金属制造工艺.ppt

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1、第7章 金属制造工艺,7.1 铸 造,7.1.1合金的铸造性能1.金属或合金的流动性金属或合金的流动性是指液态金属或合金自身的流动能力。流动性良好的金属或合金能铸造出薄而复杂的铸件，利于铸件的补缩以及气体和非金属夹杂物的上浮和逸出。反之，铸件上易出现浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩孔等缺陷。金属或合金的种类、成分、结晶特征、粘度及结晶潜热等都对金属或合金流动性有影响，如金属或合金的种类不同，其流动性也不同。对一些常用铸造合金的流动性值进行试验，得知铸铁的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。,2.铸件的凝固与收缩随着温度的降低，浇入铸型的金属液将发生凝固，并伴随着收缩过程。铸造金属或合金的收缩是

2、指从浇入铸型、凝固和直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸的缩减现象。金属或合金的收缩是一种物理属性，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷的根本原因。铸造金属或合金从浇注到冷至室温要经历三个收缩阶段，即液态收缩、凝固收缩和固态收缩。液态收缩和凝固收缩主要表现为铸件体积上的缩减，它们是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩主要表现为铸件各方向尺寸上的缩小，它是铸件产生应力和裂纹的基本原因。,7.1.2砂型铸造1.砂型的种类(1)湿型：向石英砂中加入适量的粘土和水分，混制而成的型砂称为湿型砂。用湿型砂舂实，浇注前不烘干的砂型称为湿型。铝合金、镁合金及小型铸铁件的生产常使用湿型。湿型的优点是：它可使铸件

3、生产周期缩短，生产率提高；由于不必烘干及不需要相应的烘干装置，故湿型可节省投资及能源消耗；易于实现机械化和自动化，比干型生产劳动条件好。湿型水分高，强度低，因此对于质量要求高。厚壁中、大型铸件不宜采用，特别适合于机械化、自动化生产。,(2)干型：经过烘干的砂型称为干型。烘干后增加了强度和透气性，显著降低发气性，大大减少了由于铸型方面的原因而产生的气孔、砂眼、胀砂、夹砂等缺陷。干型的缺点是生产周期长，需要烘干设备，增加燃料消耗，恶化劳动条件，难于实现机械化和自动化。干型主要用于质量要求高，结构复杂，单件、小批量生产的中大型铸件。(3)表面干型：铸型表面仅有一层很薄的型砂被干燥(干燥层一般为152

4、0mm)，铸型其余部分仍然是湿的，故称表面干型。表面干型介于湿型和干型之间，既有湿型的优点，又有湿型达不到的性能。表面干型常用于生产中、大型铝铸件和铸铁件。,(4)化学硬化砂型(自硬砂型)：铸型靠型砂自身的化学反应而硬化，一般不需烘干，或只经低温烘烤。优点是强度高，节约能源、效率高。但成本较高，有的易产生粘砂等缺陷。化学硬化砂型目前用得较多的有用水玻璃作粘结剂的水玻璃砂型，以及用合成树脂作粘结剂的树脂砂型等。化学硬化砂型对于各种铸件均可采用。,2.砂型铸造的工艺流程砂型铸造的生产工序主要包括：制模、配砂、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理和检验。例如，套筒铸件的生产过程如图7-1所示。（

5、1）造型(芯)。制造砂型的工艺过程叫做造型；制造砂芯的工艺过程叫做制芯，也叫造芯。造型和造芯是铸造生产中最重要的工艺过程之一。选择合适的造型(芯)方法和正确地进行造型(芯)工艺操作，对提高铸件质量、降低成本、提高生产率有极重要的意义。造型(芯)方法按机械化程度可分为手工造型(芯)和机器造型(芯)两大类。,图7-1套筒铸件的生产过程,手工造型（芯）是指用手工完成紧砂、起模、修整及合箱等主要操作的造型(芯)过程。手工造型(芯)是一种最基本的造型方法，造型工艺适应范围广泛，质量一般能够满足工艺要求，适合单件、小批量生产。但手工造型(芯)劳动强度大，生产率低，铸件质量不易稳定。手工造型方法很多，如模样

6、造型、刮板造型、地坑造型等，各种造型方法有不同的特点和应用范围。机器造型(芯)是指用机器全部地完成或至少完成紧砂操作的造型工序。和手工造型相比，机器造型的生产率高、质量稳定、工人劳动强度低。但设备和工艺装备费用高，生产准备时间长，一般只适用于一个分型面的两箱造型。机器造型(芯)适用于大量和批量生产。,（2）型(芯)砂的紧实。型砂需要紧实才能成为整体的砂型。型砂的紧实程度影响着铸型的强度和透气性，紧实度越大，铸型强度越大，透气性越差。故铸造生产中对铸型的紧实度提出了较高的要求，一是要求铸型紧实度均匀，二是要努力提高紧实度。,（3）砂型(芯)的烘干。大型、重型以及质量要求高的铸件，普通砂型和砂芯均

7、需经过烘干，以除去水分，提高强度和透气性，减少发气量，使铸件不易产生气孔、砂眼、夹砂和粘砂等缺陷，从而保证铸件的质量。砂型和砂芯是多孔性物体，对其烘干即水分的去除大致可分为两步进行：表面水分的蒸发和内部水分的迁移(扩散)。烘干方法有表面烘干和整体烘干两种。表面烘干是为了缩短生产周期，减少燃料能源消耗，以及有利于组织流水作业。在达到质量要求的条件下，应尽量应用表面烘干。一般大型和较重要的砂型和砂芯都要进行整体烘干。,（4）合箱。合箱就是把砂型和砂芯按要求组合在一起成为铸型的过程，习惯上也称拼箱、配箱或扣箱。铸型的合箱是制备铸型的最后工序，也是铸造生产的重要环节。如果合箱质量不高，铸件的形状、尺寸

8、和表面质量就得不到保证；甚至还会由于编芯、错箱、抬箱、跑火等原因而使铸件报废。（5）浇注。浇注前应做好浇注准备工作。由于浇注温度对铸件质量影响很大，因此应根据合金种类、铸件结构和铸型特点确定合理的浇注温度范围。为了获得合格的铸件，必须控制浇注温度、浇注速度，严格遵守浇注操作规程。,（6）铸件的落砂与清理。浇注完毕，铸件凝固以后，还必须进行落砂、清理、表面处理等工作，才能得到合格的铸件。铸件凝固冷却到一定温度后，把铸件从砂箱中取出，去掉铸件表面及内腔中的型砂和芯砂的工艺过程称为落砂，落砂通常分为人工落砂和机械落砂两种。人工落砂是在浇注场地人工就地落砂。人工用大锤、钢钎或者风锤敲击砂箱和捅落型砂，

9、不得用锤子直接敲击砂箱中部和铸件本体，免得损坏砂箱和铸件。人工落砂劳动条件差，生产率低，用于单件、小批量生产的非机械化铸工车间。机械落砂是把铸件放在震动落砂机上进行震动，使砂子下落。机械落砂效率高，但机械易损坏，维修调整困难，而且噪音大。,（7）铸件表面处理。有些铸件经过上述处理以后，还需进行表面处理。如镁合金铸件在吹砂后需进行表面氧化处理，在表面生成一层致密而又有保护作用的薄膜，防止或减轻镁合金在使用过程中产生腐蚀。铸铁件、铸钢件在检验合格入库前，还须涂上底漆，以防生锈，并作为进一步油漆的基底。,3.铸件质量检验与缺陷修补铸件质量包括铸件内在质量、外在质量、使用质量等几个方面。铸件质量的具体

10、要求，一般在零件图和有关技术文件中都有明确规定。为了保证铸件质量，在铸造生产的各个环节，特别是清理后，都要进行质量检验。凡是有缺陷的铸件，经修补后能满足要求，不影响使用者均应进行修补。,7.2 压力加工,7.2.1自由锻造自由锻是利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁之间产生塑性变形，从而得到所需锻件的锻造方法。金属坯料在抵铁间受力变形时，除打击方向外，朝其他方向的流动基本不受限制，锻件形状和尺寸由锻工的操作技术来保证。自由锻分手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。机器锻造则是自由锻的主要生产方法。自由锻所用的工具简单，具有较大的通用性，应用较为广泛。,自由锻生产中进行

11、的工序很多，可分为基本工序、辅助工序及精整工序三大类。自由锻的基本工序是使金属坯料产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状和尺寸的工艺过程，如墩粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等。辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压钳口、压钢锭棱边、切肩等。精整工序是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序，如清除锻件表面凸凹不平及整形等，一般在终锻温度以下进行。,自由锻造的工序，是根据工序特点和锻件形状来确定的。一般情况下，盘类锻件常选用镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔等工序；轴类锻件常选用拔长(或镦粗及拔长)、切肩和锻台阶工序；筒类锻件选用镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔、在心轴上拔长等工序；环类锻件选

12、用镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔、在心轴上扩孔等工序；曲轴类锻件选用拔长(或镦粗及拔长)、错移、锻台阶、扭转等工序；弯曲类锻件选用拔长、弯曲工序。自由锻生产还必须遵循工艺规程来进行。,7.2.2模型锻造模锻是在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形的锻造方法。在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。与自由锻比较，模锻有如下优点：（1）生产率较高。自由锻时，金属的变形是在上、下两个抵铁间进行的，难以控制。模锻时，金属的变形是在模膛内进行的，故能较快获得所需形状。（2）模锻件尺寸精确，加工余量小。,（3）模锻可以锻造出形状比较复

13、杂的锻件。若用自由锻来生产，则必须加大敷料来简化形状。（4）模锻生产比自由锻生产节省金属材料，减少切削加工工作量。在批量足够的条件下能降低零件成本。模锻按使用的设备不同分为：锤上模锻、胎模锻、压力机上模锻等。模锻生产由于受模锻设备吨位的限制，模锻件不能太大，模锻件质量一般在150kg以下。又由于制造锻模成本很高，所以模锻不适合于小批和单件生产。模锻生产适合于小型锻件的大批大量生产。,7.2.3板料冲压板料冲压是利用冲模使板料产生分离或成形的加工方法。这种加工方法通常是在冷态下进行的，所以又叫冷冲压。只有当板料厚度超过810mm时，才采用热冲压。冷冲压广泛地应用在一切有关制造金属制品的工业部门中

14、，特别是汽车、航空、电器等工业中，板料冲压占有极其重要的地位。,板料冲压具有下列特点：（1）可以冲压出形状复杂的零件，废料较少。（2）产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性能好。（3）能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度较高的零件。（4）冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，生产率很高，零件成本低。,板料冲压所用的原材料，特别是制造中空杯状和钩环状等成品时，必须具有足够的塑性。常用的金属材料有低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及塑性高的合金钢等。冲压生产中常用的设备是剪床和冲床。剪床用来把板料剪切成一定宽度的条料，以供下一步的冲压工序用。冲床用来实现冲压工序，制成所需形状和尺寸的成品零

15、件。冲床最大吨位可达40000kt以上。,冲压生产有很多种工序，其基本工序有分离工序和变形工序两大类。分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断、修整等。变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序，如拉深、弯曲、翻边、胀形等。冲压模具简称冲模，是冲压生产中必不可少的模具，冲模结构的合理与否对冲压件的质量、冲压生产的效率及模具寿命等都有很大的影响。冲模基本上可分为简单模、连续模和复合模三种。但冲模制造复杂，只有在大批量生产条件下，这种加工方法的优越性才显得更为突出。,7.3焊接,7.3.1手工电弧焊手工电弧焊是电弧焊中的一种。手工电弧焊是利用电弧放电时

16、产生的热量（温度高达3600）来熔化母材金属和焊条，从而获得牢固接头的焊接过程。手工电弧焊设备简单，使用灵活、方便，适用于任意空间位置的焊接；但生产率低，劳动强度大，焊接质量决定于焊工的技术水平。,图7-2手工电弧焊,1.焊接过程手弧焊的焊接过程如图7-2所示。将工件和焊钳分别接到电焊机的两个电极上，并用焊钳夹持焊条。焊接时，先将焊条与工件瞬时接触，然后将焊条提到一定的距离（24mm），于是在焊条端部与工件之间便产生了明亮的电弧。电弧热将工件接头处和焊条熔化形成熔池。随着焊条的向前移动，新的熔池不断产生，旧熔池不断冷却凝固，从而形成连续的焊缝，使工件牢固地连接在一起。,2.电焊机1)弧焊变压器

17、弧焊变压器实际上是一种特殊的降压变压器，如图7-3所示。它将220V或380V的电源电压降到6080V（即焊机的空载电压），以满足引弧的需要。焊接时，电压会自动下降到电弧正常工作时所需的工作电压2030V。输出电流是从几十安培到几百安培的交流电，可根据焊接的需要调节电流的大小。电流的调节分为粗调和细调。粗调是通过改变输出轴头的接法来实现的，调节范围大；细调是旋转调节手柄，将电流调节到所需要的数值。弧焊变压器的优点是结构简单，价格便宜，工作噪音小，使用可靠，维修方便，应用很广；缺点是焊接电弧不稳定。,图7-3弧焊变压器,2）弧焊整流器弧焊整流器全称是整流式直流电焊机，近年来得到了普遍的应用。它是

18、通过整流器把交流电转变为直流电，既弥补了交流电焊机电弧稳定性差的缺点，又比一般直流电焊机结构简单，维修容易，噪音小。用直流电焊机焊接时，由于正极和负极上的热量不同，所以有正接和反接两种接线方法，如图7-4所示。把焊件接正极，焊条接负极，称为正接法（见图7-4（a）；反之，称为反接法（见图7-4（b）。焊接厚板时一般采用直流正接，这时电弧中的热量大部分集中在焊件上，有利于加快焊件熔化，保证足够的熔深。焊接薄板时，为防止烧穿，常采用反接。但在使用碱性焊条时，均采用直流反接。,图7-4直流电焊机的接线法,3)焊钳和面罩焊钳是用于夹持焊条和传递电流的。面罩则用来保护眼睛和面部，以免弧光灼伤。焊钳和面罩

19、的结构如图7-5所示。,图7-5焊钳和面罩(a)焊钳；(b)面罩,3.电焊条手工电弧焊使用的焊条由焊芯和药皮组成，如图7-6所示。,图7-6电焊条,焊芯是焊接专用的金属丝，是组成焊缝金属的主要材料。焊接时焊芯的作用是：一是导电，产生电弧；二是熔化后作为填充金属，与熔化的母材一起形成焊缝。为了保证焊缝质量，对焊芯金属的化学成分有较严格的要求。因此，焊芯都是专门冶炼的，碳、硅含量较低，硫、磷含量极少。我国目前常用的碳素结构钢焊芯牌号有H08、H08A、H08MnA。焊条的直径是用焊芯的直径来表示的，常用的直径为3.26mm，长度为350450mm。焊条药皮由矿石粉和铁合金粉等原料按一定比例配制而成

20、。药皮的主要作用是保证焊接电弧的稳定燃烧，防止空气进入焊接熔池，添加合金元素，保证焊缝具有良好的力学性能。,按用途的不同，电焊条有结构钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条等，其中结构钢焊条应用最广。我国生产的结构钢焊条主要用于焊接低碳钢和低合金结构钢，其牌号是汉字拼音字首加上三位数字表示的。例如，J422（结422），“J”表示结构钢焊条，前两位数字“42”表示焊缝金属的抗拉强度不低于420MPa，第三位数字表示药皮类型为钛钙型，适用交直流电源。国家标准GB511785中规定了碳素钢焊条的型号，用“E”加四位数字表示，即Exxxx。“E”表示焊条，前两位数字表示焊缝金属的最低抗拉强度值，第三位数字表示

21、焊接位置，第三、四位数字组合表示焊接电流种类和药皮类型。如E4315，“43”表示焊缝金属的b420MPa；“1”表示适用于立、平、横、仰位置焊接；“15”表示焊条药皮为低氢钠型，电流类型为直流反接。,根据焊条药皮性质的不同，结构钢焊条可以分为酸性焊条和碱性焊条两大类。药皮中含有多量酸性氧化物（如TiO2、SiO2等）的焊条称为酸性焊条，如Jxx1、ixx2、Jxx3、Jxx4、Jxx5。药皮中含有多量碱性氧化物的焊条称为碱性焊条，如Jxx6、Jxx7。酸性焊条能交直流两用，焊接工艺性能较好，但焊缝的力学性能特别是冲击韧度较差，适用于一般低碳钢和强度较低的低合金结构钢的焊接，是应用最广的焊条。

22、碱性焊条脱硫、脱磷能力强，药皮有去氢作用。焊接接头中含氢量很低，故又称低氢型焊条。碱性焊条的焊缝具有良好的抗裂性和力学性能，但工艺性能较差，一般用直流电源，主要用于重要结构（如锅炉、压力容器和合金结构钢等）的焊接。,4.焊接工艺1）焊接接头形式根据GB/T33751994规定，焊接碳钢和低合金钢的基本接头形式有对接、搭接、角接和T形接四种。接头形式的选择是根据结构的形状、强度要求、工件厚度、焊接材料消耗量及其它焊接工艺而决定的。根据GB98588规定手工电弧焊常采用的基本坡口形式有I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口和K形坡口五种，如图7-7、图7-8、图7-9所示。,图7-7对接接头坡口形

23、式,图7-8T形接头坡口形式,图7-9X形接头坡口形式,2)焊缝空间位置按焊缝在空间位置的不同，可分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种，如图7-10所示。平焊操作方便，易于保证焊缝质量，应尽可能采用。立焊、横焊和仰焊由于熔池中液体金属有滴落的趋势而造成施焊困难，应尽量避免。若的确需采用这些焊接位置时，则应选用小直径的焊条，较小的电流、短弧操作等工艺措施。,图7-10焊缝的空间位置(a)平焊；(b)立焊；(c)横焊；(d)仰焊,3)焊接参数为了保证焊接质量和提高生产率，必须正确选择焊接参数。焊条电弧焊的焊接参数包括焊条直径、焊接电流及焊接速度等。焊条直径主要根据焊件厚度来选择。焊接厚板时应选较粗的焊条

24、。平焊低碳钢时，焊条直径可按表7-1选取。,表7-1焊条直径的选择,焊接电流主要根据焊条直径选取。焊接电流是影响焊接接头质量和生产率的主要因素。电流过大，金属熔化快，熔深大，金属飞溅大，同时易产生烧穿、咬边等缺陷；电流过小，易产生未焊透、夹渣等缺陷，而且生产率低。焊接速度是指焊条沿焊缝长度方向移动的速度，它对焊接质量影响很大。焊速过快，易产生焊缝的熔深浅、焊缝宽度小及未焊透等缺陷；焊速过慢，焊缝熔深、焊缝宽度增加，特别是薄件易烧穿。手弧焊的焊接速度由焊工凭经验掌握，一般在保证焊透且焊缝成形良好的前提下，应尽可能快速施焊。,7.3.2常用金属材料焊接1.碳钢的焊接1）低碳钢的焊接低碳钢含碳量为0

25、.1%0.25，可焊性好，焊前不需预热，但在寒冷地区焊接刚性较大部件时，需要把工件加热至100200左右，低碳钢塑性较好，焊缝不易出现裂纹。一般情况下，低碳钢的焊接均可选用酸性焊条；只有在特殊情况下，例如，遇到大厚度工件或大刚度结构以及在低温条件下施焊等情况时，才考虑采用碱性焊条。,低碳钢焊接时，只要在焊前严格按焊条或焊剂说明书进行烘干，并仔细清除坡口及其附近的铁锈和油污等就可避免出现裂纹。但当焊接材料或母材的化学成分不合格(如含碳量、含硫量较高)，或者结构刚性较大，施焊时环境温度较低（如在-10以下）时，可能出现焊接裂纹。只要针对这些产生裂纹的原因给予解决，低碳钢焊接时的裂纹是可以避免的。此

26、外，焊接接头的严重过热也应予以注意。由于沸腾钢中硫和磷的偏析，裂纹倾向和热影响区的低温性能变化稍大一些。,2)中碳钢和高碳钢的焊接中碳钢含碳量为0.25%0.60，由于含碳量高，可焊性较低碳钢差。焊接中碳钢的主要困难是在基本金属近缝区容易产生低塑性的淬硬组织。钢中含碳量愈高，工件厚度愈大，则淬硬倾向也愈大。如焊件刚性大，焊条或规范选用不当，在焊件冷却至300以下时，容易沿热影响区的淬硬区产生冷裂纹。此外，由于基本金属中含碳量高，在焊接过程中，基本金属的一部分要熔化到焊缝金属中去，致使焊接金属含碳量增高，加之含硫杂质和气孔的影响，也容易在焊缝金属中引起热裂纹，特别是在收尾处，裂纹更为敏感。热裂纹

27、的特征是裂纹往往垂直于焊缝鱼鳞状波纹，呈不明显的锯齿形，但也有沿焊缝金属与基本金属交界处发展的。,为保证焊后不产生冷裂纹和热裂纹并得到满意的机械性能，通常采取一些措施，如尽可能采用碱性低氨型焊条；预热可以避免产生冷裂纹，因此该措施是非常必要的。预热温度取决于焊件的含碳量、焊件的大小和厚度以及选用焊条类型和焊接规范等。采用局部预热时，加热范围应在焊缝两侧150200mm左右为宜。,2.低合金钢的焊接1）焊接方法低合金钢的焊接可采用手工电弧焊、埋弧自动焊和电渣焊等焊接方法。近年来二氧化碳气体保护焊、窄间隙气体保护焊也有较广泛的应用。,2）坡口加工和焊前装配坡口加工可采用机加工、气割或碳弧气刨。对强

28、度级别较高、厚度较大的钢材，采用气割时为防止裂纹，可采用与焊接相同的预热规范。碳弧气刨时，必须仔细消除残余的碳，以防止产生裂纹。为避免装配点焊的裂纹，点焊焊缝应长些和厚些，且宜用低氢碱性焊条。点焊长度一般应大于40mm，最好达到100mm左右。点焊的顺序，应以能防止过大的拘束、允许工件有适当的变形为原则。点焊时应与正式焊接一样采取预热措施。点焊焊缝有裂纹时应清除并易位重焊。,3）焊接材料的选择所选择的焊条强度应与母材的强度相当或略低些为宜。为避免产生冷裂，一般在焊低合金钢时，常采用低氢型或低氢铁粉型焊条。但由于低氢铁粉型焊条不适于立焊和仰焊，在实际上应用也较少。在焊接强度等级低并且比较薄的不太

29、重要的构件时，也有应用酸性焊条的。,4）低合金钢焊接时的预热和热处理预热有防止冷裂纹、降低焊缝和热影响区冷却速度、减小内应力等重要作用，但是预热使劳动条件恶化，并使生产工艺复杂。因此低合金钢结构施焊前是否需要预热，应慎重考虑，一般应根据生产实践和可焊性试验来确定。预热方法可采用氧乙炔火焰、煤气加热或其他加热方法，但要求加热方法不影响母材的性能。预热又可分为局部预热和整体预热。局部预热时，加热范围应保证在焊缝两侧不少于80mm。预热温度一般在100200。当钢材强度等级高、结构刚性大时，可适当提高预热温度。,焊后热处理的目的是为了消除焊接内应力、提高构件尺寸的稳定性、增强抗应力腐蚀性能、改善接头

30、组织及力学性能、提高结构长期使用的质量稳定性和工作的安全性等。低合金结构钢，特别是大量使用的普通低合金钢，多数情况下焊后是不进行热处理的，只有在有特殊要求的情况下才进行焊后热处理。,3.铝及铝合金的焊接铝及铝合金具有很多优点，特别是铝的资源丰富，比较便宜，因此目前已被广泛应用于各工业部门。在汽车工业中，铝及其合金应用是非常多的。铝及铝合金与黑色金属不同，有易氧化、导热性高、热容量和线膨胀系数大、熔点低以及高温强度小等特性。氩弧焊是当前工业生产中应用最多的焊铝方法之一。在焊接过程中由于有氩气保护，金属熔池和填充金属不被氧化，焊缝金属质量稳定可靠。焊接接头耐腐蚀性高，机械性能好。而且焊接速度快，生

31、产率高，焊缝成型美观，对焊工技术水平要求低。,7.4 切削加工,7.4.1切削加工概述1.切削加工运动为了进行切削加工以获得工件所需的各种形状，并达到要求的加工精度和表面粗糙度，刀具和工件必须完成一系列运动。1)切削运动切削时的基本运动是直线运动和回转运动，按切削时工件和刀具相对运动所起的作用不同可分为主运动和进给运动。图7-11所示为在车床上加工外圆表面时的切削运动。,图7-11车削外圆表面的切削运动,（1）主运动。主运动是进行切削时最主要的运动。通常它的速度最高，消耗机床动力最多，如普通卧式车床的主运动为主轴的旋转运动，幢床的主运动是镬杆的旋转运动。(2)进给运动。进给运动与主运动配合，能

32、保持切削工作连续地进行，从而切除金属层形成已加工表面。如图7-11所示，在普通卧式车床上加工外圆，刀具沿工件轴线方向的纵向运动fa是进给运动。机床的进给运动可由一个或几个组成，通常消耗功率较小。进给运动可以是连续的，如车床的进给运动；也可以是间歇的，如牛头刨床工作台的进给运动。,在切削加工过程中，工件上形成三种表面，如图7-12所示。待加工表面是将被切去一层金属的表面。加工表面是工件正在被切削的表面（过渡表面）。已加工表面是工件上切去一层金属后，所形成的新的表面。,2)切削要素切削用量三要素如图7-12所示。,图7-12车削时的切削要素,(1)切削速度v。切削速度是主运动的线速度，单位为m/s

33、。（2）进给量f。进给量是进给运动方向上相对工件的位移量。车削时，进给量为主轴每转一转时，工件与刀具相对的位移量，单位为mm/r。（3）背吃刀量p。背吃刀量是每次走刀切入的深度。背吃刀量等于待加工表面与已加工表面间的垂直距离（mm），如图7-12（b）所示。,2.金属切削刀具金属切削刀具种类繁多，形状也各有不同，但是，不管形状多么复杂的刀具，都是在刀具基本类型的基础上发展起来的，以适应不同条件下的切削加工。下面以外圆车刀为例对切削刀具进行分析。1)刀具的组成外圆车刀分为切削部分（也称刀头）和夹持部分（也称刀杆或刀体）两部分，如图7-13所示。刀体装在刀架上，刀头装在刀体上（可焊接或机械装卡）。

34、,图7-13车刀的组成,切削部分的组成如下：(1)前刀面刀具上切屑流过的表面。(2)主后刀面切削刀具上与工件加工表面相对的表面。(3)副后刀面切削刀具上与工件已加工表面相对的表面。(4)主切削刃前刀面与主后刀面的交线，起主要的切削作用。(5)副切削刃前刀面与副后刀面的交线，起辅助切削作用。(6)刀尖主切削刃与副切削刃的交点，为提高刀尖刚度及耐磨性，刀尖可磨成圆弧，形成过渡刀刃。,2)刀具切削部分角度车刀的切削部分包括五个主要的基本角度，即前角0、后角0、主偏角r、副偏角r、刃倾角s，如图7-14,图7-14车刀的主要角度,正确选择刀具角度，对保证加工精度、提高劳动生产率有着十分重要的意义。下面

35、对车刀的几个角度的选择提供几个原则。(1)前角0的选择。前角大小影响切屑流出的难易程度及刀刃的强度。增大前角，切屑易流出，可使切削力下降，切削时省力，但过大的前角会降低刀刃的强度。当加工塑性材料时，工件材料硬度较低或是在精加工时，前角可取大些，如使用硬质合金刀具加工低碳钢时，0=2530；加工铝或铜时，0=3040。减小前角，可提高刀刃强度，但切屑流出不畅，一般在加工脆性材料，或加工硬度较高的材料及粗加工时往往减少前角，如使用硬质合金刀具加工不锈钢时，0=1525，加工高碳钢时0=-5。,（2）后角0的选择。增大后角，可以减少刀具后面与工件之间的摩擦，但过大的后角要降低刀刃强度，容易损坏刀具。

36、当加工塑性材料时，后角可以取大些，如采用高速钢车刀加工中、低碳钢或精加工时，0=618。当强力车削或粗加工时，适当减小后角，以提高刀刃强度，如硬质合金车刀粗车碳钢工件时，0=68，精车时0=812。,（3）主偏角r的选择。在切削深度和进给量不变的条件下，增大主偏角，使轴向切削力增大，径向切削力减小，有利于加工细长轴类零件，减小因径向力引起的工件弯曲变形，提高加工精度，使振动减小。但是，增大主偏角，会使参加切削工作的主切削刃长度缩短，刀刃单位长度上切削负荷加大，散热性能下降，刀具磨损加快。通常加工细长轴时，r=7593；加工硬材料时，r=1030；粗车、强力车削时，r=6070。,（4）刃倾角的

37、选择。增大刃倾角有利刀具承受冲击。刃倾角为正值时，切屑向待加工表面方向流出；为负值时，切屑向已加工表面方向流出。通常精车时，s=04；粗车时，s=-50，有冲击负荷或断续切削时,s=-15-5。,3）刀具材料刀具材料性能的优劣是影响表面加工质量、切削效率、刀具寿命的基本因素。正确选择刀具材料是设计和选择刀具的重要内容之一。刀具材料应具备高硬度、高耐磨性、高红硬性和足够的强度及韧性，除此之外，刀具材料还要有良好的工艺性及经济性。常用刀具材料分为工具钢、硬质合金、陶瓷及超硬材料四大类。,3.切削液切削液主要用来减少摩擦和降低切削温度。合理使用切削液，对提高刀具耐用度和保证表面加工质量有着重要意义。

38、切削液有以下作用：（1）冷却。切削液浇注在切削区域后，通过切削热的传导、对流和汽化，使切屑、刀具和工件上的热量散逸而起到冷却作用。冷却的目的主要是降低前刀面的温度，以提高刀具的耐用度。,（2）润滑。切削液在切削过程中渗透到刀具、切屑和工件之间形成润滑膜而达到润滑目的。（3）洗涤和排屑。浇注切削液可冲走切削过程中留下的细屑和磨粒（磨床加工时），从而起到冲洗作用，以防细屑刮伤工件表面和机床导轨表面。在深孔加工时，注入切削液可以起到排屑作用。（4）防锈。在切削液中加入防锈添加剂，如亚硫酸钠等，使金属产生保护膜，防止机床、工件受到水分、空气和酸介质的腐蚀，起到防腐作用。,4.工件材料的切削加工性工件材

39、料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。在相同的切削条件下，若一定切削速度下刀具的耐用度较长，则该材料的切削加工性好，反之较差。切削加工性对加工质量和生产率有很大影响，所以在保证零件使用要求的条件下，应尽可能选择切削加工性好的材料。,对材料进行适当的热处理是改善切削加工性的重要途径，例如，对低碳钢进行正火，可降低塑性，提高硬度，容易断屑，加工面易获得较小的粗糙度值；对高碳钢进行退火，可降低硬度，改善切削加工性；对铸铁件切削加工前退火，可降低表层硬度，有利于切削加工。此外，调整材料的化学成分也可改善切削加工性，例如，钢中添加适量的硫、铅等元素，形成易切削钢，可提高刀具耐用度，减小切削

40、力，易断屑，使加工质量和效率得以提高。,5.零件的加工质量1）加工精度加工精度是指零件加工以后，其尺寸、形状、相互位置等参数的实际数值和它的理想数值相符合的程度。为了保证零件顺利地进行装配并满足机器使用要求，就需要把零件的实际参数控制在一定的误差范围内。零件实际参数的最大允许变动量称为公差。加工精度用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。尺寸公差有20个公差等级，从IT01至IT18等级依次降低，公差数值依次增大。形状公差有直线度、平面度等六种。位置公差有平行度、垂直度、同轴度等八种。,2）表面质量表面质量常用表面粗糙度来衡量。生产中常用轮廓算术平均偏差Ra作为评定表面粗糙度的主要参数。,7.4

41、.2切削过程金属切削过程是指刀具从工件毛坯上切去多余金属形成切屑的过程。根据切削变形的特点和切削的外形，切削一般分为三种，如图7-15所示。在切削过程中存在着许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤和刀具磨损等，这些现象都是以切屑形成过程为基础的。研究这些现象的基本规律，对保证产品质量和提高生产率很有帮助。,图7-15切削的种类(a)崩碎切屑；(b)带状切削；(c)节状切屑,1.切削过程的实质和四个阶段在切削塑性材料的过程中，当刀尖接触工件时，工件切削层受到挤压，使工件材料产生弹性变形；随着刀具的继续切入，应力、应变逐渐增大，直到克服材料的屈服极限产生塑性变形；刀具的继续切入，剪应力继续增大到克

42、服材料的强度极限出现挤裂现象；最后，被挤裂的金属脱离工件，沿刀具的前面流出成为切屑。重复上述过程，直到将多余金属全部切除。由此可见，塑性材料切削过程的实质是一个挤压过程，重复着弹性变形、塑性变形、挤裂和切离四个阶段。由于脆性材料的塑性趋于零，所以它的切削过程只经历了弹性变形、挤裂和切离三个阶段。,2.切削过程中的物理现象1）切削力金属被切削时，刀具切入工件，被加工材料发生变形，最后成为切屑所需要的力称为切削力。实质上它是由克服被加工材料的弹性变形和塑性变形的力，以及刀具与工件和刀具与切屑之间的摩擦力共同构成实际的切削力。切削力是设计和使用机床、刀具、切削加工工艺装备等必要的依据，切削过程中出现

43、的物理现象大都是由切削力引起的。在实际加工中，为了满足设计和工艺分析的需要，往往不是直接研究刀具总切削力，而是研究它的分力，如图7-16所示，现以车削为例分析如下：,(1)切削力Fs。总切削力F在主运动方向上的正投影。这是在切削速度方向上的分力，其大小约占总切削力的9599，是三个分力中最大的、消耗功率最多的分力，它是机床动力、重要零件的强度和钢度的设计、校核、以及工艺装备设计的主要依据。（2）进给力Ff。总切削力F在进给运动方向上的正投影。这是在进给运动方向上的分力，消耗功率很小，只占总切削力的15，它是设计和验算机床进给机构必需的参数。,(3)背向力Fp。总切削力在垂直工作平面上的分力。由

44、于它是切削深度方向上的分力，在每次走刀时没有该方向的运动，所以不消耗功率。但是它作用在工件钢性较差的方向，容易使工件变形，同时引起振动，影响加工精度。所以，在加工钢性较差的工件(如细长轴)时，应该力求减小切削力。常用的方法有增大刀具前角，减小背向力Fp(常取r=90)，以及减小每次走刀的背吃刀量。上述三个互相垂直的切削分力是总切削力分解而来的:,图7-16切削力的分解,2）切削热在切削过程中，切削力使切屑变形、刀具与工件以及刀具与切屑之间的摩擦共同产生了大量的切削热，这些切削热实质上是由切削功转变来的。切削热产生后，大量的热(约为5086)由切屑带走，周围介质也带走微量切削热(约为1)，余下的

45、热传入工件(约为4010)和刀具(约为93)。切削热传入工件，将使工件变形，使工件产生形状和尺寸误差；切削热传入刀具，将加快刀具磨损。因此，切削热对切削加工非常有害，应尽量减少切削热的产生和改善散热条件。通常的办法如下：,（1）合理选用刀具角度，在刀具上开好排屑槽，使得排屑流畅，不能让切屑缠留在刀头上；（2）合理选用切削用量，特别是要根据刀具材料的耐热程度控制切削速度，这是因为切削速度对切削热的产生影响最大；（3）使用冷却液，将切削热带走。,3）积屑瘤在一定的温度和压力下切削塑性材料时，切屑沿刀具的前面流出的阻力很大，流速降低。当金属与前面的摩擦阻力超过切屑本身分子间的结合力时，切屑底层金属被

46、阻滞并粘附在刀尖上，长出一个“瘤”状的金属块，这就是积屑瘤，俗称“冷焊”。积屑瘤的硬度很高，一般为工件材料的23倍。实验表明：切削速度在5m/minvc60m/min，温度在300350，以及一定压力的情况下，最容易产生积屑瘤。,而当切削速度vc5m/min时，金属与刀具前面的摩擦力减弱、温度低，切屑本身分子的结合力大于切屑底层与前面的摩擦力，所以不会产生积屑瘤；当切削速度 vc 60m/min时，由于摩擦剧烈而温度高，切屑底层金属呈微熔状态，切屑流出时与前面的摩擦力小，所以也不会产生积屑瘤。积屑瘤对切削加工的影响有利有弊，它粘附在刀尖上，可以代替刀具切削，起着保护刀尖、减少刀具磨损的作用。同

47、时，它使刀具前角增大(如图7-17所示)，有利于切屑排出。,图7-17积屑瘤,但是，积屑瘤时生时灭，刀具工作前角不断变化，使吃刀量p也不断变化，导致切削很不稳定，影响加工精度和表面粗糙度。因此，选用中等切削速度，加大背吃刀量，故意形成积屑瘤进行粗加工；而精加工则应避免积屑瘤，常采用高速(vc100m/min)或低速(vc 5m/min）进行精加工。,3.切削用量的选择由于切削用量三要素受到机床功率、刀具耐用度和加工精度等的限制，所以不能同时都取最大值。为了在保证产品质量的前提下，使机床功率和刀具耐用度得到充分利用，切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。一般情况下，每个阶段切削时的背

48、吃刀量和表面粗糙度可以参考国家有关标准。,7.4.3常用加工方法简介1.车削加工车工是机械加工中的基本工种，它的技术性很强，主要用车床加工回转表面，所用刀具是车刀，还可用钻头、铰刀、丝锥、滚花刀等刀具。车床应用范围很广，种类很多。按用途和结构的不同，主要分为卧式车床、落地车床、立式车床和各种专门化车床等。此外，在大批量生产中还有各种各样的专用车床。车床主要用于各种回转表面的加工，其应用如图7-18所示。卧式车床加工尺寸公差等级可达IT8IT7，表面粗糙度Ra可达1.6m。,图7-18车床加工应用示例,1）车床类型车床种类很多，其中卧式车床是应用最广泛的一种，其组成如图7-19所示。由图可知车床

49、的组成部分有：（1）主轴箱：安装主轴和主轴变速机构。（2）变速箱：安装变速机构，增加主轴变速范围。（3）进给箱：安装作进给运动的变速机构。（4）溜板箱：安装作横向运动的传动元件及互锁、换向等机构，并与床鞍连为一体。（5）尾架：安装尾架套筒及顶尖。（6）床身：支承上述部件并保证其相对位置。,图7-19C6132卧式车床,图7-20C6132车床传动框架图,2）车削加工范围车削加工范围广泛，可以车削内圆面(含内圆切槽)、外圆面(含外圆切槽)、锥面、平面、切断成形面、内螺纹、外螺纹和滚花等。(1)内圆面。车内圆面的条件是，工件上必须预先已经有孔(可以是铸孔、锻孔或钻孔等)，所以车内圆面的实质是扩孔。

50、(2)外圆面。车外圆面是最常用的方法，常见的车外圆面的几种形式如图7-21所示。,图7-21车外圆面的几种形式,(3)平面。在车床上加工平面，只能是车端面(包括台阶端面)，因此，被车的平面只能是小平面，只有在立式车床上才能车较大的平面。常见的车平面的形式如图7-22所示。,图7-22车平面,(4)锥面。锥面用于配合，有导向和自动定心的作用。(5)成形面。在车床上车削的成形面仅限于回转体形的成形面，这种成形面的形成，是以一平面曲线为动线(成形面的轮廓线)，绕与其共面的直线(定线)旋转一周而形成。因此，将工件旋转，使刀具的纵向和横向的合成运动轨迹与动线形状相符，即可加工出成形面。,3）车削加工的工