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11材料成形技术过程形态学模形简介 一 制造技术的主要研究内容制造技术是 以“设计”为中心的产品技术和以“工艺”为核心的过程技术构成的两部分。 过程技术的含义涵盖了把物化前的产品设计和构思制造成物化的具体产品的全过程，因而过程技术不只是车，铣，刨，磨，铸，锻，焊，热处理等工艺技术，更包含了装配技术，工具技术，仪表测量技术，生产组织技术，生产控制技术以及整个生产过程的构思，规划和设计。过程技术的概念完善和推广了“工艺技术”的内涵，符合机械制造业在新时期竞争要素发展的规律，有利于指导企业适应市场经济的主体行为。 本课程主要讲述过程技术中的液态成形，固态成形，固态连接，粉末冶金，非金属材料成形及模具。二 过程形态学的研究方法（一）过程形态学模形任何一种机械产品产生性能变化，都是材料，能量，信息三个基本要素方面的变化。由于加工的主要目的不同，材料成形过程可能是加工工件材料加工过程，能量转化过程，信息变化过程的某种组合。这就是机械工程材料加工的一般过程模形如图1.1所示。 图1.1 材料的过程模型1 材料过程 材料过程的三种主要形式：贯通过程，对应于质量不变过程； 发散过程，对应于质量减少过程；收敛过程，对应于质量增加过程，包括装配或连接过程；2 能量过程 为了实现材料过程必须通过传递媒体向加工工件材料提供能量，材料过程和能量过程应综合考虑，配套选择。能量过程系统一般分为模具系统（或工具系统）与设备系统，模具系统就是主要描述能量是如何加于加工工件材料的传递媒体，而设备系统为描述设备提供的能量特点和所用能量的种类。如图1.2所示。3 信息过程信息过程可以分为形状信息过程和性能信息过程。 产品最终形状信息看成为加工工件材料初始形状信息与制造过程中所施加的形状变化信息之和。对于某一给定的基本过程，加工工件材料所要求的集合形状，取决于传递媒体与加工工件材料外形的相互作用，以及传递媒体和被加工材料的运动方式例如：外形形成的基本过程有四种可能（如图1.3所示）。a.自由成形 b.二维成形 c.一维成形d.整体成形 图1.2 机械基本过程 图1.3 固体材料质量不变过程的信息传递1-2现代制造过程分类 从机械工程材料的角度来分过程大体分为三类即：质量不变过程；质量减少过程；质量增加过程。（一）质量不变过程加工材料在过程出始时的质量等于或近似等于加工材料在过程结束时的最终质量，也就是说，材料在一定的受控条件下改变了几何形状。材料的状态有固态和液态。质量不变过程主要包含三种成形方法：锻造，滚轧；粉末压实； 铸造（如图1.4所示）。 图1.4 质量不变过程（二）质量减少过程质量减少过程的特点是零件最终的几何形状局限在材料的初始几何形状内。形状改变是通过去除一部分材料形成的。质量减少过程仅涉及固体材料，主要有四种方法。1.第一种基本材料去除方法，包括所有常见的切削过程，一般为二维成形。它主要有基本过程是通过加工材料与传递媒体刀具间的相对运动产生材料分离。2.第二种基本材料去除方法，所需的能量和信息是通过固态颗粒，液态或气态介质传递的，一般为一维成形。主要有磨料切割，喷液切割，热力切割与激光切割等。3.第三种基本材料去除方法是通过刚性传递媒体传递信息。刚性传递媒体（工具）不与加工材料直接接触，因为基本过程所需要的液态媒体（含固态微粒）充满工具与加工材料之间的间隙。如超声波加工，电火花加工和电解加工。4. 第四种基本材料去除方法传递媒体机械断裂过程，刀具（模具）是刚性传递媒体。如落料，冲孔，剪切等。（三）质量增加过程质量增加过程的特点是加工材料在过程开始的质量比过程结束时的最终质量有所增加。如渗碳，渗氮，氰化处理，气相沉积，喷途，电镀，刷镀等表面处理，零件装配，焊接，粘接以及使以及使用紧固件，还有快速原形技术等。概述液态材料成形技术通常称为铸造，是材料成形技术之一。铸造成形技术几乎能用所有金属材料制造极为复杂的零件，主要担负着毛坯成形及改性的功能，将原材料加工成尽量接近产品（零件）最终形状尺寸，并保证其组织，性能符合要求，安全可靠。铸造具有投资小，技术过程灵活性大和生产周期短等优点，而被广泛应用于机械制造，矿山冶金，交通运输，石化通用设备，农业技术，能源，轻工纺织，土建工程，电力电子，航天航空，国防军工等领域。铸造成形也会带来某些缺陷，如铸造内部组织疏松，晶粒粗大，易产生缩孔，缩松，气孔等缺陷；而外部易产生粘砂，夹砂，砂眼等缺陷。由此，铸件力学性能低，特别是冲击韧性，比同样材料锻件的力学性能低。正如铸件工序多，且难以精确控制，使得铸件品质不够稳定。铸造成形技术的方法很多，按生产方法分为：砂形铸造和特种铸造。按冶金分类可分为：铸铁，铸钢，铝合金，铜合金，镁合金，钛合金。21铸造成形技术过程特征及理论基础 一 液态金属的充形能力1 液态金属的充形能力与流动性（1）液态金属充满铸形形腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属冲填铸形的能力，简称液态金属的充形能力。实践证明，同一种金属用不同铸造方法，所能铸造成形的铸件最小壁厚不同；同样的铸造方法，不同的金属，所能得到的最小壁厚也不同。因此，液态金属的充形能力主要取决于金属自身的流动性，还受外部条件，如铸件性质，浇注条件，铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合放映。（2）液态金属自身的流动能力称为“流动性”，是金属的液态铸造成形的性能之一，与金属的成分，温度，杂质含量及其物理性质有关。金属的流动性通常用浇注螺旋形式样来衡量。由于影响液态金属充形能力的因素较多，很难对各种金属在不同的铸造条件下的充形能力进行比较。因此尽管液态金属的充形能力与流动性是两个不同的概念，但通常采用在相同条件下所测得的金属流动性来表示金属的充形能力。2 影响液态金属充形能力的因素 影响因素主要有四个方面：（1）金属的性质：包括金属的种类，成分，结晶特性及其他物理性能等。决定金属自身的流动能力流动性。（2）铸形性质：铸形的阻力影响金属液态的充形速度，铸形与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。铸形蓄热系数大，铸形的激冷能力就越强，充形能力下降。 （3）浇注条件：浇注温度对液态金属的充形能力有决定性的影响，温度越高，充形能力越好，浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，液态金属充形能力越低；液态金属在流动方向上所受压力越大，充形能力就越好。（4）铸件结构：衡量铸件结构的因素是铸件的折算厚度R(R=铸件体积/铸件散热表面积=V/S)和复杂程度。如果铸件体积相同，在同样的浇注条件下，R大的铸件，由于与铸形的接触表面积相对较小，热量散失比较缓慢，则充形能力较高。铸件的壁薄；R越小，则充形能力较弱 。二 铸件的收缩1 收缩的基本概念铸件在液态，凝固和固态下继续冷却过程中所产生的体积减小现象称为收缩。收缩是铸件的许多缺陷，如缩孔，缩松，热烈，应力变形和冷裂产生的基本概念。为衡量铸件的收缩有两个指标： （1）体积收缩率；（2）线收缩率；液态金属浇入铸形后，从浇注温度冷却到保温都经历了三个互相关联的收缩阶段。（1）液态收缩阶段金属体积收缩表现为形腔内液面的降低 ；（2）凝固收缩阶段取决于结晶温度范围。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因（3）固态收缩阶段通常表现为铸件外形尺寸的减少，一般用线收缩率表示。它对铸件的形状和尺寸精度很大，也是铸件产生应力，变形和裂纹等缺陷的基本原因。金属的总体收缩为上述三个阶段收缩之和。2 铸件的实际收缩前面所说的收缩为自由收缩，它只考虑了金属自身的成分，温度和相变的影响，实际铸件是受阻收缩，它还受到以下几种阻力：（1）铸形表面的摩擦阻力；（2）热阻力，铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力。 （3）机械阻力，铸件收缩时，受到铸形和形芯的阻力。因此，生产中采用的收缩率是铸造收缩率（或称铸件线收缩率）是包括了各种阻力在内的实际收缩率。 3 铸件的缩孔和缩松液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现大而集中的孔洞，称缩孔；细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。（1）缩孔：形成的基本条件是金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。动画演示（2）缩松：形成的基本原因是金属的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。基本条件是金属的结晶温度范围较宽，呈体积凝固方式（也称为糊状凝固方式）。动画演示（3）影响缩孔，缩松形成因素：1）金属的成分；2）浇注条件和铸形性质；3）补缩压力和铸件结构；动画演示（4）缩孔，缩松的防止方法：1）控制凝固方式；2）内浇口位置；3）冒口，补贴和冷铁；三 铸造热力铸件在凝固和随后的冷却过程中，收缩受到阻碍而引起的内应力，称为铸造应力。阻碍按形成的原因不同，铸造应力也就相应分为热应力，相变应力和机械阻碍应力。 1 热应力热应力是由于铸件壁厚不均，各部分冷却速度不同，收缩量不同而产生的热阻碍所产生的。落砂清理后热应力仍存在于铸件内，是一种残余铸造应力。2 相变应力铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。当铸件各部位温度不同时，固态相变不同时发生，新旧两相的比容差越大，相变应力越大。3 机械阻碍应力铸件在冷却过程中因收缩受到箱带，形芯，浇注系统和冒口等的机械阻碍而产生的应力为机械阻碍应力。4 铸造应力对铸件质量的影响：（1）易使铸件产生变形；（2）冷裂，冷裂是铸件在低温时形成的裂纹。脆性大，塑性差的金属，如白口铸铁，高碳钢及某些合金钢铸件易产生冷裂。大形复杂铸件也易形成冷裂纹，防止的方法是尽量减小铸造应力。四 金属的吸气性金属在熔炼过程中溶解气体，在浇注过程中因浇包未烘干，铸形浇注系统设计不当，铸形透气性差以及浇注速度控制不当，或形腔内气体不能及时排出，都会使气体进入金属液，增加金属中气体的含量，这就构成了金属的吸气性1 金属液吸收气体的过程1）气体分子撞击到金属液表面；2）在高温金属液表面上气体分子理解为原子状态3）气体原子根据与金属元素之间的亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸附方式吸附在金属表面； 4）气体原子根据扩散进入金属液内部 ；前三个过程是吸附过程，最后一个是扩散过程。金属液温度越高，以达到饱和浓度以前，气体与金属接触时间越长，吸收气体就越多，一直达到该状态下饱和浓度为止。2 气体在金属液中的溶解度在一定温度和压力条件下，金属吸收气体的饱和浓度，称为该条件下气体的溶解度。常用每100克金属含有的气体在标准状态下的体积来表示，有时也用溶解气体对金属的质量分数来表示。影响气体在金属液中的溶解度的因素是：温度金属化学成分和气体在金属液面上的平衡分压。如温度对气体在金属中溶解度的影响是随温度增高而增大。3 气体的析出与气孔溶解于金属液中的气体，随温度下降则不断析出。1）气体以原子态扩散到金属表面，然后脱离吸附。这要在非常缓慢条件下才能充分进行，在实际生产条件下往往难于实现。2）与金属内某些元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排除；3）以气泡形式从金属液中逸出。当铸件表面已凝固，气泡来不及排出而保留，致使铸件产生析出性气孔。4）气体对铸件品质的影响气孔不仅会减少铸件的有效截面积，而且能使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源，尤其是形状不规则的气孔，如裂纹状气孔和尖角形气孔不仅增加缺口的敏感性，使金属强度下降，而且会降低零件的疲劳强度。 五 铸件的化学成分偏析铸件的凝固后，截面上不同部位，以在晶粒内部，产生化学成分不均匀的现象，称为偏析。偏析，主要是由于合金在结晶过程中溶质再分配的结果。晶体在生产过程中，由于结晶速度大于溶质的扩散速度，使得初次析出的固相与液相的浓度不同，先析出的晶体与后析出的晶体的化学成分也不同，甚至同一个晶粒内先结晶出来的部分和后结晶出来的部分也有差异，这样就形成了铸件各部分化学成分的不均匀性。偏析可大体分为两大类：微观偏析和宏观偏析。微观偏析指微小范围内的化学成分不均匀现象，一般在一个晶粒尺寸范围左右，包括晶内偏析和晶界偏析。宏观偏析也称为区域，其成分不均匀现象表面在较大的尺寸范围。主要包括正偏析和逆偏析。实际上铸件在凝固时，由于合金的类形不同，冷却条件的差异，等轴晶的产生，结晶游离的存在，使铸件断面成分变的极为复杂，因此对具体的铸件应做具体分析。 22铸件的结构设计及几何形状特征在铸件成形技术中，铸件的结构设计及几何形状是否合理，对铸件零件的品质，生产率及成本有较大影响。应尽量符合液态金属铸造性能的需求，以避免出现如浇不足，冷隔，缩孔，缩松，变形，裂纹，气孔和偏析等缺陷，以及尽量使生产技术中的制模，造形，制芯，合形和清理等环节简化，省时，省工，省材，提高尺寸精度和形状精度，防止废品产生。一 铸件结构设计的一般原则二 铸件的结构要素设计1 铸件的最小壁厚2 铸件的临界壁厚由于厚壁铸件易产生缩孔，缩松，晶粒粗大，偏析等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。这对于各种铸件合金来说均存在一个临界壁厚，如果铸件壁厚超过临界壁厚，铸件的承载能力并不按比例的随着铸件厚度的增加而增加，而是显著的下降，所以，设计厚大件时，要避免以增加壁厚来提高强度。砂形铸件各种铸造合金铸件的临界壁厚可按其最小壁厚的3倍来考虑。3 铸件的内壁厚度砂形铸造时，散热条件差的铸件内壁，即使内壁厚度与外壁厚度相等由于它的凝固速度比外壁慢，力学性能往往比外壁的要低。同时在铸件过程中易在内壁，外壁交接处产生热应力致使铸件产生裂纹，对于凝固收缩大的铸件内壁厚度小于外壁厚度。4 铸件壁的过渡和连接图2-15 铸件壁的连接示意图5 肋： 为了增加铸件的力学性能和减轻铸件的质量消除缩孔和防止裂纹，变形，夹砂等铸件结构设计中大量采用肋。6 铸造斜度作加工面上的铸件壁的内，外两侧，沿起模方向应设计适当的斜度，即结构斜度。三 适宜铸造技术的铸件结构设计及几何形状特征铸件结构和几何形状特征不仅应有利于保证铸件品质，而且应考虑模形制造，造形，制芯，合形和清理等操作方便，以利简化液态铸造成形技术过程，稳定产品品质，提高生产率和降低成本。四 适宜铸造合金性能的铸件结构设计几何形状特征 23 金属的熔炼（自学）24 浇注与冷凝（自学）25 铸造成形技术过程在铸造成形技术过程中，近些年来有各种新的铸形材料和造形方法不断问世并获得较大发展；单以黏土啥为主要铸形材料的普通砂形铸造在铸造生产中仍然居主导位置。它是一种应用于广泛而重要的铸造技术方法。世界各国使用砂形铸造生产的铸件约占铸件总产量的 80%90%。它的特点是：适应性大，技术灵活性大，不受零件的形状，大小复杂程度及合金种类的限制。生产准备较简单，但生产的铸件其尺寸精度较差及表面粗糙度高铸件内部品质也较低；所以在砂形铸造的基础上，通过改变铸形的材料，浇注方法，液态金属充形的形式或铸件凝固条件等因素，又形成了多种铸造成形过程有别于砂形铸造的技术方法“特种铸造”。它包括：熔模铸造，金属形铸造，压力铸造，离心铸造，低压铸造，实形铸造等。特种铸造的特点：铸件的尺寸精度较高，表面粗糙度低，在生产一些结构特殊的铸件时，具有较高的技术经济指标，生产过程易与实现机械化，自动化，适用于大批大量生产。各种铸造方法的应用范围：一 砂形铸造以形砂为主要造形造形材料制备铸形的铸造技术方法叫砂形铸造。常用的砂形有湿形，干形，表面干形和各种化学自硬砂。二 特种铸造技术方法1 熔模铸造也叫失蜡铸造，精密铸造。主要由蜡模铸造，铸形形壳的制取，金属浇注，铸件清理四个主要过程组成。蜡料：50%+50%硬蜡酸动画演示2 金属形铸造金属形铸造又称硬模铸造，永久形铸造。其铸形是采用金属材料制成的 。动画演示3 压力铸造压力铸造是液态或半液态金属在高压作用下以较高的速度充填压铸形形腔，并在压力作用下结晶凝固而获得铸件的铸造方法。常用的压射力为几十至几百个大气压，充填速度为0.550m/s。动画演示4 离心铸造离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸件中，使金属液在离心力的作用下充填铸形结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。离心铸造特点：液态金属中的气体，非金属夹杂物在离心力作用下，密度较小而集中在铸件内表面。铸件凝固由表及里顺序凝固，其组织细密，气孔，缩孔，夹渣等缺陷少，力学性能较好。动画演示5 磁形，实形铸造：利用聚苯乙烯泡沫塑料制成带有浇注系统的模形。6 陶瓷形铸造：造形过程原理图7 低压铸造低压铸造是将保温炉中的液态金属在0.020.07MPa的气体压力作用下通过升液管由下而上的充填铸形形腔，并在压力下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。铸件在一定压力下，自上而下顺序凝固，系统补缩效果好，组织细密，力学性能好。铸件成形性好，轮廓清晰，表面光洁。主要适用与有色合金铸造。另外还有挤压铸造连铸等。 分形面选择假箱造形三箱造形挖沙造形活块造形 31 概述 一 基本问题:塑性成形是利用金属的塑性，在外力作用下使金属发生塑性变形。从而获得所需形状和性能的工件的一种加工方法；因此，又称为塑性加工或压力加工。金属成形过程通过改变固态金属原有的形状和尺寸而得到所需的形状和尺寸，因而金属成形过程的成形原理属质量不变的“固态成形”。任何固态材料态身都具有一定的形状和大小。固态成形就是要改变固体原有的形状和大小，从而获得预期的形状和尺寸。根据加工时金属受力和变形特点的不同塑性成形可分为体积成形和板料成形 。前者的典形加工方法有锻造，轧制，挤压和拉拔等；后者则有冲裁，弯曲，拉延和成形。在生产实际中，这些加工方法可单独使用，亦可组合使用；并通过各种加工方法相互渗透和合理组合，开发出许多新的塑性成形方法，使塑性成形的应用范围进一步扩大。塑性成形属质量不变过程，材料状态一般为固态 ，主要的基本过程为机械过程-塑性变形，能源类形主要是电能，能量传递介质一般为钢性介质-工模具，形状信息由工模具（含有一定的形状信息量）和工模具与加工材料的相对运动共同产生，性能信息来自材料自身性质和成形过程中的转变特性。这样，尽管塑性成形方法多种多样，所要产生的零件或零件毛坯五花八门，都可以从上述共同性特征中引伸出一些基本问题。1 材料的塑性是塑性成形的前提条件，塑性好意味着材料对塑性成形的适应能力强，如果材料没有塑性，则塑性成形就无从谈起。研究材料塑性变形的物理本质和机理，不同变形条件下，材料的塑性行为和抗力行为，以及塑性变形所引起的组织性能的变化等就很有必要。2 塑性成形需要输入能量，即对加工材料施加外力和做功，只有对所需成形的力和功的大小做出准确评价，才能正确选用加工设备和设计成形模具，并通过对成形力的影响因素的分析，可为减小成形力和节约能耗提供科学依据求解所需的成形力，从根本上说就是确定工件内部的应力场，因为应力场的确定，自然包括与工模具接触表面处应力分布的确定，进而就可求的成形力及模壁的压力分布。此外，应力场的确定，对于分析工件内部裂纹的产生和空洞的愈合等也是必不可少的。3 材料受到外力的作用而发生塑性流动时，其内部即存在位移场，应变场，这些物理场变量的确定，一方面可以用来分析材料的瞬时流动状态和形状尺寸的变化规律，为合理选择原毛坯，设计中间毛坯及模具形腔形状提供科学依据；另一方面可以分析工件的内部性能，如硬度分布，纤维组织的形成，碳化物和非金属夹杂物的破碎和再结晶晶粒度的变化等。将应力场与应变场相配合，再利用必要的判椐则可进一步预测工件内部产生的缺陷，从而为控制产品质量提供理论依据 。为确定应力场，位移场就需要研究塑性成形力学的基本方程和求解方法等。4 塑性成形需要输入形状信息，这些信息由含有形状信息量的工模具和工模具与加工材料的相对运动共同产生。对于给定的塑性成形件，采用什么工艺方法，形状信息分几个阶段输入，与其相应的模具结构和形状参数如何确定，设备系统如何选择和控制等。都将是十分重要的，也是塑性成形需要研究的基本问题。二 发展概况3-2 金属塑性成形过程的理论基础虽然塑性成形方法多样，且具有各自的个性特点，但他们都涉及一些共同性的问题，主要有：塑性变形的物理本质和机理；塑性变形过程中金属的塑性行为，抗力行为和组织性能变化规律；变形体内部的应力，应变分布和质点流动规律；所需变形力和变形功的合理评估等。研究和掌握这些共性问题,对于保证塑性加工顺利进行和推动工艺的进步均具有重要的理论指导意义。一 金属塑性变形的能力塑性变形的能力又叫金属的可锻性。可锻性常用金属的塑性指标（延伸系数和锻面收缩率）和变形抗力来衡量。 金属可锻性的优劣受金属本身性质和变形加工条件的综合影响。1 金属的本身的性质（1）化学成分的影响（2）内部组织的影响 2 变形的加工条件（1）变形的温度影响（2）变形速度（3）应力状态的影响压应力数目越多，塑性越好，拉应力数目多，塑性差。二 金属塑性变形的基本规律1 体积不变定理也叫质量不变定理。在每一工序中，坯料一个方向尺寸减，必然在其它方向尺寸有所增加 。2 最小阻力定律金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动，成为最小阻力定律。金属有可能向各个方向变形时，则最大的变形向着大多数质点遇到的最小阻力的方向。33 锻造方法 一 锻造1 锻造成形方法分类及工艺流程1）锻造成形方法分类：在加压设备及工模具的作用下通过金属体积的转移和分配来获得机器零件或毛坯的塑性成形方法称为锻造，锻造多在热态下进行，故也常成为热锻。按所用工具，锻造可分为自由锻和模锻。使用自由锻设备及通用工具，如砧子，形砧，胎模等，使坯料变形获得所需几何形状及内部质量锻件的锻造方法称为自由锻。其基本工序有镦粗，拔长，冲孔和错移等。利用模具使坯料变形获得锻件的锻造方法称为模锻按采用设备的不同，模锻可分为锤上模锻和压力机上模锻。模锻还有开式模锻和闭式模锻，普通模锻和精密模锻之分。锤上模锻包括制坯预锻和终锻等工序，而制坯工序又可分为镦粗，拔长，滚挤，弯曲，长压和成形等。2）锻造工艺流程 不同类形的锻件锻造工艺流程是不一样的。同一锻件，使用不同设备时，工艺流程也往往有所不同。以模锻为例，其锻造工艺流程是：下料，加热，模锻，切边，冲孔热校正，热处理，清理，冷校正和检验。其中模锻是基本工序。2 自由锻基本工序及其主要工艺参数（1）镦粗 镦粗是使毛坯高减少，截面增大的工序。镦粗工序主要用于锻制齿轮，法兰等饼类锻件 。动画演示（2）拔长是使毛坯横截面减小，长度增加的工序。该工序主要用于制造轴类锻件或为后道工序制坯 。动画演示（3）其它工序：芯轴拔长，马架扩孔，错移和冲孔等几种常见自由锻基本工序。二 挤压3 模锻变形工步及模锻变形特点（1）模锻变形工步模锻时，坯料在锻模的一系列模膛中变形，坯料在每一模膛中的变形过程称为模锻工步。工步的名称和所用的模膛名称一致。例如，拔长工步所用的模膛叫拔长模膛。根据锻件形状的不同，锻件可分为饼类锻件和轴类锻件。在锻造过程中，饼类锻件的轴线与打击方向平行，而轴类锻件的轴线与打击方向垂直。在模锻过程中，模锻工步根据其作用的不同可分为制坯工步，模锻工步和切断工步三类。a制坯工步。制坯工步的作用是改变原毛坯的形状合理的分配材料以适应锻件横截面的要求，使金属能较好的充满模膛。饼类锻件的制坯工步只有镦粗工步，用于减小坯料高度和减少终锻形槽的磨损。轴类锻件的制坯工步有卡压，滚挤，拔长，弯曲，成形及压扁工步。其中前三种工步主要用于使材料沿轴线重新分配。弯曲和成形工步用于使坯料轴线形状符合锻件在分模面上的形状。压扁工步用于使坯料水平尺寸增大，以减小坯料在模锻形槽中的变形程度。 b 模锻工步。模锻工步包括预锻工步和终锻工步，其作用是使坯料形成最终锻件所要求的形状和尺寸，每类锻件都需要终锻工步，而预锻工步则应根据具体情况来决定其取舍。预锻工步主要用于减小金属对终锻形槽的磨损。模锻件容易产生折迭和不易充满时常采用预锻工步。c切断工步。切断工步常用于多件模锻。其作用是将带毛边的锻件从棒料上分离，或切断夹钳部位的料头。（2）锤上模锻的变形特点 模锻过程可分为三个阶段： 第一阶段为镦挤阶段，在此阶段一部分金属挤入模腔中的凹槽，而另一部分金属镦粗向外侧流动；第二阶段为充填阶段，在此阶段坯料与模壁接触，部分金属通过飞边桥部向外流动。由于模膛侧壁阻力和飞边桥部摩擦阻力的作用，使分流层位置外移，迫使金属挤入模腔凹槽充满模膛；第三阶段为打靠阶段，在此阶段多余金属流入飞边仓部，上下模打靠。与自由锻造不同的是，模锻的变形可以通过模具提供材料成形的尺寸变化信息来控制金属的流动方向。（3）压力机上模锻的变形特点锤上模锻时，金属沿高度方向的流动和充填能力较强；而压力机上模锻时，金属沿水平方向的流动强烈。锤上模锻时，设备工作速度高，金属流动速度快，这将使摩擦系数降低，金属的惯性和变形的热效应作用突出，对靠挤入方式成形的锻件有利，在压力机上模锻时，由于滑块工作速度低，惯性作用不明显，对主要靠挤入方式成形的锻件，应采用多模膛模锻使坯料逐步成形。压力机上模锻具有静压力特征，金属在模膛内流动缓慢，这对变形速度敏感的低塑性合金材料的成形十分有利。此外，由于金属变形在滑块一次行程中完成，坯料内外层几乎同时变形，因此，变形深透均匀，流线分布连续，锻件各处力学性能一致性较好。这有利于提高锻件的内部质量，锻件尺寸精度也高。1 挤压成形方法及其分类坯料在封闭模腔内受三向不均匀压应力作用，从模具的孔口或缝隙挤出，使之横截面积减少，形成所需要制品的加工方法称为挤压。按成形温度，挤压分为热挤压，温挤压和冷挤压三类。其中，热挤压主要用于大形钢锭，以获得具有相当长度的棒材或各种形材的半成品；温挤压和冷挤压则主要用于小形坯料，可获得成品零件或只需进行少量机加工的半成品。根据金属流动方向与凸模运动方向的关系，挤压成形还可分为正挤压，反挤压和复合挤压。金属流动方向与凸模运动方向相同的变形方式称为正挤压；金属流动方向与凸模运动方向相反的变形方式称为反挤压；一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，另一部金属流动方向与凸模运动方向相反的变形称为复合挤压。正挤压 反挤压 复合挤压2 挤压坯料的软化处理和润滑挤压成形时，单位压力和摩擦阻力都很大。因此，坯料的软化处理和良好的润滑在挤压成形中占有非常重要的位置。对冷挤压而言，为达到充分软化的目的，毛坯必须进行退火处理。需要进行多次挤压的工件，一般要在各道挤压工序之间进行中间退火。对于有色金属，如铝合金和黄铜等，要求退火软化后的硬度控制在70HBS以下，低碳钢则为110130HBS 在挤压成形中，良好的润滑可以降低模具与变形金属之间的摩擦力和挤压变形力，减少模具的磨损，延长模具的使用寿命。钢的冷挤压主要采用磷化皂化处理；硬铝则广泛采用氧化处理和涂覆硬脂酸锌粉末的润滑方法。 34板料成形方法板料成形是指使用成形设备通过模具对金属板料在室温下加压以获得所需形状和尺寸零件的成形方法，习惯上也称为冲压或冷挤压。板料成形可分为分离工序与成形工序。分离工序俗称冲裁，包括落料，冲孔，修边等。成形工序包括弯曲，拉深，胀形，翻边等。加工的金属板料厚度一般都在6mm以下。 一 冲裁冲裁过程用于生产有孔的，形状简单的薄板件以及作为成形过程的先进工序或为成形过程制备坯料。除金属薄板外，还可是非金属板料。冲裁过程所得到的制品精度较好通常不需切加工，表面品质与原材料相同；所用设备为机械压应力。动画演示1 冲裁加工特点（1）冲裁加工 冲裁包括弹性变形，塑性变形和锻件分离三个阶段。当凸模与板料接触时，板料首先产生弹性变形并弯曲。随后，刃口附近材料屈服并产生滑移变形，随刃口的切入，塑性变形区延之整个料厚。加工继续进行，当材料变形达到极限时，便产生裂纹，裂纹产生后，沿最大切应变速率方向扩展直至上下裂纹会合，板料最后分离。（2）冲裁工艺参数在冲裁加工时，板料的变形区集中在凸模与凹模刃口连线为中心的狭窄区域内。凸模与凹模间隙的微小变化对变形区的大小及变形区内材料所受应力状态都有很大影响。因此，冲裁是冲裁工艺计算及模具设计中最主要的工艺参数。薄，软件材料，要求模具寿命长时取大值。经验公式：z=ms二 板料成形成形过程是使坯料发生塑性变形而成一定形状和尺寸的工件。动画演示1 拉深 拉深是将平板板料放在凹模上，冲头推压金属料通过凹模形成杯形工件的过程。过程特点：一维成形，拉伸应力状态。一般可获得较好的精度和拉近原材料的表面品质。材料要求：具有足够的塑性。如果变形较大，工件进行中间退火。 机械设备：广泛使用的是液压机，也可使用机械压力机。应用：冷拉深广泛用于生产各种壳，柱状，棱柱状杯等，热拉深长用于生产厚壁筒形件，如氧气瓶，炮弹壳，桶盖等。拉深系数：工件直径与坯料直径之比叫拉深系数；它们的倒数叫拉深比。用这两个指标来反映拉深变形程度。在生产中M或R是进行工艺计算和模具设计的最主要参数。 拉深用的模具构造与冲裁模相似，主要区别在于工作部分凸模与凹模的间隙不同，而且拉深的凸凹模上没有锋利的刃口 。2 弯曲与卷边弯曲是用模具把金属坯料弯折成所需形状的过程。可在各类机械或液压压力机上进行。动画演示3 翻边；4 成形，收口；5 滚弯 ；利用板料制造各种冲压产品零件时，各种过程的选择，过程顺序的按排和各过程应用次数，都是以产品零件的形状和尺寸及每道工序中材料所允许的变形程度为依据。形状比较复杂或特殊的零件，往往要用几个基本过程多次冲压才能完成。变形过程较大时，要进行中间退火。三 冲模得分类及构造冲模是板料成形生产中必不可少的模具，冲模结构是否合理对冲压生产的效率和模具寿命等都具有很大影响。冲模按基本构造可分为简单模，连续模，复合模。1 简单模简单模是指在曲柄压力机的一次行程中只能完成一个过程得冲模。2 连续模把两个以上冲压工序安排在一块模板上，冲压设备在一次行程内可完成两个或两个以上冲压工序的冲模也叫极进模。3 复合模在冲压设备的一次行程中，在模具同一部位同时完成 数道冲压工序的冲模。四 板料冲压件结构技术特征（自学） 3-5 其他塑性成形简介1 挤压成形2 辊轧成形3 超塑性成形4 摆辗 4.1粉末压制成形过程粉末压制(这里主要指粉末冶金)是用金属粉末(或者金属和非金属粉末的混合物)做原料，经压制成形后烧结而制造各种类形的零件和产品的方法。颗粒状材料兼有液体和固体的双重特性，即整体具有一定的流动性和每个颗粒本身的塑性，人们正是利用这特性来实现粉末的成形，以获得所需的产品。粉末压制的特点：1)能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。可制取像难熔、极硬和特殊性能的材料，2)材料的利用率很高，接近100。3)虽然用其他方法也可以制造，但用粉末冶金法更为经济。4)一般说来，金属粉末的价格较高，粉末冶金的设备和模具投资较大，零件几何形状受一定限制，因此粉末冶金适宜于大批量生产的零件。粉末压制生产技术流程如下：411金属粉末的制取及其特性 (1)金属粉末的制取金属粉末的生产有多种方法，其中主要有：矿物还原法，雾化法，机械粉碎法等。1)矿物还原法制取粉末矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被还原后，得到一定形状和大小的金属料，然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。矿物还原法主要适用于铁粉生产，铁粉纯度直接与铁矿石的纯度有关。除铁粉外，用矿物还原法还能生产钴、钼、钙等粉末。例如，难熔的金属化合物粉末如碳化物、硼化物、硅化物粉末，是通过金属氧化物粉末与碳、硼或硅粉末的化合作用或者化学置换的方法而获得的。碳化物粉的制取，可采用碳黑粉直接还原金属氧化物，其反应如下：MO、MC泛指金属氧化物、金属碳化物这种还原过程所需温度比较高。如制取碳化钨粉时为1400-1 600oC，通常在碳管炉中进行，反应过程中可通过氢气或在真空中进行。2)电解法电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。 3)雾化法制取粉末雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流(空气或惰性气体)、水蒸汽或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到金属粉末。示意图见图4-1。由于雾化法制得的粉末纯度较高，又可合金化，粉末有其特点，且产量高、成本较低，故其应用发展很快。可用来生产铁、钢、铅、铝、锌、铜及其合金等的粉末。4)机械粉碎法机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨，适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化处理的金属粉末(如经过氢化处理变脆的钛粉)。(2)金属粉末的特性金属粉末的特性对粉末的压制、烧结过程、烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。金属粉末的基本性能包括：化学成分、粒径分布、颗粒形状和大小以及技术特征等。1)化学成分粉末的化学成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量大都不低于9899，完全可以满足烧结机械零件等的要求。但在制造高性能粉末冶金材料时，需要使用纯度更高的粉末。金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物。氧化物使金属粉末的压缩性变坏，增大压模的磨损。有时，少量的易还原金属氧化物有利于金属粉末的烧结.由于金属粉末的比表面大、体积小，在金属粉末颗粒表面吸附有大量气体。在金属粉末制取过程中还会有不少的气体溶解其中。金属粉末中含有的主要气体是氧、氢、一氧化碳及氮，这些气体使金属粉末脆性增大和压制性变坏，特别是使一些难熔金属与化合物(如Ti、Zr、Cr、碳化物、硼化物、硅化物)的塑性变坏。加热时，气体强烈析出，可能会影响压坯在烧结时的正常收缩。因此，对一些金属粉末往往要进行真空脱气处理。2)颗粒形状和大小颗粒形状是影响粉末技术特征(如松装密度、流动性等)的因素之一。通常，粉粒以球状或粒状为好。颗粒大小常用粒度表示。工业上制造的粉末粒度通常在0.1-500m，150m以上的定为粗粉，40-150m定为中等粉，1040m的定为细粉，0.5-10m为极细粉，0.5m以下的叫超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围，各种筛号表示每1平方英寸筛网上的网孔数。粉粒大小直接影响粉末冶金制品的性能，尤其对硬质合金、陶瓷材料等，要求粉粒愈细愈好。但制取细粉比较困难，经济性亦差。3)粒度分布指大小不同的粉粒级别的相对含量，也叫粒度组成。粉末粒度组成的范围广，则制品的密度高，性能也好，尤其对制品边角的强度尤为有利。 4)技术特征粉末的成形技术特征主要有：松装密度松装密度亦称松装比，指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能，同时对压模设计是一个十分重要的参数。例如还原铁粉的松装密度一般为2.3-3.0gcm3，若采用松装密度为2.3gcm3的还原铁粉压制密度为6.9gcm3的压坯，则压缩比(粉末的充填高度与压坯高度之比)为6.9:2.3=3:1，即若压坯高度为1cm时，模腔深度须大于3cm才行。流动性它是指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短，流动性愈好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。压制性粉末的压制性包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度，通常用压制前后粉末体的压缩比表示。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。经退火后的粉末压缩性较好。为保证压坯品质，使其具有一定的强度，且便于生产过程中的运输，粉末需有良好的成形性。成形性与粉末的物理性质有关，此外还受到粒度、粒形与粒度组成的影响。为了改善成形性，常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌、石蜡、橡胶等。通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成形性试验的指标。412粉末配混粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物(如润滑剂等)进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征。如加入润滑剂(如硬脂酸锌，质量比0.251)可改善混合粉的流动性，增加可压制性。压制后烧结前，润滑剂用加热方法(如硬脂酸锌在375425oC的热空气中)排除。混合粉的特性常用混匀度表示。混匀度越大，表示混合越均匀；也就越有利于制品的性能要求。但粉末混合过程须谨慎，太激烈的混合将会引起变形硬化、颗粒相互磨损、起层等，故一定要按照成形技术要求和规范进行。413压制成形 粉末的压制成形是主要且基本的工序。它的过程包括称粉、装粉、压制、保压及脱模等。压制成形的方法有很多，如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制、高能率成形等。常用的有：(1)钢模压制指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压(压力常在150160MPa)将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。(2)流体等静压制它是利用高压流体(液体或气体)同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。(3)三向压制它综合了单向钢模压制与等静压制的特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。但它适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。另外，可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制产品，如杆件、棒料、薄板、构件等。根据材料和性能要求的不同，可选择不同的加热及加工顺序。目前，这个生产领域发展较快。414压坯烧结烧结是粉末压制技术的关键性过程之一，只有通过正确的烧结，制品才能获得所要求的力学与物理性能。在烧结过程中，通过高温加热发生粉粒之间原子扩散等过程，使压坯中粉粒的接触面结合起来，成为坚实的整块。烧结过程在专用的烧结炉中进行。主要技术因素为烧结温度、保温时间与炉内气氛。由于粉末冶金制品组成成分与配方的不同，烧结过程可是固相烧结或是液相烧结(如硬质合金、金属陶瓷等特殊产品的烧结)。所谓固相烧结指粉粒在高温下仍然保持固态，采用的烧结温度为：式中T烧结烧结温度；T熔点一粉粒熔化温度。液相烧结的烧结温度超过了其中某种组成粉粒的熔点，高温下出现固、液相共存状态，烧结体将更为致密坚实，进一步保证了烧结体品质。实际上在烧结温度下并不允许液相处于完全自由流动状态。如钨钴硬质合金的烧结温度随钴含量不同在1 380-1490cC之间。正确地控制烧结温度对制品性能有极为重要的影响，通常较高的烧结温度可促使粉粒间原子扩散易于进行，从而使烧结体的硬度和强度升高。烧结保温时间也影响制品品质。由于保温时间与设备情况和装炉量有关，一般小件保温时间短，大件保温时间长；当出现液相烧结时，若液相相对量较大，则往往采用下限烧结温度而延长保温时间以防烧结时液相从表面渗出。粉末压坯一般因孔隙度大，表面积大，在烧结中高温长时间加热下，粉粒表面容易发生氧化，造成废品。因此，烧结必须在真空或保护气氛中进行，若采用还原性气体作保护气氛则更为有利。如硬质合金和某些磁性材料采用真空或氢气；铁、铜制品往往采用发生炉煤气与分解氨。为了解并控制烧结品质，下面介绍在烧结过程中可能发生的一些问题，以助工程技术人员鉴别产生的原因：1)翘曲翘曲是常见的问题，在零件使用前能察看出来。翘曲会提高废品率。翘曲一般是由于烧结时没有支撑好压坯，或压坯体中的密度分布不均(波动)造成的。前者可用调整压坯在炉中的方位或用匣钵(一般用耐火材料制成)托住压坯，予以校正，使压坯在烧结时不发生变形。后者只能在零件的结构设计和在引起密度分布不均匀性的前道工序中予以解决。2)过烧过烧是烧结中另一种常见的问题。它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。前两项一般易被直接发现，晶粒成长过大只能在显微镜下观察。这类问题主要是因烧结温度过高或保温时间过长引起的。4.1.5烧结后的其他处理或加工对于一些要求较高的粉末冶金制品，烧结后还需要进行其他处理与加工，以满足要求。(1)渗透(又叫熔渗)把低熔点金属或合金渗人到多孔烧结制品的孔隙中去的方法称为熔渗。通过渗透获得致密制品。此法也可用于烧结体的补充处理。当金属组元液态互不相溶时，采用渗透法通过毛细管作用也可形成合金。渗透法获得的制品密度高，组织均匀细致，制品的强度一般、塑性与抗冲击能力都有较大幅度增加，但此过程费用较贵，过程时间长。(2)复压将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次，叫做复压。复压可起一定的校形作用。 (3)粉末金属锻造以金属粉末为原料，先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸的预成形坯，然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。(4)精压对于某些制品，为了严格保证其尺寸精度，及进一步提高密度，常在烧结后进行锻造或冲压整形的工序。(5)其他后续处理粉末冶金制品有一些后续工序，如含油轴承的浸油处理，以及机械加工、喷砂处理，有时还须进行一些必要的热处理等。根据技术要求，生产粉末金属零件可选择下述过程：压制+烧结；压制+烧结+复压；压制+预烧结+精压+烧结；压制+预烧结+精压+烧结+复压。通常情况下：类过程的应用约占80；但类过程的应用也不少。而较复杂的类和类过程仅用于某些特殊零件。近年来，由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发，经一次压制就可获得较高强度零件。42粉末压制产品及应用现代汽车、飞机、工程机械、仪器仪表、航空航天、军工、核能、计算机等工业中，需要许多具有特殊性能的材料或在特殊工作条件下的零部件，粉末压制在很大程度上促进解决这些与科技发展密切相关的任务。421粉末压