《产品造型设计材料与工艺 教学课件 ppt 作者 赵占西 04金属材料成形》由会员分享，可在线阅读，更多相关《产品造型设计材料与工艺 教学课件 ppt 作者 赵占西 04金属材料成形（233页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械工业出版社,第四章 金属材料成形,产品造型材料与工艺,2,第四章 金属材料成形,4.1 金属材料成形概述 中国已是制造大国，仅次于美、日、德，居世界第4位，但与工业发达国家相比，仍有很大差距，表现在：（1) 制造业的劳动生产率低，不到美国的5%；（2）技术含量低，以CAD为例，仍停留在绘图功能上；（3）重要关键产品基本上没有自主创新开发能力。 材料成形加工行业是制造业的重要组成部分，材料成形加工技术是汽车、电力、石化、造船及机械等支柱产业的基础制造技术，新一代材料加工技术也是先进制造技术的重要内容。金属液态成形、塑性成形及连接成形等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。据统计，全世界
2、75%的钢材经塑性加工成形，45%的金属结构用连接得以成形。汽车结构中65%以上仍由钢材、铝合金、铸铁等材料通过以上几种加工方法成形。,3,第四章 金属材料成形,4.1 金属材料成形概述 但是，我国的材料成形加工技术与工业发达国家相比仍有很大差距。重大工程的关键铸锻件如长江三峡水轮机的第一个叶轮仍从国外进口；航空工业发动机及其它重要动力机械的核心成形制造技术尚有待突破。因此，要加强和重视材料成形加工制造技术的发展。 高速发展的工业设计技术要求加工制造的产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少。为了生产高
3、精度、高质量、高效率的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料成形加工制造技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多学科化。因此,必须十分重视材料加工成形技术的技术进步。,4,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 金属液态成形又称为铸造，是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。 金属材料在液态下一次成形，具有很多优点： （1）适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料如铸铁、碳素钢、合金钢、非铁合金等，均可在液态下成形，特别是对于不宜压力加工或焊接成形的材料，该生产方法具有特殊的优势。并且铸件的大小、形状几乎不受限制，
4、质量从零点几克到数百吨，壁厚从1到1000均可。,5,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 金属材料在液态下一次成形，具有很多优点： （2）最适合形状复杂的铸件。具有复杂内腔的毛坯或零件的成形，如复杂箱体、机架、阀体、泵体、缸体等。 （3）成本较低。铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近，节省材料和加工工时。 大多数铸件是毛坯件，需经过切削加工才能成为零件。,6,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 铸造可分为砂型铸造和特种铸造两大类。其中砂型铸造工艺如图4-1所示。,7,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 一、熔融合金的
5、流动性及充型 熔融合金的流动性 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。 当合金的流动性差时，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。流动性好的合金，易于充满型腔，有利于金属液态中的气体和非金属夹杂物上浮，也有利于对铸件进行补缩。,8,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 二、液态合金的收缩 1. 收缩的概念 液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。收缩是绝大多数合金的物理本性之一。收缩可使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷，影响铸件质量。 合金的收缩经历如下三个阶段， 如图4
6、-2所示。,9,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 二、液态合金的收缩 1. 收缩的概念 合金的收缩经历如下三个阶段，如图4-2所示。 （1）液态收缩：从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（即液相线温度TL）间的收缩。 （2）凝固收缩：从凝固开始温度（TL）到凝固终止温度（即固相线温度TS）间的收缩。 （3）固态收缩：从凝固终止温度（TS）到室温间的收缩。 合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。,10,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 二、液态合金的收缩 1. 收缩的概念 因为合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，故常
7、用单位体积收缩量（即体收缩率）来表示。合金的固态收缩不仅引起体积上的缩减，同时还使铸件在尺寸上减小，因此常用单位长度上的收缩量（线收缩率）来表示。 常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小。,11,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 二、液态合金的收缩 2. 铸件的缩孔和缩松 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。 缩孔是指集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙；缩松是指分散在铸件某些区域内的细小
8、缩孔。,12,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 三、砂型铸造造型（造芯）方法 制造砂型的工艺过程称为造型。造型通常分为手工造型和机器造型两大类。 1. 手工造型方法 手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工来完成。其优点是操作灵活、适应性强，模样生产准备时间短。但生产率低，劳动强度大，铸件质量不易保证。故手工造型只适用于单件、小批量生产。 实际生产中，由于铸件的尺寸、形状、生产批量、使用要求以及生产条件的不同，可以采用不同的造型方法。各种常用手工造型方法的特点及其适用范围见表4-1。,13,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 三
9、、砂型铸造造型 （造芯）方法,14,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 三、砂型铸造造型（造芯）方法,15,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 三、砂型铸造造型（造芯）方法 2. 常用机器造型方法 该法是将加砂、紧砂和起模等工序用造型机来自动完成的造型方法，是大批量生产砂型的主要方法。常用包括：震压造型、抛砂造型、微震压实造型、高压造型、射压造型等。 机器造型生产率高，制出的铸件尺寸精确、表面粗糙度小、加工余量小，同时，还可改善工人劳动条件。但机器造型对厂房结构要求高，机器设备、模具、砂箱的一次性投资大，生产周期长，同时，还必
10、须使其它工序（如配砂、运输、浇注、落砂等）全面实现机械化才便于生产协调，因此，只有在大批量生产时才经济。,16,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 三、砂型铸造造型（造芯）方法 3. 造芯 当制作空心铸件、铸件的外壁内凹或铸件具有影响起模的外凸时，经常要用到型芯，制作型芯的工艺过程称为造芯。 为了提高型芯的刚度和强度，需在型芯中放入芯骨；为了提高型芯的透气性，需在型芯的内部制作通气孔；为了提高型芯的强度和透气性，一般型芯需烘干使用。,17,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 四、铸件结构工艺性 进行铸件结构设计时，不仅要保证其
11、使用性能和力学性能要求，还必须考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求，铸件结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。 （一）砂型铸造工艺对铸件结构设计的要求 铸件结构应尽可能使制模、造型、造芯、合箱和清理等过程简化，避免不必要的浪费，防止废品的产生，并为实现机械化、自动化生产创造条件。因此，进行铸件结构设计时，必须考虑有关造型工艺对铸件结构设计的要求，见表4-2。,18,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 四、铸件结构工艺性,19,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 四、铸件结构工艺性,20,第四章 金属
12、材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 四、铸件结构工艺性 （二）合金铸造性能对铸件结构设计的要求 缩孔、裂纹、气孔和浇不足等铸件缺陷的产生，有时是由于铸件结构设计不够合理、未能充分考虑合金铸造性能的要求所致。因此，在结构设计时，除考虑造型工艺等方面的要求外，同时还必须满足合金铸造性能的要求，否则铸件质量不能保证。 合金铸造性能与铸件结构之间的关系见表4-4。,21,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 四、铸件结构工艺性 （二）合金铸造性能对铸件 结构设计的要求,22,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 四、
13、铸件结构工艺性 （二）合金铸造性能对铸件结构设计的要求,23,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型铸造 四、铸件结构工艺性 （三）砂型铸造铸件最小壁厚的设计 每种铸造合金都有其适宜的壁厚，如果选择适当，既能保证铸件的力学性能，又能防止某些铸造缺陷的产生。 由于铸造合金的流动性各不相同，所以在相同的砂型铸造条件下，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同。若所设计铸件的壁厚小于该“最小壁厚”，则铸件容易产生浇不足和冷隔等缺陷。铸件的“最小壁厚”主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表4-8。,24,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.1 砂型
14、铸造 四、铸件结构工艺性 （三）砂型铸造铸件最小壁厚的设计,25,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.2 特种铸造 砂型铸造具有适应性广，应用最为普遍，但砂型铸件的精度低，表面粗糙；对薄壁非铁合金铸件、高尺寸精度铸件、管状铸件和高温合金飞机叶片等特殊零件，往往难以用砂型铸造方法来生产，或者生产效率低，为解决这类零件的制造，出现了用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备的铸造方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和实型铸造等，这些铸造方法统称为“特种铸造”。,26,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.2 特种铸造 一、熔模铸造 熔
15、模铸造也称失蜡铸造，因为熔模铸件具有较高的尺寸精度和较好的表面质量又称为精密铸造。 （一）熔模铸造工艺过程 1. 制造蜡模 蜡模材料常用50%石蜡和50%硬脂酸配制而成。首先将4548的糊状蜡料压入用钢或黄铜制造的母模中，冷凝后取出即为蜡模，如图4-4a所示；一般常把数个蜡模熔焊在蜡棒上，成为蜡模组，如图4-4b所示。,27,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.2 特种铸造 一、熔模铸造 （一）熔模铸造工艺过程 1. 制造蜡模,28,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.2 特种铸造 一、熔模铸造 （一）熔模铸造工艺过程 2. 制造型壳 在蜡模组表面浸挂一
16、层以水玻璃和石英粉配制的涂料，然后在上面撒一层较细的硅砂，并放入饱和氯化铵水溶液中硬化。经重复多次，蜡模组外面形成由410层耐火材料组成的坚硬型壳，其厚度一般为57mm，如图4-4c所示。 3. 脱蜡 把带有蜡模组的型壳放在8090的热水中，使蜡料熔化后从浇注系统中流出。,29,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.2 特种铸造 一、熔模铸造 （一）熔模铸造工艺过程 4. 型壳的焙烧 把脱蜡后的型壳放入800950焙烧中，保温0.52h，烧去型壳内的残蜡和水分，并提高型壳强度。 5. 浇注 将型壳从焙烧炉中取出后，放入干砂中，趁热（600700）浇入合金液，冷却凝固。 6. 脱壳和清理 人工或机械法去掉型壳、切除浇冒口，清理后即得铸件。,30,第四章 金属材料成形,4.2 液态成形工艺基础 4.2.2 特种铸造 一、熔模铸造 （二）过程熔模铸造的特点和应用 熔模铸造的特点是： （1）铸件尺寸精度高、表面质量好，是少、无切削加工工艺的重要方法之一，表面粗糙度为Ra12.51.6m。如熔模铸造的涡轮发动机叶片，铸件精度已达到无
