电子束快速成形技术的研究进展

第一篇：电子束快速成形技术的研究进展

电子束快速成形技术的研究进展

1.引言

电子束快速成形技术是集成了计算机、数控、高能束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术。它采用电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择性地熔化金属粉末。并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成形相比，电子束快速成形技术具有能量利用率高、功率大、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能复杂粉末冶金件的理想快速制造技术，在航空航天、汽车及生物医学等领域有广阔的发展前景。

目前金属零件快速制造工艺多数采用激光在气体保护下进行金属粉末的烧结或熔化。激光作为一种金属材料的加工手段，技术比较成熟、可控性好，便于实现数控，能够较好的实现材料的“离散/堆积”，成型激光烧结在小功率范围内应用比较经济，但是当烧结或熔化诸如钨、钛及高温合金特种性能金属材料关键件时有强度不够高的缺点。而电子束加工作为另一种高能束加工手段，它是采用高能电子束作为加工热源，成型可通过操纵磁偏转线圈进行。已在金属零件快速成型领域中得到应用，并显示出了一系列独特的优势：

1）功率能量利用率高

电子束可以很容易的做到几千瓦级的输出，而激光器的一般输出功率在1 kW~5 kW之间。电子束加工的最大功率能达到激光的数倍，其连续热源功率密度比激光高很多，可达1×107 W/mm2。同时比起激光15%的能量利用率，电子束的能量利用率要高很多，可达到75%。

2）对焦方便

激光在理论上光斑直径可达1 nm，但在实际应用中一般达不到。而电子束则可以通过调节聚束透镜的电流来对焦，束径可以达到0.1 nm。因而可以作到极细的聚焦。加工出的产品粒度高，纯度高，性能更优越。

3）可加工材料广泛

大部分金属对激光的反射率很高，熔化潜热也很高，从而导致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降低，使得熔池温度急剧上升，导致材料汽化。而电子束可以不受加工材料反射的影响，很容易加工用激光难于加工的材料，而且具有的高真空工作环境可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。这一点对钛及钛合金的加工尤为可贵。

4）成形速度高，运行成本低

电子束设备可以进行二维扫描，扫描频率可达到20 kHz，无机械惯性，可以实现快速扫描。且不像激光那样消耗诸如N2、CO2、H2等气体，价格相比较低廉。只需消耗数量不大的灯丝。

由上可知，电子束加工较激光加工有能量利用率高、可应用材料广泛、真空环境无污染、成形速度快等优势。

除此之外，电子束在金属焊接、电子束蒸发涂覆、电子束熔炼、电子束表面处理、电子束打孔、电子束制粉、电子束消毒灭菌、电子束显微技术等领域近些年来也不断得到发展，其应用领域也在不断的拓宽。总之电子束技术符合21世纪绿色制造的宗旨，正受到更多的关注和研究，可以预见电子束在金属零件快速制造技术领域必将占有主导地位。

图1-1电子束熔化技术加工过程

2.研究进展

相对于激光及等离子束快速成形，电子束快速成形出现较晚，2001年瑞典Arcam公司确立电子束快速制造技术，其工作原理与选择性激光烧结类似(如图 1-1 所示)，加热能量是电子束。由于该技术在粉末近净成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的独特优势，电子束快速成形的研究在国外很快成为前沿和发展方向，美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国Synergeering集团、德国Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作。在工艺方面：美国Calcam公司采用EBM技术已制备出了全致密、力学性能优于锻造件的Ti6Al4V叶轮部件。

2.1 国外电子束快速成型研究

电子束快速成型是电子束加工与快速制造技术的相结合而产生的一种新技术，不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度、扫描速度快、精密控制等优点，而且可以发挥快速制造无需工模具、开发周期短及制造成本低等优势，预计将在汽车、航空航天及医疗器械等领域得到快速发展和应用。电子束在快速制造领域的应用在国际上刚刚开始兴起，比较领先的是瑞典Gothenburg的Arcam AB公司研制的电子束熔化技术EBM(Electron Beam Melting)，其工作原理类似于选择性激光烧结，加热能量是电子束，采用了一套严格的温度检测控制系统。该电子束加工设备具有能量密度高、扫描速度快、精密控制等优势，主要研究高性能金属材料研究制造工艺，如钛合金Ti6Al4V、Ti6Al4VELI；钴铬合金ASTM F75；镍基合金718、625；铍/AlBeMet；可用于火箭引擎中的粉末冶金新材料GRCop-84；不锈钢316L，17-4PH不锈钢；铝合金和H13钢等，可以得到制件致密度接近100％的制件，图1-2(a)～(d)所示为使用该设备制造的钛合金(Ti6Al4V)零件。该公司电子束熔化成型的最大成型件尺寸为200mm×200mm×160mm，精度为±0.3mm。

图1-2 EBM成型件

目前该公司的产品已经在英国Warwick大学及美国南加州大学等多家快速 制造的研究机构得到了使用，并与英国剑桥真空工程研究所CVE建立了合作关系，应用领域已经延伸到汽车，航空航天及医疗器械领域。美国麻省理工学院也开展了基于电子束的直接金属快速制造工艺研究。John Edward Matz在他的博士论文中研究了另一种电子束快速制造工艺，称作EBSFF，其工艺装备如图1-3所示。

1-3 EBSFF工艺装备原理图

EBSFF系统由电子枪、三维数控工作台、送丝机构、真空系统以及控制系统等组成。在EBSFF工艺中电子束实时熔化从侧向送进的金属丝，形成熔滴；工作台移动，使熔化的金属沉积在基体上，堆积形成零件。在EBSFF工艺中电子束焦点位置是固定不变的，通过工作台的相对运动来实现任意形状截面的制造。NASA Langley Research Center利用电子束实体自由制造技术来制造具有高反射率的航空航天用合金如镁合金和钛合金的结构件。图1-4(a)~(d)为EBF3制件，制件完全致密，屈服极限和强度极限均大于手册给出的同种材料标准强度值，且性能稳定；断裂延伸率也与标准值接近。

图1-4 EBF3成型件

P.Wanjara等人用电子束自由制造技术在SU321不锈钢基板上堆积SU347不锈钢，通过微观组织的观察分析，以及硬度、拉伸强度、屈服强度的测量证明电子束自由制造技术在修补应用上能使堆积成型部分与基体部分很好的结合，经修复的结构件性能很好。与此相似的研究有镍基高温合金718，铝合金2219，钛合 金Ti6Al4V材料电子束自由制造。

2.2国内电子束快速成型研究

国内，清华大学激光快速成型中心联合国内主要的电子束设备提供单位进行了多方论证，开发出电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，并已在国内申请专利。他们发明的三维分层制造设备以粉末类材料为原料，通过电子束扫描控制装置控制电子束在指定区域内以图形投影的方式快速扫描，均匀地加热粉末材料。电子束快速扫描的显著特点是：电子束每一次扫描选定区域的时间极短，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成型区域就已经扫描完成，经过一帧或多帧扫描，成型区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所需的温度，并一起沉积到成型区域上，并同步的降温。由于整体成型区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成型的精度和质量。

图 1-4 电子束选区熔化成型件(316L 不锈钢粉末)

该中心利用电子束选区熔化成型设备进行了316L不锈钢粉末熔化成型试验研究，通过工艺试验和数值模拟，得出气雾化粉末的比例在40 %～60%之间的混合粉末具有较好的成型性能；并对316L不锈钢粉末的微观组织及熔化成型机理进行了研究，图1-4为该设备制作的316不锈钢成型件。西安交通大学刘海涛等人建立了描述电子束熔融316不锈钢粉末扫描线宽规律的数学模型，揭示了扫描线宽与电子束电流、加速电压和扫描速度呈线性关系，搭接率为0.5时的层面质量优于搭接率小于0.5时的层面质量。清华大学齐海波等人采用 SiCP/ A1复合材料进行了电子束烧结快速制造试验研究，采用这种工艺它可摆脱传统工艺制造过程中陶瓷颗粒增强铝基复合材料易氧化、增强颗粒分散不均匀及界面结合差等制约其应用的难题，能制造出任意复杂形状的结构件。韩建栋等人研究了电子束选区熔化成型技术中粉末预热工艺对Ti-6Al-4V合金粉末在高能高速电子束作用下抗溃散性能的影响，并对该粉末进行了三维零件成型试验以验证粉末预热在实际成型中的作用。陕西科技大学杨鑫等人研究了在电子束对金属粉末的作用力，建立了TA7金属粉末受力模型，并对其进行受力分析和计算，研究发现当球形和非球形粉末以3：2的比例混合时，可以得到很好的成型效果。

目前国内航空航天、汽车及生物医学等领域对复杂结构及多孔结构有巨大需求，但由于EBM工艺及设备还不成熟，暂时无法满足航空航天高性能复杂零件实际应用要求，关键问题有吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等。以下从设备、工艺及专用粉末等方面着重分析，并根据分析提出具体解决措施和研究重点。

3.关键问题分析

3.1吹粉

电子质量远大于光子，所以相对于激光束，电子束动量大，在选择烧结时，会出现特有的吹粉问题，即预制松散粉末在电子束的压力作用下被推开的现象。吹粉问题会导致金属粉末在成形熔化前即已偏离原来位置，从而无法进行后续成形工作。吹粉实质上是电子束与粉末相互作用问题，齐海波建立了松散粉末简单静力学模型，确定了电子束作用条件下粉末的溃散临界条件。杨鑫针对球形、非球形以及不同比例混合粉末溃散临界条件进行了受力计算分析和实验，确定具有较好的抗溃散能力粉末混合比例。Arcam公司采用电子束通过逐渐提高电流预热粉末，通过预热粉末增加黏度并形成微烧结粉末层，使后续高能量束流熔化过程中粉末能被固定在原位。目前通过适当改变粉末的表面状态和堆积方式或粉末间的摩擦因数提高粉末抗溃散能力，然后在粉末不溃散的条件下，通过逐步提高电子束扫描电流，预热烧结并固定粉末解决吹粉已形成共识。而电子束与粉末相互作用，尤其电子束对粉末动态冲击过程的研究有待深入，粉末预热及预烧结机理有待揭示。3.2球化

球化现象又称为形球现象，是指金属粉末虽熔融但没形成一条完整平滑的扫描线，而是各自团聚成小球，其原因主要是由于熔融粉末形成的金属小液滴表面张力过大所致。刘海涛实验发现球化与功率P和扫描速度V的比值ŋ有关：

ŋ=P/V

(1)只有当ŋ大于0.1时，才能得到连续的扫描线，否则扫描线会被球化。Cormier D则采用预热增加粉末的黏度，将待烧结粉末加热到一定的温度，可有效减少球化现象。球化现象实际上取决于三方面因素：熔融小液滴表面张力、粉末是否润湿、粉末间的黏结力。如果熔融小液滴不润湿粉末，在表面张力的作用下各自团聚成小球，产生球化现象；如果熔融小液滴润湿粉末，但粉末间的黏结力小于表面张力，则熔融小液滴裹挟粉末团聚成小球，产生球化现象；如果熔融小液滴润湿粉末，且粉末间的黏结力大于表面张力，则熔融小液滴在粉末表面铺展，不产生球化现象。所以，提高粉末间的黏结力、促使熔融小液滴润湿粉末是抑制球化现象的关键。预热粉末一方面提高粉末颗粒的温度，熔融小液滴更易润湿粉末，另一方面增加粉末的黏度、固定粉末，从而抵御粉末熔融小液滴表面张力，有利于熔融小液滴在粉末表面铺展。刘海涛、Cormier D正是增加热输入，有效地减少球化现象。目前还缺乏对球化现象系统的理论研究及定量描述，球化模拟分析机理有待揭示。

3.3变形及残余应力控制

零件在直接成形过程中，由于热源迅速移动，加热、熔化、凝固和冷却速度快，受热不平衡严重、温度梯度高，组织及热应力大。随着零件结构复杂程度的提高，零件产生较大变形甚至开裂，同时成形结束后，存在残余应力分布。而残余应力作为一种内应力会影响成形构件静载强度、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能及尺寸的稳定性。由于还没有有效的实验方法能检测成形过程应力/应变的演变，复杂钛合金结构零件金属直接成形过程应力/应变的演变机理研究，主要是通过数值方法模拟，并通过残余应力测试实验验证的。早期，K.DAI、N.W.Klingbeil等人对于简单熔覆层，石力开等人对于多层直薄壁试件的温度场及简单熔覆层应力进行了模拟分析，取得了较为满意的研究结果。贾文鹏建立了严格实验验证的热弹塑性激光快速成形数值模型，并对航空发动机空心叶片激光快速成形过程温度、形变及残余应力分布规律进行了模拟分析。在控制变形开裂、消除应力方面，哈佛大学A.H.Nickel等人发现采用短路径激光扫描方式熔覆应力比长路径激光扫描方式熔覆应力小。而Li-ang Ma(马良)等人进一步指出采用分形扫描路径可使零件温度场更为均匀，同时用短折线替代长直线，有利于减小应力。贾文鹏提出随形热处理工艺，即在金属零件直接成形时，温度场趋于均匀，减小温度梯度，降低热应力，同时在热处理温度保温，通过塑性及蠕变使应力松弛，防止应力应变累积，达到成形同时减小变形、抑制零件开裂、降低残余应力水平的目的。目前在复杂零件电子束成形零件变形、残余应力消除方面还有待深入，其中关键是在随形热处理应力松弛机理，随形热处理过程温度、应力演化的基础上，研究随形热处理塑性变形及蠕变的演化及分布规律，定量分析工艺参数、约束形式对塑性变形及蠕变的影响，确定不同时刻、不同部位塑性变形及蠕变的主导形式，通过随形热处理工艺对电子束快速制造过程应力、变形控制，减小零件变形，降低残余应力，实现电子束快速制造及随形热处理工艺的优化。

3.4 表面粗糙度

电子束成形零件表面粗糙度一般低于精铸表面，对于不能加工的表面，很难达到精密产品的要求。影响电子束成形零件表面粗糙度的因素主要有：切片方式及铺粉厚度、电子扫描精度、表面粘粉等。其中切片方式及铺粉精度、电子扫描精度与成形设备有关，而表面粘粉与预热、预烧结及溶化凝固工艺过程有关。

目前国内电子束成形设备还不成熟，关键问题是没有电子束成形专用的电子枪，而一般用于电子束焊机的电子枪很少高速扫描，所以在扫描速度、范围、精度、能量密度分布方面与电子束成形工艺要求差距较大，比如如何实现宽幅扫描、动态聚焦、能量密度均布等功能，电子枪需要重新设计，控制及偏转系统有待于研制。另一方面，预热及预烧结工艺在固定粉末抵抗电子束流轰击中起关键作用，但如果预热温度过高，造成在粉末溶化凝固时，周围热量传导粉末溶化烧结，从而造成表面粘粉降低表面质量。所以预热温度、区域选择，尤其是成形区边缘的温度必须严格控制，防止在成形时成形区边缘粉末溶化造成表面粘粉。该方面的工艺研究亟待开展，而表面粘粉机理研究还有待深入。3.5缺陷控制

电子束成形采用逐层熔化堆积形成零件，在成形过程易受偶然因素影响，难免形成融合不良、隔冷、球化等缺陷，所以必须发展缺陷控制技术。目前，电子束成形缺陷控制技术主要有：在成形过程中实时发现缺陷并对其采用电子束重熔消除及在成形后采用热等静压工艺消除两种方法。热等静压易实施，并在铸件及高温合金激光快速成形件消除内部缺陷上广泛应用，但成本较高、效果有限。目前采用红外线阴影模式识别技术，通过实时检测每一层表面缺陷，实现电子束快速制造内部和表面缺陷实时电子束重熔消除是缺陷控制研究重点。而准确识别缺陷、内部缺陷电子束重熔机理分析有待进一步研究。

4总结与展望

电子束快速制造技术是近几年发展起来的一种快速制造技术，国内外在此项技术研究水平上的差距不太大，这为我国在该技术的研发上与国际同步提供了很好的契机。国内清华大学及西北有色金属研究院等单位在电子束快速制造装置及工艺方面进行了跟踪研究。但要实现高性能复杂零件电子束快速制造及广泛应用，还需做巨大努力。目前面临的吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等主要问题，可通过粉末搭配、预热及预烧结、随形热处理、缺陷重熔等工艺有效解决，其关键是电子束与粉末相互作用、粉末烧结及熔化、温度场及应力应变演化等工艺过程的研究。此外专用电子枪的研制、动态聚焦及扫描精度的提高、温度闭环控制等设备的保障也是不可或缺的条件。

第二篇：冲压模具的快速成形技术介绍

冲压模具的快速成形技术介绍

随着经济的快速发展和市场需求的多样化,人们对产品生产周期的要求越来越短,尤其在小批量甚至单件生产方面,要求现代制造技术不仅要有较高的柔性,还要有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控单元冲压模具快速成形技术,就是为适应此种状态而产生的。

单元冲模快速成形的数字化编码钣

钣件的形状可分割成一些简单的图形元素,然后合成所需图形。例如:矩形是4个直角的合成;波浪形是一些曲线的合成等。因此,对于一些精度要求较高的小批量甚至单件生产的钣金件,可以用一些通用件迅速组装成单元冲压模具,采用数控技术,使之快速成形。将被加工钣金件看成一个可被分割的平面图形,对分割出来的简单图形元素进行数字化处理。即按其方位进行定位编码。非等距简单图形零件的数字化,缺口1、2、3、4的(Δx,Δy)均相等,方孔5的(Δx,Δy)均等于2倍的(Δx,Δy),设现有通用冲头的宽等于Δx,长等于Δy。缺口1由位置(2,0)以及位置(3,0)合成,缺口2、3、4同样由两个位置合成,方孔由8个位置合成。如果采用矩形单元快速成形,可以获得如图2所示的二维编码,由于划分过细使得到的编码较长。如果采用正方形单元快速成形,则可以获得如图3所示的二维编码,其编码减小一半。

快速成形的结构设计

目前，大部分中小型企业尚不具备购买高档数控冲床的经济实力，数控单元冲压模具可以直接安装在普通冲床上作为简易数控冲床来使用，上模为凸模机构。光电头安装在上模板下方以检测凸模的起落。坯料的装夹要根据不同的需要进行设计。料板由步进电机控制丝杠分X,Y方向驱动。下模为凹模机构，直接安装在工作台上。

快速成形的控制系统设计

电机驱动及选用，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。共有3种:永磁式、反应式和混合式。混合式集中了前二种的优点，从性价比方面进行综合考虑，拟选用步进角1.8o的两相混合式步进电机。驱动器的型号、种类较多，细分型为考虑对象。因为细分型可消除电机的低频振荡，可提高电机的输出转矩及分辨率。顾及速度和精度细分系数定为4。

系统硬件设计数控单元冲模是安装在曲轴式压力机上的，机床的冲压原理不变。需要控制的是两方面内容:首先要确定零点以及各工位点的位置;其次在上冲模往复动作的启停间被加工件的按编码所得的X,Y方向的快速进给送料运动以及这两个动作的协调。即实现冲压和送料动作的同步控制。

数控系统的人机界面采用键盘输入LED显示键盘具有数字键、设定、修改、查寻、X及Y方向的调整、执行等的功能键，可用来完成加工程序的输入、修改及对控制的操作和调整等。操作人员根据被加工件的形状在计算机上进行编码，自动生成加工程序，通过串行口将加工程序下载给单片机并且保存在FLASH ROM中。工模安装后手动调整零位。进入执行后单片机从FLASH ROM中取得加工程序，并计算X,Y方向的步进距离后再将其转换成相应的步进脉冲数控制X,Y方向的步进电机的转动步数。当光电信号检测到上模位于开启位置时数控系统迅速将待加

工件定位到加工位置，并且启动冲床上冲模下压，实现一次冲压。在冲床带动上冲模开启时数控系统迅速地将待加工件移动到下一加工位置等待下次冲压，直到完成加工停止冲床运动。

系统软件设计

整个系统由上位机来管理。系统软件语言采用Visual Basic 6.0编制其集成开东莞市拓步电子有限公司电话：0769-82123458传真：0769-82123428 网址：http:///发环境(IDE)集设计、修改、调试、生成等功能于一体，人机交互界面十分友好。它是功能强大的Windows环境下的编程语言简单易学可视化程度高。系统软件结构采用模块化结构，共有5个功能模块:系统开机后进入Windows界面双击“数控单元冲模”图标，即弹出应用界面，可选择功能模块。

随着数控技术、伺服技术、运动元件的发展，以及市场经济的需要，数控单元冲压模具快速成形技术得到迅速发展。对于中小型传统企业，这种结合传统制造工艺的高新技术无疑是一种投资省，见效J陕，方便、快捷的技术。随着经济和科学技术的不断发展，实现自动上下料装备、外置模具库自动换模装备等，已经摆在人们的面前。可见，数控冲压的发展是以相关技术和新结构的研制为基础的。单元冲压模具快速成形技术，无疑是先进冲压技术发展的一个新起点 模内攻牙技术

模内攻牙又称模内攻丝,是一种替代了传统人工攻牙的新技术,目前传统的攻牙设备已经不能适应冲压产品需求,效率太低,加工时间长.远远满足不了市场的需要.模内攻牙技术的导入使得冲压模具真正的实现了自动化,效率化,攻牙范围可达到最小M0.6,最大可达到M45.精度可达到0.01mm,模内攻牙技术使的冲出来的产品不需要再进行第二次人工攻牙,其挤压出来的产品质量有保证,表面光洁度好,效率高,成本低.广泛应用于冲压。

制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。基本分类

a.碳素工具钢在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。

b.低合金工具钢低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。

c.高碳高铬工具钢常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2）、SKD11，它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔（轴向镦、径向拔）改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。

d.高碳中铬工具钢用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形

小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。

e.高速钢高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2（代号6-5-4-2，美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒 高速钢 6W6Mo5 Cr4V（代号6W6或称低碳M2）。高速钢也需要改锻，以改善其碳化物分布。

f.基体钢在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。

g.硬质合金和钢结硬质合金硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用含钴量较低的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。

钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、钼、钨、钒等）做粘合剂，以碳化 钛或碳化钨为硬质相，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达 68 ~ 73HRC。

h.新材料冲压模具使用的材料属于冷作模具钢，是应用量大、使用面广、种类最多的模具钢。主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。目前冷作模具钢的发展趋势是在高合金钢D2（相当于我国Cr12MoV）性能基础上，分为两大分支：一种是降低含碳量和合金元素量，提高钢中碳化物分布均匀度，突出提高模具的韧性。如美国钒合金钢公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊钢公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一种是以提高耐磨性为主要目的，以适应高速、自动化、大批量生产而开发的粉末高速钢。如德国的320CrVMo13，等。

选用原则

在冲压模具中，使用了各种金属材料和非金属材料，主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、低熔点合金、锌基合金、铝青铜、合成树脂、聚氨脂橡胶、塑料、层压桦木板等。

制造模具的材料，要求具有高硬度、高强度、高耐磨性、适当的韧性、高淬透性和热处理不变形(或少变形)及淬火时不易开裂等性能。

合理选取模具材料及实施正确的热处理工艺是保证模具寿命的关键。对用途不同的模具，应根据其工作状态、受力条件及被加工材料的性能、生产批量及生产率等因素综合考虑，并对上述要求的各项性能有所侧重，然后作出对钢种及热处理工艺的相应选择。

当冲压件的生产批量很大时，模具的工作零件凸模和凹模的材料应选取质量高、耐磨性好的模具钢。对于模具的其它工艺结构部分和辅助结构部分的零件材料，也要相应地提高。在批量不大时，应适当放宽对材料性能的要求，以降低成本。

当被冲压加工的材料较硬或变形抗力较大时，冲模的凸、凹模应选取耐磨性好、强度高的材料。拉深不锈钢时，可采用铝青铜凹模，因为它具有较好的抗粘着性。而导柱导套则要求耐磨和较好的韧性，故多采用低碳钢表面渗碳淬火。又如，碳素工具钢的主要不足是淬透性差，在冲模零件断面尺寸较大时，淬火后其中心硬度仍然较低，但是，在行程次数很大的压床上工作时，由于它的耐冲击性好反而成为优点。对于固定板、卸料板类零件，不但要有足够的强度，而且要求在工作过程中变形小。另外，还可以采用冷处理和深冷处理、真空处理和表面强化的方法提高模具零件的性能。对于凸、凹模工作条件较差的冷挤压模，应选取有足够硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢，同时应具有一定的红硬性和热疲劳强度等。

应考虑材料的冷热加工性能和工厂现有条件。注意采用微变形模具钢，以减少机加工费用。对特殊要求的模具，应开发应用具有专门性能的模具钢，选择模具材料要根据模具零件的使用条件来决定，做到在满足主要条件的前提下，选用价格低廉的材料，降低成本。

第三篇：材料成形技术基础习题

金属材料力学性能部分

一、填空题

1.材料力学性能指标有：（）、（）、（）、（）、（）、（）。

2.拉伸试验可以用来测试（）、（）、（）。3.塑性可由（）和（）两种方式是表示。4.硬度表示方法有三种，分别是：（）、（）、（）。5.布什硬度的压头有两种，（）和（）。6.一个洛氏硬度单位是（）mm。

二、判断题

1.面收缩率表示塑性比伸长率表示塑性跟接近真实变形。（）2.疲劳强度的单位是KPa/m2。（）

3.布氏硬度计适合测量灰铸铁、非铁合金及较软的钢材。（）4.洛氏硬度是根据压痕直径测试材料硬度值。（）

三、单项选择题

1.布氏硬度的符号是：

A、HA B、HB C、HC D、HD 2.布氏硬度符号中，HBS表示：

A、压头是淬火钢球 B、压头是硬质合金 C、压头是高铬铸铁 3.洛氏硬度的符号是：

A、HL B、HN C、HR D、HQ

四、简答题

1.什么是材料的刚度？

2.什么是材料的强度？什么是屈服强度？什么是抗拉强度？

3.什么是材料的塑性？

4.什么是材料的冲击韧性？

5.什么是材料的疲劳强度？

6.“520HBW10/1000/30”的含义是？

7.三种硬度的测量标准有何不同？

D、压头是金刚石

铁碳相图部分

一、填空题

1.纯铁的同素异构体有（）、（）、（）。2.共晶反应的方程式是（）。3.共析反应的方程式是（）。4.包晶反应的方程式是（）。5.亚共析钢和过共析钢的碳含量分界点是（）。

6.亚共晶白口铁和过共晶白口铁的碳含量分界点是（）。7.奥氏体最大含碳量为（）。8.铁素体最大含碳量为（）。

二、判断题

1.实际讨论的铁碳相图的含碳量范围是0.0008~6.69%。（）2.莱氏体的物相包括α-Fe和Fe3C。（）3.珠光体的物相包括α-Fe和Fe3C。（）4.初生奥氏体存在于过共析钢中。（）

5.珠光体的组织特征是平行线状黑白交替的铁素体和渗碳体。（）6.板条状渗碳体出现在过共晶白口铁中。（）

三、简答题

1.什么是铁素体？它的特征是什么？

2.什么是奥氏体？它的特征是什么？

3.什么是渗碳体？它的特征是什么？

四、计算题

根据铁碳相图计算含碳量为0.5%，0.77%，1.2%，2.11%，3%，4.3%，5%的常温下各组织的含量？各物相的含量？

热处理部分

一、填空题

1.普通热处理有四种，分别是：（）、（）、（）、（）。

2.冷却的方式分两大类，即（）和（）。3.连续冷却的方式有多种，比如：（）、（）、（）和（）。

4.共析碳钢TTT曲线中，高温转变区转变终止产物为（），中温转变区转变终止产物为（），低温转变区转变终止产物为（）。5.珠光体型组织根据片层厚薄不同，可以分为（）、（）、（）。

6.上贝氏体的形态为（）。7.下贝氏体的形态为（）。

8.马氏体分为（）和（），又称为（）和（）。

9.热处理分为预备热处理和最终热处理两种，预备热处理有（）、（），最终热处理有（）、（）。

二、判断题

1.根据片层厚度由厚到薄排列顺序为：珠光体>索氏体>托氏体。（）

2.上贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。（）

3.马氏体中碳含量小于0.2%时，组织为板条马氏体。（）

三、简答题

1.什么是热处理？

2.影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？

3.什么是过冷奥氏体？

4.什么是孕育期？

5.珠光体、贝氏体和马氏体的组织形态特征分别是什么？

6.马氏体转变的特点有哪些？

7.什么是退火？退火的目的是什么？

8.什么是正火？

9.什么是淬火？淬火的目的是什么？

10.什么是回火，回火的目的是什么？

11.为什么过共析钢的淬火温度为 Ac1+30-50℃？

12.淬透性的定义是什么？

13.淬硬性的定义是什么？

铸造部分

一、填空题

1．合金流动性差，浇注时铸件容易产生（）和（）的缺陷。2．在铸件的凝固过程中，铸件的凝固方式有（）和中间凝固以及（）三种方式。

3．液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些空洞。按照空洞的大小和分布，可将其分为（）和（）两类。

4．要使缩孔进入冒口，就要实现（）凝固的原则，使冒口（）凝固。

5．铸件热裂的特征是裂纹短，缝隙宽，形状（），缝内呈（）色。6．铸件由于壁厚不同，冷却速度不同，收缩不同，所以容易产生内应力，通常室温下厚壁受（）应力，而薄壁受（）应力。

7．由于合金的液态收缩和凝固收缩，易使铸件产生（）缺陷，防止此缺陷的工艺方法是实现（）凝固。8．影响铸铁石墨化的因素是：（）和（）。

9．灰口铸铁和可锻铸铁以及球墨铸铁三种铸铁在强度相同的前提下，塑性和韧性最好的是（）铸铁，次之是可锻铸铁，最差的是（）铸铁。

10．可锻铸铁的制取方法是，先浇注成（）铸铁件，然后进行长时间的（）。

11．KTH300—06是（）铸铁，其石墨形态为（）。

12．QT400—17是（）铸铁，其石墨形态为球状，“400”表示最低抗拉强度为400MPa,“17”表示（）。

13.手工整模造型的特点是分形面选在零件的（），模样做成整体，不但造型过程简单，而且铸件不产生（）等缺陷。

14．普通车床床身毛坯铸造浇注时，导轨面应该朝（），钳工用工作台浇注时其大平面应该朝（）。

15．型心头可分为（）和（）两大类。

16．下列铸件在批量生产时，最合适的铸造方法是：大口径铸铁污水管用（）铸造；汽车用铝合金活塞用（）铸造。

17．离心铸造必须在离心铸造机上进行，根据铸型旋转轴空间位置的不同，离心铸造机可分为（）和（）两大类。

二、判断题

1．浇注温度越高，合金的流动性越好，因此，为了防止浇不足缺陷，浇注温度越高越好。2．合金的铸造性能是一种机械性能。

3．HT200，ZG45，ZCuSn5Zn5Pb5，QT600—03等几种材料中，铸造性能最好的是HT200。

4．铸件在凝固收缩阶段受阻时,会在铸件内部产生内应力。

5．铸造合金的液态收缩使铸件产生应力和变形。

6．收缩是合金的物理本性，对正常浇注温度下已定成分的合金，其收缩是不可避免的，收缩的体积也是不能改变的，因此，铸件的缩孔是不可避免的。

7．与灰口铸铁相比，铸钢具有良好的机械性能和铸造性能。8．化学成分是影响铸铁组织与性能的唯一因素。

9．合金的结晶温度范围愈大，合金的铸造性能愈好。

10．合金的固态收缩使铸件产生缩孔和缩松。

11．铸件由于壁厚不同，冷却速度不同，收缩不同，所以容易产生内应力，通常室温下厚壁受拉应力；而薄壁受压应力。

12．在保证铸型充满的前提下，生产中广泛采用高温出炉，低温浇注的生产工艺。13．灰口铸铁的强度随着截面积的增加而增加。14．孕育铸铁件上厚大截面的性能比较均匀。

15.铸铁中的石墨呈片状时，在石墨片的尖角处容易造成应力集中，从而使铸铁的抗拉强度低、韧性几乎为零。

16．由于铸造生产的发展，砂型铸造将逐步被特种铸造方法所取代。17．可锻铸铁是适合生产形状复杂经受振动的厚壁铸件。

18．特种铸造在特种条件下具有先进性,但不能完全代替砂型铸造。19．对铸件需要切削加工的重要表面铸造时应朝上放置。

三、单项选择题

1．合金的流动性差会使铸件产生下列何种铸造缺陷（）

A.偏析 B.冷隔

C.应力

D.变形

2．下列零件中最适合用灰口铸铁制造的是

（）

A.汽车活塞

B.轧辊

C.压力机曲轴

D.车床床身

3．被广泛用来制造机床床身.机器底座的灰口铸铁因为有良好的（）

A.低的缺口敏感性 B.切削加工性 C.减振性

D.耐磨性

4．设计薄壁铸件有“最小壁厚”的规定，主要根据是（）

A.合金的流动性B.合金的收缩性C.合金的抗裂性D.合金的吸气性 5．常用的铸造合金中流动性最好的是（）

A.可锻铸铁

B.灰口铸铁

C.球墨铸铁

D.白口铸铁

6．常用鑄造合金中收缩性最小的是

（）

A.灰口铸铁 B.可锻铸铁

C.球墨铸铁

D.铸钢

7．在相同的工艺条件下，流动性最好的合金是（）

A.共晶合金成分

B.亚共晶合金成分

C.过共晶合金成分

D.结晶间隔宽的合金

8．不同的铸造合金，其最小壁厚的规定不同，主要是根据合金的（）A.流动性B.收缩性C.吸气性

D.氧化性

9．以下牌号的铸造合金中，σb最高的是

（）

A.HT150 B.QT500—07

C.KTH300—06 D.KTZ450—06

10．用HT150生产一壁厚不均匀的铸件，该铸件在（）的强度与牌号中的强度值近似。

A.壁厚10mm左右B.壁厚30mm左右C.壁厚50mm左右D.任意地方

11．可代替铸钢的铸铁有

（）

A.孕育铸铁 B.球墨铸铁 C.白口铸铁

D.灰口铸铁

12．兵马俑铜车马的驮手铜像，按真人1/10的尺寸进行缩小复制，最合适的铸造方法是（）

A.砂型铸造

B.金属型铸造 C.熔摸铸造

D.压力铸造

13．生产普通车床床身应采用

（）

A.熔模铸造

B.砂型铸造C.压力铸造

D.低压铸造 14．设计铸件结构时其分型面尽量选择

（）

A.对称平面

B.曲面

C.最大截面

D.最小平面 15．目前砂型铸造方法应用广泛的主要原因是

（）

A.生产过程简单B.适应性广 C.铸件机械性能好D.生产率低

16．大量生产铝合金照相机壳，应采用的制造方法是（）

A.金属型铸造成形

B.压力铸造成形

C.冲压拉深成形

D.冲压焊接成形

17．生产内腔形状复杂的钢件，毛坯的加工方法用

（）

A.焊接

B.铸造

C.锻造

D.冲压

18．为了提高铸铁件的强度，在不改变壁厚的情况下，常采用的措施是

（）

A.增设拔模斜度

B.增设铸造圆角

C.增设加强筋或改变截面形状

D.改变壁薄厚过渡

19．灰口铸铁壁越厚，其强度越低，这主要是由于壁越厚铸件易产生缩孔、缩松，同时由于（）

A.晶粒粗大

B.气孔越大C.冷隔越严重D.浇不足越厉害

20．大量生产气轮机叶片应采用的铸造方法是（）

A.熔模铸造

B.金属型铸造 C.压力铸造

D.砂型铸造

四、简答题

1.下列铸件的结构工艺性是否合理？若不合理，请说明理由，并在原图上进行修改

或另画出合理图形。

2.如图所示轧钢机导轮铸钢零件，铸造中出现缩孔，试分析原因；并说明采取的防止措施。

3.大批量生产下图所示灰铸铁零件，铸造毛坯要求不使用型芯和活块，采用两箱造型，请修改此零件结构设计中的不合理之处，并重新画出修改后的零件图，标出分型面和浇注位置。

焊接部分

一、名词解释

1、焊接

2、熔化焊

3、压力焊

4、钎焊

5、焊接接头

6、焊接热影响区（HAZ）

7、焊接坡口

8、焊接性

二、简答或论述

1、焊接的基本原理是什么？与其他连接工艺（例如铆接或螺纹连接）有何优势和缺点？

2、主要的焊接方法有哪些？具体要求有何不同？

3、常规的熔焊接头可以分为几个区？为什么说焊接接头是一个组织及力学性能不均匀体？

4、绘图示意说明常见的焊接接头及焊接坡口的型式

5、焊条电弧焊的原理、优缺点及适用场合

6、埋弧焊的原理、优缺点及适用场合

7、钨极氩弧焊的原理、特点及适用场合

8、CO2气体保护焊的原理、特点、适用场合

9、简述焊接中所用的焊条、焊丝、焊剂及氩气、CO2的主要作用

10、电子束焊和激光焊的特点和适用范围

11、什么是焊接电弧，焊接电弧可以分为那几个区域，温度分布有何特点？

12、什么是熔滴过渡，一般分为哪几种形式？

13、电阻焊方法可以分为哪几类，其基本原理和适用场合是什么？

14、什么是摩擦焊？可以分为哪些种类？

15、钎焊的基本原理是什么？可以分为哪些种类？

16、焊接热过程有何特点？

17、低碳钢焊接热影响区的形成及其对焊接接头的影响

18、焊接残余应力和变形产生的原因是什么？有何危害？有哪些消除或防止措施？

19、防止焊接结构脆性断裂，可以从哪些方面入手？

20、影响材料的焊接性的因素有哪些？评价材料的焊接性有哪些方法？

21、试比较一下低碳钢与低合金高强钢的焊接性的不同

22、焊接结构生产的一般工艺流程包括哪些？

三、分析题

1、如图所示低压容器，材料为20钢，板厚为15mm，小批量生产，试为焊缝A、B、C选择合适的焊接方法，并简要说明选择理由。

2、分析下图中所示焊接结构哪组合理，并说明理由。

锻造部分

一、填空题

1.金属的加工硬化是指塑性变形后其机械性能中强度和硬度（），而塑性和韧性（）的现象。

2.金属经塑性变形后，强度升高塑性下降的现象称为（），它可以通过（）方法消除。

3.金属产生加工硬化后的回复温度T回=（）T熔(金属熔化的绝对温度);再结晶温度T再=（）T熔。

4.锻造时对金属加热的目的是（）和（）。

5.45钢合理的锻造温度范围是（），在此温度区间，该钢的组织主要是（）。

6.碳钢随含碳量增加，其锻压性能变（），高碳钢的始锻温度比低碳钢的始锻温度（）。

7.衡量金属可锻性的两个指标是（）和（）。

8.影响金属可锻性的因素归纳起来有（）和（）两大方面。

9.金属在塑性变形过程中三个方向承受的（）数目越多，则金属的塑性越好，（）的数目越多，则金属的塑性越差。

10．锤上模锻的终锻模膛设飞边槽的作用是（）和（）以及保护模膛等。

11．模锻件的分模面即上下模在锻件上的（）,为了便于模锻件从模膛中取出，锻件沿锤击方向的表面要有一定的（）。

12．板料冲压的基本工序可分为（）和（）两大类。

13．板料落料时，凹模的尺寸（）落料件的尺寸，而凸模的尺寸小于落料件的尺寸；板料冲孔时，凸模的尺寸（）孔的尺寸，而凹模的尺寸大于孔的尺寸。14．板料拉深时拉深系数m愈小，板料的变形量愈（），故多次拉深时，m 应愈取愈（）。

15．为使弯曲后角度准确，设计板料弯曲模时考虑到（）现象，应使模具的角度比需要的角度（）。

16．板料弯曲时，弯曲线应（）纤维组织，弯曲方向应（）纤维组织。

17．板料冲压基本工序冲孔和落料是属于（）工序；而拉深和弯曲则属于（）工序。

18.按照挤压时金属流动方向和凸模运动方向之间的关系，挤压可分为（）、（）、（）和（）。

19、锻造前金属加热的目的是为了提高（），降低（），并使（）均匀。

二、判断题

1.滑移是金属塑性变形的主要方式。

2.变形金属经再结晶后不仅可以改变晶粒形状，而且可以改变晶体结构。3.钨的熔点为3380℃，当钨在1200℃变形时，属于冷变形。

4.金属存在纤维组织时，沿纤维方向较垂直纎维方向具有较高的强度，较低的塑性。5.锻造纤维组织的稳定性很高，故只能用热处理的方法加以消除。

6.金属材料凡在加热条件下的加工变形称为热变形，而在室温下的加工变形称为冷变形。7.钢料经冷变形后产生加工硬化而提高强度，钢锭经锻造热变形后因无加工硬化，故机械性能没有改善。

8.自由锻不但适用于单件,小批生产中锻造形状简单的锻件,而且是锻造中型锻件唯一的方法。

9.模型锻造比自由锻造有许多优点,所以模锻生产适合于小型锻件的大批大量生产。

10.胎膜锻造比自由锻造提高了质量和生产率，故适用于大件，大批量的生产。

11．带孔的锻件在空气锤上自由锻造时，孔中都要预留有冲孔连皮，而于锻后冲去。

12．自由锻造可以锻造内腔形状复杂的锻件。

13．锤上模锻可以直接锻出有通孔的锻件。

14．自由锻件上不应设计出锥体或斜面的结构，也不应设计出加强筋，凸台，工字型截面或空间曲线型截面，这些结构难以用自由锻方法获得。

15．锤上模锻时，终锻模膛必须要有飞边槽。

16．锻造时，对坯料加热的目的是提高塑性和降低变形抗力，所以，加热温度越高越好。

17．制定锻件图时，添加敷料是为了便于切削加工。

18．曲柄压力机上的模锻不能进行拔长.滚压等制坯工序

19．在空气锤上自由锻造有孔的锻件时，都不能锻出通孔，而必须留有冲孔连皮，待锻后冲去。

20．板料冲压的弯曲变形，其弯曲的半径越大，则变形程度越大。选择题

1.钢料锻前加热必须避免

（）

A.氧化皮

B.热应力

C.过烧

D.脱碳

2.锻件坯料加热时产生的过热现象主要指（）

A.晶界形成氧化层

B.晶界杂质熔化

C.晶粒急剧变粗

D.晶粒细化

3.滑移总是沿着（）晶面和晶向进行。

A.与外力成45度的B.密排

C.非密排

D.任意的

4.设计零件时的最大工作切应力方向最好与钢料纤维组织方向成（）

A.0度

B.30度

C.45度

D.90度

5.金属经过冷变形后，有（）现象。

A.加工硬化

B.回复

C.再结晶

D.晶粒长大

6.经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度，采用的热处理方法是

（）

A.再结晶退火 B.去应力退火 C.完全退火 D.球化退火 7.为了提高锻件的承载能力，应该

（）

A.用热处理方法消除纤维组织

B.使工作时的正应力与纤维方向垂直

C.使工作时的切应力与纤维方向一致

D.使工作时的正应力与纤维方向一致

8.冷变形强化现象是指金属冷变形后

（）

A.强度硬度提高，塑性韧性提高

B.强度硬度提高，塑性韧性下降 C.强度硬度下降，塑性韧性提高

D.强度硬度下降，塑性韧性下降

9.起重用10吨的吊钩，最合适的材料和生产方法是（）

A.ZG35铸造而成B.35钢锻造而成C.QT420-10铸造而成D.35钢钢板切割而成

10.锻件拔长时的锻造比Y 总是()

A.=1

B.>1

C.< 1

D.无所谓

11．胎膜锻造是在（）设备上使用胎膜生产模锻件的工艺方法。

A.自由锻锤 B.模锻锤

C.曲柄压力机

D.平锻机

12．生产500Kg 以上的锻件毛坯，应采用

（）

A.模型锻造 B.胎膜锻造 C.机器自由锻造 D.手工自由锻造

13．自由锻锻件上不应设计出

（）

A.平面

B.消除空间曲线结构 C.圆柱面 D.加强筋

14．绘制模型锻件图时与绘制自由锻件图时考虑的不同因素有（）A.敷料 B.分型面C.锻件公差D.锻件加工余量

15．板料冲压拉深时，拉深系数m总是

（）

A.>1

B.=1

C.=0

D.<1

16．拉深系数（m）是衡量拉深变形程度的指标，当变形程度愈大，则

A.m愈大

B.m=0.5

C.m>0.5

D.m愈小

17.大批量生产小锻件应采用

（）

A.胎膜锻造

B.模型锻造

C.手工自由锻造 D.机器自由锻造

18．拉深时凸模和凹模之间的单面间隙Z与板厚度S应是

A Z

B.Z>S

C.Z=S

D无所谓

19．利用模具使平板坯料变成开口空心杯状零件的工序叫做（）

A.拉深

B.弯曲

C.翻边

D.成型

问答题

1.题图所示钢制拖钩，可采用下列方法制造：

（1）铸造

（2）锻造

3）板料切割 试问何种方法制得拖钩其拖重能力最大？为什么？

（）

（）

2.冲压下图所示桶形件，所用条料为宽105mm，厚1mm的低碳钢板，按先后顺序指出需要哪些冲压基本工序？如果拉深1次完成，请计算拉深系数。

3．如图所示零件为2mm厚的低碳钢板冲压件，试写出该件的冲压工序，并绘出相应的工序简图。

第四篇：3D打印技术以及在快速铸造成形中的应用

3D打印技术以及在快速铸造成形中的应用

字数：2572

来源：环球市场 2017年11期

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摘要：3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新技术，其核心思想为增材制造。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。它无需模具，产生极少的废料，有效缩短了加工周期，在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势。3D打印技术在铸造行业中的引入推动了传统铸造成形技术的发展和革新，并迅速改变着铸造行业的面貌。

关键词：3D打印技术；快速铸造成形；应用3D打印技术概述

随着科学与生产技术的不断革新与发展，快速成型技术，尤其是3D打印技术逐渐在制造业中已经占据非常重要的地位，成为不可或缺的一种成形制造方法。在不久的未来，以个性化、数字化、网络化、定制化为突出特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命。

3D打印，又称作增材制造技术，是根据前期设计的CAD三维模型，借助计算机软件控制，在打印设备上逐层增加材料堆积成所需制品造型的一种快速成形制造技术。其运作原理和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副2D图像。而3D打印机首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印。其最大的技术优点是能简化制造程序，缩短产品研制周期，降低开发成本和风险。相比传统的制造工艺，应用3D打印技术节省原材料，用料只有原来的1/3到1/2，制造速度快了3～4倍。3D打印的铸造应用

2.1 3D打印技术在精铸模样制作中的应用

3D打印技术首先被应用于铸造模样的制作，尤其是熔模精铸中的模样制作。SLS、FDM、SLA技术均可用于蜡模的成形，但是由于获得的蜡模强度较低，在后续处理工序中易于破损，并不适合于薄壁件的铸造生产。为解决模样强度不足的问题，人们将成形所用的蜡料替换为其它类型材料，这样制备出的模样可以进行一定程度的加工以改善其表面光洁度，提高铸件的表面质量；但是此后又暴露出了新的问题，如基于非蜡模样制备的型壳容易开裂、脱模后残余灰分高等。

在早期采用3D打印技术获得模样的尝试中，型壳开裂在使用非蜡基模料的情况下非常常见，其原因是在去除模样的过程中，模样因受热膨胀而导致了型壳的开裂。为解决这一问题，3Dsystem公司采用了被称为QuickCast的成形方案，通过在制备模样时采用六角形、四方形或三角形的非实体打印模式，将模样内部材料重量减小95%，形成为内部疏松的树脂模样，这种结构可以在较低的温度下就软化并向模样内部溃缩，避免对型壳造成过大的应力，因而可降低型壳的开裂风险。需要注意的是，由于模样内部结构较为疏松，在涂挂工艺之前有必要在模样表面浸蜡并进行表面修整，以便获得平整的型壳内腔，进而浇注出较高质量的铸件。ZCorp公司则采用一种胶质淀粉原料Zp14进行3D打印，所获得的制件经浸蜡后涂挂耐火材料，以制备型壳并最终浇注零件。

2.2 3D打印技术在精铸蜡模压型制作中的应用

受打印周期的限制，模样的直接3D打印一般适用于单件或数件铸件的铸造生产。为了适应于较大批量的铸件需求，有研究者开始将3D打印技术应用于蜡模压型的制作，而后在通过所制作的压型来批量压制蜡模，以提高铸件的生产效率。

压型的3D打印制备分为直接打印和间接获得两种方式。压型的直接获得意味着通过3D打印直接制备出压型，所制得的压型再用于压制一定批量的蜡模。直接金属激光烧结（DMLS）、激光净形制造（LENS）技术均被成功地应用于压型的3D打印[6，7]，以满足快速将中等或较大批量铸件快速推向市场的需求。一些情况下，人们通过3D打印首先获得母模，然后使用母模翻制压型，即间接获得用于压制蜡模的压型。室温固化硅橡胶制模、环氧树脂制模、喷涂金属制模等技术都被成功应用于压型的间接3D打印制造。以采用室温固化硅橡胶制模工艺的精密铸造为例，其工艺实施过程如图5所示，蜡模的制备需要通过如下步骤来完成：（a）建立铸件的CAD模型；（b）采用SLA方法制备光固化模样；（c）翻制RTV硅橡胶压型；（d）压制蜡模。所压制的蜡模经修整、组合后，即可进行涂挂制备型壳，完成后续的精铸流程。工艺适用性评估表明，当铸件需求量在数十个的量级时，这一工艺具有较佳的适用性。

2.3 3D打印技术在铸型制作中的应用

3D打印技术也被应用于陶瓷型壳的直接成形。1993年，位于美国加州的Soligen Technology公司在麻省理工学院发展的3DPAM技术基础上，搭建了直接型壳制作铸造系统（DSPC），直接制备出包含内部芯子的陶瓷型壳，减少了传统熔模精铸中蜡模压制组合、制壳脱蜡等繁琐工序。该DSPC系统通过多个喷头喷射硅溶胶的方式将刚玉粉末粘结起来，未被粘接的刚玉粉被移除，从而获得型壳，所制备的型壳在进行高温焙烧以建立足够的机械强度后，即可进行金属液的浇注。DSPC系统可以用于实现任意形状的零件生产，同时也可适用于包括铜、铝、不锈钢、工具钢、钴铬合金在内的多种不同金属材料的铸件获取，铸件的生产周期可由传统熔模精铸的数周缩减至2-3天，目前这一系统已经被用于制造铸件原型及小批量的全功能铸件生产。

3D打印技术也正在改变砂型铸造工艺流程现状。在传统的砂型铸造生产过程中，需要熟练的技术工人依据图纸或模样来制作砂型，造型、制芯等工序往往耗费大量人力和时间。通过引入3D打印技术，这種局面也正在得到改变———人们已经可以通过3D打印技术快速制备所需的砂型结构，从而缩短造型工艺周期，减少对熟练技术工人的依赖。结语

3D打印技术作为目前一种先进制造技术，近年来已得到快速发展，实际应用领域逐渐增多。但其推广力度还不够大，应该加强教育培训，促进3D打印技术的社会化推广；加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平，扩大其在铸造成形领域的技术应用。

第五篇：快速扫描电子束加工技术及其在航空制造领域的潜在应用

快速扫描电子束加工技术及其在航空制造领域的潜在应用

电子束加工是利用高能量密度的电子束对材料进行加工处理的方法，电子束作为一种热源，通过调整其能量密度、束斑直径、束流作用时间和材料本身的热物理特性，可以产生加热、熔化和汽化等多种加热效果。电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。

近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法――快速扫描电子束加工技术。这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广泛的应用。

快速扫描电子束加工技术原理与特点

快速扫描电子束加工技术的原理如图1 所示，就是通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。如果在不同的束流之间改变聚焦位置或者束流强度，则可以实现多功能加工技术，如多束流加工技术、电子束“毛化”技术以及电子束快速成型技术等。

（1）多束流电子束加工(Multibeam Technology)是指采用2束以上的电子束对材料或结构进行处理和加工的一种方法。多束流电子束可以由多个电子枪产生，也可以由1个电子枪通过电磁场的控制而产生。电子束在不同的位置快速移动，由于移动的频率很高从而产生多束的效果。本文所提到的多束流电子束都是指由1个电子枪通过电磁场控制而产生的多束。

（2）电子束“毛化” 技术（Electron Beam Surfi-sculpt）是英国焊接研究所（TWI）Bruce Dance 等人近年来发明的一种新型电子束加工技术，它借助于电磁场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成形效果。其基本过程是在真空环境中，通过快速响应偏转线圈和复杂信号控制程序精确控制电子束流，使其按照某种特定的方式、特定的规律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面形成金属的微小熔池。一旦材料开始形成熔池，电子束将通过磁场的扫描控制被迅速转移到其他位置，而熔化的液态金属在表面张力及金属蒸汽压力的共同作用下，向束流移动相反的方向流动，并在熔池后方快速冷却、凝固。随着束流的重复扫描，熔池前端的金属被继续转移到熔池后端，经过不断的堆积、冷却、凝固，逐渐形成一定形状和大小的“凸起”（毛刺），产生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽状的“刻蚀”。

本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布（3）电子束快速成型技术（Electron Beam Melting，EBM）是一种集成了计算机、数控、电子束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术。电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择地熔化金属粉末，并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成型相比，电子束快速成型技术具有能量利用率高、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能复杂粉末冶金件的理想快速制造技术。

快速扫描电子束加工技术的国内外现状 多束流加工技术

电子束扫描技术早在20世纪70 年代就已经用于消除电子束焊接缺陷，但是由于控制技术的限制，最近才开始用于多束流焊接和其他加工技术。德国Steigerwald、PTR和Pro-beam等公司都进行过相关研究，主要是在束流偏转设备方面；Aachen大学的焊接研究所在这方面的研究也比较多，主要是在多束流的束流品质、能量分配及加工过程中热、力、冶金的相互作用方面。英国焊接研究所的Oliver Nello等人设计和建立了可编程偏转系统，该系统具有使电子束在X、Y轴快速偏转并以相似的速度调节电子束焦点（Z轴）的能力，可用于电子束多束流焊接过程应力变形控制的研究。

在国内，北京航空制造工程研究所“十一五”期间在国家自然科学基金（多束流电子束加工的热效应）的基础上搭建了多束流技术试验平台，开展了多束流扫描控制技术的研究，并用于电子束焊接过程中应力和变形的动态控制，降低了试件的焊接残余应力，从而减小最终变形。上海交通大学曾对扫描轨迹可控的电子束加工技术进行研究，初步实现了扫描方式的灵活控制，并尝试进行了一些相关的试验，但由于试验设备等条件的限制，比较侧重于理论方面的验证和控制平台的搭建，相应系统有待于进一步优化和完善，工程应用研究也有待于进一步的开展。电子束“毛化”技术

自发明电子束“毛化”技术以来，英国焊接研究所在该领域开展了大量的研究工作，开发了成熟的电子束“毛化”设备，而且在工艺研究方面也取得了长足的进步。通过控制电子束的工艺参数(包括电子束的加速电压、电流和聚焦)，加上特殊的扫描波形，即可在不同的金属（如不锈钢、钛合金及铝合金等）上产生各种不同的表面，包括高宽比大的尖峰突起、蜂窝结构、无毛刺的孔穴、刀刃、通道、旋涡和网纹。

对任何纹理的结构，都可以通过改变尺寸、形状、入射角和特征分布来定制客户所需的表面。目前已经成功制备尺寸从10μm~20mm的毛刺。图2是电子束毛化的几种表面形貌。该技术不仅能够加工其他工艺无法实现的表面造型，而且在真空操作下可以避免表面污染。

在国内，有关电子束“毛化”技9术的研究刚刚起步，北京航空制造工程研究所在现有电子束焊接设备和电子束加工技术的基础上率先开展研究，通过分析电子本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布 束“毛化”技术的原理，设计了快速偏转扫描线圈，搭建了电子束扫描控制系统，实现了电子束“毛化”技术，并在不同的金属表面产生不同的毛化形貌，见图3。3 电子束快速成型技术

相对于激光及等离子快速成型，电子束快速成型出现较晚，但自2001年瑞典Arcam公司确立电子束快速制造技术以来，该技术凭借在粉末近净成型精度、效率、成本及零件性能等方面的独特优势，在国外很快成为研究前沿。美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国Synergeering集团、德国Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作。研究表明，EBM能显著地减少生产时间并降低生产成本，尤其适合形状复杂金属部件的小批量生产，任何外表奇异复杂的金属部件都可以一次快速成型。其技术与设备被用于生产零部件的直接制造业，并在航空制造、汽车制造、医疗植入物及模具制造等领域均有出色表现。

目前，国内航空航天、汽车及生物医学等领域对复杂结构及多孔结构有巨大需求，但由于电子束快速成型设备及工艺还不成熟，暂时无法满足航空航天高性能复杂零件实际应用要求。清华大学进行过电子束选区快速成型技术研究，并购买了1 台中压的国产电子束设备，将其真空室进行改造，增加Z 向工作台，安装铺粉系统，利用电磁场的控制使电子束按照预定的轨迹进行逐行扫描，从而实现简单的三维零件的快速成型。由于束流品质（如束斑品质、束流稳定性、聚焦效果等）的影响，电子束扫描控制的精度和灵活性还有待进一步提高，制作试件的质量检测和力学性能也正在研究中。

快速扫描电子束加工技术的应用 多束流电子束加工技术

多束流电子束加工技术主要应用于多束流焊接技术，用于提高焊接效率，减少焊接变形，改善难熔易裂材料的焊接性、焊缝性能等。多束流电子束的应用可以方便、迅速（通过电磁场非接触地控制几乎没有质量的电子运动）地调节电子束加工过程中的热量分布，从而对其力学过程和冶金过程进行动态控制，减小应力和变形，防止焊接过程中的热裂倾向，形成高质量的加工部件。图4是德国Pro-beam 公司采用3束电子束同时焊接的实例，结果表明与单束电子束焊接相比，此种方式可以明显减小齿轮焊接变形，而且大大提高了加工效率。

另外，多束流电子束加工技术还可用于异种材料的连接：通过调节不同位置的停留时间，控制在不同区域的能量输入。例如，接头一边的材料熔化，而另一边的材料仍处于加热状态（扩散焊），这样就可以实现固态不完全熔化的异种材料的有效连接。可见，多束流电子束加工技术在多方面都有很大的应用潜力。电子束“毛化”技术

英国焊接研究所正在研究将电子束“毛化”技术应用到金属与的连接技术上，将这种技术称为Comeld技术。该技术先通过电子束“毛化”在金属表面上形成毛本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布 刺，预处理后将复合材料置于金属上，通过加温、加压共同固化，即可得到这种金属和复材连接的Comeld接头，如图5 所示。

根据TWI的研究，这种Comeld接头比传统的同尺寸接头能承受更高的载荷，断裂前吸收的能量也远高于后者，而且可以通过优化毛刺的结构及分布形式提高这种接头的韧性。此项技术在未来金属与复合材料连接领域有着重要的应用。

另外，电子束“毛化”技术还可以用在金属材料的表面改性如涂层制备上，如图

6、图7所示。这种表面处理技术在促进基质与涂层的粘合方面具有非常广阔的应用前景。它可以通过增加表面粗糙度来增加涂层附着力，避免分层。毛刺的形状与尺寸可以影响涂层的微观组织，甚至可以改变涂层表面上的裂纹生长机理。同时，凹入特征改善了同邻接部件的机械互锁，而突出特征有助于关节界面均匀分布应力。该技术的灵活性还可应用于定制特殊表面，例如，将突起特征排列在最大应力的方向，或者改变结构特征的密度使部件上应力均匀分布。由于该工艺在真空下完成，生成的表面非常洁净，有助于连接应用。3 电子束快速成型技术

电子束快速成型技术一经面世即引起各国众多科研机构以及制造业界的高度重视，目前已有美国、德国、意大利及日本一些高技术公司和科研机构将该技术用于机械制造业以及航空航天、汽车和医疗植入器材等领域。美国Calcam公司采用电子束快速制造技术制备出了全致密、力学性能优于锻件的Ti6Al4V叶轮部件。瑞典Arcam公司采用电子束快速成型技术制造了特殊的钛合金点阵结构及复杂的部件，见图8和图9。

国内在无法获得设备及相关技术的条件下进行自主开发研究，在钛合金电子束快速成型研究方面取得了较大的进展。西北有色金属研究院多孔材料国家重点实验室开展了电子束快速成型工艺的研究工作，在钛及钛合金复杂结构及多孔结构的电子束快速制造工艺、应力及变形控制方面积累了实践经验，并制造出复杂的钛合金叶轮样件。

结束语

快速扫描电子束加工技术在国外已经相当成熟，在航空航天、汽车、医疗等方面的应用也越来越广泛。国内众多研究单位进行的一系列基础理论和应用研究为快速扫描电子束加工技术的发展奠定了基础，尤其是近几年随着控制技术的发展，快速扫描电子束加工技术在国内发展迅速，已经逐渐应用到工程实践中，进一步推动了国内精密制造技术的发展。(end)文章内容仅供参考()()(2010-8-27)

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