材料成型實驗四個

1、材料成型原理課程實驗學院：機械與汽車工學院班級：材控姓名：學號 :認識激光快速成型砂型/ 芯設(shè)備及工作原理實驗?zāi)康囊约耙螅赫J識3D打印技術(shù)在砂型及砂芯制備領(lǐng)域的應(yīng)用，目前，3D打印主要用在3個方面：大眾消費（桌面級）：用于工業(yè)設(shè)計、工藝設(shè)計、珠寶、玩具、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。工業(yè)級又有兩個方面：一是原型制造，主要用于模具、模型等行業(yè)。二是產(chǎn)品制造，包括大型金屬結(jié)構(gòu)件和小型金屬零部件的直接制造。生物工程級，如打印器官、骨骼、牙齒、細胞、軟組織等3D 打印不可能，至少不可能完全，取代傳統(tǒng)制造業(yè)。傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過數(shù)千年的積累和發(fā)展，已經(jīng)非常完善和成熟，無論是工藝特點，還是成本因素、材料因素，3D 打印技術(shù)

2、都是無法比擬的。3D 打印技術(shù)的真正奧秘所在，不是什么都能做，而應(yīng)該是傳統(tǒng)制造業(yè)不能做或很難做的領(lǐng)域，利用3D打印技術(shù)可以輕松實現(xiàn)。3D打印技術(shù)原理快速制造砂型的幾種技術(shù)：激光燒結(jié)SLS。用覆膜砂，逐層鋪粉，用激光對粉末加以固化。中國的無模鑄型制造技術(shù)PCM。三維打印頭噴射粘結(jié)劑，按照界面輪廓信息利用雙噴頭同時將粘結(jié)劑和催化劑噴射而出，通過兩者的交聯(lián)，制造的砂型涂上涂料即可澆注。美國的基于三維打印的直接殼型鑄造DSPC。選用陶瓷顆粒、硅酸鹽水溶液打印殼型。澆注前需進行焙燒。Zcorp 公司。三維打印制造有色合金的砂型。型殼厚度可達到12mm。 ExOne公司的3DP技術(shù)ProMetalRCT。

3、 選 用 樹 脂 砂 作 為 成 形 材 料 。 打 印 速 度 可 達 到59400-108000cm3/h。 Generis 公司的GS工藝。將樹脂通過多通道噴頭均勻向砂床噴射，根據(jù)砂型輪廓噴射催化劑形成砂型。了解設(shè)備的成型的原理基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作。液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下， 能在液態(tài)表面上掃描，掃描的軌跡及光線的有無均有計算機控制，光點打到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描，即逐點

4、固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。對比該技術(shù)與傳統(tǒng)砂型/芯制備方法的特點?？焖俪尚图夹g(shù)是一項通過材料堆積法制造實際零件的高新技術(shù)。它根據(jù)零件的三維模型和數(shù)據(jù)，無需借助其他工具和設(shè)備，就能迅速精確地制造出該零件，集中地體現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計、數(shù)控、激光加工、新材料等科學和技術(shù)的綜合應(yīng)用。傳統(tǒng)的零件（ 包括模具 ） 制造，需要車、鉗、刨、銑、磨或鑄造等多種加工手段，成本高又費時，一個復(fù)

5、雜的零件或模具的制造往往需要數(shù)月的時間，. 很難適應(yīng)低成本和高效率的要求。與傳統(tǒng)工藝相比的優(yōu)點:快速性 : 生產(chǎn)制品的周期較傳統(tǒng)加工工藝短。RP對設(shè)計的敏感性很低，制造時幾乎不用考慮制品的外形問題，由此可節(jié)約大量時間。適合成型復(fù)雜零件: 不論零件多復(fù)雜，都由計算機分解為二維數(shù)據(jù)進行成型制作，無簡單復(fù)雜之分，因此他特別適合成型形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的零件。高度柔性: 零件在一臺設(shè)備上即可快速成型出具有一定精度、滿足一定功能的原理及零件（ 若要修改零件只要修改CAD模型即可）高度集成化: 激光快速成型技術(shù)將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL格式后，即可開始快速制作（該過程是二維操作在CAD只完

6、成的）。激光快速成型設(shè)備在發(fā)動缸蓋砂芯制備中的優(yōu)勢：發(fā)動缸蓋制備毛坯外部形狀基本不影響起模，但內(nèi)腔形狀比較復(fù)雜， 砂芯制造需要復(fù)雜的芯盒。兩種薄壁殼體零件的研發(fā)周期從制圖、加工砂型、上涂、合箱、澆注等完成約為30 天。與傳統(tǒng)工藝方法相零件的精度。利用快速成型制造技術(shù)可以在40 天內(nèi)提供加工成的合格零件。大大的減少了模具的制造時間。缸蓋是發(fā)動機的主要零件之一,要求冷卻通道及油道具有良好的氣密性,燃燒室和排氣道的尺寸、位置精度將直接影響發(fā)動機的功率參數(shù)。金屬型鑄造所獲得的鑄件組織致密、力學性能較高、鑄件尺寸精確、表面光潔等,故采用金屬型鑄造方法。而金屬型的導熱速度快和無退讓性，會使鑄件易產(chǎn)生澆不足

7、、冷隔、裂紋及白口等缺陷。此外，金屬型反復(fù)經(jīng)受灼熱金屬液的沖刷，會降低使用壽命，金屬型的制造成本高、周期長、工藝要求嚴格，不適用于單件小批量鑄件的生產(chǎn)。認識電弧爐和中頻感應(yīng)電爐試驗報告：簡述該兩種設(shè)備的工作原理，各自的特點和優(yōu)勢，以及主要應(yīng)用領(lǐng)域。電弧爐：電弧爐利用電極電弧產(chǎn)生的高溫熔煉礦石和金屬的電爐。氣體放電形成電弧時能量很集中，弧區(qū)溫度在3000以上。對于熔煉金屬，電弧爐比其他煉鋼爐工藝靈活性大，能有效地除去硫、磷等雜質(zhì)，爐溫容易控制，設(shè)備占地面積小，適于優(yōu)質(zhì)合金鋼的熔煉。電弧煉鋼爐的爐體由爐蓋、爐門、出鋼槽和爐身組成，爐底和爐壁用堿性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。電弧爐煉鋼是通過石墨電極

8、向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進行煉鋼。電弧爐以電能為熱源，可調(diào)整爐內(nèi)氣氛，對熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利。基于電磁感應(yīng)和電流熱效應(yīng)原理。當交變電流通過感應(yīng)圈時，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，爐內(nèi)導電材料在交變磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電勢 .在爐料表面一定深度，形成電流（渦流）。爐料靠渦流加熱融化。如果爐內(nèi)熔化的是鋼鐵材料，處在強磁場中的鋼液受到電磁力的作用產(chǎn)生強烈的運動。磁場對鋼液的這種作用稱為電磁攪拌作用。同一匹線圈產(chǎn)生的磁場對堝內(nèi)兩點的作用力下：堝中部磁場強度最大，坩堝中部受壓力最大，上下兩端依次減小.這種壓力差使爐內(nèi)鋼液產(chǎn)生運動。真空感應(yīng)電爐是將感應(yīng)坩堝和錠模

9、放人真空室中，冶煉和澆注同在真空狀態(tài)下完成。冶煉在真空下進行，由于碳氧反應(yīng)產(chǎn)物為氣體一氧化碳,使反應(yīng)向生成一氧化碳方向移動，可使碳的脫氧能力達到和硅、鋁相近的水平。根據(jù)氣體在鋼液中的溶解服從平方根定律，可知真空下冶煉，有利于鋼液去氣。對某些蒸氣壓較高的合金元素，如鉛、砷、錫、鋅等，當外界壓力降低到小于蒸氣壓時,便可從合金中蒸餾出來，從而改差鋼和臺金的性能。隨著電弧爐設(shè)備的改進以及冶煉技術(shù)的提高，電力工業(yè)的發(fā)展，電弧爐煉鋼的成本不斷下降，現(xiàn)在電弧爐煉鋼不但用于生產(chǎn)合金鋼，而且大量用來生產(chǎn)普通碳素鋼，其產(chǎn)量在主要工業(yè)國家鋼總產(chǎn)量中的比重，不斷上升。中頻感應(yīng)爐：頻率在150 10000 Hz范圍內(nèi)的

10、感應(yīng)爐稱為中頻感應(yīng)爐。中頻感應(yīng)爐是適用于冶煉優(yōu)質(zhì)鋼與合金的特種冶煉設(shè)備，具有熔化速度快、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強、使用靈活、電磁攪拌效果好、啟動操作方便、鋼液被爐渣覆蓋（減少大氣對鋼液的污染）等優(yōu)點。中頻感應(yīng)爐的成套設(shè)備包括：電源及電器控制部分、爐體部分、傳動裝置及水冷系統(tǒng)。中頻感應(yīng)爐特別適用于10kg 幾十噸容量的大、中、小型爐，對鋼、 鑄鐵以及銅、鋁等有色金屬及其合金進行熔煉和液態(tài)金屬的保溫，對爐料的適應(yīng)性較強，適合間歇式作業(yè)，爐子結(jié)構(gòu)和使用情況類同工頻無心感應(yīng)爐。中頻感應(yīng)爐是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l的電源裝置。其實質(zhì)是把三相工頻交流電整流后變?yōu)橹绷?，再把直流通過逆變裝置變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電，供給

11、由電容和感應(yīng)線圈組成的諧振回路。由于在感應(yīng)圈中產(chǎn)生很強的磁場，使在感應(yīng)線圈里盛放的金屬材料產(chǎn)生很大的渦流。金屬本身的電阻通過很大的電流時會產(chǎn)生很大的熱量，這樣就會使金屬材質(zhì)很快發(fā)熱。例如， 把一根金屬圓柱體放進通過中頻電流的感應(yīng)線圈里， 圓柱體表面被加熱甚至熔化，而且這種加熱和熔化的速度只要調(diào)節(jié)電源頻率大小和電流的強弱就能實現(xiàn)。如果圓柱體放在線圈中心， 那么圓柱體周邊的溫度是一樣的，圓柱體加熱和熔化也不會產(chǎn)生 有害氣體、表面氧化也很小。中頻爐系列熔煉爐特點：熔化效率高節(jié)電效果好，結(jié)構(gòu)緊湊、過載能力強。爐子周圍溫度低、煙塵少、作業(yè)環(huán)境好。操作工藝簡單、 熔煉運行可靠。金屬成分均勻。熔化升溫快、爐

12、溫容易控制、生產(chǎn)效率高。爐子利用率高、更換品種方便。中頻爐系列透熱爐特點：加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫炭少、節(jié)省材料與鍛模成本。工作環(huán)境優(yōu)越、提高工人勞動環(huán)境和公司形象、無污染、低耗能。加熱均勻，芯表溫差極小，溫控精度高。二者的應(yīng)用領(lǐng)域：中頻爐煉鋼相對電弧爐來說成本低，適合中小企業(yè)使用，但是中頻爐煉鋼對廢鋼的質(zhì)量要求高，在熔煉時不好調(diào)質(zhì)，所以煉出的鋼材質(zhì)地不純，每個爐次所出的鋼水質(zhì)量差別較大。電弧爐體積大，設(shè)備投資高，一般都是3 噸以上，所以具備一定規(guī)模的企業(yè)才使用電弧爐。電弧爐煉鋼對廢鋼的質(zhì)量要求不高，調(diào)質(zhì)也非常方便，每個爐次都能很好的控制，鋼材質(zhì)量能得到保證。柱狀晶和和等軸晶的觀察目的與

13、要求能夠區(qū)分和認識等軸晶以及熟悉其形成條件和機理。試驗報告要求柱狀晶與等軸晶形成的條件區(qū)別和主要影響因素。柱狀晶的形成：對于純金屬，其凝固前沿基本上呈平面生長，故其擇優(yōu)生長并不明顯， 凝固前沿以平面生長的方式逆著熱流方向向內(nèi)伸展而成為柱狀晶組織。對于合金，當溶質(zhì)元素在固-液界面前沿富集而逐漸增柱狀晶區(qū)的亞組織能呈現(xiàn)出從平面生長、胞多時， 狀生長直到樹枝狀生長等各個階段的結(jié)構(gòu)形態(tài)。由于面一液界面處單向的散熱條件（垂直于界面方向）,處于凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流作用下，便轉(zhuǎn)而以枝晶狀單向延伸生長，由于各枝晶主千方向各不相同，那些主千取向與熱流方向平行的枝晶，較之取向不利的相鄰枝晶生長

14、更為迅速，它們優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長，在逐漸淘汰取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀，這個相互競爭淘汰的晶體生長晶過程稱為擇優(yōu)生長。等軸晶的生長：從本質(zhì)上說。內(nèi)部等鈾晶區(qū)的形成是由于熔體內(nèi)部晶核自由生長 的結(jié)果。隨著凝固層向內(nèi)推移。固相散熱能力逐漸削弱。內(nèi)部溫度梯度趨于平緩。且液相中的溶質(zhì)原子越來越富集。從而使界面前當成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時，便導致內(nèi)部等軸晶的形成。在澆注的過程中及凝圖的初期激冷。等軸晶自型壁脫離與游澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴大等軸晶區(qū)。等軸晶體即便在澆注過程中沒有來得及形成。那么澆注完畢凝固的開始階段，在型壁處形成的晶體， 由于其密度或大子母液或小于母液也

15、會產(chǎn)生對流。依靠對流可將型壁處產(chǎn)生的晶體脫落且游離到鑄件的內(nèi)部。影響因素：一般結(jié)晶由形核和晶體長大兩個過程組成，形核速率和生長速率的相對大小會決定晶粒的數(shù)量和大小；而凝固前沿的過冷度是他們的決定因素。激冷層中，過冷度大以及銅板表面的異質(zhì)形核質(zhì)點促使形核速率較大而生長速率相對較小，同時凝固前沿過冷度相對均勻，這是細小等軸晶形成的主要原因。隨著坯殼的凝固，凝固前沿的冷卻速率下降， 并且形成了定向凝固的趨勢（即， 厚度方向溫度梯度最大），形核速率會受很大影響，而凝固前沿過冷度定向分布使枝晶主軸沿厚度方向定向生長，選分結(jié)晶和溫度不均勻分布會使二次枝晶不同程度的生長。 而一般認為，柱狀晶和中心等軸晶過度

16、的地方柱狀晶已停止生長，此時，液態(tài)鋼水的過熱度基本消失，雖然厚度方向上的定向傳熱不會改變，但凝固前沿的溫度梯度分布也已比較均勻，加上前沿樹枝晶的熔斷為等軸晶生長提供晶核，是中心等軸晶形成的原因。綜上所述，兩個晶區(qū)的形成是相互聯(lián)系、彼此制約的。穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生決定著表畫細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過源。而阻止柱狀晶區(qū)進一步發(fā)展的關(guān)鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。凡能強化熔體獨立生核。促進晶粒游離及有助于游離晶的殘存與堆積的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展。從而擴大等軸晶區(qū)的范圍。并細化等軸晶組織。這些因素有以下幾個方面：金屬性質(zhì)方面、澆注條件方面、鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面。凝固曲線分析試驗報告要求凝固曲線

17、：所以動態(tài)曲線測定原理實際上就是把具有溫度-時間-時間坐標的凝固動態(tài)曲線圖。只要能在冷卻線上找出合金在凝固過程中析出就能在凝固動態(tài)圖上畫出析出新相的始波和將某液態(tài)金屬在同一澆注溫度下同時注入幾個同樣的鑄型，經(jīng)過分別使鑄型中尚未凝固的殘余液體流失，獲得固態(tài)金這種鑄件凝固的研究方法謂之殘余液體流失法或傾出法。所所得到的硬殼厚度即為傾出邊界向鑄此距離應(yīng)符合平方根定律。在凝固動態(tài)圖上不同就可以得到傾出邊界動態(tài)曲線。在凝固動態(tài)圖上，傾出邊界愈靠近凝固始波則說明愈易達成牢固的晶粒骨架，這種情況表示鑄件凝固時，晶粒骨架中可能存在較多的、被晶架分隔成許多個孤立小熔池的殘余金屬波，并且亦表示鑄件在凝固時期可能較早地產(chǎn)生線收縮。因此具有這種特點的合金就容易產(chǎn)生晶間縮松和熱裂。以凝固曲線分析凝固過程：左邊曲線同液相線相對應(yīng)（如有過冷，則與一個略低的等溫線相）。它表示不同時間鑄件斷面中凝固開始的部位，故謂之“凝固。它實質(zhì)上表示了鑄件斷面中液相線等溫面從鑄件表