第二、三篇--鑄造成形和金屬塑性成形

1、材料成形技術基礎Fundamental of Materials Forming第二篇 鑄造成形工藝Casting Forming,鑄造成形理論基礎 金屬液態(tài)成形鑄造（casting ）：液態(tài)金屬在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷卻后，獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件的方法。 優(yōu)點：適應性廣 ；成本較低 ，易于成形。能夠形成復雜的內腔 。,一、熔融合金的流動性及充型能力 1. 流動性 液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀和尺寸符合要求的優(yōu)質鑄件的能力。,影響合金流動性的因素 合金成分 共晶成分的合金 凝固溫度最低 逐層凝固 ：表層逐漸向中心凝固，固液界面比較滑，對液態(tài)合金的流動阻力較小。

2、 糊狀凝固 ：合金在一定溫度范圍內凝固，由于初生樹枝狀晶體與液體金屬兩相共存，粗糙的固液界面使合金的流動阻力加大，合金的流動性大大下降。結晶溫度區(qū)間越寬，流動性越差。,2、充型能力 考慮鑄型及工藝因素影響時熔融金屬的流動性。 影響充型能力的因素 （1）流動性：熔融金屬本身的流動能力，是影響充型能力的主要因素之一。 （2）澆注溫度及鑄型條件 澆注溫度：鑄鋼為15201620；鑄鐵12301450；鋁合金為680780。 澆注溫度高，也太合金的粘度下降；過熱多大，液態(tài)合金所含熱量增加，因而液態(tài)合金傳給鑄型的熱量增多，減緩了合金的冷卻速度，這大大提高了充型能力。因此，提高合金的澆注溫度，是改善充型能

3、力的重要工藝措施。,鑄型條件對充型能力有很大影響。鑄型中凡是能增加金屬流動阻力、降低流速和提高金屬冷卻速度的因素，均會降低合金的充型能力。 鑄型壓力、畜熱系數(shù)；鑄件與澆鑄系統(tǒng)結構。,二、合金的收縮 合金的收縮：合金在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。 液態(tài)收縮：（T澆）-液相線溫度Tl間的收縮。 凝固收縮：（Tl）-固相線溫度Ts間的收縮。 固態(tài)收縮：（Ts）到室溫間的收縮 縮孔：集中在鑄件上容積較大的孔洞。 縮松 ：分散在鑄件某些區(qū)域內的細小孔洞。 防止縮孔、縮松的方法： 1、選用結晶溫度范圍窄的合金。 2、定向凝固 定向凝固：冒口放在厚大部位， 冒口本身最后凝固。,鑄造應力：固態(tài)收縮

4、受到阻礙產生的應力 。 鑄造熱應力：壁厚不均勻、各部分收縮不一致產生的應力。 鑄造機械應力：合金線收縮 受到鑄型或型芯的機械阻礙 形成的內應力。 減小應力的措施： 1、使鑄件同時凝固 同時凝固 ：鑄件個部分熱分 布趨于一致，同時凝固收縮。 2、改善退讓性 3、去應力退火,三、鑄件常見缺陷 冷隔、澆不足充型能力不足。 預防：提高澆注溫度、澆注速度 氣孔在金屬液結殼前氣體未逸出，在鑄件內生成的孔洞。 預防：降低金屬液含氣量；增大型砂的透氣性；在型腔的最高處增設出氣冒口。 粘砂粘附鑄件表面上難以清除的砂粒。 機械粘砂、化學粘砂 夾砂在鑄件表面形成的溝槽和疤痕 砂眼鑄件內部充塞的砂洞。 預防：提高型砂

5、的強度；增大模樣起模斜度。,脹砂在金屬液的壓力作用下鑄件局部脹大 變形鑄造應力大于屈服強度。 預防：反變形量 ，加大加工余量 裂紋鑄造應力大于強度極限。 熱裂：高溫下產生熱裂。裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、氧化色。 冷裂：在較低溫度下形成的裂紋。裂紋細小、呈直線狀、裂縫內呈藍色。大而薄的鑄件容易產生冷裂 防止裂紋：減小鑄造應力、如鑄件壁厚要均勻；增加型砂的退讓性；降低合金的脆性控制硫、磷量 。,砂型（sand mould）鑄造工藝,鑄 造 生 產 過 程,銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重w約46噸。鐘體內外遍鑄經文，共22.7萬字。銅鐘合金成分為：銅80.54

6、、錫16.40、鋁1.12，為泥范鑄造。,永樂大鐘,一、造型（造芯）方法 手工造型、機器造型 手工造型：填砂、緊實和起模都用手工來完成。 優(yōu)點：操作方便靈活、適應性強。生產率低，勞動 強度大，質量 不易保證。故只適用單件、小批量生產。 型（芯）砂的性能：強度、透氣性、耐火度、退讓 性、可塑性。 造型：加砂、緊砂和起模用造型機完成大批量生產 砂型的主要方法。 造芯：制作鑄件空心、內凹部分型芯。,手工造型過程： 備砂 造型（芯） 修型（芯） 烘干 下芯 合箱 澆鑄（金屬熔煉）落砂清理檢驗。 手工造型常用方法： 過程：準備砂箱、 模型 填砂緊實 扎氣孔起模開澆口 整模造型；分活塊造型；挖砂造型；假箱

7、造型；三箱造型；刮板造型。 型芯制造： 放芯骨緊砂開通氣道刷涂料烘干,型砂moulding sand配制造型砂型干燥 工裝準備爐料準備合金冶煉 芯砂core sand配制造芯core making型芯干燥,工藝三大塊：冶煉，造型（芯）和澆注,落砂shakeout 清理cleaning 鑄件檢驗入庫,砂型sand mould鑄造工藝流程圖,合型澆注凝固冷卻,砂型鑄造工藝簡圖,澆注金屬,造型、芯,做木模,鑄件,空心圓柱的鑄造工藝流程,二、砂型鑄造工藝設計 鑄造工藝圖 指導模樣（芯盒）設計、生產準備、造型和鑄件檢驗的工藝文件。 在零件圖上用規(guī)定的紅、蘭等各色符號表示：澆注位置、分型面、加工余量、收縮

8、率、起模斜度、反變形量、澆、冒口系統(tǒng)、冷鐵，鑄肋，砂芯數(shù)量及芯頭大小、下芯次序等。 （一）選擇澆注位置遵循原則： 1、重要加工面朝下或位于側面。 2、鑄件的大平面應朝下。 3、面積大的薄壁置于鑄型下部、垂直或傾斜位置。 4、厚大部分放上部或側面 ，以便 定向凝固 。,（二）鑄型分型面的選擇原則 1、簡化工藝、便于起模，使造型工藝簡化 盡量使分型面平 直、數(shù)量少，避免不必要的活塊和型芯。 2、盡量使鑄件全部或大部置于同一砂箱 3、盡量使型腔及主要型芯位于下型 （三）工藝參數(shù)的確定 機械加工余量、起模斜度、收縮率、型芯頭尺寸等具體參數(shù) 灰鑄鐵加工余量表1-6 、最小鑄孔表1-7、型芯頭 收縮率,（

9、四）鑄造工藝設計的一般程序 1、鑄造工藝設計、畫鑄造工藝圖： 產品零件的技術條件和結構工藝性分析。 選擇鑄造及造型方法。 確定澆注位置和分型面。 選用工藝參數(shù)。 設計澆冒口、冷鐵和鑄肋。 型芯設計。 2、畫鑄件毛坯圖在鑄造工藝圖基礎上 。 3、鑄型裝配圖 4、鑄造工藝卡片：說明造型、造芯、澆注、打箱、清理等工藝操作過程及要求,C6140車床進給箱鑄造工藝方案分析,車床進給箱鑄造工藝圖,三、鑄件結構設計 1、鑄造工藝對鑄件結構設計的要求 鑄件的外形必須力求簡單、造型方便 ，不加工表面，應給出結構斜度， 鑄件的內腔必須力求簡單、盡量少用型芯 2、合金性能對鑄件結構設計的要求 壁厚均勻 內表面及外表

10、面轉角的連接處應為圓角 鑄件上部大的水平面（按澆注位置）設計成傾斜面 采用能夠自由收縮或減緩收縮受阻的結構 厚壁與薄壁相連接要逐步過渡 應采用對稱或加肋的結構,8-3 特種鑄造 一、熔模鑄造（失蠟鑄造） 1熔模鑄造的工藝過程 制造蠟模 制造型殼 熔化蠟模脫蠟 焙燒澆注 脫殼和清理 2、熔模鑄造的特點 （1）鑄件形狀復雜精度高。（尺寸精度達IT11IT14，表面粗糙度Ra12.51.6m，最小壁厚為0.3mm，最小孔徑為0.5mm. （2）鑄造合金不受限制， （3）鑄件生產批量不受限制 （4）工序繁雜，生產周期長、成本較高； 應用：葉片、泵的葉輪、切削刀具等25kg以下鑄件,二、金屬型鑄造（鑄型

11、用金屬制成） 種類垂直分型式、水平分型式、復合分型式 金屬型鑄造的工藝過程 表面噴刷涂料 預熱金屬型澆注 開型 金屬型鑄造的優(yōu)缺點及應用 1、有較高的尺寸精度（IT12IT16） 2、鑄件冷卻速度快，晶粒較細， 3、可實現(xiàn)一型多鑄，勞動生產率高。 4、金屬型制造成本高 ，不適宜熔點高、形狀復雜和薄壁鑄件；鑄鐵件表面易產生白口 應用：大批量生產的銅合金、鋁合金鑄件，活塞、連桿、汽缸蓋等。,三、壓力鑄造 將熔融合金在高壓、高速條件下充型的精密鑄造方法。（比壓： 3070MPa） 壓鑄機熱壓室、冷壓室（立式、臥式）兩類。 壓力鑄造的優(yōu)缺點及其應用 1、鑄件尺寸精度高，IT11IT13，Ra6.31.

12、6m。 2、可鑄壁薄、形狀復雜、具有小孔、螺紋的鑄件。 3、鑄件內部組織極細密， 4、生產率高，可實現(xiàn)半自動化及自動化生產。 5、壓鑄件皮下易產生氣孔，易產生縮孔和縮松； 6、設備投資大，鑄型制造周期長、造價高，不宜小批量生產。,四、低壓鑄造 液體金屬在壓力（0.020.06MPa）作用下，由下而上 充 填型腔的鑄造工藝。 特點 ： 壓力和速度可以調節(jié)；充型平穩(wěn)無飛濺現(xiàn)象；鑄件組 織致密；鑄件合格率高，節(jié)省金屬；設備投資少，勞動條件好。 用途：發(fā)動機缸體、缸蓋、活塞、葉輪等。 五、離心鑄造 液體金屬在離心力作用下充填鑄型并凝固成形的一種鑄 造方法 。 鑄型轉速在2501500r/min 特點：

13、 鑄中空鑄件不用型芯； 提高金屬充型能力 ； 補縮條件 好 ； 無澆注系統(tǒng)和冒口，節(jié)約金屬 。 用途：鑄鐵管、汽缸套、銅套、雙金屬軸承、無縫管坯、造紙機滾筒等 鑄件 。,六、陶瓷型鑄造 工藝過程 ：砂套造型 灌漿膠結起模、噴燒 焙燒合型 澆注 特點：尺寸精度和表面粗糙度等與熔模鑄造相近 ；鑄件的大小不受限制 ；投資少、生產周期短；不適于生產批量大、重量輕或形狀復雜的鑄件 ； 主要用于：生產厚大的精密鑄件 其它特種鑄造： 實型鑄造發(fā)泡塑料模樣造型，澆鑄后模樣氣化 磁型鑄造用磁丸微震緊實的實型鑄造。 擠壓鑄造 型腔內對金屬液施加機械壓力的鑄造工藝,8-4 常用合金鑄造生產 一、鑄鐵 灰鑄鐵:鑄造性

14、能優(yōu)良，鑄造工藝簡單，生產中多采用同時凝固原則 灰鑄鐵主要在沖天爐、電爐熔煉。 孕育處理：鐵液中沖入硅鐵合金孕育劑處理方法。石墨分布均勻細小，含碳量愈少、石墨愈細小，鑄鐵的強度愈高。 球墨鑄鐵 鐵液：高碳（Wc=3.6%4.0%） 、低硫、磷、錳。 球化處理：（沖入法）1.0%1.6%稀土鎂合金。 孕育：的主要作用是促進鑄鐵石墨化,二、鑄鋼件的生產 鑄造性能差、熔點高，易氧化；流動性差；收縮大 鑄鋼的熔煉：電弧爐、平爐、感應電爐 鑄造工藝特點： 1、型砂強度、耐火度、透氣性要求高人造石英砂。 2、采用定向凝固原則 3、嚴格控制澆注溫度 熱處理：wC0.35%均勻化退火；wC0.35%正火。 三

15、、非鐵合金鑄件的生產 鑄件收縮大、實現(xiàn)定向凝固。坩鍋爐來熔化。 四、常用鑄造方法的選擇 常用鑄造方法比較見表1-18。,第三篇 金屬壓力加工 塑性成形：利用金屬材料的塑性變形規(guī)律,在外力的作用下獲得具有一定形 狀、尺寸和力學性能的零件或毛坯的加工方法。 塑性成形的方法：自由鍛、模鍛、板料沖壓、擠壓、拉拔、軋制 特點： （1）能改善金屬的組織，提高金屬的力學性能 （2）可提高材料的利用率 （3）具有較高的生產率 （4）可獲得精度較高的毛坯或零件 （5）壓力加工不能加工脆性材料（如鑄鐵）,第一章 金屬塑性成形 一、金屬塑性變形的實質 金屬塑性變形的概念 金屬塑性變形的實質：晶體內部產生滑移的結果。

16、 塑性成形實質：金屬在固態(tài)下，通過 力使坯料塑性流動（晶體內部產生滑移）。,二、金屬塑性變形對組織和性能的影響 （一） 金屬在常溫下塑性變形后，組織將發(fā)生以下變化： 晶粒沿最大變形方向伸長； 晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產生內應力； 晶粒間產生碎晶。 （二） 塑性變形對力學性能的影響 1、產生加工硬化 金屬在常溫下隨著變形量的增加，強度和硬度上升，而塑性和韌性 下降的現(xiàn)象，稱冷變形強化，又稱加工硬化。 回復：溫度升高時，原子因獲得熱能，使原子得以回復正常排列，消 除了晶格扭曲，部分的消除加工硬化。這一過程叫回復。,再結晶：當溫度升高時，金屬原子獲得更多的熱能，開始以某些碎晶 或雜質為核心，按變形前的晶

17、格結構結晶形成新的晶粒，從而消除了全部 的冷變形強化現(xiàn)象，這個過程叫再結晶。這時的溫度叫再結晶溫度。 在實際生產中，采用加熱的方法使金屬發(fā)生再結晶，再次獲得良好的塑性，以便于使金屬繼續(xù)塑性變形產生加工硬化，來提高其強度和硬度。 塑性變形產生加工硬化回復再結晶提高塑性塑性變形提高強度和硬度 塑性變形有以下兩種： 冷變形：在再結晶以下的變形叫冷變形。變形過程中無再結晶現(xiàn)象。變形后的金屬具有冷變形強化現(xiàn)象。 熱變形：在再結晶溫度以上的變形叫熱變形。,2、纖維組織的利用 纖維組織對金屬的力學性能有很多的 影響，使金屬在性能上有了方向性。 （1）變形程度的影響 纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關。變

18、形程度越大，纖維 組織越明顯，金屬在縱向（平行于纖維方向）上塑性和韌性越高，而在 橫向（垂直纖維方向）上塑性和韌姓降低。 常用鍛造比來表示變形程度： 鍛造比Y鍛：拔長Y鍛=S0/S；鐓粗Y鍛=H0/H 碳鋼Y鍛= 23；合金鋼Y鍛= 34； 高合金工具鋼（高速鋼）（Y鍛=512）；型材Y鍛= 1.11.3,（2）纖維組織的利用 零件工作時正應力方向與 纖維方向一致，切應力方向 與纖維方向垂直。 纖維方向的分布與零件 的外形輪廓相符合不被切斷 。,三、金屬的可鍛性（塑性變形性） 衡量金屬材料在塑性變形時獲得優(yōu)質制品的難易程度。 金屬的可鍛性：塑性和變形抗力來衡量。 1、影響金屬可鍛性的內在因素

19、化學成分：Wc；合金元素 金屬組織 ： 2、影響金屬可鍛性的加工條件 變形溫度； 變形速度； 應力狀態(tài)；,四、金屬變形的規(guī)律,1、體積不變規(guī)律 （1）塑性變形只有形狀和尺寸的改變，無體積的變化； （2）不論應變狀態(tài)如何，必有一個主應變與其它兩個主應變的符號相反， 且絕對值最大。 （3）根據兩個主應變值，可算出第三個主應變大小。 2、最小阻力定律金屬在塑性變形過程中，如果金 屬質點有向幾種方向移動的可能時，則金屬各質點將 向阻力最小的方向移動。,9-2 自由鍛 一、自由鍛工序 基本工序：鐓粗、拔長、彎曲、沖孔、切割等 輔助工序：壓鉗口、壓鋼錠棱邊、切肩等 修整：校正、滾圓、平整 二、自由鍛工藝規(guī)

20、程的制定 1、繪制自由鍛件圖 （1）敷料 （2）鍛件余量 （3）鍛件公差 2、確定坯料質量尺寸 G坯料= G鍛件+G燒損+G料頭 3、選擇鍛造工序 4、選擇鍛造設備 5確定鍛造溫度范圍,三、自由鍛件的結構設計 設計原則：滿足使用性能，形狀應盡量簡單。 1鍛件上不應具有錐體 或斜面結構。 2鍛件幾何體的交接處 不應形成空間曲線。 3鍛件上不應設計出加強筋、 凸臺、工字形截面或空間曲線形表面 4設計成由簡單件構成的組合體。,9-3 模鍛 模鍛：在模鍛設備上，利用金屬鍛模使坯料在模膛內受壓發(fā)生塑性變形的鍛造方法。 一、錘上模鍛的工藝特點 1、可多次連續(xù)錘擊，逐步成型。 2、錘頭的行程、打擊速度或打擊

21、能量均可調節(jié)。 3、金屬在上模模膛中具有更好的充填效果 4、適應性廣，可生產多種類型的鍛件 5、不適合低塑性材料（如鎂合金等）。 二、錘上模鍛鍛模結構 制坯模膛：拔長模膛、滾壓模膛、彎曲模膛、切斷模膛 模鍛模膛：終鍛模膛、預鍛模膛,三、錘上模鍛工藝規(guī)程的制定 工藝規(guī)程：繪制模鍛件圖、計算坯料尺寸、確定模鍛工步（模膛）、選擇鍛造設備、確定鍛造溫度范圍等 1繪制模鍛件圖 （）分模面 1）應選在模鍛件最大水平投影尺寸的截面上。 2）分模面的應使上下模模膛輪廓一致。 3）分模面應使零件所加的敷料最少 。 （）加工余量、公差和敷料 （）模鍛斜度 斜度為515；內壁比外壁大25,（4）設計時盡量避免有深孔

22、或多孔結構 （5）對復雜鍛件，為減少敷料，簡化模鍛工藝，在可能條件下，應采用鍛造焊接或鍛造機械連接組合工藝。 五、其它模鍛方法 胎模鍛是在自由鍛設備上用胎模生產模鍛件的工藝方法 模鍛生產的壓力機有摩擦壓力機、平鍛機、水壓機、曲柄壓力機,9-4 板料沖壓 利用沖模在壓力機上 使板料分離或變形， 獲得沖壓件的加工 方法。 沖壓設備：剪床 沖床,一、沖壓工序及工藝設計 （一）分離工序 分離工序是使板料的一部分與另一部分分離 1沖裁變形過程 （a）彈性變形階段 （b）塑性變形階段 （c）剪裂分離階段 沖裁凸模、凹模鋒利， 間隙=510板厚。 沖裁件斷面： 1圓角帶（塌角） 2光亮帶（光面） 3剪裂帶；

23、4毛刺。,2沖裁工藝設計 （1）沖裁間隙的選擇 Z=2C t （2）刃口尺寸計算 1) 落料時以凹模為設計基準；沖孔時凸模為設計基準。 2）凹模的刃口的基本尺寸=落料件的最小極限尺寸； 凸模刃口基本尺寸=孔的最大極限尺寸。 3）采用配制加工時，刃口尺寸的制造公差一般為沖件公差的1/31/4。 4）沖件形狀簡單模具用分別加工法，沖件形狀復雜的模具用配制法計算刃口尺寸計算。 （3）沖裁力計算 F=KLt或 F=Ltb （4）排樣設計 a）有廢料排樣法 b）少廢料排樣法 c）無廢料排樣法,3整修與精沖 整修：利用模具將沖裁件的邊緣切去一小層金屬(0.10.4mm) ，從而提高沖裁件斷面質量與精度。工

24、件精度：IT76級 精密沖裁：無間隙(負間隙沖裁 ) 整修 精密沖裁,（二）彎曲工序 1彎曲變形過程與特點 （1）彎曲變形區(qū) （2）最小彎曲半徑rmin ：彎曲半徑大于rmin （3）中性層：計算彎曲件展開長度的依據。 （4）回彈 2、彎曲工藝設計 （1）彎曲件的結構工藝性 直邊高H2t； L12t （2）毛坯展開尺寸計算 （3）彎曲力的計算 （4）彎曲件的工序安排,（三）拉深 平板形成中空形狀的沖壓工序 1拉深變形過程與質量控制 衡量拉深變形程度大小的主要工藝參數(shù)是拉深系數(shù)，它是用拉深件直徑與毛坯直徑的比值m表示，即m=d/D0。 極限拉深系數(shù)：保證拉深正常進行的最小拉深系數(shù)。 當沖件的拉深系數(shù)小于極限拉深系數(shù)時，不能一次拉出，應分幾次拉深。 材料第一次拉深的極限拉深系數(shù)用m1表示，材料第二次拉深的極限拉深系數(shù)用m2表示，以后各次的拉深系數(shù)分別為m3、m4 mn。,2筒形件的拉深工藝 （1）拉深件毛坯尺寸計算 （2）拉深系數(shù)、拉深次數(shù)的確定：保證拉深正常進行，拉深系數(shù)應為：表2-13為低碳鋼