先进制造技术-先进制造工艺技术

第三章 先进制造工艺技术3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

概述 材料受迫成形工艺技术 超精密加工技术 高速加工技术 快速原型制造技术 表面工程技术 现代特种加工技术

第一节 概述3.1.1 机械制造工艺定义与内涵 3.1.2 先进制造工艺的产生和发展

3.1.1 机械制造工艺定义与内涵机械制造工艺定义改变形状,尺寸,性能,位置

原材料 机床、工具

成品 半成品

机械制造工艺三阶段： ①零件毛坯的成形准备阶段 ②机械切削加工阶段 ③表面改性处理阶段 上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一

机械制造工艺流程

3.1.2 先进制造工艺的产生和发展 制造加工精度 18世纪，其加工精度为1mm; 19世纪末，0.05mm; 20世纪初，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。 切削加工速度 20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200º C,10m/min; 20世纪初，高速钢，500-600º C,30-40m/min; 20世纪30年代，硬质合金，800-1000º C, 数百米/min; 目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000º C以上， 一千至数千米/min。

切削速度随刀具材料的变更而提高

新型工程材料的应用 类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、 复合材料、工程陶瓷等 对制造工艺贡献： ①改善刀具切削性能，改进加工设备； ②促进特种加工工艺发展。 自动化和数字化工艺装备的发展 单机自动化 → 系统自动化 刚性自动化 → 柔性自动化 → 综合自动化

毛坯成形技术在向少、无余量发展 如：熔模精密铸造、精密锻造、 精密冲裁、冷温挤压等新工艺。 表面工程技术的形成和发展

表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面 复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以 获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、 热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等。

第二节 材料受迫成形工艺技术3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 精密洁净铸造成形 精确高效金属塑性成形工艺 粉末锻造成形工艺高分子材料注射成形

机械零件成形方法： 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。

3.2.1 精密洁净铸造成形精确铸造成形技术 自硬砂精确砂型铸造 粘土砂造型 铸件质量差、生产效率低 劳动强度大、环境污染严重 自硬树脂砂造型 高强度、高精度、高溃散性 低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作

铸件壁厚可 < 2.5mm

高紧实砂型铸造 可提高铸型强度、刚度 和硬度 减少金属液浇注凝固时 型壁移动 降低金属消耗、减少缺 陷 提高精度、粗糙度提高 2-3级

气冲造型

消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。 可避免砂型溃散 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 能够获得表面光洁、尺寸精确 无飞边、少无余量精密铸件

泡沫塑料模

造型

浇注过程

铸件

特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造 真空铸造、挤压铸造等。 压力铸造：金属模，以压力浇注取代重力浇注， 铸件精确、表面光洁、内部致密。

合型

压铸

开模

金属模压铸机压铸过程

清洁(绿色)铸造技术

洁净的能源 以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染 无砂和少砂铸造 如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等 清洁无毒材料 使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等 高溃散性型砂工艺 树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺 废弃物再生和综合利用 铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处 理和综合利用 铸造机器人或机械手 以代替工人在恶劣条件下工作

铸造过程计算机模拟铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟

随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。

3.2.2 精确高效金属塑性成形工艺精密模锻 利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的 模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。

模锻坯料

去氧化皮 精密模锻 锥齿轮的精密模锻工艺

普通模锻

超塑性成形 超塑性现象：在一定内部条件(如晶粒形状、相变) 和外部条件(如温度、应变速率)下，呈现出异常低的 流变抗力、异常高的延伸率现象。目前已知锌、铝、铜 等合金超塑性达1000%,有的甚至达2000%。 金属超塑性类型： 细晶超塑性(恒温超塑性) 内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织(<10µm); 外在条件：特定温度和变形速率(10-4-10-5min-1)。 相变超塑性(环境超塑性) 在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载。

超塑性成形工艺应用 飞机钛合金组合件 原需几十个零件组成，用超塑性 成形后，可一次整体成形，大大减轻了构件的质量， 提高了结构的强度。

超塑性等温模锻 薄板加热到超塑性温度，在压力作 用下产生超塑性变形

,直至同模具贴合为止。

超塑性气压成形

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