材料成型加工第一章 液态成型理论基础
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1. 金属的液态成形(铸造)1.0概述将金属材料加热到高温熔化状态,然后采取一定的成形方法,待其冷却、凝固后获得所需金属制品,这种制造金属毛坯的过程称为金属的液态成形。
金属的液态成形除了铸造之外,还有液态模锻。
1.0.1铸造的定义铸造是指将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型型腔中,待其冷却凝固后,获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的金属液态成形方法。
它是生产机器零件毛坯的主要方法之一。
1.0.2铸造的基本过程铸造生产的基本过程包括以下三个步骤:①根据零件的要求,准备一定的铸型;②把金属液体浇满铸型的型腔;③金属液体在铸型型腔中冷凝成形,获得一定形状和尺寸的铸件。
1.0.3铸造生产的特点铸造的实质就是液态金属(合金)逐步冷凝成形,具有以下特点:优点:①适应性广几乎所有金属及其合金,只要能够熔化成液态便能铸造,尤其是适合生产塑性差的材料。
②工艺灵活性大各种形状、尺寸(壁厚从0.5~1000mm、轮廓从几毫米至几十米)、重量(从几克~几百吨)和生产批量的铸件都能生产,能够制成如机床床身、箱体、机架、支座等具有复杂内腔的毛坯。
某些形状极其复杂的零件只能用铸造方法制造毛坯。
③省工省料铸件毛坯与零件形状相似,尺寸相近,加工余量小,金属利用率高,可以省工省料,精密铸件甚至不需切削加工,就可直接装配。
④生产成本低铸造用的原材料来源广泛,可直接利用报废的机件和切屑。
造型设备投资少,易操作。
缺点:①铸件内部晶粒比较粗大,组织疏松,容易产生气孔、夹渣等铸造缺陷,机械性能和可靠性不如锻件,尤其是冲击韧性较差,不宜制造受冲击或交变载荷作用的零件。
②生产过程比较复杂,工序多且一些工艺过程难以精确控制,铸件质量不稳定,废品率较高。
③工人劳动强度大,劳动条件差。
1.0.4铸造生产的发展历史我国是世界上最早掌握铸造生产的文明古国之一。
早在三千多年前,青铜铸器已有应用,二千五百多年前,铸铁工具也已相当普遍。
我国劳动人民对世界铸造业的三大贡献(三大铸造技术):泥型铸造(砂型铸造)、铁型铸造(金属型铸造)、失蜡铸造(熔模铸造)。
第五节与液态成形相关的新工艺、新技术简介一、模具快速成形技术快速成形(Rapid Prototyping,简称RP):利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术。
它能根据产品的三维模样数据,不借助其它工具设备,迅速而精确地制造出该产品,集中体现在计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用。
传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、刨、磨等多种机加工设备和各种工装、模具,成本高又费时间。
一个比较复杂的零件,其加工周期甚至以月计,很难适应低成本、高效率生产的要求。
快速成形技术是现代制造技术的一次重大变革。
(一)快速成形工艺快速成形技术就是利用三维CAD的数据,通过快速成形机,将一层层的材料堆积成实体原型。
迄今为止,国内、外已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺,其中比较常用的有以下几种:1.纸层叠法—薄形材料选择性切割(LOM法)计算机控制的CO2激光束按三维实体模样每个截面轮廓对薄形材料(如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等)进行切割,逐步得到各个轮廓,并将其粘结快速形成原型。
用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。
2.激光立体制模法—液态光敏树脂选择性固化(SLA法)液槽盛满液态光敏树脂,它在计算机控制的激光束照射下会很快固化形成一层轮廓,新固化的一层牢固地粘结在前一层上,如此重复直至成形完毕,即快速形成原型。
激光立体制模法可以用来制作消失模,在熔模精密铸造中替代蜡模。
3.烧结法—粉末材料选择性激光烧结(SLS法)粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。
粉末材料薄薄地铺一层在工作台上,按截面轮廓的信息,CO2激光束扫过之处,粉末烧结成一定厚度的实体片层,逐层扫描烧结最终形成快速原型。
用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型、以及铸造用母模等。
4.熔化沉积法—丝状材料选择性熔覆(FDM法)加热喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息作X-Y平面运动和高度Z方向的运动,塑料、石腊质等丝材由供丝机构送至喷头,在喷头中加热、熔化,然后选择性地涂覆在工作台上,快速冷却后形成一层截面轮廓,层层叠加最终成为快速原型。
第一章:液态金属的结构与性质1雷诺数Re:当Re>2300时为紊流,Re<2300时为层流。
Re=Du/v=Duρ/η,D为直径,u 为流动速度,v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。
层流比紊流消耗能量大。
2表面张力:表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。
润湿角:接触角为锐角时为润湿,钝角时为不润湿。
3压力差:当表面具有一定的曲度时,表面张力将使表面的两侧产生压力差,该压力差值的大小与曲率半径成反比,曲率半径越小,表面张力的作用越显著。
4充型能力:充型过程中,液态金属充满铸型型腔,获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力,即液态金属充型能力。
5长程无序、近程有序:液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的,液体结构宏观上不具备平移、对称性,表现出长程无序特征;而相对于完全无序的气体,液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团,液体结构表现出局域范围内的近程有序。
拓扑短程序:Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体,原子间的共价键并未完全消失,存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。
化学短程序:Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。
6实际液态金属结构:实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成,同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物,而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征,其结构相对复杂。
能量起伏:液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低,同一原子的能量也在随时间不停的变化,时高时低,这种现象成为能量起伏。
结构起伏:由于能量起伏,液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散,此起彼伏而存在结构起伏。
浓度起伏:游动原子团簇之间存在着成分差异,而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化,这一现象成为浓度起伏。
第一章金属的液态成形技术1、金属液态成形有液态浇注、液态冲压和液态模锻等。
2、铸造成形(即液态浇注)的优点:1)可获得形状复杂的零件毛坯,如:发动机机体、机床箱体和床身、燃气轮机的蜗轮片、复杂工艺品等。
2)适应性广。
各种金属、铸件均可铸造;3)成本低。
所用原材料来源广,价格低,可回收利用;4)机械切削加工量少。
因为铸件的尺寸和形状与零件非常接近。
一、金属液态成形原理主要指金属的铸造性能。
金属的铸造性能包括金属的流动性、充型能力、收缩、偏析、吸气性等。
(一)金属的流动性1、定义:指金属液本身的流动性。
2、影响因素:金属种类、化学成分、凝固方式3、锰和硫会形成高熔点夹杂物,降低金属流动性。
磷形成低熔点夹杂物,提高金属流动性。
(二)金属的充型能力1、定义:金属液充满铸型型腔,获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力。
2、影响因素:金属流动性、浇注条件、铸型条件。
1)金属流动性:流动性越好,充型能力越强;否则会浇不足、冷隔。
2)浇注条件:①浇注温度(正比;温度过高会使吸气量和总收缩量增大,易产生气孔、缩孔)②充型压力:液态金属在流动方向上所受到的压力。
(正比,压力铸造和离心铸造可增加充型压力)3)铸型条件:包括铸型材料、结构、其中气体含量。
3、“高温出炉,低温回炉”的原理:高温出炉可以使一些难熔的固体质点熔化;低温浇注能使一些尚未熔化的质点及气体在浇包镇静阶段有机会上浮而使铁水净化,从而提高金属流动性。
(三)收缩1、定义:金属由液态向固态的冷却中,其体积和尺寸减小的现象。
2、包括液态收缩(缩孔——顺序凝固原则)和凝固收缩(缩松)、固态收缩(内应力,有变形和裂纹)。
体积收缩线收缩同时凝固原则3、影响因素:化学成分、浇注温度、铸件结构、铸型条件。
4、缩孔:液态金属充满铸型后,铸件在凝固过程中由于补缩不良而产生的洞孔。
✓预防缩孔措施:遵循“顺序凝固”原则,即在造型工艺上人为地设置冒口、冷铁,按照一定的冷却顺序,使缩孔移到铸件的外面或消失。
《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称(中英文)中文名称:材料成型理论基础英文名称:Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码:0809554课程性质:专业核心课,必修课三、学时与学分总学时:56学分:3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设,也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。
六、课程教学目的(对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用)本课程是本专业的核心课程之一,其教学目的主要包括:1.让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解,掌握其基本原理和规律。
2.了解液态金属的结构和性质;掌握液态金属凝固的基本原理,冶金处理及其对产品性能的影响。
3.掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。
4.掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论,金属流动的基本规律及其应用。
5.了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点:教学重点:1)本课程以材料成形工艺的理论基础为主线,根据成形加工过程中材料所处或经历的状态,分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类,学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。
2)本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论,以及传热学、流体力学等专业基础理论知识,学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质,包括共性原理,同时也要注重个性规律性认识。
3)课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识,阐述这些现象的本质,揭示变化的规律。
而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。
4)重点学习的章节内容包括:第4章“单相合金与多相合金的凝固”(6学时)、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”(6学时)、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”(6学时)、第8章“成形过程的冶金反应原理”(6学时)、第11章“应力与应变理论”(4学时)、第12章“屈服准则”(6学时)。