汽车金属加工教学课件PPT.ppt

汽车工程材料 主编 第五章汽车金属加工 1 了解金属加工的有关概念 2 了解各种金属加工常用设备的组成和工作原理 3 掌握常用的金属加工工艺 4 能分析汽车上主要零部件的加工工艺 5 能正确操作常用的金属加工设备 对简单的汽车零部件进行加工 6 能对加工部件质量进行检测分析 第一节铸造第二节锻压 第一节铸造 1 适用范围广铸造法几乎不受零件大小 厚薄和复杂程度的限制 适用范围广 可以铸造壁厚范围为0 3mm至1m 长度从几毫米到十几米 质量从几克到超过300t的各种合金铸件 2 可制造各种合金铸件用铸造法可以生产铸钢件 铸铁件 各种铝合金 铜合金 镁合金 钛合金及锌合金等铸件 3 铸件的尺寸精度高铸件形状与零件尺寸较接近 可节约大量金属材料和机械加工工时 4 成本低廉铸件在一般机器生产中约占总质量的40 80 而成本只占机器总成本的25 30 一 铸造的种类铸造种类很多 按造型方法习惯上分为砂型铸造和特种铸造 1 砂型铸造 第一节铸造 1 根据零件图制造模样和芯盒 2 制备型砂及芯砂 3 利用模样及芯盒进行造型及制芯 4 烘干型芯 或铸型 5 合型浇注 6 出砂和清理铸件 图5 1砂型铸造生产过程 第一节铸造 2 特种铸造 1 熔模铸造用易熔材料 如蜡料 制成模样 然后在表面涂覆多层耐火材料 待硬化干燥后 将蜡模熔去 而获得具有与蜡模形状相应空腔的型壳 再经焙烧后进行浇注而获得铸件的方法称为熔模铸造 其工艺流程如图5 2所示 图5 2熔模铸造工艺过程a 母模b 压型c 熔模d 制造蜡模e 蜡模f 蜡模组g 结壳 熔去蜡模h 造型 浇铸 第一节铸造 1 母模是铸件的基本模样 材料为钢或铜 用于制造压型 2 压型是用来制造蜡模的特殊铸型 3 制造蜡模的材料有石蜡 蜂蜡 硬脂酸和松香等 常用50 石蜡硬脂酸的混合料 4 蜡模制成后 再进行制壳 5 为进一步去除型壳中的水分 残余蜡料和其他杂质 浇注前将型壳送入加热炉内 加热到850 以上进行焙烧 焙烧后趁热进行浇注 6 冷却之后 将型壳打碎取出铸件 2 金属型铸造将液体金属浇注到用金属材料制成的铸型中而获得铸件的铸造方法称为金属型铸造 第一节铸造 图5 3垂直分型式金属型1 底座2 活动半型3 定位销4 固定半型 第一节铸造 1 喷刷涂料 2 金属型预热 3 金属型的浇注 3 压力铸造将熔融金属在高压下高速充型 并在压力下凝固而获得铸件的方法称为压力铸造 图5 4立式冷压室式压铸机工作原理a 浇注b 压射c 开型1 压铸活塞2 3 压型4 下活塞5 余料6 铸件 第一节铸造 4 低压铸造液体金属在压力的作用下 完成充型及凝固过程而获得铸件的一种铸造方法 其压力一般为20 60kpa 故称为低压铸造 图5 5低压铸造1 铸型2 密封盖3 坩埚4 金属液5 升液管 第一节铸造 5 离心铸造将液体金属浇入旋转的铸型中 使之在离心力的作用下 完成充填铸型和凝固成型的一种铸造方法 图5 6立式离心铸造示意图1 浇包2 铸型3 液体金属4 带轮和带5 旋转轴6 铸件7 电动机 第一节铸造 图5 7卧式离心铸造示意图1 浇包2 浇注槽3 铸型4 液体金属5 端盖6 铸件 第一节铸造 1 立式离心铸造机 其铸型绕垂直轴旋转 铸件的自由表面 内表面 是抛物线形 主要用于生产高度小于直径的圆环类铸件 2 卧式离心铸造机 其铸型绕水平轴旋转 主要用于生产长度大于直径的套筒类或管类铸件 3 不同铸造方法的特点分析 表5 1几种铸造方法的特点比较 第一节铸造 表5 1几种铸造方法的特点比较 二 铸造工艺流程 第一节铸造 一 铸造工艺基础1 合金的流动性及影响因素 1 流动性液态金属本身的流动能力称为流动性 它与金属的成分 温度 杂质含量及其物理性质有关 图5 8螺旋形流动性试样1 模样2 浇口杯3 冒口4 试样凸点 第一节铸造 表5 2常用合金的流动性 2 影响流动性的因素为了便于采取措施提高合金的充型能力 必须清楚影响流动性的因素 1 合金的成分不同的铸造合金具有不同的结晶特点和流动性 第一节铸造 图5 9亚共晶合金的结晶 第一节铸造 图5 10相同过热度时铸铁含碳量与流动性的关系 2 浇注条件 第一节铸造 浇注温度 在一定温度范围内 浇注温度越高 合金液的流动性越好 但当超过某一界限后 由于合金液吸气多 氧化严重 流动性反而降低 因此根据生产经验 每种合金均有一定的浇注温度范围 一般铸钢的浇注温度为1520 1620 铝合金为680 780 充型压力 液态金属在流动方向所受的压力越大 流动性就越好 例如增加直浇道高度 利用人工加压方法如压铸 低压铸造等 浇注系统的结构 浇注系统的结构越复杂 流动的阻力就越大 流动性就越低 故在设计浇注系统时 要合理布置内浇道在铸件上的位置 选择恰当的浇注系统结构和各部分 直浇道 横浇道和内浇道 的断面积 第一节铸造 3 铸型 4 铸件结构 图5 11盖类铸件的不同浇注部位 2 收缩性 第一节铸造 1 收缩在冷却凝固过程中 液态金属体积和尺寸减小的现象称为收缩 1 液态收缩 是指合金液从浇注温度冷却到凝固开始温度之间的体积收缩 此时的收缩表现为型腔内液面的降低 2 凝固收缩 是指合金从凝固开始温度冷却到凝固终止温度之间的体积收缩 在一般情况下 这个阶段仍表现为型腔内液面降低 3 固态收缩 是指合金从凝固终止温度冷却到室温之间的体积收缩 2 影响收缩的因素主要有化学成分 铸件结构与铸型条件 浇注温度等 1 不同种类的合金 其收缩率也不相同 第一节铸造 2 由于铸件在铸型中各部分冷却速度不同 彼此相互制约 对其收缩产生阻力 3 浇注温度愈高 液态收缩愈大 二 铸造成型工艺1 制造模样1 分型面的选择 2 起模斜度的确定 3 由于铸件冷却凝固过程中体积要收缩 为了保证铸件的尺寸 模样的尺寸应比铸件的尺寸大一个收缩量 4 铸件上凡是需要机械加工的部分 都应在模样上增加加工余量 加工余量的大小与加工表面的精度 加工面尺寸 造型方法以及加工面在铸件中的位置有关 第一节铸造 5 为了减少铸件出现裂纹的倾向 并为了造型 制芯方便 应将模样和芯盒的转角处都做成圆角 6 当有型芯时 为了能安放型芯 模样上要考虑设置芯座头 2 造型 1 手工造型手工造型时 紧砂和起模两工序是用手工来进行的 其操作灵活 适应性强 造型成本低 生产准备时间短 表5 3各种手工造型方法的特点和应用 第一节铸造 表5 3各种手工造型方法的特点和应用 第一节铸造 表5 3各种手工造型方法的特点和应用 2 机器造型机器造型是将紧砂和起模两工序的操作实现了机械化 并且常与机械化砂处理 浇注和落砂等工序共同组成流水生产线 第一节铸造 图5 12震压式造型机工作工作过程a 震压式造型机b 顶杆式起模h 砂箱高度g 型砂紧实度1 压实进气口2 压实气缸3 震实气路4 压实活塞5 震实活塞6 工作台7 砂箱8 模样9 压头10 震实进气口11 震实排气口12 压实排气口13 下型14 起模顶杆15 同步连杆16 起模液压缸 第一节铸造 1 机器造型按照不同的紧砂方式分为震实 压实 震压 抛砂 射砂造型等多种方法 其中以震压式造型和射砂造型应用最广 图5 13射砂造型原理a 射砂b 压实1 射砂头2 辅助框3 砂箱 第一节铸造 2 机器造型采用单面模样来造型 其特点是上 下型以各自的模板分别在两台配对的造型机上造型 造好的上 下半型用箱锥定位合型 3 制芯 图5 14芯盒制芯示意图a 整体式芯盒制芯b 对开式芯盒制芯c 可拆式芯盒制芯1 芯盒2 砂芯3 烘干板 第一节铸造 4 浇注系统 图5 15浇注系统图a 浇注系统b 带有烧冒口的铸件1 浇口盆2 直浇道3 横浇道4 内浇道5 冒口 第一节铸造 5 砂型和砂芯的干燥及合箱6 浇注1 浇注温度的高低对铸件的质量影响很大 2 较高的浇注速度可使金属液更好地充满铸型 铸件各部温差小 冷却均匀 不易产生氧化和吸气 7 铸件的出砂清理 1 落砂用手工或机械使铸件和型砂 砂箱分开的操作称为落砂 2 去除浇冒口对脆性材料 可采用锤击的方法去除浇冒口 3 表面清理铸件由铸型取出后 还需进一步清理表面的粘砂 8 铸件检验及铸件常见缺陷 三 砂型铸造工艺 第一节铸造 1 造型 制芯方法的选择 1 优先采用湿型当湿型不能满足要求时再考虑使用表干砂型 干砂型或其他砂型 1 铸件过高 金属静压力超过湿型的抗压强度时 应考虑使用干砂型或自硬砂型等 2 浇注位置上铸件有较大水平壁时 用湿型容易引起夹砂缺陷 应考虑使用其他砂型 3 造型过程长或需长时间等待浇注的砂型不宜用湿型 4 型内放置冷铁较多时 应避免使用湿型 2 造型 制芯方法应和生产批量相适应1 大量生产的工厂应创造条件采用技术先进的造型 制芯方法 第一节铸造 2 中等批量的大型铸件可以考虑应用树脂自硬砂造型和制芯 抛砂造型等 3 单件小批生产的重型铸件 手工造型仍是重要的方法 3 造型方法应适合工厂条件不同工厂的生产条件 生产习惯 所积累的经验各不相同 4 要兼顾铸件的精度要求和成本各种造型 制芯方法所获得的铸件精度不同 初投资和生产率也不一致 最终的经济效益也有差异 2 浇注位置的选择1 铸件的重要加工面或主要工作面应朝下 2 铸件的宽大平面应朝下 第一节铸造 3 铸件上壁薄而大的平面应朝下或垂直 倾斜 以防止产生冷隔或浇不到等缺陷 图5 16床身的浇注位置 第一节铸造 图5 17箱盖的浇注位置a 不合理b 合理 第一节铸造 4 对于容易产生缩孔的铸件 应使铸件截面较厚的部分放在分型面附近的上部或侧面 以便在铸件厚壁处直接安装冒口 使之实现自下而上的定向凝固 第一节铸造 图5 18卷扬筒的浇注位置 3 铸型分型面的选择 第一节铸造 1 应尽可能使铸件的全部或大部分置于同一砂型中 图5 19中分型面a是正确的 它有利于合型 又可防止错型 保证了铸件的质量 而分型面b是不合理的 2 应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂型中 3 应尽量减少分型面的数量 尽可能选平直的分型面 最好只有一个分型面 图5 19铸件的分型面 第一节铸造 图5 20螺栓塞头的分型面a 不合理b 合理 第一节铸造 图5 21绳轮铸件 4 应尽量减少型芯和活块的数量 以简化制模 造型 合型等工序 第一节铸造 5 应尽量使型腔及主要型芯位于下型 以便造型 下芯 合型和检验壁厚 图5 22机床支柱的分型方案 4 工艺参数的选择 第一节铸造 1 机械加工余量在铸件加工表面上留出的 准备切削的金属层厚度称为机械加工余量 表5 4灰铸铁的机械加工余量 单位 mm 2 收缩率由于合金的收缩 铸件的实际尺寸要比模样的尺寸小 第一节铸造 图5 23起模斜度 3 起模斜度为方便起模 第一节铸造 在模样 芯盒的起模方向留有一定斜度 以免损坏砂型或砂芯 图5 24芯头的构造a 垂直芯头b 水平芯头 第一节铸造 4 型芯头主要用于定位和固定砂芯 使砂芯在铸型中有准确的位置 5 最小铸出孔及槽零件上的孔 槽 台阶等是否要铸出 应从工艺 质量及经济等方面全面考虑 表5 5铸件的最小铸出孔直径 单位 mm 四 铸件结构工艺性1 铸件质量对铸件结构的要求 第一节铸造 1 铸件的壁厚应合理每一种铸造合金采用某种铸造方法时 为了避免浇不足 冷隔等缺陷 要求铸件有合适的壁厚范围 表5 6列出了几种常用的铸造合金在砂型铸造条件下的铸件最小允许壁厚 表5 6砂型铸造时铸件的最小允许壁厚 2 铸件结构复杂 铸造合金的流动性差 应取上限值 第一节铸造 图5 25采用加强肋减少铸件壁厚a 不合理b 合理 2 铸件壁的连接和圆角铸件的壁厚应力求均匀 如果因结构所需不能达到厚薄均匀 则铸件各部分不同壁厚的连接应采用逐渐过渡 第一节铸造 3 壁厚力求均匀金属过多地聚集在一起 使铸件冷却不均匀 形成较大的内应力 而且易形成缩孔 缩松及裂纹 4 应防止产生变形某些壁厚均匀的细长铸件 较大面积的平板铸件及壁厚不均匀的长形箱体都会由于应力而产生翘曲变形 通常采用合理的结构设计予以解决 如图5 27所示 图5 26壁厚力求均匀a 不合理b 合理 第一节铸造 图5 27防止变形的铸件结构a 不合理b 合理 第一节铸造 5 避免水平方向出现较大的平面 第一节铸造 图5 28避免大水平面的铸件结构a 不合理b 合理 第一节铸造 2 铸造工艺对零件结构的要求 1 改进妨碍起模的凸台 凸缘 肋板的结构铸件侧壁上的凸台 凸缘 肋板等常妨碍起模 生产中不得不增加砂芯 活块等较不方便的工艺来完成 增加了造型和模样制造的工时和费用 图5 29改进妨碍起模的铸件结构a 不合理b 合理 第一节铸造 2 尽量取消铸件外表侧凹铸件外表侧凹部分必然妨碍起模 这时需要增加砂芯才能形成铸件凹入部分的形状 图5 30带有外表侧凹的铸件结构的改进a 不合理b 合理 第一节铸造 3 减少和简化分型面图5 31a所示铸件的设计结构必须采用不平分型面 给模样 模板制造带来困难 图5 31活塞结构实例a 不合理b 合理 4 有利于砂芯的固定和排气图5 32a为撑架原来的结构 2号砂芯为悬臂式砂芯 需用芯撑固定 图5 32b为改进后的结构 第一节铸造 图5 32撑架结构实例a 不合理b 合理 第一节铸造 图5 33活塞结构实例a 不合理b 合理 5 去除不必要的铸造圆角当有些外圆角对铸件质量影响并不大 但却在造型或制芯等工艺过程中有不良效果时 应将圆角取消 如图5 34所示 第一节铸造 图5 34去除不必要铸造圆角a 不合理b 合理 第一节铸造 三 铸造工艺在汽车上的应用铸铁件由于性能优良 能满足汽车上若干零部件的使用要求 兼以有利制造工艺 成本低廉 资源丰富的优点 因此在现代汽车中占有一定的比例 例如发动机曲轴 气缸体 气缸盖 活塞 连杆 凸轮轴 挺柱 进排气歧管以及底盘中的桥壳 减速器壳等均采用铸造加工 1 技术要求图5 35a为气缸套零件图 材质为铬钼铜耐磨铸铁 图5 35气缸套铸造工艺图a 零件图b 铸造工艺图c 雨淋式浇口d 铸件图 第一节铸造 1 不得有裂纹 气孔 缩孔和缩松等缺陷 2 粗加工后 需经退火消除应力 硬度为190 248hbw 同一工件硬度差不大于30hbw 2 铸造工艺方案的选择主要是分型面的选择和浇注位置的选择 1 水平浇注 2 垂直浇注 3 主要工艺参数浇注温度为1360 1380 线收缩率为1 开箱时间为2 3h 因铸件质量要求较高 加工工序较多 所以加工余量较大 其数值为 顶面14mm 底面和侧面为5mm 热处理采取650 680 退火工艺 第一节铸造 4 铸造工艺图分型面确定后 铸件芯头的形状和尺寸 加工余量 起模斜度及浇注系统等即可确定 根据这些资料可绘制出铸造工艺图 见图5 35d 第二节锻压 1 锻压加工后可使金属获得较细密的晶粒 可以压合铸造组织内部的气孔等缺陷 并能合理控制金属纤维方向 使纤维方向与应力方向一致 以提高零件的性能 2 锻压加工后 坯料的形状和尺寸发生改变而其体积基本不变 与切削加工相比可节约金属材料和加工工时 3 除自由锻造外 其他锻压方法如模锻 冲压等都有较高的劳动生产率 4 能加工各种形状 质量的零件 应用范围广 一 锻造 一 锻造工艺基础1 金属的加热2 锻造温度范围 第二节锻压 1 始锻温度是开始锻造的温度 也是允许的最高加热温度 2 终锻温度是停止锻造的温度 图5 36碳钢的锻造温度范围 第二节锻压 表5 7常用金属材料的锻造温度范围 单位 二 自由锻1 镦粗1 坯料高度h0应小于直径d的2 5倍 以防止产生镦弯和双鼓形 第二节锻压 表5 8自由锻基本工序 2 坯料加热要均匀 表面不应有裂纹或凹坑 第二节锻压 端面平整且与轴线垂直 防止镦歪或裂纹扩大 2 拔长1 拔长时应不断进行90 翻转 使坯料变形更加均匀 2 为防止翻转时横断面产生弯曲现象 横断面高度与宽度之比应小于2 5倍 3 拔长时每次送进量i 0 4 0 8 b b为砧宽 3 冲孔4 弯曲5 切割6 错移7 扭转 三 模锻 第二节锻压 1 锤上模锻 图5 37模锻工作示意图1 砧铁2 模座3 下模4 上模5 楔铁6 锤头7 坯料8 连皮9 毛边10 坯料11 锻件 第二节锻压 1 锻模如图5 37所示 锻模由上 下模组成 1 模锻模膛 终锻模膛 终锻模膛的作用是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸 因此它的形状应和锻件的形状相同 但因锻件冷却时要收缩 终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量 通常钢件的收缩量取1 5 沿模膛四周有飞边槽 锻造时部分金属先压入飞边槽内形成毛边 毛边很薄 最先冷却 可以阻碍金属从模膛内流出 以促使金属充满模膛 同时容纳多余的金属 对于具有通孔的锻件 由于不可能靠上 下模的凸起部分把金属完全挤压掉 故终锻后在孔内留下一薄层金属 称为冲孔连皮 如图5 38所示 把冲孔连皮和飞边冲掉后 才能得到有通孔的模锻件 第二节锻压 图5 38齿轮坯模锻件图1 毛边2 模锻斜度3 加工余量4 不通孔5 凹圆角6 凸圆角7 分模面8 冲孔连皮9 零件 预锻模膛 预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸 这样再进行终锻时金属容易充满终锻模膛 同时减少了终锻模膛的磨损 延长了锻模的使用寿命 第二节锻压 预锻模膛的形状和尺寸与终锻模膛相似 只是模锻斜度和圆角半径稍大 没有飞边槽 对于形状简单或批量不大的模锻件可不设置飞边槽 2 制坯模膛 拔长模膛 如图5 39a所示 其作用是减少坯料某部分的横截面积 增加该部分的长度 当模锻件沿轴向各横截面积相差较大时常常采用拔长模膛 图5 39制坯模膛a 拔长模膛b 滚压模膛c 弯曲模膛d 切断模膛 第二节锻压 滚压模膛 如图5 39b所示 其作用是减小坯料某部分横截面积 增大另一部分的横截面积 当模锻件沿轴线的各横截面面积相差不大或修整拔长后的毛坯时常采用滚压模膛 弯曲模膛 如图5 39c所示 其作用是弯曲杆类模锻件的坯料 切断模膛 如图5 39d所示 其作用是切断金属 单件锻造时 用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口 多件锻造时 用它来分离成单个件 图5 40弯曲连杆锻模 下模 与模锻工序图 第二节锻压 2 模锻工艺规程的制订模锻生产的工艺规程包括制订锻件图 计算坯料尺寸 确定模锻工步 选择设备及安排修整工序等 1 制定模锻锻件图 分模面 分模面即上 下锻模在模锻件上的分界面 首先 选择分模面应保证锻件易于从模膛中取出 如图5 41中a a处作为分模面 锻件不能取出 其次 应使金属容易充满模膛 如采用图5 41中b b处作为分模面 模膛太深 金属不容易充满 最后 应使分模面设在模膛上下等尺寸处 以便发现锻件错模等缺陷 如采用图5 41中c c处为分模面 锻件就不易发现错模 因而 正确的分模面应在最大截面尺寸上 如图5 41中d d处 第二节锻压 余量 公差和余块 模锻时金属坯料是在锻模中成形的 因此模锻件的尺寸较精确 其余量 公差和余块均比自由锻造小得多 一般单边余量为1 5mm 公差为0 4 3 5m 图5 41分模面的比较图 第二节锻压 模锻斜度 如图5 42a所示 为使锻件容易从模膛中取出 在垂直于分模面的锻件表面上必须有一定斜度 如图5 38所示 模锻斜度与模锻深度有关 对于锤上模锻 一般外壁斜度 常为7 特殊情况可用5 或10 内壁斜度 常为10 特特殊情况可用7 12 或15 图5 42模锻斜度与圆角半径a 模锻斜度b 模锻圆角半径 第二节锻压 模锻圆角半径 如图5 42b所示 为使金属容易充满模膛 增大锻件强度 避免锻模内角处产生裂纹 减缓锻模外尖角处的磨损 提高锻模使用寿命 在模锻件上所有平面的交角处均需做成圆角 模膛深度越深 圆角半径取值越大 一般凸圆角半径r等于单面加工余量加成品零件圆角半径或倒角值 凹圆角半径r 2 3 r 计算所得半径需圆整为标准值 以便使用标准刀具 2 计算坯料尺寸 3 确定模锻工步 长轴类模锻件 锻件的长度与宽度之比较大 锻造过程中锤击方向垂直于锻件的轴线 常选用拔长 滚压 弯曲 预锻和终锻等工序 第二节锻压 盘类模锻件 锻件为圆形或其长度接近于宽度 锻造过程中锤击方向与坯料轴向相同 终锻时金属沿高度 宽度及长度方向产生流动 因此常选用镦粗 终锻等工步 对于形状简单的盘类锻件 可采用终锻工步成形 4 选择模锻设备 表5 9模锻锤的锻造能力范围 5 修整工序 模锻件上的飞边和冲孔连皮由压力机上的切边模和冲孔模将其切去 第二节锻压 对于某些要求平行平面间尺寸精度的锻件 可进行平面精压 对要求所有尺寸精确的锻件 可用体积精压 3 模锻件的结构工艺性1 模锻件要有合理的分型面 模锻斜度和圆角半径 2 由于模锻件精度较高和表面粗糙度较低 因此零件的配合表面可留有加工余量 3 为了使金属容易充满模膛 减少加工工序 零件外形应力求简单 平直和对称 尽量避免零件截面间相差过大或具有薄壁 高肋 凸起等结构 第二节锻压 图5 43模锻件的结构工艺性 4 应避免有深