了得網研究生_材料成型導論

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《材料成型導論》是普通高等院校機電工程類規劃教材，內容全面實用，是材料成型及控制工程專業以及其他機械類專業的專業基礎課教材。

內容簡介

本書為普通高等教育“十三五”規劃教材、普通高等院校機電工程類規劃教材，主要內容包括：材料成型專業概況和涉及的技術領域、金屬液態成形、金屬塑性成形、金屬焊接成形、非金屬材料成型和3D打印成形等。通過本書的學習可以使讀者全面了解材料成形技術的概貌，為專業課程學習和專業實踐打下良好基礎。
本書可以作為材料成型及控制工程專業和機械類相關專業的教材或參考用書，也可供從事材料成形領域工作的工程技術人員參考。

第1章概述

1.1材料成型專業涉及的技術領域

1.2材料成形在國民經濟中的作用

1.3材料成形工藝的分類與特點

1.4材料成型專業人纔培養模式與教學質量標準

1.4.1材料成型專業人纔培養模式

1.4.2機械類教學質量國家標準
第1章概述

1.1材料成型專業涉及的技術領域

1.2材料成形在國民經濟中的作用

1.3材料成形工藝的分類與特點

1.4材料成型專業人纔培養模式與教學質量標準

1.4.1材料成型專業人纔培養模式

1.4.2機械類教學質量國家標準

1.5材料成形技術的發展趨勢

習題與思考題

第2章金屬液態成形

2.1金屬液態成形基礎

2.1.1液態金屬的充型能力

2.1.2液態金屬的凝固與收縮

2.1.3合金的吸氣性及氣孔

2.2鑄造合金及熔煉

2.2.1常用鑄造合金

2.2.2鑄鐵及其熔煉

2.2.3鑄鋼及其熔煉

2.2.4鑄造非鐵合金及其熔煉

2.3砂型鑄造

2.3.1砂型鑄造的工藝流程

2.3.2型砂、芯砂

2.3.3型（芯）砂的配制

2.3.4砂型制造

2.3.5砂芯制造

2.3.6造型生產線

2.4特種鑄造

2.4.1熔模精密鑄造

2.4.2金屬型鑄造

2.4.3壓力鑄造

2.4.4低壓鑄造

2.4.5離心鑄造

2.5近代液態成形技術

2.5.1半固態成形技術

2.5.2電磁鑄造

2.5.3噴射鑄造

2.5.4計算機技術在金屬液態成形中的應用

習題與思考題

第3章金屬塑性成形

3.1金屬塑性成形基礎

3.1.1金屬的塑性成形性能

3.1.2金屬的塑性變形規律

3.1.3塑性變形對金屬組織與性能的影響

3.2衝壓成形

3.2.1概述

3.2.2衝裁工藝

3.2.3彎曲工藝

3.2.4拉伸工藝

3.2.5成形工藝

3.3鍛造成形

3.3.1鍛造成形工藝的分類

3.3.2自由鍛

3.3.3模鍛

3.3.4鍛模

3.4其他塑性成形技術

3.4.1擠壓成形

3.4.2超塑性成形

3.4.3精密衝裁

3.4.4無模多點成形

3.4.5軋制成形

3.4.6旋壓

3.4.7擺動輾壓

3.4.8粉末成形

3.4.9高速高能成形

3.5塑性成形設備

3.5.1機械壓力機

3.5.2液壓機

3.5.3螺旋壓力機

習題與思考題

第4章金屬焊接成形

4.1焊接原理與工藝方法

4.2熔焊的工藝特點及應用

4.2.1電弧焊

4.2.2電渣焊

4.2.3激光焊接與切割

4.2.4氣焊與氣割

4.2.5電子束焊

4.2.6熱劑焊

4.3壓焊的工藝特點及應用

4.3.1電阻焊

4.3.2摩擦焊

4.3.3擴散焊

4.3.4爆炸焊

4.3.5超聲波焊

4.4钎焊的工藝特點及應用

4.4.1概述

4.4.2浸漬钎焊

4.4.3電阻钎焊

4.4.4感應钎焊

4.4.5爐中钎焊

4.4.6其他钎焊方法

4.5焊接成形件的檢驗

4.5.1常見的焊接缺陷

4.5.2焊接檢驗方法

習題與思考題

第5章非金屬材料成型

5.1塑料成型

5.1.1塑料

5.1.2塑料成型工藝

5.1.3塑料成型模具

5.1.4塑料成型設備

5.2橡膠成型

5.2.1橡膠材料的組成

5.2.2橡膠的性能與用途

5.2.3橡膠制品的成型

5.3陶瓷成型

5.3.1陶瓷材料的組成與制備

5.3.2陶瓷的分類及性能

5.3.3陶瓷材料成型

習題與思考題

第6章3D打印成形

6.13D打印成形的原理

6.23D打印成形工藝

6.2.1立體光固化成形工藝

6.2.2分層實體制造工藝

6.2.3選域激光燒結工藝

6.2.4熔融沉積工藝

6.2.5三維印刷工藝

6.2.6噴射成形工藝

6.33D打印成形技術的應用

6.3.1原型制造

6.3.2模具制造

6.3.3模型制造

6.3.4零部件及工具制造

6.43D打印成形技術的發展趨勢

習題與思考題

參考文獻

前言

許多高等學校都為大學新生開設了專業導論課程，以便讓他們盡快了解專業學科背景、熟悉專業技術內容、明確專業學習目標和研究方向，為大學階段的學習起到先導性作用。本書是為材料成型及控制工程和機械類相關專業編寫的專業導論課程教材，期望通過本書的學習，使讀者全面了解材料成形技術的概貌，為專業課程學習和專業實踐打下良好基礎。
全書共6章。第1章概述，介紹材料成型涉及的技術領域、材料成形在國民經濟中的作用、材料成形工藝的分類與特點、材料成型專業的人纔培養模式與教學質量標準、材料成形技術的發展趨勢等；第2章金屬液態成形，介紹金屬液態成形基礎、鑄造合金及熔煉、砂型鑄造、特種鑄造和近代液態成形技術；第3章金屬塑性成形，介紹金屬塑性成形基礎、衝壓成形、鍛造成形、其他塑性成形技術和塑性成形設備；第4章金屬焊接成形，介紹焊接原理與工藝方法、熔焊的工藝特點及應用、壓焊的工藝特點及應用、钎焊的工藝特點及應用、焊接成形件的檢驗；第5章非金屬材料成型，介紹塑料成型、橡膠成型和陶瓷成型；第6章3D打印成形，介紹3D打印成形原理、3D打印成形工藝、3D打印成形技術的應用以及3D打印成形技術的發展趨勢等。
全書由武漢華夏理工學院餘世浩、張琳瑯編著。具體分工為：第1、5、6章由餘世浩編寫；第2章由李光普編寫；第3章由史峻清編寫；第4章由張琳瑯編寫。全書由餘世浩統稿。武漢理工大學範曉明、馮瑋老師對部分章節進行了審閱，在此一並感謝！許多高等學校都為大學新生開設了專業導論課程，以便讓他們盡快了解專業學科背景、熟悉專業技術內容、明確專業學習目標和研究方向，為大學階段的學習起到先導性作用。本書是為材料成型及控制工程和機械類相關專業編寫的專業導論課程教材，期望通過本書的學習，使讀者全面了解材料成形技術的概貌，為專業課程學習和專業實踐打下良好基礎。
全書共6章。第1章概述，介紹材料成型涉及的技術領域、材料成形在國民經濟中的作用、材料成形工藝的分類與特點、材料成型專業的人纔培養模式與教學質量標準、材料成形技術的發展趨勢等；第2章金屬液態成形，介紹金屬液態成形基礎、鑄造合金及熔煉、砂型鑄造、特種鑄造和近代液態成形技術；第3章金屬塑性成形，介紹金屬塑性成形基礎、衝壓成形、鍛造成形、其他塑性成形技術和塑性成形設備；第4章金屬焊接成形，介紹焊接原理與工藝方法、熔焊的工藝特點及應用、壓焊的工藝特點及應用、钎焊的工藝特點及應用、焊接成形件的檢驗；第5章非金屬材料成型，介紹塑料成型、橡膠成型和陶瓷成型；第6章3D打印成形，介紹3D打印成形原理、3D打印成形工藝、3D打印成形技術的應用以及3D打印成形技術的發展趨勢等。
全書由武漢華夏理工學院餘世浩、張琳瑯編著。具體分工為：第1、5、6章由餘世浩編寫；第2章由李光普編寫；第3章由史峻清編寫；第4章由張琳瑯編寫。全書由餘世浩統稿。武漢理工大學範曉明、馮瑋老師對部分章節進行了審閱，在此一並感謝！
由於作者水平有限，不妥之處，懇請讀者指正。
作者2018年8月

在線試讀

第1章概述
任何材料，一般隻有將其加工成一定形狀和尺寸後，纔具有特定的使用功能。顧名思義，材料成型即是將原材料加工成特定形狀與尺寸零件（或毛坯）的方法。
1.1材料成型專業涉及的技術領域
材料成型及控制工程（material molding and control engineering）專業是1998年國家*進行專業調整時新設立的專業，涵蓋原金屬材料與熱處理（部分）、熱加工工藝及設備、鑄造（部分）、塑性成形工藝及設備、焊接工藝及設備（部分）等多個專業內容。新專業調整強調“厚基礎、寬口徑”，通過老專業合並來加強學科基礎，拓寬專業面，從而改變老專業口徑過窄、適應性不強的狀況，培養出適合經濟快速發展需要的人纔，即由“專纔”培養向“通纔”培養模式轉變。2012年，*對1998年印發的普通高等學校本科專業目錄進行了修訂，材料成型及控制工程專業代碼由080302調整為080203。
材料成型及控制工程專業是一個具有機械學科典型特征和濃厚材料學科色彩的寬口徑專業，主要研究各種材料成形的工藝方法、質量控制以及材料成形的機械化和自動化，是集材料制備與成形及過程自動化為一體的綜合性學科。本書中常用到“成型”（molding）和“成形”（forming）兩個詞。作者認為，“成型”一詞強調的是被加工零件形狀與模具（或工具）型腔一致，即模具型腔對產品（制品）終形狀的作用；而“成形”則側重毛坯變形成所需形狀和尺寸產品（或制品）的過程及原理（機理）。一般情況下，本書使用“成形”一詞。
材料成型是研究材料成形的機理、成形工藝、成形設備及相關過程控制的一門綜合性應用技術，通過改變材料的微觀結構、宏觀性能和外部形狀，滿足各類產品的結構、性能、精度及特殊要求。按材料種類及形態不同，材料成型涉及如下內容。
1. 金屬材料的塑性成形
金屬塑性成形（plastic forming）方法是對坯料施加外力，使其產生塑性變形，改變尺寸、形狀及性能，從而獲得機械零件、工件或毛坯的成形方法。根據坯料的幾何特點，金屬塑性成形方法一般分為體積成形（如鍛造、擠壓）和板料成形（如衝壓）兩大類。鍛造與衝壓統稱為鍛壓，是塑性成形的主要方法。鍛造通常在坯料加熱後進行，屬於熱加工。金屬經鍛造後能使晶粒細化、成分均勻、組織致密、保持流線、提高強度，承受重載及衝擊載荷的重要零件多以鍛件為毛坯。衝壓一般不需加熱，以薄板金屬為原材，故又稱為冷衝壓或板料衝壓。衝壓件具有強度高、剛性好、結構輕等優點。
2. 金屬材料的液態成形第1章概述
任何材料，一般隻有將其加工成一定形狀和尺寸後，纔具有特定的使用功能。顧名思義，材料成型即是將原材料加工成特定形狀與尺寸零件（或毛坯）的方法。
1.1材料成型專業涉及的技術領域
材料成型及控制工程（material molding and control engineering）專業是1998年國家*進行專業調整時新設立的專業，涵蓋原金屬材料與熱處理（部分）、熱加工工藝及設備、鑄造（部分）、塑性成形工藝及設備、焊接工藝及設備（部分）等多個專業內容。新專業調整強調“厚基礎、寬口徑”，通過老專業合並來加強學科基礎，拓寬專業面，從而改變老專業口徑過窄、適應性不強的狀況，培養出適合經濟快速發展需要的人纔，即由“專纔”培養向“通纔”培養模式轉變。2012年，*對1998年印發的普通高等學校本科專業目錄進行了修訂，材料成型及控制工程專業代碼由080302調整為080203。
材料成型及控制工程專業是一個具有機械學科典型特征和濃厚材料學科色彩的寬口徑專業，主要研究各種材料成形的工藝方法、質量控制以及材料成形的機械化和自動化，是集材料制備與成形及過程自動化為一體的綜合性學科。本書中常用到“成型”（molding）和“成形”（forming）兩個詞。作者認為，“成型”一詞強調的是被加工零件形狀與模具（或工具）型腔一致，即模具型腔對產品（制品）終形狀的作用；而“成形”則側重毛坯變形成所需形狀和尺寸產品（或制品）的過程及原理（機理）。一般情況下，本書使用“成形”一詞。
材料成型是研究材料成形的機理、成形工藝、成形設備及相關過程控制的一門綜合性應用技術，通過改變材料的微觀結構、宏觀性能和外部形狀，滿足各類產品的結構、性能、精度及特殊要求。按材料種類及形態不同，材料成型涉及如下內容。
1. 金屬材料的塑性成形
金屬塑性成形（plastic forming）方法是對坯料施加外力，使其產生塑性變形，改變尺寸、形狀及性能，從而獲得機械零件、工件或毛坯的成形方法。根據坯料的幾何特點，金屬塑性成形方法一般分為體積成形（如鍛造、擠壓）和板料成形（如衝壓）兩大類。鍛造與衝壓統稱為鍛壓，是塑性成形的主要方法。鍛造通常在坯料加熱後進行，屬於熱加工。金屬經鍛造後能使晶粒細化、成分均勻、組織致密、保持流線、提高強度，承受重載及衝擊載荷的重要零件多以鍛件為毛坯。衝壓一般不需加熱，以薄板金屬為原材，故又稱為冷衝壓或板料衝壓。衝壓件具有強度高、剛性好、結構輕等優點。
2. 金屬材料的液態成形
金屬的液態成形常稱鑄造(casting)，是指將熔煉成液態的金屬澆入事先制造好的鑄型，凝固後獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法。它能經濟地制造出外形和內腔很復雜的零件（如各種箱體、機架、機床床身、發動機機體和缸蓋等），而且液態成形件的形狀、尺寸比較接近零件，金屬材料和加工工時。生產中常用於各種尺寸、形狀、重量毛坯的制造。
3. 金屬材料的連接成形
金屬的連接成形（jointing），一般指焊接（welding），是通過加熱、加壓或加熱加壓，並且用或不用填充材料，使焊件達到原子結合的一種加工方法，所用能源可以是電能、機械能、化學能、聲能或光能等。按焊接過程的特點，可將焊接分為熔化焊、壓力焊和钎焊三大類。金屬的連接成形廣泛應用於航空航天、船舶重工、橋梁建造、汽車制造等行業。
4. 金屬粉末成形
粉末成形屬於粉末冶金範疇，它以金屬粉末（或非金屬粉末混合物）為原料，經成形和燒結操作可制造各種金屬材料、復合材料及其零部件。常用的粉末成形方法有模壓、軋制、擠壓、溫壓、注射成形及粉漿澆注等。粉末成形在無機非金屬材料加工領域應用也極為廣泛。
5. 非金屬材料成型
非金屬材料是指除金屬以外的其他一切材料，如塑料、合成橡膠、合成纖維、膠黏劑、陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等，它們在各工業領域中有廣泛應用。
1）塑料成型
工程塑料是常用的高分子材料。相對金屬來說，塑料具有密度小、比強度高、耐腐蝕、電絕緣性好、耐磨和自潤滑性好，以及透光、隔熱、消聲、吸振等優點。但也存在強度低、耐熱性差、容易蠕變和老化等缺點。在工程塑料的成型工藝中常見的有注射成型（成型尺寸精確、形狀復雜、薄壁或帶金屬嵌件的塑料制品）、擠出成型（成型熱塑性塑料，生產各種板、管、棒、線等塑料制品）和壓制成型（成型板、管和棒等塑料制品）。
2）橡膠材料成型
橡膠是在室溫下具有高彈性的高分子材料，用於制作輪胎、動靜態密封件、減振防振件、傳動件、運輸膠帶和管道、電纜和電工絕緣材料等。橡膠的成型工藝有塑煉、混煉、壓延工藝、壓出工藝、注塑成型等。
3）陶瓷材料成型
陶瓷是由金屬和非金屬形成的無機化合材料，性能硬而脆，與金屬材料和工程塑料相比有更高的耐高溫、耐蝕和耐磨性。利用陶瓷特有的物理性能可制造出種類繁多、用途各異的陶瓷材料，例如導電陶瓷、半導體陶瓷、壓電陶瓷、絕緣陶瓷、磁性陶瓷、光學陶瓷等，也可利用某些精密陶瓷對聲、光、電、熱、磁、力、溫度、濕度、射線等信息顯示的敏感特性而制得各種陶瓷傳感材料。
6. 3D打印成形
3D打印成形是近30年來發展起來的一門制造技術，早期稱為快速原型制造或快速成型，是計算機輔助設計與制造、計算機數字控制、激光、精密伺服驅動等先進技術以及材料科學的集成。3D打印成形基於離散和材料累加原理，並由CAD模型直接驅動完成任意復雜形狀產品的快速制造，擺脫了傳統的“去除”加工方法，而采用全新的“增材”成形方法，不需要傳統的刀具、夾具以及多道加工工序，可實現任意復雜物體的快速、精密“自由制造”，解決了許多復雜結構物體的成形難題，能更好地響應市場需求，提高企業的競爭力。
1.2材料成形在國民經濟中的作用
材料成形技術在工業生產的各個行業都有廣泛應用，尤其是對制造業來說更具有舉足輕重的作用。制造業是生產和裝配制成品的企業群體的總稱，包括機械、運輸工具、電氣設備、儀器儀表、食品工業、服裝、家具、化工、建材和冶金等，它在國民經濟中占有很大的比重。統計資料顯示，近年來我國制造業占國民生產總值（GDP）的比例已超過35%，同時，制造業的產品還廣泛地應用於國民經濟的諸多其他行業，對這些行業的運行產生著不可忽視的影響。因此，作為制造業的一項基礎和主要的生產技術，材料成形技術在國民經濟中占有十分重要的地位，並且在一定程度上代表著一個國家的工業技術發展水平。
采用鑄造方法可以生產鑄鋼件、鑄鐵件及各種鋁、銅、鎂、鈦及鋅等有色合金鑄件。我國已鑄造出重約315t的大型厚板軋機的鑄鋼框架，重達260t的大型鑄鐵鋼錠模，還鑄出了30×104kW水輪機轉子等復雜鑄件，其尺寸精度達到國際電工學會規定的標準。采用鑄造方法還可以鑄造壁厚0.3mm、長度12mm、質量為12g的小型薄壁鑄件。在機床和通用機械中鑄件質量占70%～80%，風機、壓縮機中鑄件質量占60%~80%，農業機械中鑄件質量占40%～70%，汽車中占20%~30%。
采用塑性成形方法，可生產各種金屬（黑色金屬和有色金屬）及其合金的鍛件和板料衝壓件。塑性加工的零件和制品在汽車與摩托車中占70%~80%，在拖拉機和農業機械中占50%，在航空航天飛行器中占50%~60%，在儀表中占90%，在家用電器中占90%~95%，在工程與動力機械中占20%~40%。
采用連接方法生產獨立的制件或產品雖然不如鑄造和塑性成形方法多，但據國外權威機構統計，在各類工業制品中半數以上都需要采用一種或多種連接技術纔能制成。在鋼鐵、汽車和鐵路車輛、艦船、航空航天飛行器、原子能反應堆及電站、石油化工設備、機床和工程機械、電器與電子產品、家電以及橋梁、高層建築、高鐵、油氣遠距離輸送管道、高能粒子加速器等許多重大工程中，連接技術都占據十分重要的地位，連接技術的應用十分廣泛。
以載貨汽車為例，一輛汽車由數十個部件、上萬個零件裝配而成。其中發動機上的汽缸體、汽缸套、汽缸蓋、離合器殼體、手動（自動）變速箱殼體、後橋殼體、活塞、活塞環、化油器殼體、油泵殼體等，采用鑄鐵、鑄鋁和鋁合金鑄造或壓鑄工藝生產；連杆、曲軸、氣門、齒輪、同步器、萬向節、十字軸、半軸、前橋及板簧零件，采用模鍛工藝生產；車身、車門、車架、油箱等，經衝壓和焊接制成；車內飾件、儀表盤（部分汽車）、方向盤、燈罩（部分）等，采用注塑生產；而輪胎為橡膠壓制件。總之，一輛汽車有80%~90%的零件是經成形工藝生產的。
總之，金屬材料約有70%以上需經鑄、鍛、焊成形加工纔能獲得所需制件，非金屬材料也主要依靠成型方法纔能加工成半成品或終產品。因此，材料成形是整個制造技術的一個重要領域，是國民生產中極為重要且不可替代的組成部分，可以毫不誇張地說，沒有先進的材料成形技術，就沒有現代制造業。

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