工程材料的成形技术

《工程材料的成形技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料的成形技术（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、工程材料的成形技术 工程材料 使用性能 工艺性能：使用性能在加工过程中 的综合反映，指是否易于采用各种 成形工艺进行加工的性能 力学性能 物理性能 化学性能 工程材料只有通过各种不同的成形工艺，制造成毛坯 或制品，才能体现其使用价值 成形：利用熔化、结晶、塑性变形、扩散变 形等物理化学变化，按预订的设计要求成形为 所需的具有一定形状、性能的机械构件。 成形方法 热加工 冷（机）加工金属切削（减料） 快速成形 RP(Rapid Prototyping) （增料）：快速出样件技术 成形技术 通过一定工艺、手段使材料具备某种形状 ，以便加工成装备部件的方法。 液态成形、塑性成形、连接成形、冷加工 成

2、形 概述 一、金属材料的热加工成形的分类 1、液态成形 （铸造）熔融状态（高温）的金属浇入具有一 定形状的型腔的铸型中，在重力或外力作用下，冷却 并凝固成具有型腔形状的铸件。 2、固态成形 (锻造）坯料加热至一定温度下，对坯料施加 压力，使其塑性变形以改变尺寸、形状及性能，用以 制造零件的方法。 冷冲压。 3、连接成形 （焊接）通过加热或加压，两部分固态金属局 部融化（局部高温）后融合成一整体 。 二、内容 1、成形方法 介绍各种成形的基本工艺原理与相关的影响因 素。 2、成形工艺 各种成形生产过程中的基本工艺参数及条件。 （温度、尺寸等） 3、结构工艺 工件通过各种成形方法生产时所需的基本结

3、构 要求。 三、学习方法 1、时间 2、教学方式 3、考核要求 4、参考书 机械制造基础、工程材料与成形技术、金属工艺学（ 邓文英） 第六章 金属液态成形技术 一、概述 1、定义：液态合金、浇注、型腔、冷却、 取出（获得）毛坯。 2、种类（按造型方法）：砂型、特种 3、铸造的特点： （1）应用广泛 （2）是机械零件或毛坯的主要加工方法（内腔和外 形复杂的毛坯） （3）铸件的形状和尺寸与零件接近 （4）绝大多数金属均能用铸造制成铸件 （5）缺点：缩孔、缩松、气孔、浇不足、冷隔等 二、液态合金的凝固特点（凝固与结晶） 1、 按合金的结晶性能： 温度范围 a、逐层 凝固方式：纯金属或共晶成分的合金

4、b、糊状 凝固方式：合金的结晶温度范围宽 c、中间凝固：表面先结晶呈等轴状晶粒，而后在 铸件截面一定宽度的凝固区内同时结晶。 2、影响凝固方式的因素 a、合金的结晶温度范围-成分 b、铸件的温度梯度过冷度 合金的性质、铸型的蓄热能力、浇注温度 实质：液态金属逐步冷却凝固成形的 三、液态合金的充型： 液态金属充满型腔获得与型腔尺寸、形状相 符合的铸件，这种获得形状完整、轮廓清晰的 铸件的能力。 （一）、影响充型能力的途径： （1）金属液的流动时间金属与铸型间的 热交换条件 （2）流动速度 (二)、影响充型能力的因素: 液态合金的流动性、浇注条件、铸型条件及 铸型结构 1、液态合金的流动性： （1

5、）定义：液态金属本身的流动能力 （2）流动性好充型能力；排杂能力；补缩 （3）测量：螺旋形流动试样 （4）影响因素 A、合金种类 灰铸铁铝硅合金铸钢（熔点） B、合金的化学成分 温度范围 *形式：a、逐层 b、糊状 c、中间 C、合金的纯净度 2、浇注条件对充型能力的影响 A、浇注温度的影响 保证充型能力足够的前提下，尽量降低浇注温度。 高温出炉，低温浇注？薄壁上限、厚大下限？ B、充型压力： 3、铸型条件对充型能力的影响 A、铸型材料：导热冷却 B、铸型温度：温度差 C、 铸型表面：粗糙度、附加层（涂料） D、铸型中的气体 4、铸件的结构：宽窄程度最小允许壁厚 临界壁厚 四、收缩性 1、三阶

6、段 液态凝固固态 液面下降 收缩 收缩是缺陷产生的根本原因：液态和凝固收缩是产生缩孔和 缩松的主要原因；固态收缩是产生内应力、变形和裂纹的主要 原因 2、影响因素 a、合金种类 （灰铸铁铝合金铜合金铸钢） b、浇注温度 C、铸件形状 三、缩孔的形成与防止 1、 定义： 縮孔形成 必然性 縮松 2、形成位置 热节？内切圆法、凝固等温线法、计算机模拟 3、防止 定向（顺序）凝固：使离开“进口”的温度梯度下 降 A、冒口：转移缺陷 B、浇口直补 C、设置冷铁（厚大）：提高局部冷却速度 d、选择流动性好的合金 四、铸造应力与变形、裂纹 1、铸造应力拉应力，压应力残余应力 按产生原因：热应力、机械应力、

7、相变应力 按阻碍收縮的原因： 热应力、收縮应力 (1)、热（内）应力的形成 由于冷却速度不同各部分收缩量不 同彼此相互制约应力(热应力） 哪部分受拉？规律？ (2)、收縮应力机械阻碍应力 （3）、内应力的防止 A、结构上：壁厚均匀、对称 B、尽量采用线收縮率小、E小的合金 C、提高铸型温度 D、工艺上：同时凝固 E、改善铸型和型芯的退让性 F、去应力退火 2、变形的控制 A、判断变形方向（变形规律） B、“预变形”（反变形) C、机加工的工艺安排 D、改变铸件结构：减少差异，趋向于同时凝固 E、控制铸件的打箱时间 F、在铸造应力集中的部位设置拉筋：防止变形 铸筋有两类：拉筋与收缩筋 收缩筋：防

8、止铸件产生热裂 G、对于平板类的铸件，浇注时加大压铁的重量可提高 铸型刚度防止变形，但增大应力。 特征：尺寸短、缝隙较宽、形状曲折、缝内呈氧化色 4、铸件的裂纹与防止措施 据形成的温度不同：热裂、冷裂 （1）热裂：是在合金凝固末期的高温下形成的。 高温下金属的强度低，若受到铸型或型芯的阻碍， 超过该温度下的抗拉强度。 在铸钢件和铝合金常见 影响因素： a、合金的性质（结晶范围宽倾向大；硫 的存在） b、铸型阻力：凝固收缩受阻 防止: 选择结晶温度范围小的合金；增加型芯、型砂 的退让性；S的含量；收缩筋；铸件的结构 （2） 冷裂： 在低温下合金冷却至弹性状态下，当大于 b形成的 。（P) 在铸件

9、受拉应力的部位-应力集中地集中 特征:表面光滑,具有金属光泽或微呈氧化色圆 滑曲线或 直线 防止： a、适当的调整合金的化学成分（P量） ， 缩小 凝固温度范围或接近共晶成分 b、减低内应力（同时凝固）和合金的脆性 c、提高铸型和型芯的退让性以减少收缩应力 温裂： 铸件在切割浇冒口、焊补缺陷或进行热处理等 较低温度下，由于操作不当而增大了温差应力 防止：清场时不可过早开箱，不可重复敲击一处， 用力要均匀 铸件中常见的缺陷：粘沙、气孔、砂眼（铸件的表 面或端面，抛丸或机加工才见）、渣眼、冷隔、 白口 1.偏析:铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏 析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量

10、偏析三类。 (1)晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均 匀的现 象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件 中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却 或孕育处理的方 法。 (2)区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。 避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温 度不要太高 ，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措 施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时 凝固。 (3)比重偏析 铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为 比重偏析。为防止 比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加 速合金液的冷却， 使液相和固相来不及分离

11、，凝固即告结束。 铸造合金的偏析和吸气性 5、铸件中的气孔 按来源分：侵入性、析出性、反应性 （1）侵入性气孔 ：是由于铸型表面聚集的气体侵入金 属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺 寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或 有轻微氧化色。 防止：降低型砂的发气量，增加铸型、型芯的排气 ，刷涂料使型砂与金属隔开 （2）析出性气孔 ：是溶解在金属液中的气体，在 凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的 气孔。 其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、 椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。 防止：减少合金的吸气量，对金属进行除气，提高冷 却速度或在压力下凝固 （3）反应性气

12、孔： 浇入铸型中的金属液与铸型材料、 型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形 成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸 件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm- 3mm。 防止：保持工具的干燥 六、常用合金的铸造性能 1、铸铁:是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。 铸铁的分类 :根据碳在铸铁中的存在形式分类 （1）白口铸铁 指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁，断口 呈银白色。 （2）灰铸铁 指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰 色。它是工业中应用最广的铸铁。 （3）麻口铸铁 指碳部分以游离碳化铁形式出现，部分以石墨 形式出现，断口灰白相间。 根据铸铁中石

13、墨形态分类 灰铸铁（HT）：流动性好、收缩性小 球墨铸铁（QT）：流动性略差、收缩性，内应力较大 ，需要工艺上增加控制 蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状 可锻铸铁：熔点高，无石墨化，收缩大，定向凝固 2、铸钢：温度高、糊状，缺陷大（塑性、韧 性比铸铁高-承受重载荷及冲击载荷的零 件） 3、铸铝：具有良好的铸造性能 4、铸铜：收縮大，需设置冷铁和冒口，定向 凝固防止缩孔 三类收缩的对铸件质量的影响 液态收缩和凝固收缩 缩孔 缩松 固态收缩（线收缩） 影响铸件尺寸精度 铸造应力 变形 裂纹 第二节金属液态成形的方法 按铸型的特点：砂型铸造和特种铸造 一、砂型铸造： 以型砂为造型材料，用人工或机械方法 在砂箱

14、内制造出型腔及浇注系统的方法。 传统适用于各种形状、大小及各种 常用合金回收率好 砂型铸造流程 型芯 型（芯）砂 模样 金属材料 的熔炼 型腔（型芯） 冷却 带砂的工件 破碎后 的型砂 工件 造型是砂型铸造最基本的工序：手工、机器 1、特点： 手工：适应性强（尺寸）、成本低； 单件、小批量； 劳动强度大、效率低、精度质 量都较差；操作技术要求高；环境差。 机器：质量较稳定，大批量； 投资大。 凝固速度慢，晶粒粗大影响力学性能 ，不太适合作精密产品。 二、特种铸造 铸型用砂少或不用砂，通过改变铸型的材 料、造型工艺或液态金属的充填条件等因 素进行铸造的方法。 特点： 铸件精度和表面质量高 铸件内

15、在性能好、原材料消耗低 铸件的结构、形状、尺寸、材料种类等受 到一定限制 一、金属型铸造（重力） 铸型用金属制成：制造铸型的熔点应高于浇 注合金的熔点 1、根据分型面位置不同：垂直、水平和复合分型式 2、工艺过程：（制造铸型）表面涂料（减缓冷却 速度等）加热铸型（降低温差，防白口、出型 容易）合模（抽芯结构）浇注冷却开模 取出铸件 特点：尺寸精度高、机械加工余量小；晶粒 较细，力学性能好；铸型重复使用 缺点：铸铁件表面易产生白口，切削加工困 难；受材料熔点的限制，熔点高的合金不适用 2、压力铸造 液态或半固态金属在高压下高速充型并 凝固而获得铸件的方法 A、过程： 同金属型类似，区别在于浇注、

16、凝固与 冷却（结晶）高压下进行（30-70MPa）、 并高速充型（速度0.01-0.2s）。同时工件 从模中自动顶出。 按压室工作条件不同分为冷、热压。 B、特点： 形状复杂、精密度高、效率好、气孔 3、低压铸造 缓慢向坩埚炉内通入干燥的压縮空气，金属 液受气体压力的作用，由下而上充满型腔 A、过程 利用气体压力（0.1MPa）使坩埚里的 液态金属自下而上压入铸型并在压力下凝 固冷却。 B、特点： 浇注时压力与速度可调节；充型平稳、 排气性好、组织缺陷少、材料利用率高， 适合做要求较高的重要零件 4、离心铸造 A、过程 离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中 ，在离心力的作用下填充铸型而凝固成型。 有卧式和立式离心铸造两类。 根据铸件直径的大小来确定转速 B、特点 生产中空(筒、管类)铸件不用型芯 、无 浇冒口系统 ；可提高充型能力；改善了补縮 条件；内孔尺寸难以准确控制、表面粗糙； 5、熔模铸造 A、过程 用易熔材料（蜡）模样型壳:涂敷多 层耐火材料（挂浆、撒砂、硬化）型壳 加热，融化倒出蜡模焙烧外围填砂（ 固定）浇入液体金属冷却取出。 B、特点 无分型面铸件精度高，表面质量好；可铸形