汽车零件常用制造工艺基础知识

第二章汽车零件常用制造工艺基础第一节铸造工艺基础第二节锻造工艺基础第三节焊接工艺基础第四节冲压工艺基础第七节毛坯的选择第五节粉末冶金工艺基础第一节铸造工艺基础一、概述•铸造：将熔化的金属液浇注到铸型中，待其凝固冷却后,获得一定形状的零件毛坯或零件的成形方法。铸造的毛坯或零件称为铸件。铸件材质：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜铸铁：白口：C以FeC形式存在灰口：C以片状自由态存在球铁：C以球状自由态存在可锻：C以团絮状存在蠕墨：灰口铁中添加稀土元素车用铸件特点与分类：特点：1、薄壁、形状复杂、尺寸精度高；2、生产批量大；3、材质要求高，如强韧、抗压等。分类：砂型铸造（90%）和特种铸造合金的铸造性能1流动性:液态合金的流动能力,影响充型能力。——流动性好，则充型能力强，铸造缺陷少——影响因素：合金成分、浇注温度\压力和铸型等2.收缩性:液态与凝固收缩是产生缩孔(宏观）、缩松（微观）的基本原因；固态收缩是产生内应力、变形和裂纹的基本原因。影响因素：合金成分，浇注温度、铸型等。3.偏析及吸气性：偏析：铸件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；吸气性：熔炼、浇注时吸收气体的性能。冷凝时如气体不逸出，会在铸件中形成气孔或夹杂物（如FeO）。降低吸气性的方法主要有：缩短熔炼时间，炉料烘干；加保护气;提高铸型和型芯透气性;降低含水量等。二、砂型铸造的造型工艺（一）砂型铸造的工艺过程套筒的砂型铸造过程示意图•造型材料•型砂、芯沙：砂、粘结剂（粘土、桐油、合成脂等）、特殊附加物（如：木屑增加透气性；煤粉加强防粘性）。•芯砂要比型砂具有更好的耐火性、强度、透气性、退让性（不阻碍收缩）。•造型方法：手工造型与机器造型•（二）造型材料与造型方法（三）砂型制造•1、砂型的组成2、铸件浇注位置和分型面的选择选择铸件浇注位置要考虑以下原则：a.铸件的重要加工面、主要工作面应朝下或在侧面（图12、13）：保证组织均匀、致密；铸件浇注位置：指铸件在铸型中的位置与姿态b、大平面朝下（图2-14）：在上时，由于热上升，型砂膨胀，易使铸件拱起c.铸件薄壁部分应放在下部（图2-15）：下部组织均匀、防热拱起d.易形成缩孔的铸件，较厚的部分保证铸件实现定向凝固（图2-16）；e.尽量减少型芯，利于其安放、合型、排气（图2-17）。分型面：两个半铸型相互接触的表面选择分型面要考虑以下原则：a.分型面应尽量采用平面（图2-19）；b.分型面数量尽量少（图2-20)；c.尽量使铸件全部或大部分放在同一砂型中(图2-21）；d.应尽量减少型芯和活块的数量（图2-21）。方案a：制模（手工）的过程中需要手工翻动沙箱，取出样模，生产率低，方案b：需用三箱手工造型方案c：两箱机器造型减小错箱误差，保证位置精度（加工基准面为φ350，内孔与其在一个箱容易保证二者位置精度和组织的均匀。若以φ350为分型面，虽可简化型芯，但分型面处铸造质量难以保证（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)加工余量：为进行机械加工，铸件比零件增大的一层金属称为加工余量加工余量取决于铸造合金的种类、造型方法、铸件大小及加工面在铸型中的位置等诸多因素。一般，各种铸造方法的加工余量可参阅《机械制造手册》。(2)起模斜度：为使模样便于从铸型中取出，垂直于分型面的立壁要有一定的斜度，称之为起模斜度。一般取0.5°~4°。(3)铸造圆角：防止铸件连接和拐角处产生应力、裂纹，防止铸型的尖角损坏和产生砂眼。•(4)型芯头：保证型芯在铸型中的定位、固定和排气，型模和型芯都要设计出型芯头，型芯要有排气孔。•(5)收缩余量：为补偿铸件收缩，模样要比铸件图纸尺寸略大，这个增大的数值称为收缩余量。一般灰铸铁的收缩余量为0.8%-1.0%，铸钢为1.8%-2.2%，铸造铝合金为1.0%-1.5%。收缩余量大小通常与合金种类、铸造工艺、铸件在收缩时的受阻情况等有关。（五）铸造工艺图：用工艺符号或文字，将铸造工艺方案、工艺参数、型芯等绘制在零件图上形成的图形。四、特种铸造1.金属型铸造•特种铸造：指与砂型铸造不同的其他铸造方法。•方法种类：金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造等等。•概念：借助重力将熔融金属浇注入金属铸型获得铸件的方法.常用的垂直分型式金属型如图2-6所示。•特点：“一型多铸”，铸件精度和力学性能高。尺寸精度IT12-IT16，表面粗糙度Ra6.3-12.5•应用：用于形状不复杂的中、小铸件的大批量生产中。如汽车中的铝合金缸盖、进气管及活塞等。工艺措施：1）排气；2）型腔喷耐火涂料；3）预热金属型•2.压力铸造（压铸机+金属膜）•概念：指将熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。压力铸造使用的压铸机如图2-7所示。•特点：•——高压、高速充型（压力：5-150MPa，时间：0.15s，充填速度：5-100m/s），无流动性问题，生产率很高，适用于大批量生产（设备、铸型投资大）。•——组织细密，精度高：力学性能比砂型铸造提高20%-40%。精度：IT11-IT13，Ra1.6-6.3•——排气困难，这可导致铸件表皮下产生含气体的微孔，容易引起压铸件变形。因此，压力铸造铸件不能进行热处理。•结构工艺性：可铸出细小的螺纹、孔、齿、文字等；适用于薄壁件（铝合金：1.5-5mm，铜合金2-5mm）；•应用：在汽车上的压铸件上百种，如铝压铸件缸体、缸盖等。3.低压铸造•概念：在20-60kPa的压力下，使金属液自下而上热压入铸型并在压力下结晶凝固的铸造方法。原理如图2-8。•特点：压力可控，压力下凝固，组织致密，无缺陷。成品率高，金属利用率高(可达95%)。铸件表面粗糙度可达IT14-lTl2，最小壁厚为2-5mm。•应用：适用于各种材料的铸型(金属型、砂型、壳型和熔模铸型)。可以生产铝、镁、铜合金和少量钢制薄壁壳体类铸件，例如发动机的缸体和缸套，高速内燃机的活塞、带轮、变速箱壳体等。4.离心铸造•概念：将熔融金属浇入绕轴回转的铸型中，在离心力的作用下凝固成形的铸造方法。如图2-9所示。•特点：在离心力作用下结晶，铸件组织致密，但内表面质量较差，尺寸不够准确。•应用：主要用于制造铸钢、铸铁、有色金属等材料的各类管状零件的毛坯。常用于铸造要求壁厚均匀的中空铸件。5、熔模铸造•工艺过程：蜡模—结壳（涂挂耐火材料）—脱蜡—焙烧（硬化）—填砂—浇注—破壳取件•特点：没有任何分型面，精度较高。•应用：形状复杂的零件（如叶片）、难以切削加工的零件（如刀具）第二节锻造工艺基础一、概述•锻造：利用金属材料的可塑性，借助外力和模具的作用,使坯料或铸锭产生变形并形成所需要的形状、尺寸和一定组织性能的零件的加工方法。锻造加工的主要形式有：•(1)自由锻与模锻（含胎膜锻）：•自由锻的主要设备：锻锤、压力机•模锻的主要设备：模锻锤、模锻压力机（锻模固定在锤头、砧座上）•胎膜锻：自由锻设备+锻模（不固定在锤头上）•工艺：自由锻制坯—胎膜锻1—胎膜锻2--。。。--成型•特点：1、自由锻设备、准模锻效果；•2、多模联合使用，小设备大工件•模锻按成形温度又可分为：•热锻：锻造过程结束时，锻件温度高于材料的再结晶温度。（通常，对钢铁材料，要加温至1200度左右）。热锻无加工硬化现象，但要经历再结晶过程，即锻后变形大，属非精密成型，所需压力小。•冷锻：在室温或经软化退火处理后进行的锻压，所需压力较大，锻后变形小，是一种精密成型技术，在汽车的小型零件加工中有广泛应用，主要用于中低碳钢。•温锻：介于前两者之间的加热锻造，也是一种精密成型技术，具有前两者的优点。•(2)轧制：一般为热轧，利用金属坯料与轧辊接触表面的作用力，使金属坯料截面减小、长度增加的加工方法。图2-11•(3)拉拔：金属坯料在拉力作用下通过拉拔模孔使截面缩小、长度增加的加工方法。图2-12•(4)挤压：在挤压模内，使金属坯料受压并被挤出模孔，产生变形的加工方法。图2-13•锻造特点：(1)可改善金属组织，细化晶粒，提高材料力学性能。(2)不需要切除金属，材料利用率高，工件强度高。(3)锻压件力学性能好、表面光洁、精度高、刚度大。(4)实现机械化、自动化，生产率高。(5)金属变形不能太大,工件形状不能太复杂,设备投资大。•锻造的适用范围：汽车中锻造的主要应用如下：(1)发动机：曲轴、连杆、连杆盖、凸轮轴、进排气门等。(2)前悬架：上悬臂架、下悬臂架、转向横拉杆球铰头等。(3)前桥：转向节、转向节臂等。(4)转向：转向扇形轴、转向摇臂等。(5)后桥：后车轴、外壳末端。(6)驱动轴：驱动轴、十字轴、轴叉、变速齿轮。(7)差速器：主动小齿轮、环齿轮、凸缘叉。(8)等速万向节、半轴齿轮轴、轴承外座圈、内轴承座圈。•金属的锻造性能：•锻造性能：亦称可锻性。通常以金属塑性变形能力和变形抗力为衡量指标。•影响因素：化学成分、金属组织、变形温度和速度等。二、模锻•模锻：使金属坯料在锻模模腔内一次或多次承受冲击力或压力的作用，而被迫流动成形的锻造方法。•分类：锤上模锻、胎膜锻、压力机上模锻•特点与应用：(1)生产率高，金属变形是在模膛内进行，锻件成形快，适合于中、小型锻件的大批量生产。(2)模锻件尺寸相对精确，加工余量小；(3)可以锻出形状比较复杂的锻件；(4)比自由锻节省材料，切削加工量小，降低成本；(5)操作简单，易于实现机械化和自动化生产。(6)缺点是设备、模具成本高；•锻模模膛：分为预锻模膛和终锻模膛两种。典型锻模结构如图2-14•预锻模膛：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸；•终锻模膛：使工件达到要求的尺寸与形状。•变形大、结构复杂的锻件常常要有若干个锻模：减小设备投资、防止锻件一次变形过大。1.锻模2.锤上模锻工艺规程的制订•一般工艺过程：切断毛坯→加热坯料→模锻→切除飞边→锻件热处理→表面清理→检验→成堆存放。•模锻生产工艺规程包括：(1)绘制模锻件图：主要考虑问题与步骤：a.确定分模面：锻件最大尺寸截面（最好为平面）；上下模膛分界处轮廓一致，深度相等，深度最浅为原则。b.选择余量、公差：根据锻件大小、形状和精度等级。一般余量：1-4mm，公差：+/-0.3-3mm。(1)模锻件应有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径；(2)模锻件的几何形状应有利于金属成形；(3)应尽量避免锻件上有深孔或多孔结构；(4)形状复杂的模锻件可采用锻-焊组合工艺。c.确定模锻斜度：一般外壁t=5~10°，内壁斜度=t+2~5°。d.确定凸\凹圆角半径(r\R)：一般：r=单面加工余量+零件圆角半径，R=(2~3)r。(2)确定模锻工步：主要依据锻件的形状和尺寸确定，轴类模锻件：拔长、滚压、弯曲、预锻和终锻等工步。盘类模锻件：墩粗、预锻和终锻等工步。(3)锻件修整：切边、冲去连皮、清理、精压、热处理等。3.模锻零件结构工艺性要求•1、挤压：通过对挤压模内坯料施加强大压力，使它发生变形而获得毛坯或零件的加工方法。•分类：(1)正挤压;(2)反挤压;(3)复合挤压;(4)径向挤压•特点与应用：(1)坯料在挤压模内三向受挤，使组织更加细密；(2)挤压零件表面质量好：一般精度：IT6-IT7，表面粗糙度：Ra3.2~0.4um；(3)挤压零件流线分布好，使其力学性能提高；(4)材料利用率高达70%；(5)生产率高，并可制出形状复杂、薄壁、深孔件。三、锻压新工艺2.零件的轧制•轧制：主要用于生产原材料，如型材、管材、板材及异型钢材等，近年来用于制造各种零件。•分类：纵轧、横扎、斜轧、楔横轧等•特点与应用：(1)生产率高，如辊锻的生产率比锤上模锻高5-10倍；(2)锻件质量好，轧制锻件可更接近零件形状;(3)节约金属材料；(4)工人劳动条件好；(5)便于实现机械化、自动化；(6)设备结构简单。辊锻（纵轧）：可用于连杆的预成型横轧：齿圈、轴承套楔横轧目前多用于轴类件的轧制斜轧：可轧制钢球、丝杠等3.摆动辗压（旋压）•摆动辗压：冷锻的一种，旋转成形工作原理如图2-21。•特点与应用：(1)锻造压力低：仅为一般冷锻设备的5%-10%；(2)锻件表