第三章 先进制造工艺技术 第二节材料受迫成形工艺技术.ppt
史振宇,先进制造工艺技术第二节 材料受迫成形工艺技术,1,2,3,4,精密洁净铸造成形,精确高效金属塑性成形工艺,主 要 内 容,2,粉末锻造成形工艺,高分子材料注射成形,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。,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,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,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,自硬砂精确砂型铸造高紧实砂型铸造消失模铸造特种铸造技术,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。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。,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。（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25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。,特种铸造技术,压力铸造低压铸造熔模铸造离心铸造真空铸造挤压铸造,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。,压铸工艺过程,低压铸造,低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.030.07Mpa），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,带保温炉,不带保温炉,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：,蜡模制造,结壳,浇注,焙烧,脱模,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（2501500r/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,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,二、精确高效金属塑性成形工艺,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,金属塑性成形是通过材料的塑性变形来实现制品所要求的形状、尺寸和性能的机械加工方法，包括锻造、冲压、轧制、挤压等加工工艺。要求毛坯制造业提供的成形尺寸越来越精确，只需要很少切削加工或者不加工就能达到零件的最终形状和尺寸。,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12等级。模具型腔需开排气孔，以减小金属流动阻力。,齿轮锻造模具,温锻圆柱直齿轮、斜齿轮和同步齿轮,2、超塑性成形,超塑性是指材料在一定的内部组织条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部环境条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的伸长率现象。有人将伸长率超过100的材料称为超塑性材料。一般材料的伸长率不超过百分之几十，黑色金属不超过40，有色金属不超过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：（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。,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IT6IT9级，断面粗糙度Ra值为1.60.4m。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。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。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。,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,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,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,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,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：,
