先進(jìn)制造工藝-第六學(xué)時

1、第三章 先進(jìn)制造工藝,第七節(jié) 精確高效塑性成形技術(shù),,一、概述 1．概念 精確高效塑性成形技術(shù)是通過塑性變形方法來實(shí)現(xiàn)精確成形的一種先進(jìn)制造技術(shù)，是建立在現(xiàn)代材料科學(xué)、力學(xué)、數(shù)值模擬和計算機(jī)、自動化和機(jī)器人技術(shù)、模具和潤滑技術(shù)、金屬塑性和成形技術(shù)等多種科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)上的一門先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。 由于市場的激烈競爭，制造企業(yè)為了降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，要求毛坯制造業(yè)提供的成形件尺寸越來越精確，而制造企業(yè)在其

2、基礎(chǔ)上只需要少量切削加工或干脆不加工就能達(dá)到最終零件形狀和尺寸。因此，精確高效塑性成形技術(shù)有逐漸替代一般的鍛壓生產(chǎn)毛坯的趨勢，成為優(yōu)先選擇的毛坯制造技術(shù)之一。同時這也是為什么近20多年來精確高效塑性成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家普遍受到重視，其發(fā)展逮度也普遍高于機(jī)械制造業(yè)的平均發(fā)展速度的主要原因。,2.特點(diǎn) 精確高效塑性成形技術(shù)具有以下特點(diǎn)： 1）精密成形件具有良好的內(nèi)部組織與性能。 2）節(jié)省了切削加工，從

3、而使成形件表層的細(xì)化晶粒得以保存，金屬纖維的連續(xù)性也因而得以保持，從而提高了零件性能。 3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，高效率、低成本的成形技術(shù)，又成為降低產(chǎn)品成本參與市場競爭的制造技術(shù)。 4）成形件加工裕量小、尺寸一致性好。,3．成形工藝 典型的成形工藝及其專用通用設(shè)備如下： 1）以壓力機(jī)為主的熱精鍛成形。 2）以工具回轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)成形的輥鍛和楔橫軋。 3）在冷態(tài)或相變溫度以下成形的冷溫成形技術(shù)。 4

4、）以汽車覆蓋件為代表的板料成形 5）在三向應(yīng)力狀態(tài)下的板料精沖技術(shù) 6）金屬在超塑狀態(tài)下的成形技術(shù),二、精密沖裁 精密沖裁簡稱精沖，是一種先進(jìn)制造技術(shù)，在一定條件下可取代切削加工，具有優(yōu)質(zhì)、高效、面廣的特點(diǎn)，適合于組織自動化生產(chǎn)。 1．精沖的特點(diǎn) 精密沖裁具有以下特點(diǎn)： （1）優(yōu)質(zhì) 精沖件的尺寸公差可達(dá)1T7～8級；剪切面粗糙度可達(dá)Ra2.4～0.4μm，相當(dāng)于磨削加工。 （2）高效

5、和切削加工相比精沖一般可提高工效10倍左右，精沖片齒輪可提高工效20倍左右，精沖凸輪提高工效40多倍。 （3）低耗 節(jié)約大量切削機(jī)床和切削加工所需電能，精沖后表面加工硬化有時可以取消后續(xù)淬火節(jié)約大量電能。 （4）面廣 許多鑄、鍛毛坯切削加工件以及切削加工后用鉚、焊聯(lián)接在一起的組合件，均有精沖復(fù)合工藝生產(chǎn)，已廣泛用于汽車、摩托車、起重機(jī)械、紡織機(jī)械、農(nóng)機(jī)、電器開關(guān)、家用電器、儀器儀表、航空器等制造部門，一輛轎車就有80多種10

6、0多個精沖件。,精沖的工作原理：,首先，設(shè)置在凸模周圍的V形齒圈壓板，對沖裁輪廓周圍的材料施加很大的壓力；在凹模內(nèi)設(shè)置頂出器，對凸模下面的材料施加較大的壓力；其次,將凹模刃口制成小圓角，其主要作用是擴(kuò)大壓應(yīng)力分布區(qū)域，抑制裂紋的生成。這樣使沖裁輪廓周圍的材料處于較強(qiáng)的三向壓力狀態(tài)。這相當(dāng)于在普通沖裁的變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)基礎(chǔ)上，,另外,精沖間隙極小，因此精沖是在盡可能提高材料塑性的情況下，使板料幾乎處于純剪切狀態(tài)。所以精沖的切斷面幾乎全部是光

7、亮帶，即塑性剪切面幾乎貫穿整個板厚，而且很垂直，只是最后才有很小的撕裂面和毛刺。,疊加了較大的靜水壓力，材料的塑性得到了很大的提高。,精沖時，壓緊力、小沖裁間隙及凹模刃口圓角三者相輔相成，缺一不可。,a.材料送進(jìn)模具；　b.模具閉合，材料被齒圈、凸模、凹模和頂出器壓緊；c.材料在受壓狀態(tài)下被沖裁；　　　　d.沖裁結(jié)束，模具開啟；e.齒圈壓板先卸料，再頂出工件；　 f.移走工件，并送料。,,精沖和普通沖裁的主要區(qū)別1)凸、凹模之間

8、的間隙小，相當(dāng)于普通沖裁間隙的1／10；2)有帶齒形的V形環(huán)壓邊圈和反壓板，是在壓邊力、反壓力和沖裁力三力同時作用。3)精沖過程中工件和條料最后分離前始終保持為一個整體，維持塑性變形狀態(tài)。為保證塑性變形的進(jìn)行，采取以下措施：1)沖裁前V形環(huán)壓邊圈壓住材料，防止剪切變形區(qū)以外的材料在剪切過程中隨凸模流動。2)壓邊圈和反壓板的夾持作用，再結(jié)合凸、凹模的小間隙使材料在沖裁過程中始終保持和沖裁方向垂直，避免彎曲翹起而在變形區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力

9、，從而構(gòu)成塑性剪切的條件。 3)必要時將凹?；蛲鼓Ｈ锌诘挂詧A角，以便減少刃口處的應(yīng)力集中，避免或者延緩裂紋的產(chǎn)生，改善變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。4)利用壓邊力和反壓力提高變形區(qū)材料的壓應(yīng)力張量，以提高材料的塑性。5)材料預(yù)先進(jìn)行球化處理，或采用適于精沖的特種材料。6)采用適于不同材料的工藝潤滑劑。,3．精沖的基本條件 精沖模具、精沖材料、精沖潤滑劑和精沖設(shè)備是完成精沖所必須的四項基本條件，其中精沖模具是組織精沖零件生產(chǎn)的關(guān)鍵。

10、（1）精沖模具 精沖模的沖裁間隙小，有V形環(huán)壓邊圈和反壓板，工件和廢料都是上出料，要求精度高，剛性和導(dǎo)向性好。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為： 1）活動凸模式，適合精沖小件。 2）固定凸模式，適合精沖中、大件或窄長的零件以及采用連續(xù)模。精沖模按功能還可分為簡單模（只沖外形不沖孔）、復(fù)合模（同時沖出外形和內(nèi)形）、連續(xù)模（有若干個工位，用于精沖復(fù)合工藝或采用復(fù)合模結(jié)構(gòu)凸凹模的強(qiáng)度太弱）。（2）精沖材料 大約95％的精沖件都是鋼件，除鉛

11、黃銅外，多數(shù)非鐵金屬和合金均可以精沖。,表3-2 精沖的主要材料,（3）精沖潤滑劑 精沖過程中金屬材料在三向受壓的條件下進(jìn)行塑性剪切，模具刃口承受瞬時高溫高壓，發(fā)生強(qiáng)烈干摩擦，易引起“焊合”和附著磨損，改善措施是必須采用精沖潤滑劑。（4）精沖壓力機(jī) 精沖壓力機(jī)是完成精沖工藝的專用壓力機(jī)，它能同時提供沖裁力、壓邊力和反壓力，滑塊有很高的導(dǎo)向精度和剛度，滑塊行程速度的變化滿足快速閉合、慢速沖裁和快速回程的要求，沖裁速度可以調(diào)節(jié)，有

12、可靠的模具保護(hù)裝置及其他自動檢測和安全裝置，具備單機(jī)自動生產(chǎn)能力。,,一、精密潔凈鑄造成形工藝　鑄造業(yè)是制造業(yè)毛坯的主要供應(yīng)者?，F(xiàn)代鑄造技術(shù)在發(fā)揮成形隨意性和綜合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，不斷吸納電子、信息和傳感等高新技術(shù)，形成一系列先進(jìn)鑄造技術(shù)?！∠冗M(jìn)鑄造技術(shù)以熔體潔凈、鑄件組織細(xì)密(性能高)和表面光潔、尺寸精度高(少、無切削)為主要特征，可簡稱為精密潔凈鑄造成形工藝?！‘?dāng)代精密潔凈鑄造成形工藝涉及的內(nèi)容，見表3-3。,第八節(jié) 其他

13、先進(jìn)制造工藝技術(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鑄造,1、鑄造的概念,將經(jīng)過熔化的液態(tài)金屬澆注到與零件形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型中，冷卻凝固后獲得毛坯或零件的一種工藝方法。(鑄造),2、鑄造的方法,3、鑄造的特點(diǎn),砂型鑄造、特種鑄造,(2)生產(chǎn)成本低，較為經(jīng)濟(jì),(1)成型方便，適應(yīng)性強(qiáng),(3)鑄件組織性能差,利用液態(tài)成形,適應(yīng)各種形狀、尺寸，不同材料的鑄件.,節(jié)省金屬,材料來源廣泛，

14、設(shè)備簡單。,鑄件晶粒粗大，力學(xué)性能差.,1.砂型鑄造,砂型鑄造是以砂為主要造型材料制備鑄型的一種鑄造方法。目前90%以上的鑄件是用砂型鑄造方法生產(chǎn)的。,一、砂型鑄造的工藝過程,工 藝 準(zhǔn) 備,,造 型,,,,,,,,落 砂,合 箱,澆 注,造 芯,清 理,檢 驗(yàn),,,熔煉金屬,配砂、制模,二、模樣與芯盒,,1、模樣與芯盒是制造鑄型和型芯的工具。,2、模樣形成鑄件的外形，其外形相當(dāng)于鑄件的外部形狀；型芯形成鑄件的內(nèi)腔形狀。芯盒是制造型芯的

15、工具。,3、砂型鑄造多用木材制造模樣和芯盒。,4、特種鑄造用金屬模、塑料模和其它模樣。,三、造型方法,按造型操作方法的不同，可分為：,1、手工造型,2、機(jī)器造型,填砂、緊實(shí)、起模等主要有人工完成，操作靈活，生產(chǎn)率低，主要用于單件小批量生產(chǎn)。,填砂、緊實(shí)、起模等實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，生產(chǎn)率高，投資大，主要用于批量生產(chǎn)。,主要方法有：,主要方法有：,整模造型,挖砂造型,三箱造型,活塊造型,刮板造型,假箱造型,振壓緊實(shí)、拋砂緊實(shí),分模造型,2 特種鑄造

16、,1、概念：,3、常用的特種鑄造方法：,2、特種鑄造的特點(diǎn)：,鑄件精度高，力學(xué)性能好；生產(chǎn)率高；工人勞動條件好等。,特種鑄造是指砂型鑄造以外的其他鑄造方法。,金屬型鑄造,壓力鑄造,熔模鑄造,離心鑄造,殼型鑄造,一、金屬型鑄造,將液態(tài)金屬注入用金屬制成的鑄型中，以獲得鑄件的方法。,1、工藝特點(diǎn)：,一型多鑄，鑄件精度高，力學(xué)性能好，但成本高，主要用于大批大量生產(chǎn)銅、鋁、鎂等非鐵合金鑄件。,2、工藝過程：,金屬型鑄造,二、熔模鑄造,將蠟料制成

17、模樣，在上面涂以若干層耐火涂料制成型殼，然后加熱型殼，使模樣熔化、流出，并焙燒成有一定強(qiáng)度的型殼，再經(jīng)澆注，去殼而得到鑄件的一種鑄造方法。,1、工藝特點(diǎn)：,以熔化模樣為起模方式。鑄件精度高，是少無切削加工的方法之一。其設(shè)備簡單，生產(chǎn)批量不受限制，主要用于大批、大量生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長。,2、工藝過程：,熔模鑄造,三、壓力鑄造,將熔融的金屬在高壓下，快速壓入金屬鑄型的型腔中，并在壓力下凝固，以得到鑄件的一種鑄造方法。,1

18、、工藝特點(diǎn)：,高速高壓。,2、工藝過程：,壓力鑄造,多用于非鐵合金（如鋁、銅、鎂等）精密鑄件的批量生產(chǎn)。,四、離心鑄造,將熔融的金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使金屬液在離心力的作用下凝固成形，以得到鑄件的一種鑄造方法。,1、工藝特點(diǎn)：,組織緊密，鑄件質(zhì)量好。,2、工藝過程：,離心鑄造,用于生產(chǎn)空心鑄件。,整模造型,刮板造型,假箱造型,挖砂造型,三箱造型,活塊造型,砂型鑄造,金屬型鑄造,熔模鑄造,壓力鑄造,離心鑄造,分模造型,,常見熱處理的方

19、法： 退火 正火 淬火 回火 調(diào)質(zhì) 化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、氮碳共滲 ……,二、優(yōu)質(zhì)低耗潔凈熱處理技術(shù),熱處理是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu),來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。,,二、優(yōu)質(zhì)低耗潔凈熱處理技術(shù)　 熱處理的發(fā)展目標(biāo)優(yōu)質(zhì)、低耗、潔凈，即要求熱處理零件和產(chǎn)品質(zhì)量分散率及畸變接近零，工藝周期短，能源利用率

20、及生產(chǎn)效率高，成本低，利潤回報率高；無污染，工作環(huán)境清潔、舒適、安全。　 為使熱處理成為先進(jìn)的制造工藝，必須積極發(fā)展和推廣應(yīng)用無氧化、無脫碳、無變形、無污染、無人操作、無廢品、節(jié)能等優(yōu)質(zhì)低耗潔凈的熱處理工藝技術(shù)?！?1．優(yōu)質(zhì)熱處理　 要大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用可控氣氛熱處理、真空熱處理、離子化學(xué)熱處理、三束熱處理等優(yōu)質(zhì)熱處理, 并使生產(chǎn)過程的控制日益完善。要側(cè)重發(fā)展和應(yīng)用模型化和模擬技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、專家系統(tǒng)等相關(guān)技

21、術(shù)，控制工藝過程參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和重現(xiàn)性，對過程的結(jié)果進(jìn)行精確的預(yù)報，使熱處理由一種憑借經(jīng)驗(yàn)的生產(chǎn)技能轉(zhuǎn)變?yōu)槟軡M足各種性能要求的可控生產(chǎn)過程。,,2．低耗熱處理　是實(shí)現(xiàn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本，獲得高生產(chǎn)效益的重要途徑。應(yīng)開拓和應(yīng)用節(jié)能材料、節(jié)能工藝、節(jié)能設(shè)備、新型絕熱材和爐型結(jié)構(gòu)的加熱設(shè)備、非調(diào)質(zhì)鋼新材料和控制冷卻技術(shù)、余熱熱處理、復(fù)合熱處理工藝、共滲及催滲工藝等先進(jìn)工藝、技術(shù)、材料及設(shè)備等?！?3．潔凈熱處理 包括處理零

22、件的潔凈和環(huán)境的潔凈兩個方面。推廣應(yīng)用真空熱處理、控制氣氛熱處理、感應(yīng)熱處理、離子熱處理、少或無污染化學(xué)熱處理、高能密度熱處理、少或無污染淬火劑和清洗劑、真空清洗、高效節(jié)能熱處理爐?！o氧化、無污染，工作環(huán)境清潔安全的潔凈熱處理，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益的三統(tǒng)一。,三、微細(xì)加工和納米技術(shù)　 隨著人們對許多工業(yè)產(chǎn)品的功能集成化和外形小型化的需求，使零部件的尺寸日趨微小。例如便攜式錄音機(jī)的機(jī)械和電路的空間容積僅為60年代產(chǎn)品的1

23、％，此外，進(jìn)人人體的醫(yī)療機(jī)械和管道自動檢測裝置等都需要微型的齒輪、電機(jī)、傳感器和控制電路。而微型機(jī)械的應(yīng)用已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，如汽車的安全氣囊的傳感器采用微細(xì)加工技術(shù)，把傳感器和電路蝕刻在一起，使成本從每套25美元降至10美元。這些需求導(dǎo)致了自70年代起出現(xiàn)了微細(xì)加工和納米制造技術(shù)，它們也促使了微型機(jī)器向系統(tǒng)化方向發(fā)展，并形成了有廣闊發(fā)展前景的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。 一般把微型機(jī)械定義為其大小在lmm以下的微小機(jī)器，實(shí)際上，

24、目前把尺寸在微米至厘米范圍內(nèi)零件的加工都?xì)w屬于微細(xì)加工的領(lǐng)域。由于尺寸微小，因而其尺寸公差和形狀公差小至100nm左右，而表面粗糙度要達(dá)10nm。這意味著微細(xì)加工往往兼具微小和精密加工的特征。,微細(xì)加工方法主要以下五方面： 　1）采用微型化的定形整體刀具或非定形磨料工具進(jìn)行機(jī)械加工，如車削、鉆削、銑削和磨削。由于刀具具有清晰明顯的界限，因此可以方便地定義刀具路徑加工出各種三維形狀的輪廓。 2）采用電加工或在其基礎(chǔ)上

25、的復(fù)合加工，如微細(xì)電火花加工(MEDM)、線放電磨削加工(WEDG)、線電化磨削(WECG)、電化加工(ECM)。　　3）采用光、聲等能量加工法，如微細(xì)激光束加工(MLBM)、微細(xì)超聲加工。　　4）采用光化掩膜加工法，如光刻法，LIGA法(X射線蝕刻和電鑄制模成形法)?！　?）采用層積增生法，如曲面的磁膜鍍覆，多層薄膜鍍覆(用于SMA微型線圈制造),微納米加工,單根有機(jī)微納米線,思考題　　 3-1 先進(jìn)制造工藝技術(shù)的特