材料成型方法：影响性能、适用性及生产关键因素的探究

材料成形方法是零件设计的重要环节，是制造商极为关注的问题，也是材料加工过程中的关键因素。不同的加工成形方法对材料的性能会产生不同的影响；成形方法对材料的适用性也不同；成形工艺还决定了生产周期、成本、批量等关键因素。

铸件

将液态金属浇注到与零件形状和尺寸相适应的型腔中，等待其冷却、凝固以获得毛坯或零件的生产方法通常称为液态金属成型或铸造。

工艺流程：液态金属→充型→凝固收缩→铸造

工艺特点：

1、可以生产任意复杂形状的零件，特别是内腔形状复杂的零件。

2、适应性强，不受合金种类的限制，几乎不受铸件尺寸的限制。

3、原料来源广泛，废品可重熔，设备投资低。

4、废品率高，表面质量差，劳动条件差。

选角类别：

（1）砂型铸造

砂型铸造：在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造获得。

工艺流程：

砂型铸造工艺

技术特点：

1、适合制作形状复杂的毛坯，特别是内腔复杂的毛坯；

2、适应性广，成本低；

3.对于一些塑性较差的材料，例如铸铁，砂型铸造是制造其零件或毛坯的唯一成形工艺。

用途：汽车发动机缸体、缸盖、曲轴等铸件

（2）熔模铸造

熔模铸造：通常是指用易熔材料做成模样，在模样表面涂敷数层耐火材料，形成型壳，再将模样熔化并从型壳中脱出，从而获得无分型面的铸件的铸造方法。经高温焙烧后，即可填砂浇注。常称为“失蜡铸造”。

工艺流程：

熔模铸造工艺

工艺特点

优势：

1、尺寸精度和几何精度高；

2.表面粗糙度高；

3、能铸造形状复杂的铸件，且铸造合金不受限制。

缺点：

工艺复杂，成本高

用途：适用于生产形状复杂、精度要求高或难以用其他方式加工的小型零件，如涡轮发动机叶片。

（3）压铸

压铸：是利用高压将熔融金属高速压入精密金属模具型腔内，熔融金属在压力下冷却凝固形成铸件的工艺过程。

工艺流程：

工艺特点

优势：

1.压铸过程中金属液压力高，流速快

2、产品质量好，尺寸稳定，互换性好；

3、生产效率高，压铸模具使用次数多；

4、适合大规模批量生产，经济效益好。

缺点：

1、铸件容易产生微小的气孔和缩孔。

2.压铸件塑性较低，不适宜在冲击载荷和振动下工作；

3、压铸高熔点合金时，模具寿命短，影响压铸生产的扩大。

应用：压铸件最早应用于汽车工业和仪器仪表工业，以后逐渐扩展到农业机械、机床工业、电子工业、国防工业、计算机、医疗器械、钟表、照相机及日用五金等各个行业。

（4）低压铸造

低压铸造：是指在较低的压力（0.02～0.06MPa）下，将液态金属充入铸型，并在压力下结晶形成铸件的方法。

工艺流程：

技术特点：

1、浇注时的压力和速度可以调节，因此可适用于各种铸造模具（如金属型、砂型等）铸造各种合金、各种尺寸的铸件；

2、采用底注充型方式，金属液顺利充型，无飞溅，可避免气体的卷入和模壁、型芯的冲刷，提高铸件的合格率；

3、铸件在压力下结晶，铸件组织致密，轮廓清晰，表面光滑，力学性能高，对大型薄壁件的铸造尤为有利；

4、消除缩孔冒口，提高金属利用率达到90-98%；

5、劳动强度低，劳动条件好，设备简单，容易实现机械化和自动化。

应用：主要是传统产品（气缸盖、轮毂、气缸架等）。

（5）离心铸造

离心铸造：将熔融的金属倒入旋转的铸型中，在离心力的作用下充满铸型并凝固的铸造方法。

工艺流程：

工艺特点

优势：

1、浇注系统、冒口系统中几乎没有金属消耗，提高了工艺成品率；

2、生产空心铸件时不需要型芯，因此在生产长管状铸件时可大大提高金属填充能力；

3、铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，力学性能高；

4、便于制造缸体、套套等复合金属铸件。

缺点：

1、用于生产异形铸件时有一定的局限性；

2、铸件内孔直径不准确，内孔表面比较粗糙，质量差，加工余量大；

3.铸件容易产生重力偏析。

应用：

离心铸造最早用于生产铸管。离心铸造国内外用于冶金、矿山、交通运输、排灌机械、航空、国防、汽车等工业，生产钢、铁及有色碳合金铸件。其中以生产离心铸铁管、内燃机缸套、轴套最为普遍。

（6）重力铸造

金属型铸造：是指液态金属在重力作用下充填金属型，并在型内冷却、凝固而获得铸件的造型方法。

工艺流程：

工艺特点

优势：

1、金属型导热系数和热容量大，冷却速度快，铸件组织致密，力学性能比砂型铸件提高15%左右。

2、能获得较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度值铸件，质量稳定性好。

3、由于不用或极少用砂芯，改善了环境，减少了粉尘和有害气体，减轻了劳动强度。

缺点：

1.金属型本身不透气，必须采取一定的措施除去型腔内的空气和砂芯产生的气体；

2、金属型无屈服点，铸件凝固时易产生裂纹；

3、金属模具制造周期长，成本较高。因此，只有大批量生产时才能显示出良好的经济效应。

用途：金属型铸造适用于铝合金、镁合金等形状复杂的有色合金铸件的大量生产，也适用于钢金属铸件、锭的生产。

（7）真空压铸

真空铸造：一种先进的压铸工艺，通过在压铸过程中抽除压铸模型腔内的气体，消除或显著减少压铸件中的气孔和溶解气体，从而提高压铸件的力学性能和表面质量。

工艺流程：

工艺特点

优势：

1、消除或减少压铸件内部的气孔，提高压铸件的力学性能和表面质量，改善电镀性能；

2、降低型腔背压，使用比压较低、铸造性能较差的合金，用小型机台压铸较大的铸件成为可能；

3、改善填充条件，可压铸更薄的铸件；

缺点：

1、模具封口结构复杂，制造、安装困难，因而成本较高；

2、真空压铸方法如果控制不好，效果就不会很显著。

（8）挤压压铸

挤压铸造：是在高压下使液态或半固态金属凝固、流动，直接获得制品或毛坯的一种方法，具有液态金属利用率高、工艺简化、质量稳定等优点，是一种具有潜在应用前景的节能金属成形技术。

工艺流程：

直接挤压铸造：喷涂涂料、浇注合金、合模、加压、保压、泄压、分模、脱模毛坯、复位；

间接挤压铸造：喷料、合模、加料、填充、保压、保压、泄压、分模、脱模毛坯、复位。

技术特点：

1、能消除气孔、缩孔、缩松等内部缺陷；

2、表面粗糙度低、尺寸精度高；

3、能防止铸造裂纹的产生；

4、易于实现机械化、自动化。

用途：可用于生产多种类型的合金，如铝合金、锌合金、铜合金、球墨铸铁等。

（9）消失模铸造

消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的蜡模型或泡沫模型粘结成模型簇，涂上耐火涂料并烘干，埋入干石英砂中进行振动造型，在负压条件下浇注使模型气化，使液态金属占据模型位置，经凝固冷却后形成铸件的一种新的铸造方法。

工艺流程：预发泡→发泡成型→涂料浸胶→干燥→定型→浇注→打磨→清洗

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。

用途：适用于生产各种尺寸、结构复杂的高精度铸件，不受合金种类和生产批量的限制，如灰铸铁发动机机壳、高锰钢弯头等。

（10）连铸

连续铸造是一种先进的铸造方法，它的原理是把熔融的金属连续地倒入一种称为结晶器的特制的金属模具中，凝固（结壳）的铸件从结晶器的另一端连续地拉出，可获得任意长度或特定长度的铸件。

工艺流程：

技术特点：

1、由于金属冷却迅速，晶体致密，组织均匀，力学性能良好；

2、节省金属，提高成品率；

3、简化了工序，省去了造型等工序，降低了工人的劳动强度；所需生产面积也大大减少；

4、连铸生产易于实现机械化、自动化，从而提高生产效率。

用途：用连铸法可以铸造钢、铁、铜合金、铝合金、镁合金等截面形状不变的长铸件，如锭、板坯、棒、管等。

塑性成形

塑性成形：是在工具、模具的外力作用下，利用材料的塑性，在少切削或无切削的情况下加工零件的工艺方法。它的种类很多，主要有锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等。

（1）锻造

锻造：是利用锻压机对金属毛坯施加压力，使其发生塑性变形，以获得具有一定力学性能、形状和尺寸锻件的加工方法。

根据成形机理，锻造可分为自由锻造、模锻、环件辗压和特种锻造。

自由锻造：一般在锤锻或液压机上用简单工具将金属锭或块锤制成所需形状和尺寸的加工方法。

模锻：利用模锻锤或热模锻压力机上的模具成形。

辗环：是指通过专用设备辗环机生产出不同直径的环形零件。也用于生产汽车轮毂、火车车轮等轮形零件。

特种锻造：包括辊锻、楔横轧、径向锻造、液态模锻等锻造方法。这些方法比较适合生产某些特殊形状的零件。

工艺流程：锻坯加热→辊锻坯→模锻→切边→冲孔→矫正→中间检验→锻件热处理→清理→矫正→检验

技术特点：

1、锻件的质量比铸件高，能承受较大的冲击力，其塑性、韧性等力学性能也比铸件高，甚至高于轧材。

2、节省原材料，缩短加工时间。

3、生产效率高。

4.自由锻造适用于单件、小批生产，具有较大的灵活性。

应用：

大型轧机的辊子、人字齿轮，汽轮发电机组的转子、叶轮、护环，巨型水压机工作缸、立柱，机车车轴，汽车、拖拉机的曲轴、连杆等。

（2）滚动

轧制：将金属坯料通过一对旋转辊筒之间的间隙（各种形状），受到辊筒的压缩和轧制，使材料的横截面积减小、长度增加的一种压力加工方法。

轧制分类：按轧件的运动方式有纵轧、横轧、斜轧。

纵轧：是金属通过两个反向旋转的轧辊之间，并在此过程中发生塑性变形的过程。

横轧：工件变形后的运动方向与辊轴方向一致。

斜轧：工件按螺旋运动，工件与辊筒轴线之间没有特殊角度。

工艺流程：

用途：主要用于金属型材、板材、管材等，以及一些塑料制品、玻璃制品等非金属材料。

（3）挤压

挤压：毛坯在三向不均匀压应力作用下，从口模孔或缝隙中挤出，使其截面积减少、长度增加，成为所需产品的工艺过程称为挤压，对毛坯的这种加工称为挤压成型。

工艺流程：挤压前准备→铸棒加热→挤压→拉伸、扭矫→锯切（定径）→取样检验→人工时效→包装入库

工艺特点

优势：

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、设备投资小，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.刀具磨损较大，成本高。

生产应用范围：主要用于制造长杆、深孔、薄壁、异形截面零件。

（4）绘图

拉延：在被拉金属的前端施加外力，使金属毛坯从小于毛坯截面的模孔中拉出，以获得相应形状和尺寸产品的塑性加工方法。

技术特点

优势：

1、尺寸精确，表面光滑；

2、所需工具、设备简单；

3、小截面长材的连续高速生产。

缺点：

1、每道次的变形量及两次退火之间的总变形量受到限制；

2. 长度有限。

生产应用范围：拉拔是金属管材、棒材、型材和线材的主要加工方法。

（5）冲压

冲压：是利用压力机和模具对板材、带材、管材和型材施加外力，使其发生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的成形加工方法。

加工工艺：

技术特点：

1.可获得轻质且高刚性的制品。

2.生产率好，适合大批量生产，成本低。

3、可得到品质均匀一致的产品。

4、材料利用率高，剪切性能及回收性能好。

生产范围：

世界上60-70%的钢材都是板材，大部分都是通过冲压制成成品。汽车车体、底盘、油箱、散热器翅片、锅炉汽包、容器壳体、电机、电器铁心硅钢片等都是冲压而成的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、日用器皿等产品中也有大量的冲压件。

加工

机械加工：是在零件生产过程中，用刀具直接从毛坯上切除多余的金属层厚度，使其满足图样要求的尺寸精度、形位精度、表面质量等技术要求的工艺过程。

常见的加工方法：

加工：

焊接

焊接：焊接也称为熔合，是一种通过加热、高温或高压将金属或其他热塑性材料（如塑料）连接在一起的制造工艺和技术。

焊接分类：

粉末冶金

粉末冶金：是生产金属或以金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）为原料，经成型、烧结等工艺，制造金属材料、复合材料及各类制品的工艺技术。

基本流程：

工艺特点

优势：

1.大多数难熔金属及其化合物、假合金和多孔材料只能用粉末冶金法制造。

2、节省金属，降低产品成本。

3、不会对物料造成任何污染，可以生产高纯度物料。

4、粉末冶金可以保证材料成分配比的正确性和均匀性。

5、粉末冶金适合于生产相同形状、数量的产品，可大大降低生产成本。

缺点：

1.无批次时考虑零件尺寸。

2、模具成本较铸造模具相对较高。

生产范围：

粉末冶金技术可直接生产多孔、半致密或全致密的材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、工具等。

金属注射成型

MIM（Metal injection Molding）：是金属注射成型（Metal Injection Molding）的简称，是将可塑化的金属粉末及其黏合剂混合物，注射入模具中的成型方法，先将选定的粉末与黏合剂混合，再将混合物造粒，然后注射成所需形状。

MIM工艺流程：MIM工艺分为四个独特的加工步骤（混料、成型、脱脂和烧结）来实现零件的生产，而是否需要进行表面处理则根据产品特性而定。

技术特点：

1、负责部件一次性成型；

2、零件表面质量好，废品率低，生产效率高，易实现自动化；

3、对模具材料要求低。

技术核心：

粘结剂是MIM技术的核心，只有加入一定量的粘结剂，才能使粉末具有增强的流动性，适合注射成型，并保持块体的基本形状。

半固态金属成形

半固态成型：利用非枝晶半固态金属（Semi-SolidMetals，简称SSM）独特的流变和熔化特性来控制铸件的质量。

半固态成型可分为流变成型和触变成形成型。

（1）流变成型

流变铸造工艺

（2）触变成形

技术特点：

1.减少液态成型缺陷，大幅提高质量和可靠性；

2、成型温度比全液成型温度低，大大减少了对模具的热冲击；

3.能够生产传统液态成型方法无法生产的合金；

应用：

它已成功应用于主缸、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的制造，以及航空、电子和消费产品领域。

3D 打印

3D打印：是快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，利用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体的技术。

3D打印技术对比：