機械制造基礎(chǔ)第1章

中等職業(yè)學校機電類規(guī)劃教材專業(yè)根底課程與實訓課程系列機械制造根底人民郵電出版社第1章鑄造、壓力加工和焊接的根本工藝1.1鑄造將熔融金屬澆注到鑄型型腔中，待其凝固后得到一定形狀、大小和性能的工件或毛坯的方法稱為鑄造。所得到的金屬工件或毛坯稱為鑄件。具有以下特點?！?〕可獲得復雜外形及內(nèi)腔的鑄件?！?〕適應性廣?！?〕鑄件本錢低廉?！?〕減少了切削加工的工作量，節(jié)約金屬?！?〕鑄件易產(chǎn)生缺陷，使質(zhì)量不夠穩(wěn)定。〔6〕和相同形狀、尺寸的鍛件相比，鑄件的機械性能不及鍛件，承受動載荷和沖擊載荷的能力較差?！?〕工作場地溫度高，灰塵多，環(huán)境差，工人勞動強度大。由于鑄造生產(chǎn)有許多優(yōu)點，因此廣泛應用于機械零件的毛坯制造，在各種機械設備中鑄件在質(zhì)量上占有很大的比例。3.造型造型是砂型鑄造的最根本工序，是用型砂及模樣等工藝設備制造砂型的方法和過程?！?〕手工造型手工造型是用手工操作完成造型工序。砂箱及常用的手工造型工具如下圖。手工造型操作靈活，工藝裝備簡單，適應性強。但其生產(chǎn)率低，勞動強度大，勞動條件差，鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定。手工造型的方法常見的有：有箱造型、脫箱造型、地坑造型和刮板造型等。有箱造型分整模造型和分模造型兩種。整模造型時模樣放置在一個砂箱中，分型面為一平面，位于模樣的一側(cè)。如下圖是整模造型過程示意圖。這種方法適應于生產(chǎn)形狀比較簡單的鑄件。分模造型的特點是沿模樣最大截面處將其分成兩部分，兩個半模分別位于上、下型之中。如下圖是分模造型過程示意圖。這種方法適應于生產(chǎn)圓柱體、管件、閥體、套筒等形狀較復雜的鑄件?！?〕機械造型和自動化造型用機械全部完成或至少完成緊砂操作的造型工序稱為機械造型。所有造型工序根本不需要人工完成的造型過程稱為自動化造型。4.造芯制造型芯的過程稱為造芯，是用來形成鑄件的內(nèi)腔。造芯的方法可分為手工造芯和機械造芯兩種。5.澆注系統(tǒng)和冒口將熔融金屬導入型腔的通道稱為澆注系統(tǒng)。通常由澆口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道組成。〔1〕澆口杯形狀多為漏斗形，與直澆道頂端連接?！?〕直澆道是澆口杯下面的一段垂直通道，通常帶有一定的錐度?！?〕橫澆道承接直澆道流入的熔融金屬，其截面多為梯形?！?〕內(nèi)澆道與型腔直接相連。1.1.2合金的鑄造性能

合金在鑄造成形過程中所表現(xiàn)的工藝性能稱為鑄造性能。良好的鑄造性能是保證鑄件質(zhì)量的重要條件。 1.合金的流動性 合金的流動性是指液態(tài)金屬本身的流動能力。 〔1〕在常用的鑄造合金中，鑄鐵的流動性最好，有色金屬也有較好的流動性，鑄鋼的流動性較差。 〔2〕提高澆注溫度有利于提高流動性。但澆注溫度過高，使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔、粘砂等缺陷。 〔3〕鑄型工藝因素中，加高直澆道，擴大內(nèi)澆道截面，以及在型砂中參加煤粉、提高型腔的光滑程度、烘干預熱鑄型等都可以提高流動性。2.合金的收縮性合金在冷卻凝固過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮。合金從澆注溫度冷卻到室溫要經(jīng)過液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個階段?！?〕影響鑄件收縮的因素1〕化學成分不同化學成分的合金具有不同的收縮率，鑄鋼收縮率最大，灰口鑄鐵收縮率最小。2〕澆注溫度澆注溫度愈高，合金液態(tài)收縮增大，為減少收縮，澆注溫度不宜過高。3〕鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型工藝條件合金在鑄型的收縮會受到阻礙，其阻力來源于鑄件各局部收縮時受到的相互制約及鑄型和型芯對鑄件收縮的阻礙?！?〕縮孔和縮松的形成及防止鑄件在凝固過程中，由于補縮不良而產(chǎn)生的孔洞成為縮孔?？s松是鑄件某一區(qū)域中分散、細小的縮孔?？s孔、縮松都是由于液態(tài)收縮和凝固收縮未能得到外來金屬液補充所致?？s孔、縮松使鑄件的機械性能降低，縮松還使鑄件的致密度下降。為防止縮孔、縮松的產(chǎn)生，應合理設計鑄件結(jié)構(gòu)，力求防止鑄件上有局部金屬積聚；在鑄型中合理開設澆注系統(tǒng)、設置冒口和冷鐵，對鑄件凝固過程進行控制，使之實現(xiàn)順序凝固。1.1.3鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性

鑄件結(jié)構(gòu)是否合理，對于鑄件的質(zhì)量、本錢和鑄造生產(chǎn)率都有很大的影響。鑄件結(jié)構(gòu)不僅要保證鑄件的力學性能和使用性能要求，而且必須考慮合金的鑄造性能以及制模、造型、造芯、合型、鑄件清理等各個工藝環(huán)節(jié)，應力求工藝簡單、保證鑄件質(zhì)量、節(jié)省材料、提高生產(chǎn)效率和降低本錢。鑄件結(jié)構(gòu)工藝性的根本要求如表1-1所示。1.1.4特種鑄造簡介特種鑄造是指與砂型鑄造不同的鑄造方法。1、金屬型鑄造通過重力作用進行澆注，將熔融金屬注入金屬型而形成鑄件的過程稱為金屬型鑄造。用金屬材料制成的鑄型稱為金屬型。如下圖為金屬型鑄造示意圖。金屬型鑄造的特點如下：〔1〕金屬型可以屢次使用，與砂型鑄造相比，省去了型砂制備、造型、落砂、清理等過程，節(jié)省了大量型砂和配砂設備與場地，顯著地提高了勞動生產(chǎn)率并降低了生產(chǎn)本錢?！?〕金屬型鑄造的鑄件切削加工余量小?！?〕金屬型晶粒細，力學性能較好?！?〕金屬型的設計、制造、使用及維護要求高，制造本錢高，加工周期長。金屬型鑄造廣泛應用于各種有色金屬鑄件的大批量生產(chǎn)，其鑄件不宜過大，形狀不能太復雜。2．壓力鑄造壓力鑄造是將熔融金屬在壓力作用下注入鑄型，并在壓力作用下冷卻凝固后獲得鑄件的鑄造方法。壓力鑄造的鑄型是金屬型，用于壓力鑄造的機器稱為壓鑄機。如圖所示為壓鑄機工作過程示意圖。壓力鑄造的特點如下：〔1〕可以鑄造形狀復雜的薄壁鑄件?！?〕鑄件組織致密，強度和硬度較高。〔3〕壓鑄件的尺寸精度高，外表粗糙度低?！?〕生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)半自動化和自動化?！?〕費用高。3．離心鑄造將熔融金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使熔融金屬在離心力作用下充填鑄型并結(jié)晶而獲得鑄件的方法稱為離心鑄造，如下圖。離心鑄造的特點如下?！?〕鑄件力學性能較高?！?〕鑄造具有圓形內(nèi)腔的鑄件時，不必使用芯子?！?〕鑄型中不需澆注系統(tǒng)，減少了熔融金屬消耗量?！?〕需要增大內(nèi)孔的切削加工余量。離心鑄造主要適用于鑄造空心回轉(zhuǎn)體，也可用來生產(chǎn)雙金屬軸承以及其他成形鑄件。4、熔模鑄造熔模鑄造的工藝過程如下圖。其特點如下?！?〕鑄件的尺寸精度和外表質(zhì)量高，且可制造形狀復雜件。可減少機械加工工作量，提高金屬材料的利用率?！?〕適應性廣?？蓾沧⑷埸c低的有色合金鑄件，也可生產(chǎn)高熔點的合金鋼鑄件；生產(chǎn)批量可從單件、小批到大量生產(chǎn)?！?〕生產(chǎn)工藝復雜，生產(chǎn)周期長，本錢較高，鑄件不能太大和太長。熔模鑄造主要用于制造汽輪機、燃氣輪機、渦輪發(fā)動機的葉片和葉輪，切削刀具，汽車、拖拉機、風開工具、和機床上的小零件等。1.2壓力加工

金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，從而獲得一定形狀、尺寸和一定性能的原材料、毛坯或零件的加工方法稱為壓力加工?！?〕軋制是金屬坯料通過回轉(zhuǎn)軋輥之間的孔隙而變形的加工方法?！?〕擠壓是用強大的壓力將放在模具內(nèi)的金屬坯料從一端的模孔中擠出而變形的加工方法。〔3〕拉拔是將金屬坯料通過?？桌龆冃蔚募庸し椒?。〔4〕鍛造是將金屬坯料放在上下砧鐵或鍛模之間受到?jīng)_擊力或壓力而變形的加工方法?！?〕沖壓是將板料放在沖模之間受壓產(chǎn)生別離或變形的加工方法。用軋制、擠壓、拉拔方法來制造金屬型材、板材、管材、線材等；用鍛造的方法來制造毛坯或零件；用沖壓方法制造各種薄壁零件及日用工業(yè)品。1.2.1自由鍛造

自由鍛造是指利用沖擊力或壓力使金屬坯料在上下砧鐵之間變形，而獲得所需形狀和尺寸的鍛件的一種加工方法。以下圖為空氣錘的外形圖和工作原理圖。〔1〕鐓粗是使坯料高度減小、橫截面增大的鍛造工序?！?〕拔長是使毛坯橫截面減小，長度增加的鍛造工序?！?〕沖孔是在坯料上沖出透孔或不透孔的鍛造工序?！?〕彎曲是使坯料在彎矩作用下彎成一定角度或規(guī)定的外形的鍛造工序?！?〕扭轉(zhuǎn)是將坯料的一局部相對于另一局部繞其軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的鍛造工序?！?〕切割是把板材或型材等切成所需形狀和尺寸的坯料或工件的鍛造工序。

模型鍛造

將坯料加熱后放在上、下鍛模的模膛內(nèi)，施加壓力，使坯料在模膛變形而獲得鍛件的鍛造方法稱為模鍛。模鍛時使坯料成形而獲得模鍛件的工具稱為鍛模。鍛?？煞譃閱翁佩懩：投嗵佩懩！翁佩懩Ｊ窃谝桓卞懩Ｉ现挥幸粋€模膛；多膛鍛模是在一副鍛模上有兩個以上的模膛。對于形狀復雜的鍛件，要經(jīng)過制坯、預鍛、終鍛等過程，最后還有切邊等工序。如下圖是采用多膛鍛模鍛造彎曲連桿的過程。模鍛與自由鍛比較，具有模鍛件尺寸精度高、形狀可比較復雜、質(zhì)量好、節(jié)省金屬材料和生產(chǎn)率高等優(yōu)點。此外在大批量生產(chǎn)時，模鍛件的本錢低。其缺乏之處是鍛件質(zhì)量較小，制造鍛模本錢高。因此模鍛生產(chǎn)適應小型鍛件的大批量生產(chǎn)。1.2.3板料沖壓

沖壓是利用裝在壓力機上的沖模，對板料加壓，使其產(chǎn)生別離或變形，從而獲得零件的加工方法。沖壓可以壓制形狀復雜的零件，沖壓件尺寸精確、外表光滑、重量輕、剛度大，而且沖壓操作簡單、生產(chǎn)率高、沖壓過程易于實現(xiàn)機械化與自動化。最常用的設備有機械壓力機和剪切機。機械壓力機又稱沖床，分開式和閉式兩種。如下圖為常用開式雙柱壓力機的外形和傳動示意圖。

沖壓的根本工序有別離工序和成形工序。使板料的一局部與另一局部相互別離的工序稱為別離工序。包括剪切、落料、沖孔和修整等。剪切是利用剪床使板料按不封閉輪廓別離的工序。落料是為了獲得沖下的材料，而沖孔是為了沖去中間的廢料，獲得周邊所需局部。落料和沖孔后進行修整，修整可以消除切面的粗糙和斜度，獲得平整光潔的切面。使板料的一局部相對于另一局部產(chǎn)生位移而不破裂的工序稱為變形工序。包括彎曲、拉深、成形、翻邊等。彎曲是使板料的一局部相對于另一局部彎成一定曲率和角度的工序。拉深是使平板狀坯料變成中空形狀零件的工序。成形是利用局部變形使板料或半成品改變形狀的工序，用于制造剛性筋條或增大中空件的內(nèi)徑等。翻邊是帶孔的平板料上用擴孔的方法獲得凸緣的工序。1.2.4擠壓與軋制1.擠壓擠壓是使金屬坯料在模具中受強大的壓力作用而變形的加工方法。按照擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向的關(guān)系，可分為正擠壓、反擠壓和復合擠壓三種；按照擠壓時金屬的變形溫度不同，可分為熱擠壓、冷擠壓和溫擠壓。2.軋制〔1〕輥鍛軋制是使坯料通過裝有圓弧模塊的一對旋轉(zhuǎn)的軋輥時，受壓而變形的生產(chǎn)方法。〔2〕輾環(huán)軋制是用來擴大環(huán)形坯料的外徑和內(nèi)徑，從而獲得各種環(huán)狀零件的軋制方法?！?〕齒輪軋制是一種少或無切削加工齒輪的工藝?！?〕螺旋斜軋采用兩個帶有螺旋型槽的軋輥互相交叉成一定角度，做同方向旋轉(zhuǎn)，使坯料既繞自身軸線轉(zhuǎn)動又向前進、與此同時受壓變形，獲得所需軋制件。1.3焊接

3.氣體保護焊氣體保護焊是用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護電弧和焊接區(qū)的電弧焊?！?〕氬氣焊氬氣焊是使用氬氣作為保護氣體的氣體保護焊。其特點是焊接質(zhì)量優(yōu)良，焊縫成形美觀，可實現(xiàn)全位置自動化焊接，但焊接本錢高。通常多用于非鐵金屬及不銹鋼、耐熱鋼等材料的焊接。 〔2〕二氧化碳氣體保護焊二氧化碳氣體保護焊是利用CO2作為保護氣體的氣體保護焊。其特點是生產(chǎn)率高，焊縫質(zhì)量好，操作性能好，焊接變形小、本錢低，但大電流時有飛濺。主要用于焊接低碳鋼和合金鋼。4.電阻焊電阻焊是焊件組合后通過電極施加壓力，利用通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱來進行焊接的方法。具有生產(chǎn)率高，焊接應力和變形小，不需填充金屬，操作簡便，勞動條件好，易于實現(xiàn)機械化等優(yōu)點；但設備功率大，耗電高，適用的接頭形式與焊件的厚度受到限制。1.3.2常用金屬材料的焊接特點1.金屬焊接性概念金屬材料的焊接性是指金屬材料在一定的焊接工藝方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式的條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接