浅谈铸造成型与塑性成形的新发展
材料科学与工程学院
材料科学与工程类2011级3班
苏开军
1109100305
浅谈铸造成型与塑性成形的新发展
摘要：经过了两个月的金属工艺学学习，课程也将要接近尾声了，在梁老师的课程中，我学到了很多关于金属铸造、成型的各种原理和发展过程和发展前景，随着我国的科学技术和工业化的发展，也大大的促进了制造业和制造工艺的发展，推动了铸造成型和塑性成形的新工艺的开发和创新，使得铸造成型和塑性成形的工艺朝着批量化、工艺化、精细化、轻量化的方向有了长足的进步，接下来我就铸造成型和塑性成形的一些了解的进行一下简单的论述。
关键词：铸造成型 铸造工艺 新工艺 塑性成形 缺点 技术 发展
随着科学技术在各个领域的突破，尤其是计算机的广泛应用，促进了铸造技术塑性成形的飞速发展，各种工艺技术与铸造技术的相互渗透和结合，也促进了铸造新工艺、新方法的发展。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的发展大大的促进了塑性成形的飞速发展。
一、铸造成型
铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。 铸造工艺通常包括：
①铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素；
②铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金；
③铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。
近年来基于汽车轻量化的要求，越来越多的汽车零件正逐步由钢、铁改为铝、镁、塑料等轻质材料，其中以铝代钢铁是当前汽车轻量化的主要发展方向。而由于效率、成本、性能的综合考虑，目前采用压铸成形的零件越来越多，零件结构越来越复杂。
压铸合金材料也从常规的亚共晶Al-Si-Cu系（ADC12，A380）或共晶Al-Si系（YL102）合金向特殊的合金材料发展，如过共晶的Al-Si-Cu系合（ADC14A390）、亚共晶的Al-Si-Mg系（AlSi10MgFe）以及Al-Mg系（AlMg5）合金等也正逐步大量应用于压铸零件中。过共晶Al-Si合金由于具有热膨胀系数小、密度小、耐磨及高温性能好、铸造性能优良等特点，是高强度、耐磨、低膨胀零件如汽车活塞汽缸体、斜盘、离合器齿轮等的理想材料但是目前国内外有关Al-Si合金的压铸件开发及应用的报道很少。
铸造成型的新工艺主要有三个方向
一是凝固理论推动的铸造技术的发展，主要的成就是定向凝固和单晶、细晶铸造、半固态铸造、快速凝固铸造和其他凝固铸造、差压铸造等通过控制凝固过程而提高材料性能，减少缩松缩孔，从而获得优质的铸件。
二是造型技术的新发展，主要有气体冲压造型，静压造型，真空密封造型，冷冻造型。
三是计算机技术推动的铸造新发展，计算机技术是21世纪的核心技术，是改造传统铸造产业的必由之路。运用计算机对铸造生产过程进行设计、仿真、模拟，可以帮助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品制造周期，降低生产成本，确保铸件质量。现代的计算机技术在铸造方面的应用主要有铸造过程的数值模拟和制造工艺CAD两方面。
铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的表面。此外，节能的要求和社会对恢复自然环境的呼声也越来越高。为适应这些要求，新的铸造合金将得到开发，冶炼新工艺和新设备将相应出现。 铸造生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。节约能源和原材料的新技术将会得到优先发展，少产生或不产生污染的新工艺新设备将首先受到重视。
二、塑性成形
塑性成形是指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。各类钢和有色金属大都具有一定的塑形，均可在冷态或热态状态下进行塑形成型加工。
十六大提出来走新型工业化道路，这是一个新的概念，之所以是新的概念，强调可持续发展“十一五”计划及20lO年远景目标纲要。随着汽车的发展，2001年起锻造业就开始进入一个快速发展时期。从2001年起，锻造企业的销售额每年平均增加30％，最高的达到100％以上。为了实施锻造企业单位将推广与开拓创新塑性成形新技术，对现有的模锻工艺进行广泛调研与认识，经详细分析，感到存在“两差”、“四低”及“三高”的严重缺点：
(1)两差
①金属成形性差，固体毛坯金属在型槽中的流动性极差，难于充填型槽，不如液体及粉末状态金属在型槽中靠自重极易充满型槽。
②锻件尺寸精度差，普通模锻工艺常在1150℃高温下操作，极易形成氧化皮，所以造成较低精度等级的锻件。
(2)四低
①材料利用率低。普通模锻工艺的材料利用率一般为60％一70％，甚至更低。
②设备效率低。蒸空模锻锺的打击效率及摩擦压力机的传动效率都是极低的，而热模锻压力机因工序多也不能充分发挥较高的效率。
③模具寿命低。随着新型锻造设备的应用及发展，现有的模具寿命3000枷次只能维持生产1—2小时，就要更换模具，这样将大大影响生产。
④生产率低。德国多工位高速镦锻机的圆盘类锻件生产率每分钟可达90件，日本多工位冷镦机的火花塞生产率为100件／min，俄罗斯自动摆辗机的火车轮毂(重量约40kg)生产率为2件／mill。而现有的摩擦压力机及热模锻压力机都不能达到这样高的生产率。
(3)三高
①加热能耗高。普通模锻工艺因制坯工序多，必须要进行多次加热，如．与闭塞式模锻相比，还需增加对多余飞边金属的加热消耗。
②劳动强度高。与粉末锻造和液态模锻相比，普通模锻工艺都不能用单次成形工序来完成。所以造成变形工序多，劳动强度高及环境污染等弊病。
③锻件成本高。锻件成本主要包括原材料消耗、加热能源消耗、模具成本、锻造设备折旧率及劳动力等费用。据资料统计，普通模锻工艺的锻件成本比闭塞式模锻工艺约高30％甚至可达50％。国外实际生产及有关资料指出，精锻工艺的发展方向是质量好、材料省、耗能少、产量多、环保优及成本低。同时，必需不断提高模锻复杂零件的成形能力、材料利用率及模具使用寿命。
随着科学技术的发展，塑性成形技术越来越呈现出技术融合的趋势。一方面，塑性成形技术的进步需要从相关学科的发展中吸取自身发展的动力，如在塑性变形机理的研究中要利用材料科学和力学的进步来深化对于塑性成形中材料组织性能演化规律的认识，以便更好地解释和预测热成形过程中回复、再结晶以及流动应力的变化，塑性成形中的织构演化和塑性各向异性、损伤的演化和破裂准则；在塑性成形工艺优化中，需要利用计算数学和计算力学中的新方法等等。另一方面，科学技术的发展也为塑性成形技术不断开辟新的应用领域，如微制造中用塑性成形工艺部分地取代起源于集成电路制造工艺的光刻、腐蚀等技术，可以降低成本、减少环境污染。这种技术融合的趋势对于从事塑性成形理论研究和技术开发的科技人员提出了新的要求和挑战。
在当前工业上应用较多的塑性变形工艺可分为两大类：1、按工艺温度分类：冷加工，热加工，介于冷热加工的温热加工，大部分体积成型都为热加工，而冷冲压，冷轧，冷挤压等都是冷加工，像温挤压，温锻，都为温热加工。2、按成型分类：体积成型：锻造（自由锻和模锻），轧制挤压，拉拔：冲压成型（板料成型）：分离工序：落料，冲轧。成型工序：弯曲，拉伸。
塑性成形已经成为当今先进制造技术的重要发展方向。按目前的形势，到21世纪，产品零件粗加工和精加工的75%将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和新设备的发展提供了强大的源动力和和空前的机遇。通过与计算机的紧密结合，数控加工，激光成形，人工智能，材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广是过去无法比拟的。在此之间诞生了一些塑性成形的新方法：
1、精密塑性成形技术
精密成形技术对于提高产品精度，减少切削加工和降低成本均有着重要的意义。在精密塑性成形方面，精冲技术、超塑成型技术、航空制造技术、冷挤压技术、成形轧制、无飞边热模锻技术、温端技术、多向模锻技术发展很快。出传统的锻造工艺外，近年来半固体金属成形技术也日趋成熟，引起工业界的普遍关注。所谓半固体金属成形，是指对液态金属合金在凝固过程中经搅拌等特殊处理后得到的具有非枝晶组织结构、固液相共存的半固态坯料进行的各种成形加工。这种新的金属加工工艺，可分为半固态锻造，挤压，轧制和压铸等几种主要工艺类型，具有节省原材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制品性能等一系列优点，并可以生产复合材料的产品，是21世纪新兴塑性成形的关键技术。
此外，在粉末冶金和塑性加工方面，金属粉末超塑性成形，粉末注射成型、粉末喷射和喷涂成型，以及塑料注射成形中气体辅助技术和热流道技术的成功应用，大大扩大了现代精密塑性加工的应用范围。
2、快速制模技术
快速成型技术对于模具的快速制造产生了重要的影响和推动作用。用于小批量生产的塑料模具和冷冲压模具可以依照由快速成型方法所获得的产品实体直接用硅橡胶、环氧树脂或金属材料制造。用于大批量生产的各种模具也可以由快速成型和铸造技术相结合的方法制造。快速制造模锻技术由于具有制造周期短、成本低、综合经济效益高等优点，十分适应于新产品开发和小批量多品种的生产方式。
三、塑性成型过程的计算机模拟
塑性加工过程计算机模拟是近20年来最活跃的研究领域，该项技术在近几年取得了长足的发展，基本达到了实用化，得到了很多大型企业的应用。数值模拟已应用到净成型、切削加工，以及当前的塑性成型的前沿领域，目前数值模拟在板、管材成型和机械加工时材料的流动应力、摩擦、逆向工程中材料参数的数值处理方面已取得了较大的进展。而未来发展方向主要在三维复杂零件成型加工过程的模拟、并行处理的计算机系统。
多学科交叉和技术融合是当今科学技术发展的普遍趋势，塑性成形技术也不例外。在这种形势下，塑性成形领域的学者和工程技术人员应该更多地关注材料科学、力学、先进制造技术等相关领的研究进展，推动塑性成形理论的发展；各
大学和研究机构应该大力构筑促进学科交叉和资源共享的跨学科研究平台，其中包括各种实验和计算设施，通过联合攻关，占领科学技术的若干制高点，提高我国的科技创新能力；大学、科研机构和企业应该加强交流与合作，使得研究工作切合我国经济和社会发展的实际需要，企业能依托大学和研究机构解决技术难题、获得技术储备、提高竞争力。
在这个科学技术的发展日新月异的时代，传统的制造工艺必然的会被时代所淘汰，但是由于我国的科学技术的推广相对的落后，很多的产业还是依靠传统的制造工艺，存在两差”、“四低”及“三高”的严重缺点，这样的产业结构不仅生产效率低下，成本高，污染大，资源浪费严重，还遏制了心得工艺技术的发展，我国应该推动我们的企业改革，优化产业结构，使得我们的生产、制造方式更加的现代化。让我们的新工艺真正的得到应用。