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1、第四章金属材料的成型工艺,第一节铸造工艺 第二节压力加工技术 第三节金属与金属的连接,第一节铸造工艺,一、铸造的基本概念把熔化的金属熔液浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，待熔液凝固并冷却后获得毛坯或零件的工艺过程称为铸造。根据铸造中浇注的铸型不同，可分为砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳模铸造及磁型铸造等;也可根据铸造工艺方法的不同分为压力铸造、离心铸造及实心铸造等。 二、常用的铸造金属铸造工艺过程中通常使用的材料主要有铸铁等四种。1.铸铁铸铁是广泛应用的一种以铁一碳一硅为主的多元铁基合金，普通铸铁的化学成分大致为含碳2.11 %-4.0%;含硅1 %-3 %;含锰0.4%一1.5%;含
2、磷0.01 %-0.5%:含硫0.02%-0.20%。,下一页,返回,第一节铸造工艺,有些铸铁中，还加入了少量的钥、铜、镍、铬、铝等而成为合金铸铁，以增加铸铁的耐酸、耐热及无磁性等特殊性能。铸铁中的碳主要以游离状石果存在，由于游离石果的力学强度低而形成力学的空洞作用，因此会造成铸铁的脆性。但石果的存在却能改善铸铁的耐磨性、抗振性及加工工艺性等，并铸铁价格较低，且制造工艺简便。常用的铸铁型号为HT200。2.铸钢常用的铸钢其型号为ZG230-450, ZG270-500等。3.铸铝铸造铝合金在工业生产中使用极为广泛。铸造铝合金其铸造性能良好，重量也较小，外观质量也仕，且有适当的机械强度;与铸铁、
3、铸钢相比较，铸铝制件的外观装饰效果最仕。常用的铸铝主要有:铝一硅合金，其型号有ZL101，ZL102ZL110等;铝一铜合金，其型号有ZL201，ZL202, ZL203等;,上一页,下一页,返回,第一节铸造工艺,铝一镁合金，其型号有ZL301，ZL302等;铝一锌合金，其型号有ZL401，ZL402等。以上型号铸铝中以ZL101和ZL110用的最为普遍。4.铸铜铸铜是很多工艺制品的原材料，铸铜件通过表面处理后可仿制成各式各样的古代工艺品;铸铜在现代工业生产中也有着广泛的用途。通常使用的铸铜有铸造黄铜，其型号为ZCuZu16Si4, ZCuZu40Mu, ZCuZu38等，还有铸造青铜，其型号
4、为ZCuSulOZn2. ZCuSu10P1等。 三、铸造工艺过程在工业产品生产中，使用较多的为熔模铸造和压力铸造。1.熔模铸造工艺熔模铸造又称为精密铸造或失蜡铸造。公元前数百年，我国已使用蜡和牛油制作模型，复以钻土，熔去模型而得到型腔，用以铸造各种造型精美、带有花纹和文字的钟鼎和器皿，这种方法就是近代熔模铸造的前身。,上一页,下一页,返回,第一节铸造工艺,当今的一些艺术珍品，就是用此法制成的。而熔模铸造广泛地应用于工业产品生产上，却是自20世纪40年代才开始的。熔模铸造的实质是用易熔材料制成模型，在模型表面涂挂耐火涂料后硬化，反复多次，并将模型熔出，焙烧硬壳，即可得到无分型面的铸型。用这种铸
5、型浇铸后即可获得尺寸准确和表面光洁的铸件。熔模铸造可适用于各种各样的金属铸造，但是限于壳型的强度，在一般熔模铸造的工业产品中，重量都小于25 kg，而尺寸精度可达10-14级。熔模铸造工艺过程如图4-1所示。(1)压型压型是制造蜡模的特殊铸型。压型设计应结构合理，使用方便。对精度要求高，批量大的铸件，压型用碳钢、铝合金经机械加工制成，必要时镀铬抛光。批量不大、精度要求不高的铸件，或形状复杂、机械加工困难的压型，可用易熔合金铸造压型。对试制单件、小批量生产、精度要求不高、或形状复杂、加工困难的压型，可采用石膏和塑料制造。但压型的制造精度，通常总比铸件高1-3级。,上一页,下一页,返回,第一节铸造
6、工艺,(2)蜡模和蜡模组常用的制模材料是由50%石蜡(CnH2n+2)和50%硬脂酸(C17H35COOH )配成。此模料流动性好，表面光洁，灰分少，但较软，易变形，并受冷易开裂。为提高生产率及合金利用率，常将多个蜡模熔焊在同一个蜡制的浇注系统上，组成蜡模组，以备制壳之用。如铸件中部空腔取模困难，可将蜡模分块制造后熔焊成整体。或用尿素CO(NH2)2作成型芯，放入压型后再压制蜡模，然后再将蜡模放入水中，除去型芯CO(NH2)2 +H2OCO2+2NH3而制成具有复杂内腔的整体蜡模。(3)涂料和型壳硬化涂料是耐火材料和黏结剂配制成的悬浮液，有面层涂料和加固层涂料之分，其中面层涂料要求较高的耐火性
7、和化学稳定性。常用的耐火材料有石英(SiO2)、电刚玉(Al2O3)等。常用的黏结剂有水玻璃(Na2O mSiO2)和硅酸乙酯(C2H5O)6SiO2+(C2H5O)8SiO2+等。使用较普遍的是水玻璃耐火涂料，其成分如表4-1所列。,上一页,下一页,返回,第一节铸造工艺,蜡模挂涂料，撒石英砂以后，应进行硬化。常用的硬化剂有氯化氨(NH4Cl)、聚氯化铝Al2(CH)nCl6-nm,等。氯化氨具有工艺性能好，材料来源广等优点，但由于析出氨气，有害人体，并腐蚀设备。用聚氯化铝不但可克服氯化氨的上述缺点，还能提高型壳的强度，但其制备较困难。(4)熔模铸件的结构工艺性由于铸造工艺的限制，铸件应尽量各
8、处的壁厚均匀，太厚处可用设孔的方法改进。熔模铸造可用来制造厚度仅为0.3 mm的薄铸件，最小的质童只有10克，最小孔径可仅有1.5毫米。但注意未开口式的薄铸件可先用筋板连接，以防止张开变形。在熔模铸造的基础上，目前又发展了实型铸造。所谓实型铸造，是用可发性聚苯乙烯珠粒，在压型中发泡成型或是用机械加工成型，形状复杂的则可分别加工后粘合到一起，涂上涂料后，放入砂箱或磁丸造型箱，不用取出模型，直接浇注金属液体，通过聚苯乙烯气化而获得铸件。,上一页,下一页,返回,第一节铸造工艺,实型铸造在工业设计专业试制产品中是有重要意义的。2.压力铸造工艺压力铸造简称为压铸。压铸是在高压(5-150 MPa)作用下
9、，将液态合金高速(50-100 m/s)压入高精度的型腔内，并在压力下迅速凝固而获得铸件的方法。压铸是一种先进的铸造方法，压铸生产效率高，易于实现生产自动化，平均甸小时可生产零件50-250件，多的可达数千件。压铸零件精度可达11-13级，表面粗糙度为Ra0.4-3.2，机械性能高，可压铸薄壁、带镶嵌件的零件，并能得到清晰度很高的花纹、图案、文字等。压铸件可不用或少用机械加工就能获得满意的外观质量，并可直接用涂料进行表面装饰。(1)压型和压铸机压型:压型是指压铸零件所使用的铸型。它是采用优质合金钢为主体材料而制成的.其有优良的强度和耐热性.典型结构如图4-2所示。,上一页,下一页,返回,第一节
10、铸造工艺,压型一般由两个主要部分组成，即由固定在压铸机定模座上的固定部分，称为定型;固定在压铸机动模座上的可动部分，称为动型。压型除定型和动型部分外，一般都装有顶出下料机构和抽芯机构，用以自动顶出铸件和抽型芯。 由于压型是在高压、高温、高速条件下工作的，所以压型的型腔和型芯部分一般使用3Cr2W8V或5CrMnMo等优质合金钢，其余零件可选用优质碳钢。在压型分型面上一般开有0.05-0.1 mm，宽50-20 mm的通气槽，死角地方开通气塞，以防止铸件上产生气泡。压铸机:压铸使用的设备称为压铸机。压铸机按压室的特征可分为热压室压铸机和冷压室压铸机两种类型。图4-3所示为热压室活塞式压铸机的工作
11、原理。这类压铸机生产效率高，金属消耗少，但压室和冲头长期在合金液体中工作，影响寿命。该压铸机一般压射比压较低，多用于低熔点合金材料的压铸。我国生产和使用较多的是25 t的JZ213型压铸机。,上一页,下一页,返回,第一节铸造工艺,冷压室压铸机，按压力传递方向可分为立式和卧式两种。其工作原理如图4-4、图4-5所示。与热压室压铸机相比，冷压室压射比压大，(热压室压铸机为气动、冷压室为液压传动)，所以能适合铝、镁、锌、铜多种合金的铸造。我国生产和使用的压铸机以卧式冷压室压铸机为多，此压铸机从6吨J116)至630吨(J1163)有多种型号和规格，可供选用。(2)压铸工艺及压铸件的结构工艺性压铸是在
12、数千N/cm=的压力下，以5-50 m/s的流速将液态或半液态金属压入金属型中，并在压力下凝固而获得铸件的一种铸造方法。压铸工艺过程一般由合型、压射、开型及顶出铸件四个工序组成。压铸过程由压铸机自动完成。目前使用的压铸机一般都使用液压驱动。压铸机的规格都是以型号尾数乘以10表示压铸机的合模力的。压铸件(包括浇注系统)在分型面上的正投射面积.应小于压铸机额定投影面积常用下式核算。,上一页,下一页,返回,第一节铸造工艺,上一页,下一页,返回,式中P一压铸机最大合模力，(t) ;F一铸件(包括浇注系统)在分型面上的投影面积，(cm2)P一比压，(kN/cm2) ;S模具反压力，(t) ;0.85安全
13、系数。应当注意的是，压铸件是在金属压型和型芯共同作用下成型的，为此，设计零件时应使压型制作方便，型芯易于取出;压铸零件壁薄但结构致密性好，强度和耐磨性好，一般厚度在O.5-3.5 mm之间为宜。反之，厚壁结构则会导致其机械性能下降。压铸件上可直接铸出螺纹、小孔或齿形。但牙形应为平头，一般不能铸内螺纹压铸齿轮的最小模数、螺纹和小孔的尺寸如表4-2所列。,第一节铸造工艺,压铸加工可采用镶嵌件用以满足某些部件的特殊要求、又可代替了部分装配。但应注意一般在镶嵌件与压铸件连接部分上应作出滚花 、或凹凸，以防止松动而滑出。除上述两种铸造方法外，还有砂型铸造、金属型铸造、离心铸造及陶瓷型铸造等，它们也都各具
14、特点。,上一页,返回,第二节压力加工技术,一、压力加工技术在工业生产中的作用工业生产是从满足人们对产品的使用功能的要求开始，现今已发展到要求产品的功能性与美观性达到高度的协调与统一。在当今追求商品综合性能的生产过程中，压力加工技术正以其生产效率高，产品质量好、重量轻及成本低的特点，始终在工业部门中占有极其重要的地位。在一般工业产品的生产过程中，就零件的成型方式而言，冲压件在数量上常占到30%以上。至于较复杂的产品，如汽车和飞机等，其中冲压件常高于65%。在产品的外观造型上和人们的操作部位中，冲压件的比例则更大，并冲压件的好坏常直接影响着整个产品的使用质量，因此冲压技术口益得到设计师的重视。影响
15、冲压件质量的因素很多，其中冲压材料、冲压模具及冲压设备则是诸因素中三个最主要的因素，本节将有重点的对这三个因素进行介绍和分析。,下一页,返回,第二节压力加工技术,二、冲压材料目前我国工业产品中的外观零件或人机部件绝大多数使用的材料是金属板料或为塑料制品。对于冲压而成的各种产品零件，生产实践证明，能否将板料冲压成质量合格的零件，在很大程度上取决于金属板材质量的优劣。冲压加工与金属切削加工相比较，材料质量好坏的影响较为显著，也即冲压工艺在一定程度上是以冲压材料为基础的。冲压板材质量的优劣一般是以冲压特性、化学成分、金相组织、厚度公差及表面质量这五个主要方面来衡量的。这五个方面性能的优劣将对加工生产
16、冲压件具有很大的影响。当然，这并非是说，上述五个方面指标都要越严越好，具体的零件结构和使用条件，会提出不同的性能要求，因为不同的性能要求也将会对产品的价格产生很大的影响。作为一名工业设计师，要想选择好产品的材料，对这五方面性能应有所了解。1.冲压性质、化学成分和金相组织的影响,上一页,下一页,返回,第二节压力加工技术,冷冲压是以金属的塑性变形为基础的加工方法。材料的冲压性能主要指塑性。对于变形过程中如压弯、拉延、成型、翻边等一般要求较低的屈服极限，目的是减小材料在冲压后的弹性变形(回弹)。而对于分离工序，为了获得良好的剪截面反而希望稍高一些。一般情况下不同结构的冲压件对材料的要求如表4-3所列
17、。对于变形复杂的过程(如深拉延或拉延和翻边成型的复合工序)则对材料性能有更多、更严的要求。概括地讲，以下几项指标基本上代表钢板好的冲压性能:延伸率不小于40% ;硬度不大小45HRB ; s/B比值(屈强比)不大于0.65 ;顶压深度符合规定的范围(根据板材厚度的不同值不同);晶粒度6-7级;,上一页,下一页,返回,第二节压力加工技术,此外，对某些更高级的冷轧板，除上述指标外，还有塑性变形比值R(宽厚变形比，代表宽度方向性变形指标，即抗变薄能力系数)和加工硬化能力指数n两个指标。总的讲，降低s和s/B，提高, R和n，是提高钢板在拉延过程中冲压性能的趋势。当材料质量不能保证冲压性能的要求时，例如以低级性能的材料代替高级性能的，将冲制不出好的冲压件，或者会大量产生废品(拉裂或出现皱纹)。例如，长春汽车制造厂在冲压解放牌汽车翼子板时，使用规定的最复杂深冲(ZF)级钢板冲压制品，一般废品率不超过1 %，而换用F级或s级钢板代替，则废品率增至10%-30%。当然，冲压工艺过程中合理的冲压润滑，调整压料力，以及局部退火等措施也能改善冲压性能，但根本的方法，还是从材料的冶炼和轧制上提高冲压性能。,
