课题5金属的热加工

1.铸造、锻造及焊接的种类、方法及应用2.砂型铸造、自由锻及手工电弧焊的特点及应用【主要内容】1.铸造2.锻造3.焊接【重点掌握】课题5金属的热加工热加工压铸模

锻造

铸造

焊接砂型铸造5.1铸造铸造生产的特点

铸造的成形是由液态凝结成固态的过程，是制造机械零件毛坯或零件的一种重要工艺方法。优点：

1)能制造各种尺寸和形状复杂的铸件，特别是内腔复杂的铸件。如各种箱体、床身、机架等零件的毛坯。铸件的轮廓尺寸可小至几毫米，大至几十米；质量从几克至数百吨。可以说，铸造不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制。

2)常用的金属材料均可用铸造方法制成铸件，有些材料（如铸铁、青铜）只能用铸造方法来制造零件。优点：

3)铸造所用的原材料来源广泛，价格低廉，并可回收利用，铸造生产工艺设备费用小，因此铸件生产成本低。

5)铸造既可用于单件生产，也可用于批量生产，适应性广。4)铸件与零件的形状、尺寸很接近，因而铸件的加工余量小，可以节约金属材料，减少切削加工费用。

缺点：

铸造生产过程复杂，工序较多，常因铸型材料、模具、铸造合金、合金的熔炼与浇注等工艺过程难以综合控制，而出现缩孔、缩松、砂眼、冷隔、裂纹等铸造缺陷。因此铸件质量不够稳定，铸件的力学性能不及同类材料的锻件。铸造的分类

(1)砂型铸造。用型砂紧实成铸型的铸造方法，是目前生产中应用最多、最基本的铸造方法。其生产的铸件约占铸件总产量的80％以上。(2)特种铸造。特种铸造按造型材料的不同，又可分为两大类：一类以天然矿产砂石作为主要造型材料，如熔模铸造、壳型铸造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等；一类以金属作为主要铸型材料，如金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造等。一、砂型铸造的工艺过程：

1、根据零件图的形状和尺寸，设计制造模样和芯盒；

2、制备型砂和芯砂；

3、用模样制造砂型；

4、用芯盒制造型芯；

5.1.2砂型铸造

5、把烘干的型芯装入砂型并合型；

6、熔炼合金并将金属液浇入铸型；

7、凝固后落砂、清理；

8、检验。二、造型材料造型材料：砂、粘结剂和各种附加物。这些材料按一定配比混制成的、符合造型或造芯要求的混合料，分别称为型砂和芯砂。

(一)对型砂和芯砂的性能要求(1)耐火度。型(芯)砂抵抗高温液态金属热作用的能力称耐火度。型(芯)砂的耐火度好，铸件不易产生粘砂缺陷。型(芯)砂中Si02越多，砂粒越粗时，耐火度越好。

(2)强度。制造的型(芯)砂在起模、搬运、合型和浇注时不易变形和破坏的能力称为强度。若强度不足，铸件易产生形状和砂眼等缺陷。(3)透气性。型(芯)砂允许气体透过的能力称为透气性。透气性差，浇注时产生的气体不易排出，会使铸件产生气孔缺陷。

(4)可塑性。型(芯)砂在外力作用下容易获得清晰的模型轮廓，外力去除后仍能完整地保持其形状的性能称为可塑性。可塑性好，造型时能准确地复制出模样的轮廓，铸件质量好。粘结剂含量多，分布均匀，型(芯)砂的可塑性就好。(5)退让性。铸件冷却收缩时，型(芯)砂可被压缩的能力称为退让性。退让性不好，易使铸件收缩时受阻而产生内应力，引起铸件变形和开裂。减少型砂中的粘结剂含量，降低型(芯)砂紧实度，可提高型(芯)砂的退让性。(二)型(芯)砂的组成(1)原砂。原砂是型砂的主体，其主要成分是石英(Si02)。质量高的原砂杂质含量少，粒度均匀，呈圆形。(2)粘结剂。粘结剂的作用是粘结砂粒，使型(芯)砂具有一定的强度和可塑性。常用的粘结剂有粘土、膨润土、桐油、水玻璃等。有条件时，还可用合脂、合成树脂等作为粘结剂，以提高强度和退让性。

(3)附加物。常用的附加物有煤粉、木屑等。加煤粉是为了浇注时在铸型与金属液间产生气膜，防止粘砂，提高铸件表面质量。加木屑能改善型(芯)砂的退让性和透气性。三、造型和造芯用造型材料及模样、芯盒等工艺装备制造砂型和型芯的过程称为造型和造芯。模样和芯盒在单件、小批量生产时通常用木材制造，生产批量较大时，也可用塑料和金属制造。造型、造芯分别可由手工和机器完成。模样和芯盒

模样是用来形成铸型型腔的工艺装备,按组合形式，可分为整体模和分开模。芯盒是制造砂芯或其他种类耐火材料芯所用的装备。模样和芯盒由木材、金属或其他材料制成。造型材料

制造铸型或型芯用的材料，称为造型材料。一般指砂型铸造用的材料

，包括砂、有机或无机粘结剂、水和其他附加物。

造型和制芯

造型是指用型砂、模样、砂箱等工艺装备制造砂型的过程。制芯是将芯砂制成符合芯盒形状的砂芯的过程。

1、造型（一）手工造型手工造型的造型过程全部由手工或手动工具完成。其操作灵活，适应性强，模样成本低，生产准备时间短，但铸件质量不稳定，生产率低，且劳动强度大，主要用于单件、小批量生产。(二)机器造型机器造型就是用机器全部地完成或至少完成紧砂操作的造型方法。机器造型主要用于成批、大量生产。图为震压式造型机紧砂机构示意图，机构采用先震后压的组合紧砂方法。工作时先将压缩空气自震实进气口进入震实活塞的下方，使震实活塞带动工作台及砂箱上升，当震实活塞上升至一定高度后，震实排气口即被打开，砂箱连同工作台因自重而下落，完成一次震实。如此反复多次，便将型砂震实。

机器造型浇注系统为填充型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道。作用：保证金属液均匀、平稳地流入并充满型腔；调节浇注速度，防止金属液冲坏型腔；防止熔渣、砂粒或其它杂质进入型腔。

组成：由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。铸造铝合金椅子铸造汽车排气管机床铸件砂型铸件（2）特种铸造常用的特种铸造方法有：金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、熔模铸造等。1）金属型铸造将液体金属浇注到用金属材料制成的铸型中，获得铸件的铸造方法称为金属型铸造。2）压力铸造铝合金压铸件低压铸造铝合金金属型铝合金铸造铸件：3）离心铸造卧式离心铸造立式离心铸造4）熔模铸造（蜡样的铸造）压型蜡样注蜡精密铸造铝镁合金铸件精密铸造（铜件）离心铸造特种铸造件：2.锻造锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形方法。它是锻造和冲压的总称。（1）锻压特点：力学性能较高；节约材料；生产率较高；适用范围广。（2）锻压基本生产方式：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻及板料冲压。1)轧制使金属坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，改变其性能，获得所要求的截面形状的加工方法。

2)挤压将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出，横截面积减小，获得所需制品的加工方法。3)拉拔坯料在牵引力作用下通过拉拔模的模孔拉出，产生塑性变形，得到截面细小、长度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷态下进行。

4)自由锻用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间，使坯料受冲击力作用而变形，获得所需形状的锻件的加工方法。

5)模锻利用模具使金属坯料在模膛内受冲击力或压力作用，产生塑性变形而获得锻件的加工方法。

6)板料冲压用冲模使板料经分离或成形得到制件的加工方法。在上述的六种金属塑性加工方法中，轧制、挤压和拉拔主要用于生产型材、板材、线材、带材等；自由锻、模锻和板料冲压总称锻压，主要用于生产毛坯或零件。

（3）应用金属锻压加工在机械制造、汽车、拖拉机、仪表、造船及国防等工业中有着广泛应用。（4）锻造工艺①坯料加热加热的目的是为了提高坯料的塑性和降低变形抗力，以改善金属的锻性能。加热时，在保证坯料均匀热透条件下，应尽量缩短加热时间，以减少氧化和脱碳。加热温度过高，超过了某一界限或在高温下保温时间过长，都会引起奥氏体晶粒化，这种现象称为过热。

允许坯料加热的最高温度即开始锻造时坯料的温度，称为始锻温度。始锻温度应以出现过热现象为前提尽量提高其温度，以使坯料有最佳的锻压性能，并能减少加热次(即火次)和提高生产率。坯料经过锻造成形，在停锻时锻件的瞬时温度，称为终锻温度。②锻件的冷却锻件冷却是确定锻造工艺必不可少的内容。冷却不当会造成锻件表硬度增高，难以切削加工，甚至出现变形和裂纹。一般，锻件中碳及合金元素含量越高，锻件尺寸越大，形状越复杂，冷却速度应越慢。锻件的冷却方式主要有以下三种：A、空冷：是指热态锻件在空气中冷却的方法。B、坑冷：是指热态锻件埋在地坑或铁箱中缓慢冷却的方法，常用于碳素工具钢和合金钢锻件的冷却。C、炉冷：是指锻件故人炉中缓慢冷却的方法，常用于合金钢大型锻件，含合金元素多的合金钢的重要锻件的冷却。③锻件的热处理一般来说，结构钢锻件采用退火或正火处理。若正火后硬度仍高，可再进行高温回火处理，回火温度约560—660℃。工具铜锻件采用正火加球化退火，以消除网状碳化物，获得粒状珠光体组织。对于切削加工中不再进行最终热处理的中碳钢和低合金钢重要锻件，可进行调质处理。锻造炉热模锻（5）锻造分类自由锻和模锻1自由锻的分类、特点及应用

自由锻的适应性强，灵活性大，生产周期短，成本低。缺点是锻件尺寸精度低，加工余量大，金属材料消耗多，生产率低，劳动强度大、条件差，要求操作者的技术水平较高。

自由锻适合于单件、小批和大型锻件的生产。

自由锻是只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件的方法。

（6）自由锻2自由锻设备１）自由锻常用设备2）自由锻常用工具3自由锻工序自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割等辅助工序包括压钳口、倒棱、压肩等；精整工序是对已成形的锻件表面进行平整，清除毛刺、校直弯曲、修整鼓形等。自由锻基本工序简图锻钩4自由锻工艺规程的制定简介工艺规程是指导生产的基本技术文件。自由锻的工艺规程主要有以下内容：

1、绘制锻件图;2、坯料质量和尺寸的计算;３、选择锻造工序;４、选择锻造设备;５、选择坯料加热、锻件冷却和热处理方法;６、齿轮坯自由锻工艺卡参考示例（7）板料冲压板料冲压是指使板料经分离或成形而得到制件的加工方法。板料冲压的坯料通常都是较薄的金属板料，冲压时不需加热，故又称为薄板冲压或冷冲压，简称冷冲或冲压。只有当板料厚度超过8-10mm时，才采用热冲压。

与其他加工方法相比，有下列特点：（1）、可制造其他加工方法难以加工或无法加工的形状复杂薄壁零件；（2）、冲压件尺寸精度高、表面光洁、质量稳定、互换性好；（3）、生产率高，操作简便，成本低，工艺过程易实现机械化和自动化；（4）、在材料消耗少的情况下获得强度高、刚度大、质量小的零件；（5）、冲压模具结构较复杂，加工精度要求高，制造费用大，因此板料冲压适用于大批量生产。几乎在一切制造金属成品的工业部门中都广泛采用，尤其在现代汽车、拖拉机、家用电器、仪器仪表、飞机、导弹、兵器以及日用品生产中占有重要地位。1、冲压设备板料冲压设备主要是剪床和冲床。(1)剪床。剪床的外形及传动机构如图所示。电动机1通过带轮使轴2转动，再通过齿轮传动及离合器3使曲轴4转动，于是带有刀片的滑块5便上下运动，进行剪切工作。6为工作台，7为滑块制动器。剪床用于将板料切成一定宽度的条料，以供冲压工序使用。(2)、冲床。冲床的种类很多，主要有单柱冲床、双柱冲床、双动冲床等。图是单柱冲床外形及传动示意图。电动机5带动飞轮4通过离合器3与单拐曲轴2相接，飞轮可在曲轴上自由转动。曲轴的另一端则通过连杆8与滑块7连接。工作时，踩下踏板6离合器将使飞轮带动曲轴转动，滑块做上下运动。放松踏板，离合器脱开，制动闸l立即停止曲轴转动，滑块停留在待工作位置。2、板料冲压的基本工序板料冲压的基本工序很多，一般可分为两大类：分离工序和成形工序1、冲裁冲裁是使板料沿封闭轮廓线分离的工序，包括落料与冲孔。这两种工序的板料分离过程和模具结构都是一样的，两者的区别在于冲孔是为了得到冲压件上的孔，而落料则为了得到片状冲压件的外形。（1）、冲裁变形过程：冲裁时板料的变形和分离过程，可以分为三个阶段：①弹性变形阶段；②塑性变形阶段；③断裂分离阶段。板料冲裁变形与分离过程1—凸模；2—凹模；3—板料（2）裁间隙：冲裁间隙是指凸、凹模刃口同位尺寸之缝隙的距离，用c表示单面间隙（下页图所示）。冲裁间隙的大小对冲裁过程及冲裁件断面质量具有重要影响。冲裁断面明显分为圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个部分。当冲裁间隙合理时，上下剪裂纹会基本重合，获得工件断面较光洁，毛刺最小；间隙过小，上下剪裂纹向外错开，在冲裁件断面上会形成毛刺和迭层；间隙过大，材料中拉应力增大，塑性变形阶段过早结束，裂纹向里错开，不仅光亮带小，毛刺和剪裂带均较大。此外，冲裁间隙值还影响到模具寿命和冲裁力的大小。冲裁间隙越小，不但凸、凹模刃口磨损加剧，模具寿命减小，也会使冲裁力增大。冲裁断面的特征冲裁间隙对断面质量的影响（3）、凸、凹模刃口尺寸的确定：模具的刃口尺寸直接影响冲裁件尺寸，合理间隙也要靠它来保证。在计算刃口尺寸时，一般遵循以下原则：①、考虑到落料件的尺寸取决于凹模尺寸，而冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸，故设计落料模时，其凹模刃口尺寸等于工件尺寸，而凸模尺寸等于工件尺寸减去合理间隙值2c；设计冲孔模时，其凸模刃口尺寸等于孔的尺寸，而凹模尺寸等于孔的尺寸加合理间隙值2c。②、考虑到冲裁过程中的磨损会使凹模尺寸增大，凸模尺寸减小，为保证模具寿命，落料凹模的基本尺寸应取工件最小极限尺寸；冲孔凸模的基本尺寸应取工件最大极限尺寸，并采用最小合理间隙值。2、弯曲弯曲是利用模具或其他工具将坯料一部分相对另一部分弯曲成一定的角度和圆弧的变形工序。弯曲变形区最外层金属受切向拉应力和切向伸长变形最大。弯曲时常用相对弯曲半径（r/t）来表示弯曲变形程度。导致弯曲破裂还与材料的纤维方向有关。显然，回弹现象会影响弯曲件的尺寸精度。影响回弹值大小的因素很多，主要有材料的力学性能、板料厚度、弯曲形状、相对弯曲半径以及弯曲力的大小等。（a）弯曲过程；（b）弯曲件1—坯料；2—冲头；3—模具（凹模）3.拉深拉深是利用模具将已落料的平面板坯压制成各种开口空心零件，或将已制成的开口空心件毛坯，制成其他形状空心零件的一种变形工艺，又称拉延。（1）拉深过程：将直径为D0的板坯拉深成直径为d、高度为h的筒形件，其拉深过程如图（下页）所示。（2）拉深件的主要质量问题：拉深过程中最常见的质量问题是起皱和拉裂，从而造成次品和废品。（a）拉深过程；（b）变形分析1—凸模；2—压边圈；3—板料；4—凹模拉深件废品防止拉深出现起皱和拉裂，主要采取以下措施：①、限制拉深系数；②、拉深凸、凹模工作部分必须作成圆角；③、控制凸模和凹模之间的间隙；④、采用有压边圈进行拉深，可有效防止拉深起皱；⑤、采用润滑，减少摩擦，以降低拉深件壁部拉应力，同时还可减少模具的磨损，提高模具寿命。4、成形成形是使坯料或半成品产生局部拉伸或压缩变形而获得一定形状工件的冲压方法，包括翻边、胀形、起伏等。（1）翻边：翻边是将工件的内孔或外缘翻成竖立边缘的冲压工序，如图（下页）所示。内孔翻边在生产中应用广泛。（2）胀形：胀形是利用局部变形使半成品部分内径胀大的冲压成形工艺。可以采用刚模胀形、橡皮胀形或液压胀形。（3）起伏：起伏是利用局部变形使坯料压制出各种形状的凸起或凹陷的冲压工艺，多用于薄板零件上制出筋条、文字、花纹等。图（下页）所示为采用橡胶凸模压筋，获得的与钢制凹模相同的筋条。翻边内孔翻边过程

刚模胀形软模胀形

液压胀形（a）倾注液体法；（b）充液橡皮囊法软模压筋3.焊接（1）焊接特点良好的密封性；节约材料；化大为小、拼小为大；获得特殊性能；焊接接头组织性能不均匀

（2）焊接的分类和应用

分类：熔焊、压焊和钎焊。

应用：主要用于制造金属结构件，在船舶、桥梁、压力容器、起重机械、房屋建筑、电视塔、金属桁架等领域应