机械制造基础-耿道森.ppt

工程材料与机械制造基础,多媒体CAI课件,2001.06.01,绪 论,机械制造工艺基础是一门研究金属材料加工工艺的综合科学，包括各种加工工艺方法本身的规律及其在机械制造中的应用和相互之间的联系。金属零件的加工工艺过程和结构工艺性。常用金属材料的性能。常用的加工方法有：铸造、压力加工、焊接、机加工和热处理加工。机械制造基础是一门综合性技术基础课，可使大家了解金属材料的性能和加工工艺的基础知识，为学好其他专业课和从事机械设计和制造奠定必要的基础。,热加工工艺基础目录,第二篇 工程材料基础,第三篇 铸造,第四篇 压力加工,第五篇 焊接,机械加工工艺基础目录,第一篇 切削加工,第六篇 材料与毛坯的选择及毛坯质量,第一章 工程材料的主要性能,第二章 金属材料基础知识,第三章 钢的热处理,第二篇 工程材料基础,返回,第一章 工程材料的主要性能,一、弹性、刚度、强度与塑性 弹性：工程材料承受载荷时产生变形，卸载后又恢复原状的能力。e=Pe/F0 MPa(兆帕)Pe 为弹性极限载荷；F0 为试样的初始截面积。刚度：工程材料受力时抵抗弹性变形的能力。E=/E为弹性模量；为应力；为应变。强度：工程材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。s=Ps/F0(Mpa)s 为屈服强度；Ps为试样产生屈服时的载荷。塑性：工程材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。延伸率=（LR-L0）/L0*100%LR为试样拉断后的标距长度；L0为试样的初始标距长度。断面收缩率=(F0-FR)/F0*100%F0为试样的初始截面积；FR为试样拉断后的断口截面积。,图2.1-1 拉伸式样,二、硬度 硬度：是指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面内的能力，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的性能，是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和韧性的机械性能指标。1。布氏硬度 HB=压入载荷（N）/压痕的表面积（mm2）=0.102*2P/D21-（1-d2/D2）1/2（N/mm2）2。洛氏硬度HRC(HRA)=100-(h3-h1)/0.002HRB=130-(h3-h1)/0.002,p,图2.1-3 布氏硬度实验原理,三、冲击韧性冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不断裂的能力。(见图2.1-5)ak=Ak/F J/cm2 Ak 为冲断试样所消耗的冲击功；F为试样缺口处的截面积。四、疲劳强度疲劳强度：材料在经受无数次交变应力作用下而不发生疲劳 断裂的最大应力。（见图2.1-6)五、断裂韧性断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力。,图2.1-6,图2.1-5 冲击实验简图,冲击,第二章 金属材料基础知识,2-2 铁碳合金,2-3 钢的分类及应用,2-1 金属的晶体结构及结晶,返回,2-1 金属的晶体结构及结晶,一、晶体概念晶体：固体原子按一定次序有规律排列。非晶体：固体原子不按一定次序有规律排列。晶格：把每个原子看成一个点，把这点用直线连接起来，形成 的空间格子。晶面：各种不同方位的原子平面。晶向：各种不同方向的原子排列。晶胞：组成晶格的最基本单元。晶粒：外形不规则、显颗粒状的小晶体称为晶粒。晶界：晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。二、常见金属晶格类型体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。三、实际的晶体结构1、多晶体结构2、晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷。,四、金属的结晶1。金属的结晶温度理论结晶温度：平衡结晶温度T0实际结晶温度：低于理论结晶温T1 度的温度过冷：只有冷却到低于T0时才能有效地进行结晶的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷度与冷却速度、金属的性质和纯度有关。冷却速度愈大，过冷度也愈大。2。金属结晶过程结晶是两个基本过程：生核和长大3。细化晶粒的措施 增加金属的冷却速度 进行变质处理 压力处理、热处理，结晶附 加振动。,图2.2-3 纯金属的冷却曲线,五、金属的同素异构转变 金属的同素异构转变：金属在固态下，其晶格类型随着温度的转变而改变的过程。(图 2.2-5为纯铁的同素异构转变冷却曲线)固态相变特点：新相晶核在晶界或碎晶处生成。过冷度大，转变未开始，低温淬火。相变形成大的内应力。六、二元合金的晶体结构1。合金的概念合金：两种或两种以上金属或非金属熔合而成具有金属特性的 物质。组元：组成合金的最基本单元。相：凡化学成分和晶格结构相同，并与其它部分有界面分开的 组成部分。,2。固态合金的基本相结构固溶体：固态下组元之间互相溶解形成的均匀固相。(如图2.2-6)（1）置换固溶体：当金属晶格中溶剂原子的某些结点位置 被溶质原子所占据时形成的固溶体。（2）间隙固溶体：当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点 位置，而是嵌入各结点 之间的间隙时，所形成的固溶体。金属化合物：合金中个组元的原子按照一定的整数比化合 生成的、具有金属性质的物质。机械混合物：组成合金的各组元在固态下既不溶解又不化 合，而是以机械的形式按一定比例混合而生 成的物质。,图2.2-5 纯铁的同素异构转变冷却曲线,溶剂原子,溶质原子,a）置换式固溶体,溶剂原子,溶质原子,b）间隙式固溶体,图2.2-6 固溶体的两种类型,间隙固溶体中的晶格畸变,置换固溶体的晶格畸变,图2.2-7,图2.2-8,2-2 铁碳合金,铁碳合金是钢和铁的统称。一、铁碳合金的基本组织1、固溶体（1）铁素体：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。（2）奥氏体：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。2、金属化合物 渗碳体：铁与碳形成的稳定化合物Fe3C。3、机械混 合物（1）珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。（2）莱氏体：分为两种，在727以上时，是奥氏体与渗碳体 组成的机械混合物。在727以下，是珠光体与 渗碳体组成的机械混合物。,图2.2-9 铁碳合金状态图,P,S,G,C,E,0,A1,D,液体,液体+渗碳体,F,K,L,奥氏体,渗碳体+莱氏体,珠光体+渗碳体+莱氏体,珠光体+渗碳体,铁素体+珠光体,典型合金结晶过程,（共析钢）,简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,E,1,2,3,典型合金结晶过程,（亚共析钢）,简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,E,1,2,3,4,典型合金结晶过程,（过共析钢）,简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,E,1,2,3,4,典型合金结晶过程,（对比分析）,简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,E,1,2,3,2,4,2,4,1,1,3,3,P,F,P,Fe3CII,P,2-3 钢的分类及应用,一、钢的分类1、按化学成分分,2、按杂质含量分,3、按用途分,二、碳钢1、碳及杂质对钢性能的影响：（1）碳的影响：当含碳量小于0.09%时，随着含碳量的增加，钢的强度与硬度都随之提高，塑性与韧性都随之下降。当含碳量大于0.90%时,随着含碳量的增加,硬度继续提高,强度、塑性与韧性则随之下降。（2）杂质的影响：磷的含量增加，钢的塑性、韧性下降，强度硬度提高。特别是在低温时脆性增大被称为冷脆。硫的含量增大，热脆倾向增大。2、碳钢的分类：碳钢可以分为碳素工具钢和碳素结构钢。,三、合金钢,第三章 钢的热处理,3-2 钢的热处理工艺,返回,3-2 钢的热处理工艺,钢的热处理是把固态下的钢，通过加热、保温和冷却，使其组织、结构发生变化，获得所需性能的工艺方法。热处理可以是中间工序，也可以是最终工序。一、热处理的分类,：形变强化+热处理,二、退火退火：是将钢件加热至所需要的温度，保温一定时间，然后随炉或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。1。完全退火：是将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。其工艺过程是：将钢件加热至Ac3以上30-50，保温一定时间后，随炉或埋入石灰中缓慢冷却。2。球化退火：是为使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。其工艺过程是：将钢件加热至Ac1以上20-30，保温较长时间后，缓慢冷却至Ar1以下20左右，等温一段时间，再随炉冷却至500 左右出炉，空冷至室温。,3。低温退火：及去应力退火。是为去除铸件内存在的残余应力，以及由于塑 性形变加工、焊接等造成的残余应力而进行的退火，其工艺 过程是:将钢件加热至Ac1以下某一温度,保温一定时间后缓慢冷却。4。再结晶退火：是一种低温退火。其工艺过程是：将钢件加热至再结晶温度 以上150-250，保温适当时间后空冷。三、正火正火：是将钢件加热至Ac3或Acm以上30-50，保温一定时间后出炉，在静止的空气中冷却的热处理工艺。,四、淬火淬火：是将钢件加热到Ac3或Ac1以上3050，保温一定时间后放在冷却介质中快速冷却的热处理工艺。淬火的目的：获得高硬度的马氏体组织，以提高钢的硬度和耐磨性，常用于各种刃具、量具、模具和滚动轴承 等。常用淬火分单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。五、回火回火：是将淬火后的钢件加热至Ac1以下某一温度,保温一定时间后置于空气或水中冷却的热处理工艺。回火的目的：降低脆性，减少内应力，调整硬度，提高塑性、韧性，稳定工件尺寸。1。低温回火：淬火钢在150-250范围内的回火。回火后的组织是回火马氏 体，硬度降低很少，但可以消除一定的内应力和脆性。,2。中温回火：淬火钢件在250-500范围内的回火。回火 后的组织是铁素体基体内分布着极其细小的碳化物球状颗 粒的复相组织，称为回火屈氏体。其作用是:较大的消除钢的内应力，在保持一定的韧性的前提下提高钢的弹性与屈服强度。3。高温回火：淬火钢件在500650之间的回火。回火后的组织是铁素体基体内分布着较细的碳化物球粒的复相组织,称为回火索氏体。其作用是 大大降低钢的内应力,获得优良的综合机械性能。淬火高温回火称为调质。,六、表面热处理 表面热处理：是对工件表层进行热处理,以改变其组织和性能的热处理工艺。其主要用于某些承受交变载荷或在摩擦条件下工作的零件，以及要求表面具有高的硬度和耐磨性、而心部具有高韧性的零件。1。表面淬火：是仅对工件表层进行淬火的工艺。其工艺过程是：通过快速加热使钢件的表面迅速达到淬火温度，在热量尚来不及传到中心时立即迅速冷却。其目的是：使钢的表面层淬透到一定深度，获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，以提高工件的耐磨性或疲劳强度，同时仍然保持心部的韧性与塑性。表面淬火的加热方法有电感应、火焰、电接触、浴炉加热等。2。化学热处理：是将钢件置于特定介质中加热到一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入其表层的化学热处理工艺。化学热处理按所渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。,第三篇 铸造,第一章 铸造工艺基础,第二章 常用铸造合金,第三章 特种铸造,第四章 铸造工艺设计,返回,第一章 铸造工艺基础,1-1 液态合金的流动性,1-2 铸造合金的收缩,1-3 铸造内应力、铸件的变形与裂纹,返回,1-1 液态合金的流动性,一、合金的流动性合金的流动性：浇注时液态金属充填铸型的能力，与合金种类、结晶特点、粘度等有关。流动性好，充型能力强，可得到形状复杂、轮廓清晰的铸件，缺陷少，补缩好;流动性差，易于产生浇不足、冷隔。二、影响合金流动性的因素1。化学成分（如图 3.1-1 和图 3.1-2）2。浇注温度:提高浇注温度，可防止铸件产生浇不足、冷隔、气孔及夹渣等缺陷。但是温度过高，会使合金收缩增加，吸气氧化严重，从而增加了铸件产生缩松、缩孔、粘砂、气孔等缺陷的可能性。3。充型能力:铸型中凡能增加金属流动阻力、降低流速和增加冷却速度的因素，均能降低其充型能力。,不同成分合金的结晶特点,（a）纯金属及共晶合金,（b）其他成分合金,图 3.1-1,图 3.1-2 铁碳合金流动性与含碳量的关系,1-2 铸造合金的收缩,一、合金的收缩及影响因素1。合金的收缩 合金在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象，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（）凝固收缩（）固态收缩,图 3.1-3,2。影响合金收缩的因素（1）化学成分：不同的化学成分的合金，其收缩率不同。（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，故总收缩量增加。（3）铸件结构与铸型铸件在铸型中冷凝时，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 力及铸型和型芯对收缩产生的机械阻力的影响。二、铸件缩孔、缩松的形成及防止1。缩孔及缩松的形成（1）缩孔：液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝固收缩，体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充，则在铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔。形成过程见图3.1-4。,浇口,a）,b）,c）,d）,e）,图 3.1-4 缩孔形成示意图,（2）缩松 缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因：由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，先析出的枝晶把液体分隔开，使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图。,同时凝固区,缩松,a),b),c),图 3.1-5 缩松形成示意图,2。缩孔、缩松的防止 实现“定向凝固”的工艺措施有：（1）安放冒口（2）安放冷铁,a）,b）,c）,图 3.1-6 冒口补缩示意图,1-3 铸造内应力、铸件的变形与裂纹,一、铸造内应力的形成与控制1。热应力：由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不 同，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的 内应力称为热应力。热应力的形成过程如下图。,(a),(b),(c),(d),图 3.1-7 热应力的形成过程,图 3.1-8 铸件实现同时凝固示意图,2。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。机械应力的形成 如下图。,(a)铸型阻碍,(b)型芯阻碍,图3.1-9 机械应力的形成示意图,二、铸件的变形及防止防止措施（1）铸件壁厚要尽量均匀，并使之形状对称。（2）尽量采用同时凝固原则。（3）反变形法。（4）时效处理。,(a),(b),(c),图 3.1-11 铸件结构对变形的影响,三、铸件的裂纹与防止（1）热裂：铸件凝固末期高温下产生裂纹，强度、塑性低，收缩受阻会产生裂纹。特征是：裂纹短，缝宽，形状曲折，呈氧化色。防止热裂：注意结晶特点和化学成分，合理设计铸件结构及减少铸型阻力。（2）冷裂：低温下形成的裂纹。特征是：裂纹细小，直线形，无氧化色，减少内应力。防止冷裂：凡能减小铸造内应力或合金脆性的因素，均能防止冷裂的产生。,第二章 常用铸造合金,2-1 铸铁件生产,2-2 铸钢件生产,2-3 常用有色合金,返回,2-1 铸铁件生产,一、概述：1。铸铁的特点及种类 按石墨的形态和形状分1）白口铸铁：炭极少数溶于铁素体，其余都以碳化三铁的形式存在断口成银白色，又脆，又硬，不易机加工，可用来做可铁毛胚。2）灰口铸铁：碳除微量溶于铁素体，大部分以片状石墨形状存在断口呈灰色存在。3）球墨铸铁：碳大部分以球状石墨形式存在。4）可锻铸铁：碳大部分或全部以团絮状形式存在。,白口铸铁,球墨铸铁,灰铸铁,可锻铸铁,二、灰铸铁的组织、成分和性能（1）灰铸铁的化学成分：2.63.6%C，1.2 3.0%Si，0.4 1.2%Mn，S0.15%，P0.3%。（2）灰铸铁的组织是由基体和片状石墨组成。按基体组织不同，灰铸铁可分为铁素体灰铸铁、铁素体-珠光体灰铸铁、珠光体灰铸铁。（3）灰铸铁的性能 机械性能：抗拉强度、塑性、冲击韧性都较低。工艺性能：流动性好，良好的铸造性能，切削性能好。减震性：能阻碍震动能量的传播。耐磨性：耐磨性能好。缺口敏感性：缺口敏感性低。,三、球墨铸铁（1）牌号QT450-10，其中QT代表“球铁”“450”表示其抗拉强度不小于450MPa；”10”表示延伸率不小于10%。（2）按其基体组织不同可分为铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁。,图3.2-3 包底冲入球化工艺示意图,四、可锻铸铁 可锻铸铁是用碳、硅含量较低的铁水浇成白口铸铁件，再经过石墨化退火，即缓慢加热至 900 以上高温后，长时间保温，再按规范冷却至室温，使渗碳体发生分解，生成团絮状石墨。根据基体组织可分为：铁素体可锻铸铁、珠光体可锻铸铁。五、其它铸铁简介 1。蠕墨铸铁：蠕虫状石墨铸铁介于片状石墨和球状石墨的一 种过渡型石墨形式。2。合金铸铁：为了获得耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能的铸 铁，可往铸铁中加入一定量的合金元素制成合金铸铁。,2-2 铸钢件生产,一、概述1。铸钢的优良性能（1）综合机械性能高于各类铸铁，强度高，塑性和韧性优良。（2）焊接性能好。（3）性能稳定，质量较易控制。（4）便于制造具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能、又兼有较高机械性能的铸件。二、铸钢的分类、性能和应用1。按化学成分可分为铸造碳钢、铸造合金钢。铸造碳钢又可分为低碳铸钢、中碳铸钢、高碳铸钢。铸造合金钢可分为低合金铸钢、高合金铸钢。,2。低碳铸钢性能：强度、硬度低，韧性、塑性高。常用来制造韧性要求高的零件及一些表面渗碳体件。中碳钢性能：强度、硬度较高，塑性、韧性较差，流动性 好，氧化和热裂倾向较少。在生产中广泛使用。高碳钢性能：硬度高，塑性和韧性差，流动性好，收缩小，不易产生粘砂，形成热裂的倾向小，导热性差，形成应力 和冷裂倾向大，一般只用于制造耐磨件。,3。铸造合金钢（1）低合金铸钢主要是利用合金元素提高淬透性、细化晶粒及固溶强化铁素体。低合金钢适于制造强度、韧性和耐磨性要求高的铸件。（2）高合金钢是加入合金元素使其具有耐磨、耐蚀、耐热及特殊物理化学性能。可用于制造挖掘机镐牙、火车道叉、碎石机颚板。三、铸钢工艺特点1。钢水流动性大；2。收缩大；3。熔点高。四、铸钢件的热处理 由于铸钢件晶粒粗大，常出现过热组织、偏析和存在残余应力，故其强度、硬度低，塑性和韧性较差。为了细化晶粒，消除过热组织、偏析和内应力，提高机械性能，通常进行退火或正火处理。五、铸钢的熔炼 在铸钢件的生产中普遍用的是电弧炉和感应电炉炼钢。,图 3.2-5 感应电炉加热原理图,2-3 常用有色合金,一、铝合金1。纯铝是一种银白色的金属，熔点为660.4,密度为2.72g/cm3，具有良好的抗腐蚀性、很好的导热性、导电性和优良的塑性变形能力。铝合金按其成分和工艺特点可分为变形铝合金、铸造铝合金。2。变形铝合金可分为热处理不能强化的铝合金、热处理强化铝合金。3。铸造铝合金可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金。二、铜合金1。纯铜呈玫瑰色，氧化后呈紫红色，熔点为1083，密度为8.9g/cm3,具有良好的导电性、抗腐蚀性能和塑性，同时还具有减磨性、耐磨性、弹性等。2。铜合金可分为黄铜和青铜。3。黄铜是铜与锌的合金，青铜是铜与锌以外的元素组成的铜合金。,第三章 特种铸造,3-1 金属型铸造,3-2 压力铸造,3-3 低压铸造,3-4 熔模铸造,3-5 离心铸造,返回,3-1 金属型铸造,一、金属型的构造金属型铸造：是将液态合金浇入金属铸型以获得铸件的一种铸造方法。按分型面位置不同，其可分为垂直分型式、水平分型式、复合分型式。,a)水平分型式,b)垂直分型式,c)复合分型式,图 3.3-1 金属型的种类,二、金属型的铸造工艺特点1。保持铸型温度。2。喷刷涂料。3。控制开型时间和温度。三、金属型铸造的特点及应用1。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。（2）铸件精度高，表面质量好，减少了铸件的机械加工余量。（3）由于铸件的冷却速度快，晶粒细，故铸件的机械性能好。2。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、汽缸体、缸盖、油泵壳体、轴瓦、衬套等。,3-2 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。一、压力铸造的工艺过程在压铸机上进行，压铸所用的金属铸型称为压型。压铸机按其压室可分为冷压室压铸机、热压式压铸机。按其压射冲头的运动方向可分为立式、卧式。,图3.3-4 卧式压铸机的工作过程,二、压力铸造的特点及应用范围1。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）机械性能高。（5）设备贵，铸件易产生气孔、缩孔。2。压力铸造的应用范围适于汽车、飞机、电器的有色合金件。,3-3 低压铸造,低压铸造：是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。它是将液态金属在压力下充填型腔并在压力下结 晶，来获得铸件的方法。一、低压铸造的工艺过程二、低压铸造的特点及应用范围,3-4 熔模铸造,熔模铸造：是用易熔的蜡质材料制成蜡模，然后在蜡模上涂挂耐火材料，经硬化后，再将蜡模熔化，排出蜡液，即获得无分型面的铸型，焙烧后进行浇注，故又称为“失蜡铸造”。一、熔模铸造的工艺过程,图3.3-6 熔模铸造的主要工艺过程,a)母模;b)压型;c)压制蜡模;d)单个蜡模;e)蜡模组;f)制壳;g)脱蜡;h)填砂浇注;,二、熔模铸造的特点及应用1。熔模铸造的特点（1）铸件精度、光洁度高。（2）适于形状复杂，薄壁件，无分型面。（3）适于各种合金、高熔点、难加工。（4）生产批量不受限制。（5）工艺复杂，周期长。2。应用适于汽车、机床、风动工具、气轮机等。,3-5 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，称为离心铸造。一、离心铸造的基本方式1。立式离心铸造机 2。卧式离心铸造机,二、离心铸造的特点及应用范围1。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，机械性能高。（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。应用 主要用于空心旋转体铸件，如铸铁管、汽缸套、铜套、双金属轴承、圆环等。,第四章 铸造工艺设计,4-1 概述,4-2 铸件结构工艺性,4-3 铸造工艺方案的确定,4-4 铸造工艺参数的选择,4-5 型芯、浇注系统和冒口的设计,4-6 典型铸件的铸造工艺设计举例,返回,4-1 概述,铸造工艺设计是依据铸件的技术要求、结构特点、生产批量及生产条件确定铸造工艺方案和工艺参数，绘制铸造工艺图，编制工艺卡等。工艺设计是生产准备、管理、验收的依据，对保证铸件质量，提高生产率，降低成本有重要意义。一、铸造工艺设计的依据1。生产任务和技术要求（1）审查零件图（2）零件的技术要求（3）生产类型及生产期限2。车间生产条件（1）设备状况（2）车间原材料的供应情况（3）工人的技术水平和生产条件（4）模具及工装车间的加工能力及生产经验3。设计的经济性,二、铸造工艺设计的内容1。铸造工艺图：用各种符号在零件上表明铸造工艺方案。如浇注位置、分型面、余量、斜度、收缩率、浇注系统、冒口、冷铁等。2。铸造工艺卡：说明造型、造芯、浇注、清理工艺过程及要求文件。3。合箱图：表示铸件在砂箱中的位置、型芯的安装，浇冒口与冷铁的安放、砂箱的结构与大小。三、铸造工艺设计的程序1。对零件图的技术要求及结构工艺性进行分析，有不当 之处应提出改进意见。2。选择铸造及造型方法。3。确定浇注位置及分型面。4。选用工艺参数。5。设计浇冒口、冷铁和铸筋。6。砂芯设计。,4-2 铸件结构的工艺性,一、铸造工艺对铸件结构的要求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),图 3.4-1 端盖铸件,上,下,上,下,(a),(b),图 3.4-2 摇臂铸件,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,图 3.4-3 轴承支架,a),b),图 3.4-4 内腔的两种设计,3。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,图 3.4-5 轴承座的结构,(a)改进前的结构,(b)改进后的结构,图 3.4-6 轴承支架的结构,图 3.4-7 活塞结构的改进,a)不合理,b)合理,4。铸件形状应尽量简单，避免使用活块。,a),b),c),d),图 3.4-8 凸台的设计,5。铸件上应有结构斜度(图3.4-9)6。铸件的吊装、运输和装夹要方便、安全,a),b),a),b),图 3.4-9 结构斜度,a),b),a),b),图 3.4-9 结构斜度,二、合金铸造性能对铸件结构的要求1。铸件壁厚应合理2。铸件壁厚应尽可能均匀,a）,b）,图3.4-10 顶盖的设计,3。铸件壁的连接（1）铸件壁相交要用圆角连接。（2）不同壁厚的连接,（3）铸件壁应避免交叉和锐角连接。,a)交错接头,b)环状接头,图 3.4-13 加强筋的连接形式,a)不正确,b)正确,a)不正确,b)正确,图3.4-14 铸件接头结构,4。避免铸件收缩受阻,a),b),c),图3.4-15 轮辐的设计,a)偶数轮辐,b)弯曲轮辐,c)奇数轮辐,5。铸件应避免过大的水平面,a)改进前结构,b)改进后结构,图 3.4-16 罩盖铸件,6。铸件防裂筋的应用(图3.4-17)三、组合铸件的应用,图 3.4-17 防裂筋的应用,4-3 铸造工艺方案的确定,一、铸型种类及造型方法的选择铸型：砂型、金属型、壳型。砂型分湿型、干型、表干型、自硬性。造型方法：手工造型、机械造型。二、浇注位置的选择1。铸件中质量要求高或重要的加工表面，浇注时应尽可能放 在下面，如有困难则应放在侧面。,图 3.4-19 车床床身浇注位置,a)不合理,b)合理,图3.4-20 起重机卷筒的浇注位置分析,2。铸件的大平面应放在下部。,3。铸件的薄壁部分应放在铸件下部或放在内浇口以下。,图3.4-21 具有大平面的铸件正确的浇注位置,图3.4-22 曲轴箱的浇注位置,4。确定铸件的浇注位置应尽可能减少型芯数目、并使型芯便于安装、稳固、排气方便。,a)不合理,b)合理,图 3.4-23 浇注位置的合理性,5。易于产生缩孔、缩松的铸件，应把原大部位放在上面或侧 面，以便于安放冒口补缩。,a)不利于补缩,b)有利于补缩,图3.4-24 收缩大的铸钢件浇注位置选择,三、铸型分型面的选择1。尽量减少分型面的数目，以便于保证铸件质量。,图3.4-25 减少分型面数目的实例,a),b),a)一个分型面,b)二个分型面,2。分型面应尽量采用平直面，简化造型工艺和减少模具制造成本。,图3.4-26 起重臂的分型面,a)曲面分型面,b)平面分型面,3。尽量使铸件全部或大部置于同一半型内，或者使加工 面和加工基准面放在同一半型中，这样有利于保证铸件 精度。,图3.4-27 汽车后轮毂的分型方案,a)正确,b)不正确,图 3.4-28 管子堵头分型面的选择,4。分型面的确定应便于下芯、合箱及检查型腔尺寸。,图3.4-29 手工造型时减速箱盖的分型方案,4-4 铸造工艺参数的选择,一、机械加工余量 机械加工余量：在铸件的加工面上预先留出的准备在机械加工时切去的金属层厚度。二、收缩率 铸件在冷却时，由于合金的线收缩而使铸件尺寸减少。因此在制造模样时，模样的尺寸必须比铸件的尺寸大一些。三、拔模斜度 为了便于起模或从芯盒中取出型芯，应做出一定的斜度。四、最小铸出孔及槽五、铸造圆角,4-5 型芯、浇注系统和冒口的设计,一、型芯的设计1。型芯的分块（1）应使型芯有足够的强度、定位准确，安放牢固，排气方便。（2）应使型芯有大的填砂面和烘干面，便于造芯和烘干。,图3.4-31 粘合的大砂芯,（3）易于机械加工的小孔、内腔，尽量不用型芯。内腔简 单的铸件，尽量采用“自带砂型”。,上,下,图3.4-32 用砂胎减少砂芯数目的实验,2。芯头设计 芯头是指铸件以外不与金属液接触的型芯部分。芯头的作用是定位、固定、排气、和使清砂方便。,压环,防压环,集砂槽,a)水平芯头,b)垂直芯头,图3.4-33 典型芯头结构,二、浇注系统设计 1。组成：由浇口杯、直浇口、横浇道、内浇道组成。2。类型：按各组元截面积比例不同，浇注系统可分为：封 闭式、开放式、半封闭式。按内浇道开设的位置不同可分为：顶注式、底注式、中 间注入式。3。浇注系统尺寸的确定,上,下,上,下,上,下,a)顶注式浇注系统,c)中间注入式,b)底注式浇注系统,图 3.4-34 浇注系统案内浇道开设位置分类,三、冒口和冷铁设计1。冒口的作用及分类 作用：储存金属液，使铸件凝固产生的收缩得到补充；还能调节各部位冷却速度。明冒口具有出气孔作用，排出型腔气体，及作为浇满铸型的标记。冒口还具有集渣和排渣作用。分类：普通冒口、特种冒口。普通冒口可分为顶冒口、边冒口、明冒口、暗冒口。特种冒口又分为大气压力冒口、发热冒口等。,出气孔,发热套,砂圈,暗冒口,铸件,图3.4-35 常见冒口种类,a)明冒口(顶冒口)和暗冒口(边冒口),b)大气压力冒口,c)发热冒口,2。冒口的设置与计算 冒口主要用于铸钢、可锻铸铁及铜合金等收缩大的合金铸 件。冒口设置时应考虑：（1）设置在铸件被补缩部位及最后凝固的热节旁边。（2）设置在铸件最厚、最高的地方，以充分利用重力补缩。（3）冒口的设置不应影响铸件质量及增加机加工工作量。3。冷铁 冷铁的作用：（1）减少冒口数量和尺寸，提高金属利用率。（2）改善铸件局部的金相组织。（3）控制铸件的凝固顺序。（4）增加冒口的有效补缩距离。常见冷铁有外冷铁、内冷铁两种。,a）,b）,c）,d）,图 3.4-36 常见冷铁形式,a)、b）、c）外冷铁,d）内冷铁,4-6 典型铸件的铸造工艺设计举例,一、铸造工艺图的表示方法 二、典型铸件的铸造工艺设计举例,第一章 金属锻造工艺的基本原理,第二章 压力加工方法,第三章 锻造工艺设计,第四章 板料冲压,第四篇 压力加工与粉末冶金,返回,第一章 金属锻造的基本原理,1-1 金属的塑性变形,1-2 金属锻造基本原理,1-1 金属的塑性变形,压力加工：在外力作用下，使金属产生塑性变形，获得一定几何形状、尺寸和机械性能毛坯，原材料或零件的加工方法。压力加工有自由锻、模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔等。一、塑性变形实质1。单晶体塑性变形（1）当无外力，晶格正常排列。（2）外力作用使原子离开平横位置，晶格变形，外力消失，变形消失。（3）当外力足够大，沿晶面移动一个或几个原子距离，剪应力消失，恢复正常。2。多晶体塑性变形多晶体是多个位向不同变形总和，除了晶内变形外，还有晶间变形，及晶粒间互相移动及转动。特点：（1）变形过程复杂。（2）变形抗力比单晶体大的多。（3）多晶体塑变以晶内为主，晶间很小。,二、冷变形后的金属组织与性能 塑性变形后：（1）晶粒拉长，压扁。（2）晶格扭曲。（3）晶粒间产生碎晶。使金属的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，即加工硬化。增加滑移阻力，使金属形变强化。三、回复与再结晶 加工硬化是一种内部能量较高、不稳定状态，具有回复到稳定状态的趋势。1。回复：金属加热到某一温度时，T回=（0.25-0.3)T熔，原子获得热能，消除晶格扭曲 和内应力。组织性能变化不大。2。再结晶：温度继续升高，原子获得更多热能，开始以 某 些杂质和碎晶为晶核，并继续长大，旧晶核解体，生成正常晶格的晶粒，从而消除了加工硬化组织。T再=0.4T熔,四、热变形后金属组织与性能 1。气孔、缩孔、缩松能锻合，提高致密度。2。生成再结晶组织，细化晶粒。3。生成纤维组织，使材料有方向性。铸锭组织不均，晶粒粗大，气孔、夹杂，塑性变形后，再结晶消除加工硬化组织，夹杂沿变形方向分布，呈纤维状。变形增加越明显，使材料有方向性。原则：（1）分布与零件轮廓一致。（2）正应力方向与纤维组织一致。,五、金属变形程度 常用锻造比表示 Y=F0/F F0表示变形前面积；F表示变形后面积。钢锭Y=2-3 合金钢Y=3-4 高速钢Y=5-12六、冷、热变形比较 热变形特点：（1）均匀、细化晶粒。（2）消除加工硬化。（3）高温、塑性好。（4）氧化严重。（5）精度差。（6）设备贵，维修费高。冷变形特点：（1）不加热。（2）精度、表面质量好。（3）硬度、强度高。（4）材料有方向性。（5）设备贵，存在残余应力，易产生裂纹。,1-2 金属锻造基本原理,一、金属塑性变形的基本规律1。体积不变定律；2。最小阻力定律二、金属的锻造性能 金属的锻造性能是指金属材料受压力变形难易程度，工艺性能。常用塑性和变形抗力来衡量。塑性好，变形抗力小，锻造性能好。影响锻造性能主要因素：1。金属本质（1）化学成分：纯金属好。（2）金属组织：单一组织可锻性好。2。加工条件（1）变形温度（2）变形温度（3）应力状态,第二章 压力加工方法,2-2 模锻和胎模锻,2-3 其它加工方法,2-1 自由锻,返回,2-1 自由锻,自由锻：是利用冲击力或压力，使金属坯料在上下抵铁之间变 形，在垂直压力方向自由流动。可分为手工自由锻、机械自由锻。特点：1。设备通用性强，简单。2。生产率低。3。锻件精度差，消耗金属多。一、自由锻设备 锻锤：空气锤、蒸汽锤。压力机：利用压力来锻打工件。二、自由锻工序 基本工序：使金属产生塑性变形，获得所需形状、尺寸过程。墩粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转、切割等。还有辅助工序和精整工序、切肩、压钳口、去氧化皮、整形等。,2-2 模锻和胎模锻,一、模锻模锻：在外力作用下，使坯料在模型内成型，从而获得与模膛形状一致的锻件。1。特点（1）生产率高。（2）锻件尺寸精确，余量少，光洁度高。（3）形状复杂，敷料少，成本低。（4）锻模设备贵。适于汽车、飞机、拖拉机、风动工具、截齿体等。2。模锻锤（1）间隙少。（2）玷座与机架成一整体。（3）适于多工步。3。锻模结构分为终锻模膛和予锻模膛、制坯模膛、切断模膛。,二、胎膜锻造 胎膜锻造：在自由锻设备上使用简单锻模来生产模锻件。模膛不是固定在锻锤上，设备简单，适于中小厂。1。胎膜锻特点（1）与自由锻比：锻件质量好，节省金属，生产率高，成本低。（2）与模锻比：不要昂贵设备，锻模简单，劳动强度大。2。胎模的种类（1）扣模：来生产长杆，非回转体锻件。（2）筒模：锻模为圆筒形，生产齿轮、法兰、盘等。（3）合模：由上模和下模组成。,2-3 其它压力加工,一、轧制 轧制：在上下压力之下，产生连续塑性变形。二、挤压 挤压：在挤压模中受压应力，使之发生塑性变形，分为正挤压、反挤压、复合挤压。三、拉拔 拉拔：坯料在拉力作用下，通过模孔而变形。,第三章 锻造工艺设计,3-1 自由锻工艺设计,3-2 模锻工艺设计,返回,3-1 自由锻工艺设计,一、锻件工艺分析1。自由锻件结构工艺性（1）应避免斜面和圆锥面。,图4.3-1 轴类自由锻锻件结构,（2）不能圆弧连接。,a)工艺性差的结构,b)工艺性好的结构,图4.3-2 杆类自由锻锻件结构,（3）不能有凸台、加强筋。,a),b),a)工艺性差的结构,b)工艺性好的结构,图4.3-3 盘类自由锻锻件结构,（4）复杂零件可以由组合件完成。,a)工艺性差的结构,b)工艺性好的结构,图4.3-4 复杂自由锻锻件结构,二、绘制锻件图 根据零件图，绘制应考虑：1。简化锻件形状。为了简化锻件形状，不易锻出部位加敷料。2。确定锻件公差。3。确定加工余量。三、确定坯料质量和尺寸M坯=M件+M冲孔+M切+M烧四、确定锻造设备 依据锻件质量和尺寸来选设备。五、确定锻造工序和锻造温度六、编制锻造工艺卡七、估算锻件价格及成本,3-2 模锻工艺设计,一、模锻件的结构工艺性分析（1）模锻件必须有合理的分模面。（2）外形简单、平直、对称，避免薄壁、高筋。（3）深小孔不易锻出。（4）复杂锻件采用锻焊结合。二、绘制模锻图1。确定分模面（1）选最大截面保证取出。（2）上下模膛一致，便于发现错误。（3）模膛浅而宽。（4）减少敷料。（5）分模面为平面。（6）上模金属易于充满模膛。,2。确定敷料、加工余量和锻造公差3。确定模锻斜度。4。确定圆角半径。5。确定冲孔连皮。,图4.3-10 冲孔连皮,6。确定毛边槽。,图4.3-11 毛边槽结构,1-上模;2-下模;3-桥部;4-仓部,7。模锻图的技术条件8。绘制模锻图,图4.3-12 拐臂模锻件图,三、确定坯料质量、尺寸 四、确定模锻工步 五、修整工步 1.切边、冲孔 2.校正 3.热处理 4.表面清理 5.精压 六、确定模锻设备,第四章 板料冲压,4-1 冲压工艺,4-2 冲模分类与结构,4-3 板料冲压结构工艺性,返回,4-1 冲