材料加工进展

材料加工进展张光明B110475四川大学制造学院,材料加工概述,一.材料加工概述零件或材料的四种加工方法：1.成形加工：凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制、塑料成形；2.切除加工：车、铣、刨、钻、磨、电火花、电解、超声加工、激光加工等；3.表面成形加工：表面形变、淬火强化、化学强化、表面镀层、气相沉积镀膜；4.热处理加工：退、正、淬、回火；二.材料基本加工要素及流程,原材料（锭料、轧材）,凝固成形塑性成形焊接成形,毛坯,切削加工,零件,机器,装配,切削加工凝固成形塑性成形焊接成形,热处理,热处理切削加工,表面加工,三个基本要素：材料、能量、信息三大流程：1.材料流程表征加工过程特点的类型；要改变形状尺寸和性能的材料状态；能够用来实现这种形状尺寸和性能变化的基本过程；类型：直通流程、发散流程、汇合流程；如下图所示,材料加工过程,输入材料(I),输入能量(I),输入信息(I),输出信息(O)(形状、性能),输出能量(O)(损失),输出材料(O)(产品+废料),下表列出一部分常见的材料加工过程，用材料流程（包括流程类型、材料状态、基本过程）表示其特征。,2.能量流程基本过程为机械过程的能量流程。实现此类基本过程的能量可以通过下列三种方法来提供：（1）、传递介质和加工材料间相对运动；,模锻成形,（2）、作用在加工材料上的压力差；,由压力差产生的机械基本过程,（3）、产生于加工材料中的质量力；,由质量力产生的机械基本过程（a）浇注成形（b）磁力成形,热过程能量提供：电能、化学能、机械能,感应电加热原理1-感应器；2-坯料；3-电源,3.信息流程形状信息、性能信息,材料成形的一些基本问题和发展概况,1.凝固成形基本问题：凝固组织的形成和控制；铸造缺陷的防止和控制；铸件尺寸精度与表面粗糙度控制等；发展概况：凝固理论的发展；凝固技术的发展；计算机的应用及发展，包括：凝固过程数值模拟技术；快速样件制造技术；过程和设备运行的计算机控制等。,凝固学科的定义与研究对象凝固过程与控制是根据热力学、物理冶金学、流体力学及传热传质原理，采用科学实验及计算机模拟技术等方法，研究金属材料制备、铸造成形、熔焊，以及新型金属、半导体与其他无机非金属材料液相法制备过程中的液固相变原理与过程控制技术，实现材料组织性能控制与优化的技术科学领域。,凝固学科主要研究对象涉及以下几个方面：(1)金属材料制备；(2)金属材料的成形加工；(3)无机非金属材料的合成与晶体生长；(4)非平衡新材料的研制；(5)凝固过程的多尺度、多学科建模与仿真。,2.塑性成形,基本问题：材料的塑性；塑性成形力的评价；加工材料内部市场变量的确定；形状信息的准确输入等；发展概况：板料成形方面大批量生产中着重向高速化、自动化发展；小批量生产中朝简易化、通用化、万能化发展；体积成形方面自由锻模锻特种成形技术,塑性成形与加工学科的定义与研究对象塑料成形与加工（plasticdeformationandprocessing）是利用材料的塑性，根据物理、力学、冶金和材料科学原理，对金属材料、非金属材料及复合材料进行成形加工，从而获得所需要的尺寸、形状与性能的技术科学。其研究对象包括：（1）塑性成形与加工理论；（2）塑性成形工艺；（3）成形过程中组织与性能控制；（4）成形设备与模具；（5）塑性成形与加工的计算机辅助工程及模拟；（6）新材料制备与加工。,3.焊接成形,基本问题：能量的输入；清除表面污染；组织性能不均匀；残余应力及残余变形；焊缺陷及检测；焊接结构的制造问题等；发展概况：焊接结构的发展；焊接材料的发展；自动化焊接的发展；,焊接冶金学科的定义与研究对象焊接冶金科学与工程（materialjoiningscienceandtechnology）是根据材料科学、冶金科学、材料物理化学、物理学、电工电子学等基础理论，研究焊接冶金中的冶金及界面反应、热源特性、焊接结构及可靠性评价等基础理论，探讨各类能源的加热、传热、传质过程，研究开发各类焊接新方法、新设备及新工艺，使金属、无机非金属、同类及异类材料在热、力、化学能能能量的作用下，实现可靠的连接。,焊接研究主要研究对象：（1）各类材料的连接；（2）各类热源及加热方法；（3）各类结构件及功能件的连接；（4）焊接及连接结构的可靠性，焊接过程仿真。,4.粉末冶金的定义与研究对象,粉末冶金（PowderMetallurgyProcessing）是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。,粉末冶金材料和制品的今后发展方向：1、有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展。2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金。3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。,RollingprocessandcrosssectionofarolledPMtooth,5.表面成形,基本问题：表面涂层：涂层与基体的结合、涂层的材料及结构等；表面改性：针对材料的服役条件及损伤机理并结合基体材料，设计合理的表面组织结构；针对希望的表面组织及结构，研究获得这一表面材料的方法；发展概况：表面工程学PACVD离子加强化学气相沉积LCVD激光化学沉积,材料成形所涉及的基本理论,材料成形热过程,金属的凝固理论,塑性成形的物理和力学基础,表面成形、粉末冶金、塑料成形理论,工艺方法技术要点相关工艺装备及模具,凝固成形,塑性成形,表面成形及强化,陶瓷成形及粉末冶金技术,塑料成形,6.先进加工技术,激光加工技术,高能束加工技术,超高速加工技术,超精密加工技术,微型机械加工技术,快速成型制造技术,生物制造工程,6.1激光加工技术,激光表面改性（热处理）激光焊接：0.1mm细金属丝，特殊材料激光切割：激光打孔：直径几十微米以下，最小0.5m的孔激光打标和激光雕刻,6.2高能束加工技术,电子束离子束高压水射流,6.3超高速加工技术,比常规高得多（10倍左右）的速度对零件进行加工的先进技术，以高加工速度，高加工精度为主要特征。,目的：提高生产率改善加工情况实现：主轴的零传动：高速主轴单元电主轴进给的零传动：直线电机,超高速加工的优点：显著提高生产效率切削力可以降低30%以上切削过程迅速，95%以上的切削热被切屑带走，工件可以保持冷态。工作稳定振动小，远离了“机床工件刀具”工艺系统的固有频率范围，可加工非常精密，光洁的零件。表面残余应力很小。,不足：目前只在铝合金和铸铁加工方面应用。钢的超高速加工还有一些困难。,6.4超精密加工技术,分为三种：一般加工、精密加工、超精密加工动态变化的：目前标准：尺寸精度高于0.1m表面粗糙度高于0.025m形位精度高于0.1m从亚微米级向纳米级发展机械去除法的极限：0.01m。金刚刀车刀加工有色金属（铜、铝）,超精密加工分类：去除加工：电物理加工：电火花电化学加工：电解、蚀刻力学加工：切、磨、研、超、等离子溅射热政法、热扩散、热熔解：电子束、激光加工结合加工：沉积加工：PVD、CVD、电镀、电铸、离子镀注入加工：掺杂、渗碳、离子注入连接加工：激光焊接、气焊、电焊、RPM、化学粘接变形加工：热流动：锻造粘滞流动：铸造、等静压成形、压铸、注塑分子定向：液晶定向,超精密加工的要求：高精度：静态和动态高刚度：静刚度和动刚度高稳定性高度自动化，智能化：减少人为因素,目前超精密加工的主要手段：金刚石刀具超精密切削金刚石砂轮和CBN砂轮超精密磨削超精密研磨和抛光精密特种加工和复合加工,实现超精密加工的主要条件：超精密加工机床与装、夹具刀具、刀具材料、刃磨技术加工工艺加工环境控制（恒温、隔振、洁净控制等）测控技术,6.5微型机械加工技术,Micromachine（日本）MEMS（美国）Microsys