第一篇：電子束快速成形技術的研究進展

電子束快速成形技術的研究進展

1.引言

電子束快速成形技術是集成了計算機、數控、高能束和新材料等技術而發展起來的先進制造技術。它采用電子束在計算機的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇性地熔化金屬粉末。并通過層層堆積，直至整個零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三維產品。與激光及等離子束快速成形相比，電子束快速成形技術具有能量利用率高、功率大、加工速度快、運行成本低、高真空保護等優點，是高性能復雜粉末冶金件的理想快速制造技術，在航空航天、汽車及生物醫學等領域有廣闊的發展前景。

目前金屬零件快速制造工藝多數采用激光在氣體保護下進行金屬粉末的燒結或熔化。激光作為一種金屬材料的加工手段，技術比較成熟、可控性好，便于實現數控，能夠較好的實現材料的“離散/堆積”，成型激光燒結在小功率范圍內應用比較經濟，但是當燒結或熔化諸如鎢、鈦及高溫合金特種性能金屬材料關鍵件時有強度不夠高的缺點。而電子束加工作為另一種高能束加工手段，它是采用高能電子束作為加工熱源，成型可通過操縱磁偏轉線圈進行。已在金屬零件快速成型領域中得到應用，并顯示出了一系列獨特的優勢：

1）功率能量利用率高

電子束可以很容易的做到幾千瓦級的輸出，而激光器的一般輸出功率在1 kW~5 kW之間。電子束加工的最大功率能達到激光的數倍，其連續熱源功率密度比激光高很多，可達1×107 W/mm2。同時比起激光15%的能量利用率，電子束的能量利用率要高很多，可達到75%。

2）對焦方便

激光在理論上光斑直徑可達1 nm，但在實際應用中一般達不到。而電子束則可以通過調節聚束透鏡的電流來對焦，束徑可以達到0.1 nm。因而可以作到極細的聚焦。加工出的產品粒度高，純度高，性能更優越。

3）可加工材料廣泛

大部分金屬對激光的反射率很高，熔化潛熱也很高，從而導致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降低，使得熔池溫度急劇上升，導致材料汽化。而電子束可以不受加工材料反射的影響，很容易加工用激光難于加工的材料，而且具有的高真空工作環境可以避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。這一點對鈦及鈦合金的加工尤為可貴。

4）成形速度高，運行成本低

電子束設備可以進行二維掃描，掃描頻率可達到20 kHz，無機械慣性，可以實現快速掃描。且不像激光那樣消耗諸如N2、CO2、H2等氣體，價格相比較低廉。只需消耗數量不大的燈絲。

由上可知，電子束加工較激光加工有能量利用率高、可應用材料廣泛、真空環境無污染、成形速度快等優勢。

除此之外，電子束在金屬焊接、電子束蒸發涂覆、電子束熔煉、電子束表面處理、電子束打孔、電子束制粉、電子束消毒滅菌、電子束顯微技術等領域近些年來也不斷得到發展，其應用領域也在不斷的拓寬。總之電子束技術符合21世紀綠色制造的宗旨，正受到更多的關注和研究，可以預見電子束在金屬零件快速制造技術領域必將占有主導地位。

圖1-1電子束熔化技術加工過程

2.研究進展

相對于激光及等離子束快速成形，電子束快速成形出現較晚，2001年瑞典Arcam公司確立電子束快速制造技術，其工作原理與選擇性激光燒結類似(如圖 1-1 所示)，加熱能量是電子束。由于該技術在粉末近凈成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的獨特優勢，電子束快速成形的研究在國外很快成為前沿和發展方向，美國北卡羅來納州大學、英國華威大學、德國紐倫堡大學、波音公司、美國Synergeering集團、德國Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司積極開展了相關研究工作。在工藝方面：美國Calcam公司采用EBM技術已制備出了全致密、力學性能優于鍛造件的Ti6Al4V葉輪部件。

2.1 國外電子束快速成型研究

電子束快速成型是電子束加工與快速制造技術的相結合而產生的一種新技術，不僅可以充分利用電子束真空加工環境、高能量密度、掃描速度快、精密控制等優點，而且可以發揮快速制造無需工模具、開發周期短及制造成本低等優勢，預計將在汽車、航空航天及醫療器械等領域得到快速發展和應用。電子束在快速制造領域的應用在國際上剛剛開始興起，比較領先的是瑞典Gothenburg的Arcam AB公司研制的電子束熔化技術EBM(Electron Beam Melting)，其工作原理類似于選擇性激光燒結，加熱能量是電子束，采用了一套嚴格的溫度檢測控制系統。該電子束加工設備具有能量密度高、掃描速度快、精密控制等優勢，主要研究高性能金屬材料研究制造工藝，如鈦合金Ti6Al4V、Ti6Al4VELI；鈷鉻合金ASTM F75；鎳基合金718、625；鈹/AlBeMet；可用于火箭引擎中的粉末冶金新材料GRCop-84；不銹鋼316L，17-4PH不銹鋼；鋁合金和H13鋼等，可以得到制件致密度接近100％的制件，圖1-2(a)～(d)所示為使用該設備制造的鈦合金(Ti6Al4V)零件。該公司電子束熔化成型的最大成型件尺寸為200mm×200mm×160mm，精度為±0.3mm。

圖1-2 EBM成型件

目前該公司的產品已經在英國Warwick大學及美國南加州大學等多家快速 制造的研究機構得到了使用，并與英國劍橋真空工程研究所CVE建立了合作關系，應用領域已經延伸到汽車，航空航天及醫療器械領域。美國麻省理工學院也開展了基于電子束的直接金屬快速制造工藝研究。John Edward Matz在他的博士論文中研究了另一種電子束快速制造工藝，稱作EBSFF，其工藝裝備如圖1-3所示。

1-3 EBSFF工藝裝備原理圖

EBSFF系統由電子槍、三維數控工作臺、送絲機構、真空系統以及控制系統等組成。在EBSFF工藝中電子束實時熔化從側向送進的金屬絲，形成熔滴；工作臺移動，使熔化的金屬沉積在基體上，堆積形成零件。在EBSFF工藝中電子束焦點位置是固定不變的，通過工作臺的相對運動來實現任意形狀截面的制造。NASA Langley Research Center利用電子束實體自由制造技術來制造具有高反射率的航空航天用合金如鎂合金和鈦合金的結構件。圖1-4(a)~(d)為EBF3制件，制件完全致密，屈服極限和強度極限均大于手冊給出的同種材料標準強度值，且性能穩定；斷裂延伸率也與標準值接近。

圖1-4 EBF3成型件

P.Wanjara等人用電子束自由制造技術在SU321不銹鋼基板上堆積SU347不銹鋼，通過微觀組織的觀察分析，以及硬度、拉伸強度、屈服強度的測量證明電子束自由制造技術在修補應用上能使堆積成型部分與基體部分很好的結合，經修復的結構件性能很好。與此相似的研究有鎳基高溫合金718，鋁合金2219，鈦合 金Ti6Al4V材料電子束自由制造。

2.2國內電子束快速成型研究

國內，清華大學激光快速成型中心聯合國內主要的電子束設備提供單位進行了多方論證，開發出電子束選區同步燒結工藝及三維分層制造設備，并已在國內申請專利。他們發明的三維分層制造設備以粉末類材料為原料，通過電子束掃描控制裝置控制電子束在指定區域內以圖形投影的方式快速掃描，均勻地加熱粉末材料。電子束快速掃描的顯著特點是：電子束每一次掃描選定區域的時間極短，以至掃描起始點的溫度還沒有發生較大變化時，整個成型區域就已經掃描完成，經過一幀或多幀掃描，成型區域內材料階梯式同步升溫，共同達到燒結或重熔所需的溫度，并一起沉積到成型區域上，并同步的降溫。由于整體成型區域內的材料同步升溫、燒結、沉積和降溫，因此產生的熱應力可大大減小，提高零件成型的精度和質量。

圖 1-4 電子束選區熔化成型件(316L 不銹鋼粉末)

該中心利用電子束選區熔化成型設備進行了316L不銹鋼粉末熔化成型試驗研究，通過工藝試驗和數值模擬，得出氣霧化粉末的比例在40 %～60%之間的混合粉末具有較好的成型性能；并對316L不銹鋼粉末的微觀組織及熔化成型機理進行了研究，圖1-4為該設備制作的316不銹鋼成型件。西安交通大學劉海濤等人建立了描述電子束熔融316不銹鋼粉末掃描線寬規律的數學模型，揭示了掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度呈線性關系，搭接率為0.5時的層面質量優于搭接率小于0.5時的層面質量。清華大學齊海波等人采用 SiCP/ A1復合材料進行了電子束燒結快速制造試驗研究，采用這種工藝它可擺脫傳統工藝制造過程中陶瓷顆粒增強鋁基復合材料易氧化、增強顆粒分散不均勻及界面結合差等制約其應用的難題，能制造出任意復雜形狀的結構件。韓建棟等人研究了電子束選區熔化成型技術中粉末預熱工藝對Ti-6Al-4V合金粉末在高能高速電子束作用下抗潰散性能的影響，并對該粉末進行了三維零件成型試驗以驗證粉末預熱在實際成型中的作用。陜西科技大學楊鑫等人研究了在電子束對金屬粉末的作用力，建立了TA7金屬粉末受力模型，并對其進行受力分析和計算，研究發現當球形和非球形粉末以3：2的比例混合時，可以得到很好的成型效果。

目前國內航空航天、汽車及生物醫學等領域對復雜結構及多孔結構有巨大需求，但由于EBM工藝及設備還不成熟，暫時無法滿足航空航天高性能復雜零件實際應用要求，關鍵問題有吹粉、球化、零件變形、殘余應力、表面粗糙度等。以下從設備、工藝及專用粉末等方面著重分析，并根據分析提出具體解決措施和研究重點。

3.關鍵問題分析

3.1吹粉

電子質量遠大于光子，所以相對于激光束，電子束動量大，在選擇燒結時，會出現特有的吹粉問題，即預制松散粉末在電子束的壓力作用下被推開的現象。吹粉問題會導致金屬粉末在成形熔化前即已偏離原來位置，從而無法進行后續成形工作。吹粉實質上是電子束與粉末相互作用問題，齊海波建立了松散粉末簡單靜力學模型，確定了電子束作用條件下粉末的潰散臨界條件。楊鑫針對球形、非球形以及不同比例混合粉末潰散臨界條件進行了受力計算分析和實驗，確定具有較好的抗潰散能力粉末混合比例。Arcam公司采用電子束通過逐漸提高電流預熱粉末，通過預熱粉末增加黏度并形成微燒結粉末層，使后續高能量束流熔化過程中粉末能被固定在原位。目前通過適當改變粉末的表面狀態和堆積方式或粉末間的摩擦因數提高粉末抗潰散能力，然后在粉末不潰散的條件下，通過逐步提高電子束掃描電流，預熱燒結并固定粉末解決吹粉已形成共識。而電子束與粉末相互作用，尤其電子束對粉末動態沖擊過程的研究有待深入，粉末預熱及預燒結機理有待揭示。3.2球化

球化現象又稱為形球現象，是指金屬粉末雖熔融但沒形成一條完整平滑的掃描線，而是各自團聚成小球，其原因主要是由于熔融粉末形成的金屬小液滴表面張力過大所致。劉海濤實驗發現球化與功率P和掃描速度V的比值?有關：

?=P/V

(1)只有當?大于0.1時，才能得到連續的掃描線，否則掃描線會被球化。Cormier D則采用預熱增加粉末的黏度，將待燒結粉末加熱到一定的溫度，可有效減少球化現象。球化現象實際上取決于三方面因素：熔融小液滴表面張力、粉末是否潤濕、粉末間的黏結力。如果熔融小液滴不潤濕粉末，在表面張力的作用下各自團聚成小球，產生球化現象；如果熔融小液滴潤濕粉末，但粉末間的黏結力小于表面張力，則熔融小液滴裹挾粉末團聚成小球，產生球化現象；如果熔融小液滴潤濕粉末，且粉末間的黏結力大于表面張力，則熔融小液滴在粉末表面鋪展，不產生球化現象。所以，提高粉末間的黏結力、促使熔融小液滴潤濕粉末是抑制球化現象的關鍵。預熱粉末一方面提高粉末顆粒的溫度，熔融小液滴更易潤濕粉末，另一方面增加粉末的黏度、固定粉末，從而抵御粉末熔融小液滴表面張力，有利于熔融小液滴在粉末表面鋪展。劉海濤、Cormier D正是增加熱輸入，有效地減少球化現象。目前還缺乏對球化現象系統的理論研究及定量描述，球化模擬分析機理有待揭示。

3.3變形及殘余應力控制

零件在直接成形過程中，由于熱源迅速移動，加熱、熔化、凝固和冷卻速度快，受熱不平衡嚴重、溫度梯度高，組織及熱應力大。隨著零件結構復雜程度的提高，零件產生較大變形甚至開裂，同時成形結束后，存在殘余應力分布。而殘余應力作為一種內應力會影響成形構件靜載強度、疲勞強度、抗應力腐蝕等性能及尺寸的穩定性。由于還沒有有效的實驗方法能檢測成形過程應力/應變的演變，復雜鈦合金結構零件金屬直接成形過程應力/應變的演變機理研究，主要是通過數值方法模擬，并通過殘余應力測試實驗驗證的。早期，K.DAI、N.W.Klingbeil等人對于簡單熔覆層，石力開等人對于多層直薄壁試件的溫度場及簡單熔覆層應力進行了模擬分析，取得了較為滿意的研究結果。賈文鵬建立了嚴格實驗驗證的熱彈塑性激光快速成形數值模型，并對航空發動機空心葉片激光快速成形過程溫度、形變及殘余應力分布規律進行了模擬分析。在控制變形開裂、消除應力方面，哈佛大學A.H.Nickel等人發現采用短路徑激光掃描方式熔覆應力比長路徑激光掃描方式熔覆應力小。而Li-ang Ma(馬良)等人進一步指出采用分形掃描路徑可使零件溫度場更為均勻，同時用短折線替代長直線，有利于減小應力。賈文鵬提出隨形熱處理工藝，即在金屬零件直接成形時，溫度場趨于均勻，減小溫度梯度，降低熱應力，同時在熱處理溫度保溫，通過塑性及蠕變使應力松弛，防止應力應變累積，達到成形同時減小變形、抑制零件開裂、降低殘余應力水平的目的。目前在復雜零件電子束成形零件變形、殘余應力消除方面還有待深入，其中關鍵是在隨形熱處理應力松弛機理，隨形熱處理過程溫度、應力演化的基礎上，研究隨形熱處理塑性變形及蠕變的演化及分布規律，定量分析工藝參數、約束形式對塑性變形及蠕變的影響，確定不同時刻、不同部位塑性變形及蠕變的主導形式，通過隨形熱處理工藝對電子束快速制造過程應力、變形控制，減小零件變形，降低殘余應力，實現電子束快速制造及隨形熱處理工藝的優化。

3.4 表面粗糙度

電子束成形零件表面粗糙度一般低于精鑄表面，對于不能加工的表面，很難達到精密產品的要求。影響電子束成形零件表面粗糙度的因素主要有：切片方式及鋪粉厚度、電子掃描精度、表面粘粉等。其中切片方式及鋪粉精度、電子掃描精度與成形設備有關，而表面粘粉與預熱、預燒結及溶化凝固工藝過程有關。

目前國內電子束成形設備還不成熟，關鍵問題是沒有電子束成形專用的電子槍，而一般用于電子束焊機的電子槍很少高速掃描，所以在掃描速度、范圍、精度、能量密度分布方面與電子束成形工藝要求差距較大，比如如何實現寬幅掃描、動態聚焦、能量密度均布等功能，電子槍需要重新設計，控制及偏轉系統有待于研制。另一方面，預熱及預燒結工藝在固定粉末抵抗電子束流轟擊中起關鍵作用，但如果預熱溫度過高，造成在粉末溶化凝固時，周圍熱量傳導粉末溶化燒結，從而造成表面粘粉降低表面質量。所以預熱溫度、區域選擇，尤其是成形區邊緣的溫度必須嚴格控制，防止在成形時成形區邊緣粉末溶化造成表面粘粉。該方面的工藝研究亟待開展，而表面粘粉機理研究還有待深入。3.5缺陷控制

電子束成形采用逐層熔化堆積形成零件，在成形過程易受偶然因素影響，難免形成融合不良、隔冷、球化等缺陷，所以必須發展缺陷控制技術。目前，電子束成形缺陷控制技術主要有：在成形過程中實時發現缺陷并對其采用電子束重熔消除及在成形后采用熱等靜壓工藝消除兩種方法。熱等靜壓易實施，并在鑄件及高溫合金激光快速成形件消除內部缺陷上廣泛應用，但成本較高、效果有限。目前采用紅外線陰影模式識別技術，通過實時檢測每一層表面缺陷，實現電子束快速制造內部和表面缺陷實時電子束重熔消除是缺陷控制研究重點。而準確識別缺陷、內部缺陷電子束重熔機理分析有待進一步研究。

4總結與展望

電子束快速制造技術是近幾年發展起來的一種快速制造技術，國內外在此項技術研究水平上的差距不太大，這為我國在該技術的研發上與國際同步提供了很好的契機。國內清華大學及西北有色金屬研究院等單位在電子束快速制造裝置及工藝方面進行了跟蹤研究。但要實現高性能復雜零件電子束快速制造及廣泛應用，還需做巨大努力。目前面臨的吹粉、球化、零件變形、殘余應力、表面粗糙度等主要問題，可通過粉末搭配、預熱及預燒結、隨形熱處理、缺陷重熔等工藝有效解決，其關鍵是電子束與粉末相互作用、粉末燒結及熔化、溫度場及應力應變演化等工藝過程的研究。此外專用電子槍的研制、動態聚焦及掃描精度的提高、溫度閉環控制等設備的保障也是不可或缺的條件。

第二篇：沖壓模具的快速成形技術介紹

沖壓模具的快速成形技術介紹

隨著經濟的快速發展和市場需求的多樣化,人們對產品生產周期的要求越來越短,尤其在小批量甚至單件生產方面,要求現代制造技術不僅要有較高的柔性,還要有更新的、更能滿足市場要求迅速變化的生產模式。數控單元沖壓模具快速成形技術,就是為適應此種狀態而產生的。

單元沖模快速成形的數字化編碼鈑

鈑件的形狀可分割成一些簡單的圖形元素,然后合成所需圖形。例如:矩形是4個直角的合成;波浪形是一些曲線的合成等。因此,對于一些精度要求較高的小批量甚至單件生產的鈑金件,可以用一些通用件迅速組裝成單元沖壓模具,采用數控技術,使之快速成形。將被加工鈑金件看成一個可被分割的平面圖形,對分割出來的簡單圖形元素進行數字化處理。即按其方位進行定位編碼。非等距簡單圖形零件的數字化,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),設現有通用沖頭的寬等于Δx,長等于Δy。缺口1由位置(2,0)以及位置(3,0)合成,缺口2、3、4同樣由兩個位置合成,方孔由8個位置合成。如果采用矩形單元快速成形,可以獲得如圖2所示的二維編碼,由于劃分過細使得到的編碼較長。如果采用正方形單元快速成形,則可以獲得如圖3所示的二維編碼,其編碼減小一半。

快速成形的結構設計

目前，大部分中小型企業尚不具備購買高檔數控沖床的經濟實力，數控單元沖壓模具可以直接安裝在普通沖床上作為簡易數控沖床來使用，上模為凸模機構。光電頭安裝在上模板下方以檢測凸模的起落。坯料的裝夾要根據不同的需要進行設計。料板由步進電機控制絲杠分X,Y方向驅動。下模為凹模機構，直接安裝在工作臺上。

快速成形的控制系統設計

電機驅動及選用，步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。共有3種:永磁式、反應式和混合式。混合式集中了前二種的優點，從性價比方面進行綜合考慮，擬選用步進角1.8o的兩相混合式步進電機。驅動器的型號、種類較多，細分型為考慮對象。因為細分型可消除電機的低頻振蕩，可提高電機的輸出轉矩及分辨率。顧及速度和精度細分系數定為4。

系統硬件設計數控單元沖模是安裝在曲軸式壓力機上的，機床的沖壓原理不變。需要控制的是兩方面內容:首先要確定零點以及各工位點的位置;其次在上沖模往復動作的啟停間被加工件的按編碼所得的X,Y方向的快速進給送料運動以及這兩個動作的協調。即實現沖壓和送料動作的同步控制。

數控系統的人機界面采用鍵盤輸入LED顯示鍵盤具有數字鍵、設定、修改、查尋、X及Y方向的調整、執行等的功能鍵，可用來完成加工程序的輸入、修改及對控制的操作和調整等。操作人員根據被加工件的形狀在計算機上進行編碼，自動生成加工程序，通過串行口將加工程序下載給單片機并且保存在FLASH ROM中。工模安裝后手動調整零位。進入執行后單片機從FLASH ROM中取得加工程序，并計算X,Y方向的步進距離后再將其轉換成相應的步進脈沖數控制X,Y方向的步進電機的轉動步數。當光電信號檢測到上模位于開啟位置時數控系統迅速將待加

工件定位到加工位置，并且啟動沖床上沖模下壓，實現一次沖壓。在沖床帶動上沖模開啟時數控系統迅速地將待加工件移動到下一加工位置等待下次沖壓，直到完成加工停止沖床運動。

系統軟件設計

整個系統由上位機來管理。系統軟件語言采用Visual Basic 6.0編制其集成開東莞市拓步電子有限公司電話：0769-82123458傳真：0769-82123428 網址：http:///發環境(IDE)集設計、修改、調試、生成等功能于一體，人機交互界面十分友好。它是功能強大的Windows環境下的編程語言簡單易學可視化程度高。系統軟件結構采用模塊化結構，共有5個功能模塊:系統開機后進入Windows界面雙擊“數控單元沖模”圖標，即彈出應用界面，可選擇功能模塊。

隨著數控技術、伺服技術、運動元件的發展，以及市場經濟的需要，數控單元沖壓模具快速成形技術得到迅速發展。對于中小型傳統企業，這種結合傳統制造工藝的高新技術無疑是一種投資省，見效J陜，方便、快捷的技術。隨著經濟和科學技術的不斷發展，實現自動上下料裝備、外置模具庫自動換模裝備等，已經擺在人們的面前。可見，數控沖壓的發展是以相關技術和新結構的研制為基礎的。單元沖壓模具快速成形技術，無疑是先進沖壓技術發展的一個新起點 模內攻牙技術

模內攻牙又稱模內攻絲,是一種替代了傳統人工攻牙的新技術,目前傳統的攻牙設備已經不能適應沖壓產品需求,效率太低,加工時間長.遠遠滿足不了市場的需要.模內攻牙技術的導入使得沖壓模具真正的實現了自動化,效率化,攻牙范圍可達到最小M0.6,最大可達到M45.精度可達到0.01mm,模內攻牙技術使的沖出來的產品不需要再進行第二次人工攻牙,其擠壓出來的產品質量有保證,表面光潔度好,效率高,成本低.廣泛應用于沖壓。

制造沖壓模具的材料有鋼材、硬質合金、鋼結硬質合金、鋅基合金、低熔點合金、鋁青銅、高分子材料等等。目前制造沖壓模具的材料絕大部分以鋼材為主，常用的模具工作部件材料的種類有：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻或中鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質合金、鋼結硬質合金等等。基本分類

a.碳素工具鋼在模具中應用較多的碳素工具鋼為T8A、T10A等，優點為加工性能好，價格便宜。但淬透性和紅硬性差，熱處理變形大，承載能力較低。

b.低合金工具鋼低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入了適量的合金元素。與碳素工具鋼相比，減少了淬火變形和開裂傾向，提高了鋼的淬透性，耐磨性亦較好。用于制造模具的低合金鋼有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代號CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代號GD)等。

c.高碳高鉻工具鋼常用的高碳高鉻工具鋼有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代號D2）、SKD11，它們具有較好的淬透性、淬硬性和耐磨性，熱處理變形很小，為高耐磨微變形模具鋼，承載能力僅次于高速鋼。但碳化物偏析嚴重，必須進行反復鐓拔（軸向鐓、徑向拔）改鍛，以降低碳化物的不均勻性，提高使用性能。

d.高碳中鉻工具鋼用于模具的高碳中鉻工具鋼有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它們的含鉻量較低，共晶碳化物少，碳化物分布均勻，熱處理變形

小，具有良好的淬透性和尺寸穩定性。與碳化物偏析相對較嚴重的高碳高鉻鋼相比，性能有所改善。

e.高速鋼高速鋼具有模具鋼中最高的的硬度、耐磨性和抗壓強度，承載能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代號8-4-1）和含鎢量較少的W6Mo5 Cr4V2（代號6-5-4-2，美國牌號為M2）以及為提高韌性開發的降碳降釩 高速鋼 6W6Mo5 Cr4V（代號6W6或稱低碳M2）。高速鋼也需要改鍛，以改善其碳化物分布。

f.基體鋼在高速鋼的基本成分上添加少量的其它元素，適當增減含碳量，以改善鋼的性能。這樣的鋼種統稱基體鋼。它們不僅有高速鋼的特點，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲勞強度和韌性均優于高速鋼，為高強韌性冷作模具鋼，材料成本卻比高速鋼低。模具中常用的基體鋼有 6Cr4W3Mo2VNb（代號65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代號LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代號012AL）等。

g.硬質合金和鋼結硬質合金硬質合金的硬度和耐磨性高于其它任何種類的模具鋼，但抗彎強度和韌性差。用作模具的硬質合金是鎢鈷類，對沖擊性小而耐磨性要求高的模具，可選用含鈷量較低的硬質合金。對沖擊性大的模具，可選用含鈷量較高的硬質合金。

鋼結硬質合金是以鐵粉加入少量的合金元素粉末（如鉻、鉬、鎢、釩等）做粘合劑，以碳化 鈦或碳化鎢為硬質相，用粉末冶金方法燒結而成。鋼結硬質合金的基體是鋼，克服了硬質合金韌性較差、加工困難的缺點，可以切削、焊接、鍛造和熱處理。鋼結硬質合金含有大量的碳化物，雖然硬度和耐磨性低于硬質合金，但仍高于其它鋼種，經淬火、回火后硬度可達 68 ~ 73HRC。

h.新材料沖壓模具使用的材料屬于冷作模具鋼，是應用量大、使用面廣、種類最多的模具鋼。主要性能要求為強度、韌性、耐磨性。目前冷作模具鋼的發展趨勢是在高合金鋼D2（相當于我國Cr12MoV）性能基礎上，分為兩大分支：一種是降低含碳量和合金元素量，提高鋼中碳化物分布均勻度，突出提高模具的韌性。如美國釩合金鋼公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊鋼公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一種是以提高耐磨性為主要目的，以適應高速、自動化、大批量生產而開發的粉末高速鋼。如德國的320CrVMo13，等。

選用原則

在沖壓模具中，使用了各種金屬材料和非金屬材料，主要有碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鑄鋼、硬質合金、低熔點合金、鋅基合金、鋁青銅、合成樹脂、聚氨脂橡膠、塑料、層壓樺木板等。

制造模具的材料，要求具有高硬度、高強度、高耐磨性、適當的韌性、高淬透性和熱處理不變形(或少變形)及淬火時不易開裂等性能。

合理選取模具材料及實施正確的熱處理工藝是保證模具壽命的關鍵。對用途不同的模具，應根據其工作狀態、受力條件及被加工材料的性能、生產批量及生產率等因素綜合考慮，并對上述要求的各項性能有所側重，然后作出對鋼種及熱處理工藝的相應選擇。

當沖壓件的生產批量很大時，模具的工作零件凸模和凹模的材料應選取質量高、耐磨性好的模具鋼。對于模具的其它工藝結構部分和輔助結構部分的零件材料，也要相應地提高。在批量不大時，應適當放寬對材料性能的要求，以降低成本。

當被沖壓加工的材料較硬或變形抗力較大時，沖模的凸、凹模應選取耐磨性好、強度高的材料。拉深不銹鋼時，可采用鋁青銅凹模，因為它具有較好的抗粘著性。而導柱導套則要求耐磨和較好的韌性，故多采用低碳鋼表面滲碳淬火。又如，碳素工具鋼的主要不足是淬透性差，在沖模零件斷面尺寸較大時，淬火后其中心硬度仍然較低，但是，在行程次數很大的壓床上工作時，由于它的耐沖擊性好反而成為優點。對于固定板、卸料板類零件，不但要有足夠的強度，而且要求在工作過程中變形小。另外，還可以采用冷處理和深冷處理、真空處理和表面強化的方法提高模具零件的性能。對于凸、凹模工作條件較差的冷擠壓模，應選取有足夠硬度、強度、韌性、耐磨性等綜合機械性能較好的模具鋼，同時應具有一定的紅硬性和熱疲勞強度等。

應考慮材料的冷熱加工性能和工廠現有條件。注意采用微變形模具鋼，以減少機加工費用。對特殊要求的模具，應開發應用具有專門性能的模具鋼，選擇模具材料要根據模具零件的使用條件來決定，做到在滿足主要條件的前提下，選用價格低廉的材料，降低成本。

第三篇：材料成形技術基礎習題

金屬材料力學性能部分

一、填空題

1.材料力學性能指標有：（）、（）、（）、（）、（）、（）。

2.拉伸試驗可以用來測試（）、（）、（）。3.塑性可由（）和（）兩種方式是表示。4.硬度表示方法有三種，分別是：（）、（）、（）。5.布什硬度的壓頭有兩種，（）和（）。6.一個洛氏硬度單位是（）mm。

二、判斷題

1.面收縮率表示塑性比伸長率表示塑性跟接近真實變形。（）2.疲勞強度的單位是KPa/m2。（）

3.布氏硬度計適合測量灰鑄鐵、非鐵合金及較軟的鋼材。（）4.洛氏硬度是根據壓痕直徑測試材料硬度值。（）

三、單項選擇題

1.布氏硬度的符號是：

A、HA B、HB C、HC D、HD 2.布氏硬度符號中，HBS表示：

A、壓頭是淬火鋼球 B、壓頭是硬質合金 C、壓頭是高鉻鑄鐵 3.洛氏硬度的符號是：

A、HL B、HN C、HR D、HQ

四、簡答題

1.什么是材料的剛度？

2.什么是材料的強度？什么是屈服強度？什么是抗拉強度？

3.什么是材料的塑性？

4.什么是材料的沖擊韌性？

5.什么是材料的疲勞強度？

6.“520HBW10/1000/30”的含義是？

7.三種硬度的測量標準有何不同？

D、壓頭是金剛石

鐵碳相圖部分

一、填空題

1.純鐵的同素異構體有（）、（）、（）。2.共晶反應的方程式是（）。3.共析反應的方程式是（）。4.包晶反應的方程式是（）。5.亞共析鋼和過共析鋼的碳含量分界點是（）。

6.亞共晶白口鐵和過共晶白口鐵的碳含量分界點是（）。7.奧氏體最大含碳量為（）。8.鐵素體最大含碳量為（）。

二、判斷題

1.實際討論的鐵碳相圖的含碳量范圍是0.0008~6.69%。（）2.萊氏體的物相包括α-Fe和Fe3C。（）3.珠光體的物相包括α-Fe和Fe3C。（）4.初生奧氏體存在于過共析鋼中。（）

5.珠光體的組織特征是平行線狀黑白交替的鐵素體和滲碳體。（）6.板條狀滲碳體出現在過共晶白口鐵中。（）

三、簡答題

1.什么是鐵素體？它的特征是什么？

2.什么是奧氏體？它的特征是什么？

3.什么是滲碳體？它的特征是什么？

四、計算題

根據鐵碳相圖計算含碳量為0.5%，0.77%，1.2%，2.11%，3%，4.3%，5%的常溫下各組織的含量？各物相的含量？

熱處理部分

一、填空題

1.普通熱處理有四種，分別是：（）、（）、（）、（）。

2.冷卻的方式分兩大類，即（）和（）。3.連續冷卻的方式有多種，比如：（）、（）、（）和（）。

4.共析碳鋼TTT曲線中，高溫轉變區轉變終止產物為（），中溫轉變區轉變終止產物為（），低溫轉變區轉變終止產物為（）。5.珠光體型組織根據片層厚薄不同，可以分為（）、（）、（）。

6.上貝氏體的形態為（）。7.下貝氏體的形態為（）。

8.馬氏體分為（）和（），又稱為（）和（）。

9.熱處理分為預備熱處理和最終熱處理兩種，預備熱處理有（）、（），最終熱處理有（）、（）。

二、判斷題

1.根據片層厚度由厚到薄排列順序為：珠光體>索氏體>托氏體。（）

2.上貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學性能，是生產上常用的強化組織之一。（）

3.馬氏體中碳含量小于0.2%時，組織為板條馬氏體。（）

三、簡答題

1.什么是熱處理？

2.影響奧氏體晶粒長大的因素有哪些？

3.什么是過冷奧氏體？

4.什么是孕育期？

5.珠光體、貝氏體和馬氏體的組織形態特征分別是什么？

6.馬氏體轉變的特點有哪些？

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.為什么過共析鋼的淬火溫度為 Ac1+30-50℃？

12.淬透性的定義是什么？

13.淬硬性的定義是什么？

鑄造部分

一、填空題

1．合金流動性差，澆注時鑄件容易產生（）和（）的缺陷。2．在鑄件的凝固過程中，鑄件的凝固方式有（）和中間凝固以及（）三種方式。

3．液態合金在冷凝過程中，若其液態收縮和凝固收縮所減的容積得不到補足，則在鑄件最后凝固的部位形成一些空洞。按照空洞的大小和分布，可將其分為（）和（）兩類。

4．要使縮孔進入冒口，就要實現（）凝固的原則，使冒口（）凝固。

5．鑄件熱裂的特征是裂紋短，縫隙寬，形狀（），縫內呈（）色。6．鑄件由于壁厚不同，冷卻速度不同，收縮不同，所以容易產生內應力，通常室溫下厚壁受（）應力，而薄壁受（）應力。

7．由于合金的液態收縮和凝固收縮，易使鑄件產生（）缺陷，防止此缺陷的工藝方法是實現（）凝固。8．影響鑄鐵石墨化的因素是：（）和（）。

9．灰口鑄鐵和可鍛鑄鐵以及球墨鑄鐵三種鑄鐵在強度相同的前提下，塑性和韌性最好的是（）鑄鐵，次之是可鍛鑄鐵，最差的是（）鑄鐵。

10．可鍛鑄鐵的制取方法是，先澆注成（）鑄鐵件，然后進行長時間的（）。

11．KTH300—06是（）鑄鐵，其石墨形態為（）。

12．QT400—17是（）鑄鐵，其石墨形態為球狀，“400”表示最低抗拉強度為400MPa,“17”表示（）。

13.手工整模造型的特點是分形面選在零件的（），模樣做成整體，不但造型過程簡單，而且鑄件不產生（）等缺陷。

14．普通車床床身毛坯鑄造澆注時，導軌面應該朝（），鉗工用工作臺澆注時其大平面應該朝（）。

15．型心頭可分為（）和（）兩大類。

16．下列鑄件在批量生產時，最合適的鑄造方法是：大口徑鑄鐵污水管用（）鑄造；汽車用鋁合金活塞用（）鑄造。

17．離心鑄造必須在離心鑄造機上進行，根據鑄型旋轉軸空間位置的不同，離心鑄造機可分為（）和（）兩大類。

二、判斷題

1．澆注溫度越高，合金的流動性越好，因此，為了防止澆不足缺陷，澆注溫度越高越好。2．合金的鑄造性能是一種機械性能。

3．HT200，ZG45，ZCuSn5Zn5Pb5，QT600—03等幾種材料中，鑄造性能最好的是HT200。

4．鑄件在凝固收縮階段受阻時,會在鑄件內部產生內應力。

5．鑄造合金的液態收縮使鑄件產生應力和變形。

6．收縮是合金的物理本性，對正常澆注溫度下已定成分的合金，其收縮是不可避免的，收縮的體積也是不能改變的，因此，鑄件的縮孔是不可避免的。

7．與灰口鑄鐵相比，鑄鋼具有良好的機械性能和鑄造性能。8．化學成分是影響鑄鐵組織與性能的唯一因素。

9．合金的結晶溫度范圍愈大，合金的鑄造性能愈好。

10．合金的固態收縮使鑄件產生縮孔和縮松。

11．鑄件由于壁厚不同，冷卻速度不同，收縮不同，所以容易產生內應力，通常室溫下厚壁受拉應力；而薄壁受壓應力。

12．在保證鑄型充滿的前提下，生產中廣泛采用高溫出爐，低溫澆注的生產工藝。13．灰口鑄鐵的強度隨著截面積的增加而增加。14．孕育鑄鐵件上厚大截面的性能比較均勻。

15.鑄鐵中的石墨呈片狀時，在石墨片的尖角處容易造成應力集中，從而使鑄鐵的抗拉強度低、韌性幾乎為零。

16．由于鑄造生產的發展，砂型鑄造將逐步被特種鑄造方法所取代。17．可鍛鑄鐵是適合生產形狀復雜經受振動的厚壁鑄件。

18．特種鑄造在特種條件下具有先進性,但不能完全代替砂型鑄造。19．對鑄件需要切削加工的重要表面鑄造時應朝上放置。

三、單項選擇題

1．合金的流動性差會使鑄件產生下列何種鑄造缺陷（）

A.偏析 B.冷隔

C.應力

D.變形

2．下列零件中最適合用灰口鑄鐵制造的是

（）

A.汽車活塞

B.軋輥

C.壓力機曲軸

D.車床床身

3．被廣泛用來制造機床床身.機器底座的灰口鑄鐵因為有良好的（）

A.低的缺口敏感性 B.切削加工性 C.減振性

D.耐磨性

4．設計薄壁鑄件有“最小壁厚”的規定，主要根據是（）

A.合金的流動性B.合金的收縮性C.合金的抗裂性D.合金的吸氣性 5．常用的鑄造合金中流動性最好的是（）

A.可鍛鑄鐵

B.灰口鑄鐵

C.球墨鑄鐵

D.白口鑄鐵

6．常用鑄造合金中收縮性最小的是

（）

A.灰口鑄鐵 B.可鍛鑄鐵

C.球墨鑄鐵

D.鑄鋼

7．在相同的工藝條件下，流動性最好的合金是（）

A.共晶合金成分

B.亞共晶合金成分

C.過共晶合金成分

D.結晶間隔寬的合金

8．不同的鑄造合金，其最小壁厚的規定不同，主要是根據合金的（）A.流動性B.收縮性C.吸氣性

D.氧化性

9．以下牌號的鑄造合金中，σb最高的是

（）

A.HT150 B.QT500—07

C.KTH300—06 D.KTZ450—06

10．用HT150生產一壁厚不均勻的鑄件，該鑄件在（）的強度與牌號中的強度值近似。

A.壁厚10mm左右B.壁厚30mm左右C.壁厚50mm左右D.任意地方

11．可代替鑄鋼的鑄鐵有

（）

A.孕育鑄鐵 B.球墨鑄鐵 C.白口鑄鐵

D.灰口鑄鐵

12．兵馬俑銅車馬的馱手銅像，按真人1/10的尺寸進行縮小復制，最合適的鑄造方法是（）

A.砂型鑄造

B.金屬型鑄造 C.熔摸鑄造

D.壓力鑄造

13．生產普通車床床身應采用

（）

A.熔模鑄造

B.砂型鑄造C.壓力鑄造

D.低壓鑄造 14．設計鑄件結構時其分型面盡量選擇

（）

A.對稱平面

B.曲面

C.最大截面

D.最小平面 15．目前砂型鑄造方法應用廣泛的主要原因是

（）

A.生產過程簡單B.適應性廣 C.鑄件機械性能好D.生產率低

16．大量生產鋁合金照相機殼，應采用的制造方法是（）

A.金屬型鑄造成形

B.壓力鑄造成形

C.沖壓拉深成形

D.沖壓焊接成形

17．生產內腔形狀復雜的鋼件，毛坯的加工方法用

（）

A.焊接

B.鑄造

C.鍛造

D.沖壓

18．為了提高鑄鐵件的強度，在不改變壁厚的情況下，常采用的措施是

（）

A.增設拔模斜度

B.增設鑄造圓角

C.增設加強筋或改變截面形狀

D.改變壁薄厚過渡

19．灰口鑄鐵壁越厚，其強度越低，這主要是由于壁越厚鑄件易產生縮孔、縮松，同時由于（）

A.晶粒粗大

B.氣孔越大C.冷隔越嚴重D.澆不足越厲害

20．大量生產氣輪機葉片應采用的鑄造方法是（）

A.熔模鑄造

B.金屬型鑄造 C.壓力鑄造

D.砂型鑄造

四、簡答題

1.下列鑄件的結構工藝性是否合理？若不合理，請說明理由，并在原圖上進行修改

或另畫出合理圖形。

2.如圖所示軋鋼機導輪鑄鋼零件，鑄造中出現縮孔，試分析原因；并說明采取的防止措施。

3.大批量生產下圖所示灰鑄鐵零件，鑄造毛坯要求不使用型芯和活塊，采用兩箱造型，請修改此零件結構設計中的不合理之處，并重新畫出修改后的零件圖，標出分型面和澆注位置。

焊接部分

一、名詞解釋

1、焊接

2、熔化焊

3、壓力焊

4、釬焊

5、焊接接頭

6、焊接熱影響區（HAZ）

7、焊接坡口

8、焊接性

二、簡答或論述

1、焊接的基本原理是什么？與其他連接工藝（例如鉚接或螺紋連接）有何優勢和缺點？

2、主要的焊接方法有哪些？具體要求有何不同？

3、常規的熔焊接頭可以分為幾個區？為什么說焊接接頭是一個組織及力學性能不均勻體？

4、繪圖示意說明常見的焊接接頭及焊接坡口的型式

5、焊條電弧焊的原理、優缺點及適用場合

6、埋弧焊的原理、優缺點及適用場合

7、鎢極氬弧焊的原理、特點及適用場合

8、CO2氣體保護焊的原理、特點、適用場合

9、簡述焊接中所用的焊條、焊絲、焊劑及氬氣、CO2的主要作用

10、電子束焊和激光焊的特點和適用范圍

11、什么是焊接電弧，焊接電弧可以分為那幾個區域，溫度分布有何特點？

12、什么是熔滴過渡，一般分為哪幾種形式？

13、電阻焊方法可以分為哪幾類，其基本原理和適用場合是什么？

14、什么是摩擦焊？可以分為哪些種類？

15、釬焊的基本原理是什么？可以分為哪些種類？

16、焊接熱過程有何特點？

17、低碳鋼焊接熱影響區的形成及其對焊接接頭的影響

18、焊接殘余應力和變形產生的原因是什么？有何危害？有哪些消除或防止措施？

19、防止焊接結構脆性斷裂，可以從哪些方面入手？

20、影響材料的焊接性的因素有哪些？評價材料的焊接性有哪些方法？

21、試比較一下低碳鋼與低合金高強鋼的焊接性的不同

22、焊接結構生產的一般工藝流程包括哪些？

三、分析題

1、如圖所示低壓容器，材料為20鋼，板厚為15mm，小批量生產，試為焊縫A、B、C選擇合適的焊接方法，并簡要說明選擇理由。

2、分析下圖中所示焊接結構哪組合理，并說明理由。

鍛造部分

一、填空題

1.金屬的加工硬化是指塑性變形后其機械性能中強度和硬度（），而塑性和韌性（）的現象。

2.金屬經塑性變形后，強度升高塑性下降的現象稱為（），它可以通過（）方法消除。

3.金屬產生加工硬化后的回復溫度T回=（）T熔(金屬熔化的絕對溫度);再結晶溫度T再=（）T熔。

4.鍛造時對金屬加熱的目的是（）和（）。

5.45鋼合理的鍛造溫度范圍是（），在此溫度區間，該鋼的組織主要是（）。

6.碳鋼隨含碳量增加，其鍛壓性能變（），高碳鋼的始鍛溫度比低碳鋼的始鍛溫度（）。

7.衡量金屬可鍛性的兩個指標是（）和（）。

8.影響金屬可鍛性的因素歸納起來有（）和（）兩大方面。

9.金屬在塑性變形過程中三個方向承受的（）數目越多，則金屬的塑性越好，（）的數目越多，則金屬的塑性越差。

10．錘上模鍛的終鍛模膛設飛邊槽的作用是（）和（）以及保護模膛等。

11．模鍛件的分模面即上下模在鍛件上的（）,為了便于模鍛件從模膛中取出，鍛件沿錘擊方向的表面要有一定的（）。

12．板料沖壓的基本工序可分為（）和（）兩大類。

13．板料落料時，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；板料沖孔時，凸模的尺寸（）孔的尺寸，而凹模的尺寸大于孔的尺寸。14．板料拉深時拉深系數m愈小，板料的變形量愈（），故多次拉深時，m 應愈取愈（）。

15．為使彎曲后角度準確，設計板料彎曲模時考慮到（）現象，應使模具的角度比需要的角度（）。

16．板料彎曲時，彎曲線應（）纖維組織，彎曲方向應（）纖維組織。

17．板料沖壓基本工序沖孔和落料是屬于（）工序；而拉深和彎曲則屬于（）工序。

18.按照擠壓時金屬流動方向和凸模運動方向之間的關系，擠壓可分為（）、（）、（）和（）。

19、鍛造前金屬加熱的目的是為了提高（），降低（），并使（）均勻。

二、判斷題

1.滑移是金屬塑性變形的主要方式。

2.變形金屬經再結晶后不僅可以改變晶粒形狀，而且可以改變晶體結構。3.鎢的熔點為3380℃，當鎢在1200℃變形時，屬于冷變形。

4.金屬存在纖維組織時，沿纖維方向較垂直纎維方向具有較高的強度，較低的塑性。5.鍛造纖維組織的穩定性很高，故只能用熱處理的方法加以消除。

6.金屬材料凡在加熱條件下的加工變形稱為熱變形，而在室溫下的加工變形稱為冷變形。7.鋼料經冷變形后產生加工硬化而提高強度，鋼錠經鍛造熱變形后因無加工硬化，故機械性能沒有改善。

8.自由鍛不但適用于單件,小批生產中鍛造形狀簡單的鍛件,而且是鍛造中型鍛件唯一的方法。

9.模型鍛造比自由鍛造有許多優點,所以模鍛生產適合于小型鍛件的大批大量生產。

10.胎膜鍛造比自由鍛造提高了質量和生產率，故適用于大件，大批量的生產。

11．帶孔的鍛件在空氣錘上自由鍛造時，孔中都要預留有沖孔連皮，而于鍛后沖去。

12．自由鍛造可以鍛造內腔形狀復雜的鍛件。

13．錘上模鍛可以直接鍛出有通孔的鍛件。

14．自由鍛件上不應設計出錐體或斜面的結構，也不應設計出加強筋，凸臺，工字型截面或空間曲線型截面，這些結構難以用自由鍛方法獲得。

15．錘上模鍛時，終鍛模膛必須要有飛邊槽。

16．鍛造時，對坯料加熱的目的是提高塑性和降低變形抗力，所以，加熱溫度越高越好。

17．制定鍛件圖時，添加敷料是為了便于切削加工。

18．曲柄壓力機上的模鍛不能進行拔長.滾壓等制坯工序

19．在空氣錘上自由鍛造有孔的鍛件時，都不能鍛出通孔，而必須留有沖孔連皮，待鍛后沖去。

20．板料沖壓的彎曲變形，其彎曲的半徑越大，則變形程度越大。選擇題

1.鋼料鍛前加熱必須避免

（）

A.氧化皮

B.熱應力

C.過燒

D.脫碳

2.鍛件坯料加熱時產生的過熱現象主要指（）

A.晶界形成氧化層

B.晶界雜質熔化

C.晶粒急劇變粗

D.晶粒細化

3.滑移總是沿著（）晶面和晶向進行。

A.與外力成45度的B.密排

C.非密排

D.任意的

4.設計零件時的最大工作切應力方向最好與鋼料纖維組織方向成（）

A.0度

B.30度

C.45度

D.90度

5.金屬經過冷變形后，有（）現象。

A.加工硬化

B.回復

C.再結晶

D.晶粒長大

6.經冷軋后的15鋼鋼板，要求降低硬度，采用的熱處理方法是

（）

A.再結晶退火 B.去應力退火 C.完全退火 D.球化退火 7.為了提高鍛件的承載能力，應該

（）

A.用熱處理方法消除纖維組織

B.使工作時的正應力與纖維方向垂直

C.使工作時的切應力與纖維方向一致

D.使工作時的正應力與纖維方向一致

8.冷變形強化現象是指金屬冷變形后

（）

A.強度硬度提高，塑性韌性提高

B.強度硬度提高，塑性韌性下降 C.強度硬度下降，塑性韌性提高

D.強度硬度下降，塑性韌性下降

9.起重用10噸的吊鉤，最合適的材料和生產方法是（）

A.ZG35鑄造而成B.35鋼鍛造而成C.QT420-10鑄造而成D.35鋼鋼板切割而成

10.鍛件拔長時的鍛造比Y 總是()

A.=1

B.>1

C.< 1

D.無所謂

11．胎膜鍛造是在（）設備上使用胎膜生產模鍛件的工藝方法。

A.自由鍛錘 B.模鍛錘

C.曲柄壓力機

D.平鍛機

12．生產500Kg 以上的鍛件毛坯，應采用

（）

A.模型鍛造 B.胎膜鍛造 C.機器自由鍛造 D.手工自由鍛造

13．自由鍛鍛件上不應設計出

（）

A.平面

B.消除空間曲線結構 C.圓柱面 D.加強筋

14．繪制模型鍛件圖時與繪制自由鍛件圖時考慮的不同因素有（）A.敷料 B.分型面C.鍛件公差D.鍛件加工余量

15．板料沖壓拉深時，拉深系數m總是

（）

A.>1

B.=1

C.=0

D.<1

16．拉深系數（m）是衡量拉深變形程度的指標，當變形程度愈大，則

A.m愈大

B.m=0.5

C.m>0.5

D.m愈小

17.大批量生產小鍛件應采用

（）

A.胎膜鍛造

B.模型鍛造

C.手工自由鍛造 D.機器自由鍛造

18．拉深時凸模和凹模之間的單面間隙Z與板厚度S應是

A Z

B.Z>S

C.Z=S

D無所謂

19．利用模具使平板坯料變成開口空心杯狀零件的工序叫做（）

A.拉深

B.彎曲

C.翻邊

D.成型

問答題

1.題圖所示鋼制拖鉤，可采用下列方法制造：

（1）鑄造

（2）鍛造

3）板料切割 試問何種方法制得拖鉤其拖重能力最大？為什么？

（）

（）

2.沖壓下圖所示桶形件，所用條料為寬105mm，厚1mm的低碳鋼板，按先后順序指出需要哪些沖壓基本工序？如果拉深1次完成，請計算拉深系數。

3．如圖所示零件為2mm厚的低碳鋼板沖壓件，試寫出該件的沖壓工序，并繪出相應的工序簡圖。

第四篇：3D打印技術以及在快速鑄造成形中的應用

3D打印技術以及在快速鑄造成形中的應用

字數：2572

來源：環球市場 2017年11期

字體：大 中 小 打印當頁正文

摘要：3D打印技術是制造業領域正在迅速發展的一項新技術，其核心思想為增材制造。它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。它無需模具，產生極少的廢料，有效縮短了加工周期，在非批量化生產中具有明顯的成本和效率優勢。3D打印技術在鑄造行業中的引入推動了傳統鑄造成形技術的發展和革新，并迅速改變著鑄造行業的面貌。

關鍵詞：3D打印技術；快速鑄造成形；應用3D打印技術概述

隨著科學與生產技術的不斷革新與發展，快速成型技術，尤其是3D打印技術逐漸在制造業中已經占據非常重要的地位，成為不可或缺的一種成形制造方法。在不久的未來，以個性化、數字化、網絡化、定制化為突出特點的3D打印制造技術將推動第三次工業革命。

3D打印，又稱作增材制造技術，是根據前期設計的CAD三維模型，借助計算機軟件控制，在打印設備上逐層增加材料堆積成所需制品造型的一種快速成形制造技術。其運作原理和傳統打印機工作原理基本相同。傳統打印機是只要輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副2D圖像。而3D打印機首先將物品轉化為一組3D數據，然后打印機開始逐層分切，針對分切的每一層構建，按層次打印。其最大的技術優點是能簡化制造程序，縮短產品研制周期，降低開發成本和風險。相比傳統的制造工藝，應用3D打印技術節省原材料，用料只有原來的1/3到1/2，制造速度快了3～4倍。3D打印的鑄造應用

2.1 3D打印技術在精鑄模樣制作中的應用

3D打印技術首先被應用于鑄造模樣的制作，尤其是熔模精鑄中的模樣制作。SLS、FDM、SLA技術均可用于蠟模的成形，但是由于獲得的蠟模強度較低，在后續處理工序中易于破損，并不適合于薄壁件的鑄造生產。為解決模樣強度不足的問題，人們將成形所用的蠟料替換為其它類型材料，這樣制備出的模樣可以進行一定程度的加工以改善其表面光潔度，提高鑄件的表面質量；但是此后又暴露出了新的問題，如基于非蠟模樣制備的型殼容易開裂、脫模后殘余灰分高等。

在早期采用3D打印技術獲得模樣的嘗試中，型殼開裂在使用非蠟基模料的情況下非常常見，其原因是在去除模樣的過程中，模樣因受熱膨脹而導致了型殼的開裂。為解決這一問題，3Dsystem公司采用了被稱為QuickCast的成形方案，通過在制備模樣時采用六角形、四方形或三角形的非實體打印模式，將模樣內部材料重量減小95%，形成為內部疏松的樹脂模樣，這種結構可以在較低的溫度下就軟化并向模樣內部潰縮，避免對型殼造成過大的應力，因而可降低型殼的開裂風險。需要注意的是，由于模樣內部結構較為疏松，在涂掛工藝之前有必要在模樣表面浸蠟并進行表面修整，以便獲得平整的型殼內腔，進而澆注出較高質量的鑄件。ZCorp公司則采用一種膠質淀粉原料Zp14進行3D打印，所獲得的制件經浸蠟后涂掛耐火材料，以制備型殼并最終澆注零件。

2.2 3D打印技術在精鑄蠟模壓型制作中的應用

受打印周期的限制，模樣的直接3D打印一般適用于單件或數件鑄件的鑄造生產。為了適應于較大批量的鑄件需求，有研究者開始將3D打印技術應用于蠟模壓型的制作，而后在通過所制作的壓型來批量壓制蠟模，以提高鑄件的生產效率。

壓型的3D打印制備分為直接打印和間接獲得兩種方式。壓型的直接獲得意味著通過3D打印直接制備出壓型，所制得的壓型再用于壓制一定批量的蠟模。直接金屬激光燒結（DMLS）、激光凈形制造（LENS）技術均被成功地應用于壓型的3D打印[6，7]，以滿足快速將中等或較大批量鑄件快速推向市場的需求。一些情況下，人們通過3D打印首先獲得母模，然后使用母模翻制壓型，即間接獲得用于壓制蠟模的壓型。室溫固化硅橡膠制模、環氧樹脂制模、噴涂金屬制模等技術都被成功應用于壓型的間接3D打印制造。以采用室溫固化硅橡膠制模工藝的精密鑄造為例，其工藝實施過程如圖5所示，蠟模的制備需要通過如下步驟來完成：（a）建立鑄件的CAD模型；（b）采用SLA方法制備光固化模樣；（c）翻制RTV硅橡膠壓型；（d）壓制蠟模。所壓制的蠟模經修整、組合后，即可進行涂掛制備型殼，完成后續的精鑄流程。工藝適用性評估表明，當鑄件需求量在數十個的量級時，這一工藝具有較佳的適用性。

2.3 3D打印技術在鑄型制作中的應用

3D打印技術也被應用于陶瓷型殼的直接成形。1993年，位于美國加州的Soligen Technology公司在麻省理工學院發展的3DPAM技術基礎上，搭建了直接型殼制作鑄造系統（DSPC），直接制備出包含內部芯子的陶瓷型殼，減少了傳統熔模精鑄中蠟模壓制組合、制殼脫蠟等繁瑣工序。該DSPC系統通過多個噴頭噴射硅溶膠的方式將剛玉粉末粘結起來，未被粘接的剛玉粉被移除，從而獲得型殼，所制備的型殼在進行高溫焙燒以建立足夠的機械強度后，即可進行金屬液的澆注。DSPC系統可以用于實現任意形狀的零件生產，同時也可適用于包括銅、鋁、不銹鋼、工具鋼、鈷鉻合金在內的多種不同金屬材料的鑄件獲取，鑄件的生產周期可由傳統熔模精鑄的數周縮減至2-3天，目前這一系統已經被用于制造鑄件原型及小批量的全功能鑄件生產。

3D打印技術也正在改變砂型鑄造工藝流程現狀。在傳統的砂型鑄造生產過程中，需要熟練的技術工人依據圖紙或模樣來制作砂型，造型、制芯等工序往往耗費大量人力和時間。通過引入3D打印技術，這種局面也正在得到改變———人們已經可以通過3D打印技術快速制備所需的砂型結構，從而縮短造型工藝周期，減少對熟練技術工人的依賴。結語

3D打印技術作為目前一種先進制造技術，近年來已得到快速發展，實際應用領域逐漸增多。但其推廣力度還不夠大，應該加強教育培訓，促進3D打印技術的社會化推廣；加大科技扶持力度，提升3D打印技術水平，擴大其在鑄造成形領域的技術應用。

第五篇：快速掃描電子束加工技術及其在航空制造領域的潛在應用

快速掃描電子束加工技術及其在航空制造領域的潛在應用

電子束加工是利用高能量密度的電子束對材料進行加工處理的方法，電子束作為一種熱源，通過調整其能量密度、束斑直徑、束流作用時間和材料本身的熱物理特性，可以產生加熱、熔化和汽化等多種加熱效果。電子束加工包括焊接、打孔、熱處理、表面加工、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻以及電子束曝光等，其中電子束焊接是發展最快、應用最廣泛的一種電子束加工技術。電子束加工的特點是功率密度大，能在瞬間將能量傳給工件，而且電子束的能量和位置可以用電磁場精確和迅速地調節，實現計算機控制。因此，電子束加工技術廣泛應用于制造加工的許多領域，如航天、電子、汽車、核工業等，是一種重要的加工方法。

近年來，隨著電磁場控制技術的發展，并結合電子束在磁場中易控的特點，開發了一種新型的電子束加工方法――快速掃描電子束加工技術。這種通過電磁場的控制實現電子束的快速偏轉掃描的方法越來越顯出其技術的優勢，在航空航天制造領域中獲得了廣泛的應用。

快速掃描電子束加工技術原理與特點

快速掃描電子束加工技術的原理如圖1 所示，就是通過對電子槍偏轉線圈和聚焦線圈的控制，使電子束在工件上按特定的軌跡、速率和能量快速偏轉而實現快速掃描電子束加工。由于電子束幾乎沒有質量和慣性，可以實現非接觸的偏轉，而且通過電壓控制，可以在不同的位置切換時控制束流通斷，這樣，束流就可以在構件的不同位置以極高的頻率切換。由于材料的熱慣性，通過束流與材料的相互作用，在這些位置上就會同時產生冶金效果，實現電子束的掃描加工。如果在不同的束流之間改變聚焦位置或者束流強度，則可以實現多功能加工技術，如多束流加工技術、電子束“毛化”技術以及電子束快速成型技術等。

（1）多束流電子束加工(Multibeam Technology)是指采用2束以上的電子束對材料或結構進行處理和加工的一種方法。多束流電子束可以由多個電子槍產生，也可以由1個電子槍通過電磁場的控制而產生。電子束在不同的位置快速移動，由于移動的頻率很高從而產生多束的效果。本文所提到的多束流電子束都是指由1個電子槍通過電磁場控制而產生的多束。

（2）電子束“毛化” 技術（Electron Beam Surfi-sculpt）是英國焊接研究所（TWI）Bruce Dance 等人近年來發明的一種新型電子束加工技術，它借助于電磁場對電子束的復雜掃描控制而在金屬材料表面產生特殊的成形效果。其基本過程是在真空環境中，通過快速響應偏轉線圈和復雜信號控制程序精確控制電子束流，使其按照某種特定的方式、特定的規律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面形成金屬的微小熔池。一旦材料開始形成熔池，電子束將通過磁場的掃描控制被迅速轉移到其他位置，而熔化的液態金屬在表面張力及金屬蒸汽壓力的共同作用下，向束流移動相反的方向流動，并在熔池后方快速冷卻、凝固。隨著束流的重復掃描，熔池前端的金屬被繼續轉移到熔池后端，經過不斷的堆積、冷卻、凝固，逐漸形成一定形狀和大小的“凸起”（毛刺），產生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽狀的“刻蝕”。

本文由振動流化床干燥機http://czcbgz.com 雙錐回轉真空干燥機czcbgz.com 聯合整理發布（3）電子束快速成型技術（Electron Beam Melting，EBM）是一種集成了計算機、數控、電子束和新材料等技術而發展起來的先進制造技術。電子束在計算機的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇地熔化金屬粉末，并通過層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三維產品。與激光及等離子束快速成型相比，電子束快速成型技術具有能量利用率高、加工速度快、運行成本低、高真空保護等優點，是高性能復雜粉末冶金件的理想快速制造技術。

快速掃描電子束加工技術的國內外現狀 多束流加工技術

電子束掃描技術早在20世紀70 年代就已經用于消除電子束焊接缺陷，但是由于控制技術的限制，最近才開始用于多束流焊接和其他加工技術。德國Steigerwald、PTR和Pro-beam等公司都進行過相關研究，主要是在束流偏轉設備方面；Aachen大學的焊接研究所在這方面的研究也比較多，主要是在多束流的束流品質、能量分配及加工過程中熱、力、冶金的相互作用方面。英國焊接研究所的Oliver Nello等人設計和建立了可編程偏轉系統，該系統具有使電子束在X、Y軸快速偏轉并以相似的速度調節電子束焦點（Z軸）的能力，可用于電子束多束流焊接過程應力變形控制的研究。

在國內，北京航空制造工程研究所“十一五”期間在國家自然科學基金（多束流電子束加工的熱效應）的基礎上搭建了多束流技術試驗平臺，開展了多束流掃描控制技術的研究，并用于電子束焊接過程中應力和變形的動態控制，降低了試件的焊接殘余應力，從而減小最終變形。上海交通大學曾對掃描軌跡可控的電子束加工技術進行研究，初步實現了掃描方式的靈活控制，并嘗試進行了一些相關的試驗，但由于試驗設備等條件的限制，比較側重于理論方面的驗證和控制平臺的搭建，相應系統有待于進一步優化和完善，工程應用研究也有待于進一步的開展。電子束“毛化”技術

自發明電子束“毛化”技術以來，英國焊接研究所在該領域開展了大量的研究工作，開發了成熟的電子束“毛化”設備，而且在工藝研究方面也取得了長足的進步。通過控制電子束的工藝參數(包括電子束的加速電壓、電流和聚焦)，加上特殊的掃描波形，即可在不同的金屬（如不銹鋼、鈦合金及鋁合金等）上產生各種不同的表面，包括高寬比大的尖峰突起、蜂窩結構、無毛刺的孔穴、刀刃、通道、旋渦和網紋。

對任何紋理的結構，都可以通過改變尺寸、形狀、入射角和特征分布來定制客戶所需的表面。目前已經成功制備尺寸從10μm~20mm的毛刺。圖2是電子束毛化的幾種表面形貌。該技術不僅能夠加工其他工藝無法實現的表面造型，而且在真空操作下可以避免表面污染。

在國內，有關電子束“毛化”技9術的研究剛剛起步，北京航空制造工程研究所在現有電子束焊接設備和電子束加工技術的基礎上率先開展研究，通過分析電子本文由振動流化床干燥機http://czcbgz.com 雙錐回轉真空干燥機czcbgz.com 聯合整理發布 束“毛化”技術的原理，設計了快速偏轉掃描線圈，搭建了電子束掃描控制系統，實現了電子束“毛化”技術，并在不同的金屬表面產生不同的毛化形貌，見圖3。3 電子束快速成型技術

相對于激光及等離子快速成型，電子束快速成型出現較晚，但自2001年瑞典Arcam公司確立電子束快速制造技術以來，該技術憑借在粉末近凈成型精度、效率、成本及零件性能等方面的獨特優勢，在國外很快成為研究前沿。美國北卡羅來納州大學、英國華威大學、德國紐倫堡大學、波音公司、美國Synergeering集團、德國Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司積極開展了相關研究工作。研究表明，EBM能顯著地減少生產時間并降低生產成本，尤其適合形狀復雜金屬部件的小批量生產，任何外表奇異復雜的金屬部件都可以一次快速成型。其技術與設備被用于生產零部件的直接制造業，并在航空制造、汽車制造、醫療植入物及模具制造等領域均有出色表現。

目前，國內航空航天、汽車及生物醫學等領域對復雜結構及多孔結構有巨大需求，但由于電子束快速成型設備及工藝還不成熟，暫時無法滿足航空航天高性能復雜零件實際應用要求。清華大學進行過電子束選區快速成型技術研究，并購買了1 臺中壓的國產電子束設備，將其真空室進行改造，增加Z 向工作臺，安裝鋪粉系統，利用電磁場的控制使電子束按照預定的軌跡進行逐行掃描，從而實現簡單的三維零件的快速成型。由于束流品質（如束斑品質、束流穩定性、聚焦效果等）的影響，電子束掃描控制的精度和靈活性還有待進一步提高，制作試件的質量檢測和力學性能也正在研究中。

快速掃描電子束加工技術的應用 多束流電子束加工技術

多束流電子束加工技術主要應用于多束流焊接技術，用于提高焊接效率，減少焊接變形，改善難熔易裂材料的焊接性、焊縫性能等。多束流電子束的應用可以方便、迅速（通過電磁場非接觸地控制幾乎沒有質量的電子運動）地調節電子束加工過程中的熱量分布，從而對其力學過程和冶金過程進行動態控制，減小應力和變形，防止焊接過程中的熱裂傾向，形成高質量的加工部件。圖4是德國Pro-beam 公司采用3束電子束同時焊接的實例，結果表明與單束電子束焊接相比，此種方式可以明顯減小齒輪焊接變形，而且大大提高了加工效率。

另外，多束流電子束加工技術還可用于異種材料的連接：通過調節不同位置的停留時間，控制在不同區域的能量輸入。例如，接頭一邊的材料熔化，而另一邊的材料仍處于加熱狀態（擴散焊），這樣就可以實現固態不完全熔化的異種材料的有效連接。可見，多束流電子束加工技術在多方面都有很大的應用潛力。電子束“毛化”技術

英國焊接研究所正在研究將電子束“毛化”技術應用到金屬與的連接技術上，將這種技術稱為Comeld技術。該技術先通過電子束“毛化”在金屬表面上形成毛本文由振動流化床干燥機http://czcbgz.com 雙錐回轉真空干燥機czcbgz.com 聯合整理發布 刺，預處理后將復合材料置于金屬上，通過加溫、加壓共同固化，即可得到這種金屬和復材連接的Comeld接頭，如圖5 所示。

根據TWI的研究，這種Comeld接頭比傳統的同尺寸接頭能承受更高的載荷，斷裂前吸收的能量也遠高于后者，而且可以通過優化毛刺的結構及分布形式提高這種接頭的韌性。此項技術在未來金屬與復合材料連接領域有著重要的應用。

另外，電子束“毛化”技術還可以用在金屬材料的表面改性如涂層制備上，如圖

6、圖7所示。這種表面處理技術在促進基質與涂層的粘合方面具有非常廣闊的應用前景。它可以通過增加表面粗糙度來增加涂層附著力，避免分層。毛刺的形狀與尺寸可以影響涂層的微觀組織，甚至可以改變涂層表面上的裂紋生長機理。同時，凹入特征改善了同鄰接部件的機械互鎖，而突出特征有助于關節界面均勻分布應力。該技術的靈活性還可應用于定制特殊表面，例如，將突起特征排列在最大應力的方向，或者改變結構特征的密度使部件上應力均勻分布。由于該工藝在真空下完成，生成的表面非常潔凈，有助于連接應用。3 電子束快速成型技術

電子束快速成型技術一經面世即引起各國眾多科研機構以及制造業界的高度重視，目前已有美國、德國、意大利及日本一些高技術公司和科研機構將該技術用于機械制造業以及航空航天、汽車和醫療植入器材等領域。美國Calcam公司采用電子束快速制造技術制備出了全致密、力學性能優于鍛件的Ti6Al4V葉輪部件。瑞典Arcam公司采用電子束快速成型技術制造了特殊的鈦合金點陣結構及復雜的部件，見圖8和圖9。

國內在無法獲得設備及相關技術的條件下進行自主開發研究，在鈦合金電子束快速成型研究方面取得了較大的進展。西北有色金屬研究院多孔材料國家重點實驗室開展了電子束快速成型工藝的研究工作，在鈦及鈦合金復雜結構及多孔結構的電子束快速制造工藝、應力及變形控制方面積累了實踐經驗，并制造出復雜的鈦合金葉輪樣件。

結束語

快速掃描電子束加工技術在國外已經相當成熟，在航空航天、汽車、醫療等方面的應用也越來越廣泛。國內眾多研究單位進行的一系列基礎理論和應用研究為快速掃描電子束加工技術的發展奠定了基礎，尤其是近幾年隨著控制技術的發展，快速掃描電子束加工技術在國內發展迅速，已經逐漸應用到工程實踐中，進一步推動了國內精密制造技術的發展。(end)文章內容僅供參考()()(2010-8-27)

本文由振動流化床干燥機http://czcbgz.com 雙錐回轉真空干燥機czcbgz.com 聯合整理發布