机械制造工艺基础

绪论机械制造是各种机械、机床、工具、仪器、仪表制造过程的总称。机械制造工艺课程是研究这些机械产品的加工原理、工艺过程和方法以及相应设备的学科。机械制造业是国民经济的基础和支柱，机械制造业的主要任务是向国民经济各部门的发展提供所需的各种先进的、高效的、节能的机械装备。不论是传统产业还是新兴产业都离不开机械装备。机械制造工业提供的装备水平对各部门的技术进步有很大的影响。机械制造工业发展水平是反映国家经济实力和科学技术水平的重要标志。绪论随着科学技术的进步，国民经济各部门对机械装备的性能要求越来越高，使得机械零件的形状结构越来越复杂、精度要求越来越高，材料性能越来越高，而对零件的加工难度也就越来越大，传统的制造业正在面临挑战，机械制造工艺的研究也正发生极重大和深刻的转变。在传统制造技术基础上不断地吸收机械、电子、材料、信息、能源及现代管理技术的先进技术成果，综合应用于制造全过程，先进的制造技术不断出现，机械制造工艺正向着高质量、高生产率和低成本方向发展。近几年来，数控机床和加工中心机床已在生产中广泛使用，随着加工设备的水平不断提高，机械加工工艺也在不断地变革，零件制造的难度不断降低，制造精度不断提高。绪论近年来新的材料不断出现，材料的品种猛增，其强度、硬度、耐热性等不断提高。新材料的发展对机械加工提出新的挑战。由此推动很多特种加工方法，如电火花加工、电解加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工以及激光加工等在生产中的广泛应用及迅速的发展。改革开放以来，我国机械制造工业取得了伟大的成就。在机床及汽车，重型机械、农业机械工具、仪表和轴承等方面已形成了相当的生产规模，初步形成了为国民经济各部门提供重要的技术装备的机械制造工业体系。当然，我国的工业基础比较薄弱，机械制造工艺水平与世界先进水平相比还存在着一定的差距，因此，我们要奋发图强，把自力更生与引进先进技术结合起来，促进我国的机械制造业的快速发展，使我国的机械制造业早日进入世界先进制造业的行列。模块1铸造课题1金属的熔炼课题2砂型铸造课题3铸件质量分析课题4特种铸造模块1铸造将熔化了的金属浇注到铸型型腔中，金属凝固后得到一定形状和性能铸件的零件毛坯的方法称为铸造。铸造可分为砂型铸造和特种铸造两大类。生产中应用最广的是砂型铸造。一、铸造的优点(1)适应广，铸件尺寸与质量范围大，可铸造任何金属和合金铸件。可制造复杂外形及内腔的铸件，各种箱体、床身、机架、缸体等。(2)铸件的形状、尺寸与零件接近，切削加工的工作量小，节省材料。(3)铸件成本低。铸造用的原材料来源广，生产设备简单，投资少下一页返回模块1铸造二、铸造存在如下缺点(1)工艺控制困难，铸造工序多，影响质量因素多，铸件质量不稳定。(2)与锻件相比，铸件的机械性能差，承受载荷和冲击能力差。(3)铸件的尺寸精度低。(4)工作场地温度高、粉尘多，环境差，工人劳动强度大。上一页下一页返回模块1铸造三、铸造的生产过程砂型铸造的生产过程为:根据零件的形状和尺寸设计、制造模样和型芯盒;配制型砂和芯砂;用模样制造砂型;用型芯盒制造型芯;把烘干的型芯装入砂型后合型;将熔化的液态金属浇入铸型;凝固后经落砂、清理、检验即得铸件。图1-1为铸件生产过程流程示意图。上一页返回课题1金属的熔炼项目1冲天炉炼铁一、冲天炉的结构冲天炉是熔炼铸铁的设备，其构造如图1-2所示。炉身是钢板制的圆筒形，内砌耐火砖炉衬。炉身上部有加料口、烟囱、火花罩，中部有热风胆，下部有热风带，风带通过风口与炉内相通。从鼓风机送来的空气，通过热风胆加热后经风带进入炉内，供燃烧用。风口以下为炉缸，熔化的铁液及炉渣从炉缸底部流入前炉。下一页返回课题1金属的熔炼炉子由以下几部分组成。1.炉底与炉基炉底与炉基是冲天炉的支撑部分，支撑炉子和炉料柱。2.炉体与前炉炉体炉体与前炉是冲天炉的基本组成部分，炉体包括炉身和炉缸两部分。炉体内壁砌耐火材料，加料口处的炉壁由钢板圈或铁砖构筑，以承受加料时炉料的冲击。加料口下缘至第一排风口中心线之间的炉体称为炉身，其内部空腔称为炉膛。炉身的高度亦称有效高度，是冲天炉主要工作区段。上一页下一页返回课题1金属的熔炼第一排风口中心线至炉底之间的炉体为炉缸。有前炉的炉缸，其主要作用是保护炉底、汇聚铁液和炉渣使之进入前炉。前炉由前炉体和可分离的炉盖构成。前炉的作用是储存铁液，使铁液成分和温度均匀，减少铁液在炉缸停留的时间，从而降低铁液在炉缸中的增碳与增硫作用，分离渣铁，净化铁液。3.烟囱与除尘装置烟囱在加料口上面，其外壳与炉身连成一体，内壁砌耐火砖或青砖。烟囱的作是引导炉气向上流动并排出炉外。除尘装置的作用是消除或减少炉气中的烟灰及有毒气体成分。上一页下一页返回课题1金属的熔炼4.送风系统冲天炉的送风系统是指自鼓风机出口至风口出口处为止的整个系统，包括进风，风箱、风口及鼓风机输出管道。风管布置应尽量缩短长度，减少曲折，避免管道面突变。总风管内流速应控制在10~18m/s。按风箱横截面计算的流速，大致控制在2.5~4m/s5.热风装置热风装置的作用是加热供底焦燃烧用的空气。冲天炉的大小是以每小时能熔炼出铁液的质量来表示的。常用的为1.5~10t/h上一页下一页返回课题1金属的熔炼二、冲天炉的熔炼原理炉内铁料的熔化区域称熔化带;熔化带以上至加料口称预热带;熔化带以下至下排风口之间的区域称过热带。开炉前将焦炭加到风口以上规定高度，这部分称为底焦。由下排风口中心线至底焦上平面的距离称为底焦高度。熔化时风由冲天炉风口吹入炉内，使焦炭炽热燃烧。底焦上面加石灰石作熔剂，然后加铁料。接着重复加入层焦、石灰石和铁料。熔化时底焦不断燃烧消耗，必须不断补充，加入补充的焦炭称为层焦。为了使铁料在熔化前能充分预热，炉料应连续加入。上一页下一页返回课题1金属的熔炼铁料被加热熔化，铁水沿底焦块内的缝隙向下流动，铁水在下落过程中被高温炉气和灼热焦炭进一步加热(过热)，由于底焦温度很高，过热的铁水温度可达1600℃左右，然后经过过桥流入前炉。此后铁水温度稍有下降，最后出铁温度约为1380℃~1430℃。冲天炉内铸铁熔炼的过程并不是金属炉料简单重熔的过程，而是包含一系列物理、化学变化的复杂过程。熔炼后的铁水成分与金属炉料相比较，含碳量有所增加，这是焦炭中的硫进入铁水中所引起的，硅锰等合金元素含量因烧损会降低，硫含量升高。上一页下一页返回课题1金属的熔炼三、冲天炉炉料及其作用1.金属料金属料包括生铁、废钢、铁合金、回炉铁等。生铁是对铁矿石经高炉冶炼后的铁碳合金块，是生产铸铁件的主要材料;回炉铁如是浇口、冒口和废铸件等，利用回炉铁可节约生铁用量，降低铸件成本;废钢是机加工车间的钢料头及钢切屑等，加入废钢可降低铁水碳含量，提高铸件的力学性能;铁合金如硅铁、锰铁、铬铁以及稀土合金等，用于调整铁液化学成分。上一页下一页返回课题1金属的熔炼2.燃料冲天炉熔炼多用焦炭作燃料。通常焦炭的加入量一般为金属料的1/12~1/8,这一数值称为焦铁比。3.熔剂熔剂主要起稀释熔渣的作用。在炉料中加入石灰石(CaCO3)和萤石(CaF2)等矿石，会使熔渣与铁液容易分离，便于把熔渣清除。熔剂的加入量为焦炭的25%~30%上一页下一页返回课题1金属的熔炼项目2电弧炉炼钢一、电弧炉结构电弧炉炼钢通常采用三相电弧炉，其构造如图1-3所示。电弧炉主要由炉体、炉盖、装料机构、电极升降机构、倾炉机构、炉盖旋转机构、电气装置和水冷装置构成。1.炉体炉体是用钢板制成外壳，内部用耐火材料砌筑而成。碱性电弧炉的炉体内部是用黏土砖和镁砖砌筑，镁砖的内表面用卤水镁砂打结炉衬。酸性电弧炉的炉体内部是用硅砖砌筑，硅砖的内表面用水玻璃硅砂打结炉衬。砌好的碱性电炉炉体的剖面见图1-4上一页下一页返回课题1金属的熔炼2.炉盖炉盖用钢板制成炉盖圈(空心的，通水冷却)，圈内砌耐火砖。碱性炉一般是用高铝砖砌筑炉盖;酸性炉一是用硅砖砌筑炉盖。图1-5是用高铝砖砌成的炉盖，电弧炉炉盖也有用耐火水泥捣制或钢板焊制、中空通水冷却的。3.装料机构装料机构是将配好的炉料，先用电磁吊车装入开底式加料罐内，加料时，先将炉盖升起并旋转，露出炉膛，用吊车将加料罐吊到炉体上方。打开料罐底，将炉料卸在炉中。上一页下一页返回课题1金属的熔炼4.电极升降机构在炼钢过程中，为了使电极能灵敏频繁地上下运动，随时调节通电板的电流，达到稳定电弧的目的。电极的升降是靠自动控制实现的，由自动电器系统操纵液压阀来驱动使电极升降的液压缸，从而实现电极的频繁上下运动。二、电弧炉的工作原理电弧炉熔炼(图1-6)是利用石墨电极与铁料(铁液)之间产生电弧，电弧产生热量来熔化铁料和使铁液产生过热的。在电弧炉熔炼过程中，当铁料熔化后，进一步地提高温度及调整化学成分的冶炼操作，是在熔渣覆盖铁液的条件下进行。上一页下一页返回课题1金属的熔炼电弧炉依照炉渣和炉衬耐火材料的性质而分为酸性和碱性两种。碱性电弧炉具有脱硫和脱磷的能力。三、电弧炉熔炼的优缺点电弧炉熔炼的优点是熔化固体炉料的能力强，而且铁液是在熔渣覆盖条件下进行过热和调整化学成分的，故在一定程度上能避免铁液吸气和元素的氧化。这为熔炼低碳铸铁和合金铸铁创造了良好的条件。电弧炉的缺点是耗电能多，从熔化的角度看不如冲天炉经济。上一页下一页返回课题1金属的熔炼项目3感应电炉炼钢一、感应电炉的结构炼钢用的感应电炉根据炉子容量(坩埚直径)的不同而采用不同的频率，容量在10kg左右的用高频(10000Hz以上)，容量从100kg到500kg的用中频(1000~3000Hz，而容量在500kg以上的感应电炉采用工业用电频率(50Hz)炼钢采用无芯感应电炉。炉体结构与外观如图1-7所示，主要包括感应器和坩埚两部分。上一页下一页返回课题1金属的熔炼二、感应电炉的工作原理感应电炉是利用电流感应产生热量来加热和熔化铁料的熔炉。在无芯式感应电炉中，增祸内的铁料在交变磁场的作用下产生感应电流，并因此产生热量，而将其自身熔化和使铁液过热。上一页下一页返回课题1金属的熔炼三、感应电炉熔炼的特点(1)设备体积小，重量轻、效率高、耗电少。(2)炉子周围温度低、烟尘少、作业环境好。(3)操作工艺简单、熔炼运行可靠。(4)加热温度均匀、烧损少、金属成分均匀。(5)铸件质量好、熔化升温快、炉温易控制、生产效率高。(6)炉子利用率高、更换品种方便。上一页返回课题2砂型铸造铸型是根据零件形状用造型材料制成的，铸型可以是砂型，也可以是金属型。砂型铸造是指铸型由砂型和砂芯组成的铸造方法，砂型和砂芯是用砂子和黏结剂为基本材料制成的。砂型一般由上型、下型、型芯、型腔和浇注系统组成，如图1-8所示。铸型之间的接合面称为分型面。铸型中造型材料所形成的空腔，浇入的金属冷却后形成铸件体的空腔称为型腔。液态金属通过浇注系统流入并充满型腔，冷却后形成铸件，产生大量的气体从冒口、砂型等处排出。下一页返回课题2砂型铸造项目1造型材料制造砂型和砂芯的材料称为造型材料。型(芯)砂是由原砂、黏结剂和其他附加物按一定比例配合，经混合制成造型、制芯型砂和芯砂。一、型(芯)砂的性能对铸件质量的影响型砂的质量直接影响铸件的质量，型砂质量差会使铸件产生气孔、砂眼、黏砂、夹砂等多种缺陷，型砂应具备一定的性能。上一页下一页返回课题2砂型铸造良好的型砂应具备下列性能。1.透气性气体透过型砂的能力称为透气性。高温金属液浇入铸型后，铸型将产生大量的气体，部分气体必须经铸型型砂排出去，否则将使铸件产生气孔、浇不足等缺陷。砂的粒度、黏土含量、水分含量及砂型紧实度等因素对型砂的透气性影响很大。砂的粒度越高，黏土含量越低，砂型紧实度越低，透气性则越好。上一页下一页返回课题2砂型铸造2.强度型砂抵抗外力破坏的能力称为强度。型砂在造型、搬运、合箱过程中不引起塌陷，同时，铸型表面在浇注时还要承受金属液的冲击而不被破坏，铸型必须具备足够高的强度。但型砂的强度过高，会因透气性、退让性的下降使铸件产生缺陷。3.耐火性耐火性指型砂抵抗高温热作用而不软化、不熔融烧结，不黏附在铸件表面的能力。耐火性差，铸件易产生黏砂和玻璃状物黏结在铸件表面，使清砂和切削困难。型砂中SiO2含量越多，型砂颗粒度越大，耐火性越好。上一页下一页返回课题2砂型铸造4.可塑性可塑性指型砂在外力作用下成形，去除外力后保持已成形状的能力。可塑性好，造型操作方便，制成的砂型形状准确、轮廓清晰。5.退让性退让性指砂型承受铸件冷凝收缩，型砂被压缩的能力。退让性差，铸件收缩时受到较大阻碍，产生内应力，内应力较大时会引起铸件开裂。型砂越紧实，退让性越差。生产中常在型砂中加入木屑等材料提高型砂的退让性。6.溃散性溃散性指型(芯)砂在浇注后，容易溃散的性能。溃散性对清砂效率和劳动强度有显著影响。上一页下一页返回课题2砂型铸造在铸造过程中，型芯被熔融的金属液包围，所处的环境恶劣，所以芯砂性能要求比型砂高，同时芯砂的黏结剂用量(黏土、树脂、油类等)比型砂中的黏结剂的比例要大一些，所以其透气性不及型砂，制芯时要做出透气道(孔);还要加入木屑等附加物改善型芯的退让性。实际生产中，常用手捏法来判断型砂的某些性能:合适的型砂，用手抓起一把型砂，捏紧时感到柔软容易变形，放开后型砂不松散、不粘手，手印清晰;把它折断时，感到具有一定强度，断面平整均匀，没有碎裂现象，如图1-9所示。对大批量生产的铸造用型砂、芯砂是通过相应仪器检测其性能。上一页下一页返回课题2砂型铸造二、型(芯)砂的分类1.黏土砂黏土砂是由砂、黏土、水和附加物(煤粉、木屑等)按比例混合制成。黏土砂按浇注时砂型的烘干程度分为湿型砂和干型砂两大类。(1)湿型砂。湿型砂的优点:①砂型不变形，铸件精度高;②节约燃料、设备和车间生产面积;③生产率高、生产周期短、便于组织流水生产;上一页下一页返回课题2砂型铸造④落砂性好，砂箱寿命长;⑤铸件冷却速度快，组织致密。湿型砂的缺点:铸件易产生砂眼、气孔、黏砂、胀砂、夹砂等缺陷。(2)干型砂。干型砂的优点:①砂性的强度高，透气性好，发气量少，能减少砂眼、胀砂和气孔等缺陷的产生;②对原砂化学成分和耐火度要求较低。上一页下一页返回课题2砂型铸造干型砂的缺点:①退让性和溃散性较差，散热慢，造成铸件晶粒粗大;②增加了烘干工序，增加燃料消耗。2.水玻璃砂水玻璃砂是用水玻璃为黏结剂的型砂。水玻璃砂的优点:砂型硬化快，强度高、尺寸精确、便于组织流水生产。水玻璃砂的缺点:溃散性差，导致铸件清理困难和旧砂回用性差。上一页下一页返回课题2砂型铸造改善水玻璃砂溃散性的措施:①减少水玻璃加入量;②使用非钠水玻璃;③加入溃散剂;④应用改性水玻璃。3.油砂、合脂砂油砂的黏结剂是植物油，包括桐油、亚麻油等。合脂砂的黏结剂是合脂，是制皂工业的副产品，来源广，价格低，是植物油的良好代用品。上一页下一页返回课题2砂型铸造油砂、合脂砂的优点:①烘干后强度高，不吸潮;②退让性和溃散性很好;③铸件不粘砂、内腔光洁。油砂、合脂砂的缺点:发气量大，价格昂贵。4.树脂砂树脂砂的黏结剂是树脂。树脂砂的优点:不需烘干，强度高，表面光洁，尺寸精确，退让性和溃散性好，易于实现机械化和自动化。树脂砂的缺点:生产中会产生甲醛、苯酚、氨等刺激性气体，污染环境。上一页下一页返回课题2砂型铸造项目2模样和芯盒的制造模样是铸造必不可少的工艺装备。有内腔的铸件，铸造时内腔由砂芯形成，砂芯用芯盒制成。制造模样和芯盒常用的材料有木材、金属和塑料。在单件、小批量生产时采用木质模样和芯盒，在大批量生产时采用金属或塑料模样、芯盒。制造模样和芯盒是根据零件图样要求设计绘制的铸造工艺图制造的。在制造模样和芯盒时要考虑以下几个因素，如图1-10所示。(1)分型面的选择。分型面是上、下砂型的接合面，选择分型面时必须使分型有最大水平投影尺寸，模样才能从砂型中取出;并使造型方便和有利于保证铸件质量。上一页下一页返回课题2砂型铸造(2)拔模斜度。为了方便模样从砂型中取出，垂直于分型面的表面，做出0.5°~4°的拔模斜度。(3)加工余量。铸件需要加工的表面，留出适当的切削加工余量。小型铸件的加工余量为2~6mm(4)收缩量。为补偿铸件冷却收缩量而增加的尺寸。通常用于铸铁件的要加大1%;铸钢件的加大1.5%~2%;铝合金件的加大1%~1.5%(5)铸造圆角。铸件表面上的转折处，都要做成圆角，以利于造型及减小铸件的内应力。(6)芯头。有砂芯的砂型，在模样上做出相应的芯头，以安放和固定型芯。上一页下一页返回课题2砂型铸造项目3造型用型砂及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型方法可分为手工造型和机器造型两大类。手工造型是全部用手工或手动工具紧实型砂的造型方法，手工造型的特点是:操作方法简单灵活，能适应结构复杂、不同尺寸的铸件。在单件小批生产和不能用机器造型的重型复杂铸件中，常采用手工造型。手工造型生产率低，铸件表面质量差，要求工人技术水平高，劳动强度大。上一页下一页返回课题2砂型铸造一、手工造型1.造型手工造型的分类:按砂箱特征分有两箱造型、三箱造型、地坑造型等;按模样特征分有整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、假箱造型和刮板造型等。选择造型的方法要根据铸件的形状、大小和生产批量等因素选择。常用的手工造型方法介绍如下。(1)两箱整模造型。两箱整模造型过程如图1-11所示。两箱整模造型的特点是:操作简单，模样是一个整体结构，最大截面是平面。在模样一端是分型面。两箱整模造型适用于形状简单的铸件，如盘、轴承、盖类。上一页下一页返回课题2砂型铸造(2)两箱分模造型。两箱分模造型过程如图1-12所示。两箱分模造型的特点是:两块分开的模样，分模面必须是模样的最大截面;分型面与分模面重合。分模造型过程与整模造型基本相似，不同的是造上型时增加放上模样和取上半模样两个操作。两箱分模造型主要应用于最大截面在模样中部的铸件，或某些没有平整表面的零件;如套筒、管子和阀体等以及形状复杂的铸件。(3)活块模造型。活块模造型过程如图1-13所示。模样上能活动或可拆卸的结构叫活块。当模样上有影响起模的侧面伸出结构(如小凸台)时，常将该部分做成活块。上一页下一页返回课题2砂型铸造起模时，先将模样与活块连接的销钉取出，再取出模样主体，最后将留在铸型内的活块单独取出，这种方法称为活块模造型。如图1-13所示，应注意拔出钉子前先将活块四周的型砂塞紧。活块造型的操作有一定的难度，生产率低，适用于单件生产。当批量较大时，应采用外型芯，将活块造型变为整模造型，简化操作，如图1-14所示。(4)挖砂造型和假箱造型。挖砂造型的过程如图1-15所示。当分型面是曲面，模样无法分开而只能制成整模，在造型过程中，部分型砂会阻碍模样的取出。上一页下一页返回课题2砂型铸造此时，必须将这部分覆盖在模样上的型砂挖去，才能顺利取模。这种造型方法称为挖砂造型。挖砂造型生产率低，操作技术要求高，故只适合于单件小批生产的形状复杂的小铸件。假箱造型是用预制的假箱(砂制)或成形底板(砂制或木制)，承托模样形成曲面分型以省去挖砂工序的一种造型方法。假箱只用于造另半型，但不用于组型。假箱造型适用于本应挖砂造型且生产批量较大的铸件。(5)三箱分模造型。如图1-18所示三箱造型过程。采用两个分型面三个砂箱的造型方法称为三箱造型。三箱造型合箱时易错箱，故铸件尺寸精度较两箱造型低。另外，三箱造型还必须备有高度与模样相适当的中砂箱，且因无法造中箱不能用于机器造型。上一页下一页返回课题2砂型铸造模样在中箱，为便于从中箱的一端面起模，模样必须采用分模。因此，三箱造型仅适用于铸件形状复杂，最大截面在两端，并有两个分型面的单件和小批生产。在成批大量生产中，可采用增加外型芯的方法，将三箱造型改为两箱造型，以便于采用机器造型，如图1-19所示。(6)刮板造型。尺寸大于500mm的旋转体铸件，用与铸件截面形状相适应的特制木质刮板代替模样进行造型的方法称为刮板造型。造型时将刮板绕着固定的中心轴旋转，在砂型中刮制出所需的型腔，如图1-20所示刮板分为绕轴线旋转的(称为车板)和沿导轨往复移动的两大类。上一页下一页返回课题2砂型铸造刮板造型的模样简单，节省木材，但造型生产率低，对工人的技术操作水平要求较高，所以只适用于尺寸较大的旋转体或等截面铸件的单件生产。(7)地坑造型。直接在铸造车间的砂坑内造型代替下砂箱的方法称为地坑造型。大型铸件单件生产时，为节省砂箱，降低铸型高度，便于浇注操作，多采用地坑造型。如图1-21所示，为地坑造型结构。这种造型方法不需要下砂箱，缩短了生产准备时间，降低了铸件成本，但操作比较麻烦。在制作大铸件时，要用炉渣或焦炭等透气物料垫底，并插入几根管子，以便底部气体引出地面，然后再放模样填砂造型。上一页下一页返回课题2砂型铸造造型完毕沿砂箱壁打入铁桩或画线定位，即可开箱起模。地坑造型一般用于单件或小批生产的大中型铸件。2.制芯为获得铸件的内腔或局部外形，用芯砂或其他材料制成的、安放在型腔内部的铸型组件称型芯。由于浇注时型芯受到高温金属液流的冲刷和包围，因此要求型芯有良好的透气性、较高的强度和耐热性，型芯砂还应具有一些特殊的性能，如吸湿性要低(以防止合箱后型芯返潮);发气要少(金属浇注后，型芯材料受热而产生的气体应尽量少);出砂性要好(以便于清理时取出型芯)。所以，型芯砂应具有比普通砂更好的综合性能。上一页下一页返回课题2砂型铸造对于一般的型芯，可以用黏土砂制作，形状复杂的薄型芯常采用油砂、合脂砂或树脂砂来制作，并在砂芯内放入金属芯哥和扎出通气孔以提高强度和透气性。型芯一般是用芯盒制成的，开式芯盒制芯是常用的手工制芯方法，适用于圆形截面的较复杂型芯。其制芯过程见图1-22芯盒常用的材料有木材、金属和塑料。在单件、小批量生产时广泛采用木质芯盒，在大批量生产时多采用金属或塑料芯盒。上一页下一页返回课题2砂型铸造3.浇冒口系统(1)浇注系统。浇注系统是金属液流入型腔的通道。其作用是:将金属液平稳、迅速地导入型腔;阻止熔渣、砂粒等进入型腔;控制金属液流入型腔的速度和方向;调节铸件的凝固顺序，补充金属液在冷却和凝固时的体积收缩。浇注系统对铸件质量、金属的消耗影响很大。若浇注系统开设得不合理，铸件易产生冲砂、砂眼、渣孔、浇不到、气孔和缩孔等缺陷。典型的浇注系统由外浇口、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成，如图1-23所示。对形状简单的小铸件可以省略横浇道。上一页下一页返回课题2砂型铸造①外浇口。其作用是容纳注入的金属液并缓冲液态金属对砂型的冲击。小型铸件通常为漏斗状(称浇口杯)，较大型铸件为盆状(称浇口盆)。②直浇道。连接外浇口与横浇道的垂直通道。调节直浇道的高度可以调整改变金属液的流动速度和金属液的静压力，从而改变液态金属的充型能力。如果直浇道的高度或直径太小，铸件易产生浇不足的现象。为便于造型时取出直浇道棒，直浇道一般做成上大下小的圆锥形。③横浇道。连接直浇道与内浇道的水平通道。横浇道的主要作用是分配金属液进入内浇道和起挡渣作用。其截面形状一般是高梯形，一般开设在砂型的分型面上，并位于内浇道的上面。上一页下一页返回课题2砂型铸造④内浇道。连接横浇道与型腔，能调节金属液流入型腔的方向和速度、调节铸件各部分的冷却速度。内浇道的截面形状一般是扁梯形和月牙形，也可为三角形。(2)冒口。冒口是用以贮存补缩金属液的空腔。它能排放型腔中的气体和收集液流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液，以减少铸件上的缺陷。冒口常设置在铸件的厚壁处或热节部位，以防止缩孔和缩松的产生。冒口的形状多采用圆柱形(因其散热慢、对缩效果好，且易取模)。上一页下一页返回课题2砂型铸造为防止缩孔和缩松，往往在铸件的顶部或厚大部位以及最后凝固的部位设置冒口。冒口中的金属液可不断地补充铸件的收缩，从而使铸件避免出现缩孔、缩松。常用的冒口分为明冒口和暗冒口。冒口的上口露在铸型外的称为明冒口，明冒口的优点是有利型内气体排出，便于从冒口中补加热金属液，缺点是明冒口消耗金属液多。位于铸型内的冒口称为暗冒口，浇注时看不到金属液冒出，其优点是散热面积小，补缩效率高，利于减小金属液消耗。4.造型的基本操作造型方法很多，但每种造型方法大都包括舂砂、起模、修型、合箱工序。上一页下一页返回课题2砂型铸造(1)造型模样。用木材、金属或其他材料制成的铸件原形统称为模样，造型时用来形成铸型的型腔。用木材制作的模样称为木模，用金属或塑料制成的模样称为金属模或塑料模。模样的外形与铸件的外形相似，不同的是铸件上如有孔穴，在模样上不仅实心无孔，而且要在相应位置制作出芯头。(2)准备砂箱、安放木模。选择大小适应的砂箱。砂箱选择过大，不仅消耗过多的型砂，而且浪费舂砂工时。砂箱选择过小，则木模周围的型砂舂不紧，在浇注的时候金属液容易从分型面的交界面间流出。通常木模与砂箱内壁及顶部之间须留有30~100mm的距离，此距离称为吃砂量。吃砂量的具体数值视木模大小而定。上一页下一页返回课题2砂型铸造清理木模，安放木模，安放木模应注意木模上的斜度方向，不要把它放错。使用如图1-24所示的造型工具可进行各种手工造型。(3)舂砂。①舂砂时必须分次加入型砂。先用新砂填满木模周围，再加上旧砂，对小砂箱每次加砂厚50~70mm。第一次加砂时须用手将木模周围的型砂按紧，以免木模在砂箱内的位置移动。然后用舂砂锤的尖头部位分次舂紧，最后改用舂砂锤的平头舂紧型砂的最上层。上一页下一页返回课题2砂型铸造②舂砂应按一定的路线进行，舂砂用力大小应该适当。用力过大，砂型太紧，砂型透气性差。用力过小，砂型太松易塌箱。砂型的各部位的松紧要求不相同，靠近砂箱位置应舂紧一些，以免塌箱。靠近木模的位置，砂型应稍紧些，以承受液体金属的压力。在砂箱与木模中间的砂层应适当松些，增加透气性。③舂砂时应避免舂砂锤撞击损坏木模。一般舂砂锤与木模相距20~40mm(4)撒分型砂。在造上砂型之前，应在下型分型面上撒一层细粒干砂(即分型砂)，以免上、下砂型粘在一起。分型砂应薄而均匀地覆盖在分型面上。然后将木模上的分型砂吹掉，以免在浇注时被留在型腔内导致铸件产生缺陷。上一页下一页返回课题2砂型铸造(5)扎通气孔。在已舂紧和刮平的型砂上，用通气针扎出通气孔，提高砂型的透气性。通气孔要垂直而且均匀分布。(6)开外浇口。外浇口应挖成60。的锥形，大端直径60~80mm(视铸件大小而定)。也有制成专门的浇口杯，浇口面应修光，与直浇道连接处应修成圆弧过渡，以引导液体金属平稳流入砂型。(7)做合箱线。如上、下砂箱没有定位销，为合箱准确不产生错箱，上、下砂型打开之前，在砂箱壁垂直方向最远处画合箱线，两处合箱线的线数应不相等，以免合箱时弄错。最简单的方法是在箱壁上涂上粉笔灰，然后用划针画出细线。如需烘烤的砂箱，则用砂泥涂敷在砂箱壁上，用馒刀袜平后，再刻出线条打泥号。做线完毕，即可开箱起模。上一页下一页返回课题2砂型铸造(8)起模。①为防止起模时木模粘起型砂损坏型腔，起模前要用水笔刷些水在分型面上的木模周围的型砂上。刷水时动作要流畅，以免局部水分过多而，浇注时产生大量水蒸气，使铸件产生气孔。②起模针要钉在木模的重心且与分型面垂直。然后要用小锤轻轻左右敲打起模针的下部，使木模松动后便可起模。③起模时，慢慢将木模垂直提起，注意不要偏斜和摆动。当木模将要全部起出时快速提出。上一页下一页返回课题2砂型铸造(9)修型。起模后，型腔如有损坏，应根据损坏部位的形状，正确造用修型工具进行修补。如果型腔损坏较大，可将木模重新放入型腔进行修补。(10)合型。将上型、下型、型芯、浇口杯等组合成一个完整铸型的操作过程称为合型，又称合箱。如合型操作不当，会引起气孔、砂眼、错箱、偏芯、飞边和跑火等缺陷。合型工作包括:①铸型的检验和装配检查型芯是否烘干，有无破损。下芯前，应先清除型浇注系统和型芯表面的浮砂，检查排气道是否通畅。型芯在砂型中安放稳避免浇注时被液体金属冲击后位置变动上一页下一页返回课题2砂型铸造在芯头与砂型芯座的间隙处可以用泥条或干砂填充，后时还可防止浇注时金属液钻入芯头而堵死排气道，然后导通砂芯和砂型的排气道。合箱时应注意使上砂箱保持平稳水平下降，对齐合箱线;②铸型的紧固为避免由于金属液的浮力使砂箱抬箱而造成的缺陷，装配好的铸型需要紧固。单件小批生产时，使用压铁压箱，压铁重量一般为铸件重量的3~5倍。成批、大量生产时，可使用压铁、卡子或螺栓紧固铸型。紧固铸型时应注意用力均匀、对称;先紧固铸型，再插合型定位销;压铁应压在砂箱箱壁上。上一页下一页返回课题2砂型铸造二、机器造型随着现代化生产的发展，机器造型已代替了大部分的手工造型，机器造型不但生产率高，而且质量稳定，是成批大量生产铸件的主要方法。机器造型主要是紧砂与起模的机械化。为了提高生产率，采用机器造型的铸件，应尽可能避免活块和砂芯，同时机器造型因无法造出中箱，故不能进行三箱造型，只适合两箱造型。机器造型根据紧砂和起模方式不同，有气动微振压实造型、射压造型、高压造型、抛砂造型上一页下一页返回课题2砂型铸造项目4合金的浇注把熔融的金属浇入铸型的过程称为浇注。浇注是铸造生产中的一个重要环节。浇注工艺是否合理，不仅影响铸件质量，还涉及工人的安全。一、浇注工具浇注常用工具有浇包，如图1-25所示、挡渣钩等。浇注前应根据铸件大小、批量选择合适的浇包，并对浇包和挡渣钩等工具进行烘干，以免引起液体金属的飞溅及降低金属液的温度。上一页下一页返回课题2砂型铸造二、浇注工艺(1)浇注温度。金属液浇入铸型时的温度叫浇注温度。影响浇注温度的因素有合金种类、铸件的大小、形状及壁厚。浇注温度过高，铁液在铸型中收缩量增大，易产生缩孔、裂纹及粘砂等缺陷;温度过低则铁液流动性差，又容易出现浇不足、冷隔和气孔等缺陷。对形状较简单的厚壁灰铸铁件，浇注温度为1300℃左右即可;对形状复杂的薄壁灰铸铁件，浇注温度为1400℃左右。上一页下一页返回课题2砂型铸造(2)浇注速度。单位时间内浇入铸型的金属质量称为浇注速度。浇注速度可通过操纵浇包和改变浇注系统尺寸来控制。浇注速度太快，则会使铸型中的气体来不及排出而产生气孔，同时易造成冲砂、抬箱和跑火等质量问题。浇注速度太慢，铁液冷却快，易产生浇不足、冷隔以及夹渣等质量问题。(3)浇注的操作。浇注前应估算好每个铸型需要的金属液量，安排好浇注路线，浇注时应进行挡渣。浇注过程中应保持外浇口始终充满，不允许浇注中断，这样可防止熔渣和气体进入铸型及产生浇不足、冷隔质量问题，并防止飞溅和满溢。上一页下一页返回课题2砂型铸造浇注结束后，应将浇包中剩余的金属液倾倒到预定的干燥的坑内。(4)浇注时应注意以下事项:①浇注是高温操作，必须注意安全，必须穿着工作服和工作皮鞋;②浇注前，必须清理浇注时行走的通道，预防意外跌撞;③必须烘干烘透浇包，检查砂型是否紧固;④浇包中金属液不能盛装太满，吊包液面应低于包口100mm左右，抬包和端包液面应低于包口60mm左右。上一页下一页返回课题2砂型铸造项目5铸件的落砂及清理一、落砂将用手工或机械将铸件从砂型中取出来的过程称为落砂。浇注后的铸件在型砂内应有足够的冷却时间。冷却时间要根据铸件的大小、壁厚等确定，开箱过早会造成铸件内应力增加及表面硬而脆，使机械加工困难;开箱太晚则会增加场地的占用时间，影响生产效率。一般在浇注后1小时左右开始落砂。二、清理清理是从铸件表面上清除型砂、表面黏砂、浇口、浇道、冒口、氧化皮、飞翅等的过程。上一页下一页返回课题2砂型铸造除浇道、浇冒口，铸铁件可用铁锤敲掉浇冒口;铸钢可用气割割掉;有色金属用锯子锯掉。表面黏砂，轻者可用钢丝刷刷掉，重者则需用錾子、风铲等工具消除。批量较大时，大、中型铸件可以在抛丸室内进行清理，小型铸件可用抛丸清理滚筒进行清理，如图1-26所示。去除毛刺和飞边可用錾子、风铲、砂轮等工具去除掉铸件上的毛刺和飞边，并进行打磨，尽量使铸件轮廓清晰、表面光洁。抛丸清理滚筒的清理原理:一是利用滚筒的旋转，其内壁的斜筋不断地翻转铸件，使铸件互相不断地碰撞、摩擦而进行清理;二是从抛丸器里抛射出来的铁丸不断地打击到铸件表面而进行清理。上一页返回课题3铸件质量分析对铸件质量问题进行分析，找出产生质量问题的原因，采取措施加以防止。铸件的质量问题很多，铸件质量问题及其产生原因是很复杂的，有时可见到在同一个铸件上出现多种不同原因引起的质量问题，或同一原因在生产条件不同时会引起多种质量问题。常见的铸件质量问题名称、特征及产生的主要原因见表1-1返回课题4特种铸造所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺。目前特种铸造方法已有几十种，常用的有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、低压铸造、陶瓷型铸造，另外还有实型铸造、磁型铸造、石墨型铸造、反压铸造、连续铸造等。特种铸造一般都能提高铸件的尺寸精度和表面质量，或提高铸件的物理及力学性能;此外，大多能提高金属的利用率(工艺出品率)，减少消耗量;有些方法更适宜于高熔点、低流动性、易氧化合金铸件的铸造;有的能明显改善劳动条件，并便于实现机械化和自动化生产，提高生产率。现简单介绍几种常用的特种铸造方法。下一页返回课题4特种铸造项目1熔模铸造用易熔材料(蜡或塑料等)制成可熔性模样，并在模样上涂以若干层耐火涂料，加热型壳熔出模型后，经干燥、硬化、高温焙烧形成耐火型壳，然后浇注的铸造方法称熔模铸造。熔模铸造又称失蜡铸造。熔模铸造的工艺过程如图1-27所示。熔模铸造的特点及应用如下。(1)铸件尺寸精度高，表面质量好。精度高可达IT9~IT12。表面粗糙度Ra值可为达1.6~12.5μm。机械加工余量小，可实现少、无切削加工。上一页下一页返回课题4特种铸造(2)适应性广。可生产各类合金的铸件，尤其适合生产高熔点合金及难以切削加工的合金铸件，如耐热合金、不锈钢等;生产批量不受限制。(3)可生产形状复杂、薄壁(厚度达0.3mm)的铸件。可铸出直径达0.5mm的小孔。(4)应用广泛。广泛应用于机械制造、航空、汽车、机床、切削刀具和等行业。(5)工艺过程复杂，生产周期长，成本高。铸件重量不宜太大(一般在25kg以下)。上一页下一页返回课题4特种铸造项目2金属型铸造将熔融金属浇入用铸铁、碳钢或低合金钢等金属材料制成铸型中获得铸件的方法称为金属型铸造。根据铸型结构，金属型分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式几种。如图1-28所示，为铸造铝活塞垂直分型式的金属型，它的外形由两个半型3和7组成，活塞内腔由可拆式金属芯4,5和6三部分组合而成，活塞销孔由两根圆柱金属芯棒2和8形成。浇注后铸金属液冷却到一定温度时，分别抽出金属芯4,5和6，然后从水平方向抽出两侧的芯棒2和8,最后分开两个半型3和7，即可取出铸件。上一页下一页返回课题4特种铸造金属型铸造的优点:(1)金属型可多次使用，可节省造型时间和造型材料，生产效率高。(2)金属型精度高和表面质量较好，液态金属耗量少，劳动条件好。(3)散热快、铸件组织致密，力学性能好。上一页下一页返回课题4特种铸造金属型铸造的缺点:(1)制造成本高、制造周期长，维护要求高。(2)由于铸型导热性好，会降低金属液的流动性。因而不宜浇注过薄、过于复杂的铸件。(3)铸型无退让性，铸件冷却收缩产生的内应力过大时会导致铸件的开裂。型腔在高温下易损坏，因而不宜铸造高熔点合金。金属型铸造的特点及应用:金属型铸造适用于大批生产有色合金铸件，如飞机、汽车、拖拉机、内燃机、摩托车的铝活塞、缸盖、油泵壳体、铜合金轴承及轴套等，有时也可用来生产某些铸铁件和铸钢件。上一页下一页返回课题4特种铸造项目3离心铸造离心铸造是指将液态合金浇入高速旋转(250~1500r/min)的铸型中，使其在离心力作用下填充铸型的铸造方法。根据铸型旋转轴布置的不同，离心铸造可分为立式图1-29(a)和卧式图1-29(b)两大类。金属型铸造的特点及应用:主要用于生产空心圆筒形铸件，铸件组织致密，力学性能较好，没有或很少有气孔、缩孔等缺陷;不需用浇注系统和冒口，大大提高了金属的利用率;铸造空心圆筒铸件，可以不用型芯，且壁厚均匀(卧式浇注);适应各种合金薄壁件和“双金属”件;铸件内孔表面粗糙。离心铸造应用于各种铸铁水管、辊筒铸件、汽车和拖拉机的气缸套、铜合金套、环类铸件。上一页下一页返回课题4特种铸造项目4压力铸造压力铸造是在高压作用下将金属液以较高的速度压入高精度的型腔内，使金属在压力下凝固的铸造方法。压铸机可分为热室压铸机和冷室压铸机两大类，冷室压铸机又可分为立式和卧式等类型，图1-30为卧式冷室压铸机，用高压油驱动合型，充型速度快，生产率高，应用较广泛。压铸模主要由定模和动模两大部分组成。定模固定在压铸机的定模座板上，通过浇道将压铸机压室与型腔连通。动模随压铸机的动模座板移动，完成开合模动作。上一页下一页返回课题4特种铸造压铸模由模体部分、浇注系统、导向装置、排气、冷却系统、抽芯机构和顶出铸件机构等部分组成。压铸工艺过程见图1-31:将熔融金属定量浇入压射室中[图1-31(a)]，压射冲头以高压把金属液压入型腔中[图1-31(b)],铸件凝固后开模，顶杆把铸件从压铸模型腔中顶出出件[图1-31(c)]压铸铸造的优点:(1)能获得优质铸件。铸件质量高，尺寸精度可达(IT11~ITl3)，表面粗糙度可达Ra值3.2~0.8N.m，强度与硬度高。(2)生产率高(50~150件/h)。能铸出各种孔眼、螺纹和齿轮等。适合于大批量生产。上一页下一页返回课题4特种铸造压铸铸造缺点:(1)压铸速度高，气体不易从模具中排出，所以压铸件易产生气孔(针孔)缺陷，且压铸件塑性较差。(2)设备投资大，应用范围较窄(适于低熔点的合金和较小的、薄壁且均匀的铸件)。项目5实型铸造使用泡沫聚苯乙烯塑料制造模样(包括浇注系统)，在浇注时，模样燃烧气化消失，金属液充填了原来模样的位置，冷却凝固后而成铸件的铸造方法。实型铸造又称“消失模铸造”或“气化模造型”，其工艺过程如图1-32所示。上一页下一页返回课题4特种铸造实型铸造铸造的特点及应用:(1)铸件尺寸精度较高。不需起模、不分型、没有铸造斜度和活块、不需要型芯(水平小孔可能用型芯)以及浇注位置选择灵活等优点，能获得较高的铸件尺寸精度。(2)铸件生产周期短，生产率高，设计方便。(3)材料消耗少，铸造成本低。(4)泡沫塑料模只能浇注一次，在浇注过程中由于汽化、燃烧所产生大量的烟雾和碳氢化合物，铸件易产生皱皮缺陷。实型铸造主要应用于形状结构复杂、难以起模、有活块和外型芯较多的铸件，如在汽车、造船、机床等行业中用来生产模具、曲轴、箱体、阀门、缸体、刹车盘等铸件。上一页返回

铸造生产过程返回

图1-1铸件生产过程流程示意图返回

图1-2冲天炉的结构返回1-出铁口；2-出渣口；3-前炉；4-过桥；5-底焦；6-金属料；7-层焦；8-烟囱；9-火花罩；10-加料口；11-进风口；12-炉缸；13-炉底门；

图1-3电弧炉结构返回1,2,3-1号电极，2号电极，3号电极；4-电极夹持器；5-电极支承横臂；6-升降电机立柱；7-升降电机液压缸；8-炉盖；9-提升炉盖链条；10-滑杆；11-拉杆；12-提升炉盖液压缸；13-提升炉盖支承臂；14-转动炉盖机构；15-炉体；16-月牙板；17-支承轨道；18-倾倒液压缸；19-出钢槽；20-电缆图1-4碱性电炉炉体剖面返回1-炉壳盖板；2-8~15mm厚石棉板；3-115mm厚侧砌镁砖；4-115mm厚直砌镁砖；5-65mm厚平砌黏土砖(绝热层)；6-打结镁砂图1-5电弧炉高铝砖炉盖返回1-钢制炉盖圈；2-电极孔图1-6电弧炉熔炼返回图1-7无芯感应电炉炉体部分

构造图返回1-耐火材料；2-炉体；3-感应线圈；4-坩埚；5-感应器图1-8铸型装配图返回1-分型面；2-上型；3-冒口、气孔；4-浇注系统；5-上箱；6-型腔；7-下型；8-型芯；9-下箱；10-芯头芯座图1-9手捏法检验型砂返回图1-10压盖零件的铸造工艺图及相应的模样图返回(a)零件图;(b)铸造工艺图;(c)模样图;(d)芯盒图1-11盘类两箱整模造型过程返回图1-12套筒两箱分模造型过程返回(a)造下型;(b)造上型;(c)开箱、起模;(d)开浇口、下芯;(e)合型;(f)带浇口的铸件图1-13活块造型返回1-用钉子连接活块；2-用燕尾槽连接活块图1-14用外型芯做出活块返回(a)取模、下芯;(b)合型图1-15手轮的挖沙造型过程返回(a)模样;(b)造下型;(c)造下型，挖修分型面;(d)造上型;(e)合箱;(f)铸件;(g)零件图

图1-16假箱造型返回(a)在假箱上造下型;(b)造下型;(c)起模、合型1-下型；2-假箱；3-上型图1-17成型地板造型返回1-下型；2-最大分型面；3-成型底板图1-18带轮的三箱造型过程返回

图1-19采用外型芯的两箱分模

造型返回

图1-20皮带轮铸件的刮板造型

过程返回(a)皮带轮铸件;(b)刮板;(c)刮制下型;(d)刮制上型;(e)合型(图中字母表示与铸件的对应部位)

图1-21地坑造型结构返回图1-22对开式芯盒制芯返回(a)准备芯盒;(b)夹紧芯盒，分次加入芯砂、芯骨、舂砂;(c)刮平、扎通气孔;(d)松开夹子，轻敲芯盒;(e)打开芯盒，取出芯砂，上涂料图1-23典型浇注系统返回1-浇口杯；2-直浇道；3-横浇道；4-内浇道；5-冒口图1-24常用手工造型工具返回(a)浇口棒;(b)砂冲子;(c)通气针;(d)起模针;(e)墁刀;(f)秋叶;(g)砂勾;(h)皮老虎;(i)砂箱;(j)底板;(k)刮砂板

图1-25浇包返回(a)手提浇包;(b)抬包;(c)吊包

图1-26抛丸清理滚筒返回

表1-1常见的铸件质量问题及产生原因返回图1-27熔模铸造工艺过程示意图返回(a)母模;(b)压型;(c)熔蜡;(d)铸造蜡模;(e)单个蜡模;(f)组合蜡模;(g)结壳熔出蜡模;(h)填砂、浇注图1-28铸造铝活塞的金属型返回1-型腔；2-销孔型芯；3-左半型；4-左侧型芯；5-中间型芯；6-右侧型芯；7-右半型；8-销孔型芯；9-底板图1-29(a)离心铸造示意图返回绕垂直轴旋转图1-29(b)离心铸造示意图返回绕水平轴旋转图1-30卧式冷室压铸机返回图1-31压铸工艺过程示意图返回图1-32实型铸造工艺过程返回(a)泡沫塑料模样;(b)造好的铸型;(c)浇注过程;(d)铸件模块2锻造课题1自由锻课题2模锻课题3胎模锻模块2锻造对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，从而获得零件或毛坯的成形加工方法称为锻压。锻压是锻造和冲压的总称，锻压属于压力加工。锻造又可分为自由锻、模锻和胎模锻三种方式。锻造能消除金属铸锭中的一些铸造缺陷，使其内部晶粒细化，组织致密，力学性能显著提高。所以重要的机器零件和工具部件，如车床主轴、高速齿轮、曲轴、连杆、锻模和刀杆等大都采用锻造制坯。用于锻压的材料应具有良好的塑性和较小的变形抗力，在锻压时能产生较大的塑性变形而不被破坏。锻造用的材料有低碳钢、中碳钢、低合金钢、纯金属以及具有良好塑性的铝、铜等有色金属，铸铁在常温或加热状态下塑性都很差，不能用锻压来加工。下一页返回模块2锻造在生产中，不同成分的钢材应分别存放，以防用错。锻造生产的工艺过程为:下料—加热—锻造—热处理—检验。在锻造中、小型锻件时，以型材圆钢或方钢为原材料，用锯床、剪床将原材料切成所需长度，在加热炉中加热到一定温度后，使用锻锤或压力机进行锻造。锻造后的锻件，如塑性好、尺寸小可堆放在干燥的地面冷却;如塑性差、尺寸大，应在灰砂或在一定温度的炉子中随炉冷却，防止产生较大内应力。多数锻件锻后要进行退火或正火热处理，以消除锻件中的内应力和改善金属基体组织。上一页返回课题1自由锻由于工件的尺寸和形状要靠操作技术来保证，所以自由锻要求工人有较高的技术水平。自由锻生产率低，加工余量大，但工具简单，通用性大，故被广泛用于锻造形状较简单的单件、小批生产的锻件。自由锻可分为手工自由锻和机器自由锻两种。项目1自由锻的设备坯料在设备的上、下两砧之间各个方向不受限制而自由变形，以获得所需几何形状多内部质量的锻件的方法称机器自由锻。常用的机器自由锻设备有空气锤、蒸汽—空气锤和水压机。下一页返回课题1自由锻一、空气锤空气锤操作方便，使用灵活，是生产小型锻件最常用的自由锻设备。空气锤的规格是用落下部分的质量来表示，一般为50~1000kg空气锤由锤身、落下部分、锤砧、工作缸、压缩缸、传动机构和操纵机构等几个部分组成。如图2-1(a)所示。空气锤是将电能转化为压缩空气的压力能来产生打击力的。空气锤的传动是由电动机经过一级带轮减速，通过曲柄连杆机构，使活塞在压缩缸内做往复运动产生压缩空气，推动工作活塞上下运动，从而带动锤头及上砧铁的上升或下降，完成各种打击动作。上一页下一页返回课题1自由锻旋阀与两个气缸之间有四种连通方式，通过操纵上下旋阀可以使锤头实现单次打击、连续打击、压锤、空转和锤头悬空五种动作。空气锤的工作原理如图2-1(b)所示。1.单次打击将踏杆踩下后立即抬起，或将手柄由锤头上悬位置推到连续打击位置，再迅速退回到上悬位置，空气锤就实现单次打击。操作位置要准确、果断，稍有迟缓，就会成为连续打击，操作时要等锤头停止打击后才能转动或移动锻件。上一页下一页返回课题1自由锻2.连续打击(轻打或重打)压缩缸上、下腔与工作缸上、下腔互相连通，压缩缸往复将空气压入工作缸的上、下部分，推动锤头上、下往复运动(此时逆止阀不起作用)，实现连续锻打。打击能量的大小取决于上、下阀旋转角度的大小，旋转角度越大，打击能量越大。3.压锤(压紧锻件)压缩缸上气道及工作缸下气道与大气相通，压缩空气由压缩缸下部经逆止阀及中间通道进入工作缸上部，使锤头向下压紧锻件。此时可进行弯曲或扭转等操作。上一页下一页返回课题1自由锻4.空转(空行程)压缩缸的上、下气道都通过旋阀与大气连通，压缩空气不进入工作缸，锤头靠自重落在下砧铁上，电动机空转，锤头不工作。5.锤头悬空工作缸及压缩缸上气道都经上旋阀与大气连通，压缩空气只能经下旋阀和工作缸的下气道进入工作缸的下部。下旋阀内有一个逆止阀，可防止压缩空气倒流，使锤头保持在上悬的位置。锤头上悬时，可在锤上进行辅助性操作，如检查锻件尺寸、更换或安放锻件及工具、清除氧化皮等。上一页下一页返回课题1自由锻二、蒸汽—空气锤蒸汽—空气锤是通过锤的冲击力锻打工件，如图2-2所示。蒸汽—空气锤自身不带动力装置，需要蒸汽锅炉向它输送有一定压力的蒸汽，或使用空气压缩机向其提供压缩空气。蒸汽—空气锤的锻造能力大于空气锤，一般为500~5000kg,适用于中型锻件的锻造。上一页下一页返回课题1自由锻三、水压机大型锻件需要在液压机上锻造，液压机有油压机、水压机两种。水压机是最常用的一种，如图2-3所示。水压机的压力大，水压机不产生冲击力，而靠静压力使坯料变形，工作平稳，因此工作时震动小。锻件变形速度低，变形均匀，易将锻件锻透，使整个截面呈细晶粒组织，从而改善和提高了锻件的力学性能，液压机的工作行程大，并能在行程的任何位置产生压力，劳动条件较好。但水压机机体庞大，价格较贵。液压机的规格是用能产生的最大压力来表示，规格为500~12500t，能锻造1~300t的大型重型坯料。上一页下一页返回课题1自由锻项目2自由锻的工具1.手工自由锻工具利用简单的手工工具，使坯料产生变形而获得的锻件方法，称手工自由锻，常用手工锻造工具如图2-4所示。用来锻打工件的工具，如各种大锤和手锤;用来工件成型的工具，如各种型锤、冲子、漏盘等;用来夹持工件的工具，如各种形状的钳子;用来切割工件的工具，如各种錾子及切刀;用来支持工件的工具，如羊角砧等;用来测量工件尺寸的工具，如钢直尺、内外卡钳等。上一页下一页返回课题1自由锻2.机器自由锻的工具常用机器自由锻工具如图2-5所示。用来夹持工件的工具，如圆钳、方钳，槽钳、抱钳、尖咀钳、专用型钳等。用来切割工件的工具，剁刀、剁垫、刻棍等。用来工件成型的工具，如压铁、摔子、压肩摔子、冲子、垫环(漏盘)等。用来测量工件尺寸的工具，如钢直尺、内外卡钳等。用来吊运工件的工具，如吊钳、叉子等。上一页下一页返回课题1自由锻项目3金属的加热锻造时要对工件加热，金属材料在一定温度范围内，随温度的上升其塑性会提高，变形抗力会下降，用较小的变形力就能使坯料稳定地改变形状而不出现破裂。一、锻造加热设备加热炉的种类很多，按加热方式分主要有火焰加热炉和电加热炉两大类。1.火焰加热炉采用烟煤、焦炭、重油、煤气等作为燃料。当燃料燃烧时，产生含有大量热能的高温火焰将金属加热。现介绍几种火焰加热炉。上一页下一页返回课题1自由锻(1)明火炉:如图2-6所示。以煤为燃料的火焰加热炉炉子，称为明火炉，又称为手锻炉。由炉膛、炉罩、烟筒、风门和风管等组成。其结构简单，操作方便，但生产率低，热效率不高，加热温度不均匀和速度慢。在小件生产和维修工作中应用较多，因此，常用来加热手工自由锻及小型空气锤自由锻的坯料。(2)反射炉:如图2-7所示。反射炉是以烟煤作燃料，燃料在燃烧室燃烧，通过炉顶将火焰反射到加热室加热坯料的炉子。上一页下一页返回课题1自由锻燃煤置于燃烧室3中的炉罩2上，鼓风机8输出的空气经换热器11预热后，从一次送风管1进入燃烧室。燃烧产生的高温火焰经炉顶反射越过火墙5进入加热室6，同时经预热后的空气又从二次送风管4的喷口射出，由燃烧室喷入加热室，使加热室全部充满火焰，温度可达1350℃左右。炉内的废气经烟道10由烟囱9排出。坯料通过炉门7装入加热室或自其中取出。(3)油炉和煤气炉:如图2-8所示。分别以重油和煤气为燃料的炉称为油炉和煤气炉，油炉和煤气炉结构基本相同，仅喷嘴不同。油炉和煤气炉按其结构形式分，有室式炉、开隙式炉、推杆式连续炉和转底炉等。上一页下一页返回课题1自由锻如图2-8所示为室式重油加热炉示意图，由炉膛、喷嘴、炉门和烟道组成。炉膛包括燃烧室和加热室。燃油经压缩空气喷出成雾状从喷嘴喷，喷嘴分布在炉膛两侧。与空气均匀混合并燃烧，坯料码放在炉底板上。调节喷油量及压缩空气可控制炉温。这种加热炉用于自由锻大型坯料和钢锭的加热，它的炉体结构比反射炉简单、紧凑，热效率高。2.电加热炉利用电热元件产生的电阻热为热源，通过辐射和对流将坯料加热的加热炉称电加热炉。电加热炉有电阻加热炉、接触电加热炉和感应加热炉等，如图2-9所示。上一页下一页返回课题1自由锻炉子通常为成箱体结构，分为中温箱式电阻炉如图2-10所示和高温箱式电阻炉，如图2-11所示。中温箱式电阻炉的电热元件为电阻丝，最高工作温度950℃，一般用在有色金属及其合金小型锻件的加热;高温箱式电阻炉的电热元件为硅碳棒，最高工作温度为1350℃，用在高温合金小型锻件的加热。电加热炉可精确控制炉温，操作方便，无污染，但耗电量大，成本较高，一般用于小批量生产。上一页下一页返回课题1自由锻二、锻造温度范围加热在锻造工艺过程中非常重要，它直接影响锻件的质量。加热温度如果过高，会使锻件产生加热缺焰，甚至造成废品。因此，为了保证金属在变形时具有良好的塑性，又不致产生加热缺陷，锻造必须在合理的温度范围内进行。始锻温度:锻件开始锻造时允许的最高加热温度。在保证不出现加热缺陷的前提下，始锻温度应取得高一些，以便有较充足的时间锻造成形，减少加热次数。上一页下一页返回课题1自由锻终锻温度:锻件终止锻造的温度。在保证坯料还有足够塑性的前提下，终锻温度应选得低一些，以便获得内部组织细密、力学性能较好的锻件，同时也可延长锻造时间，减少加热次数。但终锻温度过低会使金属难以继续变形，易出现锻裂现象和损伤锻造设备。锻造温度范围:始锻温度和终锻温度之间的温度间隔，称为锻造温度范围，见表2-1加热速度:加热时坯料温度升高的速度。加热速度快，生产率高，减少材料的烧损和表面的脱碳，降低燃料消耗。但加热速度太快时，表层的热量来不及传到内层，坯料内、外温度不同，产生很大的内应力，使坯料易产生裂纹。上一页下一页返回课题1自由锻坯料加热速度应在避免坯料因温差引起热应力而产生裂纹的前提下，以最快的速度达到合理的始锻温度。锻造温度的控制方法如下。(1)温度计法。通过加热炉上的热电偶温度计显示炉内温度;也可以使用光学高温计观测锻件温度。(2)目测法。单件小批生产的条件下可用火色鉴别法判断锻件的温度:通过观察锻件表面的颜色和明亮度不同来判别温度。锻件颜色与温度见表2-2三、碳钢常见的加热缺陷碳钢在加热时可出现多种缺陷，碳钢常见的加热缺陷见表2-3上一页下一页返回课题1自由锻项目4锻件的冷却正确选择和严格遵守冷却规范，才能保证锻件质量。如果锻后锻件冷却不当会产生应力和表面硬度大，严重的还会产生变形过大、裂纹。通常，锻件中的碳及合金元素含量越多，锻件体积越大，形状越复杂，冷却速度越要缓慢。常用的冷却方法有三种，见表2-4项目5自由锻工艺一、自由锻的工艺特点(1)自由锻的工具简单，操作强度大，生产效率低，只能锻造形状简单的锻件。上一页下一页返回课题1自由锻(2)自由锻可以锻出质量从不到1kg到200~300t的锻件。对大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，因此自由锻在重型机械制造中有特别重要的意义。(3)锻件精度低，表面质量差，金属消耗也较多，自由锻依靠操作者控制其形状和尺寸，对工人技术要求高。自由锻主要用于品种多，小批量生产，也可用于模锻前的制坯工序。上一页下一页返回课题1自由锻二、手工自由锻的操作1.锻击姿势手工自由锻时，操作者站离铁砧约半步，右脚在左脚后半步，上身稍向前倾，眼睛注视锻件的锻击点。左手握住钳杆的中部，右手握住手锤柄的端部，击打锻件并指示大锤的锤击。锻击过程，必须将锻件平稳地放置在铁砧上，并且按锻击变形需要，不断将锻件翻转或移动。上一页下一页返回课题1自由锻2.锻击方法手工自由锻时，持锤锻击的方法有:(1)手挥法。挥动手腕，肘部、手臂自然跟随手腕运动锤击，锻击力较小，主要用来指挥大锤的打击点和打击轻重。(2)肘挥法。手腕与肘部同时作用、同时用力，手臂自然跟随运动，锤击力度中等。(3)臂挥法。手腕、肘和臂部一起运动，作用力较大，锤击力度大，锻件产生的变形量大。上一页下一页返回课题1自由锻3.锻造过程严格注意做到“六不打”(1)工具、料头易飞出的方向有人时不打。(2)低于终锻温度不打。(3)锻件放置不平不打。(4)冲子不垂直不打。(5)剁刀、冲子、铁砧等工具上有油污不打。(6)镦粗时工件弯曲不打。上一页下一页返回课题1自由锻三、自由锻的基本工序根据变形的性质和程度不同，自由锻工序可分为三类:基本工序:如砥粗、拔长、冲孔、扩孔、芯轴拔长、切割、弯曲、扭转、错移、锻接等，其中镦粗、拔长和冲孔三个工序应用得最多;辅助工序:如切肩、压痕等;精整工序:如平整、整形等。1.镦粗对原坯料沿轴向锻打，使其高度减小、横截面增大的锻造工序称为镦粗。上一页下一页返回课题1自由锻镦粗有完全镦粗(如图2-12所示)和局部镦粗。局部镦粗按其镦粗的位置不同又可分为端部镦粗和中间镦粗两种，如图2-13所示。镦粗一般用来制造圆盘类(如齿轮坯)及法兰等锻件毛坯，在锻造空心锻件时，可作为冲孔前的预备工序。镦粗的操作方法及注意事项如下。(1)坯料的高度与直径(或边长)之比应小于2.5~3，否则在镦粗时易产生轴向弯曲，如图2-14(a)所示。工件镦弯后应将其放平，轻轻锤击矫正，如图2-14(b)所示。局部镦粗时，镦粗部分坯料的高度与直径之比也应小于2.5~3。上一页下一页返回课题1自由锻(2)镦粗的始锻温度采用坯料允许的最高始锻温度。坯料的加热要均匀，并应烧透，否则镦粗时工件变形不均匀，可能引起锻裂。(3)镦粗时两端面要保证平整和与轴线垂直，否则易镦歪。镦歪后矫正的方法是将坯料斜立，轻打镦歪的斜角，然后放正，如图2-15所示。如果锤头或砥铁的工作面因磨损而变得不平直时，则锻打时要不断将坯料旋转，以便获得均匀的变形而不致镦歪。(4)锤击应力量足够，否则就可能产生细腰形，如图2-16(a)所示。若不及时纠正，继续锻打下去，则可能产生夹层，使工件报废，如图2-16(b)所示。上一页下一页返回课题1自由锻2.拔长使坯料横截面减小，长度增加的锻造工序称为拔长。如图2-17所示。拔长用于制造轴类、杆类和长筒形零件如光轴、阶台轴、连杆等零件毛坯。拔长的操作方法及注意事项:(1)拔长用夹钳将坯料钳紧，不断地绕轴线翻转坯料，并沿轴向送进，使其各面都能均匀变形。翻转的方法有三种:如图2-18(a)所示，为反复90°翻转拔长，是将坯料反复左右翻转90°,该方法操作方便，但变形不均匀，用于加工塑性较好的材料;如图2-18(b)所示，为螺旋式翻转拔长，是将坯料沿一个方向作90°翻转，该方法坯料变形和温度变化较均匀，但操作不方便，用于加工塑性较差的材料;上一页下一页返回课题1自由锻如图2-18(c)所示，为单面前后顺序拔长，是将坯料沿整个长度方向锻打一遍后，再翻转90°，然后依次进行，常用于频繁翻转不方便的大锻件，但应注意工件的宽度和厚度之比不要超过2.5,翻转后继续拔长时容易产生折叠。(2)拔长时，坯料应沿砥铁的宽度方向送进，每次的送进量要适合，送进量L应为砥铁宽度B的0.3~0.7倍，如图2-19(a)所示。送进量太大，金属主要向宽度方向而不是向长度方向流动，如图2-19(b)所示。送进量太小，又容易产生夹层，如图2-19(c)所示。另外，每次压下量也不能太大，否则也容易产生夹层。压下量应等于或小于送进量。上一页下一页返回课题1自由锻(3)用圆坯料拔长成圆锻件时，先把坯料锻成正方形，在正方形的截面下拔长，当接近锻件的直径时，再滚打成圆形。(4)锻制台阶轴时，拔长前先压肩。压肩后在一端局部拔长即可锻出台阶。如图2-20所示。(5)孔深的拔长采用专制的芯轴对孔进行拔长，是在空心毛坯中加芯轴进行变形，以减小毛坯外径，增加长度。如图2-21所示。(6)锻件拔长后须进行修整，修整方形或矩形锻件时，应沿下砥铁的长度方向送进，如图2-22(a)所示，以增加工件与砥铁的接触长度。拔长过程中若产生翘曲应及时翻转180°轻打校平。圆形截面的锻件用型锤或摔子修整。如图2-22(b)所示。上一页下一页返回课题1自由锻3.扩孔扩孔是减小空心毛坯壁厚，增加毛坯的内径和外径的锻造工序。其实质是沿圆周方向的变相拔长。扩孔的常用方法有冲子扩孔和芯轴扩孔等，如图2-23所示。扩孔适用于锻造空心圈和空心环锻件。4.冲孔冲孔是用冲子在坯料冲出通孔或不通孔的锻造工序。冲孔主要用于制造如齿轮坯、圆环、套筒等带孔工件。锤的落下部分重量在0.15~5t之间，最小冲孔直径相应为φ30~100mm;孔径小于100mm，而孔深大于300mm的孔可不冲出;孔径小于150mm，而孔深大于500mm的孔也不冲出;直径小于20mm的孔不冲出。上一页下一页返回课题1自由锻冲孔可分为单面冲孔和双面冲孔。(1)单面冲孔:对于较薄工件，即工件高度与冲孔孔径之比小于0.125时，可采用单面冲孔。冲孔时，将工件放在漏盘上，冲子大头朝下，漏盘的孔径和冲子的直径应有一定的间隙