先进材料成形技术绪论

先进材料成形技术与理论机电工程学院主讲教师：郭永环目录第一章材料及其成形加工方法概述第二章液态金属精密成形技术与理论第三章金属材料塑性精确成形工艺及理论第四章

先进连接技术理论及应用第五章

复合化成形加工方法及技术基础第六章粉末材料及其成形技术返回上页首页下页第一章材料及其成形加工方法概述材料技术的种类主要包括：制备技术、成形与加工技术、改质改性技术、防护技术、评价表征技术、模拟仿真技术等。

日本学者町田辉史等，将材料技术进步，概括为5次革命（飞跃），其基本特征如表1-1。上页首页下页1.1材料的分类及其成形加工方法概述1.1.1材料的分类（1）根据化学组成和显微结构特点分类（2）根据性能特征分类（3）根据用途分类（4）根据状态分类根据化学组成和显微结构特点分类如图1-1返回图1-1材料的分类返回根据性能特征分类

根据性能特征的不同，材料可分为：结构材料、功能材料。

前者以力学性能为主要要求指标，用于制造受力为主的构件。

后者以物理、化学特性为主要要求，如导电性、耐热性、耐蚀性等，同时对力学性能也有一定的要求。根据用途分类

根据用途的不同，材料可分为：建筑材料、航空材料、电子材料、半导体材料、能源材料、生物材料等。返回能源材料建筑材料返回根据状态分类

根据状态的不同，材料可分为：固体材料、液体材料、粉末材料等。这种分类，在讨论材料的成形加工方法中，经常采用。例如：金属材料的液态铸造成形、固态塑性成形、粉末冶金成形等。液体材料首页上页下页1.1.2材料的成形方法分类及概述（1）根据化学组成和显微结构特点分类1）金属材料的精确成形图1-22）无机非金属材料的精确成形3）高分子材料的精确成形图1-34）复合材料的成形

图1-2金属材料的精确成形金属材料的精确成形返回高分子材料的精确成形

图1-3高分子材料成形方法返回上页首页下页根据材料被加工成形时所处的状态，材料的成形方法分为：液体材料成形、固体（板、块）材料成形、半固态成形、粉末材料成形。（2）根据材料被加工时所处的状态分类1.2材料加工成形的作用、特点及精确成形技术1.2.1作用

材料加工成形技术指铸造、连接、塑性加工、粉末冶金等单元或复合技术的总称（热加工）。此外还有机械切削加工（冷加工），机械加工通常也是上述材料加工成形的进一步（精加工）。

铸造方法可生产各种类和大小的金属零件。

塑性成形方法可生产钢锻件、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。上页首页下页

焊接成形技术的应用也极为广泛，焊接或连接成形技术都占十分重要的地位。上页首页下页

材料加工成形也是制造技术的一个重要领域图1-4材料科学与工程的四个基本要素

材料的成分与结构、材料的性质、材料的制备与加工、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，它们之间的相互关系如图1-4。关于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。1.2.2特点与机械切削加工比较，材料成形加工有如下特点：（1）材料在热态下通过模具或模型而成形。（2）材料利用率高。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。（6）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。上页首页下页1.2.3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工而直接使用，“精确成形”有时又称为“近净成形”或近精确成形。

材料加工中精确成形技术的目标:实现少机械切削加工或无切削加工。精确成形包括：塑料注射成形视频；压力铸造成形视频、精密熔模铸造视频、低压铸造视频、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。上页首页下页上页首页下页1.3

材料成形加工方法的选择及不同

加工方法的精度比较

材料的成形加工方法主要有：铸造、压力加工（锻造、冲压）、焊接、注塑等，粉末冶金、挤压等。

基本原则：“技术上可行、经济上合理”，具体为“形状精、性能好、用料少、能耗低、工装简、无公害”。

1.3.1主要成形加工方法比较表1-2上页首页下页

1.3.2成形加工方法选用原则（1）零件的使用性能要求：包括力学性能、物理性能、化

学性能；如锻件的力学性能更高。（2）材料的成形性：铸造性、塑性成形性、焊接性等；如

低碳钢的塑性加工和焊接性较好。（3）性能价格比：应选择“性价比”高的成形方法。（4）生产条件：应尽量根据本企业的生产和设备条件，选

择成形加工方法。（5）生产批量：生产批量常常是毛坯成形工艺方案选择的

主要依据，如模锻的批量大、自由锻量小。（6）经济合理性：不同成形工艺方案，需要不同的装备、

模具、生产条件等，各种方法均要进行技术经济分

析，做到技术上先进、经济上合理。下页首页上页

1.3.3典型零件毛坯的成形方法举例机械零件按形状和用途不同，可分为饼盘类、轴杆类、机箱机架机座类、薄板类等四大类。（1）饼盘类：常用铸造、锻造成形，复杂的、力学性

能要求低的用铸造成形，反之常用锻造成形；（2）轴杆类：常用锻造、铸造成形，轴类毛坯多采用

锻件，曲轴可采用球墨铸铁毛坯；（3）机箱机架机座类：常用铸造焊接成形，机箱（齿轮箱）机座（电机座、机床座）常用铸造成形，

机架可用焊接成形；（4）薄板类：主要是板料冲压件和注射塑料件，复杂

大型薄板零件还可以采用焊接拼装而成。上页首页下页1.4从“夕阳工业”到“先进制造技术”1.4.1问题的缘起1.4.2先进制造技术的定义及发展趋势定义：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。即先进制造技术是现代高新技术与传统制造业相结合的一个系统工程。下页首页上页先进制造技术的发展趋势：（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

密结合下页首页上页1.4.3新一代材料加工成型技术在先进

制造技术中的地位

先进的材料成形加工技术是先进制造技术的重要组成部分，它对国民经济的发展起着十分重要的作用。世界约75%的钢材需要经过塑性加工，45%的钢材需要焊接成形。德国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。日本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。新一代材料加工成型技术是机械制造业的基础，在先进制造技术中具有重要的地位。首页上页下页1.5

21世纪材料成形加工技术的发展趋势1.5.1精密成型

在20世纪90年代中期，国际生产技术协会及有关专家预测：到21世纪初，零件粗加工的75%，精加工的50%将采用精密成形工艺来实现。总趋势由近形向净形发展，即向精密成形方向发展。如轿车其铸、锻件生产工艺的发展趋势为以轻代重、以薄代厚、少无切削精密化、成线成套、高效自动化。

以精密成型为代表的新一代材料加工技术包括：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。1.5.2材料制备与成形一体化是指各个环节的关联越来越紧密、多个工序综合化（或短程化），如半固态成形技术、创形创质制造技术、喷射成形技术、激光快速成形、连续铸轧技术等。

它可实现先进材料与零部件的高效、近净形、短流程成形，也是不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及化合物、陶瓷、复合材料、梯度功能材料等零部件制备成形的好方法。首页上页下页1.5.3复合成形

复合成形工艺有铸锻复合、铸焊复合、锻焊复合和不同塑性成形方法的复合等。首页上页下页

如：液态模锻、连续铸轧、冲压件的焊接成形等。上页首页下页1.5.4数字化成形材料的数字化成形：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）等。最终目标：优化成形加工方法和工艺，实现对制备、成形与加工全过程的精确设计与精确控制，对制品零件的内在质量实施自动检测。上页首页下页1.5.5材料成形自动化

自动化是一种把复杂的机械、电子和以计算机为基础的系统应用于生产操作和控制中，使生产在较少人工操作与干预下自动进行的技术。

实现材料成形加工过程的自动化，可以大大提高劳动生产率、降低工人的劳动强度，避免人力生产中的人为因素（如疲劳、情绪景况影响等），保障产品的质量与精度，大大降低原材料的消耗。

因此，自动化是高质量、快速生产的前提，也是人类现代化的主要标志。上页首页下页1.5.6绿色清洁生产

材料成形加工行业一直是劳动环境较恶劣的行业、也是对环境污染较大的行业之一，改善操作环境，实现绿色清洁生产应是21世纪材料加工成形行业的奋斗目标。除尘设备、降噪设备的使用，使得工人的操作环境及劳动条件大为改善；生产废料（废渣、废气、废水等）再生回用（或无害处理），大大减少了生产资源浪费和对环境的污染，符合绿色可持续发展的时代