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1、第三章第三章 先进制造工艺先进制造工艺第七节第七节 精确高效塑性成形技术精确高效塑性成形技术 一、概述一、概述 1概念概念 精确高效塑性成形技术是通过塑性变形方法来实现精确成形的一种先进制造技术，是建立在现代材料科学、力学、数值模拟和计算机、自动化和机器人技术、模具和润滑技术、金属塑性和成形技术等多种科学和技术基础上的一门先进科学技术。 由于市场的激烈竞争，制造企业为了降低产品生产成本、提高产品质量，要求毛坯制造业提供的成形件尺寸越来越精确，而制造企业在其基础上只需要少量切削加工或干脆不加工就能达到最终零件形状和尺寸。因此，精确高效塑性成形技术有逐渐替代一般的锻压生产毛坯的趋势，成为优先选择的
2、毛坯制造技术之一。同时这也是为什么近20多年来精确高效塑性成形技术在工业发达国家普遍受到重视，其发展逮度也普遍高于机械制造业的平均发展速度的主要原因。 2.特点特点 精确高效塑性成形技术具有以下特点： 1）精密成形件具有良好的内部组织与性能。 2）节省了切削加工，从而使成形件表层的细化晶粒得以保存，金属纤维的连续性也因而得以保持，从而提高了零件性能。 3）产品结构紧凑，高效率、低成本的成形技术，又成为降低产品成本参与市场竞争的制造技术。 4）成形件加工裕量小、尺寸一致性好。 3成形工艺成形工艺 典型的成形工艺及其专用通用设备如下： 1）以压力机为主的热精锻成形。 2）以工具回转运动来实现成形的
3、辊锻和楔横轧。 3）在冷态或相变温度以下成形的冷温成形技术。 4）以汽车覆盖件为代表的板料成形 5）在三向应力状态下的板料精冲技术 6）金属在超塑状态下的成形技术 二、精密冲裁二、精密冲裁 精密冲裁简称精冲，是一种先进制造技术，在一定条件下可取代切削加工，具有优质、高效、面广的特点，适合于组织自动化生产。 1精冲的特点 精密冲裁具有以下特点： （1）优质 精冲件的尺寸公差可达1T78级；剪切面粗糙度可达，相当于磨削加工。 （2）高效 和切削加工相比精冲一般可提高工效10倍左右，精冲片齿轮可提高工效20倍左右，精冲凸轮提高工效40多倍。 （3）低耗 节约大量切削机床和切削加工所需电能，精冲后表面
4、加工硬化有时可以取消后续淬火节约大量电能。 （4）面广 许多铸、锻毛坯切削加工件以及切削加工后用铆、焊联接在一起的组合件，均有精冲复合工艺生产，已广泛用于汽车、摩托车、起重机械、纺织机械、农机、电器开关、家用电器、仪器仪表、航空器等制造部门，一辆轿车就有80多种100多个精冲件。精冲的工作原理：精冲的工作原理：首先首先，设置在凸模周围的，设置在凸模周围的V V形形齿圈压板齿圈压板，对冲裁轮廓周围，对冲裁轮廓周围的材料施加很大的压力；在凹模内设置的材料施加很大的压力；在凹模内设置顶出器顶出器，对凸模下面，对凸模下面的材料施加较大的压力；的材料施加较大的压力；其次其次, ,将凹模刃口制成将凹模刃口
5、制成小圆角小圆角，其，其主要作用是扩大压应力分布区域，抑制裂纹的生成。这样使主要作用是扩大压应力分布区域，抑制裂纹的生成。这样使冲裁轮廓周围的材料处于较强的冲裁轮廓周围的材料处于较强的三向压力状态三向压力状态。这相当于在。这相当于在普通冲裁的变形区应力状态基础上，普通冲裁的变形区应力状态基础上，另外另外, ,精冲间隙极小精冲间隙极小，因此精冲是在尽因此精冲是在尽可能提高材料塑性的情况下，使板料几可能提高材料塑性的情况下，使板料几乎处于乎处于纯剪切状态纯剪切状态。所以精冲的。所以精冲的切断面切断面几乎全部是光亮带几乎全部是光亮带，即，即塑性剪切面塑性剪切面几乎几乎贯穿整个板厚，而且很垂直，只是最
6、后贯穿整个板厚，而且很垂直，只是最后才有很小的撕裂面和毛刺。才有很小的撕裂面和毛刺。叠加了较大的静水压力，材料的叠加了较大的静水压力，材料的塑性塑性得到了很大的得到了很大的提高提高。 精冲时，精冲时，压紧力压紧力、小冲裁间隙小冲裁间隙及凹模及凹模刃刃口圆角口圆角三者相辅相成，三者相辅相成，缺一不可。缺一不可。a.a.材料送进模具；材料送进模具；b b. .模具闭合，材料被齿圈、凸模、凹模和顶出器压紧；模具闭合，材料被齿圈、凸模、凹模和顶出器压紧；c c. .材料在受压状态下被冲裁；材料在受压状态下被冲裁；d.d.冲裁结束，模具开启；冲裁结束，模具开启；e e. .齿圈压板先卸料，再顶出工件；齿
7、圈压板先卸料，再顶出工件； f.f.移走工件，并送料。移走工件，并送料。精冲精冲和普通冲裁的主要区别和普通冲裁的主要区别1)1)凸、凹模之凸、凹模之间的的间隙小，相当于普通冲裁隙小，相当于普通冲裁间隙的隙的1 11010；2)2)有有带齿形的形的V V形形环压边圈和反圈和反压板，是在板，是在压边力、反力、反压力和冲裁力三力力和冲裁力三力同同时作用。作用。3)3)精冲精冲过程中工件和条料最后分离前始程中工件和条料最后分离前始终保持保持为一个整体，一个整体，维持塑性持塑性变形状形状态。为保证塑性变形的进行，采取以下措施：1)冲裁前V形环压边圈压住材料，防止剪切变形区以外的材料在剪切过程中随凸模流动
8、。2)压边圈和反压板的夹持作用，再结合凸、凹模的小间隙使材料在冲裁过程中始终保持和冲裁方向垂直，避免弯曲翘起而在变形区产生拉应力，从而构成塑性剪切的条件。 3)必要时将凹模或凸模刃口倒以圆角，以便减少刃口处的应力集中，避免或者延缓裂纹的产生，改善变形区的应力状态。4)利用压边力和反压力提高变形区材料的压应力张量，以提高材料的塑性。5)材料预先进行球化处理，或采用适于精冲的特种材料。6)采用适于不同材料的工艺润滑剂。 3精冲的基本条件 精冲模具、精冲材料、精冲润滑剂和精冲设备是完成精冲所必须的四项基本条件，其中精冲模具是组织精冲零件生产的关键。（1）精冲模具 精冲模的冲裁间隙小，有V形环压边圈和
9、反压板，工件和废料都是上出料，要求精度高，刚性和导向性好。按结构特点分为： 1）活动凸模式，适合精冲小件。 2）固定凸模式，适合精冲中、大件或窄长的零件以及采用连续模。精冲模按功能还可分为简单模（只冲外形不冲孔）、复合模（同时冲出外形和内形）、连续模（有若干个工位，用于精冲复合工艺或采用复合模结构凸凹模的强度太弱）。（2）精冲材料 大约95的精冲件都是钢件，除铅黄铜外，多数非铁金属和合金均可以精冲。表3-2 精冲的主要材料 钢钢种种可精冲的可精冲的大大约约最大最大厚度厚度mmmm精冲适精冲适应应性性 钢钢种种可精冲的大可精冲的大约约最大厚度最大厚度mmmm精冲适精冲适应应性性 08,10 08
10、,10 15 15 20 20，2525，3030 35 35 40,45 40,45 50.55 50.55 60 6070,T8A,T10A70,T8A,T10A 15Mn 15Mn，16Mn16Mn 15 15 12 12 10 10 8 8 7 7 6 6 4 4 3 3 8 8优优良良优优良良优优良良中等中等中等中等中等中等中等中等困困难难中等中等15CrMn15CrMn 20CrMoV 20CrMoV 20CrMo 20CrMo GCrl5 GCrl5 1Crl8Ni9 1Crl8Ni9 OCrl3 OCrl3 1Crl3 1Crl3 4Crl3 4Crl3 5 5 8 8 4 4
11、 6 6 8 8 6 6 5 5 4 4中等中等中等中等中等中等困困难难中等中等中等中等中等中等中等中等 （3）精冲润滑剂 精冲过程中金属材料在三向受压的条件下进行塑性剪切，模具刃口承受瞬时高温高压，发生强烈干摩擦，易引起“焊合”和附着磨损，改善措施是必须采用精冲润滑剂。（4）精冲压力机 精冲压力机是完成精冲工艺的专用压力机，它能同时提供冲裁力、压边力和反压力，滑块有很高的导向精度和刚度，滑块行程速度的变化满足快速闭合、慢速冲裁和快速回程的要求，冲裁速度可以调节，有可靠的模具保护装置及其他自动检测和安全装置，具备单机自动生产能力。 一、精密洁净铸造成形工艺一、精密洁净铸造成形工艺铸造业是制造业
12、毛坯的主要供应者。现代铸铸造业是制造业毛坯的主要供应者。现代铸造技术在发挥成形随意性和综合经济性优势的基造技术在发挥成形随意性和综合经济性优势的基础上，不断吸纳电子、信息和传感等高新技术，础上，不断吸纳电子、信息和传感等高新技术，形成一系列先进铸造技术。形成一系列先进铸造技术。先进铸造技术以先进铸造技术以熔体洁净、铸件组织细密熔体洁净、铸件组织细密(性能高性能高)和和表面光洁、尺寸精度高表面光洁、尺寸精度高(少、无切削少、无切削)为主要特征，可简称为精密洁净铸造成形工艺。为主要特征，可简称为精密洁净铸造成形工艺。当代精密洁净铸造成形工艺涉及的内容，见当代精密洁净铸造成形工艺涉及的内容，见表表3
13、-3。第八节第八节 其他先进制造工艺技术其他先进制造工艺技术铸造铸造1 1、铸造的概念、铸造的概念 将经过熔化的液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型将经过熔化的液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的一种工艺方法。中，冷却凝固后获得毛坯或零件的一种工艺方法。(铸造铸造)2 2、铸造的方法、铸造的方法3 3、铸造的特点、铸造的特点砂型铸造、特种铸造砂型铸造、特种铸造(2)(2)生产成本低，较为经济生产成本低，较为经济(1)(1)成型方便，适应性强成型方便，适应性强(3)(3)铸件组织性能差铸件组织性能差利用液态成形利用液态成形, ,适应各种适应各种形状形状、
14、尺寸，不同材料的铸件、尺寸，不同材料的铸件. .节省金属节省金属, ,材料来源广泛，设备简单。材料来源广泛，设备简单。铸件晶粒粗大，力学性能差铸件晶粒粗大，力学性能差. .1.1.砂型铸造砂型铸造 砂型铸造砂型铸造是以是以砂砂为主要造型材料制备铸型的一种铸造方法。目前为主要造型材料制备铸型的一种铸造方法。目前90%以上的铸件是用砂型铸造方法生产的。以上的铸件是用砂型铸造方法生产的。一、砂型铸造的工艺过程一、砂型铸造的工艺过程工工 艺艺 准准 备备造造 型型落落 砂砂合合 箱箱浇浇 注注造造 芯芯清清 理理检检 验验熔炼金属熔炼金属配砂、制模配砂、制模二、模样与芯盒二、模样与芯盒1 1、模样与芯
15、盒是制造铸型和型芯的工具。、模样与芯盒是制造铸型和型芯的工具。2 2、模样形成铸件的外形，其外形相当于铸件的外部形、模样形成铸件的外形，其外形相当于铸件的外部形状；型芯形成铸件的内腔形状。芯盒是制造型芯的工状；型芯形成铸件的内腔形状。芯盒是制造型芯的工具。具。3 3、砂型铸造多用、砂型铸造多用木材木材制造模样和芯盒。制造模样和芯盒。4 4、特种铸造用金属模、塑料模和其它模样。、特种铸造用金属模、塑料模和其它模样。三、造型方法三、造型方法按造型操作方法的不同，可分为：按造型操作方法的不同，可分为：1 1、手工造型、手工造型2 2、机器造型、机器造型 填砂、紧实、起模等主要有填砂、紧实、起模等主要
16、有人工人工完成，操作灵活，生产率低，完成，操作灵活，生产率低，主要用于单件小批量生产。主要用于单件小批量生产。 填砂、紧实、起模等实现填砂、紧实、起模等实现机械化机械化，生产率高，投资大，主要用，生产率高，投资大，主要用于批量生产。于批量生产。 主要方法有：主要方法有：主要方法有：主要方法有：整模造型整模造型挖砂造型挖砂造型三箱造型三箱造型活块造型活块造型刮板造型刮板造型假箱造型假箱造型振压紧实、抛砂紧实振压紧实、抛砂紧实分模造型分模造型2 2 特种铸造特种铸造1 1、概念、概念： 3 3、常用的特种铸造方法、常用的特种铸造方法：2、特种铸造的特点、特种铸造的特点： 铸件精度高，力学性能好；生
17、产率高；工人铸件精度高，力学性能好；生产率高；工人劳动条件好等。劳动条件好等。特种铸造是指砂型铸造以外的其他铸造方法。特种铸造是指砂型铸造以外的其他铸造方法。金属型铸造金属型铸造压力铸造压力铸造熔模铸造熔模铸造离心铸造离心铸造壳型铸造壳型铸造一、金属型铸造一、金属型铸造将液态金属注入用金属制成的铸型中，以获得铸件的方法。将液态金属注入用金属制成的铸型中，以获得铸件的方法。1 1、工艺特点：、工艺特点： 一型多铸，铸件精度高，力学性能好，但成本高，主要用于大批一型多铸，铸件精度高，力学性能好，但成本高，主要用于大批大量生产铜、铝、镁等非铁合金铸件。大量生产铜、铝、镁等非铁合金铸件。2 2、工艺过
18、程：、工艺过程：金属型铸造金属型铸造二、熔模铸造二、熔模铸造 将蜡料制成模样，在上面涂以若干层耐火涂料制成型壳，然后将蜡料制成模样，在上面涂以若干层耐火涂料制成型壳，然后加热型壳，使模样熔化、流出，并焙烧成有一定强度的型壳，再经加热型壳，使模样熔化、流出，并焙烧成有一定强度的型壳，再经浇注，去壳而得到铸件的一种铸造方法。浇注，去壳而得到铸件的一种铸造方法。1 1、工艺特点：、工艺特点： 以熔化模样为起模方式。铸件精度高，是少无切削加工的方法之以熔化模样为起模方式。铸件精度高，是少无切削加工的方法之一。其设备简单，生产批量不受限制，主要用于大批、大量生产。一。其设备简单，生产批量不受限制，主要用
19、于大批、大量生产。其缺点是工艺过程复杂，生产周期长。其缺点是工艺过程复杂，生产周期长。2 2、工艺过程：、工艺过程：熔模铸造熔模铸造三、压力铸造三、压力铸造 将熔融的金属在高压下，快速压入金属铸型的型腔中，并在压将熔融的金属在高压下，快速压入金属铸型的型腔中，并在压力下凝固，以得到铸件的一种铸造方法。力下凝固，以得到铸件的一种铸造方法。1 1、工艺特点：、工艺特点： 高速高压。高速高压。2 2、工艺过程：、工艺过程：压力铸造压力铸造 多用于非铁合金（如铝、铜、镁等）精密铸件的批量生产。多用于非铁合金（如铝、铜、镁等）精密铸件的批量生产。四、离心铸造四、离心铸造 将熔融的金属浇入高速旋转的铸型中
20、，使金属液在离心力的作将熔融的金属浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心力的作用下凝固成形，以得到铸件的一种铸造方法。用下凝固成形，以得到铸件的一种铸造方法。1 1、工艺特点：、工艺特点： 组织紧密，铸件质量好。组织紧密，铸件质量好。2 2、工艺过程：、工艺过程：离心铸造离心铸造 用于生产空心铸件。用于生产空心铸件。整模造型整模造型刮板造型刮板造型假箱造型假箱造型挖砂造型挖砂造型三箱造型三箱造型活块造型活块造型砂型铸造砂型铸造金属型铸造金属型铸造熔模铸造熔模铸造压力铸造压力铸造离心铸造离心铸造分模造型分模造型 常见热处理的方法： 退火 正火 淬火 回火 调质 化学热处理：渗碳、渗氮、氮碳共渗 二
21、、优质低耗洁净热处理技术二、优质低耗洁净热处理技术 热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。二、优质低耗洁净热处理技术二、优质低耗洁净热处理技术 热处理的发展目标优质、低耗、洁净，即要求热处理零件和产品质量分散率及畸变接近零，工艺周期短，能源利用率及生产效率高，成本低，利润回报率高；无污染，工作环境清洁、舒适、安全。 为使热处理成为先进的制造工艺，必须积极发展和推广应用无氧化、无脱碳、无变形、无污染、无人操作、无废品、节能等优质低耗洁净的热处理工艺技术。 1优质热处理 要大力发展和广泛应用可控气氛热处理、真空热
22、处理、离子化学热处理、三束热处理等优质热处理, 并使生产过程的控制日益完善。要侧重发展和应用模型化和模拟技术、传感器技术、自动控制技术、专家系统等相关技术，控制工艺过程参数，提高产品质量可靠性和重现性，对过程的结果进行精确的预报，使热处理由一种凭借经验的生产技能转变为能满足各种性能要求的可控生产过程。 2低耗热处理是实现企业降低生产成本，获得高生产效益的重要途径。应开拓和应用节能材料、节能工艺、节能设备、新型绝热材和炉型结构的加热设备、非调质钢新材料和控制冷却技术、余热热处理、复合热处理工艺、共渗及催渗工艺等先进工艺、技术、材料及设备等。 3洁净热处理 包括处理零件的洁净和环境的洁净两个方面。
23、推广应用真空热处理、控制气氛热处理、感应热处理、离子热处理、少或无污染化学热处理、高能密度热处理、少或无污染淬火剂和清洗剂、真空清洗、高效节能热处理炉。无氧化、无污染，工作环境清洁安全的洁净热处理，实现经济效益、社会效益和环境效益的三统一。 三、微细加工和纳米技术三、微细加工和纳米技术 随着人们对许多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求，使零部件的尺寸日趋微小。例如便携式录音机的机械和电路的空间容积仅为60年代产品的1，此外，进人人体的医疗机械和管道自动检测装置等都需要微型的齿轮、电机、传感器和控制电路。而微型机械的应用已取得显著的经济效益，如汽车的安全气囊的传感器采用微细加工技术，把传感器
24、和电路蚀刻在一起，使成本从每套25美元降至10美元。这些需求导致了自70年代起出现了微细加工和纳米制造技术，它们也促使了微型机器向系统化方向发展，并形成了有广阔发展前景的微机电系统(MEMS)。 一般把微型机械定义为其大小在lmm以下的微小机器，实际上，目前把尺寸在微米至厘米范围内零件的加工都归属于微细加工的领域。由于尺寸微小，因而其尺寸公差和形状公差小至100nm左右，而表面粗糙度要达10nm。这意味着微细加工往往兼具微小和精密加工的特征。微细加工方法主要以下五方面： 1）采用微型化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工，如车削、钻削、铣削和磨削。由于刀具具有清晰明显的界限，因此可以方便
25、地定义刀具路径加工出各种三维形状的轮廓。 2）采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工(MEDM)、线放电磨削加工(WEDG)、线电化磨削(WECG)、电化加工(ECM)。3）采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工(MLBM)、微细超声加工。4）采用光化掩膜加工法，如光刻法，LIGA法(X射线蚀刻和电铸制模成形法)。5）采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆(用于SMA微型线圈制造) 微纳米加工单根有机微纳米线思考题思考题 3-1 先进制造工艺技术的特点有哪些？3-2 畅想一下虚拟制造技术应用的前景？3-3 结合自己的学习，谈谈你对快速原型制造技术应用的认识？3-4 精确高效塑性成形技术的典型成形工艺有哪些？3-5 谈谈你最感兴趣的先进制造工艺技术是哪一种？3-6 你能想办法再举一些先进制造工艺技术的应用实例吗？
