特种成形

2 特殊的成形方式
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。 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。 由于零件形状的不同，其变形特点、难易程度有很 大差别。若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。 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。
环境属性：是指在产品的整个生命周期内不破坏生 态环境，对当地环境乃至全球环境不产生污染和使 污染为最小化。 资源属性：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 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。 能源属性：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。 经济性： 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 社会成本等几个方面来考虑。
（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。 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。 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。
3 特殊的施力介质
常规塑性成形的外力一般来自于压力机，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。 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。 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。
一、铸造成形（凝固成形）
3 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 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 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 (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)的影响和 制约，控制难度很大，在一种成形方法构B奏效的措 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 技术的发展，也是凝固成形中的一个重要问题。
二 塑 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。
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；
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。
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 规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的绿色成形方法。
3 特殊的施力介质
4 特殊的变形体状态
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。 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。 如：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。
一、铸造成形（凝固成形）
2 铸造缺陷的防止与控制
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。 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 件裂纹。
第二节
特种成形技术的实质
1 特殊的成形或连接机理 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。 电磁成形使材料以300～600m/s的速度在 毫秒级的时间内完成变形。
1 特殊的成形机理
超塑性成形则是以的应变速率在较长的时间里
二 塑 性成形（锻压成形）
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 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 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
3 提高了成形的可控性
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， 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 绿色 随着制造业的发展，绿色环保将是材料成
材料特种成形技术及应用
Material Advanced Forming Technology of Its Application
西安交通大学机械工程学院
第一章 绪 论 提 纲
第一节 制造业可持续发展战略
第二节 特种成形技术的实质 第三节 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 第五节 材料成形工艺形态学 主要参考文献 考核方式
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）
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 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 固体制品的方法。铸造成形过程：充填、 凝固 基本上是质量不变的流程。
一、铸造成形（凝固成形）
1 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。
• 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。
一、铸造成形（凝固成形）
2 铸造缺陷的防止与控制
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。 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。
形与连接技术面临的重要课题。 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。 电磁成形、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 产品——工艺——材料一体化
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。 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。 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。
第一节、 制造业可持续发展战略
绿色制造的概念
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 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 （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。
第一节、 制造业可持续发展战略
第三节 特种成形技术的特点
2 精密
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， 已成为材料加工中的重点发展方向。 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。