材料成型方法

材料成型方法

绪论

“材料成型方法”是材料成型及控制工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。

材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman （1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel （1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Müller（1987）发现了30°K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。

近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23％，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。

类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.64×106cm，是钢的比强度（0.64×106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。

美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg 降至112kg，铸铁的比例由15％减至11％；而铝合金由4％增至9％；高分子材料由6％增

至9％。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%～50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。美国福特公司新车型中使用的主要材料，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量将大幅增加。

在航天航空工业上，材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减少发射推力5kg。一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。

在过去30年，燃气轮机叶片的工作温度平均每年提高6.67℃。而工作温度每提高83℃，就可使推力提高20％。在1960年以前，主要用锻造镍基高温合金，20世纪60年代初，美国采用在真空下的精密铸造，并铸出多冷却孔，提高工作温度50℃，70年代中期采用单晶合金（PWA1442），工作温度又提高50～100℃，目前采用第二代单晶（PWA1484），进一步改进冷却技术，再加上热障涂层，涡轮进口温度达到1650℃。推重比达15～20的叶片材料要能承受1930～2220℃的高温，所以涡轮叶片实际上是材料与制造工艺的结合，不仅要求高性能的材质，而且要求高度精确的成形技术。

材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形技术是一门研究如何用热或常温成形的方法将材料加工成机器部件和结构，并研究如何保证、评估、提高这些部件和结构的安全可靠度和寿命的技术科学。它属于机械制造学科。材料成形过程与金属切削过程不同，在大部分成形过程中，材料不仅发生几何尺寸的变化，而且会发生成分、组织结构及性能的变化。因此材料成形学科的任务不仅是要研究如何使机器部件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研究如何通过过程控制获得一定的化学成分、组织结构和性能，从而保证机器部件的安全可靠度和寿命。

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四。20世纪末和21世纪初，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440t不锈钢转轮、750t蜗壳和300t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。最近建成的30万t超级大型油轮（长333m ，宽58m）、1000t级的大型热壁加氢反应器（壁厚280mm）、空间环境模拟装置（直径18m、高22m的大型不锈钢真空容器）等都是材料及材料成形工艺的重大成就。

材料成形加工是制造业的重要组成部分。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成形。我国铸件年产量超过1400万t，成为世界铸件生产第一大国。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。以汽车生产为例，1953～1992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆，预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。据统计，2000年全球汽车用材总重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。

对国防工业而言，由于现代武器装备性能提高很快，相应的结构、材料和成形制造工艺就成为关键。以航空航天工业为例，中国航空业40余年来共生产交付了各种类飞机14000余架，各种类发动机50000余台，海防和空-空战术导弹14000余枚，目前已能成批生产第二代军用飞机，正在研制相当于国际水平的第三代军用飞机，从“九五”开始开展了第四代军用飞机的预研。现代飞机要求超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、全寿命成本等性能，很大程度上是依靠发动机性能的改进和提高来实现的。发动机性能提高的目标是提高推重比、功率重量比、增压比和涡轮前温度，国外现役机推重比7～8，在研机9～10，预研机15～20，我国相应为5.5、6.5～7.5、8～10。要实现上述指标，要不断发展先进涡轮盘材料和这些材料的精密成形和加工技术。因此，材料精密成形和加工技术成为关系国防安全的一种关键技术。

材料成形技术在21世纪发展过程中，逐步形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿

色”和“信息化”的特色。

1. 精密的材料成形特征随着材料资源和能源的日益紧缺，材料的少无切削加工已作为制造技术发展的重要方向。材料成形加工的精密化，从尺度上看，已进入亚微米和纳米技术领域。表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形（Net Shape Forming），即近无余量成形方向发展。毛坯与零件的界线越来越小。采用的主要方法是多种形式的精铸（如熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、挤压铸造、充氧压铸、流变铸造、触变铸造等）、精密压力加工（如精锻、零件精轧、精冲、粉末冶金温压成形、冷温挤压、超塑成形、反压力液压成形、铸锻工艺、同步成形工艺、变压力压胀形技术等）、精密焊接与切割（如等离子弧焊、电子束焊、激光焊、脉冲焊、窄间隙焊、激光和电弧复合加热焊、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。

2. 优质的成形技术特征反映成形加工的优质特征是产品近无缺陷、零缺陷。此缺陷是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程控制及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。美国GM公司采用CAE技术，每年节省试制费用数百万美元。

3. 快速的成形技术特征表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，新型铸造、锻压、焊接方法从不同角度提高生产率。采取的主要措施有，将逆向设计(RE)、快速成形(RP)、快速制模（RT）技术相结合，建立起快速制造平台；应用数值模拟技术于铸、锻、焊和热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证成形工件的质量。波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50％。日本丰田公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65％。德国RIVAGE公司以一辆旧保时捷跑车作基础，以逆向工程和快速制造为手段，7个月造出一辆概念新车。

4. 复合的材料成形特征激光、电子束、离子束、等离子束等多种新能源和能源载体的引入，形成多种新型成形方法与改性技术，其中以各种形式的激光成形技术发展最迅速。一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术、爆炸焊/热轧复合成形技术等造就了一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用。此外，复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。

5. 绿色的材料成形特征成形加工向清洁生产方向发展，其主要的技术意义在于：①高效利用原材料，对环境清洁；②以最小的环境代价和能源消耗来获取最大的经济效益；③符合持续发展和生态平衡。美国在展望2020年的制造业时，把材料净成形工艺发展为“无废弃物成形加工技术（Waste-free Process），即加工过程中不产生废弃物，或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量的消耗，成为今后推广的重要绿色制造技术。

6. 信息化特征成形工艺逐步向柔性、集成系统发展，大量应用了各种信息和控制技术，如柔性压铸系统，轧、锻柔性生产线、搅拌摩擦焊机器人柔性生产线、弧焊/压焊焊接机器人生产线等；使用远程控制和无人化成形工厂，质量控制向控制过程智能化方向发展等等，都使材料成形技术注入自动化、信息化特征。

综上所述，现代科学的发展使材料成形技术的内容远远超出了传统的热加工范围。现代材料成形技术可拓展为：一切用物理、化学、冶金原理制造机器部件和结构，或改进机器部件化学成分、微观组织及性能，并尽可能采用复合制造、绿色制造、信息化制造获得优质毛

坯或零件的现代制造方法。

所有的零件加工工艺在成形学上按对材料的操作方式可归结为三类，即受迫成形、去除成形和堆积成形。

（1）受迫成形利用材料的流动性和塑性在特定外力或边界的约束下成形的方法。铸造、锻压以及注塑成形工艺都属于受迫成形。在这种成形方式中，能量的使用体现在使零件发生形态变化或塑性形状变化上；零件的制造信息（几何信息、工艺信息和控制信息等）经预处理后以形状信息的形式物化于工具之中，如模具、型腔等。这种信息处理过程与物理制造过程的结合形式，具有较好的刚性，即制造零件时重复性好，但其柔性较差。零件信息的任何改变都将导致工具的重新制造，因而较适用于定型产品的大批量生产方式或毛坯制造。

（2）去除成形运用材料的可分离性，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体分离出去而成形的方法。传统的车、铣、刨、磨等机加工工艺和激光、电火花加工工艺均属于去除成形。在这种成形方式中，零件制造信息体现在去除材料的顺序和每一步材料的去除量上，即信息通过控制刀具（激光、电火花等也可看作去除刀具）与待加工工件的相对运动，实现材料的有序去除。与受迫成形相比，这种信息过程与物理过程的结合方式具有较大的柔性，实际上，可以把刀具与工件的相对运动看作是一种易于修改、易于编程和易于控制的“动态模具”。但这种零件加工方式由于受到刀具与工件相对运动的条件限制，难以加工形状极为复杂的零件。

（3）堆积成形利用材料的可连接性，将材料有序地合并堆积起来而成形的方法。快速成形是堆积成形的典型方法，其次，一些焊接和喷镀也可视为堆积成形。快速成形的特点是从无到有，从小到大有序进行，零件的制造信息体现在材料结合的顺序以及每一次材料转变量与深度的控制上，即信息通过控制每个单元的制造和各个单元的结合而实现对整个成形过程的控制。在堆积成形过程中，信息过程与物理过程的结合达到比较高级的阶段，没有“模具”、“卡具”和“切削加工”的概念，成形零件不受复杂程度的限制，它提供了一种直接地并完全自动地把三维CAD模型转换为三维物理模型或零件的制造方法。

第1章液态金属铸造成形工艺

1.1概述

铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件的生产过程，是生产金属零件和毛坯的主要形式之一。

与其他零件成形工艺相比，铸造成形具有生产成本低，工艺灵活性大，几乎不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度的限制等特点。铸件的质量可由几克到数百吨，壁厚可由0.3mm 到1m以上。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置。铸件在一般机器中占总质量的40％～80％，但其制造成本只占机器总成本的25％～30％。

铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为重力铸造、压力铸造、离心铸造等。按照形成铸件的铸型分可分为砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造”。砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的80％以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种。

铸件的质量(品质)直接影响到机械产品的质量(品质)。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生产质量(品质)和经济效益、改变行业面貌的关键之一。

在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年

历史了，目前我国铸件年产量已超过1000万t。由于历史原因，长期以来，我国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水平的比较见表1-1。

表1-1 国内外铸造生产技术水平的比较

1.2 铸件形成理论基础

1.2.1金属的充型

液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。

充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。

影响充型能力的因素有：合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等，如表1-2所示。

表1-2 影响充型能力的因素和原因

1.2.2 铸件的温度场

金属液在铸型中的凝固和冷却过程是一个不稳定的传热过程，铸件上各点的温度随时间下降，而铸型温度随时间上升；铸件大部分为三维传热问题；铸件在凝固过程中不断释放出结晶潜热，其断面上存在固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，在金属型凝固时还可能出现中间层。因此，铸件与铸型的传热是通过若干个区域进行的。此外，铸型和铸件的热物理参数是随温度而变化的。由于这些因素的多样性和变化，采用数学分析法研究铸型温度场的变化必须要对问题进行合理的简化处理。

厚度30mm的平板铸铁件在湿砂型（铸型的初始水分为8%）中凝固时湿型断面上的温度场。可见，湿砂型被金属液急剧加热，随时间推移，铸型热量由型腔表面向内层砂型转移，高温表面层中的水分会向低温的里层迁移，含水铸型的温度场在任何时刻都可以划分为三个特征区。I区为干砂区；II区是温度为100℃、水分（质量分数）由m0（湿型的原始水分）增至m1（凝聚区水分）的高水区；III区的温度和水分分别由相邻II区的100℃及m1降至室温t0和m0。这三个区是逐渐地由型腔表面向铸型内部延伸扩展的。

1.2.3 金属的凝固

1．金属的凝固方式

液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过程的关键问题，其在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸造缺陷的形成，冷却凝固对铸件质量，特别是铸件力学性能，起决定性的作用。

一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固（或称糊状凝固）方式和中间凝固方式。铸件的“凝固方式”是依据凝固区的宽窄来划分的。

1）逐层凝固方式

tc是结晶温度，T1和T2是铸件断面上两个不同时刻的温度场。恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固相和液相由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心，这种情况称为“逐层凝固”。如果合金结晶温度范围很小或断面温度梯度很大时，铸件断面的凝固区域很窄，

也属于逐层凝固方式。

2）体积凝固方式

如果合金的结晶温度范围很宽，或因铸件断面温度场较平坦，铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度尚高于ts，这种情况称为“体积凝固方式”，或称“糊状凝固方式”。

3）中间凝固方式

如果合金的结晶温度范围较窄，或因铸件断面的温度梯度较大，铸件断面上的凝固区域宽度介于前二者之间时，则属于“中间凝固方式”。

决定凝固区域宽度的因素

铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定的。铸件的温度梯度主要取决于：

(1) 合金的性质合金的凝固温度愈低、导热率愈高、结晶潜热愈大，铸件内部温度均匀化能力愈大、而铸型的激冷作用变小，故温度梯度小（如多数铝合金）；

(2) 铸型的蓄热能力铸型蓄热能力愈强，激冷能力愈强，铸件温度梯度愈大；

(3) 浇注温度浇注温度愈高，因带入铸型中热量增多，铸件的温度梯度减小。

1.2.4 合金的收缩、应力及变形

1. 合金的收缩及影响因素

1) 收缩

金属从浇注温度冷却到室温要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段。固态收缩将引起铸件外部尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。

2)影响收缩的因素

化学成分、浇注温度和铸件结构和铸型条件对收缩产生影响

3)缩孔及缩松

铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以至成为废品，是极其有害的铸造缺陷之一。

2. 缩孔、缩松的防止方法

(1) 使缩松转化为缩孔的方法：

①尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固；②对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法。

(2) 防止缩孔的方法要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，可采用“定向凝固原则”。

定向凝固的优点：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。定向凝固的缺点：由于铸件各部分有温差，凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固使清理工作量大。

2.铸造应力及变形

铸件凝固后继续冷却，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。铸造应力分为热应力和收缩应力。

1)热应力

铸造热应力引起框架式铸件的变形过程如下左图所示。因此，热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率愈高，弹性模量愈大，热应力也就愈大。

2）防止应力和变形的方法

采用同时凝固原则是防止热应力的有效方法。同时凝固原则的优点是，凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。

1.3 砂型铸造工艺分析

1.3.1 浇注位置和分型面的确定

浇注位置与分型面的选择密切相关。通常分型面取决于浇注位置的选定，既要保证质量，又要简化造型工艺。

1. 浇注位置选定原则

浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置，浇注位置选择有如图5个原则。

2. 分型面的选择原则

一般说来，分型面在确定浇注位置后再选择。但是，分析各种分型面的利、弊之后，可能再次调整浇注位置。在生产中浇注位置和分型面有时是同时确定的。分型面的选择要在保证铸件质量的前提下，尽量简化工艺，节省人力物力，因此需考虑以下几个原则：

1.3.2 铸造工艺图的制定

铸造工艺图是铸造过程最基本和最重要的工艺文件之一。

铸造工艺图是利用红、兰两色铅笔，将各种简明的工艺符号，标注在产品零件图上的。可从以下几方面进行分析：(1) 分型面和分模面；(2) 浇注位置、浇冒口的位置、形状、尺寸和数量；(3) 工艺参数；(4) 型芯的形状、位置和数目，型芯头的定位方式和安装方式；(5) 冷铁的形状、位置、尺寸和数量；(6) 其它。

车床进给箱铸造工艺设计分析

可从以下几方面进行分析：

1)分型面和分模面；2) 浇注位置、浇冒口的位置、形状、尺寸和数量；3) 工艺参数；

4) 型芯的形状、位置和数目，型芯头的定位方式和安装方式；5) 冷铁的形状、位置、尺寸和数量；6) 其它。

1.4 铸件的结构设计

设计铸件时，要保证使用性能的要求，满足铸件在铸造中工艺性的要求。即考虑铸造生产工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。

1.5砂型铸造方法

砂型铸造方法主要有手工造型和机器造型两大类。机器造型的实质是用机器进行紧砂和起模，根据紧砂和起模的方式不同，有各种不同种类的造型机。

1.5.1气动微震压实造型

震压式造型震压式造型为早期的造型机，是通过振动－压实来紧实型砂的。该方法改善了手工造型的生产条件，提高了生产率，但是型砂的紧实度不够均匀。

气动微震压实造型

气动微震压实造型是采用振动(频率150～500 Hz，振幅25～80mm)－压实－微振(频率400～3000Hz，振幅5～10mm)紧实型砂的。

使用场合

气动微震压实造型通常是指比压为0.15～0.4MPa的低压造型。但气动微振也可与高压、中压压实配合使用。目前，气动微振压实造型在中小铸件生产中已广泛使用，其对型砂和工艺装备的要求与一般机器造型相同。

气动微振压实造型的特点为：

(1)紧实效果好可在压实同时进行微振，从而促进型砂流动，获得紧实度较高而且均匀的砂型。相当于增加30%～50%甚至75%的压实力；

(2)工作适应性强可根据铸件形状特点选择不同的紧实方式；

(3)生产率较高达到适宜的砂型紧实度所需的时间较短；

(4)对机器地基要求较低

1.5.2高压造型

高压造型一般指压实比压超过0.7MPa的机器造型，压实机构以液压为动力。按工艺装备可分为有箱、脱箱、无箱三种。加砂可采用重力填砂方式，但更多的是用射砂或真空填砂方式进行充填及预紧实。重力填砂时通常配备多触头或成形压头，而射砂或真空填砂时则常配备平板压头。

1.多触头高压造型

多触头由许多可单独动作的触头组成，可分为主动伸缩的主动式触头和浮动式触头。使用较多的是弹簧复位浮动式多触头。以适应不同形状的模样，使整个型砂得到均匀的紧实度。

多触头高压造型通常也配备气动微振装置，以便增加工作适应能力。

多触头高压造型辅机多，砂箱数量大，造价高，适用于各种形状的中小铸件大量或成批生产。

2.射砂挤压无箱造型

射砂造型是指在极短的时间内，用压缩气体将砂射进砂箱内的造型方法，它主要用于制芯过程中。

射砂挤压造型是射砂后采用挤压的方法完成紧砂的过程。在造型、下芯、合型及浇注过程中，铸型的分型面呈垂直状态的无箱造型法称为垂直分型无箱挤压造型，平行于地面的称水平分型无箱挤压造型。它主要适用于大批大量的中小型铸件的生产。

1.5.3真空密封造型

真空密封造型又称真空薄膜造型、减压造型、负压造型或V法，适用于生产薄壁、面积大、形状不太复杂的扁平铸件。该法的优点是：

(1) 铸件尺寸精确能浇出2～3mm的薄壁部分；(2) 铸件缺陷少废品率可控制到1.5%以下；(3) 砂型成本低损耗少，回用率在95%以上；(4) 工作环境比较好噪声小、粉尘少，劳动强度低。

缺点是：对形状复杂、较高的铸件覆膜成形困难，工艺装备复杂，造型生产率比较低。

1.5.4气流冲击造型

气流冲击造型简称气冲造型，是一种新的造型方法。其原理是利用气流冲击，使预填在砂箱内的型砂在极短的时间内完成冲击紧实过程。

气冲造型分低压气冲造型和高压气冲造型两种，低压气冲造型应用较多。气冲造型的优点是砂型紧实度高且分布合理，透气性好、铸件精度高、表面粗糙度低、工作安全、可靠、方便；缺点是砂型最上部约30mm的型砂达不到紧实要求，因而不适用于高度小于150mm的矮砂箱造型，工装要求严格，砂箱强度要求高。

气冲造型紧实度

（1）紧实度分布规律气冲造型紧实度，靠近模底板处紧实度最高，随着与模底板的距离加大，紧实度逐步降低。这样的分布即保证砂型分型面处及型腔的高紧实度，又使型砂具有良好的透气性。有利于得到表面粗糙度低、精度高的铸件。气冲造型砂型紧实度分布最为合理。

（2）影响紧实效果的主要因素压力梯度是影响紧实度的主要因素。所谓压力梯度是指作用在型砂上面先后的压力差dP与建压时间dt之比。当dP/dt值愈大，铸型的紧实度愈高。

1.5.5 消失模造型

1. 铸造原理和工艺过程

消失模铸造（EPC）为美国1958年专利，1962年开始应用，又称实型铸造和气化模铸

造，其原理是用泡沫聚苯乙烯塑料模样（包括浇冒口）代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在灼热液态金属的热作用下，泡沫塑料气化、燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模所占的空间位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。

2. 铸造特点和应用范围

消失模铸造主要用于形状结构复杂，难以起模或活块和外型芯较多的铸件。与普通铸造相比，具有以下优点：工序简单、生产周期短、效率高，铸件尺寸精度高(造型后不起模、不分型，没有铸造斜度和活块)，精度达CT8级，可采用无粘结剂型砂，增大了铸件设计的自由度，简化了铸造生产工序，降低了劳动强度。近年来，消失模铸造技术在欧美发展很快，表1-6为美国消失模铸造情况。

3. 消失模铸造的新发展

消失模铸造用的泡沫塑料模与不断涌现的其他新材料、新设备、新技术相结合，发展形成很多新的造型和铸造方法。

1.5.6冷冻造型

冷冻造型法又称为低温硬化造型法。其造型过程是采用普通石英砂作为骨架材料，加入少量的水，必要时还加入少量的粘土，按普通造型方法制好铸型后送入冷冻室中，用液态氮或二氧化碳作为制冷剂，使铸型冷冻，借助于包覆在砂粒表面的冷冻水分而实现砂粒的结合，使铸型具有很高的强度及硬度。浇注时，铸型温度升高，水分蒸发，铸型逐步解冻，稍加振动立即溃散，可方便地取出铸件。

1.5.7大型铸件造型方法

由于造型设备的限制，大型铸件往往采用抛砂造型或手工造型，抛砂造型和手工造型方法见视频。

1.6 特种铸造

随着科学技术的发展和生产水平的提高，对铸件质量、劳动生产率、劳动条件和生产成本有了进一步的要求，因而铸造方法有了长足的发展。所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其它铸造工艺。目前特种铸造方法已发展到几十种。常用的有熔模铸造、金属型铸造、离心铸造、压力铸造、低压铸造、陶瓷型铸造、磁型铸造、差压铸造、石墨型铸造、真空吸铸和流变铸造等。

1.6.1 金属型铸造

用铸铁、碳钢或低合金钢等金属材料制成铸型，在重力作用下，金属液充填金属型型腔，冷却成形而获得铸件的工艺方法称为金属型铸造，也称为硬模铸造、铁模铸造、永久型铸造、冷硬铸造、冷激模铸造等。金属型铸造既可采用金属芯，也可以用砂芯取代难以抽拔的金属芯。金属型的铸型可反复使用。铸件组织致密，力学性能好,精度和表面质量较好。

1.6.2 离心铸造

离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力作用下填充铸型而凝固成形的一种铸

造方法。

1. 离心铸造的分类

根据铸型旋转轴线在空间的位置，常见的离心铸造可分为两种：

(1) 卧式离心铸造铸型的旋转轴线处于水平状态或与水平线夹角很小（<4°）时的离心铸造。

(2) 立式离心铸造铸型的旋转轴线处于垂直状态时的离心铸造称为立式离心铸造。铸型旋转轴与水平线和垂直线都夹有较大角度的离心铸造称为倾斜轴离心铸造，但应用很少。

2. 离心铸造的生产特点：

与砂型铸造相比，离心铸造的优缺点如下：

(1) 铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，故力学性能较好；

(2) 生产中空铸件时可不用型芯，故在生产长管形铸件时可大幅度地改善金属充型能力，降低铸件壁厚对其长度或直径的比值，简化套筒和管类铸件的生产过程；

(3) 生产中几乎没有浇注系统和冒口系统的金属消耗，提高工艺出品率；

(4) 便于制造筒、套类复合金属铸件，如钢背铜套、双金属轧辊等；

(5) 铸造成形铸件时，可借离心力提高金属的充型能力，故可生产薄壁铸件，如叶轮、金属假牙等；

(6) 对合金成分不能互溶或凝固初期析出物的密度与金属液基体相差较大时，易形成密度偏析；

(7) 铸件内孔表面较粗糙，聚有熔渣，其尺寸不易正确控制；

(8) 用于生产异型铸件时有一定的局限性。

1.6.3 压力铸造

1. 铸造原理和工艺循环

压力铸造是在高压的作用下，以很高的速度把液态或半液态金属压入压铸模型腔，并在压力下快速凝固而获得铸件的铸造方法。

2. 压铸机分类与比较

压铸机按其工作原理结构形式分为冷压式压铸机（有卧式、立式、全立式三种）和热压式（有普通热室、卧式热室两种）压铸机。

冷室压铸机的压室和熔炉是分开的，压铸时要从保温炉中舀取金属液倒入压室内，再进行压铸。热室压铸机的压室与合金熔化炉联成一体，压室浸在保温坩埚的液体金属中，压射机构装在坩埚上面，用机械机构或压缩空气所产生的压力进行压铸。

3. 铸造特点

压力铸造的基本特点是高压高速，压力从几MPa到几十MPa，甚至高达500MPa，高速（从10～120m/s），以极短的时间（0.01～0.2s）填充铸型。压力铸造的特点如下：（1）生产率高，可实现机械化或自动化，铸件产量在3000件以上时可考虑采用；

（2）生产适用性好，能生产出从简单到相当复杂的铸件，并可生产中间镶嵌其他金属的铸件，能直接铸出齿形和螺纹，压铸件的重量从几克到数十千克；

（3）产品质量好，具有较高的尺寸精度（最高达CT4）和表面质量（最高达Ra3.2），力学性能好，尺寸稳定性好，互换性好，轮廓清晰，适用于大量生产有色合金的小型、薄壁、复杂铸件；

（4）普通压铸法生产的铸件易产生气孔，不能进行热处理，压铸某些内凹件、高熔点合金铸件还比较困难；

（5）压力铸造设备投资大，压铸模制造复杂，周期长，费用大，一般不宜于小批生产。

压力铸造是所有的铸造方法中生产速度最快的一种方法，应用很广，发展很快。广泛用于汽车、仪表、航空、航天、电器及日用品铸件；以铝、锌、镁材料为主。

4. 压铸模

压铸模是进行压铸生产的主要工艺装备。压铸模主要由动模和定模两大部分组成。定模固定在定模板上。动模固定在开模机构上，在开模机构的驱动下实现压铸模的开合。合模后，浇道将压铸机的压室与型腔连通，金属液从压室内被压入金属型腔并保持一定的压力，凝固形成符合要求的铸件。然后，动模在开合型机构的驱动下打开，铸件由动模从定模中带出，并附在动模上，最后由顶杆将铸件从动模上顶出并被取走。

5.压力铸造的发展

由于压力铸造是在极短的时间内完成充型过程的，很容易造成气体的卷入而影响压铸件的质量。为此发展了加氧压铸机和真空压铸机，中压压铸机也获得了较快的发展，有些压铸机的合型机构采用倾斜形式。压铸过程自动化和压铸计算机控制及压铸柔性加工单元（FMC）也逐步得到发展。

(1) 加氧压力铸造是在铝金属液充填型腔之前，用氧气充填压室和型腔，以取代其中的空气和其他气体。其特点是：消除或减少了气孔，提高铸件的质量；结构简单，操作方便，投资少。

(2) 真空压力铸造是先将压铸型腔内空气抽除，然后再压入液体金属。其特点是：可消除或减少压铸件内部的气孔，提高铸件的力学性能和表面质量；压铸时大大减少了型腔的反压力，可使用较低的比压和铸造性能较差的合金。缺点是：密封结构复杂，制造和安装较困难。

(3) 压力铸造计算机控制和柔性制造单元

压铸生产中对压铸过程的压射速度、压射力、增压时间及对自动化装置（喷涂、浇注、取件装置等）采用计算机控制，以满足多品种小批量生产的要求，提高生产率和稳定铸件质量。在此基础上又发展了压铸柔性加工单元（FMC），即在其规定的范围内，按照预先确定的工艺方案，生产各种零件的控制过程，其核心技术是快速更换模具和与之相关的其他零部件。

1.6.4 低压铸造

低压铸造是介于一般重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。

1. 铸造原理和工艺过程

浇注时金属液在低压（20～60kPa）作用下，由下而上地填充铸型型腔，并在压力下凝固而形成铸件的一种工艺方法。

2. 铸造工艺过程

低压铸造浇注过程包括升液、充型、增压、保压和卸压五个阶段。

1）浇注过程参数的变化

2）升液压力和速度升液压力P1是指当金属液面上升到浇口，高度为H1时所要求的压力，p1=H1ρμ(MPa)。根据经验，升液速度一般控制在150mm/s以下。

3）充型压力和速度充型压力p2是使金属液充型上升到铸型顶部所需的压力，P2=H2ρμ(MPa)。在充型阶段，金属液面上的压力从P1升到P2,其升压速度v2=(P2-P1)/τ2 (MPa/s)。

4）增压和增压速度金属液充满型腔后，再继续增压，使铸件的结晶凝固在一定压力p3下进行。此压力称为结晶压力。一般p3=1.3～2.0p2。增压速度v3=(P3-P2)/τ3 (MPa/s)。

5）保压时间保压时间与铸件质量有关，保压时间与铸件质量成正比。一般保压时间在1.5～8分钟内，时间太长，将影响生产率。

1.6.5 熔模铸造

熔模铸造又称失蜡铸造、熔模精密铸造、包模精密铸造，是精密铸造法的一种。根据铸型的特点可分为型壳熔模铸造、填箱熔模铸造（型壳制好后，装入砂箱中，在型壳周围注入耐火浆料或干砂增强）、石膏型熔模铸造（用石膏型代替型壳）。以前者的应用最广。

材料成形的方法

金属液态成形——液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。液态成形是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法之一。常用的铸造。 一 铸造定义 铸造（最广泛）：将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件的成形工艺（生产方法）。 二 铸造分类 1.按铸型材料来分：砂型铸造、金属型铸造、石墨型铸造、陶瓷铸造； 2.按充型方式来分：重力充型、高压充型、低压充型、离心力充型； 3.按液态成形工艺方法的作用力不同又可分为两类： 重力作用下的液态成形工艺方法：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、气化模铸造、陶瓷型铸造等； 外力作用下的液态成形工艺方法：离心铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造等。 三 其铸造工艺如图所示 四 铸造的特点 1．能制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯：如阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等。 2．铸件的大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨。 3．常用原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛。如机床、内燃机中铸件70~80%；农业机械40~70%。 4.但铸造生产过程较复杂，废品率一般较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺陷。 五 铸造常见的主要问题 组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。 基本工艺过程 制作模样 配制型砂 制作芯盒 制作芯砂

锻压： 对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。 主要方法： 锻造:将坯料加热到高温状态后进行加工. 冲压:将坯料在常温下进行加工. 特点: (1)改善金属组织、提高力学性能 (2)节约金属材料 (3)较高的生产率 (4)毛坯或零件的精度较高 (5)不能加工脆性材料 (6)不能获得形状复杂的毛坯或零件 一自由锻： 1.定义：利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。自由锻造时，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。 2.分类：手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。机器锻造是自由锻的主要方法。 3. 特点：工具简单、通用性强，生产准备周期短。自由锻件的质量范围可由不及一千克到二、三百吨，对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，这使得自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用，例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件在工作时都承受很大的载荷，要求具有较高的力学性能，常采用自由锻方法生产毛坯。 由于自由锻件的形状与尺寸主要靠人工操作来控制，所以锻件的精度较低，加工余量大，劳动强度大，生产率低。自由锻主要应用于单件、小批量生产，修配以及大型锻件的生产和新产品的试制等。 4自由锻工序 自由锻工序：基本工序、辅助工序和修整工序。 （1）基本工序

材料成型工艺

材料成型工艺 （Material Molding Process） 课程代码：（07310060） 学分：6 学时：90（其中：讲课学时78：实验学时：12） 先修课程：材料成型原理、金属学及热处理、机械设计基础 适用专业与培养计划：材料成型及控制工程专业2012年修订版培养计划 教材：《金属材料液态成型工艺》、贾志宏主编、化学工业出版社、第一版； 《金属材料焊接工艺》、雷玉成主编、化学工业出版社、第一版； 《冲压工艺与模具设计》、姜奎华主编、机械工业出版社、第一版开课学院：材料科学与工程学院 课程网站：（选填） 一、课程性质与教学目标 （一）课程性质与任务（需说明课程对人才培养方面的贡献） 《材料成型工艺》是材料成型及控制工程专业的主干课程之一。该课程主要任务是学习液态成型、塑性成型及焊接成型的工艺原理、方法、特点、质量影响因素及其规律、质量控制、适用范围等。学习过程中侧重于实际经验、工程技术及其理论知识的综合应用。通过系统学习，在掌握成型工艺过程基本规律及其物理本质的基础上，学生能够根据不同的零件需求，灵活选择和全面分析成型工艺、完成合理的工艺设计；同时，针对成型过程中出现的质量问题进行科学分析，找到解决措施，消除和减少工件质量缺陷； 本课程以数学、物理、化学、物理化学、力学、金属学与热处理、材料成型原理等作为理论基础，主要应用物理冶金、化学冶金、成形力学理论，系统阐述金属材料成型工艺过程的相关现象及其影响因素、规律、形成机制；同时，还汇总了大量的工程技术经验和实用技术。 通过本课程的学习，可以为材料成型工艺课程设计、金属综合性实验、毕业设计等后续课程学习奠定必要的基础知识。 （二）课程目标（需包括知识、能力与素质方面的内容，可以分项写，也可以合并写） 1. 掌握铸造成型、冲压成型和焊接成型工艺过程所涉及的主要物理原理； 2. 掌握各种成型方法的工艺特点及应用范围，能够根据实际产品需要选择高效、优质低成本的成型工艺方法；

按成型方法分类

按成型方法分类 （1）注射成型 是先把塑料加入到注射机的加热料筒内，塑料受热熔融，在注射机螺杆或柱塞的推动下，经喷嘴和模具浇注系统进入模具型腔，由于物理及化学作用而硬化定型成为注塑制品。注射成型由具有注射、保压（冷却）和塑件脱模过程所构成循环周期，，因而注射成型具有周期性的特点。热塑性塑料注射成型的成型周期短、生产效率高，熔料对模具的磨损小，能大批量地成型形状复杂、表面图案与标记清晰、尺寸精度高的塑件；但是对于壁厚变化大的塑件，难以避免成型缺陷。塑件各向异性也是质量问题之一，应采用一切可能措施，尽量减小。 (2)压缩成型 俗称压制成型，是最早成型塑件的方法之一。压缩成型是将塑料直接加入到具有一定温度的敞开的模具型腔内，然后闭合模具，在热与压力作用下塑料熔融变成流动状态。由于物理及化学作用，而使塑料硬化成为具有一定形状和尺寸的常温保持不变的塑件。压缩成型主要是用于成型热固性塑料，如酚醛模塑粉、脲醛与三聚氰胺甲醛模塑粉、玻璃纤维增强酚醛塑料、环氧树脂、DAP树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺等的模塑料，还可以成型加工不饱和聚酯料团（DMC）、片状模塑料（SMC）、预制整体模塑料（BMC）等。一般情况下，常常按压缩膜上、下模的配合结构，将压缩模分为溢料式、不溢料式、半溢料式三类。 (3)挤塑成型 是使处于粘流状态的塑料，在高温和一定的压力下，通过具有特定断面形状的口模，然后在较低的温度下，定型成为所需截面形状的连续型材的一种成型方法。挤塑成型的生产过程，是准备成型物料、挤出造型、冷却定型、牵引与切断、挤出品后处理（调质或热处理）。在挤塑成型过程中，注意调整好挤出机料筒各加热段和机头口模的温度、螺杆转数、牵引速度等工艺参数以便得到合格的挤塑型材。特别要注意调整好聚合物熔体由机头口模中挤出的速率。因为当熔融料挤出的速率较低时，挤出物具有光滑的表面、均匀的断面形状；但是当熔融物料挤出速率达到某一限度时，挤出物表面就会变得粗糙、失去光泽，出现鲨鱼皮、桔皮纹、形状扭曲等现象。当挤出速率进一步增大时，挤出物表面出现畸变，甚至支离和断裂成熔体碎片或圆柱。因此挤出速率的控制至关重要。 (4)压注成型 亦称铸压成型。是将塑料原料加入预热的加料室内，然后把压柱放入加料室中锁紧模具，通过压柱向塑料施加压力，塑料在高温、高压下熔化为流动状态，并通过浇注系统进入型腔逐渐固化成塑件。此种成型方法，也称传递模塑成型。压注成型适用于各低于固性塑料，原则上能进行压缩

材料成型方法

材料成型方法 绪论 “材料成型方法”是材料成型及控制工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。 材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman （1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel （1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Müller（1987）发现了30°K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。 近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23％，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。 类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.64×106cm，是钢的比强度（0.64×106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。 美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg 降至112kg，铸铁的比例由15％减至11％；而铝合金由4％增至9％；高分子材料由6％增

《材料成形技术基础》习题集答案

填空题 1．常用毛坯的成形方法有铸造、、粉末冶金、、、非金属材料成形和快速成形. 2.根据成形学的观点,从物质的组织方式上,可把成形方式分为、、 . 1．非金属材料包括、、、三大类. 2．常用毛坯的成形方法有、、粉末冶金、、焊接、非金属材料成形和快速成形作业2 铸造工艺基础 2-1 判断题（正确的画O，错误的画×） 1．浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素。提高浇注温度有利于获得形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件。因此，浇注温度越高越好。（×） 2．合金收缩经历三个阶段。其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的基本原因，而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。（O） 3．结晶温度范围的大小对合金结晶过程有重要影响。铸造生产都希望采用结晶温度范围小的合金或共晶成分合金，原因是这些合金的流动性好，且易形成集中缩孔，从而可以通过设置冒口，将缩孔转移到冒口中，得到合格的铸件。（O） 4．为了防止铸件产生裂纹，在零件设计时，力求壁厚均匀；在合金成分上应严格限制钢和铸铁中的硫、磷含量；在工艺上应提高型砂及型芯砂的退让性。（O） 5．铸造合金的充型能力主要取决于合金的流动性、浇注条件和铸型性质。所以当合金的成分和铸件结构一定时；控制合金充型能力的唯一因素是浇注温度。（×） 6．铸造合金在冷却过程中产生的收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。共晶成分合金由于在恒温下凝固，即开始凝固温度等于凝固终止温度，结晶温度范围为零。因此，共晶成分合金不产生凝固收缩，只产生液态收缩和固态收缩，具有很好的铸造性能。（×）7．气孔是气体在铸件内形成的孔洞。气孔不仅降低了铸件的力学性能，而且还降低了铸件的气密性。（O） 8．采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它也增加了造型的复杂程度，并耗费许多合金液体，同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。（O） 2-2 选择题 1．为了防止铸件产生浇不足、冷隔等缺陷，可以采用的措施有（D）。 A．减弱铸型的冷却能力； B．增加铸型的直浇口高度； C．提高合金的浇注温度； D．A、B和C； E．A和C。 2．顺序凝固和同时凝固均有各自的优缺点。为保证铸件质量，通常顺序凝固适合于（D），而同时凝固适合于（B）。 A．吸气倾向大的铸造合金； B．产生变形和裂纹倾向大的铸造合金； C．流动性差的铸造合金； D．产生缩孔倾向大的铸造合金。 3．铸造应力过大将导致铸件产生变形或裂纹。消除铸件中残余应力的方法是（D）；消除铸件中机械应力的方法是（C）。 A．采用同时凝固原则； B．提高型、芯砂的退让性； C．及时落砂； D．去应力退火。 4．合金的铸造性能主要是指合金的（B）、（C）和（G）。 A．充型能力；B．流动性；C．收缩；D．缩孔倾向；E．铸造应力；F．裂纹；G.偏析；H.气孔。

材料焊接成型方法的选择原则与依据

材料焊接成型方法的选择原则与依据 摘要：工程材料除切削加工以外有各种成型方法包括金属液态成型、金属塑性成形、材料连接成型、粉末冶金成型以及塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料成型及复合材料成型等。材料成型技术主要讲述金属材料成型和非金属材料成型，现对其进行详细论述。金属液态成型又称为铸造是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件即铸件的方法，它是成形毛坯或机器零件的重要方法之一。金属塑性成形昰利用金属材料所具有的塑性变形规律，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸、精度和力学性能的零件或毛坯的加工方法。 关键词：材料成型金属非金属 一、材料成型方法概述金属液态成形 金属材料在液态下成形，具有很多优点：1最适合铸造形状复杂、特别是复杂内腔的铸件。2适应性广，工艺灵活性大。3成本较低。但液态成形也有很多不足，如铸态组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能特别是冲击性能低于塑形成行件。 铸件涉及的工序很多，不易精确控制，铸件质量不稳定。由于目前仍以砂型铸造为主自动化程度还不够高，工作环境较差，大多数铸件只是毛坯件，需经过切削加工才能成为零件。砂型铸造是将熔融金属浇入砂质铸型中，待凝固冷却后，将铸型破坏，取出铸件的铸造方法，是应用最为广泛的传统铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产。砂型铸造的工艺过程称为造型。造型是砂型铸造最基本的工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工和手动完成。其优点是操作灵活、适应性强、工艺装备简单、生产准备时间短。但生产效率低、劳动强度大、铸件质量不易保证。故手工造型只适用于单件、小批量生产。机器造型生产率很高，是手工造型的数十倍，制造出的铸件尺寸精度高、表面粗糙度小、加工余量小，同时工人劳动条件大为改善。但机器造型需要造型机、模板以及特质砂箱等专用机器设备，一次性投资大，生产准备时间长，故适用于成批大量生产，且以中、小型铸件为主。 冲模的种类一般分为成形模、冲裁模湾曲模3种，模具结构可根据压力使用情况做更详细的划分。成形模的种类有拉延、成形、整形和压印等；冲裁模的种类有落料、冲孔、修边、切断和切废料等；弯曲模的种类有翻边、弯曲、折弯和卷边等。 二、材料成形方法选择的依据选择材料成形方法的主要依据有： （一）零件类别、功能、使用要求及其结构、形状、尺寸、技术要求等根据零件类别、用途、功能、使用性能要求、结构形状与复杂程度、尺寸大小、技术要求等，可基本确定零件应选用的材料与成形方法。而且，通常是根据材料来选

材料成型工艺

问答题 1、吊车大钩可用铸造、锻造、切割加工等方法制造，哪一种方法制得的吊钩承载能力大？为什么？ 2、什么是合金的流动性及充形能力，决定充形能力的主要因数是什么？ 3、铸造应力产生的主要原因是什么？有何危害？消除铸造应力的方法有哪些？ 4．试讨论什么是合金的流动性及充形能力？ 5. 分别写出砂形铸造,熔模铸造的工艺流程图并分析各自的应用范围. 6.液态金属的凝固特点有那些，其和铸件的结构之间有何相联关系？ 7.什么是合金的流动性及充形能力，提高充形能力的因素有那些？ 8.熔模铸造、压力铸造与砂形铸造比较各有何特点？他们各有何应用局限性？ 9.金属材料固态塑性成形和金属材料液态成形方法相比有何特点，二者各有何适用范围？ 10. 缩孔与缩松对铸件质量有何影响？为何缩孔比缩松较容易防止？ 11. 什么是定向凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪种场合？ 12. 手工造型、机器造型各有哪些优缺点？适用条件是什么？ 13.从铁-渗碳体相图分析，什么合金成分具有较好的流动性?为什么? 14. 铸件的缩孔和缩松是怎么形成的？可采用什么措施防止? 15. 什么是顺序凝固方式和同时凝固方式?各适用于什么金属？其铸件结构有何特点? 16. 何谓冒口，其主要作用是什么？何谓激冷物，其主要作用是什么？ 17. 何谓铸造？它有何特点？ 18. 既然提高浇注温度可提高液态合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？ 19．金属材料的固态塑性成形为何不象液态成形那样有广泛的适应性？ 20..冷变形和热变形各有何特点？它们的应用范围如何？ 21. 提高金属材料可锻性最常用且行之有效的办法是什么？为何选择？ 22. 金属板料塑性成形过程中是否会出现加工硬化现象？为什么？ 23. 纤维组织是怎样形成的？它的存在有何利弊？ 24．许多重要的工件为什么要在锻造过程中安排有镦粗工序？ 25. 模锻时，如何合理确定分模面的位置？ 26. 模锻与自由锻有何区别？

几种常见快速成型工艺的比较

几种快速成型方式的比较 几种常见快速成型工艺的比较 在快速领域里一直站主导地位快速成型工艺主要包括：FDM, SLA, SLS, LOM等工艺，而这几种工艺又各有千秋，下面我们在主 要看一下这几种工艺的优缺点比较： FDM(fused deposition Modeling)丝状材料选择性熔覆快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料、聚碳酸酯）加热熔化进而堆积成型方法，简称丝状材料选择性熔覆. 原理如下：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层画出截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。 这种工艺方法同样有多种材料可供选用，如工程塑料;聚碳酸酯、工程塑料PPSF: 以及ABS 与PC的混合料等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，并可安全地用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。专门开发的针对医用的材料ABS-i: 因为其具有良好的化学稳定性，可采用伽码射线及其他医用方式消毒，特别适合于医用。 FDM快速原型技术的优点是： 制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的污染；1次成型、易于操作且不产生垃圾；独有的水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件； 原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。 可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料以及医用ABS等 快速原型技术的缺点是：成型精度相对国外先进的SLA工艺较低，最高精度、成型表面光洁度不如国外 SLA：成型速度相对较慢光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography)原理的一种工艺的简称，是最早出现的一种快速成型技术。在树脂槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的树脂薄片。然后，工作台下降一层

材料成形工艺期末复习总结

7.简述铸造成型的实质及优缺点。 答：铸造成型的实质是：利用金属的流动性，逐步冷却凝固成型的工艺过程。优点：1.工艺灵活生大，2.成本较低，3.可以铸出外形复杂的毛坯 缺点：1.组织性能差，2机械性能较低，3.难以精确控制，铸件质量不够稳定4.劳动条件太差，劳动强度太大。 8.合金流动性取决于哪些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？ 答：合金流动性取决于 1.合金的化学成分 2.浇注温度 3.浇注压力 4.铸型的导热能力5.铸型的阻力 合金流动性不好：产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣和缩孔缺陷的间接原因。 9.何谓合金的收缩，影响合金收缩的因素有哪些？ 答：合金的收缩：合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或缩减的现象 影响因素：1.化学成分 2 浇注温度 3.铸件的结构与铸型条件 11.怎样区别铸件裂纹的性质？用什么措施防止裂纹？ 答：裂纹可以分为热裂纹和冷裂纹。 热裂纹的特征是：裂纹短、缝隙宽，形状曲折，裂纹内呈氧化色。 防止方法：选择凝固温度范围小，热裂纹倾向小的合金和改善铸件结构，提高型砂的退让。 冷裂纹的特征是：裂纹细小，呈现连续直线状，裂缝内有金属光泽或轻微氧化色。 防止方法:减少铸件内应力和降低合金脆性，设置防裂肋 13.灰铸铁最适合铸造什么样的铸件？举出十种你所知道的铸铁名称及它们为什么不用别的材料的原因。 答：发动机缸体，缸盖，刹车盘，机床支架，阀门，法兰，飞轮，机床，机座，主轴箱 原因是灰铸铁的性能：[组织]：可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体一珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。 [力学性能]：灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。 [其他性能]：良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性 14.可锻铸铁是如何获得的？为什么它只适宜制作薄壁小铸件？ 答：制造可锻铸铁必须采用碳、硅含量很低的铁液，以获得完全的白口组织。 可锻铸铁件的壁厚不得太厚，否则铸件冷却速度缓慢，不能得到完全的白口组织。 17. 压力铸造工艺有何缺点？它熔模铸造工艺的适用范围有何显著不同？ 答：压力铸造的优点： 1.生产率高 2.铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低，并可直接铸出极薄件或带有小孔、 螺纹的铸件 3.铸件冷却快，又是在压力下结晶，故晶粒细小，表层紧实，铸件的强 度、硬度高 4.便于采用嵌铸法 压力铸造的缺点： 1.压铸机费用高，压铸型成本极高，工艺准备时间长，不适宜单件、不批生产。 2.由于压铸型寿命原因，目前压铸尚不适于铸钢、铸造铁等高熔点合金的铸造。

快速成型方法比较

第四次作业 姓名：张雅倩学号：U201311053班级：材卓1301班 一、增材制造（3D 打印）技术中的SLA（或者SL）、SLS、SLM、FDM、3DP、LOM 各是什么含 意？各是什么成形方法？各有什么特点？都用的什么共性技术？ 解： 名称含意成形方法 SLA/SL 立体光刻成形（光固化成形）利用光能的化学和热作用使液态树脂材料产生变化的原理，对液态树脂进行有选择的固化，在不接触的情况下逐层制造出所需的三维实体原型。 SLS 选择性激光烧结激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在粉末进行扫描，使粉末升温，粉末颗粒交界处熔化相互粘结，逐步得到各层轮廓。一层成形后工作台下降一截面层高度，进行下一层的铺料和烧结。循环最终形成三维工件。 SLM 选择性激光熔化在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散后冷却后凝固，层层累积成型出三维实体原型。 FDM 熔丝沉积制造丝状热塑性塑料由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被有选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓。一层成形后工作台下降一截面层高度，喷头再进行下一层涂覆，循环最终形成三维产品。 3DP 三维印刷上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离，供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。 LOM 分层实体制造（纸叠层成形）将单面涂有热熔胶的纸通过加热辊加压粘结在一起，此时位于其上方的激光器按照分层CAD模型所获得的数据，将一层纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层再叠加在上面，通过热压装置将下面的已切割层粘合在一起，激光束再次进行切割。切割时工作台连续下降。切割掉的纸片仍留在原处，起支撑和固定作用。纸片的一般厚度为0.07～0.1mm。 共性技术增材制造、快速成型、逐层或逐点堆积出制件

材料成型工艺

. 问答题 1、吊车大钩可用铸造、锻造、切割加工等方法制造，哪一种方法制得的吊钩承载能力大？为什么？ 2、什么是合金的流动性及充形能力，决定充形能力的主要因数是什么？ 3、铸造应力产生的主要原因是什么？有何危害？消除铸造应力的方法有哪些？ 4．试讨论什么是合金的流动性及充形能力？ 5. 分别写出砂形铸造,熔模铸造的工艺流程图并分析各自的应用范围. 6.液态金属的凝固特点有那些，其和铸件的结构之间有何相联关系？ 7.什么是合金的流动性及充形能力，提高充形能力的因素有那些？ 8.熔模铸造、压力铸造与砂形铸造比较各有何特点？他们各有何应用局限性？ 9.金属材料固态塑性成形和金属材料液态成形方法相比有何特点，二者各有何适用范围？ 10. 缩孔与缩松对铸件质量有何影响？为何缩孔比缩松较容易防止？ 11. 什么是定向凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪种场合？ 12. 手工造型、机器造型各有哪些优缺点？适用条件是什么？ 13.从铁-渗碳体相图分析，什么合金成分具有较好的流动性?为什么? 14. 铸件的缩孔和缩松是怎么形成的？可采用什么措施防止? 15. 什么是顺序凝固方式和同时凝固方式?各适用于什么金属？其铸件结构有何特点? 16. 何谓冒口，其主要作用是什么？何谓激冷物，其主要作用是什么？ 17. 何谓铸造？它有何特点？ 18. 既然提高浇注温度可提高液态合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？ 19．金属材料的固态塑性成形为何不象液态成形那样有广泛的适应性？ 20..冷变形和热变形各有何特点？它们的应用范围如何？ 21. 提高金属材料可锻性最常用且行之有效的办法是什么？为何选择？ 22. 金属板料塑性成形过程中是否会出现加工硬化现象？为什么？ 23. 纤维组织是怎样形成的？它的存在有何利弊？ 24．许多重要的工件为什么要在锻造过程中安排有镦粗工序？ 25. 模锻时，如何合理确定分模面的位置？ 26. 模锻与自由锻有何区别？ . . 27．板料冲压有哪些特点？主要的冲压工序有哪些？ 28. 间隙对冲裁件断面质量有何影响？间隙过小会对冲裁产生什么影响？ 29. 分析冲裁模与拉深模、弯曲模的凸、凹模有何区别？ 30. 何谓超塑性？超塑性成形有何特点？ 31、落料与冲孔的主要区别是什么？体现在模具上的区别是什么？ 32、比较落料或冲孔与拉深过程凹、凸模结构及间隙Z有何不同？为什么？

复合材料成型工艺

树脂基复合材料成型工艺介绍（1）：模压成型工艺 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。模压成型工艺的主要优点：①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；②产品尺寸精度高，重复性好；③表面光洁，无需二次修饰；④能一次成型结构复杂的制品；⑤因为批量生产，价格相对低廉。 模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。 模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种：①纤维料模压法是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易行，用途广泛。根据具体操作上的不同，有预混料模压和预浸料模压法。②碎布料模压法将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。③织物模压法将预先织成所需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液，然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。④层压模压法将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需的形状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。⑤缠绕模压法将预浸过树脂胶液的连续纤维或布（带），通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品。⑥片状塑料（SMC）模压法将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品。⑦预成型坯料模压法先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂（树脂混合物），在一定的温度和压力下成型。

几种常见快速成型工艺的比较

几种快速成型方式的比较

几种常见快速成型工艺的比较 在快速领域里一直站主导地位快速成型工艺主要包括：FDM, SLA, SLS, LOM等工艺，而这几种工艺又各有千秋，下面我们在主 要看一下这几种工艺的优缺点比较： FDM(fused deposition Modeling)丝状材料选择性熔覆快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料、聚碳酸酯）加热熔化进而堆积成型方法，简称丝状材料选择性熔覆. 原理如下：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层画出截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。 这种工艺方法同样有多种材料可供选用，如工程塑料;聚碳酸酯、工程塑料PPSF: 以及ABS 与PC的混合料等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，并可安全地用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。专门开发的针对医用的材料ABS-i: 因为其具有良好的化学稳定性，可采用伽码射线及其他医用方式消毒，特别适合于医用。 FDM快速原型技术的优点是： 制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的污染；1次成型、易于操作且不产生垃圾；独有的水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件； 原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。 可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料以及医用ABS等 快速原型技术的缺点是：成型精度相对国外先进的SLA工艺较低，最高精度、成型表面光洁度不如国外 SLA：成型速度相对较慢光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography)原理的一种工艺的简称，是最早出现的一种快速成型技术。在树脂槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的树脂薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的树脂薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢粘结在前一层上，如此重复不已，直到整个产品成型完毕。最后升

第十三章材料与成形工艺的选择原则

第十三章材料与成形工艺的选则 ●一个机械零件要实现其应有的功能，主要由两方面的因素决定：一是零件结构（形状、尺寸、精度、表面质量等），二是零件材料。零件设计不仅是结构设计，也包括材料选用。 ●选材对零件质量和工作寿命至关重要，影响零件生产成本和产品经济效益，复杂有难度工作，必须全面综合考虑。

第一节材料与成形工艺的选择原则 ●满足使用性能要求，兼顾工艺性、经济性和环保性。 ●一、使用性能足够的原则 ●指所选用的材料制造出的零件必须满足其使用性能要求，在规定的使用期内正常工作。使用性能零件设计功能的必要条件，选材最主要因素。首要的任务要准确判断零件所要求的主要使用性能有哪些。 ●选用材料使用性能要求，是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出的。

●零件的工作条件包括： ●（1）受力状况，主要有受力大小，受力形式（拉伸、压缩、 弯曲、扭转以及摩擦力等），载荷类型（静载、动载、交变载荷等）及其分布特点等； ●（2）环境状况，包括工作温度和介质情况（如高温、常温、 低温、有无腐蚀等）； ●（3）特殊要求，例如要求导电性、导热性、磁性、密度、 外观等。

●当材料的使用性能不能满足零件工作条件的要求时，零件就以某种形式失去其应有的效能（即失效，如磨损失效）。 ●机械零件所要求的使用性能主要是材料的力学性能。 ●针对零件的具体工作条件和主要失效形式考虑对零件尺寸和重量的要求或限制及零件的重要程度（重要件有较高的安全系数），确定零件材料应具有的主要力学性能和分析计算将其转化为相应的力学性能指标，适当考虑物理、化学性能判据，作为选材基本依据。

●常用力学性能判据：一类直接用于设计计算如σs、σb、σ-1、E、KIC等；一类不直接用于计算，根据经验而 间接确定零件性能，如δ、ψ、ak等。 ●后一类性能判据往往是作为保证安全的性能判据，其 作用是增加零件的抗过载能力和使用安全性。 ●硬度判据（如HBS、HRC、HV等）不能直接用于计算， 但它在确定的条件与其它性能判据（如强度、塑性、 韧性、耐磨性等）密切相关，且试验方法简便、迅速、不破坏零件，习惯在零件的技术要求中以标注硬度值 来综合反映对其力学性能的要求，同时应注明材料的 处理状态。 ●注意解决好材料的强度和塑性、韧性合理配合。

聚氨酯泡沫材料及成型方法总结

聚氨酯泡沫材料 一、概况 聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称。凡是在高分子主链上含有许多重复的-NHCOO-基团的高分子化合物统称为聚氨基甲酸酯。一般聚氨酯系由二元或多元有机异氰酸酯(通常为甲苯二异氰酸酯，简称TDI)与多元醇化合物（聚醚多元醇或聚酯多元醇）相互作用而得。由于聚氨酯的结构不同，性能也不一样。利用这种性质，聚氨酯类聚合物可以分别制成塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂等。近二十年来，聚氨酯在这几个方面的应用都发展很快，特别是聚氨酯泡沫塑料、聚氨酯橡胶、聚氨酯涂料发展更加迅速。 泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品种之一，它的主要特征是具有多孔性，因而相对密度较小，质轻，隔热隔音，比强度高，减振等优异特性。根据所用原料不同和配方的变化，可制成软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫塑料几种。 图1 聚氨酯泡沫合成主要原料

聚氨酯泡沫形成的化学机理 多元醇与多异氰酸酯生成聚氨酯的反应，是所有聚氨酯泡沫塑料制备中都存在的反应。发泡过程中的“凝胶反应”一般即指氨基甲酸酯的形成反应。因为泡沫原料采用多官能度原料，得到的是交联网络，这使得发泡体系能够迅速凝胶。基团反应如下： —NCO+—OH→—NHCOO— 在有水存在的发泡体系中，例如聚氨酯软泡发泡体系、水发泡聚氨酯硬泡体系，多异氰酸酯与水的反应不仅生成脲的交联（凝胶反应），而且是重要的产气发泡反应。所谓“发泡反应”，一般是指有水参加的反应。 —NCO+H 2O+OCN—→—NHCONH—+CO 2 ↑ 上述几个反应产生大量的热，这些热量可促使反应体系温度迅速增加，是发泡反应在短时间内完成。并且，反应热为物理发泡剂（辅助发泡剂）的气化发泡提供了能量 二、软质聚氨酯泡沫塑料 软质聚氨酯泡沫塑料（简称聚氨酯软泡）是指具有一定弹性的一类柔软性聚氨酯泡沫塑料，它是用量最大的一种聚氨酯产品。聚氨酯软泡的泡孔结构多为开孔的。一般具有密度低、抗氧化老化、耐油耐溶剂、弹性回复好、吸音、透气、保温性能，主要用作家具垫材、交通工具座椅垫材、各种软性衬垫层压复合材料，工业和民用上也把软泡用作过滤材料、隔音材料、防震材料、装饰材料、包装材料及隔热保温材料 发泡原理及工艺 预聚体法发泡工艺原理 预聚体法发泡工艺通常应用于聚醚型泡沫塑料。而聚酯型泡沫塑料因聚酯本身粘度较大，生成预聚体后粘度更大，在发泡时不易操作，一般都不用此法。 预聚体法发泡工艺既是将聚醚多元醇和而异氰酸酯先制成预聚体，然后在预聚体中加入水、催化剂、表面活性剂和其他添加剂，载高速搅拌下混合进行发泡。固化后在一定温度下熟化即软质泡沫塑料。其流程示意图如下

材料成形加工工艺与设备复习题(含答案)

材料成形加工工艺与设备 复习题 一.选择题 1.为了防止铸件过程中浇不足以及冷隔等缺陷产生，可以采用的工程措施有（ A. 减弱铸型的冷却能力； B .增加铸型的直浇口高度； C. 提高合金的浇注温度； D . A B和C; E . A和Co 2?顺序凝固和同时凝固均有各自的优缺点。为保证铸件质量，通常顺序凝固适合于（）,而同时凝固适合于（）。 A.吸气倾向大的铸造合金； B .产生变形和裂纹倾向大的铸造合金； C.流动性差的铸造合金； D .产生缩孔倾向大的铸造合金。 3. 铸造应力过大将导致铸件产生变形或裂纹。消除铸件中残余应力的方法是（ 消除铸件中机械应力的方法是（）o A.采用同时凝固原则； B .提高型、芯砂的退让性； C. 及时落砂； D .时效处理。 4. 合金的铸造性能主要是指合金的（）和（）o A.充型能力；B .流动性； C .收缩； D. 缩孔倾向；E .应力大小；F .裂纹倾向。 图2-2 6 .如图2-2所示应力框铸件。浇注并冷却到室温后，各杆的应力状态为（ 用钢锯沿A-A线将0 30杆锯断，此时断口间隙将（）断口间隙变化的原因是各杆的应 力（），导致0 30杆（），0 10杆（） A.增大；B .减小；C .消失；D .伸长；E .缩短；F.不变； G. 0 30杆受压，0 10杆受拉；H. 0 30杆受拉，0 10杆受压。 ）。 A. 不存在铸造应力; B. 只存在拉应力； C. 存在残余热应力; D. 只存在压应力； E. 存在机械应力； F. C和E。）； )o若 7.常温下落砂之前，在右图所示的套筒铸件中（）o常温下落砂以后，在该铸件中 2G G

材料成型

一、填空题 1、材料成形的方法主要有4种，分别为：、、和。P1 2、自然界的物质可以呈现出三种状态，即、和，这三种状态之间变化时都发生着相变，例如：由气态转变为液态将产生的相转变；由气态转变为固态将产生的相转变； 由液态转变为气态将产生的相转变；由液态转变为固态将产生的相转变；由固态转变为气态将产生的相转变；由固态转变为液态将产生的相转变。P8 3、由金属熔化过程的分析可知，纯金属的液态结构由：、和组成。P11 4、影响液态金属表面张力的因素主要有：、和。P16 5、液态成形是将熔化的金属或合金在的作用下注入，待其后获得与相同的铸件的一种成形方法，主要成形方法有：、、等。P23 6、晶体宏观长大方式取决于的温度分布，即温度梯度。在结晶界面前方存在两种温度梯度，即和，当温度梯度为正时，晶体以方式长大，当温度梯度为负时，晶体以方式长大。P45 7、铸件典型的宏观组织有、和。P87 8、在金属铸造过程中，按气体来源不同，气孔可分为三类，分别是、和；按照气体种类，气孔可分为三类，分别是、和；P95 9、液态金属在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象称为，根据出现的范围不同，主要分为和两大类。P114 10、铸件在冷却过程中产生的应力，按产生的原因可分为、和

三类。P118 11、根据焊接工艺特点，一般将焊接方法分为 、 和 三类。P136 12、熔焊的焊接接头一般可分为 、 、 和 四大区域。P138 13、在焊接凝固过程中，凝固组织的形态具有柱状晶及其多种亚结构，通常有 、 、 以及 、 、 等多种形态。P146 13、在普通的焊条电弧焊接过程中，大体可分为三个冶金反应区： 、 、 。P158 14、内应力是在 的条件下，平衡于 的应力，按其产生原因可分为三种，即： 、 、 。P182 15．金属塑性成形基本假设包括：各向同性的 、 、 、变形体在表面力作用下处于 、 、 。P233 16．材料进入塑性状态后，应力与应变之间的关系是 非线性 的，并且不再保持弹性阶段的那种单值关系，而与 加载历史 有关。 17．屈服准则的一般形式为C =)(ij σf 、0),,,,,(zx yz xy z y x =τττσσσf 。 18．材料塑性应力与应变关系称为材料塑性 本构关系 ，其数学表达式称为 本构方程 。材料塑性变形时，应力不仅与应变有关，还与材料 变形历史 、 组织结构 等因素有关 19．塑料在注塑机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，其过程可以分为 充模 、 压实 、 保压 、 倒流 和 冷却 五个阶段。 20. 粉末粒度越小，其流动性也就越 差 ，狭窄的模腔充填过程就越 困难 。粉末粒度越小，其松装密度就越 低 ，在压模中充填容积就 大 。 二、 简答题

哈工程--材料成型习题

习题《材料成形》部分 第1章铸造 填空题： 1、铸造方法从总体上可分为普通铸造和特种铸造两大类，普通铸造是指砂型铸造方法，不同于砂型铸造的其他铸造方法统称为特种铸造，常用的特种铸造方法有：（）、（）、（）、（）、（）等。 2、凝固过程中所造成的体积缩减如得不到液态金属的补充，将产生（）或（）。 3、对砂型铸件进行结构设计时，必须考虑合金的（）和铸造（）对铸件结构提出的要求。 4、（）是铸造合金本身的物理性质，是铸件许多缺陷（）产生的基本原因。 5、浇注位置是指造型时（）在铸型中所处的位置，它影响铸件的质量。 6、铸造应力按产生的原因不同，主要可分为（）和（）两种。 7、铸件上各部分壁厚相差较大，冷却到室温，厚壁部分的残余应力为（）应力，而薄壁部分的残余应力为（）应力。 8、任何一种液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷却至室温都要经过三个联系的收缩阶段，即（）、（）和（）。 9、在低压铸造、压力铸造和离心铸造时，因人为加大了充型压力，故（）较强。提高浇铸温度是改善合金（）的重要措施。 10、铸件浇铸位置的选择必须正确，如重要加工面、大平面和薄壁部分在浇铸时应尽量（），而厚大部位应尽量（），以便安放冒口进行（）。 单项选择题： 1、下列合金流动性最好的是：（） ①普通灰铸铁；②球墨铸铁；③可锻铸铁；④蠕墨铸铁。 2、摩托车活塞应具有良好的耐热性、热膨胀系数小，导热性好、耐磨、耐蚀、重量轻等性能。在下列材料中，一般选用：（） ①铸造黄铜；②合金结构钢；③铸造铝硅合金；④铸造碳钢。 3、在下列铸造合金中，自由收缩率最小的是：（） ①铸钢；②灰铸铁；③铸造铝合金；④白口铸铁 4、图示圆锥齿轮铸件，齿面质量要求较高。材料HT350，小批生产。最佳浇注位置及分型面的方案是：( ) ①方案Ⅰ； 5）