《工程材料及成型》模块2 等材制造

《工程材料及成型》课程导论模块一

|

工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

|

增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：何世松模块二等材制造1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1铸造成型3项目2锻压成型4项目3焊接成型项目5

胶接与铆接成型8【延伸学习】9【课后习题】5项目4

塑料成型67【内容小结】【学习导览】材料成型工艺分为三种大类：等材制造、减材制造、增材制造。其中等材制造属受迫成型，通过施加力受迫成型得到想要的形状，如铸造、锻造、弯曲、注塑、粉末冶金等；减材制造属定向去除，通过选择性地去除材料得到想要的形状，如车削、铣削、刨削、磨削、钻削及各种切割等；增材制造属堆积成型，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三者各有优势，也各有不足，互为补充。等材制造常用于制造各类毛坯，也可用于制造最终零件，如图2-0-1所示。本模块的教学目标和主要内容目标了解我国铸造、锻造、热处理的发展历史，增强民族自豪感和发展自信心。了解砂型铸造基础知识，熟悉铸造基本操作过程。掌握锻造成型和冲压成型的特点、工艺与用途。了解电弧焊和特种焊接的工艺特点与使用场所。掌握塑料成型工艺的类型、特点与用途。了解胶接成型与铆接成型的工艺要求与使用场所。内容本模块在概括地阐述等材制造、减材制造、增材制造三者概念的基础上，分别介绍了铸造成型工艺、锻造成型工艺、冲压成型工艺、焊接成型工艺、塑料成型工艺、胶接成型工艺、铆接成型工艺各自的特点与应用。项目1铸造成型根据《铸造术语》（GB/T5611-2017）的定义，铸造（casting或foundry）是通过熔炼金属、制造铸型、将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件毛坯的成型方法，俗称“翻砂”，是制造具有复杂结构零件（如机床床身、发动机气缸体、变速箱箱体等）的最灵活的成型工艺。铸型（mold或mould）是指用型砂或其他材料制成的能浇注形成铸件的组合体。被铸材料多为原为固态但加热至液态的金属（例如铸铁、铸钢、铜、铝、锡、铅等），而铸型的材料可以是砂、金属甚至陶瓷。铸造主要有砂型铸造和特种铸造两大类。任务1砂型铸造砂型铸造是指使用砂型生产铸件的铸造方法，如图2-1-1所示。砂型铸造工艺如图2-1-2所示，主要工序包括制造模样、制备造型材料、造型、制芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。1.造型材料制造铸型的材料称为造型材料，通常包括原砂、黏结剂、水及其他附加物（如煤粉、木屑、重油等）按一定比例混制而成。（1）黏土砂；（2）水玻璃砂；（3）树脂砂2.砂型铸造造型方法造型是指用型砂及模样等工艺装备制造铸型的过程。造型是砂型铸造最基本的工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。造型方法选择是否合理，对铸件质量和成本有着很大影响。（1）手工造型1）整模造型整模两箱造型简称整模造型，其造型过程如图2-1-5所示（图中铸件为齿轮毛坯），用一个整体木模造型，型腔全在一个砂箱里，分型面为平面，能避免错箱等缺陷，铸件形状精度和尺寸精度较高。模样制造和造型都较简单，多用于最大截面在端部、形状简单、外形轮廓上有一个平面可作为分型面的铸件生产。2）分模造型分模两箱造型简称分模造型，其造型过程如图2-1-6所示（图中铸件为套管）。这种造型方法简单，应用较广。分模造型时，若砂箱定位不准，夹持不牢，易产生错箱，影响铸件精度；铸件沿分型面还会产生披缝，影响铸件表面质量，清理也费时。3）挖砂造型当铸件的最大截面不在端部，且模样又不便分成两半时，常采用挖砂造型，其造型过程如图2-1-7所示（图中铸件为手轮）。4）活块造型当铸件侧面有局部凸起阻碍起模时，可将此凸起部分做成能与模样本体分开的活动块。起模时，先把模样主体起出，然后再取出活块，如图2-1-8所示为活块造型过程。5）刮板造型刮板造型是用与铸件断面形状相适应的刮板代替模样的造型方法。造型时，刮板绕固定轴回转从而刮出型腔，如图2-1-9所示。6）三箱造型前述各种造型方法都是使用两个砂箱，操作简便、应用广泛。但有些铸件如两端截面尺寸大于中间截断时，需要用三个砂箱，从两个方向分别起模。用三个砂箱制造铸型的过程称为三箱造型，图2-1-10所示为槽轮铸件的三箱造型过程。（2）机器造型随着现代化大生产的发展，机器造型在大批量生产中已基本取代了手工造型。一般将机器造型定义为机器完成造型过程中的全部工作或至少完成紧砂工作的造型过程。机器造型的实质是用机器代替手工紧砂和起模。造型机种类很多，如振压造型机、高压造型机、射砂造型机等。1）机器造型紧实砂型的方法。机器造型紧实砂型的方法很多，最常用的是振压紧实和压实紧实法等。振压紧实法如图2-1-11所示，砂箱放在带有模样的模板上，填满型砂后靠压缩空气的动力，使砂箱与模板一起振动而紧砂，再用压头压实型砂即可。2）起模方法。为了实现机械起模，机器造型所用的模样与底板连成一体，称为模板。模板上有定位销与砂箱精确定位。图2-1-13是顶箱起模的示意图。起模时，四个顶杆在起模液压缸的驱动下一起将砂箱顶起一定高度，从而使固定在模板上的模样与砂型脱离。3.铸造工艺设计铸造工艺是指生产铸件的技术和方法，包括铸件浇注位置和分型面位置，加工余量、收缩率和拔模斜度等工艺参数，型芯和芯头结构，浇注系统、冒口和冷铁的布置等。（1）铸件浇注位置的选择铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型内所处的空间位置。在选择浇注位置时应以保证铸件质量为主，一般注意以下几个原则。1）铸件的重要加工面应处于型腔底面或位于侧面。2）铸件的大平面应朝下。浇注过程中金属液对型腔上表面有强烈的热辐射，铸型因急剧热膨胀和强度下降易拱起开裂，从而形成夹砂缺陷。如图2-1-16所示，铸件的大平面应朝下。3）面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置，这样有利于金属的充填，可以有效防止铸件产生浇不足或冷隔等缺陷。4）对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安置冒口，使之实现自下而上的定向凝固。如前述之铸钢卷扬筒，浇注时厚端放在上部是合理的；反之，若厚端在下部，则难以补缩。（2）铸型分型面的选择原则1）为便于起模，分型面应尽量选在铸件的最大截面处，并力求采用平直面。2）应尽量使铸型只有一个分型面，以便采用工艺简便的两箱造型。3）尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱内，并使铸件的重要加工面、工作面、加工基准面及主要型芯位于下型内。4）铸件的非加工面上，尽量避免有披缝。（3）工艺参数的确定铸造工艺参数是指设计铸造工艺时需要确定的某些工艺数据。这些工艺数据一般与模样和芯盒尺寸有关，同时也与造型、制芯、下芯及合型的工艺过程有关。参数选择不当会影响铸件的精度、生产率和成本。常见的工艺参数有如下几项。1）收缩率。2）加工余量。3）最小铸出孔。4）起模斜度。5）铸造圆角。6）型芯头。（4）铸造工艺图的绘制：是在零件图上用规定红蓝符号标注铸造工艺内容的核心技术文件，绘制需遵循JB/T2435—2013行业标准。（5）铸造工艺设计的一般程序1）前期分析‌先梳理铸件质量要求、结构特点，结合生产批量选定造型方法，判断铸件缺陷倾向并确定凝固原则。2）核心要素标注‌明确浇注位置与分型面，标注加工余量、起模斜度、收缩率、铸造圆角等工艺参数，设计砂芯结构、芯头定位与排气方案。3）系统设计‌完成浇注系统、冒口、冷铁的形状尺寸与布置设计，标注砂箱定位、试块位置等辅助信息，确保所有标注不覆盖零件原有尺寸。4）规范出图‌砂型铸造用红蓝两色区分不同工艺要素，压铸工艺可扩展多色标识不同系统，最终形成可指导模样制作、造型生产和铸件验收的完整工艺文件。4.铸件结构工艺性以下所介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中，应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。（1）铸造工艺对铸件结构设计的要求铸件结构的设计应尽量使制模、造型、制芯、合型和清理等工序简化，提高生产率。1）铸件的外形必须力求简单、造型方便2）合理设计铸件内腔3）分型面尽量平直4）铸件要有结构斜度（2）合金铸造性能对铸件结构设计的要求1）合理设计铸件壁厚；2）壁厚应尽可能均匀；3）铸件壁的连接方式要合理；任务2特种铸造特种铸造是指与砂型铸造不同的其他铸造方法，常见的有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、连续铸造等。1.熔模铸造熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成形壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，经过焙烧后即可浇注液态金属获得铸件的铸造方法。由于熔模广泛采用蜡质材料来制造，故又称失蜡铸造或精密铸造。（1）熔模铸造的工艺过程1）压型制造。图2-1-40（b）中的压型是用来制造蜡模的专用模具，是用根据铸件的形状和尺寸制作的图2-1-40（a）中的母模来制造的。2）制造蜡模。如图2-1-40（c）和（d）所示。3）制造型壳。如图2-1-40（e）所示。4）熔化蜡模（脱蜡）。如图2-1-40（f）所示。5）型壳的焙烧。如图2-1-40（g）所示。6）浇注。如图2-1-40（h）所示。7）脱壳和清理。（2）熔模铸造的特点和应用1）熔模铸造的特点①由于铸型精密，没有分型面，型腔表面极光洁，故铸件精度高、表面质量好，是少、无切削加工工艺的重要方法之一，表面粗糙度为Ra6.3～1.6μm。②可制造形状复杂铸件，其最小壁厚可达0.3mm，最小铸出孔径为0.5mm。对由几个零件组合成的复杂部件，可用熔模铸造一次铸出。③铸造合金种类不受限制，用于高熔点和难切削合金。④生产批量基本不受限制，既可成批、大批量生产，又可单件、小批量生产。⑤工序繁杂，生产周期长，原辅材料费用比砂型铸造高，生产成本较高，铸件不宜太大、太长。2）熔模铸造的应用2.金属型铸造金属型铸造是将液体金属在重力作用下浇入金属铸型，以获得铸件的一种方法。（1）金属型的结构与材料根据分型面位置的不同，金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式三种结构，其中垂直分型式金属型开设浇注系统和取出铸件比较方便，易实现机械化，应用较广，如图2-1-41所示。图2-1-42所示为铸造铝合金活塞用的垂直分型式金属型，由两个半型组成，上面的大金属芯由三部分组成，便于从铸件中取出。（2）金属型的铸造工艺措施（3）金属型铸造的特点及应用范围3.压力铸造压力铸造（简称压铸）是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔，并在压力下成形和凝固而获得铸件的方法。常用的压射比压30MPa～150MPa，充型时间0.01s～0.2s。（1）压铸机和压铸工艺过程手动压铸机热室压铸机（2）压力铸造的特点及其应用1）压力铸造的特点压铸的优点有：①压铸件尺寸精度高，表面质量好。②可以压铸壁薄、形状复杂以及具有直径很小的孔和螺纹的铸件。③压铸件的强度和表面硬度较高。④生产率高，可实现半自动化及自动化生产。2）压力铸造的应用（右图为常见压铸件）4.低压铸造使液体金属在较低压力（0.02MPa～0.06MPa）作用下充填铸型，并在压力下结晶以形成铸件的方法。（1）低压铸造的工艺过程低压铸造的工作原理如图2-1-44所示。（2）低压铸造的特点及应用1）低压铸造的特点①可适用于各种不同铸型。②铸件的气孔、夹渣等缺陷少，提高了铸件的合格率。③铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高。④省去补缩冒口，金属利用率高。⑤劳动强度低，易实现机械化和自动化。2）低压铸造的应用（1）离心铸造的类型铸型采用金属型或砂型。离心铸造机通常可分为立式和卧式两大类。铸型绕水平轴旋转的称为卧式离心铸造，如图2-1-45（a）所示，适合浇注长径比较大的各种管件；铸型绕垂直轴旋转的称为立式离心铸造，如图2-1-45（b）所示，适合浇注各种盘、环类铸件。5.离心铸造离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力作用下充填铸型并凝固成形的一种铸造方法。（2）离心铸造的特点及应用范围1）离心铸造的特点离心铸造的优点有：①液体金属能在铸型中形成中空的自由表面，不用型芯即可铸出中空铸件。②一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产。③产生缩孔、缩松、气孔和夹杂等缺陷的几率较小。④无浇注系统和冒口，节约金属。⑤可进行双金属铸造，可节约贵重材料。离心铸造的缺点有：①内孔的尺寸不精确，质量也较差。②铸件易产生成分偏析和密度偏析。2）离心铸造的应用2026年6月22日请指正《工程材料及成型》课程导论模块一

|

工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

|

增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块二等材制造1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1铸造成型3项目2锻压成型4项目3焊接成型项目5

胶接与铆接成型8【延伸学习】9【课后习题】5项目4

塑料成型67【内容小结】【学习导览】材料成型工艺分为三种大类：等材制造、减材制造、增材制造。其中等材制造属受迫成型，通过施加力受迫成型得到想要的形状，如铸造、锻造、弯曲、注塑、粉末冶金等；减材制造属定向去除，通过选择性地去除材料得到想要的形状，如车削、铣削、刨削、磨削、钻削及各种切割等；增材制造属堆积成型，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三者各有优势，也各有不足，互为补充。等材制造常用于制造各类毛坯，也可用于制造最终零件，如图2-0-1所示。本模块的教学目标和主要内容目标了解我国铸造、锻造、热处理的发展历史，增强民族自豪感和发展自信心。了解砂型铸造基础知识，熟悉铸造基本操作过程。掌握锻造成型和冲压成型的特点、工艺与用途。了解电弧焊和特种焊接的工艺特点与使用场所。掌握塑料成型工艺的类型、特点与用途。了解胶接成型与铆接成型的工艺要求与使用场所。内容本模块在概括地阐述等材制造、减材制造、增材制造三者概念的基础上，分别介绍了铸造成型工艺、锻造成型工艺、冲压成型工艺、焊接成型工艺、塑料成型工艺、胶接成型工艺、铆接成型工艺各自的特点与应用。项目2锻压成型锻造成型和冲压成型合称为锻压成型，是利用锻压机械的锤头、砥铁、冲头或通过模具对坯料施加压力，使之产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制件的成型加工方法，如自由锻、模锻、板料冲压、挤压、轧制、拉拔等（如图2-2-1）。锻压成型与其他成型方法相比，具有以下特点。①能改善金属的组织、提高力学性能。②锻压所用的金属材料应具有良好的塑性，以便在外力作用下，能产生塑性变形而不破裂。③不适合成形形状较复杂的零件。④材料的利用率高。⑤较高的生产率。⑥毛坯或零件的精度较高。任务1锻造成型1.锻压加工工艺基础金属材料经过锻压加工之后，由于产生了塑性变形，其内部组织发生很大变化，使金属的性能得到改善和提高，为锻压方法的广泛使用奠定了基础。因此只有较好地掌握塑性变形的实质、规律和影响因素，才能正确选用锻压加工方法，合理设计锻压加工零件。（1）金属的锻造性能金属的锻造性能取决于材料的性质（内因）和加工条件（外因）。1）材料性质的影响①材料的化学成分；②材料的金属组织2）加工条件的影响金属的加工条件一般指金属的变形温度、变形速度和变形方式等。①材料的变形温度；②材料的变形速度；③材料的应力状态（2）锻造比及流线组织（3）金属的塑性变形规律锻压加工是利用金属的塑性变形而进行的，只有掌握其变形规律，才能合理制订工艺规程，达到预期的变形效果。金属塑性变形时遵循的基本规律主要有最小阻力定律和体积不变规律等。1）最小阻力定律2）塑性变形时的体积不变规律2.常用锻造方法锻造是毛坯成形的重要手段，尤其在工作条件复杂、力学性能要求高的重要结构零件的制造中，具有重要的地位。锻造是使加热好的金属坯料，在外力的作用下，发生塑性变形，通过控制金属的流动，使其成形为所需形状、尺寸和组织的方法。根据变形时金属流动的特点不同，分为自由锻和模锻两大类型。（1）自由锻自由锻分为手工锻造和机器锻造两种，手工锻造只适合单件生产小型锻件，机器锻造则是自由锻的主要生产方法。自由锻所用设备根据其对坯料施加外力的性质不同分为锻锤和液压机两大类。锻锤包括空气锤（图2-2-8）、机械锤等，是依靠产生的冲击力使金属坯料变形，但由于能力有限，故只用来锻造中、小型锻件。液压机（图2-2-9）是依靠产生的压力使金属坯料变形。其中，水压机可产生很大的作用力，能锻造质量达300t的锻件，是重型机械厂锻造生产的主要设备。1）自由锻的特点及应用①自由锻工艺灵活，工具简单，设备和工具的通用性强，成本低。②应用范围较为广泛，可锻造的锻件质量由不及1kg到300t。在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一成形方法。③锻件精度较低，加工余量较大，生产率低。故一般只适合于单件小批量生产。自由锻也是锻制大型锻件的唯一方法。2）自由锻的工序自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。3）自由锻的工艺规程工艺规程是组织生产过程、控制和检查产品质量的依据。4）自由锻件的结构工艺性（2）模锻模锻是将加热后的金属坯料，在冲击力或压力作用下，迫使其在锻模模膛内变形，从而获得锻件的工艺方法。模锻按使用的设备不同分为：锤上模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、胎模锻等。1）与自由锻相比模锻的特点及应用①锻件形状可以比较复杂，用模膛控制金属的流动，可生产较复杂锻件（图2-2-11）。②力学性能高，模锻使锻件内部的锻造流线比较完整。③锻件质量较高，表面光洁，尺寸精度高，节约材料与机加工工时。④生产率较高，操作简单，易于实现机械化，批量越大成本越低。⑤设备及模具费用高，设备吨位大，锻模加工工艺复杂，制造周期长。⑥模锻件不能太大，一般不超过150kg。2）锤上模锻（3）胎模锻胎模锻是在自由锤锻或压力机上安装一定形状的模具（胎模）进行模锻件加工的方法。胎模锻是为了适应中小批量锻件生产而发展起来的一种锻造工艺，兼具有模锻和自由锻的特点。（4）其他设备模锻任务2冲压成型冲压成型是指靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的加工成型方法，冲压成型所用的压力机、模具与冲压件如图2-2-29。1.板料冲压特点及应用板料冲压与其他加工方法相比具有以下特点：①板料冲压所用原材料必须有足够的塑性，如低碳钢、高塑性的合金钢、不锈钢、铜、铝、镁及其合金等。②冲压件尺寸精度高，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不需进行机械加工，可直接装配使用。③可加工形状复杂的薄壁零件。④生产率高，操作简便，成本低，工艺过程易实现机械化和自功化。⑤可利用塑性变形的加工硬化提高零件的力学性能，在材料消耗少的情况下获得强度高、刚度大、质量好的零件。2.冲压工序分类根据材料的变形特点可将冲压成型工序分为分离工序和成型工序两大类。分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压件的工序，如落料、冲孔、切断、切边、剖切等。成型工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序，如拉深、翻边、胀形、扩口、缩口、旋压、弯曲、卷圆、扭曲、整形等。3.冲裁冲裁是使坯料沿封闭轮廓分离的工序，包括落料和冲孔（图2-2-31）。落料时，冲落的部分为成品，而余料为废料；冲孔是为了获得带孔的冲裁件，而冲落部分是废料。（1）变形与断裂过程冲裁使板料变形与分离的过程如图2-2-32所示，包括3个阶段。（2）凸凹模间隙凸凹模间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量，也影响着模具使用寿命等。（3）刃口尺寸的确定凸模和凹模刃口的尺寸取决于冲裁件尺寸和冲模间隙。（4）修整修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属，以切掉冲裁件上的剪裂带和毛刺。分为外缘修整和内孔修整，如图2-2-34所示。4.拉深拉深是指利用模具，将冲裁后得到的一定形状平板毛坯冲压成各种开口空心零件或将开口空心毛坯减小直径，增大高度的一种机械加工工艺（如图2-2-35），也称拉延、压延等。5.弯曲弯曲是利用模具或其他工具将坯料一部分相对另一部分弯曲成一定的角度和圆弧的变形工序。弯曲过程及典型弯曲件如图2-2-39所示。6.成形使板料毛坯或制件产生局部拉伸或压缩变形来改变其形状的冲压工艺统称为成形工艺，主要包括翻边、胀形、起伏等。成形工艺应用广泛，既可以与冲裁、弯曲、拉深等工艺相结合，制成形状复杂、强度高、刚性好的制件，又可以被单独采用，制成形状特异的制件。（1）翻边翻边是将内孔或外缘翻成竖直边缘的冲压工序。内孔翻边在生产中应用广泛，翻边过程如图2-2-41所示。（2）胀形胀形是利用局部变形使半成品部分内径胀大的冲压成形工艺，可以采用橡皮胀形、机械胀形、气体胀形或液压胀形等。（3）起伏起伏是利用局部变形使坯料压制出各种形状的凸起或凹陷的冲压工艺，主要应用于薄板零件上制出筋条、文字、花纹等。7.板料冲压件的结构工艺性在设计板料冲压件时，不仅应使其具有良好的使用性能，而且必须考虑冲压加工的工艺特点。影响冲压件工艺性的主要因素有冲压件的几何形状、尺寸以及精度要求等。（1）冲压件的形状（2）冲压件的尺寸（3）冲压件的精度和表面质量2026年6月22日请指正《工程材料及成型》课程导论模块一

|

工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

|

增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块二等材制造1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1铸造成型3项目2锻压成型4项目3焊接成型项目5

胶接与铆接成型8【延伸学习】9【课后习题】5项目4

塑料成型67【内容小结】【学习导览】材料成型工艺分为三种大类：等材制造、减材制造、增材制造。其中等材制造属受迫成型，通过施加力受迫成型得到想要的形状，如铸造、锻造、弯曲、注塑、粉末冶金等；减材制造属定向去除，通过选择性地去除材料得到想要的形状，如车削、铣削、刨削、磨削、钻削及各种切割等；增材制造属堆积成型，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三者各有优势，也各有不足，互为补充。等材制造常用于制造各类毛坯，也可用于制造最终零件，如图2-0-1所示。本模块的教学目标和主要内容目标了解我国铸造、锻造、热处理的发展历史，增强民族自豪感和发展自信心。了解砂型铸造基础知识，熟悉铸造基本操作过程。掌握锻造成型和冲压成型的特点、工艺与用途。了解电弧焊和特种焊接的工艺特点与使用场所。掌握塑料成型工艺的类型、特点与用途。了解胶接成型与铆接成型的工艺要求与使用场所。内容本模块在概括地阐述等材制造、减材制造、增材制造三者概念的基础上，分别介绍了铸造成型工艺、锻造成型工艺、冲压成型工艺、焊接成型工艺、塑料成型工艺、胶接成型工艺、铆接成型工艺各自的特点与应用。项目3焊接成型焊接，也称作熔接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接的种类很多（图2-3-1），通常按照焊接过程的特点分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类：①熔化焊。②压力焊。③钎焊。任务1电弧焊1.焊接理论基础熔化焊的焊接过程是利用热源（如电弧热、气体火焰热、高能粒子束等）先将工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后，随着热源向前移动，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。熔化焊的过程包含有加热、冶金和结晶过程，在这些过程中，会产生一系列变化，对焊接质量有较大的影响，如焊缝成分变化、焊接接头组织和性能变化以及焊接应力与变形的产生等等。（1）熔焊冶金过程1）焊接熔池的冶金特点2）对熔池的保护和冶金处理（2）焊接接头组织和性能熔焊是焊件局部经历加热和冷却的热过程。在焊接热源的作用下，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。焊缝及附近的母材所经历的焊接热循环是不相同的，因此，引起的组织和性能的变化也不相同。熔焊的焊接接头由焊缝和热影响区组成。1）焊缝的组织与性能2）热影响区的组织与性能3）影响焊接接头性能的主要因素（3）焊接应力与变形构件焊接以后，内部会产生残余应力，同时产生焊接变形。焊接应力与外加载荷叠加，造成局部应力过高，则构件产生新的变形或开裂，甚至导致构件失效。因此，在设计和制造焊接结构时，必须设法减小焊接应力，防止过量变形。1）应力与变形的形成2）减少或消除应力的措施可以从设计和工艺两方面综合考虑来降低焊接应力。在设计焊接结构时，应采用刚性较小的接头形式，尽量减少焊缝数量和截面尺寸，避免焊缝集中等。3）变形的预防与矫正焊接变形对结构生产的影响一般比焊接应力要大些。在实际焊接结构中，要尽量减少变形。2.常用电弧焊接方法常用的电弧焊有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊等。（1）手工电弧焊（2）埋弧自动焊手工电弧焊的生产率低、对工人操作技术要求高，工作条件差，焊接质量不易保证，而且质量不稳定。埋弧自动焊（简称埋弧焊）是电弧在焊剂层内燃烧进行焊接的方法，电弧的引燃、焊丝的送进和电弧沿焊缝的移动，是由设备自动完成的。（3）气体保护焊气体保护电弧焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。按照保护气体的不同，气体保护焊分为两类：使用惰性气体作为保护的称惰性气体保护焊，包括氩弧焊、氦弧焊、混合气体保护焊等；使用CO2气体作为保护的气体保护焊，简称CO2焊。任务2压力焊压力焊是在焊接的过程中需要加压的一类焊接方法，简称压焊，主要包括电阻焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊和冷压焊等，本书主要介绍电阻焊和摩擦焊。1.电阻焊电阻焊是将焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过焊件及其接触处所产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力下形成焊接接头的焊接力法。按工件接头形式和电极形状不同，电阻焊分为点焊、缝焊和对焊三种形式。（1）点焊（2）缝焊缝焊过程与点焊相似，只是用旋转的圆盘状滚动电极代替柱状电极，焊接时，盘状电极压紧焊件并转动（也带动焊件向前移动），配合断续通电，即形成连续重叠的焊点。因此称为缝焊，如图2-3-21所示。（3）对焊对焊是利用电阻热使两个工件整个接触面焊接起来的一种方法，可分为电阻对焊和闪光对焊。焊件配成对接接头形式，如图2-3-22所示。对焊主要用于刀具、管子、钢筋、钢轨、锚链、链条等的焊接。2.摩擦焊摩擦焊是利用工件间相互摩擦产生的热量，同时加压而进行焊接的方法。图2-3-24是摩擦焊示意图。先将两焊件夹在焊机上，加一定压力使焊件紧密接触，然后一个焊件作旋转运动，另一个焊件向其靠拢，使焊件接触摩擦产生热量，待工件端面被加热到高温塑性状态时，立即使焊件停止旋转，同时对端面加大压力使两焊件产生塑性变形而焊接起来。任务3钎焊钎焊是利用熔点比焊件低的钎料作为填充金属，加热时钎料熔化而母材不熔化，利用液态钎料浸润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散而将焊件连结起来的焊接方法。钎焊接头的承载能力很大程度上取决于钎料，根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊与软钎焊两类。1.硬钎焊；2.软钎焊；3.钎焊的特点软钎焊任务4常用金属材料的焊接1.低碳钢的焊接低碳钢的含碳量小于0.25%，碳当量数值小于0.40%，所以这类钢的焊接性能良好，焊接时—般不需要采取特殊的工艺措施，用各种焊接方法都能获得优质焊接接头。只有厚大结构件在低温下焊接时，才应考虑焊前预热，如板厚大于50mm、温度低于0℃时，应预热到100℃～150℃。2.中高碳钢的焊接由于中碳钢含碳量增加（0.25%～0.6%），碳当量数值大于0.40%，中碳钢焊接时，热影响区组织淬硬倾向增大，较易出现裂纹和气孔，为此要采取一定的工艺措施。3.低合金结构钢的焊接焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢，又称低合金高强钢，主要用于建筑结构和工程结构，如压力容器、锅炉、桥梁、船舶、车辆和起重机械等。（1）低合金结构钢焊接特点（2）低合金结构钢焊接工艺措施4.不锈钢的焊接奥氏体型不锈钢如0Cr18Ni9等，虽然Cr、Ni元素含量较高，但C含量低，焊接性良好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施，因此它在不锈钢焊接中应用最广。5.铸铁的焊接铸铁中C、Si、Mn、S、P含量比碳钢高，组织不均匀，塑性很低，属于焊接性很差的材料，因此不能用铸铁设计和制造焊接构件。但铸铁件常出现铸造缺陷，铸铁零件在使用过程中有时会发生局部损坏或断裂，用焊接手段将其修复有很大的经济效益。所以，铸铁的焊接主要是焊补工作。（1）铸铁的焊接特点（2）铸铁焊补方法按焊前预热温度，铸铁的焊补可分为热焊法和冷焊法两大类。6.非铁金属的焊接常用的非铁金属有铝、铜、钛及其合金等。由于非铁金属具有许多特殊性能，在工业中应用越来越广，其焊接技术也越来越受到重视。（1）铝及铝合金的焊接（2）铜及铜合金的焊接（3）钛及钛合金的焊接任务5特种焊接随着现代工业技术的发展，如原子能、航空、航天等技术的发展，需要焊接一些新的材料和结构，对焊接技术提出了更高的要求，于是出现了一些新的特种焊接工艺，如等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、真空扩散焊等。1.等离子弧焊接与切割普通电弧焊中的电弧，不受外界约束，称为自由电弧，电弧区内的气体尚未完全电离，能量也未高度集中起来。等离子弧是经过压缩的高能量密度的电弧，它具有高温（可达24000K～50000K）、高速（可数倍于声速）、高能量密度（可达105W/cm2～106W/cm2）的特点。（1）等离子弧的产生；（2）等离子弧焊接；（3）等离子弧切割2.电子束焊接电子束焊是利用高速、集中的电子束轰击焊件表面所产生的热量进行焊接的一种熔焊方法。电子束焊可分为：高真空型、低真空型和非真空型等。真空电子束焊接如图2-3-29所示。电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。3.激光焊接激光是一种亮度高、方向性强、单色性好的光束。激光束经聚焦后能量密度可达106W/cm2～1012W/cm2，可用作焊接热源。在焊接中应用的激光器有固体及气体介质两种。固体激光器常用的激光材料是红宝石、钕玻璃或掺钕钇铝石榴石，气体激光器则使用二氧化碳。激光焊接的原理如图2-3-30所示，利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统可聚焦到十分微小的焦点（光斑）上，其能量密度很高。当调焦到焊件接缝时，光能转换为热能，使金属熔化形成焊接接头。根据激光器的工作方式，激光焊接可分为脉冲激光点焊和连续激光焊接两种。目前脉冲激光点焊已得到广泛应用。激光焊接具有如下特点。①激光辐射的能量释放极其迅速，不仅提高了生产率，而且被焊材料不易氧化。不需要气体保护或真空环境。②激光焊接的能量密度很高，热量集中，所以焊接热影响区极小，焊件不变形，特别适用于热敏感材料的焊接。③激光束可用反射镜、偏转棱镜或光导纤维将其在任何方向上弯曲、聚焦或引导到难以接近的部位。④激光可对绝缘材料直接焊接，易焊接异种金属材料。但激光焊接的设备复杂，投资大，功率较小。图2-3-30激光焊接示意图4.扩散焊接扩散焊是在真空或保护性气氛下，使焊接表面在一定温度和压力下相互接触，通过微观塑性变形或连接表面产生微量液相而扩大物理接触，经较长时间的原子扩散，使焊接区的成分、组织均匀化，实现完全冶金结合的一种压焊方法。扩散焊的加热方法常采用感应加热或电阻辐射加热，加压系统常采用液压，小型扩散焊机也可采用机械加压方式。扩散焊具有以下特点。①焊接时母材不过热或熔化，焊缝成分、组织、性能与母材接近或相同，不出现有过热组织的热影响区、裂纹和气孔等缺陷，焊接质量好且稳定。②可进行结构复杂以及厚度相差很大的焊件焊接。③可以焊接不同类型的材料，包括异种金属、金属与陶瓷等。④劳动条件好，容易实现焊接过程的程序化。⑤扩散焊的主要缺点是焊接时间长，生产率低，焊前对焊件加工和装配要求高，设备投资大，焊件尺寸受焊机真空室的限制。扩散焊在核能、航空航天、电子和机械制造等工业部门中应用广泛，如焊接水冷反应堆燃料元件、发动机的喷管和蜂窝壁板、电真空器件、镍基高温合金泵轮等。2026年6月22日请指正《工程材料及成型》课程导论模块一

|

工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

|

增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块二等材制造1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1铸造成型3项目2锻压成型4项目3焊接成型项目5

胶接与铆接成型8【延伸学习】9【课后习题】5项目4

塑料成型67【内容小结】【学习导览】材料成型工艺分为三种大类：等材制造、减材制造、增材制造。其中等材制造属受迫成型，通过施加力受迫成型得到想要的形状，如铸造、锻造、弯曲、注塑、粉末冶金等；减材制造属定向去除，通过选择性地去除材料得到想要的形状，如车削、铣削、刨削、磨削、钻削及各种切割等；增材制造属堆积成型，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三者各有优势，也各有不足，互为补充。等材制造常用于制造各类毛坯，也可用于制造最终零件，如图2-0-1所示。本模块的教学目标和主要内容目标了解我国铸造、锻造、热处理的发展历史，增强民族自豪感和发展自信心。了解砂型铸造基础知识，熟悉铸造基本操作过程。掌握锻造成型和冲压成型的特点、工艺与用途。了解电弧焊和特种焊接的工艺特点与使用场所。掌握塑料成型工艺的类型、特点与用途。了解胶接成型与铆接成型的工艺要求与使用场所。内容本模块在概括地阐述等材制造、减材制造、增材制造三者概念的基础上，分别介绍了铸造成型工艺、锻造成型工艺、冲压成型工艺、焊接成型工艺、塑料成型工艺、胶接成型工艺、铆接成型工艺各自的特点与应用。项目4塑料成型塑料成型是将各种形态（粉料、粒料、溶液和分散体）的塑料制成所需形状的制品或坯件的过程，塑料成型的工艺方法多达30余种，如注射成型、挤出成型、压制成型、吹塑成型和吸塑成型等。注塑成型模具及塑料制品吹塑成型模具及制品任务1注射成型注射成型是指塑料在注塑机加热料筒中塑化后，由柱塞或往复螺杆注射到闭合模具的模腔中形成制品的塑料加工方法。注射成型主要应用于热塑性塑料和流动性较大的热固性塑料，可以成型几何形状复杂、尺寸精确及带各种嵌件的塑料制品，如电视机外壳、日常生活用品、汽车保险杠等。目前注射制品约占塑料制品总量的30％。近年来新的注射技术如反应注射、双色注射、发泡注射等的发展和应用，为注射成型提供了更加广阔的应用前景。1.注射成型原理注塑成型工艺过程包括成型前的准备、注射过程、后处理等。塑料成型原理如图2-4-1所示，成型过程主要包括以下5个步骤：（1）塑化；（2）充填；（3）保压；（4）冷却；（5）顶出。2.注塑机注塑机又名注射成型机或注射机，是将热塑性塑料或热固性塑料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备，如图2-4-2所示。3.注射成型工艺条件注射成型工艺条件主要包括影响塑化流动和冷却的温度，塑化压力和注射压力以及相应的成型周期时间。（1）温度控制（2）压力控制（3）成型周期4.常见的注塑件注塑成型工艺在电气、汽车、家电、消费品等很多领域得到了广泛运用，图2-4-4为常见的注塑件。任务2挤出成型挤出成型在塑料加工中又称为挤塑，是指物料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。1.挤出成型原理挤出成型过程如图2-4-5所示。首先将粒状或粉状的塑料加入到挤出机（与注射机相似）料斗中，然后由旋转的挤出机螺杆送到加热区，逐渐熔融呈粘流态，然后在挤压系统作用下，塑料熔体通过具有一定形状的挤出模具（机头）口模而成形为所需断面形状的连续型材。挤出成型工艺过程包括物料的干燥、成形、制品的成形与冷却、制品的牵引与卷曲（或切割），有时还包括制品的后处理等。图2-4-5挤出成型示意图挤出成型动画2.挤出机挤出机（图2-4-6）是挤出成型的主要设备，分为为双螺杆挤出机、单螺杆挤出机以及不常见的无螺杆挤出机，最通用的是单螺杆挤出机。挤出机主要由主机挤出系统、辅机、控制系统组成，包括传动系统、加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等。依据机头料流方向以及螺杆中心线的夹角，可以将机头分成直角机头和斜角机头等。3.常见的挤出塑件挤塑成型一般用于加工各类塑料型材，如图2-4-7所示。任务3吹塑成型吹塑成型又称中空成型、吹气成型，是利用气体压力使闭合于模具中的热塑性塑料吹胀成中空制品的成型工艺。1.吹塑成型原理吹塑成型是塑料的一种二次成型技术。塑料的二次成型是指在一定条件下将塑料半制品（如型材或坯件等）通过再次成型加工，以获得制品最终形样的技术。目前生产上常采用的二次成型技术有中空吹塑成型、热成型和薄膜的双向拉伸成型等几种。图2-4-8所示为注射吹塑成型过程。2.吹塑机吹塑机（图2-4-9）是吹塑成型的关键设备，可分为挤出吹塑机、注射吹塑机和特殊结构吹塑机三大类，拉伸吹塑机可归属于上述每一类中。3.常见的吹塑件吹塑成型广泛应用于玩具行业、日用品行业、化工行业、化妆品行业、食品行业等。用于吹塑成型的热塑性塑料品种很多，最常用的原料是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和热塑性聚酯等。常见的吹塑件有矿泉水瓶、茶壶、水桶、油罐、工具箱、管道建材、汽车导管、软管、货柜箱、油库设备、体育场馆座椅等，如图2-4-11所示。任务4吸塑成型吸塑成型又称真空成型，简称为吸塑，是一种常见的塑料成型工艺。1.吸塑成型原理吸塑成型是将热塑性塑料板材、片材固定在模具上，用辐射加热器进行加热使之达到软化温度，然后用真空泵把模具与板（片）材之间的空气抽去，使板（片）材型坯按模具轮廓成型的工艺。随着真空度的提高，型坯下方的成型压力只有0.06-0.085MPa，而型坯上方的空气压力仍保持在0.1MPa左右，从而使板（片）材被吸附在模具表面上。冷却定型后用压缩空气将制品从模具中吹出而脱模。真空成型所加工的材料为薄片状的聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯等。吸塑成型方法主要有凹模吸塑成型、凸模吸塑成型、凹凸模先后抽真空吸塑成型、吹泡吸塑成型、辅助凸模吸塑成型和带有气体缓冲装置的吸塑成型等方法。2.吸塑机吸塑机（图2-4-13）是将加热塑化的PVC、PE、PP、PET、HIPS等热塑性塑料板（片）材吸制成各种形状的塑件的机器。利用真空泵产生的真空吸力，将加热软化后的塑料板（片）材经过模具吸塑成各种形状的真空罩、吸塑托盘、泡壳等。3.常见的吸塑件吸塑成型广泛用于家电、汽车、化妆品、灯饰、广告、装饰等行业，常见的吸塑件如图2-4-14所示。2026年6月22日请指正《工程材料及成型》课程导论模块一

|

工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

|

增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块二等材制造1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1铸造成型3项目2锻压成型4项目3焊接成型项目5

胶接与铆接成型8【延伸学习】9【课后习题】5项目4

塑料成型67【内容小结】【学习导览】材料成型工艺分为三种大类：等材制造、减材制造、增材制造。其中等材制造属受迫成型，通过施加力受迫成型得到想要的形状，如铸造、锻造、弯曲、注塑、粉末冶金等；减材制造属定向去除，通过选择性地去除材料得到想要的形状，如车削、铣削、刨削、磨削、钻削及各种切割等；增材制造属堆积成型，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三者各有优势，也各有不足，互为补充。等材制造常用于制造各类毛坯，也可用于制造最终零件，如图2-0-1所示。本模块的教学目标和主要内容目标了解我国铸造、锻造、热处理的发展历史，增强民族自豪感和发展自信心。了解砂型铸造基础知识，熟悉铸造基本操作过程。掌握锻造成型和冲压成型的特点、工艺与用途。了解电弧焊和特种焊接的工艺特点与使用场所。掌握塑料成型工艺的类型、特点与用途。了解胶接成型与铆接成型的工艺要求与使用场所。内容本模块在概括地阐述等材制造、减材制造、增材制造三者概念的基础上，分别介绍了铸造成型工艺、锻造成型工艺、冲压成型工艺、焊接成型工艺、塑料成型工艺、胶接成型工艺、铆接成型工艺各自的特点与应用。项目5胶接与铆接成型将多种材料通过一定的工艺连接在一起形成新的毛坯或零件，一般都属于增材制造的范畴，除了前述的焊接外，还包括胶接、铆接等成型工艺。胶接铆接任务1胶接成型胶接是利用胶粘剂在连接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件联接起来的工艺方法，是一种不可拆连接工艺。胶接不仅适用于同种材料，也适用于异种材料。胶接工艺简便，不需要复杂的工艺设备，胶接操作不必在高温高压下进行，因而胶接件不易产生变形，接头应力分布均匀。在通常情况下，胶接接头具有良好的密封性、电绝缘性和耐腐蚀性。1.胶接的特点与应用（1）胶接的特点胶接工艺具有明显的优点：①能连接同类或不同类的、软的或硬的、脆性的或韧性的各种材料，特别是能实现异种材料的连接，如金属与玻璃、陶瓷、橡胶、织物、塑料之间的连接。②应力分布均匀，能延长结构寿命。③可减轻结构重量。④制造成本低。⑤胶接件表面光滑，并能防腐蚀。⑥胶接可以获得某些特殊性能。同时胶接工艺也存在不少缺点：①大多数胶接件在湿热、冷热交变、冲击或复杂环境下的工作寿命不够高。②有机胶粘剂构成的胶接接头耐热性较差，老化是一个比较普遍的问题。③胶接件有较高的剪切强度、拉伸强度，但剥离强度很低。④胶接质量目前尚无可靠的无损检测方法。⑤使用有机胶粘剂尤其是溶剂型胶粘剂，存在易燃、有毒等安全问题。（2）胶接的应用①在极薄材料、极硬材料、特种复合材料和夹层结构材料等连接加工中，胶接技术发挥了无法替代的作用。②航空工业使用胶粘剂最早，代替铆、螺钉连接、焊接，减轻结构重量。③在汽车工业上主要用于顶篷、壁板、挡板、衬垫等合成材料的胶接以及油水箱、气缸、门窗、管路螺栓的