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Lesson 1 Position of metal forming in
modern industry
金属成形在现代
工业中的地位
Metal forming is one of the fundamental
manufacturing process. It plays an
important part in
metallurgy
冶金
, machine
building
机械制造
,
power
电力
,
autobile
汽车
,
railroad, aerospace
航空
, ship-
building, weapon,
chemical
化工
,
e
lectronics
电子
,
instrument and meter
making
仪器和仪表制造
and light
industries
轻工业
.
金属
成形是材料的塑性加工过程。在金属成形工艺中，最初的简单零件
,
< br>坯料
或板料通过在模具之间变形而获得所需零件的最终形状。由于模具具有所需零
件的几何
形状，
通过模具内表面对变
形材料施压，简单形状的零件就会变成复杂形状的零件。金
属成形很少产生废料甚至不产
生废料，
并且往往在很短时间内（即压力机或锻锤的一次
或几次行程中）形成产品形状。因此，
金
属成形可节能省材。特别是在大中批量生产
时，模具成本容易收回。另外，对于给定重量
的零件，用金属成形加工比用铸造和切削
加工生产具有更好的力学性能、冶金性能和可靠
性。
At present, net shape
manufacturing
净形制造
and near
net shape manufa
cturing
近净形制造
have become the focus of studies
研究的焦点
pursed
追逐
by the m
etal forming
circle
领域
.
Research institutions
研究学会，研究
机构
concentrating on the study of net
shape
manufacturing
净形制造
have been
established
建立
and
enormous
巨大
funds
an
d
minds
财力与智力
invested. Net
shape manufacturing is vigorously developing
t
hroughout the world.
By the application of cold
extrusion
冷挤压
, cold
heading
冷镦
, precision
die forging
精密模锻
,
special rolling
特殊滚压
, fine
blanking
精冲
,
spinning
旋压
,
multi-ram forging
多向模锻
,
multi-position pressing
多工位压制
, high-speed
pr
essing with progressive
dies
级进模高速冲压
, powder
forging
粉末锻压
, super
pla
stic
forming
超塑性成形
and laser
processing
激光加工
, finished
parts can be pro
duced with high
accuracy
高精确度
, low surface
crudeness
粗糙度
.The days have
a
lready gone when
（定语从句）
metal forming was
considered
认为
as a process
by
which only
认为
as a process by which only
semifinished products could be
mad
e
（从句）
.It is
predicted
预测by ? that（从句）
by
the year 2000 metal formin
g combined
with the year 2000 metal forming combined with
grinding
technology
（定语）磨削工艺
will
replace most of metal cutting.
Lesson 2
Classification of Metal Forming Processes
Nearly all mental forming processes
involve the workpiece being subjecte
d
to complex stress
states(
处于复杂应力状态下
)which can
vary from, say triaxi
al
compression(
三向压应力
) to
biaxial tension(
两向拉应力
).
However, shear
str
esses(
剪切应力
)
need not be considered unless they
constitute(
构成
) major
str
esses to which the workpiece is
subjected and are thus influential in
contrib
uting to plastic deformation.
Most of the complex stress states can be
approx
imated(
近似
)
by their principal stress
components(
主应力
),that is, by
the nor
1
mal
stress(
正应力
) acting on planes
on which shear stresses(
剪应力
)
are absen
t.
Squeezing
group
（压缩类）
in which the
workpiece is subjected principally
to a
compressive stress
state
（压应力状态）
.The processes
in this group norm
ally involve bulk
plastic
deformation
（大塑性变形）
producing
considerable cha
nge in the shape of the
workpiece
（形状发生显著变化）
.They
include forging (
upsetting
顶锻
,
closed die forging
闭式模锻
and
coining
压印
), forward and
back
ward
extrusion
（正反挤压）
,
rolling
滚压
,
swaging
（型锻
,
模锻）
, spin
forging
旋锻
and rotary
forging
摆动辗压
.
Drawing group in which the workpiece is
subjected principally to a tensi
le
stress
（拉应力）
state; thus
pulling instead of pushing
（后置定语）
is
谓语
im
processes in this group are generally
limited
（通常受限）
in the
ext
ent of plastic
deformation
（塑性变形量）
of the
workpiece
which
（定语从句）
can
be
achieved in a
operation
（单次操作所能达到的）
and are
therefore
（因此）
res
t
ricted to changes in shape of the workpiece rather
than changes in thickness.
The
workpiece is thus usually in the form of metal
sheet
金属片
, plate or
thi
n walled
tubing
薄壁管
. This group
includes sheet, wire and bar drawing, tube
drawing
管材拉拔
, the
deep drawing
深拉延
of
cylindrical cup
筒形杯
and box
shapes
盒形件
and stretch
forming.
Bending group in which
（修辞
group
）
the
workpiece is subjected to
couple
s
力偶
thereby
including
（修辞
group
）
tensile
stresses
拉应力
on one side of
the
workpiece and compressive
stress
压应力
on the other with a
stress gradient
thr
oughout
应力梯度
the thickness of the
group
（主语）
of
processes
are
（谓语）
again restricted to
change of shape rather than
两者相比较
change
in
thickness and include
（谓语）
straight
flanging
直翻边
, stretch
flanging (
concave
flanges)
拉伸翻边（凹板翻边）
, shrink
flanging (convex flanges)
收缩翻
边（凸板翻边）
and the
seaming
卷边
of sheet or plate.
Cutting group are those processes which
either separate excess metal fro
m the
workpiece in a single
operation
单次操作
or by
incremental
（增量，逐步）
metal
first category are shearing
processes
剪切工艺
such as bar
cr
opping
棒料剪切
, and
piercing
冲孔
and
blanking
落料
of sheet
mental
金属板
which
ar
e regarded as chipless forming
processes
无屑成形工艺
. The second
category ar
e chip
forming
有屑成形
and include the
conventional
传统
machining
processes
机加
工工艺
such as turning
车
,
drilling
钻
,
milling
铣
,
grinding
磨
,
sawing
锯
,
broach
ing
拉削
and
shaving
刨削
.
tensile
：拉应力
compressive
：
压应力
shear
：剪切力
Chip
forming:
有屑成形
Stra
in
－
rate
：应变速率
Piercing
：冲孔
Blanking
：落料
Turning
：车
Drilling
：钻
Mil
ling
：铣
Grinding
：磨<
/p>
Sawing
：锯
Broaching<
/p>
：拉削
Shaving
：刨削
Couples
：力偶
flanging
：翻边、折边
Lesson3
有限元优化的应用
在结构日益复杂的情况下，当工程师们工作时，他们需要合理的、可靠的、快速而
2
经济的设计工具。过去二十多年里，有
限元分析法已经成为判别和解决涉及这些复杂设
计课题时的最常用方法。
因为工程中的大多数设计任务都是可定量的，所以实践上，为了快速找到一
些可供
选择的设计方案。计算机令繁琐的重复设计过程发生了深刻的变革。但是，即使是
现
在，许多工程师仍然使用人工的试凑法。这样一种方法使得即使是很简单的设计任务也
变得困难，因为通常它要花更长的时间，需要广泛的人—机交互配合，且偏于用设计组<
/p>
的经验来设计。
优化设计是以理论数学
的方法为基础，改进那些对于工程师来说过于复杂的设计，
使其设计过程自动化。如果在
一部台式计算机平台上能实现自动优化设计，那就可以节
省大量的时间和金钱。
优化设计的目的就是要将对象极大化或极小化，例如，重量或基频，主
要受到频响
和设计参数方向的约束。尺寸和（或）结构形状决定着优化设计的方法。
观察一下作为零件优化设计过程，使它变得更容易理解。第一步，
包括预处理分析
和后处理分析，正像惯常使用的有限元分析（
F
EA
）和计算机辅助设计（
CAD
）程
序应
用。（
CAD
的特点在于根据设计
参数建立了课题的几何图形）。第二步，定义优化目标和
响应约束。而最后一步，反复自
动调节设计作业。优化设计程序将允许工程师们监督该
设计步骤和进度，必要时停止设计
，改变设计条件和重新开始。一项优化设计程序的功
力取决于有效的预处理和分析能力。
二维和三维设计的应用既需要自动进行也需要设计
参数的结网性能。因为在优化循环过程
中，课题的几何条件和网格会改变，所以优化程
序必须包含误差估计和自适应控制。
修改、重配网格和重新估算模式以期获
取特定设计目标的实现是以输入初始设计数
据开始的。接着，是规定合适的公差并形成约
束条件以获得最优结果，或最后改进设
计，解决问题。为了使产品从简单轮廓图形到三维
实体模型系统化、系列化，设计者必
须广泛接触设计目标和特性约束条件。为了易于确定
而利用下列参数作为约束和目标函
数的附加特性条件，也将是需要的：重量、体积、位移
、应力，应变，频率，翘曲安全
系数、温度、温度梯度和热通量。
此外，工程师们应该能够通过多学科的不同类型的优化分析使多种约束条件结合起
来。例如设计者为了应力分析，可以进行热力分析和加热以变更温度，也可将多种约束<
/p>
条件，诸如最高温度、最大应力和变形联系在一起进行研究，然后规定一个所希望的基
本频率范围。目标函数代表着整体模式或部分模式。甚至更重要的是通过说明重量或者
成本因素，就应该能反映该模式的各个部分的重要性。
Lesson4
金属
当有了其他各种材料，特别是有了塑料的今天，人类为什么仍然要使用如此之多的
< br>金属材料呢？那是有益的吗？通常使用一种材料，是因为它能提供所需的强度，所需要
的其他性能和低廉的费用。外观也是一个重要因素。金属的主要优点是它们所具有的强
度和韧性。水泥可能是比较便宜的，并常用于建筑上，但就强度角度来说，即使是水泥
仍然是取决于其内里的钢筋。
地
球上发现的元素大约三分之二为金属，但并非所有金属都能用于工业。那些用于
工业的金
属称为工程金属。最重要的工程金属是铁，它是一种与碳和其它元素组成的一
种合金，铁
比其它金属应用更广。由铁跟其它元素相结合组成的金属成为
黑色金属
< br>，所
3
有其它金属称为
有色金属
。最重要的有色金属是铜、铝、铅、锌、锡，但与黑色金属
相
比这些金属使用得少些，因为黑色金属更便宜。
然而并非所有的金属强度都很高。比如，铜和铝相当脆弱，但如果它们结合在一
块，其结果为一种称为铝青铜的合金，其强度比纯铜或纯铝更高。合金化是获得所需的
各种特殊性能的一种重要方法：如强度、韧性、抗磨性、磁性、高电阻或耐腐蚀性。
以不同的方法生产不同的合金，但是几乎所有的金属都是以金属矿的形式（铁矿、
铜矿等）被发现的。矿石是一种由金属与某些杂质相混合而组成的矿物质。为了用金属
矿石来生产出一种金属，我们必须将杂质从金属矿中分离出去，那就要靠冶炼来实现。
提炼、生产和处理金属的种种方法，各个时代都在研究和发展，以满足
工程的需
要。这就意味着存在大量的各种各样的金属和有用的金属物质可供选择利用。<
/p>
Lesson5
金属和非金属材料
在材料选择时所
遇到的最普通的分类问题，大概是这种材料是金属材料还是非金属
材料。最普遍的金属材
料是铁，铜，铝，镁，镍，钛，铅，锡和锌以及这些金属的合
金，例如：钢，黄铜和青铜
。它们具有金属特性：光泽，热传导性和电传导性，有相应
的延展性，而某些金属还具有
良好磁性。较普遍的非金属有木头，砖，水泥，玻璃，橡
胶和塑料。他们性能变化很大，
但它们通常几乎没有延展性，脆弱，比金属疏松，而且
它们不具有导电性，具有较差的导
热性。
一种材料对于另一种材料
常常借助于其物理性质来加以区别，例如颜色、密度、比
热、热膨胀系数，电、热传导性
能，磁性和熔点。其中某些性能比如电、热传导性、密
度，对于物种的确定的用途来说，
在选择材料时，其重要性是摆在首位的。描述一种材
料在机械应用中的表现的那些性能，
对于工程师在设计中选择材料来说，往往更为重
要。这些机械性能关系到该材料在工作中
对于各种载荷怎样地起作用。
机械性能是材料对所施加的作用力的特性反应（响应）。
这些性能主要归结到五大
类：强度、硬度、弹性、延展性和韧性。<
/p>
1
．强度——是材料抵抗外力作用的
能力。升降机的钢丝绳和建筑物的横梁都必须具
备这种性能。
2
．硬度——是材料抵抗穿透和磨损的能力。剪切工具（剪床）
必须能抗磨损。轧钢
机上的金属轧辊必须能抗穿透。
3
．弹性——是材料弹回到原有形状位置的能力。所有的弹性材料都应
具备这种性
质。
4
．延展性——材料承受永久变形而无裂损的能力。冲压和成形产品必须具备这种性
能。
5
．韧性——是吸收所施力
的机械能的能力。
强度和延展性决定着材料的韧性。有
轨电车、火车车厢、汽车轴、锤子和类似的产品都需要有韧性。
Lesson6
塑料和其他材料
塑料具有特殊的性能。对于某种用途而言，这些性能使得塑料
比传统材料更为可
取。例如，跟金属相比较，塑料既有优点也有缺点。金属易受到无机酸
的腐蚀，如硫酸
和盐酸。塑料能抵抗这些酸的腐蚀，但可被溶剂所溶解或引起变形，例如
，溶剂四氯化
碳与塑料具有同样的碳基。颜色必定只能涂到金属的表面，而它可以跟塑料
混合为一
体。金属比大多数塑料刚性要好，而塑料则非常之轻，通常塑料密度在
0.9
～
1.8
之间。
4