热加工工艺基础2013

热加工工艺基础

2013.91.热加工概述1.1水波项链制作1.2金戒指制作1.3板材的制作1.4管棒型线的制作1.5机械零件的制作1.6米粉的制作1.7热加工定义与特点1.7.1定义再结晶温度以上的加工叫做热加工，其中又有液态加工和固态加工之分，更有临界状态下的加工——半凝固态成形。也有整体成形和局部成形之分。局部成形主要是指连接或焊接。1.7.2特点有温度，一般高温。抗力低，改性，不仅仅肩负着改变形状，更重要的是得到一定性能，尤其是毛坯制造。1.8热加工分类1.8.1液态加工普通铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、熔模铸造、半连续铸造、连续铸造普通铸造压力铸造低压铸造1-坩埚2-升液管3-金属液4-进气管5-密封盖6-浇道7-型腔8-铸型低压铸造工作原理示意离心铸造熔模铸造半连续铸造（垂直铸造）连续铸造（水平铸造）弧形铸造1.8.2固态加工锻造、挤压、轧制1.8.3半固态加工半凝固态锻造、挤压、铸轧1.8.4连接或焊接2.铸造图常见铸件2.1铸造的定义、特点与分类2.1.1定义利用材料液态的流动性，在外力的作用下充满模具；利用材料的凝固性，在模具内凝固成型，得到一定性能、一定尺寸的零件或者毛坯。2.1.2特点力量小，容易充模，得到复杂形状；温度高，容易氧化和吸气，表面差；温度高，容易导致收缩带来的缺陷，如缩松、缩孔、精度差；温度高，造成工作环境相对恶劣；成型过程难控制，导致组织、性能差。2.1.3分类按照加工对象来分类，有制品铸造和毛坯铸造；按照铸造方法分类，有普通的沙模铸造、金属模铸造、熔模铸造、压力铸造、半连续/连续铸造等；按照温度高低分类，有液态铸造和糊糊态铸造（半固态成型）2.2铸造的基础知识铸造过程实际上就是液态材料流动充模和模内凝固定型过程。2.2.1流动性流动性是指液体在外在作用下充模能力，与材料品种、工件形状与尺寸、成型模具材料、加工温度、加工压力等有关。也是铸造成型性能的重要指标或体现。

填充不满填充不满填充不满造成冷隔2.2.1.1流动性的测量2.2.1.2影响流动性的因素材料品种取决于成分，相图液相线与固相线之间的区域越小的材料流动性越好。材料比表面越大，或者当量壁厚越小，或者流动路程越长，材料的流动性就越差。成型模具材料保温性越好，摩擦阻力越小（气膜润滑的形成），流动性就越好。加工温度越高，流动性越好（高温固化材料除外如部分高分子材料），但是温度高，氧化、吸气的可能性就越大。加工压力大，有助于流动性提高，也能提高生产效率，但是可能造成湍流，不便于气体排除，造成气泡缺陷。2.2.2凝固性与收缩性一般材料会随着温度降低从液态向固态转变，伴随着收缩。凝固好坏体现在定型后的收缩是否均匀，是否有缺陷。

缺陷包括缩松、缩孔、收缩不均导致的翘曲、残余应力等。与材料成分、工件形状与尺寸、模具结构、加工条件或工艺等有关。缩孔、缩尾的形成缩松的形成缩松图缩松翘曲的形成2.2.2.1材料因素凝固区越窄，凝固组织越均匀，收缩越均匀。缩孔的几率也大一些。2.2.2.2工件几何因素工件形状，尤其是不同壁厚的工件，容易造成温度梯度，使工件温度降低有时间差2.2.2.3模具因素2.2.2.4加工条件影响浇铸温度越高，收缩越大。模具温度越高，补缩可能性越大，缩松、缩孔几率要低。2.3铸造工艺性2.3.1浇铸位置浇注位置是指铸件在浇注时、在铸型中所处的空间位置。2.3.2分型面分型面是指两个半型相互接触的表面。先从保证铸件质量出发来确定浇注位置，然后从工艺操作方便出发确定分型面。2.3.3型腔或模型尺寸2.3.3.1机械加工余量零件图上所有标注粗糙度符号的表面均需机械加工，均应标注机械加工余量。通常，铸钢件表面粗糙、变形较大，其加工余量应比铸铁件大；有色合金铸件表面较光洁、平整，其加工余量要小些；铸铁件中灰铸铁件的加工余量较可锻铸铁和球墨铸铁的要小。2.3.3.2收缩率在制造模型或芯盒时，应根据铸造合金收缩率的大小，将模型或芯盒放大，以保证铸件冷却至室温时能符合尺寸要求。铸造合金收缩率的大小，随铸造合金种类、成分及铸件的尺寸和结构的不同而改变。通常灰铸铁的收缩率为0.7～1.0%；铸钢的为1.5～2.0%；有色合金的为1.0～1.5%。2.3.3.3最小孔、槽尺寸一般说来，较大的孔和槽应当铸出，以减少切削工时和节约金属材料。生产批量最小铸出孔直径（mm）灰铸铁件铸钢件大量12~15成批15~3030~50单件、小批30~50502.3.3.4脱模斜度在造型和制芯时，为了很方便地把模型从铸型中或芯子从芯盒中取出，需在模型或芯盒的起模方向上做出一定的斜度。随垂直壁高度的增加，其拔模斜度应减小；机器造型的拔模斜度较手工造型的小；外壁的拔模斜度也小于内壁的。一般拔模斜度在15´～3°之间。2.3.3.5圆角半径两壁之间的交角应做成圆弧过渡，以防止该处产生缩孔、因冲沙而缺角、因应力集中而开裂。一般为两相交壁平均厚度的1/3---1/2，中小铸件的圆角半径为3---5mm。2.3.3.6型芯头型芯头关注着型芯的稳定。2.4铸造件结构2.4.1尽量采用平直分型面2.4.2避免非水平面上的凹凸2.4.3侧壁带有斜度2.4.4壁厚不能太小由于各种铸造合金的流动性不同，在相同铸型条件下，获得铸件的最小壁厚也不同。铸造方法铸件尺寸/mm合金种类铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金砂型铸造<200×2005~83~54~63~53~3.53~5200×200~500×50010~124~108~126~84~66~8>500×50015~2010~1512~202.4.5壁厚不能厚薄不均，如需要，则必须过渡当铸件的壁厚有差别时，铸件的结构应便于实现顺序凝固，便于补缩。错开交叉2.4.6少用型芯3.塑性变形3.1塑性变形基础知识3.1.1塑性变形机制3.1.1.1理想单晶塑性变形有缺陷单晶塑性变形模型3.1.1.2多晶体塑性变形模型之一大多数金属是多晶体。多晶体塑性变形机制由晶内滑移等和晶粒间的滑移和转动等组成。3.1.1.3变形强化或者硬化在外力作用下，位错不断地增殖和运动，致使晶格畸变厉害，给后续的位错运动带来阻力。只有增大外力才有可能使后续位错运动，也就是使塑性变形继续下去，即使得材料的强度或者抗力得到提高。3.1.1.4再结晶晶格畸变达到一定程度，能量处于较高的状态，或者不稳定状态，在外界的温度作用下，原子热运动，致使低能量的结晶出现，逐步取代旧的畸变组织，完成高能量向低能量的转变，修复原有塑性变形造成的缺陷。3.1.1.5回复晶格畸变达到一定程度，能量处于较高的状态，或者不稳定状态，在外界的温度作用下，原子热运动，消除了一部分晶格畸变，降低了部分能量，但没有出现新的结晶。也没有修复塑性变形带来的缺陷。3.1.2塑性变形后的组织与性能3.1.2.1应力应变曲线3.1.2.2冷变形后的组织与性能组织：晶粒拉长，取向趋于一致。性能：强度提高、塑性减少，韧性降低。3.1.2.3冷变形后热处理组织与性能

3.1.2.4热变形组织与性能组织：再结晶组织+变形组织，杂质沿流动方向的流线。性能：介于再结晶性能和加工组织性能之间。

3.2最小阻力定律材料总是朝着阻力最小的地方流动，或者朝着做功最少的地方流动。对镦粗，材料朝着外围法线方向流动，也即最短路径流动。最小阻力定律可以很好地定性解释材料的流动方向，但由于阻力概念不是很明确，定量化描述相对困难。（a）（b）B-B剖面（c）3.3塑性变形的不均匀性变形均匀是相对的，变形不均匀是绝对的。有很多因素左右着变形的不均匀性，如温度不均、材料不均、摩擦导致、模具导致，从而引起残余应力、局部破坏、整体翘曲等缺陷，最终导致成形失败。3.3.1摩擦影响3.3.2工件几何形状影响3.3.3工具形状影响3.3.4材料连续性约束3.3.5温度不均的影响3.3.6材料性能不均材料中的成分、组织、相、杂质等都会有不同的性能，面对变形，会有不同的表现，从而造成变形不均。3.4可加工性与成形极限定义：工件不破裂的前提下最大变形量；或者在设备、模具不破坏的前提下最大变形量。以拉为主的变形往往以破裂而告终。以压为主的变形若忽略局部裂纹，则往往以设备、模具能够承受的极限为度量。用材料的塑性作为成形极限的一种通用度量。使不同材料塑性具备可比性。影响成形极限的因素可以分为内因和外因内因：结构：面心立方、体心立方、密排六方依次塑性降低。成分：成分单纯的塑性好于成分复杂的塑性。单相组织塑性好于多相组织（一般）。组织：晶粒细小的塑性好于晶粒粗大的塑性。外因：加工温度：一般加工温度越高，塑性越好，除非有低熔点相。加工速度：具备二重性。加工方式（应力状态、应变状态）：三向压应力多的加工方式，塑性好。于是挤压好于锻造和轧制，模锻好于自由锻。但三向压应力状态下的加工往往设备负荷大，模具容易破坏。4.锻造4.1锻造分类与特点自由锻、胎膜锻、模锻、旋锻、高速锻特点：模锻：模具约束，三向受压，可得到形状比自由锻复杂的形状。适合批量生产；自由锻：工具简单，模具约束力低，成形简单形状，适合单件生产或者毛坯生产或者大型锻件。胎膜锻：介于自由锻和模锻之间，或者二者结合。4.2自由锻工序：拔长、镦粗、冲孔、弯曲、切割、错移等工序。最常用主要缺陷：不均匀变形导致的局部开裂、局部折叠、中心开裂。主要设备：空气锤、蒸汽锤、摩擦压力机、液压机自由锻工艺性：简单，避免空间曲线，避免过多的台阶或凸起、内凹。毛坯形状与尺寸：在零件图基础上，考虑加工余量、工艺余块（简化形状增加的工艺块）、锻造精度等因素做出的锻造零件图。毛坯重量与体积估算：锻件重量+切割重量+冲孔重量+烧损重量4.3模锻定义：在锻模约束下的成形。开式模锻与闭式模锻多向模锻主要工序：终锻模（膛）、予锻模（膛）、制坯模（膛）

制坯目的在于通过局部成形，使材料按照需要分配，确保从预锻到终锻基本上是高向压缩和横向扩张的比较均匀的整体变形，或者说预锻向终锻为相似形状的整体变形。

终锻模膛结构特点：沿模膛四周有飞边槽,桥部起阻力圈作用，用以增加金属从模膛中流出的阻力,促使金属充满模膛；仓部用以容纳多余金属。流入飞边槽的金属在上下模打靠前还能起一定的缓冲作用。预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大,没有飞边槽。飞边槽的作用，即：①增加金属流出模膛的阻力，迫使金属充满模膛；②容纳多余金属；③锻造时飞边起缓冲作用，减弱上下模的打击，防止模具的压塌和开裂。主要缺陷：填充不满、局部折叠4.4胎膜锻特点：介于自由锻和模锻之间，适合小批量生产。借用简单的通用工具成形，形状稳定性介于自由锻和模锻之间。扣模筒模合模摔模4.5轴类自由锻举例5.挤压5.1定义与特点定义：对放在容器（挤压筒）中的锭坯一端施加压力，使其通过模孔成形的一种加工方法。特点：工件受强烈的三向压应力，最大程度地发挥材料的塑性，成形截面形状复杂、纵向性能优异的产品。设备负荷大，成材率低，工模具寿命低。分类：按方向分可以分为正挤和反挤；

按摆放形式可分为立式挤压和卧式挤压；按产品种类可分为管材挤压和型棒挤压；按设备区分，有短行程挤压、长行程挤压、连续挤压、静液挤压等等。5.2挤压流动挤压的流动情况与制品最终的性能和精度息息相关。关注挤压流动，以及影响因素对提高产品性能、精度有意义，对设备、工模具寿命的提高也有帮助。研究挤压流动的方法有网格法，低倍组织法，硬度法，视塑性法，光塑性法，云纹法，甚至数值模拟方法。挤压流动模式与挤压方法，产品形状，挤压阶段，加热方式，摩擦条件、工具形状等等有关系。5.2.1正挤压的流动情况挤压进行分三个阶段：镦粗、稳定挤压、压余镦粗阶段为了便于装料，锭坯的尺寸略小于挤压筒内径，随着挤压的进行，锭坯在挤压杆的作用下产生镦粗行为。稳定挤压阶段压余阶段5.2.2反挤的流动反挤阶段也与正挤流动模式相似，但变形锥要小些，横截面畸变只发生在模口附近，其余地方基本不变。反挤死区小于正挤，有可能造成挤压制品表面质量问题，因此要求挤压锭坯一定要进行铣面或者车皮。反挤变形均匀些，常用来成形高精度产品。5.2.3影响流动的因素接触摩擦与润滑的影响工具摩擦对流动的影响以挤压筒摩擦最为显著，挤压筒摩擦越大，变形锥越大，死区高度也增大，变形越不均匀。挤压管材时，挤压针的摩擦能够减缓实心件的变形不均匀，它阻碍了中心部位材料的快速流动。温度的影响工件的温度越高，内摩擦效应越明显，导致变形不均匀。工件导热性越好，内外温差越小，从而造成内外抗力差别越小，于是变形越均匀。工具与工件温度相差越大，容易造成工件内部的温度梯度工具形状的影响挤压模模角，模孔大小，形状，位置，多少等都会对流动产生影响。挤压筒的形状也会影响。工具形状对流动的影响在型材挤压上显得更重要。变形程度的影响实验表明：变形程度增大，变形不均匀是由小到大，然后再由大到小。5.3挤压力的主要因素P=P（变形抗力，变形程度，变形速度，摩擦条件，变形温度，模具参数，工件大小，工件形状，挤压筒形状，挤压方法……）5.4挤压组织与性能5.4.1组织特点挤压有其独特的组织，在三向压应力和一延伸两收缩的应变状态下，形成纤维状组织，和特有的织构，使得纵向性能强于横向，也即挤压效应。组织的不均匀性由于变形、温度不均匀等因素的影响，直接导致挤压的组织不均匀，具体体现在晶粒大小不均，再结晶组织与未再结晶组织共存，相的分布不均等。以变形量为主导的条件下，沿制品长度方向一般是前端组织粗大，后端组织细小；外层组织细小，中心组织粗大。在发生再结晶条件下，沿制品长度方向可能造成前端组织细小，后端组织粗大；外层组织粗大，中心组织细小。工件与工具温差大小不同，配合挤压速度，可能造成的组织分布有差异。温差大+快速挤压、温差小+慢速挤压有利于组织均匀。粗大晶当局部剪切非常大，畸变能非常大，在适当的条件下再结晶形核和长大迅速，形成局部粗大晶粒。它一般分布在强烈剪切区域，如外层。出现时刻取决于材料与挤压条件。有出现在挤压后的，也有出现在后续的淬火后，或者后续的加热后。层状组织铸造缺陷在挤压作用下形成。5.4.2挤压制品的机械性能纵向性能强于横向，也即挤压效应。性能不均一般情况，未经后续热处理的制品一般是中心强度低，外表强度高，前端强度低，后端强度高，延伸率的规律正好相反。小变形时内外性能差异大，大变形后内外差异逐渐缩小，故生产中要求挤压比10以上。挤压效应挤压制品在纵向上的性能要优于其他加工方法。原因在于挤压的应力应变状态容易沿纵向产生较强的（111）织构。6.轧制6.1轧制定义与轧制原理定义：轧制是在两个轧辊或者多个轧辊滚动压下坯料局部，然后逐步压下整个坯料的成形方式，根据轧辊孔型形状不同和有无，可以得到长度远远大于横截面的管棒、型材和板材等产品，尤以板带轧制为经典。特点：变形以高向压缩，长度延伸为基本。基本受力以三向压缩为主。轧辊与工件接触面小，瞬间所需负荷不大，但是沿整个产品长度方向逐步连续变形，省力不一定省功。可加工的锭坯很大，大到几十吨重。咬入条件（以板带轧制为例）Q为水平推力，F为惯性力，Tx为摩擦力的水平分量，Px为正压力的水平分量。如果不考虑水平推力和惯性力，则咬入条件为若用摩擦角来表示，则有随着咬入的继续，正压力的水平分力越来越小，摩擦水平分力越来越大，因此轧制得以继。只要能够咬入，轧制就可以继续下去。分类：按照产品：板带材、棒材、型材、管材轧制按照加工温度：热轧、冷轧按照工具、工件相对位置：纵轧、横轧、斜轧按照轧辊形状：平辊轧和孔型轧6.2轧制的变形（以板带材轧制为例）板带轧制就是压厚度，使厚度变形转化为长度方向的变形。整体上体现为压下量、延伸量、宽展量。高向的压下量或者压下率。宽向的宽展量或者宽展率。纵向的延伸量或者延伸率。局部上三个方向上的变形都是不均匀的。纵向变形沿厚度方向不均容易导致表面裂纹或者是中心裂纹出现；纵向变形沿宽度方向上的不均容易引起边裂或者板形问题宽向变形沿板厚度方向的不均导致双鼓、单鼓出现。板厚沿板宽方向不均导致板轮廓非矩形，还引起纵向变形沿板宽方向不均。6.3轧制工艺变形温度仍然参考材料的相图、塑性图、再结晶图来确定，以单相、塑性好、再结晶晶粒细小的温度区间为好。热轧变形量以不产生双鼓重叠，设备负荷许可，材料许可变形量为前提确定。7.焊接7.1焊接定义将两个分离的东西，通过局部加热、加压或者二者并用等手段，使他们达到原子间扩散和结合成整体的加工方法。焊接（钎焊除外）一般是在极端条件下快速加热、冷却下完成的，经历熔化、结晶过程，焊接头的成分、组织、性能都会不同于母材，而且还伴随着残余应力或者变形。7.2焊接分类熔焊将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手弧焊气体保护焊埋弧焊压焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为压焊。压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊电阻焊钎焊钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的金属（称为钎料），将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔化温度，利用液态钎料填充接头间隙并与固态母材通过扩散实现连接焊件的方法。钎焊软钎焊硬钎焊

7.3冶金质量快速加热熔化过程中，空气中的氧气、氮气、氢气等都会和熔融金属起反应，生成氧化物，吸氢、氮化物。快速冷却时溶解度下降导致气泡，氧化物上浮不够，滞留在焊缝组织中，形成夹渣、裂纹源。焊条加入和烧损导致焊缝成分不同于母材。焊接热循环造成的不均匀温度场导致焊接变形与焊接残余应力。7.4焊接组织与性能焊接时不同截面经历了不同的热循环，从而产生了不同的焊接组织。受焊接热循环影响的周边区域称作焊接热影响区（HAZ）。热影响区有溶合区、过热区、正火区（钢铁）、部分相变区（钢铁）等。快速凝固导致细小的柱状晶，加上焊条药皮等保护，合金元素可能不低于母材，从而性能也不一定低于母材。溶合区由未熔的粗大晶粒和熔化结晶的细小柱状晶组成。很大程度上影响焊接头性能。过热区由粗大晶粒组成，甚至过热组织组成，是性能最差的截面。正火区（钢铁）经历相变温度以上的热循环，组织细小，性能好。部分相变区（钢铁）的组织有相变后的细小组织和没有相变的粗大组织，组织不均匀，