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1、材料特种成形技术及应用材料特种成形技术及应用Material Advanced Forming Technology of Its Application第一章 绪 论提提 纲纲第一节 制造业可持续发展战略制造业可持续发展战略制造业可持续发展战略制造业可持续发展战略第二节 特种成形技术的实质特种成形技术的实质特种成形技术的实质特种成形技术的实质第三节 特种成形技术的特点特种成形技术的特点特种成形技术的特点特种成形技术的特点第四节 铸锻焊三种成形技术的基本问题铸锻焊三种成形技术的基本问题铸锻焊三种成形技术的基本问题铸锻焊三种成形技术的基本问题第五节 材料成形工艺形态学材料成形工艺形态学材料成形工
2、艺形态学材料成形工艺形态学 主要参考文献 考核方式第一节、 制造业可持续发展战略可持续发展的概念： 世界环境与发展委员会（WCED）向联合国第42届大会提出的研究报告我们共同的未来中正式提出了可持续发展的定义： “既满足当代人的需求，又不对子孙后代满足其需要之能力造成危害的发展”。第一节、 制造业可持续发展战略l在人类社会发展进程中，制造业起到了举足轻重的作用；l可以说制造业是制造人类财富的支柱；l制造业是产生当今人类社会面临的环境、资源、人口三大问题的主要根源；l为了保护人类社会的可持续发展，因此，近十年来一个全新的概念绿色制造迎刃而生。第一节、 制造业可持续发展战略绿色制造的概念 绿色制造
3、是一个综合考虑环境影响和资绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标使得产品源效率的现代制造模式，其目标使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中对环境的影响处理的整个产品生命周期中对环境的影响（负作用）最小，资源效率最高。（负作用）最小，资源效率最高。 绿色的能源、绿色的制造过程、绿色的产品绿色的能源、绿色的制造过程、绿色的产品绿色的能源、绿色的制造过程、绿色的产品绿色的能源、绿色的制造过程、绿色的产品。第一节、 制造业可持续发展战略环境属性：环境属性：是指在产品的整个生命周期内不破坏生是指在产品的整个生命周期
4、内不破坏生态环境，对当地环境乃至全球环境不产生污染和使态环境，对当地环境乃至全球环境不产生污染和使污染为最小化。污染为最小化。资源属性：资源属性：产品的资源包括材料资源、设备资源、产品的资源包括材料资源、设备资源、人力资源和信息资源等。其目的是通过改变无限制人力资源和信息资源等。其目的是通过改变无限制的开发利用及粗放型经营方式等手段，使产品的资的开发利用及粗放型经营方式等手段，使产品的资源利用率为最高。源利用率为最高。能源属性：能源属性：能源属性表现为最高的能源利用率，最能源属性表现为最高的能源利用率，最小的能耗及再生能源和绿色新能源的利用。小的能耗及再生能源和绿色新能源的利用。经济性：经济性
5、： 就是使绿色产品在其生命周期全程中具就是使绿色产品在其生命周期全程中具有最小的成本消耗。可从生产成本、使用成本以及有最小的成本消耗。可从生产成本、使用成本以及社会成本等几个方面来考虑。社会成本等几个方面来考虑。 第二节 特种成形技术的实质一、特种成形技术的定义 区别于常规的及传统的成形技术，相对较新且符合绿色制造可持续发展模式的先进成形技术。 具体讲就是指直接利用电能、热能、化学能、电化学具体讲就是指直接利用电能、热能、化学能、电化学能、声能、光能等或将其与机械能组合等形式，综合利用能、声能、光能等或将其与机械能组合等形式，综合利用相关的光机电先进技术，实现零件的成形加工，以获得规相关的光机
6、电先进技术，实现零件的成形加工，以获得规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的绿色成形方法。定的几何形状、尺寸精度和表面质量的绿色成形方法。 第二节 特种成形技术的实质1 1 特殊的成形或连接机理特殊的成形或连接机理l变形速率是影响材料变形行为的主要因素之一。电磁成形和超塑性成形处于两种极端的变形速度，因而出现了新的变形现象。l电磁成形使材料以300600m/s的速度在毫秒级的时间内完成变形。 1 1 特殊的成形机理特殊的成形机理l超塑性成形则是以的应变速率在较长的时间里（相对常规塑性成形）完成变形，使材料的变形极限显著提高，延伸率最高可达2000 % ，这种成形极限对于其他变形方法是无法想象的。
7、 l扩散焊接完全不同于常规焊接融化凝固的冶金过程，而是在一定温度、压力的作用下，使被连接金属间出现原子相互扩散形成新的扩散层的化学反应过程。l正由于这样一种新的连接机理使扩散焊接可用于塑性差或熔点低的同种材料，或用于互相不溶解或在熔焊时产生脆性金属间化合物的异种材料的连接。 2 特殊的成形方式 l局部加载是实现省能和变形柔性化的有效途径，增量成形和多点成形是典型的局部加载变形方式。l它将大型零件的变形区化整为零，在材料的局部范围内加载，可明显降低变形力，同时通过对局部点的调整实现对不同曲率、不同形状零件的加工，因而实现了零件成形的柔性化。l由于零件形状的不同，其变形特点、难易程度有很大差别。若
8、能控制零件的变形顺序，则对于复杂形状零件的成形是非常理想的。l粘性介质成形使之成为现实。经过调整模具内不同部位粘性介质的压力，可控制不同部位材料的变形顺序，因而提高零件的成形性。2 特殊的成形方式消失模成形采用了“自消失”的模样，即浇铸结束后模样汽化、分解而消失，不需后续处理，减少了传统铸造成形的处理型芯工序，且明显提高了产品质量。快速成形完全摒弃了靠金属流动而使之达到需要形状的传统成形方法，而代之以离散堆积的过程。这一全新的变形方式使成形过程的难易程度与待成形物理实体形状和结构的复杂程度无关，大大降低了加工难度，并实现了设计制造一体化。3 特殊的施力介质 l常规塑性成形的外力一般来自于压力机
9、，通过模具作用于材料而使之发生变形。铸造成形则是靠材料重力和外加压力使材料实现流动成形，而电磁场作用下的成形则完全不同于常规成形。l电磁成形不但不同于常规的刚模成形，而且与软模成形（液体、气体、橡胶等施压介质）也有较大差别。l它不是靠常规的静压力，而是依靠磁场力使金属成形，没有对材料的直接接触，因而不但提高了材料的成形极限，且提高了零件的表面质量和尺寸精度。3 特殊的施力介质电磁铸造成形用磁场力取代传统的铸型，在电磁力的约束下液态金属在非接触或无铸型下连续成形，改变了传统的铸件与铸型传热过程，使传统的凝固方式发生变化，因而可获得均匀的细化组织或定向凝固组织。粘性介质成形的施压介质既不是刚模，也
10、不是软模，而是靠一种半固态的特殊粘性介质。它既具有液体的流动性，还具有一定的“刚性”，可以满足封闭容器内不同部位的粘性介质具有不同压力的要求，实现了变形体的不同部位、变形过程的不同阶段压力可调，使变形更加可控。激光焊接摒弃了传统电、气等能源，而是利用了高能束流，不但使焊接的材料范围更加广泛，而且使焊接过程更方便、更高效、更可靠。4 特殊的变形体状态 l塑性加工和铸造成形的区别在于，前者的变形体是固态，而后者是液态。半固态成形则打破了这一传统的界线，它的变形体是介于固态和液态之间的半固态。l半固态成形利用了金属从液态向固态或从固态向液态过渡时的特性，综合利用了铸造加工和塑性加工的某些长处。l如：
11、半固态成形比铸造加工温度低，零件性能明显优于铸造零件；比塑性加工省力，金属流动性好，能成形更加复杂的零件。第三节 特种成形技术的特点 1 1 省力、节能省力、节能l节省能源已是新时期经济发展的一个重要课题，也是特种成形与连接技术的发展方向。l其主要途径一个是在传统能源利用中，争取通过减低拘束系数、降低流动应力及减少接触面积等方法减小成形力；l另一个就是新能源的开发利用。增量成形、超塑性成形、半固态成形、旋压、摆辗、辊锻、激光焊接、电子束焊接、离子束焊接等工艺就是很好的例子。第三节 特种成形技术的特点2 2 精密精密l实现“近净成形”的成形技术可有效减少后续加工，节省原材料，降低生产成本，已成为
12、材料加工中的重点发展方向。l伴随着新材料和精密构件对成形技术的更高需求，类似等温成形、粉末锻造、精密冲压、粘性介质成形、精密铸造等新的特种成形技术必将不断出现。第三节 特种成形技术的特点3 3 提高了成形的可控性提高了成形的可控性l特种成形技术对产品变化有很强的适应性，可高效、低耗地满足多种产品的需求，l主要体现在单模、无模成形技术上，如高能率成形、电磁约束铸造成形、快速成形、粘性介质成形、增量成形、多点成形、内高压成形等。第三节 特种成形技术的特点4 4 绿色绿色l随着制造业的发展，绿色环保将是材料成形与连接技术面临的重要课题。l减少和消除成形过程中对环境的污染是绿色制造的主要内容之一。l电
13、磁成形、消失模成形、电磁约束铸造成形、扩散焊接等技术已做出了很好的尝试。第三节 特种成形技术的特点5 5 产品产品工艺工艺材料一体化材料一体化l现代计算机技术、信息技术不但促进了传统成形与连接技术的发展，而且不断产生新的特种成形与连接技术。l计算机模拟仿真技术、CAD / CAM / CAE / CAPP / PDM 技术在成形与连接技术中的广泛应用已经使工艺设计、模具设计与制造更加科学化、自动化。变形预测、组织预测已经成为可能。l成形与连接技术已从“经验型”逐渐走向科学化、信息化、智能化。第四节 铸锻焊三种成形技术的基本问题一、铸造成形（凝固成形）一、铸造成形（凝固成形） 它是将满足化学成分
14、要求的液态合它是将满足化学成分要求的液态合金在重力场或是其它力的作用下，引入金在重力场或是其它力的作用下，引入到预制好的型腔内，然后经过冷却使其到预制好的型腔内，然后经过冷却使其凝固，成为具有型腔形状和相应尺寸的凝固，成为具有型腔形状和相应尺寸的固体制品的方法。铸造成形过程：充填、固体制品的方法。铸造成形过程：充填、凝固凝固 基本上是质量不变的流程。基本上是质量不变的流程。一、铸造成形（凝固成形）一、铸造成形（凝固成形）1 凝固组织的形成与控制凝固组织的形成与控制凝固组织包括晶粒的大小、方向和形态等，它们对铸件的物理性能和力学性能有着重大的影响。控制铸件的凝固组织是凝固成形中的一个基本问题，能
15、随心所欲地获得所希望的组织历来是人们所追求的目标之一。但由于铸件组织的表现形式受诸多因素的影响和制约，欲控制凝固组织，就必须对其形成机理、形成过程和影响因素等有全面的了解。通过对控制原理的深入研究，目前己建立了许多控制组织的方法，如孕育、动态结晶、定向凝固等。一、铸造成形（凝固成形）一、铸造成形（凝固成形）2 2 铸造缺陷的防止与控制铸造缺陷的防止与控制l存在于铸件的缺陷五花八门，有内在缺陷和外观缺陷之分。由于凝固成形时条件的差异，缺陷的种类、存在形态和表现部位不尽相同。l液态金属的结晶收缩可形成缩孔、缩松；结晶期间元素在因相和液相中的再分配会造成偏析缺陷；冷却过程中热应力的集中可能会造成铸件
16、裂纹。一、铸造成形（凝固成形）一、铸造成形（凝固成形）2 2 铸造缺陷的防止与控制铸造缺陷的防止与控制l这些缺陷的成因对所有的铸造合金都相同，关键是在实际凝固成形中如何加以控制，以使铸件缺陷被消除或降至最低程度。此外，还有许多缺陷，如夹杂物、气孔、冷隔等，出现在充填过程中，它们不仅与合金种类有关，而且还与具体成形工艺有关。l总之，在各种凝固成形方法中，如何与缺陷作斗争仍是一个重要的基本问题。一、铸造成形（凝固成形）一、铸造成形（凝固成形）3 3 铸件尺寸精度和表面粗糙度控制铸件尺寸精度和表面粗糙度控制 在现代制造的许多领域，对铸件尺寸角度和外观质量在现代制造的许多领域，对铸件尺寸角度和外观质量
17、的要求愈来愈高。也正是这种要求促使了近净成形铸的要求愈来愈高。也正是这种要求促使了近净成形铸造技术的迅猛发展，它改变着铸造只能提供毛坯的传造技术的迅猛发展，它改变着铸造只能提供毛坯的传统观念。统观念。然而，铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素然而，铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素( (如铸型尺寸精度及型腔表面组糙度、液体金属与铸如铸型尺寸精度及型腔表面组糙度、液体金属与铸型表面的反应、凝固热应力、凝固收缩等型表面的反应、凝固热应力、凝固收缩等) )的影响和的影响和制约，控制难度很大，在一种成形方法构制约，控制难度很大，在一种成形方法构B B奏效的措奏效的措施，可能在另一种成形方法中
18、毫无效果。施，可能在另一种成形方法中毫无效果。故此，开展这方面的深入研究，以促进近净成品铸造故此，开展这方面的深入研究，以促进近净成品铸造技术的发展，也是凝固成形中的一个重要问题。技术的发展，也是凝固成形中的一个重要问题。二二 塑塑 性成形（锻压成形）性成形（锻压成形） 塑性成形是利用材料的塑性。借助于工模具的约束及使用设备，在外力及能量的作用下，使材料产生永久的变形，从而获得所需要的形状和性能的工件的一种压力加工方法。二二 塑塑 性成形（锻压成形）性成形（锻压成形）a.材料对塑性变形的适应能力塑性、温度、应力状态、变形速率、晶粒大小、化学成分；b.确定合适的变形力及功，并设法降低；c.变形工
19、件内应变场和位移场的确定；d.组织性能的改善及内部缺陷的防治；e.模具寿命的提高及价格的降低；f.模具的快速制造；三、焊接成形（连接成形）三、焊接成形（连接成形） 它是利用各种形式的能量使被连接的它是利用各种形式的能量使被连接的两个表面产生原子（分子）间的结合而成两个表面产生原子（分子）间的结合而成为一体的成形加工方法。由热过程、物理为一体的成形加工方法。由热过程、物理化学冶金及应力应变过程组成。化学冶金及应力应变过程组成。焊接成形方法:1) 、 溶焊：表面熔化2）、固相焊：塑性变形连接3）、钎焊：被焊表面填加低熔点材料焊接成形（连接成形）的基本问题 焊接成形焊接成形是利用各种形式的能量是被连
20、接的表面产生原子（分子）间的结合是利用各种形式的能量是被连接的表面产生原子（分子）间的结合而成为一体的成形加工的方法。而成为一体的成形加工的方法。 焊接成形过程焊接成形过程包括了几乎同时发生的热过程、物理冶金过程和应力变形过程。包括了几乎同时发生的热过程、物理冶金过程和应力变形过程。焊接成形可分为焊接成形可分为溶焊：表面熔化；溶焊：表面熔化；固相焊：塑性变形连接；固相焊：塑性变形连接；钎焊：被焊表面填加低钎焊：被焊表面填加低熔点材料熔点材料焊接成形的基本问题如下：焊接成形的基本问题如下：焊缝能量的合理输入方式焊缝能量的合理输入方式（焊缝处能量的剧烈输入导致不平衡的物理化学（焊缝处能量的剧烈输入
21、导致不平衡的物理化学冶金、焊接应力和变形）冶金、焊接应力和变形）焊接部位的表面污染清除焊接部位的表面污染清除( (有机薄膜、吸附的气体和氧化物有机薄膜、吸附的气体和氧化物) )组织性能不均匀性的控制组织性能不均匀性的控制残余应力和残余变形残余应力和残余变形( (合理的焊接热输入、焊接结构的形状尺寸以及拘束状合理的焊接热输入、焊接结构的形状尺寸以及拘束状态态) )焊接缺陷及检测焊接缺陷及检测（焊接裂纹、未焊透、气孔和夹渣）（焊接裂纹、未焊透、气孔和夹渣）第五节 材料成形工艺形态学l机器制造一般过程l材料加工的基本要素和流程1 机器制造一般过程 任何一种材料加工过程，都是为了达到材料的形状和性能的
22、要求。即： 成形与成性！成形与成性！零件或材料的加工方法 成形加工 热处理加工 表面加工 切除加工 （1）成形加工：用来改变材料的形状尺寸，并一般兼有改变材料的性能。 主要有凝固成形、塑性成形、焊接成形、塑料成形和粉末压制等。（2）切除加工：用来改变材料的形状尺寸。 a.间接加工： 间接利用电能进行车、铣、刨、钻、磨等传统的切削加工， b.直接加工： 直接利用电能、化学能、声能、光能进行特殊加工，如电火花加工、电解加工、超声波加工和激光加工等特种加工。 （3）表面加工：用来改变零件的表面状态或（和）性能。 主要有表面形变及淬火强化、化学热处理、化学气相沉积、物理气相沉积、表面涂（镀）层等。（4
23、）热处理加工：用来改变材料或零件的性能。 主要有退火、淬火、正火、回火等。 选择零件的加工方法需要综合考虑：l工作条件及性能要求、l零件的形状尺寸特征、l生产批量、l制造成本。等多种因素。以达到：技术上可行、质量上可靠、经济上合理。 零件制成后再经过：检验、装配、调试，最终得到整机产品。2 材料加工的基本要素和流程 三个基本要素：材料、能量和信息 2.1 材料流程材料流程涉及：l表征加工过程的特点的过程类型过程类型l被加工的材料的形状和（或）性能的材料状态材料状态l实现零件形状和（或）性能变化的基本过程基本过程材料流程 类型 直通流程 发散流程 汇合流程 加工过程类型：按加工过程材料的质量变化
24、情况按加工过程材料的质量变化情况近净成形技术是制造业大力倡导的新技术该技术归属直通与汇合流程材料状态l固态l液态l颗粒态材料加工过程一般包含有三个典型阶段： l第一阶段：由一些使材料形状和（或）性能发生初步变化而处于适当状态的基本过程组成。如加热、熔化、下料等。l第二阶段：由一些产生所要求的形状和（或）性能变化的基本过程组成，这种基本过程又称为主要基本过程。l第三阶段：由一些使工件达到指定的最终状态的基本过程组成。如凝固、冷却、切飞边等。 根据材料加工过程对材料作用性质的不同，可分三种类型：l机械过程：如弹性变形、塑性变形、脆性和韧性断裂、液体或粉末的流动、混合等；l热过程：如加热、冷却、熔化
25、、凝固、气化等；l化学过程：如溶解、燃烧、沉淀、相变、扩散等。常见的材料状态与流程的关系：固态直通流程、汇合流程、发散流程液态直通流程、汇合流程颗粒态直通流程部分典型的材料加工过程的材料流程特征部分典型的材料加工过程的材料流程特征2.2 能量流程（能量的提供方式，传递介质，能源）（能量的提供方式，传递介质，能源）主要考察基本过程为：机械、热两种过程的情况主要考察基本过程为：机械、热两种过程的情况（1）基本过程为机械过程的能量流程 实现此类基本过程的能量可以通过下列相对运动、压相对运动、压力差、质量力力差、质量力三种方式提供：l传递介质和加工材料之间的相对运动，传递介质的状态可以是刚性的、颗粒态
26、的和流体状态的。 模锻成形超声波加工 静液挤压 模锻成形 超声波加工 静液挤压l作用在加工材料上的压力差 板料成形中的气压胀形、液压胀形、橡胶胀形、超塑性板料的气压成形、塑料的吹塑成形和真空成形等，都是借助压力差而成形的。传递的介质可以是弹性体、液体和气体（包括真空状态）等。由压力差产生的基本过程 液电成形示意图 爆炸成形示意图 内燃锤工作原理示意图不同的能源产生的压力差成形方式（a）浇注成形 （b）磁力成形 由质量力产生的机械基本过程 l直接产生于加工材料中的质量力 此质量力可以是在重力场或磁场的作用下而产生。爆炸焊接示意图由质量力产生的机械基本过程实现机械基本过程的能源电能源：l电动机驱动
27、的机床、l磁致伸缩效应的超声波加工、l液电效应的成型加工、l电磁成形实现机械基本过程的能源化学能源：炸药、可燃液体、可燃气体通过爆炸或燃烧转变为机械能，使周围介质压力增加所形成的高压或直接以压力差的方式或以传递介质与加工材料的相对运动的方式，使材料实现某种机械基本过程。如爆炸成形，内燃锻锤（2）基本过程为热过程的能量流程 热基本过程所需热量由热源提供。 热源有：l电能热源、l化学能热源l机械能热源，他们分别将电能、化学能和机械能转化为热能。 热基本过程所需热量由热源提供。l热量可以在加工材料内部直接产生（直接加热），l也可在加工材料外部，然后以一定方式（如传导、对流、辐射等）传递给加工材料（间
28、接加热）。电能转换为热能的方式电流通过导电材料：导电材料本身为被加工材料、特殊高电阻加热元件（电炉子：对流、辐射方式加热工件）电磁感应：中频加热炉（模锻）火花放电：产生的瞬时高温，可使金属熔化和气化。电能转换为热能的方式电弧放电：借助电弧放电使材料加热熔化电子束：高能量密度的电子束产生的瞬时高温，可使金属熔化和气化。激光：产生的瞬时高温，可使金属熔化和气化。模锻毛坯感应电加热原理图 电弧焊加热示意图1-感应器 2-坯料 3-电源 热过程的能量流程电火花加热的利用（电火花加工） 热过程的能量流程（3）基本过程为化学能的能量流程 材料加工中的化学基本过程可有溶解、燃烧等前者如电解加工，后者如火焰切
29、割。另外，金属的各种热处理亦包含有化学基本过程。化学基本过程同样需要能量，但也有一些化学基本过程（如树脂固化），无需再外加能量而能自发进行。 以机械能为基础的热源该热量由摩擦产生。如摩擦焊，搅拌摩擦焊 摩擦焊原理图2.3 2.3 信息流程信息流程 信息流程包括形状信息和性能信息。 在材料加工过程中，由于把形状变化信息加于材料，最终形状信息就等于材料的初始形状信息与加工所施加的形状变化信息之和。 形状变化信息是由：刀具和工模具（具有一定形状信息量），和加工材料和刀具、工模具之间相对运动共同产生的。 也就是说形状变化过程为：l借助能量流程l把相应于信息流程中的形状变化信息施加于材料流程的过程。形状
30、变化信息可以通过一个或几个阶段加于材料。式中： 要求获得的几何形状 材料初始形状信息 各个加工过程的形状变化信息 一般来说，刀具或工模具所包含的形状信息量越少，则它们与加工材料的相对运动对于材料的形状变化所起的作用越大，反之亦然。 闭式模锻：传递介质（模锻）已包含了所要求的全部形状信息，因而传递介质与加工材料的相对运动就变得很简单。 车削加工：车刀所包含的形状信息量很少，为了形成所需形状零件，甚至要求三种相对运动。 性能信息流程涉及材料的初始性能和通过各种加工过程所产生的材料性能的变化。 工件最终的性能则是初始和加工过程两方面性能变化综合作用的结果。 主要参考文献主要参考文献1.王仲仁特种塑性成形北京：机械工业出版社，19942.谢水生，黄声宏。半固态金属加工技术及其应用。冶金工业出版社，19993.顾海澄。节约金属材料手册，机械工业出版社，19954.曾绍绍。特种铸造。国防工业出版社。19845.曾乐。现代焊接技术手册。上海科技出版社。19936.康永林，毛为民，胡壮麟。金属材料半固态加工理论与技术。科学出版社。20047.邓明。材料成形新技术及模具。化学工业出版社。20058.李春峰。特种成形与连接技术。高等教育出版社。20059.洪慎章。特种成形技术。机械工业出版社。2008谢 谢!
