第三章 先进制造工艺技术 第二节材料受迫成形工艺技术

❖ 特点（1）能源消耗低；（2）锻件精度高、力学 性能好、内部组织无偏析、无各向异性；（3）疲 劳寿命高。
2、粉末锻造成形工艺过程
❖ 粉末制取：成分均匀，流动性好、杂质少。 ❖ 模压成形：将粉末置于封闭的模具型腔内加压，使之成为具有一定形
状、尺寸、密度与强度的型坯，以便进行烧结。 ❖ 型坯烧结：高温烧结的目的是为了进一步提高型坯的强度和密度。 ❖ 锻前加热：放置型坯的氧化和脱碳，要有惰性气体保护。 ❖ 锻造：锻造温度、锻造压力和锻造时间。 ❖ 后续处理：退火、调质、表面渗碳淬火等热处理或者时效处理。
自硬砂精确砂型铸造
❖ 采用自硬树脂砂代替粘土砂造型，克服了铸件质 量差、生产效率低、劳动强度大、环境污染重的 缺点。自硬树脂砂具有高强度、高精度、高溃散 性、和低的造型造芯劳动强度的特点，适合各种 复杂中、小型铸件型芯制作的高效工艺。可以生 产壁厚仅有2.5mm
高紧实砂型铸造
❖ 铸型的高紧实率是当代造型机的发展方向，高紧实率及其均匀性可提 高铸型强度、刚度、硬度和精度，可减少金属液浇铸和凝固时型壁的 移动，提高工艺的出品率，降低金属消耗，减少缺陷和废品。
特种铸造技术
压力铸造
压力铸造是在专用设备—压铸机上进行 的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的 金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固 获得铸件的方法。
压用较压力铸造低的压力 （一般为0.03～0.07Mpa），将金属液从 铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸 件的方法
1、气体辅助成形
❖ 在熔融塑料填充（不完全充填）完成后，利用型 腔内熔融体冷却前的时间差，将具有一定压力的 惰性气体迅速地注入成形体内部，此时气体可在 成品壁较厚的部分形成空腔。
2、注射压缩成形法
注射机特点：
有少量化学变化，其变化过程基本上是可逆的．(变化过 程可逆)
（PE、PP、PVC、PS、ABS、PMMA、PA、 POM、PC等）
热固性材料
在受热或其它条件下能固化成不熔不溶性物质的塑 料 ，其分子结构最终为体型结构。（变化过程不 可逆） （酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、聚邻苯二甲酸 、二烯丙酯、有机硅塑料、硅酮塑料
❖ 精密冲裁通常通过光洁冲裁、负间隙冲裁、带齿圈压板冲 裁等工艺手段来实现。
❖ 光洁冲裁：小间隙小圆角冲裁。
❖ 负间隙冲裁：凸模尺寸大于凹模型腔尺寸，实质 上为冲裁和修正工序的复合。
❖ 带齿圈压板精冲
4、辊轧工艺
❖ 用轧辊对坯料进行连续变形的压力加工方法，具 有生产效率高、质量好、成本低和材料消耗少的 优点。
（1）细晶超塑性，又称组织超塑性或恒温超塑性，其超塑性产生的内
在条件是具有均匀、稳定的等轴晶组织，晶粒尺寸通常小于10微米； 外在条件是应变速率要比普通金属应变速率至少低一个数量级； （2）相变超塑性，又称为环境超塑性，是指在材料相变点上下进行温度 变化循环的同时对试样加载，经多次循环试样得到积累的大变形。
先进制造工艺技术
第二节 材料受迫成形工艺技术
史振宇
shizhenyu@
主要内容
1 精密洁净铸造成形 2 精确高效金属塑性成形工艺 3 粉末锻造成形工艺 4 高分子材料注射成形
2
受迫成型的含义
❖ 利用材料的可成形性，在特定的边界和外力约束 条件下的成形方法：如铸造、锻压、粉末冶金和 高分子材料注射成形等工艺方法。
属不超过60％，而目前所已知的如锌合金、铝合金、铜合金、钛合金 和高温合金中，最大伸长率可达1000％，有的甚至达2000％。 ❖ 利用材料的超塑性进行成形的方法即为超塑性成形。 ❖ 利用材料的超塑性可以在小吨位设备上实现形状复杂，用其他手段难 以进行的零件精密成形。
❖ 金属的超塑性主要有两种类型：
❖ 可通过气动压实、真空吸砂、气流吹砂、液动挤压和气冲等工艺手段 。
❖ 由于紧实度提高，铸件的精度、 表面粗糙度可提高2-3级，适用于 大批量铸件的生产。
气冲造型
消失模铸造
❖ 消失模铸造工艺是采用聚苯乙烯等发泡塑料模样 代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属 液，在金属液的作用下，塑料模样燃烧、气化、 消失，金属液取代原来塑料模所占据的空间位置 ，冷却凝固后获得所需铸件的铸造方法。
造型和制芯准备 型砂和芯砂由原砂、粘结剂、水及其它附加物混制 分为：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂
水玻璃为气硬性胶凝材料，在空气中与二氧化碳发生反应，析出二氧化 硅凝胶，因凝胶脱水而逐渐硬化。其化学反应如下
Na2O ·nSiO2 ＋ CO2 ＋ mH2O →Na2CO3＋ nSiO2 ·mH2O沉淀
❖ 1、精密模锻工艺 ❖ 2、超塑性成形 ❖ 3、精密冲裁工艺 ❖ 4、辊轧工艺
1、精密模锻工艺
精密模锻是在模锻设备上锻 造出锻件形状复杂、精度高 的模锻工艺。
为了减少氧化，提高精锻件 质量，精锻时采用较低的加 热温度，称为低温模锻。
精密模锻的锻件精度很大程 度上取决于锻模的加工精度， 锻模精度要求比锻件精度高 1～2等级。模具型腔需开 排气孔，以减小金属流动阻 力。
挤压铸造
2、清洁铸造技术
1、采用洁净能源。以铸造焦代替冶金焦，以少粉尘、少熔渣的感应电炉 熔化代替冲天炉熔化，以减轻熔炼过程中对空气的污染。
2、采用无砂或少砂的特种铸造工艺，如压力铸造、金属型铸造等，改善 操作者工作环境。
3、研究并推广使用清洁无毒的工艺材料。 4、采用高溃散性型砂工艺，如树脂砂、改性脂硬化水玻璃砂工艺 5、研究开发多种废弃物的再生和综合利用技术，如铸造旧砂的再生回收
不带保温炉
带保温炉
1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖； 6-浇道；7-型腔；8-铸型
熔模铸造
熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采 用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型 材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将 蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后 浇注金属液而获得铸件的铸造方法。
蜡模铸造工艺流程：
❖ 辊锻轧制 ❖ 展环轧制
三、粉末锻造成形工艺
❖ 1、粉末锻造成形工艺特点 ❖ 2、粉末锻造成形工艺过程 ❖ 3、粉末锻造模具
1、粉末锻造成形工艺特点
❖ 粉末冶金：将各种金属和非金属粉料均匀混合后 压制成形，再经过高温烧结和必要的后续处理来 制取产品的工艺方法。
❖ 金属粉末经压实后烧结，再用烧结体作为锻造毛 坯的锻造方法称为粉末锻造 。
一、精密洁净铸造成形
❖ 精密铸造成形技术 ❖ 清洁铸造技术 ❖ 铸造过程计算机模拟
传统的砂型铸造
❖ 是一种最基本的铸造方法，历史悠久，其工艺过程有制造 模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干合箱、熔化几个步 骤。 工艺设计： 确定铸造工艺方案： 首要考虑：浇注位置的选择、铸型分型面的的选择 还应注意：机械加工余量、拔模斜度、铸件收缩率、 冒口位置及尺寸等等 绘制铸造工艺图
蜡模制造 结壳
脱模
焙烧
浇注
脱蜡和造型
熔模铸造的表壳 （奥氏体不锈钢）
离心铸造
离心铸造是将金属液浇入高速旋转 （250～1500r/min）的铸型中，并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型，也可以是砂型。既适合制 造中空铸件，也能用来生产成形铸件。
立式离心铸造
卧式离心铸造
❖ （3） 简化了铸件生产工序，缩短了生产周期，使造型效 率比砂型铸造提高2~5倍。
消失模特点
❖ 缺点：实型铸造的模样只能使用一次，且泡沫塑 料的密度小、强度低，模样易变形，影响铸件尺 寸精度。浇铸时模样产生的气体污染环境。
❖ 用途：实型铸造主要用于不易起模等复杂铸件的 批量及单件生产。
❖ 压力铸造 ❖ 低压铸造 ❖ 熔模铸造 ❖ 离心铸造 ❖ 真空铸造 ❖ 挤压铸造
超塑性拉伸的Zn-Al合金试样
经典的超塑性气 压阴模成形工艺 示意图
超塑性气压成形过程中施加“背压”的作 用—在材料中形成静水压，防止产生“空 洞”。
超塑性成形的火箭发动机涡轮盘（材料Ti-6Al-4V合金）
超塑性成形的飞机发动机压气 机盘（材料：TC11钛合金）
3、精密冲裁工艺
❖ 精密冲裁是使冲裁件呈纯剪切分离的冲裁工艺，在普通冲 裁工艺基础上通过改进模具来提高制件的精度，使冲裁件 尺寸精度可达IT6～IT9级，断面粗糙度Ra值为1.6～0.4μm 。
3、粉末锻造模具
❖ 粉末锻造一般都在闭式模腔内进行，因此对模具 精度要求较高。
四、高分子材料注射成形
高分子材料已经与钢材、水泥、木材并列 为四大基本工程材料
❖ 1、气体辅助成形 ❖ 2、注射压缩成形法 ❖ 3、模具混合成形法 ❖ 4、剪切场控制取向成形法 ❖ 5、直接注射成形法
热塑性塑料
将该类塑料升温熔融为粘稠液体后施加高压，便可以 充满一定形状的型腔而后使其冷却固化定型成为制品．如 果再将其加热又可进行另一次塑料成型，如此可反复地进 行多次．在成型过程中，该塑料主要是发生物理变化，仅
二氧化碳硬化法硬化水玻璃
砂型铸造的特点
1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精度高、质量
好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高
1、精密铸造成形技术
I. 自硬砂精确砂型铸造 II. 高紧实砂型铸造 III. 消失模铸造 IV. 特种铸造技术
消失模特点
❖ （1） 由于采用了遇金属液即气化的泡沫塑料模样，无需 起模，无分型面，无型芯，因而无飞边毛刺，铸件的尺寸 精度和表面粗糙度接近熔模铸造，但尺寸却可大于熔模铸 造。
❖ （2） 各种形状复杂铸件的模样均可采用泡沫塑料模粘合 ，成形为整体，减少了加工装配时间，可降低铸件成本 10%～30%，也为铸件结构设计提供充分的自由度。
技术、熔炼炉渣的处理和综合利用技术。 6、研制开发铸造机器人或机械手，以代替工人在恶劣条件下工作。
3、铸造过程的计算机模拟
1.金属充型过程的数值模拟 2.凝固过程数值模拟 3.应力场数值模拟 4.微观组织模拟