金属材料成形与加工特种加工工艺ppt课件

特种加工工艺SpecialProcesses,.,一旋压,1.1旋压的概念,旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，将金属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶紧在旋压机芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。,Fig.1旋压示意图,.,一旋压,1.2旋压工件举例,.,1.3旋压工艺的分类,一旋压,.,1.3旋压工艺的分类,1.3.1普通旋压,普通旋压简称普旋。传统观点认为，普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变，成型主要依靠坯料沿圆周的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是在成型过程中可以明显看到坯料外径的变化。,.,1.3.1普通旋压,1、拉深旋压（拉旋）,拉深旋压是指毛坯拉深过程中的旋压成型方法，它是由普通旋压中最主要和应用最广泛的成型方法，毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式，拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压。,Fig.2拉深旋压示意图,.,1、拉深旋压（拉旋）,.,1.3.1普通旋压,2、缩径旋压（缩旋）,缩径旋压是指使用旋轮(或摩擦块)将回转体空心件或管状毛坯进行径向局部旋转压缩以减小其直径的成型方法。缩径旋压过程中，将毛坯同心地适当装夹在适当的芯模中，将需要成型的那部分从中露出外面，当主轴带动毛坯旋转后，由手工操作或自动控制旋轮，按规定的形状轨迹作往复运动，当每次改变方向时给以一定大小的横向进给，逐步地使毛坯外周缩径，得到带有喉径形状或封闭球形的零件。为了避免工件产生起皱和破裂，应根据缩径前后直径之比，将过程分为若干道次或工序进行，即旋轮要作多次往复运动，且每次之前均给以一定的进给量，有时还需更换几次芯模和进行中间热处理等。根据材料和工件尺寸，有时要在加热条件下缩旋。如有可能通过支承容器边缘以减少生产起皱的趋势，从而可增大进给并减少生产周期。,.,2、缩径旋压（缩旋）,.,1.3.1普通旋压,3、扩径旋压（扩旋）,扩径旋压是利用旋压工具使空心回转体容器或管状毛坯进行局部(中部或端部)直径增大的旋压成型方法，这种工艺方法的限制主要是工件的材料性能，如抗拉强度、屈服极限、沿伸率、断面收缩率等。根据工件扩径程度的大小，往往分为若干道次进行。其道次数的确定原则是:使材料在扩径过程中不致产生过度的应变(应力)，也就是说，在成型过程中的应力不能超过材料的抗拉强度，否则会导致破裂。如果材料有较大的加工硬化趋向，则道次数要少，且每道次扩径量尽可能大，否则由于硬化严重，需更早时进行中间热处理，否则就无法进行。,.,3、扩径旋压（扩旋）,.,1.3.1普通旋压,.,1.3.1普通旋压,.,1.3.1普通旋压,.,1.3旋压工艺的分类,1.3.2强力旋压,强力旋压简称为强旋。强旋工艺主要依靠坯料厚度的减薄来实现成形，坯料外径基本保持不变。在进行强力旋压时，旋轮加于坯料上的压力要比普通旋压时大得多，坯料的变形情况和普通旋压时也不大相同，在普旋过程中，坯料厚度变化不大但直径变化很大由大变小或由小变大，而在强旋过程中，坯料直径基本保持不变，但厚度变化很大由厚变薄，因此强力旋压又称为变薄旋压。,.,1、剪切旋压（剪旋）,1.3.2强力旋压,剪切旋压指的是不改变毛坯的外径而改变其厚度，,以制造圆锥等各种轴对称薄壁件的旋压方,式,(,锥形变薄旋压,),。这种成型方法的特点是旋轮受力较小，半锥角和壁厚互相影响，材料流,动流畅，,表面光洁和成型精度高，,并且能较容易地成型拉深旋压难于成型的材料。,旋压过程,中遵循的理论计算公式为：,。根据旋后工件实际壁厚,T1,1,与理论值,T1,比较分为过旋压,(T1,1,T1),和欠旋压,(T1,1,T1),两种旋压方式。,异形件剪切旋压，适于锥形、抛物线及各种曲母线形工件的成形。锥形件是异型件的典型形状。在剪切旋压过程中，平板坯料在旋轮挤压与剪切综合作用下，厚度方向遵循体积不变定律和正弦规律变形。从工件的纵断面上看，其变形过程犹如按一定母线形状推动一迭扑克牌一样。,.,1、剪切旋压（剪旋）,.,1.3.2强力旋压,2、筒件强力旋压（拉旋）,筒形变薄旋压是指旋轮紧压在与芯模同时旋转的管状毛坯上并沿管坯轴向运动而制出薄壁,长筒件。,这种旋压过程始终遵循金属材料体积不变的原则，,有如图,2-4,示两种旋压方式，,即,材料的流动方向与旋轮的移动方向一致的正旋（,b,）以及材料的流动方向与旋轮的移动方向,相反的反旋（,a,）。,强力旋压有两种基本变形方式：正旋和反旋。正旋时材料的流动方向与旋轮的运动方向相同；反旋时材料的流动方向与旋轮的运动方向相反。正旋压适用面较宽，直径精度优于反旋压。反旋压的芯模及行程较短，其应用限于不带底的筒形件成形。,.,2、筒件强力旋压（拉旋）,.,2、筒件强力旋压（拉旋）,.,1.3.2强力旋压,3、特种旋压,1）皮带轮旋压,.,3、特种旋压,2）汽车轮毂旋压,.,2）汽车轮毂旋压,.,3、特种旋压,3）封头旋压,.,二半固态成形,2.1半固态加工的概念,金属的液态成形:铸造；液态模锻；液态轧制；连铸等,传统的金属成形,金属的固态成形：轧制；拉拔；挤压；锻造；冲压等,.,液态模锻成形示意图,液态模锻,.,液态轧制示意图,液态轧制,.,半熔融挤压,半熔融挤压,.,半固态成形,在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态加工技术。金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生因相的固-液浆料(固相组分一般为50左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming)。,.,半固态成形,如果将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，称之为触变成形(thixoforming)。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工(semi-solidformingorprocesingofmetals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solidmetallurgy)。,.,液态加工（铸造成形）,半固态加工(流变/触变成形),固态加工（塑性成形）,重力铸造精密铸造压力铸造,液态模锻液态铸轧连续铸挤半固态轧制半固态挤压半固态压铸半固态锻造,轧制锻压挤压超塑成形特种固体成形,流变铸造,高速连续铸造,连续带液芯压下,连铸轻压下,现代金属成形分类,.,2.2半固态加工的基本方法,.,2.2半固态加工的基本方法,.,2.3半固态加工的研究及发展,国外研究状况20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授和DavidSpencer博士提出了半固态加工技术，由于该技本采用了非枝晶半固态浆料，打破了传统的枝晶凝固模式，具有许多独特的优点，因此关于半固态金属成形的理论和技术研究引起各国研究者的高度重视，半固态加工的产品及应用也随之得到迅速的发展。,.,（1）有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究,20世纪70年代以来，美国、日本等国针对铝、镁、铅、铜等的合金进行了研究，其重点主要放在成形工艺的开发上。目前，国外进入工业应用的半固态金属主要是铝、镁合金，这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域，如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、汽缸头、轮载、压缩机活塞等。铝合金半固态加工技术（触变成形）已经成熟并进入规模生产，主要应用于汽车、电器、航空航天领域。,.,（1）有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究,美国的Alumax公司1997年的两座半固态铝合金成形汽车零件生产工厂的生产能力分别达到每年5000万件。意大利的StampalSPA和FiatAuto公司生产的半固态铝合金汽车零件重达7kg，而且形状很复杂；意大利的MM公司（MagnetiMarelli）为汽车公司生产半固态铝合金成形零件，在2000年达到日产7500件。瑞士的Bubler公司已经生产出铝合金半固态触变成形的专用SC型压铸机（实时压射控制和单一压射缸）和铝合金半固态坯料的专用二次加热设备。日本的SpeedStarWheel公司已经利用半固态金属成形技术生产铝合金轮载（重约5Kg）。,.,与铝合金半固态成形比较，镁合金的半固态成形技术发展较晚，成熟的技术只有Thixomolding技术。1995年，美国的Thixomat公司的子公司Linderg公司利用Thiomol-ding工艺，为一些汽车公司生产了50余万件的半固态镁合金铸件。日本的一些公司利用Thixomolding工艺制造移动通讯手机外壳、微型便携式计算机外壳等。但Thixomolding工艺必须要求提供合适的镁合金屑，这就使得该技术比较复杂、生产成本比较高。近年，英国布鲁诺（Brunel）大学研制出低熔点合金双螺旋半固态流变成形机，目前正在向产业化方向发展。,（1）有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究,.,理论研究工艺的实现、组织性能；浆料固相分数的控制与测定、输送、工艺参数（变形抗力、成形线速度、铸型温度）对试样表明质量、内部成分和组织分布规律的影响。纤维和颗粒增强、与陶瓷的复合材料研究；凝固模型的建立和理论模型。,半固态研究,加工实验浆料的制备：机械搅拌法；单辊旋转法；电磁搅拌法；超声振动法；直流脉冲法。成形工艺：压铸成形；模锻成形；注射成形；连铸成形。,（1）有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究,.,（2）高熔点黑色金属的半固态成形研究,采用半固态加工方法所研究的高熔点材料涉及D2、HS6-5-2高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、AISI304不锈钢、C80工具钢、铸铁等钢铁材料；固态加工方法涉及触变锻压、挤压、铸造和直接流变轧制及喷铸成形等。,.,选择的材料液固线温度区间较小；高温半固态浆料难以连续稳定地制备；熔体的温度、固相的比率和分布难以准确控制；浆料在高温下输送和保温困难；成形温度高，工具材料的高温性能难以保证等。,高熔点黑色金属半固态加工进展缓慢,.,国内研究状况,2.3半固态加工的研究及发展,20世纪70年代后期陆续开展了半固态金属成形技术的研究，但这些尝试大都利用机械搅拌法进行流变铸造或触变铸法研究。中科院金属研究所是国内最早开展半固态加工研究的单位之一，较早进行了“铝合金半固态铸造”等的研究，自行设计制造了“半固态浆料制备设备”，研究了“半固态组织在凝固过程中析出规律”等等，研制了“半固态压铸刹车器活塞毛坯直接连续成形”，“石墨铝合金复合材料细纱锭盘”等。,.,20世纪80年代中期，我国研究者大多转向半固态制备复合材料和个别通用牌号材料的流变特性的研究，取得了一些成果，如有的研究者利用晶粒细化首先获得细小技晶的ZA12合金锭坯。20世纪90年代以后，一批研究院所和大学在有色金属及其合金等低熔点材料半固态加工和钢铁等高熔点材料的半固态加工方面开展了较广泛的研究。,国内研究状况,.,近几年，我国的研究者在国家自然科学基金、国家“863”、“973”等计划的支持下，已经在铝合金半固态加工技术开发和应用方面具备了较好的基础。对铝合金半固态加工的基本关键技术，包括半固态材料制备技术、二次加热技术和半固态压铸技术等方面，具备了向产业化转化的技术基础。北京科技大学和中科院金属所等单位合作在国家自然科学基金的支持下开展了钢铁材料半固态直接成形基础研究，在铸铁、弹簧钢、不锈钢和高碳钢等高熔点材料的半固态坯料制备、半固态喷铸成形和直接轧制等方面进行了较深入研究，并取得了阶段性成果。,国内研究状况,.,北京有色金属研究总院在国家“863”计划和院科研基金的支持下对铝合金半固态加工技术的研究和应用上取得了很大进展，通过与东风汽车公司合作，采用半固态压铸技术在生产现场实现了汽车空压机连杆和空调器涡轮两种汽车零件的批量生产。近年来，国内的一些大学在半固态合金的流变和触变行为、针对铝合金。镁合金的半固态金属加工技术、成形过程的计算机模拟等基础理论研究方面开展了卓有成效的工作。,国内研究状况,.,2.4金属半固态的制备方法,金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆料或坯料的制备方法很多，但常用的方法主要是电磁搅拌法和机械搅拌法，其中电磁搅拌法占主导地位。,.,1.电磁搅拌法,电磁搅拌垂直半连续铸造示意图,1.中间包底口2.结晶器引流口3.水室隔墙4.冷却水室5.结晶器陶瓷内衬6.结晶器外壁7.坯料的固液前沿8.搅拌器9.坯料10.引锭底托11.引锭杆12.引锭机13.引锭丝杠,电磁搅拌是工业制备铝合金半固态坯料的主要工艺方法，与连铸相结合进行高效率坯料连续制备。,电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸形方向的强磁场对处于液固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。,.,水平电磁搅拌连续铸造示意图1.拉拨机构2.坯料3.搅拌绕组4.冷却水阀5.搅拌控制器6.流量控制器7.浇口盆8.中间包9.熔化炉10.导流管11.陶瓷环12.冷却水箱13.结晶器,1.电磁搅拌法,.,机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中的金属初晶的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。机械搅拌法分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。,2.机械搅拌法,.,2.机械搅拌法,.,2.机械搅拌法,.,2.机械搅拌法,.,2.机械搅拌法,.,3.应变诱导熔化激活法,strain-inducedmeltactivationprocess，SIMA。利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织，然后再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能量，最后按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。,.,4.液态异步轧挤法,液态异步轧挤法实质是剪切-冷却-轧制(shearing-cooling-rolling)，简称SCR法，其工艺原理是：利用一个机械旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断碾下、破碎,并与剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料，是一种高效制备半固态坯料的方法。,.,5.超声振动法,超声振动法制备半固态金属浆料的基本原理是：利用超声机械振动波扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得球状初晶的金属浆料。超声振动波作用于金属熔体的方法一般有两种，一种是将振动器的一面作用在模具上，模具再将振动直接作用在金属熔体上，但更多的是振动器的一面直接作用于金属熔体。试验证明，对合金液施加超声振动，不仅可以获得球状晶粒，还可以使合金的晶粒直径减小，获得非枝晶坯料。,.,6.粉末冶金法,粉末冶金是一种金属或合金快速凝固技术，它利用金属雾化技术的方法制备细小的金属粉末。雾化技术就是利用离心力、机械力或高速流体冲击力等外力的作用使金属熔体分散成尺寸很小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。粉末冶金法制备半固态金属坯料的一般工艺路线是：首先制备金属粉末，然后进行不同种类金属粉末的混合，再进行粉末预成形，并将预成形坯料重新加热至半固态区，进行适当保温，即可获得半固态金属坯料。,.,7.倾斜冷却板制备法,金属液体通过坩埚倾倒在内部具有水冷装置的冷却板上，金属液冷却后达到半固态，流入模具中制备成半固态坯料。倾斜冷却板装置设备简单、占地面积小，可方便地安装在挤压、轧制等成形设备的上方。,倾斜冷却板（Coolingslope）制备半固态坯料的工艺及设备图,.,2.5半固态金属触变成形,2.5.1Thixomolding成形工艺及设备Thixomolding工艺是由美国DowChemical公司开发的技术，1992年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发，已成为目前半固态加工领域中最成功的、应用最广的技术之一。目前Thixomolding设备的合模力从75t至850t有6种机型系列，特殊机种也有合模力1600t机型，到2000年在世界上已销售120余台，现在正在计划开发20004000t级的超大型机。,.,2.5半固态金属触变成形,.,Thixomolding工艺,(a)总体设备简图,(b)螺旋搅拌及注射部分简图,设备由原料入料与预热装置、螺旋注射机及加热装置、以及压铸机等部分组成。该技术类似于塑料的注射成形法，利用碎化的颗粒状镁合金作为原料，通过料斗送人高速螺旋机进行混合、加热到半固态状态，通过喷嘴高速注射到压铸模具中，经充模、压铸、凝固得到成形件。,.,2.5.2触变压铸(Thixo-casting),触变压铸是半固态金属通过一定截面的孔洞注入闭合的模具内并合模、加压。触变压铸是目前在工业上制造半固态金属零件应用最多的半固态成形方法。铝合金半固态压铸成形汽车用部件样品。与普通压铸成形工艺相比，半固态压铸具有成形温度低，凝固时间短，成形周期短，部件质量好(更少的缩孔和疏松)；微观组织均匀，高度自动化等优点。,铝合金半固态压铸成形件(a)控制臂；(b)后门合页；(c)发动机固定架；(d)制动盘,.,2.5.3触变锻造(Thixo-forging),触变锻造是将半固态金属坯料移入锻压模具内，然后模具的一部分向另一部分运动并加压成形。特点是：扩大了复杂成形件的范围，可实现近终成形(如薄壁件、底切槽件、孔型件和刃形辐射件等)，显著减少工艺环节，加工成本低，锻造耗能低，切削量少，材料利用率高等。,半固态锻压成形铝合金及钢件实例,.,触变挤压是将半固态金属坯料移入挤压腔内，通过模具孔挤出成形。扩大了复杂成形的范围，