金属成型工艺：锻造、轧制、拉伸和挤压

金属成形是材料加工工程的一个重要分支，在金属材料的工业应用过程中发挥着关键作用。与铸造、机加工或连接方法不同，金属成形依靠外力作用下的塑性变形来重塑材料，同时细化其内部晶粒结构和力学性能。这使得生产出强度高、微观结构均匀且成形效率高的零部件成为可能。

根据变形温度和工艺特性，金属成形可分为冷加工、温加工和热加工，进而又分为锻造、轧制、拉拔和挤压等工艺。这些方法广泛应用于汽车曲轴、建筑型材、航空航天结构件、电子导体等产品的制造。

1.0金属成形理论基础

1.1成形工艺的分类

在工业实践中，金属产品的成型主要依赖于四个基本工艺类别，每个类别都有不同的技术作用和应用场景：

• 铸造：将熔融金属倒入模腔中，凝固后形成所需形状。铸造工艺非常适合批量生产复杂的零件，但可能会出现孔隙和收缩等缺陷。
• 机械加工：通过切割或磨削去除材料，以达到最终形状。机械加工尺寸精度高，但材料利用率低，适合精密加工。
• 连接：通过焊接、螺栓连接或粘合剂粘合的方式组装部件。这种方法通常用于大型或复杂的组件。
• 塑性变形（金属成型）：外力诱导金属发生永久塑性变形，从而优化成型过程中的结构和性能。它兼具效率和机械优势，是本次讨论的重点。

1.2金属晶体结构对成形的影响

金属是多晶材料，由不规则排列的晶粒组成，每个晶粒内的原子以周期性晶格排列。当外力作用于金属时，会发生三种关键变化：

• 晶粒碎裂：如果应力超过晶格屈服极限，晶粒边界就会滑移，晶粒就会分裂。
• 原子迁移：原子沿应力方向扩散，促进晶粒形貌的调整。
• 晶格畸变：原子偏离平衡位置，导致内部应力和应变硬化。

金属的塑性变形能力取决于延展性，而延展性与晶粒尺寸呈正相关。晶粒越大，边界阻力越小，变形能力越强；而晶粒越细，强度越高，但变形阻力也越大。变形温度是另一个决定性因素：在室温下，金属呈刚性，需要更大的力才能变形；而在高温下，原子活性增强，变形阻力降低。

1.3冷加工、温加工和热加工之间的核心区别

冷加工

定义：在再结晶温度（通常为室温至0.3Tₘ，其中Tₘ为熔点）以下进行的塑性变形。在某些情况下，会采用略高的温度（例如，对于铜，温度为50-100°C）来增强延展性。
原理：不发生再结晶。晶粒沿应力方向伸长并变形，形成“纤维状”结构。晶格畸变导致应变硬化。
特征：

• 优点：无需加热设备，表面光滑（Ra≤1.6μm），尺寸精度高（公差可达IT8-IT10），强度高，疲劳性能好，避免氧化。
• 局限性：需要更大的力（例如，低碳钢冷锻需要比热锻高 30-50% 的负载），需要高容量设备，降低延展性（开裂风险），通常需要中间退火以缓解加工硬化，并且可能留下残余应力。

温暖工作

定义：在冷加工和热加工之间的中间范围内（0.3Tₘ–0.5Tₘ）进行的变形，平衡了冷加工的精度和热加工的可成形性。
原理：温度足以降低变形抗力并减少应变硬化，但不足以完全再结晶。部分回复发生，但不会出现热加工典型的晶粒粗化现象。
特征：

• 优点：与冷加工相比，刀具负荷降低20–30%，延展性提高，所需退火步骤减少，尺寸精度接近冷加工（IT9–IT11），氧化或脱碳轻微。
• 局限性：需要精确的温度控制（波动≤±20°C），具有热调节功能的设备，并且材料适用性有限（主要是铝和铜合金）。

热加工

定义：在再结晶温度（0.5Tₘ–0.8Tₘ）以上进行的塑性变形，其特征是变形和再结晶同时发生。
原理：在高温下，原子拥有足够的能量来形成新的无应变晶粒，从而消除应变硬化。如果余热过多，新晶粒可能会长得过大，从而降低机械性能。
特征：

• 优点：变形抗力小（仅为冷加工的1/5至1/3），延展性高（变形量>50%），无残余应力，晶粒细化提高力学性能，对设备负荷要求较低。
• 局限性：需要大量的热输入（例如，在1100–1150°C下进行钢锻造），容易形成氧化皮（厚度为5–10μm），尺寸精度较低（IT12–IT14），零件一致性较低，并且由于高温导致工具磨损严重。

再结晶温度的技术意义

再结晶温度是区分冷加工和热加工的临界温度。它被定义为“变形晶粒完全被无应变的新晶粒取代的最低温度”。再结晶会降低强度和硬度（降低20-40%），同时提高延展性（伸长率可提高50%以上）。具体温度范围因材料而异：钢（600-900°C）、铝合金（200-300°C）和铜合金（300-400°C）。实际应用中，热加工通常在低于再结晶温度50-100°C时终止，以防止晶粒过度长大。

2.0锻造工艺及其技术特点

2.1锻造的基本概念

锻造是一种利用局部压缩力来塑造材料的金属成型工艺。其核心原理是依靠锤子或模具的冲击或压力，迫使金属顺应模腔或实现所需的形状控制。

• 按温度：锻造分为热锻（再结晶温度以上）、冷锻（室温）、温锻（中间温度）。
• 按模具约束方式：锻造可分为开式模锻和闭式模锻。

2.2锻造工艺的主要类型

开式模锻

原理：金属在无封闭腔体的模具之间变形。上模安装在压头上，下模固定在砧座上，反复锤击使工件逐渐接近其预期形状。
应用：大型或不对称部件，例如发电机转子和船用曲轴，通常为单件或小批量生产。
特点：灵活性高，模具成本低，但尺寸精度低（公差±5-10毫米）。需要额外加工，且严重依赖操作员的技能。

闭式模锻

原理：金属在封闭的模腔内变形。单次或多次冲击可确保模腔完全填满。这可细分为模锻（有飞边）和无飞边锻造。
应用：中到大批量生产的对称零件，例如齿轮毛坯和螺栓头。
特点：尺寸精度高（公差±0.5-2毫米），表面光洁度好，结构均匀。然而，模具成本明显较高（是开模模具的5-10倍），并且需要精确的模具对准。

镦锻

原理：轴向压缩会缩短金属长度并增加横截面积。典型应用是螺栓头生产。为防止屈曲，无支撑坯料的长度不得超过其直径的三倍。
用途：直径≤200毫米的棒料，冷热状态均可。常见产品包括紧固件、阀门和联轴器。

辊锻

原则： 使用 辊锻机加热后的钢筋通过带有成型槽的偏心辊逐渐压缩和拉长，从而可以精确控制横截面形状。

应用： 辊锻非常适合于板簧和车轴等长轴部件，通常用作后续锻造操作之前的预成型步骤。

特征： 生产效率高（是开式锻造的3-5倍），材料利用率高（≥90%）。然而，通常仅限于生产截面对称的零件。

2.3锻造设备及缺陷

核心设备类型

• 液压机：压力范围：5-500 兆牛，施加缓慢均匀的压力，确保变形均匀。适用于大型部件和精密锻造。
• 机械压力机：压力范围：900 kN - 110 MN，采用飞轮和曲轴机构传递力，每分钟冲程数：10 - 50次。适用于中批量生产。
• 蒸汽/气动锤：通过重力或压缩空气产生冲击力，冲击力范围为400至8000公斤。常用于小型零件的开式模锻。

典型的锻造缺陷及原因

3.0轧制工艺及其技术特点

3.1滚动的基本原理

轧制是一种连续成形工艺，其中圆柱形轧辊压缩并拉伸金属，使其横截面积减小，同时长度增加。关键参数包括压下量（厚度减小）、压下比（压下量/初始厚度）和延展量（宽度增加）。根据温度，轧制可分为热轧（高于再结晶温度）和冷轧（室温），两者在微观组织和性能控制方面存在显著差异。

3.2热轧与冷轧的比较

3.3轧机类型和轧制缺陷

核心轧机类型（按轧辊配置）

• 二辊轧机：结构简单，有可逆式（轧辊双向旋转，用于粗轧）和非可逆式（单向旋转，用于简单型材）。
• 三辊轧机：上、中、下辊以相反方向交替旋转，使工件进行往复轧制。适用于中厚板。
• 四辊轧机：由小直径工作辊（施加压力）和大直径支撑辊（防止弯曲）组成。常用于生产板材和带材。
• 多辊轧机：工作辊直径极小（≤10毫米），由多个支撑辊支撑。适用于生产铝箔等超薄带材（厚度≤0.01毫米）。

典型轧制缺陷及控制措施

• 波浪边：由轧辊弯曲导致边缘过度压缩所致。可通过轧辊冠部设计（中心直径略大）进行控制。
• 拉链裂纹：由于延展性不足或轧制温度过低而导致。可通过将钢坯预热至适当温度来控制。
• 层裂（鳄鱼皮纹）：由于不均匀变形导致中心拉应力过大而发生。可通过优化压下率（单道次≤30%）进行控制。
• 褶皱：由于压下量过低，导致表面金属重叠。通过确保每道次压下量至少≥5%来控制。

4.0拉伸和挤压工艺

4.1金属拉丝

定义和核心特征

拉拔是一种利用拉伸力将金属坯料拉过模具开口，从而减小其横截面积的工艺。拉拔与挤压的主要区别在于力的方向：拉拔使用“拉”，而挤压则依赖于“推”。根据产品尺寸，拉拔可分为：

• 棒材拉拔：截面≥10 mm²，用于制造轴。拉拔机拉力≤150吨。
• 拉丝：横截面积≤10 mm²，用于电线和弹簧。需要使用金刚石模具进行多次拉丝（直径可减小至0.0025毫米），以确保精度。
• 拉管：使用心轴控制内径，可以是固定式，也可以是浮动式。常用于无缝管的精加工。

工艺优势与局限性

• 优点：尺寸精度高（公差IT7–IT9），表面光洁度优良（Ra≤0.8μm），能够生产异形棒等复杂截面。
• 局限性：单道次变形量有限（直径减小量≤20%），需要多次道次并进行中间退火。最适合小截面零件。

4.2挤压

原理与分类

挤压是将金属放入密闭的挤压室内，通过压头施加压力，迫使金属通过模具，从而生产出横截面积与模具开口相匹配的长条产品。根据挤压温度和挤压力的方向，挤压可分为：

• 热挤压：挤压力为0.5Tₘ–0.75Tₘ，压力为35–700MPa。广泛应用于窗框、航空航天结构等铝合金、铜合金型材。
• 冷挤压：室温下进行，挤压力达0.3Tₘ。适用于罐体、齿轮毛坯等钢制和铝制精密零件。可实现近净成形。
• 正向挤压：金属的流动方向与螺杆相同。必须克服与挤压筒的摩擦力，因此适合加工简单的横截面。
• 间接（反向）挤压：金属流动方向与螺杆运动方向相反，消除了容器摩擦。非常适合加工复杂的空心型材。

典型的挤压缺陷

• 表面裂纹：由于挤压温度或速度过高，表面应力超过拉伸强度而引起。
• 管道缺陷：流动不均匀导致氧化皮和夹杂物被吸入产品中心。
• 内部裂纹：模具变形区中心的高拉伸静水应力导致空隙形成。
• 表面接缝：先前挤压产生的残留材料残留在模具表面并印在产品上。

5.0结论

金属成形技术是现代制造业的核心推动力，确保材料高效利用和机械性能精确控制。每种工艺都有其独特的技术特点和应用范围：

• 冷加工（冷锻、冷轧、冷拔）：适用于高精度、高强度的零部件，但需要大吨位设备和中间退火。
• 热加工（热锻、热轧、热挤压）：适合加工大变形、大型零件，易成形，但精度较低，表面质量较差。
• 温加工：兼具冷加工和热加工的优点，适用于中等精度、中等批量的零件，但对温度控制要求严格。
• 工艺特定优势：锻造擅长于复杂的三维形状；轧制针对连续的长型材进行了优化；拉伸适合于小而精确的横截面；挤压可以实现复杂和空心的型材。

在实际生产中，工艺选择应综合考虑材料特性（如延展性、再结晶温度）、产品要求（如精度、强度、产量）以及成本约束等因素。优化温度、变形速度、模具设计等工艺参数，有助于减少缺陷，提高产品质量和生产效率。

展望未来，金属成形的发展将集中在智能温度控制、精密模具设计和可持续实践（如无氧化热锻）上，以满足先进制造业日益增长的性能需求。

 

参考

www.researchgate.net/figure/Basic-bulk-deformation-processes-a-rolling-b-forging-c-extrution-and-d-drawing_fig26_325178996

www.researchgate.net/figure/Deformation-of-a-crystal-structure-a-original-lattice-belastic-deformation-with-no_fig12_325178996

www.youtube.com/watch?v=YuQFhbRaWD0