材料成型工艺基础

材料成型工艺基础刘贯军2绪论本课程性质：《材料成型工艺基础》是一门以研究常用工程材料坯件及机器零件的成型工艺原理为主的综合性技术基础课。它是在原《金属工艺学》热加工工艺内容的基础上，去粗取精、拓宽与加深后形成的。3绪论本课程内容：《材料成型工艺基础》几乎涉及机器制造中除切削加工成型工艺以外的所有工程材料的成型工艺，包括:◆金属的液态成型，◆金属的塑性成型，◆材料的连接成型，◆粉末冶金成型，◆塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料成型◆复合材料成型等各个方面。4绪论本课程目的与任务：通过本门课程的学习，同学们在进行机械零件设计时，能够使零件既满足工艺性能要求又满足经济性要求，也就是说，要使大家设计的零件结构除满足使用性能外，既便于制造，又价格低廉。学习方法：课堂认真听，课后看书五分钟，课前复习五分钟5第1章铸造铸造史话越王勾践剑――0.557长、0.046宽，楚国器物；6第1章铸造铸造史话---中原铸剑术：战国晚期大学者荀子概括铸造铜剑的整个过程：刑（型）范正，金（铜）锡美，工冶巧，火齐（剂）得，剖刑而莫邪已。然而不剥脱，不砥厉，则不可以断绳；剥脱之，砥厉之，则劙盘盂，刎牛马忽然耳。7第1章铸造铸造史话---中原铸剑术了：战国相剑术士曾说：白所以为坚也，黄所以为牣（韧）也，黄白杂则坚且牣，良剑也。8第1章铸造铸造史话---曾侯乙编钟9第1章铸造铸造史话---曾侯乙编钟10第1章铸造铸造史话---曾侯乙编钟11第1章铸造铸造史话---曾侯乙编钟华中理工大学博士研究生刘克明运用现代科学技术对曾侯乙墓出土文物进行了大量的研究。他认为：“曾侯乙编钟是科学技术史上一项最早而复杂的系统工程，它具有完备的技术体系和丰富的工程技术语言，具有世界一流的铸造技术，在工程图学上极有价值，是世界任何一部科学技术史不可缺少的组成部分，它不仅是中国古代科学技术与艺术的写照，同时，它也为科学技术的未来发展做出了楷模。堪与古埃及金字塔、中国的万里长城、巴比伦空中花园等世界奇迹相媲美。12第1章铸造铸造史话---成语故事铸造辉煌；热血铸忠魂；铸成大错；模范13第1章铸造铸造史话---铸造的历史源远流长……14第1章铸造本章主要内容：1.1铸造工艺基础1.2砂型铸造1.3铸造工艺设计1.4铸件结构设计1.5特种铸造1.6常用合金铸件的生产151.1铸造工艺基础1.1.1液态合金的充型1.1.2铸件的凝固1.1.3铸造合金的收缩1.1.4铸件中的缩孔与缩松1.1.5铸造内应力、变形、裂纹1.1.6铸件中的气孔161.1铸造工艺基础1.1.1液态合金的充型充型:液态合金填充铸型的过程.充型能力: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.充型能力不仅与合金的流动性（流动能力）有关，还受到铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素的影响。171.1铸造工艺基础1.1.1液态合金的充型---影响因素1.合金的流动性指液态合金本身的流动能力，是合金主要铸造性能之一。合金的流动性愈好，充型能力愈强，愈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，还有利于对液态合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。181.1铸造工艺基础1.1.1液态合金的充型---影响因素1.合金的流动性191.1铸造工艺基础1.1.1液态合金的充型---影响因素2.浇注条件201.1铸造工艺基础1.1.1液态合金的充型---影响因素3.铸型填充条件（1）铸型材料（2）铸型温度（3）铸型中气体（4）铸型结构211.1铸造工艺基础1.1.2铸件的凝固液态金属的凝固方式：（1）逐层凝固；（2）糊状凝固；（3）中间凝固221.1铸造工艺基础1.1.3铸造合金的收缩合金的收缩经历如下三个阶段：（1）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。（2）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。（3）固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。231.1铸造工艺基础1.1.3铸造合金的收缩合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的收缩，常用单位体积收缩量（即体积收缩率）来表示。合金的固态收缩不仅引起合金体积上的缩减，同时，更明显地表现在铸件尺寸上的缩减，因此固态收缩常用单位长度上的收缩量（即线收缩率）来表示。铸件的实际收缩率不仅与其化学成分有关，还与浇注温度、铸件结构和铸型条件等外部条件有关。241.1铸造工艺基础1.1.4铸件中的缩孔与缩松液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。251.1铸造工艺基础1.1.4铸件中的缩孔与缩松1.缩孔的形成与防止缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。缩孔特征：多呈倒圆锥形，内表面粗糙。缩孔通常隐藏在铸件的内层，经机械加工后可暴露出来。但在某些情况下，也可直接暴露在铸件的上表面，呈明显的凹坑。261.1铸造工艺基础1.1.4铸件中的缩孔与缩松1.缩孔的形成与防止271.1铸造工艺基础1.1.4铸件中的缩孔与缩松1.缩孔的形成与防止281.1铸造工艺基础1.1.4铸件中的缩孔与缩松2.缩松的形成与防止缩松：分散在铸件某区域内的细小缩孔。缩松的形成原因：由于铸件最后凝固区域的液态收缩和凝固收缩得不到补充，当合金以糊状凝固的方式凝固时，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩就易形成分散性的缩孔，导致缩松。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方291.1铸造工艺基础1.1.5铸造内应力、变形、裂纹铸件凝固后将在冷却至室温的过程中继续固态收缩，有些合金甚至还会因发生固态相变而引起收缩或膨胀，这些收缩或膨胀如果受到铸型阻碍或因铸件各部分互相牵制，都将使铸件内部产生应力。这些内应力有时是在冷却过程中暂时存在的，有时则一直保留到室温，形成残余内应力。内应力是铸件产生变形及裂纹的主要原因。按内应力产生原因，可分为热应力和机械应力两种。301.1铸造工艺基础1.1.5铸造内应力、变形、裂纹1.热应力热应力是由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。311.1铸造工艺基础1.1.5铸造内应力、变形、裂纹2.机械应力铸件收缩受到铸型、型芯及浇注系统的机械阻碍而产生的应力机械应力使铸件产生暂时性的正应力或剪切应力。铸型或型芯退让性良好，机械应力则小。321.1铸造工艺基础1.1.5铸造内应力、变形、裂纹3.铸件的变形及其防止如果铸件存在内应力，则铸件处于一种不稳定状态，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以便趋于稳定状态。331.1铸造工艺基础1.1.5铸造内应力、变形、裂纹3.铸件的变形及其防止时效处理分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，使其在自然的气压和温度作用下，逐渐缓慢地变形，从而消除内应力。人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，341.1铸造工艺基础1.1.5铸造内应力、变形、裂纹4.铸件的裂纹与防止根据裂纹产生的原因，可分为热裂和冷裂两种。（1）热裂热裂是铸件在凝固后期，接近固相线的高温下形成的。热裂的形状特征：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。351.1铸造工艺基础1.1.5铸造内应力、变形、裂纹4.铸件的裂纹与防止（2）冷裂冷裂是在较低温度下，由于热应力和收缩应力的综合作用，铸件内应力超过合金的强度极限而产生的。冷裂的特征：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。361.1铸造工艺基础1.1.6铸件中的气孔气体在铸件内形成的孔洞，表面常常比较光滑、光亮或略带氧化色，一般呈梨形、圆形、椭圆形等。按气孔产生原因和气体来源不同，气孔大致可分为侵入性气孔、析出性气孔和反应性气孔三类。371.1铸造工艺基础1.1.6铸件中的气孔1.侵入性气孔由于浇注过程中熔融金属和铸型之间的热作用，使砂型或型芯中的挥发性物质（如水分、粘接剂、附加物）挥发生成的气体，以及型腔中原有的空气侵入熔融金属内部所形成。侵入的气体一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、碳氢化合物等。防止侵入性气孔的主要途径：降低铸型材料的发气量和增强铸型的排气能力。381.1铸造工艺基础1.1.6铸件中的气孔2.析出性气孔溶解于熔融金属中的气体在冷却和凝固过程中，由于溶解度的下降而从合金中析出，在铸件中形成的气孔。析出性气孔分布范围较广，有时甚至遍及整个铸件截面，影响铸件的力学性能和气密性。防止析出性气孔的主要措施：减少合金在熔炼和浇注时的吸气量，对金属液进行除气处理，增大铸件的冷却速度或使铸件在压力下凝固以阻止气体析出等。391.1铸造工艺基础1.1.6铸件中的气孔反应性气孔浇入铸型的熔融金属与铸型材料、芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应产生的气体在铸件中形成的气孔。这类气孔中的气体多为一氧化碳、氢气等。反应性气孔形成的原因复杂多样，需根据具体情况采取相应的防止办法，其中的主要措施之一是清除冷铁、芯撑表面的锈蚀和油污，并保持干燥。401.2砂型铸造铸造方法分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造是以型砂为主要造型材料制备铸型并在重力下浇注的铸造工艺，具有适应性广、成本低廉等优点，是应用最广泛的铸造方法。具有不受铸件的形状、大小、复杂程度及合金种类的限制，单件、成批和大量生产均可应用，原材料来源广、成本低等优点。国内砂型铸件约占全部铸件总生产量的80％以上411.2砂型铸造421.2砂型铸造431.2砂型铸造本节主要内容：1.2.1手工造型1.2.2机器造型441.2砂型铸造1.2.1手工造型用手工完成紧砂、起模、修整、合箱等主要操作的造型、制芯过程。特点：操作灵活，适应性强，工艺设备简单，成本低。手工造型对模样的要求不高，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采用成本甚低的刮板来造型。451.2砂型铸造1.2.1手工造型●手工造型的基本造型方法：整模造型分模造型挖砂造型活块造型三箱造型461.2砂型铸造1.2.1手工造型●手工造型的基本造型方法整模造型特点：分型面为平面；铸型型腔全部在一个砂箱内；造型简单；铸件不会产生错箱缺陷。应用范围：铸件最大截面在一端，且为平面。471.2砂型铸造1.2.1手工造型●手工造型的基本造型方法---分模造型481.2砂型铸造1.2.1手工造型分模造型特点：模样沿最大截面分为两半，型腔位于上、下两个砂箱内。造型方便，但制作模样较麻烦。应用范围：最大截面在中部，一般为对称性铸件。491.2砂型铸造1.2.1手工造型●手工造型的基本造型方法---挖砂造型501.2砂型铸造1.2.1手工造型挖砂造型特点：模样为整体模，造型时需挖去阻碍起模的型砂，故分型面是曲面。造型麻烦，生产率低。应用范围：单件小批生产模样薄、分模后易损坏或变形的铸件。511.2砂型铸造1.2.1手工造型●手工造型的基本造型方法---活块造型521.2砂型铸造1.2.1手工造型活块造型特点：将模样上妨碍起模的部分，做成活动的活快，便于起模。造型和制作模样都很麻烦，生产率低。应用范围：单件小批生产带有突起部分的铸件。531.2砂型铸造1.2.1手工造型●手工造型的基本造型方法---三箱造型541.2砂型铸造1.2.2机器造型机器造型是用机器来完成填砂、紧实和起模等造型操作过程，是现代化砂型铸造车间所用的基本造型方法。与手工造型相比，机器造型可以提高生产效率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度。还可以使铸件尺寸精确，表面光洁，加工余量小。但设备及工装模具投资较大，主要用于成批大量生产。551.2砂型铸造1.2.2机器造型机器造型的工艺特点：采用模板进行两箱造型。模板是将模样、浇注系统沿分型面与模底板联接成一整体的专用模具。造型后，模底板形成分型面，模样形成铸型空腔。机器造型不能紧实中箱，故不能进行三箱造型。同时，机器造型也应尽力避免活块。561.2砂型铸造1.2.2机器造型机器造型的种类：压实造型；震击造型；震压造型；高压造型；抛砂造型；射砂造型；射压造型；气冲造型。571.2砂型铸造1.2.2机