材料加工成形技术方法及新进展.ppt

1、材料加工成形技术方法与新发展,报告人： 樊自田,1、材料的分类及其成形加工方法 2、材料加工成形新方法 3、“材料加工工程”学科研究的基本要求,内容提要,1、材料的分类及其成形加工方法,町田辉史等，将材料技术进步，概括为5次革命：,1.1 材料种类及其成形方法概述,(1)材料的定义 材料（materials）一般是指可以用来制造有用的构件、器件或其他物品的物质。 (2)材料的分类 1) 根据化学组成和显微结构特点分类： 金属材料（metal materials）、 无机非金属材料（inorganic non-metallic materials）、 有机高分子材料（polymeric mate

2、rials） 上述三种材料都有：天然材料和人造材料两种 复合材料 （复合材料是由前三者相互构成的 ）,材料分类框图：,三种材料细分为：,金属材料：钢铁、铜合金、铝合金、镁合金等； 有机高分子材料：塑料、树脂、橡胶等； 无机非金属材料：除金属材料、高分子材料以外的所有材料。主要有：陶瓷、玻璃、胶凝材料（水泥、石灰和石膏等）、混凝土、耐火材料、天然矿物材料等 。,复合材料：由两个或两个以上独立的物理相，包括粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物。,复合材料的组成分为两大部分：基体与增强材料。基体是构成复合材料连续相的单一材料，增强材料是复合材料中不构成连续相的材料。 复合材料根

3、据其基体材料的不同，又可分为：聚合物基复合材料（如树脂基复合材料）、金属基复合材料、无机非金属基复合材料（陶瓷基复合材料）三种。 在复合材料中：以树脂基复合材料用量最大，占所有复合材料用量的90% 。,2）材料的其它分类：,根据性能特征分类 结构材料（structure materials）、功能材料（function materials）。 前者以力学性能为主，后者以物理、化学特性为主。 根据用途分类 建筑材料（building materials）、航空材料（aviation materials）、电子材料（electronic materials）、半导体材料（semiconductor

4、 materials） 根据状态分类 固体材料(solid materials)、液体材料(liquid materials)、粉末材料(powder materials),（3）材料的成形方法分类 1）金属材料的加工成形：,2）无机非金属材料的精确成形,陶瓷精确成形（塑性滚压成形法、注浆成形法、粉料压力成形法和特种成形法四种） 玻璃精确成形（吹制法、拉制法、压制法和吹-压制法四种）,瓶罐玻璃的成形- “吹吹法”成形,3）高分子材料的精确成形,（2）根据材料被加工时所处的状态分类,1）液体材料成形（铸造、焊接） 2）固体（板、块）材料成形（锻造、冲压） 3）半固态成形（半固态铸造（流变和触变）

5、、液态模锻 4）粉末材料成形（注射成形、喷射成形、粉末冶金）,1.2 材料加工成形的作用、特点及精确成形技术,（1）作用: 1).材料加工技术（Materials Processing Technology）通常是指铸造、连接、塑性加工、粉末冶金等单元或复合技术的总称（热加工），此外还有机械切削加工（冷加工） 。几乎所有的材料都要进行加工后才能进行使用，不经加工的材料直接利用很少。 2).采用铸造方法可以生产各种类和大小的金属零件。铸件在一般机器生产中占总质量的4080%。 3).采用塑性成形方法，可以生产钢锻件、钢板冲压件、各类有色金属的锻件和板冲压件，还可生产塑料件与橡胶制品。在仪表和家用

6、电器中,塑性成形占90% . 4).焊接成形技术的应用也极为广泛，它在钢铁、汽车和铁路车辆、船舶、航空航天飞行器，原子能反应堆及电站、石油化工设备等制造行业,焊接或连接成形技术都占十分重要的地位。,（2）特点与机械切削加工比较，材料成形加工有如下特点：,1）通常，材料在热态下通过模具或模型而成形。 2）材料利用率高。以生产锥齿轮为例，切削加工的材料利用率为41%，采用铸、锻成形的材料利用率为68%，采用精铸或精锻的材料利用率为83%，材料利用率分别提高了27%和42%。通常零件越复杂、采用成形加工的材料利用率越高。 3）劳动生产率高。可实现机械化自动化生产。 4）产品尺寸规格的一致性好。 5）

7、产品性能好。由成形产生的金属纤维属连续性，其强度和疲劳寿命提高，而切削加工会破坏连续性金属纤维，降低强度和疲劳寿命约20%。 6）但通常，成形加工零件的尺寸精度较切削加工低、表面粗糙度较切削加工高。,（3）精确成形,精确成形是相对于原来的成形毛坯的概念而提出的。精确成形是指被形成的零件无需进行精加工而直接使用，“精确成形（Net Shape Processing）”有时又称为“近净成形（Near Net Shape Processing）”或近精确成形。 目前完全的不需精加工还很难达到，只能是接近达到。材料加工中精确成形技术的目标是，实现少机械切削加工或无切削加工。 因此，精确成形技术是材料加

8、工（热加工与冷加工）的基础和发展的趋势。在国民经济发展中具有重要作用。 目前精确成形包括：塑料注射成形；压力铸造成形、精密溶模铸造、低压铸造、高紧实度砂型铸造；精密锻造、精密冲压；粉末冶金；精密连接等。,1.3从“夕阳工业”到“先进制造技术”,a.材料的成分与结构、 b.材料的性质、 c.材料的制备与加工、 d.材料的使用性能， 被认为是现代材料科学与工程 的四个基本要素。 材料的制备与加工技术的研究 与开发，也是目前材料科学技 术中最活跃的领域之一。,图1-4材料科学与工程的四个基本要素,（1）问题的缘起,以现代计算机技术为代表的高新技术出现后，传统的金属材料加工业（尤其是钢铁产业等）或制造

9、业似乎穷途末路、成为了“夕阳工业”。 20世纪七、八十年代，美国由于片面地强调发展第三产业的重要性，而忽视制造业对国民经济健康发展的保障作用，逐步丧失了其制造业世界霸主的地位，美国汽车在国际市场上的竞争力日渐下降，日本、西德汽车工业快速崛起。 八十年代中期后，美国政府及科学家(MIT)总结汽车工业竞争力下降的原因，提出了一系列先进制造技术（Advanced Manufacturing）的发展战略，以提高制造业的技术水准和产品的竞争能力。它包括：精节生产（Lean Production）、并行工程（Concurrent Engineering）、敏捷制造（Agile Manufacturing）

10、、动态合智联盟（Virtual Organization）等。 美国仍是第1制造大国、强国,（2）先进制造技术的定义及发展趋势,定义：制造业不断地吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理等方面的成果，将其综合应用于制造业的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得理想技术经济效果的制造技术的总称。也就是现代高新技术与传统制造业相结合的一个系统工程。 发展趋势： 1）常规制造技术的优化； 2）新型（非常规）加工方法的发展； 3）专业学科间的建设逐渐淡化、消失； 4）工艺设计由经验走向定量分析； 5）信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合。,（3）新一代材料加工成型技术在先进制造技术中的地

11、位,世界上，约75%的钢材需要经过塑性加工，45%的钢材需要焊接成形。 据德国统计，2000年汽车重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）、铸铁（约7%）通过冲压、焊接、铸造成形。 据日本统计，铸造铝合金年产量的约75%、铸铁年产量的约50%全部用在汽车制造及相关工业。 因此，新一代材料加工成型技术是机械制造业的基础，也是先进制造技术发展的基础。,1.421世纪材料成形加工技术的发展趋势,（1）精密成型：以精密成型为代表的新一代材料加工技术。它包括：精密铸造成形、精密塑性成形、精密连接成形、激光精密加工、特种精密加工等。 （2）材料制备与成形一体化：半固态成形（铸造或锻造）技术、创形

12、创质制造技术、喷射成形等 （3）复合成形：铸锻复合、铸焊复合、锻焊复合和不同塑性成形方法的复合。如：液态模锻、连铸连轧、冲压件的焊接成形等。 （4）数字化成形：我院设立了“材料数字化成形”专业，获自主招收研究生（硕、博）权力。加工前，形成过程的模拟仿真和组织预测；加工过程中，材料成形的数字化控制；加工后，产品质量的自动检测（X光检查、磁粉探伤等）。 （5）自动化：自动化是高质量生产的前提（克服人为的因素） （6）绿色清洁生产：采用绿色材料与绿色工程，来提升劳动条件（尘埃、噪声、空气质量、温度等）、加强环境保护、实现无工业污染物排放等。,23,可编辑,2、材料加工成形新方法,（1）消失模精密铸造

13、技术,（2）半固态铸造,流变铸造,触变铸造,（3）铝（镁）合金材料及精密成形技术,压力铸造,低压铸造,（4）计算机模拟仿真技术,（5）大型装备及零部件制造技术,大型30万吨油轮,三峡电站水轮机,千吨级核电反应器,大型飞机,（6）超塑性成形,发动机整流叶片形,（7）精密模锻技术与装备,YK34J-1600/C1250 数控多向精锻液压机,（8）精密冲裁,（9）板料成形,（10）快速成形,（11）搅拌摩擦焊,（12）机器人焊接,（12）焊接自动化,（13）等离子束焊接,等离子弧的类型 1钨极 2喷嘴 3转移弧 4非转移弧 5工件 6冷却水 7弧焰 8离子气,（14）激光焊接,（15）其它复合成形方法,连铸连轧 铸（焊）锻一体化 复合能量场成形 快速凝固成形（喷射沉积） 电渣熔铸造 粉末注射成形 ,3、“材料加工工程”学科研究的基本要求,(1)本科生与研究生的区别 1）研究生是优秀的本科生 “优秀”应包括：智力、学习能力、自控能力 2）学习的目标不同 本科生：以掌握现有专业基础知识为主，适应未来参加实际工作的需要。宽知识面的专业型人材。 研究生：以掌握专业研究的方法和知识为主，适应将来从事知识创新的需要。高层次的研究型人材。 3）知识结构： 本科生：基础知识(计算机、外语、数、理、化)、专业基础（工程学、制图、