第8讲__金属及加工工艺(1)

2019年10月3日8时37分造型材料与工艺1第8讲金属材料及加工工艺（Ⅰ）——金属特性——铸造加工2019年10月3日8时37分造型材料与工艺2第8讲主要内容：8.1金属的固有特性8.2金属材料的成型加工铸造加工塑性加工切削加工焊接加工粉末冶金8.3金属材料的热处理8.4特种加工方法8.5常用金属材料8.6金属材料在设计中的应用2019年10月3日8时37分造型材料与工艺3岁月的沧桑锈蚀在金属产品上，浮起层层斑驳，然而金属材质以其天然的无可比拟的坚固性，永恒地保留下人类驾驭自然、改造自然的能力和创造造型美的才华。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺4最古老的金属材料金银铜铁2019年10月3日8时37分造型材料与工艺5最常用的金属材料钢铝合金钛合金2019年10月3日8时37分造型材料与工艺6最先进的金属材料超高纯度铁超高强度钢超高速钢(用作刀具)超高易切削钢超硬合金金属陶瓷超塑性合金超导材料超耐热合金金属基复合材料金属玻璃纳米金属颗粒形状记忆合金贮氢合金2019年10月3日8时37分造型材料与工艺78.1金属材料的固有特性金属材料几乎都是具有晶格结构的固体，由金属键结合而成。金属材料是电与热的良导体。金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。金属材料具有良好的延展性。金属可以制成金属键化合物，可以与其他金属或非金属元素在熔融状态下形成合金，以改善金属的性能。除了贵金属之外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼，易于氧化而生锈。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺88.2金属材料的成型加工8.2.1铸造（Foundry）概念铸造是指将液态金属注入与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，冷却凝固后获得毛坯或零件的方法。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺9在机械制造中的地位按质量计算，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%。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺10铸造工艺的分类：砂型铸造特种铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造离心铸造2019年10月3日8时37分造型材料与工艺11特点适用于各种金属材料能制成各种尺寸和形状的铸件节省材料，减少加工余量，降低成本容易产生气孔、缩孔和裂纹等缺陷铸件的力学性能不如相同材料的锻件生产工序多、铸件质量不稳定、废品率高、工作条件差、劳动强度高2019年10月3日8时37分造型材料与工艺12铸造产品2019年10月3日8时37分造型材料与工艺131、砂型铸造2019年10月3日8时37分造型材料与工艺14工序：模样与芯盒准备、型砂与芯砂配制——造型、造芯——熔炼、浇注——落砂、清理——检验入库。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺15模样和芯盒：模样和芯盒是用来造型和造芯的基本工艺装备。如图所示模样用于形成铸型的型腔，它和铸件的外形相适应；芯盒用于制造芯（芯子），其内腔与芯子的形状和尺寸相适应。在单件或小批生产时，模样和芯盒可用木材制作，大批、大量生产时，可用铝合金、塑料等材料来制作。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺16造型材料：造型材料是指用于制造砂型（芯）的材料，主要包括型砂和芯砂。型（芯）砂主要由原砂、粘结剂、附加物、水、旧砂按比例混合而成。根据型砂中采用粘结剂种类的不同，型砂可分为粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等。型砂与芯砂应具备如下性能：①足够的强度；②较高的耐火性；③良好的透气性；④较好的退让性。（型砂具有随铸件的冷却收缩而被压缩其体积的性能）2019年10月3日8时37分造型材料与工艺17砂型2019年10月3日8时37分造型材料与工艺18砂型铸件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺19清砂2019年10月3日8时37分造型材料与工艺20砂型铸件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺21特点最常用、最基本的铸造方法设备简单、操作灵活不受铸件形状、尺寸、重量及所用金属种类的限制适合于各种生产规模成本低2019年10月3日8时37分造型材料与工艺222、熔模铸造2019年10月3日8时37分造型材料与工艺23熔模铸造蜡模组2019年10月3日8时37分造型材料与工艺24工艺流程产品设计模具制作注腊腊件组合沾浆淋沙脱蜡预热浇铸除壳切断打磨热处理精加工检查→→→→→→→→→→→→→→2019年10月3日8时37分造型材料与工艺25矿山机械配件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺26矿山机械配件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺27机械配件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺28机械配件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺29不锈钢制品2019年10月3日8时37分造型材料与工艺30五金件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺31汽车配件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺32熔模铸造的特点又称“精密铸造”或“失蜡铸造”。可熔炼的材质十分广泛。不受产品形状结构复杂的限制。铸件尺寸控制精密，机加工切削余量极少，表面质量好。可应用的范围也越来越广：①在热加工领域里，取材困难件或不易成型件以及某些加工成本高的锻造件，可适用熔模铸造；②在铸造的领域里，有些产品可用熔模铸造替代其它形式的铸造，减少加工切削余量降低成本，提高尺寸精度和表面粗糙度以及材料的机械性能，从而达到升级产品档次的目的。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺33概况熔模铸造是一种古老的铸造方法。在我国发现最早的熔模铸件是2400多年前的战国早期，从50年代开始，将熔模铸造用于工业生产中，经过40多年的发展，熔模铸造已成为我国机械制造业中的基础工艺，并形成一个独特的行业。据不完全统计，全国有熔模铸造厂1300多个，熔模铸件产量约16万件，年产值约为16亿元人民币，全行业职工总数约为十万人。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺34行业分布碳钢类机械零件熔模铸造企业不锈钢类商品零件熔模铸造企业航空航天及燃气轮机类熔模铸造企业（如：沈阳黎明发动机制造公司精密铸造厂）2019年10月3日8时37分造型材料与工艺353、金属型铸造金属型铸造又称硬模铸造或永久型铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺36特点铸件的机械性能比砂型铸件高。同样合金，其抗拉强度平均可提高约25%，屈服强度平均提高约20%，其抗蚀性能和硬度亦显著提高。铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定。铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30%。不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80%～100%。金属型铸造的生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；工序简单，易实现机械化和自动化。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺37不足之处金属型制造成本高。金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不足、裂纹、气孔及铸铁件白口等缺陷。金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺38金属型铸件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺394、压力铸造压力铸造（简称压铸）是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。常用压力铸造的压力为5－70MPa，充型速度为5－100m／S。压力铸造在压铸机上进行。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺40目前压力铸造主要用于大批量生产铝、锌、铜、镁等非铁金属与合金件。如汽车、仪表、计算机、航空、摩托车、日用品等行业各类中小型薄壁铸件（发动机气缸体、气缸盖、仪表壳体、电动转子、照相机壳体、各类工艺品、装饰品等）。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺41卧式冷压室压涛机工作原理图2019年10月3日8时37分造型材料与工艺42卧式冷室式压铸机2019年10月3日8时37分造型材料与工艺43特点（1）产品质量好铸件尺寸精度高，表面光洁度好；强度和硬度较高，一般比砂型铸造提高25~30％，但延伸率降低约70％；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件。例如，当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm；铝合金铸件可达0.5mm；最小铸出孔径为0.7mm；最小螺距为0.75mm。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺44（2）生产效率高机器生产率高，例如国产JⅢ3型卧式冷空压铸机平均八小时可压铸600～700次，小型热室压铸机平均每八小时可压铸3000~7000次；压铸型寿命长，一副压铸型，压铸铜合金，寿命可达几十万次，甚至上百万次；易实现机械化和自动化。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺45（3）经济效果优良由于压铸件尺寸精确，表面光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时；铸件价格便宜；既节省装配工时又节省金属。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺46压力铸造加工件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺47常见压铸件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺48不足之处压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳定，铸件易产生气孔，且不能进行热处理。对内凹复杂的铸件，压铸较为困难。高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低。不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺495、离心铸造离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，使之在离心力的作用下，完成充填和凝固成形的一种铸造方法。为了实现这种工艺过程，必须采用专门的设备——离心铸造机（简称为离心机），提供使铸型旋转的条件。根据铸型旋转轴在空间位置的不同，常用离心机分为立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺50立式离心铸造示意图1-浇包2-铸型3-液体金属4-带轮和传动带5-旋转轴6-铸件7-电动机2019年10月3日8时37分造型材料与工艺51卧式离心铸造示意图1-浇包2-浇铸槽3-铸型4-液体金属5-端盖6-铸件2019年10月3日8时37分造型材料与工艺52卧式离心铸造机2019年10月3日8时37分造型材料与工艺53特点铸型中的液体金属能形成中空圆柱形自由表面，不用型芯就可形成中空的套筒和管类铸件，因而可简化这类铸件的生产工艺过程。显著提高液体金属的充填能力，改善充型条件，可用于浇注流动性较差的合金和壁较薄的铸件。有利于铸件内液体金属中的气体和夹杂物的排除，铸件的组织致密，缩松及夹杂等缺陷较少，铸件的力学性能好。2019年10月3日8时37分造型材料与工艺54可减少甚至不用冒口系统，降低了金属消耗。可生产双金属中间圆柱形铸件，如轴承套、铸管等。在浇注中空铸件时，其内表面较粗糙，尺寸难以控制典型应用：自行车手把2019年10月3日8时37分造型材料与工艺55古代铸造工艺品铜铃（夏）84年河南省偃师县二里头出土，中国社会科学院考古研究所藏2019年10月3日8时37分造型材料与工艺56铜爵（夏）84年河南省偃师县二里头出土，中国社会科学院考古研究所藏2019年10月3日8时37分造型材料与工艺57铜盉（he)（夏）1984年河南省偃师县二里头出土，中国社会科学院考古研究所藏2019年10月3日8时37分造型材料与工艺58铜圆斝（jia)（商）1976年河南省安阳市殷墟出土中国社会科学院考古研究所藏2019年10月3日8时37分造型材料与工艺59兽面纹双层底铜鼎1989年江西省新干县大洋出土江西省博物馆藏2019年10月3日8时37分造