《汽车制造工艺学》第二章课件

内容提要学习要求:了解：制造工艺基础知识（铸造、锻造、焊接、冲压、粉末冶金、塑料成型）；熟悉：毛坯制造方法的选择原则；介绍：汽车及其零件制造中常用制造工艺基础知识：铸造、锻造、焊接、冲压、粉末冶金、塑料成型，初步掌握毛坯的选择方法。重点：掌握毛坯制造方法的选择原则。铸造工艺基础2.1铸造工艺基础铸造是机器制造业中生产毛坯的工艺方法之一，它是将溶化后金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。一、概述铸造获得零件或毛坯就材质而言，铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等应有尽有，仅铸铁就采用了灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁及合金铸铁。可以说，汽车工业使各种铸铁材质达到物尽其用的地步。液体金属完全靠重力充满整个铸型型腔，且直接形成铸型的原材料主要为型砂，这种铸造方法称为砂型铸造。在汽车铸件生产中，砂型铸造所生产的铸件占整个汽车铸件的90%以上。凡不同于砂型铸造的所有铸造方法，统称为特种铸造。汽车用铸件的主要特点是壁薄、形状复杂、尺寸精度高、质量轻、可靠性好、生产批量大等。铸件一般汽车自重的20%左右，仅次于钢材用量。铸造工艺基础（一）铸造的特点及分类就所采用的各种工艺方法而言，一般习惯将铸造分成砂型铸造和特种铸造两大类。铸造工艺基础（二）合金的铸造性能合金在铸件过程中所表现出来的性能统称为合金的铸造性能，主要是指流动性、收缩性、偏析性和吸气性。1.流动性合金的流动性是指液态液态合金本身的流动能力。它与金属的成分、浇铸温度、浇铸压力及铸型有关。金属的流动性对补缩、防裂，获得优质铸件有较大影响。液态金属的流动性好，充型能力强，能浇出形状复杂、薄壁的铸件，避免产生浇不足、冷隔等缺陷；液态金属的流动性好，有利于金属液中气体和夹杂物的上浮和排除，可减少气孔、渣眼等缺陷；液态金属的流动性好，铸件在凝固及收缩过程中，可得到来自冒口的液态合金的补充，可防止铸件产生缩孔、缩松等缺陷。铸造工艺基础2.收缩性合金从液态冷却至常温过程中，所发生的体积缩小现象称为收缩。合金的收缩分为三个阶段：液态收缩阶段凝固收缩阶段固态收缩阶段影响铸件收缩的主要原因有：合金成分浇注温度铸型和铸件结构固体收缩是铸件中许多缺陷，如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基本原因。铸造工艺基础★3.偏析及吸气性在铸铁中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析使铸件性能不均匀，严重时会使铸件报废。为了减少合金的吸气性，常采用如下措施：缩短熔炼时间，选用烘干过的炉料；在溶剂覆盖层下或在保护性气体介质中熔炼合金；提高铸型和型芯的透气性；降低造型材料中的含水量等。合金在熔炼和浇铸时吸收气体的性能称为合金的吸气性。在合金液冷凝过程中，随着温度降低会析出饱和气体。若这些气体来不及从合金液中逸处，将在铸件中形成气孔、针孔或非金属夹杂物（如FeO、AI2O3等），从而降低了铸件的力学性能和致密性。汽车铸造分成砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造的造型工艺二、砂型铸造的造型工艺（一）砂型铸造的铸造工艺造型工艺是指用型砂和模型制造铸型的过程，是砂型铸造的铸造工艺中最重要的组成部分。目前90%以上的铸件是用砂型铸造方法生产的。造型方法分手工造型和机器造型两大类。铸造工艺过程主要由以下几个部分组成：造型造芯砂型及型芯烘干合型熔炼金属浇铸落砂和清理检验砂型铸造的造型工艺砂型铸造的造型工艺（二）造型材料和造型方法制造铸型用的材料称为造型材料。主要指型砂和芯砂。它由原砂、黏结剂（黏土、特殊黏结剂：桐油、合脂)、特殊附加物组成。对型砂和芯砂性能的要求：可塑性、强度、耐火性、透气性、退让性。造型就是用型砂和模型制造铸型的过程。造型方法分手工造型和机器造型两大类。手工造型是指全部用手工或手动工具完成的造型过程。主要用于单件和小批生产，也用于形状复杂和大型铸件的生产。机器造型是指用机器完成全部或至少完成紧砂操作的造型过程。主要在大量生产时使用。砂型铸造的造型工艺（三）铸件浇铸位置和分型面的选择浇注位置是指浇注时铸件所处的位置。分型面是指两半个铸型相互接触的表面。他们的选择原则主要是保证铸件质量和简化造型工艺。一般情况下，应先选择浇铸位置后决定分型面。但在生产中由于浇铸位置的选择和分型面的确定有时相互矛盾，所以必须综合分析各种方案的利弊，选择最佳方案。砂型铸造的造型工艺1、浇铸位置的选择原则（1）铸件的重要加工面应朝下一般情况下，铸件浇注位置的上面比下面铸造缺陷多，所以应将铸件的重要加工面或主要受力使用面等要求较高的部位放到下面，若有困难则可放到侧面或斜面。砂型铸造的造型工艺（2）铸件的大表面应朝下由于浇注时的热辐射作用，铸型型腔上表面的型砂容易拱起和开裂，使铸件上表面产生加砂和夹杂缺陷，因此应使铸件的大表面应朝下。（3）铸件薄壁部分应放下部薄壁铸件应将薄而大的平面放到下面或侧立、倾斜，增加充型压力，提高金属充型能力，以防止出现浇不足或冷隔等缺陷。砂型铸造的造型工艺（4）保证铸件实现定向凝固对于合金收缩大，壁厚不均的铸件，需要补缩时，应从顺序凝固的原则出发，将厚大部分放在上面或侧面，以便于安放冒口和冷铁。（5）便于型芯的固定、安装、排气和合型应尽可能避免使用吊砂、吊芯或悬壁式砂芯。如左图如图2-3所示正确砂型铸造的造型工艺2、分型面的选择原则分型面应尽量采用平直面，避免挖砂造型，使操作方便，提高生产率。即使采用机器造型，也可简化模板。（1）分型面应尽量采用平直面（2）分型面数量应尽量减少砂型铸造的造型工艺为了简化操作过程，保证铸件尺寸精度，应尽量减少分型面的数目，减少活块的数目。三箱两箱双联齿轮分型面的选择砂型铸造的造型工艺（3）尽量将铸件全部或大部分放在同一个砂型中尽量将铸件的重要加工面或大部分加工面和加工基准面放在同一个砂型中，而且尽可能放在下箱，可提高铸件精度。砂型铸造的造型工艺（4）应尽量减少型芯和活块的数目砂型铸造的造型工艺（5）分型面一般选在铸件的最大截面上为了起模方便，分型面一般选在铸件的最大截面上，但注意不要使模样在一箱内过高。砂型铸造的造型工艺（四）工艺参数的选择铸造工艺方案确定以后，还要选择各种工艺参数（1）机械加工余量为了保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件加工表面上留出的、准备切去的金属层厚度，称为机械加工余量。机械加工余量的大小取决于铸造合金的种类、造型方法、铸件大小及加工表面在铸型中的位置等诸多因素。铸钢件表面粗糙，变形大，加工余量大；非铁合金表面较光洁，加工余量小；铸件越大，越复杂，加工余量越大；铸件的顶面比底面和侧面的加工余量大。砂型铸造的造型工艺（2）起模斜度为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂芯。模样越高，斜度取值越小；内壁斜度比外壁斜度大；手工造型比机器造型的斜度大；铸件外壁斜度一般取0.5°~4°。砂型铸造的造型工艺（3）铸造圆角为了防止铸件在壁的连接和拐角处产生应力和裂纹，防止铸型的尖角损坏和产生砂眼，在设计铸件时，铸件壁的连接和拐角部分应设计成圆角。（4）型芯头为了保证型芯在铸件中的定位、支撑和排气。摸样和芯头都要设计出型芯头。型芯头是指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分，并它们之间的尺寸和形状要留有装配用的芯头间隙。砂型铸造的造型工艺（4）收缩余量由于合金的线收缩，铸件冷却后的尺寸将比型腔尺寸略为缩小，为保证铸件的应有尺寸，模型尺寸必须比铸件放大一个该合金的收缩量。一般：灰铸铁的收缩余量为0.8%~1.0%；铸钢的收缩余量为1.8%~2.2%；铸造铝合金的收缩余量为1.0%~1.5%；收缩余量的大小除了与合金种类有关外，还与铸造工艺、铸件在收缩时的受阻情况有关。三、铸件的结构工艺性砂型铸造的造型工艺铸件结构工艺性是指所设计的铸件结构不仅能保证零件使用性能的要求，而且还能适应铸造工艺和合金铸造性能的要求。铸造结构设计是否合理，对铸件质量、铸造成本和生产率有很大的影响。（一）铸造工艺对铸件结构的要求（1）减少和简化分型面（分型面容易使铸件产生错型，影响铸件外形和尺寸精度）。砂型铸造的造型工艺（2）起模方便，避免使用活块和型芯（改进妨碍起模的凸台、凸缘、筋板的结构）砂型铸造的造型工艺（3）尽量取消铸件外表侧凹（能减少型芯；便于型芯的定位）砂型铸造的造型工艺（4）有利于型芯的固定、排气和清理砂型铸造的造型工艺（5）铸件结构斜度的设计铸件结构设计时，考虑到起模方便，应在垂直于分型面的不加工立壁上设计出斜度。设计斜度要比制作摸样时给出的起模斜度大，这样便于制作摸样时不在考虑起模斜度，从而使起模方便，铸件精度高。采用机器造型时，设计斜度取0.5°~1°；用手工造型时，取的1°~3°。铸件内壁斜度要大于外侧面。砂型铸造的造型工艺（二）合金铸造性能对铸件结构的要求（1）铸件的壁厚应合理（不同的合金、不同的铸造条件，对合金的流动性影响很大。为了获得完整、光滑的合格铸件，铸件壁厚设计应大于该合金在一定铸造条件下所能得到的“最小壁厚”）。表2-1列举了在砂型铸造条件下铸件的最小壁厚铸件结构的设计应考虑到合金的铸造性能要求，避免产生缩孔、缩松、浇不足、变形和裂纹等铸造缺陷。壁厚太大易产生缩孔（2）壁厚力求均匀金属过多地聚集在一起，使铸件冷却不均匀，形成较大的内应力，而且易形成缩孔、缩松及裂纹。因此应取消不必要的厚大部分，减小、减少热节。砂型铸造的造型工艺砂型铸造的造型工艺（3）铸件壁的连接和圆角要合理铸件的壁厚应力求均匀，如果因结构所需，不能达到厚薄均匀，则铸件各部分不同壁厚的连接应采用逐渐过渡。砂型铸造的造型工艺（4）应防止产生变形当铸件的收缩受到阻碍，产生的铸件内应力超过合金的强度极限时，铸件将产生裂纹。应避免铸件收缩阻碍，尽量使其能自由收缩。（5）避免水平方向出现较大的平面大平面受到高温金属液烘烤时间长，铸型型腔上表面的型砂容易拱起和开裂，使铸件上表面产生加砂和夹杂缺陷；金属液中气孔、夹渣上浮滞留在大表面，产生气孔、渣孔；而且大平面不利于金属液充填，易产生浇铸不足和冷隔。砂型铸造的造型工艺特种铸造与砂型铸造不同的一系列铸造方法，称为特种铸造。如离心铸造、壳型铸造、压力铸造、低压铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造等。四、特种铸造将液体金属浇注到用金属材料制成的铸型中，获得铸件的铸造方法称为金属型铸造。由于金属铸型可反复使用许多次，故又称为永久型铸造。（不能称为金属模）（一）金属型铸造根据分型面的不同，可把金属型分为垂直式、水平分型式、复合分型式等。特种铸造垂直分型式金属型1.底坐2.活动半型3.定位销4.固定半型活塞的组合式金属型1-圆孔型芯2-金属型3-两侧型芯4-中间型芯特种铸造金属型铸造工艺特点（1）喷刷涂料金属型型腔和型芯与高温的金属液直接接触，为了减缓铸件的冷却速度，防止高温金属液流对型壁的直接冲刷，保护金属型和利用涂料层蓄气排气，在金属型型腔和型芯表面必须喷刷涂料。（2）金属型预热未预热的金属型不能进行浇注。（3）金属型的浇注一般金属型的浇注温度比砂型铸造浇注温度要高，如果浇温太低，将会使铸件产生冷隔、气孔和夹杂等缺陷。由于金属型的激冷和不透气，浇注速度应做到先慢、后快、再慢。特种铸造金属型铸造的特点和应用范围金属型铸造具有许多优点：可承受多次浇注，实现了“一型多铸”，便于实现机械化和自动化生产，从而大大提高了生产率；同时，铸件精度和表面质量比砂型铸造显著提高，从而节省金属和减少切削加工工作量；由于结晶组织致密，铸件的机械性能得到提高，如铸铝件的屈服强度平均提高20％。此外，铸型不用造型材料，节省了许多工序，使铸造车间面貌改观，改善了劳动条件，提高了劳动生产率，降低了造型的劳动强度。主要缺点是：金属型制造成本高，周期长，铸造工艺要求严格；此外，金属型铸造适用的铸件形状和尺寸有着一定的限制。适应范围：主要适用于有色合金铸件的大批量生产。特种铸造压力铸造简称压铸，他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，并在压力作用下凝固而获得铸件的方法。（二）压力型铸造特种铸造压力铸造的特点和应用范围压力铸造具有以下优点：铸件的精度及表面质量较其它铸造方法均高。因此，压铸件不经机械加工或少许加工，即可使用。