智能与控制在塑性加工制备与成形中的应用 - 文章

智能与控制在塑性加工制备与成形中的应用

作者：中国科学院金属研究所张士宏

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摘要：对材料制备与塑性加工方面的智能控制特点进行了介绍与分析。首先对钢铁、铜及铜合金管材连铸连轧过程控制加工特点进行了阐述，其次介绍了镁合金的“轧制—等通道角挤压—拉制”连续加工制备技术和镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺。对于薄板增量加工成形技术，介绍了飞机整体壁板增量压弯技术、薄板单点无模增量成形技术和多点无模增量成形技术。讨论了薄板可动凹模液压成形技术、异型截面管件液压成形技术和细长杆件空间弯扭成形技术原理。最后对于微小件加工技术进行了简要介绍。
关键词：智能塑性加工；材料制备；增量成形；微加工

1. 引言

随着高性能新材料技术和信息技术的发展及航空航天、汽车、兵工、电子行业的需求，材料制备与加工技术近年来发生了很多重要变化，反映在塑性加工制备技术方面更为明显。一方面是材料制备技术向集成性、连续性发展，例如钢铁材料和有色金属的连铸连轧技术，已实现了钢铁、铝合金、铜及铜合金甚至镁合金制备的产业化。由于使用了先进的熔炼、凝固、轧制和拉伸技术，例如电磁铸造、控轧控冷、行星旋轧、二连拉和盘拉等技术，生产中还涉及到连续退火、自动电加热和表面处理，生产的每一个环节都需要进行计算机控制。材料制备的另一个特点是，不但要控制材料的形状精度，还要控制材料的微观组织和性能。尤其是专家数据库技术、KBE技术和计算机模拟技术在这些加工生产中得到了施展的空间，一些生产还达到了在线控制的程度。另一方面，零件加工制造技术因为新材料的出现和工业需求的变化发生了一些明显变化。例如一些复杂形状零件的加工技术正在向全过程计算机控制和数字化制造方向发展。近年来出现了多种新技术，例如飞机整体壁板的增量化成形技术、复杂板件的单点无模增量成形技术、大型曲面板件的多点无模成形技术、汽车管件的液力成形技术。这些技术的特点是采用柔性制造系统，模具多为形状可调或无模，全过程数控，采用先进的专家数据库系统，计算机模拟已成为工艺设计和模具设计的必要手段和前提。这些方法也同时具有快速成形的特点，而且在未来的发展过程中，智能化设计与控制将逐步增加。

由于通讯、IT行业的发展，微塑性加工技术正在兴起。由于零件均在500nm-500μm范围内，材料的尺寸效应、摩擦效应、微观性能表现发生了显著变化，模具的制造难度增加。而且零件肉眼无法观测，必须由放大镜和显微镜才能可视，测量方法和精度、检验手段也成为了重大难题。整个系统必须由计算机控制才能完成。以上各方面的发展足以说明材料塑性加工技术的发展必须依赖于数控和专家数据库技术、KBE及计算机模拟技术，以这些技术为前提条件，过去无法完成的加工技术已成为可能，生产率和产品质量将获得大幅度提高。

2. 材料塑性加工制备技术的发展特点

材料制备技术的发展特点是各种技术的集成化，特点是短流程、高生产率。代表性的技术是钢铁及有色金属的连铸连轧技术和半固态成形技术。

2.1 钢铁生产

以鞍钢1780生产线为代表，我国钢铁生产已进入了连铸连轧的短流程时代。过去熔炼、半连轧、薄板轧制等多阶段加工已经逐渐淘汰，代之以连铸、初轧、精轧为特点的连铸连轧生产过程。这些生产线要求完全自动化控制。由于生产线采用控轧控冷等多道高新技术，对于设备、温度、变形、组织性能的控制必须由计算机进行在线控制，变形过程和其他加工过程的计算机模拟和专家数据库技术已成为保证稳定生产的重要条件。欧美等国已将计算机模拟技术和专家数据库技术应用于这类生产线，形成了专用的软件包。我国自“十五”以来也由国家科技部设立了973和863项目支持这些项目的研制，目前已获得了显著成果。

2.2 铜管材铸轧生产技术

以河南金龙公司为代表的一些企业在90年代引进国外专利，在其基础上开发了铜管铸轧生产技术，取代了传统的挤压、拉制生产技术，大幅度提高了生产率和产品质量。铜管铸轧生产中采用了连铸铜管坯、行星旋轧（代替挤压）、二连拉制和盘拉技术。经过金属所的研究和大量用户使用证明，铸轧铜管经行星旋轧可以获得质量优于挤压加工的铜管材[1]。2002年，金属研究所为该生产线研制了铸轧专家数据库系统，并开展了行星旋轧、铜管拉拔、连铸过程的计算机模拟研究。这些研究成果已开始在金龙公司铜管加工生产线开始试用，取得了良好效果。

2002年，国家科技部设立科技攻关引导项目，委托金龙公司进行铜合金管材铸轧技术的开发研究。这是进一步将铜管铸轧技术扩展到铜合金管材的生产过程中去，具有重大应用前景和学术意义。由于铜合金管材的加工制备要远远难于铜管材，表面质量差、塑性降低、硬化指数高，塑性变形抗力大，需要在线退火，对于连铸、行星旋轧和拉制提出了更大的难题，需要用计算机模拟及专家数据库控制技术控制整个生产过程。目前，铜合金铸轧生产中采用了电磁铸造技术、对铜管坯连铸过程采用计算及模拟分析、对行星旋轧和拉制过程均用Marc软件进行模拟计算分析，一套新的专家数据库系统正在研制。电磁铸铸造技术对于提高管坯表面质量和内部晶粒细化已起到了明显作用。这些手段对于铜合金管铸轧生产过程具有智能控制的作用。

2.3 镁合金“轧制—等通道角挤压—拉制”连续加工制备技术（CCDR-ECAP）

近年来，镁合金及其应用在国内国外都获得了广泛的重视，但目前大多数产品都是使用压铸方法生产的，应用范围受到限制。而镁合金常温下塑性很低，需要在加热情况下进行塑性成形。而加热温度越低则生产越容易，成本越低。获得优质细晶镁合金坯料是较低温度下进行塑性加工的前提。细晶镁合金的加工制备途径一般只能通过大变形方法。等通道角挤压(ECAP)技术近年来在国际国内获得了广泛重视，并证明行之有效。但这一技术目前还无法进行材料连续加工，其使用还只能限于实验室内。如何用于生产是很多人在致力追求的。

Perez [2]提出了一种由轧制、等通道角挤压和拉伸工序组成的镁合金连续加工制备技术(Continuous Combined Drawing and Rolling Pressing in ECAP，见图1)，原理是通过轧制为等通道角挤压提供挤压力，再由拉伸工艺提供拉出力以实现等通道角连续挤压，轧制可以是多辊的，等通道角挤压也可以是两道转角的。这项技术为等通道角挤压在镁合金制备方面提供了可能。但整个系统的实现难度很大，在装置研制、加工参数控制、变形分析方面必须采用计算机模拟和自动控制技术，用以协调整个加工过程的加工参数。

图1：连续等通道角挤压技术

2.4 镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺

Wataru等[3]提出了镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺（参见图2）。用镁合金AZ31B,AZ91D,AM50A和AM60B来做双辊薄带连铸。通过改变熔化原料的温度和上下辊子的转速确定合理的加工条件。对成品铸件的晶体的微观结构进行观察，发现在速度为25m/min时可以生产出2.0-3.0mm厚的镁合金板。发现通过半固态过程热辊铸造的镁合金板可以用来塑性变形，板件拉深比达到2.0。这一过程的生产无疑也需要自动控制和计算机模拟技术。

图2：镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺

3. 增量成形技术

3.1 整体壁板增量压弯成形

飞机整体壁板增量压弯成形是“十五”期间由我国航空系统开发的。为此研制了专用成形设备和变形控制机构[4]。这一工艺如果靠人工控制是难以实现的，产品无法达到重复性，弹复无法控制。目前正在对这一典型的航空数字制造技术进行变形过程的计算机模拟并研制相应的智能专家数据库系统。

（a）增量压弯原理

(b) 压弯前的铝合金壁板 (c) 计算机模拟的增量压弯典型截面发生皱曲
图3：整体壁板增量压弯原理及其模拟

3.2 板材单点增量无模成形

板材单点增量成形技术（图4）是采用数控机床进行板成形加工[5]。刀具换成冲头，冲头在程序控制下走预定轨迹，板材局部产生变形，最后完成复杂零件的成形。日本Amino公司研究获得了成功应用，已经用于成形6米长的新干线火车头覆盖件。这种技术也是一种快速成形技术，由于不需要模具，只要将样件进行测绘，再编成程序，就可以加工出形状非常复杂的板材零件。

图4: 板材单点增量成形技术

3.3 板材多点无模成形

该技术（图5）是将多个刚性冲头代替原来的刚性模具进行板材成形加工[6]。由于这些冲头的位置可以由液压缸侍服控制，因此整体模具的形状可调，整个工艺可以通过计算机进行加工控制，计算机模拟和专家数据库系统是该工艺的实施条件之一。目前已成功成形船体板件和合金球形壳体等，并可提供专用设备。

图5: 板材多点成形技术

3.4 杆件空间弯扭成形

图6是用弯扭成形工艺成形的细长空间杆件。Thalmair[7]研制了专用设备，该设备需要同时对杆件两端施加弯曲力和扭矩，以实现杆件按特定要求的形状变形。设备施加的弯矩和扭矩、以及旋转速度和轴向移动速度都要按计算机软件确定的量值和轨迹进行，由此才能加工成形所需要的空件杆件。否则，无法实现杆件形状的重复性。这也是典型的智能加工过程。

图6：细长管件弯扭成形产品

4. 液压成形技术

4.1 可动凹模液压成形

图7是作者[8]发明的可动凹模液压成形件。由于成形中采用组合凹模，板件变形顺序可以控制，减薄均匀，成形极限提高，可以成形形状非常复杂的板材零件，目前已可以成形某航天板件。该工艺需要控制合模力、压边力、液压力、可动凹模背压力或移动速度，需要复杂的自动控制及加工参数匹配技术。

图7：液压成形工艺原理及成形板件

4.2 异型截面管件液压成形

管件液压成形技术近几年获得了空前的发展和应用[9]，也称为管件内高压成形。目前主要应用于汽车和航空管件的批量成形加工。由于管件需要轴向进给，该工艺需要控制合模力、轴向进给力及进给速度、液压力，也同样需要复杂的自动控制及加工参数匹配技术。是一种智能加工工艺。图8是工艺示意图及加工成形的汽车管件。

图8：液压成形工艺示意图与液压成形管件

5. 微加工技术

随着电子器件和通讯产业的发展、空间工程的进步和兵工技术的需要、医疗器械、汽车传感器和印刷技术的发展，微小器件加工技术发展很快。初期阶段由于需求较小，一般人们关注于机械加工技术。近来，加工批量日益增大，塑性加工的方法最适于大批量低成本的生产微零件，所以近来得到很大发展。所谓微零件通常的界定是至少有某一方向的尺寸小于100μm[10]。Geiger等曾制造出0.5mm直径，壁厚为50μm的微零件。Saotome挤压出直径为500μm，模数为50μm的非晶材料直齿轮。

由于尺寸效应的影响，微零件成形比传统的成形困难，主要是因为[11]，当零件小时表面积与体积比迅速增大，工件表面存储润滑剂相对困难，摩擦力足以影响零件的成形能力和质量；微小零件与工具间的粘着力、表面张力等显著增大；零件可能只有几个甚至单个晶粒构成，不能再看成各向同性的均匀连续体。

微加工过程由于无法进行人工直接控制，整个系统需采用计算机模拟和控制系统，专家数据库系统是必要的。例如单点增量无模成形技术（图4）已经用来加工成形微型薄板件。

6. 结论

材料制备加工、复杂形状金属零件的成形工艺已经发展到离不开计算机控制的阶段，计算机模拟、专家数据库技术、智能控制技术已成为先进塑性加工技术和传统塑性加工技术改造的必要手段。很多新工艺的出现都是以数控加工控制为前提的，过去无法实现的一些塑性加工工艺在智能控制等基础上都可以实现。

参考文献
[1] 周文龙，许沂，张士宏，挤压铜管坯与连铸连轧铜管坯的研究，锻压装备与制造技术，2004，No.1 （待发表）
[2] C. J. L. Perez, A method for continuous processing of materials by ECAP processes, Advances in Materials and Processing Technologies 2003, July 7-11, Ireland, pp1162-1165
[3] H. Watari, Semi-solid manufacturing processes of Mg alloys by twin-roll casting, Advances in Materials and Processing Technologies 2003, July 7-11, Ireland, pp720-723
[4] 刘劲松，许沂，张士宏，曾元松，吴为，张新华，王忠堂，任丽梅，整体壁板增量压弯过程应力应变分析，塑性工程学报，10(5)2003，42-45.
[5] 戴昆，王仲仁，方漪，板材零件数控增量成形壁厚变化规律的实验研究，锻压技术，1997， No.4, 28-31
[6] 李明哲，刘纯国，付文智，无模多点实验机及微机控制系统的研制，农业机械学报，1998，29（4）122-125
[7] M. Thalmair, H. Lippmann, Spatial free plastic forming of slender parts-machine design, forming limits and application, Proceedings of the ASME, International Mechanical Engineering Congress and Exposition，6–10 November 2000, MED-Vol.11, 699-704
[8] S. H. Zhang, L. X. Zhou, Z. T. Wang, Y. Xu, Technology of sheet hydroforming with a movable female die, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 43(8)(2003)781-785
[9] S. H. Zhang, Developments in hydroforming, Journal of Materials Processing Technology, 91(1999)236-244
[10] 王仲仁，苑世剑，塑性加工领域的新进展，金属成形工艺，2003，No.5，pp1-4
[11] M. Geiger, M. Kleiner, R. Eckstein, N. Tiesier, U. Engel, Microforming, Annals of the CIRP，Vol.50/2/2001, 445-462 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/9/2006)


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