设计材料与工艺课程 课件 2-3 金属成型

金属与金属成形MetalandMetalForming主讲人：吴讯、周海海DepartmentofIndustrialDesigninNUAA南京航空航天大学工业设计系PreparedbyXunwu，HaihaiZhou010203金属的分类2.1黑色金属2.2有色金属2.3合金金属

金属成形3.1液态成形3.2塑性成形3.3

固态成形金属与金属成形目录金属材料概述1.1金属材料的定义1.2金属材料应用简史1.3金属的性能0506金属连接—焊接5.1金属焊接加工原理及特点5.2金属焊接加工方法分类5.3焊接结构材料的选择

5.4焊接结构工艺性金属的表面处理与装饰技术6.1金属材料的表面前处理6.2金属材料的表面装饰技术金属与金属成形目录金属切削4.1板材切削

4.2有屑切削4.3无屑切削

4.4火焰/激光切削0403金属成形metalforming二/

金属成形03金属的成形方式主要有：（1）液态成形（2）塑性成形（3）固态成形液体态状成型又称铸造，金属受热熔化并浇铸到铸型中。该工艺是一种获得所需要的金属工件的有效方法。塑性状态成型又称锻造，棒料和预成形的零件被加热到接近熔点温度，使得它们容易变形。各种锻造工艺通常劳动强度较大，但这一工艺的优点是提高了零件的强度。固体状体成型，在固体状态下，通常局限于板料、棒料和管材，并通常在室温下进行。这些工艺通常劳动强度较大，但计算机控制加工和板料加工方面的新发展已经大大减少了时间和成本。二/

金属成形03液态成形(铸造)是最早的制造工艺之一。对于加工一个复杂物体这常常是一种最经济的方法，为减少后续加工为目的，应按照要求的厚度浇铸金属。三个相关的概念铸型模型型腔3.1液态金属成形型腔示意图二/

金属成形033.1液态金属成形二/

金属成形03铸造设计原则

1、铸件需要有拔模斜度，分模面应该简单，不能过于复杂，同时不能位于拐角或边缘处。

2、设计要保持铸件壁厚是均匀的或是均匀变化的，厚度的突变将改变冷却速率并会导致翘曲变形、热裂和收缩；同时，要考虑提供补偿量。

3、铸件设计要避免有尖角和棱的出现，采用过渡曲线和圆角以确保金属液的均匀流动。要避免有较大的平面，因为较大的平面趋向于产生翘曲变形并且常常导致表面缺陷。3.1液态金属成形二/

金属成形033.1.1一次铸型（损耗型铸模）砂型铸造是把潮湿的砂子压实在有木模样或金属两半模的砂箱中。所装配的铸型可以带型芯或无型芯，熔化金属浇铸到最终形成的型腔中，取出零件时铸型即被破坏。干砂型主要用于大型、重型铸件中，它比湿砂型更坚固。真空模塑又称为V法造型，是新发展的一种革新工艺，适用于大型铸件，该工艺借助真空吸力将加热的塑料薄膜吸附在铸型上。树脂砂壳型由细砂混合热固塑料制成，将这种混合物被吹附在金属模型上，制成一个薄壳。所装配铸型可以是带型芯或无型芯，熔化金属浇铸在最终形成的型腔中，取出零件时铸型即被破坏。3.1液态金属成形二/

金属成形033.1.1一次铸型（损耗型铸模）3.1液态金属成形真空模塑的砂型砂型的重力填充二/

金属成形033.1.1一次铸型（损耗型铸模）3.1液态金属成形自动化的铸型制造砂型铸造的钢铸件二/

金属成形033.1.1一次铸型（损耗型铸模）3.1液态金属成形自动化的铸型制造砂型铸造的钢铸件二/

金属成形033.1.2实型铸造（消失模铸造）陶瓷壳型铸造一种改良的新工艺，用一层薄的陶瓷涂在泡沫塑料的模样上，用干砂做背衬，有使用真空来压实砂粒形成一个坚固的铸型；或者是在浇铸金属之前，先加热消除模样，消除所产生的杂质气体。3.1液态金属成形二/

金属成形033.1.2实型铸造（消失模铸造）熔模铸造又称失蜡铸造．精密铸造或整体型铸造，其铸型是由70%—80%的石膏和20%～30%的加强纤维制成的。工艺步骤A用蜡制作所要铸造零件的模型；B附加横浇道和浇口并把蜡模焊在浇注系统上(制成蜡模组)；C在熔模组表面浸涂上涂层料,模组留有直浇道和浇口杯；D当上涂层料固定后，熔模组被翻转、培烧，熔化的蜡从铸型中排出，留下一个空腔。3.1液态金属成形二/

金属成形033.1.2实型铸造（消失模铸造）熔模铸造又称失蜡铸造．精密铸造或整体型铸造，其铸型是由70%—80%的石膏和20%～30%的加强纤维制成的。工艺步骤A用蜡制作所要铸造零件的模型；B附加横浇道和浇口并把蜡模焊在浇注系统上(制成蜡模组)；C在熔模组表面浸涂上涂层料,模组留有直浇道和浇口杯；D当上涂层料固定后，熔模组被翻转、培烧，熔化的蜡从铸型中排出，留下一个空腔。3.1液态金属成形熔模制造的铝铸件二/

金属成形033.1液态金属成形二/

金属成形033.1.3永久铸型石墨型铸造石墨型是用石墨加工的整体型，它是难熔材料并且不像金属型那样需要陶瓷涂料。使用的金属通常是锌合金，铸件的重量从28.35g-4.54kg。3.1液态金属成形用石墨型铸造的零件二/

金属成形033.1.3永久铸型金属型铸造金属型通常是用铁铸成或是用各种不同的金属机加工制成的。型芯可以是金属的、砂子的或是砂壳的，铸件材料限于铝、锌、某些黄铜、青铜或铅。铸型在型腔填充之前通常要涂一层陶瓷涂料。3.1液态金属成形金属型铸造中铝的重力填充二/

金属成形033.1.3永久铸型低压铸造在低压铸造中，金属液2—7kg的空气压力下，从加热坩埚中通过升液管被压入铸型，填充底部时消除了典型重力填充铸造时所产生的湍流现象。铸件凝固后，减小压力，使剩余金属流回到坩埚里。低压铸造的优点包括密度增加，晶粒组织均匀，这样确保了铸件质量的稳定性和良好的公差。3.1液态金属成形低压铸造工艺示意图叶轮低压金属型铸造二/

金属成形033.1.3永久铸型压力铸造压力铸型(模具)是用P形工具钢加工的。熔化的铝、镁或锌合金在高压下被注入水冷模中然后开模，顶出零件。通常由剪切模去除飞边，并精整。压力铸型有两类设备：冷室压铸机和热室压铸机。3.1液态金属成形冷室压铸机示意图热室压铸机示意图采用压力铸造工艺制造的铝镁合金轮架二/

金属成形033.1.3永久铸型真空压力铸造用于生产对精度和强度高要求的铸件。该工艺中，将钢模放入一个封闭罩里，并浸在金属液中。在该腔内抽真空使金属流入浇道和进入型腔中。3.1液态金属成形真空压力铸造工艺采用真空成型铸造的高尔夫击球头二/

金属成形03

塑性成型是将金属棒料加热（但低于临界温度火溶点）成型的加工工艺。该工艺的目的不仅使金属成形而且需要控制晶粒组织以提高零件的强度。该工艺有些比较昂贵，但它能够实现其他加工工艺所不可能实现的出众的性能。3.2塑性成形二/

金属成形033.2塑性成形二/

金属成形033.2.1轧制在热轧中，预热的棒料或方坯通过一系列的轧辊挤压，变薄或变形为板料、片料或结构形状。晶粒先被压碎然后拉长，在回复阶段晶粒会再生长，形成粗糙的表面（红色显示晶粒改变）。3.2塑性成形一/

金属成形033.2.1轧制在冷轧中，预先热轧过的板料通过轧辊(冷态下)进一步压平，碾碎并拉长晶粒。但在加热或退火阶段，晶粒细化，形成光滑、细致的表面。该工艺改善了钢板性能但增加了20%的成本（红色显示晶粒改变）。3.2塑性成形二/

金属成形033.2.2锻造3.2塑性成形镦锻—头部分别在凸模和凹模中成型。二/

金属成形033.2.3挤压将加热的圆形坯料放入压力腔内，通过液压；中头迫使其穿过凹模，成型出长的侧轮廓。3.2塑性成形零件通过从挤压件上切下得到二/

金属成形033.2.3挤压3.2塑性成形二/

金属成形033.2.3挤压3.2塑性成形二/

金属成形033.2.4冲挤在冲挤中，大型的冲压机适用于薄壁和无拔模斜度的小零件及中等尺寸的零件。3.2塑性成形二/

金属成形033.2.5拉拔如图示，用拉力使大截面的金属坯料强行穿过一定形状的模孔，以获得所需断面形状、尺寸的小截面毛坯或制品的工艺过程。

拉拔生产主要用来制造各种管材、棒材、线材和异形材等。可拔制的金属材料：有低碳钢、有色金属及合金。3.2塑性成形二/

金属成形03

固态成形是成型金属板料、棒料、线材和管材的工艺，通常在室温下进行。有些情况下，如果是厚料，延展性差，或在成型过程中发生冷却硬化时，就需要对这些材料加热。板料通常限于厚度小于0．64cm的金属。板料成型又称为钣金。3.3固态成形二/

金属成形033.3.1板料冲压板料冲压常简称冲压，是在压力作用下利用模具使金属板料分离或产生塑性变形，从而获得所需工件的工艺方法。

冲压通常在常温下进行，故又称为冷冲压。3.3固态成形二/

金属成形033.3.1板料冲压冲压加工生产的特点：（1）主要是对金属板材进行加工，制件一般不需进行再处理；（2）冲压生产率高，材料利用率高；（3）制件精度高、产品一致性高，可在平面方向制成复杂产品；（4）模具和设备要求高、适合大批量生产。3.3固态成形二/

金属成形033.3.1板料冲压材料：板料冲压的原材料主要是塑性好的金属板材材，低碳钢薄板材、有色金属及合金板材。坯料厚度一般在4mm以下。

主要制品：冲压加工，广泛应用在航空、汽车、电器等工业上和生活日用品的生产。如生活铝制品、铝、镁合金材质的电器壳体等。3.3固态成形二/

金属成形033.3.1板料冲压冲压工艺的分类：冲压加工因制件的形状、尺寸和精度的不同，所采用的工序也不同。根据材料的变形特点可将冷冲压工序分为分离工序和成形工序两类。

分离工艺——是指坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到强度极限σb以后，使坯料发生断裂而产生分离。分离工序主要有剪裁、冲孔、落料等。

成形工艺——是指坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到屈服极限σs，但未达到强度极限σb，使坯料产生塑性变形，成为具有一定形状、尺寸与精度制件的加工工序。成形工序主要有弯曲、拉深、翻边、旋压等。3.3固态成形二/

金属成形033.3.1板料冲压3.3固态成形分类成形方法简图特点及应用范围板料成形分离工序落料用模具沿封闭轮廓线冲切，冲下部分是零件。用于制造各种平板零件或者成形工序制坯冲孔用模具沿封闭轮廓线冲切，冲下部分是废料。用于冲制各类零件的孔形成形工序弯曲把板料沿直线弯曲成各种形状，板料外层受拉伸力，内层受压缩力。可加工形状复杂的零件二/

金属成形033.3.1板料冲压3.3固态成形分类成形方法简图特点及应用范围板料成形成形工序拉深法兰区坯料载切向压应力、径向拉应力作用下向直壁流动，制成筒形或带法兰的筒形零件胀形平板毛坯或者管坯载双向拉应力作用下产生双向伸长变形。用于成形凸包、凸筋或鼓凸空心零件翻边在预先冲孔的板料或未经冲孔的板料是上，载双向拉应力作用下产生切向伸长变形，冲制带有直边的空心零件高速送料冲压板材冲孔动画二/

金属成形033.3.1板料冲压拉深的工艺措施：（1）凹凸模必须有合理的圆角（2）合理的凹凸模间隙（3）合理的拉深系数（d/D）（4）润滑，为了减小摩擦，以降低拉深件壁部的拉应力，减少模具的磨损3.3固态成形二/

金属成形033.3.1板料冲压

拉深中，冲头将金属挤压到一个相匹配的模腔中，金属板料成形出一个空心的形状。在深度拉深中，通常经过一些连续的步骤完成，空腔的深度是直径的2倍或2倍以上。3.3固态成形二/

金属成形033.3.1板料冲压3.3固态成形3.3.2弯曲（折弯）工艺折弯工艺是将管材或板料按设计要求弯成一定的角度和一定的曲率，形成所需形状零件的冲压工序。多用于工业产品的箱、柜、盒和一些结构产品，同工业设计产品关系密切。二/

金属成形033.3.2弯曲弯曲是坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序。弯曲件的工艺性是指弯曲工件的形状、尺寸、精度、要求、材料选用以及技术要求等是否符合弯曲加工的工艺要求。良好的工艺性不仅能够简化模具设计，简化弯曲工艺过程和提高生产率，而且能够提高弯曲件的精度，避免各种弯曲缺陷使之易于成型，提高材料利用率和降低成本。为防止弯裂，弯曲的最小半径为（0.25～1）t，t为金属板料的厚度。材料的塑性越好，其弯曲半径越小。弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直。3.3固态成形二/

金属成形033.3.2弯曲根据弯曲变形区斜载后产生回弹的规律，可采用改变弯曲件局部结构—在弯曲变形区压制加强肋的方法，改善弯曲回弹现象。3.3固态成形二/

金属成形033.3.2弯曲弯曲件的弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径rmin否则可以采用在弯角内侧开槽的方法。3.3固态成形二/

金属成形033.3.2弯曲为保证弯曲件的直边部分平直，弯曲件的直边高度应不小于2t；否则须在弯曲圆角处预先压槽后再弯曲。3.3固态成形二/

金属成形033.3.2弯曲弯曲件的形状一般要求弯曲件形状对称，弯曲半径左右一致，则弯曲时坯料受力平衡而无滑动。3.3固态成形二/

金属成形033.3.2弯曲金属板弯曲3.3固态成形小猪储蓄罐用激光从不锈钢板上切下并使用压弯成型机成型。二/

金属成形033.3.2弯曲金属板弯曲3.3固态成形用于纯弯曲的摩擦成型模滚轧弯曲示意图二/

金属成形033.3.2弯曲V形模弯曲V形模弯曲是最昂贵的弯曲加工工艺，因为它使用与凸模和凹模(或工具)相匹配的一套装置，并且有复杂的计算机控制系统。模具可以生产不同精度的弯曲件，通常是为特殊用途而设计的。3.3固态成形V形模弯曲示意图二/

金属成形033.3.2弯曲典型弯曲件的工序安排一次弯曲：3.3固态成形第一次弯曲二/

金属成形033.3.2弯曲典型弯曲件的工序安排二次弯曲3.3固态成形第一次弯曲第二次弯曲二/

金属成形033.3.2弯曲典型弯曲件的工序安排

三次弯曲3.3固态成形第一次弯曲第二次弯曲第三次