《机械制造技术 第3版》课件 第4-6章 材料的液态成形、材料的塑性成形、材料的连接成形

第4章材料的液态成形4.1铸造工艺基础4.2砂型铸造4.3特种铸造4.4常用铸造方法的比较4.5铸件结构34.6铸造技术发展4.1铸造工艺基础4.1.1合金的铸造性能

4.1.2常用合金铸件生产

4.1.1合金的铸造性能1.液态合金的充型液态金属填充铸型的过程简称充型。液体金属充满型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力称为充型能力。充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。影响合金充型能力的主要因素：

1)合金的流动性合金种类、合金成分2)浇注条件浇注温度、充型压力3)铸型填充条件蓄热能力、温度、气体、结构影响影响影响衡量合金流动性最常用的试样是螺旋形流动性试样，如右图所示。在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。

4.1.1合金的铸造性能4.1.1合金的铸造性能图4-1Fe-C合金流动性与碳的质量分数的关系(1)铸件的凝固方式及影响因素1）铸件的凝固方式（见图4-3

）逐层凝固。糊状凝固。中间凝固。2）影响凝固方式的因素凝固温度范围:愈小---凝固区域愈窄逐层凝固；愈大---凝固区域愈宽糊状凝固。铸件温度梯度:随温度梯度由小到大.凝固区域由宽变窄

2.合金的凝固与收缩4.1.1合金的铸造性能图4-3铸件的凝固方式4.1.1合金的铸造性能

a)逐层凝固b)中间凝固c)糊状凝固(2)铸造合金的收缩1)收缩的概念铸造合金在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形、内应力等。合金的收缩分三个阶段：液态收缩：液相线温度间的收缩凝固收缩：固相线温度间的收缩固态收缩：凝固终止温度至室温之间的收缩如图4-5

所示。浇注温度与开始凝固温度开始凝固温度至凝固终止温度4.1.1合金的铸造性能4.1.1合金的铸造性能图4-5铸造合金的收缩阶段Ⅰ-液态收缩Ⅱ-凝固收缩Ⅲ-固态收缩2）影响收缩的因素①化学成分。

不同化学成分的合金,其收缩率不同（铸钢最大,灰铸铁最小）。②浇注温度。合金的浇注温度越高,过热度越大,液态收缩也越大,总收缩量增加。③铸件结构与铸型条件。在铸型中冷凝时,铸件不是自由收缩,会受到铸件各部位因冷速不同,相互制约而产生的阻力以及铸型和型芯对收缩产生的机械阻力的影响。4.1.1合金的铸造性能3）收缩对铸件质量的影响缩孔与缩松。产生：液态合金在冷凝过程中因收缩所减少的体积得不到液体金属的及时补充，则在铸件最后凝固部位形成不规则的孔洞，其中大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。图4－6缩孔的形成过程浇道缩孔4.1.1合金的铸造性能图4-7缩松的形成4.1.1合金的铸造性能缩松和缩孔。可使铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以致成为废品。防护措施：a.合理选择铸造合金。b.顺序凝固原则：保证按照远离冒口的部位最先凝固，冒口最后凝固的顺序进行。c.安放冒口和冷铁、实现顺序凝固。d.如在远离冒口的的厚大部位放置冷铁，加快该处的冷却速度，使其先凝固。e.控制浇注温度与速度。应在满足充型能力的前提下,尽量降低浇注温度和速度。3）收缩对铸件质量的影响

4.1.1合金的铸造性能同时凝固温度曲线冷铁铸件温度(℃)浇口距离ⅠⅡⅢ图4-8铸件顺序凝固示意图图4-11铸件同时凝固示意图4.1.1合金的铸造性能4.1.1合金的铸造性能铸造应力和变形。按应力形成的原因铸造应力分为机械应力、热应力和相变应力。热应力:由于铸件形状复杂,厚薄不均,各部分的冷却速度不同,收缩不一致而引起的内应力。机械应力:铸件的固态收缩受到铸型和型芯的机械阻碍而产生的应力称为机械应力。图4-10热应力的形成+表示拉应力；-表示压应力图4-12机械应力示意图4.1.1合金的铸造性能4）铸件的裂纹与防止热裂:在高温下形成的裂纹。其形状特征是:缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。冷裂：在低温下形成的裂纹。其形状特征是:裂纹细小、呈连续直线状:有时缝内呈轻微氧化色。①合金性质

②铸型阻力形成因素防止裂纹①降低内应力②控制含磷量4.1.1合金的铸造性能4.1.2常用合金铸件生产1.普通灰铸铁件

普通灰铸铁件是铸造生产中应用最广泛的一种金属材料。常用来制造承受较小冲击的载荷、需要减振耐磨的零件，如机床床身等。2.孕育铸铁件

孕育铸铁件是指铁液经孕育处理后，获得的亚共晶灰铸铁。3.可锻铸铁件

可锻铸铁件是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性铸铁。4.球墨铸铁件

球墨铸铁件内部组织中的石墨呈球状，是一种广泛应用的高强度铸铁。5.蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的组织为金属基体上均匀分布着蠕虫状石墨。6.铸钢件

铸造性差，易产生缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷。7.铸造铝合金件

铸造铝合金熔点较低，流动性好，可用细砂造型，故表面尺寸比较精确，但力学性能差。8.铸造铜合金件

铸造铜合金通常分为铸造黄铜和铸造青铜。4.1.2常用合金铸件生产

4.2砂型铸造4.2.1造型方法选择4.2.2铸造工艺设计4.2.1造型方法选择1.砂型铸造的工艺过程（如图4-13）2.砂型铸造方法(1)手工造型(如图)。手工造型的方法很多,常用的造型方法有整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、刮板造型、假箱造型等。(2)机器造型（震压式造型）将紧砂和起模实现机械化的造型方法。图4-13砂型铸造的工艺过程4.2.1造型方法选择手工造型4.2.1造型方法选择4.2.2铸造工艺设计1.铸造工艺图的设计图4-15零件图、铸件工艺图与铸件图a)零件图b)铸件工艺图c)铸件图（1）浇注位置的选择

浇注位置:是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。铸件铸件

铸件

4.2.2铸造工艺设计1）铸件的重要工作面、主要的加工面应朝下或侧立放置。床身锥齿轮起重机卷筒4.2.2铸造工艺设计2）铸件的大平面应朝下放置。3）应将铸件薄而大的平面放在下部、侧面或倾斜位置。4.2.2铸造工艺设计

图4-18薄壁件的浇注位置

4）应将铸件的厚大部分放在上部或侧面。4.2.2铸造工艺设计5）确定浇注位置时应尽量减少型芯的数量,要有利于型芯的安装、固定、检查和排气。4.2.2铸造工艺设计（2）铸型分型面的选择铸型分型面:是指两半铸型相互接触的表面。铸件铸件铸件4.2.2铸造工艺设计分型面选择原则如下：1）应使造型工艺简化。为了便于起模，分型面应选择在铸件的最大截面处。分型面的选择应尽量减少型芯和活块的数量。分型面应尽量平直。（如图）尽量减少分型面，特别是机器造型时，只能有一个分型面。2)尽量将铸件重要加工面或大部分加工面、加工基准面置于同一个砂箱中。（如图）3）使型腔和主要芯位于下箱,便于下芯、合型和检查型腔尺寸。4.2.2铸造工艺设计4.2.2铸造工艺设计4.2.2铸造工艺设计（1）加工余量的确定加工余量的大小，要根据铸件的大小、生产批量、合金种类、铸件复杂程度以及加工面在铸型中的位置来确定。（2）起模斜度一般外壁斜度0.5°～3°,内壁斜度3°～10°（3）铸造圆角圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/3~1/2。（4）铸造收缩率收缩量的大小与金属的线收缩率有关，灰铸铁为0.7%~1.0%，铸钢为1.5%~2%。

2.铸件工艺参数的确定

4.2.2铸造工艺设计4.3特种铸造4.3.1金属型铸造4.3.2熔模铸造4.3.3压力铸造4.3.4离心铸造4.3.1金属型铸造b)垂直分型式c)复合分型式a)水平分型式金属型铸造

金属型铸造是依靠重力将熔融金属浇入铸型而获得铸件的方法。1.金属型铸造的特点1）实现了“一型多铸”,生产率高,成本低,便于机械化与自动化生产。2）铸件精度高,表面质量好，减少了铸件的机械加工余量。3）金属型传热快,铸件的冷却速度快,晶粒细,经济性能提高。4）制造成本高,周期长,不适合单件小批生产；形状尺寸受限制,易产生白口。2.金属型铸造的应用范围主要用于中、小型有色合金铸件的大批量生产,如铝活塞、气缸体、缸盖、液压泵壳体、轴瓦、衬套等。4.3.1金属型铸造4.3.2

熔模铸造熔模铸造是用易熔的蜡质材料制成模样，在模样上包裹若干层耐火涂料，然后制成型壳，熔去模样后经高温焙烧即可浇注。熔模铸造1.熔模铸造的工艺过程（见图4-24）母模---压型---压制蜡模---单个蜡模---蜡模组---制壳---脱蜡---填砂浇注

图4－24熔模铸造工艺流程

4.3.2

熔模铸造2.熔模铸造的特点1)可生产形状复杂的铸件,薄壁铸件。2)铸件尺寸精度高,表面质量好。3)适应性广。4)工艺过程复杂,生产周期长,铸型的制造费用高,铸件不宜太大。3.熔模铸造的应用适于汽车、机床、风动工具、气轮机等的构件。4.3.2

熔模铸造4.3.3压力铸造压力铸造

是将液态或半液态合金在高压下快速地压入金属铸型，并在压力下结晶而获得铸件的铸造方法。1.压力铸造的工艺过程

将金属液压入压室,活塞将其压入闭合的铸型中,金属在压力下凝固,退回活塞分开压型,推杆顶出压铸件。2.压力铸造的特点1)生产率高。2)铸件的精度和表面质量高。3)铸件冷却速度快，晶粒细密，强度较高。4)力学性能好。5)设备贵，铸件易产生气孔、缩孔。3.压力铸造的应用这种铸造方法适于汽车、飞机、电器的有色合金件。4.3.3压力铸造4.3.4离心铸造离心铸造是将金属浇入高速旋转的铸型中，使液态金属在离心力的作用下充填铸型并结晶。

图4－26离心铸造a）绕垂直轴旋转b）绕水平轴旋转

1.离心铸造的特点1)金属利用率高，省芯、浇注系统，成本低。2)铸件组织致密，无缩孔、气孔、夹渣等缺陷,力学性能高。3)充型能力强，便于流动性差的合金和薄壁铸件的生产。4)便于制造双金属铸件。5)内径尺寸误差大，粗糙、偏析。2.离心铸造的应用主要用于空心旋转体铸件，如铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承、圆环等。4.3.4离心铸造4.4常用铸造方法的比较金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造4.4常用铸造方法的比较1.金属型铸造（1）铸型材料一般采用铸铁，也可选用碳钢或低合金钢为金属型芯或砂芯，薄壁复杂件或黑色金属件多采用砂芯，形状简单件或有色金属件多采用金属型芯。(如图)

（2）铸造工艺排气、涂料、控制温度、及时开型。（3）缺点不透气,

导热快,无退让性,易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷。4.4常用铸造方法的比较（4）工艺措施

1）开排气孔，排气槽。2）喷刷涂料，避免高温金属液与金属型内表面的接触。一般铝合金铸件用氧化锌粉、滑石粉和水玻璃涂料，灰铸铁件一般用石英粉、石墨粉、炭黑等。3）预热金属型和控制温度120～350℃。4）及时开型。（5）应用

1）冷却块改密，力学性能高，抗拉强度可提高25%，屈服强度平均提高20%。2）铸件尺寸精度可达IT12～IT14,Ra=6.3～12.5µm。3）一型多铸。

4）主要用于铜、铝、镁等有色金属的大批量生产。4.4常用铸造方法的比较2.熔模铸造(1)工艺过程

(如图)

(2)特点及应用

1）尺寸精度，表面质量可达IT11～IT13，表面粗糙度

Ra=1.6～12.5µm。2）合金种类不限，尤其适用于高熔点及难加工的高合金（耐热合金、不锈钢、磁钢）。

3）可铸较复杂铸件：如宽度大于3mm、直径大于2mm的小孔。

4）生产批量不受限制。

5）工艺过程复杂,生产周期长,原材料价格贵,成本高。4.4常用铸造方法的比较4.4常用铸造方法的比较3.压力铸造（1）工艺过程

（2）特点及应用

1)高压,高速,精度可达IT11～IT13,表面粗糙度Ra=3.2～0.8µm。2)铸件晶粒细小，组织致密,抗拉强度比砂型提高,25%～30%。3)可压铸出形状复杂的薄壁件或细小螺纹、孔、齿文字等。4)便于用镶嵌法。5)投资大。考虑寿命不宜压铸铁、钢等高熔点合金；压铸时易产生气孔等缺陷。4.4常用铸造方法的比较4.4常用铸造方法的比较4.低压铸造（1）工艺过程（2）特点1）便于调整浇注压力和速度。2）充型平稳,不易产生气孔、夹渣等缺陷。3）便于实现顺序凝固,使铸件组织致密,力学性能好。4）提高了金属的利用率。（3）应用低压铸造广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车工件、叶轮、螺旋桨等。4.4常用铸造方法的比较4.4常用铸造方法的比较4.5铸件结构

4.5.1铸件结构的工艺性

4.5.2合金铸造性能对铸件结构的要求4.5.1铸件结构的工艺性

1）铸件要尽量减少分型面数量,并尽可能为平面分型面。a)b)

端盖铸件上下上下

摇臂铸件4.5.1铸件结构的工艺性

2)铸件结构应少用或不用型芯。a)改进前结构b)改进后结构

轴承支架

内腔的两种设计4.5.1铸件结构的工艺性

3)铸件壁厚应尽可能均匀。

4.5.1铸件结构的工艺性A─AbAAbB─BBBA─AB─B

顶盖的设计a）b）4)铸件结构应有利于型芯的固定、排气和清理。a)改进前的结构b)改进后的结构

轴承座的结构a)改进前的结构b)改进后的结构

轴承支架的结构4.5.1铸件结构的工艺性

上下a)不合理上下b)合理

活塞结构的改进4.5.1铸件结构的工艺性

5)铸件形状应尽量简单,避免使用活块。a)b)c)d)

凸台的设计4.5.1铸件结构的工艺性6)铸件上应有结构斜度。a)b)a)b)

结构斜度4.5.1铸件结构的工艺性

7)铸件壁相交要用圆角连接。应力集中热节4.5.1铸件结构的工艺性4.5.2合金铸造性能对铸件结构的要求

1）合理设计铸件壁厚。2）铸件壁应避免交叉和锐角连接。a)交错接头b)环状接头铸件接头结构a)不正确b)正确4.5.2合金铸造性能对铸件结构的要求

铸件接头结构

4.6铸造技术的发展

实现绿色集约化铸造，注意资源回收利用、减少乃至无废弃物排放，实施铸造清洁化生产。1.

凝固理论的发展（1）差压铸造（2）定向凝固及单晶精铸理论（3）半固态铸造

2.计算机在铸造中的应用

（1）铸件凝固过程的数值模拟（2）Procast软件在熔模铸造中的应用实例

（3）基于Magma软件的转向摇臂铸造工艺计算机模拟（4）铸造工艺CAD3.快速成形技术的应用1.凝固理论的发展

(1)差压铸造使液态金属在压差的作用下，充填到预先有一定压力的型腔内，进行结晶、凝固而获得铸件。金属液补缩能力强,能消除微观缩松,减小针孔的危害4.6铸造技术的发展(2)定向凝固及单晶精铸理论

定向凝固成为生产高温合金飞机发动机涡轮叶片的主要手段之一。

细晶铸造技术改善了中低温条件下使用的铸件的组织和力学性能。细晶铸造技术通过控制普通熔模铸造工艺强化核心形成,阻止晶粒长大,获得微米级的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件。飞机发动机涡轮叶片

4.6铸造技术的发展(3)半固态铸造其优点是成形温度低,能延长模具使用寿命;节省能源,改善生产环境;铸件质量高;加工余量小。4.6铸造技术的发展4.6铸造技术的发展2.计算机在铸造中的应用运用计算机对铸造生产过程进行设计、仿真、模拟，可以帮助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品制造周期，降低生产成本，确保铸件质量。铸件三维工艺实体网格自动剖分流场计算温度计算缺陷预测结果显示数据库应力场计算

前处理

主体计算

后处理铸造数值模拟的过程(1)铸件凝固过程的数值模拟（2）Procast软件在熔模铸造中的应用实例

初始的蜡模组布置，标示处就是气泡（左图），右图是铸件的气孔缺陷。4.6铸造技术的发展

X射线和procast模拟下的收缩缺陷优化后的设计方案修改前（左）和修改后（右）的模拟（灰色是凝固部分金属，红色是液态金属）4.6铸造技术的发展直浇道横浇道(3)基于Magma软件的转向摇臂铸造工艺计算机模拟浇注系统模型(一)4.6铸造技术的发展浇注系统模型(二)

4.6铸造技术的发展浇注系统模型(三)

4.6铸造技术的发展

经过数值模拟显示,浇注系统(一)有宏观缩孔出现,浇注系统(二)和2纠正了宏观收缩,浇注系统(三)进一步提高了铸件端部质量,并且不需要横浇道。浇注系统(二)的工艺出品率大约为71%;浇注系统(三)的工艺出品率大约为77%,是比较经济的设计方法。(4)铸造工艺CAD通过计算机进行铸造工艺的辅助设计和生产控制,显著提高了效率和质量。4.6铸造技术新发展3.快速成形技术的应用

(1)快速成形(RapidPrototyping,简称RP)是指利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术。它能根据产品的三维模样数据，不借助其他工具设备，迅速而精确地制造出该产品，集中体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用。

优点:成形过程迅速;可以制造任意复杂形状的三维实体;用CAD模型直接驱动,实现设计与制造高度一体化;制作周期短。4.6铸造技术的发展FDM快速成形机FDM快速成形制造原理图(2)

快速成形技术的新发展1)气体冲压造型利用气压对松散的型砂进行紧实。优点:砂型紧实,能生产复杂铸件;噪声小、节能、设备简单。

2)静压造型型砂在压缩空气作用下压向模板,压实板在型砂上进一步压实。优点:铸件尺寸精度高。静压造型—汽缸体4.6铸造技术的发展

3)真空密封造型在特制的砂箱内填入无水粘结剂的干砂,用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空,借助铸型内外的压力差,使型砂紧实成形。优点:铸件表面十分光洁;轮廓十分清晰。浴缸的真空密封造型4.6铸造技术新发展第5章材料的塑性成形

材料塑性成形也称为材料压力加工，是指利用材料的塑性使材料在外力的作用下产生塑性变形，从而制成所需产品的一种加工工艺方法。

5.1金属塑性成形工艺基础

5.2金属塑性成形方法

5.3其他塑性成形技术及发展5.1金属塑性成形工艺基础

5.1.1

金属塑性变形的实质

5.1.2塑性变形后的金属组织和性能

5.1.3金属的可锻性

金属塑性变形的实质：单晶体的主要变形形式是晶体滑移变形，即晶体的一部分在外力作用下与另一部分沿着一定的晶面（滑移面）产生相对滑移和孪生变形（即晶体产生孪生变形部分相对其余部分产生位向的改变）。实际的金属材料多为多晶体变形。多晶体的变形方式除晶粒内部的晶内变形外，还有晶粒之间的滑动和转动的晶间变形。5.1.1金属塑性变形的实质5.1金属塑性成形工艺基础

滑移变形：晶体内的一部分相对于另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图所示。

单晶体的塑性变形5.1.1金属塑性变形的实质5.1金属塑性成形工艺基础

孪生变形:也叫双晶变形,即晶体在外力作用下,其内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动,如图所示。晶体的双晶变形5.1.1金属塑性变形的实质5.1.2塑性变形后的金属组织和性能

塑性变形以后，金属的组织要产生一系列变化：

晶粒内产生滑移带和孪生带,导致各个晶粒位向渐趋于一致,形成纤维组织；拉伸时,晶粒间、滑移面的转动和外力一致,导致晶粒位向渐趋于一致,形成变形结构；晶粒间还会因晶粒的破碎而产生碎晶；变形的不均匀还会引起各种内应力等。

金属性能的改变：

随着变形程度的加大，金属产生了硬度增高、延性降低的现象即加工硬度现象（冷硬化），在此温度下的变形为冷变形。加工硬化的金属材料通过加热提高温度使其得到部分消除或全部消除。当加热温度升高到该金属熔点的0.1～0.3倍时,晶粒中的原子由于热运动的加剧而得到正常的排列,消除了晶格扭曲,加工硬化部分消除。这一过程称为“回复”,该温度即为回复温度。5.1.2塑性变形后的金属组织和性能

当温度继续升高到熔点的0.4～0.5倍时,大量的热能使金属再次结晶出无应力应变的新晶粒,从而消除了加工硬化现象,即出现了再结晶过程，此温度就称为再结晶温度。在再结晶温度以上的塑性变形称为热变形。由于金属具有再结晶组织,无加工硬化现象,因而金属就具有较高的力学性能。所以大部分金属压力加工常采用热变形方法。在实际工业生产中,常通过加热产生再结晶的方法使金属再次获得良好的塑性,此称之为再结晶退火。5.1.2塑性变形后的金属组织和性能5.1.3金属的可锻性

金属的可锻性表示金属材料经受压力加工的能力,通常由金属的塑性和变形抗力来综合衡量。塑性好、变形抗力（金属抵抗变形的能力）越小,则可锻性越好；反之,则越差。金属的可锻性取决于金属的本质和变形条件。

1.金属的本质金属的本质是指金属的化学成分和金属的组织结构。2.变形条件(1)变形温度的影响提高金属变形时的温度，可改善金属的可锻性，但加热温度过高会产生过热、过烧、脱碳、严重氧化等现象，甚至使锻件报废；但温度过低，金属加工硬化现象严重，难以加工，强行锻造也会破坏锻件。（如图5-1）(2)变形速度的影响一方面，变形速度，金属塑性，变形抗力，可锻性；另一方面，变形速度提高到某一值以上时，金属温度，塑性，变形抗力，可锻性。5.1.3金属的可锻性

图5-1低碳钢的力学性能与温度变化关系图5.1.3金属的可锻性(3)应力状态的影响

图5-2拔制应力状态图5-3镦粗应力状态图5-4挤压应力状态5.1.3金属的可锻性

5.2金属塑性成形方法

5.2.1锻造方法综述

5.2.2板料冲压

1.特点

锻造是对坯料锻打或锻压,通过产生延性变形而得到所需制件的一种成形加工方法。锻造加工方法有以下特点：1)锻件具有较好的力学性能。2)节约材料。3)生产率高。4)适应范围广。5)锻件的结构工艺性要求高，难锻造复杂的毛坯和零件。6)锻件的尺寸精度低。5.2.1

锻造方法综述

2.锻造方法常见的锻造方法主要有自由锻和模锻。(1)自由锻造

1)自由锻造的特点和分类。

自由锻造特点:工具简单,应用广泛,对设备精度要求低,生产周期短；但生产率低,尺寸精度不高,表面粗糙度值大,对工人的操作水平要求高,自动化程度低。自由锻分手工锻造和机械锻造两种。前者用于生产率低的小型锻造件生产;后者生产率高,为自由锻的主要生产方式。自由锻的主要设备有锻锤和液压机(如水压机)两大类。5.2.1

锻造方法综述

2）自由锻工艺规程的制订。自由锻的基本工序包括切割、镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移和扭转等。

①绘制锻造图。

②坯料质量及尺寸计算。

③锻造工序的选择。

④选择锻造设备。5.2.1

锻造方法综述图5-5锻件图

3）自由锻件的结构工艺性。

4）胎模锻。胎膜锻造是在自由锻设备上使用胎膜（不固定在锥上的锻模）进行锻造的方法。胎模主要有扣模、筒模和合模三种。5.2.1

锻造方法综述图5-6扣模5.2.1

锻造方法综述

图5-7筒模图5-8合模

(2)模锻

模锻是利用模具使毛坯在模膛内受压变形而获得锻件的锻造方法。

1)模锻的特点模锻时的坯料在模具模膛中被迫塑性流动成形，其锻件质量较高,力学性能较好。锻件形状复杂,尺寸精度更高,表面质量较好。生产率高,且劳动强度小,操作简便,对工人技术要求低,易实现机械化,适于大批量的中、小锻件的生产。节约金属材料,锻件加工余量和公差较小。5.2.1

锻造方法综述

2)模锻的分类锤上模锻

a.锻模结构

b.锻模模膛制坯模膛:用来将形状较为复杂的模锻件的坯料初步模锻成为接近模锻件形状的模膛,主要有拔长模膛、压模膛、成形模膛、弯曲模膛等。图5-10锻模结构5.2.1

锻造方法综述

模锻模膛:用于模锻件成形为最终锻件。模锻模膛分为预锻模膛和终锻模膛。预锻模膛:用于将坯料成形为基本形状接近于锻件形状的模膛。(无飞边槽)

终锻模膛

:锻件最终锻造成形的模膛。(有飞边槽)5.2.1

锻造方法综述

图5-12飞边槽3)模锻工艺规程的制订①绘制模锻锻件图选择合理的分模面。余量及公差。确定连皮。模锻斜度和圆角半径。绘制模锻锻件图。5.2.1

锻造方法综述

图5-14连皮a)直角连皮b)斜底连皮

图5-15模锻的斜度和圆角半径

计算坯料质量和尺寸确定模锻工序盘类模锻件的工序杆轴类零件的工序选择锻造设备4)模锻件的结构工艺模锻件的结构工艺性原则：模锻件必须有一个合理的分型面。模锻件的形状力求简单、对称、平直，便于金属充满模膛和顺利取出锻件。模锻件上应该避免窄沟、深沟、深槽、深孔和多孔结构。5.2.1

锻造方法综述

5.2.2板料冲压

板料冲压是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。短片：板料冲压的特点：

1）可冲压形状复杂、强度高、刚性好、质量轻的薄壁零件。

2）冲压件的精度高、表面粗糙度值小、互换性较好。

3）节省材料。

4）生产率高。1.冲压工序(1)分离工序分离工序是使板料分离开的工序，如冲载、切断等工序。

1)冲裁工序①冲裁变形过程分为三个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂分离阶段。②冲裁间隙:是冲载凹凸模刃口直径的差值。③凸、凹模刃口尺寸的计算：

落料时，d凸模=D凹模—Z(Z为间隙值)

冲孔时，D凸模=d凸冲+Z5.2.2板料冲压

④冲裁力的计算。⑤冲裁件的排样。2)整修工序

利用整修模将落料的外缘或冲孔件内缘刮去一层薄的金属层，以提高冲件尺寸精度，减小表面粗糙度值。3）精密冲裁5.2.2板料冲压图5-20整修示意图图5-16冲裁变形过程图（2）成形工序成形工序是使板料产生塑性变形以达到所需形状的工序。1）弯曲工序弯曲是将板料弯成所需要的半径和角度的成形方法。5.2.2板料冲压

图5-22弯曲变形过程简图2）拉深工序拉深是将板料毛坯在具有一定圆角半径的凸凹模作用下加工成开口零件的方法，也称为拉延。①拉深变形过程。②主要拉深参数。③可采用拉深前后面积不变原则计算拉深件的毛坯尺寸。3）翻边工序翻边工序是用扩孔的方法在带孔件的孔口周围冲出凸缘的一种工序。5.2.2板料冲压2.冲裁模

冲裁工艺在冲模上进行。冲模可分为简单冲模、连续模和复合模三种。5.2.2板料冲压

图5-26简单冲模

1--凸模2--凹模3--上模板

4--下模板5--模柄6—凸模压板7—凹模压板8—卸料版9—导板10—定位销11—导套12--导柱

图5-27连续模

1--落料凸模2--定位销3--落料凹模4--冲孔凸模5--冲孔凹模6--卸料板7--坯料8--成品9--废料图5-28落料及拉深复合模

1--凸凹模2--拉深凸模3--压板(卸料板)上模板4--落料凹模5—顶出器6--条料7—档料销8--坯料9—拉深件10--零件11--切余材料3.板料冲压件结构工艺性冲压件5.2.2板料冲压

弯曲件拉深件5.3其他先进塑性成形技术及发展5.3.1其他先进塑性成形技术和应用（1）精密模锻在锻模上锻造出形状复杂、精度高、表面质量好、实现少无切削加工的锻件。（2）高能成形以高能量源为动力的快速成形方法，变形速度快、精度高、成本低，可改变金属材料的可锻性。（3）超塑性成形利用材料的超塑性进行成形加工的方法。（4）粉末锻造5.3.2计算机技术在塑性成形中的应用

CAD/CAE/CAM在压力成形加工中的研究和应用。精密锻件超塑性成形第6章材料的连接成形

6.1焊接工艺基础6.2常用的焊接方法6.3材料的焊接6.4焊接结构设计的工艺性6.5材料的其他连接技术6.6焊接技术的发展

6.1焊接工艺基础

焊接是通过加热或加压,或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件达到结合的一种加工方法。

焊接按工艺特点可分为熔焊、压焊和钎焊（见图6-1）。6.1焊接工艺基础图6-1常用焊接方法的分类6.1焊接工艺基础

6.1.1焊接冶金过程

6.1.2焊接接头的组织和性能

6.1.3焊接应力与变形6.1.1焊接冶金过程

1.焊接电弧焊接电弧是由焊接电源供给的,具有一定电压的两极间或电极与母材间,在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。2.焊接冶金过程的特点

1）冶金温度高，造成金属元素强烈地烧损和蒸发，同时熔池周围又被冷的金属所包围，常使焊件产生应力和变形。

2）冶炼过程短，焊接熔池从形成到凝固的时间短，各种冶金反应不充分，难以达到平衡状态。

3）冶炼条件差，有害气体容易进入熔池，形成脆性的氧化物、氮化物和气孔，使焊缝金属的塑性、韧性显著下降。6.1焊接工艺基础6.1.2焊接接头的组织和性能图6-3低碳钢焊接接头的温度分布和各区划分a)焊缝区各点温度变化情况b)低碳钢焊接热影响区的组织变化1.焊缝区

2.熔合区

熔合区是焊缝和基体金属的交界区。这部分的加热温度处于固相线和液相线之间。

6.1.2焊接接头的组织和性能低碳钢焊接接头的组织变化3.热影响区

焊缝接头中金属受热发生金相组织和力学性能变化的区域。

1)过热区:固相线至1100℃。

2)正火区:1100℃～Ac3之间。

3)部分相变区:Ac1~Ac3之间。6.1.2焊接接头的组织和性能6.1.3焊接应力与变形1.焊接应力与变形的产生及危害

在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热,使焊接接头产生不均匀的塑性变形,这是焊接应力和变形产生的根本原因。钢杆自由伸缩钢杆膨胀受阻2.焊接变形的形式

序号变形形式图例变形特征产生原因1收缩变形沿焊缝长度和宽度方向缩短由焊缝纵向收缩和横向收缩引起2角变形工件沿焊缝两边产生一定角度的变形因焊缝横截面形状上、下不对称,由焊缝横向收缩不均匀引起3弯曲变形工件向焊缝一侧弯曲焊缝在结构上布置不对称，由焊缝纵向收缩引起6.1.3焊接应力与变形序号变形形式图例变形特征产生原因4扭曲变形工件沿纵向被扭转一定角度焊缝布置不对称或装配焊接顺序不当，由焊缝纵向收缩和横向收缩引起5波浪变形薄板边缘受压,产生波浪形弯曲由焊缝纵向收缩引起薄板产生失稳变形6.1.3焊接应力与变形（续）3.焊接应力与变形的预防（1）合理选择焊件结构

尽量减少焊接数量、长度及截面积。（2）焊前预热

可减小焊接应力与变形。（3）反变形法钢板对接反变形

丁字接头反变形6.1.3焊接应力与变形（4）刚性固定法防止焊接变形的产生。

6.1.3焊接应力与变形图6-6钢性固定法（5）选择合理的焊接顺序112233图6-7按焊缝长短确定焊接顺序

6.1.3焊接应力与变形145236123456X形坡口焊接顺序对称面梁的焊接顺序6.1.3焊接应力与变形（6）锤击焊缝法延伸变形，补偿收缩，减少焊接应力和变形。（7）焊后热处理4.焊接应力与变形的矫正方法（1）机械矫正法（2）火焰矫正法

6.1.3焊接应力与变形6.2常用的焊接方法

6.2.1焊条电弧焊

6.2.2埋弧焊

6.2.3气体保护焊

6.2.4压焊

6.2.5电渣焊

6.2.6钎焊

6.2.7高能高效焊接技术

利用电弧作为焊接热源的熔焊方法，称为电弧焊。用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法,称为焊条电弧焊。

6.2.1焊条电弧焊图6-9焊条电弧焊6.2常用的焊接方法6.2.2埋弧焊

埋弧焊是使电弧在较厚的焊剂层下燃烧,利用机械自动控制引弧、焊丝送进、电弧移动和焊缝收尾的一种电弧焊方法。(如图)埋弧焊的特点：

1）生产率高。

2）焊接质量高而且稳定。

3）可节约大量的焊接材料。

4）可实现自动焊接。

6.2.2埋弧焊6.2.3气体保护焊

气体保护焊是指利用外加气体作为电弧介质并保护电焊和焊接区的电弧焊。常用的有氩弧焊和CO2气体保护焊。(如图)(1)氩弧焊。氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。按所有电极的不同分为熔化极氩弧焊和钨极氩弧焊。(2)CO2气体保护焊。CO2气体保护焊是使用CO2作为保护气体的电弧焊方式。气体保护焊6.2.3气体保护焊CO2焊示意图图6-12氩弧焊示意图1—送丝滚轮2、8—焊丝3—导电嘴

4—喷嘴5—氩气流

6—电弧7—焊件6.2.3气体保护焊1.惰性气体保护焊的特点及应用1）可焊化学性质活泼的非铁金属及其合金或特殊性能钢。2）电弧燃烧稳定、飞溅小，表面无熔渣，焊缝成形美观，质量好。3）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊缝周围气流冷却，热影响区小，焊后变形小，适于薄板焊接。4）电弧为明弧可见，操作方便，易于自动控制焊缝。惰性气体保护焊适于焊接铝、镁、钛及其合金，稀有金属锆、钼，不锈钢，耐热钢，低合金钢等。6.2.3气体保护焊2.CO2气体保护焊的特点1）生产率高；电流大，易于自动化，无渣壳。2）成本低；无需涂料焊条和焊剂，CO2价廉。3）焊缝质量较好。4）采用气体保护，能全位置焊接，易于自动控制。5）焊缝成形差，飞溅大。6）不能焊接易氧化的非铁金属和不锈钢。7）设备较复杂，使用和维修不便。

CO2气体保护焊焊适于焊接低碳钢和强度级别不高的普通低合金结构钢。6.2.3气体保护焊6.2.4压焊

压焊是指在加热或不加热状态下对组合焊件加压，使其产生塑性变形，并通过再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子达到形成金属键而连接的焊接方法。常用的有电阻焊和摩擦焊。1.电阻焊

电阻焊是利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，把焊件加热到塑性或局部熔化状态，再在电极压力作用下形成接头的一种焊接方法。电阻焊可分为点焊、缝焊、对焊。

（1）点焊点焊是利用电流通过两圆柱形电极和搭接的两焊件产生电阻热,将焊件加热并局部熔化,形成一个熔核(其周围为塑性状态),然后在压力下熔核结晶,形成一个焊点的焊接方法。

点焊示意图

点焊接头形式6.2.4压焊（2）缝焊缝焊与点焊同属于搭接电阻焊，焊接过程与点焊相似，采用滚盘作电极，边焊边滚，相邻两个焊点重叠一部分，形成一条有密封性的焊缝。

电阻缝焊

缝焊接头形式6.2.4压焊（3）对焊对焊是利用电阻热将焊件断面对接焊合的一种电阻焊，可分为电阻对焊和闪光对焊。图6-15对焊示意图Fj—夹紧力

Fw—挤压力

Fd—顶锻力

a)电阻对焊b)闪光对焊6.2.4压焊

电阻焊的特点及应用加热迅速，温度较低，焊接热影响区及变形小，易获得优质接头。不需外加填充金属和焊剂。电阻对焊无弧光，噪声小，烟尘、有害气体少，劳动条件好。焊件结构简单、质量轻、气密性好，易于获得形状复杂的零件。易实现机械化、自动化，生产率高。焊接接头质量不稳定。点焊适于低碳钢、不锈钢、铜合金、铝镁合金,厚度为4mm以下的薄板冲压结构及钢筋的焊接。缝焊适于板厚为3mm以下,焊缝规则的密封结构的焊接。对焊主要用于形状简单、小断面的金属型材,或受力要求高的重要焊件。6.2.4压焊

摩擦焊是利用工件金属焊接表面相互摩擦产生的热量，将金属局部加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接的一种热压焊接方法。

2.摩擦焊(1)摩擦焊的工艺过程分为连续驱动式和储能式。

摩擦焊工艺过程1—工件12—工件23—旋转夹头

4—移动夹头

n—工件转速

p—轴向压力

a)连续驱动式b)储能式6.2.4压焊(2)摩擦焊接头形式接头一般是等断面,也可为不等断面,但其中必须有一个为圆形。

摩擦焊接头形式6.2.4压焊(3)摩擦焊的特点及应用1）接头质量好且稳定。

2）生产率高、成本低。

3）适用范围广。

4）生产条件好。

摩擦焊用于圆形工件、棒料管子的对接。6.2.4压焊6.2.5电渣焊

电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的熔化焊方法。电渣焊可分为丝级电渣焊、板级电渣焊、熔嘴电渣焊和熔管电渣焊。图6-16电渣焊过程示意图电渣焊的特点及应用1）可一次焊成很厚的焊缝。2）生产率高，焊接材料消耗少，不需开坡口。3）焊缝金属较纯净，渣池覆盖住熔池，保护良好，有利于气体和杂质浮出。4）接头金属在高温下停留时间长，过热区大，接头金属组织粗大，焊后应进行正火处理。

6.2.5电渣焊

电渣焊主要用于厚壁压力容器和铸—焊、锻—焊、厚板拼焊等大型构件的制造,厚度大于40mm的碳素钢、合金钢和不锈钢等。

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料湿润母材，填充接头间隙并与母材相互扩散而实现连接的焊接方法。

6.2.6钎焊钎焊的特点及应用

1)采用低熔点的钎料作为填充金属，钎料熔化,母材不熔化。

2)工件加热温度较低，接头组织、性能变化小,焊件变形小，接头光滑平整，焊件尺寸精确。

3)可焊接异种金属，焊件厚度不受限制。

4)生产率高，可整体加热，一次焊成整个结构的全部焊缝，易于实现机械化和自动化。

5)钎焊设备简单，生产投资费用少。钎焊主要用于焊接精密、微型、复杂、多焊缝、异种材料的焊件。

6.2.6钎焊

(1)电子束焊

利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空的焊件所产生的热能实现焊接的方法。(2)超声波焊

利用超声波的高频震荡能对焊件接头进行局部加热和表面清理,然后施加压力来实现焊接的一种焊接方法。(3)激光焊

以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方式。6.2.7高能高效焊接技术

6.3材料的焊接6.3.1金属材料焊接性6.3.2常用金属材料的焊接6.3.3难熔金属材料及其合金的焊接6.3.4非金属材料的焊接

6.3.1金属材料的焊接性1.焊接性概念

焊接性是指被焊金属材料在采用一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度。

评价可焊性

一是工艺焊接性:接头裂纹倾向,性能变坏。二是使用焊接性:力学性能、耐热性、耐蚀性等。2.焊接性评价主要是碳当量法（1）低碳钢的焊接（2）中碳钢的焊接（3）低合金高强度结构钢的焊接（4）铸铁的补焊（5）铝及铝合金的焊接（6）铜及铜合金的焊接6.3.2常用金属材料的焊接钛、锆、钼、铌等难熔金属在航空、航天、原子能和电子等工业中均具有广泛的用途。这些金属化学活性极强，加热时会强烈吸收氧、氢和氮等气体，使焊接接头性能恶化，很难用一般焊接方法进行焊接性。因此，必须采用特种焊接方法。难熔金属的焊接通常采用氩弧焊、等离子弧焊和电子束焊等焊接方法。钛及钛合金在高纯度的氩气保护下进行焊接，焊接时需用氩气流对焊缝根部和尚未冷却到350℃的焊缝区进行附加保护；焊前需通过真空退火使焊丝和母材脱气。此外，钛合金焊接时有形成冷裂纹的倾向，重要部件应在可控氩气室或氩气环境中焊接；亦可采用等离子弧焊和电子束焊焊接。皓材料的焊接性与钛很接近，故其焊接工艺与钛相似。钼、铌及其合金与钛相比更容易被气体所饱和，特别是被氧所饱和。当氧的质量分数超过0.01%时，其塑性会急剧下降。钼、铌及其合金应在可控氩气室中采用电弧焊焊接或在真空中采用电子束焊焊接。6.3.3难熔金属材料及其合金的焊接1.塑料的焊接塑料按其热性为可分为热固性材料和热塑性材料。热固性材料在过高的温度下会发生碳化破坏，因此无法进行熔化连接只能采用黏接和机械连接。热塑性材料加热会变软或熔化，可进行熔化焊接。通常将分离的塑料局部加热或加压等手段，在热熔状态形成永久性接头的过程称为塑料的焊接。（1）热气焊/热工具焊利用热气体（即热风）对塑料表面加热熔化，并通过手动或机械方式对焊接区施加压力进行焊接的方法称为热气焊。通常，热气流温度可达200～300℃，适宜热气焊的塑料品种有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。利用一个或多个发热工具（如热板）对两个被焊塑料待连接的表面进行加热熔化后，再迅速移出发热工具，并在压力作用下进行焊接的方法称为热工具焊。目前，热气焊和热工具焊都是应用最广泛的塑料焊接方法。6.3.4非金属材料的焊接1.塑料的焊接（2）超声波焊接使塑料的焊接面在超声波能量的作用下做高频机械振动而发热熔融，同时施加焊接压力，从而进行焊接的方法称为塑料超声波焊接。超声波焊接原则上适于焊接大多数热塑性塑料，主要用于焊接模塑件、薄膜、板材和线材等，通常不需要填充焊料。塑料超声波焊接的焊接面预加工有一些特殊的要求，在焊接面上，常设计有带尖边的超声波能量定向唇，又称导能筋，如图6-19所示。其他热塑性材料常用的熔化焊接方法还有摩擦焊、光致热能焊、挤塑焊等图6-21塑料超声波焊面上

的超声波能量定向唇6.3.4非金属材料的焊接2.复合材料的焊接

复合材料通常可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料树脂基复合材料之间的焊接与同基体的高分子材料的焊接方法相同，可采用热气焊、热工具焊、摩擦焊和超声波焊等。树脂基复合材料与金属之间的焊接可采用内藏加热元体（插入物）的电阻加热焊工艺，如高性能的碳纤维增强热塑性树脂聚醚醚酮复合材料（C/PEEK）与铝合金的焊接，采用固结在两层PEEK/S2玻璃纤维预浸料中的0.18mm厚的不锈钢网作为电阻加热元件，放在C/PEEK和铝合金搭接接头的连接界面间。按焊接特征金属基复合材料可分为非连续纤维增强和连续纤维增强两种。非连续纤维增强金属基复合材料的焊接可采用TIG焊、扩散连接、摩擦焊、电子束焊、电容放电焊接、电阻点焊、钎焊等；连续纤维增强金属基复合材料的焊接较前者困难，通常可采用激光焊、扩散连接、钎焊等。陶瓷基复合材料的焊接工艺在积极开发中。其焊接可采用微波连接、过渡液相连接、原位或自蔓延高温合成法连接、无压固相反应连接以及采用金属或玻璃作钎料的钎焊等。其中，钎焊工艺相对成熟一些。6.3.4非金属材料的焊接3.陶瓷的焊接陶瓷的熔点高、硬度与强度高、不易变形，而热导率和电导率很低，从而导致陶瓷的焊接性很差，用常规焊接方法难于焊接。目前，陶瓷材料常用的焊接方法包括钎焊、固钼扩散焊、超声波压焊、微波连接、黏接、反应烧结连接方法等，其中钎焊和固钼扩散焊比较成熟。钎焊是连接陶瓷与陶瓷或陶瓷与