第二章 汽车及其零件制造中常用制造工艺基础知识

汽车制造工艺学主讲人：×××第二章汽车及其零件制造中常用制造工艺基础知识01铸造工艺基础02锻造工艺基础03焊接基本工艺04冲压工艺基础目录页/Contents05粉末冶金06塑料成型工艺基础07毛坯的选择目录页/Contents01铸造工艺基础第一节将熔化后的金属液浇注到铸型中，待其凝固、冷却后，获得一定形状的零件或零件毛坯的成形方法，称为铸造。铸造获得的毛坯或零件称为铸件。第一节铸造工艺基础一、概述(一)铸造的特点及分类汽车用铸件的主要特点是壁薄、形状复杂、尺寸精度高、质量轻、可靠性好、生产批量大等。铸件一般占汽车自重的２０％左右，仅次于钢材用量，居第二位。就材质而言，铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等应有尽有，仅铸铁就采用了灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁及合金铸铁等。可以说，汽车工业使各种铁造材质达到物尽其用的地步。就所采用的各种工艺方法而言，一般习惯将铸造分成砂型铸造和特种铸造两大类。液态金属完全靠重力充满整个铸型型腔，且直接形成铸型的原材料主要为型砂，这种铸造方法称为砂型铸造。在汽车铸件生产中，砂型铸造所生产的铸件占整个汽车铸件的９０％以上。凡不同于砂型铸造的所有铸造方法，统称为特种铸造。第一节铸造工艺基础(二)合金的铸造性能第一节铸造工艺基础合金在铸造过程中所表现出来的性能统称为合金的铸造性能，主要是指流动性、收缩性、偏析和吸气性等。1.流动性合金的流动性是指液态合金的流动能力。液态金属的流动性好，充型能力强，能浇出形状复杂、壁薄的铸件，避免产生浇不足、冷隔等缺陷；有利于金属液中气体和夹杂物的上浮和排除，可减少气孔、渣眼等缺陷；铸件在凝固及收缩过程中，可得到来自冒口的液态合金的补充，可防止铸件产生缩孔、缩松等缺陷。影响流动性的因素很多，主要有合金成分、浇注温度、浇注压力和铸型等。第一节铸造工艺基础2.收缩性合金在冷却凝固过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。合金从浇注温度冷却到室温要经过液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔的基本原因。固态收缩是产生铸造应力、变形和裂纹的基本原因。影响铸件收缩的主要因素有合金成分，浇注温度以及铸型和铸件结构等。第一节铸造工艺基础3.偏析及吸气性在铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析使铸件性能不均匀，严重时会使铸件报废。合金在熔炼和浇注时吸收气体的性能称为合金的吸气性。在合金液冷凝过程中，随着温度降低会析出过饱和气体。若这些气体来不及从合金液中逸出，将在铸件中形成气孔、针孔或非金属夹杂物(如ＦｅＯ、Ａ１２Ｏ３等)，从而降低了铸件的力学性能和致密性。为减少合金的吸气性，常采用缩短熔炼时间，选用烘干过的炉料；在熔剂覆盖层下或在保护性气体介质中熔炼合金；提高铸型和型芯的透气性；降低造型材料中的含水量等等。第一节铸造工艺基础二、砂型铸造的造型工艺(一)砂型铸造的工艺过程造型工艺是指铸型的制作方法和过程，是砂型铸造工艺过程中最重要的组成部分。铸造是以砂为主要造型材料制备铸型的一种铸造工艺方法。砂型铸造应用十分广泛，目前９０％以上的铸件是用砂型铸造方法生产的。铸造工艺过程主要由以下几个部分组成(图２-１)；①造型；②造芯；③砂型及型芯烘干；④合型；⑤熔炼金属；⑥浇注；⑦落砂和清理；⑧检验。但需注意，有时对某个具体的铸造工艺过程来说并不一定包括上述全部内容，如铸件无内壁时无需造芯，湿型铸造时砂型无需烘干等。第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础(二)造型材料和造型方法制造铸型用的材料称为造型材料，主要指型砂和芯砂。它由砂、粘结剂和附加物等组成。造型材料应具备可塑性、强度、耐火度、透气性和退让性。砂型铸造的造型方法很多，可分为手工造型和机器造型两大类。手工造型是指全部用手工或手动工具完成的造型过程。手工造型按照起模特点可分为整模造型、挖砂造型、分模造型、活块造型、三箱造型等方法。机器造型是指用机器完成全部或至少完成紧砂操作的造型过程。第一节铸造工艺基础(三)铸件浇注位置和分型面的选择铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型内所处的位置；分型面是指两半铸型相互接触的表面。它们的选择原则主要是保证铸件质量和简化造型工艺。一般情况下，应先选择浇注位置后决定分型面。但在生产中由于浇注位置的选择和分型面的确定有时互相矛盾，所以必须综合分析各种方案的利弊，选择最佳方案。第一节铸造工艺基础１.浇注位置的选择原则(１)铸件的重要加工面应朝下由于气孔、砂眼、夹渣、缩孔容易出现在上表面，而下部的金属比较纯净，金属的组织比较致密，所以铸件的重要加工面应朝下，如图２-２所示。当重要加工面朝下有困难时，则应尽量使其处在侧面位置。(２)铸件的大平面应朝下由于浇注时的热辐射作用，铸型型腔上表面的型砂容易拱起和开裂，使铸件上表面产生夹砂和夹杂缺陷，所以大平面应朝下。第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础(３)铸件薄壁部分应放在下部薄壁部分易产生浇不足和冷隔，放在下部可增加充型压力，提高金属充型能力。(４)保证铸件实现定向凝固对于合金收缩大、壁厚不均匀的铸件，应使厚度大的部分置于铸件的最上方或分型面附近，以利于安放冒口，实现定向凝固。(５)便于型芯的固定、安装、排气和合型图２-３所示为气缸体分型面的选取，对于卧浇生产的气缸体工艺方式，分型面一般选择在缸孔中心线所在的平面上，以便砂芯定位和铸型排气。第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础2.分型面的选择原则(１)分型面应尽量采用平面分型面采用平面分型面可以避免挖砂造型，提高生产率。即使采用机器造型，也可简化模板。(２)分型面数量尽量减少图２-４所示为汽车双联齿轮铸件在大批量生产时加—个环状型芯，可使三箱造型改为两箱造型，提高了生产率和铸件精度，简化操作。(３)尽量使铸件全部或大部分放在同一砂型中将铸件的全部或大部分放在同一砂型中，可提高铸件精度，铸件的清理也较容易，且易于批量生产。(４)应尽量减少型芯和活块的数量减少型芯和活块的数量可以简化造型、造芯工艺，提高生产率。第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础(四)工艺参数的选择铸造工艺方案确定以后，还要选择各种工艺参数。(１)加工余量所谓加工余量，就是铸件上需要切削加工的表面，应预先留出一定的加工余量，其大小取决于铸造合金的种类、造型方法、铸件大小及加工面在铸型中的位置等诸多因素。铸钢件表面粗糙，变形大，加工余量大；非铁合金表面较光洁，加工余量小；铸件越大、越复杂，加工余量越大；铸件的顶面比底面和侧面的加工余量大。第一节铸造工艺基础(２)起模斜度为了使模样便于从铸型中取出，垂直于分型面的立壁上所加的斜度称为起模斜度。模样越高，斜度取值越小；内壁斜度比外壁斜度大；手工造型比机器造型的斜度大。铸件外壁斜度一般取０５°~４°。(３)铸造圆角为了防止铸件在壁的连接和拐角处产生应力和裂纹，防止铸型的尖角损坏和产生砂眼，在设计铸件时，铸件壁的连接和拐角部分应设计成圆角。第一节铸造工艺基础(４)型芯头为了保证型芯在铸型中的定位、固定和排气，模样和型芯都要设计出型芯头。它们之间的尺寸和形状要留有装配用的芯头间隙。(５)收缩余量由于铸件在浇注后的冷却收缩，制作模样时要加上这部分收缩尺寸。一般灰铸铁的收缩余量为０８％~１０％，铸钢为１８％~２２％，铸造铝合金为１０％~１５％。收缩余量的大小除了与合金种类有关外，还与铸造工艺、铸件在收缩时的受阻情况等有关。第一节铸造工艺基础三、铸件结构工艺性(一)铸造工艺对铸件结构的要求铸件结构工艺性是指所设计的铸件结构不仅能保证零件使用性能的要求，而且还能适应铸造工艺和合金铸造性能的要求。铸件结构设计是否合理，对铸件质量、铸造成本和生产率有很大的影响。铸件结构的设计应尽量使制模、造型、造芯、合型和清理等工序简化，提高生产率。第一节铸造工艺基础(１)铸件外形的设计１)分型面容易使铸件产生错型，影响铸件外形和尺寸精度，应力求避免两个以上的分型面。２)铸件外形应尽量方便造型。设计铸件侧壁上的凸台、凹槽时，要考虑到起模方便，尽量避免使用活块和型芯。第一节铸造工艺基础(２)铸件内腔的设计１)尽量避免不必要的型芯。造芯不仅增加铸造工时，而且在下芯和合型浇注时产生麻烦和容易形成铸造缺陷。２)型芯要便于固定、排气和清理。型芯在铸型中的固定必须依靠型芯头，当型芯头固定型芯有困难时必须由型芯撑辅助，但有时型芯撑不容易与铸件熔合，造成渗漏。要求气密性好的铸件应尽量少用或不用型芯撑。第一节铸造工艺基础(３)铸件结构斜度的设计铸件结构设计时，考虑到起模方便，应在垂直于分型面的不加工立壁上设计出斜度。设计斜度要比制作模样时给出的起模斜度大，这样便于制作模样时不再考虑起模斜度，从而使起模方便，铸件精度高。采用机器造型时，设计斜度取０５°~１°；用手工造型时，取１°~３°。铸件内壁斜度要大于外侧面。第一节铸造工艺基础(二)合金铸造性能对铸件结构的要求铸件结构的设计应考虑到合金的铸造性能要求，避免产生缩孔、缩松、浇不足、变形和裂纹等铸造缺陷。(１)合理设计铸件壁厚不同的合金、不同的铸造条件，对合金的流动性影响很大。为了获得完整、光滑的合格铸件，铸件壁厚设计应大于该合金在一定铸造条件下所能得到的“最小壁厚”。表２-１列举了在砂型铸造条件下铸件的最小壁厚。铸件壁厚也不宜选择过厚。由于铸件中心部位冷却缓慢、晶粒粗大，容易产生缩松、缩孔等缺陷，其承载能力并非按壁厚截面增加而成比例增加，所以壁厚应选择适当。第一节铸造工艺基础(２)铸件壁厚应尽可能均匀铸件壁厚均匀是为了铸件各部分冷却速度相接近，形成同时凝固，避免因壁厚差别而形成热节，产生缩孔、缩松，也避免薄弱环节产生变形和裂纹。第一节铸造工艺基础(３)铸件壁的连接方式要合理１)铸件壁之间的连接应有铸造圆角。如无圆角，直角处的热节大，易产生缩孔缩松，并在内角处产生应力集中，裂纹倾向增大。２)铸件壁要避免交叉和锐角连接，铸件壁连接时应采用图２-５所示的形式。３)铸件壁厚不同的部分进行连接时，应力求平缓过渡，避免截面突变。当壁厚差别较小时，可用圆角过渡。当壁厚之比差别在两倍以上时，应采用楔形过渡。第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础(４)避免铸件收缩阻碍当铸件的收缩受到阻碍，产生的铸造内应力超过合金的强度极限时，铸件将产生裂纹。因此，在设计铸件时，应尽量使其能自由收缩。特别是在产生内应力叠加时，应采取措施避免局部收缩阻力过大。(５)避免大平面大平面受高温金属液烘烤时间长，易产生夹砂；金属液中气孔、夹渣上浮滞留在上表面，产生气孔、渣孔；而且大平面不利于金属液充填，易产生浇不足和冷隔。第一节铸造工艺基础四、特种铸造特种铸造是指与砂型铸造不同的其他铸造方法。在汽车用铸件中常用的特种铸造方法有金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造以及消失模铸造和熔模铸造等，还有一些特种铸造方法目前在汽车铸件大量生产中采用较少，例如挤压铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造、连续或半连续铸造以及真空吸铸等等。第一节铸造工艺基础金属型铸造是指用重力将熔融金属浇注入金属铸型获得铸件的方法。金属型是指由金属材料制成的铸型，不能称作金属模。常用的垂直分型式金属型如图２-６所示，由定型和动型两个半型组成，分型面位于垂直位置，浇注时先使两个半型合紧，待熔融金属凝固、铸件定型后，再利用简单的机构使两个半型分离，取出铸件。金属型铸造实现了“一型多铸”，克服了砂型铸造造型工作量大、占地面积大、生产率低等缺点；具有铸件精度和力学性能高的特点。在汽车行业中，铝合金缸盖、进气管及活塞等形状不太复杂的中、小铸件的大批量生产均采用金属型铸造。(一)金属型铸造第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础压力铸造是指将熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。压力铸造使用的压铸机如图２-７ａ所示，由定型、动型、压室等组成。首先使动型与定型合紧，用活塞将压室中的熔融金属压射到型腔，如图２-７ｂ所示；凝固后打开铸型并顶出铸件，如图２-７ｃ所示。(二)压力铸造第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础压力铸造以金属型铸造为基础，又增加了在高压下高速充型的功能，从根本上解决了金属的流动性问题。压力铸造可以直接铸出零件上的各种孔眼、螺纹、齿形等。铸件的组织更细密