汽车机械基础：汽车金属制造工艺

【任务描述】

汽车上很多零部件都是通过铸造、焊接、锻压等工艺成型的，这三种也是金属材料成型的主要方法。进一步了解和学习铸造、焊接、锻压的特点和工艺过程，对我们提高汽车的技术性能和使用寿命有着重要的作用。【知识准备】

一、铸造1.铸造基础

铸造是熔炼金属，制造铸型，并将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状和性能的毛坯或零件的成形方法。铸件表面比较粗糙，尺寸精度不高，一般作为毛坯，需经切削加工方能制成零件。少数精密铸件也可直接使用，例如用特种铸造的方法生产的某些零件。

项目三汽车金属制造工艺

任务一金属材料的铸造与焊接铸造生产具有以下特点：1）铸造可以制成形状复杂，特别是内腔形状复杂的零件毛坯。如汽车发动机的缸体、缸盖、变速箱壳体、进排气支管、驱动桥壳体、机床车身等（见图3-1-1）。

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（a）发动机缸体、缸盖(b)

变速箱壳体(c)进排气支管图3-1-1常见汽车铸件2）铸件的质量大小范围很宽铸件的质量轻则几克，重则数百吨；壁厚可以从0.5mm到几百毫米。

任务一金属材料的铸造与焊接项目三汽车金属制造工艺3）铸造材料应用广泛常用的金属材料都可用于铸造，对于那些塑性很差的合金（生铁、青铜、铸铝合金等），铸造是制造零件毛坯的唯一发法。4）铸造成本低铸造一般都不需要昂贵的设备；铸造毛坯的形状和尺寸接近于零件，节约金属，减少切削加工量；铸造材料来源广泛，可以回收报废几件、废钢和切屑等。

5）铸造生产工艺复杂，生产周期长，铸件力学性能较差，劳动强度大，且易造成对环境的污染，铸造的缺陷较多，质量难以控制，废品较多。2.合金的铸造性能金属或合金的铸造性能主要指金属或合金的流动性和收缩性。这些性能对于是否容易获得优质铸件是至关重要的。1）金属或合金的流动性

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2）铸件的凝固与收缩

①液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。

②凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。

③固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因3．砂型铸造砂型铸造是指用型砂紧实成形的铸造方法。其生产过程主要由配砂、造型、制芯、合箱、熔炼、浇注和清理和检验。例如，套筒铸件的生产过程如图3-1-2所示。

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项目三汽车金属制造工艺图3-1-2套筒铸件的生产过程砂型铸造6检验1造芯2合箱3浇注5清理4落砂

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项目三汽车金属制造工艺4.特种铸造与砂型铸造不同的其他铸造方法称为特种铸造。常用的特种铸造方法如下：1）熔模铸造图3-1-4熔模铸造工艺过程

任务一金属材料的铸造与焊接项目三汽车金属制造工艺2）金属型铸造3）压力铸造4）离心铸造图3-1-5离心铸造示意图

项目三汽车金属制造工艺二、焊接焊接是通过加热或加压，或者两者并用，使两个分离的金属达到原于结合，连接成一个整体的加工方法。焊接是一种不可拆连接，它不仅可以连接各种同类的金属，也可以连接各种不同类金屈。焊接的方法很多，按焊接的结合特点可分为熔焊、压焊和钎焊三大类。1）熔焊熔焊是指焊接过程中将工件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。其是最基本的焊接方法，在焊接生产中占主导地位，常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊等。2）压力焊压焊是指焊接过程中对工件施加压力（加热或不加热）完成焊接的方法。压焊只适用于塑性较好的金属材料的焊接，常见的压焊方法有电阻焊、摩擦焊等。任务一金属材料的铸造与焊接

项目三汽车常用工程材料

任务一金属材料的铸造与焊接3）钎焊钎焊是将比母材（被焊接的材料的总称）熔点低的填充金属（钎料）熔化之后填充工件接头间隙，并与固态母材相互扩散实现连接的焊接方法。1.手工电弧焊手工电弧焊是电弧焊中的一种。手工电弧焊是利用电弧放电时产生的热量(温度高达3600℃)来熔化母材金属和焊条，从而获得牢固接头的焊接过程。手工电弧焊设备简单，使用灵活、方便，适用于任意空间位置的焊接；但生产率低，劳动强度大，焊接质量决定于焊工的技术水平。

图3-1-6手工电弧焊

（a）交流电焊机（b）直流电焊机

图3-1-7电焊机

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图3-1-8电焊条2）手工电弧常用设备与工具①电弧焊机图3-1-7电焊机②常用工具除了弧焊机外，手工电弧焊还常用到电焊钳、面罩、手锤、焊条保温筒、、钢丝刷、皮手套、皮足盖、绝缘胶鞋等防护用具③焊条图3-1-8电焊条

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3）手工电弧焊的基本操作手工电弧焊的焊接步骤一般包括引弧、运条、接头、收尾和焊后清理等几个环节。图3-1-9常用的运条方法4）焊接工艺焊接的基本接头形式有对接、搭接、角接和T形接四种.

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(a)对接(b)搭接(c)角接(d)T形接图3-1-10常见焊接接头形式图3-1-11对接接头坡口形式

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图3-1-12焊缝的空间位置焊条直径焊条直径主要根据焊件厚度来选择。焊接厚板时应选较粗的焊条。表3-1-1为平焊时焊条直径与焊件厚度的关系。表3-1-1焊条直径与焊件厚度的关系

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图3-1-13气焊气割装置图

2.气焊与气割利用可燃气体与助燃气体混合物燃烧所释放出的热量来熔化焊件和焊丝的一种焊接方法称为气焊。气割是使气体火焰的热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割气流，使其燃烧并放出热量实现切割的方法，其加热的原理与气割相同气焊与气割使用的可燃气体目前大多是乙炔气，助燃气体是氧气。它的设备与工具主要有氧气瓶、乙炔瓶、减压器、焊炬、割炬等，

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3.汽车常用其它焊接方法1）二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是以二氧化碳作为保护气体的一种电弧焊方法。它通过焊件和焊丝作电极，产生焊接电弧，并通入已干燥和预热的二氧化碳气体对焊接区进行保护而焊接的。

图3-1-14二氧化碳气体保护焊图3-1-15氩弧焊过程原理图

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2）氩弧焊氩弧焊是以氩气作为保护气体的电弧焊方法。氩气是惰性气体，它与焊缝金属既不发生化学反应，又不溶于液态金属，且密度比空气大，可有效地保护熔池。焊缝无渣壳，表面光洁，焊接质量稳定可靠。因氩气是单元子气体，且导热系数小，高温时不分解吸热，电弧热量损失小，所以氩弧一旦引燃，电弧就很稳定。由于氩弧焊是明弧焊接，便于观察熔池，进行控制，可进行各种位置的焊接，且易于实现自动控制。但氩气价格贵，焊接成本高。氩弧焊主要分为不熔化极氩弧焊、熔化极氩弧焊，3）电阻焊电阻焊又称接触焊，是电流通过焊件接头处的接触面及其临近区域产生的电阻热，将焊件加热到塑性状态或局部熔化状态，同时施加机械压力进行焊接的一种加工方法。这种焊接方法是电阻热起着最主要的作用，故称电阻焊。又因在焊接过程中两工件间的接触起着重要作用，故又称接触焊。

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4.常用金属材料的焊接电阻焊的主要特点是：①低电压（1～12V），大电流（几千至几万安培），完成一个焊接接头的时间极短（0.01秒至几秒），所以生产率很高。②加热时，对接头施加机械压力，接头在压力的作用下焊合。③焊接时，不需要填充金属和焊药。1）铸铁2）碳钢3）铝及铝合金4）铜及铜合金

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5.常见的焊接缺陷在焊接过程中，由于结构设计不合理、材料不符合要求，焊前准备工作不仔细，焊接工艺或操作不当等因素，焊接接头会产生不符合设计或工艺要求的缺陷，主要有气孔、夹渣、裂纹、未焊透、焊瘤、咬边等，（a）气孔（b）夹渣c）裂纹（d）未焊透图3-1-16常见焊接缺陷

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任务一金属材料的铸造与焊接

（e）焊瘤（f）咬边图3-1-16常见焊接缺陷6.焊接应力与变形1）焊接应力（a）加热状态下的应力（b）冷却状态下的应力图3-1-17平板对焊时的应力

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任务一金属材料的铸造与焊接

2）焊接变形的形式

焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。当焊接应力超过该材料相应温度的屈服应力时，焊件将产生变形；超过材料的断裂应力时，焊件将会产生裂纹甚至断裂。焊接变形的基本形式有角变形、弯曲变形、波浪变形、收缩变形、扭曲变形、错边变形等，见图3-1-18。图3-1-18焊接变形

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平板对接焊

角焊图3-1-19反变形法3）减少焊接变形的措施①反变形法（见图3-1-19）②锤击焊缝法④选择合理的焊接工艺③刚性夹持法

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任务二金属材料的压力加工

【知识准备】金属压力加工是在外力的作用下，使金属坯料产生塑性变形来获得满足形状、尺寸和力学性能要求的零件或毛坯的加工方法。压力加工在现代工业中占有非常重要的地位，被广泛地应用于工业生产的各个领域，例如，各种原材料、运输车辆与交通工具、电气设备等。金属压力加工具有以下工艺特点：1)制件组织致密、力学性能高压力加工能使原始铸态组织的晶粒细化，使内部缺陷(如缩松、气孔、微小裂纹等)被压合，从而组织变的致密，提高了力学性能。2)具有较高的生产率。3)精密压力加工能实现少或无切削加工，节省金属材料。4)与铸造和焊接相比，金属压力加工设备复杂且难以生产形状复杂的零件。

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任务二金属材料的压力加工

自由锻造是用冲击力或压力使金属材料在上下两个砧块之间产生塑性变形，以获得所需形状和尺寸锻件的工艺方法。金属坯料在抵铁间受力变形时，除打击方向外，朝其他方向的流动基本不受限制，锻件形状和尺寸由锻工的操作技术来保证。

一、锻造锻造是汽车零件的生产制造中不可缺少的重要加工方法之一，例如汽车发动机所使用的曲轴、连杆、凸轮轴、前桥所需的前梁、转向节、后桥使用的半轴、半轴套管、桥箱内的传动齿轮等（如图3-2-1所示）。(a)转向节(b)半轴套管(c)连杆(d)转向节臂图3-2-1汽车常用锻件1．自由锻造

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任务二金属材料的压力加工图3-2-2空气锤1）镦粗镦粗是使毛坯高度减小、而横截面增大的锻造工艺方法。这种工序常用于锻造齿轮坯和其他圆盘形类锻件。镦粗主要有以下三种形式(见图3-2-3)：①完全镦粗。②端部镦粗。③中间镦粗。（a）完全墩粗(b)一端墩粗(c)中间墩粗图3-2-3墩粗

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任务二金属材料的压力加工

2）拔长拔长是使坯料的长度增加，截面减小的锻造工序（图3-2-4），通常用来生产轴类件毛坯，如车床主轴、连杆等。(a)平砧上拔长

(b)在芯轴上拔长图3-2-4拔长3）冲孔

3）冲孔冲孔是指在毛坯上冲出透孔或不透孔的锻造工艺方法

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任务二金属材料的压力加工

图3-2-5单面冲孔图3-2-6双面冲孔4)弯曲弯曲是将毛坯弯成所规定外形的锻造工艺方法（图3-2-7）。(a)角度弯曲(b)角度弯曲(c)成形弯曲图3-2-7弯曲

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任务二金属材料的压力加工

图3-2-8切割

5)切割切割是将毛坯分割成几部分或切除余料的锻造工艺方法（图3-2-8）。

(a)方料的切割(b)圆料的切割6)错移将毛坯的一部分相对于另一部分平移错开的锻造工艺方法（图3-2-9）。使毛坯的一部分相对于另一部分绕其轴线转动一定角度的锻造工艺方法（图3-2-10）。7)扭转

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。图3-2-9错移

图3-2-10扭转图3-2-11锻接8)锻接

是将坯料在炉内加热至高温后，用锤快击，使两者在固态结合的锻造工序。锻接的方法有搭接、对接、咬接等（如图3-2-11所示）。锻接后的接缝强度可达被连接材料强度的70%～80%。2.自由锻锻件的分类及锻造工序自由锻锻件的分类及锻造基本工序

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3.模型锻造模型锻造是指利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法，简称模锻。由于锻件的形成是在一定形状与尺寸的模腔内进行的，因此它有以下特点：1)生产率比自由锻造高3～4倍。

2)锻件尺寸精度高，表面光洁，公差和余量小，节省材料及切割加工费用。

3)可以生产形状比较复杂的锻件。如汽车的前桥、转向节、发动机的曲轴、连杆等。

4)制模费用与成本费用高，故不宜采用单件和小批量生产。图3-2-12锤上模锻用的锻模结构

图3-2-13胎膜结构

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任务二金属材料的压力加工

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二、板料冲压板料冲压是用冲模使板料分离或变形的一种加工方法，又称冷冲压。当板料厚度大于8mm时，应采用热冲压。冲压生产中常用的设备是剪床和冲床。①板材冲压生产主要是依靠冲模和冲压设备完成加工，工艺过程便于实现机械化和自动化，生产率很高，操作简便，故零件成本低。②可以冲压出形状复杂的零件，一般不需再进行切削加工，且废料较少，因而节省原材料和能源消耗。③板材冲压常用的原材料有低碳钢以及塑性高的合金钢和有色金属，多是表面质量好的板料、条料或带料，产品重量轻、材料消耗少、强度高、刚性好。④冲压件的尺寸公差主要由冲模来保证，因此产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，尺寸稳定，互换性好。但冲模制造复杂、成本高，只有在大批量生产条件下，其优越性才显得突出板材冲压成形具有下列特点：

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图3-2-14汽车车身零件分解图1.分离工序（冲裁）冲裁是利用冲模从板料上分离出所需形状和尺寸的零件或毛坯的冲压方法。利用冲模的刃口使板料沿一定的轮廓线产生剪切变形并分离。冲裁在冲压生产中所占的比例最大。在冲裁过程中，除剪切轮廓线附近的金属外，板料本身并不产生塑性变形，所以由平板冲裁加工的零件仍然是一平面形状。

2.变形工序

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任务二金属材料的压力加工

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冲裁的主要工序有剪切、落料、冲孔和修整等。图3-2-15落料与冲孔2.变形工序1）弯曲是将板材、型材或管材在弯矩作用下弯成一定角度的工序。2）拉深是利用模具将平板毛坯变成开口空心零件的冲压加工方法。3）胀形主要用于平板毛坯的局部成形（或叫起伏成型），如压制凹坑，加强筋，起伏形的花纹及标记等，工艺

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任务二金属材料的压力加工

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图3-2-18胀形图3-2-19内孔翻边4）翻边是在带孔的平坯料上用扩孔的方法使板料沿一定的曲率翻成直立边缘的冲压成形方法图3-2-18胀形图3-2-19内孔翻边

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任务三切削加工

【知识准备】金属切削加工是利用切削刀具与工件的相对运动，从工件上切除多余材料的加工方法。切削加工是汽车制造过程中的一种重要的工艺方法，各种汽车零部件特别是进行运动和传递功率的零部件，如汽车发动机、变速器、车桥等部件中大量的各种轴、齿轮、箱体等零件都需要进行切削加工。通过车削、铣削、钻削、铰削、拉削、磨削和螺纹切削等各种切削工艺和方法，才能达到所需要的精确的表面形状、尺寸精度、位置精度和表面粗糙度等各种要求。一、金属切削加工基础知识1．切削运动为了进行切削加工以获得工件所需的各种形状，并达到要求的加工精度和表面粗糙度，刀具和工件必须完成一系列运动。按切削时工件和刀具相对运动所起的作用不同可分为主运动和进给运动。2.切削要素1）切削加工表面

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任务三切削加工

①待加工表面是有待被切除金属的表面②加工表面是工件正在被切削的表面(过渡表面)。③已加工表面是工件上切去一层金属后，所形成的新的表面图3-3-1切削运动

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任务三切削加工

①切削速度v。

2)切削用量图3-3-2车削时的车削要素②进给量f。③切削深度。3.切削刀具材料与几何形状1）刀具材料应具备的性能①高的硬度②高的耐磨件③足够的强度和塑性④高的红硬性

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任务三切削加工

2）常用的刀具材料①碳素工具钢②低合金工具钢③高速钢④硬质合金3）刀具的几何形状①前刀面刀具上切屑流过的表面。②主后刀面切削刀具上与工件加工表面相对的表面。③副后刀面切削刀具上与工件已加工表面相对的表面。④主切削刃前刀面与主后刀面的交线，起主要的切削作用。⑤副切削刃前刀面与副后刀面的交线，起辅助切削作用。⑥刀尖主切削刃与副切削刃的交点，为提高刀尖刚度及耐磨性，刀尖可磨成圆弧，形成过渡刀刃图3-3-3车刀的组成

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任务三切削加工

6.切削过程

4.切削液切削液主要用来减少摩擦和降低切削温度。合理使用切削液，对提高刀具耐用度和保证表面加工质量有着重要意义。金属切削过程是指刀具从工件毛坯上切去多余金属形成切屑的过程。图3-3-4切屑的种类

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任务三切削加工

（1）金属被切削时，刀具切人工件，被加工材料发生变形，最后成为切屑所需要的力称切削力。（2）在切削过程中，切削力使切屑变形、刀具与工件以及刀具与切屑之间的摩擦共同产生了大量的切削热，这些切削热实质上是由切削功转变来的。（3）在一定的温度和压力下切削塑性材料时，切屑沿刀具的前面流出的阻力很大，流速降低。当金属与前面的摩擦阻力超过切屑本身分子间的结合力时，切屑底层金属被阻滞并粘附在刀尖上，长出一个“瘤”状的金属块，这就是积屑瘤（图3-3-5），俗称“冷焊”。图3-3-5积屑瘤二、常用金属切削加工方法切削加工方法有车削、钻削、镗削、刨削、插削、拉削、铣削和磨削等，下面介绍几种最常用的加工方法。

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任务三切削加工

车削是机械加工中的基本工种，它的技术性很强，主要用车床加工回转表面，所用刀具是车刀，还可用钻头、铰刀、丝锥、滚花刀等刀具。车工是机械加工中的基本工种，它的技术性很强，主要用车床加工回转表面，所用刀具是车刀，还可用钻头、铰刀、丝锥、滚花刀等刀具。图3-3-6C6132卧式车床

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任务三切削加工

a)车端面b)车外圆柱面c)车外锥面d)车沟槽、切断e)镗孔f)切内槽g)钻中心孔h)钻孔i)铰孔j)锪锥孔k)车外螺纹l)车内螺纹m)丝锥攻螺纹n)车成形面o)滚花图图3-3-7车床加工应用示例

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2．钻削钻削是在钻床上用钻头在工件加工孔的方法。(a)台式钻床(b)立式钻床(c)摇臂钻床图3-3-8钻床（2）利用钻床(也可以用车床、镗床和铣床)在实体材料上用钻头加工出孔的方法称为钻孔。

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图3-3-9钻床加工应用示例图3-3-10麻花钻切削部分的结构

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（5）利用铰刀在孔(一般为扩孔后的孔)壁上切除微小余量，用来提高加工精度和降低表面粗糙度的方法称铰孔。