金属材料的成型工艺

第二章金属材料的成型工艺4-1铸造工艺4-2压力加工工艺4-3金属与金属的连接4-4金属的切削加工工艺4-5金属材料的表面装饰技术第一页，共五十六页。4-1铸造工艺

一.铸造发展历程

我国的金属铸造生产，历史悠久，成就辉煌。古代劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺，其中以泥范、铁范和熔模铸造最重要，称为古代三大铸造技术。20世纪以来铸造业的重大进展中，灰铸铁的孕育处理和化学硬化砂造型这两项新工艺有着特殊的意义。二.铸造的基本概念及方法

金属铸造是将熔融态的的金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。一般分为：砂型铸造方法和特种铸造方法（熔模铸造、金属性铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、连续铸造等）第二页，共五十六页。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液态成型工艺砂型铸造特种铸造第三页，共五十六页。铸造成型工艺的特点：优点：①适应性强。不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制，在大件的生产中，铸造的优越性有为显著。

②成本低廉。铸造使用的原材材料成本低，单件小批量成产时，设备投资少。缺点：容易出现铸造缺陷（缩孔、疏松、气孔、砂眼等），工序繁多，废品率较高。常用铸造金属材料：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等。第四页，共五十六页。砂型铸造-手工造型分型方案选定第五页，共五十六页。砂型铸造的注意事项：（1）力求铸件的外形简单，轮廓平直。（2）内腔设计成开口结构要有拔模斜度。（3）砂型铸造表面粗糙，不适宜做表面精度要求较高的的产品。（4）壁厚要均匀，最小壁厚不得小于合金的最小壁厚，内壁厚度应比外壁薄，防止应力和裂纹。（5）铸件表面设计应避免采用凸线和凹沟。第六页，共五十六页。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瓷型铸造第七页，共五十六页。1.熔模铸造（石蜡铸造）熔模铸造的注意事项：（1）铸型没有分形面，不必考虑起模的问题。（2）熔模铸造只适用于质量小于25千克的小铸件。（3）铸件的壁厚应保持均匀，太厚处应设有孔的方法改进。主要应用：各种造型精美的、带有花纹和文字的钟鼎和器皿。第八页，共五十六页。2.金属型铸造（永久型铸造）注意事项：（1）通常使用金属铸型和型芯，无退让性，铸件的形状简单。（2）金属型的铸型和型芯制造困难，成本高，所以铸件的质量不易太大。（3）受铸型的限制，金属型铸件合金熔点不宜太高。主要应用：内燃机的铝壳、气缸体、缸盖、油泵壳体等第九页，共五十六页。3.压力铸造注意事项：（1）使用金属铸造型和型芯，无退让性，铸件的形状设计的尽量简单。（2）压力铸造使用的铸型和型芯，制造困难，成本高，铸件不可能太大。同时受压铸机的吨位限制。（3）可以铸造表面清晰的花纹、图案及文字，可获得满意的外观质量.可以直接铸出螺纹、小孔、齿形等，但是一般不能铸内螺纹。第十页，共五十六页。4.离心铸造注意事项：（1）离心铸件的内表面质量差，孔的尺寸不易控制。（2）对于内孔待加工的机械零件，采用加大内孔的加工余量的方法。主要应用：铸铁管，缸套及滑动轴承，也可以采用熔模壳离心浇注刀具、齿轮等。第十一页，共五十六页。4-2金属塑性加工工艺金属塑性加工：是指在外力作用下，使金属坯料产生预期的塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。优点：利用金属塑性成型过程不仅能得到强度高、性能好的产品，且多数成型过程具有生产效率高，材料消耗少等优点。金属塑性加工的分类方法：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模型锻造、板料冲压。通常轧制、挤压、拉拔主要是生产各类型材、板材、管材和线材等二次加工的原料。第十二页，共五十六页。1.锻造按变形温度则可分为：（1）热锻压工件加热到再结晶温度以上的锻压。提高温度能改善金属的塑性，使之不易开裂。当金属有足够的塑性和变形量不大时，或变形总量大而所用的锻压工艺有利于金属塑性变形时，常改用冷锻压。（2）温锻压工件加热到超过常温但又低于再结晶温度的锻压。其精度较高，表面较光洁，变形抗力不大。（3）冷锻压工件在常温下的锻压。冷锻压成形的工件，形状和尺寸精度高，表面光洁，加工工序少，便于自动化生产。当加工工件大、厚，材料强度高、塑性低时，都采用热锻压。（4）等温锻压工件在整个成形过程中温度保持不变。等温锻压是为了充分利用某些金属在某一温度下所具有的高塑性，或为了获得特定的组织和性能，所需费用较高，仅用于特殊的锻压工艺，如超塑成形。第十三页，共五十六页。锻造基础知识

锻造是对金属坯料（不含板材）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、工具或毛坯的成形加工方法。

根据在不同的温度区域进行的锻造，针对锻件质量和锻造工艺要求的不同，可分为冷锻、温锻、热锻三个成型温度区域。一般地讲，在有再结晶的温度区域的锻造叫热锻，不加热在室温下的锻造叫冷锻。

根据坯料的移动方式，锻造可分为自由锻、镦粗、挤压、模锻、闭式模锻、闭式镦锻。

根据锻模的运动方式，锻造又可分为摆辗、摆旋锻、辊锻、楔横轧、辗环和斜轧等方式。

锻件与铸件相比，一般说来，铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的。金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。第十四页，共五十六页。2.轧制轧制：将金属靠摩擦力的作用，连续通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材（如圆钢、方钢、工字钢等）的加工方法。3.挤压挤压：将金属坯料置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成型，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。第十五页，共五十六页。第十六页，共五十六页。4.冲压冲压：金属板料在冲压模之间受压产生分离或产生塑性变形的加工方法。按加工温度分类：热冲压和冷冲压。前者适合变形抗力高，塑性较差的板料加工；后者在室温下进行，是薄板常用的冲压方法。第十七页，共五十六页。冲压基础知识冲压有时也称板材成形,但略有区别。所谓板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作为原材料进行塑性加工的成形方法统称为板材成形，此时，板厚方向的变形一般不着重考虑。影响因素：冲压材料、冲压模具、冲压设备。

(1)冲压材料冲压板材质量的衡量指标：冲压特性、化学成分、金相组织、厚度公差和表面质量。

(2)冲压工艺与设备冷冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料金属进行加工，从而一定形状和尺寸并保证有一定外观和强度性能的零件加工方法。冷冲压在加工中不产生切屑，生产效率高，冲压件的互换性强。冷冲压工艺大致可分为分离工序与成形工序和复合工序（两类工序集中于同一模具中完成）三大类。第十八页，共五十六页。切断

分离工序落料冲孔切边剖切拉深、变薄拉深、翻边、胀形

变形工序弯曲、卷圆、扭曲、翻孔、拉弯缩口旋压、校形、扩口、起伏备料工序：校平、清洗、剪裁、修整、辗压等辅助工序：涂刷润滑剂、洗出油垢、去毛刺、退火等修饰工序：抛光、喷漆、发蓝、氧化、镀覆

第十九页，共五十六页。

(3)冲压模具

模具是指安装在特定设备上，并通过设备加温加压而使材料得以成型的工具。其形状常是零件形状的“反形”制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。

一般情况下，大批量生产所使用的冲压模具主要为钢模；对单件小批量生产则可使用钢皮模；对于新产品试制多采用低熔点合金钢模具；对于中、小批量生产的一些大型拉延模具，常选用铸铁基环氧树脂塑料模具。第二十页，共五十六页。冲压件的注意事项：冲孔尽量力求简单对称，尽量采用圆形、矩形等，避免长槽和细长的悬臂结构。冲孔时，圆孔的直径不得小于材料的厚度，方孔边长不得小于材料厚度的0.9倍。为了避免应力集中，而引起的模具开裂，轮廓转角处应为圆角半径。为防止弯裂，弯曲时考虑纤维方向，同时不能小于材料的弯转半径。第二十一页，共五十六页。§4-3金属与金属的连接金属与金属的连接一般三种方法：焊接、黏合、机械连接一.焊接概述焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。

在各种产品制造工业中，焊接与切割（热切割）是一种十分重要的加工工艺。

焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天技术、原子能、电力、电子技术及建筑等部门。常用的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊。第二十二页，共五十六页。

气焊电渣焊手工电弧焊自动焊电弧焊埋弧焊熔焊等离子焊气体保护焊半自动焊电子束焊激光焊点焊电阻焊缝焊摩擦焊对焊压焊冷压焊爆炸焊超声波焊扩散焊软钎焊钎焊硬钎焊第二十三页，共五十六页。

1.锻焊

把被连接的两块材料加热到接近熔点的温度（但不能达到熔点），然后加压形成连接。锻焊一般用斜接头连接，锻焊制件的力学性能好，残余应力小。2.冷压焊

冷压焊是在室温下，借助压力使待焊金属生产塑性变形而实现固态焊接的方法。通过塑性变形挤出连接部位界面上的氧化膜等杂质，使纯洁金属紧密接触，达到晶间结合。搭接冷压焊时，将工件搭放好后，用钢制压头加压，当压头压入必要深度后，焊接完成。用柱状压头形成焊点，称为冷压点焊；用滚轮式压头形成长缝，称为冷压滚焊。搭接主要用于箔材、板材的连接。冷压焊由于不需加热、不需填料，设备简单；焊接的主要工艺参数已由模具尺寸确定，故易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产率高，成本低；不用焊剂，接头不会引起腐蚀；焊接时接头温度不升高，材料结晶状态不变，特别适于异种金属和热焊法无法实现的一些金属材料和产品的焊接。冷压焊已成为电气行业、铝制品业和太空焊接领域中最重要的有限几种焊接方法之一。第二十四页，共五十六页。3.爆炸焊

爆炸焊是以炸药为能源进行金属间焊接的方法。这种焊接是利用炸药的爆轰，使被焊金属面发生高速倾斜碰撞，在接触面上造成一薄层金属的塑性变形，在此十分短暂的冶金过程中形成冶金结合。

爆炸焊的特点是：

1）能将任意相同的、特别是不同的金属材料迅速牢固地焊接起来。

2）工艺十分简单，容易掌握。

3）不需要厂房、不需要大型设备和大量投资。

4）不仅可以进行点焊和线焊，而且可以进行面焊－爆炸复合，从而获得大面积的复合板、复合管和复合管棒等。

5）能源为低焊速的混合炸药，它们价廉、易得、安全和使用方便。

爆炸焊也是以化学反应热为能源的另一种固相焊接方法。但它是利用炸药爆炸所产生的能量来实现金属连接的。在爆炸波作用下，两件金属在不到一秒的时间内即可被加速撞击形成金属的结合。

在各种焊接方法中，爆炸焊可以焊接的异种金属的组合的范围最广。可以用爆炸焊将冶金上不相容的两种金属焊成为各种过渡接头。爆炸焊多用于表面积相当大的平板包覆，是制造复合板的高效方法。第二十五页，共五十六页。爆炸焊摩擦焊第二十六页，共五十六页。4.摩擦焊

摩擦焊接是一种固态焊接方法，即通过机械摩擦运动及施加载荷，然后利用摩擦热使金属或非金属之间互相连接。在正常条件下接合面没有熔化。这种焊接方法不需要填充金属、焊剂和保护气体。

摩擦焊的优点：1）焊接质量好而且稳定。2）焊接生产率高。3）生产费用低，由于焊机功率小，焊接时间短，故可节省电能。4）能焊接异种钢和异种金属。

5）摩擦焊机容易实现机械化和自动化。操作简单，容易掌握和维护。工作场地卫生，没有火花弧光及有害气体。

缺点与局限性：

1）摩擦焊主要是一种工件旋转的对焊方法。对于非圆形横断面工件的焊接是很困难的。盘状工件和薄壁管件，由于不容易夹固也很难焊接。

2）由于受到摩擦焊机主轴电动机功率和压力不足的限制，目前最大的焊接断面为200cm2。

3）摩擦焊机的一次性投资较大。因此只有当大批量集中生产时，才能降低焊接生产成本。第二十七页，共五十六页。5.超声波焊

超声波焊也是一种以机械能为能源的固相焊接方法。进行超声波焊时，焊接工件在较低的静压力下，由声极发出的高频振动能使接合面产生强烈摩擦并加热到焊接温度而形成结合。

超声波焊可以用于大多数金属材料之间的焊接，能实现金属、异种金属及金属与非金属间的焊接。可适用于金属丝、箔或2～3mm以下的薄板金属接头的重复生产。6.气焊

气焊是用气体火焰为热源的一种焊接方法。应用最多的是以乙炔气作燃料的氧－乙炔火焰。由于设备简单使操作方便，但气焊加热速度及生产率较低，热影响区较大，且容易引起较大的变形。

气焊可用于很多黑色金属、有色金属及合金的焊接。一般适用于维修及单件薄板焊接。第二十八页，共五十六页。超声波焊第二十九页，共五十六页。第三十页，共五十六页。气焊抢第三十一页，共五十六页。7.手工电弧焊

电弧是两带电导体之间持久而强烈的气体放电现象。电弧由三部分构成，即阴极区（一般为焊条端面的白亮斑点）、阳极区（工件上对应焊条端部的溶池中的薄亮区）和弧柱区（为两电极间空气隙）。

电弧的形成（1）焊条与工件接触短路时，电流密集的个别接触点被电阻热所加热，极小的气隙的电场强度很高。结果：①少量电子逸出。②个别接触点被加热、熔化，甚至蒸发、汽化。③出现很多低电离电位的金属蒸汽。（2）提起焊条保持恰当距离在热激发和强电场作用下，负极发射电子并作高速定向运动，撞击中性分子和原子使之激发或电离。结果：气隙间的气体迅速电离，在撞击、激发和正负带电粒子复合中，其能量转换，发出光和热。

第三十二页，共五十六页。手工电弧焊第三十三页，共五十六页。

手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。手弧焊设备简单、轻便，操作灵活。可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及其合金。第三十四页，共五十六页。

8.埋弧焊

埋弧焊是以连续送时的焊丝作为电极和填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化，形成焊缝。在电弧热的作用下，上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶金反应。熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保护焊缝金属，防止空气的污染，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的成分及性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢泠却。埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手弧焊相比，其最大的优点是焊缝质量好，焊接速度高。因此，它特别适于焊接大型工件的直缝的环缝。而且多数采用机械化焊接。

埋弧焊已广泛用于碳钢、低合金结构钢和不锈钢的焊接。由于熔渣可降低接头冷却速度，故某些高强度结构钢、高碳钢等也可采用埋弧焊焊接。第三十五页，共五十六页。埋弧焊原理第三十六页，共五十六页。9.气体保护电弧焊

这种焊接方法是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接的。

熔化极气体保护电弧焊通常用的保护气体有：氩气、氦气、CO2气或这些气体的混合气。熔化极气体保护电弧焊的主要优点是可以方便地进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快、熔敷率高等优点。熔化极活性气体保护电弧焊可适用于大部分主要金属，包括碳钢、合金钢。熔化极惰性气体保护焊适用于不锈钢、铝、镁、铜、钛、锆及镍合金。利用这种焊接方法还可以进行电弧点焊。第三十七页，共五十六页。10.激光焊

激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接。这种焊接方法通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。

激光焊优点是不需要在真空中进行，缺点则是穿透力不如电子束焊强。激光焊时能进行精确的能量控制，因而可以实现精密微型器件的焊接。它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。第三十八页，共五十六页。11.等离子弧焊

等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊。它是利用电极和工件之间地压缩电弧（叫转发转移电弧）实现焊接的。所用的电极通常是钨极。产生等离子弧的等离子气可用氩气、氮气、氦气或其中二者之混合气。同时还通过喷嘴用惰性气体保护。焊接时可以外加填充金属，也可以不加填充金属。

等离子弧焊焊接时，由于其电弧挺直、能量密度大、因而电弧穿透能力强。等离子弧焊焊接时产生的小孔效应，对于一定厚度范围内的大多数金属可以进行不开坡口对接，并能保证熔透和焊缝均匀一致。因此，等离子弧焊的生产率高、焊缝质量好。但等离子弧焊设备（包括喷嘴）比较复杂，对焊接工艺参数的控制要求较高。

第三十九页，共五十六页。

12.电子束焊

电子束焊是以集中的高速电子束轰击工件表面时所产生的热能进行焊接的方法。

电子束焊接时，由电子枪产生电子束并加速。常用的电子束焊有：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。前两种方法都是在真空室内进行。焊接准备时间（主要是抽真空时间）较长，工件尺寸受真空室大小限制。电子束焊与电弧焊相比，主要的特点是焊缝熔深大、熔宽小、焊缝金属纯度高。它既可以用在很薄材料的精密焊接，又可以用在很厚的（最厚达300mm）构件焊接。所有用其它焊接方法能进行熔化焊的金属及合金都可以用电子束焊接。主要用于要求高质量的产品的焊接。还能解决异种金属、易氧化金属及难熔金属的焊接。但不适于大批量产品。第四十页，共五十六页。13.钎焊

钎焊的能源可以是化学反应热，也可以是间接热能。它是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属作钎料，经过加热使钎料熔化，靠毛细管作用将钎料及入到接头接触面的间隙内，润湿被焊金属表面，使液相与固相之间互扩散而形成钎焊接头。因此，钎焊是一种固相兼液相的焊接方法。钎焊加热温度较低，母材不熔化，而且也不需施加压力。但焊前必须采取一定的措施清除被焊工件表面的油污、灰尘、氧化膜等。这是使工件润湿性好、确保接头质量的重要保证。

钎料的液相线湿度高于450℃而低于母材金属的熔点时，称为硬钎焊；低于450℃时，称为软钎焊。

同熔焊方法相比，钎焊具有以下优点：

1）钎焊接头平整光滑，外形美观；

2）钎焊加热温度较低，对母材组织和性能的影响较小；

3）焊件变形较小。尤其是采用均匀加热（如炉中钎焊）的钎焊方法，焊件的变形可减小到最低程度，容易保证焊件的尺寸精度；

4）某些钎焊方法一次可焊成几十条或成百条钎缝，生产率高；

5）可经实现异种金属或合金，金属与非金属的连接。

钎焊技术是采用低熔点的锡、铋合金作为焊接材料，通过烙铁或火焰使其在基材上融化，达到渗透镶嵌结合的技术。它的特点是锡铋合金焊材具有“热缩冷涨”的特性，但硬度较低，所以适合焊接深拉沟和凹坑。第四十一页，共五十六页。钎焊焊缝的设计硬钎焊和软钎焊的温度第四十二页，共五十六页。钎焊的方法第四十三页，共五十六页。二.胶接

胶接是将两种或两种以上的零件（构件）用胶粘剂连接起来的一种工艺方法，所构成的不可拆连接称为胶连接。

胶接工艺主要包括接头设计、表面处理、配胶和涂胶、固化和质量检测。

1.胶接具有如下优点：

①能够将不同的金属或金属与非金属粘接在一起。

②可以粘接一些不易焊接的异形、复杂、微小和极薄零件。

③粘接接头处应力分布比较均匀，粘接胶层具有缓和冲击，消减振动的作用，使接头处疲劳强度得以提高。

④粘接胶层密封性能好，粘接剂可以将两种不同金属隔开，能防止电化学腐蚀。

⑤粘接重量轻，外表光整。

胶接的缺点是：

①胶接剂对温度变化比较敏感。

②耐老化、耐酸、碱等性能较差。

③粘接接头的检查，特别是无损检验困难。第四十四页，共五十六页。

2.胶接的工艺要求

☞根据零件的结构，表面粗糙程度，胶粘液的厚薄，初粘速度的快慢，流动性等技术要求，选用适当的粘接方法。

☞根据被粘物的材质，选择适合的胶粘剂。

☞被粘物表面处理，粘接前两个被粘物表面必须清理干净，不得有油污、脏物、灰尘、碎末等。涂抹粘胶并稍压以重物或采用C型夹夹紧。以保证粘接剂与粘接面良好的结合。

☞有时两个平滑面的粘接，要进行适当打磨粗糙以增加粘接强度，单过于粗糙的表面反而会降低其粘接强度。3.各种粘接面的设计技术要求

☺保证在粘接面上应力均匀分布；

☺将应力减少到最低限度，使之纯粹的受拉力和剪力，最好的结构为套接，其次为槽接或斜接。

☺尽可能扩大粘接面积。粘接面和接头共有四种基本形式：对接、角接、“T”型接、平面粘接。第四十五页，共五十六页。粘接面形式比较不好较好好最好好不好较好好最好好第四十六页，共五十六页。三、机