金属材料的 成型 工艺

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1、第二章 金属材料的成型工艺,4-1 铸造工艺 4-2 压力加工工艺 4-3 金属与金属的连接 4-4 金属的切削加工工艺 4-5 金属材料的表面装饰技术,4-1 铸造工艺,一. 铸造发展历程 我国的金属铸造生产，历史悠久，成就辉煌。古代劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺，其中以泥范、铁范和熔模铸造最重要，称为古代三大铸造技术。 20世纪以来铸造业的重大进展中，灰铸铁的孕育处理和化学硬化砂造型这两项新工艺有着特殊的意义。 二. 铸造的基本概念及方法 金属铸造是将熔融态的的金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。 一般分为：砂型铸造方法和特种铸

2、造方法（熔模铸造、金属性铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、连续铸造等）,手工造型 机器造型,金属型铸造 熔模铸造 压力铸造 低压铸造 陶瓷型铸造 离心铸造,液态成型工艺,砂型铸造,特种铸造,铸造成型工艺的特点： 优点： 适应性强。不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制，在大件的生产中，铸造的优越性有为显著。 成本低廉。铸造使用的原材材料成本低，单件小批量成产时，设备投资少。 缺点：容易出现铸造缺陷（缩孔、疏松、气孔、砂眼等），工序繁多，废品率较高。,常用铸造金属材料：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等。,砂型铸造-手工造型分型方案选定,砂型铸造的注意事项： （1）力求铸件的外形简单，轮廓平

3、直。 （2）内腔设计成开口结构要有拔模斜度。 （3）砂型铸造表面粗糙，不适宜做表面精度要求较高的的产品。 （4）壁厚要均匀，最小壁厚不得小于合金的最小壁厚，内壁厚度应比外壁薄，防止应力和裂纹。 （5）铸件表面设计应避免采用凸线和凹沟。,特种铸造,特种铸造,金属型铸造,离心铸造,压力铸造,熔模铸造,低压铸造,挤压铸造,陶瓷型铸造,1.熔模铸造（石蜡铸造）,熔模铸造的注意事项： （1）铸型没有分形面，不必考虑起模的问题。 （2）熔模铸造只适用于质量小于25千克的小铸件。 （3）铸件的壁厚应保持均匀，太厚处应设有孔的方法改进。 主要应用：各种造型精美的、带有花纹和文字的钟鼎和器皿。,2.金属型铸造（

4、永久型铸造）,注意事项： （1）通常使用金属铸型和型芯，无退让性，铸件的形状简单。 （2）金属型的铸型和型芯制造困难，成本高，所以铸件的质量不易太大。 （3）受铸型的限制，金属型铸件合金熔点不宜太高。 主要应用：内燃机的铝壳、气缸体、缸盖、油泵壳体等,3.压力铸造,注意事项： （1）使用金属铸造型和型芯，无退让性，铸件的形状设计的尽量简单。 （2）压力铸造使用的铸型和型芯，制造困难，成本高，铸件不可能太大。同时受压铸机的吨位限制。 （3）可以铸造表面清晰的花纹、图案及文字，可获得满意的外观质量.可以直接铸出螺纹、小孔、齿形等，但是一般不能铸内螺纹。,4.离心铸造,注意事项： （1）离心铸件的内

5、表面质量差，孔的尺寸不易控制。 （2）对于内孔待加工的机械零件，采用加大内孔的加工余量的方法。 主要应用：铸铁管，缸套及滑动轴承，也可以采用熔模壳离心浇注刀具、齿轮等。,4-2 金属塑性加工工艺,金属塑性加工：是指在外力作用下，使金属坯料产生预期的塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。 优点：利用金属塑性成型过程不仅能得到强度高、性能好的产品，且多数成型过程具有生产效率高，材料消耗少等优点。 金属塑性加工的分类方法： 轧制、挤压、拉拔、自由锻、模型锻造、板料冲压。 通常轧制、挤压、拉拔主要是生产各类型材、板材、管材和线材等二次加工的原料。,1.锻造,按变形温度则可分

6、为： （1）热锻压 工件加热到再结晶温度以上的锻压。提高温度能改善金属的塑性，使之不易开裂。当金属有足够的塑性和变形量不大时，或变形总量大而所用的锻压工艺有利于金属塑性变形时，常改用冷锻压。 （2）温锻压 工件加热到超过常温但又低于再结晶温度的锻压。其精度较高，表面较光洁，变形抗力不大。 （3）冷锻压 工件在常温下的锻压。冷锻压成形的工件，形状和尺寸精度高，表面光洁，加工工序少，便于自动化生产。当加工工件大、厚，材料强度高、塑性低时，都采用热锻压。 （4）等温锻压 工件在整个成形过程中温度保持不变。等温锻压是为了充分利用某些金属在某一温度下所具有的高塑性，或为了获得特定的组织和性能，所需费用较

7、高，仅用于特殊的锻压工艺，如超塑成形。,锻造基础知识 锻造是对金属坯料（不含板材）施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能,用以制造机械零件、工件、工具或毛坯的成形加工方法。 根据在不同的温度区域进行的锻造，针对锻件质量和锻造工艺要求的不同，可分为冷锻、温锻、热锻三个成型温度区域。一般地讲，在有再结晶的温度区域的锻造叫热锻，不加热在室温下的锻造叫冷锻。 根据坯料的移动方式，锻造可分为自由锻、镦粗、挤压、模锻、闭式模锻、闭式镦锻。 根据锻模的运动方式，锻造又可分为摆辗、摆旋锻、辊锻、楔横轧、辗环和斜轧等方式。 锻件与铸件相比，一般说来，铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻

8、造加工能保证金属纤维组织的连续性， 使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的。金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。,2.轧制,轧制：将金属靠摩擦力的作用，连续通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材（如圆钢、方钢、工字钢等）的加工方法。,3.挤压,挤压：将金属坯料置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成型，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。,4.冲压,冲压：金属板料在冲压模之间受压产生分离或产生塑性变形的加工方法。 按加工

9、温度分类：热冲压和冷冲压。前者适合变形抗力高，塑性较差的板料加工；后者在室温下进行，是薄板常用的冲压方法。,冲压基础知识 冲压有时也称板材成形, 但略有区别。所谓板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作为原材料进行塑性加工的成形方法统称为板材成形，此时，板厚方向的变形一般不着重考虑。 影响因素：冲压材料、冲压模具、冲压设备。 (1) 冲压材料 冲压板材质量的衡量指标：冲压特性、化学成分、金相组织、厚度公差和表面质量。 (2) 冲压工艺与设备 冷冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料金属进行加工，从而一定形状和尺寸并保证有一定外观和强度性能的零件加工

10、方法。冷冲压在加工中不产生切屑，生产效率高，冲压件的互换性强。冷冲压工艺大致可分为分离工序与成形工序和复合工序（两类工序集中于同一模具中完成）三大类。,切断 分离工序 落料 冲孔 切边 剖切 拉深、变薄拉深、翻边、胀形 变形工序 弯曲、卷圆、扭曲、翻孔、拉弯 缩口旋压 、校形、扩口、起伏 备料工序： 校平、清洗、剪裁、修整、辗压等 辅助工序：涂刷润滑剂、洗出油垢、去毛刺、退火等 修饰工序：抛光、喷漆、发蓝、氧化、镀覆,(3) 冲压模具 模具是指安装在特定设备上，并通过设备加温加压而使材料得以成型的工具。其形状常是零件形状的“反形” 制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低

11、熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。 一般情况下，大批量生产所使用的冲压模具主要为钢模； 对单件小批量生产则可使用钢皮模； 对于新产品试制多采用低熔点合金钢模具； 对于中、小批量生产的一些大型拉延模具，常选用铸铁基环氧树脂塑料模具。,冲压件的注意事项：,冲孔尽量力求简单对称，尽量采用圆形、矩形等，避免长槽和细长的悬臂结构。 冲孔时，圆孔的直径不得小于材料的厚度，方孔边长不得小于材料厚度的0.9倍。 为了避免应力集中，而

12、引起的模具开裂，轮廓转角处应为圆角半径。 为防止弯裂，弯曲时考虑纤维方向，同时不能小于材料的弯转半径。,4-3 金属与金属的连接,金属与金属的连接一般三种方法：焊接、黏合、机械连接 一. 焊接概述 焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。 金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。 在各种产品制造工业中，焊接与切割（热切割）是一种十分重要的加工工艺。 焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接

13、，因而已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天技术、原子能、电力、电子技术及建筑等部门。 常用的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊。,气焊 电渣焊 手工电弧焊 自动焊 电弧焊 埋弧焊 熔焊 等离子焊 气体保护焊 半自动焊 电子束焊 激光焊 点焊 电阻焊 缝焊 摩擦焊 对焊 压焊 冷压焊 爆炸焊 超声波焊 扩散焊 软钎焊 钎焊 硬钎焊,1. 锻焊 把被连接的两块材料加热到接近熔点的温度（但不能达到熔点），然后加压形成连接。锻焊一般用斜接头连接，锻焊制件的力学性能好，残余应力小。 2. 冷压焊 冷压焊是在室温下，借助压力使待焊金属生产塑性变形而实现固态焊接的方法。通过塑性变形挤出连接

14、部位界面上的氧化膜等杂质，使纯洁金属紧密接触，达到晶间结合。 搭接冷压焊时，将工件搭放好后，用钢制压头加压，当压头压入必要深度后，焊接完成。用柱状压头形成焊点，称为冷压点焊；用滚轮式压头形成长缝，称为冷压滚焊。搭接主要用于箔材、板材的连接。冷压焊由于不需加热、不需填料，设备简单；焊接的主要工艺参数已由模具尺寸确定，故易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产率高，成本低；不用焊剂，接头不会引起腐蚀；焊接时接头温度不升高，材料结晶状态不变，特别适于异种金属和热焊法无法实现的一些金属材料和产品的焊接。冷压焊已成为电气行业、铝制品业和太空焊接领域中最重要的有限几种焊接方法之一。,3. 爆炸焊 爆炸焊是以炸

15、药为能源进行金属间焊接的方法。这种焊接是利用炸药的爆轰，使被焊金属面发生高速倾斜碰撞，在接触面上造成一薄层金属的塑性变形，在此十分短暂的冶金过程中形成冶金结合。 爆炸焊的特点是： 1）能将任意相同的、特别是不同的金属材料迅速牢固地焊接起来。 2）工艺十分简单，容易掌握。 3）不需要厂房、不需要大型设备和大量投资。 4）不仅可以进行点焊和线焊，而且可以进行面焊爆炸复合，从而获得大面积的复合板、复合管和复合管棒等。 5）能源为低焊速的混合炸药，它们价廉、易得、安全和使用方便。 爆炸焊也是以化学反应热为能源的另一种固相焊接方法。但它是利用炸药爆炸所产生的能量来实现金属连接的。在爆炸波作用下，两件金属

16、在不到一秒的时间内即可被加速撞击形成金属的结合。 在各种焊接方法中，爆炸焊可以焊接的异种金属的组合的范围最广。可以用爆炸焊将冶金上不相容的两种金属焊成为各种过渡接头。爆炸焊多用于表面积相当大的平板包覆，是制造复合板的高效方法。,爆炸焊,摩擦焊,4. 摩擦焊 摩擦焊接是一种固态焊接方法，即通过机械摩擦运动及施加载荷，然后利用摩擦热使金属或非金属之间互相连接。在正常条件下接合面没有熔化。这种焊接方法不需要填充金属、焊剂和保护气体。 摩擦焊的优点： 1）焊接质量好而且稳定。 2）焊接生产率高。 3）生产费用低，由于焊机功率小，焊接时间短，故可节省电能。 4）能焊接异种钢和异种金属。 5）摩擦焊机容易实现机械化和自动化。操作简单，容易掌握和维护。工作场地卫生，没有火花弧光及有害气体。 缺点与局限性： 1）摩擦焊主要是一种工件旋转的对焊方法。对于非圆形横断面工件的焊接是很困难的。盘状工件和薄壁管件，由于不容易夹固也很难焊接。 2）