第3章 精密成形技术

第3章精密成形技术第一节精密洁净铸造技术铸造是一种液态金属成形方法。长期以来，应用最广泛的是普通砂型铸造。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社会生活、生产的需要，在继承古代铸造技术和应用近代科学技术成就的基础上，开创了许多新的铸造方法和工艺。使现代铸造技术朝着“精密、洁净、高效”方向发展。现代铸造技术以熔体洁净、铸件组织细密（性能高）和表面光洁、尺寸精度高、生产效率高为主要特征，可以简称为精密洁净高效铸造工艺技术。精密洁净铸造是采用各种特殊的工艺方法实现的。常见的包括:精密砂型铸造、高效金属型铸造、消失模铸造、半固态铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造、近终形状铸造等。一、组芯造型铸造技术组芯造型铸造技术(corepackagecasting)又称为精密砂型铸造技术，就是用一组装配好的砂芯代替砂型来生产铸件，这组装配好的砂芯就称为组芯，即组芯由单个砂芯组装而成。组芯造型技术与湿型砂铸造工艺相比具有尺寸精度高、大量减少砂循环、采用气体硬化单一芯砂系统(添加有机或无机粘结剂的芯砂可有效地回收，回收率达95%以上)等优点。造芯造型的主要工艺步骤包括:制芯、装配砂芯、浇注和凝固、后处理等。制芯组芯造型工艺中的砂芯主要采用树脂砂冷芯盒工艺制备，也就是将干净的石英砂与三乙胶等树脂混合，然后通过自动化的制芯中心将芯砂射入芯盒并吹二氧化碳气体进行硬化，然后取芯，制好的砂芯进入装配阶段(组芯)。在组芯铸造工艺中，铸件的浇口和冒口也是用制芯工艺制备的。如图所示为自动化的冷芯盒制芯中心。组芯目前有以下几种组芯工艺方法:粘胶、螺钉紧固、注铝和锁芯工艺。1）粘胶:这是最快速、最常用的组芯法，尺寸精度最高。其主要优点有:聚酷胶类型热熔粘结剂品种较多(粘胶熔化温度1400-1800℃

，相应的粘度为2-4Pa·s)，粘结时间为3-4s;粘结处经按压后强度大增;在干燥的储存室中无储存时间限制;抗湿性能好，可抵御高潮湿空气;用量少，强度高;多种有效而经济的熔化装置。(2)注铝:简单连接处可以注铝，如预组合水套芯和圆筒芯。该工艺的优点在于落砂后用过的芯砂和金属铝不会混淆;回收后的铝可被再次熔化并使用。缺点是该工艺成本高且难以自动化。

(3)螺钉紧固:螺钉紧固不适用于圆弧芯头。另外，螺钉不能被再利用。该工艺经济效益比粘胶法差，但比注铝好。(4)锁芯工艺:该工艺的优点是用一个通用芯固定预组合芯，但它同时也带来了问题。组合预组合芯必须使用昂贵的工装，通用芯生产的费用比热熔粘结胶及螺钉的费用高得多。另外，只有当组合预组合芯的工装没有被磨损时，缸体尺寸的精度才可被保证。大约射芯50000次后将出现尺寸偏差，必须进行检测、调整。组芯过程可以实现完全自动化，目前最快的组芯速度是每小时160型。浇注和凝固组装好的砂芯可存放在缓冲区并通过自动运输装置连续输送到浇注流水线上进行浇注。为了保证浇注所需液态金属的供应，一般在浇注线上设置一个带塞棒的中间包，如图所示。将组芯的浇口对准中间包的产口后，用液压提升装置提起塞棒，金属液通过浇道从冒口进入并充满铸型用激光控制器来控制浇注过程中金属液面的变化，并在铸型充满后发出信号将中间包塞住。在浇注过程中，冒口位于铸型底部，这主要是为了获得理想的凝固顺序，也就是说保证冒口部位的液体金属温度最高。浇注结束后将铸型反转，便可实现由铸件到冒口的顺序凝固，保证获得更加致密的铸件。后处理采用组芯造型工艺浇铸的铸件凝固刚结束、铸件还处于红热状态时，就可以连组芯和铸件一起送入热处理炉。在热处理炉中完成落砂和铸件的热处理。这样铸造余热得到有效的利用，明显提高能源的利用效率。组芯造型技术的应用组芯造型是生产高尺寸精度铸造铝合金缸体缸盖的最新、最好的工艺之一。世界著名的汽车企业，如福特、马自达、大众、奥迪、雪铁龙等，已成功地运用该工艺。选择这种生产工艺的理由是:高生产率、高柔性(在切换发动机型号时)、高铸件质量稳定性、潜在的高自动化、最小的消耗。二、高效金属型铸造传统金属铸件的生产方法为砂型铸造，砂型铸造是我国古代劳动人民发明的，目前仍是铸件生产的主要方法。其主要的缺点是铸件尺寸精度低、表面粗糙、铸造缺陷多、机械性能差、生产效率低。相对砂型铸造而言，高效金属型铸造是现代铸造工艺。按照液态金属的填充方式和凝固特点，金属型铸造又可分为金属型重力铸造、金属型低压铸造、金属型离心铸造、金属型压力铸造和挤压铸造等，这些金属型铸造又称为特种铸造。金属型铸造也称为硬模铸造，由于铸型可以多次重复使用，所以又称永久型铸造。其铸型是由耐高温的金属材料制成的，根据具体的需要，型芯可以是金属芯也可以是砂芯。金属型重力铸造是靠液态金属的重力填充铸型的；金属型离心铸造依靠铸型高速旋转产生的离心力，使液态金属贴紧铸型型腔，并在高速旋转下结晶凝固；金属型压力铸造是把液态金属以很高的压力和很高的速度射入铸型型腔，并在高压下结晶凝固；而低压铸造其填充压力介于重力铸造和压力铸造之间，是一种气（惰性气体）举液面的金属型铸造工艺。下边着重介绍金属型压力铸造、金属型低压铸造和挤压铸造。（一）压力铸造压力铸造简称压铸，它是在压铸机的承压室内浇注液态金属或半液态金属，使其在高压高速下填充铸型，并在高压下冷凝形成铸件的一种铸造方法。其常用压比为5~150MPa，金属液的流速达5~100m/s，填充时间极短（一般为0.01~0.21s）。高压、高速是压力铸造的根本特点。1、发展概况压铸技术的出现，迄今已有150年的历史。最初压铸是用于印刷文字的铸造，后来用于计算机和留声机上锡铅合金零件的铸造，1904年后才用于机械零件的铸造，20世纪20年代美国的Kipp公司制造出机械化的热压室压铸机，到了冷压室压铸机的产生，压铸的材料扩展到了铜、铝合金。20世纪40年代压铸技术进入工业生产。20世纪50年代大型压铸机的诞生，压铸技术才真正拓宽了广泛地工业应用领域。随着压铸机，压铸工艺、压铸模及润滑剂等压铸技术的发展，压铸合金也从最初的铅到锌、铝、铜、镁最后到铁合金的发展过程，随着压铸合金熔点的不断提高，压铸技术的应用会越来越广泛。目前压铸技术已广泛用于汽车工业、仪表、电气通信、家电和玩具等行业，并且能生产出形状复杂、薄壁精美的金属器件。我国压铸生产开始于20世纪50年代，发展于60年代到70年代，90年代后有了长足进展。我国多小型压铸，压铸合金以锌合金为主，多为家电、玩具等非受力件，在汽车、摩托车等机械设备零件的压铸所占比重较小，在压铸件的质量方面于国外相比仍有较大差距。2、压铸原理与压铸工艺压铸在压铸机上进行，压铸机一般由压型也称为压铸模、压室、射压系统等组成，压铸时把液态金属装入压室，射压系统推动压射头把液态金属高速压入压型，保持压力，结晶凝固后，压射头回退，由顶出机构顶出铸件。压力铸造的基本工艺流程如下图所示：3、压铸设备压铸机是压铸生产的主要设备，主要由合型机构和压射机构两部分组成。根据压室的不同，压铸机分为热压室和冷压室两类。热压室压铸机的压室与金属液的保温装置连成一个整体，只适用于压铸低熔点合金（如铅、锡、锌等合金）。热压室压铸机的主要特点是压铸生产工序简单，生产效率高，易于实现自动化，金属消耗小，工艺稳定，压入型腔的液态金属干净，无氧化类杂质，铸件质量好，但由于压室和冲头长时间浸泡在液态金属中，影响使用寿命，常用用于低熔点合金如锌合金制件的压铸。冷压室压铸机的压室与保温装置是分离的，压铸时从保温坩锅中舀取液态金属，倒入压铸机上的压室，然后进行压射。卧式冷压室压铸机的工作原理图如下图所示。它可用来压铸铝、铜、镁等熔点较高的合金。4、压铸生产特点1）可铸造结构复杂的薄壁铸件压力铸造的填充压力高，金属液流动速度快，因此，可获得极其复杂的薄壁铸件，并可直接铸出各种型孔、螺纹和齿轮轮齿等结构复杂的铸件。2）铸件机械性能好由于填充压力高，并在高压下冷凝结晶，因此，补缩能力强，铸件组织致密。同时，由于冷却快，铸件晶粒细小，机械性能好。3）充型极快，冷凝时间短，压铸生产率高。4）由于填充速度极快，型内气体难以排除干净，铸件中常有一些压力很高的小气孔。这些小气孔对铸件质量有一定的不良影响，如对压铸件进行热处理，小气孔中气体膨胀将使铸件产生变形，所以压铸件一般不进行热处理。5）压铸机和压铸模的投资大，同时由于受到压铸机规格（吨位）的限制，所以压铸只适用于大批大量中小型铸件的生产。综上所述压力铸造主要适用于大批大量中有色金属，小型铸件尤其是外形复杂薄壁铸件的生产。5、我国压铸技术展望1）开发新型压射控制系统。高速高压充型，是一个极其复杂的热态动力学过程。压铸件高质量、致密薄壁无气孔，在很大程度上与每次压射的稳定性和再现性有关，因此，必须开发新型的压射控制系统和安装靠近压型的热探测器和传感器。2）发展新的压射工艺。如半固态压铸、双活塞压铸、真空压铸、加氧压铸等都可以有效地减少铸件气孔和提高力学性能，使压铸件能够热处理。3）开发新型压铸合金。如金属基复合材料（MMCs）,这种合金具要高的比强度、比模量、耐磨和减摩性能、热强性和低的热膨胀系数，且工艺比较简单，成本低，应用上局限性小。其铸造的填充性好，表面质量令人满意。另外压铸镁合金、高铝锌基合金，也都具有独特的机械物理性能，且铸造性能良好。4）开展CAD/CAE/CAM系统的研究开发，为使填充和凝固更为精确快捷，同时实现压铸模的快速原型制造。（二）低压铸造低压铸造是液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。

1、发展概况低压铸造最早由英国人E.F.LAKE于1910年提出并申请专利。1950年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。1981年低压铸造汽车铸铝轮毂市场占有率仅4%，1994年扩大到40%，至2000年市场份额则扩大到了60%。2、低压铸造原理及过程低压铸造原理如下图所示：它是向储有金属液的坩锅中通入2~7N/mm²压力的压缩空气或惰性气体，并作用在液面上，金属液自上而下通过升液管压入铸型型腔，并保持一定的压力（或适当增压），直到铸件凝固为止。然后去除液面压力，升液管及浇注系统中的未凝固金属液又在重力作用下流回坩锅。3、低压铸造过程低压铸造的工艺规范包括充型、增压、铸型预热温度、浇注温度，以及铸型的涂料等。金属材料熔炼→封闭炉体→制备模具→预热模具→制备复合型芯→合模→低压浇铸成型→高压补缩、保压→铸件成型后→放气→结晶凝固→开型→取出铸件→清理。

4、低压铸造的特点1、提高了铸型寿命和铸件质量低压铸造既克服了重力铸造流动性差、铸件成形不良和易形成缩孔及缩松的缺点；又克服了压力铸造填充速度过快，对铸型型腔的冲刷作用大，使铸型寿命降低和易在铸件上产生气孔的缺点。2、浇注和凝固压力可根据需要进行调整，由于填充压力适当，可适用于各种铸型（金属型、砂型等）。3、有较好的补缩作用由于在压力作用下充型，冷凝、能对浇口起补缩作用；且能实现自上而下的顺序凝固，铸件组织致密，机械性能好。4、采用金属铸型则生产效率高，应用较广进行低压铸造需解决坩锅以及坩锅与铸型间的密封问题。当采用砂型时，铸型安装比较麻烦，生产效率低，应用较少；采用金属铸型则生产效率高，应用较广。低压铸造的铸件精度和表面质量取决于所用铸型的种类。5、低压铸造设备简单，投资少,易于实现。5、低压铸造设备低压铸造设备一般由保温炉及其附属装置，铸型开合系统和供气系统三部分组成。按铸型和保温炉的连接方式，可分为顶铸式低压铸造机和侧铸式低压铸造机两种类型。

1）保温炉及附属装置

它由炉体、熔池、密封盖和升液管等所组成，是低压铸造机的基本部分。保温炉的炉型很多，如焦炭炉，煤气炉，电阻炉，感应炉等。但目前广泛使用的是电阻加热炉，其次是电热反射炉。2）供气系统在低压铸造中，正确控制对铸型的充型和增压是获得良好铸件的关键，这个控制完全由供气系统来实现。根据不同铸件，不同铸件的要求，供气系统应可以任意调节，工作要稳定可靠，结构要使维修方便。

6、21世纪低压铸造展望1)大型薄壁铝合金铸件一直是铸造界的难题，低压铸造是最佳工艺方法。据有关方面信息，美国目前可生产直径800mm、长5m、壁厚6～8mm的巡航导弹舱体，合金材料A357。我国也将研制直径600mm左右、高3m、壁厚6mm的差压铸件。(2)汽车发动机中若干铝合金零件如排气管、缸盖以及摩托车发动机缸头、缸盖和轮毂目前大量仍采用金属型重力铸造。特别是铝合金轮毂，我国起步时大部分都采用低压铸造，现在由于低压铸造成套设备不能满足工艺要求，生产率低，许多原来采用低压铸造的厂家走回头路又用金属型重力铸造法生产。但随着技术进步，包括汽车、摩托车缸头、缸盖、排气岐管和轮毂将大量采用低压铸造法生产，使铸件质量提高一个档次。3)质量大于1000kg以上的大型离心泵不锈钢叶轮(CF-3M,CD-4MCu)，叶片厚度薄，面积大，而轴颈断面尺寸大，铸件厚薄不均，且工作时承受应力腐蚀环境。常规砂型重力浇注时铸件中出现比较严重缩松。在腐蚀环境下寿命大大缩短。此类零件在低压铸造设备完备的前提下，采用树脂砂或石墨型低压铸造法有望铸造成组织致密、尺寸精确的优质铸件。这类铸件在核电装备中具有重要地位。

(三)挤压铸造1、挤压铸造原理挤压铸造工艺于1973年由前苏联首次用于铸造生产，当时称为“液态金属模压”，是金属液在压力下充型及凝固而获得铸件的一种铸造方法。将金属液浇入挤压机的凹模中，然后上型（也叫冲头）向下移动将下型中的液态金属挤满型腔，金属液在压力下凝固成形。2、挤压铸造有以下优点：1）铸件精度高，加工余量小；2）由于铸件是在压力下充型和凝固的，所以铸件组织致密，无缩孔、缩松及气孔等铸造缺陷，晶粒细小，铸件的力学性能好；3）挤压铸造不必设置浇冒口系统，减少液态金属的消耗，提高了工艺实收率。由于上述优点，挤压铸造对铸造的发展还体现在以下几个方面：1）建立了一整套压力下结晶及挤压铸造的理论系统。包括：压力对合金状态图、形核及长大、气体的溶解与析出等影响；挤压过程中铸件的成形、凝固与热传导，压力的传递分布与损失；铸件的收缩、补缩、晶粒组织与异常偏析形成等。为挤压铸造工艺的发展垫定了坚实的理论基础。2）发展了一整套挤压铸造工艺方法，定型生产了挤压铸造机系列。为了适应多样化的生产需要，挤压工艺发展了直接冲头挤压、间接冲头挤压、柱塞挤压、型板挤压等多种方式。挤压铸造设备也从早期的通用压力机发展成辅助活动横梁、顶出器油缸或侧向油缸的普通型挤压铸造机。近十年来又发展了从模具清理喷涂、浇铸、挤压到取件全自动化，挤压速度可分级调节、工艺参数可全过过程计算机控制并显示的挤压铸造机。3）挤压铸造的生产规模发展迅速。产品材料包括铝、镁、锌、铜、铁、铅、钢、锡、镍等合金及其复合材料。产品类型遍布机械、交通、家电、仪表及汽车等各个行业。3、挤压铸造工艺的发展趋势1）挤压铸造的材料渗透到陶瓷纤维增强材料中，制成局部增强金属基复合材料，将成为廉价、便捷的批量生产先进金属基复合材料的方法。此外在传统卧式压铸机上，通过改进压射系统，进行低速充型并实时控制，加宽浇口，采用双柱塞挤压等方法，可以实现不卷入气体的水平式挤压铸造生产。2）扩大应用，提高质量，使铸件向着更优质、高性能、大型化、复杂化的方向发展。3）改造原有的挤压铸造设备，发展新的挤压铸造设备系列。提高挤压铸造的自动化水平和形成新一代标准化高效挤压铸造设备系列。三、消失模铸造消失模铸造是将与铸件形状、尺寸相似的发泡塑料模型粘接组成模型簇,刷耐火材料涂层并烘干后,埋在干石英砂中振动造型,在一定的条件下浇注液体金属,使模型气化并占据模型位置,冷却凝固后获得所需铸件的方法。对于消失模铸造有多种不同的叫法。国内主要的叫法有：“干砂实型铸造”、“负压实型铸造”，简称EPC铸造。（一）消失模铸造发展概况1956年美国人（H.F.SHOYER）开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并获得成功,引起了人们极大的兴趣，1958年以专利的形式公布于众，当时称之为“无型腔铸造”。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件，美国马萨诸塞工艺院铸造出重约150Kg的青铜飞马和高大的球墨铸铁钟架。以后经过许多实践和探索，1962年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上得到应用。

1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件的专利。到了1967年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功,并在许多国家得到了应用,生产了成千上万吨铸件,但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展,仍处于探索阶段。在整个六十年代直至七十年代,消失模铸造法仅限于单件小批生产,典型产品是汽车模具、机器底座、艺术品等。1968年，德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成负压进行浇注,取得了专利，即现在的消失模铸造。八十年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂料不合适以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。1981年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。1984年美国福特汽车公司建立了年产100万只铝合金进气歧管高度自动化的生产线。至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。1990年美国通用汽车公司在Saturn建成了一套年产铸件5.5万吨，10万平方米的新铸造厂，用三条全自动EPC生产线生产铝合金缸体、缸盖和球墨铸铁曲轴等铸件。1979年，由我国著名消失模铸造专家、中科院长春光学精密机械研究所研究员黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸造基本特性的研究”论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。

九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。90年代我国在北京宋庄铸造总厂、福州柴油机厂、四川南川机械厂、湖北丹江口管理局建成了年产3000~5000t铸件的消失模铸造生产线。同时也引进了国外先进的消失模铸造生产线，如一汽轻型发动机从美国福康公司引进了制模、振动台等部分设备，国内配套组成生产线；长沙汽车发动机厂则引进了意大利法塔公司全套制模、造型、浇灌生产线。2003年我国消失模铸造行业的铸件总产量约为140600吨，全国消失模铸造生产厂总数约为120-140家。（二）生产原理及工艺流程消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。对于消失模铸造，有多种不同的叫法，国内主要的叫法有“干砂实型铸造”、“负压实型铸造”，简称EPC铸造。

消失模铸造根据其铸型材料分类：结合有粘结剂自硬砂消失模铸造(简称“FM”法)；和无粘结剂干砂结合抽真空技术(第三代)造型法消失模铸造(简称“EPC”法)。根据浇注条件分类：普通消失模铸造和负压消失模铸造。传统的砂型铸造工艺流程消失模铸造工艺流程与传统的铸造技术相比，“二十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。“二十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。1、制作聚苯乙烯塑料模型，2、组合浇注系统，刷、浸、喷耐火材料涂料，3、模型放入砂箱，加砂，振动紧实；用塑料薄膜覆盖，放浇口杯，抽真空，4、浇注5、释放真空，翻箱落砂，取出铸件，6、切除浇注系统，铸件清理，检验，7、砂处理，循环使用。泡塑珠粒的选用消失模铸造专用的泡沫珠粒有三种1）可发性聚苯乙烯树脂珠粒（简称EPS）；2）可发性甲基丙烯酸甲脂与聚苯乙烯共聚树脂珠粒（简称STMMA）；3）可发性聚甲基丙烯酸甲脂树脂珠粒（简称EPMMA）。常用可发性聚苯乙烯树脂珠粒（简称EPS），一般用于有色金属、灰铁、铸钢件的铸造。珠粒特点：半透明，予发泡倍数40-60，粒径为0.18-0.8mm，（6种尺寸）一般选用的原始珠粒直径小于或等于铸件最小壁厚的1/9-1/10。模型制作有两种情况1）由泡沫珠粒制作予发泡-熟化-发泡成形-冷却出模；（1）予发泡EPS珠粒在加入模具前，要先进行予发泡以使珠粒膨胀到一定尺寸。予发泡过程决定了模型的密度，尺寸稳定性和精度，是关键环节之一。适用于EPS珠粒予发泡的方法有三种：热水予发泡；蒸汽予发泡和真空予发泡。真空予发泡的珠粒发泡率高，珠粒干燥，应用较多。（2）熟化经予发泡的EPS珠粒放在干燥、通风的料仓中一段时间。以使珠粒泡空内外界压力平衡，使珠粒具有弹性和再膨胀的能力，除去珠粒表面的水份，熟化时间8-48小时。（3）发泡成型将予发泡且成型的EPS珠粒填充到金属模具的形腔内，加热，使珠粒再次膨胀，填满珠粒间的空隙，并使珠粒间相互融合，形成平滑表面，即模型。出模前必须进行冷却，使模型降温至软化温度以下，模型硬化定型后，才能出模。出模后还应有模型干燥及尺寸稳定的时间。设备有蒸缸及自动成型机两种。2）由泡塑板材制作：泡塑板材-电阻丝切割-粘接-模型。对简单模型，可利用电阻丝切割装置，将泡塑板材直接切割成所需模型。对于复杂模型，首先用电阻丝切割装置，将泡塑板材切割成模型的几个组成部分，然后进行粘接成整体模型。组合模型蔟是将自行加工好（或外购的）泡塑模型与浇冒口系统粘结在一起，形成模行蔟。这种组合有时在涂料前进行，有时在涂层制备后,压箱造型时进行。是消失模实型铸造不可缺少的一到工序。目前使用的粘结材料有：橡胶乳液，树脂溶剂，和热熔胶及胶带纸。模型涂层实型铸造泡塑模型表面必须涂上一层一定厚度的涂料,形成铸型内腔。其涂层的作用是为了提高EPS模型的强度和刚度，提高模型表面耐型砂的冲刷能力，防止加砂过程中模型表面破损，及振动紧实，负压定型时模型的变形，确保铸件的尺寸精度。外购的消失模铸造专用涂料，在涂料搅拌机内加水搅拌，使其得到合适的粘度。搅拌后的涂料放入容器内，用浸、刷、淋或喷的方法给模型蔟表面挂上一层涂料，一般涂两遍，使涂层厚度为0.5-2mm。根据合金种类,结构形状、及尺寸大小的不同进行选择。挂好涂料的模型蔟在40-50℃的温度下烘干。振动造型仅介绍常用的造型方法,其工序：砂床制备-放置EPS模型-填砂-密封定型1）砂床制备将带有抽气室的砂箱放到振动台上，并卡紧。底部先放入一层一定厚度的底砂，（一般砂床的厚度为50-100mm以上）振动紧实。型砂为无粘结剂，无添加物，不含水的干石英砂。黑色金属漏度高，可选用较粗的砂；铝合金则采用较细的砂。落砂后，造型用的型砂经处理后，可循环使用。砂箱有方形和圆形两种，为单面开口，设有抽气室和抽气管，起吊或行走机构的砂箱。2）放置EPS模型振实后，在砂箱内的底砂上，按工艺要求放置EPS模型，并按培砂固定。3）填砂加砂（软管或雨淋），同时振动（X、Y、Z），时间一般为3-60秒，使型砂充满模型的各个部位，且使型砂的堆积密度增加。4）密封定型砂箱表面用塑料薄膜覆盖密封，用真空泵将砂箱内抽成一定的真空，靠大气压力与铸型内压力之差将砂粒粘结在一起，维持铸型在浇注过程中不溃散，称之为负压定型。较为常用。浇注EPS模型一般在80℃左右软化，420-480℃左右气化分解，分解产物有气体、液体、固体三部分，热分解温度不同，三者之间的含量不同。实型铸造浇注时，在液态金属的热作用下，EPS模型发生热解气化，产生大量的气体，不断通过涂层型砂向外排放，在铸型、模型及金属间隙内，形成一定气压，液态金属不断的占据EPS模型位置，向前推进，发生液体金属于EPS模型置换的过程。置换的最终结果是形成铸件。浇注的操作过程采用，慢-快-慢的方法。并保持连续的浇注，要防止浇注过程中断流。浇注铸型真空维持3-5分钟后停泵。浇注温度比砂型铸造的浇注温度高30-50℃。落砂清理冷却后，可用翻箱机倾翻砂箱即可取出铸件，也可从砂箱中吊出铸件，铸件和型砂自然脱离，经过处理后型砂可循环使用。铸件去除浇、冒口后，进行表面的清理和检验后，合格的铸件即可入库备用。消失模铸造需要的专用设备消失模铸造与其他铸造方法的主要区别是它所特有的黑区和白区部分。白区指制模工部和模型组合及涂料烘干工部，黑区指造型浇注工部。消失模铸造的专用设备有：

白区：制模工部：预发机、蒸缸、成型机、模型干燥室等；模型组合及涂料烘干工部：涂料研磨机、涂料混制滚筒、模型烘干设备等。黑区：造型浇注工部：造型振实台、真空系统、砂处理系统、砂箱、雨淋加砂装置、砂箱运输系统等。（三）消失模铸造的工艺优越性与传统的砂型铸造相比，大量生产的消失模铸造有如下工艺特征：

（1）一个与铸件形状完全一致、尺寸大小只差金属收缩量的泡沫塑料模型保留在铸型内，形成“实型”铸型，而不是传统砂型的“空腔”铸型（即“空型”）。（2）其砂型为无粘结剂、无水份、无任何附加物的干石英砂。（3）浇注时，泡沫塑料模型在高温液体金属作用下不断分解气化，产生金属-模型的置换过程，而不象传统“空型”铸造是一个液体金属的填充过程。制作一个铸件，就要“消失”掉一个泡沫塑料模型。（4）泡沫塑料模型可以分块成形再进行粘结组合。模型形状（即铸件形状）基本不受任何限制。消失模铸造有下列特点：

1）铸件质量好，成本低。材质不限，大小皆宜；尺寸精度高，表面光洁，减少清理，节省机械加工；内部缺陷大大减少，组织致密。

2）可实现大规模、大批量生产。自动化流水线生产,无污染、环保。可以大大改善作业环境、降低劳动强度、减少能源消耗。3）与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比的优势，被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”、“铸造工业的绿色革命”。1999年，国家科技部把消失模铸造技术列为国家重点推广的高新技术。近年来，消失模铸造技术在国内外已经成为改造传统铸造产业应用最广的高新技术。（观看教学片）（四）消失模铸造技术发展趋势1、随着严格的质量保证体系和各关键工序监控仪表的完善，消失模铸件的质量将进一步提高，废品率将大为降低。2、在模具设计和制造领域，将大量采用快速原型制造技术和并行环境下计算机模拟仿真，从而大大缩短模具的生产时间，实现铸件的快捷生产。3、随着聚苯乙烯泡沫塑料尾气净化装置和旧砂处理设备的进一步改善，以及各工序间自动化程度的提高，将使消失模铸造工厂（车间）绿色化。4、随着技术的进步，消失模铸造技术将与其它先进铸造工艺相结合，开创出更新的复杂工艺，将使铸件质量和生产效率进一步提高。例如，将消失模铸造技术与低压铸造相结合，将实现对金属液填充速度的严格控制，同时也会实现气化模型的有序气化，使铸件在一定的压力下结晶凝固，从而获得组织致密、高气密性的铝合金铸件。四、半固态金属（SSM）成形（一）发展概况从70年代初美国麻省理工学院的

Flemings教授等开发出半固态加工技术以来，

现已得到迅速发展。美国在此技术的开发研究和工业应用等方面处于全球领先地位；欧

洲国家和日本也相继开展此方面的工作，并取得很大进展。半固态加工技术最广泛的应用主要集中在汽车工业，用以进行汽车零件的近终形(NearNetShape)制造以及使其轻量化；另外，这项技术还被越来越多地用于航空、兵器、仪表等工业的主要构件。目前，半固态金属加工技术的发展主要围绕着半固态金属的制备和成形、基础理论、金属基复合材料的制造、工业应用和开发等方面。与此同时，很多相关的新技术和应用领域不断被开发出来。

（二）半固态成形原理半固态成形，在金属凝固过程中，进行强烈搅拌，使普通铸造易于形成的树枝晶网络被打碎，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固-液混合浆料，采用这种既非液态、又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为金属的半固态加工。SSM成形是介于铸造和锻造之间的一种工艺过程，适用于很多常规的成形方法。通常根据采用的成形设备对其命名，这些设备包括：改进的压铸设备、注射成形设备、连续铸造设备和模锻设备等。在研究和应用中，铸造设备在SSM成形中占较大比例，因而SSM

成形多称为半固态铸造。

SSM原料在进入模具内腔之前有不同的处理方法，从而使SSM成形分为两大类：流

变成形(Rheoforming)和触变成形(Thixo-

forming)。流变成形是将获得的

SSM原料直接成形；触变成形是将SSM原料首先制成

锭料，生产时，将定量的锭坯重新加热至半固态然后再成形。

对于流变成形，由于直接获得的SSM原料保存和输送很不方便，因而发展较缓慢，一

般仅用于SSM连续成形方面；对触变成形，由于

SSM坯料便于输送和加热，易于实现自动化，所以，触变成形在工业中得到广泛应用。

（三）半固态金属的成形工艺

1、工艺流程：由原始浆料连铸或直接成形的方法被称为“流变铸造（rheocasting）”，目前进入实用的流变成形技术只有一种，它被称之为射铸(InjectionMoldingorThixomolding)技术。射铸技术只应用于镁合金(ASTMSpectifications-AZ91D)的半固态成形，成形件为汽车零件毛坯，成形机中包含一个特殊的螺旋推进系统(Extruder),并配有半固态镁合金加热源；当小块状的镁合金(由传统的枝晶镁合金锭剪切而成)送入螺旋推进系统后，镁合金一边被加热，一边由左向右螺旋剪切推进；到达螺旋推进系统左边的半固态镁合金已经具有流变性，随后被射入模具型腔成形。射铸件的强度、塑性与高压铸件的相当，但射铸件的气孔率降低约46%，耐蚀性更强。

2、另一条途径用术语描述为“触变成形（thixoforming）”。一般触变成形中半固态组织的恢复仍用感应加热的方法，然后进行压铸、锻造加工成形。半固态金属的触变成形可以分为几种：一是触变压铸(thixodie-casting),其成形设备是压铸机；二是触变锻造(thixoforging),其成形设备是压力机；三是触变挤压，其成形设备是挤压机；四是触变轧制，其成形设备是轧机。以上成形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。半固态金属成形工艺如图所示。（四）半固态成形的特点1、由于SSM本身具有均匀的细晶粒组织及特殊的流变特性，在压力下成形使工件具有很高的综合力学性能；成形温度比全液态成形温度低，减少液态成形缺陷，提高铸件质量，拓宽压铸合金的种类至高熔点合金；2、能够减轻成形件的质量，实现金属制品的近净成形；SSM成形件表面平整光滑；内部组织致密、晶粒细小、力学性能高；凝固收缩小，

因而铸件尺寸精度高；SSM成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了机械加工量，

可以做到少或无切削加工。

3、SSM充型平稳、无湍流和喷溅、温度低而且释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置尤其是模具的热冲击，使其寿命大幅度提高；同时，SSM凝固时间缩短，从而有

益于提高生产率。

4、用常规液态成形方法不可能制造的合金，例如某些金属基复合材料的制备。因此，半固态金属成形技术以其诸多的优越性而被视为划时代的金属加工新工艺。5、不直接处理液态金属，便于实现自动化，改善了劳动条件；与固态金属模锻相比，SSM的流动应力显著降低，因而SSM模锻成形速度更高，

而且可以成形十分复杂的零件。

（五）半固态金属制备方法制备方法：熔体搅拌法、应变诱发熔化激活法、热处理法、粉末冶金法等。其中熔体搅拌法是应用最普遍的方法。熔体搅拌法根据搅拌原理的不同可分成如下两种：1．机械搅拌法机械搅拌法设备技术比较成熟，易于实现，搅拌状态和强弱易控制，剪切效率高；但对搅拌器材料的强度、可加工性及化学稳定性要求很高。在半固态成形的早期研究中多采用机械搅拌法。2．电磁搅拌法

在旋转磁场的作用下，使熔融金属液在容器内作涡流运动。电磁搅拌法的突出优点是不用搅拌器，对合金液成分影响小，搅拌强度易于控制，尤其适合于高熔点金属的半固态制备。（六）SSM的工业应用与开发前景半固态成形：半固态成形（SSF）的铝和镁合金件已经大量地用于汽车工业的特殊零件上。生产的汽车零件主要有：汽车轮毂、主制动缸体、反锁制动阀、盘式制动钳、动力换向壳体、离合器总泵体、发动机活塞、液压管接头、空压机本体、空压机盖等。半固态加工技术除上述直接成形外，还有望于提纯金属(使3SM的液固两相分离)、

制造金属板带等。尤其是用半固态加工技术制造金属基复合材料愈来愈受到人们的重视。随着不断研究开发，半固态加工技术必将超出今天工业应用的范围。

SSM适用于有液固共存区的合金体系。研究和生产证明，适用于半固态加工的金属

有：镁合金、铝合金、锌合金、镍合金、铜合金以及钢铁合金等，其中铝镁合金已用于工业生

产。半固态加工技术有可能使黑色金属实现压铸，很多国家正致力于这方面的研究。

五、近终形状铸造技术近终形状铸造（NearNetShapeCasting）：技术主要包括薄板坯连铸（厚度40~100mm）、带钢连铸（厚度小于40mm）以及喷雾沉积等技术。其中喷雾沉积技术为金属成形工艺开发了一条特殊的工艺路线，适用于复杂钢种的凝固成形。其工艺原理如图所示。图喷雾沉积工作原理液态金属的喷射流股从安装在中间包底部的耐火材料喷嘴喷出，金属被强劲的气体流股雾化，形成高速运动的液滴。在雾化液滴与基体接触前，其温度介于固-液相温度之间。随后液滴冲击在基体上，完全冷却和凝固，形成致密的产品。根据基体的几何形状和运动方式，可以生产小型材、圆盘、管子和复合材料等。当喷雾锥的方向沿平滑的循环钢带移动时，便可得到扁平状的产品。多层材料可由几个雾化装置连续喷雾成形。空心的产品也可采用类似的方法制成，将液态金属直接喷雾到旋转的基体上，可制成管坯、圆坯和管子。以上讨论的各种方式均可在喷雾射流中加入非金属颗粒，制成颗粒固化材料。该工艺是可代替带钢连铸或粉末冶金的一种生产工艺。喷射成形技术特点(1）技术链是类似技术中最短的，它直接在精炼炉后作为其后续工序完成成形，金属或合金熔化后直接以雾滴的形态通过喷嘴喷出;(2)其喷射速率达到500-8OOm/s，每分钟的喷射量可达30-60㎏的合金液甚至更高(取决于喷嘴)，成形效率非常高，与热喷涂技术相比，要快几十倍甚至数百倍;(3)成形件的精度较高，可以达到近净成形的水平，这样就可以减少后续工艺步骤，例如用这个方法得到的涡轮盘坯件，可直接在热模锻压机上进行终成形;(4)所得坯件的冶金质量非常好，既无成分偏析，又很少冶金缺陷，组织状态远优于铸态组织，例如采用模具钢制造出的金属模具，其寿命是一般模具的几倍。此工艺的步骤包括:(1）由计算机获取所制造零件的设计文件及数据;(2)采用快速原型制造技术或快速数控加工，得到此零件的原型件;(3)由此原型件得到其陶瓷模具;(4)将液态金属喷射到陶瓷型上形成零件的具有相应精度的毛坯件(致密度、冶金质量和材料性能达到要求)，需要考虑这个核心步骤的各个工艺参数的选取;(5)此毛坯件(称为喷射件)的工作表面无需加工，而其侧面和背面需经机加工，就可获得的是近净成形的坯件。这样得到的金属零件尺寸精度能够得到保障，冶金质量非常优良，在工程实际上可以有极其广泛的应用。与其他相关技术相比，此技术亦有很多优越性。一般的热喷涂技术，不能直接使用液体金属，由此产生的原材料制备困难是需要克服的，热喷涂需要使用粉末或丝材。与热喷涂技术相比，喷射成形直接将金属钝料熔化即可，既避免了粉未冶金技术氧化严重、工序繁多的问题，亦可避免金属丝材难以制造的问题。与其他相关技术相比，此技术亦有很多优越性。一般的热喷涂技术，不能直接使用液体金属，由此产生的原材料制备困难是需要克服的，热喷涂需要使用粉末或丝材。与热喷涂技术相比，喷射成形直接将金属钝料熔化即可，既避免了粉未冶金技术氧化严重、工序繁多的问题，亦可避免金属丝材难以制造的问题。况且，如果采用真空熔炼技术，在金属锭料熔化的同时，可以对材料进行精炼，使液态金属的质量等级大大提高。喷射成形工艺需要着重解决的问题喷射成形将金属熔体的雾化与沉积成形合二为一，可直接由液态金属制取快速凝固预制形坯，实现制取近净成形的坯件。这个过程看似简单，从材料到零件的技术链非常简短，易于实现快速制造，但是这个工艺对于技术的要求非常高，有如下问题需要着重加以解决。(1)为了实现增多形核中心，使形核过程加速，可以采用合金，通过控制合金的成分来达到增大非自发形核的形核率。因此，对于金属零件的选材，应当与一般的制造过程不同，如果采用喷射成形，则在使用的材料成分上要作适当的调整。(2)由于冷却速度极快，喷射成形所得到的组织具有快速凝固组织的特点，从微观上看，内部是极其均匀细小的晶粒，并且有低的偏析倾向和过饱和的固溶程度，弥补了普通铸锭因冷却速度偏低而引起的材料组织的不足。质量分数为12%的V钢用普通铸造和喷射成形所得到的显微组织的比较，后者的晶粒明显比一般的铸态组织细12个数量级，冶金缺陷亦少得多。(3)金属材料由喷枪的喷嘴喷出时速度越高，到达沉积表面的时间就越短，而如果冷却条件良好，到达时就已经完成了凝固过程，这样，晶粒来不及长大，得到的零件晶粒充分细小。这需要通过现代化的喷射成形设备来保证。(4)喷头、喷嘴和雾化装置的设计和制造是非常关键的，一方面，这些部件要能够经受得住高温，特别是高温合金的熔点非常高，因此它们需要由耐高温材料来制造;另一方面，从喷嘴喷出的液滴应当被雾化成为极细的雾滴，不仅有利于坯件中形成细晶，而且有利于达到快速凝固的条件。(5)喷射成形设备必须采用自动控制的方式，这是因为其过程变化非常迅速，各个工艺参数都需要严格控制，并且在极短的时间内对参数的变化非常灵敏，这就要求控制系统在瞬态就对这种变化作出反应。这种被工业界看好的先进成形制造技术还有许多科学问题需要深入研究①进行金属喷射成形毛坯件的材料热模拟试验，以获取所用材料的高温力学性能参数，从而指导金属零件的选材、工艺路线的确定和工艺参数的优化。②被喷射金属高温下塑性成形过程中材料的流动应力与温度、应变量、应变速率等变形条件的参量之间的动态响应关系需要系统的研究，这种关系是非线性的、非常复杂的。同时，还要对组织变化进行微观观测，找到塑性成形过程引起的组织变化，而这种变化反过来又会影响涡轮盘制件的使用性能和寿命。③对金属喷射成形毛坯件的尺寸参数及公差开展研究，确定出毛坯件是否达到了近净成形的程度，为制定后续加工工艺提供指导。④由于喷射成形时的温度很高，雾滴到达沉积表面时的速度也很高，因此这个技术对于陶瓷模具的要求相应也非常高，必须开展模具材料的研究，并且对于材料在模具中的传热、冷却过程开展研究。喷射成形技术的应用展望喷射成形技术在许多领域有着广泛的应用。例如，芬兰采用精密喷射成形技术，制造出复杂程度很高的金属模具，下图是斧头的锻模，由于斧头的刃口十分锋利，因此这个模具的尺寸精度要求非常高。下图是个金属零件的压铸模，它不仅形状复杂，而且由于要满足压铸工艺的需要，模具在所需经受的高温和高压方面要求也非常高，一般的金属成形工艺是难以满足其需要的。又如，喷射成形在高温合金涡轮盘的成形制造方面亦有很好的应用前景。六、计算机数值模拟技术用计算机数值模拟技术模拟铸件凝固过程，可以模拟计算包括冒口在内的三维铸件的温度场分布，即将铸件首先剖分成六面体的网格，每一个网格单元有一初始温度。然后计算其在实际生产条件下，在各种铸型中的传热情况。算出各个时刻每个单元的温度值、分析铸件薄壁处、棱角边缘处的凝固时间，厚壁处、铸件芯部和冒口处的凝固时间，看看冒口是否能很好补缩铸件，铸件最后凝固处是否在冒口处可预测铸件在凝固过程中是否出现缩孔、缩松缺陷，这种模拟计算可以概括为电脑试浇。由于工艺设计的不同，如砂型种类（硅砂、铬铁矿砂、锆砂），冒口大小和位置，初始浇注温度，冷铁多少、大小的不同，其电脑试浇的结果也不同，反复试浇（即反复模拟计算），总可以找到一种科学、合理的工艺，即通过电脑模拟计算优化了的工艺，进而组织生产，就可以得到优质铸件，这就是当今所说的“铸造工艺CAD技术”。由于电脑试浇并非真正的人力、物力投入进行热生产试验，只要有一台计算机，在一定的程序软件下进行模拟计算就行，因而可以大量节省生产试验成本，而且可以进行工艺优化，因而其经济效益十分显著。陶瓷型铸造、壳型铸造教学片第二节精确高效金属塑性成形工艺金属塑性成形是指金属在外力的作用下产生塑性变形，成为具有所要求形状、尺寸和性能的制品的加工方法。由于是利用金属的塑性在压力下的成形，所又称为金属塑性加工或金属压力加工。常见的金属塑性成形方法有轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等。这些塑性成形方法都是利用金属的塑性而进行成形加工的，属于传统的金属塑性成形方法。随着宇航、汽车等工业的不断发展，对其制品在质量、效率、节能降耗等方面的要求越来越高。因此，出现了精密锻造、精密冲载、超塑性和等温成形工艺、辊锻和楔横轧技术，粉末成形工艺等。塑性成形新工艺的特点：1）尽量使成形件的形状接近零件的形状，以便达到少、无切屑加工的目的，同时得到合理分布的纤维组织，提高零件的力学性能。2）具有更高的生产率。3）减小了变形力，可以在较小的压力设备上制造出大型零件。4）广泛采用电加热和少氧化、无氧化加热，提高零件表面质量，改善劳动条件。一、精密模锻在精度高、刚性好的锻压设备上使用精密模具制造无切削余量或少切削余量锻件的工艺技术精密锻压与普通模锻相比，锻件的模锻斜度小(0～3°)、表面光洁、凹凸圆角半径小、主要尺寸容差小。（一）锻造发展简史

人类在新石器时代末期已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国约在公元前2000多年已应用冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物就有明显的锤击痕迹。商代中期用陨铁制造武器，采用了加热锻造工艺。春秋后期出现了块炼熟铁，经过反复加热锻造以挤出氧化物夹杂并成形。14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻造。1842年，英国的J.内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机，到19世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。夹板锤最早应用于美国内战(1861～1865)期间，用以模锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤，模锻工艺逐渐推广。20世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。20世纪中期，热模锻压力机、平锻机和无砧锻锤逐渐取代了普通锻锤，提高了生产率，减小了振动和噪声。随着锻坯少无氧化加热技术、高精度和高寿命模具、热挤压、成形轧制等新锻造工艺和锻造操作机、机械手以及自动锻造生产线的发展，锻造生产的效率和经济效果不断提高。（二）精密模锻过程及工艺特点精密热模锻生产通常要经过下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、校正或精整等多道工序。由于锻件形状尺寸和精度要求不同，有些工步可以省去，确定工步的一般原则和普通热模锻生产线相似；工艺流程设计对于正确选择和利用设备、保证产品精度和质量、提高生产效率、降低生产线投资和日常生产成本、节能节材、改善生产环境和劳动条件。1、精密模锻伞齿轮下料—感应加热（850℃）—锻造—硬化处理—精整。其齿形部分可直接锻出而不必再经过切削加工。精密模锻件尺寸精度可达IT12~IT15，表面粗糙度为Ra3.2~1.6μm。精密模锻通常用于难切削加工或费时的零件，以及对使用性能有较高要求零件。精密模锻工艺特点：1）精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。2）精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其它缺陷等。3）采用无氧化或少氧化加热方法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。4）精锻模膛的精度必须很高，一般要比锻件的精度高两级。精密锻模一定有导柱、导套结构，以保证合模准确。为排除模膛中的气体，减小金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。5）模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。6）精密模锻一般都在刚度大、精度高的曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤上进行。2.模具模具是控制金属流动、获得高精度锻件的必不可少的工艺装备。模具的失效形式主要是磨损(导致精度丧失)、早期破裂和疲劳破裂。在模具加工、模具结构、模具使用方面，精密成形所用的模具比普通成形的模具无疑有更高的要求。首先是模具本身的加工精度。以温冷结合的成形工艺制造的齿轮精度可达IT6-7级，而成形所需的模具精度应该比齿轮高出1-2级，需要精密机加工的手段。为了提高抗磨损性能，模具的型面应该进行表面处理，提高硬度，降低粗糙度。精密成形的温度较低，变形抗力大，即使是温锻，模腔内的压力也可能达到2000MPa以上，加上局部的应力集中因素，模具的工作条件非常严酷。因为承受工件金属变形产生的极高的压力，模具本身也会发生变形，甚至发生早期破裂，所以往往做得非常厚重。实际上，模具工作时最高应力发生在内壁，且拉应力分量很高，失效从内壁材料开始，而后扩展，靠外壁的材料是安全的。为了充分利用模具各部分的强度，可将模具分层制造，内层是工作部分，称为镶块，外层是预应力圈。然后各圈以相当大的过盈量配合组装在一起，有效降低镶块内壁的拉应力水平，外圈强度得到充分的利用。预应力圈常用两层，这就是“年轮型”预应力模具，在精密成形领域有广泛的应用。为了更好地利用每一层模具材料的强度，也可用薄钢带代替预应力圈，多层缠绕镶块，这是缠绕型预应力模，如图所示。预应力模的设计、计算应非常仔细，确保各部分在组装和使用中都处于安全状态，整个系统有足够的刚度。传统的解析计算方法已不能满足要求，应该使用有限单元法在计算机上对成形过程进行数值模拟，获得工件与模具的接触压力，以此为基础设计并优化预应力系统。3.精度的动态变化对于精度以微米计的精密成形工艺而言，除保证模具有很高的加工精度之外，模具在使用过程中尺寸精度变化同样不可忽视。模具在工作状态下承受来自工件的压力，会发生弹性变形，型面尺寸亦会发生变化，而型面精度的任何变动都将被出模后的锻件继承下来。虽然模具结构设计的原则是使其在任何工况下都保持弹性状态，但在实际工作状态下，由于型面上的压力分布不均匀，型面一般又是变化、复杂的，各点的弹性位移不会相同，以至锻件的尺寸精度也不会均匀分布。曾有一个直壁杯形冷锻件例子，外径30mm，局部出现"鼓肚"，直径偏差达+O.lmm，不能使用。解决办法可以选用刚度更好的镶块材料，例如硬质合金，还要改进预应力系统，施加更高的预应力。即使是冷锻，模具工作时温度也会上升，因为工件的塑性变形转化为热。在温锻变形时，工件包含大量的热，部分传给模具，使其升温。模具的热膨胀不可避免，其型面发生位移，并且不均匀分布，必然影响锻件精度，不能忽视。在温锻连续生产中，模具被周期性地加热、冷却，型腔尺寸不稳定，只有连续锻造若干个锻件之后，模具的吸热与散热达到相对的平衡状态，模具的工作温度才会稳定下来，使锻件尺寸偏差趋于一致，但是尺寸偏差在模具设计、加工时必须事先给予补偿。现在已可以使用计算机模拟仿真的方法得到合理的补偿值。在温锻时，锻件结束变形后从高温冷却到室温，经历一个冷却收缩的过程。因为锻件出模时其内部的温度场并不是均匀分布，造成各部位的冷却收缩量不同，导致尺寸偏差不均匀分布，可能局部超差，应该引起注意。生产中，如果锻件出模温度不同，同一批锻件也会有偏差波动，所以要控制生产节拍。冷却收缩引起的偏差可以用计算机模拟、预测，然后在模具上补偿。如果采用温冷复合锻造工艺，锻件精度由冷锻保证，减少了温度的干扰，精度得到明显提高，这是该工艺受到重视的原因。（三）精密模锻技术发展应用展望1、精密模锻对设备的要求精密模锻要求与之匹配的锻造设备应具有较好的刚性，精密的导向机构，良好的可靠性、稳定性，多缸的动作能力，生产工序的自动监控和检测功能等等。2、多学科渗透的精密锻造技术精锻是精密成形的重要分支，精锻品的获得已不单是锻造技艺的推陈出新；新材料、传感技术、信息技术、自动控制技术、液压技术、表面技术与锻造原理的融合，使得精锻技术日新月异。3、航天用轻合金的成形技术航天、航空零件多由钛、镁、铝等台金材料构成，这些材质的强度高，抗变形能力强，因此多采用热模锻工艺与机加工的方法获得由于在成形过程中必须重点考虑材料的相变关系，成形设计难度较大，它反应了一个国家基础工业的科研水平。以往的锻造业很少包容航天、航空领域，这方面越来越多的科研成果一旦服务于民用的需求，将极大地丰富基础工业的应用领域。4、精密锻造市场展望精密锻造的主要市场是“汽车”工业，日本、德国每辆车的精密冷锻件已达40多千克，而国内每辆车的精密锻件只有20多千克。根据我国汽车工业“十五规划，预测2005年汽车需求量为290～320万辆，如果每辆车的冷锻件能达到发达国家的水平，则将有6万吨的冷锻件需求，以平均单件0.5kg计算，至少有12亿件的冷精锻件的市场份额，市场需求量很大。摩托车目前近1000万辆的市场，其中相关精密锻件的需求也十分可观。日本学者估算2010年前全球的电动汽车产量将达到1500万辆，相关的精密锻件将有一个庞大的市场中国已成为各种家电、电器产品的第一大制造国，因此涉及到的有色金属精锻件制品、塑料制品种类繁多；加之汽车轻量化的迫切要求，将进一步扩大非黑色金属精密锻件的市场份额。二、精密冲裁冲裁是利用模具使板料产生相互分离的冲压工序。根据冲裁件加工质量及加工原理的不同，冲裁又可划分为普通冲裁和精密冲裁。精密冲裁简称精密冲压，在一定条件下可以取代切削加工，具有优质、高效低耗、面广的优点，适合组织自动化生产。精冲件的尺寸公差等级可达IT7~IT8级，剪切面粗糙度可达Ra2.4~0.4μm,相当于磨削。（一）发展概况精冲技术起源于1914年，历经了秘密期、普及期和发展期。20世纪70年代末80年代初，精冲技术伴随着汽车工业得以快速发展，并在机械工业、电子工业、汽车工业和军事工业得到广泛的应用。现今，精冲件的品种、尺寸形状、材料厚度和力学性能等都有了很大的提高。为适应市场需求，生产的均衡性、质量可靠性和加工经济性更加突出。迄今，全世界大约有45个国家采用精冲技术，生产的精冲零件约10000种，精冲机拥有量约3000～4000台。（二）实现精冲裁的技术要点：1、冲裁前，冲模的“V”形压边圈先压住坯料防止剪切区以外的材料在剪切过程中随凸模流动；2、压边圈和顶件板的夹持作用使坯料在冲裁过程中始终保持和冲裁方向垂直而不翘起，在结合凸模与凹模的小间隙，构成了使坯料获得塑性剪切的条件；3、在“V”形环压边力、冲裁力和顶件反力的作用下，坯料的变形区处在三向应力状态，提高了材料的塑性，避免了在冲裁结束前制件和板材的分离；4、冲裁前板料经软化处理以提高材料的塑性。精密冲裁件的质量与模具结构、模具精度、凸凹模的状况、材料状态、料厚、润滑条件、设备精度、冲裁速度、压力和顶件反力等因素有关。（三）未来几年精冲技术展望1.精冲件的尺寸范围继续扩大

从初期的仪器仪表、中期的电器开关到近期的用于重型机械的大型精冲件，轮廓尺寸不断增大，向大厚度发展，最厚的精冲件达25mm。2.高强度、高精度精冲件所占比重不断增加

通常均采用塑性好精冲性能好的材料先精冲强化，近几年采用了先强化后精冲的工艺路线，对于强度700MPa以上的贝氏体钢或球化调质钢，精冲后不再进行强化处理，避免了后续处理对工件质量的损害。另外，为了上述同样的目的，开发了若干适于精冲的高强度微量合金粒钢，强度在650～850MPa之间，这些材料具有优良的精冲性能，精冲8mm的厚度仍可获得光滑无撕裂的剪切面，加工硬化效应使冲切表层硬度达40HRC，可以免除后续的淬火工序、新材料的出现突破了通常情况下材料强度超过650MPa以后难以精冲的界限，使高强度厚板零件实现精冲成为可能，从而扩大了精冲的使用范围。3.精冲复合工艺迅速发展

所谓精冲复合工艺是指精冲和其他冲压工艺的复合，如精冲压印；精冲弯曲、精冲挤压；精冲浅拉深；精冲压沉孔；精冲翻边；精冲半冲孔；精冲压筋以及压扁不等厚精冲等工艺。目前采用精冲复合工艺生产的零件占全部精冲的20%以上。

4.出现了三维精冲件

一般精冲零件的尺寸要求基本上都在平面以内，精冲同时和多种工艺复合生产的零件、尺寸要求往往超出平面而是空间关系，这类零件称为三维精冲件，是轿车变速箱拨叉典型零件，其技术要求是：材料强度：σb640～880MPa

剪切面粗糙度：Ra0.4～0.8μm

尺寸公差：IT7～IT8级

两孔同轴度：0.05mm

弯曲角角度偏差：±10′

三维精冲件生产技术难度大，它代表当代精冲技术的最高水平。三、超塑性成形塑性是金属的本质，一般金属均不超过百分之几十，如黑色金属不大于40%，有色金属不超过60%，塑性最好的有色金属如金和银，其伸长率一般也只有80%，即便在高温下，也难达到100%。所谓超塑性，一般是指材料在低载荷的作用下，其拉伸变形的伸长率超过100%的现象。凡具有能超过100%伸长率的材料，称之为超塑性材料。超塑性变形是指金属或合金在低的变形速率（ε=10-2~10-4/s）、一定的变形温度（约为熔点绝对温度的一半）和均匀的细晶粒度（晶粒平均直径为０.2~5μm）条件下，其相对伸长率δ超过100%以上的变形。例如钢可超过500%、纯钛可超过300%、锌铝合金可超过1000%。超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，变形应力可比常态下金属的变形应力降低几倍至几十倍，因此极易变形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。常用的超塑性成形材料：主要是锌铝合金、铝基合金、钛合金及高温合金。（一）发展概况超塑性现象早在20世纪20~30年已被发现，但大量系统深入的研究工作则是在60年代之后，70年代超塑性应用技术开始进入工业应用，至今超塑性及其应用技术已经成为材料学科一个重要的研究领域。金属的超塑性成形在锻造、挤压、拉深、轧制等塑性加工方面应用越来越广泛。（二）超塑性成形的特点1、形状复杂的零件可以一次成形。2、制件组织细小、均匀，且性能好、稳定。3、变形抗力小。超塑性成形进入稳定阶段后，几乎不发生加工硬化，所以材料的流动应力非常小。4、流动应力对应变速率的变化非常敏感。5、制件的精度高。（三）超塑性分类1、微晶组织超塑性。一般所指超塑性多属这类，它是目前国内外研究得最多的一种。材料超塑性产生的条件：1）材料具有均匀的、稳定的微细等轴晶体，晶粒尺寸通常小于10μm；2）变形温度T>0.5Tm（Tm为材料的熔点温度，以绝对温度表示），并保持变形温度恒定；3）应变速率比较低，一般变速率在10-4~10-1min-1,要比普通金属拉伸实验时应变速率至少低一个数量级。2、相变超塑性。这类超塑性不要求材料有超细晶粒组织，而是在一定温度和负荷条件下，经过反复的循环相变或同素异形转变而获得很大的伸长率。其产生的必要条件是应具有固态相变特性，在低载荷作用下，使金属在相变温度上下循环加热与冷却，这样就能诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈现超塑性。例如，将碳素钢加一定的载荷，同时在相变点上下进行多次温度循环，每循环一次α

γ的转变，获得一定量的均匀拉伸。开始时每一循环下的变形是比较小，多次循环后则明显地上升，并积累成大的伸长率。普通碳钢在160次循环后，其伸长率可达500%以上。3、其它超塑性。近年来发现普通非超塑性材料在一定条件下快速变形时，也能显示出超塑性。如标距为25mm的热轧低碳钢棒快速加热到α+γ两相区，保温5~10秒，快速拉伸，其伸长率可达100%~300%。这种短时间内的超塑性，称为短暂超塑性。有些材料在去应力退火过程中，在应力作用下也可以得到超塑性。此外，国外正在研究的还有升温超塑性。（四）超塑性成形工艺的主要应用：金属材料的微晶超塑性加工前，要进行预处理，常用的方法有：冶金学法。添加细化晶粒原素，快速凝固等；变形热处理方法。例如，高、中温联合轧制（或锻造）等；热处理法。如球化退火等。1）板料超塑性冲压成形采用锌铝合金等超塑性材料，可以一次拉深较大变形量的杯形件，而且质量很好，无制耳产生。

2）板料超塑性气压成形将具有超塑性性能的金属板料放于模具之中，把板料与模具一起加热到规定温度，向模具内吹入压缩空气或抽出模具内空气形成负压，使板料沿凸模或凹模变形，从而获得所需形状，如图2-78所示。板料气压成形a）凹模内成形b）凸模上成形1—电热元件2—进气孔3—板料4—工件5—凹（凸）模6—模框7—抽气孔气压成形能加工的板料厚度为0.4~4mm。3）超塑性模锻或挤压高温合金及钛合金在常态下塑性很差，变形抗力大，不均匀变形引起各向异性的敏感性强，常规方法难于成形，材料损耗大。如采用普通热模锻毛坯，再进行机械加工，金属消耗达80%左右，导致产品成本升高。在超塑性状态下进行模锻或挤压，就可克服上述缺点，节约材料，降低成本。超塑性模锻利用金属及合金的超塑性，扩大了可锻金属材料的类型。如过去只能采用铸造成形的镍基合金，也可以进行超塑性模锻成形。超塑性模锻时，金属填充模膛的性能好，可锻出尺寸精度高、机械加工余量很小、甚至不用加工的零件，并且金属的变形抗力小，可充分发挥中、小设备的作用。锻后可获得均匀、细小的晶粒组织，零件力学性能均匀一致。4)板料的真空成形和吹塑成形

将超塑性板料放在模具中，并与模具一起加热到超塑性温度后，将模具内的空气抽出（真空成形）或向模具内吹入压缩空气（吹塑成形），利用气压差使板坯紧贴在模具上，从而获得所需形状的工件。这种方法主要适合于成形钛合金、铝合金、锌合金等形状复杂的壳体零件。通常零件厚度在0.4～4mm之间的薄板用真空成形法，而厚度较大、强度较高的板料用吹塑法。四、金属材料的电塑性加工术电塑性效应是指在电的作用(电子照射、电场、脉冲电流等电剌激)下所导致的金属材料塑性增加的现象。1963年，前苏联学者Troitskii和Lichtman在研究铸单晶单轴拉伸时发现，当钵单晶在变形过程中受到平行于滑移面的电子辐射时，其流变应力明显降低，延性显著增加;而当电子辐射垂直于滑移面时，虽然流变应力也降低，但延伸率下降，锌单晶材料明显脆化，甚至发生脆性断裂。实验结果表明，电子照射对金属材料变形有显著影响。后来Troitskii又研究了脉冲电流对锌晶体在液氮温度单轴拉伸变形的影响(见图2.10.2，图中数字为电容放电电压)，从载荷与变形量的关系曲线可知，脉冲电流对弹性变形区无影响。但在拉伸变形区(图2.10.2中A区)内，材料承受每个脉冲时载荷都会发生突然的跃变，使载荷降低。且电压越高，电流密度越大，载荷跃变越大，载荷降低幅值越大。可见，电流对流变载荷产生显著影响。当停止加载时，即对应于应力松弛区(图2.10.2中B

区)，电流脉冲也不引起载荷的显著跃变。从图2.10.2还可知，载荷的跃变总是向载荷降低的方向移动，增大脉冲电流强度时，载荷峰值也降低。所以认为是脉冲电流降低了变形应力，并增大了金属材料的塑性变形能力。此后，科技工作者对Cu、Zn、Pb、Cd，Fe、Sn、W等金属进行了试验，研究直流电脉冲对这些金属材料力学性能的影响，发现直流脉冲电流能降低这些金属的变形抗力，降低金属材料的脆性，提高它们的延伸率。现在，脉冲电流能降低金属材料的流变应力、增加金属材料塑性变形能力的现象已被科技工作者普遍认同，并将这种现象称为电塑性效应。电塑性效应的产生机理一直是物理学家和材料科学工作者所关注的问题，但由于问题较为复杂，动态观察困难，迄今仍无令人满意的科学解释。但大家比较认同的观点是:电塑性效应主要是电流(或脉冲电流)产生的电子流(又称"电子风")对材料变形过程中的位错运动产生了推动作用，使位错容易运动和容易越过障碍，使位错运动所需的外加载荷降低，因而使材料变形更容易，因此降低了材料的变形抗力，增加了材料的延性。目前已有实验结果证实脉冲电流促进了位错运动。但电流是怎样与位错发生交互作用及推动位错运动的机制仍不清楚。此外，电流产生的焦耳热效应、磁压缩效应等也在一定程度上对电塑性效应有少量贡献。金属材料电塑性加工技术既然电塑性效应能降低金属材料的变形抗力，很自然地被希望应用于金属材料加工。前苏联学者进行了将电塑性效应用于丝材加工(轧制和拉拔)的尝试性研究，并取得了一定进展。清华大学于1995年开始进行金属丝材的电塑性加工研究，经过十余年的研究，取得了显著的进展