金属工艺学复习课件学习资料

金属工艺学复习课件铸造液态金属充满铸型型腔，获得形状准确、轮廓清晰的成型件的能力，称为充型能力。充型能力不足时会产生浇不足、冷隔、夹砂、气孔、夹渣等缺陷。充型能力首先取决于合金的流动性，同时又受铸型性质、浇注条件和铸件结构等因的影响。铸造最适合制造内腔形状复杂零件的方法。浇注位置：是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。这个位置是否正确，对铸件的质量影响很大。金属的液态成型工艺手工造型

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消失模铸造液态成型工艺砂型铸造特种铸造

整模造型

分模造型

活块造型三箱造型挖砂造型

刮板造型机器造型砂型铸造的工艺设计铸造工艺图的绘制分型面的选择工艺参数的确定浇注位置的确定1/13/20234工艺参数的确定加工余量收缩率拔模斜度铸造圆角工艺参数铸铁的优点

良好的铸造性能，如流动性好、收缩小良好的切削加工性能高的耐磨性良好的吸振缓冲性能低的缺口敏感性能灰铸铁的性能铸铁之所以用得如此广泛，是因为石墨的存在，石墨的存在，使铸铁具有铸钢所不具备的性能。可锻铸铁件的生产可锻铸铁生产：将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁中的渗碳体分解，获得在铁素体或珠光体的基体分布着团絮状石墨的铸铁。黑心可锻铸铁(KTH,铁素体基体)珠光体可锻铸铁(KTZ)白心可锻铸铁(KTB，很少用)种类特点：强度高σb=300~400Mpa，塑性（δ≤12%）和韧性（αk≤30J/cm2)好石墨化退火周期长，40~70h,铸件成本高适用于制造承受震动和冲击、形状复杂的薄壁小件其实它并不能真的用于锻造

白口铸铁：灰口铸铁：麻口铸铁：P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le珠光体灰口铸铁：铁素体灰口铸铁：珠光体+铁素体灰口铸铁：P+G片P+F+G片F+G片化学成分：C是形成石墨的元素Si是促进形成石墨的元素通常C%、Si%越高，越容易石墨化影响石墨化的因素—化学成分球墨铸铁件主要特点石墨成球状，对基体的割裂作用已降到最低，力学性能比灰铸铁有显著提高。可通过热处理改善金属基体，进一步提高性能。这一点与灰铸铁不同。球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷。石墨析出时，发生膨胀，应适当提高铸型刚度。球墨铸铁件生产中应注意的问题控制原铁液的化学成分，与一般灰铸铁基本相同；具有高C高Si，中Mn,低S、P特点。较高的铁液温度，以防止球化处理、孕育处理后铁液温度过低，产生浇不足等缺陷球化处理、孕育处理。浇注条件对充型能力的影响浇注条件浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强。液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大,充型能力越强。浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。2.1.2.3铸型条件对充型能力的影响铸型蓄热系数:即从金属中吸取热量并储存的能力铸型温度(不能过高)铸型的发气和透气能力：铸型发气能力过强，透气能力又差时，若浇铸速度太快，则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱。铸造工艺图实例分型面的选取至关重要衬套的零件图、铸造工艺图、铸件图(a)(b)a)改进前；b)改进后去掉凸台，避免活块减少型芯的数量，避免不必要的型芯直分型，防挖砂凸台型芯分型面为曲面，需挖砂造型内腔设计少用芯，安芯排气与清理，事先考虑想仔细(a)(b)a)改进前；b)改进后结构应使工艺简化简化外形，分形少思考题：为防止铸件缺陷产生，试修改图示铸钢机架的结构。（孔的尺寸、形状不能变）加工余量孔的铸出：要考虑铸出的可能性、必要性、和经济性。一般大孔用下芯的方式铸出，而小孔则用机加工完成。铸造收缩率

铸件在凝固和冷却过程中会发生收缩而造成各部分体积和尺寸缩小。为使铸件的实际尺寸符合图样要求，在制作模样和芯盒时，模样和芯盒的制造尺寸应比铸件放大一个该合金的收缩率。

合金收缩率的大小取决于铸造合金的种类及铸件的结构、尺寸等因素。通常灰铸铁的铸造收缩率是0.7%~1.0%，铸钢的铸造收缩率为1.3%~2.0%余量；斜度；型芯；型芯头；分型面和浇注位置便于起模实例肋的布置凸肋设计避活块压力加工金属塑性成型：利用金属在外力作用下所产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法也称为压力加工可锻性

可锻性--常用金属材料在经受压力加工产生塑性变形的工艺性能来表示。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。金属对变形的抵抗力，称为变形抗力。金属的可锻性取决于材料的性质（内因）和加工条件（外因）。金属压力加工生产中锻前加热易产生的缺陷金属与空气中氧气发生“氧化”反应。合金中的石墨和空气氧气反应产生“脱碳”现象。若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。

使纤维分布与零件的轮廓相符合而不被切断；使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除，只能通过塑性加工使金属变形，才能改变其方向和形状。具有纤维组织的金属，各个方向上的力学性能不相同。顺纤维方向的力学性能比横纤维方向的好。纤维组织的利用原则冷变形强化（加工硬化）：在冷变形时，随着变形程度的增加，金属材料的所有强度指标（弹性极限、比例极限、屈服点和强度极限）和硬度都有所提高，但塑性和韧性有所下降。回复：冷变形后的金属加热至一定温度后，因原子的活动能力增强，使原子回复到平衡位置，晶粒残余应力大大减小。回复温度：T回=(0.25～0.3)T熔再结晶：当温度升高到该金属熔点的0.4倍时（T再=0.4T熔），金属原子获得更多的热能，使塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为变形前晶格结构相同的新等轴晶粒。变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。自由锻件的结构工艺性避免锥体和斜面结构几何体间的交接处不应形成空间曲线改成平面与圆柱、平面与平面锻件的结构工艺性自由锻件的结构工艺性自由锻件上不应设计出加强筋、凸台、工字形截面截面变化大的锻件，采用组合连接应力状态的影响挤压时为三向受压状态。拉拔时为两向受压一向受拉的状态。压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。图a挤压时金属应力状态图b拉拔时金属应力状态弯曲变化过程弯曲是将坯料弯成一定的角度，一定的曲率形成一定形状零件的工序。防止破裂，弯曲最小半径应为rmin=(0.25～1)s。s为金属板料的厚度。材料塑性好，则弯曲半径可小些。弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直。回弹现象--由于弹性变形的恢复，坯料略微弹回一点，使被弯曲的角度增大。一般回弹角为0～10°。与坯料纤维方向垂直薄板的冲压成型是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。这种加工方法通常是在常温下进行的，所以又叫冷冲压或板料冲压。板料冲压具有下列特点：①便于实现自动化，生产率很高，操作简便。②节省原材料，节省能源消耗。③产品重量轻、强度高、刚性好。④产品尺寸稳定，互换性好，可以加工形状复杂的零件。凸凹模刃口尺寸的确定在冲裁件尺寸的测量和使用中，都是以光面的尺寸为基准。落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的而孔的光面是凸模刃口挤切材料产生的

设计落料模时，应先按落料件确定凹模刃口尺寸，取凹模作设计基准件，然后根据间隙Z确定凸模尺寸（即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值）。

设计冲孔模时，先按冲孔件确定凸模尺寸，取凸模作设计基准件，然后根据间隙Z确定凹模尺寸（即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值）。落料凹模和冲孔凸模尺寸落料凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小的尺寸。落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的。冲孔凸模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸。冲孔的光面是凸模刃口挤切材料产生的。落料冲孔大批量生产图示垫圈，材料为低碳钢板，厚度为1.5mm，问需要哪两副模具？若双面间隙Z=0.2，试分别计算出这两副模具的凸凹模尺寸。需一副冲孔模、一副落料模。冲孔模：φ凸=φ孔=100φ凹=φ凸+Z=100+0.2=100.2落料模：φ凹=φ落料=200φ凸=φ凹－Z=200－0.2=199.8变形工序拉深变化过程拉深过程及变形特点：凸模和凹模有一定的圆角，其间隙一般稍大于板料厚度。拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。直壁厚度有所减小。1-凸模；2-毛坯；3-凹模；4-工件圆筒形零件的拉深拉深中常见的废品及防止措施拉伸件中最危险的部位是直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的强度极限时，此处将被“拉裂”。防止“拉裂”的措施有：正确选择拉伸系数拉深件直径d与坯料直径D的比值称为拉深系数，用m表示，即m=d/D。拉深系数不小于0.5～0.8。坯料的塑性差取上限值，塑性好取下限值。其中拉深工序中拉深系数越小则变形程度越大。

拉深废品合理设计拉深模工作零件

凸凹模的圆角半径。材料为钢的拉深件，取r凹=10s，而r凸=(0.6～1)r凹。这两个圆角半径过小，产品容易拉裂。凸凹模间隙。一般取Z=(1.1～1.2)s。注意润滑拉深过程中另一种常见缺陷是起皱。可采用设置压边圈的方法解决，也可以通过增加毛坯的相对厚度或拉深系数的途径来解决。有压边圈的拉深起皱拉深件焊接焊接序言提要：焊接是一种极为广泛的连接方法焊接是通过加热或加压，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、气体保护焊、等离子弧焊接、激光焊、高频焊等。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。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。熔焊原理及过程熔焊的本质及特点熔化焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。焊条电弧焊1-焊件；2-焊缝；3-渣壳；4-熔渣；5-气体；6-药皮；7-焊芯；8-熔滴；9-电弧；10-熔池a)熔池的形式b)热影响区形式

c)熔池结晶

柱状晶熔池母材焊丝熔滴焊缝热影响区酸性药皮与碱性药皮两者的性质酸性药皮工艺性好，而碱性药皮工艺性差碱性药皮中有益元素多，能使焊接接头力学性能提高碱性药皮中因不含有机物，也称低氢型药皮。可以提高焊缝金属的抗裂性碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞溅和CO气孔碱性药皮在高温下，易生成较多的有毒物质（HF等），因而应注意通风CO2焊时的飞溅

CO2+Fe=FeO+CO↑

FeO进入熔池和熔滴，与熔池和熔滴中的碳反应：

FeO+C=Fe+CO生成的CO在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞溅。不适合焊接有色金属和高合金钢。二氧化碳焊以CO2为保护气体，用焊丝为电极引燃电弧，实现半自动焊或自动焊。CO2气体

CO2气体密度大，高温体积膨胀大，保护效果好。但CO2在高温下易分解为CO和O，导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气孔。焊接用CO2纯度要大于99.8%。防止飞溅的措施CO2焊常用H08Mn2SiA焊丝来进行脱氧，合金化。为使电弧稳定，飞溅少，CO2焊采用直流反接。采用含硅、锰、钛、铝的焊丝，防止铁的氧化。采用药芯焊丝。CO2焊成本低，生产率高，焊缝质量较好，主要用于低碳钢和低合金结构钢薄板的焊接。焊接接头的组织与性能焊缝区的高温向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和性能发生变化。焊缝区——在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域熔合区——熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区热影响区---受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域（过热区、正火区、部分相变区）热影响区中的过热区，对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位

电渣焊工艺特点电渣焊可一次焊接很厚的工件，故焊接生产率高、成本低。电渣焊焊缝产生气孔，夹渣的倾向性较低。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。电渣焊时，一般不需预热。用电渣焊焊接易淬火钢时，产生淬火裂纹的倾向小。焊后冷却速度慢，焊接应力小。但热影响区宽，晶粒粗大，要进行焊后热处理。广泛用于锅炉制造，重型机械和石油化工等行业。电渣焊除焊接碳钢、低合金、中合金钢和高合金钢以及铸铁外，也可用来焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金和铜。金属材料的可焊性可焊性的概念金属材料的可焊性，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出“好焊”和“不好焊”的差别。估算钢材可焊性的方法碳当量法：碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：根据经验：C当量＜0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。在一般的焊接工艺条件下，焊件不会产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。C当量=0.4%～0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷，要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝。C当量＞0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性不好。焊前工件必须预热到较高温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。焊接接头的工艺设计焊缝的布置1.焊缝应尽可能分散，如右图。以便减小焊接热影响区，防止粗大组织的出现。2.焊缝的位置应尽可能对称分布，如右图，以抵消焊接变形。焊缝分散布置的设计焊缝对称布置的设计焊接裂纹1.热裂纹热裂纹的特征热裂纹可发生在焊缝区或热影响区。热裂纹的微观特征是沿晶界开裂，所以又称晶间裂纹。因热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。热裂纹产生的原因:晶间存在液态薄膜。接头中存在拉应力。热裂纹的防止:限制钢材和焊条、焊剂的低熔点杂质，如硫和磷含量。Fe和FeS易形成低熔点共晶，其熔点为988℃，很容易产生热裂纹。缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性减少偏析。减少焊接应力的工艺措施，如采用小线能量，焊前预热，合理的焊缝布置等。2.冷裂纹冷裂纹的形态和特征焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。延迟裂纹的产生原因:焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区)的淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化。焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，使接头脆化。存在较大的拉应力。因氢的扩散需要时间，所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现。由于是氢所诱发的，也叫氢致裂纹。冷裂纹的形态和特征防止延迟裂纹的措施:选用碱性焊条或焊剂，减少焊缝金属中氢的含量，提高焊缝金属塑性。焊条焊剂要烘干，焊缝坡口及附近母材要去油水；除锈，减少氢的来源。工件焊前预热，焊后缓冷，可降低焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，并可减少焊接残余应力。采取减小焊接应力的工艺措施，如对称焊，小线能量的多层多道焊等。焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250℃，保温2～6h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。焊后进行清除应力的退火处理。焊缝的布置焊缝分散布置的设计焊缝对称布置的设计焊缝避开最大应力集中位置的设计焊缝远离机械加工表面的的设计焊缝的布置焊缝位置便于手弧焊的设计便于自动焊的设计便于点焊及缝隙焊的设计中压容器焊接工艺图1～10为焊缝编号由多块小板焊接拼装成大板材，焊缝合理布置焊缝布置应尽量分散焊缝密集或交叉，会造成金属过热，加大热影响区，使组织恶化合理焊缝布置切削加工注释：

１）主运动可以是旋转运动，也可以是往复运动；

２）主运动可以是工件来实现（车外圆）；主运动也可以是刀具来实现（切断、刨、铣加工）

３）主运动只有一个，进给运动可以一个以上。机床名称主运动进给运动机床名称主运动进给运动卧式车床工件旋转车刀纵向、横向、斜向直线运动龙门刨床工件往复移动刨刀横向、垂直、斜向间歇移动钻床钻头旋转运动钻头轴向移动外圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动卧铣立铣铣刀旋转运动工件纵向、横向移动（有时也做垂直方向移动）内圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动牛头刨床刨刀往复运动工件横向间歇移动或刨刀垂直斜向间歇移动平面磨床砂轮高速旋转工件往复移动，砂轮横向、垂直方向移动切削用量切削三要素切削速度Vc进给量f切削深度ap（背吃刀量）刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。所用刀具和切削运动形式不同，进给量的表述和度量方法也不同。如铣削：f=vf/n指在切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度vc=πdn/1000(m/min)待加工表面到已加工表面间的垂直距离ap=(dw-dm)/2用来衡量切削运动量的大小切削层平面要素刀具的磨损过程初期磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段刃磨后的刀具开始前、后刀面上的高低不平，受到切屑的冲击和摩擦时，将“凸峰”很快磨去，时间很短刀具上的高低不平已被磨去，磨损量增加缓慢且比较稳定切削刃变钝，刀具与工件之间的摩擦变大，切削力增大，切削温度上升，磨损加剧，刀具失去正常的切削能力磨削加工的工艺范围及特点加工精度范围广磨削是外圆表面精加工的主要方法，加工精度可达IT6级，表面粗糙度可达Ra0.8~0.2µm采用精密磨削、超精密磨削及镜面磨削加工时，则可达到Ra0.1~0.01µm的表面粗糙度虽然外圆车削经粗车、半精车、精车和精细车，也能达到IT7~IT6级，表面粗糙度达到Ra0.8~0.4µm，但需要工人技术水平高，而且费时，往往不如采用粗车→半精车→磨削的加工方案经济合理加工材料范围广淬火钢、未淬火铜及铸铁等材料淬火钢等硬质材料只能用磨削进行精加工有色金属不适于采用磨削加工

加工表面易产生加工硬化及残余应力加工表面易烧伤外圆表面的磨削方法在基面(Pr)：主偏角κr――主切削刃与进给方向间的夹角影响切削层的形状，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少κr，主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，耐用。45、60、75、90°。影响径向车削分力大小。车细长轴时，由于径向力的作用，车削的工件易出现腰鼓形。

副偏角κr´――副切削刃与进给方向间的夹角

影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少κr´，减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。5～15°。粗加工取较大值。副偏角对残留面积的影响切屑的种类a)带状切屑b)节状切屑c)崩碎切屑用大前角的刀具，较高的切削速度和小的进给量切削塑性材料时，易得到带状切屑带状切屑切削过程平稳，切削力变化小，工件表面光洁;必须采取断屑措施节状切屑低的切削速度和较大的进给量加工中等硬度的钢材时产生由于切削力波动较大，工件表面粗糙崩碎切屑切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩裂。工件材料脆性越大，刀具前角越小，切削深度和进给量越大，越易产生此类切屑刀尖容易磨损，容易产生振动，影响表面质量引偏：是指加工时由于钻头弯曲而产