金属成型工艺大揭秘：铸造、塑性成形等方法全解析

本文主要阐述了若干金属加工方法，涵盖了铸造工艺，具体有砂型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、金属型铸造、真空压铸、挤压铸造、消失模铸造以及连续铸造；还包括了塑性成形技术，具体有锻造、轧制、挤压、拉拔和冲压；此外还涉及机械加工、焊接工艺、粉末冶金、金属注射成型以及金属半固态成型和3D打印技术。

材料成型方式是零件构思的关键环节，也是生产者高度关注的核心，同时构成了材料加工流程中的核心环节，现在就带各位了解金属成型技术。

▌ 铸造

将熔融金属注入符合零件外形和大小的铸模空腔内，等待其冷却并固化，借此制造出零件或毛坯，这种工艺称作金属熔融成型或铸造。

工艺流程：液体金属→充型→凝固收缩→铸件

工艺特点：

1、可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。

2、适应性强，合金种类不受限制，铸件大小几乎不受限制。

3、材料来源广，废品可重熔，设备投资低。

4、废品率高、表面质量较低、劳动条件差。

铸造分类 ：

（1）砂型铸造（sand casting）

砂型铸造是一种在砂模里制作铸件的技术，钢、铁以及许多有色金属的铸件都可以通过这种方法制造出来。

工艺流程：

砂型铸造工艺流程

技术特点：

1、适合于制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯；

2、适应性广，成本低；

对于部分延展性欠佳的材质，比如铸铁，砂型铸造是加工其零件或制作其毛坯的独一成型方法。

应用：汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件

（2）熔模铸造(investmentcasting)

熔模铸造通常是用易熔材料制作模型，然后在其表面逐层覆盖耐火材料来构建型壳，接着把模型熔化并从型壳中清除，由此得到没有分型面的铸型，这个铸型经过高温烧制之后，就可以进行填砂和浇注，这种铸造方法也常被称作“失蜡铸造”。

工艺流程：

熔模铸造工艺流程

优点：

1、尺寸精度和几何精度高；

2、表面粗糙度高；

3、能够铸造外型复杂的铸件，且铸造的合金不受限制。

缺点：工序繁杂，费用较高

适用于加工造型独特、公差标准严格、或难以通过常规方式制造的小型物件，例如涡轮引擎的扇叶等。

（3）压力铸造(die casting)

金属液在高压下被快速注入精确的金属模具空腔中，随后在压力影响下冷却并固化，最终塑造成铸件成品。

工艺流程：

优点：

1、压铸时金属液体承受压力高，流速快

2、产品质量好，尺寸稳定，互换性好；

3、生产效率高，压铸模使用次数多；

4、适合大批大量生产，经济效益好。

缺点：

1、铸件容易产生细小的气孔和缩松。

2、压铸件塑性低，不宜在冲击载荷及有震动的情况下工作；

3、高熔点合金压铸时，铸型寿命低，影响压铸生产的扩大。

压铸件最初在汽车制造和测量仪器领域得到运用，随后逐步推广至众多行业，包括农业设备、金属加工、电子制造、军事领域、计算机设备、医疗装置、计时工具、摄影器材以及日常金属制品等。

（4）低压铸造(low pressure casting)

低压铸造是一种工艺，通过较低压力，即0.02到0.06MPa的范围，让液态金属进入铸型，同时保持压力，促使金属结晶，最终制成铸件。

工艺流程：

技术特点：

调整注浆时的力度与速率，因此能够适配多种铸造模具，例如金属模具、砂质模具等，用以铸造各类合金以及不同尺码的铸件。

采用底部注料方式填充，金属液体填充过程平稳，没有飞溅情况出现，能够防止气体卷入，同时避免对模具壁和型芯造成冲击，因此提升了铸件的合格程度。

铸件在压力中凝固，其结构非常紧密，形状界限分明，外表十分平滑，其机械强度相当出色，对于制造特别薄的厚重零件来说，这种铸造方式特别有帮助。

4、省去补缩冒口，金属利用率提高到90～98%；

工作负担较轻，作业环境优越，机器装置简单，方便采用机器操作和自动化流程。

应用：以传统产品为主（气缸头、轮毂、气缸架等）。

（5）离心铸造(centrifugal casting)

离心铸造，是将熔融金属，倒入不断转动的铸模里，依靠离心作用，让金属填充模腔，随后冷却，最终形成铸件的一种成型工艺。

工艺流程：

优点：

浇注系统与冒口系统的金属损耗微乎其微，工艺成品率因此得到显著提升，

制作中空铸造品时能够省去模芯，因此制造长条状铸件时可以显著增强金属填充性能。

3、铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，力学性能高；

4、便于制造筒、套类复合金属铸件。

缺点：

1、用于生产异形铸件时有一定的局限性；

铸件内部孔洞的尺寸不够精确，孔壁的纹理相当不光滑，整体品质不高，需要留有较多的切削空间。

3、铸件易产生比重偏析。

应用：

离心铸造最初用于制造管道产品，此后，国内外多个领域如冶金工业、矿山开采、交通运输、水利工程设备、航空航天、国防军工以及汽车制造等行业，都广泛采纳这种工艺来铸造钢铁制品以及非铁碳合金铸件，其中离心铸铁管、内燃机气缸套和轴颈套等铸件的应用最为广泛。

（6）金属型铸造(gravity die casting)

金属型铸造是一种成型技术，它利用液态金属在重力影响下，填满金属铸型，然后在型腔内冷却并凝固，最终得到铸件。

工艺流程：

优点:

金属型的导热能力很强，储热本领也很强，散热效率很高，铸成的产品内部结构非常紧密，其机械强度要比砂型铸件强大约百分之十五。

铸件能够达到很高的尺寸准确度，并且表面光洁度很低，同时品质保持稳定可靠。

由于基本不用或少用砂芯，能够优化环境质量，降低粉尘和有毒气体的排放量，同时减轻工人的工作负担。

缺点：

金属模具本身不具备透气功能，需要借助特定手段排出模腔内空气以及砂芯生成的气体，

2、金属型无退让性，铸件凝固时容易产生裂纹；

金属型生产所需时间比较久，花费也相对大些，所以只有当产品数量多且批量生产时，才能体现出明显的经济效益来。

应用：

金属型铸造能够满足大批量制造形状复杂的非铁合金铸件的需求，比如铝合金和镁合金产品，同时也能用于生产钢铁类铸件和铸锭。

（7）真空压铸(vacuumdie casting)

真空压铸技术，是在金属熔体注入模具时，将型腔内的空气抽走，这样做能够有效去除或大幅降低铸件内部出现的气泡和过饱和气体，进而改善铸件的机械特性，并提升其表面光洁度，属于一种精密的金属成型方法。

工艺流程：

优点：

去除或降低铸件内部出现的气泡，增强铸件的力学特性与外观品质，优化电镀效果。

降低模具承受的背压，能够采用较小的比压等级，以及选用流动性欠佳的金属材料，或许可以借助小型压铸设备来成型体积较大的铸件。

3、改善了充填条件，可压铸较薄的铸件;

缺点：

1、模具密封结构复杂，制造及安装较困难，因而成本较高;

2、 真空压铸法如控制不当，效果就不是很显著。

压铸成型工艺，通过模具施加压力，使液态金属填充型腔，随后冷却凝固成型，最终获得所需形状的铸件，这种工艺方法通常被称为热压铸技术，在汽车零部件制造领域得到了广泛应用，因其能够生产出结构复杂、性能优异的精密铸件而备受青睐

挤压铸造，就是让液态或者半固态金属在高压状态下完成凝固和流动塑形，从而直接得到零件或者毛坯的工艺方式。这种方式，液态金属的利用程度很高，制作流程比较简单，产品品质也稳定可靠。它属于一种节能的技术，并且在未来有着广阔的发展空间，是一种很有前景的金属加工方法。

工艺流程：

采用直接挤压铸造方法，首先喷涂相关材料，接着注入液态金属，然后闭合模具，施加压力，保持压力一段时间，之后释放压力，接着分开模具，让毛坯从模具中取出，最后完成复位操作。

间接压制成型：先喷涂覆盖层，再闭合模具，接着加入原料，随后填充空腔，然后施加压力，保持压力稳定，之后释放压力，接着分开模具，随后使制件脱离模体，最后恢复初始状态。

技术特点：

1、可消除内部的气孔、缩孔和缩松等缺陷；

2、表面粗糙度低，尺寸精度高；

3、可防止铸造裂纹的产生；

4、便于实现机械化、自动化。

适用范围很广，能够制造多种合金材料，包括铝合金，还有锌合金，以及铜合金，另外也有球墨铸铁

（9）消失模铸造（Lost foam casting ）

消失模铸造，也称作实型铸造，是一种创新铸造技术，它采用与铸件大小形态相仿的石蜡或泡沫模型，将这些模型粘合拼集成模型簇，接着在模型簇上涂覆耐火材料并晾干，然后将其埋入干燥的石英砂里，通过振动来制作铸型，在负压环境中进行金属液浇注，促使模型迅速气化，液态金属填充模型所占有的空间，待金属液冷却凝固，便得到最终的铸件成品。

制作过程：先进行预膨胀，接着完成膨胀塑形，然后涂上涂料，随后进行干燥处理，之后进行塑形加工，再进行注料，接着进行落砂，最后执行清理步骤。

技术特点：

1、铸件精度高，无砂芯，减少了加工时间；

2、无分型面，设计灵活，自由度高；

3、清洁生产，无污染；

4、降低投资和生产成本。

应用：

可用于制造构造繁复的各类大小精密铸件，合金材质无限制，制作数量不限。例如灰铸铁的发动机壳体，高锰钢的弯曲管道等。

（10）连续铸造（continual casting）

连续铸造，是将熔融金属持续注入称作结晶器的专用金属模具里，待铸件凝固成型后，会一直从模具末端被拖出，这样能够得到不限长度或固定尺寸的铸件。

工艺流程：

技术特点：

1、由于金属被迅速冷却，结晶致密，组织均匀，机械性能较好；

2、节约金属，提高收得率；

操作流程变得更为精简，去掉了塑形环节以及其它步骤，因此显著降低了工作负担；同时，所需制造空间也大幅压缩。

4、连续铸造生产易于实现机械化和自动化，提高生产效率。

应用：

采用连铸技术能够生产截面形态保持不变的金属制品，例如锭块、板材、棒材、管材等，涵盖钢、铁、铜基合金、铝基合金以及镁基合金等材料。

▌ 塑性成形

塑性加工是指借助材料可变形的特性，借助工具和模具施加外力来成型零件的一种加工技术，这种方法可以减少或者避免切削。这种加工方式有很多种，主要有锻造加工，板料轧制，型材挤压，金属拉线，以及薄板冲压等。

（1）锻造

锻造，就是借助锻压设备，对金属原料施加外力，促使它发生塑性变化，从而得到具备特定力学特性、固定形态和规格的锻造成品的一种制造工艺。

根据成形机理，锻造可分为自由锻、模锻、碾环、特殊锻造。

自由锻造通常借助锤锻设备或水压机，借助基础工具，将金属锭或块状材料打成目标形态和规格，是一种加工手段。

模锻：是在模锻锤或者热模锻压力机上利用模具来成形的。

碾环是指借助特定机器制造具有各种直径的圆环状物品，这种工艺同样适用于制造汽车轮圈和火车车轴等圆形部件。

特种锻造涵盖多种工艺，例如辊锻、楔横轧、径向锻造以及液态模锻，这些工艺方法专门用于制造特定形状的工件，具有广泛的适用性。

加工步骤：坯料升温，然后进行辊压备料，接着实施模锻塑形，完成切边工序，进行冲缺操作，执行校正处理，进行阶段性检测，实施锻件加热处理，开展表面清理，再次校正，最后进行质量查验。

技术特点：

锻件在质量上优于铸件，能够承受更大的冲击力，其塑性和韧性也超过铸件，甚至在其他力学性能方面也比轧件更佳。

2、节约原材料，还能缩短加工工时。

3、生产效率高例。

4、自由锻造适合于单件小批量生产，灵活性比较大。

应用：

大型轧钢机的轧辊和齿形齿轮，汽轮发电机组的转子和叶片轮，护环装置，巨大的水压机的工作缸与支柱，机车上的车轴，汽车以及拖拉机的曲柄和连杆部件。

（2）轧制

金属坯料在旋转轧辊的间隙中受到挤压，经过不同形状的轧辊作用，材料截面会缩小，长度则会变长，这是一种通过压力改变坯料形状的加工技术。

轧制分类：

按轧件运动分有：纵轧、横轧、斜轧。

金属在两个朝向不同的转动的轧辊间穿行，经过相互逆向的挤压，从而形成塑性变形的现象。

横轧：轧件变形后运动方向与轧辊轴线方向一致。

斜轧：轧件作螺旋运动，轧件与轧辊轴线非特角。

工艺流程：

应用：

多用于金属型材，板材，管材等，此外也涉及部分非金属材料，例如塑料件和玻璃件。

（3）挤压

坯料在非均匀的三向压力影响下，通过模具的孔洞或间隙被推压出来，导致其横截面收缩而长度伸长，这种制造技术被称为挤压，利用这种方法对坯料进行塑形的过程即为挤压成型。

工艺流程：

开始作业前需进行准备,接着对铸棒进行加热,然后实施挤压,之后进行拉伸并扭拧校直,接下来执行锯切以确定长度,随后进行取样并实施检查,接着让工件经历人工时效处理,最后完成包装并入库

优点：

1、生产范围广，产品规格、品种多；

2、生产灵活性大，适合小批量生产；

3、产品尺寸精度高，表面质量好；

4、设备投资少，厂房面积小，易实现自动化生产。

缺点：

1、几何废料损失大；

2、金属流动不均匀；

3、挤压速度低，辅助时间长；

4、工具损耗大，成本高。

生产适用范围：主要用于制造长杆、深孔、薄壁、异型断面零件。

（4）拉拔

拉拔是一种塑性加工技术，通过施加外力，使金属坯料从前端进入模孔，模孔的截面小于坯料的原始截面，经过这个过程，金属坯料被拉制成特定形状和尺寸的成品。

优点：

1. 尺寸精确，表面光洁；

2. 工具、设备简单；

3. 连续高速生产断面小的长制品。

缺点：

1. 道次变形量与两次退火间的总变形量有限；

2. 长度受限制。

加工领域包括金属管件、棒料、型材以及线材的制作，拉拔是这些材料的关键成型工艺。

（5）冲压

通过压力机和模具对板材、带材、管材以及型材等施加外力，使其发生塑性变形或者分离，这是一种加工方式，目的是得到具有特定形状和尺寸的工件，这种工件也称为冲压件。

技术特点：

1、可得到轻量、高刚性之制品。

2、生产性良好，适合大量生产、成本低。

3、可得到品质均一的制品。，

4、材料利用率高、剪切性及回收性良好 。

适用范围：

全球钢材总量的六成到七成是板料，多数通过冲压加工成型，制成各类物品。汽车车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉汽包，容器外壳，电机、电器铁芯硅钢片等均为此类。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活用具等商品里，也广泛使用大量冲压部件。

▌ 机加工

零件制造时，运用切削工具去除毛坯上多余的金属材料，目的是达到设计文件规定的尺寸准确度，确保形状与位置的一致性，同时提升工件表面的光洁程度，这是一个重要的工艺环节。

常用机加工方法：

▌ 焊接

焊接，指的是熔接或者镕接，它是一种制造工艺，也是一项技术，通过加热、高温或者施加压力，可以将金属与其他材料，例如塑料，牢固地连接在一起。

焊接分类：

▌ 粉末冶金

粉末冶金是加工金属或使用金属粉末，或者是金属粉末与非金属粉末的混合物，通过压制成形和高温烧结，来生产金属材料，或者制造复合材料，以及各种不同种类的物品的一种制造方法。

工艺基本流程：

优点：

大部分高熔点金属及其化学成分，还有某些特殊合金，以及一些具有孔隙结构的材料，通常需要借助粉末压制技术来加工成型。

2、节约金属，降低产品成本。

3、不会给材料任何污染，有可能制取高纯度的材料。

4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。

粉末冶金适合制造外形相同且批量大的物件，能够显著减少制造成本。

缺点：

1、在没有批量的情况下要考虑 零件的大小。

2、模具费用相对来说要高出铸造模具。

生产适用范围：

粉末冶金工艺能够直接制造具有多孔、半致密以及全致密特性的材料与物件，例如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等。

▌ 金属注射成型

MIM，即金属注射成形技术，是一种成形工艺。该工艺将金属粉末和粘结剂混合物注入模具。具体步骤是，首先将选定的金属粉末与粘结剂进行混合。接着，把混合物制成颗粒。最后，将这些颗粒注射进模具，形成所需形状。

MIM工艺流程：

MIM工艺包含四个不同制作环节，依次是融合、塑形、除油和熔结，用以制造零件，依据物件特质来判定是否实施表面加工。

技术特点：

1、一次成型负责零件；

2、制件表面质量好、废品率低、生产效率高、易于实现自动化；

3、对模具材料要求低。

技术核心：

粘接剂对于MIM技术至关重要，必须添加适量的粘接剂，粉末才能具备提升流动性的能力，从而满足注射成型的需求，并且能够保持坯块的基本形态。

▌ 金属半固态成型

半固态成型工艺借助非枝晶半固态金属，这种材料简称SSM，其具备的特殊流动特性与混合能力，可以用来调控铸件的品质。

半固态成型可分为流变成型和触变成型。

(1)流变成型（Rheoforming）

Rheo casting process

(2)触变成型（Thixoforming）

技术特点：

1、减少液态成型缺陷，显著提高质量和可靠性；

2、成型温度比全液态成型温度低，大大减少对模具的热冲击；

3、能制造常规液态成型方法不可能制造的合金；

应用：

已经成功用于航空、电子以及消费品等领域，包括主缸、转向系统零件、摇臂、发动机活塞、轮毂、传动系统零件、燃油系统零件和空调零件等制造方面。

▌ 3D打印

三维制造：属于快速建立模型的技术，它以数字化蓝图为依据，采用粉末状金属或塑料等能够粘合的物质，借助逐层叠加的方式，来制造出所需物品。

3D打印技术比较: