先進材料成形技術與理論部分試題總結

1、先進材料成形技術與理論部分試題總結簡答題1簡述金屬塑性成形的原理。利用金屬的塑性，通過外力使金屬發(fā)生塑性變形，成形出具有所要求形狀、尺寸和性能的金屬工件。通常也稱為金屬壓力加工或金屬塑性加工。2簡述金屬塑性成形的種類及特點。改善組織、提高性能。材料利用率高?？梢赃_到較高的成形精度。具有很高的生產(chǎn)率。（）體積成形l 體積成形所用的坯料一般為棒材或扁坯。l 坯料經(jīng)受很大的塑性變形，其形狀或橫截面以及表面積與體積之比發(fā)生顯著變化。l 基本上不發(fā)生彈性恢復現(xiàn)象。l 典型的工藝有擠壓、軋制、拉拔、鍛造等。（）板料成形l 板料成形所用坯料是各種板材或用板材預先加工成的中間坯料。l 板坯的形狀發(fā)生顯著變化，

2、但其橫截面形狀基本上不變。l 彈性變形在總變形中所占比例是比較大的，成形后會發(fā)生彈性回復或回彈現(xiàn)象。l 典型工藝有拉延、沖裁、彎曲。（3）管材成形 ？3. 簡述金屬塑性成形的發(fā)展方向、技術現(xiàn)狀、最新進展。金屬塑性成形技術的現(xiàn)狀：l 塑性成形的基礎理論已基本形成。 包括位錯理論、Tresca、Mises屈服準則、滑移線理論、主應力法、上限元法以及大變形彈塑性和剛塑性有限元理論等。l 以有限元為核心的塑性成形數(shù)值仿真技術日趨成熟，為人們認識金屬塑性成形過程的本質(zhì)規(guī)律提供了新途徑，為實現(xiàn)塑性成形領域的虛擬制造提供了強有力的技術支持。l 計算機輔助技術(CAD CAE CAM)在塑性成形領域的應用不斷

3、深入，使制件質(zhì)量提高，制造周期下降。l 新的成形方法不斷出現(xiàn)并得到成功應用，如超塑性成形、爆炸成形等。金屬塑性成形技術的最新進展：l 微成形（100mm以內(nèi)） 醫(yī)療器械、傳感器、電子器件等l 內(nèi)高壓成形l 可變輪廓模具（柔性模具）成形l 粘性介質(zhì)壓力成形（ Viscous Pressure Forming ，VPF） 壓力介質(zhì)不再是液體或固體，而是如熔融的玻璃等物質(zhì)金屬塑性成形技術的發(fā)展方向：數(shù)字化技術貫穿塑性成形全過程（產(chǎn)品設計、分析和制造過程），且以系統(tǒng)工程為理論基礎的技術體系，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔生產(chǎn)。1.設計數(shù)字化技術：p 設計雖然只占產(chǎn)品生命周期成本的5%15%，但決定了70%

4、75%以上的產(chǎn)品成本和80%左右的產(chǎn)品質(zhì)量和性能。p 上游設計失誤將以110的比例向下游逐級放大?？梢娫O計、尤其是早期概念設計是產(chǎn)品開發(fā)過程中最為重要的一環(huán)。2.基于知識的工程設計，KBEp 提高市場競爭力為目標。通過知識的繼承、繁衍、集成和管理，建立各領域異構知識系統(tǒng)和多種描述形式知識集成的分布式開放設計環(huán)境，并獲得創(chuàng)新能力的工程設計方法。p 處理多領域知識和多種描述形式的知識，是集成化的大規(guī)模知識處理環(huán)境。p 面向整個設計過程，甚至是產(chǎn)品全生命周期的各異構系統(tǒng)的集成，是一種開放的體系結構。p 涉及多領域、多學科知識范疇，模擬和協(xié)助專家群體的推理決策活動，具有分布、分層、并行特點。KBE研究

5、的重點p (1)基于知識的產(chǎn)品建模:p 將專家的設計經(jīng)驗和設計過程的有關知識，表示在產(chǎn)品信息模型中，為實現(xiàn)產(chǎn)品設計智能化、自動化提供有力的信息。p (2)工程知識的融合和繁衍技術:p 用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)p 用機器學習的方法來分析數(shù)據(jù)，挖掘大量數(shù)據(jù)背后的知識3. 反求工程是產(chǎn)品數(shù)字化的重要手段之一，是數(shù)字化塑性成形技術的重要環(huán)節(jié)。消化吸收國外模具設計的先進技術，提高我國的模具設計水平具有重要的意義。4.分析數(shù)字化技術數(shù)字化模擬金屬塑性成形過程的機理非常復雜，傳統(tǒng)的模具設計基于經(jīng)驗的多反復性過程，導致了模具開發(fā)周期長，成本高。為了滿足快速的市場響應，實施塑性成形過程數(shù)值模擬行之有效。5.分析

6、數(shù)字化技術虛擬現(xiàn)實n 實際制造過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)。n 從根本上改變了設計、試制、修改設計和規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。6.制造數(shù)字化技術高速加工重要目標是縮短加工時間、減少復雜形狀和難加工材料的加工工序、最大限度地實現(xiàn)高精度和高質(zhì)量。7.制造數(shù)字化技術快速原型無需任何工裝夾具和模具，快速制造任意復雜結構制件。4. 材料加工成形新方法？消失模精密鑄造技術；半固態(tài)鑄造；鋁鎂合金材料及精密成形技術；計算機模擬仿真技術；大型裝備及零部件制造技術；超塑性成形；緊密模鍛技術與裝備；精密沖裁；板料成形；快速成形；攪拌摩擦焊；焊接自動化；等離子束焊；激光焊接；其它復合成形方法：連鑄連軋、鑄（焊）鍛一體化、快

7、速凝固成形（噴射沉積）、電渣熔鑄、粉末注射成形5. 簡述電子束熔焊時小孔形成的過程及其維持動態(tài)平衡的條件。電子束焊中存在小孔效應。小孔的形成過程是一個復雜的高溫流體動力學過程。高功率密度的電子束轟擊焊件，使焊件表面材料熔化并伴隨著液態(tài)金屬的蒸發(fā)，產(chǎn)生金屬蒸氣流。金屬蒸氣流的反沖壓力使液態(tài)金屬面下凹，經(jīng)過一系列的循環(huán)，形成細長的孔，隨著電子束功率密度的增加，金屬蒸氣量增多，液態(tài)金屬被壓凹的程度也增加，并形成一個通道。在穩(wěn)定的電子束焊接過程（輸人參數(shù)和焊接條件不變）中，一般認為小孔基本上保持穩(wěn)定，處于一個近似準穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。這種狀態(tài)是小孔內(nèi)的幾種力作用平衡的結果。當電子束加熱時作用于液態(tài)金屬的力為：電

8、子束的壓力和金屬蒸氣反作用壓力，這些力使液態(tài)金屬下凹；熔化金屬表面張力和凹陷底部的流體靜壓力力圖拉平液體表面，其中電子束的壓力值很小，因而可忽略不計。根據(jù)力的平衡條件最后推導出力學平衡方程式為：6. 列舉8中以上成形加工工藝創(chuàng)新性思維方法。1） 逆向思維：有模無模 受迫成形自由成形 軟模硬模 生長去除 高效/短流程成型漸進成型 滿密度多孔材 單晶體細晶非晶 2） 組合創(chuàng)造：有模與無模 軟模與硬模 生長與去除 造型與空間運動 能量復合 過程復合：鍛軋復合、合成制備成形一體化 材料功能復合 3）發(fā)散思維：軋制板型控制中軋輥的配置4）聯(lián)想：從宇宙、自然和生命現(xiàn)象、行為與機制及相關科學技術中尋求啟示

9、類比：仿生制造 移植：組織工程 5）主體附加：非勻質(zhì)材料添加成型 6）變形/演繹：快速原型技術的派生、零件/型材軋制 7）模擬：智能制造、仿生機械 8）精簡：鑄軋、半固態(tài)成形 9）回歸原點法：快速原型、無模板金、微生物制造 ？8. 材料成形復合化的特點體現(xiàn)在哪幾方面。生產(chǎn)的連續(xù)化，產(chǎn)品多樣化，材料制備與成形的一體化，成形與精密加工復合化，資源合理利用（答案瞎想的不可信?。]有找到相關答案）分析題1.請分析如下三種結構特點，并設計合理的金屬零件塑性成形工藝。1.關于中心軸對稱的空心零件，采用正擠壓，正擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向一致。正擠壓可以制造各種形狀的實心件和空心件。2.大型閥

10、體，采用多向模鍛，多向模鍛是在幾個方面同時對坯料進行鍛造的一種工藝，主要用于生產(chǎn)外形復雜的中空鍛件。第I階段基本形成階段第I階段金屬的變形流動特點主要是反擠鐓粗成形和徑向擠壓成形。第II階段充滿階段 由第I階段結束到金屬完全充滿模腔為止為第II階段，此階段的變形量很小，但此階段結束時的變形力比第I階段未可增大2-3倍。第III階段形成飛邊階段此時坯料已極少變形，只是在極大的模壓力作用下，沖頭附近的金屬有少量變形，并逆著沖頭運動的方向流動，形成縱向飛邊。如果此時凹模的臺模力不夠大，還可能沿凹模分模面處形成橫向飛邊。此階段的變形力急劇增大。3.變化圓截面實心軸，采用徑向鍛造，徑向鍛造是在自由鍛拔長

11、的基礎上發(fā)展起來的，用于長軸類件鍛造。利用分布于坯料橫截面周圍的兩個或兩個以上的錘頭，對坯料進行高頻率同步鍛打。在鍛造圓截面工件時，坯料與錘頭既有相對的軸向運動，又有相對的旋轉(zhuǎn)運動。2.航空發(fā)動機葉片，要求葉片單向力學性能好，表面與尺寸精度高，通常利用哪些鑄造方法與工藝成形？簡述其原理與特點。1.定向凝固技術：在熔模鑄造型殼中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著與熱流相反的方向按照要求的結晶取向凝固的一種鑄造工藝。鑄件定向凝固需要兩個條件：首先，熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固-液界面；其次,晶體生長前方的熔液中沒有穩(wěn)定的結晶核心。傳統(tǒng)定向凝固技術：功率降低法；高速凝固法；液態(tài)金屬冷卻法

12、。新型定向凝固技術：區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法；深過冷定向凝固；電磁約束成形定向凝固技術；激光超高溫溫度梯度快速定向凝固。2.真空熔煉技術：金屬在真空狀態(tài)下的熔煉工藝叫真空熔煉，由真空爐、抽真空設備組成，可熔煉易氧化合金，如鈦合金。真空熔煉可顯著降低高溫合金中有害于力學性能的雜質(zhì)和氣體含量，而且可以精確控制合金成分，使合金性能穩(wěn)定。3.熔模鑄造工藝：熔模鑄造又稱失臘法。失臘法是用臘制作所要鑄成器物的模子，然后在臘模上涂以泥漿，這就是泥模。泥模晾干后，在焙燒成陶模。一經(jīng)焙燒，臘模全部熔化流失，只剩陶模。一般制泥模時就留下了澆注口，再從澆注口灌入銅液，冷卻后，所需的器物就制成了。國內(nèi)外熔模鑄造技術的發(fā)

13、展使鑄造葉片不斷進步，從最初的實心葉片到空心葉片，從有加工余量葉片到無余量葉片，再到定向(單晶)空心無余量葉片，葉片的外形和內(nèi)腔也越來越復雜；空心氣冷葉片的出現(xiàn)既減輕了葉片重量，又提高了葉片的承溫能力。 4.超塑性成形技術制造，并采用擴散連接組裝材料在一定的內(nèi)部條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部條件（如溫度、應變速率等）下，呈現(xiàn)出異常低的變形抗力、超常高的流變性能（如大的延伸率）的現(xiàn)象。超塑性成形的基本特點：拉伸試驗延伸率可達百分之幾百，甚至百分之幾千；拉伸試驗時，試樣均勻變形，在宏觀上不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象；拉伸試驗時，流動應力很低；成形過程中基本上沒有加工硬化現(xiàn)象，所以超塑性合金的流動性和填充

14、性好，容易成形。3.與熔化焊相比，分析鋁合金的攪拌摩擦焊的優(yōu)點。（1） 摩擦焊可以降低制造成本-攪拌摩擦焊是一種簡單、高效、節(jié)能、沒有焊接消耗的連接方法。攪拌摩擦焊可以利用現(xiàn)有的通用機床技術（如銑床技術）來實現(xiàn)焊接；攪拌摩擦焊可以節(jié)約能源；焊接過程不需要填充焊絲和保護氣；焊前不需要開坡口和對材料表面的氧化層等作特殊的處理；攪拌摩擦焊是一種純機械化的焊接技術，易于實現(xiàn)自動化和工業(yè)產(chǎn)品的批量化制造；攪拌摩擦焊是一種固相焊接，焊接過程中沒有熔化，可以實現(xiàn)全位置焊接。 （2）攪拌摩擦焊為新產(chǎn)品、新結構的設計提供了可能-對于鋁合金材料，優(yōu)良的攪拌摩擦焊固相接頭和高可靠性和重復性的焊接過程可以促進現(xiàn)有工業(yè)

15、產(chǎn)品的改進以及鋁合金材料在其他工業(yè)產(chǎn)品中的應用和創(chuàng)新。例如以前熔焊不能連接的熱敏感性很強的硬鋁、超硬鋁等材料可以用攪拌摩擦焊得到可靠連接；攪拌摩擦焊可以提高熱處理鋁合金的接頭強度；攪拌摩擦焊沒有氣孔出現(xiàn)的可能性；固相聯(lián)接方法可以防止鋁基復合材料等的合金和強化相的析出和破壞；攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)鑄造/鍛壓以及鑄造/擠壓等不同材料狀態(tài)的焊接；較小的焊接變形可以實現(xiàn)精密鋁合金零部件的制造用攪拌摩擦焊實現(xiàn)小尺寸擠壓形材的連接，可以用來制造大尺寸的船舶夾板、列車壁板、卡車箱體等。 （3）攪拌摩擦焊具有可靠的質(zhì)量保證-攪拌摩擦焊是一種完全機械化的連接技術，可以實現(xiàn)焊接過程以及焊接能量輸入的精確控制。攪拌摩擦

16、焊的焊接質(zhì)量完全由攪拌頭的形狀和焊接參數(shù)決定，所以可以實現(xiàn)精密的過程監(jiān)控；由于焊接過程的機械性，所以可以實現(xiàn)焊接參數(shù)的數(shù)字化輸入、控制和紀錄；由于攪拌摩擦焊方法的優(yōu)越性，被焊接工件不需要緊密的接觸。（4） 攪拌摩擦焊是一種安全的焊接方法-攪拌摩擦焊是一種機械化的焊接方法，只需要簡單的普通機床設備操作防護。與熔焊方法相比，攪拌摩擦焊過程沒有飛濺、煙塵、以及弧光輻射等對人體的危害；焊接過程不需要電流、電壓的參與，沒有高的觸電危險等。4.結合自己的研究課題論述成形加工復合化方法的創(chuàng)新管理，基本工藝要點，應用領域。半固態(tài)鑄造技術：半固態(tài)鑄造技術是由傳統(tǒng)的金屬（液態(tài)）鑄造技術及（固態(tài)）鍛壓技術融合而成的

17、新型成形技術。將組織與成形聯(lián)系在一起的（一體化）技術。在液態(tài)金屬的凝固過程中進行強烈的攪動，使普通鑄造易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡骨架被打碎而形成分散的顆粒狀組織形態(tài)，從而制得半固態(tài)金屬液，然后將其壓鑄成坯料或鑄件。與傳統(tǒng)壓力鑄造成形相比，具有以下優(yōu)點： 成形溫度低（Al合金至少可降低120），延長模具的壽命，節(jié)約能源，改善生產(chǎn)條件和環(huán)境，提高鑄件質(zhì)量（減少氣孔和凝固收縮），減少加工余量，增加壓鑄合金的范圍，鑄件的組織性能優(yōu)越，等等存在的問題主要是：半固態(tài)金屬坯料成本高（坯料的成本占零件的成本約50%），二次加熱能耗大，工藝過程復雜，固相率不易控制，性能優(yōu)越不明顯，等等 。應用：（航空航天、汽車、計算

18、機及通訊設備）由于未能根本解決流變鑄造中的關鍵技術問題（半固態(tài)漿料的保存、輸送問題），目前實際應用較少。在國外，目前普遍應用的是觸變鑄造5.請論述管材液壓成形及板材液壓成形的工藝過程、特點及適用范圍。管材液壓成形工藝過程：p 首先，將原料(直管或預先彎曲鋼管)放入底模，然后管件兩端的沖頭在液壓缸的作用下壓入，將管件內(nèi)部密閉，沖頭內(nèi)有液體通道，液體不斷流入管件；此時，上模向下移動與下模共同形成封閉的模腔；最后，高壓泵與閥門控制液體壓力不斷增大，沖頭向內(nèi)推動管件,管壁逐漸貼近模具變形,最終得到所需形狀的產(chǎn)品。p 如果零件較為復雜，還需在成形前進行預成形將管坯彎曲或沖壓成與最終零件較為近似的形狀，接下來退火以消除預成形所帶來的殘余應力；在管坯最終成形后，還需要進行一些后處理，如切除廢料或表面處理等。板材液壓成形工藝過程：在板材液壓成形中，應用最為廣泛、也最為成熟的是對向液壓拉深技術。將板料放