机械制造基础第1章

1、. 中等职业学校机电类规划教材 专业基础课程与实训课程系列 机械制造基础 人民邮电出版社 . 第1章 铸造、压力加工和焊接的基本工艺 1.1 铸造 将熔融金属浇注到铸型型腔中，待其凝固后得到 一定形状、大小和性能的工件或毛坯的方法称为铸造。 所得到的金属工件或毛坯称为铸件。具有以下特点。 （1）可获得复杂外形及内腔的铸件。 （2）适应性广。 （3）铸件成本低廉。 （4）减少了切削加工的工作量，节约金属。 （5）铸件易产生缺陷，使质量不够稳定。 （6）和相同形状、尺寸的锻件相比，铸件的机械 性能不及锻件，承受动载荷和冲击载荷的能力较差。 （7）工作场地温度高，灰尘多，环境差，工人劳 动强度大。

2、由于铸造生产有许多优点，因此广泛应用于机械 零件的毛坯制造，在各种机械设备中铸件在质量上占 有很大的比例。 . 1.1.1 砂型铸造 砂型铸造是用型砂紧实成型的铸造方法。其铸造简 单易行，原材料来源广，成本低，见效快，在目前的铸 造生产中占主导地位。可分为湿砂型和干砂型铸造两种。 砂型铸造的主要工序有制造模样与芯盒、造型、造 芯、烘干、合型、熔炼金属、浇注、落砂、清理与检验 等，如图所示为齿轮毛坯的砂型铸造工艺过程。 1. 型砂与芯砂 用型砂、金属或其他耐火材料制成，包括形成铸件 形状的空腔、型芯和浇冒口系统的组合整体称为铸型。 型砂用于制造砂型，芯砂用于制造芯子。 型砂与芯砂主要 由石英砂、

3、粘结剂和 水混合而成，有时加 入少量煤粉或木屑等 辅助材料。其应具备 的性能如下： . （1）可塑性是指型（芯）砂在外力作用下可以成型， 外力消除后仍能保持其形状的性能。 （2）强度是指型砂、芯砂成形之后抵抗外力破坏的能力。 （3）耐火性是指型砂与芯砂在高温熔融金属的作用下， 不软化、不熔融烧结的性能。 （4）透气性是指型砂与芯砂排出气体的能力。 （5）退让性是指铸件凝固时体积要缩小，型砂与芯砂随 铸件收缩而被压缩的性能。 （6）溃散性表示型（芯）砂是否容易解体而脱离铸件表 面的性能。 在铸造过程中，芯子被熔融金属包围，所以芯砂的 性能比型砂要求更高。 2. 模样与芯盒 由木材、铝合金或塑料制

4、成，用来形成铸型型腔的 工艺装备称为模样，模样可获得铸件外部结构。制造型 芯所用的装备称为芯盒，芯盒用以获得铸 件内腔。 . 3. 造型 造型是砂型铸造的最基本工序，是用型砂及模 样等工艺设备制造砂型的方法和过程。 （1）手工造型 手工造型是用手工操作完成造型工序。砂箱及 常用的手工造型工具如图所示。 手工造型操作灵活，工艺装备简单，适应性强。 但其生产率低，劳动强度大，劳动条件差，铸件质 量不稳定。手工造型的方法常见的有：有箱造型、 脱箱造型、 地坑造型 和刮板造 型等。有 箱造型分 整模造型 和分模造型两种。 . 整模造型时模样放置在一个砂箱中，分型面为一 平面，位于模样的一侧。如图所示是

5、整模造型过程示 意图。这种方法适 应于生产形状比较 简单的铸件。 分模造型的特 点是沿模样最大截 面处将其分成两部 分，两个半模分别 位于上、下型之中。 如图所示是分模造 型过程示意图。这 种方法适应于生产 圆柱体、管件、阀 体、套筒等形状较 复杂的铸件。 . （2）机械造型和自动化造型 用机械全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序称 为机械造型。所有造型工序基本不需要人工完成的造型 过程称为自动化造型。 4. 造芯 制造型芯的过程称为造芯，是用来形成铸件的内腔。 造芯的方法可分为手工造芯和机械造芯两种。 5. 浇注系统和冒口 将熔融金属导入型腔的通道称为浇注系统。通常由 浇口杯、直浇道、横浇道

6、和内浇道组成。 （1）浇口杯形状多为漏斗形，与直浇道顶端连接。 （2）直浇道是浇口杯下面的一段垂直通道，通常带 有一定的锥度。 （3）横浇道承接直浇道流入的熔融金属，其截面多 为梯形。 （4）内浇道与型腔直接相连。 . 冒口是在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空 腔，一般设置在铸件的最高处和最厚处。如图所示为 带有浇、冒口的法兰管子铸件。 6. 合型、浇注、落砂、清理和热处理 （1）合型 将铸型的各个组元如上型、下型、型 芯、浇口盆装配起来的过程称为合型。 （2）浇注 将熔融金属浇入铸型的操作称为浇注。 （3）落砂 用手工或机械使铸件和型砂、砂箱分 开的操作称为落砂。从铸件中去除芯砂和芯骨的操

7、作 称为除芯。 （4）清理 清理是落砂后从铸 件上清除表面粘砂、型砂、多余金 属等过程的总称。 （5）热处理 经过清理的铸件 有时要进行热处理，一般是进行去 应力退火，以消除铸造应力。 . 1.1.2 合金的铸造性能 合金在铸造成形过程中所表现的工艺性能称为铸造 性能。良好的铸造性能是保证铸件质量的重要条件。 1. 合金的流动性 合金的流动性是指液态金属本身的流动能力。 （1）在常用的铸造合金中，铸铁的流动性最好，有 色金属也有较好的流动性，铸钢的流动性较差。 （2）提高浇注温度有利于提高流动性。但浇注温度 过高，使铸件产生缩孔、缩松、气孔、粘砂等缺陷。 （3）铸型工艺因素中，加高直浇道，扩大

8、内浇道截 面，以及在型砂中加入煤粉、提高型腔的光滑程度、烘 干预热铸型等都可以提高流动性。 2. 合金的收缩性 合金在冷却凝固过程中，其体积和尺寸减小的现象 称为收缩。合金从浇注温度冷却到室温要经过液态收缩、 凝固收缩和固态收缩三个阶段。 . （1）影响铸件收缩的因素 1）化学成分 不同化学成分的合金具有不同的收 缩率，铸钢收缩率最大，灰口铸铁收缩率最小。 2）浇注温度 浇注温度愈高，合金液态收缩增大， 为减少收缩，浇注温度不宜过高。 3）铸件结构与铸型工艺条件 合金在铸型的收缩 会受到阻碍，其阻力来源于铸件各部分收缩时受到的 相互制约及铸型和型芯对铸件收缩的阻碍。 （2）缩孔和缩松的形成及防

9、止 铸件在凝固过程中，由于补缩不良而产生的孔洞 成为缩孔。缩松是铸件某一区域中分散、细小的缩孔。 缩孔、缩松都是由于液态收缩和凝固收缩未能得到外 来金属液补充所致。缩孔、缩松使铸件的机械性能降 低，缩松还使铸件的致密度下降。为防止缩孔、缩松 的产生，应合理设计铸件结构，力求避免铸件上有局 部金属积聚；在铸型中合理开设浇注系统、设置冒口 和冷铁，对铸件凝固过程进行控制，使之实现顺序凝 固。 . （3）铸造应力、变形和裂纹 铸件固态收缩受到阻碍而引起的内应力称为铸造 应力。减少变形、防止开裂的措施如下。 （1）合理设计铸件的结构； （2）合理设计浇冒口、冷铁等，使铸件冷却均匀； （3）采用退让性好

10、的型砂和芯砂； （4）严格控制合金中硫、磷的含量； （5）浇注后不要过早落砂； （6）铸件在清理后应进行去应力退火。 3. 常用合金的铸造性能 （1）铸铁 灰铸铁具有良好的铸造性能；可锻铸铁形成缩孔 和裂纹的倾向大；球墨铸铁易产生浇不足、冷隔缺陷。 （2）铸钢 铸钢容易产生粘砂、浇不足、冷隔等缺陷；产生 缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大。 （3）非铁金属 它们大多具有流动性好、收缩性大、 容易吸气和氧化等铸造特点。 . 1.1.3 铸件的结构工艺性 铸件结构是否合理，对于铸件的质量、成本和铸造 生产率都有很大的影响。铸件结构不仅要保证铸件的力 学性能和使用性能要求，而且必须考虑合金的铸造性能 以

11、及制模、造型、造芯、合型、铸件清理等各个工艺环 节，应力求工艺简单、保证铸件质量、节省材料、提高 生产效率和降低成本。铸件结构工艺性的 基本要求如表 1-1所示。 1.1.4 特种铸造简介 特种铸造是指与砂型铸造不 同的铸造方法。 1、金属型铸造 通过重力作用进行浇注，将熔融金属注入金属型 而形成铸件的过程称为金属型铸造。用金属材料制成 的铸型称为金属型。如图所示为金属型铸造示意图。 金属型铸造的特点如下： . （1）金属型可以多次使用，与砂型铸造相比，省 去了型砂制备、造型、落砂、清理等过程，节省了大 量型砂和配砂设备与场地，显著地提高了劳动生产率 并降低了生产成本。 （2）金属型铸造的铸件

12、切削加工余量小。 （3）金属型晶粒细，力学性能较好。 （4）金属型的设计、制造、使用及维护要求高， 制造成本高，加工周期长。 金属型铸造广泛应用于各种有色金属铸件的大批 量生产，其铸件不宜过大，形状不能太复杂。 2压力铸造 压力铸造是将熔融金属在压力作用下注入铸型， 并在压力作用下冷却凝固后获得铸件的铸造方法。压 力铸造的铸型是金属 型，用于压力铸造的 机器称为压铸机。如 图所示为压铸机工作 过程示意图。压力铸造的特点如下： . （1）可以铸造形状复杂的薄壁铸件。 （2）铸件组织致密，强度和硬度较高。 （3）压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低。 （4）生产率高，易于实现半自动化和自动化。 （5）

13、费用高。 3离心铸造 将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使熔融金属在 离心力作用下充填铸型并结晶而获得铸件的方法称为离 心铸造，如图所示。离心铸造的特点如下。 （1）铸件力学性能较高。 （2）铸造具有圆形内腔的铸件时，不必使用芯子。 （3）铸型中不需浇注系统，减少了熔融金属消耗量。 （4）需要增大内孔的切削加工 余量。 离心铸造主要适用于铸造空心 回转体，也可用来生产双金属轴承 以及其他成形铸件。 . 4、熔模铸造 熔模铸造的工艺过程如图所示。其特点如下。 （1）铸件的尺寸精度和表面质量高，且可制造形 状复杂件。可减少机械加工工作量，提高金属材料的 利用率。 （2）适应性广。可浇注熔点低的有色合

14、金铸件， 也可生产高熔点的合金钢铸件；生产批量可从单件、 小批到大量生产。 （3）生产工艺复杂，生产周期长，成本较高，铸 件不能太大和太长。 熔模铸造主要用 于制造汽轮机、燃气 轮机、涡轮发动机的 叶片和叶轮，切削刀 具，汽车、拖拉机、 风动工具、和机床上的小零件等。 . 1.2 压力加工 金属材料在外力作用下产生塑性变形，从而获得一 定形状、尺寸和一定性能的原材料、毛坯或零件的加工 方法称为压力加工。 （1）轧制是金属坯料通过回转轧辊之间的孔隙而变 形的加工方法。 （2）挤压是用强大的压力将放在模具内的金属坯料 从一端的模孔中挤出而变形的加工方法。 （3）拉拔是将金属坯料通过模 孔拉出而变形

15、的加工方法。 （4）锻造是将金属坯料放在上 下砧铁或锻模之间受到冲击力或压 力而变形的加工方法。 （5）冲压是将板料放在冲模之 间受压产生分离或变形的加工方法。 用轧制、挤压、拉拔方法来制造金属型材、板材、 管材、线材等；用锻造的方法来制造毛坯或零件；用 冲压方法制造各种薄壁零件及日用工业品。 . 1.2.1 自由锻造 自由锻造是指利用冲击力或压力使金属坯料在上下 砧铁之间变形，而获得所需形状和尺寸的锻件的一种加 工 方法。 下图为空气锤的外形图和工作原理图。 （1）镦粗是使坯料高度减小、横截面增大的锻造工序。 （2）拔长是使毛坯横截面减小，长度增加的锻造工序。 （3）冲孔是在坯料上冲出透孔或

16、不透孔的锻造工序。 （4）弯曲是使坯料在弯矩作用下弯成一定角度或规定 的外形的锻造工序。 （5）扭转是将坯料 的 一部分相对于另一 部分绕其轴线旋转一 定角度的锻造工序。 （6）切割是把板材 或型材等切成所需形状和尺寸的坯料或工件的锻造工序。 . 1.2.2模型锻造 将坯料加热后放在上、下锻模的模膛内，施加压力， 使坯料在模膛变形而获得锻件的锻造方法称为模锻。模 锻时使坯料成形而获得模锻件的工具称为锻模。 锻模可分为单膛锻模和多膛锻模。单膛锻模是在一 副锻模上只有一个模膛；多膛锻模是在一副锻模上有两 个以上的模膛。对于形状复杂的锻件，要经过制坯、预 锻、终锻等过程，最后还有切边等工序。如图所示

17、是采 用多膛锻模锻造弯曲连杆的过程。模锻与自由锻比较， 具有模锻件尺寸精度高、形状 可比较复杂、质量好、节省金 属材料和生产率高等优点。此 外在大批量生产时，模锻件的 成本低。其不足之处是锻件质 量较小，制造锻模成本高。因 此模锻生产适应小型锻件的大批量生产。 . 1.2.3 板料冲压 冲压是利用装在压力机上的冲模，对板料加压， 使其产生分离或变形，从而获得零件的加工方法。冲 压可以压制形状复杂的零件，冲压件尺寸精确、表面 光滑、重量轻、刚度大，而且冲压操作简单、生产率 高、冲压过程易于实现机械化与自动化。最常用的设 备有机械压力机和剪切机。机械压力机又称冲床，分 开式和闭式两种。如图所示为常

18、用开式双柱压力机的 外形和传动示意图。 . 冲压的基本工序有分离工序和成形工序。使板料 的一部分与另一部分相互分离的工序称为分离工序。 包括剪切、落料、冲孔和修整等。剪切是利用剪床使 板料按不封闭轮廓分离的工序。落料是为了获得冲下 的材料，而冲孔是为了冲去中间的废料，获得周边所 需部分。落料和冲孔后进行修整，修整可以消除切面 的粗糙和斜度，获得平整光洁的切面。使板料的一部 分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序称为变形 工序。包括弯曲、拉深、成形、翻边等。弯曲是使板 料的一部分相对于另一部分弯成一定曲率和角度的工 序。拉深是使平板状坯料变成中空形状零件的工序。 成形是利用局部变形使板料或半成品

19、改变形状的工序， 用于制造刚性筋条或增大中空件的内径等。翻边是带 孔的平板料上用扩孔的方法获得凸缘的工序。 . 1.2.4 挤压与轧制 1. 挤压 挤压是使金属坯料在模具中受强大的压力作用而变 形的加工方法。按照挤压时金属流动方向与凸模运动方 向的关系，可分为正挤压、反挤压和复合挤压三种；按 照挤压时金属的变形温度不同，可分为热挤压、冷挤压 和温挤压。 2. 轧制 （1）辊锻轧制是使坯料通过装有圆弧模块的一对旋 转的轧辊时，受压而变形的生产方法。 （2）辗环轧制是用来扩大环形坯料的外径和内径， 从而获得各种环状零件的轧制方法。 （3）齿轮轧制是一种少或无切削加工齿轮的工艺。 （4）螺旋斜轧采用

20、两个带有螺旋型槽的轧辊互相交 叉成一定角度，做同方向旋转，使坯料既绕自身轴线转 动又向前进、与此同时受压变形，获得 所需轧制件。 . 1.3 焊接 1.3.1 常用焊接方法 1. 焊条电弧焊 焊条电弧焊又称手弧焊，是用手工操纵焊条产生 电弧来进行焊接的方法。特点：设备简单，操作方便 灵活，能适应在各种条件下焊接，生产效率低，劳动 强度较大，焊接质量取决于工人的操作技术水平。 2. 埋弧自动焊 埋弧自动焊是指利用焊剂覆盖着电弧及所熔化的 金属，免受空气的有害作用并改善焊缝金属性能，能 自动送焊丝和移动电弧的一种焊接方法。特点：可用 大电流，单面焊接，板的厚度10mm以下可不开坡口。 生产率高，省

21、电能， 焊接质量高，外形 美观，劳动条件好。 但局限于 焊缝简单 （平焊），操作不如 手弧焊灵活。 . 3. 气体保护焊 气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧 和焊接区的电弧焊。 （1）氩气焊 氩气焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。其 特点是焊接质量优良，焊缝成形美观，可实现全位置自 动化焊接，但焊接成本高。通常多用于非铁金属及不锈 钢、耐热钢等材料的焊接。 （2）二氧化碳气体保护焊 二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为保护气体的气 体保护焊。其特点是生产率高，焊缝质量好，操作性能 好，焊接变形小、成本低，但大电流时有飞溅。主要用 于焊接低碳钢和合金钢。 4. 电阻焊 电阻焊是焊件组合后通过电极施加压力，利用通过 接头的接触面及邻近区域产生的电阻热来进行焊接的方 法。具有生产率高，焊接应力和变形小，不需填充金属， 操作简便，劳动条件好，易于实现机械化等优点；但设 备功率大，耗电高，适用的接头形式与焊件的厚度受到 限制。 . 1.3.2 常用金属材料的焊接特点 1. 金属焊接性概念 金属材料的焊接性是指金属材料在一定的焊接工艺 方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，获得 优质焊接接头的难易程度。 2. 钢的焊接 （1）碳素