面向2030年,塑性成形11项关键技术

塑性成形是机械工程学科制造学科领域的一个重要分支。塑性成形是利用材料的塑性,一般通过模具施加作用力,使材料产生塑性变形,成形出所要求的具有一定尺寸与形状的零件毛坯或零件的成形制造方法。塑性成形能够制造出各种不同尺寸不同形状的工件,而且通过塑性变形使材料组织改善性能提高,即具有成形与改性的双重作用,是一种重要零件毛坯或零件的成形制造方法。塑性加工体现了一个国家的基础制造和先进制造的能力及水平。发展塑性加工技术对增强我国制造业的核心竞争力,保障我国交通、能源、国防安全的发展,促进国民经济的快速发展具有十分重要的作用。

一、面向2030年,塑性成形技术促进国民经济的快速发展

塑性加工制造技术的发展正在朝着精密化、高效化、强韧化、柔性化、清洁化、自动化、集成化等技术方向前进,将为先进制造技术开发及产业化提供支持支撑。

一个国家或地区的实力及其发展,最终取决于其加工制造业提供的产品和劳务的竞争力。塑性成形技术发展将极大促进先进制造技术的发展,进而增强我国在国际社会中的竞争力。

塑性成形技术应用在越来越多的制造技术中,技术间的学科交叉度越来越广,对塑性成形的研究与应用,必然带动和促进对材料科学、高精度及微尺寸的研究,塑性成形理论与数值模拟仿真技术的发展,高精度的新型测量技术的开发等。

二、面向2030年,重点制造领域对塑性成形技术需求巨大

交通运输领域:国内生产总值的增加值将有 12%~17% 由汽车及汽车零部件制造业提供,而大部分汽车及汽车零部件的制造是通过塑性加工技术进行生产,如汽车零件中 75% 以上为冲压件,内高压成形技术、旋压成形技术、在汽车工业也有着广泛的应用等。船用典型锻件轴类锻件、齿轮锻件、机用汽缸盖等锻件,不仅数量增加,且有向大型化发展的趋势。为实现轨道列车的高速化、现代化和国产化,生产出高性能、低成本的大型车体型材,需要挤压技术的应用。

航空航天领域:导弹、运载火箭、飞机上需要的大型回转体零件越来越多,这些构件的共同特点就是壁薄、直径大、结构复杂,零件采用的是高强度钢、超高强度钢、钛合金、高温合金等特殊材料。从结构完整性、强度、精度和效率方面考虑,强力旋压是成形回转体零件最有效的工艺方法。在航空模锻件方面,结构钢锻件和高温合金锻件的需求量相对稳定,而钛合金锻件作为新型飞机的部件有相当大的市场需求量。飞行器中的封闭截面整体构件采用内高压成形是首选技术。

建筑领域:很多重大建筑项目及工程中对能够加工出高质量三维曲面件的先进制造技术都具有迫切需求。多点成形技术可广泛应用于建筑三维曲面件数字化成形,并能抑制板类曲面成形件成形过程中的起皱、回弹等缺陷的发生,提高三维曲面件成形的加工精度,实现三维曲面件的高质量成形,降低异形建筑与各种装饰用三维曲面件的成本,以促进建筑用三维曲面件数字化成形技术的发展。

能源领域:我国能源重型装备中关键的环件,具有尺寸大、形状复杂、性能要求高等特点,需要无缝成形且组织细匀,精密热轧环成形则是无可取代的成形制造技术。火力发电机组中汽轮机高、中、低压转子,汽轮机缸体、水轮机大轴、转轮体,核反应堆压力容器、蒸发器等等大型模锻件是能源产业装备的关键、基础零部件,需要大锻件成形加工技术完成制造。海上平台用的张力腿锻件,大型锻造节点、石油钻探用锻件及结构件和大型输油管道等必将有较大的需求量,是不可忽视的市场。

军工领域:坦克上履带板、齿轮、负重轮,火炮上的牵引杆体、定向弧、万向节叉等零件,枪械上的机匣、表尺座,导弹喷管,炮弹弹体、药筒、引信等零件主要采用模锻和挤压成形工艺;而弹体风帽、引信壳体、坦克摩擦片、军用汽车摩托车等多种板类零件,则主要采用冲压成形工艺。微小型零件塑性成形工艺,以及超高强度钢的塑性成形工艺的需求也将不断增大。发展满足新材料、新工艺要求的精密塑性成形模具,以及微型零件的塑性成形模具,将是今后武器装备领域模具技术的主要发展方向。

其他领域:电子通信、医疗器械、轻工业以及餐具、饰品、家电等对塑性加工技术也有着大量的应用。近年连续模已开始向多功能化和智能化方向发展,在完成电子零件冲压生产同时还可实现所加工零件的装配、焊接以及在线检测等功能。生物芯片作为一种典型的微结构零件,已广泛应用于医疗领域。旋压加工生产灯罩、灯座是灯饰行业的最佳工艺选择。

三、面向2030年,塑性成形技术将要重点发展的关键技术

1)特种塑性成形技术

特种塑性成形是指与常规塑性成形不同的一些工艺技术,从材料的微观形态、构件尺寸到成形时施加在材料上的外场等,都有所不同。特种成形的内涵,包括成形所用坯料的特殊物理形态;材料的特殊组织状态;成形构件的特殊尺度;成形时施加在材料上的特殊物理场;成形力的特殊施加方式等。

面向2030年,特种塑性成形技术领域的发展包含4项关键技术:微细晶粒超塑成形;微成形;粉体成形;电塑成形。

2)内高压成形技术

内高压成形(Internal High Pressure Forming)是以管材作坯料,通过在管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入模具型腔使其成形为所需形状工件的成形技术。由于使用乳化液(在水中添加少量的防腐剂等组成)作为水传力介质,又称为管材液压成形(Tube Hydroforming)。

内高压成形装备的超高压力控制精度达到0.2~0.5MPa,位移控制精度达到0.05mm,实现了工艺参数可控。同时,超高内压为提高零件的复杂程度和成形精度提供了条件,所制造的零件截面变化多端、形状冻结性好,迅速获得汽车和飞机制造业的青睐。在解决了生产条件下超高压快速稳定密封和控制系统快速响应和反馈关键技术后,实现了在 30s 甚至更短时间内制造一个零件, 从而广泛用于汽车轻量化构件大批量生产。

面向2030年,内高压成形技术领域的发展包含3项关键技术:热态内压成形;超高强度钢成形;新成形工艺。

3)特种轧制成形技术

特种轧制属于钢材深加工的高新技术,较传统的轧制技术可以更好地提高轧钢生产质量、降低成本和增加品种,是对传统轧制理论的发展。

我国在零件轧制技术上已取得较大的进展,但距建设资源节约型社会的要求差距还很大,主要表现零件轧制成形技术应用率低和部分关键技术问题尚需突破,导致应用范围难以扩大。

面向2030年,特种轧制成形技术领域的发展包含4项关键技术:径向锻造技术;轧环与复合轧环技术;摆动碾压技术;楔横轧与斜轧技术。

4)精密锻造成形技术

精密锻造技术是一种零件锻造成形后只需少量加工或不再加工即符合零件要求的少无切削加工成形技术,主要应用于生产净形零件和生产近净形零件。精密锻造技术曾称为少无切屑锻造技术、精确锻造技术,近年来,国内外又称为近/净锻造成形技术。

精密锻造技术是先进制造技术的重要组成部分,较传统成形技术减少了后续的切削加工量,可以减少材料与能源消耗、缩短加工工序、提高生产效率、保证产品质量及降低生产成本,是汽车、矿山、航空、航天、兵器、能源、建筑等行业中广泛应用的零件制造工艺。

面向2030年,精密锻造成形技术领域的发展包含2项关键技术:/热精锻技术;冷精锻技术。

5)多点成形技术

点数字化成形技术是将传统的整体模具离散成一系列规则排列的、高度可数控调整的、头部可自由转动的柔性冲头,由这些柔性数控冲头成形包络曲面,使用一套装备可以变换无数种曲面形状,实现板类曲面件的无模、柔性、自动化成形。

多点数字化柔性成形是以计算机辅助设计与制造为主要手段实现板料柔性成形的先进制造技术,其成形方法是对传统板料加工方式的重大变革,其技术特点体现在:可实现无模成形,节约模具材料及设计、制造费用;在一台设备上进行多种不同形状零件的加工;实现变路径成形;易于实现 CAD/CAE/CAM一体化及成形自动化;缩短新产品的开发周期,降低产品制造成本。

面向2030年,多点成形技术领域的发展包含4项关键技术:大型化多点成形技术与大面积多点成形装备;精细化多点成形技术;柔性辊与多点调形技术;连续柔性多点成形。

6)旋压成形技术

旋压是用于成形薄壁空心回转零件的一种金属塑性成形方法,综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺的特点,是一种少甚至无切削加工的先进工艺。旋压成形具有如下特点:逐点成形;旋压时压力小;制品范围广;材料利用率高;生产成本低;制品性能显著提高;制品表面光洁度高;尺寸公差小;制造工序减少等。旋压成形通常用于制作整体无缝的回转体空心件,加工难变形金属制件。

面向2030年,旋压成形技术领域的发展包含3项关键技术:旋压成形的力学、多道次旋压的旋压轨迹、成形极限/质量等成形理论;旋压工艺的提高、旋压技术与多种技术组合加工、旋压新材料的应用、旋压成形效率的提高等;发展大型化/系列化旋压设备,多功能/柔性化旋压设备、多专业/自动化旋压设备。

7)大锻件成形技术

通常把在 10MN 以上锻造水压机上锻压成形的重大锻件称为大锻件,大锻件多用钢锭直接锻造。大锻件一般是重大装备中的关键件,其生产涉及冶炼、铸锭、加热、锻造、粗加工、热处理、质量检验诸多环节,周期长、连续性强、劳动密集、技术含量高、生产难度大。大锻件生产具有于单件、小批生产,品种变化大、柔性较强等特点。

面向2030年,大锻件成形技术领域的发展包含2项关键技术:完善并掌握大型锻件核心制造技术;加强大锻件基础共性技术研究。

8)锻压设备技术

锻压设备技术主要以实现塑性加工中的材料及变形条件、负载、传动与驱动的最佳能量和运动匹配为目的,研究固体、流体、气体物质和电、磁、温度、光等物理场的相互作用机理,以及驱动、传动、负载之间的运动、动力等特性变换和调控方法。

大型模锻液压机是机械制造业不可或缺的, 重要装备,也是衡量一个国家科技水平、综合国力的重要标志,更是维护国家安全的战略装备。大型模锻液压机除了是发展航空、航天工业必不可少的装备外,在其他重要工业部门也是不可或缺的,如燃气轮机用大型轮盘锻件、燃气轮机用大型轮盘锻件、各类发动机叶片、大型船用模锻件、电站用大型模锻件、压力容器锻件,以及其他类型民用品模锻件的生产, 都离不开大型锻压设备。

面向2030年,锻压设备技术领域的发展包含5项关键技术:锻压设备的伺服数字化研究;锻压设备的高性能和精密化研究;锻压设备的高速和超高速研究;锻压设备的非标发展;锻压设备的网络化。

9)冲压成形技术

冲压成形是塑性加工的一种方法。它是利用材料的塑性变形能力,通过装于设备上的模具作用,改变其几何形状和尺寸,从而达到冲压成形的目的。冲压成形可用于金属材料和非金属材料(胶木、有机玻璃、纸板、皮革等)的加工,具有应用范围广、生产率高、产品质量稳定、互换性好(一般不需要进一步加工)、便于操作, 易于实现机械化、自动化、成本低、节省原材料等优点。

汽车车身覆盖件、车体框架、底盘和排气管件,飞机蒙皮、机翼和不同类型的小型曲面铝合金薄壁件,航空发动机火焰筒、密封环等高温合金和钛合金构件,以及火箭和导弹等钛合金和高强铝合金异型管件、整流罩等薄壁件均需采用板材精确成形技术进行制造。作为一种先进的加工方法,冲压技术在国民经济、国防建设中具有不可替代的关键作用。

面向2030年,冲压成形技术领域的发展包含9项关键技术:拼焊板冲压成形技术;高强钢板热冲压技术;轻合金板材成形技术;高速冲压成形技术;厚板精密冲压技术;微型构件精密冲压技术;高能率冲压成形技术;冲锻复合成形技术;复合材料板材成形。

10)挤压成形技术

挤压成形就是采用挤压轴(凸模)将放在密闭的挤压筒(凹模)内的坯料,在三向不均匀压应力作用下,从模具的孔口或缝隙挤出,获得所需产品(构件)塑性的加工方法。挤压成形的产品材料利用率高,材料的组织得到改善,力学性能提高,操作简单,生产率高,可制作长杆、深孔、薄壁、异型断面零件,是重要的少无切削加工工艺。

挤压是有色金属、钢铁材料生产与零件成形加工的主要方法之一,也是各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。挤压多用于生产有色金属及合金的棒材、薄壁和超厚壁复杂断面型材和管材、高合金钢材和机械零件,其产品应用领域广泛,尤其是在建筑、航空、交通、通信等领域,在国民经济中占有极其重要的地位。

面向2030年,挤压成形技术领域的发展包含4项关键技术:省力挤压成形技术(高转速抗疲劳构件);复杂构件多向主动加载控制成形技术(三通、四通及枝桠类等);内环筋类零件旋转挤压成形技术;变截面构件辊挤成形技术(变壁厚叶片、曲线回转体等)。

11)锻压模具技术

锻压模具技术是指通过压力机提供的能量,促使金属材料在模具内发生塑性变形,获得所需的形状。它与特定成形工艺方法密切相关,是实现成形工艺要求的关键工艺装备。按照模具研发过程所应用到的相关技术,可将模具技术分为:模具功能创成技术、模具设计制造技术以及模具材料制备与处理技术。

面向2030年,锻压模具技术领域的发展包含3项关键技术:模具功能创成技术;模具设计制造技术;模具材料制备及热处理。

 

(转载自中国机械工程学会)