材料成型技術(shù)

第11章材料成型技術(shù)11.1鑄造11.2鍛壓11.3焊接11.1鑄造11.1.1概述11.1.2金屬的鑄造性能11.1.3合金的收縮11.1.4鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11.1.5特種鑄造1.鑄造的定義

將液態(tài)金屬澆注到鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。

11.1.1概述2.鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)——零件的形狀復(fù)雜；工藝靈活；成本較低。缺點(diǎn)——機(jī)械性能較低；精度低；效率低；勞動(dòng)條件差。鑄造生產(chǎn)過程3.鑄造方法的分類砂型鑄造——90%以上特種鑄造——鑄件性能較好，精度低，效率高4.鑄件的常見缺陷11.1.2金屬的鑄造性能

合金的鑄造性能是表示合金鑄造成型獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。通常用流動(dòng)性和收縮性來(lái)衡量。

1、流動(dòng)性概念流動(dòng)性——液態(tài)合金的充型能力。流動(dòng)性好的合金：易于澆注出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件；有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除；易于補(bǔ)縮及熱裂紋的彌合。合金的流動(dòng)性是以螺旋形流動(dòng)試樣的長(zhǎng)度來(lái)衡量。試樣越長(zhǎng)，流動(dòng)性越好。2、影響合金流動(dòng)性的因素（1）合金性質(zhì)方面純金屬、共晶合金流動(dòng)性好,亞、過共晶合金流動(dòng)性差。螺旋形流動(dòng)性試樣（2）鑄型和澆注條件提高流動(dòng)性的措施：提高鑄型的透氣性，降低導(dǎo)熱系數(shù)；確定合理的澆注溫度；提高金屬液的壓頭；澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。（3）鑄件結(jié)構(gòu)鑄件壁厚>最小允許壁厚11.1.3合金的收縮1.收縮的概念

收縮是鑄件中的縮孔、縮松、變形和開裂等缺陷產(chǎn)生的原因。收縮的三個(gè)階段：液態(tài)收縮形成縮孔、縮松（體收縮率）凝固收縮固態(tài)收縮——產(chǎn)生變形和裂紋（線收縮率）2、鑄件的縮孔和縮松縮孔的形成：純金屬或共晶成分的合金易形成縮孔?？s松的形成：結(jié)晶溫度范圍大的合金易形成縮松?？s孔和縮松的防止：定向凝固——在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位，通過增設(shè)冒口或冷鐵等工藝措施，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，爾后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。結(jié)果——使鑄件各個(gè)部分的凝固收縮均能得到液態(tài)金屬的補(bǔ)充，而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口之中3、鑄造應(yīng)力鑄造內(nèi)應(yīng)力有熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，是鑄件產(chǎn)生變形和開裂的基本原因。熱應(yīng)力的形成——熱脹冷縮不均衡機(jī)械應(yīng)力的形成——收縮受阻減少和消除應(yīng)力的措施：結(jié)構(gòu)上——壁厚均勻，圓角連接，結(jié)構(gòu)對(duì)稱。工藝上——同時(shí)凝固，去應(yīng)力退火。4、鑄件的變形對(duì)于厚薄不均勻、截面不對(duì)稱及具有細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)的桿件類、板類及輪類等鑄件，當(dāng)殘余鑄造應(yīng)力超過鑄件材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生翹曲變形。用反變形法防止箱體、床身導(dǎo)軌的變形。5、鑄件的裂紋鑄鋼件熱裂紋（改善型芯的退讓性，大的型芯制成中空的或內(nèi)部填以焦碳）輪形鑄件的冷裂（減少鑄件應(yīng)力，降低合金的脆性）11.1.4鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性，是指所設(shè)計(jì)的零件在滿足使用性能的前提下，鑄造成形的可行性和經(jīng)濟(jì)性，即鑄造成形的難易程度。良好的鑄件結(jié)構(gòu)性應(yīng)與金屬的鑄造性能和鑄造工藝相適應(yīng)。1、合金鑄造性能對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求（1）鑄件的壁厚壁厚合理、壁厚均勻、符合凝固原則（2）壁的連接圓角連接、避免交叉、逐漸過渡（3）避免變形和開裂的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)稱、加強(qiáng)筋合理、自由收縮鑄件的壁厚均勻結(jié)構(gòu)圓角壁間大角度連接2、鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求（1）鑄件的外形1）盡量避免外表面內(nèi)凹2）盡量示分型面為平面3）盡量減少分型面的數(shù)量4）應(yīng)具有結(jié)構(gòu)斜度（2）鑄件的內(nèi)腔1）不用或少用型芯和活塊2）有利于型芯的定位、排氣和清理

凸緣外伸凸緣內(nèi)伸11.1.5特種鑄造1、概述

（1）特種鑄造的分類：熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、（2）特種鑄造特點(diǎn)（與砂型鑄造相比）：1）鑄件精度和表面質(zhì)量高、鑄件內(nèi)在性能好；2）原材料消耗低、工作環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)；3）鑄件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、重量、材料種類往往受到一定限制。2、熔模鑄造（1）定義：熔模鑄造是在易熔模樣表面包覆若干層耐火材料，待其硬化后，將模樣熔去制成中空型殼，經(jīng)澆注而獲得鑄件的成形方法。（2）熔模鑄造工藝過程：制造熔模、制模組、上涂料（及撒砂）、脫模、焙燒、澆注、落砂、切澆口。（3）特點(diǎn)：1）鑄件的形狀復(fù)雜、精度和表面質(zhì)量較高2）合金種類不受限制，鋼鐵及有色金屬均可適用；3）生產(chǎn)批量不受限制；4）工藝過程較復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高鑄件尺寸不能太大。（4）應(yīng)用：熔模鑄造是一種少、無(wú)切削的先進(jìn)精密成形工藝，最適合25kg以下的高熔點(diǎn)、難加工合金鑄件的批量生產(chǎn)。如汽輪機(jī)葉片、泵輪、復(fù)雜刀具、汽車上小型精密鑄件。3、金屬型鑄造（1）定義：金屬型鑄造是在重力作用下將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型的成形方法。金屬型的結(jié)構(gòu)可分為：水平分型式、垂直分型式及復(fù)合分型式等。水平分型式垂直分型式鑄造鋁活塞的金屬型及金屬型芯（2）特點(diǎn)：1）一型多鑄，生產(chǎn)效率高；2）鑄件尺寸精度高，表面質(zhì)量好；3）鑄件冷卻快，組織致密，機(jī)械性能好；4）適用性差。（3）應(yīng)用：金屬型鑄造主要用于銅、鋁、鎂等有色金屬鑄件的大批量生產(chǎn)。如內(nèi)燃機(jī)活塞、汽缸蓋、油泵殼體、軸瓦、軸套等。4、壓力鑄造（1）定義：壓力鑄造是將液態(tài)金屬在高壓作用下快速壓入金屬鑄型中，并在壓力下結(jié)晶，以獲得鑄件的方法。壓鑄工藝過程：注入金屬→壓鑄→抽芯→頂出鑄件a)注入金屬b)壓鑄c)抽芯d)頂出鑄件臥式壓鑄機(jī)（2）壓力鑄造的特點(diǎn)：1）鑄件的尺寸精度高；2）鑄件的強(qiáng)度和表面硬度都較高；3）生產(chǎn)效率高（一般為50~150次/小時(shí)）；4）鑄件表皮下有氣孔，不能多余量加工和熱處理；5）設(shè)備投資大，壓鑄型制造成本高，適宜大量生產(chǎn)。（3）應(yīng)用：壓力鑄造主要用于鋁合金、鋅合金和銅合金鑄件。壓鑄件廣泛應(yīng)用與汽車、儀器儀表、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療器械等制造業(yè)，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體、汽缸蓋、儀表和照相機(jī)的殼體與支架、管接頭、齒輪等。常見的壓鑄件5、離心鑄造（1）定義：離心鑄造是將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使其在離心力作用下成形并凝固的鑄造方法。離心鑄造示意圖臥式離心鑄造機(jī)（2）離心鑄造的特點(diǎn)：1）鑄件組織致密，機(jī)械性能好2）不用型芯和澆注系統(tǒng)，簡(jiǎn)化生產(chǎn)，節(jié)約金屬3）金屬液的充型能力強(qiáng)，便于流動(dòng)性差的合金及薄壁鑄件4）便于制造雙金屬結(jié)構(gòu)5）鑄件易產(chǎn)生偏析，內(nèi)孔不準(zhǔn)確且內(nèi)表面粗糙（3）應(yīng)用：離心鑄造是鑄鐵管、氣缸套、銅套、雙金屬軸承的主要生產(chǎn)方法，鑄件最大可達(dá)十多噸。此外，在耐熱鋼輥道、特殊鋼的無(wú)縫管坯、造紙機(jī)干燥滾筒等生產(chǎn)中得到應(yīng)用。11.2.1概述11.2鍛造1、鍛壓——借助外力的作用，使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得具有一定形狀、尺寸和性能的鍛壓件。金屬坯料鍛壓件塑性變形2、種類自由鍛、模鍛、板料沖壓、擠壓、拉拔、軋鍛3、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）能改善金屬的組織，提高金屬的機(jī)械性能；（2）提高材料的利用率和經(jīng)濟(jì)效益（節(jié)省材料和切削加工工時(shí)）；（3）具有較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。缺點(diǎn)：（1）不能獲得形狀復(fù)雜的鍛件；（2）初次投資費(fèi)用高（設(shè)備、工模具、廠房）；（3）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)條件差。

4、應(yīng)用：軋制、擠壓、拉拔——金屬型材、板材、鋼材、線材等；自由鍛、模鍛——承受重載的機(jī)械零件，如機(jī)器主軸、重要齒輪、炮管、槍管等；板料沖壓——汽車制造、電器、儀表及日用品。11.2.2自由鍛1、概述（1）定義：利用沖擊力或壓力使加熱好的金屬在上、下抵鐵之間產(chǎn)生變形。（除部分接觸表面外，都是自由表面，變形不受限制。）（2）特點(diǎn)：（1）工具簡(jiǎn)單，不需造價(jià)昂貴的模具（2）可以鍛造各種重量的鍛件，對(duì)于大型鍛件幾乎是唯一的鍛造方法（3）自由鍛所需設(shè)備的噸位較?。?）鍛件的尺寸精度低，加工余量大（5）鍛件形狀簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大（3）應(yīng)用：?jiǎn)渭托∨可a(chǎn)。2、自由鍛設(shè)備手工自由鍛——鐵砧、鍛造工具（生產(chǎn)小型鍛件、效率低）機(jī)器自由鍛——空氣錘、蒸氣-空氣錘、水壓機(jī)水壓機(jī)變形量大，鍛造深度大，內(nèi)部質(zhì)量好，沒有振動(dòng)、噪音小?？諝忮N3、自由鍛的工序基本工序：鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、彎曲、錯(cuò)移、扭轉(zhuǎn)；輔助工序：倒棱、壓肩等；精整工序：修整鼓形、平整端面、校直彎曲?；竟ば颉伍L(zhǎng)基本工序——鐓粗基本工序——沖孔基本工序——彎曲11.2.3模鍛1、概述（1）定義：將加熱后的坯料放在模膛內(nèi)受壓變形而獲得鍛件的一種加工方法。（2）特點(diǎn)：1）尺寸精度高；2）鍛件形狀復(fù)雜；3）操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高；4）流線完整、性能好。（3）應(yīng)用：中、小型鍛件的成批和大量生產(chǎn)。2、模鍛設(shè)備1）模鍛錘可以鐓粗、拔長(zhǎng)、滾擠、彎曲、成形、預(yù)鍛、終鍛。2）曲柄壓力機(jī)行程不能調(diào)節(jié)；不能拔長(zhǎng)和滾擠；每個(gè)變形工步在一次行程中完成。3）平鍛機(jī)4）摩擦壓鍛機(jī)螺桿與滑塊非剛性連接，承受偏心能力差；滑塊行程、打擊能量可自動(dòng)調(diào)節(jié)。3、錘上模鍛工藝模鍛的變形工步和模鍛模膛變形——制坯（制坯模膛）——初步成形——模鍛工步（模鍛模膛）——最終成形。制坯工步，制坯模膛（鍛件初步成形）模鍛工步，模鍛模膛（鍛件最終成形）彎曲連桿的多模膛鍛模11.2.4板料沖壓1、板料沖壓：2、設(shè)備：金屬板料產(chǎn)生分離、變形沖壓件沖模和沖床沖床——沖壓設(shè)備沖?！獩_壓工具（分上模和下模）（1）沖裁：板料沿封閉輪廓分離的工序（落料和沖孔）。相同：1、模具結(jié)構(gòu)；2、坯料變形過程。落料沖孔（2）彎曲：將平直板料彎成一定的角度和圓弧。（3）拉深：平面板料→開口中空形件。（4）成形：使板料或半成品改變局部形狀的工序。剛模壓坑軟模脹形剛模脹形4、特點(diǎn)：（1）可沖壓形狀復(fù)雜的零件，廢料少；（2）沖件尺寸精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，互換性好；（3）質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好；（4）操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高；（5）板料必須具備足夠的塑性，沖模制造復(fù)雜、費(fèi)用高。5、板料沖壓的應(yīng)用：飛機(jī)、汽車、電機(jī)、儀器、儀表等。11.3焊接11.3.1概述1、定義：通過加熱或加壓，使焊件達(dá)到原子結(jié)合的一種加工方法。2、種類：熔化焊——?dú)夂?、電弧焊、電渣焊等；壓力焊——電阻焊、壓力焊；釬焊——軟釬焊、硬釬焊。3、焊接的特點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：連接性能好，省工省料成本低，重量輕，簡(jiǎn)化工藝缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不可拆卸，焊接接頭的組織、性能變壞，產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，易產(chǎn)生焊接缺陷應(yīng)用：金屬結(jié)構(gòu)件——自行車三角架、鋼窗、鍋爐、壓力容器、管道、船舶、車輛等；機(jī)器部件——軸、齒輪、刀具等。11.3.2熔焊過程和焊接質(zhì)量

1、熔焊冶金過程和電焊條（1）熔焊的冶金過程空氣中的O2、N2、H2O在電弧的作用下：O2→2O發(fā)生氧化反應(yīng)，焊縫性能降低；N2→2N高溫熔入液態(tài)金屬，冷卻后形成氣孔；H2O→2H+O形成氣孔，產(chǎn)生氫脆。保證焊縫質(zhì)量措施：減少有害元素進(jìn)入熔池，消除已進(jìn)入熔池的有害元素，增加金屬元素。（2）電焊條1）焊條的組成：專用焊接金屬絲，由多種礦石粉和鐵合金配成。專用焊接金屬絲由多種礦石粉鐵合金配成2）焊芯的作用：作電極傳導(dǎo)電流，產(chǎn)生電??；作填充金屬（調(diào)整成分）3）藥皮的作用：機(jī)械保護(hù)作用(氣體和熔渣)冶金處理（熔渣）改善焊接工藝性（引弧容易燃燒穩(wěn)定）（3）焊條的種類、型號(hào)與牌號(hào)種類按用途分按熔渣性質(zhì)分碳鋼焊條低合金鋼焊條不銹鋼焊條鑄鐵焊條堆焊焊條鎳和鎳合金焊條銅和銅合金焊條鋁和鋁合金焊條酸性焊條（SiO2、MnO等）堿性焊條（CaO、FeO等）堿性焊條和酸性焊條的特性：堿性焊條：機(jī)械性能好（韌性高，抗裂性好）；焊接工藝性能差；對(duì)油污、銹、水敏感性大；排出有毒煙塵。酸性焊條與堿性焊條相反（4）焊條的選用選用原則：焊縫和母材具有相同水平的使用性能。不繡鋼、耐熱鋼焊條——按相同成分選擇焊條結(jié)構(gòu)鋼焊條——按等強(qiáng)原則選相同強(qiáng)度等級(jí)焊條2、焊接接頭的組織和性能（1）低碳鋼焊接接頭的組成1——焊縫區(qū)（熔化區(qū)）2——熔合區(qū)（半熔化區(qū)）3——熱影響區(qū)4——母材（2）焊縫的組織和性能鑄態(tài)組織，性能可以達(dá)到要求。（3）熔合區(qū)的組織和性能成分不均勻，組織粗大，機(jī)械性能很低。（4）熱影響區(qū)的組織和性能過熱區(qū)（1100℃）組織粗大，機(jī)械性能很低,正火區(qū)（Ac3～1100℃）晶粒細(xì)小，機(jī)械性能高，部分相變區(qū)（Ac1～Ac3）晶粒不均勻，機(jī)械性能低?？梢?，熔合區(qū)、過熱區(qū)是接頭中性能最差的薄弱的部位，會(huì)嚴(yán)重影響焊接接頭的質(zhì)量。3、焊接變形和焊接應(yīng)力（1）焊接變形和殘余應(yīng)力的不利影響：造成焊件的尺寸、形狀變化；矯正變形會(huì)使性能降低，成本增加；焊接應(yīng)力會(huì)降低承載能力；引起焊接裂紋；應(yīng)力衰減會(huì)產(chǎn)生變形。（2）焊接變形和殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因在焊接過程中，對(duì)焊件進(jìn)行局部的不均勻加熱，會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。下圖為平板對(duì)接焊縫的應(yīng)力和變形過程示意圖（3）減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施：焊前預(yù)熱及焊后熱處理；選擇合理的焊接次序；剛性固定法；反變形法；錘擊焊縫法；采用機(jī)械矯正和火焰矯正。11.3.3常用焊接方法

1、手工電弧焊（1）焊接電?。弘娀　?dú)怏w電離、電極發(fā)射電子（2）焊接過程：電弧在焊條與被焊件之間燃燒,電弧熱使工件和焊條同時(shí)熔化成熔池；電弧使焊條的藥皮熔化或燃燒,產(chǎn)生熔渣和氣體,對(duì)熔化金屬和熔池起保護(hù)作用；電弧使焊條的藥皮熔化或燃燒,產(chǎn)生熔渣和氣體,對(duì)熔化金屬和熔池起保護(hù)作用。（3）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不易保證。2、埋弧自動(dòng)焊（1）焊接過程自動(dòng)焊——焊接動(dòng)作由機(jī)械裝置自動(dòng)完成。埋弧焊——電弧在顆粒狀焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接。焊絲焊劑自動(dòng)焊小車埋弧焊生產(chǎn)（2）特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（比手弧焊提高5～10倍）焊接質(zhì)量好（焊縫內(nèi)氣孔、夾渣少，焊縫美觀）成本低（省工、省時(shí)、省料）勞動(dòng)條件好（無(wú)弧光,、飛濺,勞動(dòng)強(qiáng)度低）適應(yīng)性差（平焊、長(zhǎng)直焊縫和較大直徑的環(huán)縫）焊接設(shè)備復(fù)雜，焊前準(zhǔn)備工作嚴(yán)格應(yīng)用：成批生產(chǎn)、中厚板結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)直焊縫和較大直徑的環(huán)縫，如鍋爐、壓力容器、船舶等。壓力容器焊接生產(chǎn)3、氣體保護(hù)焊（1）保護(hù)氣體：氬氣→氬弧焊CO2→CO2氣體保護(hù)焊鎢極金屬極（2）氬弧焊特點(diǎn)1)保護(hù)效果好，電弧穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好；2)電弧熱量集中，熱影響區(qū)小，焊后變形??；3)可全方位焊接，便于觀察、易于自動(dòng)控制；4)氬氣成本高，一般情況下不采用。（3）應(yīng)用：用于焊接易氧化的有色金屬、合金鋼和不銹鋼。11.3.4常用金屬材料的焊接

是指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。金屬焊接性：焊接性形成焊接缺陷的敏感性（裂紋）使用性能（機(jī)械性能）影響焊接性的因素：金屬材料本身性質(zhì)焊接方法、焊接材料、焊接工藝CE＜0.4%時(shí)，冷裂紋傾向不明顯,焊接性良好；CE＝0.4%～0.6%時(shí)，冷裂傾向明顯，焊接性較差；CE＞0.6%時(shí)，冷裂傾向很強(qiáng),焊接性很差。CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15焊接性碳、合金元素