材料成型工艺设计课件(完整版)

1、1.1 材料成型工艺设计基本问题1.1.1材料成型工艺设计的任务（1）合理选择成形方法并安排好工艺路线，是保证产品质量、并达到技术经济指标要求的重要依据。（2）通常将设计成品和半成品的制造工艺规程称为毛坯成形工艺设计。（3）材料成形工艺设计的核心任务就是根据材料成形工艺设计要求制订合理的工艺制度，计算正确的工艺参数，从而制造出满足要求的产品。这一过程是繁琐而复杂的，需要设计工作者秉承认真负责的工作态度，利用各类辅助设计工具，准确高效的完成设计任务。1 材料成型工艺设计概述1.1.2 材料成型工艺设计的原则（1）使用性原则材料的使用性是指机械零件或构件在正常工作情况下材料应具备的性能。满足材料的

2、使用要求是保证产品完成规定功能的必要条件，是材料成形工艺设计应主要考虑的问题。（2）工艺性原则材料的工艺性是指材料适应某种加工的性能。有些材料如果仅从产品的使用性能要求来看是完全合适的，但无法加工制造或加工制造很困难，成本很高，这些都属于工艺性不好。因此工艺性的好坏，对产品成形的难易程度、生产效率、生产成本等方面起着十分重要的作用。（3）经济性原则经济性原则一般指应使产品的生产和使用的总成本降至最低，经济效益最高。总成本包括材料价格，成品率、加工费用、加工过程中材料的利用率、回收率，寿命以及材料的货源、供应、保管等综合因素。1.1.3材料成型工艺设计的要求在材料成形工艺设计各环节的完成过程中，

3、设计工作者最好具有以下能力：（1）运用所学知识对材料成形工艺技术问题进行综合、分析、归纳和论证的能力；（2）对材料成形工艺技术问题进行设计和计算的能力；（3）编写技术报告和设计说明书的能力，利用工程图纸表达设计思想和绘制工程技术图纸的能力；（4）查找和阅读国内外技术资料的能力；（5）良好的组织管理能力、较强的交流沟通、环境适应和团队合作的能力。1.2 材料成型工艺设计的主要方法1.2.1 经验设计（1）随着生产的发展，产品逐渐复杂起来，对产品的需求量也开始增大，单个手工艺人的经验或其头脑中自己的构思已难以满足这些要求：到了17世纪，数学和力学得到了很大发展并建立了密切联系，人们开始运用经验公式

4、来解决设计中的一些问题，并开始按图纸进行制造，如早在1670年就出现了有关大海船的设计图纸。图纸的出现，既可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传于他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及生产率的要求。因此利用图纸进行设计，使人类设计活动由自发设计阶段发展到经验设计阶段。（2）工艺设计是一项针对性、经验性非常强的工作，工艺知识本身具有经验性、模糊性、不确定性，工艺设计中的毛坯选择、加工方法选择、机床选择、夹具选择、刀量具选择、确定切削用量等工作都和企业资源、工艺经验和工艺习惯等紧密相

5、关，一个实用的工艺设计必须包含企业前期积累的工艺经验。（3）但从总体上看，由于实际情况的复杂性，在成形工艺设计计算中所用的数学公式仍是一些经验公式，对一些不确定的因素，只能用依靠经验确定的系数来考虑。这时，设计过程仍是建立在经验与技巧能力的积累之上。人们依赖通过实践积累起来的丰富经验，作为设计计算和类比的主要依据；将现成产品作为参考，经过多次设计试制的反复、循环，再最后定型投入生产。它虽然较自发设计前进了一步，但周期仍长，质量也不易保证。1.2.2半理论半经验设计（1）20世纪初以来，由于试验技术与测试手段的迅速发展和应用，人们把对产品采用局部试验、模拟试验等作为设计辅助手段。通过中间试验取得

6、较可靠的数据，选择较合适的结构，从而缩短了试制周期，提高了设计可靠件。这个阶段称为半理论半经验设计阶段，又称中间试验辅助设计阶段。（2）这个阶段的突出进展体现在三个方面：第一，加强设计基础理论和各种专业知识设计机理的研究，如材料应力应变、摩擦磨损理论。零件失效与寿命的研究等，从而为设计提供了大量信息，如包含大量设计数据的图标（图册）和设计手册等；第二，加强关键零件的设计研究，特别是加强了关键零部件的模拟试验，大大提高了设计速度和成功率；第三，加强“三化”，即零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。（3）半理论半经验阶段由于加强了设计理论和方法的研究，与经验设计阶段相比，大大减少了设计的盲目性

7、、有效地提高了设计效率，降低了设计成本。至今，这种设计方法仍被广泛沿用。1.2.3现代设计法（1）现代设计法是传统设计活动的延伸和发展，是一门新兴的多元交叉学科，是以设计产品为目标的一个只是群体的总称。目前，现代设计并没有明确的定义。60年代以后设计领域出现的一系列新兴理论和方法统称为现代设计。目前现代设计所指的新兴理论和方法主要是指设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、动态设计、计算机辅助设计、人工神经元计算方法、工程遗传算法、智能工程、价值工程、并行工程、模块化设计、相似形设计、人机工程等。（2）计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻地影响着设计开发过程、制造过程，并改变着产品的结构和

8、功能；现代化的通讯技术改变了企业生产的组织模式。全人类为生存更加强调可持续发展的理念及对生态环境方面的关注，要求生产过程和消费过程中更加注意生态和环境方面的相容性和有善性。1.3 材料成型工艺设计的进展（1）设计过程的数字化，不仅要完善工程对象中确定性变量的数学描述和数学建模，而且更要研究非确定性变量，包括随机变量、随机过程、模糊变量（人的智能、经验、创造力、语言及政治、经济、人文等社会科学因素）等的数学描述和数学建模。（2）设计过程的自动化和智能化研究。健全、研究、发展各种类型的数据库、方法库和知识库，及自动编程、自学习、自适应等高级商品化软件的研制，如研究设计知识、数据信息的获取与处理技术

9、、智能CAD人工神经网络专家系统的模型和应用软件等。（3）动态多变量优化和工程不确定模型优化（模糊优化）、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究。（4）虚拟设计和仿真模拟试验，是一种以计算机仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行技术、人机工程、材料、成形工艺、光电传感技术和多媒体技术为一体的综合学科研究。（5）面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究。如绿色产品的设计、清洁化生产过程的设计、产品的可回收性设计等。（6）注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究。基础性设计研究，如动态设计、疲劳设计、防断裂设计、减摩和耐磨设计、防腐蚀性

10、设计及运动学、动力学、动力学、传动技术、弹塑性理论等，是许多现代设计技术的知识源泉和数学建模的理论基础。（4）材料制备、成形加工及处理的一体化技术。该技术将材料制备过程、零件成形及处理过程集成，如在制备高强耐磨材料的同时，将其成形加工成所需要的形状和尺寸，从而有效地调和材料使用需求和成形需求之间的矛盾。（5）微成形技术。微成形一般指的是至少两个尺寸达到亚微米级别零件或者结构件的成形技术。有固态和液态微成形两大类，包括固态体积微成形技术，如模锻、挤压、压印等；固态板料微成形，包括拉伸、冲裁、胀形等；以及流体微成形，包括塑料注射成形、金属和陶瓷粉末注射成铸造等。目前工业上应用比较普遍的是500nm

11、500m范围内的微成形，纳米级的成形停留在原子水平上的研究，工业应用尚需进一步开展工作。（6）绿色制造技术。美国在展望制造业前景时，进一步把“精确成形工艺”发展为“无废弃物成形加工技术”。所谓“无废弃物加工”的新一代制造技术是指加工过程中不产生废弃物；或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量消耗，并对环境有利。日本铸造工厂最近提出了3R的环境保护新概念，即：减少废弃物（Reduce)、重用（Reuse）及回用（Recycling），突出了先进材料成形工艺中对绿色制造的要求。2 铸造工艺设计根据铸件批量的大小、生产要求和

12、生产条件等因素的不同，铸造工艺设计会有不同的内容。一般包括铸造工艺图、铸件（毛坯）图、铸型装备图（合型图）、工艺卡及操作工艺规程等。同时，铸造工艺设计也包括铸造工艺装备的设计，包括模样图、模板图、芯盒图、砂箱图、压铁图、专用量具图和样板图、组合下芯夹具图等。铸造工艺设计步骤为：（1）零件的技术条件和结构工艺性分析；（2）选择铸造和造型方法；（3）确定浇注位置和分型面；（4）选择工艺参数；（5）设计浇冒口和冷铁；（6）砂芯设计；（7）在完成铸造工艺图的基础上画出铸件图；（8）完成砂箱设计后画出铸型装配图；（9）综合整个设计内容编制铸造工艺卡。铸造工艺设计涉及零件本身工艺设计，浇注系统的设计，补缩

13、系统的设计，出气孔的设计，激冷系统的设计，特种铸造工艺设计等内容。 零件本身工艺设计涉及到零件的加工余量，浇注位置、分型面的选择，铸造工艺参数的选择，尺寸公差，收缩率，起模斜度，补正量，分型负数等的设计 。浇注系统是引导金属液进入铸型型腔的通道，浇注系统设计得合理与否，对铸件的质量影响非常大，容易引起各种类型的铸造缺陷，比如：浇不足、冷隔、冲砂、夹渣、夹杂、夹砂等等铸造缺陷。浇注系统的设计包括浇注系统类型的选择、内浇口位置的选择及浇注系统各组元截面尺寸的确定。此外，浇注系统的选择也非常重要，那么怎样才能选择正确的浇注系统呢？对于机械化流水线、大批量生产，为了方便生产并有利于保证铸件的质量，内浇

14、道一般设置在铸型的分型面处，根据该铸件毛坯的浇注位置及分型面的选择，将内浇道开设在铸型的分型面处是属于中间注入式浇注系统。液态金属在浇注过程中难免会包含有一定的熔渣，为了提高浇注系统的挡渣能力，适合于采用封闭式浇注系统。在铸造工艺中，铸造工艺的设计对铸造产品的质量影响很大，但是浇注系统的选择方法的选择也不容忽视。补缩系统的设计是合理的设计冒口和补贴，以补偿铸件在凝固过程中产生的液态和凝固态的体收缩，以获得健全的铸件的一项工程技术 。出气孔用于排出型腔内的气体，改善金属液填充能力，排除先填充到型腔的过冷金属液和浮渣，还可作为观察型腔是否浇满的的标志 。1）铸造工艺设计内容2）铸造工艺装备的设计铸

15、造工艺装备是造型、制芯、合箱及浇注过程中使用的模具和装备的总称，简称工装。包括模样，模板，模底框、砂箱、砂箱托板、芯盒、烘干板、砂芯休整模具、套箱、压铁、组芯及下芯夹具、量具及检验样板等。铸造工装设计是铸造生产中的重要工作之一，对保证铸件质量，提高劳动生产率，减轻劳动强度起很大作用。工装设计的主要依据是铸件生产批量、铸造工艺图和铸件图，还要参考所用的造型和制芯机械的规格、参数以及有关的技术标准，考虑模具车间的生产能力等。设计的工艺装备既要满足工艺要求，又要便于加工制造。生产中使用着各式各样的工装，从使用角度看虽有不同的要求，但从结构设计角度却有很多相同之处。3 锻造工艺设计在锻造生产中，自由锻

16、的生产过程是按照一定的工艺规程，将坯料逐步锻成符合技术要求的锻件。自由锻工艺规程的制订原则是从现有生产条件、设备能力和技术水平的实际情况出发，力求技术上先进，经济上合理。通常，自由锻工艺规程包括以下内容：（1）自由锻件图的绘制；（2）坯料质量和尺寸的确定；（3）下料方法的确定；（4）锻造温度范围的确定；（5）锻造加热规范的制订；（6）变形工艺过程的制订；（7）自由锻设备吨位的选定；（8）锻后冷却规范的制订；（9）锻件热处理规范的制订；（10）锻件的技术条件和检验要求的提出； （11）工艺卡片的填写。模锻工艺设计 模锻工艺设计是对具体的模锻零件，根据本单位的生产条件，制订出一种技术上可行、经济上

17、合理的模锻压工艺。其设计需要考虑的问题是多方面的，其主要内容有：模锻方法的选择；模锻件图的绘制；模锻工序及其他工序的确定；坯料尺寸的计算；模锻设备的选择；模膛与锻模结构设计；编写工艺文件。 4 冲压工艺设计 冲压工艺设计是对具体的冲压零件，根据本单位的生产条件，制订出一种技术上可行、经济上合理的冲压工艺。其设计需要考虑的问题是多方面的，其主要内容有冲压件工艺分析、冲压工艺方案制定与工艺计算、选择模具结构型式、选择冲压设备、编写工艺文件等。（1）冲压件的工艺性分析冲压件的工艺性是指冲压件对冲压工艺的适应性，即设计的冲压件在结构、形状、尺寸大小及公差和尺寸基准等各方面是否符合冲压加工的工艺要求。冲

18、压件的工艺性好坏，直接影响到加工的难易程度。工艺性差的冲压件，材料损耗和废品率会大量增加，甚至于无法正常生产出合格的产品。产品零件图是编制和分析冲压工艺方案的重要依据。首先可以根据产品的零件图纸，分析研究冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求以及所用材料的机械性能、冲压成形性能和使用性能等对冲压加工难易程度的影响，分析产生回弹、畸变、翘曲、歪扭、偏移等质量问题的可能性。特别要注意零件的极限尺寸（如最小孔间距和孔边距、窄槽的最小宽度、冲孔最小尺寸、最小弯曲半径、最小拉深圆角半径）以及尺寸公差、设计基准等是否适合冲压工艺的要求。若发现冲压件的工艺性很差，则应会同产品的设计人员协商，提出建议。在不影响

19、产品使用要求的前提下，对产品图纸作出适合冲压工艺性的修改。（2）确定冲压件的成形工艺方案 在冲压工艺性分析的基础上，再根据产品图纸，进行必要的工艺计算（如坯料尺寸、拉深次数等），以及分析冲压性质、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式，提出各种可能的冲压工艺方案。然后，通过对产品质量、生产效率、设备条件、模具制造和寿命等方面的综合分析与比较，确定一个技术经济性最佳的工艺方案。因此，确定冲压工艺方案时需要考虑的问题，其主要内容如下： 1）冲压件的工序性质 冲压件的工序性质是指该零件所需的冲压工序种类。冲裁、弯曲、拉深、翻边、胀形等是常见的冲压工序，各有其不同的性质、特点和用途。设计冲压工艺时，可以根据

20、冲压件的结构形状、尺寸和精度要求，各工序的变形规律及某些具体条件的限制等，合理地选择这些工序。 2）冲压次数和冲压顺序 冲压次数是指同一性质的工序重复进行的次数。对于拉深件，可根据它的形状和尺寸，以及板料许可的变形程度，计算出拉深次数；弯曲件或冲裁件的冲压次数也是根据具体形状和尺寸以及极限变形程度来确定。冲压件各工序的先后顺序主要根据各工序的变形特点和质量要求等安排，其次要考虑到操作方便、毛坯定位可靠、模具简单等。 （3）确定冲压模具的结构形式 根据已确定的冲压工艺方案，综合考虑冲压件的质量要求、生产批量大小、冲压加工成本以及冲压设备情况、模具制造能力等生产条件后，选择模具类型，最终确定是采用

21、单工序模，还是复合模或级进模。确定模具的具体结构型式，绘出模具工作不分动作原理图。（4）选择冲压设备冲压设备选择是工艺设计中的一项重要内容，它直接关系到设备的合理使用、安全、产品质量、模具寿命、生产效率及成本等一系列重要问题。设备选择主要包括设备类型和规格两个方面的选择。设备类型的选择主要取决于冲压的工艺要求和生产批量。在设备类型选定之后，应进一步根据冲压工艺力(包括卸料力、压料力等)，变形功、模具闭合高度和模板平面轮廓尺寸等确定设备规格。设备规格主要是指压力机的公称压力、滑块行程、装模高度、工作台面尺寸及滑块模柄孔尺寸等技术参数。设备规格的选择与模具设计关系密切，必须使所设计的模具与所选设备

22、的规格相适应。（5）冲压工艺文件的编写冲压工艺文件一般以工艺过程卡的形式表示，它综合地表达了冲压工艺设计的具体内容，包括工序序号、工序名称或工序说明、加工工序草图（半成品形状和尺寸）、模具的结构形式和种类、选定的冲压设备、工序检验要求、工时定额、板料的规格性能以及毛坯的形状尺寸等等。 冲压件的批量生产中，冲压工艺过程卡是指导生产正常进行的重要技术文件，起着生产的组织管理、调度、工序间的协调以及工时定额核算等作用。工艺卡片尚未有统一的格式，一般按照既简明扼要又有利于生产管理的原则进行制订。孔型设计的基本知识 认识孔型开口孔，辊缝在孔型周边上闭口孔，辊缝在孔型周边外半闭口孔，控制孔用，辊缝靠近底部

23、或顶部开坯孔型，（延伸，粗轧，压缩）高温大压下，缩小断面，形状变化不大毛轧孔，（荒轧，造型，成型）断面雏形，不均匀变形大精轧孔，（预轧，成前）35个孔，调整尺寸成品孔，最后轧出，获得技术要求的热尺寸孔型分类按用途按配置型材轧制是在带有轧槽的环形凹槽或凸缘的轧辊上轧制出来的。由两个或多个轧辊的轧槽所构成的断面轮廓称之为孔型。 孔型的组成及各部分的作用6 轧制工艺设计6.1型钢轧制工艺设计孔型设计：钢锭或坯料在带槽轧辊上经过若干道次变形，以获得所需断面尺寸、形状、性能的产品而进行的一系列设计计算工作。涵盖了型钢轧制的主要过程参数，生产中调整余地小。断面孔型设计 轧辊辅件设计 轧辊孔型设计 根据原料

24、、成品、性能要求，选择孔型系统，计算出道次、变形量、孔型形状和尺寸，作出孔型图 根据孔型图，在轧辊上分配道次、在轧辊上的位置、状态，保证轧制顺利，高产，必要的强度校核 导卫、围盘、翻钢装置、检查样板，防止出现偏心、缠辊等 主要内容孔型设计的内容与要求孔型设计的内容(1)断面孔型设计根据原料与成品的断面形状、尺寸及其性能的要求，确定出轧件的变形方式、所需道次数和各道次的变形量以及为完成此变形过程所需要的孔型形状和尺寸。(2)轧辊孔型设计这一过程即孔型配置，是根据断面孔型设计的结果，确定孔型在每个机架上的配置方式，从而保证轧件能正常轧制。既要保证能顺利轧制和操作方便，还要保证轧辊满足其强度条件、具

25、有较短的轧制节奏，以获得较高的产量和较高的产品质量。(3)轧辊辅件设计这一过程即导卫或诱导装置的设计，导卫或诱导装置应保证轧件能按照要求的状态和位置进、出孔型，或使轧件在孔型以外发生一定的变形，或对轧件起矫正或翻转作用等。 孔型设计的要求保证产品质量符合技术标准和用户要求。这主要包括断面形状正确、尺寸公差合格、表面光滑、机械性能合乎要求。生产成本低。为降低生产成本，须使金属消耗及轧辊和电能消耗最少，各项经济技术指标先进。(3) 轧机有较高的生产效率。应使轧制过程易于实现自动化、机械化，便于调整和操作，使轧机具有最短的轧制节奏和较高的产量。(4) 设计的孔型应符合生产车间的具体工艺及设备条件，充

26、分考虑车间各主、辅设备的性能及其布置情况。不能盲目地将其它车间使用的孔型，搬到某一车间去，这可能不适用。在孔型设计过程中，应理论联系实际，在充分掌握车间设备工艺特点的基础上依据孔型的基本原则，做出正确的孔型设计。孔型设计的基本原则 (1)选择合理的孔型系统。选择合理的孔型系统是孔型设计的关键环节之一。孔型系统合理与否直接影响到轧机的生产率、产品质量、各项消耗指标以及生产操作等。通常在设计新产品的孔型时，应根据轧件的变形规律，拟定出各种可能的孔型系统方案，通过充分的对比分析和论证，从中选择合理的孔型系统。(2)充分利用钢的高温塑性，把变形量和不均匀变形尽量放在前几道次，然后顺轧制程序逐道减小变形

27、量，这样对轧制成形过程有利。(3)尽可能采用形状简单的孔型，专用孔型的数量要适当。(4)在多品种的型钢轧机上，多选用共用性好的孔型。(5)各机架间的道次数分配、翻钢及移钢次数和程序应合理。(6)轧件在孔型中力求有良好的稳定性。(7)孔型在轧辊上有合理的配置，便于轧机调整且有较强的共用性。孔型设计的程序孔型设计的基本步骤了解产品的技术条件 选择合理的孔型系统 计算道次并合理分配在各架轧机上 钢种特性，变形抗力，摩擦，膨胀产品标准：断面形状、尺寸、公差、性能现厂情况：原料，轧机，平面布置等每种孔型系统各有优缺点，影响到产量，质量，方案对比举例：轧制16m圆钢的成品孔：方-椭-圆 0.9 万能孔型

28、0.26；椭圆-椭-圆 0.07 n= 三辊开坯机 K = 0.30.5大型轧机 K = 0.250.48中型轧机 K = 0.150.27线型轧机 K = 0.170.2小型轧机 K = 0.1 0.3平 由经验定 ： 630，5002，4002 方 =1.211.23 5804 圆 =1.21.264 4302，3005 圆 =1.121.26负荷均匀；轧机节奏（第一根咬入到第二根钢咬入）相似； 第一道和最后一道走下轧制线；成品道次和成品前分配在不同的机架上；各架道次分配原则坯料断面高度粗轧机轧辊名义直径分配延伸系数 轧件面积计算 孔型尺寸 孔型设计的基本步骤原则：考虑塑性，咬入，辊强，电

29、机，孔型磨损，成型等因素开始道次 f ，塑性，咬入为主； 无铁皮后，辊径大，延伸为主；高温大压下，温度下降后，以精确尺寸为主， 校核 : 总=123n F1 =由铁型孔型，确定圆角，斜度，高度，宽度 孔型在轧辊上配置 辊环宽度, 绘图、标尺寸 检验校核咬入，辊强，电机负荷，充满度，稳定性轧辊辅件设计 检查样板，导卫装置的设计 横列式轧机道次变形系数分配曲线 连轧机道次延伸系数分配曲线6.2 热连轧带钢轧制工艺设计1）粗轧压下规程制定压下规程计算的内容(1)确定中间带坯厚度HRC;(2)粗轧各个道次的轧出厚度HRij(i为粗轧机机架号，j为道次号）。 HRC的确定实际上是确定了粗轧和精轧间的负荷

30、分配。 HRC值大时粗轧负荷减轻，精轧负荷加重。 HRC值小时则相反。原则上说，只要精轧机组有足够的能力， HRC应取大一些。24成品厚度3.893.95.295.36.997.09.499.512.7HRC323436383840单位： mm粗轧压下量分配系数bhi=bi* h2）精轧压下规程制定 方法很多，最常用的是利用现场经验资料直接分配各架压下率或厚度和分配各架能耗负荷两种方法。 国内外实用的负荷分配方法主要是分配系数法，例如我国武钢1700mm 热连轧机是用能耗分配系数法；宝钢(2050mm热连轧机和鞍钢1700mm热连轧机则有压下率、压力、功率三种分配系数法，常用的是压下率分配系数

31、法；本钢1700mm 热连轧机则应用由德国AEG公司提出的快速分析算法。这些方法都是按分配系数法求得压下量分配，用数学模型计算力能参数，以校核机电设备和工艺等限制条件，校核通过后算出辊缝、速度等控制系统设定值。25精轧机组压下量分配 精轧机组的压下量占总压下量的2030%。精轧机组是保证成品组织性能和精度的重要工序，在考虑压下量分配时要以注重成品的质量为原则。机座号数1234567%轧六道405035453040253515251015轧七道4050354530402540253520281015压下率分配表26在具体分配压下量时的原则：（1）第一架可以留有适当余量，即考虑到带坯厚度的可能波动

32、和可能产生咬入困难等，而使压下量略小于设备允许的最大压下量；（2）第二、三架要充分利用设备能力，给予尽可能大的压下量；（3）以后各架逐渐减小压下量，到最末一架一般在10% 15%左右，以保证板形、厚度精度及性能质量。6.3 冷轧带钢轧制工艺设计 （1）性能影响因素 冷轧带钢的性能与炼钢、浇铸方法、热轧、冷轧、退火、平整和矫直等有关。钢中化学成分对钢的性能决定作用热轧的影响因素： 精轧机的变形率、终轧温度、在运输辊道上的冷却速度和卷取温度，决定着晶粒的大小、晶粒形状、渗碳体的分布情况和氮的析出与过饱和溶解。性能与变形量等因素的关系 冷轧带材的力学性能和工艺性能取决于坯料的金相组织、冷轧总变形量和

33、轧制后的退火制度。 （2）压下量分配 冷轧带材的总压下率为4093%。根据具体要求分配压下率 a 第一道次考虑后张力较小，带钢容易跑偏；坯料厚度不均匀等，不宜采用较大的压下率； b 第二、三道次采用大压下率轧制； c 精轧道次不采用大的压下率，保证板形及厚度精度。常用的压下规程设计方法 a 先按经验并考虑到规程设计的一般原则和要求，对各道（架）压下进行分配； b 按工艺要求并参考经验资料，选定各机架（道）间的单位张力； c 校核设备的负荷及各项限制条件，并修正。压下系数的分配bi压下量分配系数机架数 道次（机架号） 1234520.70.330.50.30.240.40.30.20.150.3

34、0.250.250.150.057 焊接工艺设计1）金属焊接性金属作为最常用的工程结构材料，通常要求具备如高温强度、低温韧性、耐蚀性以及其他基本性能，并要求在焊后仍能够保持这些基本性能。但是材料在焊接时要经受加热、熔化、化学反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，这些过程又是在温度、成分以及应力极度不平衡的条件下发生，这就可能造成焊接区域内产生各种类型的缺陷，使接头丧失其连续性。即使没有产生缺陷，也可能降低某些性能，导致焊接结构的使用寿命受到影响。为了研究金属在焊接时的某些特有性能，就提出了焊接性（weldability）的概念。焊接性包括两方面的内容：一是焊成的构件符合设计的要求，二是

35、满足预定的使用条件，能够安全运行。从这两个方面来看，优质的焊接接头需具备的条件是接头中不存在超过质量标准规定的缺陷，同时具有预期的使用性能。根据讨论问题的着眼点不同，焊接性可分为工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性指金属材料对各种焊接方法的适应能力。工艺焊接性不是金属本身固有的性能，不仅取决于金属本身的成分与性能，而且要根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的。使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各项使用性能的程度。其中包括常规的力学性能、低温性能、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度以及抗腐蚀性、耐磨性等。焊接性主要取决于金属材料本身固有的性能，同时工艺条件也有着

36、重要的影响。2）焊接方法的选择在实际生产中，应对各种焊接方法进行考量，综合各方面因素，选择合适方法。焊接方法选择的总体原则是：以最小的成本去获得所需的焊接接头质量。生产成本是由众多因素决定的，其中主要包括焊接方法可能达到的最高熔敷率、最高的焊接速度、焊接材料的消耗量、焊接结构外形、接头的壁厚、接头的形式和坡口形状、所焊金属材料的种类及其焊接性、焊件组装的难易程度、焊前清理的要求、焊接位置、对焊工技能等级要求，焊缝焊后清理和处理，以及焊接设备和辅助设施的投资费用和折旧回收期。因此可以说，焊接方法的选择，也是一项经济估算工作。一般情况下，对某项具体的焊接工程选用经济且高质量的焊接方法，可以从以下五

37、个方面进行分析。（1）被焊金属种类及其焊接性。选择焊接工艺方法时，首先应该从被焊金属种类及其焊接性进行分析。因为对于某些金属材料，焊接工艺方法时首要的决定因素，例如：对于铝合金和镁合金焊件的焊接，适用的焊接方法只有TIG和MIG（情性气体保护焊）两种：对于某些超高强度钢、高合金钢及镍基合金等，为保证符合规程要求的接头质量，只能焊接热输入量低的焊接方法；焊接氧化性强的金属材料，如钛及其合金等，只能选用惰性气体保护焊和真空电子束焊。对于普通碳钢和低合金钢，几乎可以采用所有的熔焊方法进行焊接。（2）接头形式和焊接位置。接头形式和焊接位置是选择焊接方法的重要因素之一。如图四种典型的接头形式：a代表所有

38、开宽坡口，需填充大量熔敷金属的对接和角接接头。焊接这类接头时，首先应考虑采用熔敷率高的焊接方法，如埋弧焊，药芯焊丝电弧焊和多丝MIG/MAG（氧化性混合气体保护）焊等；图b则相反，要求焊缝金属体积小，焊接速度很快，并保证焊缝成形良好，对于这种接头，应当选择热量高度集中的焊接方法，如高频TIG焊，等离子弧焊和激光焊等；图c属于难焊位置和接头形式。这些焊接位置包括立焊、仰焊和横焊，能适应全位置焊的焊接工艺方法有：焊条电弧焊、CO2气体保护焊、脉冲电弧MIG/MAG焊，以及钨极氩弧焊等；图d是开浅坡口留大钝边，或不开破开的直边对接接头，为了得到焊透的焊缝，必须采用具有深熔特性的焊接工艺方法，如埋弧焊

39、、等离子弧焊和电子束焊等。（3）焊接的结构特点和焊缝的布置。焊接的结构大体上可分为简单和复杂两大类。如平板和管子的拼接，压力容器筒体和管道的纵环缝，焊接H型钢和箱形梁角焊缝，以及各种肋板的角焊缝等，即为结构简单的焊件。对于这类焊件，可以采用各种高效的、易于实现机械化和自动化的焊接方法，如单丝、多丝埋弧焊，高效MIG/MAG焊，等离子弧焊及激光焊等。结构复杂的构件，如内燃机机体、汽车车身框架、车厢结构、船体机构、工程机械部件和工程建筑构架等，这些结构部件大都由不同方位、长度不等的短焊缝连接，只能采用操作灵活性较好的焊条电弧焊和半自动MAG焊。对于大批量生产，且设备投资回收率快的焊件，如轿车车身的

40、焊接，可以采用机器人或机械手与变位机械组成的MAG焊机器人工作站。（4）生产模式和产量。焊接结构的生产模式可分为单件、小批量、批量和大批量。焊接结构的产量通常指年产量或月产量。某些焊接结构，如大型船舶，大型电站锅炉和重型容器等，虽然产量较低，但焊接工作量巨大。在这种情况下，可以按焊接工作量作为选择焊接工艺方法的依据。（5）对焊缝性能和质量的要求。现代工业中的焊接结构，大多数对焊缝的质量提出了严格要求。一些重要焊接结构的制造规程，都对所应采用的焊接工艺方法作出了明确的规定。有的甚至在产品的施工图样中，规定必须采用的焊接工艺方法。例如：欧洲某些工业发达国家，对食品和饮料加工所有的不锈钢薄壁容器筒身

41、的纵环缝，在产品的施工图样中，强制性规定采用等离子弧焊工艺。因为多年的生产经验表明，目前只有等离子弧焊焊制的焊缝，才能满足该容器对焊缝表面质量的要求。3） 焊接材料的选择焊接过程中用以进行焊接连接的消耗材料以及为了提高焊接质量而附加的保护物质统称为焊接材料。随着焊接技术的迅速发展，焊接材料的应用范围日益增大。焊接材料在造船、石油化工、车辆、电力、核反应堆等领域中起着非常重要的作用。而且，焊接技术的发展对焊接材料的品种和产量方面都提出了越来越高的要求。焊接材料种类繁多，在应用中容易引起混乱。特别是中国加入WTO以后，许多焊接材料已逐步向国际标准靠拢，了解各种焊接材料的特点对正确选用焊接材料具有十

42、分重要的意义。焊接材料的质量对保证焊接过程的稳定和获得满足使用要求的焊缝金属起着决定性的作用。归纳起来，焊接材料应具有以下作用：（1）保证电弧稳定燃烧和焊接熔滴金属容易过渡。（2）在焊接电弧的周围造成一种还原性或中性的气氛，保护液态熔池金属，以防止空气中氧、氮等侵入熔敷金属。（3）进行冶金反应和过渡合金元素，调整和控制焊缝金属的成分与性能。（4）生产的熔渣均匀覆盖在焊缝金属表面，防止气孔、裂纹等焊接缺陷产生，并获得良好的焊缝外形。（5）改善焊接工艺性能，在保证焊接质量的前提下尽可能提高焊接效率。4）焊接结构设计焊接结构在航空航天、能源、化工、船舶、汽车、建筑等领域都有着广泛应用。焊接结构已取代

43、铆接结构、部分取代了铸造和锻造结构，这与其优点是紧密相关的，主要有以下方面：强度高、重量轻。现代焊接技术已经能够使接头与母材等强度，同时具有良好的疲劳性能和抗断裂性能。与铸件或机械连接件相比，焊接结构节省材料，重量减轻。水密性和气密性好。铆接结构在使用中难以保证可靠的水密性和气密性,而焊接结构具有良好的水密性和气密性，广泛应用于压力容器、船舶等领域。焊接结构尺寸和形状不受限制。现代焊接技术几乎可以实现任何板厚与结构形式的焊接，焊接厚度最大可以达到数百毫米，最小可以是几个微米；通过焊接可以生产各种复杂结构。结构简单，生产效率高。使用简单的对接和角焊缝连接，就可以制造出各种复杂结构。生产效率高，周

44、期短，成本低。同时，焊接结构的缺点也是不可忽视的，主要有以下几点：焊接应力与焊接变形。焊接过程是局部加热，不可避免地会产生热应力和变形。若加热时产生的拉伸应力过大，会导致焊缝裂纹或开裂。焊后的残余应力对结构的强度、刚度、稳定性以及尺寸精度都有较大的影响。焊接接头性能不均匀。焊缝、热影响区和母材的强度、韧性不均匀，会对整个结构的强度和断裂行为产生显著影响。焊接缺陷。焊接过程中快速加热和冷却会使局部材料在非平衡条件下发生熔化、凝固和固态相变，在焊接区产生裂纹、气孔、未焊透和夹杂等焊接缺陷，往往是结构破坏的根源。焊接结构刚度大、整体性强。整体性是焊接结构具有良好的水密性和气密性，同时也为裂纹的扩展提

45、供了方便。设计焊接结构应满足下列基本要求：（1）实用性。焊接结构必须达到产品所要求的使用性能和预期效果。（2）可靠性。焊接结构在试用期内必须安全可靠，受力合理，能满足静载强度、疲劳强度、韧性、刚度、稳定性、抗震性等要求。（3）工艺性。所选材料应具有良好的焊接性能，焊接结构能够方便地进行焊接操作，能够实行焊前处理和焊后处理，也具有焊接与检验操作的可达性，易于实现机械化和自动化焊接的要求。（4）经济性。制造焊接结构时，所消耗的原材料、能源和工时应最少，其综合成本最低。对于大型、复杂的焊接结构设计，一般分为初步设计、技术设计和工作图设计三个阶段，其中最重要的是确定焊接结构和尺寸的任务应在技术设计阶段

46、完成。8 材料成型工艺的计算机模拟与设计8.1铸造工艺过程的数值模拟 （ANSYS）8.1.1数值模拟前的准备工作（1）模型的基本尺寸及简化方案本案例针对钢的砂模铸造过程温度场分析，砂模模腔为“L”形。根据模型的基本特点，对模型进行简化，首先由三维模型简化为二维，同时根据其对称性进行平面对称简化。（2）材料特性本模拟中用到的材料的相关参数及边界条件如下表所示。（3）模拟试验所用软件本模拟试验所用软件为ANSYS/Mechanical软件模块，ANSYS10.0以上版本。8.1.2模拟方法和步骤（1）单元的选择及材料模型及参数的建立（2）材料模型的选择及材料参数的输入（3）几何模型的建立（4）几何模型的切分及网格划分（5）对流边界条件的施加（6）初始温度的施加（7）求解（8）时间历程后处理（9）通用后处8.1.3模拟报告要求（1）数值模拟案例的名称（2）数值模拟的前期准备工作（3）数值模拟所用软件、材料（4）数值模拟结果分析讨论（5）数值模拟的可行性及相关结论（6）参考文献8.2锻造成形过程