汽车零件常用制造工艺基础知识讲解课件

第二章 汽车零件常用制造工艺基础,第一节 铸造工艺基础,第二节 锻造工艺基础,第三节 焊接工艺基础,第四节 冲压工艺基础,第七节 毛坯的选择,第五节 粉末冶金工艺基础,第一节 铸造工艺基础,一、概述,铸造：将熔化的金属液浇注到铸型中，待其凝固冷却后, 获得一定形状的零件毛坯或零件的成形方法。铸造的毛坯或零件称为铸件。,铸件材质：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜 铸铁：白口：C以FeC形式存在 灰口：C以片状自由态存在 球铁：C以球状自由态存在 可锻：C以团絮状存在 蠕墨：灰口铁中添加稀土元素,车用铸件特点与分类： 特点：1、薄壁、形状复杂、尺寸精度高； 2、生产批量大； 3、材质要求高，如强韧、抗压等。 分类：砂型铸造（90%）和特种铸造,合金的铸造性能 1 流动性: 液态合金的流动能力,影响充型能力。 流动性好，则充型能力强，铸造缺陷少 影响因素：合金成分、浇注温度压力和铸型等,2. 收缩性:液态与凝固收缩是产生缩孔(宏观）、缩松（微观）的基本原因；固态收缩是产生内应力、变形和裂纹的基本原因。 影响因素：合金成分，浇注温度、铸型等。 3. 偏析及吸气性： 偏析： 铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析，偏析使铸件性能不均匀； 吸气性：熔炼、浇注时吸收气体的性能。冷凝时如气体不逸出，会在铸件中形成气孔或夹杂物（如FeO）。 降低吸气性的方法主要有：缩短熔炼时间，炉料烘干；加保护气;提高铸型和型芯透气性;降低含水量等。,二、砂型铸造的造型工艺,（一） 砂型铸造的工艺过程,套筒的砂型铸造过程示意图,造型材料 型砂、芯沙：砂、粘结剂（粘土、桐油、合成脂等）、特殊附加物（如：木屑增加透气性；煤粉加强防粘性）。 芯砂要比型砂具有更好的耐火性、强度、透气性、退让性（不阻碍收缩）。 造型方法：手工造型与机器造型,（二）造型材料与造型方法,（三）砂型制造,1、砂型的组成,2、 铸件浇注位置和分型面的选择,选择铸件浇注位置要考虑以下原则： a. 铸件的重要加工面、主要工作面应朝下或在侧面（图12、13）：保证组织均匀、致密；,铸件浇注位置：指铸件在铸型中的位置与姿态,b、大平面朝下（图2-14）：在上时，由于热上升，型砂膨胀，易使铸件拱起 c. 铸件薄壁部分应放在下部（图2-15）：下部组织均匀、防热拱起,d. 易形成缩孔的铸件，较厚的部分保证铸件实现定向凝固（图2-16）； e. 尽量减少型芯，利于其安放、合型、排气（图2-17）。,分型面：两个半铸型相互接触的表面,选择分型面要考虑以下原则： a. 分型面应尽量采用平面（图2-19）； b. 分型面数量尽量少（图2-20)； c. 尽量使铸件全部或大部分放在同一砂型中(图2-21）； d. 应尽量减少型芯和活块的数量（图2-21）。,方案a：制模（手工）的过程中需要手工翻动沙箱，取出样模，生产率低， 方案b：需用三箱手工造型 方案c：两箱机器造型,减小错箱误差，保证位置精度（加工基准面为350，内孔与其在一个箱容易保证二者位置精度和组织的均匀。 若以350为分型面，虽可简化型芯，但分型面处铸造质量难以保证,（四）. 工艺参数的选择,铸造工艺方案确定以后，还要选择各种工艺参数。 加工余量：为进行机械加工，铸件比零件增大的一层金属称为加工余量 加工余量取决于铸造合金的种类、造型方法、铸件大小及加工面在铸型中的位置等诸多因素。 一般，各种铸造方法的加工余量可参阅机械制造手册。 (2) 起模斜度：为使模样便于从铸型中取出，垂直于分型面的立壁要有一定的斜度，称之为起模斜度。 一般取0.5 4。 (3) 铸造圆角：防止铸件连接和拐角处产生应力、裂纹，防止铸型的尖角损坏和产生砂眼。,(4) 型芯头：保证型芯在铸型中的定位、固定和排气，型模和型芯都要设计出型芯头，型芯要有排气孔。 (5) 收缩余量：为补偿铸件收缩，模样要比铸件图纸尺寸略大，这个增大的数值称为收缩余量。一般灰铸铁的收缩余量为0.8%-1.0%，铸钢为1.8 %-2.2%，铸造铝合金为1.0%-1.5%。收缩余量大小通常与合金种类、铸造工艺、铸件在收缩时的受阻情况等有关。,（五）铸造工艺图：用工艺符号或文字，将铸造工艺方案、工艺参数、型芯等绘制在零件图上形成的图形。,四、特种铸造,1. 金属型铸造,特种铸造：指与砂型铸造不同的其他铸造方法。 方法种类：金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造等等。,概念：借助重力将熔融金属浇注入金属铸型获得铸件的方法. 常用的垂直分型式金属型如图2-6所示。 特点：“一型多铸”，铸件精度和力学性能高。尺寸精度IT12-IT16，表面粗糙度Ra6.3-12.5 应用：用于形状不复杂的中、小铸件的大批量生产中。 如汽车中的铝合金缸盖、进气管及活塞等。 工艺措施：1）排气；2）型腔喷耐火涂料；3）预热金属型,2. 压力铸造（压铸机+金属膜）,概念：指将熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。压力铸造使用的压铸机如图2-7所示。,特点： 高压、高速充型（压力：5-150MPa，时间：0.15s，充填速度：5-100m/s），无流动性问题，生产率很高，适用于大批量生产（设备、铸型投资大）。 组织细密，精度高：力学性能比砂型铸造提高20%-40%。精度：IT11-IT13，Ra1.6-6.3 排气困难，这可导致铸件表皮下产生含气体的微孔，容易引起压铸件变形。因此，压力铸造铸件不能进行热处理。 结构工艺性：可铸出细小的螺纹、孔、齿、文字等；适用于薄壁件（铝合金：1.5-5mm，铜合金2-5mm）； 应用： 在汽车上的压铸件上百种，如铝压铸件缸体、缸盖等。,3. 低压铸造,概念：在20-60kPa的压力下，使金属液自下而上热压入铸型并在压力下结晶凝固的铸造方法。原理如图2-8。,特点：压力可控，压力下凝固，组织致密，无缺陷。成品率高，金属利用率高(可达95%)。铸件表面粗糙度可达IT14-lTl2，最小壁厚为2-5mm。 应用：适用于各种材料的铸型 (金属型、砂型、壳型和熔模铸型)。可以生产铝、镁、铜合金和少量钢制薄壁壳体类铸件，例如发动机的缸体和缸套，高速内燃机的活塞、带轮、变速箱壳体等。,4. 离心铸造,概念：将熔融金属浇入绕轴回转的铸型中，在离心力的作用下凝固成形的铸造方法。如图2-9所示。 特点：在离心力作用下结晶，铸件组织致密，但内表面质量较差，尺寸不够准确。 应用：主要用于制造铸钢、铸铁、有色金属等材料的各类管状零件的毛坯。常用于铸造要求壁厚均匀的中空铸件。,5、熔模铸造,工艺过程：蜡模结壳（涂挂耐火材料）脱蜡焙烧（硬化）填砂浇注破壳取件 特点：没有任何分型面，精度较高。 应用：形状复杂的零件（如叶片）、难以切削加工的零件（如刀具）,第二节 锻造工艺基础,一、概述,锻造：利用金属材料的可塑性，借助外力和模具的作用,使坯料或铸锭产生变形并形成所需要的形状、尺寸和一定组织性能的零件的加工方法。 锻造加工的主要形式有：,(1) 自由锻与模锻（含胎膜锻）：,自由锻的主要设备：锻锤、压力机 模锻的主要设备：模锻锤、模锻压力机（锻模固定在锤头、砧座上） 胎膜锻：自由锻设备+锻模（不固定在锤头上） 工艺：自由锻制坯胎膜锻1胎膜锻2-。-成型 特点：1、自由锻设备、准模锻效果； 2、多模联合使用，小设备大工件,模锻按成形温度又可分为： 热锻：锻造过程结束时，锻件温度高于材料的再结晶温度。（通常，对钢铁材料，要加温至1200度左右）。热锻无加工硬化现象，但要经历再结晶过程，即锻后变形大，属非精密成型，所需压力小。 冷锻：在室温或经软化退火处理后进行的锻压，所需压力较大，锻后变形小，是一种精密成型技术，在汽车的小型零件加工中有广泛应用，主要用于中低碳钢。 温锻：介于前两者之间的加热锻造，也是一种精密成型技术，具有前两者的优点。,(2) 轧制：一般为热轧，利用金属坯料与轧辊接触表面的作用力，使金属坯料截面减小、长度增加的加工方法。图2-11 (3) 拉拔：金属坯料在拉力作用下通过拉拔模孔使截面缩小、长度增加的加工方法。图2-12 (4) 挤压：在挤压模内，使金属坯料受压并被挤出模孔，产生变形的加工方法。图2-13,锻造特点： (1) 可改善金属组织，细化晶粒，提高材料力学性能。 (2) 不需要切除金属，材料利用率高，工件强度高。 (3) 锻压件力学性能好、表面光洁、精度高、刚度大。 (4) 实现机械化、自动化，生产率高。 (5) 金属变形不能太大, 工件形状不能太复杂, 设备投资大。,锻造的适用范围： 汽车中锻造的主要应用如下： (1) 发动机：曲轴、连杆、连杆盖、凸轮轴、进排气门等。 (2) 前悬架：上悬臂架、下悬臂架、转向横拉杆球铰头等。 (3) 前桥：转向节、转向节臂等。 (4) 转向：转向扇形轴、转向摇臂等。 (5) 后桥：后车轴、外壳末端。 (6) 驱动轴：驱动轴、十字轴、轴叉、变速齿轮。 (7) 差速器：主动小齿轮、环齿轮、凸缘叉。 (8) 等速万向节、半轴齿轮轴、轴承外座圈、内轴承座圈。,金属的锻造性能： 锻造性能 ：亦称可锻性。通常以金属塑性变形能力和变 形抗力为衡量指标。 影响因素：化学成分、金属组织、变形温度和速度等。,二、模锻,模锻：使金属坯料在锻模模腔内一次或多次承受冲击力或压力的作用，而被迫流动成形的锻造方法。,分类：锤上模锻、胎膜锻、压力机上模锻,特点与应用： (1) 生产率高，金属变形是在模膛内进行，锻件成形快，适合于中、小型锻件的大批量生产。 (2) 模锻件尺寸相对精确，加工余量小； (3) 可以锻出形状比较复杂的锻件； (4) 比自由锻节省材料，切削加工量小，降低成本； (5) 操作简单，易于实现机械化和自动化生产。 (6) 缺点是设备、模具成本高；,锻模模膛：分为预锻模膛和终锻模膛两种。典型锻模结构如图2-14 预锻模膛：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸； 终锻模膛：使工件达到要求的尺寸与形状。 变形大、结构复杂的锻件常常要有若干个锻模：减小设备投资、防止锻件一次变形过大。,1. 锻模,2. 锤上模锻工艺规程的制订,一般工艺过程：切断毛坯加热坯料模锻切除飞边锻件热处理表面清理检验成堆存放。,模锻生产工艺规程包括： (1) 绘制模锻件图：主要考虑问题与步骤： a. 确定分模面：锻件最大尺寸截面（最好为平面）； 上下模膛分界处轮廓一致，深度相等，深度最浅为原则。 b. 选择余量、公差：根据锻件大小、形状和精度等级。 一般余量：1-4mm，公差：+/-0.3-3mm。,(1) 模锻件应有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径； (2) 模锻件的几何形状应有利于金属成形； (3) 应尽量避免锻件上有深孔或多孔结构； (4) 形状复杂的模锻件可采用锻-焊组合工艺。,c. 确定模锻斜度：一般外壁t = 510，内壁斜度 = t+25。 d. 确定凸凹圆角半径 (rR)： 一般 ：r = 单面加工余量+零件圆角半径，R = (23) r。 (2) 确定模锻工步：主要依据锻件的形状和尺寸确定，轴类模锻件：拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工步。 盘类模锻件：墩粗、预锻和终锻等工步。 (3) 锻件修整：切边、冲去连皮、清理、精压、热处理等。,3. 模锻零件结构工艺性要求,1、挤压：通过对挤压模内坯料施加强大压力，使它发生变形而获得毛坯或零件的加工方法。,分类：(1)正挤压; (2)反挤压; (3)复合挤压; (4)径向挤压,特点与应用： (1) 坯料在挤压模内三向受挤，使组织更加细密； (2) 挤压零件表面质量好： 一般精度：IT6-IT7，表面粗糙度：Ra 3.20.4 um； (3) 挤压零件流线分布好，使其力学性能提高； (4) 材料利用率高达70%； (5) 生产率高，并可制出形状复杂、薄壁、深孔件。,三、锻压新工艺,2. 零件的轧制,轧制：主要用于生产原材料，如型材、管材、板材及异型钢材等，近年来用于制造各种零件。,分类：纵轧、横扎、斜轧、楔横轧等,特点与应用： (1) 生产率高，如辊锻的生产率比锤上模锻高5-10倍； (2) 锻件质量好，轧制锻件可更接近零件形状; (3) 节约金属材料； (4) 工人劳动条件好； (5) 便于实现机械化、自动化； (6) 设备结构简单。,辊锻（纵轧）：可用于连杆的预成型,横轧：齿圈、轴承套,楔横轧,目前多用于轴类件的轧制,斜轧：可轧制钢球、丝杠等,3. 摆动辗压 （旋压）,摆动辗压：冷锻的一种，旋转成形工作原理如图2-21。,特点与应用： (1) 锻造压力低：仅为一般冷锻设备的5%-10%； (2) 锻件表面光滑：误差为0.025mm, 粗糙度为Ra1.60.4 um。 (3) 辗压设备所需吨位较小，设备费用也较低。 (4) 用于加工表面有凹凸件、盘类、环形、带法兰的轴类件： 如汽车后桥半轴、主减速器从动齿轮等。,摆动碾压,第三节 焊接工艺基础,一、概述,焊接： 通过加热或(与）加压，并且用(或不用)填充材料,使工件达到结合的一种方法。,特点： (1) 宏观上永久性连接，微观上组织相互联系； (2) 方便利用型材和采用复合工艺(锻-焊、铸-焊、冲-焊等); (3) 可连接不同材质和形状尺寸的坯材，简化铸、锻过程; (4) 焊接生产批量大、速度快、自动化程度高、精度高; (5) 广泛采用专用自动焊机和弧焊机器人工作站。,焊接方法的分类,二、几种焊接方法,1. 焊条电弧焊,电弧焊过程：焊接电源提供两极电压，两级轻微接触产生短路电流，两级分开后，焊条所在的一极发射热电子，使空隙处气体电离形成弧柱区，电子及阴离子向阳极运动，阳离子向阴极运动。 电弧焊设备：交流弧焊机（弧焊变压器），一般输出电压为6080V，电流可达几十安培以上且可调。直流弧焊机：一种是交流电动机+直流发电机；另一种是交流弧焊机+整流器,前一种目前已基本淘汰。 电焊条： 焊芯：作为电极产生电弧，作为填充金属与母材金属组成焊缝金属。材质有H08H08aH10Mn2等。 药皮：主要作用是：稳弧、造气、造渣、脱氧、提高焊缝力学性能等。,2. 电阻焊：利用电流通过焊件接触面产生的电阻热，将焊件局部加热到高塑性或半熔化状态，在压力下结晶凝固形成焊接接头的方法。（加压通电断电退压） 分类：(1)点焊：驾驶室、车厢、蒙皮结构（无密封要求） （2）缝焊：汽车油箱、自行车钢圈等 (3)对焊：发动机排气阀等（电阻对焊加压-通电-断电-退压；闪光对焊：通电-加压-断电-退压）,3. 气体保护焊： 概念：利用外加气体进行保护电弧和焊缝的电弧焊。目前常用：氩弧焊和二氧化碳保护焊。,(1) 氩弧焊：分为钨极氩弧焊（不熔化极电弧焊）（4mm)和熔化极氯弧焊(25mm)（图2-24）,氩弧焊特点： (a) 可焊接非铁金属和各种合金钢(无冶金反应); (b) 焊后变形小(电弧热量集中，熔池小，热影响区小; (c) 焊接电弧稳定，金属飞溅少，无熔渣，焊缝美观; (d) 可进行全方位焊接(明弧操作，便于观察、控制和调整); (e) 氩气成本高，一般情况下不宜采用。,电极,焊丝（电极）,(2) 二氧化碳气体保护焊(低碳钢、低合金结构钢、堆焊磨损件、焊补铸铁件）,特点： (a) 与熔化极氩弧焊相似，但焊接成本更低，可采用(半)自动焊; (b)由于CO2在高温时会分解而具有强氧化性，故不能焊接有色金属和高合金钢; (c) 保护焊焊缝含氢量低，抗裂性能好； (d) 电弧集中，热影响区小，变形和裂纹倾向小; (e) 生产率高, 速度快，焊后无清渣过程; (f) 可进行全方位焊接，可焊接l30mm钢板; (g) 采用氧化性气体保护，飞溅大，焊缝不平滑;,4、纤焊,工艺：焊件置位放置纤料融化纤料填充焊件间空隙纤料渗透至母材内凝固 硬纤焊：铜（或银、镍）合金为纤料；硼化物为溶剂； 软纤焊：铅锡合金为纤料；松香为溶剂。 应用：纤焊在汽车中的应用主要在电子、仪表方面。,三、材料的焊接性能,1. 金属材料焊接性：工艺焊接性：形成焊接缺陷的敏感度；焊件使用性能：接头部对使用要求的适应性。取决于材料、焊接工艺、焊接方法。,2. 碳钢及低合金钢的焊接 ： 低碳钢：焊接性良好(碳含量少)。 中碳钢：(Wc=0.25%-0.60%)焊接性较差，焊接时适当预热。 高碳钢：焊接性很差(碳含量高)，一般只焊补不焊接。 低合金结构钢：Wc0.4%时焊接性良好；当Wc=0.4%-0.6%时焊接性较差，要进行预热并 选用低氢焊条及焊后退火处理。 高合金结构钢：焊接非常困难。,3. 铸铁的焊补 ：铸铁的焊接性很差(碳、硅含量高)。一般铸铁不考虑作为焊接结构件，而只能进行焊补。,4. 有色金属的焊接： 焊接性较差(氧化性、吸气性、热导率大和膨胀系数大)。铝合金焊接常用氩弧焊(最好)、气焊、点焊、缝焊和钎焊。 采用氩弧焊：可不用熔剂，焊丝成分与母材相近，氩气纯度99.9%。 采用气焊（如乙炔即电石）：焊件要求不高，必须使用熔剂(氯化物和氟化物等物质组成)。,四、焊接件的结构工艺性,1. 焊接结构材料的选择： 优先选用低碳钢和普通低合金钢。 尽量避免采用Wc0.5%的碳钢和Wc 0.6%的合金钢。 两种不同材料焊接时应注意其焊接性的差异。,2. 焊接接头形式 ： 基本形式：对接接头、搭接接头、角接接头和T形接。（坡口、单双面焊）,3. 焊缝布置一般原则： 便于操作；尽量对称；尽量分散；远离加工表面、避开应力集中点和大应力区。,第四节 冲压工艺基础,一、概述,冲压：在常温条件下利用模具和冲压设备对金属板料施加压力，使其产生塑性变形或分离，从而获得具有一定形状、尺寸和性能零件的加工方法。常用于汽车覆盖件、密封件的加工。,特点： (1) 生产率高，操作简便，易实现机械化与自动化; (2) 零件尺寸精度是由模具保证，一般不需要切削加工; (3) 可加工其他方法不能或难以加工的形状复杂的零件; (4) 节能省材，一般不需加热毛坯和切除金属; (5) 冲压零件的表面质量较好，后续表面处理方便。,冲裁：将板料分离成零件与废料两部分。分落料与冲孔两种，前者落下的是所要的工件；后者落下的是废料。 弯曲：使坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度。 拉深：使（板型）坯料变成中空型零件。 成型：翻边、胀型等。 在汽车生产中，这几种工艺通常是共同使用的。,冲压工艺：分离工序和成形工序。 最常用四个基本工序：冲裁、弯曲、拉深、成形。,汽车消声器的冲压工序过程,a）落料 b)一次拉深 c)二次拉深 d)三次拉深 e)冲孔 f)内孔翻边 g)外缘翻边 h)切槽,二、冲压件的结构工艺性,尺寸与厚度关系原则： 外形和内孔形状应尽量简单、规则。 几个尺寸关系：在狭槽、悬臂处要保证：bS；直线相接处以圆角过渡；一般：R0.5S；孔径的尺寸保证：dS。（S：厚度）,1. 冲裁件的结构工艺性,一般设计原则： (1) 圆角半径应适当。 (2) 工件形状应尽量对称,2. 弯曲件的结构工艺性,(3) 弯曲边不要过短，应使弯曲边平直部分的高度H2S。 (4) 弯曲带孔件时，孔的位置L(1.5-2)S。 (5) 弯曲件的尺寸精度一般不应超过IT9 -IT10。,(1) 拉深件形状力求简单，避免锥、球和空间曲面，尽量轴对称. (2) 拉深件高度尽可能减低，否则易出现废品，需多次拉深。 (3) 对于不对称的拉深件可采用合冲工艺，先冲后切。 (4) 带凸缘的拉深件，凸缘宽度要适当。凸缘的合理尺寸为：,(5) 拉深圆筒形件时的圆角半径要求： 底壁：rpS，建议： rp(35)S ； 凸缘壁： rd2S ，建议： rd(48)S ； 矩形盒角： r3S，尽可能取： rS/5 H (H为矩形盒高)。 (6) 拉深件尺寸精度不能要求过高： 高度尺寸精度应不高于lT16-1T17； 直径尺寸精度应不高于ITl2-IT16。,式中，d为拉深件内径；dT为凸缘外直径；S为坯料厚度，单位均为mm。,3. 拉深件的结构工艺性（一般设计原则）：,三、冲模：可分为简单模、连续模和复合模三种,一个工作行程一道工序,一个工作行程同一模具不同部位完成数道工序,第五节 粉末冶金工艺基础,一、概述,粉末冶金： 以分割成很细小的金属或非金属粉末颗粒做原料，通过固结使其成为具有一定形状制品的工艺过程。,粉末冶金工艺过程：图2-30,二、粉末的制取,制粉方法：机械法（破碎+球磨法）和物理法（如雾化法）、化学法（如还原法）。,常用方法： 1. 雾化法：依靠自重从漏包中流出的金属液被从喷嘴喷射出的高压气体或水冲击，雾化成粉。 2. 还原法：使氧化物和盐类发生还原反应制取粉末的方法。经济、简单，粉末粒度可控，压制性和烧结性很好。,3. 机械法：指利用破碎机、锤击机或球磨机粉碎材料，生产细小颗粒的粉末的方法。 4. 其他方法：如电解法、化学沉积法和高速冲击法,三、零件的成形,制粉后三步工艺过程：粉末混合；粉末压紧；粉末烧结。,1. 钢模压制,压力设备： a. 机械; b. 水压; c. 二者的结合.,基本方式： a. 单向压制; b. 双向压制; c. 浮动阴模压制.,2. 烧结,烧结： 宏观：粉末预成形坯加热到低于基本成分熔点保温冷却到室温(各种方式和速度)制品或材料。 微观：物理和化学变化 =粉末颗粒变成晶粒聚结体. 烧结三步骤：预热、烧结和冷却。,典型应用：硬质合金刀片、高速钢粉末冶金刀具的制造