材料加工成形技术方法及新进展

1、材料加工成形技术方法与新发展材料加工成形技术方法与新发展 报告人：报告人： 材料加工成形技术方法及新进展 1、材料的分类及其成形加工方法材料的分类及其成形加工方法 2、材料加工成形新方法、材料加工成形新方法 3、“材料加工工程材料加工工程”学科研究的基本要求学科研究的基本要求 内容提要内容提要 材料加工成形技术方法及新进展 1、材料的分类及其成形加工方法、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： 开始时间时代特征技术发展契机对技术和产业的促进和带动作用举例 第一次 革命 公元前4000年 （ 中 国 ： 公 元 前 2000年） 从漫长的石器 时代进入青铜 器时

2、代 1、铜的熔炼； 2、铸造技术 1、自然资源加工技术； 2、器具、工具的发达； 3、农业和畜牧业的发展 第二次 革命 公元前13501400 年（中国：公元 前500600年） 从 青 铜 器 时 代进入铁器时 代 1、铁的规模冶炼； 2、锻造技术 1、低熔点合金的钎焊； 2、武器的发达； 3、铸铁技术、大规模铸铁产品； 4、混凝土等 第三次 革命 公元1500年从 铁 器 时 代 进入合金化时 代 1、高炉技术的发展和成 熟； 2、纯金属的精炼与合金 化 1、钢结构（军舰、铁桥）； 2、蒸汽机、内燃机、机床； 3、电镀、电解铝； 4、不锈钢，铜、铝等有色合金等 第四次 革命 20世纪初期合

3、 成 材 料 时 代的到来 1、酚醛树脂、尼龙等塑 料合成技术； 2、陶瓷材料合成制备技 术 1、结构材料轻质化； 2、材料复合技术； 3、航空航天技术迅速发展； 4、陶瓷材料的发展与应用； 5、人造金刚石上； 6、超导材料与技术； 7、计算机技术和信息技术； 8、新材料大量涌现和应用 第五次 革命 20世纪末期新 材 料 设 计 与制备加工工 艺时代的开始 1、“资源材料制品 ”界限的弱化与消失； 2、性能设计与工艺设计 的一体化要求 1、生物工程； 2、环境工程； 3、可持续发展； 4、太空时代 材料加工成形技术方法及新进展 1.1 材料种类及其成形方法概述材料种类及其成形方法概述 (1)

4、材料的定义材料的定义 材料（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)材料的分类材料的分类 1) 根据化学组成和显微结构特点分类：根据化学组成和显微结构特点分类： 金属材料金属材料（metal materials）、 无机非金属材料无机非金属材料（inorganic non-metallic materials）、 有机高分子材料有机高分子材料（polymeric materials） 上述三种材料三种材料都有：天然材料和人造材料两种 复合材料复合材料 （复合材料是由前三者相互构成的 ） 材料加工成形技术方法及新进展 材料分类框图：材料分类框图：

5、 材料 金属材料无机非金属材料有机高分子材料 天然材料人造材料 天然材料人造材料天然材料 人造材料 复合材料 材料加工成形技术方法及新进展 三种材料细分为：三种材料细分为： 金属材料金属材料：钢铁、铜合金、铝合金、镁合金等； 有机高分子材料有机高分子材料：塑料、树脂、橡胶等； 无机非金属材料无机非金属材料：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 。 材料加工成形技术方法及新进展 复合材料复合材料： 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

6、成分为两大部分：基体与增强材料。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。 复合材料根据其基体材料的不同，又可分为：复合材料根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% 。 材料加工成形技术方法及新进展 2）材料的其它分类：）材料的其它分类： 根据性能特征分类根据性能特征分类 结构材料（structure materials）、功能材料（fun

7、ction 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 materials） 根据状态分类根据状态分类 固体材料(solid materials)、液体材料(liquid materials)、粉末材料(powder materials) 材料加工成形技术方法及新进展 （3）材料的成形方法分类）材料的成形方法分类 1）金属材料的加工成形金属材料的加

8、工成形： 金属材料金属材料 成形方法成形方法 固态金属固态金属 塑性成形塑性成形 金属材料金属材料 焊接成形焊接成形 液态金属液态金属 铸造成形铸造成形 重力下铸造外力下铸造体积金属成形板料金属成形 熔焊（主要是电弧焊） 压焊（电阻焊、摩擦焊） 钎焊、粘接等 砂型铸造 金属型铸造 熔模铸造 消失模铸造 压力铸造 离心力铸造 挤压铸造 反重力铸造 自由锻 胎模锻 模锻（开式、 闭式、特种） 冲裁 弯曲 拉深 特种成形 材料加工成形技术方法及新进展 2）无机非金属材料的精确成形）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

9、制法、拉制法、压制法和吹-压制 法四种） 材料加工成形技术方法及新进展 瓶罐玻璃的成形- “吹吹法吹吹法”成形成形 材料加工成形技术方法及新进展 3）高分子材料的精确成形）高分子材料的精确成形 高分子材料成形方法高分子材料成形方法 橡胶成形橡胶成形塑料成形塑料成形 注射成形 挤出成形 中空成形 压缩成形 压制成形 压铸成形 注压成形 压出成形 材料加工成形技术方法及新进展 （2）根据材料被加工时所处的状态分类）根据材料被加工时所处的状态分类 1）液体材料成形（铸造、）液体材料成形（铸造、焊接） 2）固体（板、块）材料成形（锻造、冲压） 3）半固态成形半固态成形（半固态铸造（流变和触变）、液态模

10、锻 4）粉末材料成形（注射成形、喷射成形、粉末材料成形（注射成形、喷射成形、粉末冶金） 材料加工成形技术方法及新进展 1.2 1.2 材料加工成形的作用、特点及精确成形技术材料加工成形的作用、特点及精确成形技术 （1 1）作用）作用: : 1). 1).材料加工技术（材料加工技术（Materials Processing TechnologyMaterials Processing Technology）通常是指通常是指 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）工），此外还有机械切

11、削加工（冷加工） 。几乎所有的材料都要进行。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。加工后才能进行使用，不经加工的材料直接利用很少。 2). 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器生产中占总质量的4080%4080%。 3). 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。在仪表和家用电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

12、电 器中器中, ,塑性成形占塑性成形占90% .90% . 4). 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、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 行业行业, ,焊接或连接成形技术都占十分重要的地位。焊接或连接成形技术都占十分重要的地位。 材料加工成形技术方法及新进展 （2 2）特点）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

13、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）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。 材料加工成形技术方法及新进展 （3 3）精确成形）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

14、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工（热加工与冷加工）的基础和发精确成形技术是材料加工（热加工与冷加工）的基础和发 展的趋势。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。 材料加工成形技术方法及新进

15、展 1.31.3从从“夕阳工业夕阳工业”到到“先进制造技术先进制造技术” 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 材料加工成形技术方法及新进展 （1 1）问题的缘起）问题的缘起 以现代计算机技术为代表的高新技术出现后，传统的金属材料传统的金属材料 加工业（加工业（尤其是钢铁产业等）或制造业似乎穷途末路、成为了“夕夕 阳工业阳工业”。 20世纪七、八十年代，美国由于片面地强调发展第三产业

16、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）、动态合智联盟（Virtual Organization）等。 美国仍是第1

17、制造大国、强国 材料加工成形技术方法及新进展 （2）先进制造技术的定义及发展趋势）先进制造技术的定义及发展趋势 定义：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：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。 材料加工成形技术方法及新进展 （3 3）

18、新一代材料加工成型技术在先进制造技术中的）新一代材料加工成型技术在先进制造技术中的 地位地位 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。 材料加工成形技术方法及新进展 1.41.42121世纪材料成形加工技术的发展趋势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

19、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 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）

20、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。 材料加工成形技术方法及新进展 材料加工成形技术方法及新进展 材料加工成形技术方法及新进展 2、材料加工成形新方法、材料加工成形新方法 （1）消失模精密铸造技术）消失模精密铸造技术 材料加工成形技术方法及新进展 （2 2）半固态铸造半固态铸造 材料加工成形技术方法及新进展 （3）铝（镁）合金材料及）铝（镁）合金材料及 精密成形技术精密成形技术 材料加工成形技术方法及新进展 压力铸造 低压铸造 材料加工成形技术方法及新进展 （4）计算机模拟仿真技术）计算机模拟仿真技术

21、缺陷 缺陷 缺 陷 材料加工成形技术方法及新进展 （5）大型装备及零部件制造技术）大型装备及零部件制造技术 大型大型30万吨油轮万吨油轮 三峡电站水轮机三峡电站水轮机 千吨级核电反应器千吨级核电反应器大型飞机大型飞机 材料加工成形技术方法及新进展 （6）超塑性成形 发动机整流叶片形发动机整流叶片形 材料加工成形技术方法及新进展 （7）精密模锻技术与装备）精密模锻技术与装备 YK34J-1600/C1250 数控多向精锻液压机数控多向精锻液压机 材料加工成形技术方法及新进展 （8）精密冲裁）精密冲裁 材料加工成形技术方法及新进展 （9）板料成形）板料成形 材料加工成形技术方法及新进展 （10）快速成形）快速成形 材料加工成形技术方法及新进展 材料加工成形技术方法及新进展 （11）搅拌摩擦焊）搅拌摩擦焊 材料加工成形技术方法及新进展 （12）机器人焊接）机器人焊接 （12）焊接自动化）焊接自动化 材料加工成形技术方法