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1、现代制造中的 机电系统应用,第7章 成形热加工,2,7.1 金属铸造成形 7.1.1 铸造工艺基础,铸件的凝固方式。 铸件的成形过程，是熔融金属的铸型中的凝固过程。 在铸件凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区、液相区。 铸件的凝固方式共有三种，分别是：逐层凝固、糊状凝固和中间凝固。 熔融合金的充型 熔融合金填充铸型的过程，简称充型。熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的健全铸件的能力，叫合金的充型能力。 充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。,3,铸造合金的收缩,铸造合金从液态到凝固完毕，以及继续冷却至常温的过程中产
2、生的体积和尺寸减小的现象称为收缩。 铸造合金通常经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。铸件收缩的大小主要取决于合金化学成分、浇注温度和铸型结构。 铸件由于补缩不良而产生的孔洞称为缩孔。控制缩孔和缩松主要有三种方法： (1) 合理选择铸造合金 (2) 控制铸件的凝固顺序 (3) 控制浇注温度和浇注速度,4,铸造应力、铸件的变形与裂纹,当铸件凝固收缩受到阻碍时，会在铸件内产生应力，引起铸件变形或裂纹。铸造应力分为以下三种： 1) 热应力 2) 相变应力 3) 收缩应力 铸造应力会导致铸件变形。防止铸件变形可采取以下措施： (1) 尽量减少铸件内应力 (2) 使铸件结构对称 (3) 采取反变形的
3、工艺补偿量 (4) 修改铸件结构，设置拉筋 (5) 及时进行退火处理,5,合金的偏析及铸件中的气孔,铸件的各部分化学成份、金相组织不一致的现象称为偏析。偏析会使铸件各部分性能不均匀。合金的偏析主要分为晶内偏析和密度偏析。 气孔是铸造生产中最常见的缺陷之一。气孔是气体在铸件内形成的孔洞，表面常常比较光滑、明亮或略带氧化色。 按气孔产生原因和气体来源的不同，气孔可大致分为侵入气孔、析出气孔和反应气孔三类。,6,7.1.2 铸造工艺方法砂型铸造,砂型铸造是将溶化的金属注入砂型，凝固后获得铸件的方法，由于砂型在取出铸件后便损坏，所以砂型铸造也称为一次型铸造。其应用最为广泛。 (1) 砂型铸型的组成：铸
4、型的砂型应有适当的分型面、合理的浇注系统与通气孔、足够的吃沙量。 (2) 型砂：型砂是由原沙、黏结剂、水和附加物按一定比例配合，制成符合造型、造芯要求的混合料。 (3) 造型方法：一般可分为手工造型和机器造型。 (4) 造芯方法：一般可分为整体式芯盒、垂直对分式芯盒和可拆式芯盒三种。 (5) 浇注系统和冒口：引导液态金属流入铸型型腔的通道称为浇注系统，又称浇口。,7,铸造工艺方法特种铸造,随着科学技术的发展，对铸造提出了更高的要求，要求生产出更加精确、性能更好、成本更低的铸件。为适应这些要求，出现了许多新的铸造方法，这些方法统称为特种铸造方法，即特种铸造。 特种铸造方法有熔模铸造、石膏型铸造、
5、陶瓷型铸造、消失模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、挤压铸造、离心铸造、连续铸造、半连续铸造、壳型铸造、石墨型铸造、电渣熔铸等。,8,7.1.3 铸造工艺拟定浇注位置与分型面的确定,铸件的浇注位置是指浇注时铸件所处的位置，分为水平浇注、垂直浇注和倾斜浇注。 分型面是铸型砂箱间的结合面，其合理与否不仅影响铸件质量，还影响能否简化铸造工艺。 浇注位置与分型面的选择密切相关，通常先确定浇注位置再选定分型面，以保证铸件质量。,9,确定浇注位置应遵循的原则,(1) 铸件的重要加工面、主要工作面和受力面应尽量放在底部或侧面 (2) 铸件的大平面尽可能朝下或采用倾斜浇注 (3) 尽量
6、将铸件大面积的薄壁部分放在铸型的下部或垂直、倾斜，将厚壁部分朝上 (4) 热节处应位于分型面附近的上部或侧面 (5) 便于型芯的固定和排气，能减少型芯的数量 (6) 内浇道不要开设在铸件的重要位置 (7) 浇注位置应有利于所确定的凝固顺序 (8) 铸件的浇注位置应有利于型芯的定位稳固 (9) 浇道的开设应便于落砂，在大批量生产中，应使铸件的毛刺和飞边易于清除,10,确定分型面应遵循的原则,(1) 应尽量与浇注位置一致 (2) 分型面一般应取在铸件的最大截面上 (3) 铸件的加工面及加工基准表面尽量放在同一砂型中 (4) 应使铸件有最少的分型面，并尽量做到只有一个分型面 (5) 分型面最好是一个
7、简单而又平直的平面 (6) 应尽量减少型芯、活块的数量 (7) 应尽量避免在铸件非加工表面产生飞边缺陷，避免铸件非加工外圆表面产生飞边的分型方案 (8) 应使铸件全部或大部放在同一砂型，否则错型时易造成尺寸偏差 (9) 应尽量使型腔及主要型芯位于下型，以便于造型、下芯、合型及检验。但下箱型腔也不易过深，否则不易起模、安放型芯,11,主要工艺参数的确定,(1) 机械加工余量：在铸件工艺设计时要预先增加在机械加工时要切去的金属层厚度称为加工余量。 (2) 收缩率：模样尺寸必须比铸件尺寸放大一个该合金的收缩量。 (3) 铸造圆角：设计制造模型时，相邻两壁之间的交角都应做成有过渡圆弧的铸造圆角。 (4
8、) 起模斜度：平行于起模方向的表面在模型或芯盒壁上应设计适当的斜度。 (5) 最小铸出孔、槽尺寸：零件上的孔、槽应尽量铸出，但当孔、槽尺寸过小时可以不铸。 (6) 型芯头：型芯头的形状与尺寸对于型芯在铸件装配中的工艺性与稳定性有很大影响。,12,铸造工艺图及铸件图,(1) 铸造工艺图：铸造工艺图是铸造工艺文件之一，是用文字和各种工艺符号表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施及各种工艺参数的一种图纸。 (2) 铸件图：铸件图是反映铸件实际形状、尺寸和技术要求并根据已定的铸造工艺方案和零件图绘出的图样。它是铸造生产用图，是检验部门检验铸件毛坯的标准图，也是验收的主要依据，
9、其内容有：切削余量、工艺余量、不铸出的孔槽、铸件尺寸公差、加工基准、金属牌号、热处理规范及验收技术条件等。,13,7.2 金属锻压成形7.2.1 自由锻成形,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。主要有一下几部分： 1) 镦粗：镦粗是使毛坯高度减小，横断面积增大的锻造工序。 2) 拔长：拔长是使毛坯横断面积减少，长度增加的锻造工序。 3) 冲孔：冲孔是在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造过程。 4) 弯曲：弯曲是采用一定的工模具将毛坯弯成所规定外形的锻造工序。 5) 错移：错移是将坯料的一部分相对另一部分错移开，但仍保持轴心平行的锻造工序。 6) 扭转：
10、扭转是将坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定的角度的锻造工序。 7) 切割：切割是分割坯料或切除锻造余料的锻造工序。 辅助工序：辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。 精整工序：精整工序是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序。,14,自由锻工艺规程的制定,工艺规程是保证生产工艺可行性和经济性的技术文件，是指导生产的依据，也是生产管理和质量检验的依据。工艺规程的主要内容和制定步骤如下： (1) 绘制锻件图：锻件图是根据零件图绘制的。 在锻件需要切削的相应部位必须增加一部分金属余量，即加工余量。 实际尺寸与名义尺寸间有一定的偏差，即锻造公差。 为了简化锻件形状而加上去的那部分金属称为
11、工艺余块。 (2) 确定坯料的质量及尺寸： 坯料的质量是根据锻件的形状和尺寸，再考虑加热时氧化损失，冲孔冲掉的料芯及切头损失等计算出来。 坯料尺寸的确定与锻件加工时所采用的第一道基本工序有关。 锻件锻造工序的选择一般是根据其形状特征和形状、尺寸、各种锻造工序的特点及已有的实践经验，结合现场条件来进行安排。,15,7.2.2 模锻成形,模型锻造是在模锻设备上利用锻模对金属材料进行锻造成形的一种工艺方法。 按模锻使用设备的不同可分为： 锤上模锻 摩擦压力机模锻 热模锻压机模锻 水压机模锻,16,锻模,锻模是用高强度合金制造的成形锻件的模具。锻模上有使坯料成形的型腔，称之为模膛。根据模膛的作用分为模
12、锻模膛和制坯模膛两大类。模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两种。 制坯模膛主要分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛和切断模膛等。 根据模锻件复杂程度的不同，变形所需要的模膛数量各异，可将锻模设计成单模膛形式，也可设计成多模膛形式。,17,模锻的工艺规程,制定模锻锻件图：模锻锻件图是设计和制造锻模、计算坯料尺寸及检查锻件的依据。制造模锻锻件图应考虑以下几个方面： 分模面是上、下锻模在锻件上的分界面。 余量、公差和敷料 模锻件斜度 模锻件圆角半径 模锻工步主要是根据模锻件的形状和尺寸来确定的。 坯料在锻模内制成模锻件后，尚须经过一系列修整工序，以保证和提高锻件质量。,18,7.2.3 板料冲压板料冲压基
13、本工序,分离工序是利用冲模或剪力使坯料分离的工序，包括： 切断 冲裁、落料与冲孔 整修 变形工序是使坯料产生塑性变形而不破裂的工序，包括： 弯曲 拉深 翻边 缩口 压筋 胀形,19,冲模及冲压件的结构设计,冲模是冲压生产中必不可少的模具，按冲模使用过程中工序的复合程度，可分为：(1) 简单模 (2) 连续模 (3) 复合模。 对冲裁件形状和尺寸的要求： 落料与冲孔的形状应简单，对称，尽量采用规则形状 冲压件应采用圆角代替尖角连接 对弯曲件形状和尺寸的要求： 弯曲件形状应尽量对称。 弯曲边高的尺寸应大于坯料厚度的2倍。 对拉伸件形状和尺寸的要求： 拉伸件外形应简单，对称，应尽量使成形容易。,20
14、,7.2.4 塑性成形新技术,复合塑性成形技术指将不同种类的塑性加工方法组合起来，或将其它金属成形方法（如铸造、粉末冶金等）和塑性加工方法结合起来使用，使变形金属在外力作用下产生流动和变形，从而得到所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法。 近年来，将热锻与冷锻结合起来的热锻冷锻技术，在板料冲压和冷锻基础上开发出来的冲压冷锻技术，结合锻造和铸造工艺特点开发出来的铸造锻造技术和半固态成形技术等新型复合塑性成形技术优点显著，在生产中被有效的利用，取得了良好的技术和经济效果。,21,7.3 金属焊接成形7.3.1 焊接工艺基础,焊接接头的种类及接头型式 焊接中，由于焊件的厚度、结构及使用条件的不同，其接
15、头型式及坡口形式也不同。焊接接头型式有：对接接头、T形接头、角接接头及搭接接头等。 根据坡口的形状，坡口分成I形（不开坡口）、V形、Y形、双Y形、U形、双U形、单边V形、双单边Y形、J形等各种坡口形式。 坡口的几何尺寸描述中有以下几个常用术语： 坡口面 坡口面角度和坡口角度 根部间隙 钝边 根部半径,22,焊接位置的种类,焊接位置，即熔焊时，焊件接缝所处的空间位置，可用焊缝倾角和焊缝转角来表示。有平焊、立焊、横焊和仰焊位置等。 焊缝倾角，即焊缝轴线与水平面之间的夹角。焊缝转角，即焊缝中心线（焊根和盖面层中心连线）和水平参照面Y轴的夹角。共有以下几种位置：平焊位置、横焊位置、立焊位置、仰焊位置、
16、平角焊位置和仰角焊位置。,23,焊缝形式及形状尺寸,焊缝形式 按焊缝结合形式，可分为对接焊缝、角焊缝、塞焊缝、槽焊缝和端接焊缝五种。 按施焊时焊缝在空间所处位置分为平焊缝、立焊缝、横焊缝及仰焊缝四种形式。 按焊缝断续情况分为连续焊缝和断续焊缝两种形式。 焊缝的形状尺寸 焊缝宽度 余高 熔深 焊缝厚度 焊脚 熔合比,24,7.3.2 焊接成形方法,焊接技术主要应用在金属母材上，常用的有电弧焊、氩弧焊、CO2保护焊、氧气-乙炔焊、激光焊接、电渣压力焊等多种，塑料等非金属材料亦可进行焊接。金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。 熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。 压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。 钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。,25,焊接工艺拟定,焊接接头工艺设计包括焊接接头形式和坡口选择以及焊缝布置两个方面。
