材料成形工艺

1、第一部分 绪论 金属工艺学（材料成形工艺基础)是一门研究材料成形工艺和机械制造工艺的综合性基础课程。 一、课程的内容包括：1、材料的热加工成形方法、工艺特点与先进技术 a、金属液态成形（铸造成形） b、金属塑性成形（锻造成形） c、金属连接成形（焊接成形） d、粉末冶金成形2、金属的切削加工成形 a、车削加工成形金属工艺学（材料成形工艺基础） b、磨削加工成形 c、铣削加工成形 d、刨削加工成形3、特种加工成形 a、电火花加工成形 b、超声波加工成形 c、激光加工成形 d、电子束加工成形 e、等离子加工成形 f、微波加工成形二、课程的目标 1、熟练掌握材料热加工成形的方法、工艺特点和目前的发展

2、动态。 2、基本了解特种加工成形的种类、工艺特点和目前的发展动态。三、课程要求 要求遵守课堂纪律，学习最终成绩为平时成绩与考试成绩相结合，平时成绩占20，考试成绩占80。第二部分 铸造（金属的液态）成形工艺理论基础一、金属液态成形的铸造基础 1、概述 金属液态成形或铸造：将液态金属浇入与零件形状、尺寸相应的铸型型腔中，待冷却凝固后，获得毛坯或零件的工艺方法。 液态金属成形:主要包括砂型铸造和特种铸造两种。 液态金属成形的特点： a、适合制造形状复杂的零件。 b、适应性广。 c、生产成本低。 d、对材料的塑性要求不高。 e、铸件内部组织的均匀性、致密性一般。f、易出现铸造缺陷，如缩孔、气孔、砂眼

3、等。g、铸件晶粒粗大，力学性能一般。2、液态合金的工艺性能 液态合金的工艺性能：液态合金符合某种生产工艺要求所需要的性能。 主要包括：流动性、收缩性、吸气性及偏析等。2.1 充型能力 充型能力:液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰成形件的能力。2.2 合金的流动性对充型能力的影响 合金的流动性:液态合金本身的流动能力。 用浇注流动性试样的方法来衡量。2.3 合金流动性对充型能力的影响因素（1）合金的种类 （2）合金的化学成分2.3浇铸条件对充型能力的影响 （1）浇注温度 （2）充型压力 （3）浇注系统2.4铸型充填条件对充型能力的影响 (1)铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数：铸型从金属中吸

4、取热量并储存的能力。 (2)铸型温度 (3)铸型的发气和透气能力2.5铸件结构对充型能力的影响 (1)折算厚度 折算厚度(当量厚度或模数):铸件体积与表面积的比值。 （2）复杂程度3 液态金属的凝固与收缩 3.1铸件的凝固方式 铸件在凝固过程中一般要经历液相区、凝固区（两相区）和固相区。 铸件的凝固方式为： （1）逐层凝固 随着温度的下级，固体层不断加厚，液体不断减少，直到铸件全部凝固。 （2）糊状凝固 液态金属凝固过程中，铸件表面并不存在固体层，而是固液并存的凝固区贯穿整个凝固过程中。 （3）中间凝固 凝固方式介于逐层凝固与中间凝固之间。 大多数合金的凝固为中间凝固。3.2影响凝固的主要因素

5、 （1）合金的结晶温度范围 （2）铸件的温度梯度3.3合金的收缩 收缩:合金从液态冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。 合金的收缩分为：液态收缩、凝固收缩和固态收缩三种。3.4影响收缩的因素 （1）化学成分 （2）浇注温度 （3）铸件结构与铸型条件3.5 缩孔与缩松 (1)缩孔的形成 (2)缩松的形成3.6缩孔与缩松的防止 定向凝固:在铸件可能出现缩孔的热节处，采用增加冒口、冷铁的措施，使远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口部位最后凝固的凝固过程。4 液态成形内应力、变形与裂纹 液态成形的内应力分为:机械应力和热应力。4.1热应力 热应力:由于铸件厚度不均匀，各部分的冷却速

6、度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。4.2机械应力 机械应力：合金的线收缩受到铸件、型芯、浇注系统和冒口的机械阻碍作用而形成的应力。4.3 铸件的变形与防止 液态成形后，铸件中存在残余应力，使得零件有残余变形。 1、影响加工精度 2、影响尺寸稳定性 3、影响尺寸精度 防止变形的方法： 1、设计上采用中性轴对称法； 2、反变形法 3、高温热处理 4、机械振动法 5、时效处理法 自然时效：将铸件置于露天场地半年以上，使其在自然地气压和温度作用下，逐步缓慢变形，从而消除内应力。 人工时效： 将铸件加热到550650进行去应力退火。 4.4铸件的裂纹与防止 铸件易产生热裂纹与冷裂

7、纹。 热裂纹：在铸件凝固后期接近固液相线的高温下形成的裂纹。 特点：裂纹较短，裂纹缝隙较宽，形状曲折，裂纹内有氧化色。防止措施： 选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金。 提高铸型和型芯的退让性，减小机械应力。 合理设计浇注系统。 控制铸造合金中的硫、磷成分。 冷裂纹：在较低的温度下，因热应力和机械应力的综合作用，铸件的内应力超过了机械强度，这是产生的裂纹。特点：裂纹较细小，裂纹呈连续直线，裂纹内有金属光泽。 防止措施： 将铸件保温、缓冷，减少应力。 提高铸型和型芯的退让性，减小机械应力。 及时进行振动消除应力。4.5 液态成形件的质量与控制 液态成形件的缺陷: 气孔，粘砂，夹砂，白口，缩孔与缩

8、松，裂纹，化学成分及性能不合格，偏析。 铸件质量控制： 合理选择铸造合金和铸件结构 合理制定铸件技术要求 铸件质量检测二、铸件的生产工艺简介 1、 铸件的分类 铸铁可分为白口铸铁，灰铸铁，麻口铸铁。灰铸铁可分为：普通灰铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁和蠕墨铸铁。2、灰铸铁 （1）灰铸铁的化学成分与组织一般灰铸铁的化学成分为： C：2.6%3.6%, Si:1.2%3.0%, Mn:0.4%1.2%, S0.15， P0.3%。 灰铸铁的组织由基体与片状石墨组成。根据基体组织的不同可分为： a、铁素体灰铸铁 b、铁素体珠光体灰铸铁 c、珠光体灰铸铁 （2）灰铸铁的性能 抗拉强度低，为钢的2030，塑性及

9、冲击韧性接近0，但有良好的减震性，耐磨性，以及低的缺口敏感性。（3）影响铸铁组织和性能的因素 1）碳和硅的影响 2）硫和锰的影响 3）磷的影响 4）冷却速度的影响（4）灰铸铁的孕育处理 孕育铸铁：经孕育处理后的铸铁，在细晶珠光体的基体上均匀分布着细片状石墨。（5）灰铸铁的牌号选用 灰铸铁的牌号为HT和一组数字，数字表示抗拉强度。抗拉强度小于200MPa的为一般灰铸铁，大于250MPa的需经孕育处理，为要求高的重要铸件。3、可锻铸铁 可锻铸铁（玛钢或玛铁）：将白口铸铁经长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁中的渗碳体分解，获得铁素体或珠光体基体上分布着团絮状石墨的铸铁。 可锻铸铁分为：黑心可锻铸铁（

10、KTH），珠光体可锻铸铁（KTZ)和白心可锻铸铁(KTB)三种。 4、球墨铸铁 球墨铸铁：向高温的铁液中加入一定的球化剂和孕育剂，直接得到石墨的铸铁。 球墨铸铁的组织可分为：铁素体球墨铸铁，铁素体珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁。如：QT40018。5、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁：由铁液经蠕化处理和孕育处理后得到的铸铁。如：RT420。6、铸钢 ZG200400。表示屈服强度为200MPa，抗拉强度为400MPa。7、非铁合金铸件 1）铸造铜合金 2）铸造铝合金三、金属液态成形工艺 3.1砂型铸造 1、手工造型 2、机器造型 （1）震压造型 （2）微振压实造型 （3）高压造型 （4）抛砂造型 3、机器制

11、芯 （1）射芯机 （2）壳（吹）芯机 3 .2特种铸造 1、金属型铸造 金属型铸造：在重力作用下，将液态金属浇入金属铸型以获得铸件的成形方法。 (1)金属型的材料及结构 金属型的材料一般采用铸铁，要求较高的采用碳钢或合金钢。 (2)金属型的铸造工艺 1）加强金属型的排气。 2）在金属型的工件表面上喷刷涂料。 3）预热金属型并控制其温度。 4）及时开型。 （3)金属型铸造的特点及适用范围 1）金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。 2）铸件的表面质量、尺寸精度较高。 3）金属型可一型多铸。 4)易产生气孔、裂纹等铸造缺陷。 5）不易生产形状复杂，薄壁和大型铸件。 6）金属型的成本高，不适宜

12、单件、小批量生产。 2、熔模铸造 3、压力铸造 4、低压铸造 5、陶瓷型铸造 6、实型铸造（气化模铸造或消失模铸造）四、液态成形金属件的工艺设计 砂型铸造工艺设计：根据零件的结构特征，技术要求、生产批量和生产条件等因素，确定砂型铸造工艺方案。 具体包括：浇铸位置和分型面的选择，加工余量、起模斜度、收缩量的确定等。4.1铸造成形方案的选择 1、浇铸位置的确定 浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。 1）铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面。 2）铸件的大平面应朝下。 3）应将面积较大的薄壁部位朝下，或使其处于垂直或倾斜位置。 4）应将铸件的厚大位置朝上或侧放。2、分型面的选择 铸型分型

13、面：铸件相互结合的表面。 1）能保证模样能顺利从铸型中取出。 2）应尽量使铸件的全部或大部分位于同一砂箱。 3）应尽量减少分型面的数量。 4）应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。3、加工余量和铸孔按国标GB/T11350-89的规定。4、起模斜度 金属模0.5-1o，对木模13o 。 5、铸造圆角 6、铸造收缩率 灰铸铁0.7%1.0%，铸钢1.3%2.0%，铝硅合金0.8%1.2%，锡青铜1.2%1.4%。 4.2浇注系统 浇注系统由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道组成。第三部分 金属的塑性成形3.1 金属塑性成形的工艺基础3.1.1金属塑性成形工艺的种类 金属塑性成形:利用金属的塑性，使其改变形

14、状、尺寸和改善性能，获得一定形状和尺寸的原料、毛坯或零件的成形方法。 金属成形的方法主要有： 锻造，冲压，轧制，挤压，拉拔等。3.1.2 金属变形过程中的组织与性能 金属在外力的作用下发生弹性和塑性变形，只有属性变形才能用于成形加工。 1、冷变形后金属的组织与性能 冷变形：金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。（1）晶粒沿变形最大的方向被拉长，性能趋于各向异性（2）晶粒破碎，位错密度增加，产生冷变形强化（3）晶粒择优取向，形成变形织构（4）残余应力2、冷变形后金属在加热时组织与性能的变化 （1）回复 （2）再结晶3、热变形后金属的组织与性能（1）金属的致密度提高（2）组织细化，力学性能提高（3）

15、出现锻造流线，金属性能呈异向性。3.1.3合金的锻造性及影响成形的因素1、合金的成分及组织（1）化学成分（2）金属组织 纯金属、固溶体易塑性成形，碳化物难以塑性成形；铸造柱状晶和粗晶难于细小而均匀的晶粒组织。2、变形条件（1）变形温度 变形温度越高，金属的塑性越好，越有利于变形。（2）变形速度变形速度：单位时间内的变形程度。（3）应力状态（4）坯料表面质量 表面有划痕、微裂纹、粗大夹杂物，均不利于塑性成形。3.2金属塑性成形的方法3.2.1自由锻造3.2.2模膛锻造模膛锻造:利用模具使坯料变形而获得模锻件的锻造方法。3.2.2.1模锻的分类1、开式模锻2、闭式模锻3、多向模锻3.2.2.2锤上

16、模锻锻模结构1、制坯模膛（1）拔长模膛（2）滚压模膛（3）弯曲模膛2、模锻模膛（1）预锻模膛（2）终锻模膛3.3锻造工艺及结构设计3.3.1自由锻的锻造工艺3.3.2模锻的锻造工艺3.4薄板冲压成形工艺冲压工艺：使板料经分离或成形而得到制件得工艺，又称冷冲压。3.4.1冲压成形基本工序3.4.1.1分离工序分离工序:利用冲模或剪力使坯料分离的冲压方法。 主要包括切断、冲裁、整修等。1、切断 将板料沿不封闭曲线分离的一种方法。2、冲裁冲裁：利用冲模以封闭的轮廓与坯料分离的冲压方法。 其有：落料和冲孔两种形式。a、落料和冲孔的变形分离过程为： （1）弹性变形阶段 （2）塑性变形阶段 （3）断裂分离

17、阶段b、模具间隙模具间隙：凸模与凹模工作部分水平投影尺寸之间的间隙。 （1）模具间隙是影响落料或冲孔质量的主要原因。 （2）模具间隙是模具寿命的主要影响因素。 c、模具刃口尺寸的确定 （1）落料模具刃口尺寸的确定 （2）下料模具刃口尺寸的确定d、冲裁力的确定 FKLe、冲裁件的排样 3、整修整修：利用整修模沿冲裁件的外缘或内孔削去一层薄的材料，以提高冲裁件的加工精度和降低剪切面粗糙度的冲压方法。3.4.1.2 变形工序 1、弯曲 2、拉深（拉延） 3、翻边 4、缩口 5、压肋 6、膨胀3.3.3冲压成形件的结构工艺性 1、冲压件的形状与尺寸 2、冲压件的厚度 3、冲压件的精度和表面质量 4、简化工艺、节省材料、改进结构3.4金属塑性成形新技术简介3.4.1零件的轧制 1、纵轧 2、横轧 3、斜轧3.4.2零件的挤压 按金属的流动方向与凸模的运动方向分类 （1）正挤压 （2）反挤压 （3）复合挤压 （4）径向挤压按金属所具有的温度分类 （1）热挤压 （2）冷挤压 （3）温挤压3.4.3 精密模锻 1、精密模锻的分类 精密模锻可分为冷锻、温锻和热锻。 2、精密模锻工艺要点及主要技术措施 （1)精密下料 （2）少无