《产品造型设计材料与工艺》课件-4.2-第四章 金属材料-成型工艺

2025/1/21第4章金属材料及其加工技术常用金属材料及其特性金属材料成型与工艺性金属表面处理与装饰技术

金属材料在设计中的应用

思考题

金属材料成型及工艺性

铸造加工及其工艺性

压力加工及其工艺性

焊接技术及其工艺性

机械加工及其工艺性

特种成型工艺铸造

铸造是熔炼金属、制造铸型并将熔融金属注入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。

铸造在机械制造中占重要地位。依重量计，在机床、内燃机、重型机器中铸件约占50%~70%；在汽车中约占20%~30%。

铸造结构工艺性：是指相对于材料、铸造工艺的铸造性能的合理性，即铸件结构设计时，不仅应使铸件满足使用要求，还要充分考虑其使用的铸造方法和铸件的铸造性。结构工艺性好坏，对铸件的质量、生产成本与生产率有很大影响。

2025/1/212025/1/21铸造加工及其工艺性1.铸造种类

砂型铸造（用型砂铸造铸型的铸造方法，约占铸件的90%）

特殊铸造（熔模、压力、金属型、离心、陶瓷型等）。

铸造常使用的材料主要有铸铁（HT20-40）、铸钢（ZG45、ZG35等）、铸铝（ZL101、ZL401等）、铸铜（ZHPb59-1、ZQSn10等）及其合金。

砂型铸造砂型铸造工艺过程

砂型铸造2025/1/21优点:

适应性强,一般不受合金种类的限制，常用的铸铁、钢、铝和铜等合金;成本低。缺点:

1）铸件组织晶粒粗大，内部常有缩孔、沙眼等缺陷；2）铸造工序繁多，废品率较高；3）工人劳动强度大。力求外形简单，轮廓平直

砂型铸件的结构工艺性（1）

1）为了使用的型芯少，装配清理排气容易，内腔设计成开口；2）避免设计盲孔。砂型铸件的结构工艺性（2）凡顺着起模方向的内外不加工表面，都应设计合理的模斜度。砂型铸件的结构工艺性（3）

1）铸件应有合理的壁厚。即不能小于合金的最小壁厚；也不能过厚；2）应设计铸造圆角;3）铸件的内壁厚度应小于外壁，目的使整个铸件均匀冷却，防止内应力和裂纹。为了增强铸件的承载能力，应采用适当的措施，比如加强筋结构。

砂型铸件的结构工艺性（4）铸造圆角加强筋

尽量避免铸件中有过大的平面。

由于金属液面上升的速度锐减，致使型腔顶部的表层型砂受到较长时间的烘烤，开裂脱落，使铸件形成夹砂缺陷。同时气体、夹杂物也容易停留在平面顶部，使铸件产生气孔、夹杂等缺陷。将平面该为倾斜面，就能防止上述缺陷。砂型铸件的结构工艺性（5）过大的平面

砂型铸件的结构工艺性（6）整体铸件壁厚力求均匀壁厚不均匀壁厚均匀2025/1/21铸造加工及其工艺性1.铸造种类

砂型铸造（用型砂铸造铸型的铸造方法，约占铸件的90%）

特殊铸造（熔模、压力、金属型、低压、离心、陶瓷型等）。

熔模铸造（精密铸造或失蜡铸造）

公元前数百年，我国已使用蜡和牛油制作模型，附以黏土，用于制造各种造型精美、带有花纹和文字的钟鼎和器皿。20世纪40年代此法用在工业产品生产上。

优点：1）适合于各种各样的金属铸造，尤其高熔点及难以切削加工的合金。2）限于壳体强度，一般适合产品重量<25公斤，尺寸精度IT10-14，Ra：1.6-1.25。

适用于形状复杂、精度要求较高或难以进行机加的小型零件。缺点：较砂型铸造，其工艺较复杂，不易控制；使用和消耗的材料较贵。熔模铸造

在蜡模表面包以耐火材料，待其硬化形成型壳，注入液态金属熔去蜡模，从而获得无分型面的铸型。工艺过程：A.母模B.压型C.熔蜡D.制造蜡模E.蜡模F.蜡模组G.制壳脱模H.浇注造型合金钢铸造产品熔模铸造熔模铸件的结构工艺性：

1）铸件应尽量各处壁厚均匀，太厚处可用设孔的方法改进。2）铸件厚度可为0.3mm，最小重量10克，最小孔径1.5mm。在熔模铸造基础上，目前又发展了实型铸造。

用可发性聚苯乙烯珠粒在压型中发泡成型或使用机械加工成型，形状复杂的可分别加工后粘合，涂以涂料后，放入沙箱或磁丸造型箱，不用取出模型，直接浇注金属液体，通过聚苯乙烯汽化而得到铸件。

实型铸造在工业设计专业试制产品中具有重要意义。压力铸造

压力铸造是指将熔融或半熔融的金属以高速压射入金属铸型内，并在压力下结晶的铸造方法，简称压铸。

常用的压射压力为30-70MPa，充填速度约为0.5-50m/s，充填时间为0.01-0.2s。压铸是一种先进的铸造方法，压力铸造

优点：1）压铸效率高，易于实现生产自动化；2）压铸零件精度可达11-13级，表面粗糙度Ra0.8-3.2，不用或少用机械加工，压铸件就可得到满意的外观质量，并可直接用涂料进行表面装饰；3）机械性能高；可压铸薄壁、带镶嵌件的零件，并能得到清晰度很高的花纹、图案、文字等。缺点：1)压铸时液体金属充填速度高，型腔内气体难以完全排除，铸件易出现气孔和裂纹及氧化灾杂物等缺陷，压铸件通常不能进行热处理。2)压铸模的结构复杂、制造周期长，成本较高，不适合小批量铸件生产。3)压铸机造价高、投资大，不适宜生产大型压铸件。4)合金种类受限制，锌、镁、铜等有色合金。压力铸造滤波器锌合金压力铸造压铸件的结构工艺：

1)零件设计时应使压型制作方便，型芯易于取出；

2)一般厚度在0.5~3.5之间为宜。零件壁薄，结构致密度好，强度和耐磨性好，反之壁厚会导致机械性能下降；

3)压铸件上可直接铸出螺纹、小孔或齿形，但压形为平头，一般不能铸出内螺纹。压铸齿轮的最小模数、螺纹和小孔的尺寸可查表得到；4）镶嵌件与压铸件连接部分应作出滚花或凹凸。金属型铸造金属型是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法，又称硬模铸造，优点：1）铸型是用金属制成，适用于大批量生产；2）铸件机械性能高；3）铸件的精度和表面粗糙度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定。

缺点：1）

在重量和形状方面受到限制，如对黑色金属只能是形状简单的铸件。铸件的重量不可太大。适宜熔点不宜太高的有色合金铸件；2）壁厚有限制，较小的铸件壁厚无法铸出。3）成本高、周期长；4）铸造透气性差、无退让性、易使铸件浇部不足、产生裂纹。金属型铸造

金属型铸造的结构工艺性:

1）零件设计应使压型制作方便，型芯易于取出。2）壁厚应大于最小壁厚。金属型铸造

金属型铸造的结构工艺性

3）铸件内的孔应大于最小直径和深度。离心铸造离心铸造将液态金属浇入高速旋转的铸型中，利用离心力填充铸型并凝固成型。优点：1）由于离心运动使液体金属在径向能很好地充满铸型并形成铸件的自由表面；

2）不用型芯能获得圆柱形的内孔；

3）有助于液体金属中气体和夹杂物的排除；

4）影响金属的结晶过程，从而改善铸件的机械性能和物理性能。

常用于制造铸铁管、缸套和滑动轴承，也可用离心浇注刀具、齿轮等成型铸件。离心铸造2025/1/21耐热钢套辐射管2025/1/21铸造加工及其工艺性1.铸造种类

砂型铸造（用型砂铸造铸型的铸造方法，约占铸件的90%）

特殊铸造（熔模、压力、金属型、离心、陶瓷型等）。

铸造方法的选择

考虑生产批量、铸造合金的种类、铸件重量、形状尺寸精度及表面粗糙度等铸件本身因素，还要考虑后续加工成本及生产现场条件等因素。

2025/1/21铸造方法对铸件结构的要求对铸件结构复杂程度的要求

砂型铸造可用两箱、多箱和活块劈箱等多种造型方法，芯盒可制作形状复杂的形芯，因而适合铸出内外都较复杂的铸件；熔模铸造所用的铸型没有分型面，不必考虑起模，因而对铸件基本无限制；金属铸造使用金属铸型和形芯，无退让性，为使型芯和铸件容易取出，铸件形状一般应简单。2025/1/21铸造方法对铸件结构的要求对铸件重量和壁厚的要求

铸件重量主要受熔炉容积和铸型强度大小限制。

砂型铸件一般不受限制；

熔模铸造使用的蜡模强度低，感应电炉只有50~100kg，一般适宜生产重量小于25kg的小铸件；

压力铸造使用的铸型和形芯制作成本大，故铸件不宜太大。对铸件尺寸精度和表面质量要求砂型铸造铸型表面粗糙，退让性好，起模、修模、下芯、合箱均影响尺寸精度，所以砂型铸件尺寸精度和表面质量最差。

2025/1/21铸造材料对铸件结构的要求

不同铸造材料的铸造性能不同，因此对结构的要求不同。

普通灰口铸铁的铸造性能最好，流动性好，收缩小，所以对铸件的壁厚均匀程度和不同壁厚的过渡形式，要求不甚严格。

球墨铸铁铸造性稍差，有较大的疏松倾向，因此铸件结构设计要尽可能壁厚均匀。金属材料成型及工艺性

铸造加工及其工艺性

压力加工及其工艺性

焊接技术及其工艺性

机械加工及其工艺性

特种成型工艺压力加工是在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而得到具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。工业用钢和大多数非铁金属材料及其合金，都可进行压力加工。加工方法：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压。2025/1/21压力加工及其工艺性1.压力加工方法简介1）轧制：使金属坯料在一对轧辊的孔隙中，靠摩擦力作用，连续进入轧辊而产生变形的加工方法。它可加工出不同截面形状的原材料，如圆钢、角钢、T型钢等。1.压力加工方法简介1）轧制：使金属坯料在一对轧辊的孔隙中，靠摩擦力作用，连续进入轧辊而产生变形的加工方法。它可加工出不同截面形状的原材料，如圆钢、角钢、T型钢等。2）挤压：将金属坯料放入挤压筒中，用强大的压力使坯料从模孔中挤出而变形。适用于低碳钢、有色金属及其合金。挤压可得到多种截面形状的型材或零件。

挤压成型正挤压反挤压复合挤压径向挤压1.压力加工方法简介3）拉拔：将金属材料拉过拉拔模的模孔而变形。主要用于制造各种细线材、薄壁管等各种特殊形状的型材，且产品精度高，表面光洁。使用于低碳钢及多数有色金属及其合金。1.压力加工方法简介3）拉拔：将金属材料拉过拉拔模的模孔而变形。主要用于制造各种细线材、薄壁管等各种特殊形状的型材，且产品精度高，表面光洁。使用于低碳钢及多数有色金属及其合金。4）自由锻、模锻：将金属放在上下砥铁之间（一定形状的锻模模膛内），施以冲击力和静压力使其变形。

锻造成型自由锻模锻

锻造成型紫铜模锻件垫圈毛坯异形汽车配件（铝铜锻件）铝合金锻压毛坯不锈钢阀体锻件运动器材铝合金件1.压力加工方法简介3）拉拔：将金属材料拉过拉拔模的模孔而变形。主要用于制造各种细线材、薄壁管等各种特殊形状的型材，且产品精度高，表面光洁。使用于低碳钢及多数有色金属及其合金。4）自由锻、模锻：将金属放在上下砥铁之间（一定形状的锻模模膛内），施以冲击力和静压力使其变形。5）板材冲压：利用冲模使板材产生分离或变形。

冲压成型压板凸模坯料凹模

冲压加工

影响冲压件质量的因素很多，其中冲压材料、冲压模具和冲压设备是三个主要因素。1）冲压材料：

工业产品中外观零件或人机部件绝大多数使用的冲压材料为金属板料和塑料制品。

常用的黑色金属冲压板材是4mm以下的薄板材。

材料的厚度偏差过大和表面质量较差，会造成冲压工艺的不稳定和废品的大量出现。2025/1/21冲压材料的选择

从产品设计和冲压工艺两个方面共同考虑选择材料，并对材料提出统一的技术要求。

（1）从产品大批量、高效率出发，保证冲压工艺顺利进行，对材料提出严格要求，保证材料符合工艺标准。（2）在保证工艺的前提下，应尽量以廉价材料代替贵重材料，以薄代替厚料，以黑色金属代替有色金属，这样可使占制件成本60~80%的材料费用大大下降，有利于提高产品的市场竟争力。（3）设计零件的外廓尺寸尽量考虑板材的尺寸规格标准，使毛坯排样时，废料浪费最少。反之选择板材尺寸时，应考虑尽量为毛坯尺寸的整数倍为好。

冲压加工2）冲压模具：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。它的形状是零件形状的“反形”。在三因素中模具的作用约占55%。3）冲压设备：按工艺目的和内容分为剪切下料设备和压制设备两大类。

冲压加工2025/1/212.金属材料的可锻性指金属材料进行压力加工的难以程度。金属材料的塑性和变形抗力是衡量可锻性指标。

影响其可锻性有两方面：1）化学成分和组织结构。如工业纯铁比碳钢的可锻性好，低碳钢比中高碳钢的可锻性好。此外组织结构中晶粒大小、缺陷等也影响其可锻性；2）变形条件如温度、变形速度、应力状态。2025/1/213.压力加工零件的结构工艺性

1）自由锻件的结构工艺性

形状和尺寸精度很大程度上取决于工人的技术水平，故自由锻件形状应简单。自由锻件结构工艺性（1）平面平面自由锻件结构工艺性（2）加强筋无加强筋横截面急剧变化横截面缓慢变化2）模锻件的结构工艺性1）合理的分模面；2）加工表面留加工余量，非加工面留模锻斜度和圆角；3）形状应力求平直、简单、对称，避免薄壁、高筋和凸起等外形结构；避免高筋、薄壁和凸起等外形结构高筋薄壁凸起2）模锻件的结构工艺性1）合理的分模面；2）加工表面留加工余量，非加工面留模锻斜度和圆角；3）形状应力求平直、简单、对称，避免薄壁、高筋和凸起等外形结构；4）避免有深孔和多孔结构；5）形状复杂者，应先锻后焊，减少模锻工艺。2）模锻件的结构工艺性锻件焊接件2）模锻件的结构工艺性2025/1/213）冲压件的结构工艺性冲压件结构设计应保证产品质量的稳定生产；简化工序；提高材料利用率；互换性好，装配方便；有利于模具制造和模具使用寿命；减轻工人的劳动强度，便于实现加工的自动化；零件和模具尽量通用化、系列化、标准化。如：

（1）落料外形和冲孔的孔形尽量力求简单、对称；

（2）弯曲零件为防止弯裂，应考虑纤维方向，弯曲半径不可小于材料许可的最小弯曲半径；

（3）对拉深零件也应简单、对称等；

（4）冲压结构的合理应用，如一些复杂结构可采用冲压焊接结构，以代替铸、锻再经切削加工所制成的零件。

冲压件结构工艺（1）对落料和冲孔零件的要求零件形状便于节约材料不合理的落料件形状冲压件结构工艺（2）

对弯曲零件的要求带孔件，为避免孔变形

(r值、平直部分H>2t)L>(1.5~2)t冲压结构的合理应用冲压件焊接结构零件使用和不使用加强筋的冲压件金属材料成型及工艺性

铸造加工及其工艺性

压力加工及其工艺性

焊接技术及其工艺性

机械加工及其工艺性

特种成型工艺

焊接原理：金属焊接是借助原子间的结合，使分离的两部分金属形成不可拆卸的连接的工艺方法。

焊接优点：

1）以小拼大，以简拼繁；

2）便于制造双金属结构；

3）以焊代铆，不钻孔、不用辅助材料，工序简单。

金属的焊接方法：分为熔焊、压焊、钎焊。2025/1/21焊接技术及其工艺性2025/1/21焊接技术及其工艺性金属材料的焊接性：是指金属材料在采用一定工艺方法、工艺材料、工艺参数及一定结构的条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接结构的工艺性：是指结构在实施焊接过程中的难易程度。焊接结构工艺性（1）可焊到性差可焊到性好焊接结构工艺性（2）焊缝影响加工焊缝避开加工表面焊接结构工艺性（3）注意节省材料2025/1/21焊接结构工艺性（4）改善焊接劳动强度；（减少在容器内焊接，例如可在容器上单面开V或U形坡口。）避免仰焊焊缝的设计。金属材料成型及工艺性

铸造加工及其工艺性

压力加工及其工艺性

焊接技术及其工艺性

机械加工及其工艺性

特种成型工艺1.机械加工的原理：金属切削加工是用刀具在金属材料上切去多余金属层，从而获得符合要求的几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的机械零件加工方法。2025/1/21机械加工及其工艺性2.金属切削加工分类

钳工：通过手工工具进行切削加工。常加工精度量具、样板、夹具、模具；零部件装配成机器；损坏的机器修配。

机械加工：通过操纵机床对工件进行切削加工。有车、钻、铣、刨、磨和齿轮加工等。

机床示意图（1）六角车床立式车床普通车床常用车刀立式铣床内圆磨床牛头刨床摇臂钻床卧式镗床钻中心孔钻孔镗孔绞孔镗内锥孔车端面车退刀槽车外螺纹滚花车锥面车圆柱面车特形面攻内螺纹车外圆3.工件材料的切削加工性

1）衡量标准：

（1）U60（耐用度为60分钟时的切削速度）越大，加工性能越好；

（2）精加工后表面粗糙度Ra值越小，加工性能越好。

2）改善金属材料切削加工性的措施：

（1）低、中碳钢可通过冷拔降低塑性提高U60

；

（2）通过热处理改善材料纤维组织；

（3）在不影响使用性能条件下，加入易切削元素，如硫、磷等。2025/1/