材料受迫成形工艺技术

绍兴文理学院
先进制造技术快速原型制造技术
班级机自12 2
学号12143202
学生陈宗耀
指导老师董雁
材料受迫成形工艺技术
摘要：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。

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。

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。

、精密洁净铸造工艺技术
1.1 精确铸造成形技术
1.1.1自硬砂精确砂型铸造
在通常的铸造生产中，主要采用粘土砂造型，其铸件质量差、生产效率低、
劳动强度大、环境污染严重。

随着对铸件的尺寸精度、表面质量要求的提高，以自硬树脂砂造型、造芯工艺得到普遍的使用。

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，是一种适合各种复杂中、小型铸件型芯制作的高效工艺。

近年来采用冷芯盒树脂砂芯发展起来的“精确砂芯造型”技术，可以生产壁厚仅有 2.5mm 的缸体、缸盖、排气歧管等复杂铸件。

1.1.2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，可减少金属液浇注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。

高紧实率铸型的获得，可通过真空吸, 砂、气流吹砂、气动压实、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。

1.1.3消失模铸造消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。

消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新工艺,该工艺无需取模、
无分型面、无砂芯,因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度,并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。

铸件表面粗糙度可达Ra3.2至12.5卩旳铸件尺寸精度可达
CT7至9;加工余量最多为1.5至2mm,可大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少40%至50%的机械加工间。

1.1.4 特种铸造技术特种制造技术包括压力铸造、低压铸造、熔模铸造、真空
铸造、挤压铸造
1.2 清洁(绿色)铸造技术
1.2.1清洁制造技术
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。

1.2.2绿色制造技术
绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。

它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。

绿色制造模式是一个闭环系统，也是一种低熵的生产制造模式，即原料－工业生产－产品使用－报废－二次原料资源，从设计、制造、使用一直到产品报废回收整个寿命周期对环境影响最小，资源效率最高，也就是说要在产品整个生命周期内，以系统集成的观点考虑产品环境属性，改变了原来末端处理的环境保护办法，对环境保护从源头抓起，并考虑产品的基本属性，使产品在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命、质量等。

二、精确高效塑性成形工艺技术
2.1 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。

2.2 超塑性成形工艺
2.2.1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。

2.2.2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
2.2.3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。

2.3.精密冲裁工艺技术
2.3.1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Ra1.6-0.4卩m, 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，一辆轿车就有80多种100 多个精冲件。

2.3.2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。

2.3.3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。

三、粉末锻造成形工艺
3.1 粉末锻造成形技术原理粉末锻造是将传统的粉末冶金和精密锻造相结合发展起来的一种少无切削的近净成形加工工艺。

与传统锻造不同。

传统锻造工艺在带飞边槽的开式锻模中经多次锻打成形锻件,利用飞边槽
容纳锻造过程中溢出的余料,同时也产生了原材料浪费、锻模拔模斜度较大、锻件表面精度差等缺点。

粉末锻造以粉末为原料,采用粉末冶金方法先制取一定形状和尺寸的多孔预成形坯,简称预型件,经过在保护气氛下烧结和加热到热加工温度,为节省能耗,有时将烧结和锻前加热结合为一个工序,很快转移到闭式锻模中一次锻压成形与致密材料不同,含有孔隙的粉末烧结材料在发生塑性变形的同时伴随着体积压缩致密化,仅质量保持不变。

烧结体的锻造过程包括烧结体的镦粗和锻件充满型腔后的复压两个过程。

烧结体在镦粗过程中发生宏观塑性变形,金属横向流动,近圆形孔洞在剪切流动应力和静水压应力共同作用下沿金属流动方向拉长、压扁,孔洞表面的氧化膜和夹杂物被破坏。

锻件充满型腔后的复压过程又将残留的少量细小孔洞进一步压合,使粉末锻件达到与铸锻钢材相当的最佳致密效果
3.2 粉末锻造成形工艺过程
粉末锻造成形的工艺过程可归纳为：文墨只去一模压成型一型坯烧结一锻前加热T锻造T后续处理
3.2.1粉末制取粉末原材料对粉末冶金锻件性能有很大影响，应根据粉末冶金锻件的用途合理选用粉末原材料，并要求粉末材料成分均匀、流动性好、杂质少。

此外，还要对粉末材料进行还原、磁选，筛分处理等。

3.2.2模压成型
将松散的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。

3.2.3型坯烧结高温烧结的目的是为了进一步提高型坯的强度与密度。

将型坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使型坯获得一定物理与力学性能。

烧结温度一般控制在基体金属熔点的70%~80%范围内。

烧结过程应在保护气氛下，以防止型坯的氧化和脱碳。

3.2.4锻前加热为了防止型坯的氧化和脱碳，锻前加热也要有惰性气体保护。

加热时间应该以热透为准，已达到加热温度后应立即进行锻造。

3.2.5锻造锻造的主要工艺参数为锻造温度、锻造压力和保温时间。

锻造温度高有利于改善型坯的塑性，改变变形抗力。

若温度过高，烧结体中的含碳量难以控制，模具也容易产生热疲劳；若锻造温度过低，烧结体的塑性不足，变形抗力大，致密效果差。

3.2.6后续处理粉末锻造成形后可进行退火、调质、表面渗碳淬火等热处理或时效处理，以消除锻件内部应力，提高锻件的塑性和韧性。

3.3 粉末锻造成形工艺特点
3.3.1 材料利用率高
粉末锻造保持了粉末冶金近净成形的优点, 预形件对粉末原料的利用率可达
100%,即不留加工余量或敷料, 再经无飞边、无余量的精密闭模锻造, 锻件的材料利用率可达95%以上。

3.3.2力学性能高
烧结后的预形件一次锻压后相对密度可达98%以上, 有效消除了孔隙的不利影响, 且锻件内部组织均匀、晶粒细小、各向同性,具有与锻钢相当甚至超过传统锻钢的性能。

3.3.3 锻件精度高,机械加工量少
经定量装粉压制成形的预形件在精密闭模中锻造,质量控制准确。

锻造时加热温度较低,并在防氧化的保护气氛中进行,没有氧化皮,可获得尺寸精度高且表面粗糙度低的锻件高的尺寸精度可有效减少锻件的机械加工量,例如采用粉末锻造工艺生产的某型号发动机连杆其机械加工量从原锻钢连杆的220g 下降到93g仅占成品连杆质量的13%。

3.3.4锻造模具和切削刀具寿命高
粉末锻造温度低、无氧化皮,模具表面磨损少,且锻造单位压力远低于普通模锻。

与普通模锻相比，其模具寿命可提高10〜20倍以上。

另外，在粉末原料中加
入切削添加剂可有效改善粉末锻件的切削加工性能,刀具寿命可比传统锻钢件提高2〜4 倍。

3.3.5 生产工序少、效率高、成本低
目前普通模锻工艺基本是先将加热后的毛坯进行多道辊锻制坏, 又在压力机上进行预锻及终锻, 然后再进行切边、冲孔、校正等多道工序, 而粉末锻造采用一次锻造成形, 省去了辊锻制坯、预锻、切边、冲孔等工序, 生产效率大幅提高,可达12〜15件/min。

粉末锻造相比传统锻造工艺减少了多道工序,厂房面积、设备和劳动力投资少。

有效降低了单件粉末锻件的成本。

且粉末锻造高效、节材、延长刀具、模具寿命和减少机械加工量等工艺优势也起到了降低成本的作用。

粉末锻造连杆的实际生产成本比锻钢连杆中成本较低的C70室温裂解连杆还要低8%〜15%
3.4 粉末锻造成形工艺的前景
粉末锻造是粉末冶金和精密锻造相结合的高效率、低成本技术,在制备复杂形状的高性能零件方面显示出了广阔的应用前景。

国外在粉末锻造新工艺、新材料和新产品开发方面已取得了显著成果。

在国外继续发展粉末锻造的同时,我国在这方面的研发工作相对滞后,重要的原因是未能有效组织研究院所、高等院校和粉末冶金及汽车企业的团结合作, 缺乏特色的研究工作。

近年来, 国内粉末冶金基础工业和制粉技术已有了很大发展, 为发展我国的粉末锻造技术奠定了基础。

为了发展粉锻事业, 建议形成粉锻产业联盟,并深入开展以下三个方面的研究:
（1）建立具有高疲劳性能的适用于粉锻材料的合金体系;
（2）开展粉末烧结体塑性变形理论研究, 建立统一的适合不同粉末烧结材料
和加工工艺的指导理论;
四、高分子材料注射成形
在21 世纪已经到来的今天，高分子材料已经成为支持人类文明社会发展的科学进步的重要物质基础。

众所周知，高分子材料技术是以合成技术、改性技术、形
体设计技术、成型加工技术、应用技术和回收再利用技术为基础的综合技术，但由于高分子材料是为了制造各种制品而存在的，因此从应用的角度来讲，以对其进行形状赋予为主要目的的成型加工技术有着重要的意义。

高分子材料的主要成型方法有挤出成型、注射成型、吹塑成型、压延成型、压制成型等等，其中注射成型因可以生产和制造形状较为复杂的制品，在高分子材料的成型加工方法中一直占有极其重要的位置。

4.1 气体辅助成形
气体辅助成形法的要点是在树脂充填（不完全充填）完成后，利用型腔内树脂冷却前的时间差，将具有一定压力的惰性气体迅速地注入成型品内部，此时气体可在成品壁较厚的部分形成空腔，这样即能使成品壁厚变得均匀，防止产生表面缩痕或收缩翘曲，使制品表面平整光滑。

气体辅助成形法近年来发展较快，国外很多公司为了进行专利回避，相继开发了具有不同特征的新方法，如日本旭化成公司的AGI 法（Asahi Gas Iniection）、三菱工程塑料公司的CINPRES 法（Controlled Internal Pressure及出光石油化学公司的GIM法（Gas Injection Molding）等等，但各方法原理完全相同，如AGI法是将惰性气体（一般为N2）喷嘴设在注射机料口喷嘴内部，而CINPRES 法是将惰性气体喷嘴设置在模具上，且可以是 1 个也可以是几个。

4.2 注射压缩成型法
注射压缩成型法技术由日本三菱重工业、名古屋机械制作所、出光石油化
学等公司相继开发成功。

有整体压缩法和部分压缩法之分。

整体压缩法成型是首先在保持模具一定开度的状态下合模，将树脂充填（不完全充填）进去，而后
利用油缸压缩使模具的动模移动至完全合模的情况下充填树脂（不完全充填），
压缩不是靠整个动模移动，而是靠动模板上制品赋形面部分（可以是全体也可以
是一部分）的移动而实现的。

注射压缩成型法的优点是可以采用较低的注射压力成型薄形制品或需较大成型压力的制品，一般适用流动性较差且薄壁的制品，如高分子量PC 或纤维填充工程塑料等。

4.3 模具滑合成型法
模具滑合成型法由日本制钢所开发．有DSI-2M 法和M —DSI 法之分，
DSI-2M 法主要用于中空制品制造，而M-DSI 主要用于不同树脂的复合体制造，其原理完全相同。

如使用DSI-2M 法时，首先将中空制品一分为二，两部分分别注射，然后将两部分阴模（半成品仍在模具中）滑移至对合位置，在制品两部分结合缝再注人树脂（2 次注射），最后得到完整的中空成型制品。

和吹塑品相比，该法制品具有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均匀且设计自由度高（如L 型）等优点。

在制造形状复杂的中空制品时，模具滑合成型法和传统的二次熔接法
（如超声波熔接）相比，其优点是： a 不需要将半成品从模具中取出，因而可以避免半成品在模具外冷却引起的制品形状精度下降问题； b 可以避免二次熔接法因产生局部应力而引起的熔接强度降低问题。

但为了提高制品的熔接强度，模具滑合成型法也应根据制品的要求，采取不同的接合形状。

如凹口对接：适用于对接合强度要求不高，但对外观形状要求较高的制品；嵌入对接：适用于即对接合强度要求较高，又对外观形状要求较高的制品；交织对接：适用对熔接性较差的塑料制品；封
合对接：适用于即要求接合强度较高，又要求密封性较高的制品，如制造压力容器时一般需采用该方法。

此外，日本制钢所还开发其他12 种接合形状，并对其适用性进行了较为详细的评价。

可见在模具滑合成型法中接合形状的设计是至关重要的。

4.4 剪切场控制取向成型法
剪切场控制取向成型法技术由英国Brunell 大学开发，通常用于玻纤或碳纤维将不可避免地在垂直于流动方向上取向（和熔接痕方向平行），最终造成制品强度的降低。

它在模具上开设两个主流道，从注射喷嘴射出的熔融树脂将分别沿这两个主流道充满型腔，同时利用剪切场控制取向成型法装置将两个液压油缸的活塞分别设于主流道上，当熔融树脂充满型腔后，两活塞将一进一退反复振荡，此时熔接痕部位的玻纤或碳纤维将被迫沿着剪切力场方向取向，该技术不仅可提高熔接痕中度，也可消除制品内部的缩孔或表面的缩痕。

由于纤维增强是制备高强度制品的重要方法，因此有关利用剪切场控制纤维取向的注射成型新技术较多，除剪切场控制取向成型法外，较典型的有：由德国Klockner Ferromatik Desma公司开发的推拉法（Push-Pull）,该法和剪切场控制取向成型法原理相同，主要区别是用两个注射机螺杆代替活塞进行反复振荡；日本宝理公司开发的层间正交法（Cross Layer Moldint）是在浇口垂直方向上设置两个加压杆或加压板，使制品芯部处于熔融状态的树脂再次取向，最终使处于制品表面层的纤维和处于芯层的纤维方向垂直，可以减少纤维增强制品力学性能下的各向异性。

4.5硬化PC薄片表面镶嵌成型法
硬化PC 薄片表面镶嵌成型法由三菱工程塑料公司开发，主要利用表面硬化或硬化并彩印的PC薄片进行表面镶嵌成型。

其概要是行将冲切好的PC薄片装在模具上，然后合模并在所定的条件下注射成型，既可以得到单面镶嵌，也可以得到双面镶嵌硬化PC 薄片的制品。

该方法克服了对制品进行表面硬化处理难度大、效率低的缺点，可以先在平面状的PC薄片上进行涂装和硬化处理，再将其按所需形状冲切后镶八模具，而后靠注射树脂的压力和温度得到曲面状的制品，适用于汽车或各种家电、0A（电脑办公用品）制品的铭板等。

采用硬化PC薄片表面镶嵌成型法时，中间的树脂层可以使用PC,也可以
使用PS、AS、MS、PMMA 等透明材料或ABS 等不透明材料。

为了使PC 薄片和中间树脂层之间有较好接合强度，一般要在接合面上事先涂有特殊的粘合层；为了使PC 薄片表面上的硬化层不因过度弯曲或因热的作用而产生龟裂，制品的曲率半径应小于30mm，且模具温度应保持在70C以下；为了使PC薄片形成所要求的曲面形状，并使其和中间树脂层之间有较好的接合强度，中间层树脂的注射成型温度一般应高于290C；为了使PC薄片不在流动树脂的剪切力作用下产生位移，应采取如真空吸合、打孔、磁吸（在PC薄片边缘贴上磁片）、或将PV 薄片弯曲后人模具上设定的沟槽内等方法，使其固定在相应的位置上。

三菱工程塑料公司还开发了彩印PC薄片表面镶嵌成型法（PSI,Printed Sheet Insert Injection）, PSI法中采用彩印的PC薄片，其成型原理和硬化PC薄片表面镶嵌成型法基本相同。

该方法所得制品的表面（可以是外表面也可以是内表面）为印刷面，而注射树脂一般采用透明材料以保证制品的透光性。

适用于需要有背光透出的汽车仪表或各种家电、OA 制品的面板等。