金属材料及加工

金属材料及其加工技术,第一节常用金属材料及其特性第二节金属材料成型与工艺性第三节金属表面处理与装饰技术,常用金属材料及其特性,2.1.1金属材料的特性及分类2.1.2钢铁材料2.1.3有色金属及其合金,金属的宏观特性良好的导电性和导热性；正的电阻温度系数；且绝大多数金属具有超导性；良好的反射能力、不透明性及金属光泽；良好的塑性变形能力（延展性）反映出金属的本质：有特殊光泽优良的导电性和导热性是良好的塑性变形固体物质,2.1.1金属材料的特性及分类,常用金属材料的分类,2.1.1金属材料的特性及分类,常用金属材料及其特性,2.1.1金属材料的特性及分类2.1.2钢铁材料2.1.3有色金属及其合金2.1.4造型设计中金属材料的选用,2.1.2钢铁材料,钢铁材料可分为三大类：纯铁(c=2.11%),2.1.2钢铁材料,钢(0.02%=c=2.11%)按碳存在的不同形式灰口铸铁：碳以石墨形式存在，断口呈灰色白口铸铁：碳以渗碳体形式存在，断口白色麻口铸铁：按用途：碳素结构钢、碳素工具钢按石墨的形态：灰铸铁：片状石墨，强度、塑性、韧性不如钢，减震性好、缺口敏感性低，适于制各种承受压力和要求消震的床身、机架、箱体、缸体、壳体可锻铸铁：团絮状石墨，高强度、塑性、冲击韧性，制汽车后桥外壳、管接头、低压阀门球墨铸铁：球状石墨，铸造性优良，取代了可锻铸铁，制造受力复杂、负荷大、耐磨的铸件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗轮蜗杆、活塞、工作缸等,常用金属材料及其特性,2.1.1金属材料的特性及分类2.1.2钢铁材料2.1.3有色金属及其合金2.1.4造型设计中金属材料的选用,2.1.3有色金属及其合金,铝及铝合金铜及铜合金,铝及铝合金,纯铝：纯度98%99.996%，密度小、导电、导热性优良；主要用于科研及制造电容器铝合金：纯铝强度低，加入合金以提高强度变形铝合金1.防锈铝合金：含锰、镁等，不可热处理强化，耐蚀性好，用于制造高耐蚀性薄板容器2.硬铝：含铜、镁等，强度、硬度高（与高强钢相近），塑性低、韧性差，用于制造飞机大梁、螺旋桨、铆钉等3.超硬铝合金：含锌、铜等，强度接近超高强度钢4.锻铝：含镁、硅、铜等，热塑性、耐蚀性好，适于锻造，用于航空等形状复杂、要求强度较高的锻件铸造铝合金：要求有良好的铸造性能，分为铝硅、铝铜、铝镁、铝锌四系。,铜及铜合金,1.纯铜（紫铜）：纯度99.5%99.95%,极好的塑性,抗蚀、导电、导热性、抗磁性极好，用于电工导体和防磁器械2.黄铜：含锌32%：热加工黄铜(含锌40%),强度较高，含铜量少，价格低、用于制作电器上的导电、耐蚀及有一定强度的结构件特殊黄铜：加入锡、铅、铝等元素3.青铜锡青铜：一般含锡3%14%,强度、塑性增加特殊青铜：指不含锡的青铜，如铝青铜、铍青铜等，比锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性与耐蚀性。,2.2.1铸造加工及其工艺性2.2.2压力加工及其工艺性2.2.3焊接技术及其工艺性2.2.4切削加工（机械加工）及其工艺性2.2.5特种加工及其工艺性,金属材料成型与工艺性,后母辛方鼎,箱体,2.2.1铸造加工及其工艺性,铸造将熔融的金属液体浇注到与零件形状相对应的铸造模型腔中，待冷却后得到实体毛坯或零件的工艺过程铸造加工的特点：适应性强：不受零件体积、重量大小、形状、结构复杂程度的限制，不受合金种类限制成本低廉：原材料消耗及切削加工费低、动力消耗少、接近成品零件铸造组织存在一定缺陷：缩孔、疏松、气孔、沙眼等导致力学性能不如锻件；工艺过程较难控制：废品率较高，工人劳动强度大等,2.2.1铸造加工及其工艺性,铸造方法分类砂型铸造：用型砂做铸型的铸造方法，使用率90%特种铸造：砂型铸造以外的其他铸造方法，包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造等,无论哪种铸造，其工艺过程中的基本内容和成型原理都是相同的，只是过程的方法依不同铸造而有所不同。各种铸造的基本过程：,2.2.1铸造加工及其工艺性,砂型铸造,造型制芯金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：,手工造型：,机器造型：,利用简单的器械进行砂型（芯）的制作,利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作,砂型成形方法,手工造型的特点：,操作方便灵活，适应性强生产率低劳动强度大铸件质量不易保证,适用于单件小批量生产,砂型成形方法,机器造型的特点：,生产效率高劳动条件好劳动强度低铸件的表面质量好、尺寸精度高,适用于成批大量生产,砂型铸造,铸造产品设计的特点,由铸造零件的工艺看，产品的外形是由模型的型腔决定的，无论是砂型还是金属型或蜡型，在浇注需要良好的金属充型能力要求的前提下，铸型的型腔不可能做的太复杂、太有棱角以及太细小。因此从总体上看，铸造产的特点是外观线条圆润且有力度感，棱角不够分明。,铸造产品设计的特点,在艺术造型上多用于表现敦厚、圆润、古典、尊贵的效果。如：佛像、灯座、纪念章、青铜器餐具、艺术品等。在工业上由于铸铁性脆，耐压不耐拉，广泛用于在工作中承受较大的压力、有震动、需有自润滑功能的机器零部件以及有复杂外形结构又很难用其他方法造型的零件。如：机床底座、车床床身导轨、汽车小零件等。,2.2.1铸造加工及其工艺性2.2.2压力加工及其工艺性2.2.3连接技术及其工艺性2.2.4切削加工（机械加工）及其工艺性2.2.5特种加工及其工艺性,第二节金属材料成型与工艺性,2.2.2压力加工及其工艺性,定义：压力加工利用外力使坯料产生塑性变形,获得所需尺寸,形状和性能的产品（毛坯或零件）成型方法压力加工中作用在金属坯料上的外力主要有两种性能：冲击力和压力锤类设备产生冲击力使金属变形轧机与压力机对金属坯料施加静压力使之变形,2.2.2压力加工及其工艺性,压力加工的特点：是一种重要的塑性成型方法，要求金属具有良好的塑性优点：金属塑性变形后，能压合铸坯的内部缺陷，提高金属机械性能，保证强度和韧性，节省金属材料和加工工时缺点：只适用于塑性金属材料，不能加工脆性材料如铸铁、青铜，不能加工形状太复杂的零件比如具有复杂外形和内腔的零件,压力加工的种类,压力加工的基本生产方式有轧制、挤压、拉拨、锻造(自由锻和模锻)和板料冲压。轧制、挤压、拉拨用于金属型材、板材、管材和线材制造而板料冲压和锻造用于毛胚和零件。,锻造加工,先将材料预热，使其塑性增强，然后用汽锤、压力使金属材料成型的加工方法，最原始的锻造如铁匠的小火炉、手锤等。锻造要求材料具有两方面的性能可锻性，即承受住重锤的锻打、冲击而不易碎裂，具有良好的韧性。要求定型性好，弹性要适度。若弹性过大，则材料在重锤锻打时承受外力会发生变形，但外力撤出之后又恢复原型，难以成型。预热升温，实际上就是一种强化定型性能的措施。锻造使金属产生的加工硬化是强化金属的重要手段之一,对于纯金属和奥氏体不锈钢等不能采用热处理强化的合金尤为重要。,锻造加工,可锻造的固体坯料可以是铁碳合金、铝合金、铜合金等。锻造时金属需加热到的温度铁碳合金（钢）约为11501250铝合金约为430500铜合金约为800900,锻造加工,锻造分为两种：自由锻：是将近坯料放在上下地铁之间，以冲击力或压力使其变形的加工方法。模锻：金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力的加工方法。,自由锻模锻,锻造加工产品举例,锻造法兰盘,手锤,冲压加工,冲压烤漆饰品,冲压加工,冲压加工成型是利用冲模使板材产生分离或变形的加工方法。通常在冷态下进行，又叫冷冲压。冷冲压工艺是产品上外形零件的加工主要的手段之一，冷冲压工艺对当今的大批量生产很有意义，由于产品需要频繁的变换造型，在这种竞争的形势下，采用冷冲压工艺具有特殊的意义。,板料冲压,板料冲压特点：（1）可冲压出形状复杂的零件，废料较少。（2）产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性能好。（3）能获得质量轻，材料消耗少，强度和刚度较高的零件。（4）冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，成品率很高，故零件成本低。,板料冲压,冲压成品需进行很多工序，其基本工序有分离工序和变形工序两大类：分离工序使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断、修整等。变形工序使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。如拉深、弯曲、翻转、成型等。,冲压材料的合理选择,（1）冷冲压适用的板材厚度一般不超过6mm厚。材料一般用塑性较高的低碳钢、铜、铝、及其合金，此外非金属材料也常用于冲压加工，如胶木、云母、石棉板、皮革等等。（2)在保证工艺的前提下，应尽量以廉价材料代替贵重材料，以薄料代替厚料，以黑色金属代替有色金属，这样，可使占制品成本6080的材料费用大大降低，以利提高产品的市场竞争能力。（3）设计零件的外廓尺寸尽量考虑板材的尺寸规格标准，使毛坯排样时废料浪费最少。反之，选择材料尺寸时，应考虑尽量为毛坯尺寸的整数倍为好。,冲压设备,1.剪切下料设备是冷冲压工艺中准备工序使用的设备，手工制作模型时使用更多。分为:手工剪刀设备和工具小剪刀中小型剪刀设备：振动剪刀、斜口剪刀、钣金铣床；大型剪切设备2、弯曲成型设备：板料折弯压力机、卷板机、拉型机3、压制设备,冲压产品的设计特点,1形状简单、对称，尽可能采用圆形或矩形，受力均匀产品表面均由上下模具切、拉、挤而成，故产品形状设计应简单，符合模具的一端（型腔）或两端（通模）是开放式的特点，应能制造。2为保证模具强度和寿命，尽量避免长槽或长悬臂的结构设计形成产品表面的冲压深度不能过长，过长时是分几次压成的，产品的拉、挤成型表面不应设计过长。（如：氧气瓶）在型腔内可设计复合型腔特点的形貌（孔窝、凸台等）以及通孔等。如：汽车车身3既充分利用冲压件有薄、匀、轻、强的特点，又要满足冲压产品需要较强刚度的要求在产品上灵活设计加强筋、肋、起伏或翻边（如：盆、锅等）等以提高其刚性。并且这些在制造时可一次成型，是其他方法难以做到的。4对拉伸件，尽量设计成回转体，尤其是柱形最好一般不设计成空间曲面如汽车覆盖件；工件结构特别复杂需多次冲才能压完成时，可以分解冲压后焊接，降低模具费用和加工周期5注意最小拐角、折弯等与板厚有关的设计（查手册）。如：小支撑板等,冲压成型产品举例,冲压即能制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造像汽车大梁、压力容器一类的大型零件。尺寸和形状精度即可满足一般要求，也可制造精度在微米级、形状复杂的零件。冲压在汽车（车身、底盘、油箱、散热器片等）、机械、家用电器、日用品（水壶、铝锅、厨具等）、电机、仪表（支架、挡板、壳体等）、航空航天、兵器制造中具有十分重要的地位。在罐装食品、饮品的封装等方面应用广泛。艺术造型上，常做标牌、锁具、灯具、笔、服装上的装饰品等。以壳体类零件居多,冲压产品尺寸精确，表面光洁度好，一般冲压后不再或很少进行机械加工.,冲压壳体,冲压（拉伸）件,冲压饰品,2.2.1铸造加工及其工艺性2.2.2压力加工及其工艺性2.2.3连接技术及其工艺性2.2.4切削加工（机械加工）及其工艺性2.2.5特种加工及其工艺性,金属材料成型与工艺性,2.2.3连接技术及其工艺性,连接分为机械连接、冶金学的连接、化学的连接三种。机械连接：用螺纹连接、配合连接或者用铆钉、铆接、铰链、卷边等方法把连接件固定起来。冶金学的连接：熔化金属进行接合，即焊接。化学的接合：是最近急速发展起来的，是用粘合剂粘接。,2.2.3连接技术及其工艺性,（一）机械连接：机械连接分为可拆卸连接和永久性连接两种。可拆卸连接有螺栓与螺母连接，双头螺柱连接，螺钉连接，销连接等。永久性连接有铆钉连接，压扩、卷边，咬缝等接合方法,2.2.3连接技术及其工艺性,铆接通过铆钉和加压，使两部分分离的金属形体形成不可拆连接的连接方法。铆钉必须是塑、韧性好，强度高的材料，如铝及其合金（最常用）、铜等。使用时应计算铆钉所承受的剪切力，使其不超过许用值。铆接的特点：接头处可见明显的铆钉头突起，不适合需要连接后表面平滑的外形。接头处是紧密压合，密气和密水性能不好，不适合密闭容器的连接。举例.日用品:铝锅把和锅体的连接；工业:桥梁行架发射塔,2.2.3连接技术及其工艺性,铰链连接:可拆连接形式：（能使两个相互连接的物体转动一定角度的连接零件）连接方式：用铰链和螺钉主要用于经常开启的连接，如机床仪表箱的外盖、箱体的外盖、铁门、工艺品的外盖、家具等。,2.2.3连接技术及其工艺性,螺纹连接，属于可拆连接。有过孔螺纹连接,全螺纹孔连接特点：可拆连接、拆装方便，连接件相对位置固定，连接强度高。螺孔的设置：距离和高度应能使用工具。,2.2.3连接技术及其工艺性,配合连接形式：一般用在需有相对转动或运动的两个零件之间。特点：一般可拆，连接强度大，转动效果好。应用方面：轴和轴承、固定物体和回转物体的连接、组合部件的连接等。,2.2.3连接技术及其工艺性,（二）焊接通过加热、加压,或两者共同作用(用或不用填充材料)使两部分分离的金属形体形成原子结合的一种永久性连接方法。一般情况，低碳钢的焊接性能较好，焊接过程中不出现裂纹、气孔、夹渣等，焊后接头强度与母材相近，高碳钢，铸铁等较差。在灯饰，金属家具等产品的加工过程中，都会用到。,2.2.3连接技术及其工艺性,焊接方法的分类：熔焊：将工件需要焊接的部位加热至熔化状态，一般须填充金属并形成共同的熔池，待冷却凝固后，使分离工件连接成整体。最常用有电弧焊、气焊、电子束焊、激光焊。特点：是金属的熔化与结晶，类似于小型铸造过程，焊接时填充金属的目的是使焊接接头符合标准尺寸、外形，渗入有益元素以加强强度，熔焊的能量可以是电能、化学能和机械能。,熔焊,电弧焊：焊接电弧是在电极与工件间的气体介质中长时间而有力的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。手工电弧焊：利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件和焊条熔化而进行焊接的特点：只适合较大的焊缝，焊接表面有明显的疤痕，如要美化效果需再进行表面处理。焊缝密气、密水性能好，机械强度，力学性能不低于母材。主要用在毛坯生产和制造各种金属结构件（如高炉炉壳、建筑构架、锅炉与受压容器、汽车车身、桥梁、矿山机械、大型转子轴、缸体等）,压焊,压焊：在压力（或同时加热）作用下，被焊的分离金属结合面处产生塑性变形（有的伴随有熔化结晶过程）而使金属连接成整体。常见的如电阻焊（点焊、缝焊、对焊）。特点：金属待焊部位发生塑性变形，挤碎或挤掉结合面的氧化物及其他杂质纯净的金属紧密接触，形成原子间的引力而牢固结合。加热的目的：增加原子的动能，以提高塑性和降低顶锻力,压焊,电阻焊原理：四个阶段，加压同时加热、焊接、维持、停止。特点：焊接面积很小，牢固（两材料熔合），表面不容易看见,外观好。设备简单，经济，成本低。大部分用于焊接金属冲压件。,钎焊,熔点低于被焊金属的钎料熔化后，填充到被焊金属结合面的空隙之中，钎料凝固而将两部分金属连接成整体。常见有：锡焊、铜焊、银焊。特点：被焊金属不熔化，钎料熔化，依靠熔化的钎料对被焊金属的润湿性（浸润与附着能力）和毛细作用与被焊金属形成结合，从而将分离的金属连接。热源：火、电加热。例，锡焊设备简单（电烙铁），工业化生产也有焊机。焊接温度不高，主要用于电子元器件焊接，铜器焊接。原理：用比被连接金属熔点低的钎料（银、锡等），使其加热时熔化流入接头缝中，使焊缝实现原子级的结合。为使焊缝结实，事先用打磨、酸洗、或钠、钾、锂、及硼化物、氟化物、硼酸等处理表面。,粘合剂粘接粘接金属材料是近几年随着化学工业的高速发展起来的一种新方法，常用合成树脂类粘接剂。粘接剂的粘接力极大，粘接方便易行，在任何位置都可以粘接，所以应用越来越多。粘接的外观质量更理想，但是在受热条件下不能使用.,2.2.3连接技术及其工艺性,第二节金属材料成型与工艺性,2.2.1铸造加工及其工艺性2.2.2压力加工及其工艺性2.2.3连接技术及其工艺性2.2.4切削加工及其工艺性2.2.5特种加工及其工艺性2.2.6新成型工艺精密模锻、超塑性成型、高能率成型、金属半固态成型、快速成型,2.2.4切削加工及其工艺性,切削加工用刀具从金属材料上切去多余的金属，从而获得符合要求的几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的机械零件的加工方法主要包括车、镗、刨、铣、磨、钳等机床加工和少量的手工工具加工车削主要加工回转体表面镗削主要加工内圆表面刨削主要加工面积较大的长条平面铣削主要加工组合型面等,车削加工成型原理,车削包括粗车、精车,车削加工成型原理,车削的成型运动：主运动：工件绕卡盘回转轴线的旋转运动；进给运动：车刀沿卡盘回转轴线的纵向走刀运动和垂直于卡盘回转轴线的横向吃刀运动。,车削加工特点？,车削主要加工回转体表面；套类零件的内圆表面；圆锥外（内）表面；螺纹外（内）表面；内、外沟槽；成型表面；攻丝；钻孔等。,铣削加工成型及原理,铣削加工成型及原理,铣削主要加工小的平