机械制造技术基础课件：成型技术

成型技术3.1金属材料的成型3.2高分子材料的成型3.3复合材料的成型3.4快速成型技术3.5毛坯成型方法的选择习题与思考题3.1金属材料的成型

金属材料是产品设计中最常用也是最主要的材料，它主要分为钢铁和有色金属两大类。金属材料需经过一次加工成型(从钢铁厂出炉加工成型)和二次加工成型(将原材料按设计要求进行加工)才能成为合格的产品。

金属的主要成型方法包括铸造、塑性加工、焊接、切削加工、粉末冶金等，本节重点介绍铸造、塑性加工、焊接。

3.1.1铸造成型

1．铸造成型概述

铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700—前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。

铸造是指将金属加热到液态，使其具有流动性，然后在重力或外力(压力、离心力、电磁力等)的作用下浇注、压射或吸入到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待冷却凝固后拆除铸型，获得一定形状和性能的毛坯或零件的成型工艺。通过铸造获得的金属毛坯或零件称为铸件。

铸造作为工业生产的基础产业，在机械制造业中占有重要位置。铸造产品广泛应用于矿山冶金、工程车辆、机床工具、水电动力、石油化工、仪器设备、农机、纺机、军事装备、船舶舰艇、航空航天、艺术雕塑、日常生活用具等领域。在一般机械设备中，铸件约占整个机械设备质量的45%～90%，在金属切削机床、内燃机、重型机械中占70%～90%,在农业机械中占40%～70%，在风机、压缩机中约占60%～80%。

铸造之所以能获得如此广泛应用，是因为它具有如下优点：

(1)能够制造各种尺寸和形状复杂，特别是具有复杂内腔的铸件，如设备的箱体、阀体、螺旋桨、基座等；

(2)应用范围广，既可用于单件小批量生产，也可用于大批大量生产；铸件的轮廓尺寸可小至几毫米，大至十几米；质量可小至几克，大至数百吨；

(3)铸造常用的原材料来源广泛，价格较低，凡能熔化成液态的合金材料几乎均可用于铸造，如铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、镁合金、钛合金及锌合金等均能铸造；铸造设备投资少，因此铸件的价格低廉；

(4)铸件的形状和尺寸与成品零件相近，因而切削加工余量小，减少了原材料消耗，并节省了切削加工费用。

但铸件生产也存在一些不足之处：

(1)铸造组织的晶粒比较粗大，且内部常有缩孔、疏松、气孔、砂眼等铸造缺陷，因而铸件的力学性能一般不如锻件；

(2)铸造生产工序繁多，工艺过程较难控制，致使铸件的废品率较高，质量不稳定；

(3)铸造工作环境粉尘多，工人的工作条件较差，劳动强度比较大，“三废”处理任务重。当然随着铸造技术的发展，以上不足之处正在不断得到克服。

2．铸造成型加工工艺简介

金属材料铸造成型的方法很多，按造型方法可分为砂型铸造和特种铸造两大类。

砂型铸造是以型砂为主要造型材料制备铸型的传统铸造工艺方法，砂型铸造包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型三类。它具有原料来源丰富、生产批量和铸件尺寸不受限制、成本低廉、适应性广、生产准备简单等优点，是应用最广泛的铸造方法，其生产的铸件占铸件总量的80%以上。

特种铸造是除砂型铸造以外其他铸造方法的总称，常用特种铸造方法有：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造等。

1)砂型铸造

砂型铸造的主要工序包括制造模样和芯盒、制备型砂和芯砂、制造砂型和型芯、合型浇注、落砂、清理和检验等，如图3-1所示。

图3-1砂型铸造的工艺流程

以套筒砂型铸造为例，其工艺过程如图3-2所示。

砂型铸造中，造型(造芯)是砂型铸造最基本的工序，造型方法的选择是否合理，对铸件质量和成本有着重要的影响。按紧实型砂和起模方法的不同，造型方法可分为手工造型和机器造型两类。

手工造型是用手工来完成紧砂、起模和合箱等造型过程。其特点是操作灵活，工艺装备(模样、芯盒、砂箱等)简单，不需要复杂的造型设备，只需简单的造型平板、砂箱和一些手工造型工具，适应性强，大、小铸件均可采用；还可通过分模、活块、挖砂、三箱、劈箱等造型方法生产出形状复杂、难于起模的铸件。但手工造型对工人的技术要求很高，生产效率低，劳动强度大，铸件质量不稳定，尺寸精度和表面质量较差，因此适合单件或小批量生产。

图3-2套筒砂型铸造的工艺过程

机器造型指用机器完成全部或至少完成紧砂和起模操作的造型方法。与手工造型相比，机器造型生产率高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度低，质量好，改善了劳动条件，便于组织生产流水线，但设备及工艺装备费用高，生产准备周期长，投资大，适用于成批、大量生产。

长期以来，砂型铸造一直是铸造生产中最基本、应用最广泛的铸造方法，一些典型的铸件产品如图3-3所示。

图3-3砂型铸造产品

2)熔模铸造

熔模铸造又称为熔模精密铸造或失蜡铸造，它是先制造蜡模，然后在蜡模上涂覆一定厚度的耐火材料，待耐火材料层固化后，将蜡模熔化去除而制成型壳，型壳经高温焙烧后进行浇铸获得铸件的铸造方法。

(1)熔模铸造工艺过程。

熔模铸造通常包括制造蜡模、结壳、脱蜡、焙烧、浇注、脱壳和清理等工艺过程，如图3-4所示。

图3-4熔模铸造工艺过程

①制造蜡模。蜡模材料常用石蜡、硬脂酸和其他一些化工原料配制，以满足工艺要求为准。首先将具有一定温度的蜡料压入压型(压制熔模用的模具)，冷凝后取出即为蜡模。熔模铸件一般较小，为提高生产率，常把数个蜡模熔焊在蜡棒上，成为蜡模组合，实现一型多铸。

②结壳。在蜡模组表面涂挂耐火材料，以制成一定强度的耐火型壳过程。具体过程是：在蜡模表面浸挂一层由黏结剂和耐火材料粉配制的涂料，然后在上面撒一层较细的耐火砂，并放入固化剂(如氯化铵水溶液)中如此反复多次，使蜡模组外面形成由多层耐火材料组成的坚硬型壳(一般为4～10层)，型壳的总厚度为5～10mm。

③脱蜡。通常将带有蜡模组的型壳浸泡于85～95℃的热水中或高压蒸汽中，使蜡料熔化后从浇铸系统中流出。蜡模熔出后的型壳即为具有空腔的铸型。

④焙烧。将脱蜡后的型壳放入加热炉中，加热到800～1000℃进行焙烧，烧去型壳内的残蜡、水分和其他杂质，使型壳强度进一步提高。

⑤浇注。将型壳从焙烧炉中取出后，周围堆放干砂，加固型壳，然后趁热(600～700℃)浇入合金液，并冷却凝固。

⑥脱壳和清理。用人工或机械方法去掉型壳，切除浇冒口并清理毛刺，获得铸件。对于铸钢件还需进行退火或正火，以便获得所需的力学性能。

(2)熔模铸造的特点和适用范围。

熔模铸造有如下优点：

①铸件尺寸精度高、表面质量好。铸件尺寸精度可达IT11～IT14，表面粗糙度Ra =2.5～6.3

μm，可实现少、无切削加工。如熔模铸造的涡轮发动机叶片，无需机加工便可直接使用。

②由于型壳用高级耐火材料制成，故能适应各种合金的铸造，如碳钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、镁合金、钛合金和球墨铸铁等。对于生产高熔点及难切削加工合金，更具有显著的优越性。

③可铸出形状复杂、轮廓清晰的薄壁铸件以及不便分型的铸件；可用熔模铸造的整铸件代替由许多零部件组成的部件，降低成本和提高零件质量。

④生产灵活性好，适应性强，生产批量基本不受限制。大批量生产可采用金属压型，小批量生产可采用易熔合金压型等，样品研制则直接采用快速原型代替蜡模。

熔模铸造的主要缺点：材料昂贵、工艺过程繁琐、铸件冷却速度较慢、生产周期长(4～15天)，铸件成本比砂型铸造高数倍。此外难以实现全盘机械化和自动化生产，且不能用于生产大型的铸件。

熔模铸造是少、无切削加工工艺的重要方法，最适合高熔点合金精密铸件的成批、大量生产，也可用于单件生产，可实现机械化流水线生产。它主要适用于形状复杂、难以切削加工的中小型铸件。目前它几乎已应用于所有的工业部门，主要用于航空航天、汽轮机与燃气轮机、造船与兵器、电子、石油化工、交通运输、泵和阀、汽车、拖拉机和机车等领域的中小型精密铸件的生产。图3-5所示为熔模铸造的航空发动机涡轮叶片。

图3-5熔模铸造的航空发动机涡轮叶片

3)金属型铸造

金属型铸造是在重力作用下将液态金属浇入金属铸型，从而获得铸件的铸造方法。铸型常用铸铁、铸钢等材料制成，可反复使用，直至损耗，故又称硬模铸造或永久型铸造。

(1)金属型结构和铸造工艺。

金属型的材料熔点一般应高于浇注合金的熔点，通常采用铸铁，要求较高时可采用碳钢或低合金钢。铸件的内腔可用金属型芯或砂芯形成，薄壁复杂件或铸铁、铸钢件多采用砂芯，而形状简单或有色金属件多采用金属型芯。

根据分型面位置不同，金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式三种结构。其中垂直分形式因开设浇冒口和取出铸件比较方便，易实现机械化，所以应用最为广泛，如图3-6所示。

金属型铸造工艺包括准备、预热、装配金属型、浇注、冷却、开型、取出铸件、质量检验与后处理等工序。图3-6垂直分型式金属型

(2)金属型铸造的特点和适用范围。

与砂型铸造比较，金属型铸造在技术和经济上有许多优点：

①金属型导热快，铸件冷却迅速，晶粒细小，结晶组织致密，其力学性能比砂型铸件高15%左右。

②铸件精度和表面质量比砂型铸件高，批量生产质量和尺寸稳定性好，废品率低，加工余量小。

③与砂型铸造相比，工序少，不用或少用砂芯，减少了粉尘和有害气体的污染，劳动条件好，劳动强度低。

④易于实现机械化、自动化，生产效率高，技术容易掌握，便于生产管理。

金属型铸造存在以下缺点：

①金属型本身不透气、且无退让性，易造成铸件浇不足、冷隔、开裂或铸铁件产生白口缺陷，不适用于热裂倾向大的合金。

②金属型铸造工艺要求严格，需严格控制温度、出型时间等工艺参数，否则容易产生缺陷。

③金属型制造周期较长，成本较高，对铸件的形状和尺寸有一定限制。只有在成批、大量生产时，才能显示出好的经济效果。

金属型铸造主要适用于大批量生产的非铁合金铸件(如图3-7所示)，如内燃机的铝活塞、汽缸体、缸盖、液压泵壳体以及铜合金轴瓦、轴套等。金属型铸造有时也可用来制造形状较简单的可锻铸铁件或铸钢件。

图3-7金属型铸造件

4)压力铸造

压力铸造是在压铸机上，用压射冲头以较高的压力和速度将压室内的金属液压射到模腔中，并在压力作用下使金属液迅速凝固成铸件的铸造方法，简称压铸。压力铸造的工艺过程主要包括向型腔内喷射涂料、闭合压型、压射金属、打开压型和顶出铸件。高压力和高速度是压铸的重要特点，也是区别于其他铸造方法的最根本特征。

(1)压力铸造的工艺方法。

压铸机是压铸生产最基本的设备，根据压室工作条件的不同，可分为热压室压铸机和冷压室压铸机两类。

热压室压铸机的工作原理如图3-8所示。压室2和熔化合金的坩埚1连成一体；压室浸在液体金属中，大多只能用于低熔点合金，如铅、锡、锌合金等。当压射冲头3上升时，液体金属通过进口进入压室2内。合型后，在压射冲头下压时，液体金属沿着通道经喷嘴充填压铸型，冷却凝固成型后开型取件，完成一个压铸循环。

采用热压室压铸机的特点是：生产工序简单，生产效率高，容易实现自动化；金属消耗少，工艺稳定，压入型腔的液体金属干净、无氧化杂质，铸件质量好。但压室和冲头长期浸在液体金属中，会影响其使用寿命。图3-8热压室压铸机的工作原理1—坩埚；2—压室；3—压射冲头；4—孔；5—定模；6—顶杆；7—动模．

冷压室压铸机按其压室结构布置方式分为卧式和立式压铸机两种，工作原理基本相同。目前应用最广泛的是卧式冷压室压铸机，主要由合型机构、压射机构、动力系统和控制系统等组成。卧式冷压室压铸机的工作原理如图3-9所示，其工作过程如下：先闭合压型，用定量勺将金属液通过压室上的注液孔注入压室；压射冲头向前推进，金属液经浇道压入铸型中；待铸件凝固后开型，顶杆将铸件推出。

图3-9卧式冷压室压铸机的工作原理

(2)压力铸造的特点及适用范围。

压力铸造有如下优点：

①高压力和高速充型是压力铸造的最大特点，因此它可以铸出结构复杂且轮廓清晰的薄壁、深腔、精密铸件；能铸出带有文字、花纹和图案的零件。目前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm，可铸出的螺纹最小螺距为0.75mm。

②压铸件尺寸精度高、稳定，互换性好，表面质量好，尺寸精度为IT11～IT13，表面粗糙度Ra=0.8～3.2μm，一般不需要切削加工即可直接使用，可实现少、无切削加工。

③压铸件组织细密，具有较高的强度、硬度，并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。压铸件抗拉强度一般比砂型铸件高25%～30%，但伸长率有所下降。

④压铸的生产率高，劳动条件好，在所有铸造方法中，压铸生产率最高，且容易实现生产过程的机械化和自动化。

压铸虽是实现少、无切削加工非常有效的途径，但也存在许多不足，主要如下：

①压铸设备投资大，且压型制造周期较长，成本高，因此压铸只适用于大批量生产。

②由于压铸速度高，型内的气体很难及时排除，常以气孔形式存留在铸件中，因此压铸件的切削加工余量不能过大，以防气孔露出表面，影响铸件的使用性能。此外压铸件不能进行热处理，原因是加热时气体膨胀会造成表面鼓泡或变形。

③压铸合金的种类(如高熔点合金)常受到限制，压型寿命很低。目前钢铁金属压铸在实际生产中应用得不多。

压力铸造是最先进的金属成型方法之一，广泛应用于交通运输、电子、机械制造、国防工业、医疗器械、家用电器以及日用五金等领域。其主要用于大批量生产非铁合金(如锌合金、铝合金、铜合金等)的中小型铸件，如缸盖、箱体、发动机缸体、发动机罩、管接头、仪表和照相机的壳体与支架、齿轮等。目前压铸件所用材料多为铝合金，约占70%～75%，锌合金约占20%～25%，铜合金约占2%～3%。图3-10所示为压力铸造件。

图3-10压力铸造件

5)低压铸造

低压铸造是介于重力铸造(如砂型铸造、金属型铸造等)和压力铸造之间的一种铸造方法，它是在0.2～0.6个大气压的低压下将金属液注入型腔，并在该压力下结晶凝固成型，以获得铸件的方法。

(1)低压铸造的工艺过程。

低压铸造的装置和原理如图3-11所示，其工艺过程包括升液、充型、增压、凝固、卸压等阶段。具体过程是将熔炼好的金属液倒入保温坩埚中，装上密封盖、升液管及铸型。待锁紧上型后，缓慢地向坩埚炉内通入干燥的压缩空气，使金属液在低压气体作用下，沿升液管自下而上地上升，经浇注系统平稳地进入铸型型腔。当金属液充满型腔后，保持或增大压力直至铸件完全凝固，然后解除液面上的气体压力，使坩埚与大气相通，这时升液管和浇注系统中尚未凝固的金属液，在重力的作用下流回坩埚。最后开启上型，由顶杆顶出铸件。铸型为水平分型，金属型在浇注前必须预热，并向型腔内喷刷涂料。

图3-11低压铸造原理示意图1—铸型；2—密封盖；3—坩埚；4—金属液；5—升液管

(2)低压铸造的特点及适用范围。

低压铸造有如下特点：

①充型压力和速度可以调节，适合于各种铸型、各种合金的铸件，如金属型、砂型、熔模型壳、树脂型壳等。

②采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，有利于铸件质量。

③铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。

④浇注系统简单，浇口可兼冒口，金属利用和工艺出品率高，通常可达90%～98%。

⑤设备简单，便于操作，设备投资少，易于实现机械化和自动化。

低压铸造的主要缺点是升液管寿命短，且保温过程中金属液易氧化。

低压铸造主要应用于较精密复杂的中、小型铸件，尤其适用于铝、镁合金。低压铸造广泛应用于汽车、拖拉机、船舶、机车车辆、医疗机械、仪器等工业部门的大批量零部件的生产，如汽车轮毂、发动机缸体、缸盖、活塞、曲轴箱、水泵体、液压缸体、减震筒、密封壳体等。图3-12所示为低压铸造产品。

图3-12低压铸造产品

6)离心铸造

离心铸造是指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力作用下充填铸型并凝固成型的一种铸造方法。离心铸造有独特的工艺和质量特点，其工艺流程如图3-13所示。

图3-13离心铸造工艺流程

(1)离心铸造设备和工艺过程。

离心铸造必须在专门的设备——离心铸造机上进行。根据铸型旋转轴在空间位置的不同，离心铸造机可分为立式、卧式两大类。立式离心铸造机上的铸型绕竖直轴旋转(见图3-14)，其优点是便于铸型的固定和金属的浇注，但其自由表面(即内表面)呈抛物线状，使铸件上薄下厚，主要适用于生产直径大于高度的圆环、轮、辊类铸件，如活塞环。卧式离心铸造机上的铸型绕水平轴旋转(见图3-15)，铸件各部分的冷却条件相近，铸件沿轴向和径向的壁厚均匀，因此适用于生产长度大于直径的套筒类和管类铸件，如汽缸套和铸铁管，是最常用的离心铸造方法。

图3-14立式离心铸造示意图图3-15卧式离心铸造示意图

(2)离心铸造的特点及适用范围。

离心铸造的优点如下：

①液态金属在铸型中能形成中空的自由表面，可不用型芯即可铸出套筒、管类铸件，简化了铸造工艺。

②铸件组织细密，一般无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。

③离心铸造还便于铸造“双金属”铸件，可分层浇注，可铸造液-液、固-液双金属铸件，如钢套镶铜轴承，其结合面牢固、耐磨，又节约了许多贵重金属材料。

④离心铸造提高了金属充填铸型的能力，对于流动性较差的合金或薄壁铸件都可用离心铸造生产。

离心铸造的缺点如下：

①对于某些合金(如铅青铜、铅合金、镁合金等)容易产生重度偏析，不适于铸造密度偏析大的合金及轻合金。

②在铸造中空铸件时，其内表面较粗糙，尺寸误差大。

③设备投资较多，不适宜单件、小批生产。

离心铸造是一种应用广泛的铸造方法，常用于生产管套类、筒类、双金属类及其他成型零件，如铸铁管、内燃机缸套、轴套、双金属轴承、滚筒、炉底辊、化工用管、铜合金轴瓦、涡轮、活塞环等。图3-16所示为离心铸造产品。目前已有高度机械化、自动化的离心铸造机，有年产量达数十万吨的机械化离心铸管厂，铸件的质量可达十几吨。

图3-16离心铸造产品

3.1.2金属塑性加工

金属材料需要经过加工制为一定的形状，才能满足设计和使用要求。要达到这种要求，除了传统的切削加工外，金属塑性加工技术也是常用的加工方法。金属塑性加工能够使产品的功能性与美观性达到高度协调统一，以其生产效率高、质量好、重量轻及成本低等优点在产品生产中占有重要地位。

金属塑性加工是指在外力作用下，使金属坯料产生预期的塑性变形，从而获得一定的形状。在成型的同时，能改善材料的组织结构和性能，产品可直接制取或便于加工，无切削，金属损耗少，适用于专业化大规模生产。金属塑性加工要求金属材料必须具有良好的塑性，低、中碳钢及大多数有色金属的塑性较好，都可进行塑性成型加工，而铸铁、铸铝合金等脆性材料，塑性很差，不能或不宜进行塑性成型。

工业中主要的金属塑性成型方法有：锻造、板料冲压、轧制、挤压、拔制等。随着生产技术的发展，综合性的金属塑性加工应用越来越广泛。

1．锻造

锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。工件毛坯经过锻造后，其内部结构更加细腻密实，力学性能大大提高，所有机器上重要零件的毛坯，如发动机曲轴、水压机主轴、大型连杆等均需经过锻造处理。

锻造按照成型是否采用模具通常分为自由锻和模锻。

1)自由锻

自由锻工艺是利用简单通用的工具如平砧、型砧等，在自由锻设备的冲击或压力作用下，使加热到一定温度的坯料变形，获得所需几何形状和性能的锻件方法。自由锻工艺适合单件和小批量锻件，特别是特大型锻件的生产。自由锻工艺的优点是所用工具简单，通用性强，工艺灵活，由锻工控制金属的变形方向，可锻制各种各样的锻件，如齿轮坯、大型连杆、多拐曲轴、起重机吊钩、转子、轧辊等复杂锻件；其缺点是锻件精度低、加工余量大、生产率低、工人劳动强度大。

自由锻工艺方法包括基本工序、辅助工序和修整工序。基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转、错移等，如图3-17所示。辅助工序是为了配合基本工序使坯料预先变形的工序，如钢锭倒棱、预压钳把、分段压痕等。修整工序安排在基本工序之后，用来修整锻件尺寸和形状。

图3-17自由锻基本工序

(1)镦粗。镦粗是指用压力使坯料高度减小，而直径(或横向尺寸)增大的锻造工序，分为整体镦粗和局部镦粗两种。

(2)拔长。拔长是使坯料横截面积减小而长度增加的锻造工序。

(3)冲孔。冲孔是指将坯料冲出通孔或盲孔的锻造工序。

(4)扩孔。扩孔是指减小空心坯料壁厚而增加其内径的锻造工序，常用扩孔方法有冲头扩孔和在马杠上扩孔(又称芯轴扩孔)。

(5)弯曲。弯曲是指将毛坯弯成所规定形状的锻造工序，弯曲的方法有角度弯曲和成型弯曲。

(6)错移。错移是指将坯料的一部分相对于另一部分错开，但仍保持轴线平行的锻造工序。错移工序常用来锻造双拐或多拐曲轴锻件。

2)模型锻造

模型锻造，简称模锻，是指将坯料加热后放在具有一定形状的锻模模膛内，施加冲击压力或静压力，使坯料在锻模模膛内产生塑性变形从而获得模锻件的加工方法，如图3-18所示。

图3-18模锻示意图

锻造过程中，坯料在模膛内受压力作用产生变形，能获得与模膛形状一致的锻件。通常一个锻件需经多次锻造而获得最终的锻件。图3-19所示为弯曲连杆模锻过程。

图3-19弯曲连杆模锻过程

模锻生产效率高，锻件强度高，耐疲劳，使用寿命较长，尺寸较精确，表面光洁，可节约金属，减少材料和切削加工成本，模锻操作简单，易实现机械化和自动化，但模锻成型需采用专用的模锻设备，锻模要用昂贵的模具钢制造，模膛加工较困难，所以模锻成型工艺的成本高，只适用于中批量和大批量生产。

2．冲压

1)冲压概述

冲压是塑性加工的基本方法之一，它建立在金属塑性变形的基础上，是利用模具和冲压设备对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得一定形状、尺寸零件的加工方法。由于加工通常在室温状态下进行，故又称为冷冲压。按变形性质分类，冲压工艺大致可分为分离工序和成型工序两大类。分离工序俗称“冲裁”，包括落料、冲孔、切边和切断等，成型工序包括弯曲、拉深、成型等，见表3-1。

冲压工艺的特点如下：

(1)生产设备和生产工艺简单，能加工其他方法难以生产的复杂形状的制件，如弹壳、行军水壶和高压气瓶等。

(2)制件的形状和尺寸精度高，互换性好，一般不需要大量的机械加工就能获得强度高、刚度好、质量轻和外表光滑美观的零件。

(3)生产效率高，可利用廉价的板料和带料，成本低廉。

(4)有利于实现机械化与自动化，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。

冲压加工方法的不足之处是：冲压只适用于加工塑性金属材料，对于脆性材料如铸铁、青铜等则无能为力，而且不适合于加工形状太复杂的零件。对于外形和内腔复杂的零件，采用铸造方法生产比一般冲压加工方法更为方便。

冲压加工方法适用范围广，从形状简单的螺钉毛坯到形状复杂的曲轴毛坯；从1g重的表针到几百吨重的发电动机大轴均可生产。因此冲压广泛应用于航空、汽车、仪器仪表、电器等工业部门和生活日用品的生产。在全世界各类钢材品种中，用于冲压加工的带料和板料占67%；在汽车、农机产品中，冲压件占75%～80%；在电子产品中，冲压件占80%～85%；在轻工产品中，冲压件占90%以上；在航空、航天工业的薄壳制件中，冲压件的比例在70%以上。因此当前在机械、电子、轻工、国防等工业部门的产品零件中，其成型方式已转向优先选用塑性加工工艺，以使制件质优、低耗、低成本，在市场竞争中处于有利地位。图3-20为冲压在汽车上的应用，其中汽车覆盖件、保险杠、发动机挡泥板等都采用冲压生产。

图3-20冲压在汽车上的应用

2)冲压基本工序

(1)冲裁。冲裁是使坯料按封闭轮廓分离的工序，它主要包括落料、冲孔、切边、切口、剖切、整修等。冲裁是分离工序的总称，其中以落料、冲孔应用最多。落料是利用冲裁取得一定外形的制件或毛坯的冲压方法，冲落部分为成品，周边为废料。冲孔是将冲压坯内的材料以封闭的轮廓分离开来，得到带孔制件的一种冲压方法，冲落部分为废料，周边为成品。冲裁加工示意图如图3-21所示，图3-22所示为冲裁制品。

图3-21冲裁加工示意图图3-22冲裁制品

(2)弯曲。弯曲是将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度制件的工序，如图3-23所示。图3-24所示为弯曲件。

图3-23模具弯曲示意图1—凸模；2—弯曲件；3—凹模；4—顶板图3-24弯曲件

(3)拉深。拉深是利用模具使冲裁后得到的平板毛坯变形成开口空心零件的工序，如图3-25所示。图3-26所示为拉深产品。

图3-25拉深示意图图3-26拉深产品

3．轧制

轧制是指金属靠摩擦力的作用，连续通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材(如圆钢、方钢、角钢、T字钢、工字钢、槽钢、Z字钢、钢轨等)的加工方法。

按轧制温度分为热轧和冷轧。热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制。热轧变形抗力小，变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸、塑性较差或变形量较大的材料，图3-27所示为热轧异形钢材。冷轧则是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷轧产品尺寸精确，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗力大，变形量小，适于轧制塑性好、尺寸小的线材和薄板材等。图3-28所示为冷轧卷板。

图3-27热轧异形钢材

图3-28冷轧卷板

根据加工设备的不同，轧制可分为辊锻轧制和碾环轧制。

(1)辊锻轧制。此工艺方法也称为辊锻，将坯料加热后，用工具夹持着通过装有圆弧形模具而转动方向相反的轧辊，在压力挤压下形成一定形状的工件。它既可以作为模锻的制坯工序，也可以直接生产锻件，如活动扳手、连杆、风机叶片等。采用辊锻工艺，其优点为：简化工艺过程，提高生产效率，改善力学性能。图3-29所示为辊锻轧制示意图。

图3-29辊锻轧制示意图

(2)碾环轧制。当需加工环形坯料并需将小径扩大时就采用碾环轧制，如火车轮毂、轴承座圈、齿轮及法兰盘等。此工艺可节约材料，大大减少机械加工余量，改善承载部分的韧度和强度。图3-30所示为碾环轧制示意图。

图3-30碾环轧制示意图

4．挤压

挤压是一种生产率高的加工新工艺，将金属坯料置于一封闭的挤压筒内，用强大的压力使坯料从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减小，坯料长度增加。常用的挤压方法有：正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。图3-31所示为挤压成型示意图。

图3-31挤压成型示意图

挤压同其他压力加工方法相比，具有以下优点：

(1)挤压过程中金属始终处于强烈的三向压应力状态，有利于发挥金属塑性，有利于加工难变形和低塑性的金属。

(2)挤压不仅可以生产简单断面制品，还可以生产复杂断面制品。

(3)挤压除用锭坯作原料外，还可以用金属粉末、颗粒作原料挤压成材。

(4)挤压灵活性大，只需要更换少数挤压工具就可改变产品的规格和形状，适合小批量、多品种制品的生产。

(5)挤压制品尺寸精确，表面质量较好，并且组织致密，力学性能较好。

但是挤压生产中产生的废料较多，如挤压管材的穿孔废料，挤压残料(压余)和挤压制品的切头去尾损失，因此挤压成品率低；又由于挤压过程中金属与挤压工具之间存在着摩擦，容易使制品的组织及性能沿其截面和长度分布不均匀；此外挤压机需配置许多辅助设备，投资较大，工具易损耗，能耗大，生产成本高。

适合于挤压加工的材料主要有低碳钢、有色金属及其合金。通过挤压可以得到多种截面形状的型材或零件。图3-32所示为挤压产品。

图3-32挤压产品

5．拔制

拔制是金属塑性加工方法之一，它是利用拉力使大截面的金属坯料强行穿过一定形状的模孔，以获得所需断面形状和尺寸的小截面毛坯或制品的工艺过程。图3-33所示为拔制工艺示意图。

拔制与其他的压力加工方法相比，具有以下特点：

(1)产品尺寸精确，表面光洁。

(2)拔制生产的工具与设备简单，维护方便，可在一台设备上生产多品种、多规格的产品。

(3)特别适合于小断面、长制品的连续高速生产。

(4)由于冷拉时产生加工硬化，能提高产品强度，但塑性降低使拉拔时金属的变形量受到限制。

(5)需要中间退火、酸洗等工序，生产周期长，金属消耗量大，生产率低。

拔制生产主要用来制造各种细线材、薄壁管及各种特殊几何形状的型材。低碳钢及多数有色金属及合金都可以拔制成型，多用来生产管材、棒材、线材和异型材等。图为3-34为拔制型材。

图3-33拔制工艺示意图图3-34拔制型材

3.1.3焊接

焊接，也称熔接、镕接，是利用局部加热或加压等手段，借助金属原子间的结合与扩散作用使分离的两部分金属牢固地结合起来的一种永久性连接材料的工艺方法。焊接技术在现代工业中占有十分重要的地位，已广泛应用于机械制造、建筑工程、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航空航天、原子能、电力电子、微电子、医疗器械和通信工程等工业部门的金属构件和机器零部件的制造和修复。

焊接方法的种类很多，按照焊接时的物理冶金特征(原子间结合方式的不同)分为熔焊、压焊和钎焊三大类(如图3-35所示)，目前熔焊的应用最广泛。

图3-35常用焊接方法

1．熔焊

熔焊是利用一定的热源，使被焊工件及填充金属局部加热至熔化状态，形成液态熔池，保证原子间的充分扩散和紧密接触，然后冷却结晶成一体接头的一类焊接方法。按所用热源种类的不同分为：电弧焊(焊接电弧为热源)、等离子弧焊(等离子弧为热源)、电渣焊(熔渣的电阻热为热源)、电子束焊(电子束为热源)、激光焊(激光为热源)、气焊(火焰为热源)等，其中又以电弧焊的应用最广泛。

电弧焊是以电弧作热源的熔化焊接方法。常见的电弧焊有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。

1)焊条电弧焊

焊条电弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍广泛应用的一种焊接方法。它是以焊条作为电极和填充金属，以焊条的末端和工件之间产生的电弧作为热源进行焊接的。焊接时，电弧将焊条端部和工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后形成的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池。随着电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却结晶形成焊缝。图3-36所示为焊条电弧焊焊接过程示意图。

图3-36焊条电弧焊焊接过程示意图1—母材金属；2—渣壳；3—焊缝；4—液态熔渣；5—保护气体层；6—焊条药皮；7—焊芯；8—熔滴；9—电弧；10—熔池

焊条电弧焊使用的设备简单、方法简便灵活、适应性强，可在各种条件下进行各种位置的焊接。接头形式、焊缝形状及长度等不受限制，但对焊工操作技术要求高，焊接质量在一定程度上取决于焊工的操作技术。此外焊条电弧焊劳动条件差、生产效率低，主要适用于单件或小批量生产，适宜焊接厚度为3～20 mm的焊件。活泼金属(如钛、铌等)和难熔金属(如钽、钼等)不能采用焊条电弧焊。

2)埋弧焊

埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的电弧焊方法。焊接时电弧的引燃、焊丝的送进和电弧沿焊缝的移动是由设备自动完成的。

埋弧焊焊缝形成过程如图3-37所示。焊接时，焊丝末端与工件接触，然后打开焊剂漏斗，在工件被焊处撒上一层30～50 mm厚的焊剂。通电后焊丝向上回抽引燃电弧，焊剂层下燃烧的电弧产生热量使电弧附近的母材和颗粒状焊剂熔化形成熔渣，所产生的高温气体将熔渣排开形成一个封闭的熔渣泡，具有表面张力的熔渣泡有效阻止了空气侵入熔池，并有效防止了熔滴向外飞溅。未熔化的焊剂将电弧与外界空气隔离，减少了电弧热能的散失。随着电弧向前移动，不断熔化送进的焊丝及前方的母材金属和焊剂，而熔池后方的液态金属从边缘开始逐渐冷却凝固形成焊缝，液态熔渣也凝固形成渣壳覆盖在焊缝表面。焊缝处金属受到焊剂层和熔渣泡的双重保护，热量损失小、熔深大。

图3-37埋弧焊焊缝纵向截面图

与焊条电弧焊相比，埋弧焊具有焊接速度快、生产效率高、焊接质量高且稳定、焊缝外形美观、劳动条件好等优点；但缺点是设备费用高，工艺装备复杂，不适宜焊接结构复杂的、有倾斜焊缝的焊件。因此，埋弧焊主要用于生产批量大、厚度较大(6～60 mm)且长直的平焊焊缝或较大直径的环形焊缝的焊接，适用的材料为低碳钢、低合金钢、不锈钢等金属板材。

3)气体保护焊

气体保护焊是指利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法。它在特种材料焊接和焊接过程自动化方面起着越来越重要的作用。与埋弧焊相比，其优点是电弧和熔池可见性好，操作方便，没有熔渣；在多层焊时节省大量焊后清渣工时，可实现全位置焊接；但在室外作业时要采取专门的防风措施。

根据焊接过程中所用的保护气体不同，常见的有氩弧焊和CO2气体保护焊等。氩弧焊是以氩气作为保护介质的气体保护焊，按其所用电极的不同又分为不熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊。

图3-38所示为CO2气体保护焊示意图。CO2气体保护焊是利用CO2气体(有时采用CO2+O2的混合气体)作保护介质的熔化极气体保护焊。这种焊接方法是用连续送进的焊丝作为电极，靠焊丝和焊件之间的电弧熔化工件金属和焊丝形成熔池，凝固后成为焊缝。

图3-38CO2气体保护焊示意图1—焊枪喷嘴；2—导电嘴；3—送丝机构；4—焊丝盘；5—流量计；6—减压器；7—CO2气瓶

CO2气体保护焊焊接速度快、焊后没有熔渣，节省清渣时间，所以生产率高；保护气体价格比氩气低；电能消耗少，所以成本较低。由于电弧热量集中，所以熔池小，焊接速度快，焊接热影响区较小，变形和产生裂纹的倾向性小，因而焊缝成型良好。对低碳钢和低合金钢焊接，这是一种高效率、低成本和高质量的焊接方法。其缺点是不宜焊接容易氧化的有色金属等材料，焊缝成型不够光滑美观，弧光强烈，熔滴飞溅较严重，烟雾多，需采取防风措施。

CO2气体保护焊主要用于焊接低碳钢和强度级别不高的普通低合金结构钢焊件，焊件最大厚度可达50 mm(对接形式)，广泛用于造船、汽车、起重机、各种罐体、农用机械等工业部门。

2．压焊

压焊是将被焊工件在固态下通过加压(加热或不加热)措施使其接头处紧密接触并产生塑性变形，挤除表面氧化物及污染物，使原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下实现原子间结合的一类焊接方法。常用的压焊有电阻焊、摩擦焊、扩散焊、爆炸焊、冷压焊和超声波焊等，多用于塑性较好的金属材料的焊接。

1)电阻焊

电阻焊是利用电流通过接头的接触面产生的电阻热作为热源的压焊，电阻焊按电极形式和接头形式的不同分为点焊、缝焊和对焊三种。

点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热局部熔化母材金属形成焊点的电阻焊。点焊主要用于薄板冲压件和钢筋的焊接，如汽车、飞机薄板外壳的拼接及装配，电子仪器、仪表等工业品的生产。点焊适用的厚度范围是0.05～6mm，适用的材料为不锈钢、铜合金、钛合金和铝镁合金等。

缝焊是连续的点焊过程，它用连续转动的盘状电极代替了柱状电极，进行间隔时间很短的点焊，焊后获得焊点首尾相互重叠的连续焊缝。缝焊由于焊缝中的焊点相互重叠约50%以上，因此密封性好。但缝焊分流现象严重，焊接相同厚度的工件时，所需焊接电流约为点焊时的1.5～2倍，因此缝焊只适用于厚度在3mm以下的有密封性要求的薄壁结构，如油箱、小型容器和管道等。

对焊是将焊件装配成对接接头进行的电阻焊方法。对焊要求焊件接触处的端面形状尺寸相同或相近，以保证焊接件的质量。对焊主要用于制造封闭形零件、轧材的接长、制造异种材料的零件等，如自行车车圈、钢轨、刀具等。

2)摩擦焊

摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦产生的热量，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的压焊工艺。摩擦焊过程中，焊件接触表面的氧化膜与杂质被清除，接头不易产生气孔、夹渣等缺陷，组织致密，接头质量好。可焊的材料范围较广，适用于异种材料的对接，如非合金钢与不锈钢、铝与铜、铝与陶等。

3．钎焊

钎焊是采用熔点比母材低的材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互溶解和扩散，然后冷却结晶形成结合面的一类焊接方法。它与熔焊有相似之处，常用的钎焊有锡焊、铜焊等，可用于同种或异种金属的焊接，也可用于金属与玻璃、陶瓷等非金属材料的连接。钎焊设备简单，生产投资费用少，但钎焊的接头强度较低，耐热性差，允许的工作温度不高，焊前清理要求严格，钎料价格较高。因此钎焊主要用来焊接精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及某些复杂薄板构件(如夹层构件和汽车水箱散热器等)，也用来焊接各类导线及硬质合金刀具。

综上所述，焊接方法主要具有以下优点：

(1)方法灵活多样，能满足特殊连接要求，工艺简便，能在较短的时间内生产出复杂的焊接结构。在制造大型、复杂结构和零件时，可结合采用铸件、锻件和冲压件化大为小、以简拼繁、再逐次装配焊接而成。许多结构都以铸-焊、锻-焊形式组合，简化了加工工艺，加工快，工时少，生产周期短，如万吨水压机的横梁和立柱的生产便是如此。另外不同材料焊接在一起能使零件的不同部分或不同位置具有不同的性能，达到使用要求。如防腐容器的双金属筒体焊接、钻头工作部分与柄的焊接、水轮机叶片耐磨表面堆焊等。

(2)适应性强，可焊范围较广，而且连接性能较好。采用相应的焊接方法既能生产微型、大型和复杂的金属构件，也能生产气密性好的高温、高压设备和化工设备；既适应单件、小批量生产，也适应于大批量生产。采用焊接方法还能连接异类金属和非金属，如原子能反应堆中金属与石墨的焊接、硬质合金刀片与车刀刀杆的焊接。现代船体、车辆底盘、各种桁架、锅炉、容器等都广泛采用了焊接结构。

(3)节省材料，减轻质量，生产成本低。与铆接相比，焊接结构可节省材料10%～25%，并可减少划线、钻孔、装配等工序。另外采用焊接结构能够按使用要求选用材料，在结构的不同部分按强度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温等要求选用不同材料，具有更好的经济性。

但是目前焊接技术还存在一些问题：生产自动化程度较低，结构不可拆，更换修理不方便；焊接接头组织性能不稳定；不同焊接方法的焊接性有较大差别；存在焊接应力，容易产生焊接变形、焊接缺陷等。

3.1.4金属材料的表面处理技术

金属材料或制品的表面受到大气、水分、日光、盐雾、霉菌和其他腐蚀性介质等的侵蚀作用，使金属材质产品锈蚀，从而引起金属材料或其制品欠光、变色、粉化和开裂，从而遭到损坏。表面处理及装饰的功效，一方面是保护产品，即保护材质表面所具有的光泽、色彩和肌理等而呈现出的外观美，并延长产品的使用寿命，有效地利用材料资源；另一方面起到美化、装饰产品的作用，使产品高雅含蓄，表面有更丰富的色彩光泽变化，更有节奏感和时代特征，从而有利于提高产品的商品价值和竞争力。

金属材料表面处理和装饰技术所涉及的技术问题和工艺问题十分广泛，并与多学科相关，产品设计师要了解这些表面处理和装饰技术的特点，才能正确合理地运用。

1．金属材料的表面前处理

金属制品表面的前处理工艺和方法很多，主要包括金属表面的机械处理、化学处理和电化学处理等。

机械处理是通过切削、研磨、喷砂等加工清理制品表面的锈蚀及氧化皮等，将表面加工成平滑的或具有凸凹模样的；化学处理的作用主要是清理制品表面的油污、锈蚀和氧化皮等；电化学处理则主要用以强化化学脱脂和侵蚀的过程，有时也可用于弱侵蚀时活化金属制品的表面状态。

2．金属材料的表面装饰技术

金属材料表面装饰技术是保护和美化产品外观的手段，主要分为表面着色工艺和肌理工艺。

1)金属表面着色工艺

金属表面着色工艺是采用化学、电解、物理、机械、热处理等方法，使金属表面形成各种色泽的膜层、镀层或涂层。

(1)化学着色：在特定的溶液之中，通过金属表面与溶液发生化学反应，在金属表面生成带色的基体金属化合物膜层的方法。

(2)电解着色：在特定的溶液中，通过电解处理方法，使金属表面发生反应而生成带色膜层。电解过程中金属阳离子渗入金属材料表面的氧化膜空隙中，并沉积在孔底，从而使氧化膜产生青铜色系、棕色系、灰色系以及红、青、蓝等色系。

(3)阳极氧化着色：在特定的溶液中，以化学或电解的方法对金属进行处理，生成能吸附染料的膜层，在染料作用下着色，或使金属与染料微粒共析形成复合带色镀层(见图3-39)。

图3-39采用阳极氧化着色处理的产品

(4)镀覆着色：采用电镀、化学镀、真空蒸发沉积镀和气相镀等方法，在金属表面沉积金属、金属氧化物或合金等，形成均匀膜层。这是一种典型的表面被覆处理工艺，能够保护和美化制品。如图3-40所示，吉尔诺水龙头的表面镀铬，可使水龙头具有精致细腻如镜面一般的抛光效果。

图3-40吉尔诺水龙头

(5)涂覆着色：采用浸涂、刷涂、喷涂等方法，在金属表面涂覆有机涂层。

(6)珐琅着色：将经过粉碎、研磨的珐琅釉料涂覆在金属制品表面，经干燥、高温烧制后形成膜层，从而显示出某种固有的色泽(见图3-41)。

(7)热处理着色：将金属制件置于氧化气氛中进行加热，使其表面形成带色氧化膜。

(8)传统着色技术：包括做假绣、汞齐镀、热浸镀锡、鎏金、鎏银以及生成色斑等。图3-42所示为19世纪晚期法国金属鎏金壁炉钟。

图3-41珐琅着色的蝴蝶胸针图3-42鎏金壁炉钟

2)金属表面肌理工艺

金属表面肌理工艺是通过锻打、刻画、打磨、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果。

(1)表面锻打：使用不同形状的锤头在金属表面进行锻打，从而形成不同形状的点状肌理，层层叠叠，十分具有装饰性，如图3-43所示。

图3-43刀具表面锻打

(2)表面抛光：利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛光不能提高工件的尺寸和几何形状精度，但可以得到光滑表面或镜面光泽的表面。图3-44所示的抛光雕塑位于芝加哥的千禧公园，雕塑采用抛光不锈钢外表制成，无须任何的花纹修饰即可将周围的景色映入其中，不同时间、不同角度所看到的外观效果都不相同。

图3-44抛光雕塑

(3)表面镶嵌：在金属表面刻画出阴纹，嵌入金银丝或金银片等质地较软的金属材料，打磨平整，呈现纤巧华美的装饰效果。图3-45所示为清朝的铜嵌银丝高足鬲式炉。图3-45铜嵌银丝高足鬲式炉

(4)表面蚀刻：使用化学酸进行腐蚀而得到的一种斑驳、沧桑的装饰效果。具体方法是先在金属表面涂上一层沥青，接着按设计好的纹饰图案在沥青面上进行刻画，将需腐蚀部分的金属露出，然后进行腐蚀。腐蚀可以视作品的大小，选择进入化学酸溶液内腐蚀和喷刷溶液腐蚀。一般来说，小型作品选择浸入式腐蚀。化学酸具有极强的腐蚀性，在进行腐蚀操作时一定要注意安全保护。图3-46所示为采用了表面蚀刻工艺的铜板。

图3-46采用表面蚀刻工艺的铜板

3.2高分子材料的成型

高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂(助剂)所构成的材料。

高分子材料按特性分为塑料、橡胶、纤维、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。本书重点介绍塑料和橡胶的成型。

3.2.1塑料概述

随着科学技术和工业的发展，石油资源的广泛开发利用，塑料工业获得了迅速发展，塑料已被广泛用于农业、工业、建筑、包装、国防尖端工业以及人们日常生活等各个领域。农业方面，塑料被用于制造地膜、育秧薄膜、大棚膜和排灌管道、渔网、养殖浮标等；工业方面，电器和电子工业广泛使用塑料制作绝缘材料和封装材料；

在机械工业中，用塑料制成传动齿轮、轴承、轴瓦及许多零部件来代替金属产品；在建筑中，使用塑料作门窗、楼梯扶手、地板砖、天花板、隔热隔音板、壁纸、落水管件及坑管、装饰板和卫生洁具等；包装领域中，塑料被广泛用于制造各种中空容器、注塑容器(周转箱、集装箱、桶等)、包装薄膜、编织袋、泡沫塑料、捆扎绳和打包带等；日常生活中，使用塑料制造凉鞋、雨衣、儿童玩具、牙刷、肥皂盒、热水瓶壳等。

塑料是以天然或合成树脂为主要成分，适当加入填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂，在一定温度、压力下塑制成型的高分子有机材料。塑料种类繁多，通常按照树脂的热性能划分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，如ABS、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等；热固性塑料是指初次可加热到一定温度后变软成型，一旦固化定型后不可再软化的塑料，如酚醛塑料(PF)、氨基塑料、环氧塑料(EP)等。

3.3.2塑料制品的成型工艺

塑料制品的成型方法很多，有注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、吹塑成型、发泡成型、压延成型、真空和压缩气体成型、滚塑成型、搪塑成型等。因其产品的结构不同，所选择的成型方法也不同；成型方法不同，所使用的材料也不同。设计师应全面了解各种方法的特点，以便合理选择成型技术。本节重点介绍注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、吹塑成型五种成型方法。

1．注射成型工艺

注射成型也称注塑成型，是目前塑料加工中最普遍采用的成型方法之一，几乎适用于所有的热塑性塑料(氟塑料除外)和某些流动性好的热固性塑料，大约60%～70%的塑料制品采用注射成型方法生产。

1)注射成型原理

注射成型是通过注射机实现的，注射机有螺杆式和柱塞式两种类型，其成型原理有所不同。

螺杆式注射机的注射成型原理如图3-47所示，将颗粒状或粉状塑料从注射机的料斗1送入加热料筒5，塑料受到加热料筒的加热以及在转动的螺杆4对塑料的剪切摩擦热作用下而逐渐均匀熔融塑化(见图3-47(a))，塑料熔体不断通过螺杆的螺旋槽输送到加热料筒前端，在前方堆积的熔体反过来对螺杆产生一定压力，使螺杆在转动中缓慢地向后移动，直至螺杆碰到预先调好的行程开关，螺杆即停止转动并后退，此时完成模具一次注射量的塑料预塑和储料；

紧接着，注射活塞带动螺杆，以一定的压力和速度将积存于加热料筒端部的塑料熔体经喷嘴6注入模具7的型腔中(见图3-47(b))，充满型腔的熔料需保压一段时间，以阻止塑料倒流，并向型腔内补充因冷却收缩所需要的塑料，直到熔融塑料冷却固化成型，获得模具型腔所赋予的形状和尺寸；最后开合模机构移动，打开模具实现分型(见图3-47(c))，推出机构推出塑件，即完成一个注射成型工作循环。

图3-47螺杆式注射机成型原理

柱塞式注射机的成型原理如图3-48所示。塑料从料斗加入加热料筒，在料筒内受热熔融，并经柱塞在高压、高速中推进，塑料熔体经喷嘴注入模具型腔中，保压、冷却、开模、取得塑件，即完成一个工作循环。

图3-48柱塞式注射机成型原理

2)注射成型的特点

(1)优点如下：

①成型周期短，生产率高，易于实现自动化生产。比如水杯成型只需1～2s，水桶成型只需20s，即使熔槽这样的大型产品成型也只需3～4min。

②生产适应性强。注射成型能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑件，成型制品的质量可由几克到几十千克。

③塑件的尺寸精度容易保证，塑件质量稳定。

④除了氟塑料以外，几乎所有的热塑性塑料都可采用注射成型，一些流动性好的热固性塑料也可用注射成型。

(2)缺点如下：

①注射设备昂贵。

②模具结构复杂，制造周期长，成本高。

③浇注系统废料虽可回收利用，但需增加破碎、造粒等辅助设备，回收成本高。

因此注射成型特别适合大批量生产，不适合单件小批量的塑件生产。注射成型生产的产品很多，比如生产餐盘、密封容器等厨房及餐桌上的用品，吸尘器、洗衣机等家电零件，注射器、人工透析器等医疗器材，保险杠、挡泥板等车辆部件，啤酒箱、面包箱、商品容器等流通包装物品，以及文具、玩具、家具等生活领域的各种产品(见图3-49)。

图3-49注射成型产品

2．压缩成型工艺

1)压缩成型的原理

压缩成型又称模压成型、压制成型或压塑成型，是主要用于热固性塑料成型的一种成型方法。压缩成型原理如图3-50所示，将粉状、粒状、纤维状或碎屑状热固性塑料加入模具加料腔中，然后合模加热使其熔融，并在压力作用下使塑料流动而充满模腔，同时塑料发生交联反应而硬化定型，最后脱模，即得所需塑件。

压缩成型也可用来成型热塑性塑料。热塑性塑料压缩成型前期过程与热固性塑料相同，同样需要加热模具，使塑料由固态转变为黏流态，在压力作用下使塑料充满型腔，但不存在交联硬化反应，因此模具必须冷却，使塑件冷却定型后才能脱模。由于模具需要交替地加热和冷却，所以生产周期长，效率低，只有加工成型较大平面的塑件、光学性能高的塑件以及一些流动性很差的热塑性塑料(如聚四氟乙烯)时才采用压缩成型。

图3-50压缩成型原理

2)压缩成型的特点

(1)优点如下：

①可以使用普通压力机进行生产，生产过程控制简单。

②模具结构比较简单。由于压缩模没有浇注系统和复杂的顶出装置，因此结构比较简单。

③成型过程中压力损失小，有利于流动性差的塑料成型。

④所得塑件的耐热性好，温度使用范围宽，取向不明显，产品性能比较均匀，应力变形小，收缩率小，外表美观。

⑤利用压缩方法还可生产一些流动性很差且难于用注射成型的塑件和面积很大、厚度较小的大型扁平塑件。

(2)缺点如下：

①成型周期长，生产操作多用手工而不易实现自动化，劳动强度大，生产环境差。

②塑件经常带有溢料飞边，高度方向的尺寸精度不易控制。

③模具直接受到高温高压的联合作用，易磨损，使用寿命较短。

④由于压力直接传给塑料，所以不能成型带有精细和易断嵌件的产品。

压缩成型可以生产儿童餐具、厨房用具等日用品及开关、插座等电气零件，还可生产安全帽、椅子、汽车零件、浴盆、家电产品外壳、零件、齿轮及家具，如图3-51所示。

图3-51压缩成型产品

3．压注成型工艺

压注成型也称为传递成型、铸压成型，它是在改进压缩模具的缺点和吸收注射模具经验的基础上发展起来的一种热固性塑料的成型工艺，其生产设备是普通压力机。

1)压注成型的原理

压注成型的原理如图3-52所示，模具闭合后，将塑料(最好为经过预热或预压的塑料)加入已加热到一定温度的模具加料室中，使其受热熔融，在柱塞压力作用下，塑料熔体经过模具浇注系统注入并充满闭合的型腔，塑料在型腔内继续受热受压而固化成型，最后打开模具取出塑件。

图3-52压注成型原理

2)压注成型的特点

与压缩成型相比，压注成型具有以下特点。

(1)优点：

①可以成型较复杂的塑件。塑料在进入型腔前预先受热塑化，在压力作用下，使塑料熔体注入型腔，因此能成型深孔或形状复杂的塑件，也可成型带有精细嵌件的塑件，塑件的密度及强度都会有所提高。图3-53所示为压注成型产品。

图3-53压注成型产品

②塑件质量高。由于塑料成型前模具已经完全闭合，模具分型面的塑料飞边很薄，因而塑件精度容易保证，表面粗糙度也小。

③生产效率高。由于塑料在温度和压力作用下进入型腔前已充分塑化，因而塑料在模具内的保压时间较短，从而缩短了成型周期，提高了生产效率。

④模具的磨损较小。

(2)缺点：

①所用模具结构较复杂，模具制造成本高。

②成型工艺条件要求严格，操作难度大。

③成型塑料浪费较大。压注成型后，总会有一部分余料留在加料室内，还有浇注废料，使原料消耗增大，且废料不可回收利用。

④塑件因有浇口痕迹，使修整工作量增大。

⑤压注塑料有纤维填料时，会在塑件中引起纤维定向分布取向，从而导致塑件性能各向异性。

4．挤出成型工艺

挤出成型是使用挤出设备生产具有相同截面形状而长度任意的塑料制品(如塑料管、棒、板及各种异型材)的成型加工方法。

1)挤出成型的原理

以管材的挤出为例，热塑性塑料的挤出成型原理如图3-54所示，将颗粒状或粉状的塑料加入挤出机料筒内，塑料受到料筒的加热和在转动的螺杆对塑料的剪切摩擦热作用下而逐渐均匀熔融塑化，塑料熔体不断通过螺杆的螺旋槽输送到料筒前端，然后在挤出系统的作用下，熔融塑料通过挤出模具(机头)上具有一定形状的口模，冷却定型后，借助牵引装置拉出、切割机构切断，成为具有一定截面形状的塑料型材。

图3-54挤出成型原理

2)挤出成型的特点

(1)连续成型，产量大，生产率高，成本低，经济效益显著。

(2)挤出工艺所用设备结构简单，操作方便，应用广泛。

(3)塑件的几何形状简单，横截面形状不变，因此模具结构比较简单，制造维修方便，变更机头口模，产品的断面形状和尺寸相应改变，这样就能生产出不同规格的各种塑件。

(4)塑件内部组织均衡紧密，尺寸比较稳定准确。

(5)适应性强，除氟塑料外，所有的热塑性塑料都可采用挤出成型，部分热固性塑料也可采用挤出成型。

(6)挤出成型的产品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等，绝大多数用于建筑材料，如栅栏用材、雨搭、瓦楞板等室外用品，也有水管、地板、窗框、门板、窗帘盒等室外用品，此外也可生产日用产品、车辆零件。图3-55所示为挤出成型产品。

图3-55挤出成型产品

5．吹塑成型工艺

用挤出、注射等方法制出管状型坯，然后将压缩空气通入处于热塑性状态的型坯内腔中，使其膨胀成为所需形状的塑料制品。用于吹塑成型的树脂中，聚乙烯占量最大，此外还有聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、尼龙等材料。吹塑成型所生产的产品，包括塑料薄膜、中空塑料制品(瓶、桶、罐、邮箱、玩具等)，如图3-56所示。

吹塑成型分为薄膜吹塑成型和中空吹塑成型。

图3-56吹塑成型产品

1)薄膜吹塑成型

薄膜吹塑成型是由挤出机配以吹膜辅机而实现的，其工艺过程如下：熔融物料从挤出机机头环形缝隙中挤出成圆筒状的膜管，再从机头中心孔鼓入一定量的压缩空气使膜管横向吹胀的同时，借助于牵引辊连续地纵向牵引，成为纵横双向拉伸的薄膜，经冷却风环吹出的空气冷却定型；充分冷却后的膜管，被人字板压成双折薄膜，通过牵引辊以恒定的线速度进入卷取装置；

最后经切割装置切断，成为膜卷。薄膜吹塑工艺根据挤出方向和膜管牵引方向的不同，将其分为平挤上吹法、平挤下吹法和平挤平吹法三种。平挤上吹法工艺流程图如图3-57所示。薄膜吹塑成型主要用于生产厚度在0.01～0.3mm的塑料薄膜，适用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等塑料。

图3-57薄膜平挤上吹法工艺流程图

2)中空吹塑成型

中空吹塑成型是生产中空塑件的方法，由于中空吹塑成型能够生产薄壁的中空产品，所以产品的材料成本较低，因而大量用于调味品、洗涤剂等包装用品的生产。

中空吹塑成型通常有以下几种工艺：

(1)挤出吹塑成型。挤出吹塑成型是成型中空塑件的最主要方法。挤出吹塑成型的工艺过程如图3-58所示，首先由挤出机挤出管状型坯(见图3-58(a))；趁热将型坯引入对开的模具，闭合对开的模具(见图3-58(b))；向型腔内通入压缩空气，使其膨胀附着型腔壁而成型(见图3-58(c))；最后保压、冷却、定型、放气、塑件脱模(见图3-58(d))。

图3-58挤出吹塑成型工艺过程

挤出吹塑成型的优点是设备与模具结构简单，投入少，操作容易，适于多种塑料的中空吹塑成型；缺点是壁厚不易均匀，从而引起塑件壁厚的差异，制件底部强度不高，有边角料。

(2)注射吹塑成型。注射吹塑成型是用注射成型法先将塑料制成有底型坯，再把型坯移入吹塑模内进行吹塑成型，如图3-59所示。

图3-59注射吹塑成型

注射吹塑适用于生产批量大的小型精致容器，主要用于化妆品、日用品、医药包装、食品及矿泉水包装等。注射吹塑的优点是制品壁厚均匀，不需要后加工，所得制品无接缝，废边废料少。其缺点是需要注射和吹塑两套模具，设备投资大，注塑所得型坯温度较高，吹胀前需要较长时间的冷却，成型周期长，型坯内应力较大，制造形状复杂、尺寸较大的制品时，容易出现应力开裂现象，因此制品的形状和尺寸都受到了限制。

(3)拉伸吹塑成型。将挤出或注射制成的型坯加热到适当的温度，进行纵向拉伸，同时或稍后用压缩空气吹胀进行横向拉伸。拉伸吹塑成型具有壁薄省料且强韧的优点，拉伸后制品的透明度、强度、抗渗透性明显提高。根据制坯方式，分为注射拉伸吹塑工艺(见图3-60)和挤出拉伸吹塑工艺。前者主要用于PET瓶(见图3-61)的生产，后者多用于生产聚丙烯、聚氯乙烯中空制品。

图3-60注射拉伸吹塑成型工艺过程图3-61PET瓶

3.2.3塑件表面装饰处理

塑件的表面装饰可以隐蔽塑件表面在成型过程中产生的瑕疵点、银纹等缺陷，同时增加产品外观的美感，一般塑件表面均需做各种装饰。表面装饰大致可分为两大类，一类是普通着色，包括木纹、大理石纹、金属质感等特种着色以及在成型同时实现的皮纹、金刚石切削加工纹等一次装饰；另一类是涂饰、印刷、热烫印及电镀等在成型后进行的二次装饰。

1．一次装饰技术

1)普通着色

塑料产品具有的一个明显优势是其他材料无法比拟的多色彩着色性能。塑料原料有透明、半透明、不透明三种，而且各自具备固有本色，固有本色会影响着色效果，但除本色深浓的苯酚树脂外，大多数塑料还是能着色成所希望的颜色。透明的塑料比半透明、不透明的塑料着色性能好，着色范围广。图3-62所示为采用着色处理的U盘。

图3-62着色处理的U盘

这种成型时同时实现的着色，除提高塑料产品的外观外，还具有如下几种效果：

(1)不会如涂饰那样可能发生表面颜色剥离；

(2)具有遮断紫外线的效果，可防止材料劣化；

(3)着成黑色的产品具有防止静电的效果；

(4)可以利用颜色产生温度差(太阳光下)等。

但是普通着色有在阳光下褪色较快的问题，也有白色易变成黄色的弱点，有时也存在由于着色材料不同而引起材料收缩变形等状况。使用高价着色材料比涂饰成本高这一情况也应注意。

2)特种着色

(1)木纹着色。如照明器材的框架、扬声器的格栅及家具、桌上用品等各种需木纹装饰的产品，可以采用将发泡聚苯乙烯或ABS树脂着成木材颜色，通过注塑发泡成型得到木纹效果。用这种工艺生产的产品有与真木材产品几乎一样的感观。将高浓度的着色母料断续加入树脂颗粒中，通过挤出成型使产品产生木纹的效果，但这种效果会因产品的形状不同而有差异。

(2)荧光着色。幼儿的玩具、儿童的文具及二次加工用的丙烯树脂板经常采用荧光着色。荧光着色的色泽限于红、橙黄、黄、黄绿这几种，与其他颜色混合会损害光吸收性，所以不能混用。宜用荧光着色的树脂为丙烯树脂或聚苯乙烯这种透明树脂。当然ABS树脂也可进行荧光着色，但效果不如前者。荧光着色材料价格不贵，但耐热性、耐气候性差。

(3)磷光着色。吊顶灯开关绳端部的系物、壁灯的开关、手电筒等产品常采用磷光着色。磷光着色材料采用可以储存光能、在黑暗处也能看见的无机颜料。淡黄色、绿色、蓝色的磷光效果好，磷光着色材料不能与其他着色材料混用，否则会影响光吸