材料成型方述

绪论

“材料成型方法”是材料成型及控制工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。 材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman（1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（19）发现导致固体激光的出现，Neel（1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Müller（1987）发现了30°K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。

近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23％，从10年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。

类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.×106cm，是钢的比强度（0.×106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。

美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg降至112kg，铸铁的比例由15％减至11％；而铝合金由4％增至9％；高分子材料由6％增至9％。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，

要求整车重量要减轻40%～50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。美国福特公司新车型中使用的主要材料，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量将大幅增加。

在航天航空工业上，材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减少发射推力5kg。一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。

在过去30年，燃气轮机叶片的工作温度平均每年提高6.67℃。而工作温度每提高83℃，就可使推力提高20％。在1960年以前，主要用锻造镍基高温合金，20世纪60年代初，美国采用在真空下的精密铸造，并铸出多冷却孔，提高工作温度50℃，70年代中期采用单晶合金（PWA1442），工作温度又提高50～100℃，目前采用第二代单晶（PWA1484），进一步改进冷却技术，再加上热障涂层，涡轮进口温度达到1650℃。推重比达15～20的叶片材料要能承受1930～2220℃的高温，所以涡轮叶片实际上是材料与制造工艺的结合，不仅要求高性能的材质，而且要求高度精确的成形技术。

材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形技术是一门研究如何用热或常温成形的方法将材料加工成机器部件和结构，并研究如何保证、评估、提高这些部件和结构的安全可靠度和寿命的技术科学。它属于机械制造学科。材料成形过程与金属切削过程不同，在大部分成形过程中，材料不仅发生几何尺寸的变化，而且会发生成分、组织结构及性能的变化。因此材料成形学科的任务不仅是要研究如何使机器部件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研究如何通过过程控制获得一定的化学成分、组织结构和性能，从而保证机器部件的安全可靠度和寿命。

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四。20世纪末和21世纪初，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440t不锈钢转轮、750t蜗壳和300t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。最近建成的30万t超级大型油轮（长333m ，宽58m）、1000t级的大型热壁加氢反应器（壁厚280mm）、空间环境模拟装置（直径18m、高22m的大型不锈钢真空容器）等都是材料及材料成形工艺的重大成就。

材料成形加工是制造业的重要组成部分。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成形。我国铸件年产量超过1400万t，成为世界铸件生产第一大国。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。以汽车生产为例，1953～1992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆，预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。据统计，2000年全球汽车用材总重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。

对国防工业而言，由于现代武器装备性能提高很快，相应的结构、材料和成形制造工艺就成为关键。以航空航天工业为例，中国航空业40余年来共生产交付了各种类飞机14000余架，各种类发动机50000余台，海防和空-空战术导弹14000余枚，目前已能成批生产第二代军用飞机，正在研制相当于国际水平的第三代军用飞机，从“九五”开始开展了军用飞机的预研。现代飞机要求超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、全寿命成本等性能，很大程度上是依靠发动机性能的改进和提高来实现的。发动机性能提高的目标是提高推重比、功率重量比、增压比和涡轮前温度，国外现役机推重比7～8，在研机9～10，预研机15～20，我国相应为5.5、6.5～7.5、8～10。要实现上述指标，要不断发展先进涡轮盘材料和这些材料的精密成形和加工技术。因此，材料精密成形和加工技术成为关系国防安全的一种关键技术。

材料成形技术在21世纪发展过程中，逐步形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”和“信息化”的特色。

1. 精密的材料成形特征 随着材料资源和能源的日益紧缺，材料的少无切削加工已作为制造技术发展的重要方向。材料成形加工的精密化，从尺度上看，已进入亚微米和纳米技术领域。表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形（Net Shape Forming），即近无余量成形方向发展。毛坯与零件的界线越来越小。采用的主要方法是多种形式的精铸（如熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、挤压铸造、充氧压铸、流变铸造、触变铸造等）、精密压力加工（如精锻、零件精轧、精冲、粉末冶金温压成形、冷温挤压、超塑成形、反压力液压成形、铸锻工艺、同步成形工艺、变压力压胀形技术等）、精密焊接与切割（如等离子弧焊、电子束焊、激光焊、脉冲焊、窄间隙焊、激光和电弧复合加热焊、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。

2. 优质的成形技术特征 反映成形加工的优质特征是产品近无缺陷、零缺陷。此缺陷是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程控制及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。美国GM公司采用CAE技术，每年节省试制费用数百万美元。

3. 快速的成形技术特征 表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，新型铸造、锻压、焊接方法从不同角度提高生产率。采取的主要措施有，将逆向设计 (RE)、快速成形(RP)、快速制模（RT）技术相结合，建立起快速制造平台；应用数值模拟技术于铸、锻、焊和热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证成形工件的质量。波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50％。日本丰田公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65％。德国RIVAGE公司以一辆旧保时捷跑车作基础，以逆向工程和快速制造为手段，7个月造出一辆概念新车。 4. 复合的材料成形特征 激光、电子束、离子束、等离子束等多种新能源和能源载体的引入，形成多种新型成形方法与改性技术，其中以各种形式的激光成形技术发展最迅速。一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术、爆炸焊/热轧复合成形技术等造就了一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用。此外，复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。

5. 绿色的材料成形特征 成形加工向清洁生产方向发展，其主要的技术意义在于： ①高效利用原材料，对环境清洁；②以最小的环境代价和能源消耗来获取最大的经济效益； ③符合持续发展和生态平衡。美国在展望2020年的制造业时，把材料净成形工艺发展为“无废弃物成形加工技术（Waste-free Process），即加工过程中不产生废弃物，或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量的消耗，成为今后推广的重要绿色制造技术。

6. 信息化特征 成形工艺逐步向柔性、集成系统发展，大量应用了各种信息和控制技术，如柔性压铸系统，轧、锻柔性生产线、搅拌摩擦焊机器人柔性生产线、弧焊/压焊焊接机器人生产线等；使用远程控制和无人化成形工厂，质量控制向控制过程智能化方向发展等等，都使材料成形技术注入自动化 、信息化特征。 综上所述，现代科学的发展使材料成形技术的内容远远超出了传统的热加工范围。现代材料成形技术可拓展为：一切用物理、化学、冶金原理制造机器部件和结构，或改进机器部件化学成分、微观组织及性能，并尽可能采用复合制造、绿色制造、信息化制造获得优质毛坯或零件的现代制造方法。

所有的零件加工工艺在成形学上按对材料的操作方式可归结为三类，即受迫成形、去除成形

和堆积成形。

（1）受迫成形 利用材料的流动性和塑性在特定外力或边界的约束下成形的方法。铸造、锻压以及注塑成形工艺都属于受迫成形。在这种成形方式中，能量的使用体现在使零件发生形态变化或塑性形状变化上；零件的制造信息（几何信息、工艺信息和控制信息等）经预处理后以形状信息的形式物化于工具之中，如模具、型腔等。这种信息处理过程与物理制造过程的结合形式，具有较好的刚性，即制造零件时重复性好，但其柔性较差。零件信息的任何改变都将导致工具的重新制造，因而较适用于定型产品的大批量生产方式或毛坯制造。 （2）去除成形 运用材料的可分离性，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体分离出去而成形的方法。传统的车、铣、刨、磨等机加工工艺和激光、电火花加工工艺均属于去除成形。在这种成形方式中，零件制造信息体现在去除材料的顺序和每一步材料的去除量上，即信息通过控制刀具（激光、电火花等也可看作去除刀具）与待加工工件的相对运动，实现材料的有序去除。与受迫成形相比，这种信息过程与物理过程的结合方式具有较大的柔性，实际上，可以把刀具与工件的相对运动看作是一种易于修改、易于编程和易于控制的“动态模具”。但这种零件加工方式由于受到刀具与工件相对运动的条件，难以加工形状极为复杂的零件。

（3）堆积成形 利用材料的可连接性，将材料有序地合并堆积起来而成形的方法。快速成形是堆积成形的典型方法，其次，一些焊接和喷镀也可视为堆积成形。快速成形的特点是从无到有，从小到大有序进行，零件的制造信息体现在材料结合的顺序以及每一次材料转变量与深度的控制上，即信息通过控制每个单元的制造和各个单元的结合而实现对整个成形过程的控制。在堆积成形过程中，信息过程与物理过程的结合达到比较高级的阶段，没有“模具”、“卡具”和“切削加工”的概念，成形零件不受复杂程度的，它提供了一种直接地并完全自动地把三维CAD模型转换为三维物理模型或零件的制造方法。

第1章液态金属铸造成形工艺

1.1概述

铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件的生产过程，是生产金属零件和毛坯的主要形式之一。

与其他零件成形工艺相比，铸造成形具有生产成本低，工艺灵活性大，几乎不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度的等特点。铸件的质量可由几 克到数百吨，壁厚可由0.3mm到1m以上。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置。铸件在一般机器中占总质量的40％～80％，但其制造成本只占机器总成本的25％～30％。

铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为重力铸造、压力铸造、离心铸造等。按照形成铸件的铸型分可分为砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造”。砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的80％以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种。

铸件的质量(品质)直接影响到机械产品的质量(品质)。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生产质量(品质)和经济效益、改变行业面貌的关键之一。

在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年历史了，目前我国铸件年产量已超过1000万t。由于历史原因，长期以来，我国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在

规模和产量上，而是集中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水平的比较见表1-1。

表1-1 国内外铸造生产技术水平的比较 比较项目 尺寸精度 表面粗糙度 使用寿命 铸件废品率 劳动生产率 熔炼技术 造型工艺 铸造工 艺装备 国 外 汽缸体和汽缸盖：<25μm 汽缸套为6000～10000h 美、英、法、日约为2% 65t/人年 富氧送风，铁水温度>1500℃ 国 内 >50μm 3000～6000h 8～15% 650kg标准煤 8t/人年 1400℃ 汽缸体和汽缸盖：一般为CT8～CT9 CT10，与国外差2～4级 耗能/吨铸件 360～370kg标准煤(合格铸件) 广泛采用流水线，采用高压造型、射压除汽车等行业中少数厂采用半自造型、和气冲造型 动、自动化流水线外，多数厂普遍采用40年代造型技术 造型机精度和精度保持能力很高。造型精度低，精度保持能力差(<半年)。线精度可保持1～2年，设备综合开工设备综合开工率<50%。装备标准率>80%，装备全部标准化、系列化、化、系列化、商品化程度很低 商品化 质量很高，如日本硅砂都经水洗，含泥质量很差，砂只作筛分，含泥量在量小于0.2% 2%以上 铸造用 工艺材料

1.2 铸件形成理论基础 1.2.1金属的充型

液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。

充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。

影响充型能力的因素有：合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等，如表1-2所示。

表1-2 影响充型能力的因素和原因

序号 影响因素 1 定 义 影 响 原 因 流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而合金的流动液态金属本身复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和性 的流动能力 气体的上浮和排除；易于对铸件的收缩进行补缩 浇注温度 充型压力 浇注时金属液浇注温度愈高，充型能力愈强 的温度 金属液体在流压力愈大，充型能力愈强。但压力过动方向上所受大或充型速度过高时，会发生喷射、的压力 飞溅和冷隔现象 2 3 4 能在金属液与铸型间产生气膜，减小浇注时因铸型铸型中的气摩擦阻力，但发气太大，铸型的排气发气而形成在体 能力又小时，铸型中的气体压力增大，铸型内的气体 阻碍金属液的流动 铸型从其中的蓄热系数愈大，铸型的激冷能力就愈铸型的蓄热金属吸取并存强，金属液于其中保持液态的时间就系数 储在本身中热愈短，充型能力下降 量的能力 铸型温度 铸型在浇注时温度愈高，液态金属与铸型的温差就的温度 愈小，充型能力愈强 5 6 7 8 9 浇注系统的各浇道的结构结构愈复杂，流动阻力愈大，充型能结构 复杂情况 力愈差 铸件的折算铸件体积与表折算厚度大，散热慢，充型能力好 厚度 面积之比 铸件复杂程铸件结构复杂结构复杂，流动阻力大，铸型充填困度 状况 难

1.2.2铸件的温度场

金属液在铸型中的凝固和冷却过程是一个不稳定的传热过程，铸件上各点的温度随时间下降，而铸型温度随时间上升；铸件大部分为三维传热问题；铸件在凝固过程中不断释放出结晶潜热，其断面上存在固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，在金属型凝固时还可能出现中间层。因此，铸件与铸型的传热是通过若干个区域进行的。此外，铸型和铸件的热物理参数是随温度而变化的。由于这些因素的多样性和变化，采用数学分析法研究铸型温度场的变化必须要对问题进行合理的简化处理。

厚度30mm的平板铸铁件在湿砂型（铸型的初始水分为8%）中凝固时湿型断面上的温度场。可见，湿砂型被金属液急剧加热，随时间推移，铸型热量由型腔表面向内层砂型转移，高温表面层中的水分会向低温的里层迁移，含水铸型的温度场在任何时刻都可以划分为三个特征区。I区为干砂区；II区是温度为100℃、水分（质量分数）由m0（湿型的原始水分）增至m1（凝聚区水分）的高水区；III区的温度和水分分别由相邻II区的100℃及m1降至室温t0和m0。这三个区是逐渐地由型腔表面向铸型内部延伸扩展的。 1.2.3金属的凝固

1．金属的凝固方式

液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过程的关键问题，其在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸造缺陷的形成，冷却凝固对铸件质量，特别是铸件力学性能，起决定性的作用。

一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固（或称糊状凝固）方式和中间凝固方式。铸件的“凝固方式”是依据凝固区的宽窄来划分的。

1） 逐层凝固方式

tc是结晶温度，T1和T2是铸件断面上两个不同时刻的温度场。恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固相和液相由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心，这种情况称为“逐层凝固”。如果合金结晶温度范围很小或断面温度梯度很大时，铸件断面的凝固区域很窄，也属于逐层凝固方式。

2）体积凝固方式

如果合金的结晶温度范围很宽，或因铸件断面温度场较平坦，铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度尚高于ts，这种情况称为“体积凝固方式”，或称“糊状凝固方式”。

3）中间凝固方式

如果合金的结晶温度范围较窄，或因铸件断面的温度梯度较大，铸件断面上的凝固区域宽度介于前二者之间时，则属于“中间凝固方式”。 决定凝固区域宽度的因素

铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定的。铸件的温度梯度主要取决于：

(1) 合金的性质 合金的凝固温度愈低、导热率愈高、结晶潜热愈大，铸件内部温度均匀化能力愈大、而铸型的激冷作用变小，故温度梯度小（如多数铝合金）；

(2) 铸型的蓄热能力 铸型蓄热能力愈强，激冷能力愈强，铸件温度梯度愈大； (3) 浇注温度 浇注温度愈高，因带入铸型中热量增多，铸件的温度梯度减小。 1.2.4合金的收缩、应力及变形

1. 合金的收缩及影响因素 1) 收缩

金属从浇注温度冷却到室温要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段。固态收缩将引起铸件外部尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。

2)影响收缩的因素

化学成分、浇注温度和铸件结构和铸型条件对收缩产生影响

3)缩孔及缩松

铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以至成为废品，是极其有害的铸造缺陷之一。

2. 缩孔、缩松的防止方法

(1) 使缩松转化为缩孔的方法 ：

① 尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固；② 对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法。

(2) 防止缩孔的方法 要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，可采用“定向凝固原则”。

定向凝固的优点：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。定向凝固的缺点：由于铸件各部分有温差，凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固使清理工作量大。

2.铸造应力及变形

铸件凝固后继续冷却，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。铸造应力分为热应力和收缩应力。

1)热应力

铸造热应力引起框架式铸件的变形过程如下左图所示。因此，热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率愈高，弹性模量愈大，热应力也就愈大。

2）防止应力和变形的方法

采用同时凝固原则是防止热应力的有效方法。同时凝固原则的优点是，凝固期间不容易

产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。 1.3 砂型铸造工艺分析

1.3.1浇注位置和分型面的确定

浇注位置与分型面的选择密切相关。通常分型面取决于浇注位置的选定，既要保证质量，又要简化造型工艺。

1. 浇注位置选定原则

浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置，浇注位置选择有如图5个原则。

2. 分型面的选择原则

一般说来，分型面在确定浇注位置后再选择。但是，分析各种分型面的利、弊之后，可能再次调整浇注位置。在生产中浇注位置和分型面有时是同时确定的。分型面的选择要在保证铸件质量的前提下，尽量简化工艺，节省人力物力，因此需考虑以下几个原则： 1.3.2铸造工艺图的制定

铸造工艺图是铸造过程最基本和最重要的工艺文件之一。

铸造工艺图是利用红、兰两色铅笔，将各种简明的工艺符号，标注在产品零件图上的。可从以下几方面进行分析：(1) 分型面和分模面；(2) 浇注位置、浇冒口的位置、形状、尺寸和数量；(3) 工艺参数；(4) 型芯的形状、位置和数目，型芯头的定位方式和安装方式；(5) 冷铁的形状、位置、尺寸和数量；(6) 其它。

车床进给箱铸造工艺设计分析 可从以下几方面进行分析：

1)分型面和分模面；2) 浇注位置、浇冒口的位置、形状、尺寸和数量；3) 工艺参数；4) 型芯的形状、位置和数目，型芯头的定位方式和安装方式；5) 冷铁的形状、位置、尺寸和数量；6) 其它。 1.4 铸件的结构设计

设计铸件时，要保证使用性能的要求，满足铸件在铸造中工艺性的要求。即考虑铸造生产工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。 1.5砂型铸造方法

砂型铸造方法主要有手工造型和机器造型两大类。机器造型的实质是用机器进行紧砂和起模，根据紧砂和起模的方式不同，有各种不同种类的造型机。 1.5.1气动微震压实造型

震压式造型 震压式造型 为早期的造型机，是通过振动－压实来紧实型砂的。该方法改善了手工造型的生产条件，提高了生产率，但是型砂的紧实度不够均匀。 气动微震压实造型

气动微震压实造型是采用振动(频率150～500 Hz，振幅25～80mm)－压实－微振(频率400～3000Hz，振幅5～10mm)紧实型砂的。 使用场合

气动微震压实造型通常是指比压为0.15～0.4MPa的低压造型。但气动微振也可与高压、中压压实配合使用。目前，气动微振压实造型在中小铸件生产中已广泛使用，其对型砂和工艺装备的要求与一般机器造型相同。

气动微振压实造型的特点为：

(1)紧实效果好 可在压实同时进行微振，从而促进型砂流动，获得紧实度较高而且均匀的砂型。相当于增加30%～50%甚至75%的压实力；

(2)工作适应性强 可根据铸件形状特点选择不同的紧实方式； (3)生产率较高 达到适宜的砂型紧实度所需的时间较短；

(4)对机器地基要求较低 1.5.2高压造型

高压造型一般指压实比压超过0.7MPa的机器造型，压实机构以液压为动力。按工艺装备可分为有箱、脱箱、无箱三种。加砂可采用重力填砂方式，但更多的是用射砂或真空填砂方式进行充填及预紧实。重力填砂时通常配备多触头或成形压头，而射砂或真空填砂时则常配备平板压头。

1.多触头高压造型

多触头由许多可单独动作的触头组成，可分为主动伸缩的主动式触头和浮动式触头。使用较多的是弹簧复位浮动式多触头。以适应不同形状的模样，使整个型砂得到均匀的紧实度。 多触头高压造型通常也配备气动微振装置，以便增加工作适应能力。

多触头高压造型辅机多，砂箱数量大，造价高，适用于各种形状的中小铸件大量或成批生产。

2.射砂挤压无箱造型

射砂造型是指在极短的时间内，用压缩气体将砂射进砂箱内的造型方法，它主要用于制芯过程中。

射砂挤压造型是射砂后采用挤压的方法完成紧砂的过程。在造型、下芯、合型及浇注过程中，铸型的分型面呈垂直状态的无箱造型法称为垂直分型无箱挤压造型，平行于地面的称水平分型无箱挤压造型。它主要适用于大批大量的中小型铸件的生产。 1.5.3真空密封造型

真空密封造型又称真空薄膜造型、减压造型、负压造型或V法，适用于生产薄壁、面积大、形状不太复杂的扁平铸件。该法的优点是：

(1) 铸件尺寸精确 能浇出2～3mm的薄壁部分；(2) 铸件缺陷少废品率可控制到1.5%以下；(3) 砂型成本低 损耗少，回用率在95%以上；(4) 工作环境比较好 噪声小、粉尘少，劳动强度低。

缺点是：对形状复杂、较高的铸件覆膜成形困难，工艺装备复杂，造型生产率比较低。 1.5.4气流冲击造型

气流冲击造型简称气冲造型，是一种新的造型方法。其原理是利用气流冲击，使预填在砂箱内的型砂在极短的时间内完成冲击紧实过程。 气冲造型分低压气冲造型和高压气冲造型两种，低压气冲造型应用较多。气冲造型的优点是砂型紧实度高且分布合理，透气性好、铸件精度高、表面粗糙度低、工作安全、可靠、方便；缺点是砂型最上部约30mm的型砂达不到紧实要求，因而不适用于高度小于150mm的矮砂箱造型，工装要求严格，砂箱强度要求高。

气冲造型紧实度

（1）紧实度分布规律 气冲造型紧实度，靠近模底板处紧实度最高，随着与模底板的距离加大，紧实度逐步降低。这样的分布即保证砂型分型面处及型腔的高紧实度，又使型砂具有良好的透气性。有利于得到表面粗糙度低、精度高的铸件。气冲造型砂型紧实度分布最为合理。

（2）影响紧实效果的主要因素 压力梯度是影响紧实度的主要因素。所谓压力梯度是指作用在型砂上面先后的压力差dP与建压时间dt之比。当dP/dt值愈大，铸型的紧实度愈高。 1.5.5消失模造型

1. 铸造原理和工艺过程

消失模铸造（EPC）为美国1958年专利，1962年开始应用，又称实型铸造和气化模铸造，其原理是用泡沫聚苯乙烯塑料模样（包括浇冒口）代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在灼热液态金属的热作用下，泡沫塑料气化、燃烧而消失，金属液取代了原

来泡沫塑料模所占的空间位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。

2. 铸造特点和应用范围

消失模铸造主要用于形状结构复杂，难以起模或活块和外型芯较多的铸件。与普通铸造相比，具有以下优点：工序简单、生产周期短、效率高，铸件尺寸精度高(造型后不起模、不分型，没有铸造斜度和活块)，精度达CT8级，可采用无粘结剂型砂，增大了铸件设计的自由度，简化了铸造生产工序，降低了劳动强度。近年来，消失模铸造技术在欧美发展很快，表1-6为美国消失模铸造情况。 应用 轿车 载货汽车 造船 管件 机床 一般工业 其他 总计 t /年（1997） 增长速度（~1997）% 增长速度（~2000）% 82.697 5.110 8.463 11.057 7.018 7.105 19.026 140.676 13 44 65 163 6 19 60 27 52 232 43 200 15 45 168 83

3. 消失模铸造的新发展

消失模铸造用的泡沫塑料模与不断涌现的其他新材料、新设备、新技术相结合，发展形成很多新的造型和铸造方法。 1.5.6冷冻造型

冷冻造型法又称为低温硬化造型法。其造型过程是采用普通石英砂作为骨架材料，加入少量的水，必要时还加入少量的粘土，按普通造型方法制好铸型后送入冷冻室中，用液态氮或二氧化碳作为制冷剂，使铸型冷冻，借助于包覆在砂粒表面的冷冻水分而实现砂粒的结合，使铸型具有很高的强度及硬度。浇注时，铸型温度升高，水分蒸发，铸型逐步解冻，稍加振动立即溃散，可方便地取出铸件。 1.5.7大型铸件造型方法 由于造型设备的，大型铸件往往采用抛砂造型或手工造型，抛砂造型和手工造型方法见视频。 1.6 特种铸造

随着科学技术的发展和生产水平的提高，对铸件质量、劳动生产率、劳动条件和生产成本有了进一步的要求，因而铸造方法有了长足的发展。所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其它铸造工艺。目前特种铸造方法已发展到几十种。常用的有熔模铸造、金属型铸造、离心铸造、压力铸造、低压铸造、陶瓷型铸造、磁型铸造、差压铸造、石墨型铸造、真空吸铸和流变铸造等。 1.6.1金属型铸造 用铸铁、碳钢或低合金钢等金属材料制成铸型，在重力作用下，金属液充填金属型型腔，冷却成形而获得铸件的工艺方法称为金属型铸造，也称为硬模铸造、铁模铸造、永久型铸造、冷硬铸造、冷激模铸造等。金属型铸造既可采用金属芯，也可以用砂芯取代难以抽拔的金属芯。金属型的铸型可反复使用。铸件组织致密，力学性能好,精度和表面质量较好。 1.6.2离心铸造

离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力作用下填充铸型而凝固成形的一种铸造方法。

1. 离心铸造的分类

根据铸型旋转轴线在空间的位置，常见的离心铸造可分为两种：

(1) 卧式离心铸造 铸型的旋转轴线处于水平状态或与水平线夹角很小（<4°）时的离心铸造。

(2) 立式离心铸造 铸型的旋转轴线处于垂直状态时的离心铸造称为立式离心铸造。铸型旋转轴与水平线和垂直线都夹有较大角度的离心铸造称为倾斜轴离心铸造，但应用很少。

2. 离心铸造的生产特点：

与砂型铸造相比，离心铸造的优缺点如下：

(1) 铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，故力学性能较好；

(2) 生产中空铸件时可不用型芯，故在生产长管形铸件时可大幅度地改善金属充型能力，降低铸件壁厚对其长度或直径的比值，简化套筒和管类铸件的生产过程；

(3) 生产中几乎没有浇注系统和冒口系统的金属消耗，提高工艺出品率； (4) 便于制造筒、套类复合金属铸件，如钢背铜套、双金属轧辊等；

(5) 铸造成形铸件时，可借离心力提高金属的充型能力，故可生产薄壁铸件，如叶轮、金属假牙等；

(6) 对合金成分不能互溶或凝固初期析出物的密度与金属液基体相差较大时，易形成密度偏析；

(7) 铸件内孔表面较粗糙，聚有熔渣，其尺寸不易正确控制； (8) 用于生产异型铸件时有一定的局限性。 1.6.3压力铸造

1. 铸造原理和工艺循环

压力铸造是在高压的作用下，以很高的速度把液态或半液态金属压入压铸模型腔，并在压力下快速凝固而获得铸件的铸造方法。

2. 压铸机分类与比较

压铸机按其工作原理结构形式分为冷压式压铸机（有卧式、立式、全立式三种）和热压式（有普通热室、卧式热室两种）压铸机。 冷室压铸机的压室和熔炉是分开的，压铸时要从保温炉中舀取金属液倒入压室内，再进行压铸。热室压铸机的压室与合金熔化炉联成一体，压室浸在保温坩埚的液体金属中，压射机构装在坩埚上面，用机械机构或压缩空气所产生的压力进行压铸。

3. 铸造特点

压力铸造的基本特点是高压高速，压力从几MPa到几十MPa，甚至高达500MPa，高速（从10～120m/s），以极短的时间（0.01～0.2s）填充铸型。压力铸造的特点如下：

（1）生产率高，可实现机械化或自动化，铸件产量在3000件以上时可考虑采用； （2）生产适用性好，能生产出从简单到相当复杂的铸件，并可生产中间镶嵌其他金属的铸件，能直接铸出齿形和螺纹，压铸件的重量从几克到数十千克；

（3）产品质量好，具有较高的尺寸精度（最高达CT4）和表面质量（最高达Ra3.2），力学性能好，尺寸稳定性好，互换性好，轮廓清晰，适用于大量生产有色合金的小型、 薄壁、复杂铸件；

（4） 普通压铸法生产的铸件易产生气孔，不能进行热处理，压铸某些内凹件、高熔点合金铸件还比较困难；

（5） 压力铸造设备投资大，压铸模制造复杂，周期长，费用大，一般不宜于小批生产。 压力铸造是所有的铸造方法中生产速度最快的一种方法，应用很广，发展很快。广泛用于汽车、仪表、航空、航天、电器及日用品铸件；以铝、锌、镁材料为主。

4. 压铸模

压铸模是进行压铸生产的主要工艺装备。压铸模主要由动模和定模两大部分组成。定模

固定在定模板上。动模固定在开模机构上，在开模机构的驱动下实现压铸模的开合。合模后，浇道将压铸机的压室与型腔连通，金属液从压室内被压入金属型腔并保持一定的压力，凝固形成符合要求的铸件。然后，动模在开合型机构的驱动下打开，铸件由动模从定模中带出，并附在动模上，最后由顶杆将铸件从动模上顶出并被取走。

5.压力铸造的发展

由于压力铸造是在极短的时间内完成充型过程的，很容易造成气体的卷入而影响压铸件的质量。为此发展了加氧压铸机和真空压铸机，中压压铸机也获得了较快的发展，有些压铸机的合型机构采用倾斜形式。压铸过程自动化和压铸计算机控制及压铸柔性加工单元（FMC）也逐步得到发展。

(1) 加氧压力铸造是在铝金属液充填型腔之前，用氧气充填压室和型腔，以取代其中的空气和其他气体。其特点是：消除或减少了气孔，提高铸件的质量；结构简单，操作方便，投资少。

(2) 真空压力铸造是先将压铸型腔内空气抽除，然后再压入液体金属。其特点是：可消除或减少压铸件内部的气孔，提高铸件的力学性能和表面质量；压铸时大大减少了型腔的反压力，可使用较低的比压和铸造性能较差的合金。缺点是：密封结构复杂，制造和安装较困难。

(3) 压力铸造计算机控制和柔性制造单元

压铸生产中对压铸过程的压射速度、压射力、增压时间及对自动化装置（喷涂、浇注、取件装置等）采用计算机控制，以满足多品种小批量生产的要求，提高生产率和稳定铸件质量。在此基础上又发展了压铸柔性加工单元（FMC），即在其规定的范围内，按照预先确定的工艺方案，生产各种零件的控制过程，其核心技术是快速更换模具和与之相关的其他零部件。

1.6.4低压铸造

低压铸造是介于一般重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。

1. 铸造原理和工艺过程

浇注时金属液在低压（20～60kPa）作用下，由下而上地填充铸型型腔，并在压力下凝固而形成铸件的一种工艺方法。

2. 铸造工艺过程

低压铸造浇注过程包括升液、充型、增压、保压和卸压五个阶段。

1） 浇注过程参数的变化

2）升液压力和速度 升液压力P1是指当金属液面上升到浇口，高度为H1时所要求的压力，p1=H1ρμ(MPa)。根据经验，升液速度一般控制在150mm/s以下。

3）充型压力和速度 充型压力p2是使金属液充型上升到铸型顶部所需的压力，P2=H2ρμ(MPa)。在充型阶段，金属液面上的压力从P1升到P2,其升压速度v2=(P2-P1)/τ2 (MPa/s)。

4）增压和增压速度 金属液充满型腔后，再继续增压，使铸件的结晶凝固在一定压力p3下进行。此压力称为结晶压力。一般p3=1.3～2.0p2。增压速度v3=(P3-P2)/τ3 (MPa/s)。

5）保压时间 保压时间与铸件质量有关，保压时间与铸件质量成正比。一般保压时间在1.5～8分钟内，时间太长，将影响生产率。 1.6.5熔模铸造

熔模铸造又称失蜡铸造、熔模精密铸造、包模精密铸造，是精密铸造法的一种。根据铸型的特点可分为型壳熔模铸造、填箱熔模铸造（型壳制好后，装入砂箱中，在型壳周围注入耐火浆料或干砂增强）、石膏型熔模铸造（用石膏型代替型壳）。以前者的应用最广。

型壳熔模铸造工艺，用易熔材料(蜡或塑料等)制成精确的可熔性模型,并进行蜡模组合，

涂以若干层耐火涂料，经干燥、硬化成整体型壳，加热型壳熔失模型，经高温焙烧而成耐火型壳，在型壳中浇注铸件。

熔模铸造有以下特点：

(1)尺寸精度高 熔模铸造铸件精度可达CT4级，表面粗糙度低(Ra12.5～1.6 m)；

(2)适用于各种铸造合金、各种生产批量 尤其在难加工金属材料如铸造刀具，涡轮叶片等生产中应用较广；

(3)可以铸造形状复杂的铸件 熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受，可以制造出用砂型铸造、锻压、切削加工等方法难以制造的形状复杂的零件。而且可以使一些焊接件、组合件在稍进行结构改进后直接铸造出整体零件；

(4)可以铸造出各种薄壁铸件及重量很小的铸件 其最小壁厚可达0.5mm，最小孔径可以小到0.5mm，重量可以小到几克；

(5)生产工序繁多，生产周期长，铸件不能太大 熔模铸造是净成形、净终成形加工的重要方法之一。 1.6.6壳型铸造 铸造生产中，砂型（芯）直接承受液体金属作用的只是表面一层厚度仅为数毫米的砂壳，其余的砂只起支撑这一层砂壳的作用。若只用一层簿壳来制造铸件，将减少砂处理工部的大量工作，并能减少环境污染。1940年，Johannes Croning发明用热法制造壳型，称为“C法”或“壳法”(shell process)，或叫壳型造型(shell molding)，目前该法不仅可用于造型，更主要的是用于制壳芯。该法用酚醛树脂作粘结剂，配制的型（芯）砂叫覆膜砂，象干砂一样松散。其制壳的方法有两种：翻斗法和吹砂法。

吹砂法分顶吹法和底吹法两种。吹砂压力一般顶吹为0.1～0.35MPa，吹砂时间为2～6s，底吹法为0.4～0.5MPa，15～35s。顶吹法可以制造较大型复杂的砂芯；底吹法常用于小砂芯的制造，硬化时间为90s～2min，芯盒加热温度一般为250℃。

壳法造型、芯的优点是混制好的覆模砂可以长期贮存（三个月以上），无需捣砂，能获得尺寸精确的型、芯；型、芯强度高，易搬运；透气性好，可用细的原砂得到光洁的铸件表面；无需砂箱；覆模砂消耗量小。但酚醛树脂覆模砂价格较贵，造型、造芯耗能较高。 壳型通常多用于生产液压件、凸轮轴、曲轴以及耐蚀泵件、履带板等钢铁铸件上；壳芯多用于汽车、拖拉机、液压阀体等部分铸件上。 1.6.7陶瓷型铸造

陶瓷型铸造是50年代英国首先研制成功的。其基本原理是：以耐火度高、热膨胀系数小的耐火材料为骨料，用经过水解的硅酸乙酯作为粘结剂而配制成的陶瓷型浆料，在碱性催化剂的作用下，用灌浆法成形，经过胶结，喷燃和烧结等工序，制成光洁、细致、精确的陶瓷型。陶瓷型兼有砂型铸造和熔模铸造的优点，即操作及设备简单，型腔的尺寸精度高、表面粗糙度低，精度达CT6级。在单件小批生产的条件下，铸造精密铸件，铸件重量从几kg到几t。生产率较高，成本低，节省机加工工时。

陶瓷型按不同的成形方法分为两大类：全部为陶瓷铸型的整体型和带底套的复合陶瓷型，底套的材料有硅砂和金属两种。

陶瓷型可用来制造热拉模、热锻模、橡胶件生产用钢模、玻璃成形模具、金属型和热芯盒等，模具工作面上可铸出复杂、光滑的花纹，尺寸精确，模具的耐蚀性和工作寿命较高。也可用陶瓷型铸造法生产一般机械零件，如螺旋压缩机转子、内燃机喷嘴、水泵叶轮、齿轮箱、阀体、钻机凿刀、船用螺旋浆、工具、刀具等。 1.6.8磁性铸造

磁性铸造是德国在研究消失模铸造的基础上发明的铸造方法，其实质是采用铁丸代替型砂及型芯砂，用磁场作用力代替铸造粘结剂，用泡沫塑料消失模代替普通模样的一种新的铸

造方法。与砂型铸造相比，它提高了铸件质量，因与消失模铸造原理相似，其质量状况与消失模铸造相同，同时比消失模铸造更减少了铸造材料的消耗。经常用于自动化生产线上，可铸材料和大小范围广，常用于汽车零件等精度要求高的中小型铸件生产。 1.6.9石墨型铸造

石墨型铸造是用高纯度的人造石墨块经机械加工成形或以石墨砂作骨架材料添加其它附加物制成铸型，浇注凝固后获得铸件的一种工艺方法。它与砂型、金属型铸造相比，铸型的激冷能力强，使铸件晶粒细化，力学性能提高；由于石墨的热化学稳定性好，熔融金属与铸型接触时一般不发生化学作用，铸件表面质量好；石墨型受热尺寸变化小，不易发生弯曲、变形，故铸件尺寸精度高；石墨型的寿命达2～5万次，劳动生产率比砂型提高2～10倍。石墨型铸造多用于锌合金、铜合金、铝合金等铸件。石墨型不仅可用于重力铸造，还可用于低压、反压、连续、离心浇注。 1.6.10真空吸铸

真空吸铸是使型腔内造成负压使金属液充型凝固的铸造方法。 1. 工艺过程

真空吸铸基本工艺过程。 2. 铸造原理

将结晶器的下端浸入金属液中，抽气使结晶器型腔内造成一定的真空，金属液被吸入型腔一定的高度，受循环水冷却的结晶器产生激冷，金属液由外向内迅速凝固，形成实心或空心的铸件。

3. 铸造特点

(1) 铸件不易产生气孔、缩孔、夹杂等缺陷； (2) 铸件晶粒细小，组织致密，力学性能好；

(3) 无浇注系统的金属液损失，但有结晶器口粘附金属的损失，工艺出品率高； (4) 生产过程机械化，生产率高；

(5) 铸件外形尺寸精确，内孔尺寸靠凝固时间控制，尺寸精度低，表面粗糙不平。 4. 应用范围

真空吸铸通常生产直径120mm以下的圆筒、圆棒类铸件等。它们可以加工成各种螺母、螺杆、轴套和轴类零件。真空吸铸广泛用于生产各种铜合金铸件，对于铝合金、锌合金等铸件的真空吸铸正在发展中。 1.6.11差压铸造

差压铸造又称反差铸造，用于汽车发动机轮毂等质量要求高的铸件。其实质是使液态金属在压差的作用下，浇注到预先有一定压力的型腔内，凝固后获得铸件的一种工艺方法。 差压铸造装置的工作原理是：浇注前密封室内有一定的压力（或真空度），然后借往密封室A中加压或由密封室B减压，使A、B室之间形成压力差，进行升液、充型和结晶。 差压铸造的特点为充型速度可以控制；铸件充型性好，表面质量高，精度可达CT6级；铸件晶粒细，组织致密，力学性能好；可以实现可控气氛浇注，提高了金属的利用率；劳动条件好。

1.6.12半固态金属流变铸造

半固态金属加工技术属21世纪前沿性金属加工技术。20世纪麻省理工学院（MIT）弗莱明斯教授发现金属在凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。这种浆料在外力作用下即使固相率达到60％仍具有较好的流动性。可利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工，这种工艺方法称为半固态金属加工技术（简称SSM）。 1.6.13现代整体精铸及快速凝固成形技术

1. 现代整体精铸成形技术

美国GE公司的GET700发动机前驱动涡轮发动机上的整体导向器，原设计由多个铸件组装而成，密封性差，现改为由72个叶片与薄壁喷管连在一起的整体精铸件，不但解决了密封问题，而且大大减少了加工和装配工作量，降低了成本，减轻了重量。美国用此整体精铸技术一年就生产了几千个涡轮增压器整体涡轮。70年代末，美国和联邦德国开始采用整体铸造技术生产RB199发动机的钛合金中间机匣。目前精铸的最大钛合金机匣直径已达1320mm，用于美国的CF680C2发动机。国外已能生产最大尺寸达1500mm，最小壁厚0.5～1.0mm的铝合金大型薄壁精铸件。这些精铸技术在提高飞机发动机可靠性，简化生产程序，降低结构重量和制造成本方面都取得了明显的技术经济效益。

国外在研究单晶空心无余量叶片精铸技术方面投入了很大力量，目前国外气冷叶片的冷却效果已达300～400℃，使材料的承温能力提高了30～60℃，其综合效果使涡轮前入口温度提高到1600K以上，目前已进入大批生产阶段。

目前国外又在加速研制更高冷却效果的对开定向和单晶铸、钎焊或扩散连接的空心涡轮叶片和快速凝固涡轮叶片，可使F16战斗机携带武器总重量增加2倍，寿命提高1倍。

2. 快速凝固成形技术

快速凝固技术是在比常规工艺条件下的冷却速度（10－4～10K/s）快得多的冷却条件（103～109K/s）下，使液态合金转变为固态的工艺方法。它使合金材料具有优异的组织和性能，如很细的晶粒（通常<0.1~0.01μm，甚至纳米级的晶粒），合金无偏析缺陷和高分散度的超细析出相，材料的高强度、高韧性等。快速凝固技术可使液态金属脱开常规的结晶过程（形核和生长），直接形成非晶结构的固体材料，即所谓的金属玻璃。此类非晶态合金为远程无序结构，具有特殊的电学性能、磁学性能、电化学性能和力学性能，已得到广泛的应用。如用作控制变压器铁芯材料、计算机磁头及外围设备中零件的材料、钎焊材料等。快速凝固正日益受到多方的重视。 1.6.14铸造成形过程数值模拟

铸件成形过程数值模拟是在虚拟的计算机环境下，模拟仿真出研究对象的特定过程，分析有关影响因素，预测该过程可能的趋势和结果。数值模拟就是在虚拟的环境下，通过交互方式，不需要现场试生产，就能制定合理的铸造工艺，大大缩短新产品的开发周期。

铸件成形过程数值模拟涉及到铸造理论与实践、计算机图形学、多媒体技术、可视化技术、三维造型、传热学、流体力学、弹塑性力学等多种学科，是典型的多学科交叉的前沿领域。其主要研究内容有：

（1）温度场模拟 （2）流动场模拟

（3）流动与传热耦合计算 （4）应力场模拟 （5）组织模拟

（6）其他过程模拟

上述模拟技术已从最初的普通重力砂型铸造扩展到压铸、低压铸造、熔模铸造、电磁铸造、连续铸造、电渣熔铸等诸多铸造方法。 1.6.15铸造工程中的并行工程

20世纪80年代，并行工程（Concurrent Engineering，简称CE）提出并引起制造业的重视。R.I.Winner在美国国防分析研究所（IDA）R－338研究报告中定义：“并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行一体化设计的一种系统化的工作模式，这种模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品的全部生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素，包括质量、成本、进度与用户需求。”

采用铸造方法生产毛坯要实现并行设计，必然要使产品设计与铸造工艺设计同步进行，相互反馈信息，使铸造人员也进入到产品设计的初期阶段。在产品设计部分，设计人员利用结构分析软件对产品原始设计强度性能、抗疲劳性能、结构稳定性等进行分析，优化结构；在工艺设计部分，铸造人员利用模拟软件模拟铸件的充型、凝固过程，进行缺陷分析，改进工艺设计并在必要时与设计部门联系修改产品结构。例如清华大学与美国FORDMOTOR公司合作，用IDEAS三维造型，通过Internet将铸件图样传送到清华，在CAE研究室用FT-STAR凝固模拟软件系统完成铸造工艺分析，预测质量及性能，并最终优化铸造工艺。 1.7 铸造技术的发展趋势

1 发达国家铸造技术发展现状

发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化(计算机控制、机器人操作)。

铸铁熔炼使用大型、高效、除尘、微机测控、外热送风无炉衬水冷连续作业冲天炉，普遍使用铸造焦，冲天炉或电炉与冲天炉双联熔炼，采用氮气连续脱硫或摇包脱硫使铁液中硫含量达0.01%，以下：熔炼合金钢精炼多用AOD、VOD等设备，使钢液中H、O、N达到几个或几十个10～6的水平。

在重要铸件生产中，对材质要求高，如球墨铸铁要求P小于0.04%、S小于0.02%，铸钢要求P、S均小于0.025%，采用热分析技术及时准确控制C、S含量，用直读光谱仪2～3 min分析出十几个元素含量且精度高，C、S分析与可使超低碳不锈钢的C、S含量得以准确控制，采用先进的无损检测技术有效控制铸件质量。 普遍采用液态金属过滤技术，过滤器可适应高温诸如钴基、镍基合金及不锈钢液的过滤。过滤后的钢铸件射线探伤A级合格率提高13个百分点，铝镁合金经过滤，铸件抗拉强度提高50%、伸长率提高100%以上。 广泛应用合金包芯线处理技术，使球铁、蠕铁和孕育铸铁工艺稳定、合金元素收得率高、处理过程无污染，实现了微机自动化控制。

铝基复合材料以其优越性能被广泛重视并日益转向工业规模应用，如汽车驱动杆、缸体、缸套、活塞、连杆等各种重要部件都可用铝基复合材料制作，并已在高级赛车上应用；在汽车向轻量化发展的进程中，用镁合金材料制作各种重要汽车部件的量已仅次于铝合金。

采用热风冲天炉、两排大间距冲天炉和富氧送风，电炉采用炉料预热、降低熔化温度、提高炉子运转率、减少炉盖开启时间，加强保温和实行微机控制优化熔炼工艺。在球墨铸铁件生产中广泛采用小冒口和无冒口铸造。铸钢件采用保温冒口、保温补贴，工艺出品率由60%提高到80%。考虑人工成本高和生产条件差等因素而大量使用机器人。由于环保法制严格(电炉排尘有9国规定100～250 mg/m3、冲天炉排尘，11国规定100～1000 mg/m3，或0.25～1.5kg/t铁液；砂处理排尘，8国规定100～250 mg/m3)，铸造厂都重视环保技术。

在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺，砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统，制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。

用自动化压铸机生产铸铝缸体、缸盖；已经建成多条铁基合金低压铸造生产线。用差压铸造生产特种铸钢件。所生产的各种口径的离心球墨铸铁管占铸铁管总量95%以上，球铁管占球铁年产量30%～50%。

成功地采用EPC技术大批量生产汽车汽缸体、缸盖等复杂铸件，生产率达180型/h。在工艺设计、模具加工中，采用CAD/CAM/RPM技术；在铸造机械的专业化、成套化制备中，开始采用CIMS技术。

铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%～5%；标准更新快(标龄4～5年)；普遍进行ISO 9000、IS014000等认证。

重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂等飞速发展。

2 我国铸造技术发展现状

总体上，我国铸造领域的学术研究并不落后，很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实生产力的少。国内铸造生产技术水平高的仅限于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，铸件质量低，材料、能源消耗高，经济效益差，劳动条件恶劣，污染严重。具体表现在，模样仍以手工或简单机械进行模具加工；铸造原辅材料生产供应的社会化、专业化、商品化差距大，在品种质量等方面远不能满足新工艺新技术发展的需要；铸造合金材料的生产水平、质量低；生产管理落后；工艺设计多凭个人经验，计算机技术应用少；铸造技术装备等基础条件差；生产过程手工操作比例高，现场工人技术素质低；仅少数大型汽车、内燃机集团铸造厂采用先进的造型制芯工艺，大多铸造企业仍用震压造型机甚至手工造型，制芯以桐油、合脂和粘土等粘结剂砂为主。大多熔模铸造厂以水玻璃制壳为主；低压铸造只能生产非铁或铸铁中小件，不能生产铸钢件；用EPC技术稳定投入生产的仅限于排气管、壳体等铸件，生产率在30型/h以下，铸件尺寸精度和表面粗糙度水平低；虽然建成了较完整的铸造行业标准体系，但多数企业被动执行标准，企业标准多低于GB(国标)和ISO(国际标准)，有的企业废品率高达30%；质量和市场意识不强，仅少数专业化铸造企业通过了ISO 900 0认证。结合铸造企业特点的质量管理研究十分薄弱。

近年开发推广了一些先进熔炼设备，提高了金属液温度和综合质量，如外热式热风冲天炉开始应用，但为数少，使用铸造焦的仅占1%。一些铸造非铁合金厂仍使用燃油、焦炭坩埚炉等落后熔炼技术。冲天炉—电炉双联工艺仅在少数批量生产的流水线上得以应用。少数大、中型电弧炉采用超高功率(600～700kVA/t)技术。

开始引进AOD、VOD等精炼设备和技术，提高了高级合金铸钢的内在质量。重要工程用的超低碳高强韧马氏体不锈钢，采用精炼技术提高钢液纯净度，改善性能。0Crl6Ni5Mo、Crl3Ni5Mo铸造马氏体不锈钢在保持原有韧性基础上，屈强比由0.70～0.75提高到0.85～0.90，强度提高30%～60%，硬度提高20%～50%。

广泛应用国内富有稀土资源，如稀土镁处理的球墨铸铁在汽车、柴油机等产品上应用；稀土中碳低合金铸钢、稀土耐热钢在机械和冶金设备中得到应用；初步形成国产系列孕育剂、球化剂和蠕化剂，推动了铸铁件质量提高。

高强度、高弹性模量灰铸铁用于机床铸件，高强度薄壁灰铸铁件铸造技术的应用，使最薄壁厚达4—16mm的缸体、缸盖铸件本体断面硬度差小于HB30，组织均匀致密。灰铸铁表面激光强化技术用于生产。人工智能技术在灰铸铁性能预测中应用。蠕墨铸铁已在汽车排气管和大马力柴油机缸盖上应用，汽车排气管使用寿命提高4—5倍。钒钛耐磨铸铁在机床导轨、缸套和活塞环上应用，寿命提高1～2倍。高、中、低铬耐磨铸铁在磨球、衬板、杂质泵、双金属复合轧辊上使用，寿命提高。应用过滤技术于缸体、缸盖等调高强度薄壁铸件流水线生产中，减少了夹渣、气孔缺陷，改善了铸件内在质量。

国产水平连铸生产线投入市场，可生产直径30～250mm圆形及相应尺寸的方形、矩形或异形截面的灰铸铁及球墨铸铁型材。与砂型比，性能提高1～2个牌号，铁液利用率提高到95%以上，节能30%，节材30%一50%，毛坯加工合格率达95%以上。

铸铁管行业引进10套直径1000 mm以下的中型球墨铸铁管离心铸造成套设备。

金属基复合材料研究有进步，短纤维、外加颗粒增强、原位颗粒增强研究都有成果，但较少实现工业应用。

某些重点行业的骨干铸造厂采用了直读光谱仪和热分析仪，炉前有效控制了金属液成分，采

用超声波等检测方法控制铸件质量。 环保执法力度日渐加强，迫使铸造业开始重视环保技术。沈阳铸造研究所等开发了大排距双层送风冲天炉和冲天炉除湿送风技术；我国初建铸造焦生产基地，形成批量规模。铸造尘毒治理、污水净化、废渣利用等取得系列成果，并开发出多种铸造环保设备(如震动落砂机除尘罩、移动式吸尘器、烟尘净化装置、污水净化循环回用系统，铸造旧砂干湿法再生技术及设备、铸造废砂炉渣废塑料制作复合材料技术和设备等)。

商品化CAE软件已上市。一些大中型铸造企业开始在熔炼方面用计算机技术，控制金属液成分、温度及生产率等。成都科技大学研制成砂处理在线控制系统，清华大学等开发了计算机辅助砂型控制系统软件，华中科技大学成功开发商品化铸造CAE软件。 铸造业互联网发展快速，部分铸造企业网上电子商务活动活跃，如一些铸造模具厂实现了异地设计和远程制造。

铸造专家系统研究虽然起步晚，但进步快。先后推出了型砂质量管理专家系统、铸造缺陷分析专家系统、自硬砂质量分析专家系统、压铸工艺参数设计及缺陷诊断专家系统等。机械手、机器人在落砂、铸件清理、压铸及熔模铸造生产中开始应用。

3 我国铸造技术发展趋势 1） 铸造合金材料

以强韧化、轻量化、精密化、高效化为目标，开发铸铁新材料；重点研制奥贝球墨铸铁(ADl)热处理设备，尽快制定国家标准，推广奥贝球墨铸铁新技术(如中断热落砂法、中断正火法等)；开发薄壁高强度灰铸铁件制造技术、铸铁复合材料制造技术(如原位增强颗粒铁基复合材料制备技术等)、铸铁件表面或局部强化技术(如表面激光强化技术等)。

研制耐磨、耐蚀、耐热特种合金新材料；开发铸造合金钢新品种(如含氮不锈钢等性能价格比高的铸钢材料)，提高材质性能、利用率、降低成本、缩短生产周期。

开发优质铝合金材料，特别是铝基复合材料。研究铝合金中合金化元素的作用原理及铝合金强化途径。研究降低合金中Fe、Si、Zn含量，提高合金强韧性的方法及合金热处理强化的途径。

研究力学性能更好的锌合金成分、变质处理和热处理技术；开发镁合金、高锌铝合金及黑色金属等新型压铸合金。

开发铸造复合新材料，如金属基复合材料、母材基体材料和增强强化组分材料；加强颗粒、短纤维、晶须非连续增强金属基复合材料、原位铸造金属基复合材料研究；开发金属基复合材料后续加工技术；开发降低生产成本、材料再利用和减少环境污染的技术；拓展铸造钛合金应用领域、降低铸件成本。

开展铸造合金成分的计算机优化设计，重点模拟设计性能优异的铸造合金，实现成分、组织与性能的最佳匹配。

2 ）铸造原辅材料

建立新的与高密度粘土型砂相适应的原辅材料体系，根据不同合金、铸件特点、生产环境、开发不同品种的原砂、少无污染的优质壳芯砂，抓紧我国原砂资源的调研与开发，开展取代特种砂的研究和开发人造铸造用砂；将湿型砂粘结剂发展重点放在新型煤粉及取代煤粉的附加物开发上。

开发酚醛—酯自硬法、C02-酚醛树脂法所需的新型树脂，提高聚丙烯酸钠—粉状固化剂-C02法树脂的强度、改善吸湿性、扩大应用范围；开展酯硬化碱性树脂自硬砂的原材料及工艺、再生及其设备的研究，以尽快推广该树脂自硬砂工艺；开发高反应活性的树脂及与其配套的廉价新型温芯盒催化剂，使制芯工艺由热芯盒法向温芯盒、冷芯盒法转变，以节约能源、提高砂芯质量。

加强对水玻璃砂吸湿性、溃散性研究，尤其是应大力开发旧砂回用新技术，尽最大可能

再生回用铸造旧砂，以降低生产成本、减少污染、节约资源消耗。

开发树脂自硬砂组芯造型，在可控气氛和压力下充型的工艺和相关材料，加强国产特种原砂与少无污染高溃散树脂的开发研究，以满足生产薄壁高强度铝合金缸体、缸盖的需要。提高覆膜砂的强韧性，改善覆膜砂的溃散性，改善覆膜砂的热变形性，加快覆膜砂的硬化速度。

建立与近无余量精确成形技术相适应的新涂料系列——大力开发有机和无机系列非占位涂料，用于精确成形铸造生产。对单件小批量生产精密铸件用的金属型、热芯盒及模具等开发自硬转移涂料，对精密砂芯开发微波硬化的转移涂料，为提高汽车缸体缸盖重要铸件内腔尺寸精度和表面质量，解决铸钢件壳型铸造中粘砂、表面粗糙等问题，推广非占位涂料或高渗透、薄层涂料技术与覆模砂技术的结合应用。

大力开发满足树脂砂机械化流水线生产优质钢铁铸件用的流涂、浸涂涂料和设备，开发能控制冷却速度、提高轻合金质量、减少脱模(芯)阻力、提高生产效率的金属型系列涂料，开发能阻隔树脂砂型(芯)中有害气体侵入铸件抑制气孔裂纹等缺陷的烧结屏蔽型涂料(如防渗碳、渗硫涂料)，开发适应于粘土型砂的湿型喷涂涂料。

加强涂料性能及其胶体化学、流变学的基础研究，开展涂层微波、远红外等干燥硬化工艺的研究，开发并制定涂料用原材料及性能的检测方法(包括测试仪器)和标准，建立其信息数据库。

在铸造生铁质量改善和采用脱硫技术的前提下，改进球化剂配方，降低镁、稀土含量、提高球化效果：开发特种合金用球化剂及特种工艺用球化剂。

增加孕育剂品种，开发针对性强的孕育剂，提高孕育剂粒度的均匀性。 开发新型脱硫剂(如CAO)复合脱硫剂等)。

发展立足国内资源的Sr盐或A1—Sr变质剂及晶粒细化剂，加强Sr变质与精炼工艺的综合研究。

开发适应RID、F1技术的精炼剂和精炼—变质一体化铝合金熔剂。 推动计算机专家系统在型砂等造型材料质量管理中的应用。 3）合金熔炼

发展5t/h以上大型冲天炉并根据需要采用外热送风、水冷无炉衬连续作业冲天炉；推行冲天炉—感应炉双联熔炼工艺；广泛采用先进的铁液脱硫、过滤技术(开：发烧结温度低、烧结时间短的新型低成本泡沫陶瓷过滤器、适用于各种活性合金、高温物化性能稳定的新型泡沫陶瓷过滤器、适用于熔模铸造、金属型铸造等特种铸造工艺的异形泡沫陶瓷过滤器、深入研究泡沫陶瓷过滤器的过滤净化机制和对金属凝固过程的影响机制、系统研究泡沫陶瓷过滤器的应用技术，包括孔径和厚度的选择、安放方式和浇注系统的设计、浇注温度和速度及金属液压头的控制等、开展泡沫陶瓷过滤器的系列化和标准化工作)、配备直读光谱仪、碳当量快速测定仪、定量金相分析仪及球化率检测仪，应用微机技术于铸铁熔体热分析等。推广冲天炉除湿送风技术，冲天炉废气利用，消除对环境的污染，提高铁液质量。

感应电炉具有灵活、节能、效率高等优势，采用感应电炉是今后铸铁熔炼技术发展的方向。开发新的合金孕育技术(如迟后孕育等)，推广合金包芯线技术，提高球化处理成功率，降低铸件废品率并提高铸件综合性能。

采用氩气搅拌、钙线射入净化、AOD、VOD等精炼技术，提高钢液的纯净度、均匀度与晶粒细化程度，减少合金加入量，提高铸件强韧性，减轻铸件重量与降低废品率。

铝合金铸件生产中，着重解决无污染、高效、操作简便的精炼技术、变质技术、晶粒细化技术和炉前快速检测技术，针对不同牌号、不同用途的合金，采用计算机数值模拟技术研究固溶、时效处理工艺参数的优化，以发挥材料潜能、提高材料性能。引进和消化RID、FI等先进精炼技术，提高铝合金熔炼水平。

深入研究镁合金熔炼工艺，加强镁合金熔炼用无污染高效溶剂的系列化商品化开发，强化高纯铸造镁合金材料、镁—稀土耐热铸造镁合金材料及镁基复合材料的铸造、回收、重熔技术的开发，进一步加强镁合金压铸、挤压铸造技术的研究和开发，以适应我国汽车业快速发展的需求。

完善钛合金熔炼设备、解决铸型材料现存问题，开展真空下铸型加热方式及铸型预热温度对铸件质量影响的研究、真空熔炼下合金元素挥发行为及对合金成分影响的研究、杂质元素对钛铸件质量影响的研究、不同合金不同条件下熔铸工：艺参数的优化研究、钛合金熔模铸造材料和工艺的研究、热等静压及铸件焊补工艺的研究。

4 ）砂型铸造

大力改善铸件内在、外部质量(如尺寸精度与表面粗糙度)、减少加工余量，进一步推广应用气冲、高压、射压和挤压造型等高度机械化、自动化、高密度湿砂型造型工艺是今后中小型铸件生产的主要发展方向。采用纳米技术改性膨润土，或采用在膨润土中加助粘结剂技术来提高膨润土质量，是推广应用湿型砂造型工艺的关键。

开发三乙胺冷芯盒法抗湿性及抗铸件脉纹技术，以节约粘结剂、减少污染、减少铸件缺陷、降低生产成本。

改进和提高垂直分型无箱射压造型机和空气冲击造型机的性能、控制系统的功能，同时对造型线辅机应按通用化、系列化原则进行开发，提高配套水平。

抓紧开发适合于形状复杂模样造型或多品种批量生产所需要的个性化、实用型气流-压实造型机。

提高砂处理设备的质量、技术含量、技术水平和配套能力，尽快填补包括旧砂冷却装置和适于运送旧砂的斗式提升机在内的技术空白，努力提高砂处理系统的设计水平。

研制多样化、使用效果好、寿命长的树脂自硬砂成套设备，增加品种提高性能。 着重开发冷芯盒射芯机系列产品及芯砂混制和送砂设备。

建立抛丸设备试验基地，对抛丸器、丸砂分离及降躁声装置等进行系统研究开发，研制技术性能和技术含量高的抛丸清理机。

面对入世后国际市场剧烈竞争的局面，铸机行业要根据我国国情的需要和可能，产学研相结合，开拓创新，下大力气开发先进、高效、低耗、实用、且具有自主知识产权的铸机新产品，为改变我国大多数铸造企业工艺技术装备的落后面貌，闯出一条投资小、见效快的捷径。

优先推广树脂自硬砂、冷芯盒自硬工艺、温芯盒法及壳型(芯)法；开发无或少污染粘结剂、催化剂、硬化剂及配套的防污染技术，开发能消除树脂砂铸件缺陷的材料和树脂砂复合技术。

推广新型酯硬化改性水玻璃砂在大、中型铸钢件上的应用，以逐步淘汰粘结强度低、玻璃加入量大、型砂溃散性差的C02—普通水玻璃砂的硬化工艺。

开发精确成形技术和近精确成形技术，大力发展可视化铸造技术，推动铸造过程数值模拟技术CAE向集成、虚拟、智能、实用化发展；基于特征化造型的铸造CAD系统将是铸造企业实现现代化生产工艺设计的基础和前提，新一代铸造CAD系统应是一个集模拟分析、专家系统、人工智能于一体的集成化系统。采用模块化体系和统一数据结构，且与CAM/CAPP?ERP/RPM等无缝集成；促使铸造工装的现代化水平进一步提高，全面展开CAD/CAM/CAE/RPM、反求工程、并行工程、远程设计与制造、计算机检测与控制系统的集成化、智能化与在线运行，催发传统铸造业的性进步。

5 ）特种铸造

开发熔模铸造模具、模料新技术，用硅溶胶或硅酸乙酯做粘结剂造型；采用精密、大型、薄壁熔模铸件成形技术；采用快速成形技术替代传统蜡模成形技术，简化工艺，缩短生产周

期；研制适合我国的压蜡设备、制壳机械手、燃油型壳焙烧炉；开发优质型壳粘结剂，增加可铸合金种类、扩大工艺适用面。

深入研究压铸充型、凝固规律，开发新型压铸设备及控制系统，改善液面加压系统性能以满足工艺要求；开展半固态合金压铸及新型压铸涂料研究；开发新压铸技术及金属基复合材料、镁合金、高铝锌基合金等压铸新合金材料；采用快速原型制造技术制作压铸模。开发能与工艺密切结合可满足各种工艺参数要求的低压铸造设备；推行低压铸造模具CAD、合金液填充和凝固过程模拟，使模具满足充填铸型时平稳流动、顺序凝固、及时、充分补缩的要求；开发高度自动化的低压铸造机和高可靠性零部件；开发复杂、薄壁、致密压铸件生产技术，推动低压铸造向差压铸造的发展。

提高熔炼质量、增加预处理、开发性能更优良的模具钢，如优质高寿命的热作模具，深入研究开发铸造模具RPM技术和CAE技术，推动并行环境下CAD/CAE/CAM/RPM集成技术和DNM技术的发展。

改进挤压铸造技术，扩大应用范围(如陶瓷纤维增强和反应合成金属基复合材料)；抓紧进行水平挤压铸造、半固态挤压铸造技术的研究，加强与塑料、化工行业的协作，开发模样新材料，如研制低密度、尺寸稳定的高发泡率EPS珠粒，创建先进、实用的模具CAD/CAM系统及快速制造技术；开发高效震实台，搞清干砂紧实特性；开发EPC工艺与其他铸造工艺复合的新技术；研究由EPC工艺引发的环境

问题及对策，如EPC车间废气有效净化装置和方法；研究铝铸件疏松渗漏、铸钢件增碳增氢、铸铁们：出现皱皮等缺陷的机理和消除办法；开发高效高精度制模机、粘合机并实现其国产化系列化；扩大非占位涂料的应用，发展表面合金化涂料、控制凝固涂料、孕育涂料、屏蔽涂料、消失模涂料、离心铸管涂料、激冷涂料等功能涂料。进行涂料性能检测仪的开发；推动涂料的标准化、商品化。

发展金属半固态连续铸造技术；推广树脂砂、金属型及覆砂金属型等高精度、近无切削的高效铸造技术；推广无铸型电磁铸造技术；开展喷铸技术的研究和应用。

充分借鉴冶金界电渣技术的研究成果，着重解决电渣熔铸工艺的技术难点，如电渣熔铸大型异形复杂铸件的结晶器设计、渣料配制及工装技术等。

6） 质量保障

改进、完善现有较成熟、实用的各类铸造仪器、设备，努力实现多功能、集成化、自动化、智能化，对铸造生产各环节进行分散在线测控。采用微机和CAD专家系统模块将相关环节的自动化测控仪器设备联机，配以执行机构，实现各环节闭环自动控制。将各环节智能测控系统与工厂管理中心计算机系统相联，组成工厂智能化闭环自控系统，实现生产质量预测与控制。将工厂自控系统通过高速信息通道与行业信息网络、专家系统相联，实现远程“会诊”与控制。

研究市场经济条件下，铸件产品质量的概念、含义、指标评价体系及具体量值；研究铸造企业质量体系特点、结构、质量手册编写方法、体系要素支撑标准的构成及建立、贯彻的方法；为适应全球经贸一体化的趋势，加快推行、主动申请质量(1S09000)、安全、环境(1SOl4000)等第三方认证制度，加快采用国际标准的步伐，以取得参与市场竞争的权利。扎实深入到企业(团体)业务实践的细节，策划有效的解决方案，使管理体系真实调整到提高产品(服务)质量、防止浪费，提高效率，满足顾客要求的基准目标上来。配合并适应先进制造技术的发展，抓紧制定先进铸造技术标准，积极采用先进。制造技术标准。要以法律、法规、标准为依据，建立质量保证及环境管理体系。

7） 信息化

开发既分散又集成、形式多样的适用于铸造生产各方面(如设计、制造、诊断、监督、规

划、预测、解释及教学等)需要的计算机专家系统。并在生产使用中不断完善，向多功能、高效率、实用化目标发展，使之与铸造CAD/CAPP/CAE/CAM集成；推进在线专家系统控制的前沿性研究。

重点开展能涵盖铸造企业所有行为(包括企业市场营销、物料进出、生产组织与协调、行政管理、与外界信息交流等)的集成化铸造信息处理系统研究开发和应用，用现代先进技术迅速改造传统铸造业；开发适应中国国情的铸造行业MRP-Ⅱ (制造资源计划)系统，并进一步向ERP(企业资源计划)发展。

推行计算机集成制造系统(CIMS)，借助计算机网络、数据库集成各环节产生的数据，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、系统工程技术，将铸造生产全过程中有关人、技术、设备与经营管理要素及信息流、物质流有机集成，实现铸造行业整体优化，解决参与竞争所面临的一系列问题，最终实现产品优质、低耗、上市快，从而在市场，尤其是国际市场竞争中立于不败之地。

研究互联网对铸造产业的影响与对策，建立自己的主页，开发铸造企业网上技术交流、电子商务、铸造异地设计和远程制造技术、分散网络化铸造技术(DNC)，尽早驶上“信息高速公路”，利用网络化高新技术的巨大动力推动铸造业的现代化深刻变革。 总结：

随着科学技术的进步和国民经济的发展，对铸造提出优质、低耗、高效、少污染的要求。铸造技术向以下几方面发展：

(1)机械化、自动化技术的发展 随着汽车工业等大批大量制造的要求，各种新的造型方法（如高压造型、射压造型、气冲造型、消失模造型等）和制芯方法进一步开发和推广。铸造工程CNC设备，FMC和FMS正在逐步得到应用。

(2)特种铸造工艺的发展 随着现代工业对铸件的比强度、比模量的要求增加，以及少无切削加工的发展，特种铸造工艺向大型铸件方向发展。铸造柔性加工系统逐步推广，逐步适应多品种少批量的产品升级换代需求。复合铸造技术（如挤压铸造和熔模真空吸铸）和一些全新的工艺方法（如快速凝固成形技术、半固态铸造、悬浮铸造、定向凝固技术、压力下结晶技术、超级合金等离子滴铸工艺等）逐步进入应用。

(3)特殊性能合金进入应用 球墨铸铁、合金钢、铝合金、钛合金等高比强度、比模量的材料逐步进入应用。新型铸造功能材料如铸造复合材料、阻尼材料和具有特殊磁学、电学、热学性能和耐辐射材料进入铸造成形领域。

(4)微电子技术进入使用 铸造生产的各个环节已开始使用微电子技术。如铸造工艺及模具的CAD及CAM，凝固过程数值模拟，铸造过程自动检测、监测与控制，铸造工程MIS，各种数据库及专家系统，机器人的应用等。 (5)新的造型材料的开发和应用

铸造技术的发展必然要为社会进步和经济发展的大局所左右，“绿色铸造”的概念体现了高速发展着的文明进程的人性化特征和经济可持续发展的总体要求。随着公众环境意识的不断提高及国家环境保律法规的进一步完善，“绿色铸造”的呼声正在迅速成为铸造技术发展的指挥棒，特别是国际标准化组织发布的有关环境管理体系的IS014000系列标准，也在推动着“绿色铸造”的强势发展，目标都是使铸件从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个“产品生命”周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高。从而使企业经济效益和社会效益达到最优化。“绿色铸造”是社会可持续发展战略在制造业中的一个体现，是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。和传统铸造生产模式相比，“绿色铸造”模式对企业信息化运作水平提出了相当高的要求，“绿色铸造”模式下铸件生产面临的关键是即时采用先进适用的铸造新技术来实现铸件“绿色生命周期”的全过程。 思考题及习题

1. 形状复杂的零件为什么用铸造毛坯？受力复杂的零件为什么不采用铸造毛坯? 2. 灰铸铁流动性好的主要原因是什么？提高金属流动性的主要工艺措施是什么？ 3. 请画出你在金工实习中了解的砂型铸造工艺流程。

4. 定向凝固和同时凝固方法分别解决哪种铸造缺陷？请举例各分析几种应用情况。 5. 今有直径为ф50，高50的圆柱形铸件，已知清理后未发生变形，假定立即进行切削加工，当：(1)中心钻一ф30的通孔；(2)车去厚度为15mm的外圆；(3)铣去20mm一边。请问，当只考虑轴向变形时，该铸件会发生什么变形趋势？

6. 为什麽空心球难以铸造出来，采用什麽措施才能铸造出来?

7. 现浇注直径为20、40、60mm的三根灰铁试棒，拉断力分别为317，188.5 ，565KN,问它们的σb各为多少？牌号是否相同？

8. 某定型生产的薄铸铁件，投产以来质量基本稳定，但最近一时期浇不足和冷隔缺陷突然增多，试分析其原因?

9. 铸件、模样、零件三者在尺寸上有何区别，为什么?

10. 下列铸件在大批生产时采用什麽铸造方法? 铝活塞，缝纫机头，气轮机叶片，大污水铸铁管，气缸套，摩托车气缸体，大模数齿轮滚刀，车床床身，带轮及飞轮。

11. 车床手轮在单件和批量生产时各应采用什麽方法铸造?请画出大批生产手轮的铸造工艺图和假箱图。

第2章固态金属塑性成形工艺（锻压成形）

2.1概述

锻压是对坯料施加外力，利用金属的塑性变形，改变坯料的尺寸和形状，并改善其内部组织和力学性能，获得所需毛坯或零件的成形加工方法。它是锻造和冲压成形的总称。与其它加工方法比，锻压成形有以下特点：（1）工件组织致密，力学性能高；（2）除自由锻以外，其余锻压加工生产率较高；（3）节约金属材料。

锻压成形技术是国民经济可持续发展的主体技术之一。据统计，全世界75％的钢材需经塑性成形，在汽车生产中，70％以上的零部件是利用金属塑性加工而成的。 纵观20世纪，塑性成形技术取得了长足的进展。主要体现在：

（1）塑性成形的理论基础已基本形成，包括位错理论、Tresca、Mises屈服准则、滑移线理论、主应力法、上限元法以及大变形弹塑性和刚塑性有限元理论等。

（2）以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为人们认识金属塑性成形过程的本质提供了新途径，为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的支持。

（3）计算机辅助技术(CAD/CAE/CAM)和逆向工程在塑性成形领域的应用不断深入，使制件尤其是模具的质量提高，制造成本和周期大幅下降。

（4）新的成形方法不断形成并得到成功应用，如超塑成形、爆炸成形等。

（5）精确成形工艺广泛应用在汽车等工业中。如用精确锻造成形技术生产凸轮轴等零件，铝合金薄板复杂工件的连续加工工艺AVT(Aluminum Vehicle Technology)、反压力液压成形、铸锻工艺（压铸和锻造工艺相结合）、同步成形工艺、动态液压技术、变压力液压胀形技术、回归热处理工艺（RHT）、半固态塑性成形、多向模锻等。 2.1.1金属的塑性变形

1．金属的塑性变形

实验表明，晶体只有在切应力的作用下才会发生塑性变形。室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的。滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于晶体的另一部分沿滑移面作整体滑动 。 孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿某个晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列呈镜面对称。单晶体在切应力作用下的孪生变形过程见下右图 。

近代塑性理论研究与实践证明，晶体内的滑移或孪生不是晶体两部分之间的整体刚性滑动或转动，而是通过位错运动来实现的。位错是晶体内部的一种缺陷，是局部晶体内某一列或若干列原子发生错排而造成的晶格扭曲现象。在切应力作用下，只需位错中心附近的少量原子作微量位移，就可使位错中心逐步移动，当位错移动到晶体表面时，就造成了一个原子间距的滑移变形量。

2．冷塑性变形对金属组织与性能的影响 1）冷塑性变形对金属性能的影响

金属材料经冷塑性变形后，随变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。加工硬化现象在工业生产中具有重要的意义。生产上常用加工硬化来强化金属，提高金属的强度、硬度及耐磨性。尤其是纯金属、某些铜合金及镍铬不锈钢等难以用热处理强化的材料，加工硬化更是唯一有效的强化方法（如冷轧、冷拔、冷挤压等）。 加工硬化也有其不利的一面。在冷轧薄钢板、冷拔细钢丝及深拉工件时，由于产生加工硬化，金属的塑性降低，进一步冷塑性变形困难，故必须采用中间热处理来消除加工硬化现象。

2）冷塑性变形对金属组织的影响 金属在外力作用下进行塑性变形时，金属内部的晶粒也由原来的等轴晶粒变为沿加工方向拉长的晶粒，当变形度增加时，晶粒被显著拉长成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。

3）产生残余应力

金属材料在塑性变形过程中，由于其内部变形不均匀导致在变形后仍残存在金属材料内的应力，称为残余应力。生产中常通过滚压或喷丸处理使金属表面产生残余压应力，从而使其疲劳极限显著提高。但残余应力的存在也是导致金属产生应力腐蚀以及变形开裂的重要原因。

3．冷变形金属的回复与再结晶

经过冷变形以后的金属，其组织结构及性能均发生了变化，并且产生了残余应力。生产中，若要求其组织结构及性能恢复到原始状态，并消除残余应力，必须进行相应的热处理。冷变形金属随热处理温度的提高，将经历回复、再结晶及晶粒长大三个阶段。

1）回复

当加热温度较低时，冷变形金属的纤维组织没有明显变化，其力学性能也变化不大，但残余应力显著降低，这一阶段称为回复，其回复温度为T回（T回=0.25～0.3T熔）。实际生产中将这种回复处理称为低温退火（或去应力退火）。它能降低或消除冷变形金属的残余应力，同时又保持了加工硬化性能。

2）再结晶

经冷加工变形后的金属重新加热到再结晶温度（T再=0.4 T熔）以上，其显微组织将发生明显变化，被拉长而呈纤维状的晶粒又变为等轴状晶粒，同时加工硬化与残余应力完全消除，这一过程称为再结晶。实际生产中将这种再结晶处理称为再结晶退火。它常作为冷变形加工过程中的中间退火，恢复金属材料的塑性以便于继续加工。

4．金属材料的热塑性变形

金属材料在高温下强度下降，塑性提高，易于进行变形加工，故生产中有冷、热加工之分。金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形加工，冷变形加工时将产生加工硬化。金属在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热变形加工。热变形加工时产生的加工硬化将随时被再结晶所消除。

热变形加工可使金属中的气孔和疏松焊合，并可改善夹杂物、碳化物的形态、大小和分布，提高钢的强度、塑性及冲击韧度。

热加工时铸锭中的非金属夹杂物沿变形方向被拉长成纤维组织（热加工流线），且再结晶不能改变其纤维状组织的分布形态。纤维组织使金属材料的力学性能呈现各向异性，其纵向（沿纤维方向）的力学性能明显高于横向（垂直纤维方向）。

温热变形 介于冷变形和热变形之间的塑性变形。温热变形中既有加工硬化，又有回复或再结晶现象。用温热变形得到的工件，其强度和尺寸精度比热变形高，而变形抗力比冷变形低。如温热挤压、半热锻等。 2.1.2金属及合金的锻造性

1. 金属及合金的锻造性

金属及合金的锻造性是指材料在锻压加工时的难易程度。若金属及合金材料在锻压加工时塑性好，变形抗力小，则锻造性好；反之，则锻造性差。因此，金属及合金的锻造性常用其塑性及变形抗力来衡量。

1）影响金属及合金锻造性的因素

金属及合金的锻造性主要取决于材料的本质及其变形条件。

（1）材料的本质

① 化学成分 不同化学成分的合金材料具有不同的锻造性。纯金属比合金的塑性好，变形抗力小，因此纯金属比合金的锻造性好；合金元素的含量越高，锻造性越差，因此低碳钢比高碳钢的锻造性好；相同碳含量的碳钢比合金钢的锻造性好，低合金钢比高合金钢的锻造性好。

② 组织结构 金属的晶粒越细，塑性越好，但变形抗力越大。金属的组织越均匀，塑性也越好。相同成分的合金，单相固溶体比多相固溶体塑性好，变形抗力小，锻造性好。

（2）变形条件

① 变形温度 随变形温度的提高，金属原子的动能增大，削弱了原子间的引力，滑移所需的应力下降，金属及合金的塑性增加，变形抗力降低，锻造性好。但变形温度过高，晶粒将迅速长大，从而降低了金属及合金材料的力学性能，这种现象称为“过热”。若变形温度进一步提高，接近金属材料的熔点时，金属晶界产生氧化，锻造时金属及合金易沿晶界产生裂纹，这种现象成为“过烧”。过热可通过重新加热锻造和再结晶使金属或合金恢复原来的力学性能，但过热使锻造火次增加，而过烧则使金属或合金报废。因此，金属及合金的锻造温度必须控制在一定的温度范围内，其中碳钢的锻造温度范围可根据铁-碳平衡相图确定 。

② 变形速度 变形速度是指单位时间内的变形量。金属在再结晶以上温度进行变形时，加工硬化与回复、再结晶同时发生。采用普通锻压方法（低速）时，回复、再结晶不足以消除由塑性变形所产生的加工硬化，随变形速度的增加，金属的塑性下降，变形抗力增加，锻造性降低。因此塑性较差的材料（如铜和高合金钢）宜采用较低的变形速度（即用液压机而不用锻锤）成形。当变形速度高于临界速度时，产生大量的变形热，加快了再结晶速度，金属的塑性增加，变形抗力下降，锻造性提高。因此生产上常用高速锤锻造高强度、低塑性等难以锻造的合金。

③ 变形方式（应力状态） 变形方式不同，变形金属的内应力状态也不同。拉拔时，坯料沿轴向受到拉应力，其他方向为压应力，这种应力状态的金属塑性较差。镦粗时，坯料中心部分受到三向压应力，周边部分上下和径向受到压应力，而切向为拉应力，周边受拉部分

塑性较差，易镦裂。挤压时，坯料处于三向压应力状态，金属呈现良好的塑性状态。实践证明，拉应力的存在会使金属的塑性降低，三向受拉金属的塑性最差。三个方向上压应力的数目越多，则金属的塑性越好。 2.2锻造

利用冲击力或静压力使加热后的坯料在锻压设备上、下砧之间产生塑性变形，以获得所需尺寸、形状和质量的锻件加工方法称为锻造。常用的锻造方法为自由锻、模锻及胎模锻。 2.2.1自由锻

利用冲击力或静压力使经过加热的金属在锻压设备的上、下砧间向四周自由流动产生塑性变形，获得所需锻件的加工方法称为自由锻。自由锻分为手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，机器锻造是自由锻的主要方式。自由锻主要用于单件、小批量锻件的生产以及大型锻件的生产。

1．自由锻的主要设备

自由锻的设备分为锻锤和液压机两大类。生产中使用的锻锤有空气锤和蒸汽-空气锤。液压机是以液体产生的静压力使坯料变形的，是生产大型锻件的唯一方式。

2．自由锻的工序

自由锻工序分为基本工序、辅助工序、精整工序三大类。自由锻的基本工序是指锻造过程中使金属产生塑性变形，从而达到锻件所需形状和尺寸的工艺过程。

１）基本工序 (1)镦粗

作用: 制得所需形状、尺寸的毛坯；使之具有较好的内部质量，提高性能。其变形特点为减小坯料的高度，而增加其直径；具有变形不均匀性。

镦粗时的最小阻力理——最小周边定则： 在塑性成形中，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。

镦粗应用范围：只适用于高度较小的盘类零件的毛坯锻造。即Ｈ0/D0≤2.5。若长或高（Ｈ0）径（D0）比太大，镦粗易弯曲或形成双鼓形。

镦粗方法：平砧间镦粗，在带孔的垫板间镦粗，在漏盘或模子内局部镦粗。

（２)拔长

①使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长。 ②作用：用于轴杆类锻件成形；改善锻件内部质量。 ③方法: 平砧或型砧拔长。 3) 冲孔:

采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔。 方法:① 实心冲子冲孔② 空心冲子冲孔③ 在垫环上冲孔

变形特点:在冲子下面的圆柱区,金属受镦粗作用向四周流动,但受到外环形区的阻碍而处于三向压应力状态，环形区则切向受拉，坯料外形也常常发生走样。

弯曲 将毛坯弯成所需形状的工序，在进行弯曲变形前，先要将毛坯锻成所需形状，使体积合理分配。便于获得合格产品。

扭转变形 将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序

切割 将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序，采用切割成形比单纯用切削加工的效率高得多

自由锻工序自由锻工序包括辅助工序、基本工序、精整工序 3．自由锻工艺设计

自由锻工艺设计包括：选择锻造方案，绘制锻件图，计算坯料的尺寸和质量，确定锻造工序，选择锻造设备和工具，确定锻造温度范围以及制订加热、冷却热处理规范等。

1）选择锻造方案：各种典型锻件的锻造

①圆轴类锻件锻造；②盘类锻件锻造；③叉杆类锻件锻造；④大型锻件锻造；⑤全纤维锻造

2）绘制锻件图

锻件图是锻造加工的主要依据，它是以零件图为基础，并考虑以下几个因素绘制而成的。

（1）锻件敷料 又称余块，是为了简化锻件形状，便于锻造加工而增加的一部分金属。由于自由锻只能锻造出形状较为简单的锻件，当零件上带有较小的凹槽、台阶、凸肩、法兰和孔时，可不予锻出，留待机加工处理。

（2）机械加工余量 是指锻件在机械加工时被切除的金属。自由锻工件的精度和表面质量均较差，因此零件上需要进行切削加工的表面均需在锻件的相应部分留有一定的金属层，作为锻件的切削加工余量，其值大小与锻件形状、尺寸等因素有关，并结合生产实际而定。

（3）锻件公差 是指锻件尺寸所允许的偏差范围。其数值大小需根据锻件的形状、尺寸来确定，同时考虑生产实际情况。

图3-8为台阶轴的典型锻件图。通常在锻件图上用粗实线画出锻件的最终轮廓，在锻件尺寸线上方标注出锻件的主要尺寸和公差；用双点划线画出零件的主要轮廓形状，并在锻件尺寸线的下面或右面用圆括号标注出零件尺寸。

2）坯料质量和尺寸的计算(P127） 3）锻件分类及变形工序

各种锻件的分类见下图，自由锻的锻造工序应根据锻件的形状、尺寸和技术要求，并综合考虑生产批量、生产条件以及各基本工序的变形特点加以确定。工序选择的一般原则如下: 短轴类(饼块类)锻件: 主要工序为镦粗（有凸肩的,局部镦粗；带孔的选镦粗——冲孔）。如齿轮坯：镦粗——冲孔。

长轴类(轴类)锻件: 主要工序拔长。 如曲轴: 拔长——错移——扭转。 弯曲锻件: 拔长——弯曲(多次)。 复杂形状的锻件, 各种工序的组合。

4）锻造设备

自由锻锻造设备的选择主要取决于坯料的质量、类型及尺寸。低碳钢、中碳钢和低合金钢的锤上自由锻可参考有关资料选择锻锤的吨位。

4．自由锻锻件的结构工艺性

自由锻由于受到锻造设备、工具及工艺特点的，在自由锻零件设计时，除满足使用性能外，还应具有良好的结构工艺性。自由锻锻件表面一般只能由平面和圆柱面组成，对于横截面尺寸变化较大、形状复杂的锻件，可以分成几部分分别锻造，然后再进行机械连接或焊接成整体。 2.2.2模锻

模型锻造简称模锻，是指将加热后的金属坯料放在锻模模膛，使坯料受压变形，从而获得锻件的方法。

与自由锻相比模锻具有以下特点：模锻件形状和尺寸精度高，表面质量好，加工余量小，节省金属材料；生产率高；操作简单，易于实现自动化；模锻设备精度要求较高，吨位要求较大，锻模结构比较复杂，成本高，生产准备周期较长。因此，模锻适用于中、小型锻件的成批及大量生产，在汽车、拖拉机、飞机制造业中得到广泛应用。 模锻按使用设备不同，可分为锤上模锻和压力机上模锻。

1．锤上模锻

锤上模锻是指将锻模装在模锻锤上进行锻造。在锤的冲击力下，金属在模膛中成形，特别适合于多模膛模锻，能完成多种变形工序，是目前我国锻造生产中使用最为广泛的一种模锻方法。

1）模锻锤

2）锤上模锻过程 3）锻模模膛 4）模锻图的绘制 （1）选择分模面

分模面是指锻模上模与下模的分界面。模锻件分模面的选择关系到锻件成形、锻件脱模以及锻件质量等一系列问题。确定模锻件分模面的原则通常为：

① 分模面应选在锻件最大截面处，以便于锻件顺利脱模；

② 分模面应使模膛深度最浅，且上、下模深度基本一致，以便于金属充满模膛； ③ 分模面应尽量为平面，以简化模具结构，方便模具制造； ④ 分模面应保证锻件所需敷料最少，以节省金属材料；

⑤ 对带孔饼类零件，为锻出凹孔，应径向分模而不宜轴向分模。

齿轮坯模锻件的几种分模方案，根据以上分模原则可知：a-a、b-b、c-c分模方案均存在问题，d-d分模方案最佳。

齿轮坯的模锻件图。其绘制方法与自由锻锻件图相同。双点划线表示齿轮零件外形，实线表示锻件的外形。沿锻件水平方向选取分模面，分模面选在锻件高度方向的中部，使锻模上下模膛形状一致。零件轮辐不需切削加工，故不留加工余量。锻件孔中间的两道横线为冲孔连皮。

5)模锻工序的选择

模锻工序主要按模锻件的形状和尺寸来确定。模锻件按其形状可分为长轴类零件（如台阶轴、曲轴、连杆等）和盘类零件（如齿轮、法兰盘等）两大类。

6）模锻件的结构工艺性

设计模锻件结构时，应充分考虑模锻的工艺特点和要求，尽量使锻模结构简单，模膛易于加工，模锻件易于成形，生产率高，生产成本低。因此，模锻的结构设计应考虑以下原则：

2. 压力机上模锻

锤上模锻操作简便、工艺适应性广，在中、小锻件的生产中得到广泛的应用。但锤上模锻锻造时震动及噪声大、劳动条件差、蒸汽作功效率低、能源消耗大，近年来大吨位的模锻机有逐步被压力机取代的趋势。生产上常用的压力机有摩擦压力机、曲柄压力机、平锻压力机等。

1) 曲柄压力机 1) 曲柄压力机

（1）曲柄压力机的工作原理

（2）曲柄压力机工艺特点及应用范围

① 曲柄压力机的冲压行程较大，其行程固定，机架刚度好。锻件的精度高，并能节省材料。

② 滑块的运动速度低，坯料变形速度慢，适合加工低塑性合金。 ③ 可采用组合锻模，模具制造简单，互换性好。 ④ 滑块的每次行程可完成一道工序，生产效率高。

⑤ 由于采用静压力，震动小，噪声低，工人劳动条件好，易于实现自动化。

但是，由于曲柄压力机滑块行程固定不变，且坯料在静压力下一次成形，金属不易充填较深的模膛，不宜用于拔长、滚挤等变形工序，需先进行制坯或采用多模膛锻造。此外，坯

料的氧化皮也不易去除，必须严格控制加热质量。

曲柄压力机与同样锻造能力的模锻锤相比，结构复杂、造价高，因此适合在大批、大量生产中制造优质锻件。

2）平锻机

平锻机的主要结构与曲柄压力机相似，因滑块沿水平方向运动，带动模具对坯料水平施压，故称为平锻机。

（1）平锻机的工作原理

平锻机根据凹模分模方式的不同，可分为垂直分模平锻机和水平分模平锻机两种。水平分模平锻机的传动系统如图3-25 所示。

2）平锻机的工艺特点及应用范围

平锻机除了具有曲柄压力机的特点以外，还具有以下特点：

① 能够锻造出其它锻造设备难以锻造的锻件。

② 锻件无模锻斜度，无飞边或飞边很小，可冲出通孔，锻件尺寸精度高，表面粗糙度低，节省材料，生产率高。

③ 难以锻造回转体及中心不对称的锻件。 平锻机的结构复杂，造价高，主要适合锻造大批量生产的带头部的杆类锻件和侧凹带孔锻件，如汽车半轴、倒车齿轮等。

3）摩擦压力机

（1）摩擦压力机的工作原理

（2）摩擦压力机工艺特点及应用范围 摩擦压力机工艺特点有：

① 摩擦压力机带有顶料装置，可以用来锻造带长杆类锻件，并可锻造小斜度或无斜度的锻件以及小余量、无余量的锻件，节省材料。

② 摩擦压力机具有模锻锤和曲柄压力机双重工作特性。

③ 摩擦压力机螺杆和滑块间为非刚性连接，承受偏心载荷的能力较差。 ④ 摩擦压力机依靠摩擦带动滑块进行往复运动实现锻压操作，传动效率及生产率较低，能耗较大。

根据以上特点，摩擦压力机主要适用于中、小批量生产中、小模锻件，特别适合模锻塑性较差的金属及合金如高温合金和有色金属合金等。 2.2.3胎模锻

胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件的一种锻造方法。胎模锻介于自由锻与模锻之间，汲取了两种锻造方法的优点。胎膜锻通常先在自由锻设备上制坯，然后将锻件放在胎模中用自由锻设备终锻成形，形状简单的锻件也可直接在胎模中成形。锻造时胎模置于自由锻设备的下砧上，用工具夹持住进行锻打。

1．胎模锻锻模的种类、结构及用途

胎模的种类很多，常用的胎模有扣模、摔模、套筒模、弯曲模等。常用胎模的种类及用途。

2．典型锻件的胎模锻锻造过程 双联齿轮坯胎模锻的锻造过程。坯料经自由锻镦粗成为中间坯料，将中间坯料放入左右拼分模中锻打，为保证锻造时左右拼分模不分开，将左右拼分模置于模套中，成形后左右拼分模从模套中取出并开模，最后取出锻件。

3．胎模锻的特点

1） 与自由锻相比，生产效率高，形状准确，加工余量小，尺寸精度高。锻件在胎模中成形，锻件内部组织细密，力学性能好。

2） 与模锻相比，不需要昂贵的设备，胎模不仅制作简单、成本低，而且使用方便，能局部成形，可以用小胎模制造出较大的锻件 2.3板料冲压

板料冲压是利用冲模在压力机上对材料施加压力，使材料产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的加工方法。板料冲压通常在室温下进行，故又称冷冲压。当板料厚度超过8～10mm 时，需采用热冲压。

2.3.1板料冲压的基本工序、特点及应用范围

1．板料冲压的基本工序

板料冲压的冲压方法可分为分离工序及变形工序两大类。分离工序是将冲压件或毛坯沿一定的轮廓相互分离。变形工序是在材料不产生破坏的前提下使毛坯发生塑性变形，形成所需形状及尺寸的工件。常见的冷冲压可分为五个基本工序：冲裁、弯曲、拉深、成形和立体压制（体积冲压）。 常见的冲压设备

冲压常用的设备有剪床和冲床等。剪床的主要用途是把板料切成一定宽度的条料，为后续的冲压备料。冲床主要用来完成冲压的各道工序，生产出合格的产品。

2. 常见的分离工序及变形工序 1）冲裁

冲裁是将板料沿封闭轮廓线分离的工序。冲裁包括落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序。

（1）冲裁过程

板料的冲裁过程如下图所示。凸模1与凹模2具有与工件轮廓一样的刃口，凸、凹模之间存在一定的间隙。当压力机滑块将凸模推下时，放在凸、凹模之间的板料冲裁成所需的工件。冲裁时板料的变形过程可分为三个阶段。

①当凸模开始接触板料并下压时，板料产生弹性压缩、弯曲、拉伸等变形； ②凸模继续下压，板料的应力达到屈服点，板料发生塑性变形；

③当板料应力达到抗剪强度时，板料在与凸、凹模刃口接触处产生裂纹，当上下剪裂纹相连时，板料便分成了两部分。

（2）冲裁间隙

冲裁间隙是指冲裁凸模与凹模之间工作部分的尺寸之差，即 Z=D凹－D凸 冲裁间隙对冲裁过程有很大的影响，它不仅对冲裁件的质量起决定性的作用，而且直接影响模具的使用寿命。间隙过小，冲裁挤压加剧，刃口所受压力增大，造成模具刃口变形及端面磨损加剧，严重时甚至发生崩刃现象。间隙过大，板料受拉伸、弯曲的作用加大，剪切断面塌角增大，导致冲裁件平面产生穹弯现象，上下裂纹不重合，工件有明显的拉断毛刺。因此，合理选取模具的间隙值非常重要。较小的间隙有利于提高冲裁件的质量，较大的间隙则有利于提高模具的寿命。影响间隙值的主要因素是板料厚度及材料性质。板料厚度愈大，间隙数值愈大，反之板料愈薄则间隙愈小。通常冲裁软钢、铝合金、铜合金等材料时，模具间隙取板厚的6～8％左右，冲裁硬钢等材料时，模具间隙取板厚的8～12％左右。

（3）凸模、凹模刃口部分尺寸计算

模具刃口设计原则如下：① 落料时，落料件的尺寸是由凹模决定的，因此应以落料凹模为设计基准。冲孔件的尺寸是由凸模决定的，因此应以冲孔凸模为设计基准。② 模具磨损后将使模具凹模尺寸变大，凸模尺寸变小，因此设计模具时，对于落料件，凹模是设计基准，凹模刃口尺寸应接近落料件的最小极限尺寸，凸模刃口尺寸比凹模缩小一个间隙量；对于冲孔件，凸模是设计基准，凸模刃口尺寸应接近冲孔件的最大极限尺寸，凹模刃口尺寸比

凸模放大一个间隙量。具体计算公式：

式中 D凹、D凸分别为落料凹模和凸模的基本尺寸； d凸、d凹分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸； Dmax－落料件的最大极限尺寸； dmax－冲孔件的最小极限尺寸； ⊿－冲裁件的公差；

x－磨损系数，其值应在0.5～1之间，与冲裁精度有关。当工件公差为IT10以上时，x=1，当工件公差为IT11～IT13时，x=0.75，当工件公差为IT14以下时，x=0.5。 δ凹、δ凸－分别为凹模和凸模的制造公差。 2）弯曲

将金属材料沿弯曲线弯成一定的角度和形状的工艺方法称为弯曲。

（1）弯曲变形过程

板料弯曲中最基本的是V形件的弯曲，其弯曲过程如图3-31所示。开始弯曲时，板料的弯曲内侧半径大于凸模的圆角半径，随凸模的下压，板料内侧半径逐渐减小，同时弯曲力臂也逐渐减小。当凸模、板料、凹模三者完全压合，板料的内侧半径及弯曲力臂达到最小时，弯曲过程结束。

（2）弯曲变形的特点

弯曲变形通常只发生在弯曲件的弯曲角范围内，圆角以外基本上不变形。板料靠近凸模的内侧长度缩短（受压），靠近凹模的外侧长度伸长（受拉），板料中间中性层长度不变。当板料外侧受到的拉应力超过板料的抗拉强度时，外层金属被拉裂。 弯曲件在弯曲变形结束后，会伴随一些弹性恢复从而造成工件弯曲角度、弯曲半径与模具的形状、尺寸不一致的现象，称为弯曲件的回弹现象，见图3-32。弯曲件的回弹会直接影响其精度。因此，在设计弯曲模时应使模具的弯曲角αp比弯曲件弯曲角α小一个回弹角⊿α，回弹角通常小于10°。材料的屈服强度愈高，相对弯曲半径愈大，则回弹值愈大；当弯曲半径一定时，板料愈厚，则回弹愈小。

（3）弯曲件的结构工艺性

① 最小弯曲半径 弯曲件的最小弯曲半径不能小于材料许可的最小半径，否则会造成弯曲处外层材料的破裂。

② 弯曲件的直边高度 弯曲臂过短不易弯成，应使臂长度h>2t。如必须短臂时，应先弯成长臂再切去多余部分。

③ 弯曲件孔边距 带孔件弯曲时，为避免孔被拉成椭圆，孔不能离弯曲处太近，应使L>2t。

④ 弯曲件半径较小的弯边交接处，容易因应力集中而产生裂纹，应事先在交接处钻出工艺孔，以预防裂纹的产生。

3） 拉深

将平面板料冲压成各种空心开口件的冲压工序称为拉深。拉深又称为拉延、引伸、延深等。采用拉深方法可生产筒形、阶梯型、锥形、球形、方盒形及其它不规则形状的薄壁零件。因此，拉深工艺在汽车、拖拉机、电器、仪表工业中得到广泛的应用。

（1）拉深过程

直径为D，厚度为t的毛坯经拉深模拉深，变成内径为d高度为h的开口圆筒形工件。 在拉深过程中，毛坯的中心部分成为圆筒形工件的底部，基本不变形。毛坯的凸缘部分是主要变形区域。拉深过程实质就是将凸缘部分的材料逐渐转移到筒壁部分。在转移过程中部分材料由于拉深力的作用以及材料间的相互挤压作用，在其径向和切向分别产生拉应力和切应力，在两种应力的共同作用下，凸缘部分的材料发生塑性变形。在凸模的作用下不断被压入

凹模形成圆筒形开口空心件。

（2）拉深时的主要质量问题 ① 起皱 拉深时，凸缘部分是拉深过程中的主要变形区，而凸缘变形区的主要变形是切向压缩。当切向压应力较大而板料又较薄时，凸缘部分材料便会失去稳定而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲，这就是拉深时的起皱现象。为防止起皱，实际生产中常采用压边圈来提高拉深时允许的变形程度。

② 拉裂 经过拉深后，筒形件壁部的厚度与硬度都会发生变化。筒壁愈靠上，切向压缩愈大，壁部愈厚，变形量愈大，加工硬化现象严重，硬度愈高。筒壁的底部靠近圆角处，几乎没有切向压缩，变形程度小，加工硬化现象小，材料的屈服点低，壁厚变薄。整个筒壁部由上而下壁厚逐渐变小，硬、薄板料拉深时最容易产生破裂。拉裂是筒形件拉深时的最主要的破坏形式。拉深时，极限变形程度就是以不拉裂为前提的。

（3）拉深系数与拉深次数 在拉深工艺设计时，必须知道冲压件需要几道工序才能完成，它直接关系到冲压件的质量及成本。拉深次数取决于每次拉深时允许的极限变形程度。拉深系数m是指每次拉深后筒形件直径与拉深前毛坯（或半成品）直径的比值，是衡量拉深变形程度的重要工艺参数。

3. 其他成形工序 1）翻边 是将零件的孔边缘或外边缘在模具作用下，翻成竖立边缘的一种冲压工艺方法。 (1) 翻边工艺的特点

① 可加工形状复杂且具有良好刚度和合理空间形状的零件。

② 可代替无底拉深件和拉深后切底工序，减少工序和模具,提 高了生产率降低了成本、节省了原材料。

③ 可代替某些复杂零件形状的拉深工作。故翻边特别适用于小批量试制性生产。 (2) 应用

翻边工序广泛应用于汽车、拖拉机、车辆制造等部门的机器零件中。 2）收口

将中空零件口径缩小、壁厚变厚，获得所需形状的工序。

3）胀形

胀形是利用压力将直径较小的筒形零件或锥形零件由内向外膨胀成为直径较大的凸出曲面零件，或者在板材上形成刚性的筋条的一种塑性成形工艺方法。

胀形工艺特点

① 局部塑性变形；材料不向变形区外转移,也不从变形区外进入变形区内。 ② 零件变形区内的材料,处于两相受拉的应力状态,膨胀时零件一般要变薄。 ③ 胀形极限变形程度,主要取决于材料塑性,塑性越好,极限变形程度越大。 ④ 胀形零件表面光洁,质量较好；零件回弹现象小。 应用

胀形工艺主要用于圆柱形空心毛坯的胀形，如水壶嘴。管类毛坯的胀形(如波纹管)也常用于平板毛坯的局部胀形(如压制突起、凹坑、加强筋、花纹图案及标记等)。

（3）拉深系数与拉深次数 在拉深工艺设计时，必须知道冲压件需要几道工序才能完成，它直接关系到冲压件的质量及成本。拉深次数取决于每次拉深时允许的极限变形程度。拉深系数m是指每次拉深后筒形件直径与拉深前毛坯（或半成品）直径的比值，是衡量拉深变形程度的重要工艺参数。

3. 板料冲压的特点及应用范围

1）可以获得形状复杂、用其它加工方法难以加工的工件，如薄壁件； 2）生产率高；

3）可获得重量轻、强度高、刚度好的工件，工件尺寸稳定，互换性好； 4）操作简单、劳动强度低、易于实现机械化和自动化；

5）可加工低中碳钢、低合金钢以及铜、铝、镁及其合金等塑性较好的材料，成形工序不能加工塑性差的材料，如铸铁等；

6）模具结构复杂，成本较高，适用大批量生产。 4.冲压成形综合应用

1）炮弹壳的成形工艺过程 2）鸣叫水壶的冲压工艺过程 2.3.2冲模种类

冲模的结构类型很多，为了研究方便，可以按冲模的不同特征进行分类：按冲模完成的工序性质可分为落料模、冲孔模、切断模、弯曲模、拉深模等；按工序的组合方式可分为单工序的简单模和多工序的连续模、复合模等三大类。 2.4锻压新技术

随着科学技术的不断发展，现代锻压技术取得了突破性的进展，出现了许多先进的加工方法。这些新工艺、新技术不但提高了锻压件的质量和精度，从而实现少、无切削加工，降低工件成本，而且还突破了材料的，使过去难以锻压的材料以及复合材料的锻压成形成为现实。

2.4.1精密模锻

精密模锻是在普通模锻设备上直接锻造出形状复杂、精度可达IT10～IT12，表面粗糙度Ra为3.2～0.8μm的锻件或零件的工艺方法。精密模锻锻件无需进行切削加工即可直接使用，但在加工过程中必须采取一系列相应的工艺措施。 精密模锻的特点及应用

精密模锻工艺要求非常严格，具体要求为：1）需精确计算原始坯料的尺寸，精确下料，并采用喷砂、酸洗等方法清除坯料表面的氧化皮；2）需采用少、无氧化方式加热，以减少坯料表面的氧化和脱碳现象；3）需采用精度高、刚度好的摩擦压力机、曲柄压力机或高速模锻锤等锻造设备进行锻造；4）锻模上、下模之间需采用导向装置，以保证上、下模精确合模。

精密模锻近年来发展较快，汽车、拖拉机中的直齿锥齿轮、飞机操纵杆、涡轮机叶片、发动机连杆及医疗器械等复杂零件均采用了精密模锻技术。精密模锻在中、小型复杂零件的大批量生产中得到了较好的应用。 2.4.2精密冲裁

用普通冲裁所得到的工件，剪切断面比较粗糙，而且还会产生塌角、毛刺等缺陷并带有斜度，工件的尺寸精度较低。精密冲裁（简称精冲）是指在专用精冲压力机或普通压力机上使用带V形齿圈压板的精密冲裁法，它是在普通冲裁基础上发展起来的一种冲裁工艺。 精密冲裁是利用小间隙的凸、凹模获得纯塑性剪切变形，避免出现撕裂现象的原理，从而获得既不带锥度又表面光洁的冲裁件。

精冲时，齿圈压板将板料压紧在凹模表面，V形齿压入材料，使坯料径向受到压缩，当凸模下压时，板料处于凸模的下压力、齿圈压板的压边力及顶板的反压力的共同作用下，此外由于凸、凹模的间隙很小，坯料处于强烈的三向压应力状态，提高了材料的塑性，抑制了剪切过程中裂纹的产生，使冲裁过程以接近于纯剪切的变形方式进行。 2.4.3回转成形

回转成形是指在坯料加工过程中，采用加工工具回转或坯料回转或加工工具与坯料同时回转的方式进行压力加工的新工艺方法。回转成形过程是通过对坯料进行连续的局部变形来实现工件的成形，故所需设备吨位较小，易于实现高速、节能和自动化生产。

1．辊锻

辊锻是将坯料在装有扇形模块的一对相对旋转的轧辊中间通过，使坯料受压发生塑性变形，从而获得锻件或锻坯的锻压方法。

2．轧制

1）横轧 横轧是轧辊轴线与坯料轴线相互平行的一种轧制方法。 2）斜轧 斜轧是轧辊轴线与坯料轴线在空间相夹一定角度的轧制方法。常见的斜轧方式主要为螺旋斜轧和穿孔斜轧两种，见图3-46。

3）楔横轧 楔横轧是一种特殊的横轧工艺。 3．摆动碾压

摆动碾压又称摆碾，是利用一个绕中心轴摆动的圆锥形模具对坯料局部加压使其高度减小、直径增大的成形方法。图3-47为摆动碾压的工作原理示意图。锥形凸模的轴线与机器主轴线相交成θ角，称为摆角（θ通常取1º～3º）。当主轴旋转时，凸模绕主轴产生摆动，对坯料进行局部碾压，使坯料整个截面逐步产生塑性变形。

摆动碾压可以用较小的设备碾压出较大的锻件；产品质量高、节约材料，可实现净成形、净终成形加工；易于实现自动化。主要用于生产具有回转体的薄盘类锻件及带法兰的半轴类锻件，如齿轮坯、铣刀坯、汽车后半轴等。 2.4.4冷变形及冷锻

1.拉拔成形 １) 原理

用拉拔机的钳子把金属料从一定形状和尺寸的拉拔模的模孔中拉出，可生产各种断面的型材、线材和管材。

２) 特点

① 应力状态：变形时金属处于一拉两压的应力状态。 ② 变形抗力小；

③ 产生拔制应力(作用力在型材头部,脱离变形区后仍有拉应力存在,即拔制应力)，塑性被降低。故变形量受限，中间需退火、润滑处理。

④ 拉拔成形常在冷态下进行。 2. 挤压 １）原理

挤压是将金属坯料放在挤压筒内,用强大的压力使坯料从模具中挤出成形的加工方法。 挤压分为冷积压、温挤压和热挤压三类，其中冷挤压属于冷锻范围。

2) 特点

挤压与轧制、拉拔相比,有如下优点：

① 塑性好、变形程度大，可一次挤压断面形状复杂的管材和型材。

② 可加工难于用其它塑性成形方法加工的脆性材料,加工仅在几秒内完成,因此对于变形温度范围窄的材料尤为有利。

③ 变形抗力大,挤压设备需要吨位大,故为了降低抗力型材和管材等常采用热挤压成形。 3) 分类

A 按照挤压时金属流动方向和凸模运动方向的关系,可分为四类: 正挤压--挤压凸模与坯料金属流动方向一致； 反挤压--挤压凸模与坯料金属流动方向相反；

复合挤压--挤压凸模与坯料金属流动方向有一致也有相反； 径向挤压--金属流动方向多向； B 按照挤压时坯料的温度状态分为:

① 热挤压:将毛坯加热到热模锻的温度范围内的挤压,挤压力小,但精度低。 ② 冷挤压: 回复温度以下（通常是室温下）,精度好,但抗力大。

③ 温挤压:加热温度在回复温度与再结晶温度之间进行的挤压,抗力较热挤压小,氧化程度小,尺寸精度较高 5.冷镦

冷镦和冷挤压一起同属于冷锻范围。冷镦时金属流动方向与凸模的运动方向垂直，冷镦的工件断面积比毛坯的断面积有所增大。

镦挤复合时金属流动方向除了同镦粗相同外，还有一部分金属沿凸模运动的方向一致或相反方向流动。镦挤复合方法可以制作多台阶的带孔或不带孔的扁平类零件及多台阶的轴类零件。

2.4.5多向模锻

多向模锻是将坯料放于模具内，用几个冲头从不同方向同时或先后对坯料施加脉冲力，以获得形状复杂的精密锻件。

多向模锻一般需要在具有多向施压的专门锻造设备上进行。这种锻压设备的特点就在于能够在相互垂直或交错方向加压。

多向模锻采用封闭式锻模，没有飞边槽，锻件可设计成空心或实心的，零件易卸出，拔模斜度小。锻件精度高，材料的利用率较高，达40％～90％以上。

多向模锻尽量采用挤压成形，金属分布合理，金属流线完好理想，力学性能好，强度一般能提高30％以上，延伸率也有提高。采用挤压成形的多向模锻亦称三维挤压。

多向模锻的缺点是，必须采用专用多向模锻压力机；毛坯加热时抗氧化要求高，只允许有一层极薄的氧化皮；毛坯尺寸要求严格，下料必须准确。 2.4.6超塑性成形

1． 超塑性成形的基本概念 金属及合金在特定的组织条件、温度条件及变形速度下进行变形时，可呈现出异乎寻常的塑性（延伸率可超过100%，甚至1000%以上），而变形抗力则大大降低（常态的1/5左右，甚至更低），这种现象称为超塑性。 2.4.7高能率高成形 高能率高成形（又称高速成形）是利用炸药或电装置在极短的时间里释放出的电能或化学能，通过介质以高压冲击波作用于坯料，使其产生变形和贴模的加工方法。常见的方法有：爆炸成形、电液成形、电磁成形及高速锤成形等。采用高速成形可对坯料进行拉深、翻边、胀形、起伏、弯曲、冲孔等冲压工序，而且工件精度高并能加工一些难以加工的金属材料。

1． 爆炸成形

爆炸成形是利用炸药爆炸产生的化学能使金属材料产生塑性变形的加工方法。爆炸成形装置简单，操作容易，无需冲压设备，工件的尺寸不受设备能力，尤其适合于试制或小批量生产大型工件。

2． 电液成形

电液成形是利用液体中电荷经电极放电，产生强大的冲击波从而使坯料在模具中成形的加工工艺。电液成形主要用于板料的拉深、胀形、翻边等，但由于受到设备容量的，电液成形仅适合中小件的成形，尤其适合管类零件的胀形加工。

3． 电磁成形

电磁成形是利用储存在电容器中的电能进行高速成形的一种加工方法。当开关闭合5时，线圈6中产生脉冲电流并在其周围形成强大的交变磁场，工件中因此产生感应电流并与磁场相互作用，最终使坯料高速贴模成形。 2.4.8粉末冶金及粉末锻造

1．粉末冶金

将几种金属粉末或金属与非金属粉末混匀后压制成形，再经过烧结而制成材料或制品的技术称为粉末冶金。

2．粉末锻造

粉末锻造是将粉末冶金法与精密锻造相结合的一种金属加工方法。首先应用粉末冶金法将金属原料及其它材料制成粉末，混匀后用锻模压制成形，烧结后用锻模进行锻制，经后处理后获得尺寸精度高、表面质量好、内部组织致密的锻件。因此，粉末锻造在现代汽车制造业中得到了广泛的应用。 2.4.9液态模锻

液态模锻是将熔融的金属直接浇注到锻模模膛内，然后在液态或半固态的金属上施加压力，使之在压力下流动充型和结晶，并产生一定程度的塑性变形，从而获得所需锻件的方法。又称为挤压铸造。液态模锻是一种将铸造工艺与锻造工艺相结合的先进的净终成形方法，既具有压力铸造工艺简单、可生产形状复杂、制造成本较低的特点，又具有模锻件晶粒细小、内部组织紧密、力学性能好、成形精度高的优点。液态模锻所需锻造压力较小，仅为模锻压力的20%。

2.4.10半固态金属塑性成形

半固态金属加工技术（SSM）是21世纪前沿性金属加工技术。半固态技术有一系列特点，最突出的是半固态材料的触变性和优良的组织结构，同时，成形零件的尺寸和精度能达到净成形或净终成形。

半固态金属成形技术主要有两条成形线路，其一为半固态铸造成形，即半固态流变成形（Rheocasting）和半固态触变铸造成形(Thixoforming)；其二为半固态压力加工成形，即采用半固态流变和半固态触变塑性成形。

半固态塑性成形方法是将半固态浆料制备成坯料，根据产品尺寸下料，重新加热到半固态温度后，再塑性加工成形。对于触变成形，由于半固态坯料便于输送，易于实现自动化，因而，在工业中较早得到了广泛应用。

1.触变模锻工艺过程

进入模膛的半固态合金坯料，只有初生相之间（5～30μm）薄层，由于是低熔点物质，呈熔融态，在压力下，以粘性流动方式，填充模膛，随后产生高压凝固和塑性变形，从而获得精密制件。

3.4.11粉末冶金温压成形技术

粉末冶金温压成形技术是用一次压制、烧结工艺，制造材料密度不低于7.25g/cm3的高强度铁基粉末冶金结构件的一项经济可行的新技术。温压成形技术能以较低的成本制造出高密度的粉末冶金零件，为粉末冶金零件在性能与成本之间找到了一个最佳的结合点。温压工艺自1994年被美国的Hoeganaes公司在国际PM2TEC 94会议上公布以来，发展才近十年，但研究和应用进展迅速。目前温压金属已获得了几十项美国专利，其保护的范围主要是预混合金粉和温压设备。

温压与一般粉末冶金工艺的不同在于，使用金属粉末和特殊润滑剂在高于室温（约在130～150℃）下压制成形，获得高密度制品，而成本只比常规粉末冶金工艺稍高一些。由于温压产品的性能价格比既优于其他粉末冶金工艺，也优于现有锻钢工艺，因而温压成形技术被认为是进入20世纪90年代以来，粉末冶金零件生产技术方面最为重要的一项技术进步。表2-9列出了至2001年初为止，温压工艺在世界各地的工业应用情况。

表2-9 至2001年初为止，温压工艺在世界各地的工业应用情况 表2-9 至2001年初为止，温压工艺在世界各地的工业应用情况 地区 欧洲 亚洲 北美洲 温压设备台数 产品种类/种 产品单件质量/g 23 12 5~200 32 175 5~215 15 35 10~1200 温压工艺自问世以来就获得了很大的商业成功。目前温压工艺已经成功地应用于工业生产，制造出各种形状复杂的高密度、高强度粉末冶金零件。表2-10列出了温压成形技术的典型应用及其特性。 表2-10 温压成形技术的典型应用及其特性 典型零件 汽车传动转矩变换器涡轮毂 技术优势及性能 备注 提高强度、密度7.25g/cm3以上，抗质量1.2kg 拉强度为807MPa，硬度17HRC，获1997年美国MPIF年度在扭矩为1210N·m时可承受100零件设计比赛大奖 万次以上循环 提高疲劳强度，密度达到7.4g/cm3，烧结态抗拉强度1050MPa，屈服强度560MPa，抗压屈服点750MPa，对称循环拉压疲劳强度为320MPa(r=1)，其波动仅为10MPa。 提高强度或疲劳强度，密度7.03~7.40g/cm3，抗拉强度为758～970MPa，疲劳强度350～450MPa 提高密度，密度7.25~7.57g/cm3，显著改进了磁性能 质量350～600g 获得2000年EPMA(欧洲粉末冶金协会)的粉末冶金创新一等奖 温压-烧结连杆 汽车传动齿轮、油泵齿轮、凸轮、同步器毂、转向涡轮、螺旋齿轮，电动工具锥齿轮 磁性材料零件，如变压器铁心，电动机硅钢片的替代品等 质量100～1000g 3.4.12数字化塑性成形技术

数字化塑性成形技术是一项在塑性成形全过程（塑性产品设计、分析和制造过程）中融合数字化技术，且以系统工程为理论基础的技术体系，实现优质、高效、低耗清洁生产。 塑性成形技术的数字化改造包括：建立以计算机图形学为基础的数字化模型，以统一的数据交换标准和工程数据库进行不同需求的交互，实现模型和信息共享；以数字化模型为基础，进行基于塑性成形知识的产品设计；以数字化模型为基础，进行基于塑性成形过程的产品性能分析；产品的数字化制造包括工艺过程和制造装备的数字化；系统集成与管理技术数字化主要是通过实施STEP/PDM/工程数据库/网络等技术提高塑性成形制造业的管理水平和效率，增强其核心竞争力。其中，设计和制造数字化技术是实施数字化的关键。

1. 设计数字化技术

设计虽然只占产品生命周期成本的5％～15％，但决定了70％～75％以上的产品成本和80％左右的产品质量和性能，而且上游的设计失误将以1:10的比例向下游逐级放大，可见设计，尤其是早期概念设计是产品开发过程最为重要的一环。

为了提高设计质量，降低成本，缩短产品开发周期，近年来，学术界提出了并行设计、协同设计，大批量定制设计等新的设计理论与方法，其核心思想是：借助专家知识，采用并行工程方法和产品族的设计思想进行产品设计，以便能够有效地满足客户的要求。其中基于知识的工程技术(KBE)和逆向设计技术是两项重要的支撑技术。

1）基于知识的工程设计(Knowledge-Based Engineering ,KBE)

模具设计是一个知识驱动的创造过程，它包含了对知识的继承、集成、创新和管理。KBE是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法和设计决策自动化的重要工具，

已成为促进工程设计智能化的重要途径。KBE是面向工程开发，以提高市场竞争力为目标，通过知识的继承、繁衍、集成和管理，建立各领域异构知识系统和多种描述形式知识集成的分布式开放设计环境，并获得创新能力的工程设计方法。 近年来，美国、日本和欧洲各国在KBE技术的开发与应用方面给予了有力的支持。美国Ford公司将KBE作为21世纪发展战略中信息领域的关键技术之一。欧美各国在KBE应用上获得了很大的成功，如Jaguar汽车公司采用KBE技术设计某车型发动机盖，设计时间由原来的2个月减为2h。

2）逆向设计技术

以实物模型为依据来生成数字化几何模型的设计方法即为逆向设计（详见第6章）。

2. 数字化分析技术 1）数字化模拟

金属塑性成形过程的机理非常复杂，传统的模具设计也是基于经验的多反复性过程，从而导致了模具开发周期长，开发成本高。面对激烈的市场竞争压力，模具行业迫切需要新技术来改造传统的产业，缩短模具开发时间，从而更有效地支持相关产品的开发。塑性加工过程的数值模拟技术正是这个背景下产生和发展的。 根据金属塑性变形时的力学状态不同，塑性成形技术分为体积成形和板料成形。金属体积成形过程数值模拟多采用刚（粘）塑性材料模型，板料成形过程的数值模拟多采用弹塑性材料模拟。

非线性有限元数值模拟技术在模具开发设计中广泛应用，对传统的模具开发过程的变革产生了深远的影响，美国模具行业采用了数值模拟技术，模具开发的周期平均缩短了30％～40％，开发成本平均降低了30％～40％。目前美国三大汽车公司已经将数值模拟技术作为模具开发中不可缺少的环节。

2）虚拟现实（ＶＭ）

虚拟现实技术是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级决策与控制能力。

虚拟现实从根本上改变了设计、试制、修改设计和规模生产的传统制造模式，在产品真正制造出来之前，首先在虚拟的环境中生成虚拟产品原型，进行性能分析和造型评估，使制造技术走出依赖经验的天地，发展到全方位预报的新阶段。如美国波音公司运用VM技术研制777飞机，使该机在一架样机也未生产的情况下就获得了订货，投入生产。空中客车公司使用VM技术，把空中客车试制周期从4年缩短到2年，从而提高了其全球竞争能力。

3. 数字化制造技术 1）模具的数字化制造

模具的数字化制造除了采用CAD/CAM技术在加工中心完成模具制造外，提高模具制造速度是目前模具制造的重要课题。

① 高速加工 高速技术是20世纪80年代发展起来的一项高新技术，其研究目标是缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少工序，最大限度地实现高精度和高质量。一般认为切削速度达到普通加工切削速度的5～10倍即为高速加工。

高速加工必须使用高速主轴、高速侍服系统、适合于高速加工的数控系统、刀具技术和快速换刀装置。

② 数据快速获取和制造

采用逆向工程，制取油泥模具原型，并通过光测量技术快速获得原型三维数据，目前一

些软件支撑直接使用测得的STL格式在加工中心对模具进行粗加工，以减少加工工时。

2）快速原型制造(RP)

快速原型制造大量地使用在模具设计和制造中。 思考题及习题

1. 何谓加工硬化？碳钢在其锻造温度范围内进行锻造加工是否会产生加工硬化？ 2. 金属经冷和热塑性变形后的组织和性能有什么变化？能否根据它们的显微组织区别这两种变形？

3. 为什么重要的大型锻件（如汽轮机主轴）需采用自由锻造方法制造？

4. 试拟定如图3-58所示零件的自由锻工艺规程（锻件图、变形工步、计算坯料尺寸）。

第3章非金属材料及成形

3.1概述

非金属材料是指除金属材料之外的所有材料的总称，通常主要包括有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料三大类。随着高新科学技术的发展，使用材料的领域越来越广，所提出的要求也越来越高。对于要求密度小、耐腐蚀、电绝缘、减振消声和耐高温等性能的工程构件，传统的金属材料已难以胜任。而非金属材料这些性能却有着各自优势。另外，单一金属或非金属材料无法实现的性能,可通过复合材料得以实现。 非金属材料的来源十分广泛，大多成形工艺简单，生产成本较低，已经广泛应用于轻工、家电、建材、机电等各行各业中，目前在工程领域应用最多的非金属材料主要是塑料、橡胶、陶瓷及各种复合材料。

非金属材料的发展

人类社会的发展在很大程度上取决于生产力的发展，生产力水平的高低往往以劳动工具为代表，而劳动工具的进步又离不开材料的发展。早在一百万年以前，人类开始用石头做工具，标志着人类进入旧石器时代。大约一万年以前，人类知道对石头进行加工，使之成为精致的器皿或工具，从而标志着人类进入新石器时代。在新石器时代，人类开始用皮毛遮身。8000年前，中国就开始用蚕丝做衣服，4500年前，印度人开始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进文明进步。在新石器时代，人类已发明了用黏土成形，经火烧固化而成为陶器。陶器不但成为器皿，而且成为装饰品，历史上虽无陶器时代的名称，但其对人类文明的贡献却不可估量。这是人类有史以来第一次使用自然界存在的物质（黏土和水），发明制造了自然界没有的物品（陶器）。陶器可以盛水、煮食物。水在100oC沸腾而保持恒温，食物的营养成分不但不被破坏，而且更易于消化吸收。人类的饮食生活习性由烧烤发展为蒸煮，人类自身生存状况有了彻底改观。因此，甚至有史学家认为陶器是人类最伟大的发明。时至今日，满足人类居住的建筑用材料，仍以非金属材料为主。随着5000年前的青铜、3000年前的铁以及后来钢等金属材料的出现，人类在十八世纪发明了蒸汽机，十九世纪发明了电动机、平炉和转炉炼钢。金属材料使人类农业繁荣并逐步走向工业时代，把人类带进了现代物质文明。当随着有机化学的发展，人造合成纤维的发明是人类改造自然材料的又一里程碑。目前各种有机合成材料几乎渗透到人类日常生活的各个领域。高性能的陶瓷材料以及各种复合材料支撑了航空航天事业的不断发展，使人类的文明走向宇宙。以单晶硅、激光材料、光导纤维为代表的新材料的出现，使人类仅用五十年就进入了信息时代。所以非金属材料对人类社会文明的进步发挥着重大的作用。在现代科学技术的推动下，材料科学发展迅速，材料的种类日益增多，不同功能的新材料不断涌现，原有材料的性能不断改善与提高，以满足人类未来的各种使用需求，因此，材料特别是品种繁多的新型非金属材料是未来高科技的基石、先进工业生产的支柱和人类文明发展的基础。

3.2工程塑料及成形

塑料是一类以天然或合成树脂为主要成分，在一定温度、压力条件下经塑制成形，并在常温下能保持形状不变的高分子工程材料。

塑料具有一定的耐热、耐寒及良好的力学、电气、化学等综合性能，可以替代非铁金属及其合金，作为结构材料用来制造机器零件或工程结构。塑料以其质轻、耐蚀、电绝缘，具有良好的耐磨和减磨性，良好的成形工艺性等特性以及有丰富的资源而成为应用很广泛的高分子材料，在工农业、交通运输业、国防工业及日常生活中均得到广泛应用。 3.2.1工程塑料的组成和性能

l. 塑料的组成

一般说来，塑料是由树脂和若干种添加剂 (如填充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、稳定剂、固化剂和阻燃剂)组成。

1)树脂 树脂是塑料的主要组分，它是塑料中能起粘结作用的部分，并使塑料具有成形性能。

2)填充剂 其主要作用是:改变塑料的某些性能，降低塑料成本，扩大塑料的应用范围。 3)增塑剂 增塑剂是用来提高树脂可塑性的。常用增塑剂如氧化石蜡、磷酸脂类等。 4)润滑剂 润滑剂是为防止塑料在成形过程中粘模而加人的添加剂。 5)着色剂 着色剂是使塑料制品具有美丽色彩的有机或无机颜料。

6)固化剂 固化剂是热固性塑料所必需的添加剂，目的在于促使线型结构转变为体型结构，成形后获得坚硬的塑料制品。

7)稳定剂 稳定剂又称防老化添加剂，其主要作用是提高某些塑料的受热或光照稳定性。 8)其他添加剂 塑料添加剂除上述几项外还有阻燃剂(如氧化锑等)、抗静电剂、发泡剂、溶剂、稀释剂等。 3.3工业橡胶及成形

3.3.1工业橡胶的组成及性能

1.工业橡胶的组成

橡胶是以生胶为原料，加入适量配合剂，经硫化后所组成的高分子弹性体。

1） 生胶 按其原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶。 2） 配合剂

配合剂是指为改善生胶的性能而添加的各种物质。包括硫化剂、促进剂、软化剂、填充剂、防老化剂和着色剂等。

（1）硫化剂 硫化剂相当于热固性塑料中的固化剂，硫化剂能使分子链相互交联成网状结构，橡胶的交联过程叫“硫化”。橡胶品种不同，所用硫化剂也不同。

（2）促进剂 促进剂能缩短硫化时间，降低硫化温度，提高制品的经济性。常用的促进剂多为化学结构复杂的有机化合物，有时往往还加入氧化锌等活化剂。

（3）软化剂 软化剂能增加橡胶的塑性，改善粘附力，并降低橡胶的硬度和提高其耐寒性，常用的软化剂有硬脂酸、精制蜡、凡士林及一些油脂类。

（4）填充剂 填充剂能增加橡胶的强度、降低成本及改善工艺性能。常用炭黑、氧化硅、白陶土、氧化锌、滑石粉等填料。

（5）防老化剂 橡胶在长期存放或使用过程中因环境因素逐渐被氧化而发生变粘变脆，这种现象称为橡胶的老化。防老化剂可防止橡胶的氧化，延长老化过程，增加使用寿命。常用的防老化剂有苯胺等。

（6）着色剂 着色剂能使橡胶制品具有各种不同的颜色，有锑红、铬绿、络青等颜料。 2.工业橡胶的性能 l)高弹性

高弹性是橡胶性能的主要特征。橡胶弹性模量低，一般在1～9.8MPa(而塑料可高至200OMPa)，回弹性能特别好，承受外力后，立即产生很大的变形，伸长率可达100%～1000%，外力除去后又很快恢复原状，并能在很宽的温度（-50～50oC）范围内保持弹性。

2）粘弹性

橡胶是粘弹性体。产生形变时受时间、温度等条件的影响，表现有明显的应力松弛和蠕变现象。在振动或交变应力等周期作用下，产生滞后损失。

3）可塑性

可塑性是指在一定温度和压力下发生塑性变形，外力去除后能够保持所产生的变形的能力。橡胶在加工过程中如弹性太大，塑性变形困难，加工成形就困难，为了提高加工性，则需适当降低弹性而增加可塑性，因此必须通过塑炼提高其可塑性。

4)机械强度

机械强度是决定橡胶制品使用寿命的重要因素。工业生产中常以抗撕裂强度(或拉伸强度)及定伸强度表示。抗撕裂强度与分子结构有关，一般线型结构的强度高，分子量大的强度高。定伸强度是指在一定伸长率的情况下而产生弹性变形所需应力大小，分子量愈大，强度也愈高。定伸强度大，说明该橡胶不容易产生弹性变形。

5)耐磨性

耐磨性即橡胶抵抗磨损的能力。橡胶强度愈高，磨损量愈少，耐磨性也愈好。

6）具有电绝缘性 7）具有缓冲减震作用

橡胶对声音及振动的传播有缓和作用，可利用这一特点来减弱噪音和振动。 3.4工业陶瓷及成形

陶瓷是由天然或人工合成的粉状矿物原料和化工原料组成,经过成形和高温烧结制成的,由金属和非金属元素构成化合物反应生成的多晶体相固体材料。 3.4.1陶瓷的组织结构及性能

1．陶瓷的组织结构

普通陶瓷的典型组织是由晶体相、玻璃相和气体相组成的。特种陶瓷的原料纯度高，组织比较单一。如含Al203在95%以上氧化铝陶瓷，其组织主要由Al203晶体和少量气体相组成。

2．陶瓷的性能 1）陶瓷的力学性能

陶瓷的弹性模量E一般都较高，极不容易变形。有的先进陶瓷有很好的弹性，可以制作成陶瓷弹簧。陶瓷的硬度很高，绝大多数陶瓷的硬度远高于金属。陶瓷的耐磨性好，是制造各种特殊要求的易损零、部件的好材料。例如用碳化硅陶瓷制造的各种泵类的机械密封环，寿命很长，可以用到整台机器报废为止。陶瓷的抗拉强度低，但抗弯强度较高，抗压强度更高，一般比抗拉强度高一个数量级。

陶瓷材料一般具有优于金属的高温强度，在1000oC以上的高温下陶瓷仍能保持其室温下的强度，而且高温抗蠕变能力强，是工程上常用的耐高温材料。传统陶瓷在室温几乎没有塑性。近年来还发现一些陶瓷具有超塑性，断裂前的应变可达到 300％左右。传统陶瓷的韧性低、脆性大。而许多先进陶瓷材料则是既坚且韧，如增韧氧化锆瓷就非常坚韧。

2）陶瓷的物理性能 ① 热性能

陶瓷的线膨胀系数较小，比金属低得多；陶瓷的热传导主要靠原子的热振动来完成的，不同陶瓷材料的导热性能不同，有的是良好的绝热材料，有的则是良好的导热材料，如氮化硼和碳化硅陶瓷。

热稳定性陶瓷材料在温度急剧变化时具有抵抗破坏的能力。热膨胀系数大、导热性差、韧性低的材料热稳定性不高。多数陶瓷的导热性差、韧性低，故热稳定性差。但也有些陶瓷具有高的热稳定性，如碳化硅等。

② 导电性

多数陶瓷具有良好的绝缘性能，但有些陶瓷具有一定的导电性，如压电陶瓷、超导陶瓷等。

③ 光学特性

陶瓷一般是不透明的，随着科技发展，目前已研制出了如制造固体激光器材料，光导纤维材料、光存储材料等陶瓷新品种

3）陶瓷的化学性能 陶瓷的结构非常稳定，通常情况下不可能同介质中的氧发生反应，不但室温下不会氧化，即使1000oC以上的高温也不会氧化，并且对酸、碱、盐等的腐蚀有较强的抵抗能力，也能抵抗熔融金属(如铝、铜等)的侵蚀。 3.5复合材料及成形

3.5.1复合材料的定义、分类和性能

1．复合材料定义

复合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的新材料，其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。

从理论上说，金属材料、陶瓷材料或高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成新的复合材料。事实上也是如此，如在高分子材料/高分子材料、陶瓷材料/高分子材料、金属材料/高分子材料、金属材料/金属材料、陶瓷材料/金属材料、陶瓷材料/陶瓷材料之间的复合都已获得许多种高性能新型复合材料。复合材料通常由基体材料和增强材料两部分组成，基体一般选用强度韧性好的材料，如聚合物、橡胶、金属等，而增强材料则选用高强度、高弹性模量的材料，如玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等。

2．复合材料命名

根据基体材料和增强材料命名，复合材料的命名一般有以下三种情况:

（1）强调基体时则以基体材料的名称为主，如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。

（2）强调增强体时则以增强体材料的名称为主，如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料等。

（3）基体材料名称与增强体材料名称并用，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，如碳纤维/环氧树脂复合材料，玻璃纤维/环氧树脂复合材料。

国外还常用英文编号来表示，如MMC(Metal Matrix Composite)表示金属基复合材料，FRP(Fiber Reinforced Plastics)表示纤维增强塑料。 3.6纳米材料

3.6.1纳米材料的定义和特性

1. 纳米材料的定义

纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学、加工学等。

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成

与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从宏观到微观的过渡有更深入的认识。 思考题与习题

1. 属于非金属材料的工程材料有哪些？ 2. 试述常用工程塑料的种类、性能及应用。

3. 常用工程塑料一次成形的方法有哪些？分别简述其工艺步骤。 4. 工程塑料二次加工的方法及其应用实例有哪些？ 5. 根据下列工件的用途为其选用适合的塑料材料：

飞机窗玻璃 ( ) ，电源插座 ( ) ，化工管道 ( )， 齿轮 ( )， (1) 酚醛塑料 (2) 尼龙 (3)聚氯乙烯 (4) 聚甲基丙烯酸甲醋 6．何为工程橡胶材料成形的硫化工艺？ 7．工业橡胶的性能主要有哪些？

8．简述陶瓷制品的生产工艺 , 解释陶瓷的晶体结构和显微结构。 9．陶瓷为何是脆性的 ? 提高陶瓷强度的途径有哪些 ? 10．常用工程陶瓷有哪几种 ? 各有何特点和用途 ? 11．什么是复合材料 ? 复合材料的种类有哪些 ?

12．典型的纤维增强复合材料有哪些？并简述它们的成形工艺？ 13．试从生活或工业用品中找出三种复合材料制造的物品，并提出可行的成形工艺方法。 14．纳米材料有何该材料特有的特性？

第4章零件的毛坯选择

材料的成形过程是机械制造的重要工艺过程。机器制造中，大部分零件是先通过铸造成形、锻压成形、焊接成形或非金属材料成形方法制得毛坯，再经过切削加工制成的。毛坯的选择，对机械制造质量、成本、使用性能和产品形象有重要的影响，是机械设计和制造中的关键环节之一。

通常，零件的材料一旦确定，其毛坯成形方法也大致确定了。例如，零件采用ZL202、HT200、QT600-2等，显然其毛坯应选用铸造成形；齿轮零件采用45钢、LD7等常采用锻压成形；零件采用Q235、08钢等板、带材，则一般选用切割、冲压或焊接成形；零件采用塑料，则选用合适的塑料成形方法；零件采用陶瓷，则应选用陶瓷成形方法。反之，在选择毛坯成形方法时，除了考虑零件结构工艺性之外，还要考虑材料的工艺性能能否符合要求。 4.1 毛坯选择的原则

毛坯选择的原则，应在满足使用要求的前提下，尽可能地降低生产成本，使产品在市场上具有竞争能力。

1. 工艺性原则

零件的使用要求决定了毛坯形状特点，各种不同的使用要求和形状特点，形成了相应的毛坯成形工艺要求。零件的使用要求具体体现在对其形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等

外部质量，和对其化学成分、金属组织、力学性能、物理性能和化学性能等内部质量的要求上。对于不同零件的使用要求，必须考虑零件材料的工艺特性（如铸造性能、锻造性能、焊接性能等）来确定采用何种毛坯成形方法。例如，不能采用锻压成形的方法和避免采用焊接成形的方法来制造灰口铸铁零件；避免采用铸造成形方法制造流动性较差的薄壁毛坯；不能采用普通压力铸造的方法成形致密度要求较高或铸后需热处理的毛坯；不能采用锤上模锻的方法锻造铜合金等再结晶速度较低的材料；不能用埋弧自动焊焊接仰焊位置的焊缝；不能采用电阻焊方法焊接铜合金构件；不能采用电渣焊焊接薄壁构件等等。选择毛坯成形方法的同时，也要兼顾后续机加工的可加工性。如对于切削加工余量较大的毛坯就不能采用普通压力铸造成形，否则将暴露铸件表皮下的孔洞；对于需要切削加工的毛坯尽量避免采用高牌号珠光体球墨铸铁和簿壁灰口铸铁，否则难以切削加工。一些结构复杂，难以采用单种成形方法成形的毛坯，既要考虑各种成形方案结合的可能性，也需考虑这些结合是否会影响机械加工的可加工性。

4.2 常用毛坯成形方法的比较

常用的毛坯成形方法有铸造、锻造、粉末冶金、冲压、焊接、非金属材料成形和快速成形等。

1. 铸造 铸造是液态金属充填型腔后凝固成形的成形方法，要求熔融金属流动性好、收缩性好，铸造材料利用率高，适用于制造各种尺寸和批量且形状复杂尤其具有复杂内腔的零件，如支座、壳体、箱体、机床床身等。手工砂型铸造是单件、小批生产铸件的常用方法；大批大量生产常采用机器造型；特种铸造常用于生产特殊要求或有色金属铸件。

2. 锻造 锻造是固态金属在压力下塑性变形的成形方法，要求金属的塑性较好、变形抗力小。锻造方法适用于制造受力较大、组织致密、质量均匀的锻件，如转轴、齿轮、曲轴和叉杆等。自由锻锻造工装简单、准备周期短，但产品形状简单，是单件生产和大型锻件的唯一锻造方法；胎模锻是在自由锻设备上采用胎模进行锻造的方法，可锻造较为复杂、中小批量的中小型锻件；模锻的锻件可较复杂，材料利用率和生产率远高于自由锻，但只能锻造批量较大的中小型锻件。

3. 粉末冶金 粉末冶金是通过成形、烧结等工序，利用金属粉末和（或）非金属粉末间的原子扩散、机械楔合、再结晶等获得零件或毛坯的。要求粉料的流动性好，压缩性大。粉末冶金材料利用率和生产率高，制品精度高，适合于制造有特殊性能要求的材料和形状较复杂的中、小型零件。如制造减磨材料、结构材料、摩擦材料、硬质合金、难熔金属材料、特殊电磁性材料、过滤材料等板、带、棒、管、丝各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件；可以制造重量仅百分之几g的小制品，也可制造近2t重的大型坯料。

4. 冲压 冲压是借助冲模使金属产生分离或变形的成形方法，要求金属塑性成形时塑性好、变形抗力小。冲压可获得各种尺寸且形状较为复杂的零件，材料利用率和生产率高。冲压广泛应用于汽车、仪表行业，是大批量制造质量轻、刚度好的零件和形状复杂的壳体的首选成形方法。

4.3 常用零件的成形方法

常用零件的成形方法可根据零件形状进行分类选择。 4.3.1轴杆类零件

轴杆类零件的轴向尺寸远大于径向尺寸，主要有各种实心轴、空心轴、曲轴、杆件等。轴杆类零件主要作为传动元件或受力元件，除光轴外，一般大多为锻件毛坯，断面直径相差越大的阶梯轴或有部分异型断面的轴，采用锻件毛坯越有利。如发动机曲轴、连杆、汽车前梁等都采用锻件毛坯。

对光轴、直径变化较小的轴和力学性能要求不高的轴，一般采用轧制圆钢作为毛坯进行机械加工制造。

对于锻造轴，受力较小时采用中碳钢（如30～50中碳钢）制造，承载较大时采用中碳合金钢（如40Cr、40CrNi等）制造并调质处理；受较大冲击且承受摩擦时采用渗氮钢（38CrMoAl等）制造且渗氮处理，或采用渗碳钢（如20Cr、20CrMnTi等）制造并渗碳、淬火处理。

某些具有异形截面或弯曲轴线的轴，如凸轮轴、曲轴等，采用铸钢（如ZG270-500等），在满足使用要求的前提下，也可采用球墨铸铁毛坯（如QT450-10等），以铁代钢，降低制造成本。

对于一些大型构件、特殊性能要求的轴、杆类零件的毛坯等，还可采用锻造＋焊接或铸造＋焊接的工艺完成。汽车排气阀，将锻造的耐热合金钢阀帽与轧制的碳素结构钢阀杆焊成一体，节约了合金钢材料。120000kN水压机立柱，长18m，净重80t，采用ZG270-500分6段铸造，粗加工后采用电渣焊焊成整体毛坯。 4.4 毛坯成形方法选择实例 4.4.1V带轮零件的成形方法选择 V带轮应满足以下要求：重量轻，质量分布均匀，安装对中性好，消除制造中的内应力，在v>5m/s时，应进行动平衡试验。外径、孔径、宽度和传动功率是V带轮的重要使用参数 。成形方案及相应的结构选择就是建立在满足这些使用参数的要求上的。

1. 基准直径dd <100mm的小带轮成形方案

dd <100m的带轮属于小带轮，这类带轮一般传递功率不大，加工的工时量也不大，金属切除量相对较小，成形方法选择相对比较灵活，可以采用以下四种方法成形，并进行可靠性和经济性比较，择优选取。

1）金属切削直接成形 用45钢圆棒料直接车出，若无减轻重量要求时，可设计成实心圆柱形，其外圆、V带槽和轴孔均可车出。 4.5 毛坯成形方法选择的经济性分析 4.5.1毛坯材料的经济性选材原则 材料的经济性原则，不仅指优先考虑选用价格比较便宜的材料，而是要综合考虑材料对整个制造、运行使用和维修成本等的影响，以达到最佳技术经济效益，这对于材料的最终取舍同样有决定性的意义。

1. 材料的成本效益分析

降低基本材料成本对机械制造者和使用者（物主）都是有利的。通常以单位质量的工程材料价格（元/kg）来衡量材料的价值，从满足使用性能的若干材料中选择价格较低者。这样比较并不全面，如果正在设计一种大量生产的零件，可用聚合物、陶瓷或金属来制造，那么，考察一下每单位体积的价格（元/m3）对选择材料更为有益。因为塑料的密度平均是钢的四分之一左右，某些塑料其单位体积的价格低于钢铁材料，而属于便宜的结构材料。还有不少以静强度为选材依据的场合，可以比较不同材料的单位强度价格（元/MPa），如低合金高强度钢以单位强度价格与碳素钢相比，成本效益更佳。

从使用者的总成本分析看，降低物主成本与购入成本同等重要。能源费用和备件费用往往构成物主成本的主体，所以减轻自重、降低运行能耗乃是选择材料时应当考虑的经济性原则之一。有时，降低物主成本会增加基本材料成本。设计选材时，要根据市场需求寻找适当的平衡点。 思考题及习题

1. 选择材料的一般原则有哪些？简述它们之间的关系？

2. 汽车、拖拉机的变速箱齿轮和后桥齿轮，多半用渗碳钢制造，而机床变速箱齿轮又多半用中碳（合金）钢来制造，请分析原因。上述三种不同齿轮在选材、热处理工艺方面，可能采取哪些不同措施？

3. 某齿轮要求具有良好的综合力学性能，表面硬度50～55HRC，用45钢制造。加工工艺路线为：下料→锻造→热处理→机械粗加工→热处理→机械精加工→热处理→精磨。试说明工艺路线中各个热处理工序的名称、目的。

4. 零件毛坯选择有哪些基本原则，应主要考虑哪几方面问题？ 5. 请选择自行车链条片的材料、毛坯成形和热处理工艺。 6. 为什么齿轮多用锻件毛坯，而带轮、手轮多用铸造毛坯？ 7. C6132车床主轴，工作时承受交变弯曲应力与扭转应力，但承受的载荷与转速均不高，冲击作用也不大，要求材料具有一般的综合力学性能，整体要求硬度为220～250HBS。主轴大端的内锥孔和外锥体因经常与卡盘、顶尖有相对摩擦，花键部位与齿轮有相对滑动，故这些部位要求有较高的硬度与耐磨性，要求硬度为45～50HRC。该主轴在滚动轴承中运转，要求轴颈部位硬度为220～250HBS。花键部位要求表面层硬度为48～53HRC。请：（1）为主轴选材；（2）确定该主轴的热处理方法及热处理规范；（3）确定该主轴成形加工方法。