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122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。一、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12.5μm；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、挤压铸造等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Ra1.6-0.4μm，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，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→模压成型→型坯烧结→锻前加热→锻造→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