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1、第二章金属材料加工基础本章内容及要求1. 本章共两节，教授课时 2 学时，通过本章学习，要掌握金属材料的两种加工方法，即铸造和压力加工，的分类、特点、工艺过程及应用。2.1 铸造2.2 金属的压力加工2. 重点是砂型铸造和锻造的工艺工程，特点与应用。3. 要求： 掌握砂型铸造的工艺过程、特点与应用；了解几种特种铸造的工艺特点；了解铸造与压力加工的应用特点；掌握锻造的工艺工程，特点与应用；了解板料冲压、轧制、挤压和拉拔的工艺过程。具体内容第一节铸造一、铸造生产概述1.什么是铸造：铸造是液态金属成形的方法。是熔炼金属、制造铸型并将熔融金属浇入铸型、凝固后获得成形毛坯或零件的一种生产方法，是机器零件
2、成形的主要方法之一。2.铸造的应用：应用广泛：在汽车、拖拉机中铸件重量约占60 70，在金属切削机床中约占 70 80，在重型机械、矿山机械、水力发电设备中约占85以上。在铸造生产中应用最广泛的金属材料有各种铸铁、铸钢和青铜、黄铜、铝合金以及锌合金等有色金属材料，不同的铸造材料具有不同的铸造性能，它与铸件的质量密切相关。3.铸造的特点：1) 铸造是液态成形。由于液态金属易于成形，因而能铸造出各种尺寸形状复杂的1铸件。铸件的轮廓尺寸可小至几毫米，大至几十米，重量可从几克到数百吨，几乎可以铸造出任何形状的铸件，特别是内腔很复杂的铸件，这是其它成形方法难以达到的。2) 对于一些不能或不宜用锻压、焊接
3、生产的铸铁件、青铜件等，铸造是一种较好的成形方法。绝大多数金属材料均能用铸造方法生产铸件。3) 铸造用原材料来源广，价格低廉，材料消耗和切削加工费少，生产周期短，因而铸件成本较低。4) 铸造生产工序多，每一道工序都将直接或简接地影响铸件的最终质量。特别是铸造原材料、熔炼质量、铸造方法和浇注工艺对铸件所产生的缩孔、缩松、气孔、夹渣、夹杂物和裂纹等缺陷都有很大影响。4.铸造方法：1) 砂型铸造：目前砂型铸造仍是最主要的铸造方法，生产的铸件约占铸件总产量的 80以上。但是砂型铸造生产工序较多，有些工艺过程难以控制，因此易产生一些铸造缺陷，铸件质量也不够稳定，废品率较高。2) 特种铸造：是一种少用或不
4、用型砂而采用特殊的工艺装备使金属浇注成形的铸造方法。因此可以获得表面光洁、尺寸更精确和质量高的铸件。二、砂型铸造砂型铸造是指用型砂制备铸型来生产铸件的铸造方法。有别于砂型铸造的其他铸造方法称为特种铸造。（一）砂型铸造的基本生产过程砂型铸造的生产过程包括技术准备、生产准备和工艺过程三个环节。1技术准备在铸造生产开始前，应根据零件的结构特点、技术要求、生产类型以及生产条件等，制订出铸造工艺方案，作为指导制模、造型、浇注等过程的工艺文件。铸造工艺设计的内容主要包括确定浇注位置和分型面、加工余量和收缩量、浇注系统和补缩系统等。（1）浇注位置和分型面的选择浇注位置是指浇注时铸件在铸型中的位置。在确定浇注
5、位置时，需要遵循许多原则，主要以保证铸件质量为前提，同时尽量作到简化造型工艺和浇注工艺。2浇注位置的选择： 质量要求较高或重要的加工表面，浇注时尽量放在下面；铸件的大平面尽可能朝下；铸件的薄壁部分放在下部或侧面；浇注位置应有利于所确定的凝固顺序。为完成造型、取模、设置浇冒系统和安装砂芯等需要，砂型型腔必须由两个或两个以上的部分组合而成，铸型的分割或装配面称为分型面。铸型的分型面主要由铸件的结构和浇注位置所决定。分型面的选择： 尽可能将铸件的全部或大部分放在同一砂箱内；尽量减少分型面的数目，用平直分型面代替特殊形状的分型面；分型面总是放在铸件的最大截面处，以便于起模。（2）确定主要工艺参数在确定
6、了铸件的铸造工艺方案后，还需正确选择收缩量、机械加工余量、拔模斜度等工艺参数。通常，用铸件作毛坯的机械零件比较复杂。但考虑到铸造工艺的特点以及为后续成形提供方便，需对铸件结构进行适当简化。（3）浇注系统设计浇注系统是指金属液填充型腔而开设于铸型中的一系列通道。组成部分： 浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道设计原则： 确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔。如图 2-1。浇注系统必须确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔。（4）补缩系统设计为了消除由于金属的液态收缩和凝固收缩而产生的缩孔和疏松，铸造工艺上普遍采用设置冒口、 冷铁等工艺措施， 以控制铸件的凝固过程， 补充铸件的液态收缩。冒口：金属液最后凝
7、固的地方极易形成缩孔，为防止产生缩孔，通常在这些部位上方型腔中预制出与这些部位相通的较大的储液空腔。冒口的作用： 补缩、排气、集渣、观察金属液等。冒口的设计原则： 冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间；冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件内部的体收缩；冷铁：为了增加铸件局部冷却速度， 在铸型局部区域设置激冷能力强的材料，例如铸铁、铸钢或石墨等， 称为冷铁。冷铁的大小和材质需考虑铸件的结构和材质，根据传热学理论进行设计。作用：是为了加速铸件厚壁部分的冷却，使其与邻近部位同时凝固，避免出现缩孔、缩松等缺陷。3分类：内冷铁 是采用与铸件材质相同或相近的材料直接插入需要
8、激冷处的型腔内，随后与浇注金属熔接在一起，成为铸件的一部分； 外冷铁 只与铸件上被激冷部位表面相接触而不熔接，故可重复使用。2生产准备（1）模样和芯盒的设计在造型时，为获得与铸件形状和尺寸相适应的铸型空腔，必须用一个与铸件的形状和尺寸相适应的模样。模样决定了铸型型腔即铸件外部轮廓的形状和尺寸。模样是铸型的基本工艺装备。它除了比铸件尺寸大出一个收缩量外，还需带有合箱时放置型芯用的型芯头。同样，对于有孔或其他中空铸件，需由型芯来获得。用于制造型芯的工艺装备称为芯盒。因而由芯盒制造的型芯决定了铸件内部轮廓形状和尺寸。考虑到金属的收缩，芯盒的尺寸应比铸件的尺寸大一个收缩量。（2）型（芯）砂的制备砂型铸
9、造中，由型（芯）砂制成的铸型或型芯应具有一定的强度、透气性、退让性和溃散性。其性能除与造型时的紧实程度有关外，主要取决于型砂的成分。型砂的组成： 是由原砂（例如石英砂、铬铁矿砂或锆英砂等） 、粘结剂（粘土、水玻璃或树脂等）和附加物等按一定比例混制而成的混合料。其中，原砂是型砂组成中的基本部分。原砂的主要成分是石英（ SiO2）。原砂中的 SiO2 含量高、粒度均匀、颗粒圆整而粗大，则耐火度高。粘结剂的作用是使原砂颗粒粘结在一起。砂型铸造的粘结剂可以分为无机粘结剂 （包括粘土、 膨润土、水玻璃）和有机粘结剂（包括植物油、合脂、树脂）两大类。型砂制备是根据对型（芯）砂的性能要求，将一定配比的各种成
10、分通过混碾等操作，使之成为成分均匀和松散的符合造型和制芯要求的型（芯）砂。型砂的配比要求：型砂原砂稀释剂粘结剂石铬锆水粘水树英英溶玻铁砂矿砂剂土璃脂砂43砂型铸造的基本工艺过程砂型铸造的基本工艺过程如图2-2 所示。（1）造型（制芯）制造砂型的过程称为造型，制造砂芯的过程称为制芯。造型方法按照机械化程度可以分为手工造型（制芯）和机器造型（制芯）两大类。其中，手工造型是指用手工完成向砂箱填砂、紧实型砂、起模及合箱等基本操作的造型过程。机器造型则是指用机器全部完成或至少完成紧实型砂操作的造型工序。手工造型简单，适用于单件或小批量生产。机器造型可以大幅度提高劳动生产率，提高铸件精度和表面质量，特别适
11、用于大批量生产。（2）合箱合箱是把砂型和砂芯按要求组合在一起成为铸型的过程。合箱是制备铸型的最后工序，也是砂型铸造生产中的重要环节。（3）浇注为了获得合格的铸件，需要根据合金的种类、铸件的结构和铸型的特点控制浇注温度和浇注速度。（4）落砂和清理铸件在砂型中冷却到一定温度后，需要将铸件从砂型中取出。去除铸件表面及内腔中型砂和芯砂的工艺过程称为落砂。落砂后的铸件需要依靠锯床或气割等方法去除浇冒口，清除铸件内外表面的粘砂、披缝和毛刺等，并通过喷丸处理提高铸件的表面质量。清理好的铸件在经过表面和内在质量检验合格后就可以入库或交付用户。（二）砂型铸造的特点及应用（ 1）砂型铸造的适应性强，不受铸件材质、
12、尺寸、质量和生产批量的限制。5（ 2）砂型铸造的铸型为一次性铸型，造型工作量大，尤其手工造型工作量更大，工人劳动强度大，生产效率低。 大批量生产时采用机器造型， 可提高生产效率。（ 3）砂型铸造的铸件精度和表面质量差，铸件需留较大的加工余量。（ 4）砂型铸造影响铸件质量的因素很多，易产生铸造缺陷，质量不稳定，废品率高，机械性能差，因此对机械性能要求高的零件不宜采用。（ 5）砂型铸造设备简单，投资小，造型材料来源广泛，价格低廉。因此，砂型铸造是应用最广的一种铸造方法。三、特种铸造虽然砂型铸造具有适应性强、生产准备简单等优点而被广泛采用；但用砂型铸造方法生产的铸件尺寸精度低、表面和内在质量差，同时
13、砂型铸造的劳动强度大、条件差。为此，人们在砂型铸造的基础上，通过改变铸型材料、浇注方法或凝固条件等，又创造了许多其他的铸造方法。通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法统称为特种铸造。常见的特种铸造方法有金属型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、连续铸造和消失模铸造等。 每一种特种铸造方法在铸造具有某些特点的铸件时，都能在提高铸件质量、提高劳动生产率、降低成本和改善劳动条件等方面，表现出优越性。（一）金属型铸造金属型铸造是指利用 金属材料 （例如铸铁）制成铸型，在 重力条件下 将熔融金属浇入铸型中制造铸件的一种铸造方法。由于一副金属型可以重复使用数百次甚至数万次，故金属型铸造又称为 永
14、久型铸造 。1金属型铸造的基本工艺过程金属型铸造的工艺过程如图2-3 所示。62金属型铸造的特点及其应用（1）金属型可以连续重复使用，生产效率高，劳动条件好。（2）铸件质量稳定，尺寸精度较高（达 CT6CT8）、表面粗糙度较低（Ra6.312.5 m）。（3）金属型散热能力强，铸件晶粒细化、组织致密，机械性能明显提高。但金属型制造成本高；金属型不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂；受铸型限制，采用金属型铸造时合金的熔点不宜太高，铸件的质量、形状和壁厚等有一定局限性。金属型铸造主要适用于大批量生产的有色合金铸件，例如：铝合金活塞、汽缸体和油泵壳体，铜合金轴瓦和轴套等。（二）熔模精密铸造熔模铸造是指利用 易熔材料 （例如蜡）制成模型，并在模型表面粘结一定厚度
