金属材料及加工

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1、金属材料及其加工技术,第一节 常用金属材料及其特性 第二节 金属材料成型与工艺性 第三节 金属表面处理与装饰技术,常用金属材料及其特性,2.1.1 金属材料的特性及分类 2.1.2 钢铁材料 2.1.3 有色金属及其合金,金属的宏观特性 良好的导电性和导热性； 正的电阻温度系数；且绝大多数金属具有超导性； 良好的反射能力、不透明性及金属光泽； 良好的塑性变形能力（延展性） 反映出金属的本质： 有特殊光泽 优良的导电性和导热性 是良好的塑性变形固体物质,2.1.1 金属材料的特性及分类,常用金属材料的分类,2.1.1 金属材料的特性及分类,常用金属材料及其特性,2.1.1 金属材料的特性及分类

2、2.1.2 钢铁材料 2.1.3 有色金属及其合金 2.1.4 造型设计中金属材料的选用,2.1.2 钢铁材料,钢铁材料可分为三大类： 纯铁 (c=2.11%),2.1.2 钢铁材料,钢 (0.02%=c2.11%) 碳钢 按含碳量：低碳钢、中碳钢、高碳钢 按品质：普通碳素钢、优质碳素钢 按用途：碳素结构钢、碳素工具钢 合金钢 合金结构钢：合金弹簧钢、合金轴承钢等 合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢 特殊用途钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢,铸铁 (c=2.11%) 按碳存在的不同形式 灰口铸铁：碳以石墨形式存在，断口呈灰色 白口铸铁：碳以渗碳体形式存在，断口白色 麻口铸铁：按用途：碳素结构钢、碳素

3、工具钢 按石墨的形态： 灰铸铁：片状石墨，强度、塑性、韧性不如钢，减震性好、缺口敏感性低，适于制各种承受压力和要求消震的床身、机架、箱体、缸体、壳体 可锻铸铁：团絮状石墨，高强度、塑性、冲击韧性，制汽车后桥外壳、管接头、低压阀门 球墨铸铁：球状石墨，铸造性优良，取代了可锻铸铁，制造受力复杂、负荷大、耐磨的铸件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗轮蜗杆、活塞、工作缸等,常用金属材料及其特性,2.1.1 金属材料的特性及分类 2.1.2 钢铁材料 2.1.3 有色金属及其合金 2.1.4 造型设计中金属材料的选用,2.1.3 有色金属及其合金,铝及铝合金 铜及铜合金,铝及铝合金,纯铝：纯度98%99.996

4、%，密度小、导电、导热性优良；主要用于科研及制造电容器 铝合金：纯铝强度低，加入合金以提高强度 变形铝合金 1.防锈铝合金：含锰、镁等，不可热处理强化，耐蚀性好，用于制造高耐蚀性薄板容器 2.硬铝：含铜、镁等，强度、硬度高（与高强钢相近），塑性低、韧性差，用于制造飞机大梁、螺旋桨、铆钉等 3.超硬铝合金：含锌、铜等，强度接近超高强度钢 4.锻铝：含镁、硅、铜等，热塑性、耐蚀性好，适于锻造，用于航空等形状复杂、要求强度较高的锻件 铸造铝合金：要求有良好的铸造性能，分为铝硅、铝铜、铝镁、铝锌四系。,铜及铜合金,1.纯铜（紫铜）：纯度99.5%99.95%, 极好的塑性, 抗蚀、导电、导热性、抗磁性

5、极好，用于电工导体和防磁器械 2.黄铜：含锌32%：热加工黄铜(含锌40%), 强度较高，含铜量少，价格低、用于制作电器上的导电、耐蚀及有一定强度的结构件 特殊黄铜：加入锡、铅、铝等元素 3.青铜 锡青铜：一般含锡3%14%, 强度、塑性增加 特殊青铜：指不含锡的青铜，如铝青铜、铍青铜等，比锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性与耐蚀性。,2.2.1 铸造加工及其工艺性 2.2.2 压力加工及其工艺性 2.2.3 焊接技术及其工艺性 2.2.4 切削加工（机械加工）及其工艺性 2.2.5 特种加工及其工艺性,金属材料成型与工艺性,后母辛方鼎,箱体,2.2.1 铸造加工及其工艺性,铸造将熔融的金属液体

6、浇注到与零件形状相对应的铸造模型腔中，待冷却后得到实体毛坯或零件的工艺过程 铸造加工的特点： 适应性强：不受零件体积、重量大小、形状、结构复杂程度的限制，不受合金种类限制 成本低廉：原材料消耗及切削加工费低、动力消耗少、接近成品零件 铸造组织存在一定缺陷：缩孔、疏松、气孔、沙眼等导致力学性能不如锻件； 工艺过程较难控制：废品率较高，工人劳动强度大等,2.2.1 铸造加工及其工艺性,铸造方法分类 砂型铸造：用型砂做铸型的铸造方法，使用率90% 特种铸造：砂型铸造以外的其他铸造方法，包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造等,无论哪种铸造，其工艺过程中的基本内容和成型原理

7、都是相同的，只是过程的方法依不同铸造而有所不同。 各种铸造的基本过程：,2.2.1 铸造加工及其工艺性,砂型铸造,造型制芯金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：,手工造型：,机器造型：,利用简单的器械进行砂型（芯）的制作,利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作,砂型成形方法,手工造型的特点：,操作方便灵活，适应性强 生产率低 劳动强度大 铸件质量不易保证,适用于单件小批量生产,砂型成形方法,机器造型的特点：,生产效率高 劳动条件好 劳动强度低 铸件的表面质量好、尺寸精度高,适用于成批大量生产,砂型铸造,铸造产品设计的特点,由铸造零件的工艺看，产品的外形是由模型的型腔决定的，无论是砂型还是金属

8、型或蜡型，在浇注需要良好的金属充型能力要求的前提下，铸型的型腔不可能做的太复杂、太有棱角以及太细小。因此从总体上看，铸造产的特点是外观线条圆润且有力度感，棱角不够分明。,铸造产品设计的特点,在艺术造型上多用于表现敦厚、圆润、古典、尊贵的效果。如：佛像、灯座、纪念章、青铜器餐具、艺术品等。 在工业上由于铸铁性脆，耐压不耐拉，广泛用于在工作中承受较大的压力、有震动、需有自润滑功能的机器零部件以及有复杂外形结构又很难用其他方法造型的零件。如：机床底座、车床床身导轨、汽车小零件等。,2.2.1 铸造加工及其工艺性 2.2.2 压力加工及其工艺性 2.2.3 连接技术及其工艺性 2.2.4 切削加工（机

9、械加工）及其工艺性 2.2.5 特种加工及其工艺性,第二节 金属材料成型与工艺性,2.2.2 压力加工及其工艺性,定义： 压力加工 利用外力使坯料产生塑性变形,获得所需尺寸,形状和性能的产品（毛坯或零件）成型方法 压力加工中作用在金属坯料上的外力主要有两种性能：冲击力和压力 锤类设备产生冲击力使金属变形 轧机与压力机对金属坯料施加静压力使之变形,2.2.2 压力加工及其工艺性,压力加工的特点：是一种重要的塑性成型方法，要求金属具有良好的塑性 优点：金属塑性变形后，能压合铸坯的内部缺陷，提高金属机械性能，保证强度和韧性，节省金属材料和加工工时 缺点：只适用于塑性金属材料，不能加工脆性材料如铸铁、

10、青铜，不能加工形状太复杂的零件比如具有复杂外形和内腔的零件,压力加工的种类,压力加工的基本生产方式有轧制、挤压、拉拨、锻造(自由锻和模锻)和板料冲压。 轧制、挤压、拉拨用于金属型材、板材、管材和线材制造 而板料冲压和锻造用于毛胚和零件。,锻造加工,先将材料预热，使其塑性增强，然后用汽锤、压力使金属材料成型的加工方法，最原始的锻造如铁匠的小火炉、手锤等。 锻造要求材料具有两方面的性能 可锻性， 即承受住重锤的锻打、 冲击而不易碎裂，具有良好的韧性。 要求定型性好，弹性要适度。 若弹性过大， 则材料在重锤锻打时承受外力会发生变形， 但外力撤出之后又恢复原型，难以成型。预热升温， 实际上就是一种强化

11、定型性能的措施。 锻造使金属产生的加工硬化是强化金属的重要手段之一,对于纯金属和奥氏体不锈钢等不能采用热处理强化的合金尤为重要。,锻造加工,可锻造的固体坯料可以是铁碳合金、铝合金、铜合金等。 锻造时金属需加热到的温度 铁碳合金（钢） 约为11501250 铝合金 约为430500 铜合金 约为800900,锻造加工,锻造分为两种： 自由锻：是将近坯料放在上下地铁之间，以冲击力或压力使其变形的加工方法。 模锻：金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力的加工方法。,自由锻 模锻,锻造加工产品举例,锻造法兰盘,手锤,冲压加工,冲压烤漆饰品,冲压加工,冲压加工成型是利用冲模使板材产生分离或变形

12、的加工方法。通常在冷态下进行，又叫冷冲压。 冷冲压工艺是产品上外形零件的加工主要的手段之一，冷冲压工艺对当今的大批量生产很有意义，由于产品需要频繁的变换造型，在这种竞争的形势下，采用冷冲压工艺具有特殊的意义。,板料冲压,板料冲压特点： （1）可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，成品率很高，故零件成本低。,板料冲压,冲压成品需进行很多工序，其基本工序有分离工序和变形工序两大类： 分离工序 使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料

13、、冲孔、切断、修整等。 变形工序 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、翻转、成型等。,冲压材料的合理选择,（1）冷冲压适用的板材厚度一般不超过6mm厚。材料一般用塑性较高的低碳钢、铜、铝、及其合金，此外非金属材料也常用于冲压加工，如胶木、云母、石棉板、皮革等等。 （2)在保证工艺的前提下，应尽量以廉价材料代替贵重材料，以薄料代替厚料，以黑色金属代替有色金属，这样，可使占制品成本6080的材料费用大大降低，以利提高产品的市场竞争能力。 （3）设计零件的外廓尺寸尽量考虑板材的尺寸规格标准，使毛坯排样时废料浪费最少。反之，选择材料尺寸时，应考虑尽量为毛坯尺寸的整数倍为好

14、。,冲压设备,1.剪切下料设备 是冷冲压工艺中准备工序使用的设备，手工制作模型时使用更多。分为: 手工剪刀设备和工具小剪刀 中小型剪刀设备：振动剪刀、斜口剪刀、钣金铣床； 大型剪切设备 2、弯曲成型设备：板料折弯压力机、卷板机、拉型机 3、压制设备,冲压产品的设计特点,1 形状简单、对称，尽可能采用圆形或矩形，受力均匀 产品表面均由上下模具切、拉、挤而成，故产品形状设计应简单，符合模具的一端（型腔）或两端（通模）是开放式的特点，应能制造。 2 为保证模具强度和寿命，尽量避免长槽或长悬臂的结构设计 形成产品表面的冲压深度不能过长，过长时是分几次压成的，产品的拉、挤成型表面不应设计过长。（如：氧气

15、瓶） 在型腔内可设计复合型腔特点的形貌（孔窝、凸台等）以及通孔等。如：汽车车身 3 既充分利用冲压件有薄、匀、轻、强的特点，又要满足冲压产品需要较强刚度的要求 在产品上灵活设计加强筋、肋、起伏或翻边（如：盆、锅等）等以提高其刚性。并且这些在制造时可一次成型，是其他方法难以做到的。 4 对拉伸件，尽量设计成回转体，尤其是柱形最好 一般不设计成空间曲面如汽车覆盖件；工件结构特别复杂需多次冲才能压完成时，可以分解冲压后焊接，降低模具费用和加工周期 5 注意最小拐角、折弯等与板厚有关的设计（查手册）。 如：小支撑板等,冲压成型产品举例,冲压即能制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造像汽车大梁、压力容器一类

16、的大型零件。尺寸和形状精度即可满足一般要求，也可制造精度在微米级、形状复杂的零件。 冲压在汽车（车身、底盘、油箱、散热器片等）、机械、家用电器、日用品（水壶、铝锅、厨具等）、电机、仪表（支架、挡板、壳体等）、航空航天、兵器制造中具有十分重要的地位。在罐装食品、饮品的封装等方面应用广泛。 艺术造型上，常做标牌、锁具、灯具、笔、服装上的装饰品等。 以壳体类零件居多,冲压产品尺寸精确，表面光洁度好，一般冲压后不再或很少进行机械加工.,冲压壳体,冲压（拉伸）件,冲压饰品,2.2.1 铸造加工及其工艺性 2.2.2 压力加工及其工艺性 2.2.3 连接技术及其工艺性 2.2.4 切削加工（机械加工）及其工艺性 2.2.5 特种加工及其工艺性,金属材料成型与工艺性,2.2.3 连接技术及其工艺性,连接分为机械连接、冶金学的连接、化学的连接三种。 机械连接：用螺纹连接、配合连接或者用铆钉、铆接、铰链、卷边等方法把连接件固定起来。 冶金学的连接：熔化金属进行接合，即焊接。 化学的接合：是最近急速发