近净成型工艺基础与新技术第1章 绪论1近净成形的概念23近净成形的分类近净成形的发展概况1.1 近净成形概念随着人们对人类生存资源的节约和保护意识的提高，要求 零件毛坯成型精度向少无余量方向发展，使成型的毛坯接近或 达到零件的最终形状和尺寸，因而出现了诸如精密铸造、精密 塑性成形、精密连接等近净成型技术[1]近净成型概念的提出1.1 近净成形概念近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工 或不再加工，就可用做机械零件的成形技术它 将新材料、新能源、精密模具技术、计算机技术 自动化技术等多种高新技术融入传统的毛配成形 技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、高精度 轻量化、低成本的成形技术采用近净成形技术 所获得的机械零件具有精确的外形、高的尺寸精 度、形位精度和好的表面粗糙度[2]1.2 近净成型的分类该项技术包括精密铸造成形、精密塑性成形、精 密连接、精密热处理改性、表面改性、高精度模具等 专业领域，是一项集新工艺、新装备、新材料以及各 项新技术成果的综合集成技术[2]1.2.1 精密铸造成形先进铸造方法在铸型材料和造型方法、金属液充型形式和 随后的冷凝条件等方面与普通砂型铸造有着显著区别，其主要 优点如下：[3]1） 铸件尺寸精确、表面光洁，更接近零件最后尺寸，从而 易于实现少切削或无切削加工。
2）铸件内部质量好，力学性能高，铸件壁厚可以减薄3）降低了金属消耗和铸件废品率4）简化了铸造生产工序（除熔模铸造外），便于实现生产过 程的机械化、自动化5）改善了劳动条件，提高了劳动生产率1.2.1 精密铸造成形常用的精密铸造方法有熔模铸造、压力铸造、消失模铸造、 陶瓷型铸造、石膏型铸造、金属型铸造1.2.1 精密铸造成形1.熔模铸造 （investment casting ）[3]熔模铸造又称“失蜡铸造”，这种方法是用熔模材料制成熔 模样件并组成模组，然后在模组表面涂覆多层耐火材料，待干 燥固化后，将模组加热熔出模料，经高温熔烧后浇入金属液即 得熔模铸件熔模铸造的工艺过程是：制熔模→制壳→脱模→焙烧型壳→浇注1.2.1 精密铸造成形熔模铸造的工艺过程1.2.1 精密铸造成形熔模铸造的特点1）铸件尺寸精度高、表面粗糙度Ra值小2）可铸造外形复杂件3）能铸异形复杂小孔及薄壁铸件4）所铸合金不受限制1.2.1 精密铸造成形2.压力铸造压力铸造原理和工艺过程是将液态或半液态金属，在 高压作用下，以高速填充压铸模的型腔，并在压力下快速 凝固而获得铸件的一种方法压铸时的常用压力是从几兆帕到几十兆帕（即几十个 到几百个大气压），填充初试速度在0.5~70m/s范围内。
因此，高压和高速是压铸法与其它铸造法的根本区别，也 是重要特征1.2.1 精密铸造成形压铸循环过程压铸循环过程清 理 模 具喷 刷 涂 料合 模浇 注压 射凝 固开 模顶 出取 出 铸 件全自动压铸循环半自动压住循环清 理 模 具喷 刷 涂 料清 理 模 具喷 刷 涂 料清 理 模 具合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具清 理 模 具合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具全自动压铸循环半自动压住循环取 出 铸 件顶 出开 模凝 固压 射浇 注合 模喷 刷 涂 料清 理 模 具常用压铸机的压铸原理热 室 压铸机a）合模状态 b）压射c）压射冲头回程→开模→推出压铸件 常用压铸机的压铸原理冷室立 式压铸机a）合模→熔融合金浇人压室 b）压射→反料冲头下退→熔融合金充填型腔 c）压射冲头回程→反料冲头上升推出余料 d）开模→推出压铸件 常用压铸机的压铸原理冷室卧 式压铸机a）合模→熔融合金浇人压室 b）压射→熔融合金充填型腔 c）开模→冲头推出余料 d）推出压铸件→冲头复位1.2.1 精密铸造成形压力铸造的特点压力铸造的特点1）生产效率高。
压力铸造可实现机械化或自动化2）质量好压力铸造尺寸精度高，表面粗糙度值小，力学 性能好，互换性好，轮廓清晰，铸件壁薄、复杂3）经济效果好压铸件成本低，采用压铸方法大量生产时， 较其它方法成本低1.2.1 精密铸造成形压力铸造存在的问题压力铸造存在的问题普通压铸方法压铸的铸件易产生气孔，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压铸设备投资高，压铸模制造复杂、 周期长、费用高，一般不宜用于小批量生产压力铸造的发展压力铸造的发展目前，由压力铸造又拓展出了真空压铸、加氧压铸、半固态压铸和 双压射冲头压铸以及钢铁材料压铸等新的压铸方法压力铸造的发展趋 势是压铸机要实现系列化、大型化、自动化，并向柔性化加工单元发展 ；压铸模要提高寿命，降低成本；压铸工艺要采用新技术，提高铸件质 量1.2.1 精密铸造成形3.消失模铸造消失模铸造是将用泡沫塑料制作的模样浸涂耐火涂 层后，直接放入可抽真空的砂箱内，填入不含粘结剂和 水分子的砂子，将泡沫塑料模填埋振实，然后用塑料薄然后用塑料薄 膜覆盖砂箱抽真空，砂子紧固成铸型金属液浇入铸型膜覆盖砂箱抽真空，砂子紧固成铸型金属液浇入铸型 后，泡沫塑料模与高温金属液接触，迅速气化，所产生后，泡沫塑料模与高温金属液接触，迅速气化，所产生 的气化物被及时抽走，直至金属液完全取代泡沫塑料模的气化物被及时抽走，直至金属液完全取代泡沫塑料模 ，冷却形成铸件。
冷却形成铸件1.2.1 精密铸造成形消失模铸造工艺过程原始颗粒预发泡制模模样组合上涂料埋入砂箱填砂振实覆膜抽真空浇注（真空）冷却翻箱铸件1.2.1 精密铸造成形1）可抽真空的砂箱放于振动平台上，填入底砂（厚度大于100mm），并将其振 实、刮平 2）将浸好涂料，并经经烘干的泡沫塑料模放置箱内，边边填干砂边边振实实 3）刮平砂箱口，用塑料薄膜覆盖，抽真空，放置浇浇口杯，等待浇浇注 4）保持砂箱真空，浇浇注金属液 5）待铸铸件凝固再释释放真空，冷却后从砂箱中取出铸铸件1.2.2 精密塑性成形精密塑性成形是通过塑性变形方法来实现精密成型的一种 先进制造技术精密塑性成型件不仅具有良好的内部组织与 性能，还因其成型精度高而极大地减少了切削加工量，使成 型件表面的细化晶粒得以保存，金属纤维的连续性不受破坏 ，从而提高了零件的性能精密塑性成型技术主要包括：精 密模锻、轧制成型、精密冲裁1.2.2 精密塑性成形1.精密模锻 [4]精密模锻是在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的模锻工艺如 精密模锻锥齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再经切削加工模锻件尺寸公 差等级精度可达IT12~IT15，表面粗糙度为Ra3.2~1.6μm。
精密模锻的工艺过程是先将原始坯料经普通模锻成中间坯料，再对中间坯料 进行严格的清理，除去氧化皮或缺陷，最后采用无氧化或少氧化加热后精锻精 锻的加热温度较低，对于碳钢，在450~900℃之间，且需在中间坯料上涂润滑剂 以减少摩擦，以提高锻模寿命和降低设备的功率消耗1.2.2 精密塑性成形精密模锻工艺特点1）精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料，否则会 增大锻件尺寸公差，降低精度 2）需要精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层 及其他缺陷 3）为为提高锻锻件的尺寸精度和降低表面粗糙度，应应采用无氧化或 少氧化加热热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮4）精密模锻的锻件精度在很大程度上取决于锻模的加工精度 5）模锻时要很好的进行润滑和冷却锻模 6）精密模锻一般都在刚度大、运动精度高的模锻设备上进行， 如曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤等1.2.2 精密塑性成形2.零件轧制成型零件轧制技术是冶金轧制技术与机械锻压加工技术交叉、 延伸与发展的产物由于零件轧制技术具有高效、低耗、清洁 等优点，因此其应用受到国内外广泛重视零件轧制成型与切削方法比较，轧制方法是塑性成形（金 属流动转移），因此节约材料。
与锻造相比，轧制方法是局 部成型，工作载荷只有模锻的几十分之一，设备质量轻，模 具寿命长；由于是连续成型，所以生产效率高，生产中无冲 击与噪声，属清洁生产方式 [3]常用的轧制技术辊锻辊锻变形原理如图所示辊锻 变形是复杂的三维变形大部分变 形材料沿着长度方向流动使坯料长 度增加，少部分材料横向流动使坯 料宽度增加辊锻过程中坯料根截 面面积不断减。