教学材料《机械制造技术》-3

情境3.1铸造我们经常在电影、电视画面上看到这样的情景：奔流的铁水如红色的火龙在飞腾，耀眼的钢花似无数的星星在闪烁……这就是壮观的铸造场面（如图３－１、图３－２所示）。什么是铸造？中国汉语词典的解释为：“将金属熔化成液体后浇入模子里，经冷却凝固、清理后获得所需形状的铸件的加工方法。能制成形状复杂的各类物件。”也就是说铸造是熔炼金属并将金属液浇入预先制备的铸型中，待金属液凝固后获得一定形状和性能铸件的方法。铸造成形实质上是利用金属在熔融状态下的流动性来实现成形的。为便于学习，我们先初步了解一些铸造的基本术语：下一页返回情境3.1铸造铸件———用铸造的方法得到的金属制件，一般作毛坯用。铸型———用型砂、金属或其他耐火材料制成；包括形成铸件形状的空腔、型芯和浇冒系统的组合整体。型腔———铸型中造型材料所包围的空腔部分。分型面———铸型组元间的接合面。模样———由木材、金属或其他材料制成，用来形成铸件的外部轮廓的工艺装备。芯盒———制造砂芯或其他耐火材料所用的装备。砂芯———为获得铸件的内孔或局部外形，用芯砂或其他材料制成的，安放在型腔内部的铸型组元。分模面———模样组元间的接合面。上一页下一页返回情境3.1铸造3.1.1铸造的特点及分类铸造在机械制造中应用十分广泛。机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件质量占６５％～８０％；汽车中铸件质量占１９％（轿车）～２３％（卡车）；农业机械中铸件质量占４０％～７０％。矿冶（钢、铁、非铁合金）、能源（火、水、核电等）、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中铸件都占很大的比重和起重要的作用。铸造具有以下特点。上一页下一页返回情境3.1铸造（１）成型方便适应性广：铸造法几乎不受铸件大小、厚薄和形状复杂程度的限制，铸造的壁厚可达０.３～１０００mm，长度从几毫米到十几米，质量从几克到３００吨以上。最适合生产形状复杂，特别是内腔复杂的零件，例如复杂的箱体、阀体、叶轮、发动机汽缸体、螺旋桨等。铸造法能采用的材料广，几乎凡能熔化成液态的合金材料均可用于铸造。如铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、镁合金、钛合金及锌合金等铸件。尤其对于有些脆性金属或合金材料（如各种铸铁件、有色合金铸件等）的零件毛坯，铸造几乎是唯一的加工方法。在工业生产中以铸铁件应用最广，约占铸件总产量的７０％以上。上一页下一页返回情境3.1铸造（２）铸件成本低廉：采用铸造的方法可大量利用废、旧金属材料和再生资源；与锻造相比，其动力消耗小；铸件有一定的尺寸精度，使加工余量小，节约加工工时和金属材料。（３）铸造生产过程复杂，工序较多，常出现缩孔、缩松、砂眼、冷隔、裂纹等铸造缺陷，质量不够稳定。和相同形状、尺寸的锻件相比，铸件的机械性能不及锻件，承受动载荷和冲击载荷的能力较差。（４）铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺更为严重，需要采取措施进行控制。上一页下一页返回情境3.1铸造根据铸型特点分类，铸造有一次型铸造（砂型铸造、熔模铸造、石膏型铸造、实型铸造等）、半永久型铸造（陶瓷型铸造、石墨型铸造等）、永久型铸造（金属型铸造、压力铸造、挤压铸造、离心铸造等）。根据浇注时金属液的驱动力及压力状态分类，有重力作用下的铸造和外力作用下的铸造。金属液在重力驱动下完成浇注称自由浇注或常压浇注（如砂型铸造、金属型铸造和熔模铸造）。金属液在外力作用下实现充填和补缩，如压力铸造、挤压铸造、离心铸造和反重力铸造等。上一页下一页返回情境3.1铸造一般习惯上我们将铸造分为砂型铸造和特种铸造（除砂型铸造外的其他类型铸造方法）两类。砂型铸造按型砂的类型分为湿砂型、干砂型和化学硬化砂型三类，按造型方法分为手工造型和机器造型两类。本书主要介绍砂型铸造的相关知识。上一页下一页返回情境3.1铸造3.1.2合金的铸造性能合金的铸造性能是指合金在铸造成形的过程中获得外形正确，内部无缺陷铸件的能力。它是影响铸件质量的主要因素，也是衡量各种铸造合金优劣的重要标志。合金的铸造性能包括流动性、收缩性、吸气性、氧化性和偏析等。本书仅介绍与铸件影响较大的流动性和收缩性。１.合金的流动性上一页下一页返回情境3.1铸造液态合金填充铸型的过程简称为充型。液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力称为液态合金的充型能力。液态合金的流动性越好其充型能力越强，便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。液态合金的流动性通常以“螺旋形试样”（图３－３）长度来进行衡量。在相同的浇注工艺条件下，将液态合金浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好。试验得知，在常用的铸造合金中，灰口铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。上一页下一页返回情境3.1铸造１）影响合金流动性的因素影响合金流动性的因素主要有化学成分、浇注条件和铸型填充条件等。（１）化学成分对合金流动性的影响。合金的流动性主要取决于它本身的化学成分。对于铁碳合金，离共晶点越远，结晶温度区间越宽，流动性就越差。换句话说，即亚共晶铸铁的流动性随含碳量的增加而提高；过共晶铸铁的流动性随含碳量的增加而下降。同样对于其他合金，合金的熔点越低，结晶温度区间越小，合金的流动性越好，反之则反。上一页下一页返回情境3.1铸造图３－４（a）为共晶成分合金，液态合金从表面逐层向中心凝固，其已结晶的固体内表面比较光滑，对金属液的阻力较小，因此其流动性好；图３－４（b）

为非共晶成分合金，因为存在液固并存区，因此流动性差。（２）浇注条件对合金流动性的影响。①浇注温度。指的是浇注时熔融合金的温度，一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。浇注温度越高，合金的粘度下降，且因过热度高，合金在铸型中保持流动的时间长，故充型能力强；反之，充型能力差。上一页下一页返回情境3.1铸造但浇注温度也不是越高越好，否则容易造成氧化、吸气、过收缩、粘砂、胀砂等不良后果。所以，每种合金有自己的合理浇注温度范围。通常铸钢的浇注温度为１５２０℃～１６２０℃，灰口铸铁为１２００℃～１３８０℃，铝合金为６８０℃～７８０℃。②充型压力。液态金属在流动方向上受的压力越大，其流动性越好。砂型铸造时，充型压力是由直浇道所产生的静压力取得的，故直浇道的高度必须适当。在压力铸造、低压铸造和离心铸造时，因充型压力主要由外力提供，所以充型能力较强。（３）铸型填充条件对合金流动性的影响。铸型中凡是增加金属流动阻力和冷却速度的因素，均会使合金的流动性降低，主要包括如下因素：上一页下一页返回情境3.1铸造①铸型的蓄热能力。指铸型从金属中吸收和贮存热量的能力。铸型材料导热系数越小，传递热量的速度越慢，液态合金保温效果越好，流动性也越好。砂型蓄热能力比金属型好，故金属型铸造较砂型铸造容易产生浇不足等缺陷。②铸型的预热温度。把铸型预热到适当温度，可以减少铸型和液体合金之间的温差，从而减缓合金冷却速度，提高合金流动性。③铸件的结构。当铸件壁厚过小，有大的水平面等结构时都使金属液的流动阻力增大。浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。上一页下一页返回情境3.1铸造④铸型的透气性。高温液态合金浇入铸型时，巨大的热量会使铸型中的气体膨胀，型砂中的少量水分还会汽化，煤粉、木屑等有机物会燃烧产生大量的气体，这些气体会使型腔中的压力急剧升高，阻碍液态合金流动，降低合金流动性。因此，铸型需有良好的透气性。生产上常采用在远离浇口的最高部位开设出气口的办法来提高铸型透气性。２）合金流动性不足造成的产品缺陷在液态合金的充型过程中，有时伴随着结晶现象。如果合金流动性不好，在型腔被充满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞、金属液被迫停止流动，容易造成浇不足或冷隔等缺陷，不能形成符合要求的优质铸件。上一页下一页返回情境3.1铸造浇不足使得铸件不能获得完整的形状，如图３－５所示。冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的垂直接缝，铸件的机械性能严重受损，如图３－６所示。２.合金的收缩性收缩。液态合金从浇入铸型、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸的缩减现象。铸件的收缩是一种物理属性，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷的根本原因。合金的收缩经历如下三个阶段：液态收缩———从浇注温度到凝固开始温度（即液相线温度）间的收缩。上一页下一页返回情境3.1铸造凝固收缩———从凝固开始温度到凝固终止温度（即固相线温度）间的收缩。固态收缩———从凝固终止温度到室温间的收缩。合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，常用单位体积收缩量（即体收缩率）来表示。合金的固态收缩不仅引起合金体积上的缩减，同时还使铸件在尺寸上缩减，因此常用单位长度上的收缩量（即线收缩率）来表示。浇注温度越高，液态收缩越大；材料的结晶温度范围越大，凝固收缩越大；材料收缩率越大，铸件的收缩也越大。１）缩孔与缩松的形成上一页下一页返回情境3.1铸造①缩孔。集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞。缩孔多呈倒锥形，内表面粗糙，一般隐藏在铸件的内部。但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显的凹坑，见图３－７。缩孔的形成过程见图３－８。液态合金填满铸型型腔［图中（a）］后，由于铸型的吸热，靠近型腔表面的金属很快凝结成一层外壳［图中（b）］。随着温度下降，外壳继续加厚，内部液体因液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积缩减、液面下降，使铸件内部出现空隙［图中（c）］。直到内部完全凝固，在铸件上部形成了缩孔［图中（d）］。已经产生缩孔的铸件继续冷却到室温时，因固态收缩使铸件的外部轮廓尺寸略有缩小［图中（e）］。上一页下一页返回情境3.1铸造②缩松。分散在铸件某区域内的细小缩孔。缩松的形成原因也是由于最后凝固区域的收缩未能得到补偿，或者因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所致。缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的小孔洞，多分布在铸件中心轴线处或缩孔下方（图３－７）。显微缩孔是分布在晶粒之间的微小孔洞，要用显微镜才能观察出来。２）缩孔与缩松的防止缩孔和缩松都使得铸件的机械性能下降，均属于铸件的重要缺陷，必须根据技术要求、采取适当的工艺措施予以防止。因为收缩是铸件的物理属性，无法彻底消除，防止的基本原则是将缺陷转移到铸件的外部，保证在铸件的内部形成致密的结构，即采用“顺序凝固”原则。上一页下一页返回情境3.1铸造所谓“顺序凝固”，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位（如图３－９中Ⅲ）通过安放冒口等工艺措施，使得铸件上远离冒口的部位先凝固（如图３－９中Ⅰ），然后是靠近冒口部位凝固（图３－９中Ⅱ、Ⅲ），最后才是冒口本身的凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充，后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充，从而使得铸件各个部位的收缩都能够得到补充，而将缩孔转移到冒口之中。冒口为铸件的多余部分，在铸件清理时将其去除。上一页下一页返回情境3.1铸造由于冷铁加快了凸台的冷却速度，使得厚度较大的凸台反而最先凝固，从而实现了自下而上的顺序凝固，防止了凸台处缩孔、缩松的产生。冷铁仅是加快某些部位的冷却速度，以控制铸件的顺序凝固，其本身并不起补缩的作用，通常采用钢或铸铁制作。安放冒口和冷铁、采用顺序凝固，虽然可以有效地防止缩孔和缩松，但耗费了较多的金属和工时，加大了铸造成本。同时，顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，促进了铸件的变形和裂纹倾向。因此，主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铝硅合金和铸钢件等。为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，还可在铸件上某些厚大部位增设冷铁（如图３－１０）。上一页下一页返回情境3.1铸造在多种合金可以选择的情况下，由于结晶温度区间小的合金收缩较小，故应优先选用以尽量避免缩孔和缩松的发生。3.1.3砂型铸造砂型铸造是一种将液体金属浇入到砂质铸型中，待其冷却、凝固后，将砂型破坏取出铸件的铸造方法。砂型铸造是应用最广泛的一种传统铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种合金铸件的生产。掌握砂型铸造是合理选择铸造方法和正确设计铸件的基础。１.砂型铸造的工艺过程砂型铸造的工艺过程一般包括制模→配砂→造型芯→烘干→下型芯→合箱→熔化金属→浇注→清理→检验。如图３－１１所示。上一页下一页返回情境3.1铸造２.造型材料制造铸型或型芯用的材料，称为造型材料。一般指砂型铸造用的材料，包括型（芯）砂、有机或无机黏结剂、水和其他附加物。型（芯）砂的质量直接影响铸件的质量，型砂质量不好会使铸件产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷。良好的型砂必须具备以下性能：（１）强度。指型（芯）砂在制造、搬运及浇注时，不至于破坏的能力。强度过低，易造成塌箱、砂眼等缺陷；强度过高，易使型砂透气性和退让性变差。上一页下一页返回情境3.1铸造（２）透气性。指砂型由于本身各砂粒间存在的空隙所具有让气体通过的能力。当液体金属浇入铸型后，在高温作用下，铸型中的水分和有机物的蒸发分解、燃烧产生大量的气体，在液体金属凝固过程中，将熔化时吸入的气体大量排出。当金属充满铸型时，铸型空腔存在的气体和浇注时随金属液卷入型腔的气体也全部都排出，所以，如果砂型的透气性不好，导致气体不能顺利排出，就会产生气孔。（３）可塑性。指型（芯）砂在外力作用下，能形成一定形状，当外力去掉后，仍能保持此形状的能力。如果型（芯）砂的可塑性好，就可使铸型能保持清楚的模型轮廓。（４）耐火性。指型（芯）砂在承受高温作用下，不软化、不烧结的能力。如果耐火性不好，各砂粒易破碎，导致型芯砂透气不好。上一页下一页返回情境3.1铸造并且，型（芯）砂不能反复使用。（５）可让性。指铸件在凝固冷却收缩时，铸型能被压坏而不阻碍收缩的能力。如果可让性不好，铸件受阻，产生内应力，就会使铸件产生变形及裂纹等缺陷。３.造型方法用造型材料，按照模样形状制造铸型的过程叫做造型，是砂型铸造中最基本的工序。按紧实型砂的方法，造型方法可分为手工造型和机械造型两大类。１）手工造型上一页下一页返回情境3.1铸造手工造型是紧砂、起模用手工进行的造型方法。其操作灵活，大小铸件均可采用。手工造型可以制造出外廓复杂、难以起模的铸件。对模具的要求不高，一般采用成本较低的实体木模，对于尺寸较大的回转体或等截面铸件还可以采用成本很低的刮板来造型。手工造型对砂箱的要求也不高，如不需严格的配套和机械加工，较大的铸件还可采用地坑来取代下箱，这样可减少砂箱费用，并缩短了生产准备时间。因此，尽管手工造型生产率低，对工人技术水平要求较高，而且铸件的尺寸精度及表面质量较差，但在实际生产中仍是难以完全取代的重要工艺方法。手工造型主要用于单件、小批量生产，有时也可用于较大批量的生产。其常用工具见图３－１２。上一页下一页返回情境3.1铸造手工造型的方式有很多，常见的有整模两箱造型、两箱分模造型、三箱分模造型、挖砂造型、活块造型等。（１）整模两箱造型。对于形状简单，最大截面在一端，且为平面的铸件应采用整模造型。整模造型操作简便，造型时整个模样全部置于一个砂箱内，分型面与分模面多为同一平面，不会出现错箱缺陷，铸件形状、尺寸精度较高。如图３－１３所示。（２）两箱分模造型。两箱分模造型适用于形状较复杂且有良好对称面的铸件（最大截面在中部）（见图３－１４）。模样从最大截面处分为两半部分（用销钉定位）。造型时模样分别置于上、下砂箱中，分模面与分型面位置相重合。上一页下一页返回情境3.1铸造两箱分模造型广泛用于形状比较复杂的铸件生产，如水管、轴套、阀体等有孔铸件。其造型方便，应用较广，缺点是制作模样较麻烦，若砂箱定位不准，夹持不牢，易产生错箱，影响铸件精度，且铸件沿分型面还会产生披缝，影响铸件表面质量，清理也费时。（３）三箱分模造型。当铸件形状为两端截面大、中间截面小，如带轮、槽轮、车床四方刀架等，为保证顺利起模，应采用三箱分模造型（见图３－１５）。三箱分模造型的特点是：模样必须是分开的，以便从中型内取出模样；上一页下一页返回情境3.1铸造三箱造型的关键是选配合适的中箱，中箱上、下两面都是分型面，且其高度与中箱的模样高度相近；造型过程复杂，生产率低，易产生错箱缺陷，故仅用于形状复杂、不能用两箱造型的单件小批量铸件生产。（４）挖砂造型。当铸件的外部轮廓为曲面（如手轮等）其最大截面不在端部，且模样又不宜分成两半时，应将模样做成整体，造型时挖掉妨碍取出模样的那部分型砂，这种造型方法称为挖砂造型（见图３－１６）。挖砂造型的分型面为曲面，造型时为了保证顺利起模，必须把砂挖到模样最大截面处。由于是手工挖砂，操作技术要求高，生产效率低，只适用于单件、小批量生产。上一页下一页返回情境3.1铸造（５）活块造型。铸件上妨碍起模的部分（如凸台、筋条等）做成活块，用销子或燕尾结构使活块与模样主体形成可拆连接。起模时先取出模样主体，活块模仍留在铸型中，起模后再从侧面取出活块的造型方法称为活块模造型（见图３－１７）。活块模造型主要用于带有突出部分而妨碍起模的铸件、单件小批量、手工造型的场合。如果这类铸件批量大，需要机器造型时，可以用砂芯形成妨碍起模的那部分轮廓。２）机械造型上一页下一页返回情境3.1铸造随着现代化大生产的发展，机械造型已代替了大部分的手工造型，它不但生产率高，而且质量稳定，是成批生产铸件的主要方法。机械造型的实质是用机器进行紧砂和起模，根据紧砂的起模方式的不同，有各种不同种类的造型机。常用的机器造型方法的主要特点和适用范围见表３－１。上一页下一页返回情境3.1铸造3.1.4特种铸造特种铸造是一种不用砂或少用砂，采用特殊工艺设备使铸件成形，可获得表面光洁、尺寸精确和机械性能更高的铸件的方法。这是一种在铸型材料、浇注方式、金属充填铸型的形式及铸件的凝固条件等方面，区别于砂型铸造的某些特殊方法。本书主要介绍几种常用的特种铸造方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造等。１.熔模铸造上一页下一页返回情境3.1铸造熔模铸造又称失蜡铸造或精密铸造。它是用易熔材料（如蜡料）制成模样并组装成蜡模组，然后在模样表面上反复涂覆多层耐火涂料制成模壳，待模壳硬化和干燥后将蜡模熔去，模壳再经高温焙烧后浇注获得铸件的一种铸造方法。熔模铸造工艺过程，如图３－１８所示。最适合２５kg以下的高熔点、难以切削加工合金铸件的成批大量生产。熔模铸造的特点和适用范围：铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达Ｉt１１～Ｉt１３，表面粗糙度Ｒa值达１.６～１２.５μm；合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等；上一页下一页返回情境3.1铸造可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于３mm的凹槽、直径大于２mm的小孔均可直接铸出；工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有精度。２.金属型铸造将液态金属浇入用金属材料制成的铸型而获得铸件的方法，称为金属型铸造（图３－１９）。金属铸型可反复使用，又称为永久型铸造或硬模铸造。金属型一般用耐热铸铁或耐热钢做成。１）金属型铸造的优点金属型导热快，铸件冷却迅速，晶粒细小，其力学性能比砂型铸件高；上一页下一页返回情境3.1铸造铸件的精度和表面质量比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定；液体金属耗量减少，一般可节约１５％～３０％；不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料８０％～１００％；生产率高，劳动条件得到改善。２）金属型铸造的缺点铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制；铸型不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不到、开裂或铸铁件产生白口等缺陷；金属型制造成本高、生产周期长。上一页下一页返回情境3.1铸造３.压力铸造金属液在高压下高速充填铸模型腔，并在压力下凝固成形的办法，称为压力铸造，简称压铸。压力铸造是在压铸机上进行的。压力铸造的充型压力一般在几mＰa到几十mＰa。图３－２０为压力铸造工艺过程示意图。１）压力铸造的优点铸件的尺寸精度高，表面粗糙度小，尺寸公差Ｉt１１～Ｉt１５，粗糙度３.２μm～０.８μm；可压铸形状复杂的薄壁精密铸件，如可直接铸出螺纹、齿形；压铸件在高压下结晶，组织致密，力学性能好，其强度比砂型铸件提高２５％～４０％；生产率很高，生产过程易于机械化和自动化。上一页下一页返回情境3.1铸造２）压力铸造的缺点压铸时，高速液流会包住大量空气，凝固后在铸件表皮下形成许多气孔，故不能太多加工和热处理；设备投资大，生产准备周期长，只适于大批量生产。４.离心铸造将金属液浇入旋转的铸型中，使之在离心力作用下充填铸型并凝固成形的铸造方法，称为离心铸造。根据铸型旋转空间位置的不同，常用的离心铸造机有立式和卧式两类。铸型绕垂直轴旋转的称为立式离心铸造，铸型绕水平轴旋转的称为卧式离心铸造。如图３－２１表示离心铸造的铸件成形过程。上一页下一页返回情境3.1铸造离心铸造的特点和应用范围：铸件组织致密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好；铸造中空铸件时，可不用型芯和浇注系统，大大简化了生产过程，节约金属；便于制造双金属铸件，如钢套镶铜轴承；离心力作用下，金属液的充型能力得到提高，可浇注流动性较差的合金铸件和薄壁铸件，如涡轮、叶轮等；铸件易偏析（合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象），内孔不准确，内表面较粗糙。上一页下一页返回情境3.1铸造3.1.5铸件常见缺陷分析铸造工艺过程复杂，影响铸件质量的因素很多，往往由于原材料控制不严，工艺方案不合理，生产操作不当，管理制度不完善等原因，会使铸件产生各种铸造缺陷。铸件常见的缺陷分析表３－２。上一页返回情境３.２锻压锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。锻压又分为自由锻和模锻两类，都是制造受载大的重要零件所用的热加工方法；冲压则主要是指利用模具制造薄板零件的冷加工方法。金属锻压成形在机械制造、汽车、拖拉机、仪表、电子、造船、冶金及国防等工业中都有着广泛的应用。以汽车为例，汽车上７０％左右的零件是利用锻压加工成形的。下一页返回情境３.２锻压3.2.1锻压基础知识塑性变形是锻压成形的基础。大多数钢和有色金属及合金都有一定的塑性，它们均可在热态或常温下进行锻压成形。我们首先必须初步了解金属塑性变形的基础知识。１.金属塑性加工方法及锻压加工特点１）金属塑性加工方法金属的塑性加工方法包括以下六种（见图３－２２）：①轧制。使金属坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，改变其性能，获得所要求的截面形状的加工方法；上一页下一页返回情境３.２锻压②挤压。将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出，横截面积减小，获得所需制品的加工方法；③拉拔。坯料在牵引力作用下通过拉拔模的模孔拉出，产生塑性变形，得到截面细小、长度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷态下进行；④自由锻。用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间，使坯料受冲击力作用而变形，获得所需形状的锻件的加工方法；⑤模锻。利用模具使金属坯料在模膛内受冲击力或压力作用，产生塑性变形而获得锻件的加工方法；⑥板料冲压。用冲模使板料经分离或成形得到锻件的加工方法。上一页下一页返回情境３.２锻压在上述的六种金属塑性加工方法中，轧制、挤压和拉拔主要用于生产型材、板材、线材、带材等；自由锻、模锻和板料冲压主要用于生产毛坯或零件。①锻压加工后，可使金属获得较细密的晶粒，可以压合铸造组织内部的气孔等缺陷，并能合理控制金属纤维方向，使纤维方向与应力方向一致，以提高零件的性能；②锻压加工后，坯料的形状和尺寸发生改变而其体积基本不变，与切削加工相比，可节约金属材料和加工工时；③除自由锻造外，其他锻压方法如模锻、冲压等都有较高的劳动生产率；上一页下一页返回情境３.２锻压④能加工各种形状、重量的零件，使用范围广；⑤不能加工脆性材料和形状特别复杂或体积特别大的零件或毛坯。２.金属塑性变形的实质金属在外力作用下，使其内部产生应力。此应力迫使原子离开原来的平衡位置，从而改变了原子间的相互距离，使金属发生变形，并引起原子位能的增高。但处于高位能的原子具有返回原来低位能平衡位置的倾向。因而当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。金属的这种变形称为弹性变形。当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服极限后，外力停止作用，金属的变形也并不消失。这种变形称为塑性变形。上一页下一页返回情境３.２锻压金属塑性变形是金属晶体每个晶粒内部的变形和晶粒间的相对移动、晶粒的转动的综合结果。其实质是金属在切应力作用下，金属晶体内部产生大量位错运动的宏观表现。由于晶界的存在和各个晶粒的位向不同以及其他晶体缺陷等因素，使得各晶粒的塑性变形相互受到阻碍与制约，塑性变形的同时也导致了金属的强化。３.金属的冷变形和热变形上一页下一页返回情境３.２锻压（１）冷变形。在再结晶温度以下的塑性变形称为冷变形。如钢在常温下的冷冲压、冷轧制、冷挤压等。在变形过程中，有冷变形强化过程而无再结晶过程；冷变形工件没有氧化皮，可获得较小的表面粗糙度和较高的硬度与强度。由于冷变形金属存在残余应力和塑性差等不足，因此常常需要经过退火才能继续变形。（２）热变形。在再结晶温度以上的变形称为热变形。变形后具有再结晶组织，而无冷作硬化痕迹。如热锻、热轧、热挤压等。只有在热变形的情况下，才能以较小的功获得较大的变形，同时还能获得具有较高力学性能的再结晶组织。因此，在锻造生产中，大量采用的是热变形。但高温下，金属容易产生氧化皮，所以制件的尺寸精度低、表面粗糙。上一页下一页返回情境３.２锻压４.金属的可锻性金属的锻造性能（可锻性）是衡量材料在经受压力加工时获得优质零件难易程度的一项工艺性能。金属锻造性能的优劣常用金属的塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。金属的塑性越好，变形抗力越小，则金属的锻压性能越好，反之则差。金属的锻压性能不但与其化学成分和组织有关，而且与金属的变形条件，如变形温度、变形速度及应力状态等有关。１）化学成分的影响一般情况下，纯金属的塑性成形性优于合金，合金中合金元素含量越多，塑性成形性越差。钢中碳含量、合金元素含量越多，塑性成形性越差。上一页下一页返回情境３.２锻压硫易使钢产生热脆，磷易使钢产生冷脆，都会使钢的塑性成形性降低。２）金属组织的影响同样的化学成分，固溶体组织的塑性成形性优于机械混合物；细晶组织的塑性成形性优于粗晶组织；热成形组织的塑性成形性优于冷成形组织和铸态组织。３）变形温度的影响一般说来，随着变形温度的升高，金属的变形抗力降低而塑性提高。这是由于原子的热运动增强，有利于滑移变形和再结晶。但过高的变形温度会使金属的加热缺陷和烧损增多。４）变形速度及应力状态的影响变形速度：指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。上一页下一页返回情境３.２锻压变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好（见图３－２３）。不同压力加工方法，金属内部的应力状态是不同的。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力则使塑性变形降低，因为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。５.金属锻造的加热与冷却１）坯料的加热上一页下一页返回情境３.２锻压金属坯料在锻造之前的加热是为了提高坯料的塑性、降低变形抗力，改善锻压性能。金属在锻造时，允许加热到的最高温度称为始锻温度，始锻温度过高会使坯料产生过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷，造成废品。金属停止锻造的温度叫做终锻温度，终锻温度过低，塑性下降，变形抗力增大，当降到一定温度的时候，不仅变形困难，而且容易开裂，必须停止锻造，重新加热后再锻。锻件由始锻温度到终锻温度的温度区间称为锻造温度范围。常见金属的锻造温度范围见表３－３。２）坯料的冷却上一页下一页返回情境３.２锻压锻件在锻造后的冷却对锻件质量有重要影响。为防止在冷却过程中锻件表面产生硬化、变形或开裂，应注意使锻件各部分均匀地冷却。锻造好的毛坯冷却至常温的方法主要有如下几种：（１）空冷。将锻造好的热态锻件放置在干燥的地面上，在空气中冷却。此方法成本最低，但只适用于含碳量较低的低合金小型锻件。（２）炉冷。锻件锻后立即放入加热炉中随炉缓慢冷却。此方法的冷却速度最慢，适用于某些单件大型合金钢或高碳钢锻件。（３）坑冷。将锻件放在充填有石棉灰、干砂或炉灰等材料的坑中或堆在一起冷却（故又称堆冷）。此方法冷却速度大大低于空冷，适用于中碳钢或含碳与合金元素较多的中小型锻件。上一页下一页返回情境３.２锻压3.2.2自由锻自由锻是在铁砧上或锻压机器的上、下砧铁之间，利用冲击力或压力使金属坯料产生塑性变形，以获得所需几何形状及内部质量锻件的锻造方法（见图３－２４、图３－２５）。前者称为手工自由锻（见图３－２４），后者称为机器自由锻（简称机锻）（见图３－２５），机锻是自由锻的主要方法。由于坯料的变形是在两砧铁之间作自由流动的，故称自由锻。由于锻件是自由变形，所以锻件的形状和尺寸主要由工人的操作技术来保证。１.自由锻的特点及主要应用上一页下一页返回情境３.２锻压自由锻的设备和工具有很大的通用性且工具简单，成本低；生产周期短，应用广泛（锻件的重量可以从不足１千克到数百吨）；适应性强，自由锻是大型锻件的唯一加工方法。自由锻其锻件的精度较低，加工余量大，劳动强度大，生产率低，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证。自由锻主要应用于单件、小批量生产，大型锻件的生产，修配，新产品的试制等。２.自由锻的常用工具与设备机器自由锻所用设备通常有空气锤、蒸汽－空气锤及水压机等。１）空气锤上一页下一页返回情境３.２锻压空气锤是生产小型锻件的通用设备，其外形及工作原理如图３－２６所示。电动机通过减速机构带动曲柄连杆机构转动，曲柄连杆机构把电动机的旋转运动转化为压缩活塞的上下往复运动，压缩活塞通过上下旋阀将压缩空气压入工作缸的下部或上部，推动落下部分的升降运动，实现锤头对锻件的打击。空气锤的特点是结构简单，操作方便，维护容易，但吨位较小，只能用来锻造１００kg以下的小型锻件。２）蒸汽－空气锤蒸汽－空气锤是生产大、中型锻件的常用设备，如图３－２７所示。上一页下一页返回情境３.２锻压蒸汽－空气锤采用蒸汽和压缩空气作为动力，其吨位稍大，可用来生产质量小于１５００kg的锻件。３）水压机水压机通过产生静压力使金属坯料变形。目前大型水压机可达万吨以上，能锻造３００吨的锻件。由于静压力作用时间长，容易达到较大的锻透深度，故水压机锻造可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。水压机是大型锻件的唯一成形设备，大型先进水压机的生产常标志着一个国家工业技术水平发达的程度。另外，水压机工作平稳，金属变形过程中无振动、噪声小、劳动条件较好。但液压机设备庞大、造价高，见图３－２８。手工自由锻所用工具见图３－２９。上一页下一页返回情境３.２锻压３.自由锻的基本工序自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。１）基本工序改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等。最常用的是镦粗、拔长、冲孔。①镦粗。使坯料高度减小，横截面积增大的锻造工序称为镦粗（图３－３０，左图为完全镦粗，右图为端部镦粗）。镦粗常用于锻造齿轮坯、凸轮坯、圆盘形锻件。对于环、套筒等空心锻件，镦粗变形往往作为冲孔前的预备工序。②拔长。沿垂直于工件的轴向进行锻打，以使其截面积减小，而长度增加的锻造工序称为拔长，如图３－３１所示。上一页下一页返回情境３.２锻压常用于锻造轴类和杆类等零件。③冲孔。利用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的锻造工序称为冲孔。常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件，对于直径小于２５mm的孔一般不锻出，而是采用钻削的方法进行加工。④弯曲。使坯料轴线产生一定曲率的工序。⑤扭转。使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。⑥错移。使坯料的一部分相对于另一部分平移错开，但仍保持轴心平行的工序。它是生产曲拐或曲轴类锻件所必须的工序。⑦切割。分割坯料或切除锻件余量的工序。上一页下一页返回情境３.２锻压⑧锻接。将两分离工件加热到高温，在锻压设备产生的冲击力或压力作用下，使两者在固相状态下结合成一牢固整体的工序。实际生产中最常用的是镦粗、拔长、冲孔三个基本工序。２）辅助工序为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如压钳口、倒棱和切肩。３）精整工序上一页下一页返回情境３.２锻压修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲。４.自由锻锻件分类及其锻造工序生产中通常将自由锻锻件分为６种基本类型，其形状特征及其主要锻造工序如表３－４所示。上一页下一页返回情境３.２锻压3.2.3模锻在模锻设备上，利用高强度锻模，使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的加工方法称为模锻。在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时可获得与模膛形状相符的模锻件。１.模锻的特点及主要应用模锻与自由锻相比，具有以下特点：（１）生产效率较高。模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状；（２）能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命；上一页下一页返回情境３.２锻压（３）模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小；（４）节省金属材料，减少切削加工工作量。在批量足够的条件下，能降低零件成本；（５）模锻操作简单，劳动强度低；（６）模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在１５０kg以下。模锻设备投资较大，模具费用较昂贵，工艺灵活性较差，生产准备周期较长。因此，模锻适合于小型锻件的大批量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。２.模锻的分类根据所用设备的不同，模锻可以分为锤上模锻、曲柄压力机上模锻、平锻机上模锻和摩擦压力机上模锻。上一页下一页返回情境３.２锻压其中锤上模锻是较为常用的模锻方法。本书主要介绍锤上模锻。３.锤上模锻锤上模锻所用设备主要是蒸气—空气模锻锤。锻模结构如图３－３２所示，由上模和下模组成。上模靠楔铁紧固在锤头上，随锤头一起作上下往复运动；下模用紧固楔铁固定在模垫上。上下模合在一起其中间部形成的空间为模膛。根据功用不同，锻模模膛分为制坯模膛和模锻模膛。制坯模膛是用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻件形状的模膛。制坯模膛包括拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、切断模膛等（见图３－３３～图３－３５所示）(图3--34)。上一页下一页返回情境３.２锻压模锻模膛是用于模锻件成形的模膛。可分为预锻模膛和终锻模膛。根据模锻件的复杂程度不同，锻模又分单膛锻模和多膛锻模。单膛锻模是在一副锻模上只有终锻模膛，如齿轮坯模锻件，就可将截下的圆柱形坯料直接放入单膛锻模中成形。多膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模，如弯曲连杆模锻件的锻模即为多膛锻模（图３－３６）。４.模膛设计注意事项（１）分型面。要保证模锻件能从模膛中取出；上下两模沿分模面的模膛轮廓一致；分模面能使模膛深度最浅；分模面为平面，使上下锻模的模膛深度一致。上一页下一页返回情境３.２锻压（２）确定余块。零件上难以锻出的部分，需添加余块；需锻出的孔须留连皮，以减少模膛凸出部位的磨损。连皮厚度通常为４～８mm。（３）模锻斜度。为了使锻件易于从模膛中取出，锻件与模膛侧壁接触部分需带一定斜度，称为模锻斜度。外壁斜度通常为７°，特殊情况可用５°和１０°；内壁斜度应较外壁斜度大２°～３°。（４）模锻圆角半径。锻件上的转角处须采用圆角，以利于金属充满模膛和提高锻模寿命。凸圆角半径为单面加工余量加成品零件的圆角半径（或倒角值），凹圆角半径为：Ｒ＝（２～３）式中Ｒ———凹圆角半径；ｒ———凸圆角半径。上一页下一页返回情境３.２锻压3.2.4板料冲压在冲压设备上，通过冲压模具对板料施加压力，使板料产生分离或成形，得到预定制件的形状和尺寸的一种少无切削加工工艺方法。毛坯可以是金属材料或者非金属材料。由于常在常温下进行，故又称为冷冲压，只有当板料厚度超过８mm时，才采用热冲压。１.板料冲压的特点及主要应用板料冲压和其他加工方法相比具有如下特点：（１）板料冲压时，原材料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力，金属板料经过冷变形强化作用，提高了其强度和刚度。常用的冲压板料主要是低碳钢、奥氏体、不锈钢以及铜、铝等有色金属；上一页下一页返回情境３.２锻压（２）冲压件尺寸精度高，互换性好，冲压后一般不再进行机械加工，或者只进行一些钳工修整，即可作为零件使用；（３）冲压件的重量轻、强度和刚度好，有利于减轻结构重量；（４）冲压生产操作简单，便于实现机械化和自动化，生产率高；（５）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高。因此，只有在大批量生产的条件下，采用冲压加工才是经济合理的；（６）板料冲压是一种高质量、高效率、低能耗、低成本的加工方法。它在现代工业的许多部门都得到广泛的应用，特别在汽车、拖拉机、航空、电机、电器、无线电、仪器仪表、兵器以及日用品生产等工业部门中占有重要的地位。上一页下一页返回情境３.２锻压２.板料冲压的常用设备冲压生产中常用的设备有剪床（图３－３８）和冲床（图３－３９）。剪床用来把板料剪成一定宽度的条料，以供下一步的冲压工序用。冲床用来实现冲压工序，制成所需形状和尺寸的成品零件。３.冲压模具冲压模具是冲压生产中必不可少的工艺装备，按冲压工序的组合程度不同可分为简单冲模（图３－３７）、连续冲模（图３－４０）和复合冲模（图３－４１）三种。上一页下一页返回情境３.２锻压４.冲压的基本工序板料冲压工序可分为分离工序和变形工序两大类。１）分离工序分离工序是将坯料的一部分和另一部分切断分离的工序。如落料、冲孔、修整、剪切等。①剪切。用剪刀或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序。②落料和冲孔。将板料沿封闭轮廓分离的工序称为落料或冲孔，统称为冲裁。这两个工序的模具结构与坯料变形过程基本相同。但落料是被分离的材料中间部分为成品，周边部分是废料；冲孔是被分离的部分为废料，而周边部分是带孔的成品。上一页下一页返回情境３.２锻压２）变形工序变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生塑性变形而不破坏的工序。如弯曲、拉深、翻边和成型等。①弯曲。使坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序称为弯曲，如图３－４２所示。②拉深。使坯料变形成开口空心零件的工序称为拉深，如图３－４３所示。上一页下一页返回情境３.２锻压3.2.5锻造工艺图３－４４为齿轮自由锻零件图，材料为４５钢，生产数量２０件，由于生产批量小，应采取自由锻。齿轮自由锻造整个过程包括确定其结构工艺性、工艺规程制定和自由锻锻件的检验等。１.自由锻件的结构工艺性自由锻零件的结构工艺性具体要求见表３－５。本齿轮的结构工艺性较好，满足自由锻件的设计，适合自由锻成形。２.制订自由锻件的工艺规程上一页下一页返回情境３.２锻压自由锻工艺规程的主要内容包括：根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量和尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料加热规范和填写工艺卡片等。１）绘制锻件图锻件图是制定锻造工艺和检验的依据，绘制时主要考虑工艺余块、余量及锻件公差。为了便于了解零件的尺寸和检查锻件的实际加工余量，在图上用双点划线（或细实线）画出零件的轮廓形状。用粗实线画出锻件的轮廓形状，在尺寸线上面标注锻件的尺寸和公差，下面标注零件的名义尺寸，并加括号。上一页下一页返回情境３.２锻压标注零件的名义尺寸，并加括号。①工艺余块。难以用自由锻锻出，添加一部分金属以简化锻件形状，这部分添加的金属称为工艺余块，它将在切削加工时去除。齿轮上的齿形、小的凹槽、凸肩以及轮辐上８个Φ３０的孔都是自由锻难以锻出的，应加余块。②加工余量。零件表面要留加工余量。余量大小与零件形状、尺寸等因素有关，数值可查有关国家标准。③锻件公差。是锻件名义尺寸的允许变动量。公差的数值可查有关国家标准，通常为加工余量的１／４～１／３。上一页下一页返回情境３.２锻压查表３－６（带孔圆盘类锻件机械加工余量与锻造公差Ｊb４２４９—８６）得锻件的加工余量和公差为a＝１０±４，b＝９±３，c＝１３±５（a：外径尺寸增加余量，b：厚度方向增加余量，c：内径方向增加尺寸）。于是便可绘制锻件图，如图３－４５所示。２）计算坯料的质量和尺寸

m锻＝Ｖ锻·ρ＝!／４（２.９９２×０.２７＋２.１１２×０.３４－１.３２２×０.６１）×７.８５≈１７.６５（kg）上一页下一页返回情境３.２锻压冲孔芯料质量：取d＝６０mm，H＝６５mmm型芯＝1／４d２·H＝1／４×０.６０２×０.６５×７.８５≈１.４４（kg）烧损质量：煤气炉加热时，烧损率δ应取０.０２３，但因该锻件需经２～３次扩孔，至少需加热２次，故取δ＝０.０３５m烧损＝１７.６５×０.０３５＝０.６２（kg）所以，坯料质量：m坯料＝m锻＋m型芯＋m烧损＝１９.７kg坯料的计算直径：因采用镦粗成形，得：d＝１.２０d＝１２０mm上一页下一页返回情境３.２锻压查表３.２.５得标准热轧圆钢直径，确定选取坯料直径d＝１２０mm。按下述锻造比来选取：坯料长度：Ｌ＝Ｖ坯／a坯＝２２２mm从而确定坯料尺寸为!１２０×２２２（mm）。锻造比Ｙ锻：锻造加工工艺中，用锻造比Ｙ锻来表示变形程度的大小；拔长：Ｙ锻＝Ｓ０／Ｓ（Ｓ０、Ｓ分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗：Ｙ锻＝H０／H（H０、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。上一页下一页返回情境３.２锻压碳素结构钢的锻造比在２～３范围选取，合金结构钢的锻造比在３～４范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Ｙ锻＝５～１２），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.１～１.３即可。３）确定锻造工序为了使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达到锻件所需形状和尺寸，必须确定其基本工序、辅助工序和修整工序。不同类型的锻件选择不同的锻造工序。一般锻件的大致分类及所用工序见表３－４。上一页下一页返回情境３.２锻压４）选定设备依据的是锻件的材料尺寸和质量。对于低碳钢、中碳钢和普通低合金钢锤上自由锻，可按表３－７选取定锻锤吨位。查表知该齿轮的质量和尺寸符合表中落下部分质量为０.５t，故选用０.５吨自由锻锤。５）确定锻造温度、加热冷却和热处理规范查图３－３得４５钢的始锻温度为１２００℃，终锻温度为８００℃，采用煤气炉三段式加热，锻造，锻后先空冷至７００℃，再缓冷，锻后正火或退火。焊接是利用局部加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料。上一页返回情境３.３焊接使分离的两部分通过原子的扩散与结合而形成永久性连接的一种工艺方法。焊接技术从单一的加工工艺发展成新兴的综合性工程技术，已涉及原材料、结构设计、焊接工艺方法、焊接设备及工艺装备、焊接材料、焊接预热处理、切割下料、坡口加工、焊接工艺制定及相关标准、焊接生产、焊接过程监控和管理、焊后处理和涂装、检验、焊接环境保护、焊接接头运行等众多技术过程。焊接作为一种广泛的系统工程，其应用范围不仅应用于重型机械、电力设备、石油化工、交通运输、建筑工程、航天航空等行业，还扩大到电子器件、家用电器、医疗器械、通信工程等领域。上图为中国国家体育馆，可以说是我国焊接水平的最好体现。下一页返回情境３.３焊接3.3.1焊接的分类按照焊接过程中金属所处的状态及工艺的特点，可以将焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类（见图３－４６）。本书主要介绍焊条电弧焊。（１）熔焊。指焊接过程中将焊件加热至熔化状态，不加压力而完成焊接的方法。熔焊适用于各种金属和合金的焊接加工，常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊等。（２）压焊。指焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热）而完成焊接的方法。压焊适用于塑性较好的金属材料的焊接，常见的压焊方法有电阻焊、摩擦焊等。上一页下一页返回情境３.３焊接（３）钎焊。指将比母材（被焊接的材料的总称）熔点低的填充金属（称作钎料）熔化之后填充工件接头间隙，并与固态母材相互扩散以实现连接的焊接方法。钎焊不仅适合于同种材料的焊接加工，也适合于异种金属或异类材料的焊接。上一页下一页返回情境３.３焊接3.3.2焊接的特点及应用焊接作为三种连接成形中的主要成形方法，具有以下特点（另外两种连接成形方法是胶接和机械连接）：（１）成形方便、适应性强。能短时间内生产出复杂的焊接结构及各种型号、批量设备。（２）重量轻、生产成本低。比铆接可节省材料１０％～２０％。（３）生产效率高，易实现机械化和自动化。（４）降低劳动强度，改善劳动条件。（５）焊接结构不可拆卸，修理和更换不方便。（６）易产生焊接应力和焊接变形。上一页下一页返回情境３.３焊接（７）易产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。焊接接头的组织和性能较差。焊接主要用于制造各种金属构件，如建筑结构、船体、车辆、锅炉及各种压力容器；也常用于制造机械零件，如重型机械的机架、底座、箱体、轴、齿轮等。另外主要适用于零部件及设备的修复。上一页下一页返回情境３.３焊接3.3.3焊条电弧焊焊条电弧焊（习惯称为手弧焊）是以焊接电弧为热源，利用手工操作焊条进行焊接的方法，属于熔焊的一种。图３－４７为焊条电弧焊过程示意图。它依靠焊条与工件之间所产生的高温电弧，使工件接头处的表层金属迅速熔化，同时焊条的端部也陆续熔化，填入接头空隙，共同组成熔池。药皮也在高温下分解并熔化，产生大量保护性气体，保护熔池免受空气的侵害。药皮熔化后还可以形成一层焊渣覆盖在熔池上面，也起到保护作用。当焊条向前运动时，旧熔池的金属随即凝固，同时又形成新的熔池。这样就构成了连续的焊缝，把工件的两部分焊接成一体。上一页下一页返回情境３.３焊接１.焊条电弧焊的特点作为熔焊中应用最为广泛的一种焊接方法，焊条电弧焊具有以下特点：（１）设备简单、操作灵活；（２）可焊接多种金属材料；（３）室内、外焊接效果相近；（４）对焊工操作水平要求较高，生产率较低。２.焊条电弧焊的工具和设备图３－４８为焊条电弧焊的工具和设备。上一页下一页返回情境３.３焊接３.焊接电弧电弧是两电极间（焊接时是焊条与工件之间）的气体持续而强烈的放电现象，如图３－４９所示。由于常态下空气是不导电的，因此焊接时采用将焊条与工件短路的办法来引燃电弧，这是因为短路时焊条与工件接触处，接触点很小，电流密度很大，瞬间即被加热到高温，阴极处产生电子放射，在电场作用下，这些电子以极高的速度向阳极运动，中途撞击中性的空气分子并使其放电，从而产生电弧，继而在药皮中某些稳弧成分的作用下，能在低于１００Ｖ的电压下，电弧保持持续而稳定。电弧所产生的能量的大小与焊接电流和电压之积成正比。电焊机的空载电压就是引弧电压，一般为５０～９０Ｖ。上一页下一页返回情境３.３焊接电弧稳定燃烧时的电压称为电弧电压，它与电弧长度（即焊条与工件间的距离）有关。电弧越长，电弧电压越高。一般情况下，电弧电压在１６～３５Ｖ之间。焊接电流可根据工件厚度和焊条直径调节，一般在３０～３００a之间。电弧焊可采用直流或交流电源（电焊机）。在用直流电源时，可将工件接正极，焊条接负极。用交流电源时，因交流电极是变化的，也就不存在正极、负极。交流电弧的稳定性比直流差。焊接电弧分三个区域：阴极区，阳极区和弧柱区。当采用直流电源时，如焊条接负极，工件接正极，则阴极区在焊条末端，阳极区在工件上。上一页下一页返回情境３.３焊接阴极区：热量约占电弧总热量的３８％，温度约为２１００℃。阳极区：热量约占电弧总热量的４２％，温度约为２３００℃。弧柱区：热量约占电弧总热量的２０％，弧柱中心温度可达５７００℃以上。４.焊条１）焊条的组成手工焊焊条由焊芯和药皮两部分组成。如图３－５０所示。３－５０所示。①焊芯。焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯，起导电和填充金属的作用。焊芯用钢丝通常采用焊接专用钢丝。上一页下一页返回情境３.３焊接。焊芯用钢丝通常采用焊接专用钢丝。常用的焊芯直径为２.５～６.０mm，长度为３５０～４５０mm。焊芯的化学成分和非金属夹杂物的多少将直接影响焊缝质量。因此，结构钢焊条的焊芯应符合国家标准gb１３００—７７《焊接用钢丝》的要求。②药皮。焊条芯表面的涂料称为药皮。药皮中含有多种物质，在焊接过程中起着重要作用。药皮的主要作用有：提高电弧燃烧的稳定性；防止空气对熔化金属的有害作用，保证焊缝金属的脱氧和加入合金元素，以提高焊缝金属的机械性能。２）焊条的牌号和选用原则上一页下一页返回情境３.３焊接焊条的具体牌号很多，按国家标准可分为：结构钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、铜和铜合金焊条等九大类。按药皮性质分为：酸性焊条（酸性氧化物为主）、碱性焊条（碱性氧化物和萤石caＦ２为主）。其中应用最广泛的是结构钢焊条，就是焊接低碳钢和低合金钢所用的焊条，其牌号用“结”字后面带三位数字来表示。例如结４２２和结５０７就是最常用的结构钢焊条，前两位４２和５０是代表焊缝能达到的值，第三位数字２和７是代表焊条药皮的类型。焊接结构钢时，选择焊条应按照等强度原则，即要求焊缝强度和母材强度大致相等。５.焊条电弧焊工艺１）焊接接头上一页下一页返回情境３.３焊接用焊接方法连接的接头称为焊接接头（简称为接头）。它由焊缝、熔合区、热影响区及其邻近的母材组成。在焊接结构中焊接接头起两方面的作用，第一是连接作用，即把两焊件连接成一个整体；第二是传力作用，即传递焊件所承受的载荷。根据gb／t３３７５—１９９４《焊接名词术语》中的规定，焊接接头可分为１０种类型，即对接接头、t形接头、十字接头、搭接接头、角接接头、端接接头、套管接头、斜对接接头、卷边接头和锁底接头，如图３－５１所示。其中以对接接头、角接接头、t形接头和搭接应用最为普遍。上一页下一页返回情境３.３焊接对接接头：承载能力较好，焊接质量易保证，且节省材料，应用最广，但对焊前备料和装配要求较高。一般应尽量选用对接接头。搭接接头：焊前备料和装配简易，但承载能力不高，浪费材料，常用于受力不大、板厚较小或现场安装的结构中。角接接头和t形接头：受力较复杂，易产生应力集中，承载能力不高，常用于桁架、底座、立柱等结构中。２）焊接坡口形式上一页下一页返回情境３.３焊接为了使接头处能焊透，并减少焊条熔化量在焊缝金属中所占的比例，确保焊缝金属的化学成分和力学性能，并使得焊缝成形美观，对中、厚板件，应在焊件接头处开设坡口。在采用焊条电弧焊时，焊件厚度大于６mm就应开设坡口。常见的坡口形式有四种：Ｖ形、带钝边Ｕ形、双Ｙ形和k形，图３－５２～５４分别为对接接头、t形接头、角接接头常采用的坡口示意图。坡口的加工方法有气割、切削加工、碳弧气刨等。坡口形式主要取决于板料厚度。①考虑使用条件及板厚、承载较小或精度要求不高时，可采用Ⅰ形、Ｖ形等坡口形式；承载较大或精度要求高时，宜采用Ｕ形、Ｘ形、双Ｕ形等坡口形式（图3—53，图3--54）。上一页下一页返回情境３.３焊接薄板对接一般采用Ⅰ形坡口。焊条电弧焊板厚小于６mm，埋弧焊板厚小于１４mm时，一般可采用Ⅰ形坡口，否则随板厚的增加，采用适当的坡口形式，以保证焊透并减小焊接量；角接和t形接头只有在特别重要时才强调坡口设计。②考虑焊接应力及变形。如单面的Ｕ、Ｖ形坡口焊接后会比Ｘ形坡口具有较大的焊接变形。设计焊接结构件最好采用相等厚度的金属材料，否则，易造成应力集中和产生焊不透等缺陷。不同厚度的金属材料对接时，允许的厚度差见表３－８所示。若厚度差超过表中规定值，则在较厚板料上加工出单面或双面斜边的过渡形式。上一页下一页返回情境３.３焊接３）焊缝的选择焊缝的合理布置原则：①焊缝位置应便于施焊和检验；②焊缝布置应有利于减少焊接应力与变形；③焊缝应尽量避开工作应力较大和应力集中的部位；④应避免母材厚度方向工作时受拉；⑤应尽量使焊缝避开或远离机加工面。根据此原则图３－５５例举了一些合理与不合理的焊缝。注意事项：①尽量减少焊缝数量；②尽量对称布置焊缝，以减少变形；③焊缝布置应避免密集、交叉，以防止接头组织和性能恶化。图３－５６为合理与不合理焊缝比较图。上一页下一页返回情境３.３焊接４）焊接规范的选择焊接规范是指在焊接时，能影响焊接质量和生产率的各种工艺参数，焊条电弧焊的焊接工艺参数主要有：焊条直径、焊接电流、焊接速度和电弧电压等。①焊条直径工件厚度：δ≤４mm，!≈δ；δ＞４mm，!在３～６mm范围内选择。焊缝位置：立焊，!≤５mm；仰焊或横焊，!≤４mm；平焊，可用大直径焊条。焊接层数：多层焊时，底层应用细直径焊条。上一页下一页返回情境３.３焊接②焊接电流的选择。焊接电流取决于焊条直径和焊缝空间位置。电流过大：焊条过热，药皮变质甚至脱落，降低焊接质量。电流过小：电弧不稳，质量不好，生产率低。经验公式：Ｉ＝k×d式中d———焊条直径（mm）；

k———经验系数，一般为３０～５０。平焊时，k取较大值，其他位置焊时，k取较小值。③焊接速度的选择。指单位时间内完成的焊缝长度。焊速过快易形成焊不透，过慢易产生烧穿。在保证焊接质量的基础上，尽量增加焊接速度，以提高生产率。上一页下一页返回情境３.３焊接④电弧电压的选择。电弧电压由电弧长度来决定，电弧长，电弧电压高。在焊接中，应尽可能采用短弧焊接。６.焊接应力、焊接变形焊后残留在焊件内的应力和变形称为焊接残余应力和焊接残余变形。焊接应力和焊接变形总是同时存在。１）减少和消除焊接应力的常用措施①尽量减少焊缝数量和尺寸，并避免焊缝密集和交叉；②采用合理的焊接顺序，使焊缝自由收缩；③加热减应区；④锤击焊缝；⑤预热和后热；上一页下一页返回情境３.３焊接⑥去应力退火：加热温度为５００℃～６５０℃，可进行整体或局部去应力退火；⑦机械拉伸法：对焊件施加载荷，使焊缝区产生塑性拉伸如：压力容器的水压试验；⑧温差拉伸法：利用温差使焊缝两侧金属受热膨胀以对焊缝区进行拉伸，使其产生拉伸塑性变形，减少或消除应力；⑨振动法：通过激振器使焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力。２）焊接变形焊接变形的基本形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形。上一页下一页返回情境３.３焊接①收缩变形：构件焊接后，因焊缝纵向和横向收缩，使构件的纵向和横向尺寸收缩。如图３－５７。②角变形：因焊缝截面形状不对称，焊后横向收缩不均匀而引起的变形。图３－５８为焊前状态，图３－５９为焊后状态。③弯曲变形：由于焊缝布置不对称，焊缝收缩后引起构件向焊缝一侧弯曲。图３－６０和图３－６１为变形前后比较图。④扭曲变形：由于焊缝在构件横截面上布置不对称或焊接工艺不合理，使构件产生的纵向扭曲。图３－６２和图３－６３为变形前后比较图。上一页下一页返回情境３.３焊接⑤波浪变形：焊接薄板结构件时，薄板在焊接应力作用下，在厚度方向因丧失稳定性而引起的变形。图３－６４为波浪变形状态图。３）防止焊接变形的措施①在结构设计上：尽量减少焊缝的数量和尺寸；合理选用焊缝的截面形状；合理地安排焊缝位置；②在工艺上：反变形法；加余量法；刚性固定法；合理选用焊接方法和焊接规范；选用合理的装配焊接顺序。４）矫正焊接变形的方法①机械矫形如图３－６５（a）。②火焰矫形如图３－６５（b）。上一页下一页返回情境３.３焊接５）焊接裂纹的防止措施在固相线附近高温下产生的裂纹，称为热裂纹。防止热裂纹的方法措施：①限制母材和焊接材料的低熔点杂质；②提高焊缝成形系数（即焊道的宽度与计算厚度之比）；③细化焊缝晶粒，减少偏析；④减少焊接应力（预热）；⑤操作上填满弧坑。在马氏体开始转变温度以下产生的裂纹，称为冷裂纹。６）防止冷裂纹的方法措施①减少氢来源：用碱性焊条，要烘干，接头要清洁；上一页下一页返回情境３.３焊接②避免产生淬硬组织：如采用焊前预热、焊后缓冷的方法；③焊后立即进行消氢处理：即加热到２５０℃，保温一定时间，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面，减少氢的危害；④降低焊接应力：采用合理的焊接工艺规范和焊后热处理等。７.焊缝的表示方法焊缝的表示方法有图示法和符号表示。１）焊缝图示法焊缝正面用细实线短划表示，或用比轮廓粗２～３倍的粗实线表示，在同一图样中，两种方法只用一种。焊缝端面用粗实线划出焊缝的轮廓，必要时用细实线画出坡口形状。剖面图上焊缝区应涂黑。图示法表示的焊缝应该有相应的标注，或另有说明。上一页下一页返回情境３.３焊接如图３－６６所示。还可以画焊缝的局部放大图，并标明有关尺寸。如图３－６７所示。２）符号表示法焊缝符号通过指引线标注在图样的焊缝位置，箭头指在焊缝处。指引线一般由箭头线和两条基准线组成，如图３－６８。如果焊缝在接头的箭头所指的一侧，将基本符号标在基准线的实线侧（a），如果焊缝在接头的非箭头所指的一侧（b），将基本符号标在基准线的虚线侧。标注对称焊缝或双面焊缝时，可免去基准线中的虚线（c，d），如图３－６９。３）焊缝符号焊缝符号共有三组：上一页下一页返回情境３.３焊接①基本符号，用以表明焊缝横截面的形状，见表３－９。②辅助符号，用以表明焊缝表面形状特征，如焊缝表面是否齐平等，见表３－１０。③补充符号，用以补充说明焊缝的某些特征，如是否带有垫板等，见表３－１１。４）焊缝尺寸符号、标注示例及原则①常用焊缝尺寸符号，见表３－１２。②焊缝尺寸标注示例，见表３－１３。③焊缝尺寸符号及数据标注原则，如图３－７０所示。上一页下一页返回情境３.３焊接a.焊缝横截面上的尺寸标注在基本符号的左侧，左侧无标注、无说明，说明对接焊缝要全焊透；b.焊缝长度方向的尺寸标注在基本符号的右侧、右侧无标注、无说明，说明焊缝在工件的整个长度上是连续的；c.坡口角度、坡口面角度、焊根间隙等尺寸标注在基本符号的上、下侧，相同焊缝数量符号标注在尾部。１）引弧方法引弧就是使焊条与焊件之间产生稳定的电弧，以加热焊条和焊件进行焊接的过程。常用的引弧方法有敲击法和划擦法两种。焊接时将焊条端部与焊件表面通过划擦或轻敲接触，形成短路，然后迅速将焊条提起２～４mm距离，电弧即被引燃。上一页下一页返回情境３.３焊接若焊条提起距离太高，则电弧立即熄灭；若焊条与焊件接触时间太长，就会粘条，产生短路，这时可左右摆动拉开焊条重新引弧或松开焊钳，切断电源，待焊条冷却后再作处理；若焊条与焊件经接触而未起弧，往往是焊条端部有药皮等妨碍了导电，这时可重击几下，将这些绝缘物清除，直到露出焊芯金属表面。如图３－７１。２）焊接位置焊件接缝所处的空间位置，称为焊接位置，通常分为平焊、立焊、横焊和仰焊置，如图３－７２所示。焊接位置对施焊的难易程度影响很大，从而也影响了焊接质量和生产率。其中平焊操作方便，劳动强度小，熔化金属不会外流，飞溅较少，易于保证质量，是最理想的操作空间位置，应尽可能地采用。上一页下一页返回情境３.３焊接立焊和横焊熔化金属有下流倾向，不易操作。而仰焊位置最差，操作难度大，不易保证质量。３）焊接姿势图３－７３所示为不同焊接位置时所采用的焊接姿势。９.焊接质量焊缝形状与焊接工艺参数的选择密切相关，因此，可以根据焊缝形状来判断焊接工艺参数是否合适。焊接工艺参数对焊缝形状的影响，如图３－７４所示。上一页下一页返回情境３.３焊接3.3.4其他焊接方法１.埋弧自动焊１）埋弧自动焊的焊接过程埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧自动焊是埋弧焊的一种自动化焊接方法。其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。埋弧自动焊的基本过程如图３－７５所示。焊接时，先在焊接件接头上面覆盖一层颗粒状的焊剂，焊剂的作用与焊条药皮基本相同，电弧是在焊剂层下燃烧的。自动焊机能自动引弧，自动送进焊丝并保持一定的弧长，以及一辆自动载运焊剂、焊丝和送进机构的小车沿着平行于焊缝的导轨等速前进，以实行焊接操作的自动化。上一页下一页返回情境３.３焊接