材料学概论教学课件 第四章

1、第四章 材料成型方法陈硕平 Email:chenshuoping_QQ:277087163 材料的成型加工材料加工工艺材料成型加工制品材料的成型加工n成型加工是材料走向具有使用价值产品的桥梁。n材料的内在性能与成型加工的工艺过程紧密联系在一起。成型加工制品材料的成型加工n成型：将材料转变成一定形状的半成品（毛坯）或成品。n加工：通常指材料成型后的后加工。主要有机械加工、修饰和装配三个环节组成。材料的成型加工表 41 材料主要成型方法类 别品 种成 型 方 法金属材料黑色与有色金属浇铸（铸造）成型、锻造成型、冲压成型、轧制、挤压、拔制、超塑性成型、粉末冶金、焊接（连接成型）等陶瓷可塑成型（挤压成

2、型、车坯成型、旋坯成型、滚压成型） ；注浆成型（空心注浆、实心注浆、压力注浆、离心注浆、真空注浆、热压注、流延法）及压制成型等玻璃人工成型（人工吹制、自由成型、人工拉制等） ，机械成型（压制法、吹制法、拉制法、压延法、浇铸法、烧结法等）无机非金属材料水泥注浆橡胶塑料压制、压延、压出、浸渍、浇铸、涂层等注塑、压制、压延、挤出、中空成型、热成型、浇铸、搪塑、浸渍、真空成型、泡沫塑料成型、烧结等纤维熔体纺丝、干法纺丝、湿法纺丝等高分子材料复合材料手糊成型、模压成型、缠绕成型、挤出及注射成型等注：本表中只列出树脂基复合材料成型方法。材料成型方法应根据其自身的成型特性、制品性质及经济上的合理性等因素来取

3、舍材料的成型加工材料成型特性n材料的成型性：可流动性与可塑性变形性。n将材料的成型方法：自由流动成型、受力流动成型、受力塑性成型与其他成型。自由流动成型n指将呈流动状态的物料，成型时无外力作用下，倒入模型型腔或使其附在模型表面，经改变温度（降温或升温），或反应，或溶剂挥发等作用，使之固化或凝固，而形成具有模型形状的产品。n最终的产品可以是成品，也可以是半成品（或毛坯）。n自由流动成型中典型代表是：金属砂型铸造、陶瓷注浆成型、塑料与橡胶浸渍成型。金属砂型铸造n是以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，将金属熔化成液体，浇注到具有与零件形状相近似的铸型空腔内，待其冷却、凝固后获得铸件的工艺方法。n80%以

4、上的铸件用此法制备。n常用铸造金属材料：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等n思考：砂型比起其他的铸型有什么优势？。砂型n制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。n最常用的铸造砂是硅质砂。硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。n应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。n砂型铸造中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。砂型n粘土湿砂：以粘土和适量的水为型砂的主要粘结剂，制成砂型后直接在湿态下合型和浇注。n粘土干砂：制造这种砂型用的型砂湿态水分略高于

5、湿型用的型砂。砂型制好以后，型腔表面要涂以耐火涂料，再置于烘炉中烘干，待其冷却后即可合型和浇注。n化学硬化砂：其粘结剂一般都是在硬化剂作用下能发生分子聚合进而成为立体结构的物质，常用的有各种合成树脂和水玻璃。n化学硬化方式： 自硬：粘结剂和硬化剂都在混砂时加入。 气雾硬化：混砂时加入粘结剂和其他辅加物，先不加硬化剂。造型或制芯后，吹入气态硬化剂或吹入在气态载体中雾化了的液态硬化剂导致砂型硬化。 加热硬化：混砂时加入粘结剂和常温下不起作用的潜硬化剂。制成砂型或型芯后，将其加热，这时潜硬化剂和粘结剂中的某些成分发生反应，生成能使粘结剂硬化的有效硬化剂，从而使砂型或型芯硬化。金属砂型铸造金属砂型铸造

6、n优点： 适应性强。不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制，在大件的生产中，铸造的优越性有为显著。 成本低廉。铸造使用的原材材料成本低，单件小批量成产时，设备投资少。n缺点：容易出现铸造缺陷（缩孔、疏松、气孔、砂眼等），工序繁多，废品率较高。其他金属铸造方式熔模铸造（失蜡法）n用蜡制作所要铸成器物的模子，然后在蜡模上涂以泥浆，这就是泥模。泥模晾干后，再焙烧成陶模。n一经焙烧，蜡模全部熔化流失，只剩陶模。n在制泥模时就留下浇注口，再从浇注口灌入金属液，冷却后，所需的器件成型。 n（1）铸型没有分形面，不必考虑起模的问题。（2）只适用于质量小于25千克的小铸件。（3）适合各种复杂、造型精美的、带有

7、花纹和文字的器件。其他金属铸造方式金属型铸造（硬模铸造）n金属型铸造又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。 n（1）通常使用金属铸型和型芯，无退让性，铸件的形状简单。n（2）金属型的铸型和型芯制造困难，成本高，所以铸件的质量不易太大。n（3）受铸型的限制，金属型铸件合金熔点不宜太高。n主要应用：内燃机的铝壳、气缸体、缸盖、油泵壳体等陶瓷注浆成型n注浆成型是基于多孔石膏模具能够吸收水分的物理特性，将陶瓷粉料配成具有流动性的泥浆，然后注入多孔模具内（主要为石膏模），水分在被模具（石膏）吸入后便形成了具有一定厚度的均

8、匀泥层，脱水干燥过程中同时形成具有一定强度的生坯，此种方式被称为注浆成型n制成的生坯经干燥、上釉、装饰、烧成，得到陶瓷制品。简化的工艺流程如下。陶瓷注浆成型n1、注浆料配制 注浆坯料应满足下列要求：细度、流动性、水分、触变性、悬浮性。n2、注浆成型 自由流动成型中注浆成型主要有空心注浆（单面注浆）和实心注浆（双面注浆）两种。n3、干燥 生坯干燥过程可分为：预热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段与平衡状态。 生坯干燥方法主要有：自然对流干燥、强制对流干燥、辐射干燥等。n4、施釉、装饰n5、烧成：一次烧成或二次烧成。空心注浆应用：小型薄壁产品要求：流动性一般为10-15秒，稠化度不宜过大（1.1-1

9、.4）； 细度一般比双面注浆的要细，万孔筛筛余0.5%-1%。 实心注浆应用：制造两面有花纹及尺寸大而外形比较复杂的制品：如盅、鱼盘、瓷板等。要求：较浓的泥浆，一般密度在1.8g/cm3以上，以缩短吸浆时间，稠化度(1.5-2.2)；细度可粗些，万孔筛筛余1%-2%。 思考题n思考下陶瓷注浆的优点和缺点？橡胶浸渍成型n浸渍成型是将高分子材料配制成胶乳，用与制品形状相近似的模型浸渍胶乳，使胶乳粘附在模型外表面，经干燥、硫化后获得胶乳制品的工艺方法。n优点：工艺简单，成本低廉、劳动强度低、污染少、可生产其 它成型方法难以生产的产品。玩具气球生产工艺流程简图浸 渍 槽浸 渍成 膜干 燥 、 硫 化脱

10、 模模 型 清 理涂 隔 离 剂模 型烘 道检 验制 品表 面 处 理受力流动成型n成型时在受力作用条件下，将呈流动状态的物料，注入模型型腔，或使物料通过一定形状的口模，或附在模型表面，经温度变化（降温或升温），或反应，或溶剂挥发等作用，使物料冷凝、固化，最终形成产品。n典型代表是：金属压力铸造、玻璃吹制成型、塑料注塑成型。金属压力铸造n压铸是将液态或半固态金属浇入压铸机的压室中，金属液在运动的压射冲头作用下，以极快的速度充填型腔，并在压力的作用下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。n压铸时作用在金属液上的压射比压从几兆帕至几十兆帕不等，有时甚至高达500兆帕。金属液充填型腔时，浇口处的线速度达

11、0.570 m/s。充填的时间极短，一般为0.010.03 s。n压铸过程是由压铸机来实现的，压铸机分热压室压铸机和冷压室压铸机两大类。热压室压铸机冷压室压铸机金属压力铸造n优点： 1. 生产率极高，生产过程容易实现机械化和自动化。 2. 铸件的尺寸精度高，其尺寸稳定、一致性好。 3. 铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。 4. 可以压铸形状复杂、轮廓清晰的薄壁深腔铸件，因为金属液在高压下能保持高的流动性。n 缺点： 1.压铸合金的种类有限。 2.大型压铸件的生产受到限制。 3.压铸工艺只适用于大批量生产。玻璃成型n玻璃具有一系列的优良特性，如坚硬、透明、气密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性、耐

12、热性及电学、光学等性能，而且能用吹、拉、压、铸、槽沉等多种成型和加工方法制成各种形状和大小的制品 。n玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。常见的玻璃成型方法有：压制成型、吹制成型和拉制成型。玻璃压制成型n压制成型是在模具中加入玻璃熔料加压成形，多用于玻璃盘碟、玻璃砖。玻璃吹制成型n吹制成型是先将玻璃粘料压制成雏形型块，再将压缩气体吹入处于热熔态的玻璃型块中，使之吹胀成为中空制品。n吹制成型可分为机械吹制成型和人工吹制成型，用来制造瓶、罐、器皿、灯泡等。玻璃吹制成型玻璃拉制成型n拉制成型是利用机械拉引力将玻璃熔体制成制品，分为垂直拉制(图96)和水平拉制(图9

13、7)，主要用来生产平板玻璃、玻璃管、玻璃纤维等。玻璃热处理n玻璃制品在生产中，由于要经受激烈和不均匀的温度变化，导致制品内部产生热应力。n结构变化的不均匀及热应力的存在会降低制品的强度和热稳定性，很可能在成型后的冷却、存放和机械加工过程中自行破裂；n制品内部结构变化的不均匀性，又可能造成玻璃制品光学性质的不均匀。n因此，玻璃制品成型后，一般部要经过热处理。 玻璃热处理n玻璃制品的热处理，一般包括退火和淬火两种工艺。n退火就是消除或减小玻璃制品中的热应力的热处理过程。对光学玻璃和某些特种玻璃制品，通过退火可使内部结构均匀，以达到要求的光学性能。n淬火就是使玻璃表面形成一个有规律、均匀分布的压力层

14、，以提高玻璃制品的机械强度和热稳定性。塑料注塑成型n将粒状或粉状塑料加入到注射机的料筒，经加热熔化呈流动状态，然后在注射机的柱塞或螺杆快速而又连续的压力下，从料筒前端的喷嘴中以很高的压力和很快的速度注入到闭合的模具内。n充满模腔的熔体在受压的情况下，经冷却（热塑性塑料）或加热（热固性塑料）固化后，开模得到与模具型腔相应的制品。柱塞式注塑机螺杆式注塑机塑料注射成型n间歇操作过程n成型周期短n生产效率高n一次成型外形复杂、尺寸精确的制品n成型适应性强，制品种类繁多n容易实现 生产自动化，n应用:几乎所有的热塑性塑料，多种热固性塑料，橡胶制品。 受力塑性成型n受力塑性成型是指在受力条件下，在高温，或

15、常温，或塑化剂存在下，固态物料产生塑性变形而获得所需尺寸、形状及机械性能的成型方法。与前两种成型方法（自由流动成型、受力流动成型）相比，受力塑性成型过程中，物料不发生流动，而产生塑性变形。n受力塑性成型主要有金属锻压成型、陶瓷可塑成型、橡胶塑性成型。金属锻压成型n锻压：对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。n主要方法：n锻造:将坯料加热到高温状态后进行加工。n冲压:将坯料在常温下进行加工。n经典方法：自由锻造、模型锻造、板料冲压自由锻造n概念：只用简单的通用性工具，在锻造设备的上下铁砧间对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需锻

16、件的方法。n特点：n1)金属坯料可朝各个方向自由流动，不受限制;n2)所用工具简单，设备和工具通用性强，成本低;n3)如果利用手工锻造，其锻件精度较低，生产率低，形状和尺寸主要由操作者的技术来控制，但以电子控制的机械可以获得较大的精度，能够制备大型的零件。锻造设备空气锤液压机模型锻造n以锻模模膛限制金属坯料的变形，从而获得锻件的成形方法。n特点： (1) 生产效率较高 (2) 能锻造形状复杂或大型的锻件 (3) 模锻件的尺寸较精确 (4) 节省金属材料 (5) 模锻操作简单，劳动强度低 模型锻造1锤头 2上模 3飞边槽 4下模 5模垫 6、7、10紧固楔铁 8分模面 9模膛 锤上模锻的锻模结构

17、 板料冲压n通常在室温下进行，所以又称冷冲压，简称冲压。n特点：1）不需要对毛坯加热，是节约能源的加工方法 2）生产操作简单，生产率高 3）尺寸精度较高，质量稳定4）模具结构复杂，制造费用较高。冲压设备n剪床:把板料切成一定宽度的条料，以供下一步冲压工序之用。n冲床:冲床将完成除剪切以外的其他冲压工作。剪床冲床n优势： (1)改善金属组织、提高力学性能 (2)节约金属材料 (3)较高的生产率 (4)毛坯或零件的精度较高 n劣势： (1)不能加工脆性材料 (2)不能获得形状复杂的毛坯或零件金属锻压成型陶瓷可塑成型n利用模具、刀具或手等的运动所造成的压力、剪力，挤压等外力对具有可塑性的坯料进行加工

18、，迫使坯料在外力的作用下发生可塑变形，制成坯料。n手塑成型n滚压成型 n塑压成型手塑成型n利用手或者其他辅助工具对具有可塑性的坯料进行加工。也称作陶艺成型。n优点：作品精美、个性、复杂适合做陶艺n缺点：效率低、重复性差不适合工业化生产滚压成型n利用滚压头和模型各自绕自己轴线的定轴转动，将投放在模型中的塑性泥料延展压制成型。n优点： (1)坯体致密，强度高，不易变形。 (2)水分低，制品光洁平整，产品规格一致。 (3)生产率高，劳动强度较低。 (4)适应于阴、阳模成型，单机联线。 (5)操作技术不要很高，便于组成自动化生产线。n缺点：只适合圆形制品。滚压成型机塑压成型u泥料放于模型内常温压制成坯

19、。模型内部设置多孔性纤维管， 可通压缩空气或抽真空。n 优点： 1 可成型异型盘碟类产品 2 成型时施加一定压力，致密度较好n 缺点：对模具强度要求较高n 良好的可塑性：可塑性指标 2 n 具有一定的形状稳定性 n 含水量适当：强可塑性原料多则含水量提高 手工成型 塑压 滚压成型 n 干燥强度高和收缩率小n 空气含量少可塑泥料的基本要求橡胶压出成型n橡胶压出成型又称挤出成型，是橡胶工业的基本工艺之一。n压出成型具有连续、高效、不用金属模型即能成型制造多种橡胶制品等优点，而且压出效应小。因此，目前广泛用来制造胎面、内胎、胶管、电线电缆和各种复杂断面形状的（空心或实心）半制品等。3D打印技术n3D打印（3D printing），即快速成