先进制造技术 课件 第三章 先进成形技术

第三章先进成形技术Advancedmanufacturingtechnology先进制造技术Contents3.1先进成形技术概述3.3精密塑性成形技术3.5增材制造技术3.2精密铸造技术3.4先进连接技术3.6本章小结3.1先进成形技术概述-3-狭义的制造过程，只针对材料的加工过程，根据加工材料的形态变化，生产中一般将加工工艺分为两类：即机械加工工艺和材料成形工艺。其中的材料成形工艺，主要是指利用材料的塑性变形、流变特征进行的加工工艺过程和针对板状材料进行的切割、连接工艺过程,是制造过程的基本形式之一。因此广泛应用于机械、航空、航天等各个领域。为适应制造业市场、产品、技术及企业特征发展的需要，材料成形技术将向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、数字化、智能化、清洁化和集成化等方向发展。-4-先进成形技术3.1先进成形技术概述成形技术先进制造技术-5-模具制造传统模具制造技术主要是根据设计图样用仿形机床加工成形，经磨削以及电火花加工等方法来制造模具。而现代模具的制造不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，用传统的模具制造方法显然难于制造，必须借助于现代科学技术的发展采用先进制造技术才能达到它的技术要求。3.1先进成形技术概述发展趋势愈来愈高的模具精度日趋大型化模具扩大应用热流道技术发展多功能复合模具模具先进制造技术-6-铸造铸造是将液态金属充填到与欲形成零件的形状和尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所需形状的零件或毛坯的一种材料成形方法。3.1先进成形技术概述砂型铸件能够获得形状非常复杂的铸件零件成本低，投资少生产准备简单，灵活性高优势:表面粗糙度值较高、尺寸精度差工艺过程复杂、铸件质量不易控制生产率低、劳动强度大工作环境恶劣劣势:目前已发展出熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、特种砂型铸造、电磁铸造、半固态铸造等。先进制造技术-7-锻压锻造是利用锻压机械和模具对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定力学性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻压能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞。锻压分为冷锻和热锻。3.1先进成形技术概述先进制造技术冷锻与热锻对比锻压与锻压机-8-焊接焊接技术作为一种连接金属材料的常用方法，通过加热、高温或高压的方式将金属或其他热塑性材料接合起来。我国已基本掌握精密切焊、气体保护焊、接埋弧、自动焊等先进技术，焊接成套设备、焊接机器人、焊接生产线和柔性制造系统也得到实际应用。3.1先进成形技术概述先进制造技术焊接机器人天然气管道焊接工艺技术-9-板料成形板料成形是一类典型的金属加工工艺，它是利用模具通过压力机的作用使金属板料（主要是板材、带材、管材和型材等）因塑性变形而改变形状和尺寸，获得所需产品的加工方法。由于板料成形过程中材料的变形，在宏观上表现为模具的冲、压作用，所以板料成形工艺一般又简称为冲压工艺。3.1先进成形技术概述冲压流程冲压工艺冲压在汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等领域中具有十分重要的地位。先进制造技术-10-绿色成形技术绿色成形技术是面向材料、设计、制造等考虑环境影响与资源效率的先进制造技术。为了改善人类生存环境，绿色成形技术以及再制造技术也在不断发展。绿色成形与改性技术是采用无机、无害的原材料和辅助材料，清洁的能源以及高效、节能的先进工艺与设备，使得材料成形与改性过程资源消耗极小，环境负面影响极小，职业健康危害最小。3.1先进成形技术概述先进制造技术绿色成形技术研究方向光固化技术-11-管理信息化成形数字化控制智能化环境友好化产品精密化未来发展原则3.1先进成形技术概述金属注射技术金属先进构件空心冷却技术塑性成型技术先进制造技术3.2精密铸造技术-12--13-铸造技术发展铸造工艺激冷系统铸造系统出气孔补缩系统特种铸造工艺3.2精密铸造技术传统的铸造工艺，主要是指将一定性能的原砂作为主要造型材料，并用原砂进行铸造的工艺方法。精密铸造指的是获得精准尺寸铸件工艺的总称。可以生产形状复杂的零件毛坯或零件；铸件的应用范围广泛，不受形状限制；铸造生产成本较低；铸件切削加工量较少，可减少加工成本。优势:铸件组织不够致密，存在缩孔、气孔、渣、裂纹等缺陷，晶粒粗细不均，铸件力学性能较低，耐冲击能力较低；铸造生产工序较多，工艺过程控制较繁琐，易于产生废品。劣势:金属注射技术先进制造技术-14-熔模铸造3.2精密铸造技术熔模铸造，也称失蜡铸造。包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇注金属液及后处理等工序。失蜡铸造是用蜡制作所要铸成零件的模样，然后在蜡模上涂以泥浆，形成型壳，硬化后，放入热水中将内部蜡模熔化。将熔化完蜡模的泥模型壳取出再进行焙烧。一般制蜡模时就留下了浇注口，再从浇注口灌入金属熔液，冷却后，所需的零件就制成了。熔模铸造样品熔模铸造工艺流程先进制造技术消失模铸造消失模铸造工艺流程-15-消失模铸造3.2精密铸造技术消失模精密铸造（又称实型铸造）指的是液体金属取代冷却凝固后形成的一次性成形铸造新工艺生产铸件的新型铸造方法。对于消失模铸造有许多不同的叫法，国内主要的叫法还有“干砂实型铸造”、“负压实型铸造”、简称EPS铸造。技术应用消失模铸造设备投资少、工艺路线短、工序简化、占地面积小、铸件尺寸精度和外观精度高，一种先进的铸件成型方法，近年来在世界上得到了迅速的发展。先进制造技术-16-消失模铸造3.2精密铸造技术与传统的铸造技术相比，消失模铸造技术具有无与伦比的优势，被国内外铸造界称为“21世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。项目传统砂型铸造实型铸造模样工艺分模分模以便于造型无须分模拔模斜度必须有一定斜度基本没有或者很小组成外型和芯单一模样应用次数多次使用一次材质金属或木材泡沫塑料造型工艺铸型型腔由铸型和型芯装配实型涂料层砂型表面刷于模样表面浇注工艺充型特点只填充空腔金属与模型发生物理化学作用充型速度影响因子浇注系统及温度主要受型内气体压力状态、浇注系统、浇注温度的影响清理清理需要打磨飞边毛刺及内浇道只需要打磨内浇道，无飞边毛刺传统砂型铸造与实型铸造的比较分析先进制造技术-17-消失模铸造3.2精密铸造技术在使用消失模铸造工艺前，通常从以下几方面考虑是否适用。首先考虑铸件材质，其适用性的优劣顺序是：灰铸铁-非铁合金-普通碳素钢-球磨铸铁-低碳钢和合金钢，由于必要的准备工作，因此使得实验工艺调试周期加长。其次，铸件的批量越大，生产经济效益越可观。模样

模样材料通常称为珠粒，消失模铸造采用的珠粒一般分为三种：EPS(聚苯乙烯）、STMMA（共聚树脂）和EPMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。涂料可提高消失模模样的刚度和强度，涂层要有良好的透气性。涂层厚度应根据铸件材质、大小，壁厚、浇注温度和铁水压头的变化进行调整。涂料铸造工艺消失棋铸造工艺包括浇注口系统设计、浇注温度控制、浇注操作控制等。浇注温度应略高于砂型铸造，直浇道要有足够的高度，采用开放式浇注系统。先进制造技术3.3精密塑性成形技术-18-塑性成形是材料加工方法之一。它是利用材料的塑性使材料在外力作用下成形的一种加工方法。应该说凡是具有塑性的材料都可以采用塑性成形的方法对其进行成形加工。塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。-19-塑性成形3.3精密塑性成形技术冲压（拉伸）示意图常见的金属材料塑性加工方法，如轧制、拉拔、锻造、冲压等，都是利用金属的塑性而进行成形加工的。目前应用广泛的有液压成形、无模液压成形、径向轴向环件轧制等技术。高分子材料中的塑料、橡胶等也同样可以利用其塑性进行加工成形，如压缩模塑，传递模塑，吹塑，吸塑，压延等工艺方法。无机非金属材料中的陶瓷、玻璃，也可以用雕塑、拉坯、旋压、滚压、挤制、压制、吹制等工艺方法实现塑性成形。挤压示意图先进制造技术-20-3.3精密塑性成形技术材料利用率高；零件产品性能好；零件产品尺寸规格的一致性好；可实现零件产品质量的有效控制；生产效率高。技术优势:技术应用航空航天领域建筑领域能源领域精密塑性成形技术先进制造技术液压成形（Hydroforming）是指利用液体和模具使工件成形的一种塑形加工技术，也称液力成形。仅需要凹模或凸模，液体介质相应地作为凸模或凹模，省去一般模具费用和加工时间，而且液体作为凸模可以成形很多刚性模具无法成形的复杂零件。-21-液压成形3.3精密塑性成形技术典型液压成形技术比较

所用坯料传力介质成形压力壳体液压成形壳体纯水50MPa薄板液压成形板料液压油100MPa管材液压成形管材乳化液400MPa板液压成形作为一种先进的加工工艺,具有模具成本低、模具制造周期短、成形极限高特点，与传统工艺相比，液压成形即节约了能源，降低了成本，又适应了当今产品的小批量、多品种的柔性发展方向，受到世界各国学者的一致关注。先进制造技术在国内外液压机产品中，按其结构形式可分为四柱式液压机、框架式液压机、单柱液压机（C型机）。-22-液压设备3.3精密塑性成形技术典型液压设备生产产商我国制造液压机的厂家众多，企业知名度和设计技术、制造水平、产品质最、生产规模、加工能力均处于国内同行业领先地位的有：合肥锻压机床股份有限公司、天津市锻压机床总厂、徐州锻压机床厂等。先进制造技术薄板液压成形原理是采用液体作为传力介质以代替刚性的凸模或凹模来传递载荷，使板料在液体压力作用下贴靠凹模或凸模，从而实现金属板材零件的成形。薄板液压成形工艺分为充液拉伸成形和液体凸模拉伸成形。-23-薄板液压成形3.3精密塑性成形技术充液拉伸成形示意图优越性：成形极限高尺寸精度高、表面质量好简化工序过程成本低先进制造技术模液压成形技术的基本原理是：先由平板或经过辊弯的单曲率壳板组焊成封闭多面壳体，然后在封闭多面壳体内加压，在内部压力作用下，壳体产生塑性变形而逐渐趋向于球壳。该种成形工艺的主要工序为：下料——弯卷——组装焊接——液压胀形。-24-无模液压成形3.3精密塑性成形技术无膜液压胀形技术的主要工序液压胀形前多面壳体的结构先进制造技术无模液压成形技术自1985年发明以来，在实际工程应用中先后开发三大系列产品：（1）球形水塔和供水罐；（2）压力容器和液化气罐；（3）建筑装饰球。其中最大直径达到9.4m，最大壁厚达到24mm，最高使用压力1.77MPa。应用材料包括低碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金等等。-25-无模液压成形3.3精密塑性成形技术球形水塔不需要大型的模具和压力机，产品初期投资少，大大降低生产成本；生产周期短，产品变更容易，下料组装简单快捷；经过超载胀形，有效降低了焊接残余应力，安全性高。技术优势:先进制造技术径向轴向环件轧制是利用环件轧制设备——扎环机（碾环机）使环件壁厚减小，直径增大的塑性成形工艺，通过径向和轴向两个孔型同时对环件径向壁厚和轴向高度两个方向进行轧制，它是一种多向轧制工艺，主要用于轧制大型环件。径向轴向轧制不需要模具，在一定程度上节约了生产加工成本，提高效益。其次，环监精度高、余量少，材料利用率高。环件内部质量较好，内部晶粒小、组织致密，纤维沿圆周方向排列。径向轴向轧制还具备生产率高、生产成本低的优点，比起自由锻环，材料消耗降低40~50%，生产成本降低75%。-26-径向轴向环件轧制3.3精密塑性成形技术环件轧制典型产品形状径向轧制的基本原理先进制造技术3.4先进连接技术-27-连接技术包括焊接技术、机械连接技术和粘接技术，它是制造技术的重要组成部分，也是航空飞机、发动机制造中不可缺少的技术。-28-连接技术3.4先进连接技术先进焊接技术焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。促使原子和分子之间产生结合和扩散的方法是加热或加压，或同时加热又加压。现代焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如野外、水下和太空。先进制造技术激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。-29-激光焊接技术3.4先进连接技术属于熔融焊接，以激光束为能源。激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，再以反射在焊缝上。激光焊接属非接触式焊接。激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。特性:激光焊接示意图先进制造技术-30-工艺对比3.4先进连接技术传感器密封焊接采用的方法有：电阻焊、氩弧焊、电子束焊、等离子焊等不同焊接工艺与激光焊的对比对比项目激光焊接电子束焊接钨极惰性气体保护电弧焊熔化极气体保护焊电阻焊焊接效率00--+大深度比++---小热影响区++--0高焊接速率++-+-焊缝断面形貌++000大气压下施焊+-+++-++++使用填充材料0-++-自动加工+-+0+成本--+++操作成本00+++可靠性+-+++组装+----“+”表示优势；“-”表示劣势；“0”表示适中。焊接高反射率材料先进制造技术-31-3.4先进连接技术可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小；激光束易于聚焦、对准及用受光学仪器导引；工件可放置在封闭的空间；激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件；可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。优势:焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内；焊件需使用夹治具时，须确保焊件的最终位置与激光束将冲击的焊点对准；最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件；高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会因激光而改变；当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再现。劣势:应用领域激光焊接的应用领域广泛，主要包括制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学。先进制造技术-32-激光复合焊接技术激光复合焊接是将激光束焊接与电弧焊接技术相结合，获得更佳焊接效果，快速且具有焊缝搭桥能力，是当前非常先进的一种焊接方法。3.4先进连接技术焊接表面光滑平整，没有发黑发黄现象；相对于传统焊接，复合焊接速度可以提升2~3倍；复合焊接良率明显提升；焊接过程中要注意保护气的使用。优势:价格太贵；对焊件加工、组装、定位要求高；光能转换率低（10～20%）。劣势:激光-电弧复合焊接示意图激光复合焊接具有焊接变形小、电弧焊熔深大、焊缝成形好、焊接速度快、热输入小、焊接强度损失小等多重优点，在航空航天、轨道交通、船舶、建筑、汽车、能源等领域有着良好的发展前景。先进制造技术-33-超声波金属焊接超声波金属焊接是利用超声频率的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。3.4先进连接技术超声波焊接示意图超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接。超声波金属焊接有焊接材料不熔融，不减弱金属特性；焊接后导电性好，电阻率极低或近乎零。可广泛应用于晶闸管引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。振幅频率节点网纹换能器影响因素电源先进制造技术-34-3.4先进连接技术超声波金属焊接压力小，能耗低；金属超声波焊机可进行定位焊、连续焊；超声波金属焊接焊点强度高、稳定性好、具有高度抗疲劳性能；焊接过程无需采用水冷和气体保护；不需要添加焊剂。优势:稳定性、可操作性、可靠性等方面还存在问题；对金属超声波焊接机理的认识不足；大功率超声波焊机的制造困难，且成本很高；超声波焊机的模具比较小；焊点表面容易出高频机械振动而引起边缘的疲劳破坏。劣势:应用领域超声波焊接的应用领域广泛，主要包括新能源汽车行业、医疗行业、电子及计算机工业、航天工业、制冷行业。先进制造技术-35-搅拌摩擦焊技术拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。3.4先进连接技术搅拌摩擦焊示意图焊缝经由塑性变形和动态再结晶形成，其微观组织细密、晶粒细小、不含熔焊的树枝晶，没有飞溅和烟尘，没有合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，不需要添加焊丝和保护气体。前进侧焊具或搅拌头焊核区热力影响区热影响区常用术语后退侧先进制造技术-36-电子束焊接技术电子束焊是指利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊接面，使被焊工件熔化实现焊接。真空电子束焊是应用最广的电子束焊。3.4先进连接技术电子束焊接示意图高压电源的系统电子束焊控制电路原理:特点：功率密度高。精确、快速的可控性。先进制造技术-37-3.4先进连接技术电子束穿透能力强，焊缝深宽比大；焊接速度快，热影响区小，焊接变形小；特别适于活泼金属的焊接；可以焊接难以接近部位的接缝；可以实现复杂接缝的自动焊接。优势:设备比较复杂、费用比较昂贵；焊接前对接头加工、装配要求严格；真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到工作室的限制；电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量；电子束焊接时产生的X射线需要严加防护以保证操作人员的健康和安全。劣势:应用领域电子束焊接在汽车工业、航空航天工业、能源、重工业、修复领域、空间结构焊接等领域应用广泛。先进制造技术-38-3.4先进连接技术发展趋势提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力。提高准备车间的机械化，自动化水平是当前世界先进工业国家的重点发展方向。新兴工业的发展不断推动焊接技术的前进。热源的研究与开发是推动焊接工艺发展的根本动力。节能技术是普遍关注的问题。先进制造技术金属构筑成形技术是将多块均质化板坯通过表面处理、堆垛成形和真空封装后，在高温下锻造使界面愈合，实现多块板坯之间的“无痕”连接，进而制备均质化大锻件的技术。-39-构筑成形技术3.4先进连接技术“华龙一号”转子大型铸件的偏析先进制造技术金属构筑成形技术以“基材构筑、以小制大”为理念，以小型均质化铸坯作为基元，通过表面加工、清洁组坯、真空封装、高温形变等手段，获得超厚尺度均质化大锻坯，通过后续锻造与热处理，制造高质量大锻件。-40-3.4先进连接技术金属构筑成形技术流程金属构筑成形的工程构件覆盖了锻造领域的轴类、管类、环筒类、盘类等典型锻件；材料涉及合金钢、不锈钢、钛合金、高温合金、铜合金等，实践结果证实了金属构筑成形技术的通用性和可靠性。先进制造技术3.5增材制造技术-41-增材制造(AdditiveManufacturing,AM)技术是20世纪80年代中期发展起来的高新技术。美国材料试验协会(AmericanSocietyforTestingMaterials,ASTM)将其定义为“利用三维模型数据从连续的材料中获得实体的过程”，该三维模型数据通常层叠在一起。其有别于去除材料的制造方法和工艺。-42-增材制造技术3.5增材制造技术可以快速制造出复杂形状的产品；可以减少浪费；可以制造出轻量化的产品；可以实现个性化定制；可以实现多材料混合。优点:增材制造先进制造技术立体光固化成型工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，液态光敏树脂会在一定波长和强度的紫外光照射下发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料从液态转化为固态。-43-立体光固化成型工艺（SLA）光固化成型原理图先进制造技术3.5增材制造技术系统工作稳定；分辨率高；尺寸精度较高；表面质量较好。优点:选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)工艺采用CO2激光器对粉末材料进行选择性烧结，是一种由离散点逐层堆积成三维实体的工艺方法-44-选择性激光烧结工艺(SLS)选择性激光烧结工艺原理图先进制造技术3.5增材制造技术高精度；可烧结的材料比较广泛；无须设计和构造支撑；环保可持续；快速制造；精准控制。优点:分层实体制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)工艺是一种薄片材料热熔叠加工艺。分层实体制造工艺是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头沿x和y方向移动.-45-分层实体制造工艺(LOM)分层实体制造工艺原理图先进制造技术3.5增材制造技术成型效率高，可制作大型零件；加工后的零件具有耐高温，高硬度和好的力学性能；无须设计和构造支撑；运行成本低且材料价格便宜。优点:融沉积成型(FusedDepositionModeling，FDM)工艺是将各种丝材加热熔化，使其高于固化温度，而喷出成型时稍低于固化温度，逐层沉积熔接而形成实体造型的成型方法。熔融沉积成型不是将激光作为成型能源，而是通过加热喷头将热塑性材料熔化。-46-熔覆沉积成型工艺(FDM)熔覆沉积成型工艺原理图先进制造技术3.5增材制造技术原材料成本低且选择范围大；工艺过程干净简单易于操作；支撑材料可去除；可快速构建瓶状或中空零件、成型过程无化学变化；零件弯曲变形较小。优点:三维印刷(ThreeDimensionalPrinting,3DP)工艺与选择性激光烧结工艺(SLS)有些相似，都是采用粉状的材料，不同之处在于成型机理。3DP的成型方法是将黏结剂由打印头喷出，而不是用激光对粉末材料加以烧结，在成型过程中没有能量的直接介入。-47-三维印刷工艺(3DP)三维印刷工艺原理图先进制造技术3.5增材制造技术成型速度快；成型材料成本较低；在黏结剂中添加颜料，制作彩色原型。优点:-48-生产率的局限；制造精度的局限；材料范围的局限。劣势:应用领域增材制造技术在汽车工业、航空航天、医疗、工艺设备、产品原型、文物保护、建筑业、工艺饰品等领域应用广泛。先进制造技术目前较为常用的增材制造材料，根据材料的化学成分分类，可分为:塑料材料、金属材料、陶瓷材料、复合材料、生物医用高