先进成型技术

先进成型技术(总9页) --本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可-- --内页可以根据需求调整合适字体及大小-- 先进成型技术概论 摘要：介绍了先进成型技术的整体概念，阐述了其在现代工业中的特点，具体从特种铸造技术 现代锻造技术先进板料成形技术焊接与切割技术高分子材料与复合材料成形技术五个方面介绍了先进成形技术。 关键词：制造技术；先进成形；制造业 长久以来，制造技术一直是创造社会物质产品的基础，是人类创造物质文明精神文明的工具。 随着人类文明的进步，制造技术也在不断发展，推动生产力的发展，从而满足不断更新的社会需求。狭义的制造过程，指针对材料的加工过程。而根据加工材料的形态变化，生产中一般将加工工艺分为两类：即机械加工工艺和材料成形工艺这其中的材料成形工艺，主要是指利用材料的塑性变形流变特征进行的加工工艺过程和针对板状材料进行的切割连接工艺过程它是制造过程的基本形式之一[1]。由于材料成形工艺直接决定了产品的几何物理属性，不论是对金属还是非金属材料，成形工艺一般都用来对材料进行深度加工成形工艺的材料利用率高，最终产品的材料性能优良，因此广泛应用于机械航空航天等各个领域。 为适应制造业、市场、产品、技术及企业特征发展的需要，材料成形技术将向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、数字化、智能化、清洁化和集成化等方向发展。具体来说，当前先进成形技术的主要研究课题有：无余量精密成形技术、大件成形与成形加工的细微化、新材料和成形加工新技术不断涌现、成形加工的智能化、数字化成形技术以及成形技术的可持续发展[2]。 1特种铸造技术 铸造是将液态金属充填到与欲形成零件的形状和尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所需形状的零件或毛坯的一种材料成形方法。与其他成形方法相比，铸造具有下列优点：能够获得形状非常复杂（特别是具有复杂内腔）及大小不限的各种铸件，外形尺寸可从数毫米到数十米，重量可从数克数百吨。件与零件的形状尺寸很接近，目前已经可以实现无余量精密铸造和精确成形铸造。铸造方法成形的零件成本低，投资少，经济上具有明显优势。期以来，应用最广泛的是普通砂型铸造。但是，虽然这种铸造方法生产准备简单，具有很大的灵活性，但也存在着不少缺点，如铸件的表面粗糙度值较高、寸精度差、艺过程复、铸件质量不易控制、产率低、动强度大、作环境恶劣等。 随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高，以及人类生活的需要，对铸造生产提出了一系列更新、更高的要求。为此，数十年来铸造工作者在继承、传统铸造技术和应用近代科学技术成就的基础上，开创和发展了许多新的特种铸造方法和工艺，如熔模铸造金属型铸造、铸造离心、铸造陶瓷型铸、特种砂型铸、电磁铸造、固态铸造等。与普通砂型铸造相比，这些铸造方法的共同优点是精密、 洁净高效，具体表现在以下几个方面： 可以大量地生产同类型、高质量的铸件，且铸件尺寸精度较高，表面粗糙度值较小，从而实现少切削或无切削加工；能进一步简化生产工艺过程，缩短生产周期，便于实现生产工艺过程的机械化、自动化，提高劳动生产效率，改善劳动条件，使铸造工厂（车间）绿色化；可大量减少生产原材料的消耗，降低生产成本，获得良好的经济效益和社会效益。 目前，特种铸造方法已发展到数十种，其中，较为先进的技术有熔模铸造金属型铸造压力铸造消失模铸造等。 2现代锻造技术 锻造是利用锻压机械和模具对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定力学性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。 锻造是机械制造中常用的成形方法。与其他加工工艺（如铸造机械加工）相比，通过锻造能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞。锻件的韧性好，纤维组织合理，并且通过高温变形后，原材料的内部缺陷得以消除，晶粒度及内部组织得到明显改善因此，锻造对很多零件是一种既质量高又经济实用的制坯方法。特别是对于传递动力的零件，由于性能要求高，受力大，锻造在其毛坯制造中有着不可替代的作用。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。 锻造的零部件广泛应用于机械、冶金、航空、航天、航海和兵器等行业，为推动人类社会的发展进步起到了至关重要的作用，在国民经济中占有重要位置。据统计，锻造的能源耗用约占机械系统总能耗的7%-8%。因此，世界各国，尤其是工业比较发达的国家，都很重视锻造工业的发展。随着工业生产对锻件的高精度和少切削或无切削加工的要求，近年来又发展了一些高效率、高精度的锻造设备和锻造技术，如精锻机、冷镦机、热镦机、高速锤，以及热精锻、冷温锻、等温锻、挤压、液态模锻和粉末锻造等新技术。净形精密锻造技术、CAD/CAM/CAE技术、复合塑性成形技术等，已成为锻造技的发展趋势。 3先进板材成型 板料成形是一类典型的金属加工工艺，它是利用模具通过压力机的作用使金属板料（主要是板材、带材、管材和型材等）因塑性变形而改变形状和尺寸，获得所需产品的加工方法。由于板料成形过程中材料的变形，在宏观上表现为模具的冲压作用，所以板料成形工艺一般又简称为冲压工艺。 冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件、电子产品精密零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器、封头一类的大型零件；既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能够制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。占全世界钢产量60%-70%以上的板材、管材及其它型材，其中大部分经过冲压制成成品。冲压在汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中，具有十分重要的地位。冲压件的重量轻，厚度薄，刚度好。它的尺寸公差主要是由模具来保证的，所以质量稳定，一般不需再经切削加工即可使用冲压件的金属组织与力学性能优于原始坯料，表面光滑美观。 目前广泛应用的特种冲压成形，是相对冲裁、弯曲、拉深等普通冲压工艺而言的。其特殊性既有表现在成形设备方面的，也有表现在成形介质方面的，还有表现为成形的能量方面的。特种成形方法很多，诸如旋压成形、软模成、形喷丸成形等。高能率成形等其中旋压成形与软模成形技术应用较为广泛。 4焊接与切割技术 焊接是将同种或不同材质、通过加热或加压或同时加压又加热，达到原子间结合而形成永久连接的工艺切割是将材料分离为多个部分的工艺。焊接通常分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。熔焊是在不加压力的条件下，将待焊处的母材熔化形成焊缝，以实现联接的工艺。熔焊包括电弧焊、气焊、电子束焊、激光焊等。压焊是通过施加压力（加热或不加热）以形成连接。压焊包括电阻焊扩散焊、超声波焊、摩擦焊、爆炸焊、冷压焊、气压焊等。钎焊则是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但又低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现联接。下面简单介绍几种重要的现代焊接方法。 （1） CO2二氧化碳气体保护电弧焊。CO2气体保护电弧焊简称CO2焊。它是用 CO2气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。它具有成本低、效率高、焊接质量好、易于实现、自动化等优点，目前已广泛应用于汽车机床造船石油化工机械农业机械和动力机械等部门，是一种重要的熔化极弧焊方法。 （2）等离子弧焊接与切割。等离子弧加工是利用高温等离子电弧。热量，使工件材料局部熔化，从而进行焊接或切割的工艺方法。作为形成等离子弧的工作气体，既是等离子弧的导电介质，又是携热体。工作气体有氩气、氮气、氢气、氧气、空气、水、水蒸气以及某些混合气体等。等离子电弧是经过压缩的高能量密度的电弧，其温度一般在，远远超过所有金属以及非金属的熔点。该方法适用范围大，可进行绝大部分金属和非金属的焊接与切割。 （3）激光焊接与切割。激光是一种亮度高、方向性好、单色性强、相干性好的光束。激光束聚焦后的能量在空间和时间上高度集中，功率密度可达，因而是进行焊接和切割的理想热。源用激光进行焊接和切割，既能够减少对常规能源的需求，又极大地提高了工作精度。 （4）摩擦焊。摩擦焊是在压力作用下，通过待焊界面的摩擦，使界面及其附近温度升高、材料的抗力降低、塑性提高、面的氧化膜破碎，伴随着材料的塑性变形与流动，通过界面材质间的扩散以及再结晶等实现联接的固态焊接方法。摩擦焊具有节能省电、接头质量高、适合异种材质的联接生产效率高、尺寸精度高、设备易于机械化和自动化、操作简单和环境清洁等优点，因而应用日益广泛。 5高分子材料与复合材料成型技术高分子材料是由脂肪族和芳香族元素中以C-C共价键为基本结构的高分子（分子量在10000的大分子，常称作高分子）构成的物质，也称为聚合物材料。要有天然有机物和人工合成的聚合物。高分子材料的一般特点是：质轻，耐腐蚀，绝缘性好，易于成形加工，但强度、耐磨性和耐久性较差。 高分子材料的结构和性能，主要是由其基本组分的聚合物决定的。为获得各种实用性能或改善成形加工性，大多数高分子材料在纯聚合物中加有各种添加剂，例如颜料、填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂等。不同类型的高分子材料，采用不同的成形加工工艺，例如，塑料可采用挤出、压延、注射、压制、吹塑、涂覆、滚塑、热成形、压缩模塑和传递模塑等成形工艺；橡胶可采用硫化、开炼、密炼、挤出和注射等成形工艺。在成形加工过程中，高分子材料的形态和结构都会发生显著变化，材料的性能也随着改变。 复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的单一材料复合形成的新型材料，是一种由粘结材料（基体材料）和增强材料构成的多相体系。复合材料的本质，是采用增强剂增强，在微粒、薄片、纤维等形态的增强剂中，纤维状增强剂的增强效果最好。按基体材料的类型不同，复合材料包括以有机高分子为基体的聚合物基复合材料、以金属为基体的金属基复合材料、以无机非金属为基体的陶瓷基复合材料。在现阶段，工程应用特别是结构件应用的复合材料，主要是玻璃纤维、碳纤维芳纶等纤维增强的聚合物基复合材料。 与其他材料不同，复合材料的材料和制品是在同一个成形工艺过程中一次形成的。各种工艺方法除模压和注射外，都采用低压成形，这对成形设备和工艺装备的要求降低，给制造大型制品带来方便。 6结束语 先进成形技术，是近年来制造业领域取得的突破性进展，它不仅在制造原理上比传统方法更加先进，更重要的是在目前产业策略以效率第一、质量第一的情况下，先进成形技术可以提高产品质量，降低生产成本，提高企业的竞争力。随着计算机技术、激光技术和新材料技术的发展，先进成形技术在制造及科研等领域，将发挥越来越大的作用。 参考文献：