材料加工工程

材料加工工程绪论MaterialsProcessingEngineering一、课程的性质和任务材料是人类赖以生存的重要物质基础，材料加工则又是使材料成为对人类具有使用价值产品的必经之路，自然界及人工合成的绝大多数材料需经加工而成形。因此，学习、研究和掌握材料加工的基本原理和方法是十分重要的。一、课程的性质和任务材料加工工程是随人类社会进步而不断发展的一门学科，与之相应的材料成形工业也成为人类社会赖以生存的基础工业，并且不断产生出新兴的产业分支。一、课程的性质和任务涉及到的基本原理类问题有：1.如何选择材料加工方式，才能最经济、快捷地生产所需的产品？2.如何控制宏观生产工艺，使产品的外形尺寸、精度满足要求？3.如何控制材料微观组织，使产品内在质量和性能满足用户要求？4.如何控制材料的宏微观缺陷，以便大幅度提高产品的使用寿命？5.如何正确计算和确定成形过程的工艺参数，正确选择生产设备？一、课程的性质和任务为使对材料加工工程学科有兴趣的同学了解材料加工工程学科的基本概念和工艺方法，特设立“材料加工工程”选修课。其基础是材料力学、金属学、机械原理与设计等，所研究的核心问题是材料结构－性能－加工工艺之间的关系。材料加工工程的内涵一、课程的性质和任务材料：材料的主要性能及评价方法，主要的工程材料――钢铁材料、有色金属材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料；加工：材料成形的主要工艺方法――铸造、轧制、锻造、板料成形、挤压、拉拔、焊接的原理，以及外在尺寸形状和内部质量控制的基础。工程：主要的加工工艺装备、工艺方法选择与经济性分析、自动控制，以及组件乃至装备的制造。了解材料加工工程新工艺、新技术及其发展趋势。材料增值过程产品铸锭熔融材料粉末注型轧制锻造冲压压制冷弯连铸注射成形切削加工精加工原材料特种成形挤压单晶拉伸烧结SFF吹模成形装配二、材料加工的主要工艺方法材料加工的工艺方法种类繁多，各种具体工艺技术自身也在不断地发展进步。特别是随着新材料技术的发展，新兴的成形加工技术不断涌现，本课程难于全部包容，但其成形工艺原理则大致相通。因此，本课程重点讨论“材”成形的主要工艺方法――铸造、轧制、锻造、拉拔和挤压，以及“零件”成形的主要工艺方法――锻造、板料成形、焊接。BMW汽车制造过程二、材料料加工的的主要工工艺方法法1铸造造工艺是将液液态金金属借助外外力充填到到型腔腔中，，使其其凝固固冷却却而获获得所所需形形状和和尺寸寸的毛毛坯或或零件件的工工艺。。铸造二、材材料加加工的的主要要工艺艺方法法铸造工工艺的的特点点：1）适适应性性广。。适应应铸铁铁，碳碳钢，，有色色金属属等材材料；；铸件件大小小，形形状和和重量量几乎乎不受受限制制；壁壁厚1mm到1m。。2）可复杂杂成形形。适适合形形状复复杂，，尤其其是有有复杂杂内腔腔的毛毛坯或或零件件。3）成成本较较低。。4）但但也存存在一一些不不足，，如组组织缺缺陷，，力学学性能能偏低低，质质量不不稳定定，工工作环环境较较差。。因此此，铸铸件多多数做做为毛毛坯用用。二、材材料加加工的的主要要工艺艺方法法2轧轧制工工艺在轧机机上旋旋转的的轧辊辊之间间改变变金属属的断断面形形状和和尺寸寸，同同时控控制其其组织织状态态和性性能的的固态态成形形加工工方法法称之之为轧轧制。。轧制制是一一种使使材料料发生生连续续塑性性变形形的工工艺过过程。。轧制制工艺艺的生生产效效率高高，因因此是是应用用最广广泛的的固态态成形形加工工方法法。90％％以上上金属属“材”的一次次成形形需经经轧制制工序序完成成。钢钢铁、、有色色金属属、某某些稀稀有金金属以以及它它们的的合金金均可可以采采用轧轧制进进行加加工。。轧制制除能能改变变材料料形状状及尺尺寸外外，还还可以以改善善铸锭锭/坯坯的初初始铸铸态组组织，，细化化晶粒粒，改改善相相的组组成和和分布布状态态，因因而能能提高高产品品性能能。但但难变变形材材料、、形状状特别别复杂杂的和和特长长特细细的产产品不不宜采采用轧轧制方方法生生产，，而需需采用用其他他固态态成形形加工工方法法如锻锻造、、拉拔拔、挤挤压等等方式式生产产。热连轧轧生产产二、材材料加加工的的主要要工艺艺方法法按照轧轧机上上轧辊辊配置置方式式和旋旋转方方向、、轧件件的运运动方方式以以及产产品形形状、、轧制制主要要有纵纵轧、、横轧轧和斜斜轧。。根据据轧制制过程程中材材料加加工硬硬化、、回复复和再再结晶晶的程程度不不同，，轧制制分为为热轧轧、冷冷轧和和温轧轧。按按轧制制品种种不同同，轧轧制可可分为为坯料料轧制制，板板带箔箔材轧轧制、、型材材和线线材轧轧制、、管材材轧制制以及及特殊殊形状状材的的轧制制如周周期断断面轧轧制、、车轮轮轮箍箍轧制制等。。二、材料料加工的的主要工工艺方法法轧制是生产产钢材和有有色金属材材的主要加加工方法。。钢材主要要产品有厚厚板、带材材、薄板、、箔材，常常用型材如如方钢、圆圆钢、扁钢钢、角钢、、工字钢、、槽钢等，，专用型材材如钢轨、、钢桩、球球扁钢、窗窗框钢等，，异形断面面型材；周周期断面或或特殊断面面型材、管管材包括圆圆管及部分分异形钢管管及变断面面管。有色色金属材主主要有板带带箔材及各各种管、棒棒、型、线线材等。二、材料加加工的主要要工艺方法法轧制工艺是是在十五世世纪后期发发展起来的的，基本的的加工是平平板轧制，，其产品则则是平板或或薄板。板板带钢按规规格一般可可分为厚板板(包括中中板和特厚厚板)、薄薄板和极薄薄带材或箔箔材。我国国一般称厚厚度在4.0mm以上者为中中厚板(其其中4-20mm者为中板，，20-60mm者为厚板，，60mm以上者为特特厚板)，，4-0.2mm者为薄板，，而0.2mm以下者为极极薄带材或或箔材，目目前箔材最最薄可达0.001mm，而特厚板最最厚已达500mm以上，最宽宽可达5350mm，最重已达250t。中厚板常应应用于做结结构件，如如船壳、锅锅炉、桥梁梁、大梁、、机器机身身、核反应应堆堆芯等等，其中0.3m的厚板可做做为大锅炉炉的底座，，150mm可做为反应应堆的堆芯芯，100~125mm可用于战列列舰或坦克克。薄板、、极薄带材材或箔材常常用于汽车车车身、设设备装置、、食品或饮饮料罐、厨厨房或办公公设备，商商业飞机机机身通常使使用的最小小厚度是1mm的铝合金薄薄板。为便便于将薄板板更进一步步加工成产产品，薄板板常以平板板或带卷方方式提供。。宝钢热连轧轧二、材料加加工的主要要工艺方法法２锻造成成形用锤击或压压制的方法法对坯料施施加压力，，使之产生生塑性变形形的固态成成形加工方方法称之为为锻造。轧轧制工艺的的产品是板板带、结构构型钢等半半成品，锻锻造则生产产机器设备备的零部件件。锻造加加工的优点点是，适应应性强，能能生产各种种材质、形形状和尺寸寸的锻件；；在保证设设计强度的的情况下可可以减轻零零件的重量量，节约金金属材料和和机械加工工。可进行行大批量生生产，生产产效率高。。由于锻造造生产可以以控制金属属流动及晶晶粒组织，，锻造产品品有较高的的强韧性。。锻造的缺缺点是，设设备庞大复复杂，能耗耗大，效率率低，成本本高。自由锻造二、材料加加工的主要要工艺方法法２锻造成成形锻造加工的的生产方法法，在机械械、交通运运输、冶金金和采矿等等工业部门门中起着重重要的作用用。在机械械制造业中中，各种机机床、发电电机和电动动机的主轴轴、齿轮和和涡轮叶片片等都需经经过锻造制制成，在交交通输业方方面，各种种汽车、火火车、拖拉拉机和船舶舶的曲轴、、连杆等重重要零件都都儒要锻造造制坯，冶冶金、采矿矿工业中，，锻造生产产用于合金金钢，钛合合金的开坯坯，以提高高合金的组组织和性能能，轧钢机机的轧辊，，矿山设备备的主轴、、凿岩用的的钎头等也也需锻造成成形；国防防工业的兵兵器、飞机机、运载火火箭等也离离不开锻造造加工，在在轻工机械械和日用品品中的锻造造产品随处处可见，如如刀、剪、、锤头、钳钳子、锹和和镐等。二、材料加加工的主要要工艺方法法２锻造成成形锻造根据锻锻造温度的的不同可分分为冷锻和和高温锻造造，其中高高温锻造有有可分为热热锻和温锻锻。由于冷冷锻时金属属的变形抗抗力比较大大，需要较较高的镣造造力，因此此工件在室室温下必须须有较高的的塑性。冷冷锻件表面面光洁度和和尺寸精确确度较高。。热锻锻造造力比较低低，但表面面光洁度和和尺寸精确确度不如冷冷锻好。锻锻造通常需需要后续的的精加工工工序，如利利用热处理理来改善锻锻件的性能能，利用机机械加工以以提高成品品的尺寸精精确度。二、材料加加工的主要要工艺方法法２锻造成成形有些可用锻锻造生产的的产品也可可以经济地地用其它方方法进行生生产，如连连铸、机加加工、粉末末冶金等。。但是，每每种加工方方法生产的的产品都有有其优越性性及局限性性，最主要要表现在强强度、韧性性、尺寸精精确度、表表面光洁度度、表面和和内部缺陷陷等方面。。二、材材料加加工的的主要要工艺艺方法法３板板料成成形在压力力机上上用凹凹模和和凸模模将金金属薄薄板成成形为为具有有立体体造型型和符符合质质量要要求制制件的的固态态成形形加工工方法法称之之为板板料成成形。。板料成成形工工艺过过程包包括板板料选选择、、坯料料设计计、成成形工工序制制定、、模具具设计计、模模具制制造、、设备备选择择、成成形操操作、、后续续处理理(热热处理理、校校形、、整修修、表表面保保护、、质量量检验验)等等。按按成形形时的的受力力和变变形特特点，，成形形方法法可分分为伸伸长类类变形形和压压缩类类变形形两类类。二、材材料加加工的的主要要工艺艺方法法４挤挤压成成形用挤压杆杆将放在在挤压筒筒中的坯坯料压出出挤压模模孔而成成形的材材料固态态成形加加工方法法称之为为挤压。。用挤压压方法可可以生产产管、棒棒、型、、线材以以及各种种机械零零件。挤挤压方法法生产的的典型产产品有：：门框、、窗框、、滑门的的围栏，，各种不不同截面面形状的的管制品品以及结结构型钢钢和建筑筑型钢。。挤压产产品可切切成所需需的长度度，从而而成为不不透气的的部件。。如门把把手支架架和齿轮轮。通常常挤压用用的材料料有铝、、铜、钢钢、镁和和铅。其其它金属属和合金金可用不不同难度度水平的的挤压方方法生产产。二、材料加加工的主要要工艺方法法４挤压成成形挤压按金属属流动及变变形特征分分类，有正正向挤压、、反向挤压压和特殊挤挤压。特殊殊挤压包括括静液挤压压、连续挤挤压、侧向向挤压、联联合挤压、、复合挤压压、包套挤挤压、脱皮皮挤压、水水封挤压、、舌模挤压压、粉末挤挤压、半熔熔融挤压、、液态挤压压等。按挤挤压温度分分类，有热热挤压、温温挤压和冷冷挤压。热热挤压和冷冷挤压是挤挤压的两大大分支，在在冶金工业业系统主要要应用热挤挤压，即通通称的挤压压，机械工工业系统主主要应用冷冷挤压，冷冷挤压有许许多重要用用途，包括括用于生产产汽车、自自行车、摩摩托车、重重型机械和和传输设备备上的紧围围件和零件件。温挤压压发展比较较晚，应用用范围也窄窄。挤压成形工工艺特点1)具有有比轧制更更为强烈的的三向压应应力状态，，金属可以以一次承受受很大的塑塑性变形，，为加工难难变形的低低塑性材料料提供了途途径；2)可以生生产断面极极其复杂的的以及变断断面的管材材和型材，，这些产品品用其他加加工方法很很难加工，，甚至不可可能；3)具有极极大的生产产灵活性，，用一台设设备可以生生产出很多多种品种和和规格的产产品，并且且产品更换换容易；4)产品尺尺寸精确，，表面质量量高；5)比较容容易实现生生产过程自自动化；6)生产效效率较低，，废料损失失大，工具具的消耗较较大，制品品性能不均均匀。挤压压法适合于于批量小、、品种与规规格繁多的的有色金属属管、棒、、型材和线线坯的生产产，对于断断面复杂的的或薄壁的的管材和型型材、直径径与壁厚之之比趋近于于2的超厚厚壁管材，，以及用于于脆性的有有色金属和和特殊钢铁铁材料则更更显示出无无比的优越越性。二、材料加加工的主要要工艺方法法５拉拔成成形坯料靠拉力力通过锥形形模孔使断断面缩小以以获得尺寸寸精确、表表面光洁制制品的固态态成形加工工方法。拉拉拔棒材可可用于制造造手柄，杆杆和和活塞塞以及用作作诸如铆钉钉、螺栓、、螺丝等紧紧固件的原原材料。除除圆棒外，，多种外形形的棒料也也能通过拉拉拔生产。。与挤压过过程不同，，材料在拉拉拔过程中中材料受到到拉应力作作用，而在在挤压过程程中坯料受受到压力的的作用。拉拉拔通常在在室温下进进行，属于于冷加工。。在高于室室温、低于于再结晶温温度下的拉拉拔叫温拔拔，属于温温加工。拉拉拔是金属属塑性加工工方法中除除轧制以外外的主要加加工方法，，用于轧制制产品如线线材、管材材和型材的的深加工。。二、材材料加加工的的主要要工艺艺方法法５拉拉拔成成形一般而而言，，直径径小于于5mm的金属属丝只只能靠靠拉拔拔加工工。小小直径径的管管材常常用热热轧管管经拉拉拔减减径减减壁生生产冷冷拔成成品。。型材材的冷冷拔在在于提提高产产品的的尺寸寸精度度、降降低表表面粗粗糙度度、增增加强强度和和节约约金属属。工工业上上，线线材一一般指指至少少经过过—次模拉拔拔的棒材材。线拉拉拔可生生产比棒棒拉拔更更小直径径的产品品。线拉拉拔生产产的磁线线可达0.01毫米，，低电流流保险丝丝尺寸可可更小。。线材和和金属线线制品有有广泛的的用途，，例如用用于制造造电线、、电缆、、屏幕、、纱窗、、承载拉拉力的结结构件、、电焊条条、弹簧簧、纸夹夹、自行行车的辐辐条和乐乐器的弦弦等。人类社会的发发展史，始终终伴随着材料料加工工程技技术的发展。。从远古时代代，人类就开开始利用固态态成形方法对对一些天然材材料进行加工工，如岩石、、骨骼、兽皮皮