材料成形的方法

金属液态成形——液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。液态成形是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法之一。常用的铸造。一铸造定义铸造（最广泛）：将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件的成形工艺（生产方法）。二铸造分类1.按铸型材料来分：砂型铸造、金属型铸造、石墨型铸造、陶瓷铸造；2.按充型方式来分：重力充型、高压充型、低压充型、离心力充型；3.按液态成形工艺方法的作用力不同又可分为两类：重力作用下的液态成形工艺方法：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、气化模铸造、陶瓷型铸造等；外力作用下的液态成形工艺方法：离心铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造等。三其铸造工艺如图所示四铸造的特点1．能制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯：如阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等。2．铸件的大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨。3．常用原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛。如机床、内燃机中铸件70~80%；农业机械40~70%。4.但铸造生产过程较复杂，废品率一般较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺陷。五铸造常见的主要问题组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。基本工艺过程制作模样配制型砂制作芯盒制作芯砂}砂型铸型凝固、落砂、清理、检验铸件型芯烘干造型下芯浇注液态金属选配炉料熔炼造芯}锻压：对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。主要方法：锻造:将坯料加热到高温状态后进行加工.冲压:将坯料在常温下进行加工.特点:(1)改善金属组织、提高力学性能(2)节约金属材料(3)较高的生产率(4)毛坯或零件的精度较高(5)不能加工脆性材料(6)不能获得形状复杂的毛坯或零件一自由锻：1.定义：利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。自由锻造时，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。2.分类：手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。机器锻造是自由锻的主要方法。3.特点：工具简单、通用性强，生产准备周期短。自由锻件的质量范围可由不及一千克到二、三百吨，对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，这使得自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用，例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件在工作时都承受很大的载荷，要求具有较高的力学性能，常采用自由锻方法生产毛坯。由于自由锻件的形状与尺寸主要靠人工操作来控制，所以锻件的精度较低，加工余量大，劳动强度大，生产率低。自由锻主要应用于单件、小批量生产，修配以及大型锻件的生产和新产品的试制等。4自由锻工序自由锻工序：基本工序、辅助工序和修整工序。（1）基本工序使金属坯料产生一定程度的塑性变形，以得到所需形状、尺寸或改善材质性能的工艺过程。它是锻件成形过程中必需的变形工序，如镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等。实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个工序。１）．镦粗沿工件轴向进行锻打，使其长度减小，横截面积增大的操作过程。常用来锻造齿轮坯、凸缘、圆盘等零件，也可用来作为锻造环、套筒等空心锻件冲孔前的预备工序。镦粗可分为全镦粗和局部镦粗两种形式，如图所示。镦粗时，坯料不能过长，高度与直径之比应小于2.5，以免镦弯，或出现细腰、夹层等现象。坯料镦粗的部位必须均匀加热，以防止出现变形不均匀。图镦粗a）全镦粗b）局部镦粗２）．拔长拔长是沿垂直于工件的轴向进行锻打，以使其截面积减小，而长度增加的操作过程，如图所示。常用于锻造轴类和杆类等零件。对于圆形坯料，一般先锻打成方形后再进行拔长，最后锻成所需形状，或使用V型砧铁进行拔长，如图所示，在锻造过程中要将坯料绕轴线不断翻转。图拔长图使用V型砧铁拔长圆坯料３）．冲孔利用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的操作过程。常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件，对于直径小于25mm的孔一般不锻出，而是采用钻削的方法进行加工。在薄坯料上冲通孔时，可用冲头一次冲出。若坯料较厚时，可先在坯料的一边冲到孔深的2／3深度后，拔出冲头，翻转工件，从反面冲通，以避免在孔的周围冲出毛刺，如图所示。实心冲头双面冲孔时，圆柱形坯料会产生畸变。畸变程度与冲孔前坯料直径D0、高度H0和孔径d1等有关。D0/d1愈小，畸变愈严重，另外冲孔高度过大时，易将孔冲偏，因此用于冲孔的坯料直径D0与孔径d1之比（D0/d1）应大于2.5，坯料高度应小于坯料直径。图冲孔a）薄坯料冲孔b）厚坯料冲孔1－冲头2－坯料3－垫环4－芯料冲孔错移扭转（2）辅助工序为使基本工序操作方便而进行的预变形工序称为辅助工序（压钳口、切肩等）。（3）修整工序用以减少锻件表面缺陷而进行的工序（如校正、滚圆、平整等）。5.自由锻工艺规程的制定制订工艺规程、编写工艺卡片是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，是组织生产、规范操作、控制和检查产品质量的依据。制订工艺规程，必须结合生产条件、设备能力和技术水平等实际情况，力求技术上先进、经济上合理、操作上安全，以达到正确指导生产的目的。自由锻工艺规程：根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量与尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料加热规范和填写工艺卡片等。（1）绘制自由锻件图以零件图为基础，结合自由锻工艺特点绘制而成的图形，它是工艺规程的核心内容，是制定锻造工艺过程和锻件检验的依据。锻件图必须准确而全面反映锻件的特殊内容，如圆角、斜度等，以及对产品的技术要求，如性能、组织等。绘制时主要考虑以下几个因素：1）．敷料对键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金属以简化锻件的形状。为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属，称为敷料，如图2-11所示。2）．锻件余量在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件余量，如图所示。锻件余量的大小与零件的材料、形状、尺寸、批量大小、生产实际条件等因素有关。零件越大，形状越复杂，则余量越大。3）．锻件公差锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量，其值的大小与锻件形状、尺寸有关，并受生产具体情况的影响。图锻件余量及敷料1—敷料2—锻件余量自由锻件余量和锻件公差可查有关手册。钢轴自由锻件的余量和锻件公差，见表1。表1钢轴自由锻件余量和锻件公差（双边）（mm）零件长度零件直径5050～8080～120120～160160～200200～250锻件余量和锻件公差3155±26±27±28±3——315～6306±27±28±39±310±311±4630～10007±28±39±310±311±412±41000～16008±39±310±311±412±413±4在锻件图上，锻件的外形用粗实线，如图所示。为了使操作者了解零件的形状和尺寸，在锻件图上用双点划线画出零件的主要轮廓形状，并在锻件尺寸线的上方标注锻件尺寸与公差，尺寸线下方用圆括弧标注出零件尺寸。对于大型锻件，还必须在同一个坯料上锻造出供性能检验用的试样来，该试样的形状与尺寸也在锻件图上表示。图2典型锻件图（2）计算坯料质量与尺寸1）．确定坯料质量自由锻所用坯料的质量为锻件的质量与锻造时各种金属消耗的质量之和，可由下式计算：G坯料=G锻件+G烧损+G料头式中G坯料——坯料质量，单位为kg；G锻件——锻件质量，单位为kg；G烧损——加热时坯料因表面氧化而烧损的质量，单位为kg；第一次加热取被加热金属质量分数的2%～3%，以后各次加热取1.5%～2.0%；G料头——锻造过程中被冲掉或切掉的那部分金属的质量，单位为kg；如冲孔时坯料中部的料芯，修切端部产生的料头等。对于大型锻件，当采用钢锭作坯料进行锻造时，还要考虑切掉的钢锭头部和尾部的质量。2）．确定坯料尺寸根据塑性加工过程中体积不变原则和采用的基本工序类型（如拔长、镦粗等）的锻造比、高度与直径之比等计算出坯料横截面积、直径或边长等尺寸。典型锻件的锻造比见表2。表2典型锻件的锻造比锻件名称计算部位锻造比锻件名称计算部位锻造比碳素钢轴类锻件最大截面2.0～2.5锤头最大截面≥2.5合金钢轴类锻件最大截面2.5～3.0水轮机主轴轴身≥2.5热轧辊辊身2.5～3.0水轮机立柱最大截面≥3.0冷轧辊辊身3.5～5.0模块最大截面≥3.0齿轮轴最大截面2.5～3.0航空用大型锻件最大截面6.0～8.0（3）选择锻造工序自由锻锻造工序的选取应根据工序特点和锻件形状来确定。一般而言，盘类零件多采用镦粗（或拔长－镦粗）和冲孔等工序；轴类零件多采用拔长，切肩和锻台阶等工序。一般锻件的分类及采用的工序见表3。表3锻件分类及所需锻造工序锻件类别图例锻造工序盘类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔等轴类零件拔长（或镦粗－拔长），切肩，锻台阶等筒类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上拔长等环类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔等弯曲类零件拔长，弯曲等自由锻工序的选择与整个锻造工艺过程中的火次（即坯料加热次数）和变形程度有关。所需火次与每一火次中坯料成形所经历的工序都应明确规定出来，写在工艺卡片上。（4）选择锻造设备根据作用在坯料上力的性质，自由锻设备分为锻锤和液压机两大类。（5）确定锻造温度范围锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。锻造温度范围应尽量选宽一些，以减少锻造火次，提高生产率。加热的始锻温度一般取固相线以下100～200℃，以保证金属不发生过热与过烧。终锻温度一般高于金属的再结晶温度50～100℃，以保证锻后再结晶完全，锻件内部得到细晶粒组织。碳素钢和低合金结构钢的锻造温度范围，一般以铁碳平衡相图为基础，且其终锻温度选在高于Ar3点，以避免锻造时相变引起裂纹。高合金钢因合金元素的影响，始锻温度下降，终锻温度提高，锻造温度范围变窄。部分金属材料的锻造温度范围见表4。此外，锻件终锻温度还与变形程度有关，变形程度较小时，终锻温度可稍低于规定温度。表4部分金属材料的锻造温度范围材料类型锻造温度/℃保温时间/min﹒mm-1始锻终锻10、15、20、25、30、35、40、45、5012008000.25～0.715CrA、16Cr2MnTiA、38CrA、20MnA、20CrMnTiA12008000.3～0.812CrNi3A、12CrNi4A、38CrMoAlA、25CrMnNiTiA、30CrMnSiA、50CrVA、18Cr2Ni4WA、20CrNi3A11808500.3～0.840CrMnA11508000.3～0.8铜合金800～900650～700—铝合金450～500350～380—（6）填写工艺卡片二模型锻造以锻模模膛限制金属坯料的变形，从而获得锻件的成形方法特点(1)生产效率较高(2)能锻造形状复杂的锻件(3)模锻件的尺寸较精确(4)节省金属材料(5)模锻操作简单，劳动强度低三板料冲压：通常在室温下进行，所以又称冷冲压，简称冲压。特点：1)不需要对毛坯加热，是节约能源的加工方法2）生产操作简单，生产率高3）尺寸精度较高，质量稳定4）制造费用高。用于大批量生产条件下固态材料连接过程常见的连接成形工艺：焊接、胶接和机械联接等。一定义焊接通常是指金属的焊接。是通过加热或加压，或两者同时并用，使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成形方法。二分类：根据焊接过程中加热程度和工艺特点的不同，焊接方法可以分为三大类。(1)熔焊将工件焊接处局部加热到熔化状态，形成熔池（通常还加入填充金属），冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合为不可分离的整体。常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。(2)压焊在焊接过程中无论加热与否，均需要加压的焊接方法。常见的压焊有电阻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、爆炸焊等。(3)钎焊采用熔点低于被焊金属的钎料（填充金属）熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化，且一般没有塑