1、第十二章第十二章 其他金属体积成形方法简介其他金属体积成形方法简介第一节 型材及零件体积成形技术第二节 特种成形工艺第三节 快速原型制造技术简介第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形1.拉拔概述图12-1拉拔示意图在外加拉力作用下，迫使金属坯料通过模孔后减小直径或横截面积，获得一定形状尺寸制品的成形方法称为拉拔，如图12-1所示。拉拔是制造棒材、管材、线材及各种型材的重要成形方法之一。利用拉拔可拉制各种金属制品，如图12-2所示。图12-2金属拉拔制品第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形2.拉拔工艺(1)实心拉拔实心拉拔如图12
2、-1所示，主要用于棒材、线材及型材拉拔。拉制棒料可有多种截面形状，如圆形、方形、矩形及六角形等；线材拉拔也称拉丝，用于拉制各种金属丝、线以及电工用漆包线等；型材拉拔主要生产各种特殊截面的异形型材。图12-1拉拔示意图第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形(2)空心拉拔空心拉拔用于生产管材及各种空心异形截面的型材，如图12-3所示，根据使用芯棒不同，有多种拉拔工艺。1)空拉。拉拔时管坯内部不放芯头，仅靠凹模口约束使管坯外径减小的工艺方法称为空拉，如图12-3a所示。2)固定芯头拉拔。固定芯头拉拔是指利用带芯杆的短芯头进行的拉拔，如图12-3b所示。图12-3空心拉
3、拔第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形3)长芯棒拉拔。长芯棒实际上是一种浮动芯头拉拔，如图12-3c所示。4)浮动芯头拉拔。如图12-3d所示，浮动芯头拉拔时，利用芯头自身外轮廓形状与管内壁的摩擦而稳定在凹模口处实现管坯减径成形。5)扩径拉拔。将连接有扩径芯头的芯杆从固定小直径管坯的后端插入，然后向前方拉动芯杆，利用扩径芯头外轮廓使管坯直径增大，壁厚和长度减小，如图12-4所示。图12-4扩径拉拔第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形6)顶管法。如图12-5所示，顶管法是指将小直径芯棒插入带底大直径管坯中，利用芯棒将管坯从凹模口
4、一侧顶出实现减径变形，常用于改制小直径管。图12-5顶管法第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形3.拉拔工艺的特点1)拉拔过程中，金属在拉拔模内产生塑性变形。通过模口后坯料的截面形状和尺寸与模口及芯棒相同。2)拉拔制件的形状尺寸与毛坯相差较大，为减小变形量，通常需多道次成形。3)拉拔制件的尺寸精度高且表面光洁，生产工具与设备简单，在一台设备上可以生产多品种和规格的制品，适合于连续生产细长的棒材、型材及线材。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形4.拉拔力拉拔力是选择模具材料、结构及设备等的重要工艺参数，其大小受诸多因素的影响。1)
5、变形材料的力学性能。拉拔力一般与变形金属的抗拉强度成线性关系，材料的强度、硬度越高，所需拉拔力也就越大。2)变形程度的影响。拉拔力与金属变形程度成正比，即随坯料断面收缩率增加而增大。3)凹模倾角的影响。一般拉拔模倾角(见图12-1)在49范围内时，拉拔应力随增加而减小。但当9以后，拉拔应力随增大而增大，其间存在一个最佳模角。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术一、拉拔成形4)拉拔速度的影响。通常，低速拉拔(v5m/min)时，拉拔应力随v增加而增大。6m/minv1。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-10工字钢的轧制成形使金属坯
6、料靠摩擦力咬入相互作用的轧辊之间，利用旋转轧辊的压力作用使其产生连续变形，获得所需截面形状尺寸的制品并改变其性能的塑性加工方法称为轧制。图12-10所示为在万能轧机上进行的工字钢轧制成形。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形(1)轧制成形的特点轧制最本质的变形特点是金属在变形区内产生连续性变形，一般用于制造如图12-11所示各种金属型材、板材及管材等，通常称为一次塑性成形。图12-11轧制的金属型材第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-12轧制的机械零件近年来，轧制工艺正在逐步向零件加工方向发展，轧制如图12-12所示各
7、种形状尺寸的机械零件。轧制零件具有精度高、质量好、生产率高及成本低等优点，并可减少材料消耗。因此，在机械制造领域中获得了越来越广泛的应用。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-13纵轧与横轧(2)轧制工艺分类根据轧辊轴线与坯料轴线的位置关系及轧辊的旋转方向，可将轧制分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧等。轧制成形原理如图12-13所示。纵轧时，轧辊轴线与坯料轴线垂直，两轧辊的旋转方向相反，坯料不旋转，仅作直线运动，产生连续拔长和少量展宽变形；横轧时，轧辊轴线与坯料轴线平行，两轧辊旋向相同，坯料旋转过程中在垂直于轧辊轴线方向上进给，通常用于零件轧制。第一节第一节
8、型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形2.轧制工艺(1)纵轧纵轧的工艺方法较多，主要有型轧、辊轧及环轧轧制等。1)型轧型轧主要用于各种金属型材的轧制成形。如图12-14所示的圆钢、方钢、板材及各种型材等，都属于型轧的工艺范畴。图12-14型材轧制第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-15辊锻顺向送料成形2)辊轧辊轧也称辊锻。辊锻是使坯料咬入一对相对旋转的轧辊上所装有扇形模具的间隙中，利用模具传递压力使其产生变形，从而获得所需零件的锻造方法，如图12-15所示。辊锻原理与轧钢相似，不同之处在于轧制型材时的型槽直接做在轧辊上，而辊锻是将扇形
9、锻模紧固在轧辊上，且可随时更换。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形 辊锻的工艺特点一般锻模的工作行程是直线运动，辊锻模工作做旋转运动；辊锻锻模只与坯料的一部分相接触，所需设备吨位小；辊锻空行程短，生产率是锤上模锻的510倍；辊锻的纤维方向按锻件轮廓分布，力学性能好，辊制螺纹比切削螺纹提高抗拉强度10%25%、疲劳强度40%、冲击强度100%；辊锻时，模具与坯料滚动接触，磨损小、使用寿命长。但辊锻时没有封闭型腔来全面控制金属变形，导致成形制件的尺寸精度和表面质量相对较差。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-15辊锻顺向
10、送料成形 坯料咬入及送料方式图12-16辊锻逆向送料成形辊锻通常有顺向和逆向两种坯料进给方式。顺向送料时，坯料沿轧辊旋转方向送进，端部被锻模咬入，如图12-15所示。逆送是指坯料逆着轧辊旋转方向送进，即将坯料置于没有锻模的两轧辊之间，被旋转的扇形锻模从中间某一部位咬入，如图12-16所示。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形 辊锻模a.制坯辊锻模与模锻制坯型腔设计方法类似，首先根据锻件图绘制出锻件截面图和计算毛坯图，然后确定辊锻道次。此时，按辊锻毛坯最大截面尺寸选取坯料尺寸，然后根据辊锻前、后的截面面积A0和An算出总延伸系数z=A0/An。设平均延伸系数m(
11、常取1.41.6)，则辊锻道次n按下式计算zmlglgn第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-17辊锻模型槽尺寸辊锻模型槽如图12-17所示，辊锻时，上、下辊模之间应留有s=13mm的间隙，坯料在锻辊半径方向压缩而沿长度方向流动，产生的展宽变形量可按b=(0.30.5)(H入-H出)近似估算，高温辊锻时取较大系数。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形b.成形辊锻模设计成形辊锻模时，首先确定辊锻道次，每道次延伸系数比制坯辊锻略大，一般取1.52.5。分别按热锻件图或热辊锻件图设计终锻型槽或初成形型槽，同时需考虑坯料体积分配
12、、成形辊锻的对中性和稳定性、填充相邻区段形状和尺寸的差异性、送料稳定性等。辊锻是旋转成形，金属产生连续静压变形，一般辊锻模采用45钢即可满足使用要求，型槽表面热处理硬度4550HRC，其余部位可略低。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-18辊锻成形产品 辊锻的应用从制件形状来看，辊锻主要适用于三类制件的成形加工。宽厚比和长宽比相对较大的盘类零件，如扳手、犁铧等；沿长度方向横截面积递减的锻件，如叶片等；此外，比较成熟的是辊锻杆类零件，如柴油机连杆、拖拉机连杆等，已经形成制坯及零件的批量生产，部分产品如图12-18所示。第一节第一节 型材及零件体积成形技术
13、型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-19辗环加工3)环轧环轧也称辗环、碾压或扩孔，是利用辗辊的转动压力扩大环形坯料的内径和外径的加工方法，如图12-19所示。环轧工艺分类按照环轧时的坯料变形方向，可将其分为径向环轧和径-轴向环轧两种类型。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形 环轧工艺特点环轧加工时，坯料产生局部连续变形，流线分布合理，变形区处于芯辊与轧辊之间；环轧制件精度高；环轧制件的尺寸和生产批量几乎不受限制；材料耗费率仅为机械加工的1/21/8，制造费用可减少60%；环轧加工劳动条件好，无噪声、振动，易于实现机械化自动化。第一节第一节 型材及零件体积
14、成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形 环轧工艺过程环轧通常是在坯料加热状态下进行。工作时，主动辊(碾压辊)转向与信号辊和导向辊转向相同，与从动辊(芯辊)转向相反。碾压辊在电动机带动下旋转并下压，接触环坯后带动芯辊反向旋转，使环坯切向伸长，轴向略有增宽，主变形是环壁减薄，内、外径增大。导向辊随环坯外径增大而向外移动，诱导环坯保持圆形并防止其中心位置左右摆动，增加成形稳定性。环轧件的形状尺寸精度由碾压辊、导向辊及信号辊的位置精度保证。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-20卧式环轧机上双向环轧 环轧方式径向环轧时，环坯上、下端面呈自由变形状态，变形结
15、束后上、下端面易形成凸起或凹陷。因此，常采用图12-20所示双向(径-轴向)环轧工艺。即在径向环轧的基础上，增设一对工作表面与主碾压辊和芯辊的旋转轴相垂直的轴向轧辊。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形 环轧工艺应用环轧适用于任何可锻金属环形零件的成形，常用材料包括碳钢、合金钢、铜及难成形的钛合金等。无缝环轧件的应用包括抗磨轴承环、齿轮轴、火车轮轴承及航空发动机转动环和静止环，还可用于环轧核反应堆环形零件及阀体等。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形(2)横轧横轧使坯料咬入一对位置确定且反向旋转的轧辊中，轧辊外缘具有与待成形制
16、件形状相同的型槽，对辗过程中向坯料施加径向压力使其逐渐被压入型槽内，形成一定形状尺寸的制件。横轧主要用于加工回转体零件，如图12-21a所示齿轮横轧。图12-21横轧第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形图12-21横轧图12-21b所示为内回转楔形模横轧，使轧坯在同心布置的固定外模与回转内模之间受到回转内模的自转辗压，轧坯产生自转的同时绕轧辊中心公转，最终被轧制成形。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形(3)斜轧斜轧也称螺旋斜轧，是制造变截面零件的轧制工艺。斜轧时，倾斜配置一对轧辊同向旋转，轧坯在轧辊转动力作用下反向旋转并作轴
17、向移动，即产生螺旋运动使其径向压缩轴向伸长。根据轧制零件的形状特点，通常可分斜轧回转体和斜轧螺旋体。螺旋体斜轧时，轧坯轴向与轧辊轴向倾斜一个角度，轧辊旋转的垂直速度使轧坯作旋转运动，而其水平速度推动轧坯轴向进给，逐渐轧出齿纹或螺纹。第一节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形回转体斜轧时，轧坯在轧辊周向旋转带动及随螺旋孔型推动下产生轴向进给，同时在轧辊辗压作用下绕其自身轴线反向转动，被挤入轧辊型槽内时形成制件形状。图12-22所示为螺旋斜轧钢球的工艺过程。斜轧适合于轧制形状呈周期性变化的毛坯或零件，如钢球、滚柱、轴承内圈、翅片管及麻花钻等。图12-22螺旋斜轧钢球第一
18、节第一节 型材及零件体积成形技术型材及零件体积成形技术二、轧制成形(4)楔横轧楔横轧与横轧相似，但楔横轧的轧辊上装有带楔形的模具。成形时，坯料在两个作相向平面运动的平板楔形模或在两个同向旋转的圆弧楔形模之间被横向轧制，受楔角辗压作用而直径减小，长度增加。如图12-23所示，利用楔横轧可以轧制各种轴类、特别是阶梯轴或变截面轴类零件。楔横轧是一种高效金属成形方法，具有产品精度高、工作载荷小、设备质量轻及生产率高等优点。图12-23楔横轧第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形1.粉末冶金概述(1)粉末冶金的特点1)制取多组元材料2)制取硬质合金和难熔合金3)制取特种材料及零件4)成形
19、制件精度高性能好第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形(2)粉末冶金的应用1)粉末合金材料利用粉末冶金制成常规材料制备工艺所不能生产的特殊材料，如烧结硬质合金、磁性材料、多孔材料等。2)粉末冶金零件如图12-24所示，利用粉末冶金工艺制成滑动轴承、铜基或铁基含油轴承及轴承套等减摩零件，可实现自润滑。图12-24粉末冶金产品第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形工业部门粉末冶金产品的用例汽车及拖拉机制造工业凸轮、轴承衬、油泵齿轮、气门套管、制动片、活塞环、含油轴承、垫圈、摩擦离合器片一般机械制造工业硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼刀片、滤油器、含油轴承、衬套、滚轮、
20、拨叉、齿轮、模具、量具、刀具电机、电器制造工业碳刷、磁极、触点、衬套、真空电极材料、磁性材料军事工业穿甲弹头、多孔炮弹箍、军械零件宇航工业耐热材料、固体燃料、火箭与宇航零件办公用具工业偏心轴、调整垫圈、齿条导板、小型轴承表12-1粉末冶金产品的用途示例第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形2.粉末冶金制品的结构工艺性由于金属粉末的流动性不好，特殊形状的制件不宜模压成形。另外，压制时比压较大，模具薄弱部位易损坏。因此，要求制件结构尽可能简单，便于压制及脱模。一般，制件长径比应小于3；阶梯圆柱形制件，各级直径差不宜大于3mm；制件形状应避免尖角，圆角半径不小于0.5mm；避免狭长槽
21、和细长臂，制件上的孔、槽不应垂直于压制方向。表12-2所示为改善粉末充填模腔条件的压坯设计示例。表12-2改善粉末充填模腔状况的压坯示例不适当的压坯形状经修改后的压坯形状图例不适当部位的说明图例修改要点粉末不易装均匀，压坯密度不均匀，烧结时易变形用加厚薄壁的方法减少壁厚差，便于装粉压制，压坯密度较均匀，烧结时可减少变形壁厚急剧变化，装粉不均匀，压坯密度不均匀，易损坏，烧结时易变形适当加厚薄壁部分，减少壁厚的急剧变化，有利于装粉、压制、脱模、烧结时可减少变形倒锥度一般是不可压制的，也不便脱模把倒锥度填补起来，烧结后用机加工方法做出倒锥度当法兰和主体分界处的转角为尖角时，不利于粉末充填和流动，压制
22、时易产生应力集中，易开裂把转角做成r0.25mm的圆角，便于粉末充填和流动，压制时可避免应力集中和开裂第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形3.粉末冶金成形工艺过程粉末冶金成形工艺如图12-25所示，大部分粉末冶金制品经压制烧结后即可作为成品使用，部分零件要求的力学性能较高，还需锻造成形。因此，通常分为粉末压制成形和粉末锻造成形两部分。图12-25粉末冶金成形工艺过程第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形图12-26典型粉末(1)粉末压制成形过程1)制粉在物料准备阶段将粉末退火，消除表面氧化物和吸附气体及其加工硬化现象，然后进行筛粉。典型粉末如图12-26所示。
23、2)混、配料混料是按照配比计算结果将各种化学组元混合成均匀的混合物，还需加入相应的添加剂等，然后再制粒、烘干、过筛。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形图12-27模压成形示意图3)压制压制是给封闭模具型腔内的松散粉末加压，使之产生塑性变形并压合成压坯或零件的工艺过程。常温压制包括钢模冷压、静液压制、等静压制、注射成形、粉末轧制、粉末挤压及粉末锻造。有时为提高压制质量还可加温压制，如温压、热锻、热挤压、热等静压等。普通模压成形普通模压成形如图12-27所示，即将粉料装入钢制模内加压成形。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形压制过程中，粉末之间及其与模壁之间存
24、在摩擦，导致压坯各部位密度和强度分布不均，如图12-28a所示。为提高压坯密度的均匀性，可采用如图12-28b所示的双向压制工艺。图12-28模压坯的密度分布第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形 静液压制静液压制是将粉末装入置于耐高压钢制密封容器中有弹性的橡胶、塑料囊或金属毂体等模套内，通入高压流体使静压力直接作用在弹性模套内的粉末体上，粉末均衡受压可获得密度均匀和强度较高的压坯，压制质量优于普通钢模压制。等静压分为冷、热等静压两种工艺。冷等静压通常采用油或水为压力介质。热等静压使用氩气等气体作为压力介质，在加热状态可一次性实现成形和烧结。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工
25、艺一、粉末冶金成形 注射成形将金属粉末与粘接剂的混合料注射到模腔内，成形与脱粘(排除粘接剂)后再进行烧结，所获得制件的性能接近于铸件。其优势之一是能够控制烧结收缩，公差可保持在名义尺寸的(0.30.5)%。另外，注射成形零件的孔隙度低，密度大于96%的金属理论密度。粉末轧制成形使具有可塑性、成形性和流动性的粉末从轧机的漏斗中漏下，粉末因其与轧辊及其自身摩擦而不断咬入旋转的轧辊型腔中被辗压成带坯，如图12-29所示。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形图12-29粉末轧制过程示意图图12-30粉末热挤压成形示意图 挤压成形挤压成形是使挤压模内的粉末或压坯在压力作用下，通过挤压嘴
26、挤成坯块或制品的成形方法，如图12-30所示。可分为冷挤压和热挤压。前者需在粉末中添加一定量的有机粘结剂，以提高可塑性和坯块强度。热挤压则是把粉末或压坯装入包套内加热，在较高温度下带着包套一起挤压成形。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形4)烧结烧结的目的是进一步提高压坯的强度和密度或获得各种特殊性能。不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结方法粉末烧结中主要有填料保护烧结、气体保护烧结、真空烧结、加压烧结、浸渗烧结等。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形 烧结时间及烧结温度一般等温烧结可分为三个阶段。黏结阶段，晶粒基本不发生变化，整个烧结体还未
27、产生收缩；烧结颈长大阶段，原子向颗粒结合面迁移使烧结颈扩大，颗粒间距缩小，随着晶粒长大，烧结体收缩密度和强度增加，如图12-31b所示。当烧结体密度达到90%以后，多数孔隙形成图12-31c、d所示接近于圆形的封闭孔隙，通常将这一阶段称为闭孔隙球化和缩小阶段。图12-31球形颗粒的烧结模型第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形 烧结设备烧结炉的种类有很多。按照加热方式，可分为燃料加热炉和电加热炉。按作业的连续性，还可分为间歇式烧结炉和连续式烧结炉两种。烧结炉应保证炉内温度准确和温度分布均匀。烧结时需适当调节压坯移动速度和烧结盒的数量。烧结炉结构要求密封性好，应能将保护气体与发热
28、体隔离，以免保护气体散逸，保证炉内气体纯度。5)后处理制品烧结后的处理主要有整形、复压、浸渍、浸金属、机加工、热处理、浸油、浸塑及电镀等。关于后处理方式，通常需根据产品要求来确定。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形(2)粉末锻造工艺及模具1)粉末锻造工艺粉末锻造是将金属粉末压制成形，之后进行烧结、加热至锻造温度后进行挤压或模锻(无飞边模锻)以制成锻件的加工方法。粉末锻造工艺流程的前序与传统粉末冶金工艺相同，后序通常有三种工艺方法：粉末锻造、烧结锻造、锻造烧结。锻造过程中，采用压缩空气和胶体石墨对模具进行冷却润滑。良好润滑有利于克服粉锻件表面低密度层的形成。第二节第二节 特种
29、成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形2)粉末锻造模具粉末锻造用模具与精锻模具相似，通常采用单型腔模锻。图12-32所示为粉末锻造模具的典型结构。为平衡压坯径向变形胀力，采用预应力圈组合凹模结构，整体浮动式下凸模可便于锻件脱模。图12-32粉末锻造模具基本结构第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺一、粉末冶金成形图12-33行星齿轮粉末锻造模具粉末锻造也可在热模锻压力机、摩擦压力机或高速锤上完成。图12-33所示为用于摩擦压力机的汽车行星齿轮粉锻模结构。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺二、摆动碾压成形摆动辗压是利用曲面辗压模绕轴心转动，使坯料产生连续性局部压缩变形，制造轴对称盘形零件的一种
30、塑性成形方法，通常称作摆辗。图12-34所示为利用摆辗制造的金属零件。图12-34摆动辗压产品第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺二、摆动碾压成形1.摆辗工艺特点摆辗的最主要特点是使坯料产生连续性局部变形，是小变形逐步积累的塑性成形方法。摆辗时坯料与模具型面的接触面积很小，且由于摩擦约束小，加工极限可提高10%20%，并且所需设备吨位小。金属经冷辗后产生显著的冷作硬化，可使制件强度硬度大为提高。据资料介绍，摆辗过程中辗沟的显微硬度比车沟高1.9倍。冷摆辗推力轴承套圈等环类零件，较磨削套圈的使用寿命高2倍以上。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺二、摆动碾压成形图12-35摆动辗压工作原理2
31、.摆辗成形过程如图12-35所示，摆头轴线与机床主轴线有一夹角，称为摆角，当摆头带动辗压凸模绕轴心摆动时，向置于下凹模上的坯料施加压力，随着摆头的往复滚动辗压，坯料上表面逐渐被辗压成具有与辗压模母线形状相同中心射线的形状。摆辗时，在辗压凸模摆动压力作用下，局部变形区沿锻坯周向移动，呈螺旋面逐渐扩展并改变整个锻坯形状。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺二、摆动碾压成形如图12-36所示，利用摆头母线与凹模形状的不同组合，可以实现摆辗镦挤、摆辗反挤、辗扩反挤和正、反辗挤等复合成形。为降低流动摩擦，摆辗模工作表面的表面粗糙度值应较低，必要时可进行润滑。图12-36复合摆辗成形第二节第二节 特种成
32、形工艺特种成形工艺二、摆动碾压成形3.摆辗模具根据所用摆辗机类型，可将摆辗模分为立式摆辗机用模具和卧式摆辗机用模具两种，一般短轴类和盘类零件通常采用立式摆辗。图12-37所示为立式摆辗镦粗-反挤模结构。将凸台置于摆动凸模侧，曲面形状在固定凹模内成形，并利用下顶杆辅助锻后脱模。图12-37立式摆辗模结构第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺二、摆动碾压成形图12-38卧式摆辗模结构对于带法兰的长轴类锻件，可采用如图12-38所示用于卧式摆辗机的模具结构。与平锻模结构相似，模具由凸模、活动凹模和固定凹模三部分组成。摆动凸模由压紧圈和螺钉紧固在摆头上。活动凹模和固定凹模分别紧固在夹紧滑块和工作台上，
33、两部分组成一个完整的凹模，锻后可纵向开模脱件。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺三、径向锻造及多向模锻1.径向锻造径向锻造的变形方式类似于拔长，主要用于锻造长轴或具有复杂内表面形状的空心类零件，属于旋转锻造。(1)径向锻造的加工原理径向锻造是指利用分布于坯料横截面周围的两个或多个锤头反复径向锻击，减小坯料横截面积或改变其断面形状的锻造方法，如图12-39所示。图12-39径向锻造加工原理径向锻造的方式有三种：锤头旋转、坯料回转和非回转式径向锻造第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺三、径向锻造及多向模锻(2)径向锻造的工艺特点1)径向锻造有效提高了轴向延伸效率，提高了金属塑性，可用于塑性较
34、差金属的锻造成形。2)径向锻造时金属的变形量及其移动体积小，相对减小了锻造变形功，可降低设备吨位。3)径向锻造类似脉冲加载，尽管每次锻击变形量小，但锻击频率高，因而仍然具有较高的生产效率。4)锤头形状简单，便于更换产品，具有较强的工艺适应性。5)径向锻造的零件尺寸精度高，表面质量好。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺三、径向锻造及多向模锻图12-40四锤头径向锻造机锻造阶梯轴径向锻造可采用冷锻、热锻和温锻三种工艺方式，其中，冷锻可强化锻件表面，提高尺寸精度和表面质量。径向锻造通常可在滚柱式旋转锻造机、曲柄连杆径向锻造机、曲柄摇杆旋转锻造机和液压万能锻造机上实现。图12-40所示为四锤头径向
35、锻造机锻造阶梯轴。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺三、径向锻造及多向模锻(3)径向锻造的应用径向锻造已被广泛应用于各种机床、汽车、飞机制造等行业中。它的主要产品是实心阶梯轴、空心轴、各种形状横截面的杆类零件及带膛线的枪管和炮管等，还可用于锻造各种气瓶、筒形件缩颈等。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺三、径向锻造及多向模锻图12-41多向模锻成形过程2.多向模锻多向模锻通常在多向模锻水压机或机械压力机上进行，是通过模具在垂直和水平两个方向上同时或依次对金属进行挤压锻造的成形方法。(1)多向模锻工艺过程图12-41所示为多向模锻成形过程。图12-41a所示为上模下行对置于下模的坯料进行挤
36、压锻造；上、下模处于闭合状态时，水平冲头横向压入，如图12-41b所示；锻件成形后，水平冲头退出后上模返程，开模取件，如图12-41c所示。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺三、径向锻造及多向模锻(2)多向模锻的工艺特点1)金属在模具闭合的三向压应力状态下挤压变形，使塑性大为提高，有利于低塑性合金锻造成形。2)锻模可有多个分型面，使坯料在任意水平方向上变形，适合于锻造带有横、纵孔形的复杂锻件，简化锻造工艺并减少热锻火次，提高生产效率并降低生产成本。3)金属在封闭模具内变形，避免锻件的金属流线终端外露，提高锻件力学性能及抗表面腐蚀性能。多向模锻要求下料精确，要求设备具有较好的刚性、精度和足够
37、的吨位，以增大合模力。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺三、径向锻造及多向模锻(3)多向模锻的应用多向模锻可用来锻造其他成形方法难以生产的复杂锻件，特别适合于锻造带有多向形状的中空零件，如管接头、各种锻造阀体以及凿岩机缸体等。对于一些难成形金属制品，也正在或已经开发出多向模锻工艺，如飞机起落架、发动机机匣及各种盘轴组合锻件等。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺四、半固态成形及液态模锻简介1.半固态成形半固态成形是指金属或合金处于液-固相交汇区间时，将其以很小的外力压入模具型腔中，进行常规压铸、挤压或锻造的一种新型成形方法。(1)半固态金属制坯金属由液态向固态转化的结晶过程中，强烈搅拌可
38、打碎树枝晶网架，使分散的粒状组织悬浮于液相中。因此，可以采用机械搅拌、电磁搅拌或应变诱发熔化激活法来制备上述粒状组织。图12-42所示为螺旋式金属搅拌器的结构简图。图12-42螺旋式金属搅拌器第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺四、半固态成形及液态模锻简介(2)成形方法及应用半固态成形主要有流变铸造、触变铸造和注射成形三种方法。流变铸造是指在一定固相成分时，将经过搅拌后的半固态金属浆液直接压铸或挤压的成形方法；触变铸造是将经过预成形或特殊制备的非枝晶组织锭坯重新加热到液固转化区，达到适当黏度时进行压铸或挤压成形；注射成形是使熔融金属液冷却至适当温度，然后直接压射入模具中使之成形的方法。第二节
39、第二节 特种成形工艺特种成形工艺四、半固态成形及液态模锻简介2.液态模锻液态模锻是对液态金属进行模锻的铸、锻组合工艺。(1)液态模锻的工艺特点 液态模锻金属的组织和性能得到改善，锻件表层晶粒细密。其结晶组织和力学性能比压铸件好，甚至可以超过轧制件。与普通锻造相比，液态模锻提高了金属充型性，容易获得轮廓清晰、尺寸精度和表面精度都较高的复杂锻件。液态模锻兼有铸造工艺简单、成本低，又有锻造产品性能好、质量可靠的优点。液态模锻的金属凝固时间短，成形时的压力低，生产效率高，能源消耗低。第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺四、半固态成形及液态模锻简介(2)液态模锻工艺及其应用液态模锻通常需要经过原材料配
40、制、熔炼、浇注、加压成形、保压凝固及锻后处理等工艺流程。如图12-43所示，液态模锻时，先将熔融金属液注入锻模型腔内，处于液相与固相混合状态下施加压力使其充满型腔。图12-43液态模锻工艺过程第二节第二节 特种成形工艺特种成形工艺四、半固态成形及液态模锻简介对熔点不高的有色金属及其合金，采用液态模锻效果比较显著。黑色金属及其合金的液态模锻，因模具使用寿命低而受到一定限制。液态模锻主要适用于高温下塑性较好的金属材料，特别是有色金属及其合金，包括铸造合金，甚至有些变形合金的液态模锻也已经开始应用。液态模锻主要适用于锻造各种形状复杂、尺寸精度要求较高的金属零件，如炮弹引信、波导管弯头、油泵壳体等有色
41、合金零件以及缸体等铁碳合金零件。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介图12-44快速原型产品快速原型制造是计算机技术、激光技术、材料科学与工程的技术集成，直接将计算机设计数据快速转化为实物，从而实现对产品进行快速评估、修改设计、工装准备并进行投产。快速原型制造技术已经广泛应用于快速模型制造、快速模具制造和快速功能零件制造等领域。图12-44所示为利用快速原型技术制作的产品。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介它将在计算机上设计的零件三维模型，进行网格化处理和分层处理，通过成型软件获得所分各层截面的二维轮廓数据信息，并自动生成加工路径，
42、控制成型头有选择性地固化、切割、喷涂或烧结一层层材料，从而形成零件各不同截面并逐步叠加成三维原型，再进行相应的后处理获得最终零件。快速原型制造的工艺过程如图12-45所示。图12-45快速原型技术原理第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介1.快速原型制造工艺过程进行快速原型制造生产，首先需要在三维CAD造型系统中完成产品原型的设计，即三维建模。然后对模型所具有的一些不规则自由曲面进行近似处理。根据产品模型的结构特征选择合适的加工方向，在该方向上对模型进行分层处理。然后利用相应控制软件指令快速原型制造机床的成型头，根据分层处理后的各截面轮廓信息作扫描运动，
43、在工作台上逐层地堆积并粘接材料，形成三维立体零件。最后，对成型后的零件表面进行打磨、抛光、涂挂，或放在加热炉中进行必要的高温烧结，获取具有一定精度和强度的成型产品。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介2.快速原型制造方法及其分类(1)按构型材料分类按构型材料分类，可将快速原型制造分为液态材料固化成型、线材熔融粘接成型、膜材粘接成型以及粉末烧结成型等。(2)按制造工艺原理分类1)立体光刻成型又称光造型，是一种以光敏树脂为构型原材料进行选择性液体固化的成型工艺，其工作原理如图12-46所示。图12-46立体印刷成型工艺原理第三节第三节 快速原型制造技术简介
44、快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介图12-47选择性激光烧结工艺原理2)选择性激光烧结成型加工原理与立体印刷成型类似，主要区别在于所用构型材料的性状不同，有时也称粉末烧结成型，其加工方法如图12-47所示。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介图12-48分层实体制造工艺原理3)分层实体制造如图12-48所示，利用激光束或刀具，按照CAD/CAM分层模型数据将单面涂有热熔胶的纸片、塑料薄膜、金属箔或其他材料的箔带沿轮廓切割成产品的某一层面，再通过加热辊加热加压，使刚切好的一层与下面已切割层粘接在一起。按照这一工艺模式进行反复切割、粘接，最后形成
45、三维实体零件。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介图12-49熔融沉积快速成型原理4)熔融沉积成型如图12-49所示，将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过加热器熔化，使半流动状态的材料流体通过带有微细喷嘴的喷头按CAD/CAM分层数据控制的路径挤压出来，并在指定位置沉积、凝固成一个层面。之后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介图12-50三维印刷成型原理5)三维印刷成型又称三维喷涂粘结成型。如图12-50所示，成型时，首先铺粉或铺基底薄
46、层(如纸张)，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在粉层或薄层上的特定区域，逐层粘结后去除多余材料即可获得所需形状的零件。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介一、快速原型制造方法简介6)其他快速原型制造技术除上述简单介绍的几种较为成熟的快速原型制造技术外，还有一些新型的快速成型技术也在逐渐发展，其中有的技术已经进入实用化阶段，如光掩模成型、直接烧结成型以及直接壳法成型等。此外，还有一些更新快速成型方法正处于开发研究阶段，如直接采用焊接方法制造钢或铝零件，以及利用UT直接从C2H2中提取碳进行堆积成型制造碳素原型件等。第三节第三节 快速原型制造技术简介快速原型制造技术简介二、快速原型技术发展趋势快速原型技术的发展，受到各国制造业的普遍重视，它从成型原理上提出一个全新的思维模式，为制造技术的发展创造了一个新的机遇。现代快速原型制造技术发展的特点是快速自动成型与其他先进设计与制造技术的密切结合。目前，快速原型制造技术正在朝着工业化、产业化方向前进。完善制造工艺、进一步提高成型速度和精度，降低系统价格和运行成本，开发出满足工程需求的新材料和扩大应用领域等都是人们关注的焦点。
