第3部分 材料成型方法简介

材料成型的方法有很多种，主要包括金属液态成型、金属塑性成型、连接成型、粉末冶金成型及非金属材料成型等。

课堂讲解——材料成型技术

课时区间1：金属液态成型

金属液态成型（铸造）：将液态金属在重力或外力的作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件。金属液态成形的优点：

● 适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）。

● 最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等。

● 成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）。

存在的主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，铸件力学性能，特别是冲击性能较低，如图1-1所示为砂型铸造工艺流程图。

连接盘零件的铸造过程如图1-2所示。

课时区间2：金属塑性成型

金属塑性成型：在外力的作用下，金属材料通过塑性变形成为具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯。

金属塑性成型的特点：

● 可改善金属的组织并提高其力学性能。

● 材料的利用率高。

● 较高的生产率。

● 毛坯或零件的精度较高。

材料：钢和非铁金属可以在冷态或热态下压力加工。

用途：承受冲击或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等），都应采用锻件毛坯加工。所以压力加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到了广泛的应用。例如，飞机上的塑性成型零件的质量分数占85%；汽车、拖拉机上的锻件质量分数约占60%～80%。

金属塑性成型的缺点：不能加工脆性材料（如铸铁）和形状特别复杂（特别是内腔形状复杂）或体积特别大的零件或毛坯。

金属塑性成型在工业生产中称为压力加工，分为自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制等。它们的成型方式如图1-3所示。

课时区间3：连接成型

常见的连接成型工艺包括焊接、胶接和机械连接等。

焊接通常是指金属的焊接，是通过加热或加压，或两者同时并用，使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成型方法。焊接技术在机器制造、造船工业、建筑工程、电力设备生产、航空及航天工业等领域应用十分广泛。

焊接生产的特点：

● 节省金属材料，结构重量轻。

● 以小拼大、化大为小，制造重型、复杂的机器零部件，简化铸造、锻造及切削加工工艺，获得最佳技术经济效果。

● 焊接接头具有良好的力学性能和密封性。

● 能够制造双金属结构，使材料的性能得到充分利用。

焊接生产的不足：焊接结构不可拆卸，给维修带来不便；焊接结构中会存在焊接应力和变形；焊接接头的组织性能往往不均匀，并会产生焊接缺陷等。

电焊的焊接过程如图1-4所示。

胶接技术使用胶粘剂来连接各种材料。与其他连接方法相比，胶接不受材料类型的限制，能够实现各种材料间的连接，而且具有工艺简单、应力分布均匀、密封性好、防腐节能等特点，已被广泛应用到现代化生产的各个领域。胶接的主要缺点是固化时间长，胶粘剂易老化，耐热性差。

机械连接中有螺纹连接、销钉连接、键连接和铆钉连接，其中铆钉连接为不可拆连接，其余均为可拆连接。机械连接所采用的连接件一般为标准件，具有良好的互换性，选用方便，工作可靠，易于检修；其不足之处是增加了机械加工工序，结构重量大，密封性差，成本较高。

课时区间4：粉末冶金成型

粉末冶金成型是采用成型和烧结等工序，将金属粉末或金属与非金属粉末的混合物制成金属制品的工艺技术。由于粉末冶金的生产工艺与陶瓷的生产工艺在形式上类似，因此其工艺方法又被称为金属陶瓷法。粉末冶金工艺的基本工序是：

（1）原料粉末的制取和准备。粉末可以是纯金属或其合金、非金属、金属与非金属的混合物及其他各种化合物等。

（2）将金属粉末及各种添加剂均匀混合后制成所需形状的坯块。

（3）将坯块在物料主要组元熔点以下的温度下进行烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。

粉末冶金成型的工艺过程如图1-5所示。

粉末冶金成型方法与金属液态成型方法相比，其优点主要是：

● 可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点。用粉末冶金法生产零件制品时，金属的总损耗只有1%～5%。

● 材料某些独特的性能或者显微组织只能用粉末冶金方法来实现。例如，多孔材料、氧化物弥散强化合金、硬质合金等。另外，可用来制取高纯度的材料，而不给材料带来污染。

● 一些活性金属、高熔点金属制品用其他工艺成型是十分困难的。这些材料在普通工艺过程中，随着温度的升高，材料的显微组织及结构受到明显的损害，而粉末冶金工艺却可避免。

课时区间5：非金属材料成型

非金属成型是指对金属以外的材料进行成型的方法。其成型材料主要包括塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等。非金属材料成型特点是：可以是流态成形，也可以是固态成形；可以制成形状复杂的零件。

塑料除了用注塑、挤塑、压塑、吹塑成型，还可以用浇注和粘接等方法成型。

● 注塑成型：也称注塑，是热塑性塑料成型的重要方法。它是将粒状或粉状塑料加入到注射机的料筒中，经加热熔化呈流动状态，然后在注射机的柱塞或螺杆快速而又连续的压力下，从料筒前端的喷嘴中以很高的速度注入到闭合的模具中，并充满模腔，随后经冷却或加热（热固性塑料）固化后，开模得到制品。注塑成型原理如图1-6所示。

● 挤塑成型：也叫挤出成型，是使加热或未经加热的塑料，在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定端面形状的连续型材，如管材、板材、薄膜和中空制品等。挤塑成型设备主要是挤出机和挤出模具，如图1-7所示为单螺杆式挤出机。

● 压缩成型：压缩成型是将粉状、粒状或纤维状的塑料放入加热的模具型腔中，然后合模加压使其成型固化，最后脱模成为制品的成型方法，如图1-8所示为热固性塑料压缩成型工艺过程。

● 吹塑成型：吹塑是用压缩空气使进入型腔的塑料型胚膨胀形成中空制品的方法。具体地说，就是通过将挤出或注射的管胚或型胚，趁热于半熔融的类橡胶状态时置于各种形状的模具中，并及时在管胚或型胚中通入压缩空气将其吹胀，使其紧贴于型腔壁上成型，经冷却脱模后，即可得到中空制品，如图1-9所示为注射吹塑成型工艺过程。

● 橡胶成型：橡胶成型就是将混炼胶制成所需形状、尺寸和性能的过程，是橡胶半成品的成型过程。常用的橡胶成型方法有压延成型、注射成型、模压成型等。

● 陶瓷成型：陶瓷可以用注浆成型，也可用注射、压注等方法成型，如图1-10所示为实心的陶瓷注浆成型过程。

非金属材料的成型通常是在温度较低的情况下，成型工艺较简便。非金属材料的成型一般要与材料的生产工艺相结合。例如，陶瓷应先成型再烧结，复合材料常常是将固态的增强料与呈流态的基料同时成型。