前沿讲座

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材料加工前沿讲座学习报告

院系：研究生学院材料系

班级：1003

学号：S20100238

姓名：雷尚军

2011/6/15

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讲座一：快速原型制造技术

一、快速原型制造技术的产生

➢全球市场一体化、制造业竞争剧烈，产品的开发速度成为市场竞争的主

要矛盾。

➢从技术开展角度，计算机、CAD、材料、激光等技术的开展和普及为新的

制造技术的产生奠定了根底。

➢快速原型制造技术于20世纪80年代后期产生于美国，并很快扩展到日

本及欧洲，与20世纪90年代初引入我国，是近二十年制造领域的一项

重大突破。

➢借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将CAD和CAM集

成于一体，根据计算机建立的三维模型，能在很短的时间内直接制造出

产品样本，使设计工作进入一种全新的境界。

➢改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期，加快了产品更新

换代速度，降低企业投资新产品的风险。

二、快速原型制造技术的根本原理

传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经过切削加工，从毛坯上去除多

余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法称之为材料去除制造。

快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除〞加工法，而是基于“材料逐层

堆积〞的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合过程，

它能在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新

的制造技术。其成型过程为：

(1)建立零件的三维CAD模型

(2)模型Z向离散〔分层〕

(3)逐层堆积制造

快速原型工艺流程

三、快速原型制造技术的的典型方法

1、光固化成型工艺〔SterelithographyApparatus〕又称为立体光刻，简

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称SLA，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料外表,使之由点到线,由线到

面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的

高度,再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体.使用材料：液态光敏

树脂

SLA成形工艺原理图

2、叠层实体制造工艺〔LaminatedObjectManufacturing简称LOM〕又称

分层实体制造，使用材料：片材，例如纸、塑料薄膜等。

叠层实体制造工艺原理图

3、选择性激光烧结工艺〔SelectiveLarSintering简称SLS〕又称选区

激光烧结，加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的

作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧

结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，那么就可以

得到一烧结好的零件。使用材料：粉末状材料

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选择性激光烧结工艺原理图

讲座二：脉冲磁场对金属凝固组织和凝固过程的影响

磁场影响凝固组织的作用：

1.1、稳恒磁场的作用

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1.2、稳恒磁场的作用机制

在稳恒磁场作用下，熔体内部将产生感生电流，从而产生Lorentz力抑制熔

体的对流，使其对熔体没有搅拌作用。对于宏观组织，由于液态金属的对流削弱，

这就降低了金属熔体的降温速率，保持了凝固界面较高的温度梯度，利于柱状晶

的生长；对于微观组织，那么使枝晶横向生长受到抑制，枝晶分支的开展也受到

抑制。同时，稳恒磁场产生的电磁力有可能导致铁磁质颗粒的偏聚，偏聚层的厚

度随磁感应强度的增大而增加。

2.1、交变磁场的作用

1965年，AsaiS.就对磁场作用下的金属凝固进行了研究，发现在金属凝固

过程中施加一个交变磁场可以细化晶粒，缩小柱状晶区；单一直流磁场作用于凝

固体系时反而扩大了柱状晶区，并预言只有同时应用电场和磁场时凝固组织才能

明显细化。1983年，Bassyoun对此提出异议，并用实验证明当磁场强度为

0.027~0.033T时单一的交变磁场同样能够明显细化晶粒。葛丰德认为细化效果

不仅仅取决于磁感应强度，还与电流强度、电流波形及频率等因素有关。同时大

量研究说明旋转磁场不仅可以改善合金的比重偏析，细化组织，而且对凝固补缩

也有良好的作用。

2.2、交变磁场的作用机制

熔体与交变磁场相互作用将产生感应电流，磁场与感应电流之间发生电磁作

用，产生电磁力，从而在熔体内产生规那么的波动，使长大的晶粒破碎，形成新

的细小晶粒，细化了凝固组织。Radjai等对液态金属同时施加静磁场和交流电

的作用，在液态金属内诱发高强度的电磁振动，引起空化现象，从而使金属凝固

组织发生了显著细化。王强等先后提出了运用交流磁场、高强度静磁场和交流电

流、高强度静磁场和交流磁场三种方法在液体金属内生成高频电磁力，并利用这

种电磁力的局部作用，在所要求处理的金属全域内生成电磁超声波的方法。

但是，余建波强磁场和交流电叠加的对纯铝凝固组织的影响发现，实验中空化效

应不是细化的主要原因，磁场和交流电叠加产生的振荡力在晶粒细化中发挥主要

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作用。

3.1、脉冲磁场的作用

訾炳涛等首次研究了强脉冲磁场对金属凝固组织的影响，通过对LY12铝合

金研究发现，磁压强引起的熔体振荡导致晶粒明显细化、球化，且随着磁压强的

增加，细化效果愈明显。班春燕等研究了脉冲磁场对组织细化的影响，说明在脉

冲磁场的作用下，剧烈的强迫对流促进晶粒从型壁上游离，大大增加了金属熔体

的形核率。

3.2、脉冲磁场的作用机制

脉冲磁场使熔体内产生脉冲涡流，磁场和涡流之间的交互作用产生Lorentz

力和磁压强，且其强度远大于金属熔体的动力压强，这就使金属熔体产生强烈的

振动。这种振动不仅增加了熔体的过冷度，提高了形核率；而且在熔体内造成了

强迫对流，使凝固过程中树枝晶折断破碎，形成新的游离晶核分布于熔体各处。

4、磁场对原位反响过程的影响：

陆模文、胡文祥认为，磁场不仅能改变化学反响的速率，而且能够影响化学

反响的产率，甚至通过选择适宜的反响条件，还能控制反响途径，改变反响产物

的构成，决定某些反响的发生与否。本课题组前期也发现类似规律。李金华从物

质结构的的磁力键分析磁化学反响过程，并认为外加磁场能改变物质的磁力键，

有的能使键能增强，有的使键角增大，有的使单键和双键发生共振生成共振杂化

体。王强等研究了Al-Si、Al-Cu合金中溶质组元的分布状态，认为由于磁化率

和密度的差异导致铝合金中溶质组元的不同分布状态。

讲座三：板型质量及板型控制技术

目前，HC轧机已开展了多种机型。我们所说的中间辊移动的HC轧机，也称

为HCM六辊轧机。此外，还有工作辊移动的HCW四辊轧机，以及工作辊和中间辊

都移动的HCWM六辊轧机。

HC轧机的主要特点是：〔1〕通过轧辊的轴向移动，消除了板宽以外辊身间

的有害接触局部，提高了辊缝刚度；〔2〕由于工作辊一端是悬臂的，在弯辊力作

用下，工作辊边部变形明显增加。如果对弯控制板形能力的要求不变时，那么在

HC轧机上可选用较小的弯辊力，这就提高了工作辊轴承的使用寿命并降低了轧

机的作用载荷；〔3〕由于可通过弯辊力和轧辊轴向移动量两种手段进行调整，使

轧机具有良好的板形控制能力；〔4〕能采用较小的工作辊直径，实现大压下轧制；

〔5〕工作辊和支承辊都可采用圆柱形辊子，减小了磨辊工序，节约了能耗。这

种轧机典型应用如宝钢1550冷轧酸洗——连轧机组。

轧辊凸度边续可变轧机-CVC(ContinuouslyVariableCrown)轧机CVC轧机

的根本特征是：〔1〕轧辊(工作辊)的原始辊型为S形曲线呈瓶状，上下轧辊互相

错位1800布置；〔2〕带S形曲线的轧辊具有轧辊轴向抽动装置。虽然CVC轧机

与HC轧机一样有轧辊轴向抽动装置，但其目的和板形控制的根本原理是不同的。

HC轧机是为了消除辊间的有害接触局部来提高辊缝刚度，以实现板形调整的，

是刚性辊缝型。CVC轧机那么是通过轧辊轴向抽动装置来改变S形曲线形成的原

始辊缝形状来实现板形控制的，是柔性辊缝型。当上下轧辊对称布置时，辊缝各

局部高度相同。如果上轧辊向右移动，下轧辊以相同的移动量向左移动，那么辊

缝中部高度变小。反之，上辊向左移动，下辊以相同的移动量向右移动，辊缝中

部高度变大。

轧辊成对交叉轧机-PC(PairedCrosdRoll)轧机PC轧机的主要特点是轧

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辊“成对交叉〞。上下轧辊的轴线交叉后，轧辊辊缝将发生变化〔如图3所示〕。

离轧辊轴线相交点愈远，其辊缝就变得愈大，而且辊缝的变化也与轧辊轴线交叉

角有关。

PC轧机的优点是：〔1〕有较大的轧辊凸度控制能力，轧辊轴线交叉角可在

00~1.50范围内调整，最大的轧辊凸度可达100μm，居所有轧机之冠，如配以强

力弯辊装置也能获得良好的平直度板带；〔2〕能有效地控制板带边部减薄；〔3〕

轧辊辊型简单，节省了轧辊备件量并便于轧辊管理。

由于PC轧机板形控制能力较好，获得的板带板凸度及厚度精度较高，所以

得到了较快地开展。应该指出，为了在PC轧机上能够实现自由程序轧制和进一

步改善板带外表质量，开发了工作辊在线磨辊装置ORG〔OnlineRollGrinder〕,

既可保证轧制带钢外表质量和断面形良好，还可延长轧辊更换周期，也可实现自

由程序轧制，对PC轧机的开展起到有利的促进作用。这种轧机典型应用如宝钢

1580热轧机。