4.4金属材料的成型工艺解析课件

1、第三章金属材料第一节 金属材料的制备与合成第二节 金属的晶体结构及晶体缺陷第三节 纯金属的结晶和铸锭第四节 金属材料的成型工艺1第1页，共110页。4.4 金属材料的成型工艺铸造、压力加工、焊接、机加工、粉末冶金第2页，共110页。铸造铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一特点可一次成型内腔、外形复杂的毛坯成本低工艺灵活适合于批量生产公差较大易产生内部缺陷3第3页，共110页。铸造的工艺基础 铸造的基本过程：液 态金 属充 型铸 件凝 固收 缩定义：铸造是指将熔融态的金属（或合金）浇注于特定型腔的铸型中凝固成形的金属材料成形方法。4第4页，共110页。 实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并

2、在其中凝固和冷却。砂型铸造5第5页，共110页。铸造主要影响因素 铸造的主要影响因素主要体现在二个方面： 阶 段主要影响因素 铸 造充 型 金属的流动性 浇注温度 充型压力 凝 固 收 缩 凝固方式 冷却速度6第6页，共110页。 金属的流动性：改善金属的流动性加快凝固中液体的补缩排除内部夹杂物和气体形成薄壁复杂的铸件有利于金属流动性测试实验 实验如右图所示：7第7页，共110页。铸造的分类 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铸造砂型铸造特种铸造第8页，共110页。机器造型机器造型的实质机器造型的特点将填砂、紧实、和起模等 主要工序实现机械化生产效率高，劳

3、动强度低，产品质量稳定9第9页，共110页。造型生产线示意图10第10页，共110页。机器造型方法1、振压造型工作原理 机器造型方法：振压造型、高压造型、抛砂造型。 a) 填砂 b) 振实 c) 压实 d) 起模11第11页，共110页。2、多触头高压造型3、抛砂机12第12页，共110页。 砂型铸造的特点：1、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制；2、属于一次性铸造成形，造型工作量大；3、铸件精度和表面质量差；4、砂型铸造缺陷多，废品率高，机械性能较差；5、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。13第13页，共110页。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

4、瓷型铸造14第14页，共110页。一、熔模铸造 熔模铸造是在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的成形方法。熔模铸造工艺过程： 制造熔模、制模组、上涂料（及撒砂）、脱模、焙烧、浇注、落砂、切浇口。15第15页，共110页。熔模铸造的特点：铸件的精度和表面质量较高（IT1113,Ra1.612.5）合金种类不受限制，钢铁及有色金属均可适用可铸出形状复杂的铸件生产批量不受限制工艺过程较复杂，生产周期长，成本高铸件尺寸不能太大 熔模铸造是一种少、无切削的先进精密成形工艺，最适合25kg以下的高熔点、难加工合金铸件的批量生产。如汽轮机叶片、泵轮、复杂刀具

5、、汽车上小型精密铸件。16第16页，共110页。二、金属型铸造 金属型的结构可分为：水平分型式、垂直分型式及复合分型式等。金属型一般用铸铁、铸钢；铸件的内腔可用金属型芯或砂芯来形成。 金属型铸造是在重力作用下将液态金属浇入金属铸型的成形方法。水平分型式垂直分型式17第17页，共110页。铸造铝活塞的金属型及金属型芯铰链开合式金属型 组合式金属型芯18第18页，共110页。金属型优点：一型多铸，生产效率高铸件尺寸精度高，表面质量好 (IT1214, Ra6.312.5)铸件冷却快，组织致密，机械性能好金属型缺点： 金属型成本高 没有退让性，不宜生 产形状复杂的铸件 铸件冷却快，组织致密，机械性能

6、好 金属型铸造主要用于铜、铝、镁等有色金属铸件的大批量生产。如内燃机活塞、汽缸盖、油泵壳体、轴瓦、轴套等。19第19页，共110页。三、压力铸造 压力铸造是将液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的方法。通常有冷压铸和热压铸两种方式。压铸工艺过程：a) 注入金属 b) 压铸 c) 抽芯 d)顶出铸件20第20页，共110页。卧式压铸机21第21页，共110页。热压铸原理22第22页，共110页。热压铸机23第23页，共110页。压力铸造的特点：铸件的尺寸精度高（IT812,Ra3.20.4）铸件的强度和表面硬度都较高生产效率高（一般为50150次/小时）铸件表皮下有

7、气孔，不能多余量加工和热处理设备投资大，压铸型制造成本高，适宜大量生产 压力铸造主要用于铝合金、锌合金和铜合金铸件。压铸件广泛应用与汽车、仪器仪表、计算机、医疗器械等制造业，如发动机汽缸体、汽缸盖、仪表和照相机的壳体与支架、管接头、齿轮等。24第24页，共110页。四、离心铸造 离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，使其在离心力作用下成形并凝固的铸造方法。 a) 垂直轴线 b)水平轴线25第25页，共110页。离心铸造的特点：铸件组织致密，机械性能好不用型芯和浇注系统，简化生产，节约金属金属液的充型能力强，便于流动性差的合金及薄壁铸件便于制造双金属结构铸件易产生偏析，内孔不准确且内表面粗糙 离心

8、铸造是铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承的主要生产方法，铸件最大可达十多吨。此外，在耐热钢辊道、特殊钢的无缝管坯、造纸机干燥滚筒等生产中得到应用。26第26页，共110页。几种造型方法的比较27第27页，共110页。4.4 金属材料的成型工艺铸造、 、焊接、机加工、粉末冶金压力加工第28页，共110页。压力加工轧制拉拔挤压锻造冲压原材料的加工型材、板材、管材零件成品或毛坯的加工29第29页，共110页。自由锻模锻板料冲压挤压拉拔轧制30第30页，共110页。金属的压力加工压力加工（锻压）借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件。金属坯料锻压件塑性变形31第

9、31页，共110页。一、金属塑性变形的实质金属晶体单晶体（理想金属）多晶体（实际金属）问题：金属材料为什么能产生塑性变形？ 塑性变形的实质？ 32第32页，共110页。1、单晶体的塑性变形 位错切应力滑移面主要方式滑移变形33第33页，共110页。2、多晶体的塑性变形 晶内变形 晶粒内部的滑移变形晶间变形 晶粒间的移动和转动晶粒位向与受力变形关系34第34页，共110页。二、塑性变形对金属组织和性能的影响1、冷变形强化（加工硬化） 金属材料在冷塑性变形时，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降的现象冷变形强化加工硬化的应用原因？提高强度使变形均匀 提高安全性产生原因：滑移面上产生了微小碎晶，晶格畸

10、变。（内应力）35第35页，共110页。2、回复和再结晶保持加工硬化，消除内应力。如冷卷弹簧进行去应力退火。 消除加工硬化，提高塑性。 再结晶速度取决于加热温度和变形程度。 再结晶也是一个形核、晶核长大的过程。36第36页，共110页。3、冷变形和热变形冷变形 再结晶温度以下的塑性变形。热变形 再结晶温度以上的塑性变形冷变形加工硬化冲压、冷弯、冷挤、冷轧塑性材料热变形加工硬化+再结晶锻造、热挤、轧制变形量大，易氧化37第37页，共110页。三、压力加工方法自由锻模锻板料冲压挤压拉拔轧制38第38页，共110页。1、 轧 制 轧制最早在16世纪后期发展起来，目前约有90的金属材料涉及轧制工艺。

11、轧制的基本操作是平板轧制，即简单轧制，轧出来的是平板和薄板。平 板轧 制薄 板平 板大锅炉支撑反 应 容 器坦 克 装 甲波音747蒙皮饮 料 罐香 烟 铝 箔300 mm150 mm100125 mm1.8 mm0.1 mm0.008 mm 6 mm 6 mm39第39页，共110页。 轧件的组织变化：40第40页，共110页。 热轧和冷轧（按轧制温度分类） 热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，热轧变形抗力小，塑性较差或变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。 冷轧是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷轧产品尺寸精度高，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗

12、力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同纵轧 横轧 斜轧 楔横轧41第41页，共110页。固定芯杆移动芯杆无芯杆芯杆凹轧辊几种常见的管材轧制工艺 纵轧：轧辊轴线与坯料轴线方向垂直。42第42页，共110页。 横轧：轧辊轴线与坯料轴线方向平行。43第43页，共110页。 斜轧：轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度。 44第44页，共110页。 在轧制过程中，金属棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制，并被分离成单个的小球，轧辊每旋转一周即可轧制出一个钢球。45第45页，共110页。轧制时坯料径向尺寸减小，长度增加金属变形过程 楔横轧主要用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对

13、称的零件或毛坯。 楔横轧：利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。 46第46页，共110页。2、挤 压 挤压是将金属坯料放入挤压模具中，在压力作用下使坯料从模孔中挤出而变形的加工工艺。 多数实心或空心截面都可以通过挤压成形获得。由于挤出过程中，模具的几何形状不变，因此挤出件具有恒定的截面。 挤出成形可在室温或高温下成形，这主要取决于材料的塑性。由于要用到模膛，每个毛坯要单独挤压，因此挤压是一种分批的或半连续的成形工艺。47第47页，共110页。 挤压概述：挤 压 过 程 示 意 图48第48页，共110页。 挤压主要的影响因素： 在挤压的主要影响因素中

14、，挤压模的角度和坯料挤出前后的横截面积之比A0/Af（称为挤压比）属于几何变量；此外，坯料的温度、挤出的速度以及润滑剂的种类对挤压工艺来说也相当重要。49第49页，共110页。 挤压成形的特点：1、挤压时金属坯料在三向受压状态变形，因此可提高金属坯料的塑性；2、可挤各种形状复杂、深孔、薄壁、异性断面的零件；3、零件精度高、表面粗糙度低；4、挤压件内部的纤维组织提高了力学性能；5、节约原材料，生产率较高。挤压示意图50第50页，共110页。 挤压的主要工艺类型： 根据金属的流动方向和凸模运动方向，挤压分为正挤、反挤、复合挤压和径向挤压。 根据坯料的温度，又可分为热挤压、冷挤压和温挤压。 正挤压：

15、 金属流动方向与凸模运动方向相同的挤压方式。51第51页，共110页。 反挤压： 金属流动方向与凸模运动方向相反的挤压方式。52第52页，共110页。 复合挤压：一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，另一部分金属流向相反的挤压方式。复 合 挤 压径 向 挤 压 径向挤压： 金属流动方向与凸模运动方向成90角度的挤压方式。53第53页，共110页。各种温度挤压的特点热挤压T再以上表面粗糙冷挤压T室温表面质量好，加工硬化温挤压T室温 T再表面较好54第54页，共110页。3、拉 拔 拉拔是在公元10001500年之间发展起来的一种成形工艺，在此工艺中，实心棒材、线材和管材通过模具而横截面被减小或变

16、形。常用拉拔零件的横截面 拉拔是指将金属坯料拉拔通过具有一定形状的模孔而使其横截面积减小、长度增加的加工方法。55第55页，共110页。温拉拔的工艺拉拔的种类无模拉拔冷拔拉丝坯料打头润滑退 火脱脂拉拔酸洗成品冷拉拔温拉拔56第56页，共110页。4、 锻 造 锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公元前4000年甚至8000年。 锻造最初是通过石制工具锤打的方法来制造珠宝、钱币和各种器具，再发展成铁匠这一古老的职业。57第57页，共110页。 流线组织：CastingMachiningForging 锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度

17、和韧性。58第58页，共110页。 自由锻造： 定义：是指借助锻压设备上下砧块的压力使坯料成形的压力加工方法，在锻造过程中，金属沿垂直于作用力的方向上自由变形。 基本工艺过程：59第59页，共110页。 特点和应用： 1、锻件的质量范围宽，操作工具简单； 2、生产效率低，劳动强度大，金属损耗大； 3、锻件尺寸精度低，形状不太复杂； 4、适于单件小批量生产和锻造大型零件毛坯。60第60页，共110页。 基本工艺过程： 模型锻造： 定义：把金属坯料放在锻模的模膛内，在模锻锤或压力机上利用冲击力或压力使坯料在模膛内产生变形，从而获得形状与模膛内轮廓相一致的锻件的加工方法。61第61页，共110页。特

18、点和应用：金属变形受模具限制，生产率较高锻件尺寸精确，加工余量少可成型形状复杂的零件操作简单，易于实现机械化适合于大批量，中、小型锻件62第62页，共110页。5、板材冲压 板材冲压时利用冲模使薄板产生分离或变形的加工方法。通常用于加工表面积与厚度之比很大的工件，与体积成形工艺（如锻造）不同，板料成形时材料的厚度通常不会减少，目的是避免缩颈和撕裂。 与铸造、锻造出来的零件相比，薄板冲压的零件有着重量轻、形状多变的优点。由于低碳钢价格低，具有足够的强度及良好的成形性能，所以它是最常用的金属薄板料。而航空宇航业则常选用铝和钛薄板料。63第63页，共110页。 根据板料在加工过程中其整体性是否破坏，

19、板料冲压可以分为分离工序和变形工序两大类。 冲压的主要工艺类型 分离工序：1、剪 切剪切剪刀冲 模2、落 料落 料64第64页，共110页。3、冲 孔冲 孔65第65页，共110页。 变形工序：1、弯 曲 使用模具或其它工具，将坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定的角度或弧度的冲压过程。 裂纹出现时所对应的临界弯曲半径称为薄板的最小弯曲半径。 弹性后效（回弹）是指弯曲后的零件在去除外力后，其弯曲角度出现增大或减小的现象。66第66页，共110页。弯曲的主要工艺类型：自由弯曲模 弯双模卷绕单模卷绕67第67页，共110页。2、拉 深 拉深是在压力机上，利用模具使金属板料产生塑性变形，使之成为开口

20、空心零件的一种冲压工艺，也称拉延。应用于圆筒形、盒形、锥形、球形等开口空心零件的制造68第68页，共110页。3、胀 形 胀形是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序。模 压 成 形69第69页，共110页。4、翻 边翻边是使平板坯料上的孔或外圆获得内外凸缘的工序。70第70页，共110页。4.4 金属材料的成型工艺铸造、压力加工、焊接、机加工、粉末冶金第71页，共110页。焊接定义：是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊接件达到原子结合的一种方法。焊接方法：熔化焊、压力焊、钎焊等。焊接方法的应用： （1）制造金属结构件； （2）制造机器零件和工具； （3）修复。72第7

21、2页，共110页。焊接的主要特点是：（1）节省材料，减轻质量；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好,可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。73第73页，共110页。焊接方法压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊软钎焊硬钎焊熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊气焊焊条电弧焊埋弧焊气体保护焊电阻焊激光焊74第74页，共110页。 熔化焊是焊接最基本的焊接方法。根据焊接能源种类、能源传递介质和方式的不同，熔化焊可分为电弧焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子焊等。熔 化 焊 熔化焊的基本原理 熔化焊的基本原理是

22、指将填充材料（如焊丝）和工件的连接区基体材料共同加热至熔化状态，在连接处形成熔池，熔池中的液态金属冷却凝固后形成牢固的焊接接头，使分离工件连接成为一个整体。75第75页，共110页。 熔焊焊缝的形成 在高温热源的作用下，填充金属（如焊条）和基体金属发生局部熔化。熔池前部（2-1-2区）熔化金属被电弧吹力吹到熔池后部（2-3-2区），迅速冷却结晶。随着热源不断移动，从而形成连续的致密层状组织焊缝。 焊缝形成过程示意图76第76页，共110页。熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊气焊焊条电弧焊埋弧焊气体保护焊激光焊熔化焊的分类77第77页，共110页。气焊利用可燃气体燃烧的火焰作为热源的焊接方法。特

23、点适用于多种金属材料的焊接设备简单、成本低廉焊炬操作灵便适合各种地点和位置焊接 构件变形大，生产率低78第78页，共110页。 焊条电弧焊是利用焊条与工件之间产生的电弧热将工件和焊条熔化的一种焊接方法。焊条电弧焊 焊接电弧 焊接电弧是在电极和工件间的气体介质强烈而持久的放电现象。 焊条焊接钢材时的焊接电弧79第79页，共110页。 焊条电弧焊的焊接过程 焊条电弧焊焊接 过程示意图焊缝附近基体金属焊 条药 皮焊 芯熔 渣熔 化焊 缝CO2保护熔池电弧电弧80第80页，共110页。 电焊条焊条组成：电焊条由焊芯和药皮组成。焊芯的作用：导电与充填焊缝。药皮的作用：提高电弧燃烧的稳定性，防止空气对熔化

24、金属的有害作用，保证焊缝金属的脱氧和加入合金元素。焊条电弧焊的优缺点优点：设备简单，易于维护，使用灵活；适于多种钢材 和有色金属等，是应用最广泛的焊接方法。缺点：焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，焊缝质量不稳定。 81第81页，共110页。渣保护 为了使熔池与空气隔离，可在熔池上覆盖一层熔渣。一方面防止金属氧化和吸气另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能 同时，还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射 82第82页，共110页。 埋弧自动焊是利用专门的机械设备自动完成手工电弧焊中的引燃电弧、送进焊条以及移动电弧等焊接动作，并使电弧在较厚焊剂下燃烧的熔化焊。 埋弧自动焊 焊接过程 如图所示，埋弧焊

25、的焊接过程可概括为：自动送丝；引弧；焊剂自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。83第83页，共110页。 埋弧自动焊接过程（焊缝剖面图）84第84页，共110页。 焊丝与焊剂焊接材料焊 剂焊 丝熔 炼焊 剂陶 瓷焊 剂相当于焊 芯相当于药 皮85第85页，共110页。 1、焊接质量高且稳定； 2、熔深大，节省焊接材料； 3、无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少； 4、自动化操作，生产效率高。 5、设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形 工件的纵、环焊缝的批量生产。 埋弧自动焊的特点86第86页，共110页。气保护用于保护熔池和溶滴的气体应是惰性气体，并在高温下不分解，或是低氧化性的不溶于金

26、属液体的双原子气体(如Ar或CO2)。喷嘴结构应尽可能使气体以层流流出。87第87页，共110页。 气体保护焊是利用保护性气体防止外界有害气体对熔池进行侵害的特殊焊接方法。它适于一些化学性质活泼的金属焊缝的焊接作业。 气体保护焊 氩弧焊 氩弧焊示意图88第88页，共110页。 CO2气体保护焊 CO2气体保护焊示意图89第89页，共110页。电渣焊 利用电流通过熔渣时产生的电阻热加热和熔化焊丝和母材来进行焊接的一种熔化焊方法。种类丝极、板极、熔嘴、熔管电渣焊90第90页，共110页。电渣焊的特点电渣焊可一次焊接很厚的工件，故焊接生产率高。电渣焊的加热和冷却速度低，高温停留时间长，晶粒粗大，力学

27、性能不佳。电渣焊不开坡口，焊接过程中焊剂、焊丝和电能的消耗量均比埋弧焊低，而且工件厚度越大效果越明显。电渣焊时金属熔池的凝固速率低，熔池中的气体和杂质较易浮出，故电渣焊焊缝产生气孔，夹渣的倾向性较低。91第91页，共110页。等离子弧焊 利用机械压缩效应（电弧通过喷嘴细小孔道时的被迫收缩）、热压缩效应（在冷气流的强迫冷却下，带电粒子流离子和电子往弧柱中心集中）和电磁收缩效应（弧柱带电粒子的电流线为平行电流线，相互磁场作用使电流线产生相互吸引而收缩）将电弧压缩为细小的等离子体。92第92页，共110页。93第93页，共110页。等离子弧焊的特点及应用等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强。1

28、0 12mm厚钢材可不开坡口，一次焊透双面成型，焊接速度快，生产率高，应力变形小。可焊接很薄的箔材。设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属的焊接。如钛合金导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、电容器的外壳封焊以及飞机上一些薄壁容器94第94页，共110页。电子束焊 电子束焊是利用高速运动的电子撞击工件时，将动能转化为热能将焊缝熔化进行的熔化焊方法。95第95页，共110页。电子束焊的特点及应用保护效果好，焊缝质量高，适用范围广。能量密度大，穿透能力强，可焊接厚大截面工件和难熔金属。加热小，焊接变形小。电子束焊成本高，主要用于微电子器件焊装、导弹外壳的焊接、

29、核电站锅炉汽包和精度要求高的齿轮等的焊接。96第96页，共110页。激光焊基本原理：利用激光器受激产生激光束，通过聚焦系统将其聚集成半径微小的光斑，当调焦到被焊工件的接缝时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成焊接接头。97第97页，共110页。激光焊的特点高能高速焊，无焊接变形。灵活性大。生产率高，材料不易氧化。设备复杂，目前主要用于薄板和微型件的焊接。98第98页，共110页。 压力焊（俗称固态焊）是在压力（或同时加热）作用下，在被焊的分离金属结合面产生塑性变形而使金属连接成为整体的焊接工艺。压 力 焊压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊电阻焊 电阻焊 电阻焊是利用电流通过被焊工件以及接触部分产生电阻热，使接触部位达到塑性或局部熔化状态，加压焊合而使工件焊接在一起的焊接方法。 99第99页，共110页。 电阻焊分类电阻焊对 焊滚 焊点 焊根据焊接接头形式的差异 点焊和滚焊加 压断电保压通 电去 压工艺步骤：100第100页，共110页。 点焊形成过程示意图 滚焊形成过程示意图101第101页，共110页。 对