07-1零件的毛坯選擇和成形方法比較

7.1.1毛坯的選擇7.1.2

常用毛坯成形方法的比較目錄第7章機(jī)械制造工藝過(guò)程第7章機(jī)械制造工藝規(guī)程17.1.1毛坯的選擇

材料的成形過(guò)程是機(jī)械制造的重要工藝過(guò)程。機(jī)器制造中，大部分零件是先通過(guò)鑄造成形、鍛壓成形或焊接成形方法制得毛坯，再通過(guò)切削加工制成的。毛坯的選擇對(duì)機(jī)械制造質(zhì)量、成本、使用性能和產(chǎn)品形象有著重要的影響。1.毛坯選擇的原則7

毛坯選擇的原則，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡可能地降低生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)能力。

1)工藝性原則零件的使用要求決定了毛坯形狀特點(diǎn)，各種不同的使用要求和形狀特點(diǎn)，形成了相應(yīng)的毛坯成形工藝要求。零件的使用要求具體體現(xiàn)在對(duì)其形狀、尺寸、加工精度、表面粗糙度等外部質(zhì)量和對(duì)其化學(xué)成分、金屬組織、力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等內(nèi)部質(zhì)量的要求上。28工藝性原則

對(duì)于不同零件的使用要求，必須考慮零件材料的工藝特性(鑄造性能、鍛造性能、焊接性能等)來(lái)確定采用何種毛坯成形方法。例如，不能采用鍛壓成形的方法和避免采用焊接成形的方法來(lái)制造灰口鑄鐵零件，避免采用鑄造成形方法制造流動(dòng)性較差的薄壁毛坯；不能采用普通壓力鑄造的方法成形致密度要求較高或鑄后需熱處理的毛坯；不能采用錘上模鍛的方法鍛造銅合金等再結(jié)晶速度較低的材料；不能用埋弧自動(dòng)焊焊接仰焊位置38工藝性原則的焊縫；不能采用電阻焊方法焊接銅合金構(gòu)件；不能采用電渣焊焊接薄壁構(gòu)件等等。選擇毛坯成形方法的同時(shí)，要兼顧后續(xù)機(jī)加工的可加工性。如切削加工余量較大的毛坯就不宜采用普通壓力鑄造成形，不然會(huì)暴露鑄件表皮下的孔洞；對(duì)于需要切削加工的毛坯盡量避免采用高牌號(hào)珠光體球墨鑄鐵和簿壁灰口鑄鐵，否則難以切削加工。一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用單種成形方法成形的毛坯，既要考慮各種成形方案結(jié)合的可能性，也需考慮這些結(jié)合是否會(huì)影響機(jī)械加工的可加工性。492)適應(yīng)性原則

在毛坯成形方案的選擇中，還要考慮適應(yīng)性原則。既根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀、外形尺寸和工作條件要求，選擇適應(yīng)的毛坯方案。

例如，對(duì)于階梯軸類零件，當(dāng)各臺(tái)階直徑相差不大時(shí)，可用棒料；若相差較大，則宜采用鍛造毛坯。

形狀復(fù)雜和薄壁的毛坯，一般不應(yīng)采用金屬型鑄造；尺寸較大的毛坯，通常不采用模鍛、壓力鑄造和熔模鑄造，多數(shù)采用自由鍛、砂型鑄造和焊接等方法制坯。592)適應(yīng)性原則（續(xù)）零件的工作條件不同，選擇的毛坯類型也不同。如機(jī)床主軸和手柄都是軸類零件，但主軸是機(jī)床的關(guān)鍵零件，尺寸形狀和加工精度要求很高，受力復(fù)雜且在長(zhǎng)期使用過(guò)程中只允許發(fā)生很微小的變形，因此要選用具有良好綜合力學(xué)性能的45鋼或40Cr，經(jīng)鍛造制坯及嚴(yán)格切削加工和熱處理制成。62)適應(yīng)性原則（續(xù)）

而機(jī)床手柄則采用低碳鋼圓棒料或普通灰口鑄鐵件為毛坯，經(jīng)簡(jiǎn)單的切削加工即可完成，不需要熱處理。再如內(nèi)燃機(jī)曲軸在工作過(guò)程中承受很大的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能，故高速大功率內(nèi)燃機(jī)曲軸一般采用強(qiáng)度和韌性較好的合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造成形，功率較小時(shí)可采用球墨鑄鐵鑄造成形或用中碳鋼鍛造成形。對(duì)于受力不大且為圓形曲面的直軸，可采用圓鋼下料直接切削加工成形。1073)生產(chǎn)條件兼顧原則

毛坯的成形方案要根據(jù)生產(chǎn)條件選擇。生產(chǎn)條件主要指現(xiàn)場(chǎng)毛坯制造的實(shí)際工藝水平、設(shè)備狀況以及外協(xié)的可能性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還要考慮因生產(chǎn)發(fā)展而采用較先進(jìn)的毛坯制造方法。

盡可能利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件完成毛坯制造任務(wù)。若難以滿足要求時(shí)，則應(yīng)考慮改變零件的材料和(或)毛坯成形方法，也可通過(guò)外協(xié)加工或外購(gòu)解決。84)經(jīng)濟(jì)性原則11

經(jīng)濟(jì)性原則就是使零件的制造材料費(fèi)、能耗費(fèi)、工時(shí)費(fèi)用等成本最低。應(yīng)在滿足零件使用要求的前提下，把幾套預(yù)選方案作經(jīng)濟(jì)性比較，從中選出整體生產(chǎn)成本低廉的方案。一般，選擇毛坯的種類和制造方法時(shí)，應(yīng)使毛坯尺寸、形狀盡量與成品零件相近，從而減少加工余量，提高材料的利用率，減少機(jī)械加工工作量。但是毛坯越精確，制造就越困難，費(fèi)用也越高。94)經(jīng)濟(jì)性原則（續(xù)）11因此，生產(chǎn)綱領(lǐng)大時(shí)，應(yīng)采用精度高、生產(chǎn)率高的毛坯制造方法，這時(shí)雖然一次投資較大，但增大的毛坯制造費(fèi)用可由減少的材料消耗及機(jī)械加工費(fèi)用得到補(bǔ)償。一般的規(guī)律是，單件小批量零件，可采用手工砂型鑄造、自由鍛造、手工電弧焊、板金鉗工等成形方法生產(chǎn)；批量大的零件，可采用機(jī)器造型、模鍛、埋弧自動(dòng)焊或其他自動(dòng)焊接方法和板料沖壓等成形方法制造毛坯。10插齒5)可持續(xù)性發(fā)展原則12

環(huán)境惡化和能源枯竭已是21世紀(jì)人類必須解決的重大問(wèn)題，在發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，必須考慮環(huán)保和節(jié)能問(wèn)題，不能干圈一塊廠房，毀一片山林的蠢事。工藝流程設(shè)計(jì)應(yīng)以可持續(xù)發(fā)展為原則，自覺(jué)維護(hù)生態(tài)環(huán)境。應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

(1)盡量減少能源消耗，在制定工藝流程中應(yīng)考慮選擇能耗小的成形方案，并盡量選用低能耗成形方法的材料，合理進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，盡量采用凈成形、凈終成形的新工藝。11插齒5)可持續(xù)性發(fā)展原則（續(xù)）12

(2)不使用對(duì)環(huán)境有害和會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害物質(zhì)的材料，采用加工廢棄物少、容易再生處理、能夠?qū)崿F(xiàn)回收利用的材料。

(3)少用或不用煤、石油等直接作為加熱燃料，避免排出大量CO2氣體，導(dǎo)致地球溫度升高。127.1.2常用毛坯成形方法的比較13

常用的毛坯成形方法有鑄造、鍛造、粉末冶金、沖壓、焊接、非金屬材料成形和快速成形等。

1.鑄造（視頻1）

鑄造是液態(tài)金屬充填型腔后凝固成形的成形方法，要求熔融金屬流動(dòng)性好、收縮性好，鑄造材料利用率高，適用于制造各種尺寸和批量且形狀復(fù)雜尤其具有復(fù)雜內(nèi)腔的零件，如支座、殼體、箱體、機(jī)床床身等。手工砂型鑄造是單件、小批量生產(chǎn)鑄件的常用方法。大批量生產(chǎn)常采用機(jī)器造型。特種鑄造常用于生產(chǎn)特殊要求或有色金屬鑄件。13視頻1鑄造3/8142.鍛造

鍛造是固態(tài)金屬在壓力下塑性變形的成形方法(見(jiàn)視頻2)，要求金屬的塑性較好、變形抗力小。鍛造方法適用于制造受力較大、組織致密、質(zhì)量均勻的鍛件，如轉(zhuǎn)軸、齒輪、曲軸和叉桿等。自由鍛工裝簡(jiǎn)單、準(zhǔn)備周期短，但產(chǎn)品形狀簡(jiǎn)單，是單件生產(chǎn)和大型鍛件的唯一鍛造方法。

胎模鍛是在自由鍛設(shè)備上采用胎模進(jìn)行鍛造的方法，可鍛造中小批量較復(fù)雜的中小型鍛件。

模鍛，材料利用率和生產(chǎn)率遠(yuǎn)高于自由鍛，適合鍛造批量較大、較復(fù)雜的中小型鍛件。14

15視頻2.鍛造143.18163.粉末冶金(視頻3)15

粉末冶金通過(guò)成形、燒結(jié)等工序，利用金屬粉末和(或)非金屬粉末間的原子擴(kuò)散、機(jī)械楔合、再結(jié)晶等獲得零件或毛坯。粉末冶金材料利用率和生產(chǎn)率高，制品精度高，適合于制造有特殊性能要求的材料和形狀較復(fù)雜的中、小型零件。如制造減磨材料、結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料、硬質(zhì)合金、難熔金屬材料、特殊電磁性材料、過(guò)濾材料等板、帶、棒、管、絲各種型材，以及齒輪、鏈輪、棘輪、軸套類等各種零件；可以制造重量?jī)H百分之幾克的小制品，也可制造近2噸重的大型坯料。17視頻3粉末冶金152.13184.沖壓16

沖壓是借助沖模使金屬產(chǎn)生分離或變形的成形方法，要求金屬塑性成形時(shí)塑性好、變形抗力小。沖壓可獲得各種尺寸且形狀較為復(fù)雜的零件，材料利用率和生產(chǎn)率高。沖壓廣泛應(yīng)用于汽車、儀表行業(yè)，是大批量制造質(zhì)量輕、剛度好的零件和形狀復(fù)雜的殼體的首選成形方法。動(dòng)畫(huà)1為連續(xù)模沖裁墊圈零件的工作示意圖。19動(dòng)畫(huà)1

連續(xù)模工作示意圖16205.焊接

焊接是通過(guò)加熱或加壓使被焊材料產(chǎn)生共同熔池或塑性變形或原子擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)連接的，要求材料在焊接時(shí)的淬硬傾向以及產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷的傾向較小。焊接可獲得各種尺寸且形狀較復(fù)雜的零件，材料利用率高，采用自動(dòng)化焊接可達(dá)到很高的生產(chǎn)率，適用于形狀復(fù)雜或大型構(gòu)件的連接成形，也可用于異種材料的連接和零件的修補(bǔ)。動(dòng)畫(huà)2為CO2氣體保護(hù)焊示意圖。1721動(dòng)畫(huà)2.CO2氣體保護(hù)焊接17226.塑料成形18

塑料成形可在較低的溫度(一般在400℃以下)采用注射、擠出、模壓、澆注、燒結(jié)、真空成形、吹塑等方法制成制品。由于塑料的原料來(lái)源豐富易得，制取方便，成形加工簡(jiǎn)單，可以少無(wú)切削加工，成本低廉，性能優(yōu)良，所以塑料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。動(dòng)畫(huà)3為擠出成形示意圖，動(dòng)畫(huà)4為滾塑成形示意圖。23動(dòng)畫(huà)3擠出成形18動(dòng)畫(huà)3擠出成形24動(dòng)畫(huà)4四工位滾塑成形18257.陶瓷成形

陶瓷成形通常采用注漿成形法、可塑成形法、模壓成形法等。陶瓷的密度低，比重只有鋼的1/3，彈性模量高、缺口敏感性小，耐高溫，膨脹系數(shù)低，硬度高，摩擦系數(shù)較低，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、電性能好，屬耐高溫耐腐蝕絕緣材料。陶瓷成形的特點(diǎn)是在制備過(guò)程中需經(jīng)過(guò)高溫處理，其制備工藝路線長(zhǎng)，加工和質(zhì)量控制難度大。因此，先進(jìn)陶瓷制品的成本較高。19268.復(fù)合材料成形（動(dòng)畫(huà)5）20

復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的一類多相材料。復(fù)合材料保留了組成材料的各自的優(yōu)點(diǎn)，獲得單一材料無(wú)法具備的優(yōu)良綜合性能。它的成形特征是材料與結(jié)構(gòu)一次成形，即在形成復(fù)合材料的同時(shí)也就得到了結(jié)構(gòu)件。這一特點(diǎn)使構(gòu)件的零件數(shù)目減少,整體化程度提高；同時(shí)由于減少甚至取消了接頭，避免或減少了鉚、焊等工藝從而減輕了構(gòu)件質(zhì)量，改善并提高了構(gòu)件的耐疲勞性和穩(wěn)定性。27動(dòng)畫(huà)5纏繞成形20動(dòng)畫(huà)5纖維纏繞成形示意圖復(fù)合材料材料結(jié)構(gòu)成形是一次完成的，成形過(guò)程中零件的外部公差與內(nèi)部質(zhì)量便是成形的關(guān)鍵。28常用的材料成形方法比較見(jiàn)表3。21表3常用的材料成形方法比較成形方法成形特點(diǎn)對(duì)材料的工藝要求制件特征材料利用率生產(chǎn)率主要應(yīng)用尺寸結(jié)構(gòu)鑄造液態(tài)金屬填充型腔流動(dòng)性好，集中縮孔各種可復(fù)雜較高低～高型腔較復(fù)雜尤其是內(nèi)腔復(fù)雜的制件，如箱體、殼體、床身、支座等自由鍛固態(tài)金屬塑性變形變形抗力較小，塑性較好各種簡(jiǎn)單較低低傳動(dòng)軸、齒輪坯、炮筒等模鍛中小件可較復(fù)雜較高較高或高受力較大或較復(fù)雜，且形狀較復(fù)雜的制件，如齒輪、閥體、叉桿、曲軸等沖壓各種可較復(fù)雜較高較高或高重量輕且剛度好的零件以及形狀較復(fù)雜的殼體，如箱體、罩殼、汽車覆蓋件、儀表板、容器等2921成形方法成形特點(diǎn)對(duì)材料的工藝要求制件特征材料利用率生產(chǎn)率主要應(yīng)用尺寸結(jié)構(gòu)粉末冶金粉末間原子擴(kuò)散、再結(jié)晶，有時(shí)重結(jié)晶粉末流動(dòng)性較好，壓縮性較大中小件可較復(fù)雜高較高精密零件或特殊性能的制品，如軸承、金剛石工具，硬質(zhì)合金，活塞環(huán)、齒輪等焊接通過(guò)金屬熔池液態(tài)凝固，或塑性變形，或原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接淬硬、裂紋、氣孔等傾向較小各種可復(fù)雜較高低～高形狀復(fù)雜或大型構(gòu)件的連接成形，異種材料間的連接，零件的修補(bǔ)等表3常用的材料成形方法比較（續(xù)）30續(xù)表22成形方法

成形特點(diǎn)對(duì)材料的工藝要求制件特征材料利用率生產(chǎn)率主要應(yīng)用尺寸結(jié)構(gòu)塑料成形采用注射、擠出、模壓、澆注、燒結(jié)、真空成形、吹塑等方法制成制品流動(dòng)性好、收縮性、吸水性、熱敏性小各種可復(fù)雜較高較高或高一般結(jié)構(gòu)零件、一般耐磨傳動(dòng)零件，減磨自潤(rùn)滑零件，耐腐蝕零件等。如化工管道、儀表殼罩等陶瓷成形陶瓷材料通過(guò)制粉、配料、成形、高溫?zé)Y(jié)獲得制品坯體結(jié)構(gòu)均勻并有一定的致密度中小件可較復(fù)雜較高低～較高高硬度，耐高溫、耐腐蝕絕緣零件，如刀具、高溫軸承、泵、閥31續(xù)表22成形方法

成形特點(diǎn)對(duì)材料的工藝要求制件特征材料利用率生產(chǎn)率主要應(yīng)用尺寸結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成形基體材料和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的一類多相材料，材料與結(jié)構(gòu)一次成形纖維有高強(qiáng)度和剛度，有合理的含量、尺寸和分布；基體有一定的塑