金屬材料成形工藝的種類及特點

2024年1月4日發(作者：本科自考)

金屬材料成形工藝的種類及特點

金屬材料成形方法是零件設計的重要內容，也是制造者們極度關心的問題，金屬成形工藝分為八大工藝：鑄造、塑性成形、機加工、焊接、粉末冶金、金屬注射成型、金屬半固態成型、3D打印。

一、鑄造

液態金屬澆注到與零件形狀、尺寸相適應的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產方法，通常稱為金屬液態成形或鑄造。

1、工藝流程：液體金屬→充型→凝固收縮→鑄件

2、工藝特點：

1）可生產形狀任意復雜的制件，特別是內腔形狀復雜的制件。

2）適應性強，合金種類不受限制，鑄件大小幾乎不受限制。

3）材料來源廣，廢品可重熔，設備投資低。

4）廢品率高、表面質量較低、勞動條件差。

3、鑄造分類 ：

（1）砂型鑄造

砂型鑄造：在砂型中生產鑄件的鑄造方法。鋼、鐵和大多數有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。

工藝流程：

技術特點：

1）適合于制成形狀復雜，特別是具有復雜內腔的毛坯；

2）適應性廣，成本低；

3）對于某些塑性很差的材料，如鑄鐵等，砂型鑄造是制造其零件或，毛坯的唯一的成形工藝。

應用：汽車的發動機氣缸體、氣缸蓋、曲軸等鑄件

（2）熔模鑄造

熔模鑄造：通常是指在易熔材料制成模樣，在模樣表面包覆若干

層耐火材料制成型殼，再將模樣熔化排出型殼，從而獲得無分型面的鑄型，經高溫焙燒后即可填砂澆注的鑄造方案。常稱為“失蠟鑄造”。

工藝流程：

優點：

1）尺寸精度和幾何精度高；

2）表面粗糙度高；

3）能夠鑄造外型復雜的鑄件，且鑄造的合金不受限制。

缺點：工序繁雜，費用較高

應用：適用于生產形狀復雜、精度要求高、或很難進行其它加工的小型零件，如渦輪發動機的葉片等。

（3）壓力鑄造

壓鑄：是利用高壓將金屬液高速壓入一精密金屬模具型腔內，金屬液在壓力作用下冷卻凝固而形成鑄件。

工藝流程：優點：

1）壓鑄時金屬液體承受壓力高，流速快

2）產品質量好，尺寸穩定，互換性好；

3）生產效率高，壓鑄模使用次數多；

4）適合大批大量生產，經濟效益好。

缺點：

1）鑄件容易產生細小的氣孔和縮松。

2）壓鑄件塑性低，不宜在沖擊載荷及有震動的情況下工作；

3）高熔點合金壓鑄時，鑄型壽命低，影響壓鑄生產的擴大。

應用：壓鑄件最先應用在汽車工業和儀表工業，后來逐步擴大到各個行業，如農業機械、機床工業、電子工業、國防工業、計算機、醫療器械、鐘表、照相機和日用五金等多個行業。

（4）低壓鑄造

低壓鑄造：是指使液體金屬在較低壓力(0.02～0.06MPa)作用下充填鑄型，并在壓力下結晶以形成鑄件的方法.。

工藝流程：

技術特點：

1）澆注時的壓力和速度可以調節，故可適用于各種不同鑄型（如金屬型、砂型等），鑄造各種合金及各種大小的鑄件；

2）采用底注式充型，金屬液充型平穩，無飛濺現象，可避免卷入氣體及對型壁和型芯的沖刷，提高了鑄件的合格率；

3）鑄件在壓力下結晶，鑄件組織致密、輪廓清晰、表面光潔，力學性能較高，對于大薄壁件的鑄造尤為有利；

4）省去補縮冒口，金屬利用率提高到90～98%；

5）勞動強度低，勞動條件好，設備簡易，易實現機械化和自動化。

應用：以傳統產品為主（氣缸頭、輪轂、氣缸架等）。

（5）離心鑄造

離心鑄造：是將金屬液澆入旋轉的鑄型中，在離心力作用下填充鑄型而凝固成形的一種鑄造方法。

工藝流程：

優點：

1）幾乎不存在澆注系統和冒口系統的金屬消耗，提高工藝出品率；

2）生產中空鑄件時可不用型芯，故在生產長管形鑄件時可大幅度地改善金屬充型能力；

3）鑄件致密度高，氣孔、夾渣等缺陷少，力學性能高；

4）便于制造筒、套類復合金屬鑄件。

缺點：

1）用于生產異形鑄件時有一定的局限性；

2）鑄件內孔直徑不準確，內孔表面比較粗糙，質量較差，加工余量大；

3）鑄件易產生比重偏析。

應用：離心鑄造最早用于生產鑄管，國內外在冶金、礦山、交通、排灌機械、航空、國防、汽車等行業中均采用離心鑄造工藝，來生產鋼、鐵及非鐵碳合金鑄件。其中尤以離心鑄鐵管、內燃機缸套和軸套等鑄

件的生產最為普遍。

（6）金屬型鑄造

金屬型鑄造：指液態金屬在重力作用下充填金屬鑄型并在型中冷卻凝固而獲得鑄件的一種成型方法。

工藝流程：

優點:

1）金屬型的熱導率和熱容量大，冷卻速度快，鑄件組織致密，力學性能比砂型鑄件高15%左右。

2）能獲得較高尺寸精度和較低表面粗糙度值的鑄件，并且質量穩定性好。

3）因不用和很少用砂芯，改善環境、減少粉塵和有害氣體、降低勞動強度。

缺點：

1）金屬型本身無透氣性，必須采用一定的措施導出型腔中的空氣和砂芯所產生的氣體；

3）金屬型無退讓性，鑄件凝固時容易產生裂紋；

4）金屬型制造周期較長，成本較高。因此只有在大量成批生產時，才能顯示出好的經濟效果。

應用：金屬型鑄造既適用于大批量生產形狀復雜的鋁合金、鎂合金等

非鐵合金鑄件，也適合于生產鋼鐵金屬的鑄件、鑄錠等。

（7）真空壓鑄

真空鑄造：通過在壓鑄過程中抽除壓鑄模具型腔內的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內的氣孔和溶解氣體，從而提高壓鑄件力學性能和表面質量的先進壓鑄工藝。

工藝流程：

優點：

1）消除或減少壓鑄件內部的氣孔，提高壓鑄件的機械性能和表面質量，改善鍍覆性能;

2）減少型腔的反壓力，可使用較低的比壓及鑄造性能較差的合金，有可能用小機器壓鑄較大的鑄件;

3）改善了充填條件，可壓鑄較薄的鑄件;

缺點：

1）模具密封結構復雜，制造及安裝較困難，因而成本較高;

2）真空壓鑄法如控制不當，效果就不是很顯著。

（8）擠壓鑄造

擠壓鑄造：是使液態或半固態金屬在高壓下凝固、流動成形，直接獲得制件或毛坯的方法。它具有液態金屬利用率高、工序簡化和質量穩定等優點，是一種節能型的、具有潛在應用前景的金屬成形技術。

工藝流程：

直接擠壓鑄造：噴涂料、澆合金、合模、加壓、保壓、泄壓，分模、毛坯脫模、復位；

間接擠壓鑄造：噴涂料、合模、給料、充型、加壓、保壓、泄壓，分模、毛坯脫模、復位。

技術特點：

1）可消除內部的氣孔、縮孔和縮松等缺陷；

2）表面粗糙度低，尺寸精度高；

3）可防止鑄造裂紋的產生；

4）便于實現機械化、自動化。

應用：可用于生產各種類型的合金，如鋁合金、鋅合金、銅合金、球墨鑄鐵等

（9）消失模鑄造

消失模鑄造（又稱實型鑄造）：是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型粘結組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在負壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。

工藝流程：預發泡→發泡成型→浸涂料→烘干→造型→澆注→落砂→清理

技術特點：

1）鑄件精度高，無砂芯，減少了加工時間；

2）無分型面，設計靈活，自由度高；

3）清潔生產，無污染；

4）降低投資和生產成本。

應用：適合成產結構復雜的各種大小較精密鑄件，合金種類不限，生產批量不限。如灰鑄鐵發動機箱體、高錳鋼彎管等。

（10）連續鑄造

連續鑄造：是一種先進的鑄造方法，其原理是將熔融的金屬，不斷澆入一種叫做結晶器的特殊金屬型中，凝固（結殼）了的鑄件，連續不

斷地從結晶器的另一端拉出，它可獲得任意長或特定的長度的鑄件。

工藝流程：

技術特點：

1）由于金屬被迅速冷卻，結晶致密，組織均勻，機械性能較好；

2）節約金屬，提高收得率；

3）簡化了工序，免除造型及其它工序，因而減輕了勞動強度；所需生產面積也大為減少；

4）連續鑄造生產易于實現機械化和自動化，提高生產效率。

應用：用連續鑄造法可以澆注鋼、鐵、銅合金、鋁合金、鎂合金等斷面形狀不變的長鑄件，如鑄錠、板坯、棒坯、管子等。

二、塑性成形

塑性成形：就是利用材料的塑性，在工具及模具的外力作用下來加工制件的少切削或無切削的工藝方法。它的種類有很多，主要包括

鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等。

（1）鍛造

鍛造：是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。

根據成形機理，鍛造可分為自由鍛、模鍛、碾環、特殊鍛造。

自由鍛造：一般是在錘鍛或者水壓機上，利用簡單的工具將金屬錠或者塊料錘成所需要形狀和尺寸的加工方法。

模鍛：是在模鍛錘或者熱模鍛壓力機上利用模具來成形的。

碾環：指通過專用設備碾環機生產不同直徑的環形零件，也用來生產汽車輪轂、火車車輪等輪形零件。

特種鍛造：包括輥鍛、楔橫軋、徑向鍛造、液態模鍛等鍛造方式，這些方式都比較適用于生產某些特殊形狀的零件。

工藝流程：鍛坯加熱→輥鍛備坯→模鍛成形→切邊→沖孔→矯正→中間檢驗→鍛件熱處理→清理→矯正→檢查

技術特點：

1）鍛件質量比鑄件高能承受大的沖擊力作用，塑性、韌性和其他方面的力學性能也都比鑄件高甚至比軋件高。

2）節約原材料，還能縮短加工工時。

3）生產效率高例。

4）自由鍛造適合于單件小批量生產，靈活性比較大。

應用：大型軋鋼機的軋輥、人字齒輪，汽輪發電機組的轉子、葉輪、護環，巨大的水壓機工作缸和立柱，機車軸，汽車和拖拉機的曲軸、連桿等。

（2）軋制

軋制：將金屬坯料通過一對旋轉軋輥的間隙（各種形狀），因受軋輥的壓縮成型軋制使材料截面減小，長度增加的壓力加工方法。

軋制分類：按軋件運動分有：縱軋、橫軋、斜軋。

縱軋:就是金屬在兩個旋轉方向相反的軋輥之間通過，并在其間產生塑性變形的過程。橫軋：軋件變形后運動方向與軋輥軸線方向一致。

斜軋：軋件作螺旋運動，軋件與軋輥軸線非特角。

應用：主要用在金屬材料型材，板，管材等 ，還有一些非金屬材料比如塑料制品及玻璃制品。

（3）擠壓

擠壓：坯料在三向不均勻壓應力作用下，從模具的孔口或縫隙擠出使之橫截面積減小長度增加，成為所需制品的加工方法叫擠壓，坯料的這種加工叫擠壓成型。

工藝流程：擠壓前準備→鑄棒加熱→擠壓→拉伸扭擰校直→鋸切（定尺）→取樣檢查→人工時效→包裝入庫

優點：

1）生產范圍廣，產品規格、品種多；

2）生產靈活性大，適合小批量生產；

3）產品尺寸精度高，表面質量好；

4）設備投資少，廠房面積小，易實現自動化生產。

缺點：

1）幾何廢料損失大；

2）金屬流動不均勻；

3）擠壓速度低，輔助時間長；

4）工具損耗大，成本高。

生產適用范圍：主要用于制造長桿、深孔、薄壁、異型斷面零件。

（4）拉拔

拉拔：用外力作用于被拉金屬的前端，將金屬坯料從小于坯料斷面的模孔中拉出，以獲得相應的形狀和尺寸的制品的一種塑性加工方法。

優點：

1）尺寸精確，表面光潔；

2）工具、設備簡單；

3）連續高速生產斷面小的長制品。

缺點：

1）道次變形量與兩次退火間的總變形量有限；

2）長度受限制。

生產適用范圍：拉拔是金屬管材、棒材、型材及線材的主要加工方法。

（5）沖壓

沖壓：是靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工方法。

技術特點：

1）可得到輕量、高剛性之制品。

2）生產性良好，適合大量生產、成本低。

3）可得到品質均一的制品。

4）材料利用率高、剪切性及回收性良好 。

適用范圍：全世界的鋼材中，有60～70%是板材，其中大部分經過沖壓制成成品。汽車的車身、底盤、油箱、散熱器片，鍋爐的汽包，容器的殼體，電機、電器的鐵芯硅鋼片等都是沖壓加工的。儀器儀表、家用電器、自行車、辦公機械、生活器皿等產品中，也有大量沖壓件。

三、機加工

機加工：是在在零件生產過程中，直接用刀具在毛坯上切除多余金屬層厚度，使之或者圖紙要求的尺寸精度、形狀和位置相互精度、表面質量等技術要求的加工過程。

常用機加工方法：

四、焊接

焊接：也稱作熔接,镕接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術。

焊接分類：

五、粉末冶金

粉末冶金：是制取金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經過成形和燒結，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。

工藝基本流程：

優點：

1）絕大多數難熔金屬及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法來制造。

2）節約金屬，降低產品成本。

3）不會給材料任何污染，有可能制取高純度的材料。

4）粉末冶金法能保證材料成分配比的正確性和均勻性。

5）粉末冶金適宜于生產同一形狀而數量多的產品，能大大降低生產成本。

缺點：

1）在沒有批量的情況下要考慮零件的大小。

2）模具費用相對來說要高出鑄造模具。

生產適用范圍：粉末冶金技術可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導桿、刀具等。

六、金屬注射成型

是金屬注射成形的簡稱。是將金屬粉末與其粘結劑的增塑混合料注射于模型中的成形方法。它是先將所選粉末與粘結劑進行混合，然后將混合料進行制粒再注射成形所需要的形狀。

工藝流程：

流程分為四個獨特加工步驟（混合、成型、脫脂和燒結）來實現零部件的生產，針對產品特性決定是否需要進行表面處理。

技術特點：

1）一次成型負責零件；

2）制件表面質量好、廢品率低、生產效率高、易于實現自動化；

3）對模具材料要求低。

技術核心：粘接劑是MIM技術的核心只有加入一定量的粘接劑，粉末才具有增強流動性以適合注射成型和維持坯塊的基本形狀。

七、金屬半固態成型

半固態成型：利用非枝晶半固態金屬，獨有的流變性和攪熔性來控制鑄件的質量。

半固態成型可分為流變成型和觸變成型。

（1）流變成型

（2）觸變成型

技術特點：

1）減少液態成型缺陷，顯著提高質量和可靠性；

2）成型溫度比全液態成型溫度低，大大減少對模具的熱沖擊；

3）能制造常規液態成型方法不可能制造的合金；

應用：目前已成功用于主缸、轉向系統零件、搖臂、發動機活塞、輪轂、傳動系統零件、燃油系統零件和空調零件等制造等航空、電子以及消費品等方面。

八、3D打印

3D打印：是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印技術比較: