机械制造基础- 课件 张兆隆 第8-10章 非金属材料、铸造成形、锻压成形

第八章非金属材料

教学要求

主要内容

本章重点

本章小结

机械制造基础第八章教学要求

通过学习，学生应了解非金属材料的基本知识，熟悉常用工程塑料、橡胶、工业陶瓷及复合材料的分类、性能特点及应用。

机械制造基础第八章主要内容

第一节高分子材料

第二节其它非金属材料机械制造基础第八章本章重点

塑料的组成、分类、加工、性能及主要用途。

橡胶的组成、性能及用途。机械制造基础第八章第一节高分子材料

一、高分子材料概述

高分子物质分天然和人工合成两大类。

天然高分子物质有羊毛、蚕丝、淀粉、蛋白质、天然橡胶等。工程上使用的高分子物质主要是人工合成的各种有机高分子材料。

高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料。而高分子化合物是指分子量很大(>5000)的化合物。

高分子化合物一般是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成。

低分子化合物聚合起来形成高分子化合物的过程叫聚合反应。因此，高分子化合物也叫高聚物或聚合物。机械制造基础第八章

由单体聚合为高聚物的方法有加成聚合反应和缩合聚合反应两种。

(1)加成聚合反应——简称加聚反应。它是一种或多种单体经反复多次地相互加成而生成聚合物的反应。

由一种单体经加聚而成的高聚物叫均聚物，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等；

而由两种或多种单体同时加聚生成的高聚物叫共聚物，如丁苯橡胶、ABS塑料等。在加聚反应中没有其它低分子副产物生成，因此加聚反应所得的高聚物具有和单体相同的成分。

(2)缩合聚合反应——简称缩聚反应。

它是具有两个或两个以上活泼官能团(如-OH、=CO、-NH2等)的单体，互相缩合聚合成高聚物，同时有低分子副产物(如H20、NH3等)析出的反应。机械制造基础第八章

由同一种单体进行的缩聚反应叫均缩聚，其产物叫均缩聚物。如由氨基己酸进行均缩聚生成聚酰胺6(尼龙6)。

由两种或多种单体进行的缩聚反应叫共缩聚，其产物叫共缩聚物。如由己二胺和己二酸进行共缩聚生成尼龙66，并有水析出。

由于在缩聚反应中有其它低分子副产物析出，故缩聚反应所得的高聚物具有和单体不同的成分。

二、塑料

（一）塑料的组成

塑料是以有机合成树脂为主要成分，加入适量的添加剂制成的高分子材料。

合成树脂是由低分子化合物经聚合反应而获得的高分子化合物。它受热可软化，在塑料中起粘结作用，其种类、性能及加入量对塑料的性能起着决定性的作用。机械制造基础第八章

大多数塑料是以所用树脂的名称来命名的。如聚氯乙烯塑料就是以聚氯乙烯树脂为主要成分的。

有些树脂可以直接用作塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

有些合成树脂不能单独用作塑料，必须在其中加入一些添加剂，如酚醛树脂、聚氯乙烯等。

加入添加剂的目的是改善或弥补塑料某些性能的不足，添加剂有填充剂、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂等。

稳定剂主要提高塑料在受热和光作用时的稳定性，防止老化；

填充剂（如铝粉）主要提高塑料对光的反射能力等。

（二）塑料的分类按其使用范围分：通用塑料、工程塑料和耐热塑料三类；按合成树脂的热性能分：热塑性塑料和热固性塑料两类。机械制造基础第八章1、热塑性塑料

热塑性塑料主要由聚合树脂制成，仅加入少量的稳定剂和润滑剂等。这类塑料受热软化可塑造成型，冷却后变硬，再受热又可软化，冷却再变硬，可多次重复。

优点：加工成型简便，力学性能较高。

缺点：耐热性和刚性较差。

常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙、ABS、聚砜、聚苯乙烯等。

2、热固性塑料

热固性塑料大多是以缩聚树脂为基础，加入多种添加剂制成。这类塑料在一定条件（如加热、加压）下会发生化学反应，经过一定时间即固化为坚硬制品。

固化后既不溶于任何溶剂，也不会再熔融（温度过高时则发生分解）和再成型了。机械制造基础第八章

优点：耐热性高，受压不易变形等。

缺点：力学性能不高，但可加入填充剂来提高强度。常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料和环氧树脂、有机硅树脂等。

（三）塑料制品的成型与加工

1、塑料制品的成型

1）注射成型——又称注塑成型。

热塑性塑料主要的成型方法之一。

方法——将粒状或粉状的塑料在注射成型机的料筒内加热成为粘流态，然后以较高的压力和速度注入密闭的模具型腔内，经一定时间冷却，开启模具即可取出塑料制品。

特点：自动化程度高，生产速度快，制品尺寸准确，可制造形状复杂、壁厚或带金属嵌件的塑料制品。如各类外壳、电器零件、机械零件等。机械制造基础第八章2）压制成型。

热固性塑料主要的成型方法之一，又分模压法和层压法。

模压法——将塑料粉末（或颗粒）放在金属模型中加热和加压，使塑料在一定温度、压力和时间内发生化学反应而固化成型，脱模后获得塑料制品的方法。也可以用浸有树脂的碎布或纤维状塑料模压成型。

层压法——用片状骨架填料(如纸、棉布、玻璃布等)浸以树脂，一层层叠放，然后加热、加压，使树脂粘结并固化，，以获得塑料制品的方法。这是生产各种增强塑料板、棒和管的主要方法。

3)挤出成型——又叫挤压成型。

方法——将粉状或粒状塑料，通过料斗送人挤出机料筒内，经加热成粘流态，再靠螺杆的转动将其不断地从机器的型孔中挤出而成制品。机械制造基础第八章

这种方法适用于管、棒、板、带等塑料型材的生产，也可用于金属的涂层、电缆包覆层、发泡材料等的生产。

(4)吹塑成型。

方法——将塑料先加热熔融，然后放人模具内，用压缩空气将其吹胀，使之紧贴模腔内壁成型，冷却后开模即得中空制品。

这种方法常用于塑料瓶、罐、管类零件的加工及挤压吹塑薄膜的成型加工，如图所示。机械制造基础第八章

(5)浇注成型。

它是将液态树脂加入添加剂后浇注到模具中，使其固化成为一定形状塑料制品的方法。

此法适用于热固性塑料的成型。常用于制造板材、电绝缘器材和装饰品等。

2．塑料制品的加工

塑料制品成型后的再加工有切削加工、连接和表面处理等。

(1)切削加工。

由于塑料的导热性差且有弹性，容易引起加工时的发热、变形与加工面粗糙。

为保证质量，在切削加工时一般应采取下列措施：①刀具的前角与后角应大些，刃口应锋利；②切削时应用风或水充分冷却；③为得到较光洁的表面，应采用较大的切削速度和较小的进给量；④精加工时，为防工件变形夹紧力不宜过大。机械制造基础第八章(2)塑料的连接。

塑料的连接可以将小而简单的构件组合成大而复杂的零件。

塑料零件常用的连接方法：机械连接、热熔粘接(也称焊接)、溶剂粘接和粘合剂粘接。

热熔粘接——用焊枪喷出一定温度的热风，将焊条和焊缝处的塑料加热熔化，待冷却凝固后两塑料件就粘接在一起。大多数热塑性塑料都可以采用热熔粘接。

溶剂粘接——在塑料连接面涂以适当溶剂，如丙酮、二甲苯等，使之溶胀软化，再给以适当压力使两部分贴紧，待溶剂挥发后，即可形成牢固的接头。此法适用于多数热塑性塑料相同品种间的连接。

粘合剂粘接——在两个被粘接表面涂以适当的胶粘剂，如环氧树脂、酚醛树脂等，利用胶层将两部分连接为一体。绝大多数塑料都可以采用此法连接。这也是热固性塑料唯一的粘接方法。机械制造基础第八章

(3)表面处理。

塑料制品的表面处理主要是涂漆和镀金属。

涂漆的目的是防止制品老化，提高制品耐化学药品和溶剂的能力。

涂漆的方法：刷漆和喷漆。

镀金属的目的：使塑料制品具有导电性，提高表面硬度和耐磨性，提高防老化、防潮、防溶剂侵蚀的能力，并使塑料制品具有金属光泽。

(四)常用的塑料机械制造基础第八章

三、橡胶

（一）橡胶的组成

橡胶是以生胶为基础加入适量的配合剂制成的高分子材料。其中生胶原料来源又分为天然橡胶与合成橡胶。

天然橡胶——从热带的橡树中流出的胶乳，经过凝固、干燥、加压等工序制成的片状固体物，其主要成分为异戊二烯。

合成橡胶——用化学合成方法制成的，与天然橡性质相似的高分子材料。合成橡胶的品种很多，如丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等。

橡胶制品的性质主要取决于生胶的性质。

配合剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。橡胶配合剂的种类很多，如硫化剂及其促进剂、软化剂、防老化剂、填充剂、发泡剂和着色剂等。机械制造基础第八章

硫化剂——能改变橡胶分子的结构，提高橡胶的力学性能，并使橡胶具有既不溶解，也不熔融的性质，克服橡胶因温度升高而变软发粘的缺点。

橡胶制品只有经硫化后才能使用。天然橡胶以硫磺作硫化剂。

软化剂——能增加橡胶的塑性，改善粘附力，并能降低橡胶的硬度和提高耐寒性。

常用的软化剂有硬脂酸、精制腊、凡士林及一些油类、酯类。

填充剂——是增加橡胶制品的强度和降低成本。

常用的填充剂有炭黑、氧化硅、白陶土、氧化锌、氧化镁和滑石粉、硫酸钡等。

（二）常用的橡胶

橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。常用橡胶的种类、性能特点及用途举例见教材中表9-2。机械制造基础第八章

四、胶粘剂

胶接——借助于一种物质在固体表面产生的粘合力将材料牢固地连接在一起的方法。

用以产生粘合力的物质称为胶粘剂(也叫粘合剂)。

1．胶粘剂的组成

目前应用的胶粘剂多为合成胶粘剂。

合成胶粘剂是一种多组分的、具有优良粘合性能的物质。其组成组分有基料、固化剂、增塑剂、增韧剂、填料、稀释剂、稳定剂等。

(1)基料。基料是胶粘剂的主要而必须的组分，常用的基料有环氧树脂、酚醛树脂、氯丁橡胶等。

(2)固化剂。固化剂的作用是使胶粘剂固化。

(3)增塑剂和增韧剂。它们的作用是改善胶粘剂的塑性和韧性，提高胶接接头的抗剥离、抗冲击以及耐寒性等。

常用的有热塑性树脂、合成橡胶及高沸点的低分子有机液体等。机械制造基础第八章

(4)填料。其作用是提高接头的强度和表面硬度，提高耐热性。

通常使用的填料有金属粉末、石棉和玻璃纤维等。

此外还可加入固化促进剂、防老化剂或偶联剂等。

2．常用胶粘剂

胶粘剂的种类常按基料的化学成分来区分。

教材中表9-3列出了部分常用胶粘剂的种类、牌号、性能和用途。

选用胶粘剂时，应根据被粘材料、受力条件、工作环境及温度等具体情况来合理确定。机械制造基础第八章第二节其它非金属材料

一、陶瓷材料

(一)陶瓷的基本性能

1．力学性能

陶瓷具有很高的弹性模量和硬度(维氏硬度>1500)，抗压强度较高。但脆性较大，韧性较低，抗拉强度很低。

2．热性能

陶瓷材料的熔点高，抗蠕变能力强，具有比金属高得多的耐热性，热硬性可达1000℃以上，热膨胀系数和导热系数小，是优良的绝热材料。但陶瓷的抗急冷急热性能差。

3．化学性能陶瓷的组织结构非常稳定，即使在1000℃也不会被氧化，不会被酸、碱、盐和许多熔融的金属(如有色金属银，铜等)侵蚀，不会发生老化。机械制造基础第八章

4．电性能

大多数陶瓷都是良好的绝缘体。但也研制了不少具有导电性的特种陶瓷，如氧化物半导体陶瓷等。

(二)陶瓷材料的分类及应用

陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。

1．普通陶瓷(又称传统陶瓷)

普通陶瓷是以天然的硅酸盐矿物(粘土、长石、石英等)为原料，经过原料加工、成形和烧结而成。广泛用于人们的日常生活、建筑、卫生、电力及化工等领域。如餐具、艺术品、装饰材料、电器支柱、耐酸砖等。

2．特种陶瓷(又称近代陶瓷)

特种陶瓷是化学合成陶瓷。它以化工原料(如氧化物、氮化物、碳化物等)经配料、成形、烧结而制成。

特种陶瓷可分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。机械制造基础第八章

氧化铝陶瓷的主要成分是A12O3，又叫刚玉瓷。它的熔点高耐高温，能在1600℃的高温下长期使用、，硬度高(在1200℃时为80HRA)，绝缘性、耐蚀性优良。其缺点是脆性大，抗急冷急热性差。

它被广泛应用于刀具、内燃机火花塞、坩锅、热电偶的绝缘套等。

氮化硅陶瓷的突出特点是抗急冷急热性优良，并且硬度高、化学稳定性好、电绝缘性优良，还有自润滑性，耐磨性好。

广泛用于制造耐磨、耐蚀、耐高温和绝缘的零件，如高温轴承、耐蚀水泵密封环、阀门、刀具等。

另外还有许多与机械工程有关的陶瓷材料，如压电陶瓷、过滤陶瓷、电光陶瓷等，选用时可参考有关资料。机械制造基础第八章

二、复合材料

复合材料是由两种以上物理、化学性质不同的材料经人工组合而得到的多相固体材料。如钢筋混凝土是由石子、砂子和水泥、钢筋混合而成的复合材料；轮胎是由人造纤维和橡胶制成的复合材料等。

(一)复合材料的组成和分类

1．复合材料的组成

复合材料由基体相和增强相构成。基体相起形成几何形状和粘结作用；增强相起提高强度、韧性等的作用。

2．复合材料的分类

(1)纤维增强复合材料。以玻璃纤维、碳纤维等陶瓷材料做增强相，复合于塑料、树脂、橡胶和金属等为基体相的材料中而制成的。如橡胶轮胎、玻璃钢、纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。机械制造基础第八章

(2)层叠复合材料。由两层或两层以上不同材料复合而成的。

如五合板、钢—铜—塑料复合的无油润滑轴承材料等就是层叠复合材料。

(3)颗粒复合材料。由一种或多种颗粒均匀分布在基体相内而制成的。硬质合金就是WC-Co或WC–TiC-Co等组成的颗粒复合材料。

(二)纤维增强复合材料

1．玻璃纤维-树脂复合材料

以玻璃纤维及其制品为增强相，以树脂为基体相而制成的，俗称玻璃钢。

以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为基体相(粘结剂)制成的玻璃钢，其性能比普通塑料高得多。抗拉强度、抗弯强度和抗疲劳强度均提高2～3倍以上，冲击韧度提高1～4倍，蠕变抗力提高2～5倍，达到或超过了某些金属的性能。可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、空调机叶片、汽车前后灯等。机械制造基础第八章

以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等热固性树脂为粘结剂制成的玻璃钢，具有密度小(约是钢的1／4～1／6)，强度高，耐腐蚀，绝缘、绝热性好和成形工艺性好等优点。但刚度较差(弹性模量仅为钢的1／10～1／5)，耐热性不高，容易老化。常用于制造汽车车身、船体、直升飞机的旋翼、风扇叶片、石油化工管道等。

2．碳纤维-树脂复合材料

以碳纤维及其制品为增强相，以环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯树脂等为基体相结合而成。它不仅保持了玻璃钢的许多优点，而且许多性能还优于玻璃钢。其密度比玻璃钢还小，强度和弹性模量超过了铝合金，而接近于高强度钢。

它还具有优良的耐磨、减摩及自润滑性、耐蚀性、耐热性等，受X射线辐射时，强度和弹性模量不变化。

常用于制造承载件和耐磨件，如连杆、齿轮、轴承、机架、人造卫星天线构架等。机械制造基础第八章小结

非金属材料是指除金属材料以外的其它材料，它们具有许多金属材料所不具备的性能。

高分子化合物具有高的耐蚀性、耐磨性和绝缘性能，在工业中应用较广。塑料是以有机合成树脂为主要成分，加入各种添加剂制成的高分子材料。塑料可按使用范围或合成树脂的热性能分类。

橡胶也是高分子材料，它具有优良的伸缩性，储能能力和耐磨、隔音、绝缘、不透气、不透水的特性，被广泛用于制造弹性件、密封件、减振防振件、传动件、轮胎及绝缘件等。

陶瓷材料硬而脆，抗压强度高，抗拉强度低，同时具有很高的耐腐蚀性、热硬性和绝缘性，因此在工程中主要用于制造耐磨、耐蚀和高温零部件。机械制造基础第八章

复合材料是由两种以上物理、化学性质不同的材料经人工组合而得到的多相固体材料。

复合材料—般由基体相和增强相构成。它不仅具有各组成材料的优点，而且可获得单一材料不具备的优良综合性能，具有良好的抗疲劳和抗断裂性能、优越的耐高温性能、很好的减摩、耐磨性和较强的减振能力。机械制造基础第八章第9章铸造成形教学目标：掌握金属铸造成型基本知识，能够实现简单件的砂型铸造，了解新的铸造方法及铸造发展趋势。教学内容：金属铸造性能；砂型铸造；铸造工艺；特种铸造重点与难点：重点：金属铸造性能；难点：铸造成型金属材料及铸造方法的选择第一节铸造概述铸造就是将金属熔化后注入预先造好的铸型当中，等其凝固后获得一定形状和性能铸件的成型方法。与其他加工方法相比，铸造具有以下几方面特点。1）适应范围很广2）由于铸件是在液态下成型的，所以用铸造的方法生产复合铸件是一种最经济的方法，此方法可使用不同的材质构成铸件（例如衬套）。此外，通过结晶过程的控制，可使铸件的各个部位获得不同的结晶组织和性能。3）既可用于单件生产，也可用于批量生产，生产类型适应性强。4）铸件与零件的形状、尺寸很接近，因而加工余量小，可以节约金属材料和机械加工工时。5）成本低廉。在一般机器中，铸件重量为40%～80%，但其成本只占25%～30%。第一节铸造概述第二节金属的铸造性能

金属的铸造性能是指金属在铸造生产过程中所表现出来的综合性能，主要包括金属的充型能力、收缩性、吸气性和偏析等，其优劣程度直接影响铸件的质量。金属良好的铸造性能是保证获得合格铸件的重要因素，同时也是衡量各种金属铸造性能优劣的重要标志。金属的铸造性能主要包括流动性和收缩性两个方面。第二节金属的铸造性能一、金属的流动性1.流动性的概念金属的流动性是指金属液本身的流动能力，是金属重要的铸造性能之一。金属的流动性越好，金属液充填铸型的能力就越强，就越容易得到轮廓清晰、壁薄而形状复杂的铸件。因此，也常将金属的流动性概括为金属液充填铸型的能力。第二节金属的铸造性能金属的流动性评定将熔融金属浇入如图9-1所示的螺旋形试样的铸型型腔中，以得到的螺旋形试样的长度来评定金属的流动性。浇出的试样越长，金属的流动性越好，反之流动性越差。图9-1螺旋形试样1—试样铸件2—浇口3—冒口4—试样凸点第二节金属的铸造性能常用的铸造金属（合金）的流动性见表9-1，其中以灰铸铁、硅黄铜最好，铸钢最差。第二节金属的铸造性能2、影响金属流动性因素（1）化学成分不同种类的合金具有不同的流动性，同种类合金中，化学成分比例不同，结晶特性各有差异，其流动性也不尽相同。由于纯金属和共晶成分的金属是在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小。同时，共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度（即浇注温度与合金熔点的温度），推迟了合金的凝固，因此其流动性最好。第二节金属的铸造性能图9-2所示为铁碳合金碳含量与流动性的关系。图9-2铁碳合金碳含量与流动性的关系第二节金属的铸造性能2、影响金属流动性因素（2）浇注条件1）浇注温度2）充型压力3）浇注系统的结构（3）铸型的影响铸型的蓄热系数、温度以及铸型中的气体等均影响合金的流动性，如液态合金在金属型比在砂型中的流动性差；预热后温度高的铸型比温度低的铸型流动性好；型砂中水分过多其流动性差等。第二节金属的铸造性能2、影响金属流动性因素（4）铸件结构的影响当铸件壁厚过小、厚薄部分过渡面多、有大的水平面等结构时，都会使金属液的流动困难。二、金属的收缩性1.收缩性的概念收缩性是指金属从液态凝固并冷却至室温过程中产生的尺寸和体积减小的现象。收缩分为三个阶段：1）液态收缩：从浇注温度冷却到凝固开始温度发生的收缩。2）凝固收缩：从凝固开始温度冷却到凝固终止温度发生的收缩。3）固态收缩：从凝固终止温度冷却到室温的收缩。表9-2常用铸造合金收缩率第二节金属的铸造性能2.影响金属收缩性的因素（1）化学成分碳素钢随碳含量增加，其凝固收缩增加，而固态收缩略减。灰铸铁中，碳是形成石墨的元素，硅促进石墨化，硫阻碍石墨化。因此，碳、硅含量越多，硫含量越少，则析出的石墨越多，凝固收缩越小。（2）浇注温度浇注温度越高，过热度越大，液态收缩就越大。第二节金属的铸造性能2.影响金属收缩性的因素（3）铸件结构与铸型条件合金在铸型中并不是自由收缩，而是受阻收缩，其阻力来源于两个方面：1）铸件的各个部分冷却速度不同，因互相制约而对收缩产生的阻力。2）铸型和型芯对收缩的机械阻力。3.缩孔和缩松的形成及防止第二节金属的铸造性能铸造时，金属液在铸型内的凝固过程中，若其收缩得不到补充，在铸件最后凝固的地方将形成孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，小而分散的孔洞称为缩松。（1）缩孔的形成图9-3缩孔形成示意图第二节金属的铸造性能（2）缩松的形成图9-4缩松形成示意图第二节金属的铸造性能（3）缩孔和缩松的防止图9-5定向凝固图9-6冷铁的应用第二节金属的铸造性能4.铸造应力、变形及裂纹（1）铸造应力铸件凝固后，温度继续下降，产生固态收缩，尺寸缩小。当线收缩受到阻碍时，便在铸件内部产生应力。这种内应力有的仅存在与冷却过程中，有的一直残留到室温，故称为残余内应力。铸造内应力是导致铸件变形和产生裂纹的主要因素。铸造内应力简称铸造应力，按产生的机理分为热应力、金相组织体积变化产生的相变应力和收缩应力。第二节金属的铸造性能1）热应力2）相变应力3）收缩应力图9-7热应力的形成（+表示拉应力；—表示压应力）图9-8收缩应力的形成第二节金属的铸造性能（2）铸件的变形与防止图9-9T形钢铸件的变形第二节金属的铸造性能（3）铸件的裂纹与防止当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是一种严重的铸件缺陷，必须设法防止。1）热裂。热裂的形状特征是裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂是铸钢和铝合金铸件的常见缺陷，是在凝固末期高温下形成的。此时，结晶出来的固体已形成完整的骨架，开始固态收缩，但晶粒之间还存在少量液体，因此金属的强度很低。如果金属的线收缩受到铸型或型芯的阻碍，收缩应力超过了该温度下金属的强度，即发生热裂。第二节金属的铸造性能2）冷裂。铸件所产生的热应力和收缩应力的总和，若大于该温度下合金的强度，则产生冷裂。冷裂是在较低温度下形成的，并常出现在受拉伸的部位，其裂缝细小，呈连续直裂状，缝内干净，有时呈轻微氧化色。壁厚差别大、形状复杂的铸件，尤其是大而薄的铸件，易发生冷裂。凡能减小铸造内应力或降低合金脆性的因素，都能防止冷裂的发生。钢和铸铁中的磷会显著降低合金的冲击韧度，增大脆性，因此在金属熔炼中必须加以限制。第二节金属的铸造性能第三节砂型铸造将砂子、粘结剂等，按一定比例混合均匀，使其具有一定的强度和可塑性，称为造砂，而配置的砂子称为型砂。以型砂为造型材料，借助模样及工艺装备来制造铸型的铸造方法称为砂型铸造，它包括造型（芯）、熔炼、浇注、落砂及清理等几个基本过程，如图9-10所示。砂型铸造是最传统的铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产，在铸造生产中占主导地位。用砂型铸造生产的铸件，约占铸件总质量的90%。图9-10砂型铸造生产过程一、造型1.造型材料砂型铸造用的造型材料是制造型砂和芯砂的材料，主要由原砂、粘结剂（粘土、水玻璃、树脂等）、附加物（煤粉、重油、木屑）、水按一定比例混制而成。造型材料根据结合剂种类的不同，可分为粘土砂、水玻璃砂和树脂砂等。其中，粘土砂应用最广，适用于各类铸件；水玻璃砂强度高，铸型不需烘干，硬化速度快，生产周期短，主要用于铸钢件的生产；树脂砂强度较高，透气性和复用性好，铸件易于清理，便于实现机械化和自动化生产，适用于铸件的成批大量生产。（1）可塑性可塑性是指型砂在外力的作用下可以成型，外力消除后仍能保持其形状的特性。可塑性好，易于成型，能获得型腔清晰的砂型，从而保证铸件的轮廓尺寸精度。（2）强度强度是指型砂抵抗外力破坏的能力。砂型应具有足够的强度，从浇注时能承受熔融金属的冲击和压力不致发生变形和毁坏，从而避免铸件产生夹砂、结疤和砂眼等缺陷。（3）耐火性耐火性是指型砂在高温熔融金属的作用下不软化、不熔融烧结及不粘附在铸件表面上的性能。耐火性差会造成铸件表面粘砂，使清理和切削加工困难，严重时则造成铸件的报废。（4）透气性砂型的透气性用紧实砂样的孔隙度表示。透气性差，熔融金属浇入铸型后，在高温的作用下，砂型中产生的及金属内部分离出的大量气体就会滞留在熔融金属内部不易排出，从而导致铸件产生气孔等缺陷。（5）退让性退让性是指铸件冷却收缩时，砂型与型芯的体积可以被压缩的能力。退让性差时，铸件收缩时会受到较大阻碍，使铸件产生较大的内应力，从而导致变形或裂纹等铸造缺陷。2.造型用工具和工艺装备造型用工艺装备主要包括砂箱、模样、芯盒及浇注系统、冒口等，如图9-11所示。模样多用来形成铸型型腔，浇注后形成铸件的外部轮廓，但模样尺寸要比铸件的轮廓尺寸大一些，大出的部分就是铸件的收缩量；芯盒是用来制作砂芯的，砂芯多用来形成铸件的内腔或局部复杂表面。图9-11造型主要工具3.造型方法用型砂制造铸型的过程称为造型，它包括手工造型和机器造型两种类型。（1）手工造型1）整模造型用整块模样进行造型的方法称为整模造型，图9-12所示为整模造型的基本过程。造型时模样全部放在一个砂箱内，有一个完整的分型面。整模造型操作简单，制得的型腔形状和尺寸精度较好，适用于形状简单而且最大截面在一端的铸件。图9-12整模造型2）分模造型图9-13分模造型3）挖砂造型图9-14挖砂造型图9-15活块造型4）活块造型5）刮板造型图9-16刮板造型6）三箱造型图9-17三箱造型（a）造中型

（b）造下型

（c）翻下、中型、造上型（d）依次敞箱、起模

（e）下芯、合型（2）机器造型将造型中的两项最重要的操作“紧砂”和“起模”实现机械化的造型方法称为机器造型。与手工造型相比，机器造型的生产率高，质量稳定，工人劳动强度低，但设备和工艺装备费用高，生产准备周期长。它适用于大量和成批生产的铸件。4.造芯制造型芯的工艺过程称为造芯。型芯是为了获得铸件的内腔或局部外形时，用芯砂或其他材料制成的安放在型腔内部的铸型组元。造芯可分为手工造芯和机器造芯两种。形状复杂的型芯还可以分块制造，然后粘合成型。手工造芯通常采用芯盒制造，主要用于单件、小批量生产。图9-18所示为利用芯盒造芯的示意图。机器造芯是利用造芯机完成填砂、紧砂和取芯的，生产效率高，型芯质量好，适用于大批量生产。图9-18芯盒造芯（a）整体式芯盒造芯

（b）对开式芯盒造芯

（c）可拆式芯盒造芯5.合型合型又称合箱，是将铸件的各个组元组合成一个完整铸型的操作过程。合型前应进行铸型、型芯的质量检验，之后应进行验型，以保证铸型型腔几何形状和尺寸的准确及型芯的稳固，防止产生偏芯、错型等缺陷。合型后，上、下型应夹紧或在铸型上放置压铁，以防止浇注时造成抬箱、射箱或炮火等事故。二、熔炼熔炼过程就是将金属炉料按照一定成分配比配好后，放入加热炉中加热，使其成为熔融状态。熔炼后的金属液，其成分和温度必须满足铸造工艺要求，否则，铸件质量和性能难以保证。铸铁的熔炼设备一般采用冲天炉，铸钢熔炼一般采用电弧炉，非铁金属熔炼一般采用反射炉、感应炉及坩埚炉等。三、浇注浇注过程就是将出炉后的金属液通过浇包注入型腔的过程。1.对浇注过程的要求出炉后的金属液应按规定的温度和速度注入铸型中。若浇注温度过高，则金属液吸气严重，铸件容易产生气孔，且晶粒粗大，力学性能降低；反之则金属液流动性下降，易产生浇不足、冷隔等缺陷。浇注速度过快，容易冲毁铸型型腔而产生夹砂；浇注速度过低，铸型内表面受金属液长时间烘烤而易变形脱落。2.浇注系统的组成浇注系统是将金属液导入铸型的通道，它由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成，如图9-19所示。简单铸件一般只有直浇道和内浇道两部分，大型铸件或结构较复杂的铸件才增设浇口杯和横浇道，其作用如下：图9-19浇注系统示意图1）浇口杯。在直浇道顶部，用以承接并导入熔融金属，还可以起缓冲和挡渣的作用。2）直浇道。垂直通道，调节金属液的速度和静压力，直浇道越高，金属液的充型能力越强。3）横浇道。水平通道，截面多为梯形，用以分配金属液进入内浇道，并有挡渣作用。4）内浇道。直接与铸型型腔相连，用以引导金属液进入型腔。四、落砂、清理和铸件质量检验落砂是用手工或机械使铸件和型砂、砂箱分开的操作过程。铸型浇注后，铸件应在砂型内冷却到适当的温度才能落砂。过早进行落砂，会使铸件产生大的内应力，导致变形或开裂，而铸铁件表层还会产生白口组织，使切削加工困难。铸件的冷却时间应根据其形状、大小和壁厚决定。清理是落砂后从铸件上清除表面粘砂、型芯和多余金属等的操作过程。铸件的质量检验包括外观质量、内资质量和使用质量的检验。砂型铸造由于工艺较复杂，铸件质量受型砂质量、造型、金属熔炼和浇注等诸多因素的影响，容易产生铸造缺陷。常见的铸造缺陷有气孔、缩孔、砂眼、粘砂和裂纹等。第四节零件结构的铸造工艺性零件结构的铸造工艺性通常是指零件本身的结构应符合铸造生产的要求，既便于整个铸造工艺过程的进行，有利于铸件质量。一、铸件质量对铸件结构的要求1.铸件的壁厚应合理由于受合金流动性的限制，铸造合金能浇注出的铸件壁厚存在一个最小值。实际铸件壁厚若小于这个最小值，则易出现冷隔、浇不足等缺陷。表9-3列出了几种常用铸造合金在砂型铸造时铸件最小允许壁厚的参考数据。表9-3砂型铸造时铸件的最小允许壁厚（mm）2.铸件的壁厚应尽量均匀图9-21（a）所示，铸件由于壁厚不均匀而产生缩松和裂纹，改为图（b）结构后可避免这类缺陷。铸件上的内壁和肋等散热条件差，故应比外壁薄些，以减少热应力。铸件内、外壁的厚度差为10％～20％。第四节零件结构的铸造工艺性图9-21铸件壁厚设计3.铸件壁的连接应采用圆角和逐步过渡铸件壁间的连接采用铸造圆角，可以避免直角连接引起的热节和应力集中，减少缩孔和裂纹，如图9-22所示。圆角结构还有利于造型，并且铸件外形美观。图9-22铸造圆角第四节零件结构的铸造工艺性3.铸件壁的连接应采用圆角和逐步过渡壁厚均匀的细长件和大的平板件都容易产生变形，采用对称式结构或增设加强肋后，提高了结构刚性，可减少变形。如图9-24所示。图9-24防止变形的铸件结构第四节零件结构的铸造工艺性二、铸造工艺对零件结构的要求1．铸件应具有尽量少而简单的分型面铸件需要多个分型面时，不仅造型工艺复杂，而且容易出现错型、偏芯和铸件精度下降等。图9-26（a）所示端盖铸件，由于外形中部存在侧凹，需要两个分型面进行三箱造型，或增设外型芯后用两箱造型，造型工艺较复杂。将其改为图9-26（b）所示结构，则仅需一个分型面，简化了造型。第四节零件结构的铸造工艺性二、铸造工艺对零件结构的要求2.铸件结构应便于起模为了便于造型中的起模，铸件在垂直于分型面的非加工表面都应设计出铸造斜度。图9-28所示为拖拉机轮壳，在起模方向设计出铸造斜度后（实线b），起模操作就较方便。3．避免不必要的型芯4．应便于型芯的固定、排气和清理型芯在铸型中应能可靠地固定和排气，以免铸件产生偏芯、气孔等缺陷。型芯的固定主要是依靠型芯头。第四节零件结构的铸造工艺性图9-28拖拉机轮壳图9-30悬臂托架第四节零件结构的铸造工艺性图9-31轴承支架铸件第四节零件结构的铸造工艺性第五节铸造工艺设计简介铸造工艺设计是指为了获得合格的铸件,在生产之前，根据零件的结构特点、技术要求、生产批量和生产条件等情况编制出的控制该铸件生产工艺的技术文件。铸造工艺设计主要包括合理绘制铸造工艺图、铸件毛坯图、铸型装配图和编写铸造工艺卡片等。表9-4铸造工艺设计的内容和一般程序第五节铸造工艺设计简介一、浇注位置和分型面的选择浇注位置是指浇注时铸件所处的空间位置。分型面是相邻两铸型的分界面，它往往也是模样的分型面。确定浇注位置和分型面的原则有以下几点。1.铸件的重要表面应朝下2.铸件上的大平面应尽可能朝下3.铸件的薄壁部位应置于下部4.应使分型面数量最少且形状简单5.尽量使铸件位于同一砂箱内第五节铸造工艺设计简介二、铸造工艺参数的确定1.机械加工余量机械加工余量是指为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而在切削加工时切去的金属层厚度。加工余量大小应根据铸件的材质、造型方法、铸件大小、加工表面的精度要求以及浇注位置等因素来确定，具体数值可查阅相关的铸造工艺手册。第五节铸造工艺设计简介二、铸造工艺参数的确定2.最小铸出孔对于铸件上的孔、槽，一般来说，小于30mm～50mm的孔，在单件小批量生产时不铸出，而在切削加工时进行钻削；较大的孔、槽应当铸出，以减少切削加工工时，节约金属材料，并可减小铸件上的热节。对于零件图上不要求加工的孔、槽以及弯曲孔等，一般均应铸出。第五节铸造工艺设计简介二、铸造工艺参数的确定3.线收缩率线收缩率是指铸件从线收缩起始温度冷却至室温的收缩率，常以模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示。制造模样或芯盒时要按确定的线收缩率，将模样(芯盒)尺寸放大一些，以保证冷却后铸件尺寸符合要求。铸件冷却后各尺寸的收缩余量可由下式求得：收缩余量=铸件尺寸×线收缩率第五节铸造工艺设计简介二、铸造工艺参数的确定4.起模斜度起模斜度是指为使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度，如图9-36所示。起模斜度的大小与造型方法、模样材料、垂直壁高度等有关，通常为15′～3°。木模的斜度比金属模要大；机器造型比手工造型的斜度小些；铸件的垂直壁愈高斜度愈小；模样的内壁斜度β应比外壁斜度α略大，通常为3°～10°。第五节铸造工艺设计简介图9-36起模斜度图9-37芯头第五节铸造工艺设计简介5.芯头芯头是指伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分，其功用是定位、支撑和排气。为了承受砂芯本身重力及浇注时液体金属对砂芯的浮力，芯头的尺寸应足够大才不致破坏；浇注后，砂芯所产生的气体，应能通过芯头排至铸型以外。在设计芯头时，除了要满足上面的要求以外，还应做到下芯、合型方便，应留有适当斜度，芯头与芯座之间要留有间隙。图9-37所示为芯头与芯座之间间的隙。第五节铸造工艺设计简介三、铸造工艺图铸造工艺图是表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施(如放置冷铁)等的图样，如图9-38所示。

根据生产规模的不同，铸造工艺图可直接在铸件零件图上用红、蓝色笔绘出规定的工艺符号和文字，也可以用墨线另行单独绘制。

第五节铸造工艺设计简介图9-38联轴器零件图及铸造工艺图第五节铸造工艺设计简介铸造工艺图中应明确表示出铸件的浇注位置、分型面、型芯、浇冒口设置和工艺参数等内容。工艺参数可在技术条件中用文字作集中说明，以使图面清晰明了。对个别不宜集中说明的参数，可在图上单独注明，如铸件上的加工余量，若某个表面由于特别需要而采用非标准的加工余量值时，则可在相应表面上标出具体数值。第五节铸造工艺设计简介第六节特种铸造一、熔模铸造1．熔模铸造工艺过程图9-39熔模铸造工艺工艺过程一、熔模铸造2．熔模铸造的特点及应用范围1）铸件精度高，表面质量好。尺寸公差等级可达CT7～CT4，表面粗糙度Ra值可达12.5～1.6μm。可节约加工工时，实现了少屑或无屑加工，显著提高金属材料的利用率。2）可制造形状复杂的铸件。由于蜡模可以焊接拼制，模样可熔化流出，故可以铸出形状极为复杂的铸件，铸出孔最小直径为0.5mm，最小壁厚可达0.3mm。第六节特种铸造3）适用于各种合金铸件。尤其用于高熔点和难切削合金的铸造，更显示出其优越性。4）生产批量不受限制。从单件到大批量生产都适用，能实现机械化流水作业。熔模铸造主要用于生产形状复杂、精度要求高、熔点高和难切削加工的小型(质量在25kg以下)零件，如汽轮机叶片、切削刀具、风动工具、变速箱拨叉，枪支零件以及汽车、拖拉机、机床上的小零件等。第六节特种铸造二、金属型铸造金属型铸造是在重力下将液态金属注入金属制成的铸型中，以获得金属铸件的方法。1.金属型的构造金属型可分为水平分型式、垂直分型式、复合分型式和铰链开合式等。其中垂直分型式由于开设浇口和取出铸件都比较方便，也易实现机械化，所以应用较多。图9-40（a）所示为铸造铝活塞的金属型，它由左、右两个半型和底型组成。浇注时两个半型合紧，凝固后分开两个半型即可取出铸件。第六节特种铸造图9-40铸造铝活塞的金属型（a)铰链开合式金属型

（b)组合式金属型芯第六节特种铸造2.金属型铸造的特点及应用范围1）金属型铸件的尺寸精度高，表面质量好，加工余量小。金属型的尺寸准确，表面光洁，铸件的尺寸公差等级可达CT9～CT7，表面粗糙度可达Ra12.5～6.3µm。2）金属型铸件的组织致密，力学性能好。如铝合金的金属型铸件的抗拉强度可提高25％。3）金属型可以一型多铸，生产率高，劳动条件好。金属型铸造主要应用于有色金属铸件的大批量生产中，如铝合金的活塞、气缸体、气缸盖、铜合金轴瓦、轴套等。对于黑色金属，只限于形状简单的中、小零件。第六节特种铸造三、压力铸造压力铸造是将液态金属在高压下迅速注入铸型，并在压力下凝固而获得铸件的铸造方法，简称压铸。常用压铸的压强为几兆帕至几十兆帕，充填速度在0.5m/s～70m/s范围内。1.压铸机及压铸工艺过程压铸是在专门的压铸机上进行的。压铸机按压射部分的特征可分为热压室式和冷压室式两大类。冷压室式应用较广，又可分为立式和卧式两种。卧式冷压室式压铸机，其压射头水平布置，压室不包括金属液保温炉，压室仅在压铸的短暂时间内接触金属液。第六节特种铸造压铸机所用铸型由专用耐热钢制成，其结构与垂直分型的金属型相似，由定型和动型两部分组成。定型固定在压铸机定模板上，动型固定在动模板上并可作水平移动。推杆和芯棒通过相应机构控制，完成推出铸件和抽芯等动作。图9-41所示为卧式冷压室式压铸机的工作原理图。图9-41卧式冷压室式压铸机工作原理图（a）合型、浇入金属液

（b）进行压射

（c）开型、推出铸件第六节特种铸造2.压铸的特点及应用范围1）铸件尺寸精度高，表面质量好。压铸件尺寸公差等级可达CT8～CT6，表面粗糙度Ra值为3.2～0.8µm，一般不经切削加工或只需精加工即可使用。2）可压铸出形状复杂、轮廓清晰的铸件。锌合金压铸件的最小壁厚可达0.8mm，最小孔径达0.8mm，最小螺距达0.75mm。这是由于压型精密，在高压高速下浇注，极大地提高了合金的充型能力。3）铸件强度高。由于压型冷却快，又在压力下结晶，因而铸件的内部组织致密，强度比砂型铸件高20％～40％。第六节特种铸造4）生产率高。压铸是所有铸造方法中生产率最高的一种，每小时可压铸50～500次，而且由于操作十分简便，易于实现半自动化和自动化。5）便于采用镶嵌法。镶嵌法是将预先制好的嵌件放人压型中，通过压铸使嵌件与压铸合金结合成整体而获得镶嵌件的方法。镶嵌法可以制出通常难以制出的复杂件、双金属件、金属与非金属的结合件等。第六节特种铸造压铸存在下列缺点：1）压铸设备投资大，制造压型费用高、周期长，故不适合单件、小批量生产。2）压铸高熔点合金(如钢、铸铁)时，压型寿命低。内腔复杂的铸件也难以适应。3）由于压铸速度高，压型内的气体很难排除，所以铸件内部常有小气孔，影响铸件的内部质量。4）压铸件不能进行热处理，也不宜在高温下工作。因压铸件中的气孔是在高压下形成的，在加热时气孔中的空气膨胀所产生的压力有可能使铸件变形或开裂。第六节特种铸造四、离心铸造

离心铸造是将液态金属浇入高速旋转（250r／min～1500r／min）的铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶的铸造方法。1．离心铸造的基本类型

离心铸造的铸型可用金属型、砂型或复砂金属型。为使铸型旋转，离心铸造必须在离心铸造机上进行。根据铸型旋转轴空间位置的不同，离心铸造机可分为立式和卧式两大类。第六节特种铸造图9-42所示为离心铸造示意图，图（a）为立式离心铸造，其铸型是绕垂直轴旋转的。液态金属浇入铸型后，由于受离心力和自身重力的共同作用，使铸件的自由表面(内表面)呈抛物面形状，造成铸件壁上薄下厚，但铸型的固定和浇注较方便。立式离心铸造主要用来生产高度小于直径的圆环类零件。图（b）为卧式离心铸造，其铸型是绕水平轴旋转的，铸件各部分的成型条件基本相同，铸出的中空铸件在轴向和径向的壁厚都较均匀。卧式离心铸造常用于生产长度较大的套筒、管类铸件，是最常用的离心铸造方法。第六节特种铸造图9-42离心铸造示意图（a）立式离心铸造

（b）卧式离心铸造第六节特种铸造2．离心铸造的特点和应用范围1）铸件组织致密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。因为在离心力的作用下，金属中的气体、熔渣等夹杂物因密度小而集中在内表面，铸件呈由外向内的定向凝固，补缩条件好。2）简化工艺，提高金属利用率。如铸造中空铸件时，可以不用型芯和浇注系统，简化了生产工艺，提高了金属利用率。第六节特种铸造3）便于浇注流动性差的合金铸件和薄壁铸件。这是由于在离心力的作用下，金属液的充型能力得到了提高。4）便于铸造双金属件。如钢套镶铜轴承等，其结合面牢固，可节约贵重金属，降低成本。

目前离心铸造主要用于生产回转体的中空铸件，如铸铁管、气缸套、双金属轴承、钢套、特殊钢的无缝管坯、造纸机滚筒等。第六节特种铸造习

题1.试述铸造生产的特点，并举例说明其应用情况。2.型砂由哪些材料组成？试述型砂的主要性能及其对铸件质量的影响。3.试分析比较整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型和刮板造型的特点和应用情况。4.试结合一个实际零件用示意图说明其手工造型方法和过程。5.典型浇注系统由哪几个部分组成？各部分有何作用？6.铸铁通常是在什么炉中熔炼的？所用炉料包括哪些？7.什么是合金的铸造性能？试比较铸铁和铸钢的铸造性能。8.什么是合金的流动性？合金流动性对铸造生产有何影响？9.铸件为什么会产生缩孔、缩松？如何防止或减少它们的危害？10.什么是铸造应力？铸造应力对铸件质量有何影响？如何减小和防止这种应力？11.砂型铸造时铸型中为何要有分型面？举例说明选择分型面应遵循的原则。13.试确定下图中灰铸铁零件的浇注位置和分型面，绘出其铸造工艺图(批量生产、手工造型，浇、冒口设计略)。题13图（a）轴承盖

（b）支座

（c）支架

（d）轴承座14.为什么要规定铸件的最小壁厚？灰铸铁件的壁过薄或过厚会出现哪些问题？15.为什么铸件壁的连接要采用圆角和逐步过渡的结构？16.试述铸造工艺对铸件结构的要求。17.熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造各有何特点？应用范围如何？18.下列铸件在大批量生产时，采用什么铸造方法为宜？铝活塞

汽轮机叶片

大模数齿轮滚刀

车床床身

发动机缸体大口径铸铁管

汽车化油器

钢套

镶铜轴承谢谢！第10章锻压成型什么是锻压?锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变形状、尺寸及改善性能，用以制造机械零件、毛坯或原材料的成型加工方法。锻压的基本生产方式轧制

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。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）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。4）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。

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变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。

压力加工基本方式示意图锻压加工的特点

(1)改善金属组织、提高力学性能

锻压的同时可消除铸造缺陷，均匀成分，使组织致密，并细化晶粒。

可以形成并能控制金属的纤维组织方向，使其沿零件轮廓连续分布，从而提高零件的力学性能。(2)节约金属材料

比如在热轧钻头、齿轮、齿圈及冷轧丝杠时，其形状及尺寸精度和表面粗糙度已接近或达到成品零件的要求，节省了切削加工设备和材料的消耗。工时，能源等。锻压加工的特点

(3)较高的生产率比如在生产六角螺钉时采用模锻成形就比切削加工效率约高50倍。(4)锻压主要生产承受重载荷零件的毛坯，如机器中的主轴、齿轮等，但不能获得形状复杂的毛坯或零件。锻压加工的特点

锻造是对金属坯料施加外力（冲击力或静压力）的作用使之产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及性能的毛坯的制造方法。一、影响锻造性能的主要因素1．金属内在因素的影响（1）化学成分不同材料具有不同的塑性和变形抗力。纯金属的锻造性能比其合金好。碳素钢随碳含量增加，锻造性能变差。合金钢中合金元素种类和含量越多，锻造性能越差，特别是加入能提高高温强度的元素（如钨、钼、钒、钛等）后，锻造性能更差。（2）组织结构纯金属与固溶体具有良好的可锻性，尤其是奥氏体，其塑性好，变形抗力小，锻造性能好，所以钢材大多加热至奥氏体状态进行锻造加工；化合物（如渗碳体等）因其高硬度和低塑性，锻造性能很差。另外，金属中晶粒越细小，越均匀，其塑性越高，可锻性越好。铸态组织中晶粒细小而均匀的组织的锻造性能比柱状组织及粗晶粒组织好。一、影响锻造性能的主要因素2．外部变形条件的影响（1）变形温度在不产生过热的条件下，金属的变形温度升高，可锻性变好。（2）变形速度变形速度即单位时间内的变形量，随着变形速度的提高，金属的冷变形强化现象不能通过回复和再结晶及时克服，使塑性下降，变形抗力增加，锻造性能变差。（3）应力状态个方向中压应力数目愈多，可锻性愈好；拉应力数目愈多，可锻性愈差。二、锻造流线和锻造比1.锻造流线锻造流线（也称流纹）是指在锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布，而塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，沿着流线方向（纵向）抗拉强度较高，而垂直于流线方向(横向)抗拉强度较低。二、锻造流线和锻造比当锻造比Y=2时，原始铸态组织中的疏松、气孔被压合，组织得到细化，工件在各个方向的力学性能均有显著提高；当Y=2～5时，工件组织中的流线明显，呈各向异性；当Y>5时，工件在沿流线方向的力学性能不再提高，而垂直于流线方向的力学性能急剧下降。一、锻造加热1.锻造加热的目的金属材料通过加热，随着温度的升高，材料的塑性提高，强度降低，并能使材料内部组织均匀化。因此，金属材料在高温下锻造，可以提高材料的塑性变形量，降低变形抗力。2.锻造温度范围

锻造温度范围是指金属开始锻造的温度（始锻温度）至终止锻造的温度（终锻温度）间的温度间隔。3.锻造加热缺陷及防止措施（1）氧化对于一般的火焰炉，减少坯料氧化的措施是在保证加热质量的前提下，应尽量采用快速加热，缩短加热时间，尤其是高温阶段的时间；尽量采用少装料、勤装料的操作方法；在燃料完全燃烧的情况下，严格控制送风量，以免炉内氧气过剩，产生过多的氧化皮；或采用中性、还原性气氛加热等。一、锻造加热3.锻造加热缺陷及防止措施（2）脱碳减少坯料脱碳的措施是加热前在坯料的表面涂保护涂料；控制炉内气氛中氧和氢的含量；采用快速加热，缩短高温阶段的加热时间，加热好的坯料尽快出炉锻造等。（3）过热

对过热所造成的粗晶粒组织，可用再次锻造或正火等热处理方法消除，但会增加工序、降低生产效率并提高成本。故在锻造时要严格控制加热温度和时间，防止出现过热现象。一、锻造加热3.锻造加热缺陷及防止措施（4）过烧

避免坯料过烧的方法是严格控制锻造加热温度。一般钢材的加热温度必须低于其熔点100℃以上，合金钢的加热温度还应更低一些。（5）裂纹为防止裂纹产生，对于大型锻件或导热性能较差的金属材料，要防止坯料入炉温度过高和加热速度过快，一般应采取预热措施。一、锻造加热

1.自由锻成型将加热的金属坯料置于锻锤或压力机的下砧铁上，对其进行锤击或静压使之产生塑性变形获得所需锻件的制造方法。自由锻特点及应用

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。二、锻造成型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。

基本工序

⑴镦粗

镦粗是减小坯料高度而增大其横截面积的工序。有完全镦粗和局部镦粗之分。镦粗常用来锻造齿轮坯、凸轮、圆盘形锻件。基本工序

⑵拔长拔长是使坯料的横截面积减小，长度增加的工序。拔长时，坯料沿轴向送进，且进行翻转，连续锻打成形。拔长的类型有整体拔长、局部拔长、带芯轴的拔长。

拔长常用于轴类、拉杆、连杆等杆类锻件的锻造。是自由锻造生产应用最多的一种工序。基本工序

⑵拔长圆截面坯料拔长成直径较小的锻件时，须先将坯料打成方形截面再拔长，直到接近锻件的直径时，再锻成八角形，最后滚打成圆形。如图所示。基本工序

⑶冲孔冲孔是利用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。当冲孔直径小于400～500㎜时，一般采用实心冲子冲孔；当锻件高度H与外径D之比小于0.125时（薄饼形锻件），采用垫环上冲孔（又称漏孔），所用垫环孔径应比冲子直径大10～15㎜；当冲孔直径大于400～500㎜时，一般采用空心冲子冲孔，所用漏盘孔径应比空心冲子外径大30～50㎜。基本工序

⑶冲孔双面冲孔时，先将冲子冲深至坯料厚度的2/3～3/4处，取出冲子，翻转工件后，再将孔冲透；较薄工件的单面冲孔时，应将冲子大头朝下，对正冲出透孔。

基本工序

⑷切割切割是分离坯料的工序。常用于料头的切除，或用于钢锭冒口的切除。切割分单面切割、双面切割、四面切割等。基本工序

⑷切割

圆形截面坯料的切割是用了带凹槽的剁垫（置于下砧铁上），边切割边旋转坯料，直至切断。基本工序

⑸弯曲弯曲是将坯料的形状弯成所规定的外形的工序。弯曲常用于角尺、弯板、吊钩、链环等锻件的锻造。基本工序

⑹扭转扭转是使坯料的一部分相对另一部分绕着轴心线旋转一定角度的工序。扭转用于锻造曲轴或校正锻件。对小型坯料的扭转角度不大时，可用大锤打击进行扭转，见图；对大型坯料扭转时，采用吊车吊动带有活动长柄的夹叉进行扭转。基本工序

⑺错移错移是将坯料的一部分相对于另一部分平移一定距离而错移开的工序。主要用于曲轴类锻件的锻造。其操作过程见图。基本工序

⑻扩孔扩孔是将带孔锻件的孔径扩大的工序。有冲子扩孔：预先在坯料上冲出较小孔，然后用直径较大的冲子逐步将孔径扩大到所需尺寸，见图；马杠扩孔（或叫芯棒扩孔），此法用于扩孔量大的薄壁环形锻件的锻造

。

基本工序

⑻自由锻的辅助和修整工序

2.模锻是在高强度金属锻模上预先制出于锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形，由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。模锻与自由锻相比，具有以下特点：⑴生产率高、易于机械化，可成批大量生产；⑵锻件尺寸精度高、表面粗糙度值小，可以减少机械加工余量和余块的数量，节省金属材料和加工工时。

分类：

按设备类型模锻可分为锤上模锻、胎模锻、压力机上模锻等。（1）锤上模锻

使用的主要设备是蒸汽—空气模锻锤。由于模锻锤受力大，所以要求设备的刚性好，导向精度高，因此砧座与机架连成一个整体，形成封闭结构；锤头与导轨之间的配合间隙小，锤头运动精确，能保证工作时锻模的上、下模合模准确。模锻锤吨位是锻锤落下部分的质量，为1～16t，锻件质量0.5～150㎏。

形状简单的锻件可在单模膛内锻造成形，称单模膛模锻，见图；复杂的锻件，必须在几个模膛内锻造后才能成形，称多模膛模锻，见图。（1）锤上模锻单模膛锻造单模膛锻模

锻模由上、下模组成。上模和下模分别安装在锤头下端和模座上的燕尾槽内，用楔铁紧固。上、下模合在一起，形成完整的模膛。根据模膛功用不同，分为模锻模膛和制坯模膛。（1）锤上模锻模锻模膛模锻模膛又可分为预锻模膛和终锻模膛。

⑴预锻模膛为了改善终锻时金属的流动条件，避免产生充填不满和折迭，使锻坯最终成形前获得接近终锻形状的模膛，它可提高终锻模膛的寿命。其结构比终锻模膛高度大、宽度小、无飞边槽，模锻斜度和圆角大。⑵终锻模膛模锻时最后成形用的模膛，与热锻件图上相应部分的形状、尺寸一致。模膛周围设飞边槽，通孔锻件需留冲孔连皮。（1）锤上模锻⒉制坯模膛用以初步改变毛坯形状、合理分配金属，以适应锻件横截面积和形状的要求，使金属能更好地充满模锻模膛的工序称为制坯工序。制坯模膛⑴拔长模膛作用是减少坯料某部分的横截面面积，增加该部分的长度，当模锻件沿轴向各横截面积相差较大时，采用拔长模膛。⑵滚压模膛其作用是减小坯料某部分横截面积，增大另一部分的横截面积。当模锻件沿轴线的各横截面面积相差不很大时或作修整拔长后的毛坯时，采用滚压模膛。⑶弯曲模膛其作用是弯曲杆类模锻件的坯料⑷切断模膛其作用是切断金属。单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口，多件锻造时，用它来分离成单个件。

胎模锻是介于自由锻与模锻之间的锻造方法。

胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。所用模具称为胎膜。

胎模锻一般先用自由锻制坯，再在胎膜中最后成形。

与自由锻相比，胎模锻生产率和锻件尺寸精度高、表面粗糙度值小、节省金属材料、锻件成本低。

与模锻相比，胎模制造简单，成本低，使用方便；但所需锻锤规格和操作者劳动强度大，生产率和锻件尺寸精度不如锤上模锻高。胎模锻

胎模的结构及应用

胎膜不固定在锤头和砧座上，需要时放在下砧铁上。按其结构可大致分为扣模、合模和套筒模三种主要类型。

⑴扣模

用来对坯料进行全部或局部扣形，主要生产杆状非回转体锻件⑵套筒模

锻模成套筒形，主要用于锻造齿轮、法兰盘等回转体锻件⑵套筒模胎模的结构及应用⑶合模

通常由上模和下模两部分组成。为了使上下模吻合及不使锻件产生错移，经常用导柱等定位。合模多用于生产形状较复杂的非回转体锻件，如连杆、叉形件等锻件。

胎模锻适合小型锻件的中、小批量的锻造生产。

工艺规程是指导生产的基本技术文件。编制自由锻工艺规程应遵循设计自由锻零件时，必须考虑锻造工艺是否方便、经济和可能；零件的形状应尽量简单和规则。（零件的结构不合理，将使锻造操作困难，降低生产率和造成金属的浪费）自由锻的工艺规程主要有以下内容绘制锻件图坯料质量和尺寸的计算选择锻造工序

选择锻造设备选择坯料加热、锻件冷却和热处理方法⒈绘制锻件图

锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了工艺余块、加工余量、锻造公差等之后绘制的图。模锻件的锻件图还应考虑分模面的选择、模锻斜度和圆角半径等。

锻件图的绘制方法如下：

1）锻件的形状用粗实线，同时用假想线（双点划线）描绘出零件的形状。2）锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面或侧面。

3）绘制锻件图应考虑工艺余块、加工余量、锻件公差等因素。⑴