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第一章绪论了解制造技术的概念，材料成形技术的基本要素和流程了解材料成形的一些共性的基本问题了解本课程的性质和任务难点：材料成形的基本流程和由此引出的材料成形的基本问题形态工艺学有关概念重点：凝固成形的基本问题和发展概论塑性成形的基本问题和发展概论焊接成形的基本问题和发展概论第一章绪论1.1材料成形过程技术概述1.2基本问题与发展概况1.3课程的性质和任务1.1材料成形过程技术概述凝固成形塑性成形焊接成形表面加工热处理切削加工装配切削加工切削加工凝固成形塑性成形焊接成形机器毛坯零件图1-1机器制造的一般过程原材料（锭料、轧材）1.1.1材料加工的主要工艺方法材料加工冷加工：车，铣，刨，钻，磨热加工铸锻焊——凝固（液态）成形——连接成形热处理，表面成形，粉冶加工——塑性成形也可归纳为以下四类：成形加工、切除加工、表面成形加工、热处理加工1.1.2材料成形过程技术概述在我国一直把制造技术分为“设计”和“制造工艺”两个方面。丹麦专家LeoAlting提出制造技术是由产品技术(ProductTechnology)和过程技术(ProcessTechnology)两个基本部分组成。即体现了机械制造的一大板块是回答“做什么”的“产品技术”，另一大板块是回答“怎么做”的过程技术（不少欧洲国家也称“ProductionTechnology”）一个机械制造产品的诞生，一靠物化前生成过程（构思、构想、策划、设计），二靠制造全过程使构思和设计物化成产品，这两个方面构成了产品技术和过程技术。1.1.2材料成形过程技术概述2过程技术涵盖了把物化前的产品设计和构思制造成具体产品的全过程，因而过程技术不只是车、铣、刨、磨、铸、锻、焊、热处理等工艺技术，更包含装配技术、工具技术、仪表测量技术、生产组织技术、生产控制技术以及整个生产过程的构思、规划和设计。本课程主要阐述的是产品“如何做”的有关各种材料成形过程技术的基本原理及工艺，目的是使同学掌握给一定产品选择技术先进而又经济合理的材料成形技术方法。1.1.3材料成形过程的基本要素材料成形过程就是采用一定的加工工艺方法，使被加工的材料达到几何形状、状态和（或）性能的变化过程。研究表明，要产生这种变化，必须具备三个基本要素：材料、能量和信息。因而材料的加工过程，可以用相关的材料流程、能量流程和信息流程来描述。材料加工过程材料（O）产品+废料能量（O）损耗材料（I）信息（I）信息（O）形状、性能能量（I）一、材料流程材料流程系统可以分为三种重要类型：直通流程对应于质量不变过程，其特点是加工材料在初始时的质量等于或近似等于加工材料在过程结束时的最终质量。也就是说，材料在一定的受控条件下仅改变了几何形状或（和）性能。例如各种凝固成形、塑性成形、粉末压制、塑料成形和热处理等均属于这类过程特征。直通流程的材料状态可为固态、液态或颗粒态。发散流程对应于质量减少过程，其特点是零件最终的几何形状局限在材料的初始几何形状内。也就是说，材料改变是通过去除一部分材料形成的。相应的加工方法有传统的切削加工，电火花加工、电解加工、热切割和冲裁等。发散流程的材料只能是固态。汇合流程对应于质量增加过程，其特征是加工材料在过程结束时最终质量比过程开始时的质量有所增加。例如焊接、喷涂和气相沉积等。汇合流程的材料状态可为固态，也可以是固态和液态兼而有之。一、材料流程（续）在材料流程系统中，用来产生形状和（或）性能变化的过程，称为基本过程。根据对材料作用的性质，基本过程主要有以下三种类型机械过程它包括弹性变形、塑性变形、脆性和韧性断裂、液体和粉末的流动等。热过程如加热、熔化、冷却、凝固等化学过程如溶解、燃烧、沉积、相变、扩散等任何一种材料成形过程都是由上述一些基本过程组成。例如材料成形中模锻，其基本过程包括：毛坯下料（机械过程：断裂）→加热（热过程）→模锻成形（机械过程：塑性变形）→锻后冷却（热过程）→切飞边（机械过程：断裂）二、能量流程材料成形过程系统中，每一个基本过程的实现，必然要通过传递介质向材料提供能量。基本过程为机械过程的能量流程⑴传递介质与加工材料之间的相对运动传递介质的状态可以是刚性的、颗粒态的和流体状态的。切削加工中的刀具和塑性成形中的工模具即为刚性介质，通过他们与加工材料的相对运动而实现材料的切除或塑性变形。⑵作用在加工材料上的压力差板料成形中的气压胀形、液压胀形、橡胶胀形、超塑性板的气压胀形、塑料的吹塑成形和真空成形等，都是借助压力差来实现的。此时的传递介质可以是弹性体、液体和气体（包括真空状态）等；⑶直接产生于加工材料中的质量力实现机械基本过程的能源主要是电能源和化学能二、能量流程(续)基本过程为热过程的能量流程热基本过程所需热量通常由电能、化学能或机械能转化而得。热量可在加工材料内部直接产生（直接加热）；也可在加工材料外部产生，然后再通过传导、对流、辐射等传递给加工材料（间接加热）。电能转化为热能的方式方法有很多种。例如，电阻加热，电磁感应加热、电弧，火花放电等。此外，通过电子束、激光，亦可使电能转化为热能。化学能源是通过可燃物质的燃烧而转化为热能的，例如气焊，即是利用可燃气体（如乙炔与氧）的燃烧机械能为基础的热源，例如摩擦焊即是以工件接触面摩擦产生的热量为热源的。三、信息流程信息流程包括形状信息和性能信息两个方面在材料成形过程中，由于把形状变化信息施加于材料，最终的形状信息就是材料的初始形状信息与成形过程中所施加的形状变化信息叠加作用的结果。具有一定形状信息量的模（工）具与加工材料的运动方式及它们之间的相互作用，或兼有模（工）具之间的相互作用，就产生形状变化信息。也就是说，形状变化过程就是借助能量流程把相应于信息流程中的形状变化信息施加于材料流程的过程。一般地说，模（工）具所包含的形状信息量越少，则它们与加工材料的相对运动对于材料的形状变化所起的作用就越大，反之亦然。三、信息流程（续）性能信息流程是包括材料的初始性能信息和通过各种加工过程产生的材料性能变化之和。在选择成形方法时，必须考虑到与制造过程有关的加工材料的性能变化。例如由于变形使金属强度和硬度增加，热处理的主要目的在于改变材料的性能；而塑性成形在其改变材料形状的同时，一般都伴随有性能的变化。应用工艺形态学的方法，从材料流程、能量流程和信息流程三个方面对材料加工过程综合性描述，这有利于认识材料加工过程的本质特征和建立起清晰的概念，方便对它们的分析比较，并有助于激发人们的想象力和创造性。1.2基本问题和发展概况1.2.1凝固成形1.2.2塑性成形1.2.3焊接成形1.2.4快速成型技术凝固成形：熔炼化学成分合格的金属，并将熔融液态金属浇注、压射或吸入预制的型腔中，凝固成为一定形状和性能的毛坯和零件。凝固成形工艺有铸造、液态冲压和液态模锻等。铸造成形工艺的特征是质量不变过程，它包括液态金属充填型腔和冷却凝固两个基本过程。充填主要是机械过程，而凝固是热过程。1.2.1凝固成形1.2.1.1凝固成形的基本问题液态金属的获得（金属熔炼）凝固组织的形成与控制铸造缺陷的防止与控制铸件尺寸精度与表面粗糙度的控制1.2.1.2凝固成形的发展概况金属凝固成形的理论发展凝固技术的发展计算机的应用及发展金属凝固成形的理论发展20世纪50～60年代是经典凝固理论的诞生时期，展开了围绕传热、传质的液、固成分分布和界面稳定性研究。“成分过冷”理论，“枝晶和共晶成分合金凝固过程扩散场的理论解”，“铸件模数”20世纪60年代以来，研究重点在经典凝固理论的应用上。“激冷等轴晶游离”理论，“枝晶熔断”及“结晶雨”理论。在最近的20余年中，计算机技术的应用，使人们能够直观定量地描述液态金属的凝固过程和预测凝固缺陷。锆基、钯基等强玻璃形成能力的大块非晶合金的发现，其宽过冷区间为人类研究玻璃化转变的本质和规律提供了便利，并将凝固理论的研究引向新的范畴（玻璃化转变，而非结晶）。凝固技术的发展60年代起：机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在不断改进及完善，使人们在控制铸锭、铸件凝固组织形貌和细化晶粒方面更加得心应手，并在控制焊缝结晶组织上也得到了很好的运用。20世纪中、下叶：半固态铸造，定向凝固，激光小体积高能量重熔条件下的凝固（表面处理或焊接），零维（粉体）、低维（线材、薄带及表面膜）和体材的快速凝固等先进工艺和技术均在这一时期诞生。20世纪后期：由于对高性能先进材料的需求和技术的进步，在极端条件下的凝固过程(快速凝固，极低速凝固)、特殊条件下的凝固过程(微重力凝固，超重力凝固，超高压凝固)，以及纤维增强及颗粒增强金属基复合材料的凝固等方面进行了大量的研究。快速凝固技术快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程，通常其速率大于10mm/s。在采用急冷方法的快速凝固技术中，液态金属的冷却速率达到105~1010K/s，而一般凝固过程的冷却速率通常不超过102K/s，Zn-1.8at%Ag合金在不同冷却速率下的显微组织计算机的应用及发展计算机的应用正从各方面推动着铸造业的发展和变革，它不仅可提高生产效率和降低生产成本，而且是过去许多不可能的事情变成了现实，同时又促使新技术和新工艺的不断出现。从计算机辅助工艺设计到计算机辅助制造（凝固过程的数值模拟和快速样件制造），直至目前广泛研究的计算机组织和性能模拟等，都极大地推动着铸造业的发展。1.2.2塑性成形塑性成形：利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的工艺方法。称为塑性成形，亦称压力加工。常见方法：轧制、挤压、拉拔、体积成形和板料冲压等。塑性成形属直通过程，主要基本过程是塑性变形；能量类型主要是电能和化学能。形状信息是由含有一定形状信息量的工模具和工模具与被加工材料的相对运动共同产生，性能信息来自材料自身性质和成形过程中的转变特性。1.2.2.2塑性成形的发展概况1塑性成形材料向高性能、新功能方向发展;2塑性成形产品向精密化方向发展；3塑性成形工艺向复合化方向发展；4塑性成形生产向柔性化、数字化方向发展；5塑性成形工艺设计从“技艺”向“科学化”方向发展；6塑性成形模具的设计、制造向CAD/CAM/CAE一体化方向发展；7塑性成形模具向长寿命、高精度方向发展；8采用的能源向激光、电磁、液压、电子束、等离子束等方向发展。1.2.2.3塑性成形中的数值模拟筒体拉伸成形过程的数值模拟（无压边圈）（有压边圈）1.2.3焊接成形[焊接]：通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。一般将焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类。1.2.3.1焊接成形的基本问题(冶金)原理:焊接热过程;物化冶金过程;应力应变过程。工艺及质量控制:焊接方法的工艺特点;工艺参数，焊接缺陷及检测。设备与控制:焊接电源;控制系统;配套设备。1.2.3.2焊接技术的发展焊接结构及材料向不断满足大型化、高温、高压或低温、深冷等复杂苛刻的工作条件方向发展焊接工艺向高速、高效方向发展计算机技术在焊接中的应用1.焊接数据库与专家系统2.焊接生产机器人化3.焊接过程的数值模拟图1三丝焊接系统示意图三丝焊接系统示意图高效双弧TIG焊图2高效双弧TIG焊双面双弧焊双面双弧焊激光－MIG复合焊活性焊剂焊接(b)有活性剂(a)无活性剂焊接数据库与专家系统焊接数据库的研究起于1976年日本，研究和积累各种钢材的焊接CCT图及焊接热循环计算程序。之后美、英、德等国相继研究出焊接工艺评定数据库、焊接生产工艺管理系统、焊工考试与管理系统、焊接文献信息系统数据库等，目前已进入成熟的商品化阶段。国内焊接专家系统的研究始于1988年，哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、甘肃工业大学、天津焊接研究所等单位都先后进行了焊接专家系统的开发。现在研究已逐步走向成熟，部分系统已经商品化。如清华大学研制的“通用型弧焊工艺专家系统”和哈尔滨工业大学研制的“焊接工艺数据库及专家系统”均得到较好应用。焊接生产机器人化轿车车身机器人装焊生产线高速、轻轨列车