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第三章先进制造工艺技术第三章先进制造工艺技术3.1精密成型技术3.2精密与超精密加工技术3.3超高速加工技术3.4特种加工技术3.5微细加工技术复习思考题第三章先进制造工艺技术3.1精密成型技术3.1.1粉末冶金粉末冶金是一种精密成型工艺，成品件可以达到相当高的精度和表面粗糙度，可以不经任何后续加工直接应用，也可以进行一定的精加工。图3-1所示为粉末冶金工艺过程。1.粉末成型方法(1)磁动力压制。装于精密模具中的松散铁粉，经磁场径向压制可达到很高的密度，同时克服了单轴模压方法中限制轴向长度与密度梯度的局限性。第三章先进制造工艺技术图3-1粉末冶金工艺过程第三章先进制造工艺技术(2)爆炸压制。爆炸压制是得到高密度坯料的好方法。冲击波通过粉末即可将粉末压制成坯。光学研究表明，对于柱形试样，为使密度均匀，冲击波的形状应该是锥形的。(3)新的挤压成型法。常规金属挤压仅限于铝和铜一类延性材料，而高强度材料和高温材料只能采用锻造与机加工方法。新的挤压法可通过调节金属粉末/粘结剂混合系统的粘度来制取挤压料，然后用挤压塑性材料的常规挤压机进行挤压。可像金属注射成型那样，用溶剂萃取法去除粘结剂，而后经烧结可制得棒、管等一类致密型材。通过调节粉末坡度与烧结参数，也可制取壁上有开孔的管，由此制成过滤器及其他功能产品。第三章先进制造工艺技术(4)吹气装粉法。因粉末流动性差，故往往在压模装粉时出现粒度偏析。新开发出的吹气装粉法将少量气体吹入装粉靴中，因而改善了粉末的流动性，降低了粒度偏析，缩短了装粉时间。(5)温压。温压工艺是利用温度与压力使粉末致密化的，其最终密度可达7.25～7.458g/cm3。各种温压工艺都有一定的温度范围。温压工艺应用于汽车零件等高强度、小型化的开发制造过程。第三章先进制造工艺技术2.成型工艺特点及研究方向粉末冶金工艺一般具有以下特点：(1)可以得到近净形零件；(2)通过粉末合金成分的配合，可以得到符合零件性能要求的制品；(3)也适合于大批量生产。第三章先进制造工艺技术粉末成型领域的主要研究方向是：(1)粉末制造技术，例如急冷凝固粉末、机械合金化(MA)粉末、超微(1μm以下)粉末的制备等。(2)成型及固化技术，例如冷等静压成型(CIP)和热等静压成型(HIP)、粉末锻造、电磁成型、金属粉末注射成型(MIM)等。新开发的粉末材料需配以优化的固化及成型技术。另外，比较成熟的模具成型技术亦存在工艺优化的需求。复杂零件的粉末精确成型(公差达±0.02mm)也需要高精度、智能化的成型和固化设备的支持。这些问题共同的特点是对技术诀窍或经验的依赖程度很大。第三章先进制造工艺技术3.1.2精密洁净铸造1.精密砂型铸造(PrecisionSandCasting)(1)FM法。FM为法语FonteMince(薄壁铁)的缩写。FM法采用冷芯盒砂芯叠箱造型，在低压下进行浇注。这种方法已成功地用于大量生产壁厚仅2.8mm的球墨铸铁排气管。法国一铸造厂已建成日产2500根排气管的生产线(1992年)，其主要用户为美国通用汽车公司Cadillac豪华型轿车部。第三章先进制造工艺技术(2)Zeus法。Zeus法采用冷芯盒砂芯组芯造型，重力浇注。由于所用的工艺装备(芯盒)制造得十分精确，因而可获得尺寸十分精确的铝铸件，这种方法可以生产壁厚仅2.5mm的复杂铝合金发动机缸体、缸盖。(3)Cosworth法。Cosworth法(见图3-2)采用冷芯盒砂芯组芯造型，但是它使用锆砂(通常在铸造生产中使用石英砂)，利用电磁泵来实现在可控压力下使铝合金液由下而上地充填铸型。由于锆砂的热膨胀率很小而且恒定，因而有利于获得尺寸精确度高的铸件。但是，由于锆砂导热性极好，比石英砂高出两倍多，因而用它所造的砂型难以浇注出壁厚小于4mm的铝铸件。此外，砂芯采用机械组装，组装后砂型如同一个整体，也有利于确保铸件尺寸精度。第三章先进制造工艺技术图3-2Cosworth法示意图第三章先进制造工艺技术2.消失模铸造(ExpendablePatternCastingorLostFoamProcess)消失模铸造采用遇液体金属后即气化的泡沫塑料作模样，无分型面，也不用取模，不用砂芯，同时采用无水分、无粘结剂、无附加物的干砂造型。这种方法可以生产出薄壁、零度拔模斜率的复杂铸件，并可直接铸出螺纹及曲折的通道。它可以减少机械加工工序。这种方法在大量生产中应用后发现还有不少有待解决的技术问题，例如：用于制造消失模的模具成本高和制造周期长，消失模因刚度差在紧砂过程中易变形，铸件表面质量不稳定，等等。第三章先进制造工艺技术B）工艺过程（P104）第三章先进制造工艺技术3.挤压铸造(SqueezeCasting)所谓“挤压铸造”，是指将液体金属在不受扰动、不卷进空气的条件下充填金属铸型，随后又使铸件在高压下完成凝固过程，从而获得优质可热处理的铸件的工艺方法。这种最初作为液态冲压而开发的“挤压铸造”，目前则一般是指一种由截面尺寸很大的浇道将液态金属引入型腔的铸造方法，这样就能使铸件在凝固过程中能得到充分的补缩。第三章先进制造工艺技术今天被普遍接受的“挤压铸造”定义是：一种具有低的充型速率，最低限度的扰动，并在整个凝固期间保持高压的工艺方法，它能稳定地制造进行固熔热处理的高度整体性的铸件。汽车发动机铝合金活塞可以由加热的含超过25%陶瓷或耐磨金属纤维的预制件挤压铸造而成。该工艺方法将增强材料安放在需要的部位，如活塞圆顶或上活塞环槽处，以达到耐热及耐磨等目的。第三章先进制造工艺技术4.半固态铸造(Semi-solidMetalCasting)半固态铸造的过程是：将一专门的连续铸造铝合金的坯料仔细地加热到其中含有一定的液态容积组分的温度，这一粥状坯料随后被挤压到一金属型腔内以形成一近终形、致密的铸件，然后可以通过热处理来进一步改善其性能。半固态铸造示意图如图3-3所示。第三章先进制造工艺技术图3-3半固态铸造示意图第三章先进制造工艺技术图3-4半固态铸造及挤压铸造获得的A1Si7Mg(A356/357)合金机械性能第三章先进制造工艺技术5.压力铸造压力铸造是在高压作用下，将金属熔液以较高的速度压入高精度的型腔内，力求在压力下快速凝固，以获得优质铸件的高效率铸造方法。在有色金属的各种精密铸造工艺中，压力铸造所占的比例最大。压力铸造件的线性尺寸精度可达6～8级，部分可达5级，铸件的表面粗糙度可达Rg3.2pm以上。压铸工艺流程如图3-5所示。第三章先进制造工艺技术图3-5压铸工艺流程第三章先进制造工艺技术***压力铸造（压铸）——机械化程度和生产效率很高的特种铸造方法——金属零件的精密成形工艺1）工作原理将熔融的金属在高压（几－几十MPa－500Mpa）下，在极短的时间内（充填时间一般为0.01－0.21s内，以极高的速度（充填速度一般为0.5－50M/S—120m/s），充填模具的型腔内，持续地高压使之在压力下凝固结晶。第三章先进制造工艺技术2）工作过程1）定量吸液属于定量铸造。2）压射填充压力不同得到低高压不同的压力铸造方法。3）冷却凝固4）压头返回取出铸件。第三章先进制造工艺技术6.熔模铸造熔模铸造是由古代失陷铸造发展起来的一种精密铸造方法，熔模铸造的铸件质量可达铸件一级精度。熔模铸造常用于压型制造方法中。机械加工压型是用碳钢、铝、铜等材料制成的，导热性好，尺寸精确，粗糙度高，还可镀铬抛光，生产出的铸件质量很高。熔模铸造适用于生产批量大、精度要求高、难加工材料的零件。图3-6所示为熔模铸造工艺流程。第三章先进制造工艺技术图3-6熔模铸造工艺流程铸件工艺设计压型设计和制作制熔模组合模组件与浇口棒模组脱脂挂涂料、挂砂型壳硬化与风干熔化蜡模高温焙烧合金液浇注清理铸件质量检查涂料配制配制硬化剂合金熔液配制模料制浇口棒旧料处理回收第三章先进制造工艺技术7.陶瓷型铸造陶瓷型铸造用陶瓷浆作为造型材料灌浆成型，经高温焙烧后，再行合箱浇注金属液，铸成零件。陶瓷型铸造的整体型适用于形状复杂的小铸型和各种型芯，薄壳型适用于中大铸型。陶瓷型铸造一般模样的粗糙度比浇得的铸件粗糙度高两级以上，粗糙度可达Ra6.3～1.6μm，尺寸精度在100mm上可控制在±0.20mm以内。第三章先进制造工艺技术8.壳型铸造壳型铸造用人造树脂作型砂粘结剂，型砂在硬化后具有很高的强度，故铸型可制成薄壁壳型，而型砂可制成空心的薄壁壳芯。由于成本高，壳型铸造常用于制造壳芯。壳型铸造的尺寸误差对钢及有色金屑为±1.0%，对铸造件为±0.75%，表面粗糙度可达Ra6.3～1.6μm，废品率可控制在1%～2%的范围内。除上面介绍的几种精铸工艺外，其他还有金属型铸造、真空密封造型、液态挤压铸造等精密成型工艺。第三章先进制造工艺技术3.1.3精密锻造精确锻造成型的定义是：“至少锻件的部分表面的尺寸和形状精度达到可直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度”。金属坯料加热到锻造温度，采用模锻方法实现精密成型，这是现代机械零件的重要成型方法之一。机械零件中很多承力件、保安件、传动件都采用了热锻成型工艺。精密锻造的工艺流程与热模锻工艺相比，通常需要增加精密锻压工序，并且需要有制造精密锻模、无氧化或少氧化加热和冷却手段。第三章先进制造工艺技术另外，对备坯和后续切削加工常有特殊要求，一般用于难于切削加工或费工时的零件，以及对使用性能有较高要求的零件，如齿轮、涡轮扭曲叶片、航空零件、电器零件等。精密模锻件的精度约为普通锻件的1/3，粗糙度可达Ra3.2～0.8μm，不需机械加工或进行少量加工即可直接用来装配。精密锻造常用于齿轮和叶片的精密制造。对于齿轮的精锻，齿形精度可达7～9级；对于叶片的精锻，叶片的长度可达1700mm，弦宽400mm，扭曲角80°以上，并可锻出拉筋凸台。第三章先进制造工艺技术可获得高精度锻件的精锻工艺机器有：模锻中的热模锻压力机、平锻机、螺旋压力机、高速锤、多向模锻水压机、模锻水压机、精密锻轴机；精锻工艺有挤压中的冷挤压、温热挤压、镦锻以及楔形模横轧、螺旋孔型斜轧、仿形斜轧、辗轧、摆动辗压等。第三章先进制造工艺技术(1)冷挤压。冷挤压是将坯料放在模具中，在室温下用压力机加压，使金属在模腔内受三向压应力而产生塑性变形，形成所需的形状、尺寸及一定性能的零件的加工方法。冷挤压的优点是节约原材料(材料利用率在80%以上，有时可达93%)，生产率高，精度及粗糙度高(精度7级，粗糙度可达Ra1.6～0.2μm)。一般冷挤压加工的零件不再需要切削加工，极个别情况下，只需精磨即可。冷挤压加工常用来提高材料的机械性能，以及加工某些形状复杂及难加工的材料。第三章先进制造工艺技术(2)特种轧制。特种轧制可用于齿轮和丝杆的少无切削加工。冷轧丝杆在室温下利用一对旋转的轧辊加压工件，使工件逐渐发生塑性变形而形成与轧辊孔型相同的螺纹形状。冷轧丝杆的粗糙度可达Ra0.8μm以上，精度可达8级以上。热轧齿轮将齿轮坯料外缘加热至良好的塑性状态，用带齿的轧轮将坯料轧出轮齿。除一些精度要求低的机械外，轧后的齿轮尚需某些后续工序以提高齿形的精度，常用的后续加工法有切削法(磨齿和剃齿)和挤压法(冷精轧、温精轧、推挤等)。第三章先进制造工艺技术(3)其他压力加工少无切削工艺主要指辊锻、顶镦、电热镦、精密下料等。辊锻是把轧制工艺应用到锻造生产中而发展起来的一种锻造新工艺。辊锻过程是指使坯料通过一对装有扇形模块的回转锻辊，借助模槽使其产生塑性变形，而获得所需的锻件。顶镦是利用坯料不变形部分进行定位和夹紧，用模子对加热或不加热的一端施加压力进行局部镦粗变形的一种工艺，包括冲孔、冷镦(生产各种紧固件)。电热镦是在对坯料进行电加热的同时进行局部镦粗的一种少无切削工艺。“下料”是生产中、小型锻件的第一道工序，由于各种精密锻造技术的出现，对精密下料的要求也越来越高。由于精密下料可以提高生产率和材料利用率，因而下料精度也越来越受到重视，目前主要采用精密剪切下料技术。第三章先进制造工艺技术3.1.4精密冲裁精密冲裁简称精冲，在一定条件下可取代切削加工，具有优质、高效、低耗、面广的特点，适合于组织自动化生产。精