材料加工前沿讲座

1、材料加工前沿讲座学习报告院系：研究生学院材料系班级： 1003学号： S20100238姓名： 雷尚军 2011/6/15讲座一：快速原型制造技术 一、快速原型制造技术的产生 全球市场一体化、制造业竞争激烈，产品的开发速度成为市场竞争的主要矛盾。 从技术发展角度，计算机、CAD、材料、激光等技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了基础。 快速原型制造技术于20世纪80年代后期产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，与20世纪90年代初引入我国，是近二十年制造领域的一项重大突破。 借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将CAD和CAM集成于一体，根据计算机建立的三维模型，能在很短的时间内

2、直接制造出产品样本，使设计工作进入一种全新的境界。 改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期，加快了产品更新换代速度，降低企业投资新产品的风险。二、快速原型制造技术的基本原理 传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经过切削加工，从毛坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法称之为材料去除制造。快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而是基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合过程，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。其成型过程为：(1) 建立零件的三维CAD模型(2) 模型Z向离散（分层）(

3、3) 逐层堆积制造快速原型工艺流程三、快速原型制造技术的的典型方法1、光固化成型工艺（Sterelithography Apparatus）又称为立体光刻，简称SLA，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体.使用材料：液态光敏树脂SLA成形工艺原理图2、叠层实体制造工艺（Laminated Object Manufacturing简称LOM）又称分层实体制造，使用材料：片材，例如纸、塑料薄膜等。叠层实体制造工艺原理图3、选择性激光烧结工艺（Sele

4、ctive Laser Sintering简称SLS）又称选区激光烧结，加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。使用材料：粉末状材料选择性激光烧结工艺原理图讲座二：脉冲磁场对金属凝固组织和凝固过程的影响磁场影响凝固组织的作用：1.1、稳恒磁场的作用 在金属凝固过程中，稳恒磁场可以用来控制金属熔体的对流，从而改善金属凝固组织。Nkada等利用稳恒磁场来均匀铸锭中心部半凝固区域的流速，成功地达到了减少V偏析和空孔的目的。Y.

5、Ebisu也利用稳恒磁场来减少钢的连铸锭的V偏析和空孔，并获得了被称为“E-Process”的专利技术。杨森等研究了磁场强度为2.0104A/m横向均匀静磁场对Al-Bi偏晶合金定向凝固的影响，横向均匀磁场可以有效地抑制定向凝固过程中熔体的对流，使偏晶系Al6.5Bi合金纤维组织间距和纤维直径减少.1.2、稳恒磁场的作用机制 在稳恒磁场作用下，熔体内部将产生感生电流，从而产生Lorentz力抑制熔体的对流，使其对熔体没有搅拌作用。对于宏观组织，由于液态金属的对流削弱，这就降低了金属熔体的降温速率，保持了凝固界面较高的温度梯度，利于柱状晶的生长；对于微观组织，则使枝晶横向生长受到抑制，枝晶分支的

6、发展也受到抑制。同时，稳恒磁场产生的电磁力有可能导致铁磁质颗粒的偏聚，偏聚层的厚度随磁感应强度的增大而增加。2.1、交变磁场的作用1965年，Asai S.就对磁场作用下的金属凝固进行了研究，发现在金属凝固过程中施加一个交变磁场可以细化晶粒，缩小柱状晶区；单一直流磁场作用于凝固体系时反而扩大了柱状晶区，并预言只有同时应用电场和磁场时凝固组织才能明显细化。1983年，Bassyoun对此提出异议，并用实验证明当磁场强度为0.0270.033T时单一的交变磁场同样能够明显细化晶粒。葛丰德认为细化效果不仅仅取决于磁感应强度，还与电流强度、电流波形及频率等因素有关。同时大量研究表明旋转磁场不仅可以改善

7、合金的比重偏析，细化组织，而且对凝固补缩也有良好的作用。2.2、交变磁场的作用机制熔体与交变磁场相互作用将产生感应电流，磁场与感应电流之间发生电磁作用，产生电磁力，从而在熔体内产生规则的波动，使长大的晶粒破碎，形成新的细小晶粒，细化了凝固组织。Radjai等对液态金属同时施加静磁场和交流电的作用，在液态金属内诱发高强度的电磁振动，引起空化现象，从而使金属凝固组织发生了显著细化。王强等先后提出了运用交流磁场、高强度静磁场和交流电流、高强度静磁场和交流磁场三种方法在液体金属内生成高频电磁力，并利用这种电磁力的局部作用，在所要求处理的金属全域内生成电磁超声波的方法。但是，余建波强磁场和交流电叠加的对

8、纯铝凝固组织的影响发现，实验中空化效应不是细化的主要原因，磁场和交流电叠加产生的振荡力在晶粒细化中发挥主要作用。3.1、脉冲磁场的作用訾炳涛等首次研究了强脉冲磁场对金属凝固组织的影响，通过对LY12铝合金研究发现，磁压强引起的熔体振荡导致晶粒明显细化、球化，且随着磁压强的增加，细化效果愈明显。班春燕等研究了脉冲磁场对组织细化的影响，表明在脉冲磁场的作用下，剧烈的强迫对流促进晶粒从型壁上游离，大大增加了金属熔体的形核率。3.2、脉冲磁场的作用机制脉冲磁场使熔体内产生脉冲涡流，磁场和涡流之间的交互作用产生Lorentz力和磁压强，且其强度远大于金属熔体的动力压强，这就使金属熔体产生强烈的振动。这种

9、振动不仅增加了熔体的过冷度，提高了形核率；而且在熔体内造成了强迫对流，使凝固过程中树枝晶折断破碎，形成新的游离晶核分布于熔体各处。4、磁场对原位反应过程的影响：陆模文、胡文祥认为，磁场不仅能改变化学反应的速率，而且能够影响化学反应的产率，甚至通过选择合适的反应条件，还能控制反应途径，改变反应产物的构成，决定某些反应的发生与否。本课题组前期也发现类似规律。李金华从物质结构的的磁力键分析磁化学反应过程，并认为外加磁场能改变物质的磁力键，有的能使键能增强，有的使键角增大，有的使单键和双键发生共振生成共振杂化体。王强等研究了Al-Si、Al-Cu合金中溶质组元的分布状态，认为由于磁化率和密度的差异导致

10、铝合金中溶质组元的不同分布状态。讲座三：板型质量及板型控制技术 目前，HC轧机已发展了多种机型。我们所说的中间辊移动的HC轧机，也称为HCM六辊轧机。此外，还有工作辊移动的HCW四辊轧机，以及工作辊和中间辊都移动的HCWM六辊轧机。HC轧机的主要特点是：（1）通过轧辊的轴向移动，消除了板宽以外辊身间的有害接触部分，提高了辊缝刚度；（2）由于工作辊一端是悬臂的，在弯辊力作用下，工作辊边部变形明显增加。如果对弯控制板形能力的要求不变时，则在HC轧机上可选用较小的弯辊力，这就提高了工作辊轴承的使用寿命并降低了轧机的作用载荷；（3）由于可通过弯辊力和轧辊轴向移动量两种手段进行调整，使轧机具有良好的板形

11、控制能力；（4）能采用较小的工作辊直径，实现大压下轧制；（5）工作辊和支承辊都可采用圆柱形辊子，减小了磨辊工序，节约了能耗。这种轧机典型应用如宝钢1550冷轧酸洗连轧机组。轧辊凸度边续可变轧机-CVC(Continuously Variable Crown)轧机 CVC轧机的基本特征是：（1）轧辊(工作辊)的原始辊型为S形曲线呈瓶状，上下轧辊互相错位1800布置；（2）带S形曲线的轧辊具有轧辊轴向抽动装置。虽然CVC轧机与HC轧机一样有轧辊轴向抽动装置，但其目的和板形控制的基本原理是不同的。HC轧机是为了消除辊间的有害接触部分来提高辊缝刚度，以实现板形调整的，是刚性辊缝型。CVC轧机则是通过轧

12、辊轴向抽动装置来改变S形曲线形成的原始辊缝形状来实现板形控制的，是柔性辊缝型。当上下轧辊对称布置时，辊缝各部分高度相同。如果上轧辊向右移动，下轧辊以相同的移动量向左移动，则辊缝中部高度变小。反之，上辊向左移动，下辊以相同的移动量向右移动，辊缝中部高度变大。轧辊成对交叉轧机-PC(Paired Crossed Roll)轧机PC轧机的主要特点是轧辊“成对交叉”。上下轧辊的轴线交叉后，轧辊辊缝将发生变化（如图3所示）。离轧辊轴线相交点愈远，其辊缝就变得愈大，而且辊缝的变化也与轧辊轴线交叉角有关。PC轧机的优点是：（1）有较大的轧辊凸度控制能力，轧辊轴线交叉角可在001.50范围内调整，最大的轧辊凸度可达100m，居所有轧机之冠，如配以强力弯辊装置也能获得良好的平直度板带；（2）能有效地控制板带边部减薄；（3）轧辊辊型简单，节省了轧辊备件量并便于轧辊管理。