第2章金屬材料的成形

1、第2章 金屬材料的成形 2.1 鑄造 鑄造可分為砂型鑄造和特種鑄造兩類。目前，砂型鑄造應(yīng)用最廣。 2.1.1 砂型鑄造 用型砂緊實(shí)成型的鑄造方法稱為砂型鑄造，其生產(chǎn)過程如下圖。 2.1.1 砂型鑄造（續(xù)）1. 造型造型 用造型材料及模樣等工藝裝備制造鑄型的過程稱為造型。造型材料造型材料：砂型鑄造用的造型材料主要指型砂和芯砂。型砂和芯砂用原砂、粘結(jié)劑（粘土、水玻璃、樹脂等）、附加物（煤粉、木屑等）等按一定比例配制而成。型（芯）砂應(yīng)具備下列主要性能：強(qiáng)度、透氣性 、耐火度 、退讓性。 造型方法造型方法：造型方法可分為手工造型和機(jī)器造型兩類。澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)：為使金屬液順利充填型腔而在砂型中開設(shè)的通

2、道，稱為澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)通常由澆口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道組成。 2.1.1 砂型鑄造（續(xù)） 常常用用手手工工造造型型方方法法的的特特點(diǎn)點(diǎn)和和應(yīng)應(yīng)用用 2.1.1 砂型鑄造（續(xù)）造芯 ：型芯主要用來形成鑄件的內(nèi)腔。為了簡化某些復(fù)雜鑄件的造型工藝，型芯也可以用來形成鑄件的外形。型芯通常采用芯盒制造。芯盒的種類如圖2-3所示。合型。將鑄型的各個(gè)部分組合成一個(gè)完整鑄型的操作過程稱為合型。 2.1.1 砂型鑄造（續(xù)）2. 金屬的熔煉和澆注金屬的熔煉和澆注 熔煉。熔煉的目的是為了獲得一定化學(xué)成分和溫度的金屬液。鑄鐵的熔煉常采用沖天爐，鑄鋼的熔煉采用電爐，非鐵合金的熔煉采用坩堝爐。沖天爐的爐料有金屬料

3、、燃料和熔劑。金屬料包括鑄造生鐵、回爐鐵、廢鋼和鐵合金。鑄造生鐵是爐料的主要成分。利用澆冒口、廢鑄鐵件等回爐鐵可降低鑄件成本。加入廢鋼以及硅鐵、錳鐵等鐵合金可調(diào)整金屬液的化學(xué)成分。沖天爐的燃料為焦碳。 澆注。澆注是將金屬液從澆包注入鑄型的過程。澆注時(shí)應(yīng)注意安全，并控制好澆注溫度和澆注速度.3. 3. 落砂和清理落砂和清理 落砂。落砂是指用手工或機(jī)械使鑄件和型砂、砂箱分開的過程。鑄件在砂型中要冷卻到一定溫度才能落砂。 清理。落砂后從鑄件上清除澆冒口、型芯、毛刺、表面粘砂等過程稱為清理?；诣T鐵件、鑄鋼件、非鐵合金鑄件的澆冒口可分別用敲擊、氣割、鋸割等方式去除。 2.1.2 金屬的鑄造性能 1. 金

4、屬的流動(dòng)性金屬的流動(dòng)性 ：金屬的流動(dòng)性是指熔融金屬的流動(dòng)能力；在實(shí)際生產(chǎn)中，則是指熔融金屬充填鑄型的能力。金屬的流動(dòng)性主要受下列因素的影響：（1）化學(xué)成分（2）澆注溫度（3）鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)。 2. 2. 金屬的收縮金屬的收縮：金屬在鑄型內(nèi)隨著溫度下降，其體積和尺寸會(huì)逐漸縮小，這種現(xiàn)象稱為收縮。金屬的收縮過程分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個(gè)階段。金屬的收縮主要受以下因素影響：化化學(xué)成分、澆注溫度學(xué)成分、澆注溫度 、鑄型、鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)條件和鑄件結(jié)構(gòu)。 收縮對(duì)鑄件質(zhì)量的影響收縮對(duì)鑄件質(zhì)量的影響：縮孔和縮松、鑄造應(yīng)力。 2.1.3 鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 1. 1.澆注位置澆注位置 澆注時(shí)，鑄

5、件在鑄型中所處的位置稱為澆注位置。澆注位置的選擇應(yīng)遵循以下基本原則：鑄件的重要表面應(yīng)朝下或位于側(cè)面 ；鑄件的寬大平面應(yīng)朝下 ；鑄件的薄壁部分應(yīng)放在型腔的下部或垂直、傾斜位置，以利于金屬液的充填，防止產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷；鑄件較厚的部分，澆注時(shí)應(yīng)處于型腔的上部，以便安放冒口，實(shí)現(xiàn)自下而上的定向凝固，防止縮孔。 2.1.3 鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（續(xù)）2.分型面的選擇：1）分型面應(yīng)選擇在鑄件的最大截面處，以便于起模。2）盡量使分型面為平直面，且數(shù)量只有一個(gè)，以便簡化造型，減少錯(cuò)型等缺陷。3）盡量使鑄件的全部或大部分處于同一砂箱中，以保證鑄件精度。4）應(yīng)考慮下芯、檢驗(yàn)和合型的方便。3. 3. 主要鑄造工

6、藝參數(shù)的選擇：主要鑄造工藝參數(shù)的選擇：加工余量 、起模斜度及鑄造圓角。 2.1.3 鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（續(xù)） 4. 鑄造工藝圖鑄造工藝圖 把鑄造工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容用文字和紅、藍(lán)色符號(hào)在零件圖上表示出來，所得的圖形稱為鑄造工藝圖。它表明了鑄件的形狀、尺寸、生產(chǎn)方法和工藝過程，是指導(dǎo)模樣和鑄型制造，進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備和鑄件檢驗(yàn)的基本工藝文件。 2.1.4 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性 1. 鑄件質(zhì)量對(duì)鑄鑄件質(zhì)量對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求件結(jié)構(gòu)的要求 ：壁厚要適當(dāng)、壁厚應(yīng)均勻、壁間連接應(yīng)合理、避免大的水平面。 2. 2. 鑄造工藝對(duì)鑄鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要件結(jié)構(gòu)的要求求 ：盡量減少分型面、盡量使分型面平直、盡量少用活塊、應(yīng)有結(jié)構(gòu)斜度、

7、盡量少用或不用型芯。 215 特種鑄造 1. 金屬型鑄造：金屬型鑄造：用重力澆注將金屬液澆入金屬鑄型以獲得鑄件的方法，稱為金屬型鑄造。 2. 壓力鑄造：壓力鑄造：金屬液在高壓下高速充型，并在壓力下凝固成形的鑄造方法，稱為壓力鑄造。 3. 熔模鑄造熔模鑄造 ：熔模鑄造是用易熔材料（如蠟料）制成所需的熔模，在熔模上涂覆若干層耐火涂料并硬化，將熔模熔化并排出，經(jīng)高溫焙燒即可澆注的鑄造方法。 4. 離心鑄造離心鑄造 ：將金屬液澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使其在離心力作用下充填鑄型并凝固成形的鑄造方法，稱為離心鑄造。 22 鍛壓加工 2.2.1 金屬的塑性變形 1.1.金屬塑性變形基本知識(shí)：金屬塑性變形基本知

8、識(shí)：單晶體金屬的塑性變形、多晶體金屬的塑性變形2. 2. 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響:金屬組織的變化和晶體缺陷的增加，會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致金屬的力學(xué)性能發(fā)生改變;金屬在塑性變形后，由于變形的不均勻性以及變形造成的晶格畸變，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 3.3.冷塑性變形金屬在加熱時(shí)的變化冷塑性變形金屬在加熱時(shí)的變化: :為了消除冷變形金屬中存在的殘余應(yīng)力或加工硬化，需對(duì)冷變形金屬進(jìn)行加熱。在加熱過程中，冷變形金屬的組織和性能將發(fā)生一系列變化,如圖2-29所示。4. 4. 金屬的冷加工和熱加工：金屬的冷加工和熱加工：金屬冷熱加工的區(qū)分；熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響

9、（改善鋼錠和鋼坯的組織和性能、形成熱加工流線）。 2.2.2 鍛造 在加壓設(shè)備及工（模）具的作用下，使坯料或鑄錠產(chǎn)生局部或全部的塑性變形，以獲得一定幾何尺寸、形狀和質(zhì)量的鍛件的加工方法，稱為鍛造。鍛造通常可分為自由鍛、模鍛和胎模鍛三類。1.1.金屬的鍛造性能金屬的鍛造性能 ：金屬的鍛造性能主要受下列因素影響 （1）化學(xué)成分 （2）組織狀態(tài) （3）變形溫度。 2.坯料的加熱與鍛件的冷卻：坯料的加熱與鍛件的冷卻：鍛造的工藝過程主要有坯料的加熱、鍛造成形及鍛后冷卻。 （1）坯料的加熱。為了提高金屬的鍛造性能，坯料在成形前必須加熱。坯料的加熱常在電阻爐或火焰爐中進(jìn)行。當(dāng)坯料加熱到預(yù)定溫度后即可出爐鍛造

10、。 （2）鍛件的冷卻。坯料鍛造成形后，應(yīng)以適當(dāng)?shù)姆椒ɡ鋮s，以免因冷卻速度過快，使鍛件表面硬度過高而難以切削加工，或使鍛件中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而變形和開裂。常用的冷卻方法有空冷、坑冷和爐冷三種。 3. 自由鍛自由鍛 ：只用簡單的通用性鍛造工具，或在鍛造設(shè)備的上、下砧之間直接使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法，稱為自由鍛。自由鍛可加工各種大小的鍛件，對(duì)于大型鍛件，自由鍛是唯一的生產(chǎn)方法。自由鍛有手工自由鍛和機(jī)器自由鍛兩種。 自由鍛設(shè)備自由鍛設(shè)備 ：空氣錘 、蒸汽-空氣自由鍛錘 、水壓機(jī) 。 自由鍛基本工序主要有：自由鍛基本工序主要有：鐓粗 拔長 沖孔 擴(kuò)孔 2.2.2 鍛造（續(xù)）自由鍛鍛件圖自由鍛鍛件圖。自由

11、鍛鍛件圖是以零件圖為基礎(chǔ)，加上余塊、切削加工余量和鍛件公差后所繪制成的圖樣。鍛件圖是鍛件生產(chǎn)和檢驗(yàn)的主要依據(jù)。4. 4. 模鍛：模鍛：模鍛是利用模具使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法。模鍛方法較多，常用的有錘上模鍛。 鍛模結(jié)構(gòu)：鍛模結(jié)構(gòu)：鍛模結(jié)構(gòu)如圖2-36所示。 連皮：連皮：帶通孔的鍛件在鍛打過程中不能直接形成通孔，總是留下一層金屬，稱為連皮，如圖2-37所示。5. 5. 胎模鍛胎模鍛 ：胎模鍛是在自由鍛設(shè)備上使用可移動(dòng)模具生產(chǎn)鍛件的一種鍛造方法。 223 沖壓 使板料經(jīng)分離或成形而得到制件的加工方法稱為沖壓。1.1.沖壓設(shè)備：沖壓設(shè)備：沖壓設(shè)備主要有沖床（壓力機(jī)）、剪板機(jī)和折彎機(jī)等。2. 2.

12、 沖壓基本工序：沖壓基本工序：沖裁（包括落料和沖孔兩種），彎曲，拉深。板料的沖裁過程如2-40圖所示。常用的排樣法如圖2-41所示。 3. 3. 沖模沖模：簡單模 、連續(xù)模 、復(fù)合模。 2.2.4 粉末冶金 1.粉末冶金的概念及工藝過程粉末冶金的概念及工藝過程 ：粉末冶金是用兩種以上的金屬粉末或金屬與非金屬粉末經(jīng)混合、壓制成形和燒結(jié)，制成金屬材料或零件的方法。粉末冶金的工藝過程為：粉末制備混料壓制成形燒結(jié)后處理。2.2.粉末冶金的特點(diǎn)與應(yīng)用粉末冶金的特點(diǎn)與應(yīng)用 粉末冶金的特點(diǎn)：（1）能生產(chǎn)具有特殊性能的材料和制品，如用其他方法不能生產(chǎn)的含油軸承、過濾材料、熱交換材料等多孔材料。（2）能生產(chǎn)一般

13、熔煉和鑄造難以生產(chǎn)的難熔金屬材料制品及復(fù)合材料制品。（3）能制成一些組元熔點(diǎn)相差懸殊，用普通熔化法生產(chǎn)會(huì)造成嚴(yán)重偏析和低熔點(diǎn)組元大量燒損的合金。（4）可直接制造出尺寸精確、表面光潔的零件，省時(shí)、省料，實(shí)現(xiàn)少、無切削加工。 粉末冶金的應(yīng)用 ：制造機(jī)械零件 、制造各種工具、制造各種特殊用途的材料或元件 。 23 焊接 焊接是通過加熱或加壓或兩者并用，并且用或不用填充材料，使焊件達(dá)到原子間結(jié)合的一種加工方法。按使焊件達(dá)到原子間結(jié)合的方法，焊接可分為熔焊、壓焊和釬焊等三類。 （1）熔焊。熔焊是在焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。常用的熔焊方法有手弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊和氣

14、焊等。（2）壓焊。壓焊是在焊接過程中，對(duì)焊件通過施加壓力（加熱或不加熱）完成焊接的方法。常用的壓焊方法有電阻焊、摩擦焊等。 （3）釬焊。釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱至高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。 231 手工電弧焊手工電弧焊 電弧焊是以電弧作為焊接熱源的熔焊方法。用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊稱為手工電弧焊。1. 1. 焊接過程：手工電弧焊的焊接過程如圖焊接過程：手工電弧焊的焊接過程如圖2-462-46所示。所示。2. 焊接電弧：焊接電?。汉附与娀∈窃诤讣秃笚l間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持

15、久的放電現(xiàn)象。焊接電弧可分為陽極區(qū)、陰極區(qū)和弧柱區(qū)三部分，如圖2-47所示。231 手工電弧焊 （續(xù)）3. 焊接設(shè)備：焊接設(shè)備：手工電弧焊的主要設(shè)備是電弧焊機(jī)，它為焊接電弧提供電源。電弧焊機(jī)有以下兩類：交流弧焊機(jī)、直流弧焊機(jī)。4. 4. 焊條：焊條：焊條是涂有藥皮的供手工電弧焊用的熔化電極。焊條由焊芯和藥皮兩部分組成。焊芯是焊條中被藥皮包覆的金屬絲。其作用是導(dǎo)電，引弧，熔化后填充焊縫。藥皮是壓涂在焊芯表面的涂料層，其組成很復(fù)雜。焊條的直徑和長度是用焊芯的直徑和長度表示的，常用的直徑為2.06.0mm，長度為300400mm。焊條的型號(hào)。焊條的型號(hào)。碳鋼焊條的型號(hào)由字母E加四位數(shù)字組成。字母E表

16、示焊條。前兩位數(shù)字表示熔敷金屬最低抗拉強(qiáng)度；第三位數(shù)字表示適用的焊接位置：0和1表示適用于各種焊接位置，2表示適用于平焊；第三位和第四位數(shù)字組合起來，表示焊接電流的種類及藥皮類型。 焊條的分類：焊條的分類：酸性焊條 、堿性焊條。5. 5. 焊接工藝：焊接工藝：手工電弧焊焊接工藝主要包括以下內(nèi)容：接頭形式、坡口形式及焊接位置。 231 手工電弧焊 （續(xù)）6. 焊接接頭的組織與性能焊接接頭的組織與性能 ：焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。低碳鋼焊接接頭的組織變化情況如圖2-51所示。 7. 焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力與變形 ：焊接變形的基本形式如圖2-52所示。減小焊接應(yīng)力和變形的措施主要有以下

17、幾種：a.設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量，盡可能使焊縫對(duì)稱分布，盡量避免焊縫的密集和交叉。B.焊前預(yù)熱，焊后緩冷。c.剛性固定法。焊前將焊件加以固定，能使焊件避免變形，但會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力。d.反變形法。焊前，朝可能變形的相反方向裝配焊件，以抵消焊接變形。e.選擇合理的焊接順序，如圖2-53所示。F.每焊好一道焊縫，趁熱用小錘輕輕加以敲擊，以降低內(nèi)應(yīng)力。g.重要的焊件在焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火。 232 其它焊接方法 1. 埋弧焊埋弧焊:埋弧焊是指電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。其焊接過程如圖2-54所示。 2. 氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊 氣體保護(hù)焊是用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊。常

18、用的氣體保護(hù)焊有 :（1）氬弧焊 , （2）二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。圖2-55,2-56所示 3. 氣焊和氣割氣焊和氣割 （1）氣焊。氣焊是利用氣體火焰作熱源的熔焊方法，最常用的是以氧-乙炔焰作熱源的氧-乙炔焊。（2）氣割。圖2-57,2-58所示 4. 電阻焊電阻焊 電阻焊是焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。電阻焊可分為點(diǎn)焊、縫焊及對(duì)焊。分別見圖2-59,2-60，2-61所示。 5摩擦焊摩擦焊 摩擦焊的熱能來源于焊接端面的摩擦。其焊接過程如圖2-62所示。 233 金屬的焊接性 1. 焊接性的概念：焊接性的概念：焊接性是指金屬材料對(duì)焊接加

19、工的適應(yīng)性。它主要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。金屬焊接性的好壞應(yīng)從以下兩方面進(jìn)行衡量：其一是接合性能，即在一定焊接工藝條件下，一定的金屬形成焊接缺陷的敏感性；其二是使用性能，即在一定焊接工藝條件下，一定金屬的焊接接頭對(duì)使用要求的適應(yīng)性。 2. 鋼的焊接性鋼的焊接性 ：鋼材的碳當(dāng)量越高，焊接性就越差。當(dāng)CE0.4%時(shí)，鋼材的焊接性良好，焊接時(shí)一般不需預(yù)熱。當(dāng)CE0.4%0.6%時(shí)，焊接性較差，需采取預(yù)熱、緩冷等工藝措施，以防裂紋產(chǎn)生。當(dāng)CE0.6%后，焊接性差，需采取較高的預(yù)熱溫度，嚴(yán)格的工藝措施 。3. 鑄鐵的焊接性：鑄鐵的焊接性：鑄鐵塑性差，脆性大，在焊接過程中易產(chǎn)生裂紋，并且由于碳、硅元素的大量燒損，易產(chǎn)生白口組織及氣孔等缺陷，因此鑄鐵的焊接性差，通常只進(jìn)行焊補(bǔ)