材料成形装备及自动化 第3章

《材料成型装备及自动化》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料成形装备及自动化英文名称：Material Forming Equipment and Automation二、课程编码及性质课程编码：0809571课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：48学分：3.0四、先修课程机械原理、机械设计、工程控制基础、液压传动、材料加工工程五、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.系统全面掌握材料成形装备及自动化方向的专业知识，具备应用这些知识分析、解决材料成型及控制工程专业中的成形装备及其自动化控制复杂问题的能力；2.掌握各种类材料成形设备的工作原理、结构特点、应用范围、控制方法等，具备操作、调控设备及仪器参数，进行测控和维护的能力；3.理解不同材料的成型特点与共性问题，掌握金属材料成形（含铸、锻、焊、高分子塑料成形、快速成形等典型工艺装备及其自动化控制系统，具备针对不同需求设计研发各类材料成型新设备的能力；4.了解材料成形装备及自动化技术的发展前沿，掌握其发展特点与动向，具备研发高端材料成型装备及控制系统的基础与能力。

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）材料的种类繁多，成形方法及装备各异，本课程以介绍材料的成形装备为主体、以讲述成形装备的自动化为重点；2）在全面了解与掌握材料成形装备种类及结构特点的基础上，重点学习金属材料成形、高分子塑料成形、快速成形等装备及其自动化技术；3）课程将重点或详细介绍各种材料成形装备及方法中的主要设备和自动化程度较高的新型设备，而对次要设备或较旧式设备只作简要介绍或自学。

4）重点学习的章节内容包括：第2章“金属液态成形装备及自动化”（8学时）、第3章“金属塑性成形装备及自动化”（8学时）、第4章“金属连接成形装备及自动化”（8学时）、第6章“快速成形装备及控制”（6学时）。

一、无模铸造的基本概念无模铸型制造工艺(Patternless Casting Manufacturing，PCM)是将快速成形技术应用到传统的砂型制造工艺中。

PCM工艺也是基于快速成形技术的离散／堆积成形原理，但它是不同于传统砂型制造工艺的造型方法。

PCM工艺的基本原理如下图所示。

首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型；由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息；造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘结剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂；两者发生交联反应，一层层固化型砂堆积成形。

这样在粘结剂和催化剂共同作用的地方，型砂被粘结在一起，其它地方原砂仍为颗粒态。

固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。

在粘结剂没有喷射的地方仍是散砂，比较容易清除。

清理出中间未固化的散砂，就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。

PCM是一种结合计算机技术对树脂砂造型工艺进行改造的技术。

它不仅能使铸造过程自动化、敏捷化,降低工人劳动强度,而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍,使设计、制造的约束条件大大减少,具有传统铸型制造工艺无可比拟的优越性。

PCM铸型的表面质量直接影响到原型件和铸件的表面质量。

在PCM工艺中,除了因为分层产生的“台阶效应”,铸型表面还常常存在着结瘤、毛刺等缺陷,这给铸型的后处理造成了困难,并影响铸件的尺寸精度和表面质量。

为解决这个问题,主要从以下几个方面进行了研究。

1、提高扫描线的质量在PCM工艺中,扫描线的质量决定了铸型轮廓的质量。

采用离散式喷头,喷射得到的扫描线具有离散特征。

首先要减小喷嘴直径(孔径),同样的条件下,喷嘴直径小,流量就小,线宽就小,扫描线质量就越高。

为了避免喷头堵塞和提高造型效率,喷嘴直径不能太小。

其次要根据扫描速度,设置较高的振动频率和中等的占空比,这样可使喷射的液滴更细小,单元体和间隙更小。

绪论1.材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等种类。

2.金属材料包括钢铁、铜合金、铝合金、镁合金等。

高分子材料包括塑料、树脂、橡胶等。

无机非金属材料几乎包括除金属材料、高分子材料以外的所有材料，主要有陶瓷、玻璃、胶凝材料（水泥、石灰和石膏等）、混凝土、耐火材料、天然矿物材料等。

3.复合材料是指由两个或两个以上独立的物理相，包括粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物。

4.常见的金属材料热加工成形方法：1）铸造成型：（1）重力作用下的铸造成形：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造；（2）外力作用下的铸造成形：离心铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造。

2）塑性成形：轧制塑性成形、挤压塑性成形、拉拔塑性成形、自由锻成形、模锻成形、板料冲压成形。

3）焊接成形：电弧焊、电渣焊、电子束焊、等离子弧焊、电阻焊、摩擦焊、钎焊。

5.装备在材料成形加工中的作用：1）大大提高了生产率，降低了工人的劳动强度；2）提高了产品质量与精度，降低了原材料消耗；3）缩短了产品设计至实际投产时间；4）减少制品的库存；5）改善操作环境，实现安全和清洁生产。

第二章金属液态成形装备及自动化1.铸造可分为“砂型铸造”和“特种铸造”。

2.铸铁合金广泛采用冲天炉熔化，铸钢常用电弧炉或感应电炉熔炼，铝合金常用电阻炉或油、气炉熔化等。

3.砂处理设备的分类：1）新砂的处理、贮存、输运系统2）旧砂的回用和再生系统3）辅料的贮存和输运系统4）型砂的混制和输运系统5）型砂质量控制系统4.旧砂处理装备：常有夹杂物分离设备、旧沙冷却装备等。

对于化学粘结剂砂还包括旧砂再生设备。

5.混砂装备：按混砂装置可分为碾轮式、转子式、摆轮式、叶片式、逆流式等。

最常见：1）碾轮式混砂机：适用于小零件。

传动系统带动混砂机主轴以一定转速转动时，安装在主轴十字头两侧的碾轮随之旋转，由于与砂层接触，碾轮又绕自身水平轴自转，在转动过程中将砂层压实。

第3章精密成形技术精密成型技术是指零件成型后，仅需少量加工或不再加工(近净成型技术或净成型技术)就可用做机械构件的一种成型技术。

它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成型技术，使之由粗糙成型变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的成型技术。

它使得成型的机械零件具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、低的表面粗糙度。

精密成型技术具有以下特点：(1)可方便快捷地制出过去很难制出的结构件，为新产品的开发提供有力的技术支持，并具有对市场要求做出迅速响应的能力；(2)较理想地保留了材料组织的连续结构，提高了零件的机械、力学和物理综合性能；(3)近净成型尺寸及形位精度高，为后续采取高效率、高精度加工提供了理想的毛坯；(4)高效率、低消耗、低成本，为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了有利条；(5)较传统成型产品改善了生产条件、减少了对环境的污染，是一种清洁生产技术。

因此，精密成型技术将成为今后推广应用的重要绿色制造技术，是新工艺、新材料、新设备，以及各项新技术成果的综合集成技术。

常见的少无切削加工技术包括：粉末成形技术、精密液态成形技术、精密固态成形技术、精密焊接技术，以及最近几年才发展起来的快速原型技术等。

3.1精密液态成形技术铸造是一种液态金属成形方法。

长期以来，应用最广泛的是普通砂型铸造。

随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生活、生产的需要，在继承古代铸造技术和应用近代科学技术成就的基础上，开创了许多新的铸造方法和工艺。

使现代铸造技术朝着“精密、洁净、高效”方向发展。

现代铸造技术以熔体洁净、铸件组织细密（性能高）和表面光洁、尺寸精度高、生产效率高为主要特征，可以简称为精密洁净高效铸造工艺技术。

精密洁净铸造是采用各种特殊的工艺方法实现的。

常见的包括:精密砂型铸造（组芯造型铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造），消失模铸造，高效金属型铸造（挤压铸造、压力铸造、低压铸造），半固态铸造，近终形状铸造等。