1、第四章 材料成型方法陳碩平 Email:chenshuoping_QQ:277087163 材料的成型加工材料加工工藝材料成型加工制品材料的成型加工n成型加工是材料走向具有使用價值產(chǎn)品的橋梁。n材料的內(nèi)在性能與成型加工的工藝過程緊密聯(lián)系在一起。成型加工制品材料的成型加工n成型：將材料轉(zhuǎn)變成一定形狀的半成品（毛坯）或成品。n加工：通常指材料成型后的后加工。主要有機械加工、修飾和裝配三個環(huán)節(jié)組成。材料的成型加工表 41 材料主要成型方法類 別品 種成 型 方 法金屬材料黑色與有色金屬澆鑄（鑄造）成型、鍛造成型、沖壓成型、軋制、擠壓、拔制、超塑性成型、粉末冶金、焊接（連接成型）等陶瓷可塑成型（擠壓成

2、型、車坯成型、旋坯成型、滾壓成型） ；注漿成型（空心注漿、實心注漿、壓力注漿、離心注漿、真空注漿、熱壓注、流延法）及壓制成型等玻璃人工成型（人工吹制、自由成型、人工拉制等） ，機械成型（壓制法、吹制法、拉制法、壓延法、澆鑄法、燒結(jié)法等）無機非金屬材料水泥注漿橡膠塑料壓制、壓延、壓出、浸漬、澆鑄、涂層等注塑、壓制、壓延、擠出、中空成型、熱成型、澆鑄、搪塑、浸漬、真空成型、泡沫塑料成型、燒結(jié)等纖維熔體紡絲、干法紡絲、濕法紡絲等高分子材料復(fù)合材料手糊成型、模壓成型、纏繞成型、擠出及注射成型等注：本表中只列出樹脂基復(fù)合材料成型方法。材料成型方法應(yīng)根據(jù)其自身的成型特性、制品性質(zhì)及經(jīng)濟上的合理性等因素來取

3、舍材料的成型加工材料成型特性n材料的成型性：可流動性與可塑性變形性。n將材料的成型方法：自由流動成型、受力流動成型、受力塑性成型與其他成型。自由流動成型n指將呈流動狀態(tài)的物料，成型時無外力作用下，倒入模型型腔或使其附在模型表面，經(jīng)改變溫度（降溫或升溫），或反應(yīng)，或溶劑揮發(fā)等作用，使之固化或凝固，而形成具有模型形狀的產(chǎn)品。n最終的產(chǎn)品可以是成品，也可以是半成品（或毛坯）。n自由流動成型中典型代表是：金屬砂型鑄造、陶瓷注漿成型、塑料與橡膠浸漬成型。金屬砂型鑄造n是以型砂和芯砂為造型材料制成鑄型，將金屬熔化成液體，澆注到具有與零件形狀相近似的鑄型空腔內(nèi)，待其冷卻、凝固后獲得鑄件的工藝方法。n80%以

4、上的鑄件用此法制備。n常用鑄造金屬材料：鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁、鑄銅等n思考：砂型比起其他的鑄型有什么優(yōu)勢？。砂型n制造砂型的基本原材料是鑄造砂和型砂粘結(jié)劑。n最常用的鑄造砂是硅質(zhì)砂。硅砂的高溫性能不能滿足使用要求時則使用鋯英砂、鉻鐵礦砂、剛玉砂等特種砂。n應(yīng)用最廣的型砂粘結(jié)劑是粘土，也可采用各種干性油或半干性油、水溶性硅酸鹽或磷酸鹽和各種合成樹脂作型砂粘結(jié)劑。n砂型鑄造中所用的外砂型按型砂所用的粘結(jié)劑及其建立強度的方式不同分為粘土濕砂型、粘土干砂型和化學(xué)硬化砂型3種。砂型n粘土濕砂：以粘土和適量的水為型砂的主要粘結(jié)劑，制成砂型后直接在濕態(tài)下合型和澆注。n粘土干砂：制造這種砂型用的型砂濕態(tài)水分略高于

5、濕型用的型砂。砂型制好以后，型腔表面要涂以耐火涂料，再置于烘爐中烘干，待其冷卻后即可合型和澆注。n化學(xué)硬化砂：其粘結(jié)劑一般都是在硬化劑作用下能發(fā)生分子聚合進而成為立體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，常用的有各種合成樹脂和水玻璃。n化學(xué)硬化方式： 自硬：粘結(jié)劑和硬化劑都在混砂時加入。 氣霧硬化：混砂時加入粘結(jié)劑和其他輔加物，先不加硬化劑。造型或制芯后，吹入氣態(tài)硬化劑或吹入在氣態(tài)載體中霧化了的液態(tài)硬化劑導(dǎo)致砂型硬化。 加熱硬化：混砂時加入粘結(jié)劑和常溫下不起作用的潛硬化劑。制成砂型或型芯后，將其加熱，這時潛硬化劑和粘結(jié)劑中的某些成分發(fā)生反應(yīng)，生成能使粘結(jié)劑硬化的有效硬化劑，從而使砂型或型芯硬化。金屬砂型鑄造金屬砂型鑄造

6、n優(yōu)點： 適應(yīng)性強。不受零件大小、形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，在大件的生產(chǎn)中，鑄造的優(yōu)越性有為顯著。 成本低廉。鑄造使用的原材材料成本低，單件小批量成產(chǎn)時，設(shè)備投資少。n缺點：容易出現(xiàn)鑄造缺陷（縮孔、疏松、氣孔、砂眼等），工序繁多，廢品率較高。其他金屬鑄造方式熔模鑄造（失蠟法）n用蠟制作所要鑄成器物的模子，然后在蠟?zāi)Ｉ贤恳阅酀{，這就是泥模。泥模晾干后，再焙燒成陶模。n一經(jīng)焙燒，蠟?zāi)Ｈ咳刍魇?，只剩陶模。n在制泥模時就留下澆注口，再從澆注口灌入金屬液，冷卻后，所需的器件成型。 n（1）鑄型沒有分形面，不必考慮起模的問題。（2）只適用于質(zhì)量小于25千克的小鑄件。（3）適合各種復(fù)雜、造型精美的、帶有

7、花紋和文字的器件。其他金屬鑄造方式金屬型鑄造（硬模鑄造）n金屬型鑄造又稱硬模鑄造，它是將液體金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。鑄型是用金屬制成，可以反復(fù)使用多次（幾百次到幾千次）。 n（1）通常使用金屬鑄型和型芯，無退讓性，鑄件的形狀簡單。n（2）金屬型的鑄型和型芯制造困難，成本高，所以鑄件的質(zhì)量不易太大。n（3）受鑄型的限制，金屬型鑄件合金熔點不宜太高。n主要應(yīng)用：內(nèi)燃機的鋁殼、氣缸體、缸蓋、油泵殼體等陶瓷注漿成型n注漿成型是基于多孔石膏模具能夠吸收水分的物理特性，將陶瓷粉料配成具有流動性的泥漿，然后注入多孔模具內(nèi)（主要為石膏模），水分在被模具（石膏）吸入后便形成了具有一定厚度的均

8、勻泥層，脫水干燥過程中同時形成具有一定強度的生坯，此種方式被稱為注漿成型n制成的生坯經(jīng)干燥、上釉、裝飾、燒成，得到陶瓷制品。簡化的工藝流程如下。陶瓷注漿成型n1、注漿料配制 注漿坯料應(yīng)滿足下列要求：細度、流動性、水分、觸變性、懸浮性。n2、注漿成型 自由流動成型中注漿成型主要有空心注漿（單面注漿）和實心注漿（雙面注漿）兩種。n3、干燥 生坯干燥過程可分為：預(yù)熱階段、等速干燥階段、降速干燥階段與平衡狀態(tài)。 生坯干燥方法主要有：自然對流干燥、強制對流干燥、輻射干燥等。n4、施釉、裝飾n5、燒成：一次燒成或二次燒成?？招淖{應(yīng)用：小型薄壁產(chǎn)品要求：流動性一般為10-15秒，稠化度不宜過大（1.1-1

9、.4）； 細度一般比雙面注漿的要細，萬孔篩篩余0.5%-1%。 實心注漿應(yīng)用：制造兩面有花紋及尺寸大而外形比較復(fù)雜的制品：如盅、魚盤、瓷板等。要求：較濃的泥漿，一般密度在1.8g/cm3以上，以縮短吸漿時間，稠化度(1.5-2.2)；細度可粗些，萬孔篩篩余1%-2%。 思考題n思考下陶瓷注漿的優(yōu)點和缺點？橡膠浸漬成型n浸漬成型是將高分子材料配制成膠乳，用與制品形狀相近似的模型浸漬膠乳，使膠乳粘附在模型外表面，經(jīng)干燥、硫化后獲得膠乳制品的工藝方法。n優(yōu)點：工藝簡單，成本低廉、勞動強度低、污染少、可生產(chǎn)其 它成型方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。玩具氣球生產(chǎn)工藝流程簡圖浸 漬 槽浸 漬成 膜干 燥 、 硫 化脫

10、 模模 型 清 理涂 隔 離 劑模 型烘 道檢 驗制 品表 面 處 理受力流動成型n成型時在受力作用條件下，將呈流動狀態(tài)的物料，注入模型型腔，或使物料通過一定形狀的口模，或附在模型表面，經(jīng)溫度變化（降溫或升溫），或反應(yīng)，或溶劑揮發(fā)等作用，使物料冷凝、固化，最終形成產(chǎn)品。n典型代表是：金屬壓力鑄造、玻璃吹制成型、塑料注塑成型。金屬壓力鑄造n壓鑄是將液態(tài)或半固態(tài)金屬澆入壓鑄機的壓室中，金屬液在運動的壓射沖頭作用下，以極快的速度充填型腔，并在壓力的作用下結(jié)晶凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。n壓鑄時作用在金屬液上的壓射比壓從幾兆帕至幾十兆帕不等，有時甚至高達500兆帕。金屬液充填型腔時，澆口處的線速度達

11、0.570 m/s。充填的時間極短，一般為0.010.03 s。n壓鑄過程是由壓鑄機來實現(xiàn)的，壓鑄機分熱壓室壓鑄機和冷壓室壓鑄機兩大類。熱壓室壓鑄機冷壓室壓鑄機金屬壓力鑄造n優(yōu)點： 1. 生產(chǎn)率極高，生產(chǎn)過程容易實現(xiàn)機械化和自動化。 2. 鑄件的尺寸精度高，其尺寸穩(wěn)定、一致性好。 3. 鑄件組織致密，具有較高的強度和硬度。 4. 可以壓鑄形狀復(fù)雜、輪廓清晰的薄壁深腔鑄件，因為金屬液在高壓下能保持高的流動性。n 缺點： 1.壓鑄合金的種類有限。 2.大型壓鑄件的生產(chǎn)受到限制。 3.壓鑄工藝只適用于大批量生產(chǎn)。玻璃成型n玻璃具有一系列的優(yōu)良特性，如堅硬、透明、氣密性、不透性、裝飾性、化學(xué)耐蝕性、耐

12、熱性及電學(xué)、光學(xué)等性能，而且能用吹、拉、壓、鑄、槽沉等多種成型和加工方法制成各種形狀和大小的制品 。n玻璃的成型是將熔融的玻璃液加工成具有一定形狀和尺寸的玻璃制品的工藝過程。常見的玻璃成型方法有：壓制成型、吹制成型和拉制成型。玻璃壓制成型n壓制成型是在模具中加入玻璃熔料加壓成形，多用于玻璃盤碟、玻璃磚。玻璃吹制成型n吹制成型是先將玻璃粘料壓制成雛形型塊，再將壓縮氣體吹入處于熱熔態(tài)的玻璃型塊中，使之吹脹成為中空制品。n吹制成型可分為機械吹制成型和人工吹制成型，用來制造瓶、罐、器皿、燈泡等。玻璃吹制成型玻璃拉制成型n拉制成型是利用機械拉引力將玻璃熔體制成制品，分為垂直拉制(圖96)和水平拉制(圖9

13、7)，主要用來生產(chǎn)平板玻璃、玻璃管、玻璃纖維等。玻璃熱處理n玻璃制品在生產(chǎn)中，由于要經(jīng)受激烈和不均勻的溫度變化，導(dǎo)致制品內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。n結(jié)構(gòu)變化的不均勻及熱應(yīng)力的存在會降低制品的強度和熱穩(wěn)定性，很可能在成型后的冷卻、存放和機械加工過程中自行破裂；n制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的不均勻性，又可能造成玻璃制品光學(xué)性質(zhì)的不均勻。n因此，玻璃制品成型后，一般部要經(jīng)過熱處理。 玻璃熱處理n玻璃制品的熱處理，一般包括退火和淬火兩種工藝。n退火就是消除或減小玻璃制品中的熱應(yīng)力的熱處理過程。對光學(xué)玻璃和某些特種玻璃制品，通過退火可使內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，以達到要求的光學(xué)性能。n淬火就是使玻璃表面形成一個有規(guī)律、均勻分布的壓力層

14、，以提高玻璃制品的機械強度和熱穩(wěn)定性。塑料注塑成型n將粒狀或粉狀塑料加入到注射機的料筒，經(jīng)加熱熔化呈流動狀態(tài)，然后在注射機的柱塞或螺桿快速而又連續(xù)的壓力下，從料筒前端的噴嘴中以很高的壓力和很快的速度注入到閉合的模具內(nèi)。n充滿模腔的熔體在受壓的情況下，經(jīng)冷卻（熱塑性塑料）或加熱（熱固性塑料）固化后，開模得到與模具型腔相應(yīng)的制品。柱塞式注塑機螺桿式注塑機塑料注射成型n間歇操作過程n成型周期短n生產(chǎn)效率高n一次成型外形復(fù)雜、尺寸精確的制品n成型適應(yīng)性強，制品種類繁多n容易實現(xiàn) 生產(chǎn)自動化，n應(yīng)用:幾乎所有的熱塑性塑料，多種熱固性塑料，橡膠制品。 受力塑性成型n受力塑性成型是指在受力條件下，在高溫，或

15、常溫，或塑化劑存在下，固態(tài)物料產(chǎn)生塑性變形而獲得所需尺寸、形狀及機械性能的成型方法。與前兩種成型方法（自由流動成型、受力流動成型）相比，受力塑性成型過程中，物料不發(fā)生流動，而產(chǎn)生塑性變形。n受力塑性成型主要有金屬鍛壓成型、陶瓷可塑成型、橡膠塑性成型。金屬鍛壓成型n鍛壓：對坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形、改變尺寸、形狀及改善性能，用以制造機械零件、工件或毛坯的成形加工方法。n主要方法：n鍛造:將坯料加熱到高溫狀態(tài)后進行加工。n沖壓:將坯料在常溫下進行加工。n經(jīng)典方法：自由鍛造、模型鍛造、板料沖壓自由鍛造n概念：只用簡單的通用性工具，在鍛造設(shè)備的上下鐵砧間對坯料施加外力，使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需鍛

16、件的方法。n特點：n1)金屬坯料可朝各個方向自由流動，不受限制;n2)所用工具簡單，設(shè)備和工具通用性強，成本低;n3)如果利用手工鍛造，其鍛件精度較低，生產(chǎn)率低，形狀和尺寸主要由操作者的技術(shù)來控制，但以電子控制的機械可以獲得較大的精度，能夠制備大型的零件。鍛造設(shè)備空氣錘液壓機模型鍛造n以鍛模模膛限制金屬坯料的變形，從而獲得鍛件的成形方法。n特點： (1) 生產(chǎn)效率較高 (2) 能鍛造形狀復(fù)雜或大型的鍛件 (3) 模鍛件的尺寸較精確 (4) 節(jié)省金屬材料 (5) 模鍛操作簡單，勞動強度低 模型鍛造1錘頭 2上模 3飛邊槽 4下模 5模墊 6、7、10緊固楔鐵 8分模面 9模膛 錘上模鍛的鍛模結(jié)構(gòu)

17、 板料沖壓n通常在室溫下進行，所以又稱冷沖壓，簡稱沖壓。n特點：1）不需要對毛坯加熱，是節(jié)約能源的加工方法 2）生產(chǎn)操作簡單，生產(chǎn)率高 3）尺寸精度較高，質(zhì)量穩(wěn)定4）模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費用較高。沖壓設(shè)備n剪床:把板料切成一定寬度的條料，以供下一步?jīng)_壓工序之用。n沖床:沖床將完成除剪切以外的其他沖壓工作。剪床沖床n優(yōu)勢： (1)改善金屬組織、提高力學(xué)性能 (2)節(jié)約金屬材料 (3)較高的生產(chǎn)率 (4)毛坯或零件的精度較高 n劣勢： (1)不能加工脆性材料 (2)不能獲得形狀復(fù)雜的毛坯或零件金屬鍛壓成型陶瓷可塑成型n利用模具、刀具或手等的運動所造成的壓力、剪力，擠壓等外力對具有可塑性的坯料進行加工

18、，迫使坯料在外力的作用下發(fā)生可塑變形，制成坯料。n手塑成型n滾壓成型 n塑壓成型手塑成型n利用手或者其他輔助工具對具有可塑性的坯料進行加工。也稱作陶藝成型。n優(yōu)點：作品精美、個性、復(fù)雜適合做陶藝n缺點：效率低、重復(fù)性差不適合工業(yè)化生產(chǎn)滾壓成型n利用滾壓頭和模型各自繞自己軸線的定軸轉(zhuǎn)動，將投放在模型中的塑性泥料延展壓制成型。n優(yōu)點： (1)坯體致密，強度高，不易變形。 (2)水分低，制品光潔平整，產(chǎn)品規(guī)格一致。 (3)生產(chǎn)率高，勞動強度較低。 (4)適應(yīng)于陰、陽模成型，單機聯(lián)線。 (5)操作技術(shù)不要很高，便于組成自動化生產(chǎn)線。n缺點：只適合圓形制品。滾壓成型機塑壓成型u泥料放于模型內(nèi)常溫壓制成坯

19、。模型內(nèi)部設(shè)置多孔性纖維管， 可通壓縮空氣或抽真空。n 優(yōu)點： 1 可成型異型盤碟類產(chǎn)品 2 成型時施加一定壓力，致密度較好n 缺點：對模具強度要求較高n 良好的可塑性：可塑性指標(biāo) 2 n 具有一定的形狀穩(wěn)定性 n 含水量適當(dāng)：強可塑性原料多則含水量提高 手工成型 塑壓 滾壓成型 n 干燥強度高和收縮率小n 空氣含量少可塑泥料的基本要求橡膠壓出成型n橡膠壓出成型又稱擠出成型，是橡膠工業(yè)的基本工藝之一。n壓出成型具有連續(xù)、高效、不用金屬模型即能成型制造多種橡膠制品等優(yōu)點，而且壓出效應(yīng)小。因此，目前廣泛用來制造胎面、內(nèi)胎、膠管、電線電纜和各種復(fù)雜斷面形狀的（空心或?qū)嵭模┌胫破返取?D打印技術(shù)n3D打?。?D printing），即快速成