铸造机械加工及热处理培训资料(ppt 55页).ppt

铸造 机械加工及热处理培训资料 技术研究院杨世容编制 总要 一 铸件结构工艺性二 机械加工工艺三 热处理工艺四 发动机典型零部件设计 一 铸件结构工艺性 铸件结构工艺性与铸件的质量 劳动生产率和铸造成本有关 设计铸件时 除了要考虑满足零件的工作性能外 还要考虑铸造工艺 合金铸造性能 铸造方法及机械加工 装配 运输等方面对铸件的结构要求 本章主要讲以下内容 铸造工艺的种类 常用铸造材料 铸件结构工艺性 一 铸件结构工艺性 1 1铸造工艺的种类铸造工艺分为砂型铸造和特种铸造两大类 我们发动机中的零部件主要采用特种铸造中的金属型重力铸造 低压铸造和压力铸造工艺 金属型重力铸造 主要特点是用金属铸型 在重力下浇注成型 对非铁合金铸件有细化组织的作用 设备费用高 手工操作 工人劳动条件差 大部分发动机气缸头采用该工艺 低压铸造 主要特点是用金属型 石墨型 砂型 在气体压力下充型及结晶凝固 逐渐致密 设备简单 发动机气缸体 活塞 我公司244FMI发动机气缸头采用该工艺 压力铸造 用金属铸型 在高压 高速下充型 在压力下快速凝固 是效率高 精度高的金属成型方法 但压铸机 压铸模具制造费用高 发动机的曲轴箱 盖采用该工艺 一 铸件结构工艺性 1 2常用铸造材料常用的铸件材料可分为铸铁 铸钢和有色合金 发动机零部件中铸件主要使用有色合金 铝合金 该材料流动性差 收缩和裂纹敏感性大 综合力学性能高吸振性差 强度随壁厚增大下降显著 例如 发动机气缸头采用GB T1173 1995标准中ZL105 ZL107 ZL108 ZL111材料 发动机气缸体采用GB T1173 1995标准中ZL111 ZL112材料 发动机活塞采用GB T1173 1995标准中ZL109材料 发动机的曲轴箱 盖采用GB T15115 1994标准中YL112材料 一 铸件结构工艺性 1 3铸件结构工艺性铸件结构工艺性要求便于制模 制芯 造型 合箱 清砂等 对于铝合金材料铸件结构应具有最少的热接点 并创造顺序凝固的条件 相邻壁的连接和过渡应圆滑 壁厚不得过大 突出部分应有较薄的加强筋加固 压力铸件的结构特点 壁厚不大余6mm 基本参数见下表 一 铸件结构工艺性 结构设计应注意以下事项 消除内凹 便于型芯取出 壁厚均匀 避免产生气孔 缩孔 采用加强肋减少壁厚 达到壁厚均匀 一 铸件结构工艺性 消除尖角 避免产生裂纹 尽量避免横向抽芯 抽芯方向尽量同开型取件方向一致 简化模具结构 一 铸件结构工艺性 复杂的压力铸件 可采用镶铸法制造 还可满足铸件一些特殊要求 如高强度 耐磨 导电 绝缘等 还可以把N个零件浇铸成一个组件 镶件的基本结构如下 二 机械加工 机械加工工艺过程由一系列工序组成 每一个工序又由若干个安装 工位 工步和走刀组成 本章并不详细介绍机械加工工艺中需要的设备 工序 加工余量 各道工序怎样安装定位 刀量进给量 动力头转速 本章介绍与我们关系密切的4个问题 不同生产方式的加工工艺对产品质量的影响 不同质量要求的加工工艺对产品质量的影响 在产品设计时如何使零部件既能满足性能和使用要求又能采用比较经济的加工工艺 以及我们在产品图设计绘制中怎样注意零件的加工工艺性 二 机械加工 2 1不同生产方式的加工工艺对产品质量的影响 生产方式分为 单件生产 批量生产和大量生产 批量生产又分为小批量生产 中批量和大批量生产 各种生产形式的加工工艺 对产品质量的影响很大 单件生产和小批量生产 由于没有固定的设备和完整的刀夹量具 零件的各道加工工序没有明确的安装 工位 工步和走刀等工艺规程 加工难度大 对工人的技术水平要求高 需要采用直接找正和画线找正的方法来装夹定位 而且产品质量不容易保证 我们一般不希望配套厂采用这种方式为我们配套 当然全新设计和较大改进设计的产品 需要性能和结构验证 只能用这种方式制造零部件来进行设计验证 比如曲轴箱等需要开模的复杂零件可以用木模翻砂得到铸件 用加工中心加工为成品 齿轮用锻柄车削后制齿 轴类零件可以直接用圆钢车削而成 轴承压板 线夹等冲压件 可以用线切割的方式落料 再用简单的模具成型 垫圈可以用圆钢切片后 二 机械加工 再用平磨磨削平面的方式得到 这种方式比较灵活 投入不大 若经过单件或较小批量试验验证设计存在问题 可以更改方案 问题太大 还可以终止项目 这样 对我们和配套厂损失都不会太大 虽然这种方式比较灵活 但是没有固定的生产设备 没有可靠的工艺工装 每一次样件的尺寸都可能不一样 产品质量很不可靠 我们新产品开发完成 是指产品图归档 产品已经移交 能够批量生产的状态 我们投入装配生产的零部件应该是用批量生产的方式提供的 即在生产中广泛采用通用机床 如专机 加工中心等 广泛采用专用夹具 刀具和量具 根据产品图的精度要求和各零件的结构特点 编制了完整的加工工艺 有固定的工序 每一道工序都有完整的工艺操作规程 有合格的设备 夹具 刀具 量具和熟练的操作工人 每一道工序规定了合理的加工余量 正确的装夹方式 固定的工步和走刀 二 机械加工 2 2不同质量要求的加工工艺对产品质量的影响 我们在产品开发设计时对产品质量的要求不准确 比如尺寸公差 形状和位置公差标注没有满足性能或使用要求 我们配套厂家按照我们产品图的要求编制的加工工艺当然也不能满足产品的性能和使用要求 我们设计的产品能够满足产品性能或使用要求 而我们配套厂家的加工工艺要求不高 没有按照按照产品图的要求编制加工工艺 比如曲轴 主轴 配气凸轮轴和下摇臂轴的配合轴径 产品图要求尺寸精度6级 表面粗糙度0 4 0 8 应该采用外圆磨床精磨和细磨 如果只用车床精车或粗磨 是不能达到要求的 有同轴度要求的轴类零件应该用外圆磨床磨削 如果只用无心磨床就达不到产品使用要求 曲轴箱和曲轴箱盖类零件 应该采用加工中心或组合专机 却采用铣床 钻床 零件的尺寸公差 形位公差和表面粗糙度达不到产品图要求 在送样和批量供货时 不管是什么原因 我们接受了 最终的产品质量还是不能保证 只有我们产品图的要求能够满足产品性能或使用要求 我们配套厂家的加工工艺满足产品图要求 产品质量才能得到保证 二 机械加工 2 3在产品设计时如何使零部件既能满足性能和使用要求又能采用比较经济的加工工艺 在零部件设计时如何提高设计质量 就是合理标注尺寸 选取尺寸公差 形位公差和表面粗糙度 使零部件既能满足性能和使用要求又能采用比较经济的加工工艺 有尺寸公差和形位公差的选取原则 工艺手册 有现行生产用产品图供我们参考 但是准确有效的方法是试验验证 比如验证起动离合器齿轮衬套和左曲轴的间隙配合公差 形状公差和表面粗糙度时 经过起动试验 声音正常 强化试验或道路试验没有异常 拆机检查该部位表面润滑良好 没有烧蚀现象 你的选择就正确了 如果起动声音异常 检查齿轮的跳动等精度和安装中心距又没有问题 可能配合间隙大了 如果试验过程中或试验后检查该部位有烧蚀现象 可能间隙小了 比如验证曲轴左端的正时主动齿轮与左曲轴过盈配合时 通过试验 若产生裂纹而松动 则过盈偏大 若产生无裂纹松动则过盈偏小 二 机械加工 零部件设计时 尺寸公差 形位公差和表面粗糙度要求不能太高 只要能够满足产品性能和使用要求就行 比如曲轴箱的各轴承孔和其他轴孔 除了作为基准的曲轴孔和有7级齿轮精度的平衡轴孔需要6 7级精度外 其余主副轴 凸轮轴承孔 机油泵孔可以定为7级精度 油封孔 定位销孔 拨叉轴孔等可定为8级 因为7级以上精度孔锋钢刀具精镗就可以了 而6级精度的孔需要金刚刀精细镗孔才能达到 我们在产品图上尺寸精度提高1级 配套厂的加工难度相应提高 生产成本响应增加 因此必须谨慎 要求太高了 成本增加 是浪费 要求太低了 不能满足要求 零件的尺寸精度等级与表面粗糙度数值应相协调 配合孔轴 孔的粗糙度可比轴大一级 粗糙的表面要达到很高的尺寸精度是不可能的 一般6 7级精度的孔表面粗糙度Ra0 8 8级精度的孔表面粗糙度Ra1 6 二 机械加工 2 4产品图设计绘制中怎样注意零件的机械加工工艺性 选择设计基准时 尽量与装配基准 加工定位基准和测量基准统一 零件结构要便于提高生产率 便于加工 尽量减少切削加工量等 轴类类零件的顶尖孔为设计基准 加工基准 测量基准 加工中对顶尖孔的精度要求是很高的 两端顶尖孔的同轴度 圆度误差将直接反映到工件去 根据零件的精度要求不同 顶尖孔可采用各种方式的修研 油石 橡胶砂轮 铸铁顶尖 硬质合金顶尖 和中心孔磨床磨削 看顶尖孔的加工工艺就能知道轴类零件的加工质量 零件结构便于提高生产率 要有便于在机床和夹具上安装的定位基准面 比如右曲轴箱盖上的工艺凸台 活塞裙部的内止口及底端面 零件结构要便于加工 尽量减少切削加工量 右曲轴箱盖 起动轴油封孔为 28 起动轴孔为 18 中间有 25深度为1的不加工孔 使加工余量减少 油孔处设计垂直于钻头的凸台 才便于钻孔加工 磨削的孔和平面需要设计退刀槽 二 机械加工 加强零件的刚性 比如盖类壳体件 增设加强筋 以减少刚性差的零件在夹紧力和切削力的作用下产生的变形 零件结构要便于装配 比如右曲轴箱盖油封孔口倒角 2 5各种加工方法能到的经济精度和表面粗糙度 外圆加工的经济精度 外圆的加工方法有 车削 磨削 研磨和滚压等 一般h6和h7的尺寸精度 Ra0 8的表面粗糙度 必须经过粗车 精车 粗磨再精磨的工艺过程 h5的尺寸精度 Ra0 4 0 8的表面粗糙度 要精磨和研磨才能达到 h8的尺寸精度 Ra1 6的表面粗糙度 精车和粗磨都可以达到 滚压只能达到h8 h10 二 机械加工 三 零部件的热处理 热处理的主要工艺过程是加热和冷却 通过改变材料的力学性能或物理 化学性能来改善材料的加工工艺性能或零件的使用性能 我们本章所讲内容为 热处理的基础知识 热处理的分类 零件的热处理结构工艺性 齿轮的热处理 三 零部件的热处理 3 1热处理的基础知识 1 Fe Fe及Fe C二元合金相图 F 铁素体 C在 Fe中的间隙固溶 固溶体 A 奥氏体 C在 Fe中的间隙固溶体 固溶体 C在 Fe中的间隙固溶体 固溶体 FeC 渗碳体 硬 G 石墨 L 液态 3 3 三 零部件的热处理 金属材料的基本性能有物理性能 化学性能 力学性能 工艺性能 物理性能包括 密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性 化学性能包括 耐腐蚀性 抗氧化性 化学稳定性 力学性能包括 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度 工艺性能包括 铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能 其中材料硬度是热处理比较重要的一个指标 三 零部件的热处理 3 1热处理的基础知识 2 金属材料的基本性能 三 零部件的热处理 3 1热处理的基础知识 三 零部件的热处理 三 零部件的热处理 所谓热处理是将工件在介质中加热到一定温度 保温一定时间 然后用一定速度冷却 以改变金属显微组织结构 从而改变其性能 物理 化学及机械等 的一种生产工艺 热处理的三个关键过程 加热 保温 冷却 如图所示为典型的热处理工艺曲线 保温 温度 冷却 加热 时间 T 临界点 A A 奥氏体转变点或转变温度 三 零部件的热处理 保温主要是控制时间和温度 我们下面主要介绍加热 冷却过程 三 零部件的热处理 3 1热处理的基础知识 3 加热 钢的退火 正火 淬火等热处理 都需将其加热到奥氏体转变区的温度 即完成所谓的奥氏体化过程 下面介绍加热缺陷的防止和减轻措施 2 2 2 三 零部件的热处理 o 6 2 2 2 三 零部件的热处理 3 1热处理的基础知识 4 冷却冷却到平衡的相变温度以下的奥氏体称为过冷奥氏体 过冷度的不同 过冷奥氏体转变方式不同 得到产物的组织结构和性能都不同 过冷奥氏体高温分解 朱光体 过冷奥氏体以足够快的速度冷却 马氏体 过冷奥氏体在高温分解和马氏体转变之间的中间温度范围 贝氏体 冷却会产生内应力 温差产生热应力 组织应力 保留下来就成为残留应力 三 零部件的热处理 按热处理性能的要求 冷却方式分为以下方式 三 零部件的热处理 3 2热处理的分类 依据GB T12603 1990按工艺类型 工艺名称 实现工艺的加热方法三个层次进行分类 本节讲几个常用的热处理中的一些常识 三 零部件的热处理 3 2热处理的分类 1 淬火及回火 淬火的目的是使钢获得较高的强度和硬度 淬火后的零件必须经低 中 高温回火 从而获得良好的综合机械性能 设计时 应根据零件的材料 形状 尺寸和所需的机械性能的不同 选用不同的淬火方法 工件只需局部提高硬度 则可进行局部淬火或表面淬火 以避免工件其它部分产生变形和开裂 淬火后的零件 经过不同的回火 具有不同的性能 低温回火 回火温度150 250C 回火后得到马氏体组织 但内应力消除不彻底 故应适当延长保温时间 低温回火目的是降低内应力和脆性 而保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性 主要用于各种工具 模具 滚动轴承和渗碳或表面淬火的零件 中温回火 回火温度为350 450C左右 回火后获得屈氏体组织 该过程必须快冷 以避免回火脆性 中温回火目的是保持一定韧性的条件下提高弹性和屈服强度 主要用于各种弹簧 锻模 冲击工具及一些要求强度的零件 o o 三 零部件的热处理 高温回火 回火温度500 680C 回火后得到马氏体组织 淬火 高温回火通常被称为调质处理 可以获得强度 塑性 韧性都较好的综合机械性能 但工艺复杂 在提高塑性 韧性的同时 强度 硬度有所下降 主要用于比较重要的零件 特别是在交变负荷下工作的连杆 主副轴 齿轮等 不但可以作最终热处理 还可作精密零件的预先热处理 以减少最终热处理的变形 获得较好的最终性能提供组织基础 去应力回火 对于切削加工量大而变形要求严格的工件或淬火返件 加热到600 760C 以消除内应力 o o o 三 零部件的热处理 淬火缺陷 淬火裂纹和淬火畸形 淬火裂纹一般是不可补救的淬火缺陷 只有采取积极的预防措施 如减少和控制淬火应力 方向 分布 控制原材料质量及采用合理的 结构设计 淬火畸形是不可避免的现象只要不超过公差可通过矫正 通过适当选材 合理设计结构 避免尖角 尽量减少截面尺寸差 若截面差较大应选择淬透性好的材料 合理选择淬火回火方式可有效减少与控制淬火畸形 三 零部件的热处理 淬火缺陷还有因淬火过程中表面防护不好引起的氧化 脱碳缺陷 温度控制不当引起的过热 过烧 硬度不足缺陷 原材料组织粗大及不均 零件表面被污染引起的软点缺陷等 硬度不合格 回火后硬度偏高 偏低或不均匀 硬度偏高 偏低是炉温不均匀 回火温度不对或炉温失控造成 硬度不均大多数是在成批回火零件中在同一批内出现 是由于回火炉本身温度不均造成 如炉气循环不均 装炉量过大 畸变 主要是淬火应力在回火过程中重新分布引起 在对形状扁平 细长零件要采用加压回火或趁热校直等办法弥补 回火脆性 碳钢在200 400C 合金钢在250 450C内回火会出现第一类回火脆性 需重新加热淬火 合金钢在350 525C回火 或在稍高温度下回火后缓慢冷却 会出现第二类回火脆性 应重新回火或回火后快速冷却 网状裂纹 高速钢 高碳钢表面脱碳及回火时表面加热速度过快 高碳钢 高合金钢淬火后未及时回火 造成表面网状裂纹 回火缺陷 o o o 三 零部件的热处理 3 2热处理的分类 2 渗碳 常用的渗碳钢有Q195 Q215 Q235 08 10 15 20 25 15Mn 20Mn 25Mn 15Mn 20Mn 20MnV 15Cr 20Cr 20CrV 20CrMn 20CrMnTi 30CrMnTi等 渗碳后应进行正确的淬火及回火热处理 渗碳件质量检测内容 2 2 三 零部件的热处理 渗碳件常见缺陷及防止措施 三 零部件的热处理 渗碳件常见缺陷及防止措施 三 零部件的热处理 3 2热处理的分类 3 碳氮渗 碳氮共渗以渗碳为主 其性能和工艺方法等与渗碳基本相似 但由于氮原子的渗入 碳氮共渗有以下特点 处理温度低 可减少工件畸变量 降低能耗 渗层有较好渗透性和耐回火性 较高的疲劳强度和耐磨性能 碳氮共渗初期有较快的渗入速度 共渗层控制在0 2 0 75mm 表面含碳量大于0 6 含氮量约0 1 0 4 碳氮共渗用材料和渗碳类似 由于碳氮共渗温度较低 渗层较薄 碳氮共渗用钢的含碳量可高一些 在碳氮共渗层深度0 3mm以下的零件 钢的含碳量可提高到0 5 常采用40CrMo 40Cr 40CrNiMo 40CrMnMo等 碳氮共渗除了与渗碳相似的质量缺陷外 还存在粗大碳氮化合物 黑色组织的质量缺陷 三 零部件的热处理 3 3零件的热处理结构工艺性 影响结构的热处理工艺性因素有 零件材料 几何形状和刚度 尺寸大小 表面状态 为了避免零件热处理时发生过量变形 开裂或硬度不足及软点等 零件的几何形状是关键 三 零部件的热处理 三 零部件的热处理 三 零部件的热处理 3 3零件的热处理结构工艺性 如果零件的结构形状已无改善余地 可改用淬透性较好的材料 用缓和的冷却介质淬火 可避免变形 开裂 零件的刚度差 加热或冷却时均会产生大的变形 可设计专用夹具来防止变形 如细长杆件 零件的表面状态对热处理工艺性的影响 表面粗糙度值越低 淬火冷却时的气膜不易附着冷却均匀 可减小变形 表面的刀痕较深或部位不合适也可能导致开裂 在满足零件使用性能的情况下 零件尺寸的合理选择主要考虑淬透性和变形 最好不要超出临界尺寸 可在手册中查找 三 零部件的热处理 3 4齿轮的热处理 1 齿轮受力状态及损坏特征 齿轮在传递动力及改变速度的运动过程中 啮合齿面之间既有滚动又有滑动 而且齿轮根部还受到脉动或交变弯曲应力的作用 齿轮所受应力主要是摩擦力 接触应力 弯曲应力 2 齿轮常用材料及热处理 以摩托车发动机结构中的常用钢齿轮为例 三 零部件的热处理 3 三 零部件的热处理 3 4齿轮的热处理 3 调质齿轮检测 试样检测 化学成分 低倍组织 晶粒度 力学性能 显微组织 脱碳层 探伤 齿部裂纹 气孔 缩孔 白点等 4 渗碳及碳氮共渗齿轮检测 试样检测 原材料的成分 组织 硬度 渗层深度 表面碳浓度 表层显微组织 心部硬度 外观质量 表面氧化 裂纹及碰伤 表面硬度 按图样规定 一般检查HRC值 四 发动机典型零部件设计 我们所讲的零部件设计 目的就是要对一个具体的零件绘制一张正确的图纸 它包括使用正确的零件名称及代码 正确反映零件的装配关系 正确选择材料 合理设计零件结构 尺寸标注 尺寸精度 表面粗糙度 形位公差 热处理要求及其它技术要求 图幅大小 比例 布局合理等 为此 我们在设计中要注意以下问题 首先分析了解我们要设计零件装配部位的要求和功能要求 做到有的放矢 善于参考学习和借鉴 参考公司已经有的相同类型的零件图 并消化吸收 可以较快进步 善于思考 对于借鉴的产品图 不要认为那就完全正确 要理解后消化吸收 绘制完成一个零件图 对校对 工艺 和标准检查发现的问题 最好弄懂为什么 查一下相关标准 总结经验 每设计一个零件 就弄明白一类零件 这样会进步很快 树立好的学习和工作态度 谦虚和勤奋 不论有多么丰富的知识的能力 都要有小学生那样的学习热情 无论在工作中遇到什么 都要有第一天上班的工作热情 四 发动机典型零部件设计 4 1气缸头 气缸体的设计 1 材料选择 我们在前面已经讲到 大部分气缸头采用重力铸造 气缸体采用低压铸造 气缸头材料采用GB T1173 1995标准中ZL105 ZL107 ZL108 ZL111等材料 气缸体采用GB T1173 1995标准中ZL111 ZL112等材料 2 结构设计 考虑性能需求 缸经 行程 燃烧室形状和容积 凸轮室结构和空间 冷却结构等 考虑装配需求 A B栓位置 结合面的密封性等 铸造工艺性 模具制造 清砂 壁厚等 3 绘制产品图 视图表达 尺寸标注 尺寸精度 表面粗糙度 形位公差 热处理要求及其它技术要求 见PDM产品图中发动机卧式机1P52FMI F的气缸头 气缸体图纸 四 发动机典型零部件设计 4 2曲轴箱 曲轴箱盖的设计 1 材料选择 我们在前面已经讲到 曲轴箱 曲轴箱盖是采用压力铸造 一般选用GB T15115 1994标准中YL112材料 2 结构设计 考虑性能需求 各零部件的装配位置及空间 强度 润滑油道和水道布置 润滑油容量 废气循环等 考虑装配需求 各零部件的装配及拆卸方便 结合面的密封性等 考虑工艺性 模具制造 分型面 拔模方向 抽芯箱块等 机