5材料成形 副本

5 5材料成形材料成形 副本副本 第二章材料成形基本理论 凝固理论凝固的缺陷问题缩孔 缩松 偏析缺陷 裂纹 还有许多缺陷 如夹杂物 气孔 冷隔等 出现在填充过程中 它 们不仅与合金种类有关 而且 还与具体成形工艺有关 二 凝固过程中材料的物理性质与晶体结构的变化1 体积改变2 外 形改变3 熵值改变 4 产生凝固潜热5 晶体结构改变6 发生溶质再分 配 三 晶体凝固的基本规律凝固 由液态转变为固态的过程结晶结晶是 指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程 一 液态材料的结构结构长程无序而短程有序 特点 与固态相比 原子间距较大 原子配位数较小 原子排列较 混乱 三 结晶过程P9结晶进程的两个参数形核率 长大速度晶体凝固的 基本条件1热力学条件a过冷是结晶的必要条件 之一 b过冷度越大 越有利于结晶 c Gv的绝对值为凝固过程的驱动力2结构条件结构起伏 相起伏 不断变换着的近程有序原子集团 大小不等 时而产生 时而消失 此起彼伏 与无序原子形成动态平衡 这种结构不稳定现象称为 结构起伏 温度越低 结构起伏尺寸越大 是结晶的必要条件 之二 三 自发形核过程判据 一 Helmholtz自由能最低原理等温等容条件下体系的自由能永不增 大 自发过程的方向力图减低体系的自由能 平衡的标志是体系的 自由能为极小 二 Gibbs自由能判据等温等压条件下 一个只做体积功的体系 其 自由能永不增大 自发过程的方向是使体系自由能降低 当自由能 降到极小值时 体系达到平衡 四 界面张力物体与物体接触时都会形成分界面 分界面上原子受 力不平衡 合力则指向物体内部 使接触面产生自动缩小的趋势 固体表面的液滴及表面张力的示意 手画 又称润湿角 接触角 粗糙界面微观粗糙 宏观光滑 将生长成为光滑的树枝 大 部分金属属于此类光滑界面微观光滑 宏观粗糙 将生长成为有棱 角的晶体 非金属 类金属属于此类 熵值 1 描述体系混乱程度的状态函数 2 熵值越小 混乱越小 排列有序 但不均匀 3 熵值越大 混乱越大 排列无序 均匀 4 液态的熵值大Jachson判据a小于等于2 原子沉积率50 此时的 界面状态称之为粗糙界面 微观 A大于2 此时的界面状态称之 为光滑界面 微观 晶体的生长方式连续生长 粗糙界面 侧向生长 光滑界面铸件凝固过程P30固液两相区较窄时 呈现强烈的得逐层凝 固特点 固液两相区较宽时 逐层凝固不明显 三 凝固方式的影响因素P31凝固温度间隔大的合金倾向于糊状凝固 反之倾向于逐层凝固凝固理论的应用 细化晶粒的方法P11 充型 能力P20影响因素金属金属性质方面 铸型性质方面 浇铸条件方面 和铸件结构方面 二 单晶体 液体结晶时只存在一个晶核 制备制备方法尖端形核 法和垂直提拉法 三 定向凝固技术原理单一方向散热获得柱状晶急冷凝固方法按工 艺原理可分为三类 即模冷技术 雾化技术和表面快冷技术 在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短 程有序结构的非晶态金属 一般其结构与液态相同也就是把液态金 属原子排列固定到固态 非晶态金属急冷法制造非晶态金属离心法 单辊法 双辊法急冷凝 固的晶态合金的晶粒大小随冷速增加而减小 微晶结构材料因晶粒细小 成分均匀 空位 位错 层错密度大 形成了新的亚稳相等因素而具有高强度 高硬度 良好的韧性 较 高的耐磨性 耐蚀性及抗氧化性 抗辐射稳定性等优良性能 凝固与结晶的区别 自己找答案 2 1铸件凝固组织的形成与控制 铸件凝固组织宏观上指的是铸态晶粒的形态 大小 取向和分布等 情况 铸件的凝固组织是由合金的成分和铸造条件决定的 铸件的宏观组织一般包括三个晶区表面的细晶粒区 柱状晶粒区和 内部等轴晶区 1 表面细晶粒区的形成激冷游离晶溶质再分配时 枝晶根部缩颈 导致脱落或熔断产生 2 柱状晶区的形成在凝固界面前沿的晶粒在垂直型壁的单向热流 作用下 便以枝晶状单向延伸生长 控制柱状晶继续发展的关键因素是等轴晶区的出现 3 内部等轴晶区的形成自由生长的结果 晶核的a过冷熔体自发 形核理论b晶粒脱落 枝晶熔断和增殖理论d 结晶雨 游离理论c激 冷晶粒卷入理论 1 决定逐渐组织和性能的主要因素A柱状晶区的宽度和晶粒的大 小B等轴晶区的宽度和晶粒的大小原因表面细晶粒区比较薄 a 柱状 晶优点结晶后缩松 P32 少 晶间杂质少 组织较致密 且性能有明 显的方向性 纵向好 横向差 缺点杂质元素被排斥在界面前沿的 柱状晶和等轴晶的交界处 容易导致铸件的裂纹产生 b 等轴晶优点晶界面积大 杂质和缺陷分布较分散 性能均匀没 有方向性 缺点枝晶发达 显微缩松较多 凝固后组织不致密 改进方法细化等轴晶粒以改善其性能铸件宏观组织的控制具体措施 1 合理控制热力学条件a降低浇注温 但不易过低 b合理浇注工 艺 增加金属液对型壁的冲刷 c合理控制冷却条件 过冷 d铸型 性质 表面光滑 2 加入生核剂a直接作为外加晶核的生核剂 直接作为形核衬底 b通过与熔体相互作用而产生非均质晶核的生核剂 生成化合物 晶粒间良好的界面共格促进生核 c加入含成分过冷元素的生核剂 产生游离晶而细化晶粒 3 动态晶粒细化强化液相的流动可以促进游离晶的产生 主要手 段振动 搅拌和旋转快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得 很高的凝固前沿推进速率的凝固过程 快速凝固的目的 形成1超细组织2过饱和固溶体3亚稳相或新的结晶 相4微晶 纳米晶或金属玻璃获得优异的强度 塑性 耐磨性 耐腐 蚀性等微观组织结构特点1 微观组织细化2 成分均匀化3 缺陷密度 增加 容易形成空位 4 形成新的亚稳相第 章金属的塑性成形 P7 5 84 二 什么是塑性 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不 破坏其完整性的能力 三塑性与柔软性的区别是什么 1塑性反映材料产生永久变形的能力 2柔软性反映材料抵抗变形的能力 四 金属塑性成形分类 1 轧制 2 挤压 3 拉拔 五 不锈钢 塑性好 但变形抗力高白口铸 铁 塑性差 变形抗力高 铅 塑性好 变形抗力小 结论塑性与柔软性不是同一概念六 塑性指标概念金 属在破坏前产生的最大 变形程度 即极限变形量 表示方法断面收缩率 延伸率 冲击韧性 最大压缩率 扭转角 或扭转数 弯曲次数七 塑性指标的测量方法1 拉伸试验法伸长率 收缩率2 压缩试验法式中 压下率 H0 试样原始高度 Hh 试样压缩后 在侧表面出现第一条裂纹时的高度3 扭转试验法对于 一定试样 所得总转数越高 塑性越好 可将扭转数换作为剪切变 形 030nRL式中R 试样工作段的半径 L0 试样工作段的长度 n 试样破坏前的总转数 4轧制模拟试验法在平辊间轧制楔形试件 用偏心轧辊轧制矩形试样 找出试样上产生第一条可见裂纹时的临界压下量作为轧制过程的 塑性指标 八 金属变形的全过程弹性变形 均匀塑性变形 不均匀塑性变形 断裂 各阶段变形的特点 弹塑性共存定律 弹塑性共存定律的意 义九 影响塑性的内部因素1 化学成分 1 杂质 2 合金元素对塑性的影响 2 组织结构 包括组元的晶格 晶粒的取向 晶界的特征等 十 影响金属塑性的外部因素1 变形温度2 变形速度3 变形 程度4 应力状态5 变形状态6 尺寸因素7 周围介质十二 金 属塑性成形2 主要应用 1 生产各种金属型材 板材 线材等 2 生产承受较大负荷的零件 如曲轴 连杆 各种工具等 十五 金属塑性变形的机理1 单晶体的塑性变形在外力作用下金属内 部产生应力和应变 单晶体在切应力作用下产生应变 当切应力达到材料的屈服强度时 晶格内产生相对滑移 外力去除后晶格的弹性变形消失 而滑移造成的变形保留下来 故 形成宏观塑性变形 1 塑性变形形式1 滑移 2 孪生 孪晶 滑移晶体内一部分原子相对于另一部分产生滑动 位错晶体中一列或若干列原子发生错排而造成的晶00100 hHHH 格扭曲现象 位错具有易动性 滑移的位错理论晶体内的滑移是借助滑移面上 的位错运动来实现的 孪生是晶体在切应力作用下晶体的一部分沿着一定的晶面 称为孪 生面 和一定的晶向 称为孪生方向 发生均匀切变 2 多晶体的塑性变形由晶内变形 各晶粒内通过位错运动发生的滑 移或孪晶 和晶间变形 晶粒间的滑动和转动 共同完成的 2 锻造流线也称 流纹 即锻造时 金属的脆性杂质被打碎 顺 着金属的主要伸长方向呈碎粒状或链状分布 塑性杂质呈带状分布 从而具有一定方向性 1 特点1 沿着流线方向抗拉强度高 塑性 韧性也高 垂直流线方向抗拉强度低 塑性 韧性也低 2 化学稳定性强 通过热处理不能消除 2 应用一般应遵循两项原则 1 使流线分布与零件的轮廓相符合而不被切断 2 使零件所受的最大正 拉 应力与流线方向一致 切应力与流线 垂直 例如1 用棒料经局部镦粗制螺钉 2 金流线金属锻造 制吊 钩 曲轴 齿轮等 锻造流线的化学稳定性很高 用热处理或其它方法都不能消除 只 能通过重新锻压才能改变其流线方向和分布状况 十八 材料的塑性成形性指是材料经过塑性变形不产生裂纹和破裂以 获得所需形状的加工性能 包括可锻性和板料冲压性能 最小阻力定律变形过程中 物体各质点将向着阻力最小的方向移动 即做最少的功 走最短的路 最小周边法则存在接触面摩擦时 物体各质点向周边流动的阻力与 质点离周边的距离成正比 因而必然向周边最短法线流动 周边形 状表现为最小的圆形 十九 影响金属塑性流动和变形的因素摩擦的影响 变形区的几何因 素的影响 工具的形状和坯料形状的影响 外端的影响 变形温度 的影响 金属性质不均的影响二十 均匀变形与不均匀变形若变形区 内金属各质点的应变状态相同 即它们相应的各个轴向上变形的发 生情况 发展方向及应变量的大小都相同 这个体积的变形可视为 均匀的 不均匀变形实质上是由金属质点的不均匀流动引起的 因此 凡是影响金属塑性流动的因素 都会对不均匀变形产生影响 均匀变形的特点1 平面与直线2 圆与球体3 相似单元体均匀变形必 需满足的条件1 变形体物理性质均匀且各向同性 2 各点物理状 态完全相同 温度 抗力 硬化情况等 3 各点的绝对变形量和 相对变形量相同 4 变形完全没有外端的作用 5 接触表面没外 縻擦或縻擦阻力 不均匀变形的典型现象高向单鼓形或双鼓形 接触表出现粘着区 滑动区 侧翻区 变形体整个体积可分为难变形区 易变形区 自 由变形区 基本应力由外力作用所引起的应力叫基本应力 表示这种应力分布的图形叫基本应力图 附加应力在物体中 由于各部分的变形不均匀受到物体的整体性限 制而引起的相互平衡的应力 工作应力图是处于应力状态的物体在变形时用各种方法测出来的 应力图 均匀变形时基本应力图与工作应力图相同 而变形不均匀时 工作应力等于基本应力与附加应力的代数和 附加应力对塑性变形产生的不良后果 1 引起变形体的应力状态发生变化 使应力分布更不均匀 2 造成物体的破坏 3 使材料变形抗力提高和塑性降低 4 使产品质量降低 5 使生产操作复杂化 6 形成残余应力 二十一残余应力1 残余应力的分类第一类残余应力 宏观应力 第二类残余应力 显微应力 第三类残余应力 超显微应力 2 残余应力的不均匀变形 相变 热处理 铸造 电镀 机加工等3 残余应力所引起的后果1 引起物体尺寸和形状的变化 2 使零件 的使用寿命缩短 3 降低了金属的塑性加工性能 4 降低金属的耐 蚀性及冲击韧性和疲劳强度4 减小或消除残余应力的措施1 热处理 方法 2 机械处理法1 零件彼此碰撞 2 喷丸法 3 表面压平 4 表面拉制 5 在模子中表面校形或精压5 研究残余应力的主要 方法1 机械法 2 化学法 3 X射线法二十二 塑性加工过程的断 裂与可加工性 一 锻造时的断裂1 锻造时的表面开裂预防措施 为了防止镦粗时的这种断裂 必须尽量减少鼓形所引起的周向拉应 力 可采用如下措施 1 减少工件与工具间的接触摩擦 提高接触表面的光洁度 采用 适当高效能的润滑剂 2 采用凹形模锻造时 由于模壁对工件的横向压缩 使周向拉应 力减少 3 采用软垫 4 采用活动套环和包套2 锻造时的内部裂纹预防措施采用槽形 和弧形锤头 从而减少坯料中心处的水平拉应力 或把原来的拉应 力变为压应力 二 轧制时的断裂1 轧制时的表面开裂预防措施为避免上述断 裂现象的发生 首先是要有适宜的良好辊型和坯料尺寸形状 其次 是制定合理的轧制工艺规程 压下量控制 张力调整 润滑适宜等 等 2 轧制时内部裂纹预防措施为避免此种断裂现象的发生 可增加l h值如图3 62所示 随着的增加 变形逐渐向内部深入 当l h到一定值后 轧件中间部 分便由原来的纵向拉应力变为纵向压应力 三 挤压和拉拔时的断裂1 表面裂纹预防措施无论挤压与拉拔 减少摩擦阻力 会使金属流动不均匀性减轻 从而可以防止这样 裂纹的产生 防止裂纹的有效方法是加强润滑 例如铝合金热挤压采用油 石墨 润滑剂 钢热挤时采用玻璃作润滑剂 因为影响摩擦力的因素除了摩擦系数以外 还有垂直压力和接触面 积的影响 对挤压和拉拔来说还可以采用反向挤压 反张力拉伸 辊式模拉伸 等方法来减少有害摩擦 防止断裂现象的发生 2 内部裂纹二十三 金属断裂的物理本质 一 断裂的基本类型1 脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象 直接由弹性变 形状态过渡到断裂 断裂面和拉伸轴接近正交 断口平齐2 韧性断 裂在断裂前金属经受了较大的塑性变形 其断口呈纤维状 灰暗无 光 二 断裂过程与物理本质金属的塑性变形过程和断裂过程是同 时发生的 而断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶 段 从力学角度看 金属多晶体在外力的作用下发生塑性变形的初始阶 段并不是在所有晶粒内同时发生 而首先在位向有利的晶粒 即外 力对其滑移系统具有最大切应力的晶粒 中以滑移或孪晶方式发生 塑性变形 从位错理论的观点来看金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上运 动和不断增殖的过程 金属断裂的基本过程1 微裂纹的萌生机理金属发生断裂 先要形成 微裂纹 这些微裂纹主要两个方面一是材料内部原有的 如实际金属材料内 部的气孔 夹杂 微裂纹等缺陷 二是在塑性变形过程中 由于位 错的运动和塞积等原因而使裂纹形核 随着变形的发展导致裂纹不断长大 当裂纹长大到一定尺寸后 便 失稳扩展 直至最终断裂 2 裂纹的扩展金属材料在塑性变形过程中形成微裂纹 或空洞 并不意味着材料即将断裂 从微裂纹形成到导致金属的最终断裂是 一个扩展过程 这个过程与材料的性质 应力状态等外部条件密切 相关 二十四塑性 脆性转变塑性与脆性并非金属固定不变的特性 像金 属钨 虽在室温下呈现脆性 但在较高的温度下却具有塑性 在拉伸时为脆性的金属 在高静水压力下却呈现塑性 在室温下拉伸为塑性的金属 在出现缺口 低温 高变形速度时却 可能变得很脆 所以 金属是韧性断裂还是脆性断裂 取决于各种内在因素和外在 条件 二十五 金属的可加工性金属的可加工性是不同加工方法进行塑性加 工时 工件出现第一条可见裂纹前所达到的最大变形量 如可锻性 可轧性 可挤压性 可拉拔性等 它是制定各种塑性加工工艺规程和保证产品质量的一个重要参数 1塑性成形时摩擦的特点1 在高压下产生的摩擦 2 较高温度下的 摩擦 3 摩擦副 金属与工具 的性质相差大 4 在接触面上各 点的摩擦也不一样 2摩擦的不利方面1 改变物体应力状态 使变形 力和能耗增加 2 引起工件变形与应力分布不均匀 3 恶化工件 表面质量 加速模具磨损 降低工具寿命3外摩擦的分类1 干摩擦 2 流体摩擦 3 边界摩擦其主要影响因素有1 金属的种类和化 学成分 2 工具材料及其表面状态 3 接触面上的单位压力 4 变 形温度 5 变形速度 6 润滑剂4测定摩擦系数的方法1 夹钳轧制 法 2 楔形件压缩法 3 圆环镦粗法3 2金属塑性成形方法一 分 类主要有锻造 冲压 挤压 轧制 拉拔等 1锻造是在加压设备及工 模 具的作用下 使坯料 铸锭产生局部 或全部的塑性变形 以获得具有一定几何尺寸 形状和质量的锻件 的加工方法 自由锻和模锻 1 分类1 手工锻造 生产小型锻件 2 机器锻造 生产大 中 小型锻件 2 特点1 金属坯料在水平方向可自由流动 2 可使用多种锻压 设备 3 锻件力学性能好 4 节约金属 减少切削加工工时 5 锻件形状简单 精度低 6 生产率较低 劳动强度较大 主要用于形状简单的单件小批生产 特别适于重型 大型锻件生产 3冲压 是使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称 1 冲压设备1 剪床 把板料切成一定宽度的条料 为后续的冲 压备料 2 冲床 完成冲压的各道工序 生产出合格的产品 2 冲压特点1 冲压件轻 薄 刚度好 2 生产率和材料利用率 高 3 成品形状可较复杂 尺寸精度高 表面质量好 质量稳定 一般无需切削加工 4 大批量生产时 产品成本低 2 冲压基本工序 冲裁即利用冲模将板料以封闭或不封闭的轮廓线 与坯料分离的冲压方法 即用带刃口的冲模使板料分离 1 冲裁变形过程 三个阶段弹性变形 塑性变形 剪裂分离 冲 后断面特征对应各变形阶段 冲裁断面相应地分为塌角 光亮带 剪裂带和毛刺区 光亮带宽度越大 塌角越小 剪裂带的宽度和斜度越小 则剪切面 的质量越好 2 冲裁间隙指凹模与凸模工作部分的水平投影尺寸之差 一般用字母Z代表双边间隙 冲裁间隙的大小直接影响冲裁件的质 量 冲裁力的大小和模具寿命 冲裁间隙的影响 对断面质量Z过大 断面质量不好 对模具寿 命Z加大 提高寿命 对冲裁力Z加大 可减小冲裁力 合理选择间隙值Z 根据材料种类 料厚 精度要求等确定 当 断面质量要求较高时 应选较小的间隙值 当断面质量无严格要 求时 应尽可能加大间隙 经验公式Z m m是系数 是料厚 冲裁软钢 铝合金 铜合 金等软材料时Z 6 8 冲裁硬钢等材料时Z 8 1 2 冲厚板或精度较低的冲裁件时 间隙还可适当增大 3 排样 即冲裁件在板料或带料上的布置方法 排样原则合理 目的简化模具结构 提高材料利用率 4 提高冲裁质量的冲压工艺当冲裁件剪断面用做工作表面或配合表 面时 常采用整修 挤光 精密冲裁等冲压工艺以提高冲裁质量 弯曲即将板料 型材或管材在弯矩的作用下弯成具有一定曲率和 角度的制件的成形方法 1 弯曲变形过程弹性变形 塑性变形 塑性弯曲板料受力外侧受拉 应力 内侧受压应力 外层开裂当 外 b时 则产生弯裂 故应限制板料的最大弯曲变形程度 即最小弯曲半径 同时注意毛 坯下料方向 最好使板料流线方向与弯曲线垂直 2 最小弯曲半径即坯料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时内表面的弯曲 半径 用符号rmin表示 故在生产中r rmin 3 回弹 由于外力去除后弹性变形的恢复 造成工件的弯曲角 度 曲率半径与模具不一致的现象 故一般在设计弯曲模时 模具角度应比成品角度略小一个回弹角度 或改进工件结构 弯曲方式及模具结构来减少回弹 4 弯曲的分类和应用按所用设备和工具不同 弯曲可分为压弯 拉 弯和辊弯等类型 压弯即用凸模将坯料压入凹模弯曲成形 弯曲工艺适应性强 最常用 拉弯是使坯料在受拉状态下沿模具 弯曲成形 用于弯曲半径较大的工件 辊弯是使坯料受辊轴旋转时摩擦力作 用 连续进入辊轴间弯曲成形 常用于圆柱面和圆锥面加工 拉深 也称为拉延 是使板料成形为空心件而厚度基本不变的加 工方法 1 拉深变形过程弹性变形 塑性变形 2 拉深系数m即拉深变形后制件直径d与其毛坯直径D0之比 m d D0 m越小 表示变形程度越大 mmin为极限拉深系数在工件不 至拉裂的条件下 所能达到的最小拉深系数 多次拉深当m mmin时 如拉深弹壳 笔帽等则要采用多次拉深 mmin 0 5 0 8拉深次数 4 5次 且要求m1 m2 mn m m1m2 mn 其他冲压成形工艺1 缩口即将管件或空心制件的端部 沿径向加压 使其径向尺寸缩小的加工方法 2 起伏即在板坯或制品表面上通过局部变薄获得各种形状的凸起与 凹陷的成形方法 3 翻孔即在预先制好孔的半成品或未经制孔的板料上冲制出竖直边 缘的成形方法 4 胀形即板料或空心坯料在双向拉应力作用下 使其产生塑性变形 取得所需制件的成形方法 实际生产中 应根据冲压件的形状采用多个基本工序组合 经多次 冲压才能完成 铸造方法一 砂型铸造1 砂型 用型砂制成的铸型称为砂型 砂型一般由上型 下型 砂芯 型腔和浇注系统等几部分组成 两 个砂型的结合面称为分型面 2 砂型铸造的特点 1 生产周期短 产品成本低 2 产品批量 大小不受限制 3 劳动强度大 劳动条件较差 4 铸件质量不稳定 易产生缺陷 3 常用的造型方法 按使用的工具不同 分为手工造型和机器造型 二特种铸造特点 1 不用砂或少用砂 改善了劳动条件 减轻了劳动强度 2 铸件精度较高 性能较好 3 生产率高 工艺简单 4 成本高 生产周期长 在工艺上和应用上各有一定的局限性 2 压力铸造 1 压力铸造指熔融金属在高压下快速压入型腔 并在压力下结晶 获得铸件的方法 2 应用主要用于大量生产非铁合金中 小型铸件 铝合金 锌合金等 例如汽缸体 化油器 离合器等 3 压力铸造的特点1 铸件尺寸精度高 表面质量好 2 铸件力 学性能好 3 可压铸形状复杂的薄壁铸件 4 可嵌铸其它材料 节省贵重材料 5 生产率高 易于实现机械化和自动化 6 铸件 料质受限制 7 设备投资大 不宜小批量生产 8 压铸件不能进 行大余量的机械加工和热处理 压铸件易产生小气孔 一铸件结构设计应遵循的基本原则1 铸件 的结构形状应便于造型 制芯和清理 2 铸件的结构形状应利于减 少铸造缺陷 3 对铸造性能差的合金如球墨铸铁 可锻铸铁 铸钢等 其铸件结 构应从严要求 以免产生铸造缺陷 二合金的铸造性能对零件结构的要求 1 铸件壁厚1 铸件壁厚应适当2 铸件壁厚应均匀铸件各部位应 均匀一致 以利于减少热节 防止产生缩孔 缩松 裂纹等缺陷 3 内壁厚度应小于外壁铸件内部的肋 壁等散热条件差 冷却速度 慢 故内壁厚度应比外壁薄 以使整个铸件均匀冷却 从而减少内 应力和防止裂纹产生 2 铸件壁的连接1 转角处采用圆角过渡以防止形成热节而产生 内应力 缩孔 缩松等缺陷 P67 2 应避免壁的交叉和锐角连接壁或肋的交叉或锐角连接均 易形成热节而产生铸造缺陷 中小件可采用交错接头 大件可采用环状接头 3 应避免壁厚突变在厚 薄壁连接处应避免壁厚突变 以防产生应 力集中而开裂 壁厚差别较小时可采用圆角过渡 壁厚差别较大时可采用楔形 连接 3 防止铸件变形1 壁厚不均匀的梁 杆件 产生扰曲变形 2 壁厚虽均匀但结构刚度差的梁 杆件及较大的平板件 可能引起 变形 力求壁厚均匀 结构对称或设置加强筋 4 避免较大的水平面铸件上较大的水平面浇注时 极易产生夹砂 气孔 浇不到等缺陷 应尽量设计成倾斜面 5 减少轮形铸件的内应力轮形铸件中部轮毂壁厚较大 易产生较 大的拉应力 可能产生裂纹 轮辐宜设计成弯曲状或改为辐板状 以减少铸件刚性和增大轮辐处 的横截面 2 铸件工艺对零件结构的要求 1 铸件外形1 应利于减少和简化铸型的分型面铸型的分型面数 目应尽量少 并应尽量避免不平的分型面 以利于造型 2 侧凹和凸台不应妨碍起模应尽量避免外部侧凹和凸台 或将侧凹 延伸至铸件小端 凸台延伸至铸件大端 3 垂直于分型面的非加工面应具有结构斜度结构斜度是零件结构本 身所具有的斜度 目的便于造型时取出模样 内外壁应有相应斜度 且内壁倾斜还有利于以砂垛取代型芯 2 铸件的内腔1 内腔形状应利于制芯或省去型芯简单的内腔形 状 可简化芯盒结构及便于制芯 2 应利于型芯的固定 排气和清理当芯头数量不足时 下芯时需采 用吊芯 芯撑等 造型费工 排气和清理困难 措施增设工艺孔 可增加芯头数目 3 大件和形状复杂件可采用组合结构组合铸件即将其分为若干件 分别铸造 再通过焊接或机械连接等方法组合为一体 优点1 简化工艺 保证质量 2 减少设备 缩短生产周期 3 可 解决切削加工工艺上的一些困难 铸造工艺设计包括1选择铸造方法或造型方法 2铸件的浇注位置和分 型面位置 型芯和芯头结构 3加工余量 收缩率和拔模斜度等工艺 参数 4浇注系统 冒口和冷铁的布置等 5将所确定的工艺方案用 文字和铸造工艺符号在零件图上表示出来 绘制铸造工艺图 一 浇注位置及分形面的选择 P40 选择原则着眼于控制铸件的凝 固顺序 估计到铸件发生缺陷的可能1 浇注位置的选择原则 1 铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或位于侧面 避免砂眼 气孔和夹渣 2 铸件的大平面应朝下 减少辐射防开裂夹渣 3 面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置 防止产生浇不足冷隔 4 对于容易产生缩孔的铸件 应使厚的部分放在铸型的上部或侧面 以便在铸件厚壁处直接安置冒口 使之实现自下而上的定向凝固 5 芯子数量力求少 砂垛代芯省又好 2 分型面的选择原则 1 便于起模 使造型工艺简化 选择分型面时应尽量避免不必要的型 砂型内 减少错箱 披缝和毛刺 提高铸件精度 3 使型腔和主要 2 尽量使铸件重要加工面或大部分加工面 加工基准面放在一个 芯型芯位于下箱 以便于造型 下芯 合型和检查型腔尺寸 第四章锻造成型技术自由锻造 模锻和特种锻造 锻造是利用手锤 锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力 使金属材料在不分离条件下产生塑性变形 以获得形状 尺寸和 性能符合要求的零件 制坯有三条途径铸造毛坯 轧制型材 锻造毛坯 优点优质 高产 低消耗 灵活缺点1 模具成本高 加工周期长 2 受锻造设备吨位的限制 把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间或简单的工具中进行 锻造的方法称为自由锻 应用 1 自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单 粗糙度要求较低 加工 余量较大的锻件生产 2 使用的是形状简单的通用工具 灵活性大 生产准备周期短 所 以使用范围广 3 锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大 不易保证 生 产效率低 胎模锻自由锻还可以借助简单的模具进行锻造 称胎模锻 胎模锻造是把加热好的坯料模锻把加热好的坯料放在固定于模锻设 备上的模具内进行锻造的方法称为模锻 分为开式模锻和闭式模锻 4 自由锻4 3影响金属塑性变形流动的三个因素 加载情况 受力情 况 变形情况整体加载 整体受力如镦粗局部加载 整体受力 整体变形如冲孔 D d5 二 金属塑性变形的不均匀性实 质上是由金属质点的不均匀流动引起的 三 塑性变形时金属的流动方向最小阻力定律P76镦粗质量问题侧 表面产生纵向或45 裂纹 侧表面出现鼓形 上下端存留铸态组织 高坯料镦粗易失稳弯曲 措施有a采用润滑 预热工具b用侧凹形毛坯镦粗c使用软金属垫镦粗 d叠料镦粗e反复镦粗拔长工艺 影响拔长质量的两个主要因素送进量L 0 压下量 h 1 送进量的大小一般取L0 0 6 0 8 h0 2 压下量 h 一般认为 h 0 1 0 2 h0一般送进量应该足 够大 即L0 0 5 0 75 h 否则 会产生折叠 表面折叠产生主要是送进量与压下量不合适 导致锻件报废 3 坯料拔长时缺陷的防止措施 1 表面横向裂纹与角裂 前者是由于送进量过大同时压缩量也过 大所引起的 后者除了变形原因外 主要是由于角部温度散失快 产生温度应力 引起表面拉力过大 应及时进行倒角 2 表面折叠主要是由于送进量太小 压下量过大 3 内部横向裂纹也是由于送进量太小 出现双鼓形特征 引发轴 心拉应力 4 内部纵向裂纹送进量过大 压下量较小 所造成的中心拉应力 5 端面内凹送进量太小 表面金属变形大 轴心尚未来得及变形 引起的 此外还有对角线裂纹 端面裂纹 端部孔壁裂纹冲孔较薄的坯料通 常采用单面冲孔 厚度较大的锻件 一般采用双面冲孔法2 冲孔时 易产生的缺陷及防止措施 走样主要是由于坯料尺寸不合理 冲孔前将坯料镦至D d 3 越小 走样越严重 孔偏心主要是由于定位不准或加热不均匀 先压一浅印和使温度均匀后再冲 斜孔主要是由于操作不当或坯料 及工具不规范 裂纹主要是由于材料塑性低 冲头锥度大 冲孔时 走样大等 4 4自由锻工艺自由锻工艺过程的实质是利用简单和通用的工具逐步 改变坯料的形状和尺寸 从而获得所要求形状和性能的锻件的加工 过程自由锻件可分为以下几类 1 轴杆类锻件轴向尺寸远大于横截 面尺寸 基本工序为拔长或镦粗 拔长2 矩形断面锻件可归为轴杆类3 曲 轴类锻件不仅沿轴线有截面形状和面积变化 而且轴线有多方向弯 曲 基本工序为拔长 错移 扭转4 盘形类 饼块类 锻件横向尺寸大 于高度尺寸 基本工序为镦粗5 空心类锻件有中心通孔 基本工序为镦粗 冲孔 扩孔 或芯轴拔长等6 弯曲类锻件具有弯 曲的轴线 弯曲可以是对称的 也可是不对称的 基本工序为拔长 弯曲7 复杂形状锻件不同工序的组合自由锻工艺 规程的内容 根据零件图绘制锻件图 确定坯料的质量和尺寸 制订变形工艺及选用工具 选择设备吨位 确定锻造温度范 围 制订坯料加热和锻件冷却规范 制订锻件热处理规范 提 出锻件的技术条件和检验要求 填写工艺规程卡片等 确定各工序毛坯尺寸时应注意 坯料尺寸必须符合变形规则 如镦粗时的高径比小于3等 应考虑各工序变形时坯料尺寸的变化规律 如冲孔时坯料高度略有减小 扩孔时坯料高度略有增加等 锻件最后需要精整时 应留有修整量 大锻件须多火次完成时 应考虑中间各火次加热的可能性 一般要求锻造比大于3根据作用在坯料上力的性质 自由锻设备分为 锻锤和液压机两大类 大型锻件生产的主要特点 质量要求严格 工艺过程复杂 二 热锻变形对金属组织和性能的影响1 破碎铸态组织 细化晶粒 2 降低偏析程度 改善碳化物及夹杂物的分布3 锻合内部孔隙4 形成纤维组织5 锻造对锻件性能的影响一般来说 大型锻件的锻造 比在2 6的范围内 5 模锻工艺模锻适用于形状复杂 尺寸精度较高 加工余量小 批 量生产的中 小型锻件 模锻工艺 备料 加热 模锻 切边 冲孔 热处理 酸 洗 清理 校正 通常 单件 小批量生产自由锻方法大批量模锻方法有些航空重要 产品上的锻件 批量不大 由于流线和性能等方面的要求 通常也 采用模锻方法生产可锻性是金属材料在压力加工时成形的难易程度 可锻性的衡量指标1 塑性 塑性越好 其可锻性越好 2 变形抗力 变形抗力越小 其可锻性越好 影响可锻性的因素1 金属的本质 化学成分Me越低 材料的可锻性 越好 组织结构纯金属和固溶体具有良好的可锻性 2 变形条件 变形温度的影响始锻温度高 终锻温度低 变形速度 应力状态三个方向的应力中 压应力的数目越多 则金属的塑性 越好 拉应力的数目越多 则金属的塑性越差 三向压应力 塑性最好 变形抗力最大 三向拉应力 塑性最差 变形抗力最小 变形抗力同号应力状态下引起的变形抗力大锻模设备模锻锤 热模 锻压力机 螺旋压力机和平锻机 工艺特点1 上模模膛的填充性更好2 广泛的通用性 3 精度不高 且拔模斜度较大 四 平锻机依据凹模分模方式的不同 平锻机分为垂直分模平锻机 和水平分模平锻机两类 与热模锻曲柄压力机比较 有以下相似的特点 1 设备刚度大 行程固定 锻件高度方向尺寸稳定 2 工作时靠静压力 振动小 劳动条件好 不需庞大的基础 3 模具可采用组合式 镶块式 2 工艺特点优点a 锻造过程中坯料水平放置 其长度不受设备工 作空间的限制b 有两个分模面 在两个方向上有凹档 凹孔的锻件 如双凸缘轴套等 锻件形状更接近零件形状c 因为平锻机导 向性好 行程固定 所以锻件长度方向尺寸稳定性比锤上模锻高 d 平锻机可进行开式 闭式模锻 可进行终锻成形和制坯 也可进 行弯曲 压扁 切料 穿孔 切边等工序 缺点a 平锻机是模锻设备中结构最复杂的一种 价格贵 投资大 b 靠凹模夹紧棒料进行锻造成形 一般要用高精度热轧钢材或冷拔 整径钢材 否则会夹不紧或在凹模间产生大的纵向毛刺 c 锻前需 用特殊装置清除坯料上的氧化皮 否则表面粗糙度高于锤上模锻件 d 工艺适应性差 不适宜模锻非对称锻件 模锻工艺分类 1 按设备分可分为锤上模锻 热模锻压力机上模锻 螺旋压力机上 模锻 平锻机上模锻等 2 按终锻模膛的结构分为开式模锻两模间间隙方向与设备运动的方 向垂直闭式模锻两模间间隙方向与设备运动的方向平行 3 按所用模膛数目可分为多模膛模锻 单模膛模锻 4 按生产锻件精度可分为普通模锻 精密模锻可将锻件分为长轴类 短轴类 圆饼类 顶镦类 复合类型锻件 锤上模锻锻件图设计7个原则 1 一半原则 在锻件高度一半处分模 使锻件的余块 机械加工余 量最小 2 大小原则 使模膛的宽度大而深度小 易充满模膛 易出模 3 平直原则 为使模具制造简单 尽量采用平面分模 凸出部分也 尽量不要高出分模面 当头部尺寸较大的长轴类件 应采用折线式 分模 4 错差原则 分模面应尽量设在容易发现锻件错差的位置 5 干净原则 飞边能切除干净 无毛刺 6 纤维原则 对金属流线方向有要求的锻件 应保证锻件有最好的 纤维分布 7 径向原则 当圆饼类锻件H D时 应该径向分模 而轴向分模正 相反 H D时 选择轴向分模模锻斜度选择原则 1 在保证出模的前提下 模锻斜度应尽量小 最小原则 2 同一锻件上内模锻斜度要比外模锻斜度大 大小原则 3 模锻斜度的大小 标准原则 4 同一锻件上的外模锻斜度和内模锻斜度不应取多种斜度 而应各 取一统一数值 统一原则 5 对于深而窄的锻模型腔 为方便出模 而且不至于过多的增加余 块 可采用双级斜度 双级原则 6 只要锻件能形成自然斜度 不必另外增设模锻斜度 自然原则 螺旋压力机上模锻件图设计特点分模面1 更应遵循锤 上模锻件图分模面宽大深小原则 2 顶镦类锻件和在两个方向上有 凹坑的锻件 分模面可以是一个或者多个 并且采用闭式模锻 平 锻机上模锻件图设计特点它的锻件图设计方法与模锻锤 热模锻压 力机 螺旋压力机有很多区别 平锻件设计主要解决分模位置 余量公差 模锻斜度 圆角半径等 四个问题 1 分模面选择1 有两个相互垂直的分模面 2 可以采用开式模锻和闭式模锻 3 分模面选择在最大轮廓处 模锻工艺过程制定的内容组成模锻工艺的几种工序1 备料工序 2 加热工序 3 锻造工序制坯和模锻 预锻和终锻 4 锻后工序 切边 冲孔 热处理 校正 表面清理 磨毛刺 精压等 5 检验工序工序间检验和最终检验 2 模锻工艺过程制定的内容1 合理选择模锻工艺方案 2 设计锻 件图 3 确定所需工序 并选择所用设备 4 确定模锻工艺流程 并填写工艺卡片 模锻锻造工步 按其作用可分为三大类1模锻工步 预锻 终锻 2 切断工步 3 制坯工步主要模锻设备的常用工步锤上模锻拔长 滚挤 镦粗 卡压 压扁 成形 预锻 终锻 切边等热模锻压力机上模锻镦粗 弯曲 卡压 压扁 成形 预锻和终锻螺旋压力机上模锻镦粗 弯曲 卡压 压扁 成形 预锻和终锻平锻机上模锻聚集 预成形 预成形冲孔 预锻 成形冲孔 终锻 切边 弯曲 压肩 穿孔 切芯头 切断 几类零件的工步1 直长轴锻件拔长 滚挤2 弯曲轴锻件拔长 滚 挤 弯曲3 带枝芽长轴件拔长 成形 预锻4 带叉长轴件拔长 滚挤 预锻第五章冲压模具的分类 1 冲压模具 2 塑料成型模具 3 压铸