材料加工工程

材料加工工程緒論MaterialsProcessingEngineering一、課程的性質(zhì)和任務(wù)材料是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，材料加工則又是使材料成為對人類具有使用價值產(chǎn)品的必經(jīng)之路，自然界及人工合成的絕大多數(shù)材料需經(jīng)加工而成形。因此，學(xué)習(xí)、研究和掌握材料加工的基本原理和方法是十分重要的。一、課程的性質(zhì)和任務(wù)材料加工工程是隨人類社會進步而不斷發(fā)展的一門學(xué)科，與之相應(yīng)的材料成形工業(yè)也成為人類社會賴以生存的基礎(chǔ)工業(yè)，并且不斷產(chǎn)生出新興的產(chǎn)業(yè)分支。一、課程的性質(zhì)和任務(wù)涉及到的基本原理類問題有：1.如何選擇材料加工方式，才能最經(jīng)濟、快捷地生產(chǎn)所需的產(chǎn)品？2.如何控制宏觀生產(chǎn)工藝，使產(chǎn)品的外形尺寸、精度滿足要求？3.如何控制材料微觀組織，使產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量和性能滿足用戶要求？4.如何控制材料的宏微觀缺陷，以便大幅度提高產(chǎn)品的使用壽命？5.如何正確計算和確定成形過程的工藝參數(shù)，正確選擇生產(chǎn)設(shè)備？一、課程的性質(zhì)和任務(wù)為使對材料加工工程學(xué)科有興趣的同學(xué)了解材料加工工程學(xué)科的基本概念和工藝方法，特設(shè)立“材料加工工程”選修課。其基礎(chǔ)是材料力學(xué)、金屬學(xué)、機械原理與設(shè)計等，所研究的核心問題是材料結(jié)構(gòu)－性能－加工工藝之間的關(guān)系。材料加工工程的內(nèi)涵一、課程的性質(zhì)和任務(wù)材料：材料的主要性能及評價方法，主要的工程材料――鋼鐵材料、有色金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料；加工：材料成形的主要工藝方法――鑄造、軋制、鍛造、板料成形、擠壓、拉拔、焊接的原理，以及外在尺寸形狀和內(nèi)部質(zhì)量控制的基礎(chǔ)。工程：主要的加工工藝裝備、工藝方法選擇與經(jīng)濟性分析、自動控制，以及組件乃至裝備的制造。了解材料加工工程新工藝、新技術(shù)及其發(fā)展趨勢。材料增值過程產(chǎn)品鑄錠熔融材料粉末注型軋制鍛造沖壓壓制冷彎連鑄注射成形切削加工精加工原材料特種成形擠壓單晶拉伸燒結(jié)SFF吹模成形裝配二、材料加工的主要工藝方法材料加工的工藝方法種類繁多，各種具體工藝技術(shù)自身也在不斷地發(fā)展進步。特別是隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，新興的成形加工技術(shù)不斷涌現(xiàn)，本課程難于全部包容，但其成形工藝原理則大致相通。因此，本課程重點討論“材”成形的主要工藝方法――鑄造、軋制、鍛造、拉拔和擠壓，以及“零件”成形的主要工藝方法――鍛造、板料成形、焊接。BMW汽車制造過程二、材料料加工的的主要工工藝方法法1鑄造造工藝是將液液態(tài)金金屬借助外外力充填到到型腔腔中，，使其其凝固固冷卻卻而獲獲得所所需形形狀和和尺寸寸的毛毛坯或或零件件的工工藝。。鑄造二、材材料加加工的的主要要工藝藝方法法鑄造工工藝的的特點點：1）適適應(yīng)性性廣。。適應(yīng)應(yīng)鑄鐵鐵，碳碳鋼，，有色色金屬屬等材材料；；鑄件件大小小，形形狀和和重量量幾乎乎不受受限制制；壁壁厚1mm到1m。。2）可復(fù)雜雜成形形。適適合形形狀復(fù)復(fù)雜，，尤其其是有有復(fù)雜雜內(nèi)腔腔的毛毛坯或或零件件。3）成成本較較低。。4）但但也存存在一一些不不足，，如組組織缺缺陷，，力學(xué)學(xué)性能能偏低低，質(zhì)質(zhì)量不不穩(wěn)定定，工工作環(huán)環(huán)境較較差。。因此此，鑄鑄件多多數(shù)做做為毛毛坯用用。二、材材料加加工的的主要要工藝藝方法法2軋軋制工工藝在軋機機上旋旋轉(zhuǎn)的的軋輥輥之間間改變變金屬屬的斷斷面形形狀和和尺寸寸，同同時控控制其其組織織狀態(tài)態(tài)和性性能的的固態(tài)態(tài)成形形加工工方法法稱之之為軋軋制。。軋制制是一一種使使材料料發(fā)生生連續(xù)續(xù)塑性性變形形的工工藝過過程。。軋制制工藝藝的生生產(chǎn)效效率高高，因因此是是應(yīng)用用最廣廣泛的的固態(tài)態(tài)成形形加工工方法法。90％％以上上金屬屬“材”的一次次成形形需經(jīng)經(jīng)軋制制工序序完成成。鋼鋼鐵、、有色色金屬屬、某某些稀稀有金金屬以以及它它們的的合金金均可可以采采用軋軋制進進行加加工。。軋制制除能能改變變材料料形狀狀及尺尺寸外外，還還可以以改善善鑄錠錠/坯坯的初初始鑄鑄態(tài)組組織，，細化化晶粒粒，改改善相相的組組成和和分布布狀態(tài)態(tài)，因因而能能提高高產(chǎn)品品性能能。但但難變變形材材料、、形狀狀特別別復(fù)雜雜的和和特長長特細細的產(chǎn)產(chǎn)品不不宜采采用軋軋制方方法生生產(chǎn)，，而需需采用用其他他固態(tài)態(tài)成形形加工工方法法如鍛鍛造、、拉拔拔、擠擠壓等等方式式生產(chǎn)產(chǎn)。熱連軋軋生產(chǎn)產(chǎn)二、材材料加加工的的主要要工藝藝方法法按照軋軋機上上軋輥輥配置置方式式和旋旋轉(zhuǎn)方方向、、軋件件的運運動方方式以以及產(chǎn)產(chǎn)品形形狀、、軋制制主要要有縱縱軋、、橫軋軋和斜斜軋。。根據(jù)據(jù)軋制制過程程中材材料加加工硬硬化、、回復(fù)復(fù)和再再結(jié)晶晶的程程度不不同，，軋制制分為為熱軋軋、冷冷軋和和溫軋軋。按按軋制制品種種不同同，軋軋制可可分為為坯料料軋制制，板板帶箔箔材軋軋制、、型材材和線線材軋軋制、、管材材軋制制以及及特殊殊形狀狀材的的軋制制如周周期斷斷面軋軋制、、車輪輪輪箍箍軋制制等。。二、材料料加工的的主要工工藝方法法軋制是生產(chǎn)產(chǎn)鋼材和有有色金屬材材的主要加加工方法。。鋼材主要要產(chǎn)品有厚厚板、帶材材、薄板、、箔材，常常用型材如如方鋼、圓圓鋼、扁鋼鋼、角鋼、、工字鋼、、槽鋼等，，專用型材材如鋼軌、、鋼樁、球球扁鋼、窗窗框鋼等，，異形斷面面型材；周周期斷面或或特殊斷面面型材、管管材包括圓圓管及部分分異形鋼管管及變斷面面管。有色色金屬材主主要有板帶帶箔材及各各種管、棒棒、型、線線材等。二、材料加加工的主要要工藝方法法軋制工藝是是在十五世世紀后期發(fā)發(fā)展起來的的，基本的的加工是平平板軋制，，其產(chǎn)品則則是平板或或薄板。板板帶鋼按規(guī)規(guī)格一般可可分為厚板板(包括中中板和特厚厚板)、薄薄板和極薄薄帶材或箔箔材。我國國一般稱厚厚度在4.0mm以上者為中中厚板(其其中4-20mm者為中板，，20-60mm者為厚板，，60mm以上者為特特厚板)，，4-0.2mm者為薄板，，而0.2mm以下者為極極薄帶材或或箔材，目目前箔材最最薄可達0.001mm，而特厚板最最厚已達500mm以上，最寬寬可達5350mm，最重已達250t。中厚板常應(yīng)應(yīng)用于做結(jié)結(jié)構(gòu)件，如如船殼、鍋鍋爐、橋梁梁、大梁、、機器機身身、核反應(yīng)應(yīng)堆堆芯等等，其中0.3m的厚板可做做為大鍋爐爐的底座，，150mm可做為反應(yīng)應(yīng)堆的堆芯芯，100~125mm可用于戰(zhàn)列列艦或坦克克。薄板、、極薄帶材材或箔材常常用于汽車車車身、設(shè)設(shè)備裝置、、食品或飲飲料罐、廚廚房或辦公公設(shè)備，商商業(yè)飛機機機身通常使使用的最小小厚度是1mm的鋁合金薄薄板。為便便于將薄板板更進一步步加工成產(chǎn)產(chǎn)品，薄板板常以平板板或帶卷方方式提供。。寶鋼熱連軋軋二、材料加加工的主要要工藝方法法２鍛造成成形用錘擊或壓壓制的方法法對坯料施施加壓力，，使之產(chǎn)生生塑性變形形的固態(tài)成成形加工方方法稱之為為鍛造。軋軋制工藝的的產(chǎn)品是板板帶、結(jié)構(gòu)構(gòu)型鋼等半半成品，鍛鍛造則生產(chǎn)產(chǎn)機器設(shè)備備的零部件件。鍛造加加工的優(yōu)點點是，適應(yīng)應(yīng)性強，能能生產(chǎn)各種種材質(zhì)、形形狀和尺寸寸的鍛件；；在保證設(shè)設(shè)計強度的的情況下可可以減輕零零件的重量量，節(jié)約金金屬材料和和機械加工工?？蛇M行行大批量生生產(chǎn)，生產(chǎn)產(chǎn)效率高。。由于鍛造造生產(chǎn)可以以控制金屬屬流動及晶晶粒組織，，鍛造產(chǎn)品品有較高的的強韌性。。鍛造的缺缺點是，設(shè)設(shè)備龐大復(fù)復(fù)雜，能耗耗大，效率率低，成本本高。自由鍛造二、材料加加工的主要要工藝方法法２鍛造成成形鍛造加工的的生產(chǎn)方法法，在機械械、交通運運輸、冶金金和采礦等等工業(yè)部門門中起著重重要的作用用。在機械械制造業(yè)中中，各種機機床、發(fā)電電機和電動動機的主軸軸、齒輪和和渦輪葉片片等都需經(jīng)經(jīng)過鍛造制制成，在交交通輸業(yè)方方面，各種種汽車、火火車、拖拉拉機和船舶舶的曲軸、、連桿等重重要零件都都儒要鍛造造制坯，冶冶金、采礦礦工業(yè)中，，鍛造生產(chǎn)產(chǎn)用于合金金鋼，鈦合合金的開坯坯，以提高高合金的組組織和性能能，軋鋼機機的軋輥，，礦山設(shè)備備的主軸、、鑿巖用的的釬頭等也也需鍛造成成形；國防防工業(yè)的兵兵器、飛機機、運載火火箭等也離離不開鍛造造加工，在在輕工機械械和日用品品中的鍛造造產(chǎn)品隨處處可見，如如刀、剪、、錘頭、鉗鉗子、鍬和和鎬等。二、材料加加工的主要要工藝方法法２鍛造成成形鍛造根據(jù)鍛鍛造溫度的的不同可分分為冷鍛和和高溫鍛造造，其中高高溫鍛造有有可分為熱熱鍛和溫鍛鍛。由于冷冷鍛時金屬屬的變形抗抗力比較大大，需要較較高的鐐造造力，因此此工件在室室溫下必須須有較高的的塑性。冷冷鍛件表面面光潔度和和尺寸精確確度較高。。熱鍛鍛造造力比較低低，但表面面光潔度和和尺寸精確確度不如冷冷鍛好。鍛鍛造通常需需要后續(xù)的的精加工工工序，如利利用熱處理理來改善鍛鍛件的性能能，利用機機械加工以以提高成品品的尺寸精精確度。二、材料加加工的主要要工藝方法法２鍛造成成形有些可用鍛鍛造生產(chǎn)的的產(chǎn)品也可可以經(jīng)濟地地用其它方方法進行生生產(chǎn)，如連連鑄、機加加工、粉末末冶金等。。但是，每每種加工方方法生產(chǎn)的的產(chǎn)品都有有其優(yōu)越性性及局限性性，最主要要表現(xiàn)在強強度、韌性性、尺寸精精確度、表表面光潔度度、表面和和內(nèi)部缺陷陷等方面。。二、材材料加加工的的主要要工藝藝方法法３板板料成成形在壓力力機上上用凹凹模和和凸模模將金金屬薄薄板成成形為為具有有立體體造型型和符符合質(zhì)質(zhì)量要要求制制件的的固態(tài)態(tài)成形形加工工方法法稱之之為板板料成成形。。板料成成形工工藝過過程包包括板板料選選擇、、坯料料設(shè)計計、成成形工工序制制定、、模具具設(shè)計計、模模具制制造、、設(shè)備備選擇擇、成成形操操作、、后續(xù)續(xù)處理理(熱熱處理理、校校形、、整修修、表表面保保護、、質(zhì)量量檢驗驗)等等。按按成形形時的的受力力和變變形特特點，，成形形方法法可分分為伸伸長類類變形形和壓壓縮類類變形形兩類類。二、材材料加加工的的主要要工藝藝方法法４擠擠壓成成形用擠壓桿桿將放在在擠壓筒筒中的坯坯料壓出出擠壓模模孔而成成形的材材料固態(tài)態(tài)成形加加工方法法稱之為為擠壓。。用擠壓壓方法可可以生產(chǎn)產(chǎn)管、棒棒、型、、線材以以及各種種機械零零件。擠擠壓方法法生產(chǎn)的的典型產(chǎn)產(chǎn)品有：：門框、、窗框、、滑門的的圍欄，，各種不不同截面面形狀的的管制品品以及結(jié)結(jié)構(gòu)型鋼鋼和建筑筑型鋼。。擠壓產(chǎn)產(chǎn)品可切切成所需需的長度度，從而而成為不不透氣的的部件。。如門把把手支架架和齒輪輪。通常常擠壓用用的材料料有鋁、、銅、鋼鋼、鎂和和鉛。其其它金屬屬和合金金可用不不同難度度水平的的擠壓方方法生產(chǎn)產(chǎn)。二、材料加加工的主要要工藝方法法４擠壓成成形擠壓按金屬屬流動及變變形特征分分類，有正正向擠壓、、反向擠壓壓和特殊擠擠壓。特殊殊擠壓包括括靜液擠壓壓、連續(xù)擠擠壓、側(cè)向向擠壓、聯(lián)聯(lián)合擠壓、、復(fù)合擠壓壓、包套擠擠壓、脫皮皮擠壓、水水封擠壓、、舌模擠壓壓、粉末擠擠壓、半熔熔融擠壓、、液態(tài)擠壓壓等。按擠擠壓溫度分分類，有熱熱擠壓、溫溫擠壓和冷冷擠壓。熱熱擠壓和冷冷擠壓是擠擠壓的兩大大分支，在在冶金工業(yè)業(yè)系統(tǒng)主要要應(yīng)用熱擠擠壓，即通通稱的擠壓壓，機械工工業(yè)系統(tǒng)主主要應(yīng)用冷冷擠壓，冷冷擠壓有許許多重要用用途，包括括用于生產(chǎn)產(chǎn)汽車、自自行車、摩摩托車、重重型機械和和傳輸設(shè)備備上的緊圍圍件和零件件。溫擠壓壓發(fā)展比較較晚，應(yīng)用用范圍也窄窄。擠壓成形工工藝特點1)具有有比軋制更更為強烈的的三向壓應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)，，金屬可以以一次承受受很大的塑塑性變形，，為加工難難變形的低低塑性材料料提供了途途徑；2)可以生生產(chǎn)斷面極極其復(fù)雜的的以及變斷斷面的管材材和型材，，這些產(chǎn)品品用其他加加工方法很很難加工，，甚至不可可能；3)具有極極大的生產(chǎn)產(chǎn)靈活性，，用一臺設(shè)設(shè)備可以生生產(chǎn)出很多多種品種和和規(guī)格的產(chǎn)產(chǎn)品，并且且產(chǎn)品更換換容易；4)產(chǎn)品尺尺寸精確，，表面質(zhì)量量高；5)比較容容易實現(xiàn)生生產(chǎn)過程自自動化；6)生產(chǎn)效效率較低，，廢料損失失大，工具具的消耗較較大，制品品性能不均均勻。擠壓壓法適合于于批量小、、品種與規(guī)規(guī)格繁多的的有色金屬屬管、棒、、型材和線線坯的生產(chǎn)產(chǎn)，對于斷斷面復(fù)雜的的或薄壁的的管材和型型材、直徑徑與壁厚之之比趨近于于2的超厚厚壁管材，，以及用于于脆性的有有色金屬和和特殊鋼鐵鐵材料則更更顯示出無無比的優(yōu)越越性。二、材料加加工的主要要工藝方法法５拉拔成成形坯料靠拉力力通過錐形形?？资箶鄶嗝婵s小以以獲得尺寸寸精確、表表面光潔制制品的固態(tài)態(tài)成形加工工方法。拉拉拔棒材可可用于制造造手柄，桿桿和和活塞塞以及用作作諸如鉚釘釘、螺栓、、螺絲等緊緊固件的原原材料。除除圓棒外，，多種外形形的棒料也也能通過拉拉拔生產(chǎn)。。與擠壓過過程不同，，材料在拉拉拔過程中中材料受到到拉應(yīng)力作作用，而在在擠壓過程程中坯料受受到壓力的的作用。拉拉拔通常在在室溫下進進行，屬于于冷加工。。在高于室室溫、低于于再結(jié)晶溫溫度下的拉拉拔叫溫拔拔，屬于溫溫加工。拉拉拔是金屬屬塑性加工工方法中除除軋制以外外的主要加加工方法，，用于軋制制產(chǎn)品如線線材、管材材和型材的的深加工。。二、材材料加加工的的主要要工藝藝方法法５拉拉拔成成形一般而而言，，直徑徑小于于5mm的金屬屬絲只只能靠靠拉拔拔加工工。小小直徑徑的管管材常常用熱熱軋管管經(jīng)拉拉拔減減徑減減壁生生產(chǎn)冷冷拔成成品。。型材材的冷冷拔在在于提提高產(chǎn)產(chǎn)品的的尺寸寸精度度、降降低表表面粗粗糙度度、增增加強強度和和節(jié)約約金屬屬。工工業(yè)上上，線線材一一般指指至少少經(jīng)過過—次模拉拔拔的棒材材。線拉拉拔可生生產(chǎn)比棒棒拉拔更更小直徑徑的產(chǎn)品品。線拉拉拔生產(chǎn)產(chǎn)的磁線線可達0.01毫米，，低電流流保險絲絲尺寸可可更小。。線材和和金屬線線制品有有廣泛的的用途，，例如用用于制造造電線、、電纜、、屏幕、、紗窗、、承載拉拉力的結(jié)結(jié)構(gòu)件、、電焊條條、彈簧簧、紙夾夾、自行行車的輻輻條和樂樂器的弦弦等。人類社會的發(fā)發(fā)展史，始終終伴隨著材料料加工工程技技術(shù)的發(fā)展。。從遠古時代代，人類就開開始利用固態(tài)態(tài)成形方法對對一些天然材材料進行加工工，如巖石、、骨骼、獸皮皮