201材料成型01-2.ppt

1,材料成型技术基础,机械工程及自动化系Tel:39493,2,绪论,一、金属工艺学与材料成形技术基础1金属工艺学定义：研究有关制造金属机件的工艺方法。基本工艺方法：铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理。2材料成形技术基础定义：除切削加工外的工程材料的成型工艺。成形工艺：铸造成形、塑性成形、焊接成形、粉末冶金成形、非金属材料成形、复合材料成形、快速成形。,3,材料成形：几何尺寸的变化，成分、组织结构及性能的变化。（热加工）切削加工：几何尺寸的变化。（冷加工）,二、课程体系金工实习机械专业基础课生产实习专业课,设计：机械原理机械设计制造：材料成形技术基础机械制造技术基础机械制造过程录像,4,三、课程要求、特点及学习方法1、课程要求：（1）选择毛坯（2）制定材料成形工艺（3）分析零件结构工艺性2、课程特点：实践性强、内容多、记忆量大3、学习方法：笔记+作业+复习。在理解基础上记要点，多少，少多。四、教材及参考书材料成形工艺基础，沈其文，华中科技大学出版社金属工艺学，邓文英，高等教育出版社材料成形技术基础，翟封祥，哈尔滨工业大学出版社,5,五、材料成形的发展历史、现状及趋势1、历史：石器青铜器铁器材料成形发展历史录像2、现状：制造业的重要组成部分。全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成形，机床重量的70-90%是铸件。我国铸件2008年产量3200万t，36%，世界第一。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形。汽车工业录像,6,板料成形Sheet-MetalFormingProcesses,1应用背景,7,铸造Casting,焊接Welding,8,锻造Forging,非金属材料成形,9,3、发展趋势：（1）精密的材料成形近无余量成形。精铸、精密压力加工、精密焊接与切割等。（2）优质的成形技术近无缺陷、零缺陷。模拟技术；工艺过程控制及无损检测。（3）快速的成形技术提高生产率。逆向工程（RE）：仿造。实物图形制造。（ReverseEngineering）快速成形（RP）：一层层堆加。（RapidPrototyPing）,10,（4）复合的材料成形多种新能源：激光、电子束、离子束、等离子束成形；复合工艺：加工过程、检测过程、物流过程、装配过程复合制造系统。（5）绿色的材料成形清洁生产、少废料、无污染、低能耗。（6）信息化(计算机的应用)柔性、集成系统，信息和控制技术，远程控制和无人化成形工厂。,11,五、材料成形的分类（1）受迫成形定义：利用材料的流动性和塑性在特定外力或边界的约束下成形的方法。主要方法：铸造、锻压、注塑成形。特征：模具、型腔。柔性较差，适于定型产品的大批量生产或毛坯制造。（2）去除成形定义：运用材料的可分离性，把一部分材料有序地从基体分离出去而成形的方法。主要方法：车、铣、刨、磨和激光、电火花。特征：刀具与待加工工件的相对运动。较大的柔性，难以加工形状极为复杂的零件。,12,（3）堆积成形定义：利用材料的可连接性，将材料有序地合并堆积起来而成形的方法。快速成形（三维CAD模型转换为三维物理模型或零件）。特征：控制材料结合的顺序以及每一次材料转变量与深度。柔性最好，不受复杂程度的限制。,13,第一篇金属的铸造成形工艺,第一章铸造成形工艺理论基础,14,1.1铸造成形工艺的特点和分类,定义：将液态金属浇入到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，以获得毛坯、或零件的工艺方法，称为“铸造”。铸件：通过铸造成形得到的毛坯、零件。一、工艺特点铸造的优点：（1）可制造形状复杂（尤其内腔）的毛坯。（2）适应范围广。（零件的材料、大小、批量不受限制）（3）铸件成本低。（可直接利用废机件和切屑，加工余量小，设备费用低）,15,铸造的缺点：（1）生产过程复杂，影响因素多。（2）易产生缺陷，废品率较高。（3）力学性能低于塑性成形件。二、分类（1）砂型铸造大小、形状、批量不限，成本低，应用广（90%以上）。材料为金属。（2）特种铸造铸件品质高，生产率高，使用局限性，成本高。熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造。,16,1.2合金的铸造性能,铸造性能：合金在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。包括：合金的流动性、收缩性、吸气性及成分偏析倾向性等。作用：影响铸件品质，是选材、工艺、铸件结构设计的依据。一、合金的充型充型：液态合金填充铸型的过程。充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状准确、轮廓清晰铸件的能力。缺陷：浇不足、冷隔。,17,影响充型能力的主要因素：合金的流动性、浇注条件、铸型填充条件。1、合金的流动性合金的流动性：合金本身在液态下的流动能力。流动性，则充型能力。并有利于夹杂物、气体和熔渣的排除；有利于补缩；易形成轮廓清晰的薄壁复杂铸件。流动性，产生浇不足、冷隔；间接引起气孔、夹渣、缩孔。灰铸铁、硅黄铜铝合金铸钢流动性的测定：螺旋试样法,18,螺旋试样法,图1-1螺旋形标准试样,19,（1）影响流动性的因素化学成分:C,S,P。a)碳几个概念：液相线、固相线、浇注温度、熔点、过热度、凝固温度范围，则流动性？,对应书上图1-2,20,共晶：流动性最好，凝固温度范围为零。无液固共存区。逐层凝固：表层中心，结晶前沿较平滑，流动阻力小。亚共晶、过共晶：流动性差，凝固温度范围大。有液固共存区。糊状凝固：前沿粗糙，流动阻力大；树枝晶表面积大，导热快，加速凝固。,对应书上图1-3,21,碳凝固温度范围或流动性凝固温度范围，则流动性b)磷：P，降低粘度，流动性，引起铸铁的冷脆性。适用：力学性能要求不高的小件、薄壁件、艺术品。c)硫：S，增加粘度，流动性。,22,（2）铸件的凝固方式(a)逐层凝固(b)中间凝固(c)糊状凝固,23,2、浇注条件（1）浇注温度浇注温度合金过热度高，充型能力。浇注温度过高合金膨胀过大，收缩增加，吸气、氧化严重，易产生缩松、缩孔、粘砂、气孔、粗晶等缺陷。应用：薄壁复杂件，合金流动性较差的铸件。（2）浇注压力充型压力，则流动性，充型能力。应用：增加直浇道高度，压力铸造，离心铸造。,24,3、铸型填充条件（1）铸型导热能力铸型材料导热系数和比容，对合金的激冷作用越强，合金的充型能力。（2）铸型温度铸型温度，充型能力。（3）铸型的阻力阻力，则充型能力。（型腔越狭窄、复杂，铸型材料发气量大）,25,二、合金的收缩性1、合金收缩的概念定义：合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象。导致缺陷：缩孔、缩松、变形、裂纹。三个阶段：液态收缩：液=T浇-T液凝固收缩:凝=T液-T固固态收缩:固=T固-T室分类：,体积收缩：体收缩率，液态、凝固收缩。导致缩孔、缩松。尺寸收缩：线收缩率，固态收缩。导致变形、裂纹、内应力。铸钢收缩率灰铸铁,26,2、影响合金收缩的因素（1）化学成分c,si，则收缩率。（利于石墨化）s，则收缩率。（阻碍石墨化）（2）浇注温度T浇，过热度，液，收缩率（3）铸件结构和铸型条件自由收缩、受阻收缩（收缩率较小）受阻的原因：铸件各部分冷却速度不同收缩不一致相互约束、产生阻力；铸型、型芯机械阻力铸件结构复杂，铸型硬度，芯骨粗大，则收缩阻力，收缩率,27,3、铸件中的缩孔与缩松（1）缩孔与缩松的形成液态收缩和凝固收缩、容积得不到补足。缩孔的形成,液态金属充满铸型铸件外壳液面下降最后凝固部位,图1-5缩孔的形成过程,特征：集中孔洞，呈倒锥形，内表面粗糙。纯金属、共晶成分合金易形成缩孔。？,28,缩松的形成,凝固前沿凹凸不平数量众多小液体区缩松,特征：细小分散孔洞。宏观缩松：肉眼或放大镜，中心线附近。显微缩松：显微镜，晶粒间，分布广泛。,图1-6缩松的形成过程,结论：逐层凝固缩孔，糊状凝固缩松。结晶区间（凝固温度范围）缩松？。,29,(2)缩孔和缩松的防止缩孔的防止缩孔的危害：减小铸件承载面积，降低承载能力。防止方法：冒口+冷铁定向凝固。定向凝固：厚大部位安放冒口，远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口部位后凝固，冒口本身最后凝固。,30,冒口作用：控制凝固方向，补缩。位置：厚大部位（热节处）冷铁作用：加速铸件局部冷却，控制凝固方向，不补缩。位置：不易放冒口的热节处。,外冷铁：可重复使用，安放在砂型中。应用多。内冷铁：不可重复使用，材质与铸件相同，熔合在铸件内。用于不重要的铸件中。,形状复杂的铸件可设置多个冒口、冷铁。,31,图1-8阀体铸件的定向凝固,缩松的防止缩松的危害：影响铸件的气密性。防止方法：加大冷却速度热节处安放冷铁，砂型局部表面涂敷激冷涂料。加大结晶压力破碎枝晶，减少流动阻力。只可部分防止缩松。,32,4、铸造内应力及铸件的变形和裂纹（1）内应力的形成固态收缩内应力变形和裂纹s产生变形，b金属断裂。按照形成原因，分为热应力和机械应力。热应力定义：它是由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致、相互约束而引起的。,33,第一阶段：再以上。瞬时应力通过塑性变形而自行消除。第二阶段：细杆再以下（受拉），粗杆再以上（受压）。内应力随粗杆塑变而消除，两杆同时缩短。第三阶段：再以下。粗杆温度高，收缩大；细杆温度低，收缩趋于停止。粗杆受拉，细杆受压，形成残余应力。,图1-10，1-11热应力的形成,34,热应力的规律：（a）缓冷部位（厚壁、心部）受拉伸。快冷部位（薄壁，表层）受压缩。（b）温差，定向凝固，固态收缩率，弹性模量，则热应力。热应力的防止：缩小温差，均匀冷却。措施：材料弹性模量小的合金，设计壁厚均匀，工艺同时凝固。同时凝固：内浇道开在薄壁处，厚壁处放冷铁，使各部位同时凝固。目的：减小铸造内应力、防止铸件变形和裂纹。尤适用于形状复杂薄壁件。,35,机械应力（收缩应力）定义：铸件的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时正应力或剪应力，落砂后可局部或全部消除。与热应力共同作用，增加裂纹倾向。(2)铸件的变形与防止残余内应力不稳定状态通过变形缓解应力回到稳定状态。变形的规律：（预计变形方向）受拉伸部分产生压缩变形，受压缩部分产生拉伸变形。,36,形梁：厚部受拉产生压缩变形,上凹下凸。,床身：上凹下凸，导轨内凹。,图1-15车床床身,平板：中心、下部冷却慢，受拉压缩变形。,37,防止变形的办法：1）减小应力的各种方法。2）铸件壁厚设计均匀，结构对称。3）反变形法：最有效。4）粗加工后时效处理：自然时效（露天放置半年）人工时效（去应力退火）5）振动去应力。,38,（3）铸件的裂纹与防止热裂纹：接近固相线的高温下形成。特征：短而宽、形状曲折、呈氧化色。产生：晶粒间有少量液体，强度很低，机械应力超过强度。（落砂前）热裂纹在铸钢、铝合金中常见。防止：材料-选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金，减小S含量。结构-降低凝固过程中的应力。型砂-增加退让性。,39,冷裂纹：较低温度下（400以下）。特征：细小、连续直线，呈轻微氧化色或金属光泽。产生：（落砂前后）热应力和机械应力，受拉部位或应力集中处。壁厚差大，形状复杂，大的薄壁件易冷裂；灰铸铁、白口铸铁、高锰钢易冷裂。防止：合理设计铸件结构；降低内应力；减少P含量；落砂后及时消氢处理；防裂肋。,40,三、合金的吸气性气孔的危害：减少承载面积，引起应力集中，降低力学性能；降低气密性。1、侵入气孔形成：砂型和型芯中水分蒸发，有机物及附加物挥发气体排气不畅侵入金属液中。特征：位于砂型和型芯表面附近，尺寸较大，呈椭球形或梨形。防止：降低发气量，增强排气能力。,图1-19侵入气孔,41,2、析出气孔形成：