_____浮云____
范文一：先进制造工艺--精密洁净铸造成形工艺.doc
第二讲
1. 精密洁净铸造成形工艺
气化模铸造工艺与设备
概述
气化模铸造按工艺方法主要分为两种:气化模-铡压铸造(EPC-V法)和气化模-精铸-负压复合铸造(EPC-CS法)。
EPC-V法铸造是气化模-振动计紧实负压工艺。它利用气化模作一次性模型和不含水分、粘结剂及任何其他附加物的干砂造型，浇注和凝固期间铸型保持一定的负压度，由此获得近零起模斜度，可直接铸螺纹及曲折通道，表面光洁、尺寸精确、无飞边的近无余量少加工精密铸件。
EPC-CS法复合铸造是气化模-精铸-振动紧实负压复合铸造工艺。它是用气化模代替蜡融出，将超薄型壳埋入无粘结剂干砂中，采用振动紧实造型，浇注和凝固期间铸型保持一定的负压度，而获得表面光洁、尺寸精确的无余量精密铸件。
气化模铸造是在实型铸造基础上发展起来的。实型铸造由美国H.F.Shoyer发明并于1958年获得专利。后经德国Witmoser等深入研究，1961年进入工业化生产，尤其对冶金矿山、造船和机械用大型、单件、小批量生产的铸件更为适宜，在工业生产中应用实型铸造的国家主要有美、英、法、俄、日、德、和中国等。由于实型铸造采用可消失的聚苯乙烯塑料模，不存在普通砂型铸造从铸型中取出模样的困难，简化了铸造工序，降低劳动强度和成本，提高了生产效率。但实型铸造存在着铸件表面质量差，尺寸精度低，易造成中、低碳钢铸件表面增碳和缺陷，因此限制了该工艺的发展和应用。80年代，工业发达国家，在实型铸造基础上，针对上述问题进行了研究，推出了EPC-V法铸造工艺，引起了铸造界的关注，认为这是铸造行业上的一项突破。福特、通用、菲亚特等汽车公司已开始应用该工艺生产汽车、发动机和涡轮机用铸件，如图28所示。该工艺在欧洲、美洲、日本及中国也等到大力开发和应用。然而，EPC-V法铸造工艺易于在铸件内存在气化残物和造成中、低碳钢铸件表面增碳、增氢缺陷[59]，一般渗碳层深度为0.5,2.5mm，渗碳量(质量分数)在0.01%,0.6%之间，使铝合金铸件的气密性较差，从而限制了EPC-V铸造在生产铸铝、铸钢件中的应用。为此，英国Foseco公司推出了EPC-CS法复合铸造工艺。它是将实型铸造、熔模精铸造不能用于大件以及成本高、工艺复杂的不足，采用负压造型实现了无粘结剂干砂造型，解决了铸钢件增碳问题，提高了铸件质量，消除了污染。为了解决铝合金铸件气密性问题产生了气化
[55]模-低压复合铸造工艺，这些复合铸造工艺继承了气化模铸造的优点也弥补了其不足。
图28 Fiat公司生产的铸件及气化模
综上所述，这种先进的铸造技术充分显示了旺盛的生命力。
气化模铸造技术的特点及应用
气化模铸造是当今新兴的先进铸造技术之一，其特点如下:
1)允许零件的结构设计有更大的自由度。
2)稍除了起模斜度，可最大限度地减少铸件的壁厚，提高铸件的尺寸精度。
3)由于实现无粘结剂干砂造型，使普通铸造法的型、芯砂运输、混制、旧砂处理及回用、制芯、下芯及分箱合型等繁复工序得以消除和减化，显著降低用于这些工序的巨大工作量和高额成本，减少影响铸件质量的人为因素，使铸件成品率和生产率大为提高。其干砂95,以上可以回用而不需处理。
4)落砂和清理铸件的工作量及设备大大减少。
5)可实现砂型铸造无法实现的复杂部件的整体铸造，获得表面光洁、尺寸精确、无飞边的少无余量精密铸件。
由于EPC-V法具有上述优点，在国内外得到广泛的应用，如武汉钢铁公司烧结备件厂建成一条年产8万支炉篦条的简易生产线;沈阳铸造研究所和工厂合作，生产了高铬、低铬铸铁和高铬钢等20多种耐磨铸件，年产量为5000,7000t，铸件综合成本降低13.5,。
在EPC-V法中，由于EPS在高温下分解的产物有一部分裂解碳聚集在铸件表面造成缺陷;铸铁件特别是球铁件表面出现积碳、皱褶等缺陷。使低碳钢、不锈钢铸件表面增碳。为了解决上述问题，美国DOW化学公司在80年代已研究开发出一种专门用于EPC-V法的EPMMA材,59,料，用它制作的气化模当时已在美国通用汽车公司的Saginow中心铸造厂应用，近年又在美国的其他生产厂家及日本、欧洲应用，专门用来生产球墨铸铁或低碳钢、不锈钢的EPC铸件。近年来浙江省化工研究院等也研究了EPMMA。国产的EPMMA气化模使涂料涂挂性好，燃烧及高温分解时基本上无黑烟，残留物少，浇注球铁铸件无积碳、皱皮。
EPS-CS法用的气化模在浇注前已清除，因此从根本上消除了积碳、皱褶、增碳问题，可实现熔模铸造无法铸出的几百千克重的无余量精密铸件。EPS-CS法可用于铸造各种合金大型复杂的精密铸件。沈阳铸造所与沈阳第一阀门厂采用该工艺批量生产了重28kg的不锈钢阀体铸件等。该工艺也存在着EPS原材料质量差，影响铸件表面质量和尺寸精度、模具制作成本高、生产周期长等缺点。
气化模以其独有的先进性、实用性在铸造行业得到广泛应用。我国在研究和应用气化模铸造技术方面已趋成熟并获得成功，但与国外相比，产量和生产规模小，机械化、自动化和专业化程度低，气化模用原材料和涂料质量与国外还有差距，制模技术不配套、不过关。由
此可见，这项新技术需要研究和开发的内容还很多，发展的潜力还很大，这项80年代发展起来的铸造新技术，必将在我国铸造生产中发挥越来越重要的作用。
2. 精密高效塑性成形技术
热精锻生产线成套技术
概述
金属坯料加热到锻造温度采用模锻方法实现精密成形是现休机械零件的重要成形方法之一。机械零件中很多承力件、保安件、传动件采用了热锻成形。汽车的连杆、高速柴油机曲轴、汽车前梁、汽轮机叶片、轴承环等都是热锻的典型件。
蒸汽-空气两用模锻锤曾经是热模锻生产的主要设备，由于能耗大、导向精度不高、又没有顶出装置，因而锻件精度不高。现代大批量生产的企业通常采用热模锻压力机、高能螺旋压力机、电液锤为主要锻造设备。为保证温度的一致性和高的生产率，通常采用感应加热。由于工艺技术提高，设备、模具、润滑条件改进，锻件尺寸精度和复杂程度在本世纪末均有显著提高，如汽车连杆锻件过去重量偏差在7%~8%，现在普遍达到3%~4%;现在曲轴锻件拐颊做到薄而深，满足了现代汽车道行驶速度提高，发动机结构紧凑，出力大的设计要求;新型轿车转向节是一个多枝叉零件，按照其复杂程度计算已经是热锻件的极限。非调质钢在汽车行业中大量应用可以利用锻件余热直接热处理，简化了工艺和设备，有显著节能、节材、节约生产面积的经济效益。工艺模拟和模具CAD/CAM技术的应用，使热锻成形新产品的设计和开发周期显著缩短，锻造机械手、机器人和生产自动化及其配套技术的应用，使热精锻在质量、效率和劳动条件方面有了显著改善。
热精锻生产线成套技术
1(精密热模锻生产线工艺流程设计
精密热模锻生产通常要经过下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、校正或精整等多道工步，。由于锻件形状尺寸和精度要求不同，有些工步可以省去，确定工步的一般原则和普通热模锻生产线相似;工艺流程设计对于正确选择和利用设备、保证产品精度和质量、提高生产效率、降低生产线投资和日常生产成本、节能节材、改善生产环境和劳动条件都有密切关系，所以无论是利用企业原有条件进行技术改造，还是新建生产线，都要进行详细分析比较，以下提出一些应该注意的问题。
1(原材料和下料工步
我国目前生产的钢材往往尺寸公差较大，平直度差，表面质量不高有时会有微裂纹，由于精锻后加工量小甚至不加工，这些裂纹和表面缺陷往往会造成锻件报废，去坯尺寸公差大会引起下料重量偏差增大，有些时候也会影响锻件精度。这些都必须予以考虑，采取相应的预防措施。
2(锻造工步的确定
确定锻造工步是建设生产线的关键。工艺人员要对锻造设备及其特点有清楚的了解，对各种锻造工艺的优缺点和适用范围也应当有正确认识，进行综合分析比较，兼顾当前企业实际条件，市场情况和技术发展趋势，从而优选先进实用的方案。如北京机电所的研究人员在制定汽车前梁生产线建设方案时提出采用精辊-精锻复合工艺，替代发达国家辊锻粗坯再用大吨位压力机锻造的方案就是一个很好的例子，在采用新方案后生产线主要设备吨位由万吨级降到2500t，投资只是国外方案的1/5,1/8，模具寿命还有提高，生产成本也有降低。柴油机的喷油体通常的工艺方案是模锻或镦锻，改用楔横轧制坯-立锻的方案后提高了锻件精度，节约材料降低加工费用受到后续加工企业好评，已经获得我国专利。
锻造工步确定后要绘制锻件图，设计每一工步毛坯尺寸和形状。每一工步毛坯设计，通
常都以一些典型件进行类比，然后进行简单的体积计算，再结合设计人员的经验判断确定，对于形状复杂工步多的锻件，变形过程金属流动情况凭经验并不能准确判断，往往还要靠新产品试制时进行调试修改，这种方法调试周期长，人力物力消耗多是不能适应市场变化和产品更新要求的。现代计算机技术和塑性有限元技术的迅速发展，国内外已经有比较成熟的软件可供工艺过程模拟分析，特别是我国科技人员合作研制的可在微机上运行的工艺分析软件已经在一批锻件制定工艺过程中应用取得好的效果，已具备了推广应用的条件。
为提高生产率、保证工件质量和改善劳动条件，锻造生产线常采用锻造机械手或机器人，在工艺设计时就必须考虑毛坯的夹持部位和夹持的稳定性。为了保证锻造温度一致性减少氧化，锻坯加热，多选用感应加热。
通常热锻件图是按照冷锻件图乘以热膨胀量计算，但在精锻件各部分尺寸相差较大时，尺寸大小的部位冷却快，终锻温度会比尺寸大的部位有显著差别，这时设计热锻件图不同部位可以取不同的热膨胀系数。
3. 热精锻件的模具
模具是热精锻的重要保证条件。我国科技工作者对热作模具的服役条件、失效特征和规律作了大量试验研究工作，从而提出合理选材、减少钢材消耗、延长模具便用寿命的失效抗力指标体系和选材准则，实现了热作模具选材从经验走向科学化、判据数值化的飞跃，可作为合理选材、用材的参考。
模具设计和加工过程对缩短生产试制周期、提高模具精度有重要作用，我国科技工作者自行开发的模具CAD,CAM系统可以在微机上运行，直接给出的加工代码可供数控机床加工模具或电极，考虑到模具使用时会发生磨损而增大尺寸，在精锻模加工时尽可能按下偏差加工，有利于延长模具寿命。
模具的润滑有利于金属在模具中流动和成形，对保证锻件充满，降低锻造力。提高模具寿命有重要作用。水基石墨润滑剂是热模锻常用的有效润滑剂，石墨颗粒在lμm左右的超微石墨润滑剂具有更好的润滑和脱模效果，并可延长模具寿命。国产超微石墨润滑剂已经通过生产应用证明与进口材料具有同等润滑效果。为了避免石墨造成的污染，国外已经研制成功非石墨型润滑剂，其润滑性能已接近水基石墨润滑剂。可适用于一般锻件。对于复杂的难脱模锻件，目前仍采用超微颗粒水基石墨润滑剂，国内研究的非石墨型润滑剂也已取得类似试验效果。
精密热模锻生产线的设备选择和机械手(机器人)
精密热模锻生产线有制坯、锻造、校正(精压)切边等多道工序，根据锻件不同选用设备也有所不同。除了一些特殊锻件外(例如;锻造环形件可选用高速镦锻机)，通常主要锻造设备选用热模锻压力机、螺旋压力机和液压锤。热模锻压力机刚度高、滑块抗偏心载荷能力强、行程次数高、滑块导向好，并且有顶出装置，因此锻件精度高，锻造过程锻件在模具中停留时间短，有利于降低模具工作温度，提高模具寿命。此外现代热模锻压力机还装有锻造压力、主轴承温度和润滑状态显示仪器，但投资较大。螺旋压力机早期是双盘摩擦压力机，精度不高，能量利用率低，后发展了液压螺旋压力机和电动螺旋压力机。70年代末德国又研制成离合器式螺旋压力机，它具有打击能量大、滑块导向性能好、设备精度高，可以承受偏心载荷、可以根据锻造需要预选打击能量、有顶出装置、设备打击次数高、节能(价格显著低于热模锻压力机，因此也是一种良好的精锻设备。我国自从90年代中期开发成功这种设以后，受到国内用户欢迎。传统的蒸汽-空气模锻锤能量利用率低、噪声大、锻件出模斜度大，不能用做精密锻造。液压锤不再利用蒸汽做动力，能量利用率显著提高，精度也得到改进，其相对价格也较低。为了利用现有蒸汽-空气模锻锤，我国科技工作者利用液压锤的基本原理改造了蒸汽模锻锤的汽缸和落下部分，已在一些工厂应用，有较好的节能效果。
热精锻生产线通常需要配备必要的机械手(机器人)和其他传送监控装置。当以辊锻方
法制坯时一般有两种机械手，即中小型辊锻机配备由辊锻机主轴带动的机械手，从而构成自动辊锻机，而大型辊锻机通常配备单独传动的机械手，靠电器控制系统实现与主机的联系(主要锻造设备的压力机用机械手也有类似情况，即一种由主机直接带动的步进梁式机械手，这种机械手主要用于形状较简单的中小型锻件;另外一种是独立传动与主机无机械联系的机械手(机器人)，这种机械手可适合于多种形状锻件生产过程使用。锻造过程常常有多道工序，因而机械手要满足多工位锻造的动作要求，又要保证定位精度，热态锻件夹持的可靠性，过就成为锻造机械手与其他一些机械手(机器人)不同的地方。我国锻造机械手(机器人)是在引进技术基础上，消化吸收发展起来的，结构合理，性能稳定可靠。
很多生产线还配有快换模装置，以加快模具更换速度，提高设备利用率。为保证生产过程连续可靠地进行，锻造自动线要对锻造过程的锻件温度、压力机工作状态(如锻造力大小、压机轴承温度、润滑状况)进行监测，这些信息的检测数据分别送到压力机或生产线主控制柜，对生产线进行自动控制。
典型精密热锻生产线举例
在大批量模锻件生产中热锻生产线技术已经成熟，既有针对?般锻件的生产线，又有针对特殊锻件以专机为主体的生产线，后者例如以高速镦锻机为主体的环类件热锻生产线，以多锤头径向锻机为主体轴类件锻造生产线等，以下介绍几种常见的?般锻件生产线。 1.汽车曲轴锻造自动生产线(图l)
图 1 120000kN热模锻压力机自动线
1—感应加热机床 2—传送带 3—辊锻机 4、7、12、17—机械手 5、13—分料架
6—120000kN斜楔式热模锻压力机 8—中央控制台 9—模具清理与喷雾装置
10—带随行小车的传送带 11—切边压力机
14—曲拐扭转机 15 —校正压力机 16—链式传送带 18—悬挂式输送机
当中型卡车曲轴采用锻件时，主锻造压力机将需要120000kN，其工艺流程如下:
感应加热?辊锻?模锻?切边?扭曲?校正
这条生产线选用了?台加热设备，五台锻造和校正设备。辊锻主要是使坯料体积分布符全锻件要求。模锻时把曲拐按?个方向布置，使分模简单，模具制造方便，再经过扭转机把曲拐扭向不同方向。每?台锻造设备都配备?台机械手.部分设备之间还配有传送带，模锻压力机上还配有模具清理与喷雾润滑装置，成品锻件将通过悬挂式输送链送入下道热处理工序。这条生产线同时还可进行汽车前梁锻造。
2.汽车前梁精密辊锻-模锻生产线
利用辊锻逐步变形原理将锻件的大部分在辊锻工序中锻出来，再通过模锻把弹簧座等不能精确辊锻成形部锻出来，这样可以大大减少模锻设备负荷，成功地利用25000kN螺旋压力机作为主设备，大幅度降低了生产线投资。其主要工艺流程如下:
中频感应加热(750kW中频炉)?4道次整体精密成形辊锻(φ1000辊锻机及辊锻机器人)整体弯曲、模锻(25000kN 螺旋压力机)?整体切边(10000kN螺旋压力机)?整体校正(16000kN螺旋压力机)?调质处理(调质生产线)?校正(1000kN液压机)?喷九?检验。根据需要，螺旋压力机可全部配机器人，成为全自动生产线;锻件重量较轻时，也可部分采用机器人。
3.连杆精密锻造生产线
连杆是发动机中传递转矩的重要零件，由于在高速运动中承受着很大的交变应力，因而要求具有很好的力学性能，很高的加工精度和严格的重量精度。由于连杆的尺寸不同、大小头比例不同，可以有不同的锻造方案，多数连杆采用以下工艺流程。
感应加热(中频感应加热炉)?辊锻(自动辊锻机)?锻造(热模锻压力机、步进梁式机械手)?冲切毛边(切边压力机)?余热淬火?锻件回火?抛丸强化?荧光探伤。
主要锻造设备也可以采用离合器式高能螺旋压力机或液压锤。
锻造生产线的发展方向主要有两个，一是出现了锻造柔性生产线，以满足用户对产品多样化的需求;另外一个是由于推广采用非调质钢，锻造生产线与热处理生产线可以连在一起建设，直接利用锻造余热淬火，省去再次加热的时间及费用，而且有利于锻件质量的提高。
3. 优质高效焊接与切割技术
激光焊接技术
概述
激光焊接是以高功率聚焦的激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。
激光焊接的应用始于1964年，但早期仅限于用小功率脉冲固体激光器进行薄小零件的焊接。70年代以来，随着千瓦级大功率CO2激光器的出现，激光深熔焊得到了迅速的发展。激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm，已应用于汽车、钢铁、航空、原子能、电气电子等重要工l部门。目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，约占20.9,。
激光焊接技术
1(激光焊接的工艺特点
按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式:热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低(105,106W,cm2)，工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。后者激光动车密度高
(106,107W,cm2)，工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝(图1)。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。
深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。
由于经聚焦后的激光束光斑小(0.1,0.3mm)，功率密度高，比电弧焊(5×102,104W/cm2)高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点:加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良;残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接;可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接;焊接速度快，生产率高;具有高度柔性，易于实现自动化。
激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。
激光焊接设备
激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。
1.激光器
用于激光焊接的激光器主要有CO气体激光器和YAG固体激光器两种。两者优缺点比较2
如表1所示。
表1 CO激光器和YAG激光器比较 2
波长μm 可输出功率 光束质量 光纤传输 光学部件 运行消耗和维护 CO激光需特殊材料的光学部件需消耗气体;清理电极较210.6 大 好 不可 器 (ZnSn、CaAs等)，贵 麻烦 YAG激光可用普通光学玻璃制造，便只需必要时更换泵浦灯，1.06 小 次之 可 器 宜 维护简单
激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO激光器比YAG激光2
器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在15,6kW范围，但现在世界上最大的CO激光器已达50kW。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提2
高功率有困难，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。由于其波长短，仅为CO。激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光系统2
大为简化。可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为 CO2激光焊接强有力的竞争对手。
2.导光和聚焦系统
导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降;会产生热透镜
效应(透镜受热膨胀焦距缩短);表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。
3.激光焊接机
它的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，分焊接专机和通用焊接机两种。后者常采用数控系统，有自角坐标二维、二维焊接机或关节型激光焊接机器人。
影响激光焊接质量的因素
影响激光焊接质量的因素很多(其中一些极易波动，具有相当的不稳定性。如何正确设定和控制这些参数，使其在高速连续的激光焊接过程中控制在合适的范围内，以保证焊接质量首先是焊缝成形的可靠性和稳定性，是关系到激光焊接技术实用化、产业化的重要问题。 以板材对接单面焊双面成形工艺为例，影响激光焊接质量的主要因素分焊接设备，工件状况和工艺参数三方面，如图11所示。
图11 影响激光焊接质量的主要因素
1(焊接设备
对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊缝深宽越大。一般要求基模(TEM)或低阶模，否则难以满足高质量激光焊接的要00
求。虽然目前国产激光器在光束质量和功率输出稳定性方面用于激光焊接还有一定困难。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，不会成为激光焊接的问题。 光学系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜，所用焦距一般在127mm(5in)到200mm(7.9in)之间，焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处，但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤。
2.工件状况
激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配有很高的精度，光斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不加填充金属，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0.1mm，错边不应大于0.2mm。当焊缝较长时，焊前的准备难度很大，普通剪床F料一般不能满足要求(必须经过机械加工或用高精
度剪床剪切，还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。
3.焊接参数
(1)对激光焊接模式和焊缝成形稳定件的影响焊接参数中最主要的是激光光斑的功率 密度，它对焊接模式和焊缝成形稳定性影响如下:随激光光斑功率密度由小变大依次为稳定
1][2]热导焊、模式不稳定焊和稳定深熔焊，其产生条件和焊缝成形特征如表2所示。
表2 三种激光焊接过程的基本特征
焊接过程 稳定热导焊(HCW) 模式不稳定焊(UMW) 稳定深熔焊(DPW) 产生条件 低功率密度 功率密度介于HCW和DPW之间 高功率密度 焊接模式 热导焊 热导焊和深熔焊随机出现 深熔焊
小孔特点 不形成小孔 小孔间断性地产生和消失 小孔稳定存在 等离子体特点 不产生等离子体 等离子体间断性地产生和消失 稳定的等离子体
熔深和熔宽均很小的近焊缝成形极不狗宝，熔深和熔宽在焊缝成形特征 熔深较大的指状焊缝 半圆形焊缝 大小两给跳变
激光光斑的功率密度，在光束模式和聚焦镜焦距一定的情况下，主要由激光功率和光束 焦点位置决定。激光功率密度与激光功率成正比。而焦点位置的影响则存在一个最佳值;当光束焦点处于工件表面下某一位置(1,2mm范围内，依板厚和参数而异)时，即可获得最理想的焊缝。偏离这个最佳焦点位置，工件表面光斑即变大，引起功率密度变小，到一定范围，就会引起焊接过程形式的变化。
焊接速度对焊接过程形式和稳定件的影响不如激光功率和焦点位置那样显著，只有焊接速度太大时，由于热输入过小而山现无法维持稳定深熔焊过程的情况。
实际焊接时，应根据焊件对熔深的要求选择稳定深熔焊或稳定热导焊，而要绝对避免模式不稳定焊。
1][3](2)在深熔焊范围内，焊接参数对熔深的影响 在稳定深熔焊范围内，激光功率越高，熔深越大，约为0.7次方的关系;而焊接速变越高，熔深越浅。在一定激光功率和焊接速度条件下焦点处于最佳位置时熔深最大，偏离这个位置，熔深则下降，甚至变为模式不稳定焊接或稳定热导焊。
(3)保护气体的影响 保护气体通常采用氩气或氦气(它们产生等离子体的倾向显著 不同:氦气因其电离电体高，导热快(在同样条件下，比氩气产生等离子体的倾向小，因而可获得更大的熔深。
在一定范围内，随着保护气体流量的增加，抑制等离子休的倾向增大，因而熔深增加，但增至一定范围即趋于平稳。
(4)各参数的可监控性分析在四种焊接参数中，焊接速度和保护气体流量属于容易监控和保持稳定的参数，而激光功率和焦点位置则是焊接过程中可能发生波动而难于监控的参数。
虽然从激光器输出的激光功率稳定性很高且容易监控，但由于有导光和聚焦系统的损耗，到达工件的激光功率会发生变化，而这种损耗与光学工件的质量、使用时间及表面污染情况有关，故不易监测，成为焊接质量的不确定因素。
光束焦点位置是焊接参数中对焊接质量影响极大而又最难监测和控制的一个因素。目前 在生产中需靠人工调节和反复工艺试验的方法确定合适的焦点位置，以获得理想的熔深。但 在焊接过程中由于工件变形，热透镜效应或者空间曲线的多维焊接，焦点位置会发生变化而 可能超出允许的范围[3]。
对于上述两种情况，一方面要采用高质量、高稳定性的光学元件，并经常维护，防止污
染，保持清洁;另一方面要求发展激光焊接过程实时监测与控制方法，以优化参数，监视到 达工件的激光功率和焦点位置的变化，实现闭环控制，提高激光焊接质量的可靠件和稳定性。这是激光焊接技术发展方向之一。
改善和发展激光焊接的新技术
以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平
[3]1.填充焊丝激光焊
激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围。采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良好的成形，如采用φ1.6mm的焊丝做为填充金属，即使间隙增至1.0mm，也可保证焊缝良好的成形。
此外，填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。
[5]2.光束旋转激光焊
使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2mm厚高强合金钢板对接时，容许对缝装配间隙从 0.14mm增大到0.25mm;而对4mm厚的板，则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。
3.激光焊接质量在线检测与控制
利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测，近年来已成为国内外研究的热点，少数研究成果已达到了闭环控制的程度。图12是激光焊接质量检测和控制系统的
[6、7]实例。
图12 激光焊接质量检测与控制系统
该系统所用传感器及其功能简单介绍如下:
(1)等离子体监测传感器
1)等离子体光学传感器(PS):它的作用是采集等离子体的特征光一紫外光信号。 2)等离子体电荷传感器(PCS):利用喷嘴做探针检测由于等离子体带电粒子(正离子、电子)的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差。
(2)系统功能
1)识别激光焊接过程属于何种方式。稳定深熔焊过程，有等离子体，PS、PCS信号均很强;
稳定热导焊过程，不产生等离子体，PS、PCS信号几乎等于零;
模式不稳定焊过程，等离子体间断性地产生和消失，相应地PS、PCS信号间断性地上升和下降。
2)诊断传输到焊接区的激光功率是否正常、当其他参数一定时，PS和PCS信号的强弱与入射到焊接区的功率大小有对应关系。因此，监视PS和PCS信号就可以知道导光系统是否正常，焊接区的功率是否发生了波动。
3)喷嘴高度自动跟踪。PCS信号随喷嘴-工件距离的增加而减小。利用这一规律进行闭环控制可以保证喷嘴-工件距离不变，实现高度方向的自动跟踪。
4)焦点位置自动寻优和闭环控制。在深熔焊范围内，光束焦点位置发生波动时，PS接收到的等离子体光信号亦随之变化，以最佳焦点位置处(此时小孔最深)PS信号最小。依据所发现的这个规律，可以实现焦点位置自动寻优与闭环控制，使焦点位置波动小于0.2mm，熔深波动小于0.05mm。
激光焊接的应用
在工业发达国家，激光焊接已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊。用激光将不同厚度，不同材质，不同性能的多块小坯料拼焊起来，再冲压成形。材料利用率由40,,60,提高到70,,80,，而且减轻了重量，提高了综合性能。在这里只有采用激光焊接才能保证拼焊后表面平整，无翘曲和变形，
[3]确保冲压后的质量。世界著名的汽车公司都采用了这种方法。
我国激光焊接技术经过十余年的研究，已开始应用，包括电机中的定子转子、金刚石锯片、多联齿轮、热轧硅钢片、显像管阴极、食品罐头盒罐身等。例如用激光焊接技术焊接了装核燃料棒的核供热堆锆元件盒，外形尺寸为166.5min×166.5mm×2384mm，采用2mm厚高活性锆合金板焊接而成，最后在锆盒全长范围内，各面及相互间的平面度、平行度、垂直度
[8]和尺寸公差均达到在0.2,0.3mm范围内，正反面焊缝表面不平度小于 0.15mm。充分体现了激光焊接的先进性。
4. 优质低耗洁净热处理技术
真空热处理
1(真空高压气冷淬火技术
当前真空高压气冷淬火技术发展较快，相继出现了负压(,1×105Pa)高流率气冷、加压(1×105,4×105Pa)气冷、高压(5×105,10×105Pa)气冷、超高压一(10×105,20×105Pa)气冷等新技术，不但大幅度提高了真空气冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，变形小，还有高效、节能、无污染等优点。
真空高压气冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不锈钢和特殊合金的固溶、时效，离子渗碳和碳氮共渗，以及真空烧结，钎焊后的冷却和淬火。
用6×105Pa高压氮气冷却淬火时、被冷却的负载只能是松散型的，高速钢(W6Mo5Cr4V2)可淬透至70,100mm，高合金热作模具钢(如 4Cr5MoSiV)可达25,100mm，高合金冷作模具钢(如Cr12)可达80,100mm。
用10×105Pa高压氮气冷却淬火时，被冷却负载可以是密集型的，比6×105Pa冷却时负载密度提高约30,,4O,。
用20×105Pa超高压氮气或氦气和氮气的混合气冷却淬火时，被冷却负载是密集的并可捆绑在一起。其密度较6×105Pa氮气冷却时提高80,,150,，可冷却所有的高速钢、高合金钢、热作工模具钢及Cr13,的铬钢和较多的合金油淬钢，如较大尺寸的9Mn2V钢。
具有单独冷却室的双室气冷淬火炉的冷却能力优于相同类型的单室炉。2×105Pa氮气冷却的双室炉的冷却效果和4×105Pa的单室炉相当。但运行成本、维修成本低。由于我国基础材料工业(石墨、钼材等)和配套元器件(电动机)等水平有待提高。所以在提高6×105Pa单室高压真空护质量的同时，发展双室加压和高压气冷淬火炉比较符合我国的国情。
真空高压气冷等温淬火
形状复杂的较大工件从高温连续进行快速冷却时容易产生变形甚至裂纹。以往可用盐浴等温淬火解决。在单室真空高压气冷淬火炉中能否进行冷等温淬火呢,图9为在带有对流加热功能的单室高压气冷淬火炉中对两组φ320mm×120mm两块叠装在碳素结构钢用不同冷却
5方式淬火后的对比结果。图中一组曲线是在1020?加热后，在6×10Pa的压力下连续用高纯氮气冷却(风向是上、下相互交替，40s切换一次)的结果。另一组是对试样表面、心部进行370?时的控制冷却。从两组曲线的对比可以看出，心部温度通过500?的时间(半冷时间)只差约2min。从表面进行控制冷却开始到心部温度到达370附近，需27min。由此可见，在单室真空高压气淬火炉进行等温气冷淬火是可行的。
图9 连续气冷和等温气冷时表面、心部温度对比
?连续气冷时的中心温度?连续气冷时的表面温度
—等温气冷时的中心温度 -----等温气冷时的表面温度
真空渗氮技术
真空渗氮是使用真空炉对钢铁零件进行整体加热。充入少量气体，在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的;而离子渗氮是靠晖光放电产生的活性N离子轰击并仅加热钢铁零件表面，发生化学反应生成氮化物实现硬化的。
-3真空渗氮时，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10Torr)后(将工件升至530,560?，同时送入以氨气为主的，含有活性物质的多种复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa(5Torr)，保温3,5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却。不同的材质，经此处理后可得到渗层深为20,80μm、硬度为600,1500HV的硬化层。
真空渗氮有人称为真空排气式氮碳共渗、其特点是通过真空技术，使金属表面活性化和
清净化。在加热、保温、冷却的整个热处理过程中，不纯的微量气体被排出，含活性物质的纯净复合气体被送入，使表面层相结构的调整和控制、质量的改善、效率的提高成为可能。经X射线衍射分析证实，真空渗氮处理后，渗层中的化合物层是ε单相组织，没有其他脆性相(如FeC、FeO)存在，所以硬度高(韧性好，分布也好。“白野”单相ε化合物层334
可达到的硬度和材质成分有关。材质中含Cr量越高，硬度也日增加趋势Cr13%时，硬度可达到1200HV;含Cr18%(质量分数，余同)时，硬度可达1500HV;含Cr25%时，硬度时达1700HV。无脆性相的单相ε化合物层的耐磨性比气体氮碳共渗组织的耐磨性高，抗磨擦烧伤、抗热胶合、抗熔敷、抗熔损性能都很优异。但该“白层”的存在对有些模具和零件也有个利之处，易使锻模在锻造初期引起龟裂，焊接修补时易生成针孔。真空渗氮还有一个优点，就是通过对送入炉内的含活化物质的复合气体的种类和量的控制，可以得到几乎没有化合物
-3层(白层)，而只有扩散层的组织。其原因可能是在真空炉排气至0.133Pa(1×10Torr)而形成的，另一个原因是带有活性物质的复合气体在短时间内向钢中扩散形成的组织。这种组织的优点是耐热冲击性、抗龟裂性能优异。因而对实施高温回火的热作模具，如用高速钢或4Cr4MoSiV(H13)钢制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐热冲击性好、抗龟裂而又有韧性的综合性能;但仅有扩散层组织时，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔损性能不够好。由于模具或机械零件的服役条件和对性能的要求不一，在进行表面热处理时，必需调整表面层的组织和性能。真空渗氮除应用于工模具外，对提高精密齿轮和要求耐磨耐蚀的机械零件以及弹簧等的性能都有明显效果。可接受处理的材质也比较广泛。
真空清洗与干燥技术
目前有的热处理还离不开清洗干燥工序，尤其需油冷的各类热处理，清洗干燥的任务更繁重、难度也更大。国际上使用效果最佳的清洗剂是卤素系清洗剂。发达国家，如日本使用的卤素系清洗剂的比例如表4所示。其中三氯乙烷、氟里昂因属破坏大气臭氧层物质，已被禁止使用。其他卤素系物质也因对生态环境、人、畜有害而被限制使用。所以各国都在研究各种替代型的清洗干燥技术。
真空水系清洗于燥技术是替代技术中发展的主流，其原理是水蒸气蒸馏和真空蒸馏。所谓水蒸气蒸馏是指一边向带有不溶于水的油类等物质的工件上吹水蒸气，一边加热，是把油分等挥发成分和水一齐蒸馏出的方法。应用该法时，油等挥发成分的蒸气随水蒸气同时发生，所以油分的沸点被降低。这就是用共沸的方法使油分和填加剂形成低沸点物质，使在回火温 度以下的较低温度的洗净成为可能。所谓真空蒸馏是因为，在常压下进行水蒸气蒸馏时，油价的蒸汽压很低，伴随水蒸气而挥发的油分量很少。如果在真主状态下进行蒸气蒸馏，油分的沸点会被进一步降低、同时利用水蒸气蒸馏和真空蒸馏，就可将高沸点热处理淬火油在回火温度下被清洗并干燥了。这种方法适合在大、中型企业和大批量生产的流水线上使用，效率比较高。缺点是清洗液的回收和处理及循环使用的成本高。
表4 卤素系清洗剂在热处理生产中使用情况
三氯乙烷 三氯乙稀 全氯乙稀 氟里昂 二氯甲烷 58.3 9.7 7.1 14.0 9.9 已禁止使用 限制使用 限制使用 已禁止使用 限制使用
真空油系清洗干燥技术，是指用蒸汽压比较高的轻质溶剂油去溶解和洗净工件上附着的蒸汽压比较低的切削油、冲压油、淬火油;然后再加热减压将溶剂油蒸发分离，从而达到洗净的目的。选择的溶剂油燃点应尽量高，粘度要低，对被清洗工件上附着的油脂有较强的溶解能力;对工件无腐蚀，且成本较低。我国国家标准中介绍的190号和200号溶剂油可作为选择时的参考。
范文二：9.数字化无模铸造精密成形技术及装备
项目名称：数字化无模铸造精密成形技术及装备
拟报奖种：技术发明奖
完成人：单忠德，李新亚，刘丰，战丽，董晓丽，王成刚
完成单位名单：机械科学研究总院、一汽铸造有限公司、中国一拖集团有限公司
项目简介：
随着市场全球化及国际制造业竞争的不断加剧，汽车、农机、机床、航空航
天、国防军工等企业面临着产品更新换代加快和核心关键金属件自主开发的迫切
需求。同时降低资源能源消耗、减少环境污染，成为制造过程的必然要求。传统
铸造往往需要借助模样/模具，存在工序多，制模周期长，成本高、资源浪费、
废弃物排放多、数字化水平低等问题，且产品设计发生改动，模样/模具就需要
重新制造，严重影响新产品开发速度和成本，造成资源的重复浪费，难以满足其
制造精度高、质量高、周期短、确保工程进度等要求。为此，机械科学研究总院
提出和开发了数字化无模铸造精密成形技术及装备。
数字化无模铸造精密成形技术与装备是计算机、自动控制、新材料、铸造等
技术的集成创新和原始创新，是一种全新的复杂金属件快速制造方法，能够实现
复杂金属件制造的柔性化、数字化、精密化、绿色化、智能化，是铸造技术的革
命。该技术不需要木模等模具，缩短了铸造流程，实现了传统铸造行业的数字化
制造，特别适合于复杂零部件的快速制造。与传统有模铸件制造相比，加工费用
仅为有模方法的1/10左右，开发时间缩短50～80％，制造成本降低30％～50％。
本项目先后获北京市技术发明一等奖、北京市发明专利奖一等奖、绿色制造
科学技术进步一等奖、中国产学研合作创新成果奖、中国机械制造工艺协会科技
成果特等奖/一等奖、 机械科学研究总院科技成果一等奖等，铸型数控加工成形
机SMM1000、SMM1500分别获2010年度、2012年度国家重点新产品，铸型数控
加工成形机SMM1000、SMM1500成形机分获北京市2009年、2010年自主创新产
品。先后申请专利47项（其中国际专利20项，美、德、日等国家专利12项），
获授权专利15项，其中授权发明专利9项，获授权软件著作权6项，制订企标
2项，发表论文20余篇，建立了8个数字化无模铸造精密成形技术及装备应用
示范基地。成功应用于轮彀、齿轮壳体、进排气管、缸盖、缸体等400余种复杂
零部件的快速开发，显著提高了企业的自主创新能力，为汽车、机床、工程机械、
模具等行业和国防军工、航空航天等重大工程的实施提供了有利保障。
发明专利名称：
一种无模铸型的数字化快速制造方法，单忠德、战丽、董晓丽(ZL200710142832.7)
铸型数控切削加工成形机，单忠德、李新亚、战丽、董晓丽(ZL200710145753.1)
一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备，李新亚、单忠德、刘丰、战 丽、
董晓丽、王祥磊 (ZL200810246752.0)
无模铸造成形机，单忠德、刘丰、刘丽敏、李希文、陈少凯(ZL 201110127890.9)
一种铸件的自适应铸型制造方法，单忠德、刘丰、李新亚、王祥磊、董晓丽 (ZL 200910162301.3)
一种基于坎合结构的无模组装造型方法，单忠德、刘丰、董晓丽 (ZL 201010150602.7)
一种铸型数控加工的排砂方法及其装置，单忠德、刘丰、王祥磊
(ZL200810222763.5)
一种石膏制模的数字化加工方法，单忠德、刘丰、戎文娟、曹宇飞
(ZL200810246753.5)
一种铸型数控切削加工砂屑收集方法及其装置，单忠德、陈少凯、刘丰
(ZL200810222765.4)
代表性论文：
1. Shan Zhongde, Liu Feng, Zhan Li, etc. Research on Patternless Casting CNC
Manufacturing Technology and Development of the Equipment, Advanced Materials
Research, 2010, vols.97-101, pp 4036-4041.
2. Zhongde Shan, Shaoyan Qin, Qian Liu, etc. Key Manufacturing Technology ﹠
Emissions Reduction in Mechanical Equipment Industry, International Journal of
Precision Engineering and Manufacturing, 2012.07,Vol.13, pp:1095-1100(EI,SCI).
范文三：快速成形技术在精密铸造中的应用研究
快速成形技术在精密铸造中的应用研究
华中科技大学 武汉滨湖机电技术产业有限公司(430074)
熊晓红 史玉升 叶升平 黄树槐
【摘要】介绍了薄材叠层和粉末烧结激光快速成形技术和精密铸造相结合,快速制作铸件的过程和工艺。探讨了在替代木模、经转移涂料制作铸件、经硅橡胶翻制铸件、精密铸造用蜡模等方面的应用。与传统方法相比,具有速度快、精度高、价格便宜等优点。关键词 快速成形 薄材叠层 粉末烧结 精密铸造
ApplicationofRapidPrototypinginPrecisionCasting
Abstract Rapidprototypingisanewtechnologythattransforms3CADmodelintoobjectsrapidly.The
processofrapidmanufacturingcastparts,whichcombineslaminatedobjectmanufacturing(LOM)andselectivelasersintering(SLS)withprecisioncasting,isintroduced.TheapplicationofLOMandSLSinsandcasting,transferredcoatingcasting,investmentcastingarediscussed.Themethodhasmanyadvantagessuchasfast,preciseandcheapincomparisonwithtraditionalmethods.
Keywords rapidprototyping,laminatedobjectmanufacturing,selectivelasersintering,precisioncasting
中图分类号:TG241.39 文献标识码:A
现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期,要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场。快速成形技术正是为满足这一要求而发展起来的先进制造技术,利用快速成形技术(RapidPrototyping,简称RP)可以在很短的时间内,将三维CAD模型加工出新产品的实物原型,并通过快速制模制造出产品,进行设计验证和市场调查。
将RP技术与精密铸造技术相结合,通过原型制作,最终制成零件和可以批量生产的模具,不仅可改善小批量及特殊形状零件的生产周期长、成本高的状况,而且能实现制造过程的集成化、快速化,适应市场对小批量、多品种的快速响应。
在现有的4种主流快速成形技术(薄材叠层LOM、粉末烧结SLS、熔积成型FDM、光固化SLA)中,由于LOM系统运行费用低、耗材便宜、适于制作大型件,SLS系统对材料的适应面非常广(如塑料、石蜡、陶瓷、金属及其复合粉等),特别是将LOM、SLS与传统精密铸造工艺相结合,在小批量生产塑料件、用LOM原型件代替铸造用木模、SLS蜡件用做精密铸造熔模等方面取得了广泛的应用,可极大提高传统行业的市场竞争力。
3)为进一步提高原型件的性能,对原型件进行后处理,如打磨、刮腻子、抛光、喷漆、渗树脂和蜡等,提高强度和光洁度。
112 铸件及模具快速制造工艺路线
基于RP的铸件和模具制造分为直接法和间接法。直接法是将原型件后处理(如喷涂转移涂料、渗蜡等),用作木模或蜡模,获得铸件或铸型。间接法是通过原型件先制作过渡模(如硅橡胶模、石膏模等),再通过精密铸造得到铸件或铸型。
基于LOM的铸造工艺有:LOM原型)铸造木模;LOM原型)石膏型(陶瓷型))铸件;LOM原型)硅橡胶模)石膏型(或陶瓷型))铸件;LOM原型)转移涂料)树脂砂或水玻璃砂型(芯))铸件。
基于SLS的铸造工艺有:SLS熔失模)陶瓷(或石膏)型壳)铸件;SLS覆膜砂型(芯))铸件。
2 LOM原型件代替铸造用木模
在铸造行业中,传统制造木模的方法,不仅周期长、精度低,而且对于一些复杂的铸件,例如叶片、发动机缸体、缸盖等制造木模困难。铸造木模工需要经多年培养。近年来,一些大型铸造厂引进了数控机床,设备价格昂贵,模具加工周期较长。用LOM制作的原型件坚如硬木,表面平整光滑、硬度高、防水耐潮、机械力学强度好,完全可以满足铸造中对木模的要求。与传统的制模方法相比较,制模速度快,成本低,可完成复杂模具的整体制造。
1 基于RP的铸件快速制造过程及工艺
111 原型快速制作过程
1)用CAD设计零件的三维模型,生成并输出STL文件。
2)将所设计的CAD模型STL文件输入到快速成形系统后,自动完成切片和工艺控制,制作出原型件。
#
3 基于LOM原型和转移涂料的铸件快速制造
采用基于LOM原型和转移涂料工艺,制作出近净型金属铸件或模具,特别适合砂型铸造或消失模铸造。
以图1所示的涡轮壳产品零件说明其模具制作过程及工艺[1]:首先制作零件凸模和凹模的LOM原型件(如图1所示,精度可达100mm?012m
m,表面粗糙度Ra116Lm),将LOM模平放在一块铺有塑料模的木块上,对模具任一面(工作面或随形面)喷涂水基脱模剂,待脱模剂挥发后在LOM模上光洁成膜,然后刷涂自硬转移涂料
图1 产品的三维造型图
铝合金模具。
图3 LOM原型经硅橡胶模转移制得的铝合金消失模模具
5 SLS蜡件用做精密铸造熔模
用SLS烧结PS基高分子材料,经渗蜡处理直接得到蜡模,再由蜡模经过熔模铸造工艺得到金属铸件。得到SLS蜡模后,根据铸件材质要求不同(如铸钢、铝合金等),采用不同的结壳工艺(石膏、水玻璃、硅溶胶等)制作壳型。与传统蜡模采用蒸汽脱蜡不同,SLS蜡模采用焙烧使高分子材料熔化流走直到完全挥发。熔模烧结后,通过金属浇注,最终得到铸件
[2]
直至覆盖全部LOM模表面,厚度约015~115mm,再填入水玻璃砂造型,吹CO2硬化后放置2~4h,而后翻转砂型;再在背面上同样进行以上步骤,得到另
一半型腔,最后采用专用起模装置,实现平稳起模,保证涂层安全地转移到型腔上,获得完整精确的铸型。将铸型在100~240e的条件下烘烤10h后,即可用于浇注。选用ZL108合金作为铸件模具材质,浇注温度700e,冷却后去掉浇注系统及飞边,局部打磨及抛光后即获得无余量模具毛坯。在金属毛坯基础上,适当地添加排气塞及相关零件,即可获得最终的模具。可满足砂型铸造和消失模铸造发泡
模具的精度要求。
。图4是SLS
蜡件和金属铸件。
图4 SLS原型件和精密铸件
6 结语
将快速成形与精密铸造技术相结合,制造铸件和模具,从模具设计到得到实物的时间更短,大大缩短了新产品的开发周期。模具的形状结构设计不受
图2 LOM原型
制约。可以制作其他加工方法所不能制作的复杂结构。大大降低新产品的开发成本。与传统加工法相比较更为经济。
4 LOM原型通过硅橡胶中间模翻制石膏型,浇注铝合金铸件
对于某些带有深腔、拔模十分困难的铸件,一般要通过硅橡胶中间模再翻制石膏型,然后浇注铝合金铸件。图3是采用硅橡胶中间模翻制的铁路电气化接触金具盖板消失模铝合金模具照片,1模2件。模具在三维原型设计时,将LOM模做成凸模原型,然后做出硅橡胶凹模,再翻制出石膏型凸模,浇注成
[参考文献]
[1]叶升平,吴志超,鄂文峰.基于快速原型的转移涂料法制作模具技术[J].特种铸造及有色合金,2001(5):41-42.[2]熊晓红,吴澄,史玉升,黄树槐.粉末烧结激光快速成形数字化制模技术及应用[J].铸造,2003,52(6):405-407.
责任编辑 吕德龙
范文四：精密成形技术
精密成形技术
课程学习报告
班级:模具一班
姓名:黄小龙
学号:B11030315
指导老师:王雷
第一章
精密与特种加工技术
1?高精度加工:金刚石切削、超精密磨削、超精密研磨、抛光。
2?特种加工
物理加工:电火花加工、等离子体加工、电子束加工、激光加工、原子
束加工、微波加工、超声波加工、喷射加工。
化学加工:化学能加工、光刻加工、精密电铸、电解加工。
第二章
金刚石切削:在符合条件的机床和环境下，可以得到超光滑表面，表面粗糙度可达Ra0.02,0.005μm,精度小于0.1μm，可达到光学表面质量的要求。
第三章
多精密和超精密磨削:是一种亚微米级的加工方法，正在向纳米级发展，加工精度达到或高
μm、表面粗糙度低于Ra0.025μm的砂轮磨削方法，适宜于钢、铁材料及陶瓷、玻璃等于0.1
脆硬材料。
精密磨削加工机理:主要是靠砂轮的具有微韧性和等高性的磨粒实现的，多用于机床主轴、轴承、液压阀件、滚动导轨、量规等的精密加工。
超精密磨削加工机理:
精密磨削加工机床:具有高几何精度，高刚度，低速进给运动的稳定性，减少振动，减少热变形、微量进给装置。
砂带磨削特点:砂带与工件是柔性接触，磨粒载荷小而均匀，砂带磨削工件表面粗糙度可达Ra0.05,0.01μm;静电植砂法制作的砂带使磨粒具有方向性，力、热作用小，有较好的切削性，有效地减少了工件变形和表面烧伤，工件尺寸精度可达5,0.5μm，平面度可达1μm:磨削效率高，可以与铣削和砂轮磨削媲美;砂轮制作方便，无烧结、动平衡等问题;砂带磨削有广阔工艺性、应用范围和很强的适应性。
砂带磨削机理:砂带磨削时，砂带经接触轮与工件被加工表面接触，由于接触轮的外缘材料一般都是有一定硬度的橡胶或塑料，是弹性体;同时砂带的基地材料是纸、布或聚酯薄膜，也有一定的弹性。
第四章
电火花加工是一种利用热能进行加工的常用特种加工方法，不接触的工具与工件之间由于不断的脉冲性火花放电，产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉，以达到最终要求的几何形状与表面质量。
基本原理:在一定介质中，基于工具电极和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀作用来蚀除多余的材料，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量加工要求的一种工艺方法。 主要应用与分类:广泛用于模具制造，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。 按工艺过程中工件与工具相对运动的特点和用途来分，可分为:电火花穿孔成型加工、电火花线切割加工、电火花磨削和镗削、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花铣削加工、电火花表面强化及刻字。
加工机床:
工作液:
型孔加工;
电火花线切割加工是在电火花加工的基础上发展起来的，用线状电极依靠火花放电对工件进行切割加工，
特点:1.它以直径为?0.03,?0.35mm的金属丝作为电极工具，不需要特定形状的电极，只需输入控制程序即可进行加工。主要切割各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料，如淬火刚、硬质合金等。
2.由于电极工具是直径较小的细丝，故加工工艺参数的范围较小，可加工微细异型孔、窄缝和复杂形状的工件。
3.能加工各种冲模、凸轮、样板等外形复杂的精密零件，尺寸精度可达0.02,0.01mm，表面粗糙度可达Ra1.6μm。
4.由于切缝很窄，切割时只对工件材料进行套料加工，故余料还可以利用。
5.自动化程度高，操作方便，劳动强度低。
6(加工周期短，成本低。
应用范围:应用最广泛，加工各类模具，包括切割凸模和凹模，其次是加工二维、三维直纹曲面的零件，有时也用于加工微细槽、任意曲线窄缝，以及各种导电材料和半导体材料和稀有金属、贵重金属的切断等。
加工设备:高速走丝电火花切割机床和低速走丝电火花切割机床。
加工原理:用移动的细金属丝作为工具电极，基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理。 表面质量的主要参数:表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能。
激光加工:加工机理是激光发射的是一种经受激辐射产生的加强光，因此，发光物质中基本是有组织的、相互关联的产生光的发射，发出的光具有相同频率、方向、偏振性和严格的相位关系。导致激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
主要应用:1.孔加工，激光打孔应用于特殊零件或特殊材料上加工孔，加工微孔的直径可以达到几微米，可以连续打孔，效率很高，
2.切割加工，激光切割范围广、切割速度高、切缝窄、热影响区小、加工柔性大等优点，可以加工各种金属和非金属板材，还可以透过玻璃切割真空管内的灯丝，这是任何其他方法那以实现的。与激光打孔原理基本相同，所不同的是切割时，工件与激光束要有相对移动
572 3.激光焊接，激光加工特点:聚焦后的激光有很高的功率密度(10~10W/cm)焊接以深熔方式进行，可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，焊后无需热处理，适合于某些对热输入敏感的材料的焊接，激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可以进行远距离或一些难以接近的部位的焊接，激光可以通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体适用于在玻璃制成的封闭容器里焊接铍合金等剧毒材料，属于非接触焊接，不需真空设备。
4.表面强化与热处理，是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能，以满足各种不同的使用要求。激光淬火过程中很大的过热度和过冷度使得淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且在表层形成压应力，进而可以大大提高工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能，延长工件的使用寿命。淬火层深度一般为0.7~1.1mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。
5.激光打标，是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。优势:激光打标与工件之间没有加工力的作用，具有无接触，无切削力，热影响小的优点，保证了工件的原有精度，激光刻画精细，采用激光标刻技术制作的标记伪造和更改都非常困难，对产品防伪极为重要。
6.激光清洗，清洗过程是由高强度、短脉冲激光与污染层之间的相互作用所导致的光物理反应。
物理原理:激光器发射的光束被需处理表面上的污染层所吸收。大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波。冲击波使污染物变成碎片并被剔除。光脉冲宽度必须足够短，以避免使被处理表面遭到热积累的破坏。
7(激光微加工，激光化学加工技术，准分子激光微型机械加工技术，飞秒激光微细加工
电子束加工;加工设备，主要由电子枪系统、真空系统、控制系统和电源系统等组成。
电子枪,是获得电子束的装置，包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极，阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向高电位阴极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑，
真空系统因为真空中电子才能高速运动，发射阴极不会在高温下氧化，同时防止被加工表面和金属蒸气氧化。
加工机理:电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击工件表面的极小面积上，在极短时间内(几分之一微秒)，其能量大部分转变为热能，
是被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部融化和气化，而实现加工的目的。称之为电子束热加工。
电子束加工的另一种是利用电子束流的非热效应。功率密度较小的电子束流和电子胶相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束的曝光。
主要应用:1.高速打孔，目前最小加工直径可达?0.003mm左右，在人造革、塑料上用电子束大量微孔，可以具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工深孔，孔的深径比大于10:1，还可以加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料时，由于在加工部位的附近有很大的温差，容易引起变形以至于破裂，所以在加工前和加工时，需要电阻炉或电子束进行预热。
~3μm，边缘表面粗 2(切割加工，用电子束切割的复杂型面，其切口宽度为6
糙度可控制在R0.5μm左右。 max
3(电子束焊接，当能量密度高的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连需不断的地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的蒸汽管，由于焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，变形小，电子束焊接可以焊接难熔金属，也可焊接化学性能活泼的金属。
优点与局限性:电子束可以微细的聚焦，最小直径可达0.1μm，是一种精密微细的加工方法，能量密度高，生产效率高，是非接触式加工，不产生应力和变形，材料适应性广，原则上各种材料均可加工，特别适用于特硬、难熔金属和非金属材料，可以通过电场或磁场对电子束的强度、位置、聚焦等直接进行控制，易于实现自动化。加工速度高，整个加工系统在真空中加工，无氧化，特别适合于加工高纯度半导体材料和易于氧化的金属。一般只用于加工微孔、窄缝极微小的特形表面，且需要真空设施及数万伏的高压系统，设备价格昂贵。 离子束加工;加工机理，是电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，利用高温、高速的等离子电弧及其焰流，使工件材料融化、蒸发和气化并被吹离基体，使工件材料改变性能，或在其上涂覆的特种加工。
加工系统简单的等离子体加工装置有手持等离子体切割器和小型手提式装置，比较复杂的有程序控制的设备、多喷嘴的设备，还有光学跟踪的设备，工作台尺寸达13.4m*25m,切割速度为50~6100mm/min。切割用的直流电源空载电压一般为300v左右，用氩气作为切割气体时空载电压可以降低为100V左右，使用的喷嘴材料一般为纯铜或锆铜。
加工精度与表面质量:加工速度很高，等离子体切割加工的切边斜度一般为2度到7度，切割加工后的表面粗糙度通常为Ra1.6,3.2μm,热影响层分布的深度为1~5mm。
主要应用:1.等离子体加工已广泛应用于切割各种金属材料，特别是不锈钢、铜、铝的成形切割。
2.等离子体弧焊接已经得到广泛的应用，使用的气体为氩气。
3.等离子体弧还用于各种合金钢的熔炼，速度快，质量好。
4.等离子体表面加工技术还可以提高某些金属材料的硬度,例如，使钢板表面氮化可以大大提高钢材的硬度。在氧等离子体中，采用微波放电，可使硅、铝等进行氧化，制成高纯度的氧化硅和氧化铝。
5.等离子体还可以用于人造器官的表面加工。
优点与局限性:1.导电性、导热性能好
2.高温、能量密度大，工艺参数可调，电弧稳定。
第五章
电化学加工:是利用电与化学理论方法，对工件进行加工的，
基本原理:溶液中的离子按照规定的方向移动，在阴极发生还原反应，析出金属，沉积在阴极的过程叫电沉积加工，在阳极发生氧化反应，溶解、蚀除金属的过程叫电解加工。 电解加工:原理，加工时，工件接直流电源的正极，工具接电源的负极，工具向工件缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙(0.1~1mm)，具有一定的压力(0.49~1.96MPa)的电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解产物被高速的电解液带走。直至工件表面形成与阴极工具基本形似的形状为止。
工艺特点:加工范围广，生产效率高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。加工质量好，可用于加工薄壁和易变形零件，工具阴极无损耗。
局限性:加工精度和加工稳定性不高，单件小批量生产的成本高。
加工设备: 直流电源，电解液循环系统，装夹工具电动机和工件机床、夹具系统等， 电解加工主要工艺指标及其影响因素:1.加工速度及其影响因素，电化学加工的生产率，是以单位时间内去除或沉积的金属量多少来衡量的。金属的电化学当量和生产关系，电化学加工时，电极上溶解或析出物质的量，与电解电流I大小与电解时间t成正比。 电流密度和生产关系，蚀除速度与该处的电流密度成正比，电流密度越高，蚀除速度和生产率也越高。
电极间隙大小与蚀除速度的关系:电极间隙越小，电解液的电阻也越小，电流密度就越大，因此，蚀除速度就越高，
2(加工精度及其影响:电解加工时因工件与阴极工具表面有较大的加工间隙(0.2 ,2mm)，而且电解液不像煤油那样有较大的绝缘电阻，间隙稍大(大于0.05mm左右)，火花击穿不了加工间隙，使放电过程自然停止，可以获得较好的成型密度，电阻率很低，电极间隙较大。
3.表面质量及其影响因素:无论是电解加工或电镀、电铸、刷镀加工，都有较好的表面质量，没有切削加工、电火花加工后的表面破坏层、变质层，也没有“刀花”，一般表面粗糙度值可在Ra0.8~0.9μm以下，这是因为电化学加工是以原子、分子逐层进行的。
主要应用:1.深孔加工，深径比大于5的深孔，用传统方法加工，刀具磨损严重，表面质量差，加工效率低，用电解加工，效率高，加工精度高，表面粗糙度低。2(型孔加工:在生产中常遇到一些复杂、尺寸较小的通孔或不通孔，机械加工困难，电解加工，生产效率高。3.型腔加工，在对模锻消耗量比较大、精度要求不太高的煤矿机械、汽车拖拉机等制造厂。4.套料加工，用套料加工方法可以加工等截面的大面积异型孔或用于加工等截面薄形零件的下料。5.片叶加工。6.电解去毛刺:7.电解刻字。8. 电解抛光，是利用金属在电解液中电化学阳极的溶解对工件表面进行腐蚀抛光，是一种表面光整加工方法。电解抛光的效率要比机械抛光高，而且抛光后的表面除了常常生成致密牢固的氧化膜等膜层外，不会产生加工变质层，也不会造成新的表面残余应力，且不受被加工材料硬度和强度的限制， 电铸加工.加工原理:用可导电的原模做阴极，用电铸材料的金属盐溶液做电铸镀液，在直流电源的作用下，阳极上的金属原子失去电子成为金属离子而沉积镀覆在阴极原模表面，阳极金属源源不断成为金属离子补充溶解进入电铸镀液，保持浓度不变，阴极原模上电铸层不断加厚，当达到预定厚度即可取出，即可获得与原模型面凸凹相反的电铸件。 主要特点:能精确、精密复杂型面和细微纹路，能获得高尺寸精度、表面粗糙度小于Ra0.1μm复制品，借助石膏、石蜡等原模材料，可以把复杂零件的内表面转化为外表面，外表面转化为内表面，再电铸复制，适用性广泛。
主要应用:复杂精细的表面轮廓花纹，制造复杂、高精度的空心零件和薄壁零件。
复制注塑用的模具、电火花型腔加工用的电极工具。
制造表面粗糙度标准样块、反光镜、表盘、异型孔喷嘴等特殊零件。 基本设备:电铸加工的主要设备有，电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、加热和冷却系统。
工艺过程:原模设计及材料选用、原模的表面处理、电铸溶液、衬背、脱模。 电刷镀加工:加工原理，转动的工件接直流电源的负极，正极与镀笔相连，镀笔端部的不溶性石墨电极用外包尼龙的脱脂棉套包住，镀液饱蘸在脱脂棉中，多余的镀液流回容器中，镀液中的金属正离子在电场的作用下在阴极表面获得电子而沉积涂镀在阴极表面，可达到0.001mm直至0.5mm以上的厚度。
电刷镀的特点:1.不需要镀槽，可以对局部表面刷镀，设备、操作简单，机动性灵活，不受工件大小限制，
2.刷镀液种类、可刷镀金属比槽镀多，选用更改方便，易于实现复合镀，
3.镀层与基体金属的结合力比槽镀的牢固，镀刷速度比槽镀快，镀层厚薄可控性强。
4.因工件与镀笔之间有相对运动，故一般都需人工操作，很难实现高效率的大批量生产。 应用范围:修复零件磨损表面，恢复尺寸和几何形状，实施超差品补救。填补零件表面上的划伤、凹坑、斑蚀、孔洞等缺陷，如机床导轨、活塞液压缸、印制电路板的修补。大型、复杂、单个小批量工件的表面局部镀镍、铜、锌、镉、钨、金、银等防腐层，改变表面性能。 基本设备:电源、镀笔、镀液及泵、回转台。
工艺过程:表面预加工、清洗除油、除锈、活化处理、镀底层、镀尺寸层和工作层、镀后清洗。
应用举例:整形、涂保护漆、涂油、对待镀表面两侧的保护、镀低层、修平等。 复合镀加工:原理与分类，复合镀是在工件表面镀金属镍和钴的同时，将磨料作为镀层的一部分也一起镀到工件表面上去。
第六章
化学铣切加工:加工原理:是利用化学液对工件表面溶解的一种加工技术，即利用化学腐蚀原理加工工件的一种方法，通过对化学溶液的有效控制，从工件上预先确定的部位、范围与深度上去除基体材料，从而获得所需加工尺寸和尺寸精度，先把工件非加工表面用耐腐蚀性涂层保护起来，需要加工的表面露出来，侵入到化学溶液中进行腐蚀，使特定部位的金属溶解去除，从而达到加工的目的。
特点:可加工任何难切削的金属材料，且不受任何硬度和强度的限制。
适用于大面积加工，可同时加工多件。
加工过程不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表面粗糙度可达Ra2.5,1.25μm.
工艺过程操作简单，加工截面形状不受限制，但不宜用于细深孔、窄深槽、窄凸台等几何结构加工。
加工精度较低，且易受原材料状态影响与限制。
腐蚀液对设备和人体有一定危害，故须有适当的防护措施。
应用范围:主要应用于较大工件的金属表面厚度的减薄加工，铣切厚度一般小于13mm。也可用在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂型孔。
工艺过程:涂覆保护层并固化、刻型或划线、化学铣切加工、去保护层。 化学抛光:是指选择性的溶解材料表面微小凹凸中的凸出部分，从而使表面变光滑的一种精加工方法。
加工机理:用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件表面氧化，此氧化层又逐渐溶入溶液，表面微凸起，被氧化较快、较多，微凹处则被氧化慢、少。化学抛光的目的是改善工件表面粗糙度或表面平滑化和光泽化。
优点;化学抛光设备比较简单，不需要外加电源，操作简单、成本低。
所能抛光的零件尺寸和数量仅受抛光槽大小的限制，可大面积抛光或多件抛光薄壁、低刚度零件。
它不像电解抛光那样要用电，也不考虑电流分布的均匀性，所以可均匀抛光表面复杂的工件。 化学抛光的工艺条件及应用:影响化学抛光的主要因素包括浴液温度和抛光时间，他对抛光效果可产生很大影响，须严格控制。应用于金属的化学抛光、半导体的化学抛光。
化学镀加工:化学镀的目的是在金属表面镀上一层金属，起装饰、防腐蚀或导电等作用
化学镀的原理是在含有金属盐溶液的镀液中加入一种化学还原剂，将镀液中的金属离子还原后沉积再被镀零件表面。
光化学腐蚀加工:加工原理:由于光化学腐蚀加工是照相制版和光刻加工相结合的技术，照相制版是把所需图像摄影到照相底片上，并经过光化学反应，将图像复制到涂有感光胶旳铜板或锌板上，再经过坚膜固化处理，使感光胶具有一定的抗蚀能力，最后经过化学腐蚀，即可获得所需图形的金属板。
光刻是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点，将掩膜版上的图形精确地印制在涂有光致抗蚀剂的衬底表面，再利用光致抗蚀剂的腐蚀特性，对衬底表面进行腐蚀，可获得极为复杂的精细图形。光刻精度很高，可达0.01~0.005mm,
工艺过程:照相制版(原图和照相，金属板和感光胶的涂覆，曝光、显影和坚膜，固化，腐蚀)、光刻(原图和掩膜版的制备，涂覆光致抗蚀剂，曝光，腐蚀，去胶)
第七章
超声加工,Ultrasonic Machining,
加工原理:加工时 ，工具与工件之间加入液体和磨料混合的悬浮液，并使工具以轻微的压力P压在工价上，超声波换能器产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助变幅杆将振幅放大到10~100μm范围内驱动工具振动，超声频震荡将通过磨料悬浮液的作用，剧烈冲击位于工具下方工件的被加工表面，是部分材料被击碎成细小颗粒，在工作中，工具头的高频振动可搅动悬浮液磨料，使磨粒高速抛磨工件表面，工具头的振动还是悬浮液产生空腔，空腔扩大直至破裂，或不断被压缩闭合。
超声波加工特点:1.是用于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、金刚石。
2.加工精度较高，
3(由于工具通常不需要旋转，因此易于加工各种复杂形状的型孔、型腔、成型表面等。 4.磨料硬度应比被加工材料高，而工具的硬度可低于被加工材料。
5.多数情况下，工件的形状主要靠工具的形状来保证，不需要工具和工件做复杂相对运动，因此超声加工机床的结构也比较简单。
6.超声波加工面积不大，工具头磨损较大，故生产效率低。
加工设备:1.超声波发生器，其作用是把50Hz的交流电转变为有一定功率输出的16000Hz以上的超声高频电振荡，以提供工具断面往复振动和去除被加工材料的能量。 2.超声振动系统，是把高频电能转化为机械能，使工件或工具端面作高频、小振幅的振动已进行加工。用来固定整个
换能器:是将高频电振荡转换为机械振动，利用压电效应和磁致伸缩效应实现这一目的。
变幅杆:是一种上粗下细的棒杆，用来放大位移振幅，或者把能量集中在较小的面积上:作为机械阻抗变换器，是换能器与声负载更好地匹配耦合，有效的换能器与声负载之间传递交换超声能量。
3超声加工设备机床本体:
4.磨料工作液及循环系统:
主要工艺指标的影响因素:加工效率可用加工速度来衡量，加工质量可用加工精度和表面质量来衡量。
333加工速度一般为1mm/min ,50mm/min,最大加工速度400,2000mm/min. 工具振幅和频率的影响:1.提高工具头的频率及振幅有利于提高加工速度，但过大的振幅和频率会在振动系统中产生很大的交変内应力，超声加工一般振幅为0.01,0.1mm,频率16000,25000Hz。
2.进给压力的影响:工具头应对工件保持一个合适的静压力，过小，则磨粒撞击减弱，过大，则不利于磨粒的更新。
3.磨料的种类和粒度的影响，磨粒硬度高、磨粒粗可使加工速度快，但工件表面粗糙。 4.磨料悬浮液浓度的影响，通常采用的浓度为磨料对水的质量比约为0.5,1。 5.被加工材料的影响，被加工材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，因此越容易加工。 加工精度可达0.01,0.02mm,一般孔加工的尺寸精度可达?(0.02~0.05)mm。 主要应用:主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔、切割、开槽、套料、雕刻、成形小批量零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。
水射流加工，Water Jet Machining. 加工原理:利用高速水流对工件的冲击作用去除材料，储存在水箱中的水或加入添加剂的水液体，经过过滤器处理后，由水泵抽出送至储能器中，使高压液体流动平稳，液压机构驱动增压器，使水压增高到70~400MPa。高压水经控制器、阀门和喷嘴喷射到工件上的加工部位，进行切割。
技术优势:1.切割时工件材料不会受热变形，切边质量好，切口平整，无毛刺，切缝窄，宽度为0.075,0.40mm。材料利用率高，使用水量也不多，降低了成本。
2.加工过程中，作为刀具的高速水流不会变钝，各个方向都有切削作用。 3.切削加工过程中，温度较低，无热变形、烟尘、渣土等，加工产物随液体排出，可以用来切割加工木材、纸张等易燃材料和商品。
4.由于切割加工温度低，不会造成火灾。加工过程不会产生粉尘污染。
5.加工材料范围广，既可用来加工非金属材料，也可以加工金属材料，更适宜于加工切割薄的和软的材料。
6.加工开始不需要退刀槽、孔，工件上的任何位置都可以作为加工开始和结束的位置。 7.液力加工过程中，切屑混入液体中，不存在粉尘，不会爆炸或火灾。 加工设备:增压设备(包括增压器、控制器、泵、阀、及密封装置等)、切割系统、控制系统、过滤设备、机床机身(通常采用龙门式或悬臂式机架)
工作参数:1.流速与流量:速度每秒数百米，是声速的2 ,3倍，流量可达7.5L/min。 2.水压:高达700MPa，目前超高压水射流切割设备的最高压力一般控制在400MPa以内。
1023.能量密度 :可达10W/mm:
4.喷射距离:根据不同的加工条件，喷射距离有一个最佳值，一般范围为2.5,50mm，常用距离为3mm。
5.喷射角度为0度到30度，喷射直径一般小于1mm，常用直径为0.05,0.38mm. 离子束加工.Ion Beam Machining
加工原理:在真空条件下，将氩、氪、氙等惰性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，以其动能轰击工件表面的加工部位，已实现去除材料的加工。 离子束分类和主要应用:离子刻蚀、离子沉积、离子镀、离子注入、
离子束加工特点:1.易于精确控制，加工精度高。
2.加工应力小、变形小。
3.加工产生污染少。
4.离子束加工是靠离子轰击材料表面原子来实现的，它是一种微观作用，宏观应力很小，加工应力小，适合于各种材料和低刚度零件的加工。
挤压珩磨加工.Abrasive Flow Machining 加工机理:是利用一种含磨料的半流动状态的粘弹性磨料介质、在一定压力下强迫在被加工表面上流过，由磨料磨粒的刮削作用去除表面微观不平材料的工艺方法。 工艺特点:适用范围广，它可以适应各种复杂表面的抛光和去毛刺，几乎能加工所有金属材料，也可加工陶瓷、硬塑料。抛光效果好，加工后的表面粗糙度与原始状态和磨料力度等有关，最低可达Ra0.025μm。加工效率高，加工精度高。
工艺系统:挤压珩磨介质(是有基体、添加剂、磨料组成)，夹具，是挤压珩磨的重要组成部分。
主要应用:可用于边缘光整、倒圆角、去毛刺、抛光和少量的表面材料去除。特别适合于与难加工的内部通道抛光和去毛刺。
磁性磨料加工:加工机理是把磁性磨料放入磁场中，磁性磨料在磁场中将沿着磁力线的方向有序的排列成磁力刷，把工件放入磁极中间，并使工件相对N极和S极保持一定的距离，当工件相对磁极作相对运动时，磨料将对工件表面进行研磨加工。
磁性磨料制造工艺，使用的原料是铁加普通磨料，一般的制造方法是将一定粒度的三氧化二铝或碳化硅与铁粉混合、烧结、然后粉碎，筛选，制成一定尺寸的磁性磨料。尺寸过大时，其受磁场的作用力大，研磨抛光加工率高，磁性磨粒的尺寸较小时，研磨过程易受控制，易于保证加工质量，但效率低。
磁性磨料研磨装置:第一类是具有磁性磨料工具的恒磁场，该磁场依靠磁性研磨工具和加工表面相对运动来磨削。
第二类是具有一个交变或运动的磁场，磁性磨料的移动依靠磁场的变化来实现。 应用:利用回转磁极研磨球面，磁力研磨阶梯型零件，还可用于零件的抛光。
第八章
电解磨削加工;加工原理:导电砂轮与电源的负极相连，被加工工件接正极，它在一定压力下与导电砂轮相接触，间隙被电解液充满，电流从工件通过电解液流向磨轮，形成通路，工件表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用，被氧化成为一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜一般为阳极薄膜，但刚形成的薄膜迅速被导电砂轮中的磨料刮除，在阳极工件又暴露出新的金属表面并继续电解，如此反复，直到达到一定的尺寸精度和表面粗糙度。 特点:加工范围广，加工效率高;可以获得更高的加工精度及表面质量;砂轮的磨损量小。 不足之处，加工刀具等的刃口不易磨得非常锋利，机床、夹具等需采取防蚀防锈措施，需增加吸气、排气装置及直流电流、电解液过滤、循环装置等附属设备。
影响电解磨削生产率和加工质量的因素:1.电化学当量，2.电流密度，提高电流密度能加速阳极溶解，3.磨轮与工件间的导电面积，导电面积越大，通过的电量越多，单位时间内的金属去除率越大，4.磨削压力，磨削力越大，工作台走刀速度越快阳极金属被活化程度越高。 1.电解液，硼酸盐、磷酸盐等弱电解质的含氧酸盐的水溶液都是较好的钝化性电解液。2.阴极导电面积和磨粒轨迹，3.被加工材料的性质，4.机械因素。
影响表面粗糙度的因素:1.电参数，2.电解液，3.工件材料性质，4.机械因素。 电解磨削用电解液及其设备:1.电解液选择要求如下.
能够使金属表面生成结构紧密、粘附力强的钝化膜，以获得良好的尺寸精度和表面粗糙度 对人体和环境无害，确保人身安全，经济效果好，价格便宜，来源丰富，加工不易消耗。 2.电解磨削设备:主要包括直流电源、电解液系统和电解磨床。
电解磨削的应用:用来磨削一些高硬度的零件。对于普通磨削很难的加工小孔、深孔、薄壁孔等。
电解珩磨加工:加工原理，将工件接直流电源的正极，珩磨条接负极，形成电解加工回路并构成复合电解珩磨加工系统，加工时，珩磨头作直线往复运动，工件做旋转加工运动，工件表面电解生成的钝化膜被珩磨条刮除，使其重新露出新的基体金属，并被再次电解蚀除，如此循环，直到达到工件要求。
特点:加工速度高是普通珩磨加工的3,5倍，加工精度高，表面粗糙度高Ra?0.1μm。 选择合适的电解液和电参数，可获得良好的加工质量。珩磨头既是磨削工具又是阴极电极，电解珩磨，珩磨条损耗小，排屑容易，冷却性能好、热应力影响小，表面无毛刺。 电解研磨:在研磨时，将微粉混入电解液，随电解液流入加工间隙中的工作方式，为防止研磨时短路，，研具上装有绝缘镶条，略突出研具基体金属表面。
电解研磨适用于不锈钢、高温合金等粘度、硬度较大的工件，因为工件材料的研磨速度主要取决于电解作用的大小，故加工效率要高于机械研磨。
电化学机械抛光:加工原理:工件接直流电源的正极，抛光头接负极，电解液有电解液泵供给抛光头，在经过无纺布的微孔进入抛光区，抛光头以一定的速度旋转，并沿一定的路线移动，同时还对工件表面加一定的压力，电源接通，工件表面在电解和机械研磨的复合作用下被抛光。
影响电化学机械复合抛光的因素:电解液的成分、浓度，加工电压的选取，磨料粒度不仅影响抛光效率，而且影响表面粗糙度，抛光对工件的压力要适当，磨粒的运动轨迹。
范文五：100212421徐君精密成形技术
弹性元件的精密成形技术
摘要:弹性元件有形状复杂的表面，用传统加工技术很难达到设计要求，精密成形技术很好的解决了这个问题。根据不同的元件形状，可以选择精密铸造、精密焊接、精密冲裁、精密锻造或快速原型制造技术。这些精密成形技术能快捷方便地制造出要求的弹性元件，且能达到设计的精度要求。
关键词:弹性元件 精度 精密成形 快速制造
一、概述
金属元器件的精密成形，是指零件成形后仅少量加工(即近净成形技术 Near Net Shape Technique),或不必加工(即净成形技术 Net Shape Technique),即可作为机械构件使用的成形技术。它是一类先进制造技术，与传统切削加工相比，它具有更省材料、节约工时、提高生产效率、降低成本等优点，是仪器仪表元器件制造的发展方向之一。
而现在，在仪器仪表中，弹性元件得到广泛的应用。它是利用材料的弹性特性来完成各种功能的元件。弹性元件的种类很多，根据不同的使用要求，其结构形状和所用的材料也各有差异。在工艺上，制造金属弹性元件应满足以下所列的要求:
(一) 在一定的工作条件下，具有一定的弹性特性，即在载荷作用下，
能产生一定的位移或变形。
(二) 工作特性不随时间或其他因素(如温度、气候条件等)的改变而
变化，即工作特性要具有较好的稳定性。
(三) 使用寿命要长。
根据弹性元件的使用要求，弹性元件的表面不会是简单的圆柱面、圆锥面、平面、及其组合，而是形状复杂的表面，这些表面使用传统的加工技术很难达到要求，所以弹性元件的加工应该优先使用精密成形技术。
二、精密成形技术
(一)简介
机械构件的加工，首先要制造毛坯。再经切削、磨削等工序，才能得到符合设计要求的产品。毛坯到产品的传统加工方法，材料、能源、时间的消耗都很大，还会产生大量的废屑。废液及噪声污染。而精密成形技术可极大的改变这种状况。 利用熔化、结晶、塑性变形、扩散、他变等物理化学变化，按预定的设计要求成形机械构件，目的在于使成形的制品，达到或接近最后要求的形状或尺寸——这就是精密成形技术。它是现代技术(计算机技术、新材料技术、精密加工与测量技术)与传统成形技术(铸造、锻压、焊接、切割等)相结合的产物。不仅可以提高材料的利用率，减轻污染，还可使构件材料获得传统方法难以获得的化学成分与组织结构，从而提高产品的质量与性能。精密成形技术是生产高技术产品(如计算机、电于、通讯、宇航、仪表等产品)的关键技术。
(二)分类
1.精密铸造
精密铸造是用精密的造型方法获得精确铸件工艺的总称，包括湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯。现在精密铸造常用的工艺方法有熔模铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、压力铸造、消失模铸造。
其中较为常用的是熔模铸造,也称失蜡铸造:选用适宜的熔模材料制(如石蜡)造熔模;在熔模上重复沾耐火涂料与撒耐火砂工序，硬化型壳及干燥;再将内部
的熔模溶化掉，获得型腔;焙烧型壳以获得足够的强度，及烧掉残余的熔模材料，;浇注所需要的金属材料;凝固冷却,脱壳后清砂，从而获得高精度的成品。根据产品需要或进行热处理与冷加工和表面处理。
现在比较普遍的做法是:首先根据产品要求设计制作(可留余量非常小或者不留余量)的模具，用浇铸的方法铸蜡，获得原始的蜡模;在蜡模上重复涂料与撒砂工序，硬化型壳及干燥;再将内部的蜡模溶化掉，是为脱蜡，获得型腔;焙烧型壳以获得足够的强度;浇注所需要的金属材料;脱壳后清沙，从而获得高精度的成品。根据产品需要或进行热处理与冷加工。
2.精密焊接
业界习惯把焊接点小于1平方毫米面积的焊接，成为精密焊接。精密焊接可以采用多种焊接方式，其中包括:精密电阻焊接机(也叫电子点焊机，微电子点焊机，微点焊)，激光焊接机，超声波焊接机，精密氩弧焊等。简化图参考图1。
目前实现精密焊接的方法主要有激光焊、电子束焊、固态焊接、扩散焊、熔焊近终成型技术。
图表 1 图表 2
3. 精密冲裁
精密冲裁是使板料冲裁区处于特殊应力状态，获得精确尺寸和光洁剪切面(可直接做工作面，不需要再切削加工)的冲裁方法，简化图参考图2。
采用精密冲裁方法可以提高冲裁切口表面的质量，得到全部光洁和垂直的剪切面。精密冲裁的实质是使冲模刃口附近剪刀变形区内材料处于三向压应力状态，抑制断裂的发生，使材料以塑性变形的方式实现分离。为此在冲裁的外周增加强压力圈,如图2中的V形压边膜,冲模间隙减小或为负间隙(凸模小于凹模)。
在批量较小时，或冲裁厚度很小的薄板工件时，常用橡胶或聚氨酯代替冲裁模的一个刃口，用另一个刃口完成分离工作。这种方法称为橡胶冲裁或聚氨酯冲裁。
4.精密锻造
精密锻造是在精度高、刚性好的锻压设备上使用精密模具制造无切削余量或少切削余量锻件的工艺技术。
精密锻压与普通模锻相比，锻件的模锻斜度小(0,3)、表面光洁(6以上)、凹凸圆角半径小、主要尺寸容差小。精密锻压工艺在航空航天工业中用于制造形状复杂、壁薄、要求金属流线分布合理和难切削材料的锻件，例如，整体叶轮、叶片、钛合金和高温合金零件等。采用精密锻压可以节约贵重材料和切削工时，减轻毛坯重量和提高产品性能。航空航天工业中常用的精密锻压方法有精密模锻、
等温模锻、超塑性等温模锻和多向模锻等。
5.快速原型制造技术
快速原型制造技术是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光加工技术的技术集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。
这种技术是直接根据产品CAD的三维实体模型数据，经计算机数据处理后，将三维实体数据模型转化为许多平面模型的叠加，然后直接通过计算机进行控制以制造一系列的平面模型，然后加以联结，即可形成复杂的三维实体。
快速原型制造技术加工是一种加层行为，不需要担心刀具路径。还有，无需使用夹具，节省成本。另外，对于小数量之生产需求，经济效益显著。快速模具制造、电解加工、电铸加工、压力加工均可以运用快速原型制造技术。 三、精密成型技术加工弹性元件实例
(一)螺旋弹簧的精密成形
螺旋弹簧的制造工艺包括:卷制成形;挂钩的制作或端面圈的精加工;热处理;工艺试验及强压处理。
1.螺旋拉伸弹簧。
其工艺与螺旋压缩弹簧基本相同，不同的只是端部的钩环加工，拉伸弹簧的成形方法如下:
用与螺旋压缩弹簧相同的方法，卷绕成形后进行去应力退火，再进行钩环加工，除特殊形状的钩环或要求初拉力很高的螺旋拉伸弹簧用车床有心卷制或手工卷制外，大部分的弹簧是用自动卷簧机卷制。
用直尾卷簧机卷制。它是一种心轴垂直的立式有心卷簧机。卷制后进行去应力退火，然后进行钩环加工。 螺旋拉伸弹簧的端部结构形式很多，加工方法也很多。常用的有:小型弹簧使用钳子式的专用工具或专用工艺装置进行手工加工;普通的螺旋拉伸弹簧则以弯钩器或模具用手动或自动的操作方法进行加工;长臂钩环的拉伸弹簧，一般是卷绕时留出拉钩所需料长，或者是卷制后留出加工所需的圈数，用拉直工具将两端拉直，然后用专用工具弯制钩环。 去应力退火的工艺规范如前所述。弹簧卷制好后先进行去应力退火，然后再切断和进行钩环加工，钩环加工完毕后，一般再要进行了1,2次的去应力退火。为了防止两钩环的相对角度发生变化，故在去应力退火时要使钩环加工完毕后的温度比卷制好后的温度低20,30?C。 螺旋拉伸弹簧一般不进行抛丸和强拉处理。
2.螺旋扭转弹簧。
其工艺和螺旋压缩、拉伸弹簧基本相同，在小批量生产和扭臂比较复杂的情况下，多数采用手工或半自动的有心轴卷簧法成形，然后用工装夹具将扭臂按图
样要求进行加工。在大批量生产时，则可在直尾卷簧机和扭簧专用机上卷制，扭臂不能按图样完成的，再分工序用工装、夹具来加工。 根据螺旋扭转弹簧的特点，在设计和制造时，还应注意以下两点:
2.1螺旋扭转弹簧端部扭臂在制造时应一次弯曲成形，避免加工疵病和校正整形加工。扭臂加工完后应进行第二次去应力退火;
2.2目前的螺旋扭转弹簧多为密圈，这样在弹簧圈之间就产生了相当于拉伸弹簧的初拉力类似的压紧力，在加载和卸载时会产生摩擦力而出现滞后现象，当加载与旋向相同或圈数增加时，这种倾向增加;另外也给表面处理工序带来困难。因此在设计和成形时，弹簧圈间应稍留间隙。 在大量生产中，制造厂在有条件的情况下，对螺旋拉伸、扭转弹簧的展开、折弯、弯钩等工序可采用液压、气动等方法去加工。
(二)波纹管的精密成形加工
目前，波纹管成形主要方法有液压成形、机械成形和波纹成形。
1.液压成形
液压成形和滚压成形是较传统的波纹管成形方法，在小通径的波纹管成形中大都采用液压成形方法;对大通径的波纹管一般则采用液压成形，但滚压成形通常只能滚压单层波纹管。
2.机械成形
机械胀形是近年来发展起来的较先进的成形方法。与液压成形相比，生产效率提高10倍以上(通径较大的波纹管)，劳动强度也大为降低。在成形大通径的多层波这时，端口不用密封，也能保证波纹管层间的清洁。且设备简单，投资小，通径100mm以上的波纹管均能采用机械胀形法。
波纹管机械胀形时采用一种圆形内模，它由若干个模瓣组成。
波纹管制造工序如下 :波纹成形?波纹管端边缝焊?波纹管端口剪切。
3.波纹成形
将已套装好的管坯套在机械胀形膜具外面，确定第一个波的位置，然后开动液压机，模具的模瓣在液压机(通过模具的锥体上下运动)的作用下向外运动，使管坯成形出波纹，当波纹形状符合图样或工艺卡的要求时，由于模具中的限位装置的作用，模瓣向外运动受到限制不再运动。此时，将液压机开到回程方向，模具中的锥体和模瓣在复位弹簧的作用下，随波压机的回程运动逐渐复位。待完全复位后，将管坯移动一定的距离，再重复上述步骤，成形出第二个波纹。如此往复，直到成形出所要求的波纹数。
四、总结
现在在弹性元件的制造工艺中，精密成形技术已经是最重要的一部分。由于弹性元件的材料的特殊性，元件形状的不规则性，精密成形技术是目前解决这些困难的比较恰当的方法。精密成形技术具有净成形尺寸及行为精度高，高效、低消耗、低成本的优点。精密成形技术可以方便的、快捷的做出在之前很难做出的弹性结构件，较传统制造方法改善了生产条件，减少了环境污染。所以，对于弹性元件来说，精密成形技术是最佳选择。
参考文献
1、 张福润主编，《机械制造技术基础》。华中理工大学出版社，1999 2、 武汉建筑材料工业学院，《机械设计工艺基础》。中国建筑工业出版社，
1979
转载请注明出处范文大全网 » 先进制造工艺--精密洁净铸造
