材料成形技术基础 第2版

材料成形技术基础（第2版）胡亚民主编1、绪论§1.1材料成形技术过程形态学模型简介1.1.1产品和过程。产品技术的主题是“设计”——“做什么”过程技术的主题是“制造”——“怎么做”1.1.2过程技术。(把产品的设计和构思制造成物化的具体产品。)过程形态学模型的研究方法（图1.1）1.1.3材料过程系统。1、贯通过程——质量不变过程；2、发散过程——质量减少过程；（图1.2）3、收敛过程——质量增加过程。1.1.4能量过程系统。通过传递媒体向被加工材料提供能量。（图1.3）1.1.5信息过程系统。通过传递媒体把形状信息加于被加工材料，使之改变形状。（图1.4）（形状信息过程伴随着性能信息过程。）1.1.6制造过程的完整模型。制造过程包涵材料过程、能量过程、信息过程。（图1.5）§1.2现代制造过程分类1.2.1质量不变过程。被加工材料在制造过程没有或很少改变质量。（图1.6）1、塑性变形。锻造、扎制、粉末压制。2、浇注。1.2.2质量减少过程。被加工材料的质量在制造过程会减少。1、切削加工；3、电加工；（图1.7）2、化学腐蚀加工；4、冲压加工。（图1.8）1.2.3质量增加过程。被加工材料的质量在制造过程会增加。1、电镀；2、快速成型。2、液态材料铸造成形技术过程§2.1概述铸造成形技术是指制造铸型、熔炼金属、将金属液注入型腔凝固，获得金属工件的成形方法。（图2.1）优点：投资小，生产周期短，技术过程灵活，能制造形状复杂的零件。缺点：工序多，难以精确控制；易产生铸造缺陷，铸件品质不稳定。类型：1）生产方式分类：砂型铸造，特种铸造。2）材料分类：铸铁，铸钢，铸铜，铸铝，……铸造是制造零件毛柸常用的一种生产方式。（表2.1）§2.2铸造成型技术过程理论基础2.2.1液态金属的充型能力。——液态金属充满铸型型腔，获得合格铸件的能力。影响充型能力的因素：1）金属的流动性；（图2.2表2.3图2.3）2）铸型的性质；3）浇注条件；4）铸件结构。R=V/S(折算厚度)2.2.2铸件的凝固。——铸型中的合金从液态转变成固态的过程。1、金属凝固的条件。液、固两相的能量差为相变驱动力。2、金属凝固的过程。液相中不断形成晶核并长大，直至结晶终了。3、铸件的三种凝固方式。（图2.4）1）逐层凝固；2）体积凝固；3）中间凝固。2.2.3铸件的收缩。1、基本概念。——铸件在“液态→凝固→固态→冷却”过程中体积减小的现象。以单位体积或长度的变化量表示。（式2.1式2.2）2、收缩的三个阶段。1）液态收缩阶段；（图2.5）2）凝固收缩阶段；3）固态收缩阶段。3、铸件的实际收缩。1）摩擦阻力；2）热阻力；3）机械阻力。4、铸件的缩孔和缩松缩孔形成(图2.6)缩松形成(图2.8)缩孔和缩松的防止：1）采用顺序凝固原则；(图2.9)2)加压补缩。5、铸造应力。——铸件在冷却过程中，因固态收缩受到阻碍而引起的内应力。1）热应力；◎铸造应力的防止：-合理设计铸件结构；2）相变应力；-尽量选用收缩率小的合金；-采用同时凝固工艺；3）机械阻碍应力。-合理设置浇口和冒口；-时效处理。6、铸件的变形和裂纹。——当铸造残余应力超过金属的屈服强度极限时，铸件变形；——当铸造残余应力超过金属的抗拉强度极限时，铸件开裂。1）变形与防止。变形：（图2.15图2.16）防止：铸造应力；采用反变形法。（图2.17）2）裂纹与防止。热裂：（图2.18）冷裂：（图2.19）2.2.4金属的吸气性。1、金属液吸收气体的过程。1）气体分子撞击到金属液表面，并吸附在表面；2）气体分子扩散进入金属液内部。2、气体在金属液中的溶解度。——金属吸收气体的饱和浓度。（cm³/100g）3、气体的析出。1）气体以分子形式扩散析出；2）于金属内形成化合物排出；3）以气泡形式从金属液中逸出。4、气孔。侵入气孔，析出气孔，反应气孔。5、气体对铸件品质的影响。（表2.8）2.2.5铸件化学成分的偏析。宏观偏析，微观偏析。§2.3液态金属成形件工艺过程设计2.3.1铸造工艺设计内容与步骤。1、铸造工艺设计的内容。大批量生产或大型铸件：铸件图，铸造工艺过程图，铸型装配图，操作技术规程等。小批量生产或一般产品：铸件图，铸造工艺过程图。2、铸造工艺设计步骤。（依据零件图按步骤设计）1）结构工艺过程分析；4）浇注系统设计；2）铸造工艺过程方案的拟定；5)冒口、冷铁的设计；3）砂芯设计；6）绘制铸造工艺过程图。2.3.2铸造成形方案的拟定。1、确定铸型位置。1）铸件的重要表面向下；（图2.25图2.26）2）铸件的宽大平面向下或倾斜浇注；（图2.27）3）铸件的薄壁部分向下；（图2.28）4）铸件的厚大部分向上。（图2.29）2、选择分型面。1）使全部或大部分铸件处于同一半型内，避免错型；（图2.30）2）减少分型面的数目；（图2.31）3）分型面尽量选用平面；（图2.32）4）使型腔和主要型芯位于下腔。3、确定主要工艺过程参数。1）加工余量；2）最小铸出孔；（表2.12）3）起模斜度；（图2.34）4）铸造圆角；5）铸造收缩率。2.3.3浇注系统及其设计。1、浇注系统概述。——引导金属液进入铸型的系列通道。1）功能。①将液态金属导入型腔；③调节铸件温度分布；②挡渣并排除型腔内的空气；④保证金属液充满型腔。2）结构。浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道。（图2.35）3）形式。顶部注入式、中间注入式、底部注入式、阶梯注入式。（图2.36）2、浇注系统的设计。1）要求。①阻止熔渣、气体、非金属夹杂物进入型腔；②防止型腔和型芯被冲蚀；③降低浇注温度；④在设定的部位把金属液引入型腔；⑤减小浇注系统的体积，节约材料。2）设计。①正确选择浇注系统的类型及浇口开设的位置；②确定浇注系统各部分的合理尺寸。2.3.4冒口、冷铁的设计1、冒口。——铸型中储存金属液，补偿铸件收缩的技术“空腔”。1）类型。（图2.37）2）作用：补缩铸件，集渣、通气、排气；3）满足的条件：①凝固时间应大于或等于铸件的凝固时间；②有足够的金属液补充铸件的收缩。2、冷铁。——用来加快铸件局部冷却速度的一种激冷物。作用：调节铸型的局部温度和铸件的凝固顺序。2.3.5铸造工艺过程图的绘制——铸造工艺过程图提供了铸件和其制造过程的全部信息。铸造技术符号和表示方法。（表2.14）§2.4液态金属成形件的结构设计2.4.1保证铸件质量的铸件结构设计1、铸件的最小壁厚。（表2.15）2、铸件的临界壁厚（最大壁厚）。3、铸件的内壁厚度。4、铸件壁的过渡和连接。1）壁厚的过渡。（表2.17）2）接头的连接。（图2.39）5、肋。（图2.45）6、铸造斜度。（表2.20）7、凸台。2.4.2适应铸造工艺过程的铸件结构设计铸件结构设计要保证铸件的质量，并且有利于模型制造、造型、制芯、合型和清理等操作方便。1、减化或减少分型面；（图2.46图2.47）2、尽量不用和少用型芯；（表2.21）3、铸件结构应方便起模；（表2.22）4、有利于型芯的固定和排气；（图2.48）5、避免变形和裂纹；（表2.23）6、有利于防止夹渣、气孔；（图2.49）7、有利于铸件清理。（图2.50图2.51）§2.5常用铸造合金及其熔炼2.5.1常用铸造合金的铸造性能及结构技术特征两大类常用铸造合金：黑色铸造合金——铸铁、铸钢。有色铸造合金——铸造铝合金、铜合金、镁合金等。1、铸铁。使用最广泛的铸造合金。①灰铸铁。铸造性能优良。特点：铁液流动性好、收缩量小、技术过程简单，力学性能不好。②球墨铸铁。铸造性能一般。特点：铁液流动性不好、收缩量小、技术过程简单，力学性能好。③可锻铸铁。铸造性能不好。特点：铁液流动性好、收缩量大、技术过程复杂，力学性能好。2、铸钢。铸造性能不好。钢液流动性不好，易产生冷隔、浇不足、夹渣、气孔等缺陷；铸钢凝固时收缩量大，易产生缩孔、裂纹等缺陷。尽量不采用铸造的方式使用钢材。3、铸造铝合金。铝硅合金的铸造性能好，流动性好，收缩量小；其他系列合金的铸造性能不好，流动性不好，收缩量大。4、铸造铜合金。铝青铜和铝黄铜的铸造性能好，流动性好，收缩量大；锡青铜的铸造性能不好，流动性不好，收缩量大。2.5.2铸造合金的熔炼熔炼应满足的技术要求：1）熔炼出的金属液要符合材质性能要求；2）金属液应有足够的温度；3）有足够的熔化能力，4）低能耗，噪音小，不污染环境。熔化的方式：1）精炼熔化——熔化后对材料的化学成分进行较大的调整；2）无精炼熔化——材料在熔化过程中仅引起某些元素的变化。1、铸铁的熔炼。冲天炉熔炼——利用焦炭燃烧产生的高温熔炼铸铁。结构简单，操作维修方便，电能消耗低，生产率高。冲天炉工作原理（图2.52）应用广泛。2、铸钢的熔炼。1）电弧炉炼钢——用电极与炉料间产生的电弧高温熔化金属材料。适应于浇注各种类型铸钢件。三相电弧炉工作原理（图2.53）2）感应电炉炼钢——利用感应电流产生的热量熔化金属材料。适用于中、小型合金钢铸件。单相无芯感应电炉工作原理（图2.54）3）平炉炼钢。仅用于重型铸钢件的生产。3、铸造有色合金的熔炼。有色金属熔点低，易氧化，常用坩锅炉熔炼，金属型浇注。1）焦碳坩锅炉。结构简单，温度不易控制，生产能力小。（图2.55）2）电阻坩锅炉。结构复杂，温度容易控制，生产能力大。（图2.56）§2.6铸造成形技术过程2.6.1砂型铸造以型砂为造型材料制备铸型的铸造技术。砂型铸造在铸造生产中占有很大比重，占铸件总产量的80～90%。优点：适应性广，技术灵活性大，生产准备过程简单。缺点：铸件的尺寸精度差，表面粗糙度高，内部质量不好。砂型铸造的技术流程（图2.57）1、手工造型和制芯。全部用手工完成紧砂、起模、修整、合箱等操作。常用的手工造型方法。（图2.58）2、机器造型。全部或部分由机器完成造型工作。①震实造型。（图2.59）②高压造型。（图2.61）③拋砂造型。（图2.62）2.6.2特种铸造在砂型铸造的基础上，改变铸造方法形成的另一种铸造技术。优点：铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低；生产过程易于实现机械化、自动化。缺点：适应性差，生产准备工作量大，需要复杂的技术装备。1、熔模铸造（失蜡铸造）（图2.68）2、金属型铸造（图2.69）3、压力铸造（图2.72）4、离心铸造（图2.75图2.76）5、实型铸造（消失模铸造）（图2.77）2.6.3铸造方法的选择（表2.29）3、固态材料塑性成形过程§3-1概述金属的塑性成形过程是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得零件的加工方法。3.1.1固态成形的基本条件①被成形的金属材料应具备一定的塑性；②要有外力作用于固态金属材料上。所有在外力作用下产生塑性变形而不破坏的材料，都可以进行质量不变的固态塑性成形。可塑性成形的塑性材料：低碳钢、中碳钢、大多数有色金属。不可塑性成形的脆性材料：铸铁、铸铝合金。3.1.2金属塑性成形的方法1、轧制。(图3.1)将金属通过轧辊之间的间隙，进行压延变形以成为型材的方法。2、挤压。(图3.2)将金属置于挤压模内，用压力把金属从模孔中挤出成形的方法。3、拉拔。(图3.3)将金属材料拉过拉拔模孔，使金属拔长的加工方法。4、自由锻造。(图3.4)将加热后的金属材料置于上、下砧铁间，受到冲击力或压力的作用而变形的加工方法。5、模型锻造。将加热后的金属材料置于锻模模腔内，受到冲击力或压力的作用而变形的加工方法。6、板料冲压。金属板料在冲压模之间受压，产生分离或变形的加工方法。3.1.3成形过程分类1、冷变形过程金属在常温下变形，变形时的温度低于该金属的再结晶温度。优点：产品的尺寸精度高，表面质量好；金属变形后有加工硬化现象，强度、硬度升高。缺点：加工硬化现象使金属的塑性和韧性下降；冷变形需要重型和大功率的设备。2、热变形过程金属在加热状态下变形，变形时的温度高于该金属的再结晶温度。优点：金属的热变形塑性良好，可使工件进行大量的塑性变形；热变形使金属内部组织致密细小，力学性能提高；热变形使金属内部形成纤维组织，材料的力学性能具有方向性。缺点：金属表面氧化严重，工件的精度和表面质量不好；设备投资大，劳