材料成形工藝

1、第一部分 緒論 金屬工藝學(xué)（材料成形工藝基礎(chǔ))是一門研究材料成形工藝和機(jī)械制造工藝的綜合性基礎(chǔ)課程。 一、課程的內(nèi)容包括：1、材料的熱加工成形方法、工藝特點(diǎn)與先進(jìn)技術(shù) a、金屬液態(tài)成形（鑄造成形） b、金屬塑性成形（鍛造成形） c、金屬連接成形（焊接成形） d、粉末冶金成形2、金屬的切削加工成形 a、車削加工成形金屬工藝學(xué)（材料成形工藝基礎(chǔ)） b、磨削加工成形 c、銑削加工成形 d、刨削加工成形3、特種加工成形 a、電火花加工成形 b、超聲波加工成形 c、激光加工成形 d、電子束加工成形 e、等離子加工成形 f、微波加工成形二、課程的目標(biāo) 1、熟練掌握材料熱加工成形的方法、工藝特點(diǎn)和目前的發(fā)展

2、動(dòng)態(tài)。 2、基本了解特種加工成形的種類、工藝特點(diǎn)和目前的發(fā)展動(dòng)態(tài)。三、課程要求 要求遵守課堂紀(jì)律，學(xué)習(xí)最終成績(jī)?yōu)槠綍r(shí)成績(jī)與考試成績(jī)相結(jié)合，平時(shí)成績(jī)占20，考試成績(jī)占80。第二部分 鑄造（金屬的液態(tài)）成形工藝?yán)碚摶A(chǔ)一、金屬液態(tài)成形的鑄造基礎(chǔ) 1、概述 金屬液態(tài)成形或鑄造：將液態(tài)金屬澆入與零件形狀、尺寸相應(yīng)的鑄型型腔中，待冷卻凝固后，獲得毛坯或零件的工藝方法。 液態(tài)金屬成形:主要包括砂型鑄造和特種鑄造兩種。 液態(tài)金屬成形的特點(diǎn)： a、適合制造形狀復(fù)雜的零件。 b、適應(yīng)性廣。 c、生產(chǎn)成本低。 d、對(duì)材料的塑性要求不高。 e、鑄件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般。f、易出現(xiàn)鑄造缺陷，如縮孔、氣孔、砂眼

3、等。g、鑄件晶粒粗大，力學(xué)性能一般。2、液態(tài)合金的工藝性能 液態(tài)合金的工藝性能：液態(tài)合金符合某種生產(chǎn)工藝要求所需要的性能。 主要包括：流動(dòng)性、收縮性、吸氣性及偏析等。2.1 充型能力 充型能力:液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰成形件的能力。2.2 合金的流動(dòng)性對(duì)充型能力的影響 合金的流動(dòng)性:液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力。 用澆注流動(dòng)性試樣的方法來衡量。2.3 合金流動(dòng)性對(duì)充型能力的影響因素（1）合金的種類 （2）合金的化學(xué)成分2.3澆鑄條件對(duì)充型能力的影響 （1）澆注溫度 （2）充型壓力 （3）澆注系統(tǒng)2.4鑄型充填條件對(duì)充型能力的影響 (1)鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的蓄熱系數(shù)：鑄型從金屬中吸

4、取熱量并儲(chǔ)存的能力。 (2)鑄型溫度 (3)鑄型的發(fā)氣和透氣能力2.5鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)充型能力的影響 (1)折算厚度 折算厚度(當(dāng)量厚度或模數(shù)):鑄件體積與表面積的比值。 （2）復(fù)雜程度3 液態(tài)金屬的凝固與收縮 3.1鑄件的凝固方式 鑄件在凝固過程中一般要經(jīng)歷液相區(qū)、凝固區(qū)（兩相區(qū)）和固相區(qū)。 鑄件的凝固方式為： （1）逐層凝固 隨著溫度的下級(jí)，固體層不斷加厚，液體不斷減少，直到鑄件全部凝固。 （2）糊狀凝固 液態(tài)金屬凝固過程中，鑄件表面并不存在固體層，而是固液并存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)凝固過程中。 （3）中間凝固 凝固方式介于逐層凝固與中間凝固之間。 大多數(shù)合金的凝固為中間凝固。3.2影響凝固的主要因素

5、 （1）合金的結(jié)晶溫度范圍 （2）鑄件的溫度梯度3.3合金的收縮 收縮:合金從液態(tài)冷卻到室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。 合金的收縮分為：液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三種。3.4影響收縮的因素 （1）化學(xué)成分 （2）澆注溫度 （3）鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件3.5 縮孔與縮松 (1)縮孔的形成 (2)縮松的形成3.6縮孔與縮松的防止 定向凝固:在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的熱節(jié)處，采用增加冒口、冷鐵的措施，使遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口部位最后凝固的凝固過程。4 液態(tài)成形內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋 液態(tài)成形的內(nèi)應(yīng)力分為:機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。4.1熱應(yīng)力 熱應(yīng)力:由于鑄件厚度不均勻，各部分的冷卻速

6、度不同，以致在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的應(yīng)力。4.2機(jī)械應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力：合金的線收縮受到鑄件、型芯、澆注系統(tǒng)和冒口的機(jī)械阻礙作用而形成的應(yīng)力。4.3 鑄件的變形與防止 液態(tài)成形后，鑄件中存在殘余應(yīng)力，使得零件有殘余變形。 1、影響加工精度 2、影響尺寸穩(wěn)定性 3、影響尺寸精度 防止變形的方法： 1、設(shè)計(jì)上采用中性軸對(duì)稱法； 2、反變形法 3、高溫?zé)崽幚?4、機(jī)械振動(dòng)法 5、時(shí)效處理法 自然時(shí)效：將鑄件置于露天場(chǎng)地半年以上，使其在自然地氣壓和溫度作用下，逐步緩慢變形，從而消除內(nèi)應(yīng)力。 人工時(shí)效： 將鑄件加熱到550650進(jìn)行去應(yīng)力退火。 4.4鑄件的裂紋與防止 鑄件易產(chǎn)生熱裂紋與冷裂

7、紋。 熱裂紋：在鑄件凝固后期接近固液相線的高溫下形成的裂紋。 特點(diǎn)：裂紋較短，裂紋縫隙較寬，形狀曲折，裂紋內(nèi)有氧化色。防止措施： 選擇凝固溫度范圍小、熱裂傾向小的合金。 提高鑄型和型芯的退讓性，減小機(jī)械應(yīng)力。 合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。 控制鑄造合金中的硫、磷成分。 冷裂紋：在較低的溫度下，因熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的綜合作用，鑄件的內(nèi)應(yīng)力超過了機(jī)械強(qiáng)度，這是產(chǎn)生的裂紋。特點(diǎn)：裂紋較細(xì)小，裂紋呈連續(xù)直線，裂紋內(nèi)有金屬光澤。 防止措施： 將鑄件保溫、緩冷，減少應(yīng)力。 提高鑄型和型芯的退讓性，減小機(jī)械應(yīng)力。 及時(shí)進(jìn)行振動(dòng)消除應(yīng)力。4.5 液態(tài)成形件的質(zhì)量與控制 液態(tài)成形件的缺陷: 氣孔，粘砂，夾砂，白口，縮孔與縮

8、松，裂紋，化學(xué)成分及性能不合格，偏析。 鑄件質(zhì)量控制： 合理選擇鑄造合金和鑄件結(jié)構(gòu) 合理制定鑄件技術(shù)要求 鑄件質(zhì)量檢測(cè)二、鑄件的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介 1、 鑄件的分類 鑄鐵可分為白口鑄鐵，灰鑄鐵，麻口鑄鐵?；诣T鐵可分為：普通灰鑄鐵，可鍛鑄鐵，球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。2、灰鑄鐵 （1）灰鑄鐵的化學(xué)成分與組織一般灰鑄鐵的化學(xué)成分為： C：2.6%3.6%, Si:1.2%3.0%, Mn:0.4%1.2%, S0.15， P0.3%。 灰鑄鐵的組織由基體與片狀石墨組成。根據(jù)基體組織的不同可分為： a、鐵素體灰鑄鐵 b、鐵素體珠光體灰鑄鐵 c、珠光體灰鑄鐵 （2）灰鑄鐵的性能 抗拉強(qiáng)度低，為鋼的2030，塑性及

9、沖擊韌性接近0，但有良好的減震性，耐磨性，以及低的缺口敏感性。（3）影響鑄鐵組織和性能的因素 1）碳和硅的影響 2）硫和錳的影響 3）磷的影響 4）冷卻速度的影響（4）灰鑄鐵的孕育處理 孕育鑄鐵：經(jīng)孕育處理后的鑄鐵，在細(xì)晶珠光體的基體上均勻分布著細(xì)片狀石墨。（5）灰鑄鐵的牌號(hào)選用 灰鑄鐵的牌號(hào)為HT和一組數(shù)字，數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度小于200MPa的為一般灰鑄鐵，大于250MPa的需經(jīng)孕育處理，為要求高的重要鑄件。3、可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵（瑪鋼或瑪鐵）：將白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的高溫石墨化退火，使白口鑄鐵中的滲碳體分解，獲得鐵素體或珠光體基體上分布著團(tuán)絮狀石墨的鑄鐵。 可鍛鑄鐵分為：黑心可鍛鑄鐵（

10、KTH），珠光體可鍛鑄鐵（KTZ)和白心可鍛鑄鐵(KTB)三種。 4、球墨鑄鐵 球墨鑄鐵：向高溫的鐵液中加入一定的球化劑和孕育劑，直接得到石墨的鑄鐵。 球墨鑄鐵的組織可分為：鐵素體球墨鑄鐵，鐵素體珠光體球墨鑄鐵和珠光體球墨鑄鐵。如：QT40018。5、蠕墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵：由鐵液經(jīng)蠕化處理和孕育處理后得到的鑄鐵。如：RT420。6、鑄鋼 ZG200400。表示屈服強(qiáng)度為200MPa，抗拉強(qiáng)度為400MPa。7、非鐵合金鑄件 1）鑄造銅合金 2）鑄造鋁合金三、金屬液態(tài)成形工藝 3.1砂型鑄造 1、手工造型 2、機(jī)器造型 （1）震壓造型 （2）微振壓實(shí)造型 （3）高壓造型 （4）拋砂造型 3、機(jī)器制

11、芯 （1）射芯機(jī) （2）殼（吹）芯機(jī) 3 .2特種鑄造 1、金屬型鑄造 金屬型鑄造：在重力作用下，將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型以獲得鑄件的成形方法。 (1)金屬型的材料及結(jié)構(gòu) 金屬型的材料一般采用鑄鐵，要求較高的采用碳鋼或合金鋼。 (2)金屬型的鑄造工藝 1）加強(qiáng)金屬型的排氣。 2）在金屬型的工件表面上噴刷涂料。 3）預(yù)熱金屬型并控制其溫度。 4）及時(shí)開型。 （3)金屬型鑄造的特點(diǎn)及適用范圍 1）金屬型鑄件冷卻速度快，組織致密，力學(xué)性能高。 2）鑄件的表面質(zhì)量、尺寸精度較高。 3）金屬型可一型多鑄。 4)易產(chǎn)生氣孔、裂紋等鑄造缺陷。 5）不易生產(chǎn)形狀復(fù)雜，薄壁和大型鑄件。 6）金屬型的成本高，不適宜

12、單件、小批量生產(chǎn)。 2、熔模鑄造 3、壓力鑄造 4、低壓鑄造 5、陶瓷型鑄造 6、實(shí)型鑄造（氣化模鑄造或消失模鑄造）四、液態(tài)成形金屬件的工藝設(shè)計(jì) 砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)：根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征，技術(shù)要求、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)條件等因素，確定砂型鑄造工藝方案。 具體包括：澆鑄位置和分型面的選擇，加工余量、起模斜度、收縮量的確定等。4.1鑄造成形方案的選擇 1、澆鑄位置的確定 澆注位置：澆注時(shí)鑄件在鑄型中所處的空間位置。 1）鑄件的重要加工面和受力面應(yīng)朝下或位于側(cè)面。 2）鑄件的大平面應(yīng)朝下。 3）應(yīng)將面積較大的薄壁部位朝下，或使其處于垂直或傾斜位置。 4）應(yīng)將鑄件的厚大位置朝上或側(cè)放。2、分型面的選擇 鑄型分型

13、面：鑄件相互結(jié)合的表面。 1）能保證模樣能順利從鑄型中取出。 2）應(yīng)盡量使鑄件的全部或大部分位于同一砂箱。 3）應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)量。 4）應(yīng)盡量使型腔及主要型芯位于下箱。3、加工余量和鑄孔按國(guó)標(biāo)GB/T11350-89的規(guī)定。4、起模斜度 金屬模0.5-1o，對(duì)木模13o 。 5、鑄造圓角 6、鑄造收縮率 灰鑄鐵0.7%1.0%，鑄鋼1.3%2.0%，鋁硅合金0.8%1.2%，錫青銅1.2%1.4%。 4.2澆注系統(tǒng) 澆注系統(tǒng)由澆口杯，直澆道，橫澆道和內(nèi)澆道組成。第三部分 金屬的塑性成形3.1 金屬塑性成形的工藝基礎(chǔ)3.1.1金屬塑性成形工藝的種類 金屬塑性成形:利用金屬的塑性，使其改變形

14、狀、尺寸和改善性能，獲得一定形狀和尺寸的原料、毛坯或零件的成形方法。 金屬成形的方法主要有： 鍛造，沖壓，軋制，擠壓，拉拔等。3.1.2 金屬變形過程中的組織與性能 金屬在外力的作用下發(fā)生彈性和塑性變形，只有屬性變形才能用于成形加工。 1、冷變形后金屬的組織與性能 冷變形：金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形。（1）晶粒沿變形最大的方向被拉長(zhǎng)，性能趨于各向異性（2）晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化（3）晶粒擇優(yōu)取向，形成變形織構(gòu)（4）殘余應(yīng)力2、冷變形后金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化 （1）回復(fù) （2）再結(jié)晶3、熱變形后金屬的組織與性能（1）金屬的致密度提高（2）組織細(xì)化，力學(xué)性能提高（3）

15、出現(xiàn)鍛造流線，金屬性能呈異向性。3.1.3合金的鍛造性及影響成形的因素1、合金的成分及組織（1）化學(xué)成分（2）金屬組織 純金屬、固溶體易塑性成形，碳化物難以塑性成形；鑄造柱狀晶和粗晶難于細(xì)小而均勻的晶粒組織。2、變形條件（1）變形溫度 變形溫度越高，金屬的塑性越好，越有利于變形。（2）變形速度變形速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的變形程度。（3）應(yīng)力狀態(tài)（4）坯料表面質(zhì)量 表面有劃痕、微裂紋、粗大夾雜物，均不利于塑性成形。3.2金屬塑性成形的方法3.2.1自由鍛造3.2.2模膛鍛造模膛鍛造:利用模具使坯料變形而獲得模鍛件的鍛造方法。3.2.2.1模鍛的分類1、開式模鍛2、閉式模鍛3、多向模鍛3.2.2.2錘上

16、模鍛鍛模結(jié)構(gòu)1、制坯模膛（1）拔長(zhǎng)模膛（2）滾壓模膛（3）彎曲模膛2、模鍛模膛（1）預(yù)鍛模膛（2）終鍛模膛3.3鍛造工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1自由鍛的鍛造工藝3.3.2模鍛的鍛造工藝3.4薄板沖壓成形工藝沖壓工藝：使板料經(jīng)分離或成形而得到制件得工藝，又稱冷沖壓。3.4.1沖壓成形基本工序3.4.1.1分離工序分離工序:利用沖?；蚣袅κ古髁戏蛛x的沖壓方法。 主要包括切斷、沖裁、整修等。1、切斷 將板料沿不封閉曲線分離的一種方法。2、沖裁沖裁：利用沖模以封閉的輪廓與坯料分離的沖壓方法。 其有：落料和沖孔兩種形式。a、落料和沖孔的變形分離過程為： （1）彈性變形階段 （2）塑性變形階段 （3）斷裂分離

17、階段b、模具間隙模具間隙：凸模與凹模工作部分水平投影尺寸之間的間隙。 （1）模具間隙是影響落料或沖孔質(zhì)量的主要原因。 （2）模具間隙是模具壽命的主要影響因素。 c、模具刃口尺寸的確定 （1）落料模具刃口尺寸的確定 （2）下料模具刃口尺寸的確定d、沖裁力的確定 FKLe、沖裁件的排樣 3、整修整修：利用整修模沿沖裁件的外緣或內(nèi)孔削去一層薄的材料，以提高沖裁件的加工精度和降低剪切面粗糙度的沖壓方法。3.4.1.2 變形工序 1、彎曲 2、拉深（拉延） 3、翻邊 4、縮口 5、壓肋 6、膨脹3.3.3沖壓成形件的結(jié)構(gòu)工藝性 1、沖壓件的形狀與尺寸 2、沖壓件的厚度 3、沖壓件的精度和表面質(zhì)量 4、簡(jiǎn)化工藝、節(jié)省材料、改進(jìn)結(jié)構(gòu)3.4金屬塑性成形新技術(shù)簡(jiǎn)介3.4.1零件的軋制 1、縱軋 2、橫軋 3、斜軋3.4.2零件的擠壓 按金屬的流動(dòng)方向與凸模的運(yùn)動(dòng)方向分類 （1）正擠壓 （2）反擠壓 （3）復(fù)合擠壓 （4）徑向擠壓按金屬所具有的溫度分類 （1）熱擠壓 （2）冷擠壓 （3）溫?cái)D壓3.4.3 精密模鍛 1、精密模鍛的分類 精密模鍛可分為冷鍛、溫鍛和熱鍛。 2、精密模鍛工藝要點(diǎn)及主要技術(shù)措施 （1)精密下料 （2）少無