP、SB-TRIP和M-TRIP是韩国浦项钢厂所开发的新一代汽车用钢板。其中,TWIP表示孪生诱发塑性钢,它具有很高的强度和延伸率,是通过在变形过程中形成孪晶而生成的一种高Mn含量的奥氏体钢;SB-TRIP和M-TRIP均是介于AHSS(先进高强度钢和Ultra-AHSS(超高强度钢的特殊高强度钢,SB-TRIP表示超细贝氏体相变诱导塑性钢,它是由纳米尺度的贝氏体基体和残留奥氏体组成的双向钢,M-TRIP表示马氏体相变诱导塑性钢,它是由马氏体基体及其上的残留奥氏体组成的双向钢[2]。图2新一代汽车用钢[2]由于高强度钢的强度是普通钢板强度的2~3倍,所需的成形力极大,成形时往往会因此而导致模具损坏、设备振动以及工件被撕裂,所以关于高强度钢的冲压工艺设计理念应有所更新,概括起来必须遵循以下几点:!工件各处尽量保持均匀变形,否则变形量大的地方由于加工硬化严重而容易开裂;∀模具设计不仅应考虑强度,还应按等刚度原则使各处弹性位移相近;#受力分布应遵循平衡原则,以免引起设备不对称变形和振动。3镁合金板材热态成形镁合金的密度仅为钢的1/4,铝合金的2/3,而其强度与铝合金相近,抗振性能好,且具有很好屏蔽作用和良好的可重复利用特性,因此被广泛地应用于汽车零部件以及各种电子类产品。然而由于具有密排六方的晶体结构,室温下滑移系少,所以镁合金在室温下的成形性能差,通常采用热态成形方式。目前,大多数镁合金零件是通过模铸法及触融压铸法制得的。采用这种铸造方法虽然能够成形许多复杂形状的镁合金零部件,但也存在不少的局限性,例如,结构件的壁厚不能小于06mm,材料利用率低,零件微观缺陷(如组织稀疏、气孔、缩孔、杂质及多孔难以消除等。采用塑性成形工艺(如锻造、轧制、挤压及内高压成形等可以有效解决上述问题。在板材成形领域,尤其在电子类产品及汽车零部件等薄壳制造领域,可以采用塑性成形工艺替代铸造工艺。图3所示是采用热态成形方法制造的镁合金零件。图4所示是采用热态充液拉深的办法一次成形的数码相机外壳,充液室中液体被加热到200∃以上,所用装置如图5所示[3],板坯与模具通过嵌入在凹模和压边圈上的加热棒得到加热。(a0.4mm厚AZ31B镁合金热态成形零件(b在170∃下以0.7mm/s速度成形的盒形件(c热态成形的MP3外壳(d热态成形的手机壳图3热态成形零件图4热态充液拉深成形数码相机外壳图5充液拉深加温成形装置1094内高压成形内高压成形技术主要用于管材的成形,其原理是通过在管材的内表面施加液体介质的高压载荷,使坯料贴靠到模具内表面从而得到具有特定形状的零件。为了避免管壁在胀形时过度减薄,左右两冲头同时实现进给,自左冲头向工件内注入高压液体,其压力大小取决于工件最小半径与厚度的比值和材料的强度,有时可达400MPa。采用内高压成形技术可以大大减轻结构零件的重量,在20世纪90年代,德国即已陆续将其应用于各种型号汽车结构件的生产。在我国,于21世纪初哈尔滨工业大学率先在汽车结构件内高压成形方面开展了研发工作[48]。近年来,内高压成形已经应用于铝合金及镁合金等材料的成形。图6是实现双台阶变径管的内高压成形原理图。(a成形前(b贴模后图6三通管内高压成形装置[9]5单点数控增量成形增量成形实质是以连续的微小区域变形代替工件整体的成形,由于工件与工具的接触面积小,所以载荷并不大。从广义角度看,很多回转成形如旋压、摆动碾压以及横轧也都是增量成形。近年来兴起的数控单点增量成形(singlepointincrementforming,SPIF的很多研究工作就是在数控铣床上进行的,也就是将铣刀换成小冲头(顶部为球面逐点连续压下,实现在工件上产生局部塑性变形,累积起来实现工件整体上的成形。图7是单点增量成形的示意图[10]。图7单点数控增量成形[10]应当指出的是:单点塑性成形与切削过程差别很大,后者是一个剥离的过程,而前者则是%牵一发而动全身&,其变形的局部必然波及其相邻的部分,因此必须对回弹进行补偿。近年来对加载轨迹的优化有很多研究[1112]。6薄板热冲压-淬火技术将板材热冲压与随即淬火相结合是一种充分利用材料潜力的新工艺,汽车的防撞件如前挡、门内加强梁和车身侧梁等就是用热冲压-淬火成形的。图8所示的汽车顶梁及侧梁的成形现在也逐渐采用热冲压-淬火技术。应该指出的是:采用热冲压的钢是极易淬火的含少量硼的低碳钢,例如USIBOR1500型高强度钢(其化学成分见表1,强度指标见表2。热冲压前其抗拉强度为575MPa,热冲压后的抗拉强度可达1500MPa。强度大幅度提高的原因在于将热冲压与随后的淬火相结合。图9为板材热冲压-淬火工艺的示意图。图10所示为钢的热处理曲线,图中,A为奥氏体,M为马氏体,B为贝氏体,P为珠光体,F为铁素体,由图可见,冷却速度较高时,通过淬火使组织变成马氏体,因此材料的强度有很大提高。图8热冲压-淬火成形的汽车顶梁和侧梁表1USIBOR1500型高强度钢化学成分w(Cw(Mnw(Siw(Crw(Tiw(B0.251.40.350.30.050.005表2热冲压前后材料的强度指标屈服强度(MPa抗拉强度(MPa热冲压前400575热冲压后110015007多点三明治成形图11为多点三明治成形的模具示意图。下模是由很多可以单独调节的冲头组成的,其间有一定的间隙,冲头上有一钢板,它的作用是避免冲头压入工件,使离散的下冲头构成一个连续的模板,由于该钢板较薄且强度较低,因而可以随小冲110(a奥氏体转变(b坯料送入压力机(c热变形(d淬火(e成形零件图9板材热冲压-淬火工艺示意图图10USIBOR1500型高强度钢热处理曲线图11多点三明治成形模具示意图[13]头的不同组合而变形成不同的形状,且可重复使用。上模是聚氨酯弹性材料,工件两侧均有聚氨酯护板,目的是避免在工件上产生压痕。8全过程、多尺度数值模拟数值模拟的发展总体趋势是快速与准确。目前,数值模拟多用于单工序分析,近来通过多尺度数值模拟的方式可以对多工序生产过程实现全过程模拟,含加热、各成形工序和其间冷却与随后热处理的组织与性能的模拟。通过这种所谓的多尺度模拟方式,可以得到加工、处理全过程的宏观尺寸与微观组织的信息。模拟所需的边界条件(如流动应力、摩擦因数及热交换数据通过精确的实验获得。最终通过代入少数物理常数(如焓、堆垛层错能、界面能及相变能,可以不用再借助实验直接通过模拟计算得到有关结果。图12表示的是包含典型体单元的综合有限元模型的示意图,其中、B、!和∋表示各种组成成分,其前面的百分数表示该组分的体积分数,RVE表示典型的包含各组分综合后的体单元。55%+35%B+5%!+5%∋=RVE图12包含典型体单元的综合模型[1]9其他成形技术除了上述几方面以外,近来在以下各个方面也开展了很多研究工作[1415]:微纳米成形已在助听器及微电机领域得到应用[1];拼焊板成形则已经实用化[1],它的优点是