金属材料及机械制造工艺项目三毛坯成型方式的选择.ppt

1、项目三 毛坯成型方式的选择,任务1 毛坯成型方式概述 任务2 毛坯成型方式铸造 任务3 毛坯成型方式锻压 任务4 毛坯成型方式焊接,【知识目标】1. 熟悉常用铸造成型方式的特点及应用；2. 熟悉常用锻压成型方式的特点及应用；3. 熟悉常用焊接成型方式的特点及应用；4. 掌握毛坯成型方式选择的原则。【能力目标】1. 具有根据零件的特点初步选择毛坯成型方式的能力；2. 具有对毛坯零件进行合格性检测的能力。,在根据机械零件的使用性能合理选择原材料后，需确定零件生产所需要的毛坯。选择毛坯的基本任务是确定毛坯的种类及成型方法，了解毛坯的制造误差原因及其可能产生的缺陷。由于毛坯的种类及其不同成型方式的选择

2、是否合理，将对后续零件制造过程中的加工工艺方法、加工质量、材料利用率、工人劳动强度和制造成本等方面产生很大的影响，因此，正确选择毛坯的成型方式在零件制造过程中显得尤其重要。,任务1 毛坯成型方式概述1.1 机械零件常用毛坯的种类毛坯是根据零件的形状、工艺尺寸等要求制成的用于进一步加工的生产对象。机械零件常用毛坯的种类主要有型材、铸件、锻件、焊接件、冲压件、粉末冶金件等几大类。,1型材型材主要有棒材、管材、板材及线材等。常用型材的截面形状有圆形、方形、六角形和特殊断面形状等。型材根据成型方法分为热轧和冷拉两种。热轧型材尺寸范围较大，精度较低，主要用于一般机器零件。冷拉型材尺寸范围较小，表面质量好

3、，精度较高，力学性能好，多用于制造毛坯精度要求较高的中小零件。型材是批量生产的产品，可从市场上直接采购，价格便宜，可简化制造工艺和降低制造成本。,2铸件铸件是采用铸造方法，把液态金属注入铸型中冷却凝固定型后获得的工件。形状复杂的毛坯一般适宜采用铸造方法制造。铸件毛坯的铸造方法有砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造、离心铸造等。3锻件锻件是固态金属在外力的作用下通过塑性变形而获得的工件。锻件毛坯由于塑性变形后使得材料内部组织较细且致密，没有铸件组织中的缺陷，所以锻件比相同材料的铸件的力学性能要好；并且由于塑性变形后可得到金属纤维组织的连续性和取向分布，符合零件受力要求，因此更能发挥材料的潜力

4、。锻件常用于强度高、耐冲击、抗疲劳等重要零件的毛坯。锻件有自由锻件、模锻件、精锻件和轧锻件等。,4焊接件焊接件是用焊接的方法把分离的金属件制成的永久性的结合件。焊接件的尺寸、形状一般不受限制。焊接件的优点是制造简便，生产周期短，节省材料，减轻重量。但其抗振性较差，变形大，需经时效处理后才能进行机械加工。,5其他毛坯其他毛坯类型包括冲压件、粉末冶金件、冷挤压件、工程塑料件等。冲压件是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件。粉末冶金件是通过制取金属或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，通过成型和烧结方法制造出的金属材料

5、、复合材料以及各种类型制品的工件。冷挤压件是指在室温下采用施加压力使材料通过模具的孔口或缝隙后横截面面积减小、长度增加的加工方法而获得的制件。工程塑料件是指用高分子材料制成的具有一定强度、硬度的耐冲击性、耐热性及抗老化性均优的塑料件。常用毛坯的种类、特点及用途见表3-1。,表3-1 常用毛坯的种类、特点及用途,1.2 毛坯成型方式选择的依据选择毛坯种类及成型方式的原则就是在满足零件使用要求的前提下，必须结合实际生产条件，尽量提高毛坯质量，降低制造成本和提高劳动生产率，力争做到满足使用要求，质量良好，成本低廉、生产迅速。因此，对毛坯种类及成型方式进行合理选择的影响因素很多，应主要考虑以下几方面。

6、,1零件材料、结构形状、尺寸及其力学性能要求产品设计的性能要求决定了零件的材料、结构形状和尺寸，而零件的材料、结构形状和尺寸的特点在很大程度上决定了毛坯的成型方式。例如，材料为铸铁和青铜的零件应选择铸件毛坯；对于钢制零件，毛坯成型方式可以采用型材、铸造、锻造、冲压、焊接等方式，但具体选择时应该再根据零件的结构形状、尺寸及其要求的力学性能来决定。例如，钢制零件当形状不复杂、力学性能要求不太高时可选型材；重要的钢制零件，为保证其力学性能，应选择锻件毛坯。对于形状复杂的毛坯，一般采用铸造方法制造。薄壁零件不宜采用砂型铸造；中小型零件可考虑采用先进的铸造方法；大型零件可采用砂型铸造。一般用途的阶梯轴，

7、如台阶直径相差不大，可采用圆棒料；如各台阶直径相差较大，为减少材料消耗和机械加工的劳动量，则宜选择锻件毛坯。尺寸大的零件一般选择自由锻造；中小型零件可选择模锻件或冲压件。,2. 毛坯成型方式的工艺特点对于同种毛坯材料，不同的毛坯成型方式也有着不同的工艺特点。(1) 不同的毛坯成型方式，其组织和力学性能会有很大的差别，正确选择毛坯成型方式可以发挥材料的性能潜力，提高毛坯的内部质量。(2) 不同的毛坯成型方式，毛坯所能达到的精度、表面粗糙度等外形质量水平也不同。(3) 不同的毛坯成型方式，所需生产设备及生产效率也不相同，这将决定毛坯成型的适应性及经济性。,3生产类型产品的生产类型，即产品的品种、产

8、量及生产组织方式等，对合理选择毛坯的成型方式有着重大的影响，有时会起决定性的作用。当零件是大批量生产时，通常选择精度和生产率都比较高的毛坯成型方法，以减少材料消耗和零件后续切削加工费用来降低生产成本。例如，铸件采用金属模机器造型或精密铸造，锻件采用模锻和精锻，型材采用冷轧和冷拉。零件产量较小时应选择精度和生产率较低的毛坯制造方法，例如砂型铸造、自由锻等毛坯成型方式。,4生产条件确定毛坯的种类及成型方法，必须考虑具体的生产条件，才能兼顾适用性与经济性原则，从而保证生产的顺利进行。在一般情况下，应充分利用本企业现有条件完成生产；若现有生产条件不能满足产品的生产要求，可适当改变毛坯的成型方式，适当改

9、造现有设备或者进行厂外协作。,5充分考虑利用新工艺、新技术的可能性随着机械制造技术的发展，毛坯制造方面的新工艺、新技术和新材料的应用也发展很快，形成了多种优质、高效、低耗、少污染的先进加工技术，并已在生产中得到了应用。例如精铸、精锻、冷挤压、粉末冶金和工程塑料等在机械中的应用日益增加。采用这些方法能大大减少机械加工量，有时甚至可以不再进行机械加工，其经济效果非常显著。,1.3 毛坯形状及尺寸设计零件毛坯的成型，是由原材料转变为成品零件的第一步。毛坯的形状和尺寸设计得合理与否，在很大程度上决定了后续加工过程中工序的数量、材料的消耗、加工时间的长短等。因此，对于毛坯的形状和尺寸设计显得尤其重要。在

10、毛坯的设计中，应通过毛坯的简化使其形状和尺寸尽量与零件相接近，以减少机械加工的劳动量，力求实现少或无切削加工。但是，由于现有毛坯成型技术及成本的限制，以及产品零件的加工精度和表面质量的要求越来越高，所以毛坯的某些表面仍需留有一定的加工余量，以便通过机械加工达到零件的技术要求。,毛坯成型尺寸与零件相应尺寸的差值称为毛坯加工余量。毛坯成型尺寸的公差称为毛坯公差。毛坯的加工余量及毛坯公差与毛坯的制造方法有关。在制造方法相同的情况下，其加工余量又与毛坯的尺寸、部位及形状有关。如铸造毛坯的加工余量，是由铸件最大尺寸、公称尺寸(两相对加工表面的最大距离或基准面到加工面的距离)、毛坯浇注时的位置(顶面、底面

11、或侧面)、铸孔等因素所决定的。生产中可参照有关工艺手册确定。毛坯的加工余量确定后，其形状和尺寸的设计，除了将加工余量附加在零件相应的加工表面之外，有时还要考虑到毛坯的制造、机械加工及热处理等工艺因素的影响。因此，毛坯的形状与零件的形状会有所不同。,1.4 毛坯的质量检验制造机械零件的毛坯时，在熔炼及加工过程中，由于工艺及设备的限制，不可避免地存在一些缺陷，例如夹杂物、偏析、缩孔、疏松以及裂纹等等。这些缺陷的存在，往往导致零件过早失效。因此，在产品的制造过程中要对毛坯进行检验。质量检验是保证质量的重要工序，也是保证生产合格产品的有效措施。对铸、锻、焊等毛坯件进行严格的质量检验，可为后续切削加工工

12、序提供合格产品，避免因毛坯质量问题造成后续工序的工时浪费。,要保证合格的铸、锻、焊毛坯，就必须按照国家规定的检验项目和标准对毛坯进行严格的质量检验。毛坯检验可分为破坏性检验和非破坏性检验两类。破坏性检验包括力学性能测试、化学成分分析和金相检验。破坏性检验必须从被检件上切取试样或破坏整体被检件进行试验，它主要用于新材料、新工艺、新产品试制检验和模拟试验。通常可利用特制样件进行破坏性试验，这样可不破坏被检件。,非破坏性检验包括外观检验、各种无损探伤检验和致密性检验。该类检验直接对被检件检验，并不对其造成破坏，检验合格后直接成为成品或转换到下一道工序。常用毛坯检验方法如下：1外观检验毛坯件的外观检验

13、以肉眼观察为主，或者辅以简单的工具(低倍放大镜、直尺等)。许多毛坯件缺陷都可通过外观检验获得，但重要零件仅用外观检验是不够的，还必须进行内在质量检验。,2力学性能的测试 毛坯质量检查中的力学性能测试最常用的方法是硬度试验，因它能直接反映出材料成分、组织、性能的关系，并可间接反映其他力学性能指标，而且零件经硬度试验后不受损伤。其他一些力学性能的测试如静拉伸、弯曲、扭转、疲劳等，都要制成标准试样，在专业试验机上进行，主要用于对原材料进行进厂检验，对新材料、新工艺进行研制，对零件进行失效分析等。,3化学成分分析 化学成分分析用以鉴定材料的成分是否符合规范，并评价材质的优劣。常用方法是光谱分析。该方法

14、速度快，灵敏度高，可进行化学成分定性和定量分析，但测定钢中轻元素(例如H、N、O、C等)比较困难。对零件表面、局部或微区化学成分的测定可采用现代化的俄歇电子能谱仪以及离子探针、电子探针等。例如，检查晶界上有无析出相或杂质元素，检测金属材料中合金元素和杂质元素的浓度及分布，测定沉淀相或夹杂物等。,4金相组织试验 通过对毛坯组织进行检验，可判定构件所用材料和处理工艺是否合格。金相分析是组织分析中应用最广的实验观察技术，它能够提供有关金属材料的显微组织、晶粒度、非金属夹杂物等信息，主要用于对原材料进行进厂检验和监测各种热处理质量缺陷。5无损探伤检验 无损探伤检验包括超声波检验、射线检验和磁粉检验。(

15、1) 超声波检验。超声波检验是利用高频声波(20000Hz)射入被检物并用探头接收信号从而检测出材料内部或表面缺陷的方法之一，如气孔、夹杂、裂纹、缩孔、未焊透等。该法尤其善于检测出长度方向与超声波束方向垂直的缺陷。通常探测工件的厚度为2 mm10 mm。,(2) 射线检验。射线检验是利用具有高穿透能力的电磁辐射X射线和射线，在不破坏受检材料的情况下，对其内部质量进行检查的一种无损检测方法。X射线和射线都是电磁波，可不同程度地穿透一定厚度的金属材料。用射线照射工件，由于工件完好部位与有缺陷部位对射线能量的吸收程度不同，因此用感光胶片记录透过工件的射线，即可获得缺陷部位的阴影图像。射线探伤用于重要

16、毛坯件的内部检验，如焊缝、铸件及管材中的缩孔、气孔、夹杂及裂纹与未焊透等缺陷。X射线检验工件的厚度为0.1 mm60 mm；射线检验工件的厚度为60 mm150 mm。,(3) 磁粉检验。磁粉检验适合于表层或近表面缺陷检测。其基本原理是，被检件在磁场中被磁化后，缺陷部位产生漏磁磁场，在被检物表面撒上磁粉，缺陷处有磁粉附着从而显示出缺陷部位。6致密性检验 致密性检验用于检验不受压力或受压很低的容器、管道等。它包括气密性试验和水压试验。(1) 气密性试验。气密性试验主要检验容器的各连接部位是否有泄漏现象。气密性试验所用气体应为干燥、清洁的空气、氮气或其他稀有气体。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验

17、压力后保压不少于30分钟，然后降至设计压力，检验容器或管道的渗漏情况。,(2) 水压试验。水压试验用于检验压力容器、管道和储罐等结构的穿透性缺陷。水压试验应严格按照国家标准进行。此外，质量检验也是进行失效分析的有效手段。通过宏观或微观、物理或化学的检验，能探究失效的形式和本质，便于分析引起失效的性能指标与成分、组织、状态之间的关系，寻找失效的主要原因。,任务2 毛坯成型方式铸造2.1 概 述铸造是将液态金属浇注、压射或吸入到与零件的形状和尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。铸造后获得的金属零件或毛坯件称为铸件，用于铸造的金属统称为铸造合金。铸造合金可以是铸铁、铸钢

18、和非铁合金如铝合金、铜合金、镁合金等等。铸造方法包括砂型铸造和特种铸造两大类，其中砂型铸造是最常用的铸造方法，特种铸造主要包括金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、离心铸造等。,铸造工艺的优点如下：(1) 铸造是利用了液态金属的流动性进行成型的，因此可制造各种尺寸和形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯，如箱体、床身、机座、汽缸体等。铸件的尺寸与重量几乎不受限制，铸件的壁厚可以从几毫米到十几米，铸件的重量也可以从几克到数百吨。(2) 铸造工艺适应性很强，绝大多数金属材料都可以用于铸造，其中应用最广的是铸铁。铸造生产还适用于各种生产类型。,(3) 铸造所用的原材料，大多数价格低廉，来源广泛，可以直接利用报

19、废的机件及切屑，并且铸造生产设备简单，投资小，因而铸件价格低廉。(4) 铸件尺寸、形状可与零件接近，可减少切削加工量，节省金属消耗和后续加工工时。铸造工艺也有如下缺点，使其应用受到一定的限制。(1) 铸造工序繁多，工艺过程不易控制，铸件的质量稳定性不高，废品率较高。(2) 铸件显微组织粗大、疏松，内部常出现缩孔、缩松、气孔、夹渣、砂眼等缺陷，其力学性能一般不如相同尺寸和形状的锻件高。,(3) 工人劳动强度大，劳动条件较差，生产率低。综上所述，铸造方法具有很高的适应性和综合经济性，也是最常用的毛坯成型方式之一。随着现代铸造成型技术的发展，铸造工艺不断得到革新。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重

20、要的位置，在工业中获得了广泛应用。,2.2 砂 型 铸 造2.2.1 砂型铸造的特点砂型铸造是用型砂作为造型材料，用人工或机械方法在砂箱内制造出型腔及浇注系统的铸造方法，是目前各种液态成型方式中最基本的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来一直是铸造生产中的基本工艺，在机械制造业中占有非常重要的地位。砂型铸造也是合理选择铸造方法和正确设计铸件的基础。,砂型铸造是目前各种铸造成型方法中最基本、应用最广泛的成型方法，其生产的铸件约占铸件总产量的80%以上。它具有灵活性大、生

21、产周期短和成本低等优点。但是砂型铸造生产工序较多，有些工艺过程难以控制，因此易产生一些铸造缺陷，铸件质量也不够稳定，废品率较高。2.2.2 砂型铸造生产过程砂型铸造过程中，一般需经过制备模样及芯盒、配备型砂及芯砂、造型及造芯、熔炼金属及合箱浇注、落砂清理及检验、去应力处理及防腐蚀处理等步骤。一般机械零件的砂型铸造工艺过程可概括为以下三个基本阶段，如图3-1所示。,图3-1 砂型铸造的生产流程,(1) 准备铸型。先将放大收缩量的模样及芯盒制作好，再按要求准备好砂铸型。准备砂铸型常被简称为造型和造芯，这个阶段既是砂型铸造中最基本的工序，也是砂型铸造最重要的方法，它对铸件质量、生产率和成本影响很大。

22、(2) 浇注金属。先将熔炼好的液态金属检测合格，然后再将液态金属浇注满铸型型腔。这部分包含合金熔炼和铸件浇注。(3) 落砂清理。待液态金属在铸型型腔内凝固成型并冷却后，扒箱落砂与检验，从而得到一定形状和尺寸并带有浇冒口的铸件。,1造型造型是砂型铸造最基本的工序，造型方法选择是否合理，对于铸件质量和成本有着重要的影响。按紧实型砂和起模方法，一般可分为手工造型和机器造型两大类。 造型需要模样和芯盒。模样是用来形成铸件外部轮廓的，芯盒是用来制造型芯，形成铸件的内部轮廓的。制造模样和芯盒所用的材料根据铸件的大小和生产规模而有所不同。铸件产量小时一般采用木材，产量大时可用金属和塑料制作模样和芯盒。,1)

23、 手工造型手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工来完成。手工造型的优点是操作方便灵活，适应性强，模样生产准备时间短，但生产率低，劳动强度大，铸件质量不易保证。故手工造型只适用于单件小批生产。实际生产中，由于铸件的尺寸、形状、生产批量、使用要求以及生产条件的不同，可以采用不同的造型方法。常用手工造型方法的特点和应用范围见表3-2。,表3-2 常用手工造型方法,2) 机器造型机器造型是将加砂、紧砂和起模等工序用造型机来完成的造型方法，是大批量生产砂型的主要方法。如果配以机械化的型砂处理、浇注、落砂等工序，可以组成现代化的铸造生产线。机器造型能够显著提高劳动生产率，改善劳动条件，并提高铸件的尺寸精度和

24、表面质量，使加工余量减小。机器造型紧实型砂的方法有：振动紧实、压实紧实、振压紧实、微振压紧实、抛砂紧实、射砂紧实。机器造型起模的方法大多数用起模机构，如顶箱、漏模、翻转等。例如，顶杆起模式振压造型机的工作过程为：填砂振击紧砂辅助压实起模。,机器造型工艺采用模板进行两箱造型。模板是将模样、浇注系统沿分型面与底板连接成一个整体的专用模具。造型后，底板形成分型面，模样形成铸型空腔，而底板的厚度并不影响铸件的形状与尺寸。机器造型所用模板可分为单面和双面两种，其中以单面模板最为常用。造型时，采用两个配对的单面模板分别在两台造型机上同时造上型和下型，造成的两个半型依靠箱锥定位而合箱。由于机器造型的紧砂方式

25、不能紧实型腔穿通的中箱，故不能进行三箱造型。同时，机器造型也应尽力避免活块，因取出活块费时，会使造型机的生产率大为降低。所以，在大批量生产铸件及制订铸造工艺方案时，必须考虑机器造型的这些特点。,2造芯型芯是主要用来成型铸件的内部结构的。型芯在浇注过程中会受到金属液体的冲击，浇筑后型芯大部分被金属液包围，因此，型芯要求具有高的强度、耐火度、透气性、退让性并便于清理。大批量生产时采用机器造芯比较合理，但在一般情况下还是采用手工造芯。手工造芯主要是用芯盒造芯。图3-2为用芯盒制造型芯的过程。除应配制合格的芯砂外，在造芯过程中还要采取下列措施，以满足上述性能要求。(1) 在型芯中放芯骨以提高强度。小型

26、芯的芯骨用铁丝或铁钉做成，中、大型芯的芯骨用铸铁浇注成骨架。,(2) 开设通气孔道，提高型芯的排气能力。例如，小的型芯可用通气针扎出通气孔；在制作弯曲的型芯时，在砂芯中埋入蜡带，型芯经烘烤后蜡带熔化便形成通气孔道。(3) 在型芯表面刷耐火涂料，防止铸件产生黏砂。铸铁件所用型芯一般用石墨粉作为涂料。(4) 将型芯烘干，提高型芯的强度和透气性。黏土型芯的烘干温度为250350，保温时间为2 h6 h。,图3-2 芯盒造芯示意图,3浇注浇注是将熔融金属从浇包注入铸型的操作过程，浇注时金属熔液应连续不断，直到充满铸型型腔。为了获得优质的铸件，浇注时应控制好浇注温度的高低和浇注速度的快慢。通常在保证金属

27、流动性足够的前提下，浇注温度应低些，以减少金属液中气体的溶解度及凝固时金属的收缩量；浇注速度应适当，以免产生铸造缺陷，可通过操纵浇包和合理布置浇注系统来进行控制。用来盛放、输送和浇注熔融金属的容器称为浇包。浇包的外壳用钢板制成，内衬为耐火材料。,为了使液体金属流入铸型而开设于铸型中的通道，称为浇注系统。浇注系统若选择得不合理，铸件便易产生冲砂、砂眼、夹渣、浇不足、气孔和缩孔等缺陷。浇注系统一般由外浇口、直浇道、横浇道、内浇道和冒口组成，如图3-3所示。冒口的主要作用是补给铸件凝固收缩时所需的金属液，以避免产生缩孔。此外，冒口还可起排出气体和观察铸型是否浇满的作用。为了能起到补缩作用，必须保证冒

28、口最后冷却凝固，因此这种冒口常置在铸件的最厚、最高处，并且冒口的尺寸要足够大。在浇注收缩性大的金属如钢、铜合金时，一般要有这种用于补缩的冒口。,图3-3 浇注系统,4落砂和清理铸件的出砂清理一般包括落砂、去除浇冒口和表面清理。(1) 落砂。用手工或机械方法使铸件和型砂、砂箱分开的操作称为落砂。落砂时铸件的温度不得高于500，如果过早取出，则会产生表面硬化或发生变形、开裂。落砂可用手工或机械方法进行，在大量生产中应尽量采用机械方法落砂，常用的方法是：振动落砂机落砂和水爆清砂。所谓水爆清砂，就是将浇注后尚有余热的铸件，连同砂型砂芯投入水池中，当水进入砂中时，由于急剧气化和增压而发生爆炸，使砂型和砂

29、芯振落，以达到清砂的目的。,(2) 去除浇冒口。对脆性材料，可采用锤击的方法去除浇冒口。为防止损伤铸件，可在浇冒口根部先锯槽然后击断。对于韧性材料，可用锯割、氧气切割和电弧切割的方法。(3) 表面清理。铸件由铸型取出后，还需进一步清理表面的黏砂。手工清除时一般用钢副和扁铲加工，这种方法劳动强度大，生产率低，且妨害健康。因此现代化生产主要是用振动机和喷砂喷丸设备来清理表面。所谓喷砂和喷丸，就是用砂子或铁丸，在压缩空气的作用下，通过喷嘴喷射到被清理工件的表面进行清理的方法。,2.3 特 种 铸 造砂型铸造方法虽然应用广泛，但是由于铸件质量差，因此生产效率较低。为提高铸件的质量和生产率，可改变铸型材

30、料、造型工艺或液态金属浇注条件。对于要求特殊的零件，可采用金属型铸造、压力铸造、熔模铸造和离心铸造等特种铸造方法进行，每种特种铸造方法在提高铸件精度和表面质量、改善合金性能、提高劳动伸长率、改善劳动条件和降低铸造成本等方面都有其优越之处。,2.3.1 金属型铸造金属型铸造是用重力浇注方法将液态金属浇入金属铸型(也称金属型)中，待冷却凝固后获得铸件的方法。金属铸型能重复多次使用，因此也称为永久型铸造。1金属铸型结构金属铸型常用铸铁、钢或其他金属材料制成，型芯用金属或型砂制成，型腔内设置有排气孔，分型面上还设有许多通气槽，以便于排出铸型内部的空气。在开型过程中，为了能将灼热的铸件从型腔中推出，多数

31、金属铸型外还设有推杆机构。,金属铸型按分型面位置不同，可分为垂直分型、水平分型和复合分型等形式。常见的垂直分型式金属型如图3-4所示。它由活动半型、固定半型、底座等部分组成，分型面处于垂直位置。浇注时，将两个半型合紧，待注入的金属液凝固后，将两个半型分开，即可取出铸件。垂直分型由于便于开设浇口及取出铸件，并易于实现机械化生产而应用广泛。但是对于形状复杂的零件，一般采用复合分型结构。,图3-4 垂直分型式金属铸型,2金属型铸造的工艺过程金属型具有导热快、韧性差，且没有退让性和透气性，为获得优质铸件和延长金属型的使用寿命，必须严格控制其生产工艺过程。典型的金属型铸造工艺过程如图3-5所示。(1)

32、喷涂涂料。为了控制金属液在铸型内的冷却速度，防止金属液直接冲击型腔，延长金属铸型的寿命，必须在型腔和型芯工作表面涂刷一层厚度为0.3 mm3 mm的耐火材料。不同金属液采用不同的涂料，如灰铸铁常用石墨、滑石粉和黏土等组成涂料，而铝合金则采用氧化锌粉、滑石粉和水玻璃等组成涂料。对于熔点大于1000的合金，还需要在涂料外喷涂一次可燃油层，以便在浇注时产生气体隔热膜，从而减小铸件的表面粗糙度。,图3-5 金属型铸造工艺过程,(2) 预热铸型。为了减少铸型与金属液的温差，减缓铸型对金属的激冷作用，以减少塑件缺陷，延长铸型的寿命，金属铸型在浇注前都必须预热。预热的温度不能过低或过高，要根据铸造合金不同和

33、铸件的大小、结构选择一个合适的预热温度。(3) 控制开型。铸件在金属型腔内停留的时间越长，其收缩量越大，铸件出型和抽芯也越困难，铸件产生内应力和裂纹的可能性也越大，并且开型时间长，生产效率也低。因此，应严格控制铸件在铸型中的时间，一般在铸件凝固后即可开型，具体的开型时间取决于铸件的大小和壁厚，一般为10 s60 s。,(4) 控制浇注温度。为了减缓金属铸型的冷却速度，提高金属液的充型能力，金属型浇注温度应比砂型铸造高一些，并且浇注温度同样与浇注的合金、铸件的大小、结构和金属型铸造的其他工艺有关。通常情况下，铸造铝合金的浇注温度为680750，铸造铜合金的浇注温度为10001200，铸铁的浇注温

34、度为13001400，铸钢的浇注温度为14001520，铸造镁合金的浇注温度为720750，铸造铅合金的浇注温度为350450。,3金属型铸造的特点金属型铸造的特点如下：(1) 金属型铸造复用性好，可一型多铸，从而节省大量的造型材料和工时，显著地提高生产效率。(2) 金属型铸件精度高，表面粗糙度小，可以减少机械加工余量，节约材料和加工费用。(3) 由于金属型导热性好，因而铸件晶粒细小，力学性能好，通常抗拉强度可比砂型铸件提高10%20%。,(4) 由于金属液的流动性降低，容易产生浇不足、冷隔等缺陷，因而铸件的形状不宜过于复杂，壁不宜过薄。(5) 由于金属型冷却快，因而铸件易产生裂纹。(6) 金

35、属型制造成本高，周期长，故金属型铸造不适合单件小批量生产。4金属型铸造的应用金属型铸造主要用于有色金属铸件的大批量生产，如铝合金活塞、汽缸体、油泵壳体、铜合金轴瓦、轴套等。,2.3.2 压力铸造压力铸造是将熔融金属液在高压下高速射入金属铸型内，并在压力下凝固成型的铸造方法，简称压铸。高压、高速是压铸法区别一般金属型铸造的重要特征。1压力铸造模具压力铸造是在专用的压铸机上使用压铸模具进行的。压铸所用模具称为压铸模，它由不同作用的金属件组合而成，一般用合金钢制造。压铸模由动模和定模两个半模组成，并附有推出机构，如图3-6所示。定模固定在压入金属液的一端，动模固定在压铸机开合铸模机构的一端，并装在动

36、模座上。动模上装有推板和推杆等推出机构，在开模时能将铸件从铸模中推出。,图3-6 卧式压铸机的压铸过,2压铸的工艺过程压铸工艺过程包括喷涂涂料、闭合压铸模、压射金属、打开压铸模、顶出铸件和取出铸件等过程，典型的压铸工艺过程如图3-7所示。常见的卧式压铸机的压铸过程如图3-6所示。在动模5和定模4合模后，将金属液浇入压室2中，压射活塞1向前推进，将金属液3经浇道7压入型腔6中，并继续施加压力、保压待金属液凝固后开型，余料8随同铸件9一起被顶出。,图3-7 压铸工艺过程,3压力铸造的特点压力铸造的特点如下：(1) 压力铸造生产效率高，容易实现半自动化及自动化生产。(2) 铸件精度高，一般不需切削加

37、工即可使用。由于金属液在高压下充型，故可生产出形状复杂的薄壁铸件，并可直接铸出小孔、螺纹和齿形。(3) 压铸件在压力下结晶，表层结晶细密。压铸件的强度和硬度都较高，一般来说，压铸件的抗拉强度比砂型铸造能提高25%40%。,(4) 压力铸造充型速度快，型腔中的气体难以排除干净，所以会在铸件中形成许多小气孔，影响铸件的内部质量。当铸件受到高温时，小气孔中的气体膨胀，能使铸件开裂，故压铸件不能进行热处理。(5) 压力铸造投资大，压铸模制造成本高，不适宜单件小批量生产。4压力铸造的应用压力铸造主要用于形状复杂的低熔点有色合金小铸件的大批量生产，广泛用于制造汽车、航空、电器、仪表、照相器材等方面的零件。

38、,2.3.3 熔模铸造熔模铸造是用易熔材料(如蜡料)制成模样作为熔模，然后在熔模上涂覆若干层耐火涂料，待其硬化干燥后，将其中的易熔材料熔化并排出制成无分型面的铸型型壳，经高温焙烧然后进行浇注获得铸件的铸造方法，也称为失蜡铸造。1熔模铸造的工艺过程熔模铸造工艺过程包括熔模制造、结壳、脱蜡、焙烧、浇注等，如图3-8所示。,图3-8 熔模铸造过程,母模是铸件的基本模样，是用来制造压型的，一般用金属机械加工而成。压型是用来制造蜡模的专用模具，一般也用金属机械加工而成。首先用钢、铝合金等制造压型。然后将蜡料(常用5%的石蜡和50%的硬脂酸配制而成)加热成糊状并压入压型，冷凝后取出即为单个蜡模。接着把数个

39、蜡模焊在蜡制的浇注系统上成为蜡模组。在蜡模组表面浸挂一层由水玻璃和硅砂粉配制的涂料，接着撒一层硅砂，然后放入硬化剂(如氯化铵溶液)中硬化。如此重复37次，使蜡模组表面形成5 mm10 mm厚的坚硬型壳。再将带有蜡模组的型壳放入8595的热水中，使蜡料熔化并流出而成为铸型。将铸型放入850950的加热炉中焙烧，以除去型腔中的残蜡和水分，并提高铸型强度。最后将铸型从焙烧炉中取出，排列在铁箱中，并在周围填入干砂，趁铸型温度较高时立即浇注，冷凝后脱壳清理即得铸件。,2熔模铸造的特点熔模铸造的特点如下：(1) 由于铸型无分型面，且型腔内表面光洁，因此熔模铸造可生产出精度高、表面质量好、形状很复杂的铸件。

40、(2) 熔模铸造适用于各种铸造合金和各种生产批量。(3) 熔模铸造的缺点是生产工序多，生产周期长，成本高，且不易实现生产自动化。(4) 由于蜡模较大时易变性，所以铸件不能太大或太长。,3熔模铸造的应用熔模铸造主要用于形状复杂的小型精密零件和高熔点、难加工合金铸件的成批生产，也适用于将数个零件装配而成的组件改为整铸件一次成型。目前，熔模铸造广泛运用在汽车、机床、刀具、仪表、兵器等行业，如生产汽轮机叶片、刀具、风动工具、枪支等。,2.3.4 离心铸造离心铸造就是将金属液浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下充填铸型并凝固成型的铸造方法。1离心铸造的工艺过程离心铸造必须在离心铸造机中进行，所用铸型

41、可以是金属型，也可以是砂型。根据铸型旋转轴线在空间的位置，离心铸造可分为立式和卧式两种，如图3-9所示。浇入铸型的金属液受离心力作用，沿型腔内表面分布并凝固成铸件外形。铸件的孔由金属液的自由表面形成，孔的大小取决于浇入铸型的金属液的数量。立式离心铸造绕垂直方向旋转时，铸件的内表面呈抛物线形状，因此铸件不宜过高；卧式离心铸造绕水平方向旋转时，铸件在长度方向或圆周方向均能获得均匀的壁厚，因此卧式离心铸造应用较广泛。,图3-9 离心铸造,2离心铸造的特点离心铸造的特点如下：(1) 金属液在离心力作用下从外向内定向凝固，所以铸件组织细密，力学性能好，并且铸件内部不易产生缩孔、气孔、渣眼等缺陷。(2)

42、铸件内孔质量不高，内孔尺寸不精确，表面质量也比较差。(3) 生产空心旋转体铸件可省去型芯和浇注系统，提高材料利用率，降低铸件成本。(4) 合金的充型能力在离心力的作用下得到提高，便于生产流动性差的合金铸件和薄壁铸件。(5) 离心铸造还便于生产“双金属”铸件，如钢套镶铜轴瓦等。,3离心铸造的应用离心铸造主要用于黑色金属和铜合金材料的空心旋转体铸件的成批大量生产，如各种管子、缸套、轴套、活塞环坯料等。其中，立式离心铸造用于圆环类铸件的生产，卧式离心铸造用于圆筒类铸件的生产。2.3.5 低压铸造低压铸造是金属液在较低压力(一般为0.02 MPa0.06 MPa)下由铸型底部注入型腔，并在压力下凝固，

43、以获得铸件的一种铸造方法，是一种介于重力铸造(如砂型铸造、金属型铸造)和压力铸造之间的铸造方法。与压力铸造相比，这种方法所用的压力较小，故称为低压铸造。,1低压铸造的工艺过程如图3-10所示，在密封的坩埚中通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下沿升液管上升，在一定浇注速度下通过浇口平稳地充满型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，直到铸件完全凝固为止，最后解除液面上的气体压力，升液管中未凝固的金属液由于重力作用流回坩埚中，经一定时间后开型取出铸件。从上述过程可以看出：金属液在压力推动下进入型腔，并在外力作用下结晶凝固，进行补缩；其充型过程既与重力铸造有区别，也与高压高速充型的压力铸造有区别。

44、低压铸造时的关键工艺参数有充型速度、工作压力及保温时间等，若掌握不当就会造成铸件无法取出或浇不足等缺陷。,图3-10 低压铸造,2低压铸造的特点低压铸造具有以下特点：(1) 液体金属由下而上从底部注入型腔充型，平稳且易于控制，避免了金属液注入型腔时的冲击、飞溅现象，也不易卷入气体和氧化夹杂物，从而防止铸件的气孔、夹渣等缺陷。(2) 金属液的上升速度和结晶压力可调整，适用于各种铸型(如砂型、金属型等)和各种合金的铸件。,(3) 由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到90%98%。(4) 与重力铸造相比，铸件的组织致密，轮廓清晰，力学性能好。(5) 工人劳动条件有所改善，劳动强度降低；设备简易，

45、易于实现机械化和自动化。3低压铸造的应用低压铸造目前主要用来大批量生产质量要求高的铝、镁合金铸件，如汽缸、缸盖、纺织机零件等。,2.4 铸件的常见缺陷由于铸造工序繁多，影响铸件质量的因素复杂，并且难以直接控制，因此铸件上的缺陷几乎难以完全避免。铸件常见的几种缺陷及预防措施见表3-3。,表3-3 铸件常见的几种缺陷及预防措施,任务3 毛坯成型方式锻压3.1 概 述锻压加工是锻造和冲压的总称，即对坯料施加外力，使金属产生塑性变形从而改变坯料的尺寸、形状，并可提高或改善制件力学性能或物理性能的加工方法，是一种用以制造机械零件、工件或毛坯的成型加工方法。,锻压成型时以加工材料的塑性变形为基础。绝大多数

46、金属材料在常温或加热后都有一定的塑性，因此它们可以在室温或高温下进行各种锻压加工成型。但对于某些脆性材料如铸铁、铸造铜合金、铸造铝合金等则不能进行锻压成型。根据成型方式不同，常用的锻压成型方法可分为轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻和板料冲压等，其中自由锻和模锻是热塑性成型，而板料冲压多为冷塑性成型，如图3-11所示。,图3-11 锻压成型分类,(1) 轧制：金属坯料在两个回转轧辊的孔隙中受压变形，以获得各种产品的加工方法。轧制生产所用坯料主要是金属锭。坯料在轧制过程中是靠摩擦力得以通过轧辊孔隙而受压变形的，结果坯料的截面减小，长度增加。(2) 挤压：金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方

47、法。挤压方法主要分两类：金属坯料流动方向与凸模运动方向一致的叫做正挤压；金属坯料流动方向与凸模运动方向相反的叫做反挤压，反挤压可以节省挤压力。,(3) 拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。拉拔模模孔的截面形状和使用性能的好坏对产品有决定性影响。拉拔模模孔在工作中会受到强烈的摩擦作用，为保持其几何形状的准确性和使用的长久性，应选用耐磨的硬质合金来制作。拉拔生产主要用来制造各种细线材、薄壁管和各种特殊几何形状的型材。(4) 自由锻：金属坯料在上下砧铁间受冲击力或压力而变形的加工方法。(5) 模锻：金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法。(6) 板料冲压：金属板

48、料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。,锻压成型虽然类别较多，但有着一些共同的特点。锻压成型方法的特点如下：(1) 力学性能好。金属坯料经锻压加工后，可消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和粗大的树枝状结晶等缺陷，使金属组织致密、硬度得到提高。另外，在锻压加工时可合理控制金属纤维方向，改善了金属的力学性能。(2) 节省材料。锻造加工是依靠塑性变形重新分配坯料体积的加工方法，与切削加工相比，可以减少零件制造过程中金属的消耗和加工工时。,(3) 生产率高。除自由锻外，其他锻压方法尤其是轧制、挤压、拉拔等，金属连续变形，且变形速率高，故生产率高。(4) 能加工各种形状、重量的零件，使用范围广。(5) 由

49、于是固态变形，因而无法获得截面形状较复杂的产品，且锻件的尺寸精度不高。设备和较复杂的工模具投资费用高，生产现场劳动条件较差。,3.2 锻 造锻造是金属在加热后进行塑性变形的生产工艺。锻造工艺根据锻造时使用的设备和模具的不同，可分为自由锻和模锻。金属的锻造性能又称为可锻性，指金属材料在经受压力加工时获得优质零件的难易程度。金属的可锻性是衡量材料经受压力加工难易程度的工艺性能。金属的可锻性取决于金属的成分及组织结构和变形时的温度、速度、应力状态和坯料的表面状况。,金属坯料经过加热，减小了变形抗力，在压力下经塑性变形能使金属组织致密，获得细晶粒结构，并能压合铸造组织内部的气孔等缺陷，降低或消除原组织

50、的枝晶偏析。金属在变形时，金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都产生了变形，沿着变形方向被拉长呈纤维状的纤维组织。由于纤维组织的存在，金属在纵向即平行于纤维方向上的塑性和韧性提高，而横向即垂直于纤维方向上的塑性和韧性降低，使得金属材料的力学性能呈现出各向异性。并且，由于纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法予以消除，只能经过压力加工才能改变，因此，金属材料可以在锻造中合理控制金属纤维方向，提高金属的力学性能。纤维方向的选择上一般要求纤维方向与零件的轮廓线符合且不被切断，零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。,锻造的工艺过程包括备料、加热、锻造成型、冷却、锻后热处理等工序。

51、备料主要是要计算出坯料的质量和尺寸。坯料的质量可以由锻件图得出；坯料的尺寸应根据坯料的质量和锻造比确定。加热的主要目的是提高金属的塑性，并获得良好的锻后组织和力学性能。金属加热后，开始锻造时的金属表面温度为始锻温度，停止锻造时的金属表面温度为终锻温度。在始锻温度和终锻温度区间是金属合适的锻造温度范围。,金属加热后就可锻造成型。锻造变形结束，锻件会冷却。为保证锻件的质量，应采用正确的冷却方法。一般的冷却方法有风冷、空冷、坑冷、灰砂冷、炉冷和消除白点的等温退火等。锻后热处理是为了给锻件的后续机加工、热处理等工序做好准备，具体目的是：调整锻件硬度，便于后续进行切削加工；消除锻件内应力，避免在后续加工

52、时变形；改善锻件内部组织，细化晶粒，改善力学性能和为锻件最终热处理提供组织准备。一般情况下，结构钢锻件采用退火、正火处理或调质处理，工具钢锻件采用正火+球化退火处理。,锻造加工在机械制造、汽车、拖拉机、仪表、造船、冶金工程及国防等工业的生产过程中占有举足轻重的地位，获得了广泛的应用。锻造生产能力及其工艺水平，是一个国家工业、农业、国防和科学技术发展水平的重要指标。一般对于受力较大、工况条件较差的重要机械零件，大多用锻造方法来制造。,3.2.1 自由锻自由锻是利用冲击力或压力使金属在锤头、下砧间变形而获得所需几何形状和一定机械性能锻件的一种加工方法。金属在自由锻时可以朝各个方向自由变形流动，不受

53、限制。由于自由锻所用的工具简单，并具有较大的通用性，因而其应用较为广泛，锻件的大小不受限制，特别是对于特大型锻件如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆等，自由锻是唯一可行的加工方法，所以自由锻在重型工业中具有重要意义。自由锻的不足之处是锻件形状简单，尺寸精度低，生产率低，材料利用率低，生产条件差，对操作者技术水平要求高，因此自由锻适用于单件、小批量生产。,自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。(1) 基本工序：使金属材料产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状和所需尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割和扭转等，见表3-4。(2) 辅助工序：为基本工序操作方便而进行的预先变形工

54、序，如压钳口、压肩、压钢锭棱边等。(3) 精整工序：为减少锻件表面缺陷而进行的工序，一般在终锻温度以下进行，用于清除锻件表面的凹凸不平及整形，如校正、滚圆、平整等。,表3-4 自由锻的基本工序,实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个基本工序。1镦粗镦粗是减小坯料高度而增大其横截面积的工序，分为完全镦粗和局部镦粗两种形式。镦粗的目的是：将高径(宽)比大的坯料锻成高径(宽)小的饼块锻件；对于空心锻件在冲孔前使坯料横截面增大和平整；锻造轴杆锻件可以提高后续拔长工序的锻造比；提高锻件的横向力学性能和减少力学性能的异向性等。2拔长拔长是使坯料横截面积减小而长度增加的工序。拔长工序用于轴杆类锻件的成型，

55、也用于改善锻件的内部质量。,3冲孔冲孔是用冲子将坯料冲出通孔或盲孔的工序。锻造各种带孔的锻件和空心锻件时都需要冲孔。当锻件孔直径较大、孔深较深时，可以先冲孔，再扩孔。自由锻锻造工序的选择，应根据工序的特点和锻件的形状确定。自由锻锻件分类及锻造工序如表3-5所示。,表3-5 自由锻锻件分类及锻造工序,3.2.2 模锻模锻是在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压产生塑性变形，由于模膛对金属坯料流动有限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。与自由锻相比，模锻的优点是：锻件的尺寸和精度比较高，切削加工余量较小，节省了金属材料，也减少了加工工时，材料利用率高；可以锻造

56、形状复杂的锻件；锻件内部流线分布合理；操作简便，劳动强度低，生产率高。,模锻生产由于受到模锻设备吨位的限制，锻件质量不能过大，一般在150 kg以下。由于锻模制造成本很高，工艺灵活性差，生产准备周期长，所以模锻不适合于单件小批量生产，而适合于中小型锻件的大批量生产。模锻按使用设备的不同，可分为锤上模锻、胎模锻等。1锤上模锻锤上模锻是将上模固定在模锻锤头上，下模紧固在砧座上，通过随锤头做上下往复运动的上模，对置于下模中的坯料施以直接打击来获得锻件的模锻方法，如图3-12所示。,图3-12 锤上模锻工作示意图,2胎模锻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。所用模具称为胎模，

57、其结构简单，形式多样，但不固定在上下砧座上。一般选用自由锻方法制坯，然后在胎模中终锻成形。胎模锻实际是在自由锻设备上进行的模锻。胎模锻与自由锻相比，具有生产率高、锻件尺寸精度高、表面粗糙度值小、余块少且可节约金属、降低成本等优点。与模锻相比，胎模锻具有成本低、使用方便等优点。但胎模锻的锻件精度和生产率不如锤上模锻高，工人劳动强度大，胎模容易损坏。胎模锻造适用于中、小批量生产，在缺少模锻设备的中小型工厂中应用较广。,3.3 冲 压利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的一种压力加工方法称为板料冲压。板料冲压的坯料厚度一般小于4 mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压，简称冲压。用于冲

58、压的原材料可以是具有塑性的金属材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、铜或铝及其合金等，也可以是非金属材料，如胶木、云母、纤维板、皮革等。,冲压具有以下特点：(1) 可以获得其他加工方法不能加工或难以加工的形状复杂的零件，如汽车覆盖件、车门等。(2) 由于尺寸精度主要由模具来保证，所以加工出的零件质量稳定，一致性好，具有“一模一样”的特征。(3) 冲压加工是少无切削加工的一种，部分零件冲压直接成型，无需任何再加工，材料利用率高。(4) 可以利用金属材料的塑性变形提高工件的强度和刚度。,(5) 生产率高，易于实现自动化。(6) 模具使用寿命长，生产成本相对低。(7) 冲压加工操作简便，但具有一定的危险性，

59、生产中应注意安全。由于以上特点，冲压生产被广泛用于汽车、拖拉机、电机、电器、仪器仪表以及飞机、国防、日用工业等部门，在工业生产中占有极其重要的地位。,3.3.1 冲压的基本工序由于冲压件的形状、尺寸和精度不同，因此，冲压所采用的工序种类各异。据其变形特点，可以分为以下两大类。(1) 分离工序：使板料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压件(俗称冲裁件)的工序。分离工序主要包括冲孔、落料、切边等。(2) 成型工序：材料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状、尺寸和精度冲压件的加工工序。成型工序主要包括弯曲、拉深、翻边、胀形、起伏等。常用的冲压工序见表3-6。,表3-6 常用的冲压工序,此外，为了提高劳动生产率，常将两个以上的基本工序合并成一个工序，如落料拉深、切断弯曲、冲孔翻边等，称为复合工序。在生产实际中，对于批量生产的零件绝大部分采用复合工序。,3.3.2 冲模冲模是冲压生产中必不可少的模具。模具结构合理与否对冲压件的质量、冲压生产的效率及模具寿命都有很大的影响。冲模可分为单工序模、级进模和组合模三种。(1) 单工序模：在压力机的一次冲程中只