1、第第3 3章材章材 料料 成成 形形本章重点本章重点1.掌握金属材料成形的常用方法。2.了解砂型铸造的特点、分类及工艺；特种铸造的种类、原理及液态成形技术的发展。3.了解金属塑性成形的原理、常用方法和影响成形的因素。4.了解材料连接成形的方法、原理及基本知识，主要介绍手工电弧焊原理、方法等。5.了解非金属材料常用的成形方法、成形原理及成形特点。3.13.1铸造成形铸造成形3.1.1铸造成形概述1)能够制造各种尺寸和形状复杂(尤其是具有复杂内腔)的铸件。2)铸件的形状和尺寸与零件很接近，因而节省了金属材料和加工的工时。3)各种金属及合金都可以用铸造方法制成铸件，对于一些塑性差不宜锻压或材料特性不
2、宜焊接的合金件(如青铜件等)，铸造是一种较好的加工方法。4)铸造所用的原材料来源方便，价格低廉，而且可以回收使用。1.砂型铸造概述(1)砂型铸造的工艺过程用型砂和型芯砂(简称芯砂)制造铸型的铸造方法称为砂型铸造，其工艺过程如图3-1所示。图3-1砂型铸造生产过程(2)造型材料用于制造砂型和型芯的材料，称为造型材料，主要包括型砂、芯砂和涂料等。(3)造型方法用型砂制造铸型的过程称为造型。2.手工造型方法(1)整模造型整模造型的模样是一个整体，造型时模样全部放在一个砂箱内，铸型型腔多在下砂箱，分型面一般是一个平面(见图3-2)。图3-2整模造型(2)分模造型分模造型的模样一般是沿最大截面分成两半并
3、用销钉定位，所以造型时模样分别在上、下砂箱内(见图3-3)。图3-3分模造型(3)挖砂造型和假箱造型如果铸件的外形轮廓为曲面或阶梯面，其最大的截面也为曲面，而模样不允许作成两半(模样太薄或制造分模困难)，也可以将模样做成整体。图3-4为手轮铸件的挖砂造型过程。图3-4挖砂造型图3-5假箱造型(4)活块造型制作模样时，将零件上妨碍起模的部分(如小凸台、肋条等)做成活动的，称为活块。如图3-6假箱造型或胎模造型，如图3-5所示。图3-6活块造型(5)三箱造型当铸件外形具有两端截面大而中间截面小的特征时，用一个分型面取不出模样，需要从小截面处分模样，并用两个分型面，三个砂箱进行造型，这种方法称为三箱
4、造型。图3-7为三箱造型的铸型装配图。图3-7三箱造型(6)刮板造型造型时用一个与铸件截面形状相应的木板(称为刮板)代替模样，来刮出所需铸型的型腔，这种方法称为刮板造型。图3-8为圆盖铸件的刮板造型过程。图3-8刮板造型图3-9震实式造型机工作原理图3.机器造型 常用的紧砂方法如下：1)震实式造型机工作原理 如图3-9所示。2)抛砂紧实法是利用抛砂机机头中高速旋转的叶片，将传送带运来的型砂初步紧实，并呈团状高速抛入砂箱中，使型砂紧实。3)射砂紧实法是利用空气将型(芯)砂高速射入砂箱(或芯盒)而进行紧实。4.金属的熔炼和浇注(1)金属的熔炼铸件的质量不仅与造型材料和工艺有关，而且与铸造合金以及熔
5、炼过程密切相关，铸铁是比较常用的铸造合金。(2)金属的浇注浇注是将液态金属浇入铸型的过程。1)浇注温度。2)浇注速度。5.落砂、清理(1)落砂将铸件从砂型中取出来的操作过程，称为落砂(出砂)。(2)清理落砂后的铸件必须经过清理工序。6.铸件质量和检验(1)铸件的质量铸件的质量是指铸件的形状、尺寸、成分、性能等对使用要求的符合程度。表3-1铸件常见缺陷的产生原因及防止措施特征产生原因防止措施在铸件内部或表面上有大小不等的孔眼，孔的内壁滑，多呈圆形砂型紧实度过大或透气性差；型砂含水量过多或拔模、修型时刷水太多；型芯通气孔堵塞或型芯未烘干；金属中溶解的气体太多；浇注系统不正确，气体排不出去；铸件结构
6、不合理，不利于排气等提高铸型型芯的透气性，正确进行浇注在铸件厚断面处，孔的内壁粗糙，呈倒锥形，分散得细小浇注系统或冒口设置不正确；铸件的结构设计不合理；合金成分不合格，收缩量过大；浇注温度过高等合理设计浇冒口系统；合理设计铸件结构；调整合金成分铸件的内部或表面上有充满型砂的孔眼型砂或芯砂强度低；型腔内散砂未吹尽；铸型被破坏；铸件结构不合理提高型砂强度；合理设计铸件结构；增强砂型紧实度表3-1铸件常见缺陷的产生原因及防止措施孔眼内充满熔渣，孔形不规则金属液除渣不尽；浇注时挡渣不良等正确设计浇注系统；连续浇注，避免熔渣进入型腔裂缝短，缝隙宽，形状曲折而不规则，缝内呈氧化颜色铸件结构设计不合理；合金
7、成分不当，收缩大；铸铁中含硫量过高；砂型(砂芯)退让性差；浇注系统开设不当；浇注温度过高，浇注速度太慢合理设计铸件结构；增加型砂和芯砂的退让性常出现在受拉应力处，裂纹细小较平直，无分叉且缝内干净铸造内应力过大；铸铁中含磷量过高；铸件设计不合理等铸件表面上粘着一层难以除掉的砂粒型砂耐火性不好，砂粒太大；未刷涂料或刷得太薄；浇注温度太高；砂型紧实度不够等选用合理的型砂表3-1铸件常见缺陷的产生原因及防止措施在铸件表面上有一层突出的金属片状物型砂局部湿度太高，粘土过多；浇注温度过高；浇注速度太慢；液体金属流动方向不合理；铸件结构不合理；型砂局部烘烤严重等浇注时避免设置大的平面铸件有未完全融合的缝隙，
8、在缝隙的两边呈圆滑状浇注温度过低；浇注速度太慢或浇注时发生中断；浇口太小或位置不当等提高浇注温度和速度，合理设计壁厚，保证足够的金属液铸件薄壁处残缺或轮廓不完整浇注温度太低；浇注速度太慢或浇注时断流；浇入的液态金属量不够或压力太小；浇口太小或未开出气口；铸件结构不合理铸件沿分型面产生错移上、下型未对准或造型时上、下模样未对准尽量采用整模造型表3-1铸件常见缺陷的产生原因及防止措施型芯变形发生位移型芯变形或发生位移；型芯强度不足或位置安放不对；浇口位置不合格；型芯安置不牢，金属液冲击型芯尽量采用整模造型铸件尺寸与图样不符铸件冷却或热处理速度不一致；铸件收缩不均匀；铸型形状发生变化合理设计铸件结构
9、和浇注系统；增加型砂和芯砂的退让性(2)铸件的检验从表3-1铸件缺陷分析可知，影响铸件质量的因素贯穿整个铸造过程，因此在整个铸造过程中，都必须进行质量检验。铸件质量检验的内容包括外观质量、内在质量和使用质量三个部分，见表3-2。表3-2铸件质量检验内容及检验方法检验内容定义主要内容检验方法铸件外观质量检验铸件表面状况达到用户要求的程度表面粗糙度；表面缺陷；尺寸公差；形状和重量偏差等荧光检验；着色检验；煤油浸润检验；磁粉检验等铸件内在质量检验铸件内部情况达到用户要求的程度化学成分；力学性能；金相组织；内在缺陷等化学成分；金相检验；无损探伤；材料试验等铸件使用质量检验铸件能满足使用要求的性能铸件的
10、加工性能、焊接性能等实际加工中检验3.1.23.1.2合金的铸造性能合金的铸造性能1.流动性(1)合金的化学成分化学成分是影响合金流动性的本质因素。(2)浇注工艺条件浇注温度较高，能使液态金属的粘度下降，而且过热度大，传给铸件的热量增多，金属的冷却速度降低，合金的流动性提高。2.收缩性(1)合金的化学成分化学成分是影响收缩性的根本原因。几种常见合金的收缩率见表3-3表3-3几种常见合金的收缩率合金种类灰铸铁球墨铸铁铝合金铜合金线收缩率0913202409151423体收缩率体收缩率约等于线收缩率的3倍(2)浇注温度浇注温度对收缩的影响也比较大。(3)铸件结构铸件在冷却和凝固过程时收缩要受到阻力
11、，阻力的大小与铸件结构和铸型条件有关。3.1.33.1.3铸造工艺设计铸造工艺设计1.铸件工艺图和铸件图图3-10零件图、铸件图和铸件图3-11支承台2.浇注位置的选择(1)重要加工面或主要工作面应朝下或在侧壁这是因为在浇注时气体、熔渣、砂粒等杂质会上浮，使铸件上部出现气孔、砂眼、夹渣和组织疏松等缺陷，质量较差；而下部质量较好，组织致密均匀。如图3-12图3-11是省略浇注系统的支承台零件图、铸件图和铸造工艺图。(2)厚壁面朝上对于质量要求高，壁厚不均匀，容易形成缩孔、缩松的铸件，应将铸件的厚实部分放在分型面的上部或侧面，可使金属液按自下至上的顺序凝固，从而在最后凝固部分采用冒口补缩，以防缩孔
12、等缺陷产生。如图3-13所示。图3 12床身的浇注位置图3 13轴承座的浇注位置(3)薄壁面朝下在浇注具有大面积的薄壁件时，应将薄壁部分朝下或置于侧面，以保证金属充满型腔。如图3-14所示。(4)大平面朝下在浇注过程中，高温的金属液长时间地对大平面进行烘烤，使铸件表面容易产生夹砂、砂眼、气孔等缺陷，故铸件的大平面应尽量朝下。如图3-15所示。图3 14薄壁件的浇注位置图3 15划线平台的浇注位置3.分型面的选择1)尽量使铸件的全部或主要部分位于同一砂箱中，以保证铸件上各表面之间的位置精度。如图3-16所示。2)尽量减少分型面的数量，选用铸件的最大截面为分型面，同时使铸型位于下型中，有利于简化操
13、作过程，提高铸件精度。如图3-17所示。图3 16铸件分型面的确定原则(一)a)不合理b)合理图3 17铸件分型面的确定原则(二)a)不合理b)合理3)尽量使分型面为一平面，以便简化操作过程，提高铸件精度。如图3-18所示。4)铸件的分型面尽量和浇注位置一致。如图3-19所示的电动机端盖铸件，保证分型面和浇注位置一致，可以简化造型工艺，提高劳动效率。图3 18铸件分型面的确定原则(三)图3 19铸件分型面的确定原则(四)5)选择分型面应考虑下芯、检验和合型的方便。如图3-20所示铸件方案，方案II比方案I下芯方便，较为合理。图3-20铸件分型面的确定原则(五)4.工艺参数的确定(1)加工余量和
14、尺寸公差加工余量是为了保证铸件加工面尺寸和零件精度，在进行铸件设计工艺时预先增加的，在机械加工时切除的金属层厚度。1)铸件加工余量的确定。加工余量的选择可依据表3-4。表3-4铸件的机械加工余量(摘自GB/T 113502003)(单位：mm)尺寸公差等级1112131415加工余量等级EFGHFGHJFGHJHJHJ基本尺寸加工余量数值表3-4铸件的机械加工余量(摘自GB/T 113502003)(单位：mm)10030203525403045354025453050356040553560406545755575508560905510651001603525403045355545503
15、55540655075606540704580559065906010701170128016025045355035604570556040705080609575755085609570118511751390138515102504005035604570558570705080609575119085559565118013101390151115101712表3-4铸件的机械加工余量(摘自GB/T 113502003)(单位：mm)尺寸公差等级1112131415加工余量等级EFGHFGHJFGHJHJHJ基本尺寸加工余量数值表3-4铸件的机械加工余量(摘自GB/T 11350200
16、3)(单位：mm)4006305540655075609580805590651185141110651175139516121511181317122014630100065457555907011909065118013101613127513901511181417122015201423172)铸件尺寸公差的确定。(2)起模斜度为便于将模样从铸型中取出或型芯从芯盒中脱出，模样(芯盒)上与起模方向平行的表面都增加一定的斜度，称为起模斜度，如图3-21所示。起模斜度一般有三种，如图3-22所示。图3-21铸件的起模斜度(3)铸造圆角在设计铸件和制造模样时，壁的连接和转角处要做成圆弧过渡，称
17、为铸造圆角。图3-22起模斜度的取法(4)铸件收缩率铸造时需加大模样尺寸，来补偿铸件在冷却过程中的收缩。3.1.43.1.4铸件的结构工艺性铸件的结构工艺性1.铸件质量对铸件结构的要求(1)铸件壁厚要合理金属液浇注过程中，由于金属流动性的影响，铸件壁不能太薄，否则容易产生浇不足、冷隔等缺陷。表3-5铸件的最小允许壁厚(单位：mm)铸件最大轮廓尺寸铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金20068563425453536200500101261048455668500182515208105868(2)铸件壁厚要均匀铸件壁厚相差过大，不仅会使铸件各部分冷却速度不均匀，铸造内应力增大，而且容易在较厚
18、处产生缩孔、缩松等缺陷。图3-23铸件的壁厚(3)铸件壁间连接应逐步过渡铸件连接处容易产生铸造缺陷，铸件壁间连接应平缓、圆滑，避免产生应力集中和金属积聚。具体要求如下：1)转角处应有结构圆角。如图3-24所示。2)厚薄壁间的连接应逐步过渡。如图3-25。3)铸件壁间应避免交叉连接和锐角连接。如图3-26所示。图3-24铸件的结构圆角图3 25薄壁与厚壁的连接a)圆角过渡b)倾斜过渡c)复合过渡图3 26铸件的壁间结构a)合理b)不合理4)铸件应避免有过大的水平面。如图3-27图3-27铸件的壁间结构5)铸件的结构应有利于自由收缩。如图3-28图3-28轮辐的设计2.铸件工艺对铸件结构的要求(1
19、)铸件外形结构简单铸件外形尽量采用平直轮廓，减少非圆曲面，有利于制模、造型和简化铸造生产的工序。如图3-29(2)尽量减少分型面数量铸件分型面的数量应尽量少，以便减少砂箱数量和造型工时，简化造型工艺，提高铸件尺寸精度。如图3-30图3 29铸件的壁间结构a)不合理b)合理图3 30铸件结构与分型面a)改进前b)改进后(3)尽量使分型面为同一平面图3-31a所示铸件的分型面不是同一平面，需采用挖砂造型。图3-31分型面应为同一平面(4)应有结构斜度铸件的结构斜度是指铸件上垂直于分型面的非加工面，为便于起模而设计的倾斜度。图3-32铸件的结构斜度图3-33铸件的壁间结构(6)尽量少用或不用型芯少用
20、或不用型芯可以简化铸造工艺，降低成本，尤其是简化铸件内腔结构，防止铸造缺陷的产生。(5)尽量减少活块的使用铸件在平行于起模方向的壁上有阻碍起模的凸台时，需要采用活块造型。图3-34悬臂支架3.1.53.1.5特种铸造简介特种铸造简介1.金属型铸造 是指在重力作用下将熔融的金属浇注入金属型获得铸件的铸造方法。根据分型面位置的不同，金属型可分为：垂直分型式、水平分型式和复合分型式等。如图3-35所示。图3-35垂直分型式金属型2.压力铸造图3-36压力铸造工艺过程3.熔模铸造图3-37熔模铸造工艺过程4.离心铸造图3-38离心铸造工艺过程3.1.63.1.6铸造技术发展简介铸造技术发展简介1.铸造
21、新工艺(1)消失模铸造(实型铸造)消失模铸造是用泡沫塑料造型后不取出模样，浇注金属时模样气化消失获得铸件的铸造方法。(2)陶瓷型铸造陶瓷型铸造是在砂型铸造和熔模铸造的基础上发展起来的一种新工艺。(3)磁型铸造磁型铸造是将装有气化模和铁丸的砂箱置于磁场中，铁丸在磁场作用下相互结合在气化模外形成铸造，当金属液浇入磁型时，高温金属将气化模逐渐烧失，而占据型腔，待冷却凝固后撤出磁场，则磁型自然散落，从而获得铸件的方法。2.造型新技术的发展(1)气体冲压造型气体冲压造型是近年来发展飞速的造型方法，主要包括空气冲击造型和燃气冲击造型两类。(2)静压造型静压造型主要工艺过程是：将填满型砂的砂箱放在装有通气塞
22、的模板上，然后充入压缩空气，使其穿过通气塞排出，同时型砂被压实在模板上。(3)真空密封造型(V法造型)真空密封造型近年来在艺术铸件、大型标牌、浴缸的生产等领域得到了极大的发展，它是一种全新的物理造型方法。3.快速成形技术(RPT)(1)激光立体光刻成形技术(SLA)采用SLA成形方法生产金属零件的最佳技术路线是：SLA原型(零件型)熔模铸造、消失模铸造铸件，主要用于生产中等复杂程度的中小型铸件。(2)激光粉末选区烧结成形技术(SLS)最佳技术路线是：SLS原型(陶瓷型)铸件，SLS原型(零件型)熔模铸造、消失模铸造铸件，主要用于中小型复杂铸件的生产。(3)熔丝沉积成形技术(FDM)最佳技术路线
23、是：FDM原型(零件型)熔模铸件，用FDM直接生产低熔点金属零件，主要用于生产中等复杂程度的中小型零件。4.计算机在铸造生产中的应用(1)铸造生产中的计算机辅助设计(CAD)铸件设计中计算机的应用，可大幅度地缩短设计和试制的时间。(2)数值模拟技术(CAE)铸造过程计算机数值模拟技术的应用，可在计算机屏幕上直观地显示铸造过程中金属的充型、铸件的冷却凝固过程、模拟结晶过程、晶粒的大小和形状、铸造缺陷的形成过程等。(3)计算机辅助铸造工艺(CAM)1)计算机在模样加工中的应用。2)计算机在砂处理中的应用。3)计算机在熔炼中的应用。5.铸造业的集约化与清洁生产(1)铸造集约化所谓铸造集约化是通过提高
24、投入的人才、科技、资材的数量尤其是质量，科学地经营和管理以获得最大的产品和社会经济效益。(2)铸造清洁生产世界环境与发展21世纪议程强调人类社会的可持续发展，提出清洁生产概念。1)降低能耗。2)减少污染。3.23.2金属的塑性变形金属的塑性变形3.2.1金属塑性成形概述(1)改善金属内部组织，提高力学性能材料经压力加工后，可使金属毛坯的晶粒变得细小，并可使铸造组织的内部缺陷(如微裂纹、气孔等)压合，从而提高了金属的力学性能。(2)具有较高的生产率除自由锻造外，其他几种压力加工方法都具有较高的生产率，尤其是齿轮轧制、滚珠轧制等比机械加工的生产率高出几倍甚至几十倍以上。(3)节省材料当采用压力加工
25、新工艺时，可以减少金属的加工损耗，如一些精密锻压件的尺寸精度和表面粗糙度已能接近成品零件，只需少量或无需切削加工即可用作成品零件。(4)适应性强塑性成形加工的零件在重量上小到几克，大到几十吨；在形状上可简单、可复杂，甚至能获得某些特殊形状和尺寸的零件；在生产批量上可单件生产，可成批大量生产。(5)塑性成形对材料的适应性差压力加工是在固态下成形，与铸造相比而言，金属的流动性受到限制，有些加工(如锻造)都需要采取加热等工艺措施才能实现。3.2.23.2.2金属塑性成形工艺的种类金属塑性成形工艺的种类1.锻造2.冲压3.轧制、拉丝、挤压3.2.33.2.3金属的塑性变形金属的塑性变形1.金属塑性变形
26、的实质(1)单晶体金属的塑性变形单晶体金属的晶体在外力作用下产生拉伸或压缩，由于切应力的作用与不断增大，晶格的原子产生弹性偏移、塑性滑移后不再恢复到原状，而产生永久性变形(塑性变形)。图3-39单晶体的变形过程(2)多晶体金属的塑性变形工业用金属一般都是多晶体，多晶体由许多单个晶粒组成，在塑性变形中与单晶体没有本质区别，其塑性变形过程可以看作是许多单晶体塑性变形的总和。2.金属塑性变形过程中的组织与性能(1)冷变形过程中金属的组织与性能金属在常温下塑性变形时，由于晶粒形状的改变，在晶粒内部或晶粒之间形成大量的碎晶粒，产生较大的变形阻力，金属材料的强度和硬度提高，但材料的塑性严重下降，这种现象称
27、为冷变形强化。(2)热变形过程中金属的组织与性能金属的热变形实际上是金属的再结晶过程。(1)化学成分金属材料的化学成分不同，锻造性能就不同。(2)组织结构金属的组织结构不同，锻造性能也不同。图3-40变形速度对锻造性能的影响3.2.43.2.4金属的锻造性能及其影响因素金属的锻造性能及其影响因素1.金属的锻造性能(3)变形温度金属的变形温度对锻造性能有较大的影响。(4)变形速度变形速度高于某一临界值时，金属的回复和再结晶来不及克服冷变形强化，塑性继续下降，变形抗力增加，金属的锻造性能变差。如图3-403.2.53.2.5锻造锻造1.1.坯料的加热坯料的加热(1)加热的目的与要求加热的目的是为了
28、提高坯料的塑性和降低它的变形抗力。(2)氧化和脱碳在高温炉膛内，金属的表面层与炉气中的氧化性气体(O2、CO2、H2O、SO2)进行化学反应后，形成氧化皮而造成金属烧损的现象叫做氧化。(3)过热和过烧当金属加热温度过高或在始锻温度下保温时间过长时，会使晶粒迅速长大，成为粗大晶粒，这种现象称为过热。(4)裂纹钢在加热过程中，同时存在着热应力和组织应力。2.2.加热规范加热规范(1)始锻温度材料在锻造时所允许的最高加热温度,称为该材料的始锻温度。表3-6常用钢的锻造温度范围材 料 种 类始锻温度/终锻温度/低碳钢12001250700中碳钢11501200800高碳钢11001150800合金结构
29、钢11501200800850合金工具钢10501150850高速工具钢11001150900(2)终锻温度材料停止锻造的温度，称为该材料的终锻温度。3.3.锻件的冷却锻件的冷却(1)空冷在无风的空气中，放在干燥的地面上冷却。(2)坑冷在充填有石棉灰、砂子或炉灰等绝热材料的坑中冷却。(3)风冷在专用的冷却设备中进行冷却。4.4.自由锻造自由锻造(1)自由锻设备1)空气锤。图3-41空气锤2)蒸汽-空气锤(蒸汽锤)。图3-42双柱式蒸汽-空气锤3)水压机。(2)自由锻工序自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。1)镦粗。图3-43镦粗2)拔长。图3-44拔长3)冲孔。图3-45冲孔4)其他工
30、序。其他锻造工序名称等见表3-7表3-7其他锻造工序简介名称定义图例应用弯曲采用一定的工模具将毛坯弯成规定外形的锻造工序常用来锻造角尺、弯板、吊钩等轴、线弯曲件切割将坯料分成两部分的锻造工序常用来切除锻件的料头、钢锭的冒口锻接将坯料在炉内加热至高温后用锤快击，使其在固相状态结合的方法常用于不同金属之间的连接错移将坯料的两部分相对平移错开，但保持轴线平行的锻造工序常用于锻造曲轴类锻件表3-8锻件图的组成部分组成部分含义作用影 响 因 素机械加工余量锻件上供机械加工的金属部分使零件具有一定的加工尺寸和表面粗糙度余量的大小决定于零件的形状、尺寸等锻件公差锻件实际尺寸与基本尺寸之间的误差保证零件的加工
31、精度锻件形状、尺寸并考虑生产的具体情况余块在锻件难以锻出的部分增加部分金属简化锻件的形状锻件形状的复杂程度(3)自由锻工艺规程的编制及举例1)绘制锻件图。具体内容见表3-8图3-46锻件图锻件图中，锻件外形用粗实线绘制，锻件的基本尺寸和公差注在尺寸线上方，在锻件图上用双点画线画出零件的轮廓，见图3-462)计算坯料质量与尺寸。3)选择锻造工序。4)自由锻工艺规程示例。表3-9自由锻锻件分类及工序方案序号类别锻造工序方案图例实例1圆截面轴类1拔长2镦粗 拔长3局部镦粗 拔长传动轴、齿轮轴等2方截面杆类1拔长2镦粗 拔长3局部镦粗 拔长立柱、连杆、摇杆等表3-9自由锻锻件分类及工序方案3空心类1镦
32、粗 冲孔2镦粗 冲孔 扩孔3镦粗 冲孔 芯轴拔长齿圈、法兰、圆环、空心轴等4饼块类镦粗或局部镦粗齿轮、圆盘叶轮、模块轴头等5弯曲轴先进行轴、连杆工序，然后再弯曲轴瓦、吊钩、弯杆类6曲轴类1拔长 错移（单拐曲轴）2拔长 错移 扭转（多拐曲轴）偏心轴和各种曲轴序号类别锻造工序方案图例实例表3-10齿轮坯锻造工艺卡锻件名称齿轮坯锻件图锻件材料45钢坯料质量195kg锻件质量185kg坯料尺寸?120mm221mm每坯锻件数1火次温度/操作说明变形过程简图设备工具下料加热反射炉11200800镦粗7500N自由锻锤普通漏盘21200800局部镦粗31200800冲扩孔7500N自由锻锤冲头410008
33、00修整7500N自由锻锤(4)自由锻零件的结构工艺性自由锻零件的结构工艺性是指锻件在满足使用要求的前提下，锻造成形的难易程度。表3-11自由锻零件的结构工艺性序号结 构 要 求图例不合理合 理1结构设计应尽量简单，避免斜面结构2避免加强筋和凸台3避免截面尺寸相差太大4避免曲面交接5避免椭圆、工字形和其他非规则截面和外形5.模锻(1)锤上模锻锤上模锻的主要设备有蒸汽-空气模锻锤、无砧座锤、高速锤等。图3-47锻模结构(2)锻模结构锤上模锻用的锻模(见图3-47)是由带燕尾的上模2和下模4组成的。1)按照锻件的复杂程度以及具体生产条件不同，锻模又可分为：单膛锻模和多膛锻模。图3-48多模膛锻模2
34、)根据模膛的用途不同主要分为：制坯模膛和模锻模膛。(3)模锻件图模锻件图是零件图为根据并考虑模锻工艺的特点绘制成的。1)分模面的确定。表3-12模膛的种类、结构及作用种类制 坯 模 膛定义用以改变坯料横截面积和形状，使其接近锻件的横截面积和形状的模膛内容拔长模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛图例特点和应用锻制形状较为复杂的锻件，先将原始坯料先进行制坯，使坯料形状与尺寸接近锻件后，再进行预锻和终锻种类内容作用特点模锻模膛预锻模膛用来得到与锻件近似的毛坯，以改善锻时金属的流动条件，以便于成形，还可以提高终锻模膛的使用寿命模锻斜度大，圆角半径大，没有飞边槽终锻模膛坯料在终锻模膛中变形后获得锻件所要求的形状
35、和尺寸有飞边槽，保证金属充满模膛，有飞边，需采用切边模切除图3-49分模面的选择原则图3-50带有冲孔连皮及2)余量、公差和敷料的确定。图3-51模锻斜度3)模锻斜度。4)圆角半径。图3-52圆角半径图3-53齿轮坯模锻件图(4)模锻件的结构工艺性1)模锻件必须有一个合理的分模面、模锻斜度和圆角，保证模锻件易于从锻模中取出。2)为了使金属易于充满模膛和减少工序，零件的外形应力求简单、平直、对称，并尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋等结构。图3-54模锻件形状3)有些零件的模锻方法制坯比较困难，应考虑采用锻焊结构(见图3-55)，以减少敷料，简化模锻工艺。图3-55锻焊结构模锻件4)由
36、于模锻件尺寸精度和表面粗糙度都比自由锻件高，所以有些零件上只有与其他零件配合的表面需要进行切削加工，应留出切削加工余量，其他表面均可视为非加工表面。5)在零件结构允许的条件下，应尽量避免有深孔或多孔结构。6.胎模锻造7.锻件质量分析表3-13胎模锻常用的胎模结构和应用胎 模 名 称图例应用扣模常用来生产长杆、非回转体锻件的全部或局部扣形，也可用于为合模制坯套模开式套模主要应用于回转体锻件（如法兰盘、齿轮等）的最终成形或制坯；当用于最终成形时，锻件的端面必须是平面闭式套模主要应用于端面有凸台或凹坑的回转体类锻件的制坯和最终成形，有时也用于非回转体类锻件合模适用于各类锻件的终锻成形，尤其是非回转体
37、类复杂形状的锻件（如连杆、叉形等锻件）表3-14锻件常见缺陷的种类和预防措施加热时产生的缺陷氧化金属加热时，表面发生剧烈的氧化形成一层氧化皮的现象影响锻件表面质量；降低模锻使用寿命；增加原材料成本控制加热温度；缩短加热时间脱碳金属在加热时，表层碳含量降低的现象降低锻件的强度和耐磨性，使锻件产生龟裂加热前坯料表面涂保护层；快速加热和及时出炉；加热好的坯料过热金属由于加热温度过高或高温下保温时过长引起晶粒粗大的现象降低锻件塑性及力学性能控制加热温度，缩短加热时间，控制保温时间过烧加热温度超过始锻温度过多，使晶粒边界出现氧化或熔化的现象坯料报废控制加热温度，避免火焰直接接触坯料分类缺陷定义危害预 防
38、 措 施表3-14锻件常见缺陷的种类和预防措施自由锻常见缺陷折叠锻件表面已氧化的表层金属贴合被压入工件而造成的缺陷降低锻件精度，容易形成裂纹，甚至使锻件报废提高操作者技能水平，严格按操作规则操作裂纹在应力作用下产生的不规则裂缝增加维修工序，甚至使锻件报废控制锻造温度和锤击力模锻、胎模锻常见缺陷错差模锻件沿分模面的上下位移现象缺肉锻件实际尺寸局部小于锻件的相应尺寸分类缺陷定义危害预 防 措 施需重新锻造，甚至使锻件报废严格控制坯料下料尺寸，合理选用锻锤，调整坯料在模膛的位置3.2.63.2.6冲压冲压1.冲压成形概述2.冲压材料(1)冲压工艺对材料的基本要求冲压工艺对材料的基本要求主要是：1)具
39、有良好的冲压成形性能。2)材料厚度公差应符合国家标准。3)具有较高的表面质量。(2)常用冲压材料及表示方法常用冲压材料及表示方法见表3-15。表3-15常用冲压材料及表示方法主 要 内 容冲压材料表示方法例：08钢，尺寸10mm1000mm1500mm，普通精度，较高级的精整表面，深拉深级别的冷轧钢板表示为 2.对优质碳素结构钢薄钢板，按国家标准GB/T 7101991规定，钢板的表面质量可分为(特别高级的精整表面)、(高级的精整表面)、(较高的精整表面)、(普通的精整表面)级；每组按拉深级别又可分为Z(最深拉深)、S(深拉深)、P(普通拉深)级。3.冲压设备(1)冲压设备的型号表示方法机械压
40、力机属于锻压机械类。(2)冲床冲床是冲压加工的基本设备，种类较多，主要有单柱冲床、双柱冲床和双动冲床等。图3-56双柱开式冲床(3)剪床剪床主要用于将板料切成需要宽度的条料，以供冲压工序使用。图3-57剪床表3-16各种冲压设备的名称、工作原理和特点类型设备名称工 作 原 理特点常见冲压设备名称、工作原理和特点如下表机械压力机摩擦压力机利用摩擦盘与飞轮之间相互接触并传递动力，借助螺杆与螺母相对运动原理而工作。当超负荷时，飞轮与摩擦盘之间发生滑动，而不致损坏机件结构简单，但飞轮轮缘磨损大，生产率低。适用于中小型件的冲压加工、校正、压印和成形等冲压工序曲柄压力机利用曲柄连杆机构进行工作，电动机通过
41、带轮及齿轮带动曲轴传动，经连杆使滑块作直线往复运动生产率高，适用于各类冲压加工双动拉深压力机曲轴旋转时，首先通过凸轮带动外滑块使压边圈将毛坯压在凹模上，随后由内滑块带动凸模对毛坯进行拉深。在拉深过程中，外滑块保持不动刚性压边，压边力不随行程变化，拉深效果较好，且模具结构简单。一般用于拉深成形高速冲床工作原理与曲柄压力机相同，但其刚度、精度、行程次数比较高，一般带有自动送料装置、安全检测装置等辅助装置生产率很高，适用于大批量生产，模具一般采用多工位级进模液压机油压机水压机利用帕斯卡原理，以水或油为工作介质，采用静压力传递进行工作，使滑块上、下往复运动压力大，但生产率低。适用于拉深、挤压等成形工序
42、表3-17冲压基本工序的种类、图例、特点及应用工序名称简图特点及应用范围4.冲压基本工序 具体内容见表3-17分离工序落料用冲模沿封闭轮廓曲线冲切，封闭线内是制件，封闭线外是废料。用于制造各种形状的平板零件冲孔用冲模沿封闭轮廓曲线冲切，封闭线内是废料，封闭线外是制件。用于在零件上去除废料切断用剪刀或冲模沿不封闭曲线切断，多用于加工形状简单的平板零件切舌将材料沿敞开轮廓局部而不是完全分离的一种冲压工序。被局部分离的材料，具有工件所要求的一定位置，不再位于分离前所处的平面上成形工序弯曲把板材沿直线弯成各种形状，可以加工形状较复杂的零件表3-17冲压基本工序的种类、图例、特点及应用成形工序拉深把板材
43、毛坯加工成各种开口空心的零件变薄拉深把拉深加工后的空心半成品进一步加工成为底部厚度大于侧壁厚度的制件扩口缩口在空心毛坯或管状毛坯的某个部位上使其径向尺寸扩大或缩小的变形方法胀形起伏将空心毛坯加工成各种凸肚曲面形状的制件；在板材毛坯或零件的表面上用局部成形的方法制成各种形状的凸起与凹陷翻孔在板材或半成品上冲制成具有一定高度开口的直壁孔部翻边在板材或半成品的边缘按曲线或圆孤开成竖立的边缘工序名称简图特点及应用范围5.冲模典型结构(1)简单模简单模是指在压力机的一次行程中只能完成一个冲压工序的冲模。图3-58简单落料模(2)复合模复合冲裁模是多工序模，压力机滑块每往复一次，便可使板料在模具同一位置上
44、完成两个或两个以上的冲裁工序。图3-59倒装复合模(3)级进模级进模是指压力机在一次行程中，依次在模具的不同位置上同时完成多道冲裁工序的模具。图3-60侧刃定距的级进冲裁模6.冲压件的结构工艺性1)形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用。2)内形及外形的转角处要尽量避免尖角，应以圆弧过渡，既有利于模具加工，又可减少热处理开裂，减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。图3-61冲压件的结构工艺性3)尽量避免冲裁件上过长的凸出悬臂和凹槽，悬臂和凹槽宽度也不宜过小。4)为避免制件变形和保证模具强度，孔边距和孔间距不能过小。5)在弯曲件或拉深件上冲孔时，孔边与直壁之间应保持一定距离，避免凸模受水平推力而
45、折断。6)冲孔时，因受凸模强度的限制，孔的尺寸不应太小，否则凸模易折断或压弯。3.33.3金属材料的连接成形金属材料的连接成形3.3.13.3.1焊接成形概述焊接成形概述1.焊接的分类图3-62焊接的分类(1)熔焊熔焊是指在焊接过程中，将待焊接头材料通过局部加热至熔化状态，来形成焊缝的方法。(2)压焊压焊是指在焊接过程中，在焊件接头处通过施加压力(加热或不加热均可)完成焊接的方法。(3)钎焊采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散以实现连接焊件的方法叫做钎焊。2.焊接的特点1)能减轻结构重量，节省
46、大量金属材料。2)便于以小拼大，化大为小，降低生产成本。3)可以制造双金属结构。4)生产率高，劳动强度低，噪声小。5)焊件易产生应力和变形，焊接接头易产生缺陷。1.焊接接头分类(1)对接接头两焊件表面构成夹角在135180的接头，即两焊件相对端面焊接而成的接头，称为对接接头，如图3-63所示，它是各种焊接结构中采用最多的一种接头形式。图3-63对接接头及坡口形式图3-64T形接头及坡口形式图3-65十字接头(2)T形接头一个焊件的端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头称为T形接头，如图3-64所示。(3)十字接头三个焊件装配成“十字”形的接头称为十字接头。(4)搭接接头两焊件部分重叠构成的
47、接头称为搭接接头，如图3-66所示。图3-66搭接接头(5)角接接头两板件端面构成30135夹角的接头称为角接接头，如图3-67所示。图3-67角接接头2.焊接接头的组织和性能图3-68低碳钢焊接接头组织变化示意图(1)焊缝的组织和性能焊缝是指焊接件经焊接后形成的结合部分。(2)热影响区的组织和性能焊接过程中由于到焊缝中心的距离不等，因此焊缝及附近区域的温度分布不均匀。1)过热区。2)正火区。3)部分相变区。(3)熔合区的组织和性能熔合区是指焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。3.3.33.3.3焊接应力和变形焊接应力和变形1.焊接应力和变形产生的原因2.减少焊接应力和变形的措施(1)合理设计
48、焊件结构尽量减少焊缝数量，避免焊缝密集和交叉。(2)焊前预热，焊后缓冷焊前预热和焊后缓冷可以减少焊件各部分的温差，降低冷却速度，从而减少焊接应力和变形。(3)合理选择焊接顺序合理安排焊接顺序应尽量保证焊缝的自由收缩，从而减少焊接应力和变形。(4)每次焊后锤击焊缝每焊完一道焊缝后，趁热用小锤轻轻敲击焊缝，以降低内应力。(5)采用刚性固定法焊接采用刚性专用夹具将焊件固定或将焊件临时定位焊在工作台，能有效防止焊接变形的产生。(6)采用反变形法焊前，朝可能变形的相反方向装配焊件，以抵消焊接变形。(7)重要焊件在焊接后进行热处理生产中常采用去应力退火的方法来消除部分残留应力。3.3.43.3.4焊条电弧
49、焊焊条电弧焊1.焊条电弧焊的原理和特点(1)焊条电弧焊的原理焊条电弧焊是操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。图3-69焊条电弧焊焊接过程示意图(2)焊条电弧焊的特点焊条电弧焊操作灵活方便，能进行任意空间和各种接头形式的焊接，设备简单。2.焊接电弧(1)焊接电弧的产生焊接电弧的产生过程如图3-70所示。图3-70焊接电弧产生过程示意图(2)焊接电弧的组成焊接电弧由阴极区、弧柱区和阳极区三部分组成，如图3-70c所示。(3)焊接电弧的极性应用用直流弧焊电源焊接时，若工件接正极，焊条接负极，称为正接。(4)焊条电弧焊冶金过程特点焊接过程中，熔化金属、熔渣和气体间进行着复杂的物理、化学反应，这一高温下的相互
50、作用过程称为焊接冶金过程。1)由于焊接电弧和金属熔池温度高，使合金元素大量蒸发和烧损，造成焊缝金属的力学性能尤其是塑性和韧性明显下降。2)由于焊接熔池体积小，从熔化到凝固的时间极短，使其反应进行不充分，焊缝中的化学成分不均匀，且气体和杂质来不及逸出，易产生气孔和夹渣等缺陷。3.焊条电弧焊设备及工具(1)弧焊电源设备的种类和参数1)弧焊电源设备的种类。2)弧焊电源设备的主要参数。表3-18各种弧焊电源设备的特点项目直流弧焊机交流弧焊机（弧焊变压器)弧焊发电机弧焊整流器电流种类直流直流交流电弧稳定性好好较差构造与维修较繁较简单简单噪声大很小较小供电三相供电一般为三相供电单相供电功率因数较高较高较低
