第1章概述





任何材料，一般只有将其加工成一定形状和尺寸后，才具有特定的使用功能。顾名思义，材料成型即是将原材料加工成特定形状与尺寸零件（或毛坯）的方法。
1.1材料成型专业及研究内容
材料成型及控制工程（material molding and control engineering）专业是1998年国家教育部进行专业调整时新设立的专业，涵盖原金属材料与热处理（部分）、热加工工艺及设备、铸造（部分）、塑性成形工艺及设备、焊接工艺及设备（部分）等多个专业内容。新专业调整强调“厚基础、宽口径”，通过老专业合并来加强学科基础，拓宽专业面，从而改变老专业口径过窄、适应性不强的状况，培养出适合经济快速发展需要的人才，即由“专才”培养改为“通才”培养模式。
材料成型及控制工程专业是一个具有机械学科典型特征和浓厚材料学科色彩的宽口径专业，主要研究各种材料成形的工艺方法、质量控制以及材料成形的机械化和自动化，是集材料制备与成形及过程自动化为一体的综合性学科。本书中常用到“成型”（molding）和“成形”（forming）两个词。编者认为，“成型”一词强调的是被加工零件形状与模具（或工具）型腔一致，即模具型腔对产品（制品）最终形状的作用； 而“成形”则侧重毛坯变形成所需形状和尺寸产品（或制品）的过程及原理（机理）。
材料成型是研究材料成形的机理、成形工艺及相关过程控制的一门综合性应用技术。按材料种类及形态不同，材料成型涉及如下内容。
1． 金属材料的塑性成形
金属塑性成形（plastic forming）方法是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及性能，从而获得机械零件、工件或毛坯的成形方法。根据坯料的几何特点，金属塑性成形方法一般分为体积成形（如锻造、挤压）和板料成形（如冲压）两大类。锻造与冲压统称为锻压，是塑性成形的主要方法。锻造通常在坯料加热后进行，属于热加工。金属经锻造后能使晶粒细化、成分均匀、组织致密、保持流线、提高强度，承受重载及冲击载荷的重要零件多以锻件为毛坯。冲压一般不需加热，以薄板金属为原材，故又称为冷冲压或板料冲压。冲压件具有强度高、刚性好、结构轻等优点。
2． 金属材料的液态成形
金属的液态成形常称铸造(casting)，是指将熔炼成液态的金属浇入事先制造好的铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。它能最经济地制造出外形和内腔很复杂的零件（如各种箱体、机架、机床床身、发动机机体和缸盖等），而且液态成形件的形状、尺寸比较接近零件，节省金属材料和加工工时。生产中常用于各种尺寸、形状、重量毛坯的制造。
3． 金属材料的连接成形
金属的连接成形（jointing），一般指焊接（welding），是通过加热、加压或加热加压，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法，所用能源可以是电能、机械能、化学能、声能或光能等。按焊接过程的特点，可将焊接分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。金属的连接成形广泛应用于航空航天、船舶重工、桥梁建造、汽车制造等行业。
4． 金属粉末成形
粉末成形属于粉末冶金范畴，它以金属粉末（或非金属粉末混合物）为原料，经成形和烧结操作可制造各种金属材料、复合材料及其零部件。常用的粉末成形方法有模压、轧制、挤压、温压、注射成形及粉浆浇注等。粉末成形在无机非金属材料加工领域应用也极为广泛。
5． 非金属材料成型
非金属材料是指除金属以外的其他一切材料，如塑料、合成橡胶、合成纤维、粘胶剂、陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等，它们在各工业领域中有广泛应用。
1） 塑料成型
工程塑料是常用的高分子材料。相对金属来说，塑料具有密度小、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性好、耐磨和自润滑性好，以及透光、隔热、消声、吸振等优点。但也存在强度低、耐热性差、容易蠕变和老化等缺点。在工程塑料的成型工艺中常见的有注射成型（成型尺寸精确、形状复杂、薄壁或带金属嵌件的塑料制品）、挤出成型（成型热塑性塑料，生产各种板、管、棒、线等塑料制品）和压制成型（成型板、管和棒等塑料制品）。
2） 橡胶材料成型
橡胶是在室温下具有高弹性的高分子材料，用于制作轮胎、动静态密封件、减振防振件、传动件、运输胶带和管道、电缆和电工绝缘材料等。橡胶的成型工艺有塑炼、混炼、压延工艺、压出工艺、注塑成型等。
3） 陶瓷材料成型
陶瓷是由金属和非金属形成的无机化合材料，性能硬而脆，与金属材料和工程塑料相比有更高的耐高温、耐蚀和耐磨性。利用陶瓷特有的物理性能可制造出种类繁多、用途各异的陶瓷材料，例如导电陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷、绝缘陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷等，也可利用某些精密陶瓷对声、光、电、热、磁、力、温度、湿度、射线等信息显示的敏感特性而制得各种陶瓷传感材料。
1.2材料成形在国民经济中的作用
材料成形技术在工业生产的各个行业都有广泛应用，尤其是对制造业来说更具有举足轻重的作用。制造业是生产和装配制成品的企业群体的总称，包括机械、运输工具、电气设备、仪器仪表、食品工业、服装、家具、化工、建材和冶金等，它在国民经济中占有很大的比重。统计资料显示，近年来我国制造业占国民生产总值（GDP）的比例已超过35%，同时，制造业的产品还广泛地应用于国民经济的诸多其他行业，对这些行业的运行产生着不可忽视的影响。因此，作为制造业的一项基础和主要的生产技术，材料成形技术在国民经济中占有十分重要的地位，并且在一定程度上代表着一个国家的工业技术发展水平。
采用铸造方法可以生产铸钢件、铸铁件及各种铝、铜、镁、钛及锌等有色合金铸件。我国已铸造出重约315t的大型厚板轧机的铸钢框架，重达260t的大型铸铁钢锭模，还铸出了30×104kW水轮机转子等复杂铸件，其尺寸精度达到国际电工会议规定的标准。采用铸造方法还可以铸造壁厚0.3mm、长度12mm、质量为12g的小型薄壁铸件。在机床和通用机械中铸件质量占70%～80%，风机、压缩机中铸件质量占60%~80%，农业机械中铸件质量占40%～70%，汽车中占20%~30%。
采用塑性成形方法，可生产各种金属（黑色金属和有色金属）及其合金的锻件和板料冲压件。塑性加工的零件和制品在汽车与摩托车中占70%~80%，在拖拉机和农业机械中占50%，在航空航天飞行器中占50%~60%，在仪表中占90%，在家用电器中占90%~95%，在工程与动力机械中占20%~40%。
采用连接方法生产独立的制件或产品虽然不如铸造和塑性成形方法的多，但据国外权威机构统计，在各类工业制品中半数以上都需要采用一种或多种连接技术才能制成。在钢铁、汽车和铁路车辆、舰船、航空航天飞行器、原子能反应堆及电站、石油化工设备、机床和工程机械、电器与电子产品、家电以及桥梁、高层建筑、城市或高架地铁、油和气远距离输送管道、高能粒子加速器等许多重大工程中，连接技术都占据十分重要的地位，连接技术的应用十分广泛。
以载货汽车为例，一辆汽车由数十个部件、上万个零件装配而成。其中发动机上的汽缸体、汽缸套、汽缸盖、离合器壳体、手动变速箱壳体、自动变速箱壳体、后桥壳体、活塞、活塞环、化油器壳体、油泵壳体等，采用铸铁、铸铝和铝合金铸造或压铸工艺生产； 连杆、曲轴、气门、齿轮、同步器、万向节、十字轴、半轴、前桥及板簧零件，采用模锻工艺生产； 车身、车门、车架、油箱等，经冲压和焊接制成； 车内饰件、仪表板（部分汽车）、方向盘、灯罩（部分）等，采用注塑生产； 而轮胎为橡胶压制件。总之，一辆汽车有80%~90%的零件是经成形工艺生产的。
总之，金属材料约有70%以上需经铸、锻、焊成形加工才能获得所需制件，非金属材料也主要依靠成型方法才能加工成半成品或最终产品。因此，材料成形是整个制造技术的一个重要领域，是国民生产中极为重要且不可替代的组成部分，可以毫不夸张地说，没有先进的材料成形技术，就没有现代制造业。
1.3材料成形工艺的分类与特点
根据材料的种类、形态、成形原理及特点，成形工艺可按图1.1所示分类。

成形工艺液态金属铸造成形重力作用下的铸造砂型铸造
金属型铸造
熔模铸造
消失模铸造

外力作用下的铸造压力铸造
挤压铸造
离心铸造
反重力铸造

固态金属塑性成形体积金属成形自由锻
胎模锻
模锻（开式模锻、闭式模锻、特种模锻）

板料金属成形冲裁
弯曲
拉伸
特种成形

金属材料连接成形熔焊（电弧焊）

压焊电阻焊
摩擦焊

钎焊
粘接（胶接）

高分子材料成型塑料注射成型注射成型
挤出成型
中空成型
压缩成型

橡胶成型压制成型
压铸成型
注压成型
压出成型

图1.1材料成形工艺的分类

与机械切削加工相比，材料成形有如下特点。
（1） 材料利用率高。对于某个零件，当采用棒料或块状金属为毛坯时，要通过车、铣、刨等方法将多余金属切削掉，才能得到所需的零件； 而采用铸、锻件为毛坯进行切削加工，仅需将加工余量切削掉，因而材料利用率高。以常见的锥齿轮和汽车轮胎螺母为例，当以棒料或块料为毛坯进行切削加工生产时，其材料利用率分别为41%、37%； 当以铸、锻件为毛坯进行切削加工生产时，其材料利用率分别为68%、72%。当采用精密成形生产时，其材料利用率分别为83%、92%。一般情况下，零件形状越复杂，采用成形工艺时的材料利用率越高。
（2） 产品性能好。采用成形工艺生产时，材料尤其是金属材料流线沿零件轮廓形状分布，金属纤维连续，而切削加工时会将金属纤维切断； 其次，材料的塑性变形有利于提高零件的内在质量，如强度、疲劳寿命等。以齿轮为例，采用成形工艺生产与采用切削加工生产相比，其强度、抗弯疲劳寿命均提高20%。
（3） 产品尺寸规格一致。模具生产特别适合大批量生产，如机电与家电产品中的冲压件。
（4） 生产率高。对于成形工艺，普遍可采用机械化、自动化流水作业来实现大量乃至大规模生产。仍以锥齿轮和汽车轮胎螺母为例，与采用切削加工相比其生产率分别提高2倍和3倍，有的零件甚至可提高数倍乃至数十倍。
（5） 一般制件尺寸精度比切削加工低、表面粗糙度值比切削加工高。即使在室温变形，因模具或模型的磨损、弹性变形等因素，必将影响制件尺寸精度和表面粗糙度。因此，对于金属零件的生产，一般采用串联成形工艺获得具有一定机械加工余量和尺寸公差的毛坯，然后通过机械切削加工获得最终产品。
需要指出的是，材料成形（成形加工）较之切削加工，在材料利用率、产品性能、生产率等诸多方面具有无可比拟的优势，但材料成形所用的模具、工装（绝大部分）仍需采用切削加工方法制造。
1.4材料成型及控制工程专业的人才培养模式
厚基础、宽口径是我国目前材料成型及控制工程专业培养人才的主要模式。但由于各院校原有的专业设置及基础不同，专业的定位及发展目标也不尽相同，因此在人才培养模式及培养计划方面也存在较大差异。例如，一些研究型大学担负着精英教育的责任，以培养科学研究型和科学研究与工程技术复合型人才为主，学生毕业后大部分将继续深造，因此多以通识教育为主。而大多数教学研究型和教学型大学担负着大众文化教育的责任，以培养工程技术型、应用复合型人才为主，学生毕业后大部分走向工作岗位，因此大多数是通识与专业并重教育。
通过对国内部分大学人才培养方案的分析，目前国内材料成型及控制工程专业人才培养模式可归纳为以下几种。
1． 按照大类一级学科培养
这一培养模式以研究型大学为主。即按照材料科学与工程或机械工程一级学科打基础，学生不仅学习材料加工工程二级学科所需要的公共基础课和学科基础课，而且要学习该一级学科所包含的其他二级学科所需要的公共基础课和学科基础课，尤其是公共基础课完全相同。根据专业的不同归属，该类人才培养模式又分为以下两种。
（1） 按照材料科学与工程大类培养。由于专业属于材料一级学科，因此培养方案强调材料基础。目标是培养掌握系统的材料科学基本理论和必要的材料工程应用技术的专业知识，具有新材料、新产品、新工艺开发研制能力的高级工程技术人才。
（2） 按照机械工程大类培养。由于专业属于机械工程一级学科，因此培养方案强调机械基础。目标是培养掌握机械设计制造、材料加工过程及其机电控制的基本原理、方法、工艺和设备的专业知识，能从事机械设计制造、生产运行、科技开发及技术经营管理等方面的高级工程技术人才。
2． 按照二级学科培养
这一培养模式以教学科研型和教学型大学居多，而且按照二级学科培养的学校占有很大比例。其中，又有分专业方向和不分专业方向培养两种不同情况。
3． 按照原二级学科培养
按这种人才培养模式培养学生的学校数量较少。有两种情况： 一是按照调整前的老专业培养本科生，二是按材料成型及控制工程专业单一专业方向培养。
针对上述情况，教育部高等学校材料成型及控制工程专业教学分指导委员会2008年制定了《材料成型及控制工程专业分类指导培养计划》，共分四个大类。其中第三类为按照材料成型及控制工程专业分专业方向的培养计划，按这种人才培养模式培养学生的学校占被调查学校的大多数。其培养目标是掌握材料成型及控制工程领域的基础理论和专业基础知识，具备解决材料成型及控制工程问题的实践能力和一定的科学研究能力，具有创新精神，能在铸造、焊接、模具或塑性成形领域从事设计、制造、技术开发、科学研究和管理等工作，综合素质高的应用型高级工程技术人才。其突出特点是设置专业方向，强化专业基础，具有鲜明的行业特色。
本专业的主干学科为机械工程和材料科学与工程。主要课程包括理论力学、材料力学、工程制图、机械原理、机械设计、电工与电子技术、材料成形CAD/CAM、测试技术基础、控制工程基础、材料成形原理、材料成形工艺和材料成形设备等。在具体培养计划制定方面各校有所侧重。如有的高校基于知识、能力、素质协调发展的培养理念，定位应用型创新人才培养的目标和质量标准，优化课程体系、加强实践环节、拓宽素质教育、突出应用创新能力制定人才培养方案，按“六模块”人才培养模式全面落实和实现培养目标。
（1） 理论教学模块。构建本专业理论知识体系，为大学阶段乃至终身学习与发展打下较扎实的理论基础。包括公共基础课、学科基础课、专业课、专业方向课和专业选修课。
（2） 实践教学模块。构建由基础实验、专业实验、综合实验、社会实践、工程训练、课程设计、专业实习和毕业设计（论文）等环节组成的实践教学体系，将实践教学贯穿整个培养过程，着力培养学生的实践能力和工程素质。
（3） 个性发展模块。充分体现学生个性化发展，形成有利于应用型创新人才培养的环境，实现人才培养的多样化。包括人文艺术类、社会科学类、自然科学类等选修课程和考研课程等。
（4） 素质拓展与创新教育模块。设置机械创新设计实验、学科创新实践等环节，并采用课内与课外结合、理论与实践结合、个人与团队结合等方式，提升学生的人文素养和科学素养，培养学生的创新精神和创新能力。
（5） 职业技能教育模块。通过职业技能（如模具设计师、国际焊接师等）培训和考证，培养学生的职业素质，提高就业竞争力。
（6） 综合教育模块。加强对学生的日常教育与管理，提高组织纪律性、成才自觉性和心理承受能力。包括军事训练、大学生心理健康、入学教育、形势与政策教育、日常教育、毕业教育等。
4． 卓越工程师培养模式
近几年教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”），旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才，为走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。该模式以强化学生工程能力和创新能力培养为特征，要求行业、企业深度参与培养过程，学生要有一年左右的时间在企业顶岗学习，学校按通用标准和行业标准培养现场工程师（本科）、设计开发工程师（硕士）和研究型工程师（博士）三个层次的工程人才。目前只有部分高校根据各自的专业基础及行业背景在材料成型及控制工程专业进行了本科层次“卓越计划”培养模式的试点。
1.5材料成形技术的发展趋势
材料成形技术的总体发展趋势可以概括为三个综合，即过程综合、技术综合、学科综合。过程综合主要包括两个方面的含义，其一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化，各个环节的关联越来越紧密； 其二是指多个过程（如凝固与成形）的综