第二章第二节：特种塑性加工方法
2.2 特种塑性加工方法2.2.1 半固态金属成形加工 2.2.1.1 半固态金属加工的概念 20 世纪 70 年代初，美国麻省理工学院 D．B．Spencer 等研究人员在自制的高温粘度 计中测量 Sn―15％Pb 合金高温粘度时，发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为 L3，如 金属在凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当 低的剪切应力，这种特殊性能是由于基体中存在奇特的球状微粒结构。美国麻省理工学院 的研究人员很快意识到金属凝固的这一特征将具有许多潜在的利用价值，随即对此进行了 广泛深入的研究，并发展成为半固态金属加工技术(Semi―Solid Metal forming)，简称 SSM。半固态金属加工技术，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固―液态温 度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分 甚至可高达 60％)，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流 动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆 料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。 近年来金属加工技术研究的热点，因为半固态技术有一系列特点，最突出的是半固态 材料的触变性，成形的零件精度高、质量好，能与近终成形(Near-net-shape)接轨。半固 态加工技术、压力铸造和液态模锻三种方法的共同目的都是为了获得高质量、高强度、高 精度金属零件毛坯。但是，半固态加工技术不同于压力铸造，也不同于液态模锻，半固态 金属加工技术是在金属凝固过程中，进行剧烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎或完全 抑制枝晶的生长，然后直接进行流变铸造或制备半固态坯锭后，再局部重熔和触变成形， 这样得到的产品组织结构具有一次相为球形颗粒的组织。半固态金属加工一般包括三道工 序： 流变铸造(Rheocasting)、 局部重熔(二次加热)(Reheating)和触变成形(Thixoforming) 三个阶段。 2.2.1.2 半固态金属加工的特点 与普通的加工方法相比，半固态金属加工具有以下优点： (1) 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适用于多种加 工工艺，如铸造、挤压、锻压和焊接等。 (2) SSM 充形平稳， 无湍流和喷溅， 加工温度低， 凝固收缩小， 因而铸件尺寸精度高。 SSM 成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了机械加工量，可以做到少或无切屑加 工，从而节约了资源。同时 SSM 凝固时间短，有利于提高生产率。 (3) 半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是模具的热冲 击，使其寿命大幅度提高。 (4) SSM 成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，内部气孔，偏析等缺陷少，晶粒 细小，力学性能高，可接近或达到变形材料的力学性能。 (5) 应用半固态加工工艺可改善制备复合材料中非金属材料的飘浮、偏析以及与金属 基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利条件。 (6) 与固态金属模锻相比，SSM 的流动应力显著降低，因此 SSM 模锻成形速度更高，29而且可以成形十分复杂的零件。 (7) 节约能源。以生产单位质量零件为例，半固态加工与普通铝合金铸造相比，节能 35％左右。 2.2.1.3 半固态金属加工的主要工艺过程 由图 2-27 可以看出， 半固态金属加工的工艺路线有两条： 一条是将经搅拌获得的半固 态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，通常被称为流变铸造 (Rheocasting)。另一条是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加 热到半固态温度，然后进行成形加工，通常被称为触变成形(Thixoforming)。在实际工业生 产中，主要采用后一种工艺。 通常，半固态金属加工技术包括流变铸造、局部重熔(二次加热)和触变成形。所谓流 变性，就是在搅拌过程中当固态组分不断增加(甚至达到 60％)时，虽然金属浆料的粘性提 高， 但仍然保持良好的流动性。 2-28 为半固态金属直接铸成锭坯的流变铸造工艺流程图。 图 图 2-29 为把流变铸造的锭料先按铸件质量大小分割， 然后根据不同的成形工艺要求， 重新 将每块锭料加热到不同程度的局部重熔，然后对这种流变铸锭进行压铸或挤压成形的触变 成形工艺流程图。熔炼、合金配制搅拌半固态坯料制备流变铸造下料局部重熔 (二次加热)触 变 成 形零 件 毛 坯图 2-27 半固态金属加工的工艺流程30(1) 制备坯料 半固态加工技术中的一个关键问题就是如何制备优质的半固态合金棒坯。在半固态合 金棒坯制备过程中，被搅拌合金熔体的冷却速率和受到的搅拌力是合金熔体凝固过程中两 个重要参数。这两个参数的变化将直接影响到半固态合金坯料的质量。在金属冷却过程中 强烈搅拌使已形成的枝晶破碎，同时也抑制树枝晶的形成，可获得非枝晶的卵形或近球状 结构。搅拌力的大小以及搅拌均匀程度将直接影响半固态锭坯组织结构的均匀性。本节主 要阐述半固态合金坯料的制备工艺 ① 常用的几种搅拌法 半固态金属棒坯是通过流变铸造的方法制备的。为了使金属浆料具有流变性，搅拌技 术是关键。通常，半固态金属浆料的制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法和应变诱发熔化31激活技术 (Strain―InducedMeltActivation，简称 SIMA)。此外还有喷射成形法、紊流效应 法和粉末法等。 a．机械搅拌法 机械搅拌法是最早采用的方法，其设备构造简单，它可以通过控制搅拌温度、搅拌速度 和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶破碎而成为颗粒结构，从而研究金属凝固规律和 半固态金属流变性能。 机械搅拌装置一般分为连续式和间歇式两种类型， 如图 2―30 所示。 连续式装置包括棒式和 螺旋式。棒式装置具有金属 液不易氧化、固相分数易控 制、能连续生产的优点；其 缺点是出料速度较慢，搅拌 棒易损耗。螺旋式装置具有 向下挤压流体的作用，使出 料速度加快。 间歇式装置包括底浇式 和倾转式。底浇式装置的最 大特点是结构简单，但是它的底部密封塞影响铸型的设置。倾转式装置的坩埚可以倾转， 将部分凝固合金能够倒人铸型，这有利于浇注过程的实现。但是在坩埚倾转前需将搅拌棒 从合金中提出，金属的表观粘度会因为停止搅拌而上升。 根据实验研究结果表明，采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小 的球形微观结构，但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀性， 而且搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会对半固态铸坯带来不 利的影响。 b．电磁搅拌法 在各种搅拌方法中， 电磁搅拌法被认为是制备半故态合金中最理想、 最有前途的方法。 电磁搅拌是借助电磁力强化铸坯内未凝固金属溶液的运动，从而改变凝固过程的流动、传 热和传质，达到细化晶粒、改善铸坯质量的 目的。从搅拌金属液的流动方式来分，电磁 搅拌有两种形式，一是水平式，即感应线圈 平行于铸形的轴线方向；另一种是垂直式， 即感应线圈与铸形的轴线方向垂直，如图 2 ―31 所示。一般地，影响电磁搅拌效果的因 素有搅拌功率、冷却速度、金属液温度、浇 注速度等。由于加工过程的局限性，通常认 为， 直径大于 150mm (6in)的铸坯不宜采用电 磁搅拌法生产。 电磁搅拌法在国外已应用于工业化生产半固态原材料铸锭，并有一些公司能够进行商 品化生产，譬如美国 Alumax 公司、瑞士 Alusuisse―Lonza 公司、德国的 EFU 公司和法国32Pechiney 公司。 c．应变诱发熔化激活技术(SIMA) 应变诱发熔化激活技术(Strain―InducedMeltActivation)，简称 SIMA，就是先将合金原 材料进行足够冷变形，然后加热到半固态。在加热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化， 使初生相转变成颗粒状，形成半固态金属材料。该方法已成功地应用于不锈钢、铜合金等 较高熔点合金，但由于增加了预变形工序，使生产成本提高，与电磁搅拌法相比，它仅仅 用于生产小直径坯料。 d．喷射成形法 一些独特的凝固工艺也被用来生产半固态金属材料，如图 2―32 所示是 Osprey 喷射 成形法。 在此方法中， 金属熔化成液态金属后， 雾化为熔滴颗粒， 在喷射气体作用下部分凝固 的微滴直接沉积在收集基板上。 当每个熔滴的 冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形 成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加 热到局部熔化时， 也可得到具有球形颗粒固相 的半固态金属浆料。目前用这种方法已对 Al 合金、 黑色金属以及金属基复合材料进行了成 功的试验。 与其他方法相比， 该方法成本较高， 只适用于制备特殊要求的大尺寸坯料。 e．紊流效应法和粉末法 紊流效应法是指在金属液通过特制的多流装置时的流动产生紊流效应， 打碎形成的枝 晶，因此获得具有流变特性金属浆料的方法，如图 2―33 所示。 粉末法是指先将金属粉末混合、压块，然后再加热使 一种粉末熔化或不同成分粉末相互扩散形成合金后熔化而 得到液相，形成固液混合金属浆料的方法。譬如，用该方法 制备 Ti― 20％Co 金属浆料，冷却后，再加热可以触变成 形。 在众多的制备方法中，电磁搅拌法是制备半固态金属 浆料的一种比使金属液较好的方法。 后面将着重介绍利用电 磁搅拌方法制备半固态合金。② 非连续制备法 非连续制备法通常只应用在实验室或小批量生产中。图 2-34 是采用电磁搅拌的非连 续制备装置，图中，1 为隔热套，2 位上通风孔，3 为坩埚盖，4 为坩埚，5 为搅拌线圈外 壳，6 为搅拌线圈，7 为隔热板，8 为下通风孔，9 为支架，10 为风扇。该装置制造简单， 使用灵活。通常应用于研究半固态金属的特性。33在此值得提出的是采用这种方法得到半故态金属浆料后，需快速将坩埚取出，投入水 中，以保证达到足够的冷却速度。 图 2-35 是一种导游水冷系统的非连续制备装置示意图，其中，1 为水套，2 为喷水孔， 3 为熔体流入锥形孔，4 和 6 为熔体，5 为上盖，11 为模具，它采用导磁率极低的材料制 成，并具有一定的内锥度，7 为阀门，8 为水套板，9 为通电线圈，10 为铁芯片，12 为外 套，13 为底板。③ 连续制备法 a．电磁搅拌水平式连续制备 连续制备半固态金属坯料是工业生产中主要采用的方法。 连续制备法按照铸造方式可 分为立式和水平式。图 2-36 是电磁搅拌的水平式连续铸造 Al 合金的生产线示意图。和金 融化是在其它的熔化炉中完成，然后注入熔池中。电磁搅拌采用 50HZ 的工业用交流电。 图 2-37 所式为 Kennet P.Young 设计的电磁搅拌水平连续流变铸造半固态铜或铝合金的 结构示意图。其工作情况如下；熔化炉 1 将合金熔化，熔化后的合金通过熔池 6 流人中间 包 2，中间包的液面高度靠控制系统操作控制棒 8 来调节，中间包内的合金熔液通过中间34包出口 3 流人结晶模 7，结晶模具有水冷系统 4，冷却水是由进水阀门 9 调节，结晶模周 围安装有两极多相感应电机的定子 10， 通过调节定子中通电线圈的电流频率和电流强度来 提供合适的搅拌功率。结晶模中未凝固金属熔液在电磁场的作用下产生强烈的搅拌。铸造 速度根据工艺要求由牵引机 5 控制。对于合理的搅拌工艺和铸造速度，凝固线 11 将保持 在一个稳定的位置。 b．电磁搅拌立式连续制备 图 2-38 所实是立式连续制备半固态金属坯料的生产线布置图。熔化炉是可倾式感应 炉，三相电源频率为 50Hz。熔化炉容量为 200kg（铝）或 900kg（铜） 。一般铸坯直径可 达到 110mm，铸坯长度可达到 3.5m，铸造速度最高可达 300mm/min。 图 2-39 是电磁搅拌系统和铸造部分示意图。搅拌电源是 50Hz 的三相交流电，搅拌电 流最大为 350A。对于轻合金铸坯直径可达 115mm。如铸造更大直径的铸坯，需改变搅拌 电源的频率。为了保证质量，铸造中采用热顶，热顶高度 HM 不小于 60mm。结晶器是采 用特殊牌号的奥氏体钢制造，结晶器具有水冷系统和二次水冷装置。(2) 局部重熔（二次加热） ① 二次加热的目的 在半固态棒坯触变成形之前，先要进行局部重熔（二次加热） ，根据加工零件质量大 小精确分割经流变铸造获得的半固态棒坯，然后在感应炉中重新加热至半固态，以供后续 变形。重新加热的目的，其一是为了获得不同工艺所需要的固相体积分数，其二是使剧烈 搅拌时获得的细小枝晶碎片逐渐长大， 并转化为球状结构， 从而为触变成形创造有利条件。 ② 二次加热的工艺 根据合金成分和触变成形工艺的不同，重熔的程度也不同。其中一种工艺是重熔到液 相体积百分比占 35％～50％，形态类似“黄油” ；另一种工艺是重熔到液相体积百分比占 50％～60％，形态类似“粥” 。 通常，在触变成形前，要保证重熔坯料有足够的强度，以便机械手能将它夹持到成形 模具上。因此，前一种工艺应用较为广泛，其原因是这种工艺的局部重熔坯料可以象固体35一样被搬运，简化了送料系统。在保证重熔坯料有足够强度的同时，又要保证坯料有足够 的流动性，在成形时能将整个模腔充满，即固液混合物在触变成形时表现出良好的触变流 动性。而同时满足上述要求的温度区间非常窄，这就要求在对坯料进行局部重熔时要严格 控制加热温度和坯料各部分温度的均匀性。 由于半固态锭坯在局部重熔过程中会发生液体流失的现象，如在重力的作用下，液相 逐渐流向坯料的底部，因而不宜长时间地进行加热重熔，所以加热温度必须严格遵守特有 的温度时间曲线。 目前，半固态金属加热普遍采用感应加热，它可以根据需要快速调整加热参数以满足 不同的工艺要求，同时，该方法能耗也相对较低。Buhler 公司设计的半固态成形高速加热 系统的能耗约为 lkW／kg?h。由于半固态铸坯存在成分微观偏析，在局部重熔过程中初 生相周围的低熔点基体首先熔化，根据成形工艺的不同，重熔的程度也各异。 典型的半固态成形工艺采用圆盘回转感应加热系统加热坯料。圆盘加热器由若干个独 立的筒形感应线圈组成。当圆盘转换位置时，坯料在陶瓷垫架上从一个线圈转移到另一个 线圈，逐步提高温度。以加热铝合金 A356／357 坯料为例，第一组线圈将坯料迅速加热到 530℃，坯料仍是固体。第二组线圈加热速度很慢，其目的是使坯料温度、固相成分含量 在坯料内部均匀分布。当坯料从圆盘移至铸造机时，铝合金 A356／357 坯料的温度通常为 580℃，液相含量为 40%~50%。 坯料加热所用时间与它们的直径有直接关系。有关资料和内部数据表明加热时间可用 下面的关系式来表示：t?式中 t―时间，min D―加热坯料的直径，mm1 D 2 (1 ? 0.2) 645 .16③ 二次加热的装置 下面介绍一种在工业生产中应用的 二次加热装置。局部重熔加热设备一般 都由若干个独立的筒形感应加热设备组 成，图 2-40 是 EFU 公司的一台半固态 金属坯锭的加热设备外观照片。它由四 个加热线圈和一个转台组成，与一台 5.8MN 的模压机配套。每个加热线圈相 互独立，每个加热线圈的功率都是 2~50kW 可调。加热设备的总功率为 200kW。因此，加热器的调节范围很广， 能满足加热功率变化范围大的需求。该 设备的四个线圈可同时加热四个坯锭， 图 2-40 EFU 公司的半固态金属坯锭的加热设备 坯锭从室温加热到额定温度是在一个感36应加热器中完成，这也增加了加热过程的可靠性以及缩短了循环时间。加热坯锭最大直径 可达 100mm，坯锭最大高度可达 250mm。加热电流的频率可调，为 300~500Hz。如连续 加热直径为 76.2（3in） ，长度为 180mm 的 AlSi7Mg 坯锭，其加热速率为 25 个锭/h，功率 为 110kW。 (3) 触变成形 ① 引言 触变成形是半固态成形工艺的最后一道工序，它直接决定了成形零件的质量。前面所 做的一切工作都是为了保证这一道工序的成功进行。 目前，在工业上较为广泛应用的触变成形方法与“压力铸造”或“模锻成形”相类似， 或者说更类似于二者的混合体，其工步示意图如图 8―1 所示。一般来说，部分重熔后的 合金坯料在进入模腔之前，首先要通过一个“环状门” ，它的作用是将加热过程中形成的 氧化皮去除，另一个重要的作用是初始化半固态合金的触变流动。随后，实际的成形过程 才真正开始。在整个成形过程中，要将压力一直保持到合金完全凝固为止。 ② 触变成形工艺 a．触变成形的特点 进入模腔的半固态合金坯料只有部分低熔点的基体部分被熔化，而初生相微粒并没有 熔化。在触变成形过程中以及成形后，初生相微粒不会经历加热后的凝固过程，即凝固过 程仅仅只局限在初生相微粒之间 5～30μ m 厚的一薄层被熔化的基体上，这样就阻止了诸 如性能不均匀、缩孔和宏观气体凝聚现象的发生。 由于部分重熔的半固态合金坯料具有触变性， 只要对它作用一定的变形力(通常很小)， 它就会象液体一样在模腔中流动，能将形状很复杂的模腔充满。但是需要指出的是，半固 态金属的流动方式与压力铸造中金属液的流动方式完全不同，后者的流动是以紊流方式进 行的，而前者的流动是以层流方式进行的，其优点是层流方式的流动可以避免卷入气体。 b. 影响触变成形的因素 影响触变成形零件质量的因素很多，包括成形温度、时间、压力、应变速率、应变量、 表观粘度、初生相颗粒的形态、固液比、相转变点等。由于半固态金属在成形过程中的流 动行为主要受成形工艺参数的影响，而且整个控制过程具有高度的动态性和很强的非线 性，所以整个成形系统(包括送料系统)要有很高的自动化程度，要有精确调整工艺参数的 能力。例如，根据坯料尺寸、温度的不同，以及零件的复杂程度的不同，触变成形过程应 该在确定的应变速率和变形力下进行。目前，已有的成形系统还不能完全满足这种要求。 尽管国外已有厂家将半固态成型技术应用于工业化生产，但广泛将触变成形技术应用在大 规模商业生产中，还需要进一步研究开发新的成形技术和生产系统。 c．触变成形的典型工艺 大多数半固态成形装置是选用水平、不需预热模腔的结构，这与卧式压铸机的结构 近似。 加热至半固态的坯料送人注射套筒内后， 冲头向前运动， 将半固态合金压入模腔内。 半固态合金充模过程必须平稳，从而可使模腔内的空气从模腔末端的排气孔排出，而不会 与金属混合形成气孔。在零件凝固过程中，让冲头保压，半固态金属在压力的作用下，不37断压人模腔内，以补偿零件凝固产生的缩孔。零件完全凝固后，冲头先退出，然后开模， 半固态成形件被顶出。 ㈠ 水平式触变成形工艺图 2―41 是 TheDowChemicalCo． 用于镁合金的水平式半固态 成形设备结构图。这种成形工艺类似于塑料的注射成形法，它是一种将粉末或块状金属通 过料斗送入高温螺旋混合机加热到半熔化状态后，以混料螺旋为活塞，通过喷嘴高速射人 压铸模具内，经充填凝固得到制品的方法。该设备的特点是将流变铸造和触变成形在一个 装置完成。它是将固体坯料仅加热到部分熔化的情况下进行加工成型。这种反应性强的合 金在并不在完全变成液体的情况下成形，减少了熔融金属的装卸及准备的麻烦，其制品质 量提高， 工作环境得到明显改善。 采用该工艺生产的镁合金具有翘曲小、 气孔率低的特点， 在盐水中表现出极好的抗腐蚀能力，同时减少了模具的热疲劳，提高了模具寿命。图 2-41 水平半固态金属成形设备的结构图 1－旋转驱动装置；2－料斗；3－镁粉；4－供料口；5－产品；6－入口；7－喷口；8－加热器； 9－剪切螺旋；10－高速压模装置；11－模具这台 300t 的镁合金流变铸造装置由模具、剪切螺旋、镁粉加热器、高速压模装置、旋 转驱动系统、加热器等组成。在加热区中，加热器和剪切螺旋共同作用，剪切被加热的镁 合金使得由颗粒变成含固相 60％以上的半固态。 系统通过温控装置使加热器内温度控制在 582℃土 2℃，合金处于氩气气氛中，使氧化现象得以抑制。当螺旋的前端有了足够的半固 态浆料时，高速压模装置推动剪切螺旋前进，把镁合金半固态浆料压人模腔。剪切螺旋的 平均速度通常为 380cm／s。 该装置具有以下几个特点：(1)加热系统经过特殊设计，能够克服剪切螺旋往复运动所 引起的进料筒末端 200℃温度的波动，保持前端的温度波动不超过土 2℃；(2)改进了加热 圆筒和剪切刀螺旋的材料，使其具有足够高的高温强度，同时又有很高的硬度，使剪切螺 旋不会磨坏或碰伤筒壁；(3)高速压模装置可以使女量的合金达到很高的注射速度，并能在 百万分之一秒内停下来。 ㈡ 立式触变成形工艺 图 2-42 所示是一种立式半固态金属成形设备。它的主要结构包括下横梁 l、上横梁 2、 液压顶出装置 3、感应加热圈 4、圆柱冲头 5。38图 2-43 所示为成形工步的顺序示意 图。图 2-43a 是上模抬高，坯料放加热圈 内加热。图 2-43b 是上模下降，上下模合 模， 模具运动到最终定位处， 加热预备进 行触变成形半固态坯料。图 2-43c 是保持 上下模合模， 圆柱冲头上顶， 半固态坯料 通过环状门后， 挤入模具型腔成形， 并保 持压力。图 2-43d 是上下模打开，圆柱冲 头下撤， 液压顶出装置工作， 顶出成型件。 图 2-42 半固态金属成形系统垂直结构图图 2-43 半固态金属成形工步顺序示意图2.2.1.4 半固态金属加工技术的现状与发展趋势 (1) 引言 人们很早就在压铸中采用固液区间温度压铸工艺来生产厚壁件，但没有从理论上作深 入的研究。在 20 世纪 70 年代初，D．B．Spencer 在测量 Sn―15％Pb 合金的高温粘度时， 发现了金属的半固态力学行为，并立即引起重视，开始了广泛的研究，并较完善地提出了 半固态铸造(PartialySolidfieldCasting)这一新的加工工艺。到 20 世纪 70 年代末，人们对流 变机理的研究开拓了金属流变学这一全新的学科，从而使半固态金属加工技术进入了新的 阶段，并且其相应工艺和装备的开发使这项技术进入生产实用阶段。 (2) 国内外发展概况 近年来，半固态金属加工技术的工业应用已取得很大进展。世界上有许多国家都已开 始了半固态金属加工技术的研究和应用开发，目前，美国、意大利、瑞土、法国、英国、 日本等国家处于领先地位，并已进入工业应用阶段。 在美国， AEMP(AlumaxEngineeredMetalProcess)公司率先将此技术转化为生产力。 1978 年，该公司使用电磁搅拌技术生产出供触变成形用的圆锭，随后建成了世界上第一条高容39量和高度自动化的触变成形生产线，用于生产铝合金汽车零件，并且拥有相关专利 60 多 项。从 1988 年开始，AEMP 公司为 Bendix 牌小轿车生产了 250 万件铝合金主制动缸，为 Ford 汽车公司生产 J1500 万件铝合金压缩机活塞，其成品率几乎为 100％。1992 年 AEMP 公司与 Superior 工业公司合资在美国阿肯色州 Ben―tonville 新建了一个工厂， 把触变成形 工艺应用十汽车零件生产上，利用 114.3～152.4mm(4.5～6in)的棒料生产大尺寸零件。该 厂拥有 24 台压机，1997 年生产能力达到 2.27?107kg／a，生产零件达 2.5?107 件／a。 Thixoma 公司则使用半固态喷射成形专利技术生产镁铝合金零件。ITT 公司用半固态 加工技术进行黄铜电接插件的生产。目前，Alumax 铝业公司的 MtHolly 铝厂与 Intalco 铝 厂已经大批量生产出直径为 76.2mm 和 152.4mm 的铸棒。1985 年，Alumax 铝业公司将有 关触变成形的专利技术向欧洲转让， 以生产 Volvo、 BMW 和 Audi 等小轿车的铝合金零件。 在欧洲，意大利是半固态加工技术商业化应用最早的国家之一。Stampal 公司是一个 从事铝合金触变成形的欧洲厂商，能够生产直径为 90 一 110mm，长度可达 4000mm 的锭 坯， 它也采用该技术为 Ford 汽车公司生产 Zeta 发动机油料注射挡块， 生产率为 160 件／h。 此外， 还用于生产齿轮箱盖与摇臂等零件。 Weber 公司从 1993 年开始用半固态技术为 Nuova Lancia Delta 公司生产油料注射挡块。瑞士 Alusuisse 公司和几个欧洲汽车制造商合作开发 生产汽车零件， 年开始全面投产，产品主要是汽车悬挂系统，譬如，控制臂和 操纵转向节，并已成为其中两个汽车制造厂的供应商。另外，Buhler 公司于 1993 年初设 计制造的第一台适用于半固态金属压铸的 SC 卧式压铸机，该设备配有压射的实时液压控 制及新型的型腔传感系统来检测和确保工艺的稳定性， 典型的产品是汽车主制动缸。 同时， 德国的 EFU、法国的 PechineySA 公司、意大利的 Fata 等国际著名公司也已采用了半固态 金属加工技术。 日本于 20 世纪 80 年代后期成立了一家由 18 个成员组成的 Rheotech 公司，随后对半 固态金属加工技术进行了系统研究，同时加强与欧美著名大学和公司的联系。其公司成员 包括：三菱重工、神户制钢、川崎制铁、古河电器等 14 家钢铁企业和 4 家有色金属公司。 在 1988 年 3 月至 1994 年 6 月期间共投资 30 亿日圆进行研究开发，并准备向工业应用转 化。 我国从 20 世纪 80 年代后期开始， 先后有不少高校和科研机构也开展了这方面的研究， 譬如，北京科技大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京有色金属研究总院等单位从事半 固态金属加工技术的科研工作，并且自行设计了不同类型的实验设备，在半固态金属加工 技术的基础理论研究中，取得了可喜进步。特别值得一提的是，北京有色金属研究总院利 用电磁搅拌设备已能够连续生产出直径为φ 80mm 的铝合金半固态铸坯，目前正在进一步 工业试验。 (3) 半固态金属加工件的现状 半固态金属加工技术主要应用于汽车零件制造方面，另外，在军事、航空、电子以及 消费晶等方面也进行了产品开发，主要是铝镁合金的半固态压铸、模锻及注射成形。 利用半固态金属加工方法能够生产形状复杂的零部件，像汽车用刹车制动缸体和铝合 金轮毂、空调设备部件、转向与传动系统零件、活塞、机器人的手臂，以及航空航天上使 用的电子器件的连接部件等。这种半固态锻造铸件包括许多键销和定位装置，它们的公差40精度接近机械加工精度。因此，节省原材料与较高的生产率等特点使得半固态金属加工成 为一种经济实惠的加工方法。譬如，美国 Alumax 公司在田纳西州 Jackson 拥有一个完全 采用触变成形工艺为汽车工业服务的工厂。该工厂生产出的棒料直径可达 150mm(6in)。此 外该公司还在美国威斯康辛 Lindberg 触变成形发展中心采用特制设备对镁合金进行半固 态铸造，已生产出镁合金赛车离合器片、汽车传动零件等。 半固态金属铝合金件与普通铸件相比，具有组织细小、内部疏松少、尺寸精度高、表 面质量高和性能好等特点， 同时因减少或无切削加工， 从而降低了零件的制造成本。 譬如， 汽车制动缸体通常用铸铁制造，而汽车轻量化趋向于金属模铸造工艺，在应用半固态加工 技术后，与前面两种工艺相比，不但提高了生产自动化程度，而且易于实现近终形制造。 表 2―2 是采用半固态金属成形生产的电子连接件与其他方法的比较。 表 2―2 一种电子连接件的质量大小和生产率加工过程 半固态加工 机械加工 铝合金牌号 2-T9 原材料质量 /g 25 120 成品质量 /g 23 23 机加工损耗 /% 8 81 生产效率/ 件?h-1 300 200从表 10―1 中可以看出，对于采用半固态金属加工工艺，虽然电磁搅拌生产铸锭提高 了成本，而且要增加专门设备加热锭坯到半固态，但是由于材料的消耗量比原有工艺大大 降低，并且减少机加工量，因而可以弥补铸锭成本的提高。另外，半固态生产效率的大幅 度提高也足以补偿设备费用的增加。因此，半固态加工技术不仅在减少机加工和提高产品 方面具有优越性，在经济性方面也具有相当的市场竞争力。 半固态模锻铝合金汽车轮毂的质量大小， 随着种类不同比相应的压铸轮毂要轻 10％～ 30％。Thixomat 公司 1994 年 7 月采用触变成形设备进行铝合金齿轮箱的生产，迄今已生 产出 50 多万件。该设备采用热室压铸工艺，每件生产时间为 28s，日产 6000 件。对整个 生产过程监测表明，每件的平均质量偏差为 0.5％，孔的精度为 0.02，在嵌入钢衬套之前， 只需对孔内表面抛光处理即可。 (4) 半固态金属加工技术发展趋势 半固态金属加工技术在 20 多年的研究中，着重探索了剪切速率、流变铸造温度、冷 却速度等外部因素变化时，对半固态非枝晶的组织形态，即半固态粘度、固相体积分数、 固态颗粒尺寸、形态以及固态颗粒的聚集程度等的影响规律，从而为半固态金属加工工业 化应用奠定了基础。但是，仍有许多有关变形机理或者材料的流变性能并不完全清楚，虽 然结构形成与流变特性的描述似乎适合于观测结果，但是对于大部分材料所得结果仅仅是 定性的。另外，到目前为止，对半固态合金流变行为的研究大都是在稳定状态下获得的， 即半固态金属在稳定搅拌几十分钟或几小时后测量和计算其粘度的。可在实际触变成形的 过程中一般只有几十秒钟，然而具有触变特性的非枝晶半固态组织对时间具有强烈的依 赖性，因而对于半固态金属的动态组织性能还有必要更深入的研究。 为了深入开展半固态金属加工技术的研究，并促使该项技术向产业化、商品化转化。 作者认为，目前半固态金属加工技术在以下几个方面是值得探讨和研究的。41① 着重分析半固态浆料中非树枝状组织的形成规律，进一步研究半固态金属加工技 术的微观机理，尤其是符合实际成形过程的动态组织性能研究。 ② 半固态金属的流变特性与微观结构和加工过程有关。应进一步精确认识和描述半 固态金属浆料的结构和特性，以对浆料进行设计，使其与加工过程相适应。 ③ 由于二次加热后，半固态合金具有固相存在，合金含有低的结晶潜热，因此浆料 的凝固速度较大。 因而其半固加工的模具设计和表面处理方式与普通铸锻工艺不同,应深入 研究。 ④ 为了进一步细化半固态加工件的微观组织, 要求更有效地控制半固态金属中的固 相组分的原始尺寸和数量。 ⑤ 研究半固态金属加工过程中的计算机应用和自动化控制确保工艺可靠性，并进行 半固态金属加工技术的数值模拟研究,为优化成形工艺提供依据。 ⑥ 开发连续制备铝镁合金及其它合金系列的半固态金属铸坯的自动化生产线及制备 金属基复合材料的生产工艺。 目前，世界各国都有许多大学与公司的研究机构都在从事半固态金属加工技术的研究 工作，并取得了很多有益的经验，从而为这项技术的发展奠定了基础。有关合金和复合材 料的半固态加工国际学术会议迄今已经举行了五届。 分别在法国 SophiaAntipolis(1990 年 4 月)、美国 MIT (1992 年 6 月)、日本 Tokyo(1994 年 9 月)、英国 Shiffield(1996 年 6 月)和美 国 Colorado(1998 年 6 月)。 2000 年 9 月又将在意大利举行第六届合金和复合材料的半固态 金属加工国际学术会议。这表明，这项技术的研究工作在世界范围内倍受重视，并不断地 取得新成果，也标志着它在全球范围内日趋成熟。422.2.2 近终形成形加工2.2.2.1 概述 近终形连铸是一项高新技术，目前已趋于成熟，走向工业化。它的实质是在保证成品 钢材质量的前提下， 尽量缩小铸坯的断面来取代压力加工。 近终形连铸通常可分为三大类： 薄板坯连铸、薄带连铸和喷雾成形。本届主要介绍薄板坯连铸连轧工艺。与普通连铸工艺 相比，薄板坯连铸连轧具有如下特点： (1) 工艺简化，设备减少，生产线短。薄板坯连铸连轧省去了粗轧和部分精轧机架， 生产线一般仅 200 余米，降低了单位基建造价，缩短了施工日期，可较快地投产并发挥投 资效益。 (2) 生产周期短。从冶炼钢水至热轧板卷输出，仅需 1.5h，从而节约流动资金，降低 生产成本，企业可很快取得较好的经济效益。 (3) 节约能源，提高成材率。由于实现了连铸连轧，薄板坯连铸连轧可直接节能 66kg ／t、间接节能 145kg/t，成材率约提高 11％～13％。 近终形连铸技术中的薄板坯连铸连轧工艺自 1989 年在美国纽柯厂和 1992 年在意大利 阿维迪厂投产以来，引起了全世界冶金界的重视。面对当今世界能源紧缺和市场对难于塑 性加工的板带产品需求的增加，近终形连铸显示出它的明显优势，在今后十年内将对传统 的钢铁企业造成大的冲击。到 2010 年全球有可能建成 75 个薄板坯连铸连轧工厂，总生产 能力可达 1.9 亿 t，即全球 50％左右的热轧板卷将由薄板坯连铸连轧技术来生产。 近终形成形技术的出现和高速发展基于近代冶金学的研究成果，其中，金属凝固理论 的深入研究、钢水炉外精炼机理、功能及各种精炼装置的问世和纯净钢生产技术、压力加 工的进步等是推动近终形连铸技术加速开发、完善的根本，而能源危机的冲击、市场需求 的扩大则是企业普遍看好它的外因。近终形连铸技术的前景是光明的。 2.2.2.2 近终形薄板坯连铸连轧工艺 (1) 薄板坯连铸连轧工艺特点 薄板坯连铸连轧工艺有如下几个特点： ① 通过一系列有别于传统板坯连铸机的工艺装备，将铸出的板坯厚度减薄到某一合 理临界区间，以致可以省去传统热轧板带轧机组中的粗轧机架，而只通过 4 架以上精轧机 架轧成薄热轧带卷。 ② 通过一系列精确的工艺控制，使生产过程中各工序点的温度控制在某一合理范围 内，且只允许连铸机和连轧机之间予以较小的热量补充，从而在充分节能的条件下实现长 时间的连铸连轧工艺运作，达到能量的充分利用。 ③ 通过一系列调控措施，使生产过程中物流维持在一个合理范围内，使之在保持一 定流量前提下，工艺流程控制为一个合理的时间节奏；既不因铸速过快而出现故障，也不 因拉速过慢而出现物流传送的过多停顿。 ④ 通过一系列的技术措施，使从钢液进入结晶器至热轧卷曲完毕的时间节奏缩短到 30～15min 左右。43⑤ 整个工艺流程是由炼钢炉（电炉或转炉）―炉外精炼装置―薄板坯连铸机―物流 的时间节奏与温度衔接装置―热连轧机组等五个单元工序组成，将原来意义上的炼钢厂和 热轧厂紧凑的压缩，有效地组合在一起。 (2) 典型工艺 典型的近终形薄板坯连铸连轧工艺包括 CSP 工艺、 工艺、 ISP FTSRQ 工艺、 CONTROLL 工艺、TSP 工艺、CPR 工艺和 Sumitomo 工艺等，下面简要介绍一下 CSP 工艺。 CSP 工艺(CompactStripProduction)是由施勒曼―西马克公司开发出的，也可称为紧凑 式热带生产工艺。西马克公司先在德国布什(Buschü etten)钢厂的立弯式连铸机上做了一些 改进，成功地在传统连铸机上浇出 50mm 厚的薄板坯来，随后在美国纽柯公司的克拉福兹 维莱厂、黑克曼厂、戈拉庭厂、韩国的韩宝厂、墨西哥的希尔沙厂、西班牙的比斯卡亚厂， 建成工业化的生产线，取得了很大成功。新的合同订单还包括了印度、马来西亚、中国、 德国等的多条生产线。 CSP 工艺具有流程短、生产简便且稳定，产品质量好、成本低，有很强的市场竞争力 等一系列突出特点。 CSP 工艺生产流程一般均为电炉(AC 或 DC)一钢包精炼炉一薄板坯连铸机一均热(保 温)一热连轧机一层流冷却一地下卷取。CSP 技术的基本原理见图 2―11。薄板坯从连铸机 拉出，厚 50mm，经剪切长度为 160m，使用用天然气的均热炉加热保温，薄板坯经由高压 水除鳞后，通过 4～6 架精轧机轧成 1～2．5mm 热轧带卷，冷却后成卷，卷重约 20t。从 钢水的冶炼到成品离线， 仅需 1． 热轧带卷的质量不断提高， 5h。 已从 1990 年次品率的 8％ 降至 4％，预计 1996 年可继续降为 2％。热轧带卷的成本为 50~60 美元八，大大低于传统 生产线的成本，向生产板材的大厂显示了强大竞争力。图 2－103 CSP 技术的基本原理1－结晶器 2－剪切机 3－加热炉 4－精轧机组 5－卷曲机 6－层流冷却2.2.2.3 近终形连铸连轧工艺的关键技术 (1) 结晶器的形状 薄板坯连铸机的出现并顺利实现工业化生产，是薄板坯连铸连轧工艺成功的突破口， 而其结晶器的设计则是其中关键技术。纵观当今各种薄板坯连铸连轧工艺，尽管结晶器形 状在早期差别颇大，但发展到今天，却出现了一种趋向，即逐渐接近，表现在上口面积的 加大，目的均是利于浸入式水口的插入及保护渣的熔化，以改善铸坯表面质量。 图 2―104 示出了四种类型结晶器的形状。图 2―104a 是德马克公司 ISP 工艺的第一 代结晶器，立弯式，上部是垂直段，下部是弧形段，侧板可调，上口断面是矩形，尺寸为44abc 图 2－104 四种类型的薄板坯连铸结晶器d45a－力弯式结晶器b－漏斗形结晶器c－凸透镜型结晶器 d－平板形结晶器(60～80)mm?(650～1330)mm。但这种形状的结晶器只能使用薄片形浸入式水口，即使这 种特殊形状的长水口很薄， 插入结晶器内与器壁也只能保持 l0~15mm 的间隙， 造成水口插 入处宽面侧保护渣熔化不好，且很难获得恒定的能控制的保护渣层，影响了薄板坯的表面 质量。为此，阿维迪厂在 1993 年后开始改进结晶器，由原平行板型改为小漏斗型(又称小 橄榄球型)，即结晶器上口宽边最大厚度为 60+(10?2)mm，这种形状一直保持到结晶器下 口仍有(1.5?2)mm 的小鼓肚，改善了保护渣层的状况，薄板坯表面质量也有了很大改进。 图 2―104b 是西马克公司 CSP 工艺所用的漏斗型结晶器， 上口宽边两侧均有一段平行 段，然后和一圆弧相连接，上口断面较大。这个漏斗形状在结晶器内保持到 700mm，结晶 器出口处铸坯厚度为 50~70mm。结晶器总长为 1120mm。上口的漏斗形状满足了长水口插 入、保护渣熔化和薄板铸坯厚度的要求，经在多条生产线上使用，均收到较好的效果。但 这种结晶器内钢液注入后凝固时要产生变形，而理想的结晶器形状是应尽量减小坯壳内两 相区的弯曲变形率，于是设计这种漏斗的形状以及从漏斗向平行段过渡区的形状，选取最 佳弯曲半径，是很关键的技术。 图 2―104c 是丹涅利公司 FTSRQ 工艺开发出的全鼓肚型(又称凸透镜型)结晶器。 这种 全鼓肚型结晶器的主要特点是其鼓肚形状贯穿整个铜板自上至下，并一直延续到扇形 I 段 中部。结晶器出口处为将铸坯鼓肚形状辗平而特别设计了一组带孔型的辊子，对铸坯鼓肚 进行矫平的设备长度比仅用铸机结晶器时长了两倍，也就是说这与仅用结晶器来矫平坯壳 的鼓肚相比，坯壳上所受的应力大大降低了。这种形状的结晶器另一个好处是内部容积更 大，可以通入更大的钢水流量和有更好的钢水自然减速效应。此外，结晶器上部尺寸加大 可使水口有更好的设计尺寸，保证结晶器内液面稳定。 (2) 浸入式水口 基于结晶器的形状不同，各种类型工艺所采用的浸入式水口也不同。46图 2―105 示出了 CSP 工艺漏斗型结晶器使用的浸入式水口形状及其在结晶器内的位 置。浸入式水口和结晶器是一整体，漏斗型结晶器的上口开口度保证了长水口有足够的伸 入空间，为使用厚壁长水口提供了有利条件。长水口外部形状决定了钢水在结晶器内上部a b 图 2－105 CSP 工艺的侵入式水口形状及长水口在结晶器内的位置a－侵入式水口示意图 b－长水口在漏斗形和平板形结晶器中的位置流动通道；而内部形状，特别是出口形状则决定了钢水流态和注入时的动能分布。CSP 工 艺所用的长水口历经改进已由传统板坯连铸机使用的第一代演进到现在使用的十字出口 状第四代。这种大十字状出口可增加钢水流量，稳定拉速，对拉速高的情况更能显示优越 性，其寿命可达 11～12 炉。 采用平行板结晶器的薄板坯连铸技术只能使用薄片形的浸入式水口，CONROLL 和 ISP 两工艺所用水口即属于此类。CONROLL 工艺所用的浸入式长水口从薄片的两侧壁开 孔出钢。ISP 工艺的薄片形长水口则从下口出钢，下口总厚度仅 30~35mm，其中水口通道 厚度是 l0～15mm、水口壁厚 l0mm。薄片形的水口外形宽度为 250mm。薄片形水口的缺 点是寿命仍较低，这也就迫使 ISP 工艺对其平行板型结晶器的上口宽边加大了厚度，且逐 渐变大为现在使用的 60+(2?25)mm，成为橄榄状，虽然仍使用薄片形长水口，但壁厚已 增至 20mm，且出钢孔从侧壁出钢改为底部出钢，寿命明显提高。 各类型长水口材质均趋于 Al203－C 或 A1203―ZrO2―C 质的耐火材料， 经等静压成形。 随着材质的改进，长水口已向薄壁化发展，这样在寿命提高的同时，还扩大丁长水口与结47晶器器壁的间隙，有利保护渣熔化，相应耐火材料的消耗也有所下降。 (3) 保护渣 薄板坯连铸机因其高的拉坯速度(一般 4.5~5m／min，最高可达 7~8m／min)，决定了 其所用的保护渣的性质颇为重要，再加上结晶器上口空间的限制，在结晶器内保持良好的 保护渣层是很难做到的。为此，一般连铸机上常用的混合型和预熔型颗粒渣已不合适，必 须改用熔点、粘度更低及流动性更好的渣系。薄板坯连铸机所用的保护渣是中空颗粒状， 加入后可在结晶器器壁与铸坯坯壳间迅速地形成稳定可控的渣膜，起到良好的润滑和吸附图 2－106 液芯压下原理 作用。因指出，浇注不同钢种必须换配不同类型的保护渣，每个工厂都应有适合自己的渣 系。 (4) 铸轧技术 铸轧技术的内涵包括液芯轻压下和液－固相的轧制两方面。 所谓液芯压下 （liquid core reduction）是在铸坯出结晶器下口后，对其坯壳施加挤压，液芯仍保留在其中，经二冷扇 形段，液芯不断收缩直至薄板全部凝固，其原理图见图 2-106。 德马克公司在 ISP 工艺上首先采用了带液芯铸轧合不带液芯的液－固两相的铸轧技 术，在意大利阿维迪生产线上使用很成功，经过两步减博的轧制，铸坯由出结晶器下口的 60mm 变为 22mm，液芯压下端变形量不超过 20%，进入固相铸轧段的三组粗轧机可把坯 厚减薄 60%。经几年生产验证，液芯铸轧对细化晶粒效果明显。可获得良好的韧性；而固 相轧制为薄板坯连铸机直接生产一般终板提供了条件。此外，用铸轧方法减薄铸坯厚度也 可减少精轧机架数，缩短连铸机和连轧机之间的距离以及加热装置的长度。带液芯或不带 液芯的铸轧技术的采用，为提高铸坯质量、进一步降低能耗做出了贡献。该项技术已相当 成熟，也是薄板坯连铸今后生产板带产品必用的工艺。采用带液芯的铸轧技术必须根据浇 铸时拉坯速度、钢种、结晶器冷却、二次冷却强度、钢水过热度、实际浇铸时间等一系列48工艺参数来计算凝固断面的形状、坯壳厚度、液芯率等，从而决定变形率并随之自动调整 扇形段辊间距来实施轻压下。 (5) 拉坯速度 薄板坯连铸的特点之一就是很高的拉坯速度，即使 v 拉达到 5m／min，60mm 厚的薄 板坯连铸机产量也只有 300mm 传统板坯连铸机以 1～2m／min 拉速操作时产量的 1／2。 为此，薄板坯连铸连轧生产线有两个发展倾向，一是增加薄板坯厚度，如丹涅利公司生产 以 60 一 70mm 为主，而奥钢联的 CONROLL 更主张生产中板；另一发展倾向就是继续提 高拉坯速度，从已投产的多条生产线来看，阿维迪厂的拉坯速度 v 拉=4.5～5.5m／min、美 国纽柯 I 厂(克拉福兹维莱) v 拉＝4.0～5.0m／rain、纽柯 I 厂(黑克曼) v 拉＝5―5.5m／min、 墨西哥的希尔沙厂 v 拉＝5.5m／min、戈拉庭厂 v 拉＝5.5m／min，丹涅利公司提供的铸机拉 速也是 5m／min，奥钢联铸机拉速则是 3～5m／min。由此可见拉速均没有超过 6m／min 的实绩。 (6) 冷却制度 薄板坯连铸的二冷冷却制度各种工艺采用的方式不同，但最终都需达到获取良好的铸 坯质量这一共同目标。冷却方式有喷水冷却、气―水混合、于式冷却(空冷)三种。传统的 喷水冷却用在高速薄板坯连铸二冷段，必须根据铸速高这一特点来选择冷却水量和水速以 及喷嘴布置方式，再根据钢种来定冷却曲线类型，从中找出合适的冷却曲线，按此曲线控 制二冷，现 CSP 工艺仍沿用这种方法。而气―水混合冷却有很好的冷却效果和均匀程度， ISP、FTSRQ 和 CONROLI。工艺均采用它来冷却铸坯，可根据薄板坯的宽度、厚度、铸 速等来控制水流速度，改变压缩空气和水的压力以及气水比，达到有效地调节水流量的目 的。一般采用气―水冷却方法沿铸坯拉坯方向和宽度方向均按不同冷却强度要求进行自动 控制，这就更有利于二冷制度的合理和优化。 ISP 工艺也有采用干式冷却的报道，在二冷区内不喷水，铸坯的冷却是借助导辊来间 接冷却，而导辊中心均是通水的，系螺旋焊辊，冷却水从辊身与辊套之间流过，铸坯依靠 它来冷却只能是弱冷，冷却速率低却能使铸坯表面得到均匀冷却，对极为关键的薄板坯表 面质量的改善极有好处，特别适于浇铸裂纹敏感性强的钢种，也适于薄板坯连铸连轧这种 铸坯直轧的工艺。 (7) 加热方式 薄板坯连铸连轧工艺中除 ISP 工艺外，其他工艺均沿袭均热炉的加热方式，均热炉一 般长 160 一 200m，炉内布置的辊子系耐热材质，内芯冷却，均热炉由天然气加热，保温 效果好。如薄板铸坯温度入炉前达 1100C，就不需加热，仅在拉速较慢时，才通过没置在 均热炉子上部的烧嘴加热。均热炉内各段温差很小，通过多个测量点由计算机来控制炉内 温度的均衡。无论是辊底式还是其他类型的均热炉都需尽量减少自身的热量损失和尽量提 高使用寿命。对两条生产线共用一组精轧机的流程，均热炉可做成平移式和摆动式，大大 方便了铸坯的加热和运输。ISP 工艺采用的是感应加热和克日莫那炉，感应区仅 18m，后 接克日莫那炉，既可保温、加热(有天然气烧嘴)，又可卷取，大大缩短了生产线长度，且 操作灵活。感应加热没有污染，但此种方式设备较复杂，易出现故障，维修困难，在使用 中还有能量(煤一电一加热)的二次消耗问题。尽管如此，感应加热仍不失为是一种新颖的49设计思想。 (8) 精轧机组 从投资额来分析，薄板坯连铸连轧生产线中连铸机部分占 30％，轧机部分则占 70％。 现有的各种类型的热精轧机组有 4 机架、5 机架、6 机架乃至 7 机架(美国阿克梅钢公司)， 其生产能力均可达 135 万一 200 万 t／a，大大超过薄板坯连铸机单流生产能力。目前热精 轧机组均配有轧辊轴向移动、板形平整度、厚度在线调控、轧辊表面热凸度控制等装置， 轧制 1.0mm 甚至更薄的热轧带卷已不成问题， 关键的问题是如何发挥出投资比例如此大的 轧机能力。就其经济效益来讲，薄板坯连铸应配置两流才能与一套热连轧机组匹配，同时 薄板坯连铸机的拉速也应最大限度地提高，薄板坯连铸连轧的高温、高速、连续生产的衔 接技术仍有待继续开发。 (9) 薄板坯连铸机与连轧纪间的匹配 现投产的薄板坯连铸连轧生产线都采用热连轧机组， 如生产的带卷厚度是 2mm、 平均 宽度是 1350mm 时，最高年产量可达 280 万 t，而薄板坯连铸机按其拉速 5．2m／min 计， 最佳达到每流年产 100 万一 120 万 t 也是可能的。 由此可见， 流连铸机对 l 台热连轧机从 1 能力匹配看也是不合理的，2 薄板坯连铸机对 1 套热连轧板带轧机是比较合适的。于是就 产生了采用什么方式使 2 流连铸机与热连机组达到有效的连接和最合理的匹配问题。 现有的连接方案中，ISP 工艺流程系统是将铸坯减薄至 20mm 以下，卷成钢卷。ISP 是在克日莫那炉内加热贮存， 当轧机出现短期故障， 克日莫那炉可进行 10～15min 的缓冲， 一旦出现大故障，连铸机只能停浇。其他几种工艺 CSP、CONROLL，FTSRQ 等均是将铸 坯切成块，在加热炉内将 4～6 块铸坯贮存，有较长的缓冲时间，加热炉有隧道式和辊底 式、步进梁式几种。2.2.3 高能成形加工2.2.3.1 概述 高能成形加工是金属塑性加工中的特殊方法，它的成形原理、所用设备及模具等，均 与常规的金属塑性加工工艺不同。 高能成形是爆炸成形、电液成形、和电磁成形等多种方法的总称，又称为高速成形、 高速率成形、高能率成形、高能高速成形等，它是利用炸药或电装置在极短的时间内释放 出来的高能量（化学能或电能） ，通过介质使金属在极高的变形速度下成形的特种加工方 法。 高能成形法的特性对比见表 2-3。高能成形加工特征及其应用范围见表 2-4。 表 2-3 高能成形法的特征对比特性 成形方法 爆炸成形 压力波速度 /（m?s-1）
压力波时间/s 10-6 压力/Mpa 6?103 功率/KW 10550电液成形 电磁成形―600010-6 10-6103 300―500104 104―105表 2-4 高能成形加工特征及其应用范围成形 能 源 形 方法 式 爆 井炸 炸 下药 成 地炸 形 面药 电液 高 压 电 成形 源 成形方法的 成形制件 所用设备 多样性与灵 的形状复 活性 简 单 较 大 杂程度 较复杂 成形制件尺 寸 尺寸较大， 但受井限制 不受限制 尺寸不大， 复 杂 小 一般 受设备功率 限制 尺寸不大 复 杂 小 一般 受设备功率 限制 高 最容易 较大批量 较 高 容 易 较大批量 很 生产效率 组织生产 适 用 生 产 规 线的难易 模低困难 小批量 小批量、 单件非常简单大复杂低困难电磁 高 压 电 成形 源与常规成形方法相比，高能成形加工具有以下特点， (1) 不需要冲压设备，故使加工大型零件的尺寸不受现有冲压设备能力的限制。因此 在小批量或试制大型零件时，这是一个很突出的特点。 (2) 模具结构简单，通常仅用凹模就可实现零件的成形加工。因此，节省模具材料， 缩短模具制造周期，制模成本低。 (3) 高能成形属软模成形的性质，毛坯变形不是由于刚性凸模的作用，而是在液体、 气体等传力介质(电磁成形无需传力介质)作用下，使毛坯在很高的速度下变形和贴模，不 仅提高了变形的均匀性，而且有效地减小了零件弹复。因此零件精度高，表面质量好，更 适合于加工常规成形方法不易成形的某些特殊、复杂形状的零件。 (4) 高能成形时，高压冲击波对毛坯作用的时间非常短促，仅数微秒或数十微秒，这 种异乎寻常的高速变形条件，可提高材料的塑性变形能力。因此，对于塑性差的难成形材 料(如不锈钢、钛合金等)，高能成形是一种较理想的工艺方法。 (5) 高能成形有利于实现复合工艺。用常规成形方法需多道工序才能成形的零件，采 用高能成形方法往往可在一道工序中完成。因此，可有效地缩短生产周期，降低成本。 高能成形方法主要有以下几个方面的应用： (1) 板材、管材的塑性加工。高能成形可完成板材的多种冲压加工工序，如拉深、胀 形、弯曲、翻边、校形、压印、冲孔、切断等。电液成形及电磁成形尤其适于管类零件的 成形，如缩口、扩口、胀形、缩径及异形管成形等。 (2) 联接及装配。高能成形方法常用于管一管联接、管一杆联接、管一板联接等，联 接件可满足很高的强度要求。同时，电磁成形还可完成零件的铆接工艺。51(3) 焊接。高能成形，尤其是爆炸成形可使两种金属间形成牢固的联接，用以制造多 层金属板或金属管。如在碳素钢上蒙以不锈钢、铝、钛、铜及其合金的表层。 此外，高能成形方法还可用于粉末压制、表面强化等。如实际生产中已成功地用爆炸 方法实现了对奥氏体钢大型汽轮发电机护环的强化工艺。 由于高能成形有前述的许多重要特点，因此它已在现代航空工业、造船工业、化工设 备制造及其他一些工业部门里，在形状复杂或大尺寸的零件的小批量生产中占有较重要地 位。 综上所述，高能成形作为金属塑性加工的特殊成形方法，尽管已在生产中发挥了重要 作用，但其应用范围也有一定的局限性。 爆炸成形的生产率较低，劳动强度大，爆炸产物及噪声污染环境，炸药的储存及使用 具有一定的危险性。这些问题都防碍了爆炸成形技术的发展，以致该工艺方法只能在小批 量生产和某些特殊条件(如生产大型零件而不具备大型设备及大型模具)下才能显示出其优 越性。 电液成形需用水作为传压介质，不仅水的密封比较麻烦，而且放电时，可能产生的泄 漏和飞溅，使工作条件恶化。此外，电液成形设备及装置也较昂贵，其加工能力受到设备 容量限制。因此，该工艺方法在生产中的应用也受到限制。 电磁成形不需要传压介质，因此没有上述缺点，相反还有许多优点，如生产条件好， 无污染，便于组织生产，易于实现机械化自动化，生产率高等，尤其对于一些特殊的零件， 它几乎成为唯一可以选用的工艺方法。因此，电磁成形比其它高能成形方法得到了更加广 泛的应用，并于近期在生产中有了较快的发展。可以预见，电磁成形做为一种新技术，随 着科学技术的不断进步及工业生产的日益发展，将会获得越来越广泛的应用。 本章在讨论爆炸成形、电液成形及电磁成形基本原理的基础上，主要介绍各种高能成 形方法在管材(含由板材卷焊而成的筒形、锥形毛坯)塑性加工中的应用。2.2.3.2 爆炸成形 爆炸成形是利用爆炸物质(主要是炸药、火药)在爆炸瞬间释放出的巨大化学能，通过 介质(或直接作用)的传递作用，对金属毛坯进行加工的高能成形方法。 爆炸成形的突出特点是所用模具简单、无需冲压设备，能简易地加工出大型零件，尤 其适用于小批量或试制特大型零件。用常规成形方法加工大型零件，不仅需要制造大型模 具，而且需要大台面的专用设备，这往往由于生产条件的制约而使大型零件的加工受到限 制。爆炸成形则无需使用冲压设备，且模具及工装制造简单，故使生产条件得到简化。 根据炸药与金属毛坯之间的距离，爆炸成形分为有药距爆炸成形和无药距接触爆炸成 形两类。有药距爆炸成形，是在炸药包引爆后，通过炸药包周围的介质(如水、空气或砂) 向金属毛坯传递能量。这种成形方法适用于大型零件的拉深、胀形、弯曲、翻边、校形、 冲裁等。无药距接触爆炸成形，是将炸药与毛坯直接接触，不再需要传递能量的介质，其 压力大，效率高，适用于切割、焊接、粉末压制、表面强化等工艺。采用接触爆炸法分离 板材时，可在冲切轮廓上放置炸药，但其切割面粗糙。金属板压合是接触爆炸应用最广的52一种工艺。在待压合的两板之间留有间隙，在上板上均匀地敷放炸药，从一端引爆，使上 板从引爆端向下冲击，与下板压合成一体，并逐渐依次迅速地向另一端扩展。若炸药同时 起爆，则两板之间的空气不易排除干净，使两板压合不牢。由于上、下板是在瞬间压合成 形，实际上几乎处于绝热状态，即在高温高压下压合。 生产中使用较多的是有药距爆炸成形。本节在分析讨论有药距爆炸成形原理、及其工 艺参数选择的基础上，主要介绍管类零件的爆炸胀形。 (1) 爆炸成形原理成形装置 图 2―43 与图 2―44 为爆炸拉深及爆炸胀形示意图。 药包通过电雷管用起爆器起爆后， 爆炸物以极高的传播速度在极短的时间内完成爆轰过程。 位于爆炸中心周围的介质(空气或 水)， 在爆炸过程中生成的高温和高压气体的骤然作用下， 形成了向四周急速扩散的高压力冲击波。在距爆炸中心一定距离上一点的冲击波压力是时间的函数。随距离的增大，冲击 波的压力逐渐衰减，而作用的时间则加长。当冲击波与成形毛坯接触时，由于冲击波压力 大大超过毛坯塑性变形抗力，毛坯开始运动并以很大的加速度积累自己的运动速度。冲击 波压力很快地降低，当其值降低到等于毛坯的变形抗力时，毛坯位移速度达最大值。这时 毛坯所获得的动能，使它在冲击波压力低于毛坯变形抗力和在冲击波停止作用以后仍能继 续变形，并以一定的速度贴模，从而结束成形过程。 在爆炸成形过程中，毛坯可能达到的最大位移速度决定于炸药的种类、药量、炸药距 毛坯距离、 毛坯力学性能、 毛坯厚度及成形方式等。 爆炸成形位移速度一般介于 80～250m ／s 之间。由于冲击波的作用时间很短，而且在作用时间内又急速地下降，所以冲击波对 毛坯的作用时间仅占全部成形过程的一小部分。在一般爆炸成形过程中，冲击波的作用时 间介于 10-6 一 10-5s，而成形过程时间仅为 lms 左右。 (2) 爆炸成形装置 实际生产中， 由于爆炸成形方式和加工零件的特点不同， 使爆炸成形装置的种类繁多。53按照爆炸成形方式，可分为地上爆炸成形(将爆炸成形装置放在地面平台上)、地下爆炸成 形(将成形模具放在爆炸水井或砂坑内)和专用机床爆炸成形三种。 爆炸成形机床是使爆炸成形实现机床化和机械化的途径，它包括封闭爆炸机床和火药 锤。在爆炸成形机床上爆炸成形，对提高生产效率、减轻劳动强度、改善劳动条件及提高 产品质量都有明显的效果。但缺点是一次性投资大，且成形零件的尺寸受到机床结构的限 制，不能加工尺寸较大的零件，故目前生产中应用较少。 当成形零件的种类较多或批量稍大时，可装备专用的水井供爆炸成形使用。爆炸水井 有多种结构型式，目的都是提高井筒的承载能力。在水井内爆炸成形，具有安全性好，声 响小，炸药能量利用率高等优点，但对模具的．密封要求严格。 图 2―46 所示为水井内的爆炸成形装置。 爆炸 水井位于地平面以下，井筒口与地面平齐，井筒 2 四周充填各种增强与防震的隔层。 在水井的底部沿 井壁周围敷设有压缩空气管 6，从管中放出的压缩 空气，在上升途中形成气幕，可以减弱井壁承受的 爆炸作用。利用提升设备将爆炸成形模放于井内， 在井简内充水后即可进行爆炸成形。 由于爆炸成形 模被水包围，模腔内的空气不能顺利排除，则会防 碍毛坯的成形和贴模过程。因此，应设有抽真空的 管道 5。 在地上进行爆炸成形， 无需建造水井。 不仅操作方 便，而且适用于多种介质， 如水、砂、泥或双介质爆炸 传压等。 对于大型零件的成 形， 不象在井内爆炸成形那 样， 受到井筒尺寸及药量的 限制。因此，在生产中应用 十分广泛。 地上用的爆炸成形装 置， 可分为无底凹模与有底 凹模两类。 有底凹模爆炸成 形装置， 又可分为自然排气 和抽真空两种形式， 其选用 应视模腔内需要排出的空 气量多少及排气的可能性 而定。 典型的拉深用爆炸成 形装置如图 2―47 所示。 图 2―47a 为无底凹模54爆炸拉深装置。该装置结构简单，但零件外形主要靠控制工艺参数保证，易受偶然因素的 影响，故零件成形准确度较低，只适用于形状简单而外形准确度要求不高的零件。 图 2―47b 为自然排气的有底凹模爆炸拉深装置。与无底凹模相比，该凹模体上钻有多个 排气孔，成形时模腔内的气体由排气孔自然排出，零件成形的准确度较高。在保证模具强 度的前提下，应尽量多设排气孔。排气孔应设在毛坯最后贴模部位。不连通的模腔应分别 设置排气孔。自然排气的有底凹模主要适于如下情况：变形量很小的校形工艺；对形状不 规则零件，因不易解决密封和抽真空问题而采用多次成形方法时；用于黑色金属及厚板铝 件的爆炸成形。 图 2―47c 为抽真空的有底凹模爆炸拉深装置。该成形装置较复杂。在爆炸成形前， 用真空 泵将模腔内的气体抽出，保持一定的真空度。否则，模腔内的气体不但阻碍毛坯 顺利贴模，而且会因气体的高度压缩而烧伤轻金属零件的表面。该类成形装置主要用于毛 坯相对厚度小、成形准确度要求高的零件。抽真空的模腔必须采取密封措施。小批量生产 时，可用简易密封方法，如用粘土与油脂的混合物等。批量较大时，宜用密封圈结构，大 多数情况下可用 O 形密封圈。爆炸成形装置中的水筒，一般用 20～30mm 厚的钢板制成。 爆炸成形模具所用的材料，决定于成形零件的几何形状、尺寸大小及精度要求，材料 的力学性能及厚度，药量大小及生产批量等因素。由于实际生产中上述各种因素的变化很 大，故所用的模具材料也多种多样。常用的爆炸成形模具材料及适用范围见表 2-5。表 2-5 常用爆炸成形模具材料及适用范围模具材料 特 点 适 用 范 围抗冲击负荷，尺寸稳定，成形零件精度高，表 锻造合金钢 面质量好，寿命长，但加工困难，制造周期长， 成本高适用于形状非常复杂、尺寸精度要求高、厚 度大强度高，而尺寸不大的零件的成形与胀 形，大批量生产 适用于形状复杂，尺寸精度有一定要求的黑基本同上项，但抗冲击能力稍差，成本也稍 铸钢 低于锻钢 产批量较大 成本低，易于制造，能保证一定的成形尺寸 球化铸铁 精度，但抗冲击负荷能力差 可以反复熔铸，加工方便，制造周期短，成 中小型零件，小装药量冲击负荷不大精度要 锌合金 本低，但强度低，受冲击后尺寸容易变化，寿 求不严格的成形模，小批量、单件试制 命不长 水泥本体用玻 成本低，容易制造，不要求模具加工设备，但 璃钢或环氧树 抗冲击能力差，寿命很低 适用于大型低强度厚度小的零件成形，小批 量单件试制 件的成形模 适用于一定批量的黑色金属与有色金属零 色金属或高强度的有色金属的成形与胀形，生55脂衬里(3) 爆炸胀形 爆炸胀形中绝大部分是有模胀形，有模胀形可分为自然排气爆炸胀形和抽真空爆炸胀 形两种类型。自然排气爆炸胀形装置又分为三种形式：自由界面成形、水帽成形和反射板 成形。典型的爆炸胀形装置如图 2―48 所示。 图 2―48a 为自由界面自然排气爆炸胀形装置。在该装置中，介质界面与毛坯端面平 齐，毛 坯端面为自由界面。由于自由界面附近冲击波受到很大削弱，效率低，零件上口 部贴模不好，因此实际应用较少。 图 2―48b 为加水帽自然排气爆炸胀形装置。由于水帽使介质自由界面远离毛坯端部， 因此提高了炸药的能量利用率，同时利于零件上口部的贴模。水帽一般用 2～3 层沥青纸 制造。对于直径小于 300mm 的零件，水帽高度为 100～200对于直径为 300～600mm 的零件，水帽高度可取为 200～350mm。 图 2―48c 为反射板自然排气爆炸胀形装置。反射板是一块具有一定重量的金属板， 它 与毛坯上端保持一定间隙，间隙大小靠木块调整，而木块在每次爆炸后飞走。若考虑 安全 或多次重复使用，可将木块做成固定在模面上的橡皮块。使用此种装置时，应采用 反射架 以防止反射板在爆炸时飞走。反射板装置可克服自由界面成形时的毛坯上端贴模 不好及 水帽成形时的憋气现象。 图 2―48d 为抽真空爆炸胀形装置。由于增加了抽真空的设施，故此种装置较复杂。 主要用于成形准确度要求高的零件。在设计上述胀形装置时，必须考虑其模具强度问题。 若胀形零件精度要求高时，还必须考虑模具的刚度，尤其是分块拼合结构的胀形模的结合 刚度更为重要。否则，将直接影响胀形件的质量。562.2.3.3 电液成形 电液成形是利用液体中强电流脉冲放电时产生的高能冲击波，对金属毛坯进行加工的 一种成形方法。由于成形时常以水作介质传递能量，故又称为电水成形。 与爆炸成形相比，电液成形具有成形过程稳定、能量易于控制、操作方便，生产率高、 便于实现机械化自动化生产等优点。但电液成形设备较复杂，其加工能力受到设备容量限 制，因此，目前还仅限于中小型零件(5s400mm 以下)的中小批量生产。 用电液成形方法可以对板材及管材进行的冲压加工有：拉深、胀形、冲孔等。图 2― 49 为管状毛坯的电液成形示例。(1) 电液成形原理57电液成形装置的基本回路如图 2―50 所示，其装置主要由充电回路和放电回路组成： ① 充电回路。它包括升压变压器、整流器和充电电阻； ② 放电回路。它包括电容器、辅助开关和电极。1－升压变压器；2－整流器；3－充电电阻；4-－电容器；5－辅助间隙；6－水；7－水箱； 8－绝缘套；9－电极；10－毛坯；11－抽气孔；12－凹模电液成形的基本过程如下： 来自网路的交流电流， 经升压变压器 1 升压(可将电压升高 到 20～40kV)，再经整流器 2 整流后，变为高压直流电，并向电容器 4 充电。当充电电压 达到一定数值时，辅助间隙 5 被击穿，则高电压瞬时地加到两放电电极 9 所形成的主放电 间隙上，并使主间隙击穿，于其间产生高压放电。由于放电的结果，在放电回路中形成非 常强大的冲击电流(可高达 30000A)，结果在电极周围的介质中形成冲击波及液流冲击，而 使金属毛坯 10 贴模 12 成形。 电液成形的加工能力取决于电容其所储存的能量，其值可由下式计算：E?1 CU 2 2式中 E―电容器储能（J） ； C―电容量（μ F）; U―电压（kV） 。 电液成形的电能释放有两种形式，即间隙放电(图 2―50)和电阻爆丝放电。如将图 2 ―50 所示的电极之间用细金属丝联结起来，在电容器放电时，强大的脉冲电流会使金属丝 迅速熔化并蒸发成为高压气体，在介质中形成冲击波而使金属毛坯贴模成形，又称此为电 爆成形。电爆成形时能量转换率高，成形效果比间隙放电时要大些，两电极之间的距离也 可以大一些。缺点是每爆一次，都须换一根金属丝，操作不方便。金属细丝必须是良好的 导电体，常用钢丝、铜丝、铝丝等。 （2）电液成形装置 电液成形可分为开式成形(图 2―50)和闭式成形两种方式。一般情况下，开式成形能 量利用率仅为 10%～20％，而闭式成形能提高能量利用率，可达 30％。开式成形时的电58图 2－51 对向式电极的闭式电液成形装置 1－电极；2－水；3－凹模；4－管坯；5－抽气孔图 2－52 带反射器的闭式电液成形装置 1－固定板；2－反射器；3－凹模；4－管坯； 5－水；6－绝缘层；7－电极1－固定板；2－反射器；3－凹模；4－管坯； 5－排气孔；6－水；7－外电机； 8－内电极；9－绝缘层a－变形前；b－变形后 1－压板；2－电极；3－活动凹槽 4－抽气孔；5－固定凹模液成形所用电极可分为对向式、同轴式、平行式及活动式等多种形式，生产中常用对向式 与同轴式。对向式电极结构简单，绝缘材料易于解决，但电极固有电感较大。同轴式电极 固有电感小，成形效率高，但电极结构复杂，对绝缘材料有较高要求。平行式电极具有易 于调整与毛坯之间距离的优点，但在放电时受介质压力及电磁力的横向作用，必须注意结 构上的强度问题。活动式电极的活动电极置于空气介质中，固定电极浸没于液体介质中， 活动电极借助于机械动作与固定电极接近，当两电极间距离减少至一定值时，发生放电现 象。因此，可省掉放电回路中的辅助间隙，且不存在绝缘问题。但由于每次放电间隙距离 存在差异，故引起压力及压力分布的不稳定，从而影响成形质量。 电液成形装置一般由水箱、 放电电极和模具组成。 水箱外壳和上盖应具有足够的强度。 为保证贴模精度， 模具型腔内的空气应在放电前排除， 所以成形装置中常附设抽真空系统。 管状毛坯的电液成形装置如图 2―51～图 2―53 所示，均用于胀形加工。由图示结构 可知，凹模皆做成组合式，以便取件。但结合面必须严密，否则，合缝处会在胀形件上留59下痕迹。 实际生产中， 为了提高管坯的胀形变形程度， 减少管坯的壁厚变薄量， 也有采用图 2-54 所式的活动凹模结构型式，使管坯在径向胀形的同时，活动凹模对管坯施加轴向压力 。 2.2.3.4 电磁成形 电磁成形是利用电流通过线圈时产生的磁场力，对金属毛坯进行加工的一种成形方 法。由于电磁成形是利用脉冲磁场使金属毛坯产生塑性变形的，故又称为磁脉冲成形。 电磁成形在近年来获得了较大的进展，除具有前述的高能成形特点外，还具有下述显 著的优点：由于不需要任何传压介质，故操作过程简单，所用成形装置也得到很大程度的 简化，致使产品成本大幅度下降；设备的调整简单，能量易于控制，所以成形过程稳定， 再现性强；易于实现机械化与自动化，并且可以和普通加工设备一起组成生产线，故生产 效率高；由于电磁成形时毛坯的变形是由磁场力(体积力)引起的，故毛坯表面不受损伤， 而且可以减轻因刚体模具引起的毛坯局部过度变薄。 但是， 由于电磁成形设备的价格较高， 且目前电磁成形的加 工能力受到设备容量 的限制，故只适用于 加工厚度不大的小型 零件。从目前的发展 情况看，只有在用普 通的冲压方法很难加 工，而且又恰好适合 于电磁成形工艺的特 点时，应用它产生的 效果才是明显的。 用电磁成形方法 可以对板材及管材进行多种冲压加工工序，尤其是管材的胀形、缩口 (径)、扩口、压印、 冲孔、切断等。电磁成形工艺也常用来完成联接的装配工序，如管件之间的联接，管件与 杆件的联接，管件与厚板的联接等。从本质上 看， 这些联接方式的变形不外乎是胀形、 缩口、 扩口等。 2―55 为管状毛坯的电磁成形示例。 图 (1) 电磁成形原理 电磁成形装置的基本回路如图 2―56 所 示。它和电液成形一样，也是利用储存在电容 器里的电能进行高能成形，故属于放电成形的 范畴。电磁成形与电液成形(图 2―50)相比较， 除放电元件不同外，其它都是相同的。电液成 形的放电元件为水介质中的电极，而电磁成形的放电元件为空气中的线圈。60电磁成形也由充电回路和放电回路组成。网路电压由升压变压器 1 升压并经整流器 2 鼙流后产生高压直流电，此直流电向电容器 4 充电。当放电回路中开关 5 接通后，电容器 中储存的电能形成一个强脉冲电流通过线圈 6，在它周围形成一个强磁场。如果线圈内有 绝缘体，不改变磁场的分布(图 2―57a)；如果线圈内有一管状导体(毛坯)，则线圈中的变 化磁场，在导体中产 生感应电流 (图 2― 57b)。当线圈磁场增 强时，感应电流方向 与线圈电流方向相 反。这两种电流所产 生的磁场相互作用的 结果，使管坯受到很 大的电磁斥力的作 用，产生塑性变形并 以高速运动。若管坯内有模具，则管坯迅速贴模，从而产生缩径变形。若将线圈置于管坯 内部，则管坯产生胀形变形。若改用平面螺旋线的工作线圈，则可完成平板毛坯的拉深成 形。 除了上述通过线圈放电使毛坯成形以外，也可使电流直接通过工件而使之变形，如图 2―58 所示。电流由管状导电工件的下端流向上端，再经管内导体流回。由于管件和内部图 2-58 工件直接通电成形1－工件 i－电流 2－导体 H－磁场图 2-59 电磁成形典型加工工艺a－管坯胀形； b－管坯缩径； c－平板毛坯成形 1－模具；2－毛坯；3－线圈；4－集磁器61导体所通过的电流方向相反，使工件受到向外扩张的力而成形。这种方法要求管件和管内 导体接触良好。同时，由于管件和管内导体电感较小，因此要求回路有较小的电感，以提 高效率。 电磁成形的加工能力决定于充电电压和电容器的电容量。电磁成形常用的充电电压为 5～10kV，而充电能量一般为 5～20kJ 左右。 (2) 典型加工工艺 电磁成形典型加工工艺主要有管坯胀形、管坯缩径及平板毛坯成形，如图 6―19 所 示。 ① 管坯胀形 管坯胀形是电磁成形的典型工艺。由于电磁成形时，管坯变形分布均匀，变形硬化也 不显著，因此提高了材料塑性变形能力。与常规冲压胀形相比，采用电磁成形对管坯胀形 时，可提高胀形系数 30%～70%。 管坯自由胀形时，不同加工线圈长度对切向应变分布的影响，如图 2―60 所示。由图 示曲线可以看出，加工线圈较长时，切向应变的均匀性得到提高。 图 2―6l 为管坯自由胀形时的应变分布情况。从图中可以看出，切向应变ε θ 。与径向 应变ε r 在数值上近似相等，而轴向应变ε z 相比之下却很小。切向应变（对数应变）图 2－60 管坯自由胀形时，且向应变ε 向分布曲线θ沿轴图 2-61 管坯自由胀形时应变分布 1－轴向应变ε z；2－径向应变ε r； 3－切向应变εθ1－加工线圈长 76.2mm；2－加工线圈长 152.4mm 3－加工线圈长 228.6mm② 管坯缩径 管坯缩径与管坯胀形一样，也是电磁成形的典型工艺。与管坯胀形道理同样，电磁成 形缩径也可显著提高材料塑性变形能力。实验结果表明，电磁成形缩径可使均匀变形程度 提高 30％。 图 5―62 及图 5－63 为电压及能量对缩径变形量的影响。由图可以看出，随电压或能 量的升高，变形程度均增加。 同时，实验研究表明，线圈箍数对缩径变形量有重要影响。在能量相同的情况下，随 着线圈箍数的增加，变形量提高。线圈与管坯之间的间隙对变形效率也有较大影响，随着 间隙的减小，变形效率提高。62电压（kV）能量（J）图 2-62 电压值对缩径的影响图 2-63 能量对缩径变形量的影响1－电容量 C=190μ F 2－电容量 C=380μ F③ 平板毛坯成形 平板毛坯成形使用平板加工线圈。图 2―64 为平板加工线圈的磁场强度分布情况。由 图可以看出，平板加工线圈的磁场分布很不均匀，磁场的径向分量在加工线圈中心部分(r ／R=0)很小，在加工线圈的半径中部(r／R=0.5)最大。平板毛坯成形时，由于磁场作用于 毛坯的变形力是径向分量提供的，因此，径向分量的不均匀分布，会使平板加工线圈中心 部分的毛坯出现冲压不足的现象，这就限制了图 2―59c 所示的平板毛坯的加工方式。 图 2―65 所示为平板毛坯的间接加工方法， 可避免图 2―59c 所示的平板毛坯加工缺陷。 加工时， 加工线圈 6 放电， 磁场力使驱动块 5 向下运动并压迫弹性传压介质(如聚氨酯橡胶 4)，被压迫的弹性传压介质使毛坯 3 在凹模 2 上实现冲孔加工。采用该加工方法，可以实 现不同的冲压工序。如用拉深凹模替换图中的冲孔凹模 2，则可完成拉深工序。该种方法 对薄板落料效果更好，即用具有锋利刃口的工具钢钢板替换图中的冲孔凹模作为落料凸 模，而弹性传压介质起落料凹模的作用，就可实现无毛刺精冲。磁场强度 H（A/m）图 2―64 平板加工线圈磁场分布 1－磁场径向分布 2－磁场轴向分布图 2―65 平板毛坯间接加工方法 1－底板 2－凹模 3－毛坯 4－聚氨酯橡胶 5－驱动块 6－线圈除上述三种典型加工工艺外，电磁成形还可完成管坯冲侧孔及侧孔翻边工序，粉末压63实工序，零件之间的联接、装配工序等。由于电磁成形的放电能量可以准确控制，故对零 件间的联接装配特别适用，目前已大量用于生产。尤其将金属装配到陶瓷和玻璃等脆性材 料上去，可确保装配质量。642.2.4 特种轧制成形加工轧制可分为两大类，一类是用于原材料生产，如型材、棒材的轧制。这是量大而广的 轧制，主要用于冶金系统；另一类是用于零件或其毛坯的生产，如为模锻制坯或直接生产 阶梯轴等锻件，称为特种轧制，又称机器制造中的轧制。本节主要介绍特种轧制中几种重 要的轧制方式，包括辊锻、楔横轧和斜轧。 2.2.4.1 辊锻 (1) 辊锻的特点 辊锻是将轧制变形引入锻造生产中的一种锻造新工艺，其特点就在于通过一对反向旋 转的模具使毛坯连续地产生局部变形。图 2―66 为辊锻变形的原理图。从图 2―66 中可看 出，坯料在高度方向经辊锻模压缩后，除一小部分金属横向 流动外， 大部分被压缩的金属沿坯料的长度方向流动。 因此， 辊锻变形的实质是坯料的延伸变形过程。 坯料上凡是经过辊 锻的部位，其截面积就减小，坯料的宽度略有增加，长度增 加很大。故辊锻适用于减少坯料截面的锻造过程，如杆件的 拔长，板坯的辗片以及沿杆件轴向分配金属体积的变形过 程。 采用辊锻工艺进行坯料拔长的工序比锤上锻造的生产 效率高，劳动条件也得到改善。一般在锤上拔长时，往往需 要打击十几次的变形量，在辊锻机上只需几次辊压就可完 成。采用辊锻工，艺进行板坯的辗片，既省力、效率也高。 图 2―66 辊锻变形过程 1， 5－轧辊；2－上滚锻模； 如锄头、犁刀、铁锹等类锻件，采用辊锻工艺辗压其薄片形 3－辊锻件； 4－下辊锻模； 部分时，具有良好的技术经济效果。 辊锻具有以下优点： ① 所需设备吨位小 由于辊锻是连续地局部成形过程，虽然变形量大，但模具只与 坯料的一部分接触，因此所需的变形力较小。以生产 195W 型柴油机连杆为例，如采用模 锻需
吨锻压机，而成形辊锻时，只需 250 吨的辊锻机，再配以较小吨位的整 形设备即可。 ② 生产效率高 多型槽成形辊锻的生产率和锤上模锻大体相当，而单型槽一次成形 辊锻的生产率则有显著的提高。如冷辊锻医用镊子，其生产率比锤上模锻提高了 2．3 倍。 ③ 公害小、劳动条件好 辊锻是静压的变形过程，冲击、振动、噪声等公害小，劳 动条件较锤上模锻有很大改善。 ④ 材料消耗少 辊锻件尺寸稳定，提供模锻的毛坯体积小，可节约材料 10―20％。 ⑤ 模具寿命高 履带节辊锻模寿命可达一万五千件，而锤锻模的平均寿命仅有三千 多件 ⑥ 易于实现机械化与自动化 由于辊锻是连续地局部成形过程，故易于实现机械化 与自动化，也便于和其他模锻设备组成机械化与自动化的生产线。65（2）辊锻的分类和应用 辊锻按共用途、采用的型槽形式，锻造温度和送进方式等进行分类。 辊锻工艺按其用途可分为制坯辊锻与成形辊锻两类。 制坯辊锻主要用于长轴类锻件模锻前的制坯工序， 沿坯料长度进行金属体积分配的变 形，如图 2―67 所示。制坯辊锻时，有单型槽辊锻和多型槽辊锻两种情况。 单型槽制坯辊锻用于拔细坯料的端部 或作为模锻前的制坯工序。 多型槽制坯辊锻 主要用于模锻前的制坯工序， 亦可用于拔细 坯料的端部。 采用辊锻工艺为模锻制坯， 效率高、 质 量好；材料省。在生产中辊锻机常与热模锻 压力机或其它模锻设备组成模锻机组， 图 2－67 沿坯料长度方向分配金属体积 进行模锻生产。成形辊锻是指对于长轴类、 板片类中某些锻件可以在辊锻机上实现锻件的终成形、部分成形或初成形的锻造过程。按 锻件成：形的程度，成形辊锻可分为完全成形辊锻、部分成形辊锻和初成形辊锻三种， 完全成形辊锻是指锻件的成形过程在辊锻机上完成的，适用于小型锻件及叶片类锻件 的直接辊锻成形。例如医用镊子的冷辊锻以及各类叶片的冷精辊或热精辊等。初成形辊锻 是指锻件在辊锻机上基本成形，达到模锻工艺预锻或高于预锻的成形程度。辊锻后需用较 小吨位的压力机整形。部分成形辊锻的锻件，其一部分的形状在辊锻机上成形，而另一些 部分则采用模锻或其它工艺。 辊锻工艺按采用型槽的类型可分为开式型槽辊锻与闭式型槽辊锻两种方式。 开式型槽辊锻的模槽是刻制在两个辊锻模上，上下辊锻模的分模线位于辊锻模槽中 间，如图 2―68a 所示。在开式型槽中辊锻时，金属宽展是比较自由的，所得毛坯侧面几 何形状不易十分精确。由于开式型槽的模槽是刻在上下两个辊锻模上，因而刻槽较浅，锻 模的强度高，而且能量的消耗也较少。 闭式型槽辊锻的模槽是刻制在一个辊锻模上，其上、 下辊锻模的分模线在辊锻模槽之外。如图 2―68b 所示。 在闭式型槽中辊锻时，金属的宽展受到限制，可以增大延 伸量强化辊锻过程，并可得到截面几何尺寸精确的毛坯， 并有利于限制由不均匀变形而引起的坯料出模时产生水 平方向的弯曲。但闭式型槽较开式型槽切槽深，锻模的强 度差，辊锻过程中的能量消耗也大。 在制坯辊锻中， 单型槽辊锻时， 多采用开式型槽进行 ―次或多次辊锻，或用闭式型槽进行一次辊锻。多型槽制 坯辊锻时，采用开式型槽或开式与闭式的组合型槽。 a b 在成形辊锻中既可采用开式型槽，也可采用闭式型 图 2－68 开式模锻与闭式模锻 槽或开式与闭式的组合型槽。 a－ 开式模锻；b－ 闭式模锻 按辊锻的温度范围可将辊锻工艺分为热辊锻和冷辊66锻两种。 热辊锻时，坯料应加热到热锻温度范围。热辊锻的应用很广泛，不论制坯辊锻或是成 形辊锻，多数都采用热辊锻工艺。 坯料在常温条件下进行辊锻的过程称为冷辊锻，主要用于辊锻件的精整工序，以得到 锻件的最终截面形状和尺寸。冷辊锻件的表面光洁度可达8，材料的机械性能也可以提 高，现已用于生产的有叶片、医用镊子等的冷精辊工艺。 按辊锻时坯料送进的方式，可分为顺向送进和逆向送进两种方式。 辊锻时，坯料从辊锻机的一侧送入，从另一侧辊锻出来的送进方式称为顺向送进。多 道次辊锻时，顺向送进的方式允许坯料反复改变送进方向，并在坯料上无需夹持部位。改 变坯料送进方向， 有利于辊锻件纵向轮廓的成形。 因此， 这种送进方式多用在成形辊锻中。 如柴油机连杆成形辊锻中的预成形和成形道次、汽车前轴成形辊锻中的各道次均采用顺向 送进。在制坯辊锻中也可采用这种送进方式，如在单道次辊锻或多道次辊锻中，坯料上不 允许有夹钳料头，采用逆向送进又无法解决时，都需采用顺向送进。如梅花搬手等件的单 道次制坯辊锻， 国内多数采用顺向送进。 顺向送进方式的缺点在于工序间坯料传递的不便。 例如在一台辊锻机上进行多道次辊锻时，当前一道辊锻后，由于坯料已辊锻到辊锻机的另 一侧，因此进行下一道辊锻时，必须将坯料夹回到送料这一侧，才能继续进行辊锻。这就 使得多道次辊锻时，坯料在工序间的传递复杂化。 逆向送进的方式是坯料的送进与辊锻出来的方向均在辊锻机的同一侧， 其优点是操作 简便。因为多道次辊锻时，坯料从送进到辊出都是在夹钳夹持下进行。在进行下一道辊锻 时，只需把夹持坯料的夹钳平行移动或再翻转一角度到下一型槽，便可进行辊锻。逆向送 进是辊锻的主要送进方式。制坯辊锻时，基本上都采用逆向送进。成形辊锻中也有不少采 用逆向送进的方式，如叶片的成形辊锻、锄头的成形辊锻等。 逆向送进和顺向送进两种方式的选用，常常要根据辊锻工艺来确定。在实际生产中， 有时在同一锻件的不同辊锻道次，交替使用逆向送进和顺向送进的两种方式。如柴油机连 杆辊锻时，第一道次的制坯采用的是逆向送进，而在预成形和成形的第二、第三两道次则 采用顺向送进的方式。又如叉车货叉在制坯和成形的第一、第二、第三道次时是采用顺向 送进，而在辊锻叉尖的第四道次时则采用逆向送进。这种改变送进方式的目的在于有利于 锻件的辊锻成形。 （3）辊锻设备简介 目前国内外通用的辊锻机形式主要有悬臂式、双支承式和复合式三种。悬臂式辊锻机 的锻辊工作部分悬伸在机身外，便于拆卸和更换锻模，操作方便，最适于辗片的横展，但 缺点是刚性较差，故多用于制坯辊锻。双支承式辊锻机的锻辊支承在两个直立的机架间， 刚性好，多用于成形辊锻或冷辊锻。复合式辊锻机兼有悬臂式与双支承式两者的特点，通 用性强，应用范围广泛，但结构稍复杂。图 2-67 是双支承辊辊锻机的示意图。67图 2－69 双支承辊锻机1－带轮 2－偏心套中心距调节机构 3－上锻辊 4－下锻辊 5－锻模固定及轴向调节机构2.2.4.2 楔横轧 (1) 楔横轧的特点 楔横轧如图 2－70 所示，两个带楔形模的轧辊，以相同的方向旋转，带动圆形坯料旋 转，坯料在楔形孔型的作用下，被轧制成各 种形状的台阶轴。这种横轧的变形主要为径 向压缩和轴向伸长。 由于楔横轧机可以代替一般锻造生产某 些轴类零件，又可以用它精确制坯，为模锻 提供预锻件，因而具有较广泛的应用。 与常用的成形工艺―铸造、锻造及切削 相比，楔横轧技术有以下优点 ① 生产效率大幅度提高， 因轧辊每旋转 一圈就生产一个产品(用多头孔型则生产多 个产品)。 楔横轧使用的转速一般为 6―25 转 图 2－70 楔横轧原理图 ／分， 即每分钟生产 6―25 个产品(对称成双轧制 1－带楔型模具的轧辊 2－坯料 3－导板 则加倍)。与铸锻、切削相比生产效率平均提高 5 ―20 倍。今后，伴随楔横轧技术进一步完善，生产效率将会有更大的提高； ② 材料利用率显著提高，在铸锻之后进行机加工的成型产品，材料的利用率一般只 有 60％左右，不少行业还低于这个数字。 楔横轧成型的产品，材料利用率一般达 80%以68上，精密楔横轧可以达到 90％以上，即达到少切屑，甚至无切屑的目的； ③ 产品质量提高。产品质量有所提高主要有两个方面的原因：一是轧制成型产品的 金属纤维流线沿着产品轴线保持连续(无切削断头)；二是轧后晶粒细化。尤其对采用快速 加热轧后快冷工艺的产品，更具有形变处理晶粒细化的优点； ④ 改善劳动条件。楔横轧与锻造相比，无冲击少噪音，劳动条件得到明显的改善。 此外，产品的成形、精整与切断等工序均在轧辊孔型中连续自动完成，加上进出料容易实 现自动操作，因而减少了操作工人的劳动强度； ⑤ 其它。生产人员、辅助人员、设备台数及厂房面积等都可大幅度下降，因此也带 来产品成本的大幅度下降。 上述优点不但在国外而且在我国许多工厂的生产均得到证实。因而这项新的成型工艺 近年来得到了较快的发展与应用。 辊锻的缺点在与轧辊复杂，工艺调节困难，故它一般适合于轧制长度小于 800mm、年 产量大于 3～5 万件的轴类零件。 （2）楔横轧机简介 国内外都有三种类型的楔横轧机， 如图 2－71a 所示的单辊弧形式楔横轧机， 2－71b 图 所示的辊式楔横轧机，图 2－71c 所示板式楔横轧机。 三种类型的楔横轧机的比较如下：ab 图 2-71 三种基本类型的楔横轧机a－单辊弧形式 b－辊式 c－板式d① 辊式和单辊弧形式的生产效率高于板式的。因为板式楔横轧机每轧一次都有一个 返回空行程，往复运动惯性载荷大轧机速度受到限制； ② 辊式的靠压下、轴向、相位等机构调整，调整部位较少，板式调整部位较多，较 复杂。单辊弧形式靠调整弧形板去适应主动轧辊，调整最困难； ③ 辊式模具靠车铣旋转加工，板式靠刨铣直线加工。当轧制的产品长度不大，所需 的辊径不大时， 车铣旋转加工比刨铣直线加工的效率与加工的精度要高， 故辊式优于板式。69当轧制的产品长度大，所需楔形面长时，一般都做成分段镶嵌式的，扳式的可以用一般的 刨铣床边可以加工出来，若用车铣床则需大型机床才能加工出来，所以辊式不如板式。单 辊弧形式由于有一个内弧模板，加工最困难。 ④ 轧机设备以单辊弧形式最简单。它只需驱动一个轧辊，不仅少一个轧辊与传动轴}