材料受迫成形工艺技术

制造加工工艺实质上就是一种材料成形工艺。材料成形大体分为如下三种类型：①受迫成形，它是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、锻造、注射成形等工艺方法就属于这一类；②去除成形，是将一部分材料有序地从基体中分离出去的成形方法，如传统的车、铣、刨、磨切削加工以及特种加工工艺方法；③堆积成形，是运用合并与连接等手段，将材料有序地合并堆积起来的成形方法，如快速原型制造、焊接等，这种成形方法又称添加成形。
一、精密洁净铸造工艺技术
随着精密成形技术的发展，铸造毛坯的成形精度也得到不断地提高，获得精确铸件的工艺技术有：
1 自硬砂精确砂型铸造
2 压力铸造技术
（1）压力铸造简介
（2）压铸过程原理
3 消失模铸造工艺
（1） 消失模铸造工艺的定义
（2） 消失模铸造工艺的生产原理
（3） 消失模铸造的工艺流程
（4） 消失模铸造工艺的优越性
1) 它是一种近天余量的新型成形工艺
2) 铸件内部质量提高
3) 对环境天公害，易实现清洁生产
4) 方便了铸件结构的设计
5) 简化砂处理工序，减少设备占地面积，从而降低设备费用
（5） 消失模铸造技术发展趋势
1)随着严格的质量控制体系的建立和各关键工序监控仪表的完善，消失檬铸件的质量将进一步提高，废品率将大为降低。
2)在模具设计和制造领域，将大量采用快速原形制造技术和并行环境下计算机模拟仿真，从而大大缩短模具的生产时间，实现铸件的快捷生产。
3)随着泡沫塑科尾气净化装置和旧砂处理设备的进一步改善，以及各工序间自动化程度的提高，将使消失模铸造工厂(车间)绿色化。
4)随着技术的进步，消失模铸造技术将与其他先进的铸造工艺相结合，开创出更新的复杂工艺，将使铸件质量和生产效率进一步提高。
4 清洁(绿色)铸造技术
日趋严格的环境与资源的约束，清洁铸造已成为21世纪铸造生产的重要特征。清洁铸造技术的主要内容有：
(1)采用洁净的能源，如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，以减轻在熔炼过程对空气的污染；
(2)采用无砂和少砂的特种铸造工艺，如压力铸造、金属型铸造、金属型覆砂铸造、挤压铸造等，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，如研究使用无毒无味的变质剂、精炼剂、粘结剂，用用湿型砂无毒无污染粉料光洁剂代替煤粉等；
(4)采用高溃散性型砂工艺，如树脂砂、”改性酯硬化水玻璃砂工艺；
(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。
二、精确高效塑性成形工艺技术
1 超塑性成形工艺
(1)超塑性成形工艺的定义与特点
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。将伸长率超过100％的材料称之为超塑性材料。
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、稳定的等轴细晶组织；外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形，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。目前研究和应用较多的是细晶超塑性。
超塑性成形工艺包括超塑性等温模锻、挤压、气压成形、真空成形、模压成形等。对于薄板的超塑性成形加工，气压成形应用最多。在这种超塑性成形工艺下，零件的内表面尺寸精度高，形状准确，模具容易加工。
(2) 超塑性成形工艺的特点
1）一次成形各种复杂零件
2）成形零件性能稳定
3）变形抗力小
4）流动应力对应边速率的变化敏感
5）制件质量高
(3)超塑性成形工艺及应用
由于金属在超塑性状态下具有极好的成形性和极小的流动应力，所以超塑性成形工艺己越来越多地用于工业生产。如飞机上的形状夏杂的钦合金部件，原来需用几十个零件组成，改用超塑性成形后，可一次整体成形，以代替原来的组合件，大大减轻了构件重量，节约了工时。对零件形状和尺寸精度要求较高零件。超塑性还用于制作工艺品。
2 精密模锻工艺技术
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。目前，较为流行一种冷温模锻成形技术。所谓冷温模锻，是指金属材料在室温或再结晶温度以下的塑性成形工艺，又称冷挤压成形。它是一种净成形或近净成形的加工技术。冷挤压成形时所需作用力较大。在选择冷挤压设备时，除应考虑挤压金属所产生的热效应之外，还要考虑压力机应有足够的刚度和导向精度，以及可靠的防超载装置。
3 精密冲裁工艺技术
(1)精密冲裁工艺介绍
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、低耗、面广的特点，适合于组织自动化生产。
优质 精冲件的尺寸公差可达IT7—IT8级；剪切面粗糙度可达Ra1.6-0.4μm，相当于磨削加工。
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、风轮可提岗工效40多倍。
低耗 节约大量切削机床和切削加工所需电能，精冲后表面加工硬化有时可以取消后续淬火节约大量电能。
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，均有可能用精冲工艺或精冲复合工艺生产．
己广泛用于汽车、摩托车、起重机械、纺织机械、农用机械、计算机、电器开关、家用电器、仪器仪表、航空器等制造部门，辆轿车就有80多种100多个精冲件。
(2)精冲工艺过程
精密冲裁和普通冲裁从形式上看都是分离工序，但就其工艺过程的特征及制定工艺时的出发点相指导思想来说都是截然不同的。普通冲裁系通过合理间隙的选取，使材料在凸、凹模刃口处的裂纹重合，称之为“控制撕裂”。精冲过程中工件和条料最后分离两始终保持为—个整体，材料自始至终是塑性变形过程。精冲技术中无论是工艺的力能参数、模具的几何参数，材料的性能和球化处理以反工艺润滑剂等等。
为防止材料在精冲完成前产生撕裂，保证塑性变形的进行，应采取以下措施：
1)冲战前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；
2)压边圈和反压板的夹待作用，再结合凸、凹模的小间隙位材料在冲裁过程守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球形压应力张量即静水压，提高材料的塑性；
5)材料预先进行球化处理，或采用专门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)精冲必须具备的基本条件
为了更好的完成精冲工艺，必须具备如下基本条件：
1）精确的模具
精冲模的冲裁间隙小，有V形环压边圈和反压板刚性和导向性好。
2）符合要求的材料
大约95％的精冲件都是钢件。精冲的大约最大厚度是一个范围，它和材料的组织、工件的技术要求有关，钢材以球化完全，弥散良好，分布均匀的细球状碳化物组织为最佳。除铅黄铜外，多数非铁金属和合金均可以精冲。
3）高性能的润滑剂
精冲过程中金属材料在三向受压的条件下进行塑性剪切，模具刀口承受瞬时高温高压。在这种条件下新生的剪切面和模具工作表面之间会发生强烈的干摩擦、容易引起“焊合”和附着磨损，必须采用润滑别，形成一种耐压耐温的坚韧润滑薄膜附着在金属表面上，将新生的剪切面和模具工作表面隔开，借以改善材料与模具间的润滑条件减少摩擦，散发热量从而达到提高模具寿命改善剪切面质量的目的。
4）高精度的设备
精冲压力机是为完成桔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利刚度，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，实现单机自动生产。
4 粉末冶金锻造工艺
(1) 粉末冶金工艺
粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过制坯和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。
粉末冶金工艺的工序过程为：1)制取和准备原料粉末，粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其它各种化合物；2)将金属粉末制成所需形状的坯块；3)将坯块适当的温度下进行烧结，抑获得较好的物理、化学和力学性能。
烧结是粉术冶金工艺中的关键工序。烧结之后根据产品的要求，采用精整、浸油、机加工、热处理(淬火、回火和化学热处理)和电镀等处理方式。也可以采用一些新的工艺，如轧制、锻造、挤压可应用于粉末冶金材料烧结后的处理。
现代粉木冶金技术的发展中有三个重要标志：实现了难熔金属(如钨、相等)熔铸制造，充分发挥了粉末冶金少、无切屑的优点；利用粉末冶金制成了多孔轴承；促进了新材料、新工艺发展。出现了金属陶瓷、粉末高速钢、粉末超合金，粉末冶金锻造能制出高强度零件。
(2)粉末冶金锻造工艺
金属粉末经制坯压实后烧结、再用烧结体作为锻造毛坯进行锻造的锻造方法称粉末冶金锻造。粉末冶金锻造是粉末冶金和精密锻造相结合的新技术。
粉末冶金锻造具有致密压实和塑性成形的作用。烧结体的致密效果与锻造变形程度有关，变形程度越大，致密效果越好。粉末冶金锻造，要采用适当形状的预制坯，以便一次锻造成形。通过调整顿制坯密度和形状，选用最佳变形规范，可形成有利的流线，获得优质的锻件。
1）粉末冶金锻造工艺简介
粉末冶金锻造工艺分为粉末准备、制坯烧结、预制坯锻造和后续加工（热处理和机械加工）四个阶段。
2）对粉末原材料的要求
粉末冶金锻件性能在很大程度上取决于粉末原材料。优质粉末成本较高，所以必须根据粉末冶金锻件的用途合理选用粉末原材料。粉末原材料应满足粉末合金成分均匀；粉末的密度要高，流动性、压制性和烧结性要好；应控制含氧量和其它气体含量；控制粉末中的杂质含量。
3）粉料准备
粉料准备是对粉末原材料进行还原、磁选、筛选和混料等工序。
4）预制坯
①预制坯的设计 根据锻造时侧向流动量的大小，预制坯几何形状基本可以分为两类：一类是预制坯在锻压方向的投影与锻件基本一致，锻造时只是高度方向压缩，侧向流动很小。这类锻造有时也称“热复压”。如直齿正齿轮的锻造。另一类是有较大的侧向流动，预制坯形状可以与锻件有很大差别，因而预制坯形状比较简单。如行星伞齿轮锻造。
②预制还的压制 预制坯一般采用单向或双向冷压制。冷压时，应保持模壁与粉料润滑良好，以在较低压力下获得较高的压制密度和避免产生裂纹。
③预制坯的烧结 烧结后可增大预制坯的强度和可锻性，使合金成分均匀化，还可降低氧含量。预制坯烧结均有所收缩，仍含有大量孔隙，应尽快转入锻造，以防孔隙表面自然氧化。
5)锻造
①锻造设备和锻模 粉末冶金锻造可采用各种类型的锻压机。为了使锻件表面具有要求的粗糙度，预制坯表面必须清洁且无氧化，锻造时要采用适当的润滑剂。
②锻前加热 加热前，预制坯要涂敷玻璃润滑剂。锻前加热一般都在保护气氛中进行。采用高频加热可以使预制坯加热时间大幅度减少，从而减少氧化。预制坯表面要喷除石墨保护剂。
③模锻 模锻主要取决于锻造温度、锻造压力和保温时间。锻造温度高，有利于改善烧结体的塑性，降低变形抗力；锻造温度过高烧结体含碳量难控制，模具也容易产生热疲劳。锻造温度过低，烧结体的塑性不足，变形抗力大，致密效果差，模具寿命降低。确定锻造温度和锻压力的一般原则是保证预制坯顺利变形到要求的尺寸而不产生裂纹，使锻件的密度达到要求的数值。一般说来，可参照普通模锻工艺参数来选择粉末冶金锻造工艺参数。
粉木冶金锻件锻后应以防表面及内部氧化，采取有力的保护措施。
粉木冶金锻造是一次锻成最终形状和尺寸，对形状特别复杂或尺寸精度要求高的锻件，还需采用复锻和精整。
6)后续处理和加工
粉末冶金锻件内部孔隙的锻合面的结合状态对锻件性能的影响很大。这是因为锻压的保压时间短，原有的孔隙表面虽被锻合，但其中一部分未能充分扩散结合，构成脆弱内界面。
粉末冶金锻件可进行退火、调质、表面渗碳淬火等热处理或时效处理，提高锻件塑性和韧性。
为保证装配精度，粉末冶金锻件有时需经少量的机加工，如航空传动齿轮火后必须磨齿，才能达到所需尺寸精度和性能。
三、优质高效焊接及切割工艺
1 精密焊接工艺技术
(1)激光焊接
1）激光焊接过程
激光焊接是利用能量密度很高(105一107W／cm2) 的激光束聚焦到工件表面,使辐射区材料表面出现熔融而粘合形成的焊接。
激光除具有反射、折射、绕射及干涉等光的共性外，还具有单色性好、相干性好、方向件好和强度高的优点。机光焊接正是应用激光在空间和时间上集中度，时间焊接的。一束高亮度的激光、经聚焦后光斑直径可小到几微米而产生巨大的能量密度，在极短时间内使材料熔化，而进行激光焊接。激光焊接待别适合于自熔焊接，不加填充料。
2）激光焊接的优点
1.激光连续焊接效率高、消耗能量小，可实现小尺寸的焊接。
2.激光焊接过程极为迅速，被焊材料不易氧化、焊点小、焊缝窄、热影响区小，焊接变形小、精度高。适用于微型精密、排列密集、受热敏感的焊件，常可免去焊后矫形、加工工艺。
3.激光焊接不产生焊渣，工件表面不出现氧化膜。除能够焊接金属材料，还可焊接非金属材料及普通焊接难接近的部位。并可透过惰性气体或空气对工件进行焊接，故适用于微型、精密、排列密集、受热敏感的焊件，真空管内的焊接加工等，适应性广。
4.激光焊接对工件引起的热影响很窄，焊缝耐腐蚀性高。
5.可焊接同种金属，也可焊接异种金属，甚至还可焊接金属与非金属材料。可以进行薄片间的焊接、丝与丝之间的焊接，也可进行薄膜焊接和缝焊。适用十其他焊接方法难以或无法进行的焊接。
6.由激光熔化的材料所具有的机械承载能力一极高于母体金属的承载能力，内于这种性能，可以在焊后进行剧烈的成型加工操作，特别是能够进行象弯曲凸缘之类的冷成型加工，或承受巨大的内部压力。
7.焊接系统具有高度的柔性，易于实现自动化。
8.设备投资加大，焊接件拼装精度要求高。
3）激光焊接工艺要求
激光功率密度一般为5×105-5×107W／cm2，发散角为2mrad内低阶模激光。激光深熔焊接多采用CO2激光器，功率为数千瓦至数十千瓦的低阶模激光器。激光焊接常采用保护气体，主要是抑制光致等离子体和排除空气使焊缝免遭污染，不同保护气体抑制等离子体的效果不同。从获得最大熔深考虑，氦气效果最好，氮气次之，氮气最差。激光焊接对最低焊接速度由限制，在一定的激光功率下，降低焊接速度，单位长度焊缝输入能量增加，熔深增加，但速度过低，熔深不会再增加，而是焊缝变宽，使小孔崩溃，焊接过程蜕变为传导型。在维持小孔效应的最低临界焊速下，可得到最大熔深。这个最大焙深是激光功率的函数，还受到光束质量，聚焦光路、焦斑直径，保护气体等一系列国素的影响。各种材料对激光焊接的焊接性与对传统焊接方法的可焊性类似，可参阅有关手册了解激光的可焊性。
（2）电子束焊接
电子束焊接是在真空条件下，利用聚焦后被加速的能量密度极高(106一108W／cm2)的电子束，以极高速度冲击到工件表面极小面积上。在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量大部分转变为热能，从而引起材料的局部熔化达到焊接的目的。
加工装置由四大基本系统组成：电子枪系统、真空系统、控制系统和电源系统。电子枪是用来发射高速电子流并加以初步聚集的系统。真空系统作用是保证真空里所需的真空度。因为电子只有在高真空厂才能高速运动。同时阻止发射阴极不至于在高温下被氧化。控制系统作用是控制电子束大小，方向以及工作台移动等。电子束加工对电源系统要求很高。
电子束焊接时，控制电子束能量密度，使焊件焊接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的燕气管，如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的燕气管由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。电子束焊接可以焊接几乎所有用熔焊方法可焊的金属材料，它可焊接欢烙金属、化学性能活泼的金用：可焊接很薄的工件，也可焊接几百毫米厚的工件；还可焊接用一般焊接方法难以完成的异种金属焊接。
电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母村。焊接形式各种各样，可满足不同金属结构焊接的需要。
由于电子束能够极其微细地聚焦?，可聚焦到微米级，是一种精密微细的加工方法。电子束能量密度很高，能够瞬时熔化，实行焊接，是一种非接触式加工，工件不受机械力作用。
2 现代切割工艺技术
1.激光切割
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的一种切割方法。
（1）激光切割主要方式：
1)气化切割。切口部分的材料以蒸气或渣的形式排出。是切割不熔化材料(如木材、碳和某些塑料)的基本形式。
2)熔化切割。当被切材料的切口处受到较低功率密度的激光作用时，主要是发生熔化。在气流作用下，切口料以熔融物质的形式由切口底部排出。
3)反应熔化切割，采用氧气或其他反应气体吹气，气体与被切材料产生放热反应，在激光辐照之外，提供了另一个切割所需的能源。在吹氧切割钢板时大约切割所需能量的60％是来自铁的氧化反应。
（2）激光切割的特点：
1)质量好。激光的光斑小、能量密度高，切速快，切口宽度窄，切割面光洁美观热影响小，热变形小。
2)效率高。可实现高速切割，切割速度可达每分钟数米至数十米
3)柔性高。易实现自动控制，可切割任意形状、尺寸的板材。
4)材料适应性好。几乎可切割任何金属利非金属材料。
（3）激光切割的应用范围
激光切割可广泛用于各种材料(金属和非金属)的切割，涉及汽车、钢铁、石油、电子电器、航天航空、医疗器械和一殷制造业中各种板材切割。采用同轴吹氧工艺切割金属材料，可提高切割速度和切口质量：切割纸张，木材等易燃材料时，可采用同轴吹保护气体(一氧化碳、氮气、氮气等)，能防企烧焦和切口缩小；切割陶瓷、玻璃、石英等脆性材料时，采用热应力切割：对布料、纸张还可作分层切割。
2.高压水射流切割
高压水射流切割是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器，再经贮液蓄能器使高压液体流动乎稳，最后由人造蓝宝石喷嘴形成300～900m/s(约为音速的1～3倍)的高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。高速液体系流的能量密度可达102w／mm2，流量为7.5L／min特别适于各种软质有机材料切割加工。
高压水射流切割的特点：
(1)加工精度较高，切边质量较好。
(2)液体束流的能量密度高、流速亦高，工件切缝很窄(0.075-0.40mm)，切口平整，无热变形，无边缘毛刺，喷嘴寿命耐久。喷嘴和加工表面无机械接触，切割速度快，效率高，切割无污染。
(3)无灰尘、无污染，加之加工区温度低，不破坏材料内部组织。
(4)设备维护简单，操作方便，切割智能化程度高。
(5)应用范围广，广泛应用于各种金属、非金属、复合材料板的切割，以及陶瓷、石料的拼花加工、艺术玻璃制作、汽车制造等领域。对切割材料无选择，节省材料。
高压水射流切割的液体流束直径为0.05—0.38mm，可以加工很薄，很软的金属和非金属材料，己广泛用于铝、铅、铜、钦合金板、复合材料、石棉、石墨、混凝土、岩石、软木、地毯、胶合板、玻璃纤维扳、橡胶、棍布、纸、塑料、皮革、不锈钢等近80种材料的切割。用计算机控制实现复杂形状的切割加工。
高压水切割机是集机械、电子、计算机、自动控制技术于一体的高新技术。是当今领先切割手段，
3.超声切割技术
超声切割是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛展、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料。特别适合硬脆材料切割。
超声切割时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转移为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其振幅仅O.005—0.0lmm，再经变幅杆放大至0.05-0.1mm，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液在工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环、磨粒的不断更新、切割产物的不断排除，实现了超声加工的目的。
总之，超声切割是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象，综合切割作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声切割。