金属材料成型方法优化

（1）铸造成型

铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6 000年的历史。我国在公元前1700—公元前1000年已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体金属浇铸与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，清整处理后以获得有预定形状、尺寸和性能的零件或毛坯的方法。铸造毛坯因几近成型，而达到免机械加工或少量加工的目的，降低了成本并在一定程度上减少了制作时间。铸造是现代装置制造工业基础工艺之一。被铸物质多为原为固态但加热至液态的金属（如：铜、铁、铝、锡、铅、镁等），而铸模的材料可以是砂、金属甚至陶瓷。因对材料的性能、成本等指标的要求不同，其使用的方法也会有所不同。

铸造主要分为砂型铸造和特种铸造两大类。

1）砂型铸造

它是利用砂作为铸模材料，又称砂铸、翻砂，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类，但并非所有砂均可用以铸造。其生产过程示意图如图3.12所示。

砂型铸造是传统的铸造方法，它适用于各种形状、大小、批量及各种常用合金铸件的生产。其优势是成本低，因为铸模所使用的砂可重复使用；缺点是铸模制作耗时，铸模本身不能被重复使用，须破坏后才能取得成品。此外，砂型铸造是大型铸件的唯一成型方法。

2）特种铸造

图3.12　砂型铸造生产过程示意图

其原理和基本作业模块与砂型铸造相同，只是实现或完成某个或某些工艺过程或工序（尤其是制备铸型）的手段或方法不同而已，这使特种铸造的工艺方法很多。按造型材料，特种铸造可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。

特种铸造中铸型用砂较少或不用砂，采用特殊工艺装备，具有铸件精度和表面质量高、铸件性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。但铸件的结构、形状、尺寸、质量、生产批量等往往受到一定限制。

（2）塑性加工

在物理特征上，任何固体自身都具有一定的几何形状和尺寸，固态成型是改变固体原有的形状和尺寸，从而获得所需（预期）的形状和尺寸的过程。

金属材料的固态塑性成型原理即在外力作用下金属材料通过塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件。由此可见，所有外力下产生塑性改变形而不破坏的金属材料，都有可能进行固态塑性变形。

要实现金属材料的固态塑性变形，必要具备两个基本条件：被成型的金属材料具备一定的塑性；要有外作用在固态金属材料上。

可见，金属材料的固态塑性成型受到内外两方面因素的制约，内在因素即金属本身能否进行固态塑性变形和可变形能力的大小；外在因素即需要多大的外力，且成型过程中两个因素相互影响。另外，外界条件（如温度、变形速度等）对内外因素也有一定的影响。

金属材料中，低、中碳钢及大多数有色金属的塑性较好，都可进行塑性成型加工；而铸铁、铸铝合金等材料塑性很差，不能或不宜进行塑性成型。

工业上实现金属材料的“固态塑变”的方法或技术称为金属压力加工，简称锻压。它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形改变其原有形状和尺寸，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件。具体的方式或过程称为锻压工艺，又称压力加工工艺。工业生产中金属压力加工（金属塑性变形）工艺多种多样，主要有自由锻、模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔等，主要塑性加工类型见表3.1。

表3.1　金属压力加工的分类、特点及应用

1）锻造

锻造是靠锻压机的锻锤锤击工件产生压缩变形的一种加工方法，有自由锻和模锻两种方式。自由锻不需专用模具，靠平锤和平砧间工件的压缩变形，使工件镦粗或拔长，其加工精度低，生产率也不高，主要用于轴类、曲柄和连杆等单件的小批量生产。模锻通过上、下锻模模腔拉制工作的变形，可加工形状复杂和尺寸精度较高的零件，适于大批量的生产，生产率也较高，是机械零件制造上实现少切削或无切削加工的重要途径。

2）轧制

轧制是使通过两个或两个以上旋转轧辊间的轧件产生压缩变形，使其横断面面积减小与形状改变，而纵向长度增加的一种加工方法。根据轧辊与轧件的运动关系，轧制分为纵轧、横轧和斜轧3种方式。

3）挤压

挤压是将皮料装入挤压筒内，在挤压筒后端挤压轴的推力作用下，使金属从挤压筒前端的模孔流出，而获得与挤压模孔形状、尺寸相同的产品的一种加工方法。挤压有正挤压和反挤压两种基本方式。正挤压时挤压轴的运动方向与从模孔中挤出的金属流动方向一致；反挤压时，挤压轴的运动方向与从模孔中挤出的金属流动方向相反。挤压法可加工各种复杂断面的实心型材、棒材、空心型材和管材。它是有色金属型材和管材的主要生产方法。

4）拉深

拉深又称冲压，是依靠冲头将金属板料顶入凹模中产生拉延变形，而获得各种杯形件、桶形件和壳体的一种加工方法。冲压一般在室温下进行，其产品主要用于各种壳体零件，如飞机蒙皮、汽车覆盖件、子弹壳、仪表零件及日用器皿等。

5）弯曲

弯曲是指在弯矩作用下，使板料发生弯曲变形或使板料或管、棒材得到矫直的一种加工方法。

6）剪切

剪切是指坯料在剪切力的作用下产生剪切，使板材冲裁，以及板料和型材切断的一种常用加工方法。

金属塑性加工与金属铸造、切削、焊接等加工方法相比，有以下特点：

①金属塑性加工是金属整体性保持的前提下，依靠塑性变形发生物质转移来实现工件形状和尺寸变化的，不会产生切屑，因而材料的利用率高得多。

②塑性加工过程中，除尺寸和形状发生改变外，金属的组织、性能也能得到改善和提高，尤其对于铸造坯，经过塑性加工将使其结构致密，粗晶破碎细化和均匀，从而使性能得到提高。此外，塑性流动所产生的流线也能使其性能得到改善。

③塑性加工过程便于实现生产过程的连续化、自动化，适于大批量生产，如轧制、拉拔加工等，因而劳动生产率高。

④塑性加工产品的尺寸精度和表面质量高。(www.xing528.com)

⑤设备较庞大，能耗较高。

金属塑性加工由于具有上述特点，不仅原材料消耗少，生产效率高，产品质量稳定，而且还能有效地改善金属的组织性能。这些技术上和经济上的独到之处和优势，使它成为金属加工中极其重要的手段之一，因而在国民经济中占有十分重要的地位。如在钢铁材料生产中，除了少部分采用铸造方法直接制成零件外，钢总产量的90%以上和有色金属总产量的70%以上，均需经过塑性加工成材，才能满足机械制造、交通运输、电力电信、化工、建材、仪器仪表、航空航天、国防军工、民用五金和家用电器的需要，而且塑性加工本身也是上述许多部门直接制造零件而经常采用的重要加工方法，如汽车制造、船舶制造、航空航天、民用五金等部门的许多零件都须经塑性加工制造。

（3）固态材料连接成形技术

固态材料的连接可分为永久性的和非永久性的两种。永久性连接主要通过焊接和黏结过程实现，非永久性连接使用特制的连接件或紧固件（铆钉、螺栓、键、销等）将零件或构件连接起来。

下面介绍固态材料的永久连接成形技术的基本类型及用途。

将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久性接头的成形过程称为焊接。

焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用，如舰船的船体、高炉炉壳、建筑架构、锅炉与压力容器、车厢及家用电器、汽车车身等工业产品的制造，都离不开焊接。焊接方法在制造大型结构件或复杂机器部件时，更显得优越。它可以用化大为小、化复杂为简单的办法来准备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大、拼简单成复杂，这是其他工艺方法难以做到的。在制造大型机器设备时，还可以采用铸—焊或锻—焊复合工艺。这样，仅有小型铸、锻设备的工厂也可以生产出大型零件。用焊接方法还可以制成双金属构件，如制造复合层容器。此外，还可以对不同材料进行焊接。总之，焊接方法的这些优越性，使其在现代工业中的应用日趋广泛。

焊接方法的种类很多，按焊接过程的特点不同，可以分为熔焊、压焊和钎焊3大类。

1）熔焊

由于加热方式的区别，熔焊有以下几种主要类型。

①气焊。利用气体混合物燃烧形成高温火焰，用火焰来熔化焊件接头及焊条。最常用的气体是氧气和乙炔的混合物，调整氧气和乙炔的比值，可以获得氧化性、中心及还原性火焰。这种方法所用的设备较为简单，而加热区宽，焊接后焊件的变形大，并且操作费用较高，因而逐渐被电弧焊代替。

②电弧焊。电弧焊的主要特点是能够形成稳定的电弧，能保证填充材料的供给以及对熔化金属的保护和屏蔽。通常，电弧可通过两种方法产生：第一种电弧发生在一个可消耗的金属电焊条和金属材料之间，焊条在焊接过程中逐渐熔化，由此提供必需的填充材料而将结合部填满；第二种电弧发生在工作材料和一个非消耗性的钨极之间，钨极的熔点应比电弧温度要高，所必需的填充材料则必须另行提供。

电弧焊通常要对金属熔池加以保护或屏蔽。其保护方法有多种，如用适当的焊剂覆盖在消耗性的焊条之上，用颗粒状的焊剂粉末或惰性气体来形成保护层或气体屏蔽。根据电弧的作用、电极的类型、电流的种类、熔池的保护方法等，电弧焊可分为手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、等离子弧焊等，应用最广泛的是手工电弧焊。

③电渣焊。它是利用电流通过熔渣所产生的电阻热来熔化金属的。这种热源范围较电弧大，每一根焊丝可以单独成一个回路，增加焊丝数目，可以一次焊接很厚的焊件。

④真空电子束焊。这是一种特种焊接方法，用来焊接尖端技术方面的高熔点及活泼金属的小零件。它的特点是将焊件放在高真空容器内，容器内装有电子枪，利用高速电子束打击焊件熔化而进行的焊接。这种方法可以获得高品质的焊件。

⑤激光焊。这也是一种特种的焊接方法，它利用聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接。

2）压力焊

根据加热和施压方式的不同，压力焊主要有以下几种常用的类型。

①电阻焊。这是利用电阻加热的方法，最常用的有点焊、缝焊及电阻对焊3种。前两者是将焊件加热到局部熔化状态并同时加压；电阻对焊是将焊件局部加热到高塑性状态或表面熔化状态，然后施加压力。电阻焊的特点是机械化及自动化程度高，故生产率高，但需强大的电流。

②摩擦焊。利用摩擦热使接触面加热到高塑性状态，然后施加压力的焊接，由于摩擦时能够去除焊接面上的氧化物，并且热量集中在焊接表面，因而特别适用于导热性好及易氧化的有色金属的焊接。

③冷压焊。这种方法的特点是不加热，只靠强大的压力来焊接，适用于熔点较低的母材，例如铅导线、铝导线、铜导线的焊接。冷压焊时，虽然没有加热，但由于塑性变形的不均匀性，所放出的热局限于真实接触的部分，因而也有加热的效应。

④超声波焊。这也是一种冷压焊，借助于超声波的机械震荡作用，可以降低所需要的压力，目前只适用于点焊有色金属及其合金的薄板。

⑤扩散焊。扩散焊是焊件紧密结合，在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子扩散而完成焊接的方法。扩散焊主要用于焊接熔化焊、钎焊难以满足技术要求的小型、精密、复杂的焊件。

压力焊接时，压力使接触面的凸出部分发生塑性变形，减少凸出部分的高度，增加真实的接触面积。温度使塑性变形部分发生再结晶，并加速原子的扩散。此外，表面张力也可以促使接触面上空腔体积的缩小。这种加热的压力焊接过程与粉末冶金中的热压烧结过程相似。

3）钎焊

钎焊是与上述方法完全不同的焊接过程，它是利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化，然后再凝固，这样将处于固态的焊件黏结起来的一种焊接方法。根据钎料熔点的不同，钎焊可分为软钎焊和硬钎焊。

①软钎焊。它是指钎料熔点低于450℃的钎焊，常用钎料是锡铅钎料，常用钎剂是松香、氯化锌溶液等。软钎焊接头强度较低，适用于受力较小或工作温度较低的焊件。

②硬钎焊。它是指钎料熔点高于450℃的钎焊。常用钎料有铜基钎料和银基钎料等。常用钎剂有硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。硬钎焊接头强度较高，适用于受力较大或工作温度较高的焊件。

钎焊的加热方法很多，如烙铁加热、气体火焰加热、电阻加热和高频加热等。与一般熔化焊相比，钎焊的特点如下：

a.钎焊过程中，工件温度较低，因此组织和力学性能变化很小，变形也小，接头光滑平整，工件尺寸精确。

b.钎焊可以焊接性能差异很大的异种金属，对工件厚度也没有严格限制。

c.钎焊生产率高，易于实现机械化和自动焊。

d.钎焊接头强度和耐热能力都低于熔焊焊件接头，这是钎焊的主要缺点。

钎焊主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及某些复杂薄板结构，也用于钎焊各类导线和硬质合金刀具。