塑性成形技术的研究现状和发展趋势

塑性成形技术的研究现状与发展趋势

摘要：本文叙述了塑性成形技术的研究现状，介绍了现代塑性成形技术的发展趋势，提出了当代塑性成形技术的研究方向。 关键词：塑性成形模具技术研究现状发展趋势

1引言

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。

2塑性成形的现状

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。

3现代模具的发展趋势

模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。本文详细介绍了国内模具技术的现状，探讨了我国模具技术今后的发展趋势。还比较了我国和国外模具技术的差距及产生差距的原因。因此，我国要想提高技术，必须做出相应的调整，要向大型、精密、复杂、高效、长寿命和多功能方向发展。只有模具技术向着更高方向的发展，才能提高产品的设计制造质量和效率。

3.1我国模具技术的现状

我国模具工业从起步到飞跃发展，历经了半个多世纪，近几年来，我国模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。大型、精密、复杂、高效和长寿命模具又上了新台阶。模具标准件应用更加广泛，品种有所扩展。模具材料方面，由于对模具寿命的重视，优质模具钢的应用有较大进展。正由于模具行业的技术进步，模具水平得以提高，模具国产化取得了可喜的成就。历年来进口模具不断增长的势头有所控制，模具出口稳步增长。

20世纪80年代以来，国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，同时为模具的发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具发展十分迅速，模具工业一直以15% 左右的增长速度快速发展。振兴和发展中国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”已经取得了共识。目前，中国有17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。近年来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了变化。除了国有专业厂家外，还有集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，他们都得到了迅速的发展。许多模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为企业发展的重要动力。此外，许多研究机构和大专院校也开展了模具技术的研究与开发。

中国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48in大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具CAD/ CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量

和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。

进入21世纪，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，中国装备制造业在加入WTO以后，将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多地采用由模具工业提供的产品。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求，模具工业正广泛应用现代先进制造技术来加速模具工业的技术进步，这是各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求。

3.2我国模具技术与国外的差距

? 产需矛盾

工业发展水平的不断提高，工业产品更新速度加快，对模具的要求越来越高，尽管改革开放以来，模具工业有了较大发展，但无论是数量还是质量仍满足不了国内市场的需要，目前满足率只能达到70%左右。造成产需矛盾突出的原因，一是专业化、标准化程度低，除少量标准件外购外，大部分工作量均需模具厂去完成。加工企业管理的体制上的约束，造成模具制造周期长，不能适应市场要求。二是设计和工艺技术落后，如模具CAD/CAM技术采用不普遍，加工设备数控化率低等，亦造成模具生产效率不高、周期长。总之，是拖了机电、轻工等行业发展的后腿。

? 产品结构、企业结构等方面

模具按国家标准分为十大类，其中冲压模、塑料模占模具用量的主要部分。按产值统计，我国目前冲压占50%-60%，塑料模占25-30。国外先进国家对发展塑料模很重视，塑料模比例一般占30%-40%。国内模具中，大型、精密、复杂、长寿命模具比较低，约占20%左右，国外为50%以上。我国模具生产企业结构不合理，主要生产模具能力集中在各主机厂的模具分厂(或车间)内，模具商品化率低，模具自产自用比例高达70%以上。国外，70%以上是商品化的。 ? 产品水平

衡量模具产品水平，主要有模具加工的制造精度和表面粗糙度，加工模具的复杂程度、模具的使用寿命和制造周期等。

4现代模具工业的发展趋势

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。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：

? 愈来愈高的模具精度；

? 日趋大型化模具：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所致。

? 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%。

? 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。 ? 日益增多高挡次模具;

? 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。 ? 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。

? 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。 ? 日渐推广应用模具标准化； ? 大力发展快速制造模具。

上述的目标其实也是正是我国要努力发展的目标，是我国模具行业要改进与学习的地方，是不断缩小与国外水平的最好途径。

5塑性成形的新技术

5.1高速高能成形

一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。包括： ? 电液成形 ? 电磁成形 ? 少无切削成形

5.2精密模锻

在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻工艺。

5.3粉末锻造

该方法是粉末冶金成形和锻造相结合的一种加工方法。普通的粉末冶金件，其尺寸精度高，而塑性、韧度差。锻件的力学性能虽好，但精度低。将二者取长补短，便产生了粉末锻造方法。

5.4液态模锻

实质是把液态金属直接浇入金属型内，以一定压力作用于液态(或半液态)金属并保压，金属在压力下结晶并产生局部塑性变形。液态模锻实际上是铸造加锻造的组合工艺。它兼有铸造工艺简单、成本低，又有锻造产品性能好、质量可靠等优点。对于生产形状较复杂的工件，且在性能上又有一定要求时，液态模锻更能发挥其优越性。

5.5超塑性成形

超塑性成形指金属或合金在特定条件下。即低的变形速率(=10-2～10-4s-1)一定的变形温度(约为熔点的一半)和均匀的细晶粒度(平均直径为0.2～5μm)，其相对伸长率δ超过100％以上的特性。例如钢可超过500％、纯钛超过300％、锌铝合金超过1000％。

超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，金属的变形应力可比常态下降低几倍至几十倍。因此，超塑性金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。

5.6微成形

微成形指以塑性加工的方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术。

5.7内高压成形

内高压成形是近10 多年来迅速发展起来的一种成形方法，它是结构轻量化的一种成形方法，是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。作为生产支叉管等管路配件的一种方法，可追溯到30年前，但成形压力一般小于30MPa。近年来，由于超高压液压技术的成熟，德国和美国已将该成形技术用于机器零件的制造，其成形压力一般大于400MPa，有时超过1000MPa。目前，已用于汽车等机器制造领域的实际生产。

5.8可变轮廓模具成形

对于小批量多品种板料件成形，例如舰艇侧面的弧形板、航空风洞收缩体板、飞机的蒙皮都是三维曲面，但批量很小甚至是单件生产，由于工件尺寸大，这样模具成本很高，何况即使模具加工完成，也有一个需要修模与调节的过程，因此

用可变轮廓模具成形一直是塑性加工界及模具界的研究方向之一。

5.9半固态成形

半固态成形是20世纪70年代发展起来的金属成形新技术，指对经过特殊处理的固体坯料加热，或在液态金属凝固过程中加以搅拌等处理而得到的具有非枝晶结构的固相、液相组织共存的半固态坯料进行成形加工，得到所需形状和性能的制品的加工方法。它主要包括半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等工艺类型，在汽车、通讯、航空、航天、国防等领域得到了越来越广泛的应用，被称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。

6当代塑性成形技术的研究方向

国内塑性成形技术与国外从上文可以看出还是有不小的差距，为了塑性成形技术逐步达到国际水平，不仅仅从理论分析，模具的设计、结构材料以及环保等方面来提升塑性成形技术的水平，随着现代数字化技术的迅猛发展，以上可以提升的方面在不久的将来就是拼的数字化的竞争力，所以我着重从数字化方面说一下数字化塑性成形的未来研究方向。

6.1设计数字化技术

为了提高设计质量，降低成本，缩短产品开发周期，近年来，学术界提出了并行设计、协同设计、大批量定制设计等新的设计理论与方法，其核心思想是：借助专家知识，采用并行工程方法和产品族的设计思想进行产品设计，以便能够有效地满足客户需求。实施这些设计理论与方法的基础是数字化技术，其中基于知识的工程技术（KBE）和反向设计技术是两项重要支撑技术。 6.1.1反向设计

以实物模型为依据来生成数字化几何模型的设计方法即为反向设计。反向设计并不是一种创造性的设计思路，但是通过对多种方案的筛选和评估，有可能使其设计方案优于现有方案，并且缩短方案的设计时间，提高设计方案的可靠性。反向设计是产品数字化的重要手段之一，作为21世纪数字化塑性成形技术的重要环节，反向设计这种思想对于消化吸收国外模具设计的先进技术，提高我国的模具设计水平具有重要的意义。 6.1.2基于知识的工程设计

众所周知，模具设计是一个知识驱动的创造性过程，它包含了对知识的继承、集成、创新和管理。随着世界制造业竞争的加剧，创新产品的开发已成为竞争的关键，而创新产品的竞争优势在于其所拥有的知识含量。随着智能技术的发展与完善，如何将人类知识作为改造传统产业的原动力已成为重要的研究课题。

6.2分析数字化技术

6.2.1数字化模拟

金属塑性成形过程的机理非常复杂，传统的模具设计也是基于经验的多反复性过程，从而导致了模具的开发周期长，开发成本高。面对激烈的市场竞争压力，模具行业迫切需要新技术来改造传统的产业，缩短模具的开发时间，从而更有效地支持相关产品的开发。塑性加工过程的数值模拟技术正是在这一背景下产生和发展的。 6.2.2虚拟现实

虚拟现实技术是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。

6.3制造数字化技术

6.3.1高速制造

高速加工技术是自上个世纪80年代发展起来的一项高新技术，其研究应用的一个重要目标是缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量。由于不同加工工艺和工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速加工给出一个确切的定义。 6.3.2快速原型

现代意义上的快速成型技术始于70 年代末期出现的立体光刻技术（SLA），它是汹涌而来的数字化浪潮在加工领域中不可避免的延拓：连续的曲面被离散成用STL文件表达的三角面片，零件在加工方向上被离散成若干层。这种离散化使得任意复杂的零件原型都可以加工出来，加工过程也大大简化了。

进入新世纪后，制造技术的发展将随着市场的全球化、竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人性化而体现出制造技术的信息化、科学化和服务化的趋势。数字化以其柔性好、响应快、质量高、成本低，正在成为先进制造技术的核心。特别是近些年来研究提出和发展的很多先进制造理论和方法，如计算机集成制造、智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络化制造等等，无一不是受益于数字化计算机技术的发展和应用。因此，我们必须从战略的高度大力开展数字化制造技术的研究开发和加速用数字化制造技术改造传统制造业的发展规划。

7总结

经过将近一个世纪的衍生与发展，塑性成形技术与科学这一古老而年轻的领域中已经结出茂盛的果实，但同时，我们更应感到新世纪所赋予在肩的重任。为了保持和促进学科旺盛的生命力，为了塑性成形技术与科学的崭新辉煌，我们责

无旁贷，我们任重道远！

参考文献

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