材料成形方法选择

第六章材料成形方法选择问题：1、任何材料都必须成形，制成制品后才具有使用价值。2、设计人员应该考虑的问题：①功能、条件、外观、表面等；②用什么材料；③如何成形3、应用举例①火车轮：冲击震动、圆形、液态成形（ZG）、塑性成形（45钢）、切削加工②模锻件：③哑铃的设计④机加工的要求零件设计时，应根据零件的工作条件、所需功能、使用要求及其经济指标（经济性、生产条件、生产批量等）等方面进行零件结构设计（确定形状、尺寸、精度、表面粗糙度等）、材料选用（选定材料、强化改性方法等）、工艺设计（选择成形方法、确定工艺路线等）等。第一节材料成形方法选择的原则与依据一、材料成形方法的选择原则正确选择材料成形方法具有重大的技术经济意义，选择时必须合理考虑以下原则：（一）适用性原则适用性原则是指要满足零件的使用要求及对成形加工工艺性的适应。1．满足使用要求零件的使用要求包括对零件形状、尺寸、精度、表面质量和材料成分、组织的要求，以及工作条件对零件材料性能的要求。不同零件，功能不同，其使用要求也不同，即使是同一类零件，其选用的材料与成形方法也会有很大差异。例如，机床的主轴和手柄，同属杆类零件，但其使用要求不同，主轴是机床的关键零件，尺寸、形状和加工精度要求很高，受力复杂，在长期使用中不允许发生过量变形，应选用45钢或40Cr钢等具有良好综合力学性能的材料，经锻造成形及严格切削加工和热处理制成；而机床手柄则采用低碳钢圆棒料或普通灰铸铁件为毛坯，经简单的切削加工即可制成。又如燃气轮机叶片与风扇叶片，虽然同样具有空间几何曲面形状，但前者应采用优质合金钢经精密锻造成形，而后者则可采用低碳钢薄板冲压成形。另外，在根据使用要求选择成形方法时，还必须注意各种成形方法能够经济获得的制品尺寸形状精度、结构形状复杂程度、尺寸重量大小等。2．适应成形加工工艺性成形加工工艺性的好坏对零件加工的难易程度、生产效率、生产成本等起着十分重要的作用。因此，选择成形方法时，必须注意零件结构与材料所能适应的成形加工工艺性。例如，当零件形状比较复杂、尺寸较大时，用锻造成形往往难以实现，如果采用铸造或焊接，则其材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能，在零件结构上也要适应铸造或焊接的要求。（二）经济性原则选择成形方法时，在保证零件使用要求的前提下，对几个可供选择的方案应从经济上进行分析比较，从中选择成本低廉的成形方法。如生产一个小齿轮，可以从圆棒料切削而成，也可以采用小余量锻造齿坯，还可用粉末冶金制造，至于昀终选择何种成形方法，应该在比较全部成本的基础上确定。首先，应把满足使用要求与降低成本统一起来。脱离使用要求，对成形加工提出过高要求，会造成无谓的浪费；反之，不顾使用要求，片面强调降低成形加工成本，则会导致零件达不到工作要求、提前失效、甚至造成重大事故。因此，为能有效降低成本，应合理选择零件材料与成形方法。例如，汽车、拖拉机发动机曲轴，承受交变、弯曲与冲击载荷，设计时主要是考虑强度和韧度的要求，曲轴形状复杂，具有空间弯曲轴线，多年来选用调质钢（如40、45、40Cr、35CrMo等）模锻成形。现在普遍改用疲劳强度与耐磨性较高的球墨铸铁（如QT600-3、QT700-2等），砂型铸造成形，不仅可满足使用要求，而且成本降低了50%～80%，加工工时减少了30%～50%，还提高了耐磨性。其次，为获得昀大的经济效益，不能仅从成形工艺角度考虑经济性，而应从降低零件总成本考虑，即应从所用材料价格、零件成品率、整个制造过程加工费、材料利用率与回收率、零件寿命成本、废弃物处理费用等方面进行综合考虑。例如，手工造型的铸件和自由锻造的锻件，虽然毛坯的制造费用一般较低（生产准备时间短、工艺装备的设计制造费用低），但原材料消耗和切削加工费用都比机器造型的铸件和模锻的锻件高，因此在大批量生产时，零件的整体制造成本反而高。而某些单件或小批量生产的零件，采用焊接件代替铸件或锻件，可使成本较低。再如螺钉，在单件小批量生产时，可选用自由锻件或圆钢切削而成。但在大批量制造标准螺钉时，考虑加工费用在零件总成本中占很大比例，应采用冷镦、搓丝方法制造，使总成本大大下降。（三）与环境相宜原则现在，环境已成为全球关注的大问题。地球温暖化，臭氧层破坏，酸雨，固体垃圾，资源、能源的枯竭，等等，环境恶化不仅阻碍生产发展，甚至危及人类的生存。因此，人们在发展工业生产的同时，必须考虑环境保护问题，力求做到与环境相宜，对环境友好。下面简述几个有关问题：1．对环境友好的含义对环境友好就是要使环境负载小，“小”主要指：（1）能量耗费少，CO2产生少（以煤、石油等化工燃料为主的能源，会大量排出CO2气体，导致地球温度升高）；（2）贵重资源用量少；（3）废弃物少，再生处理容易，能够实现再循环；（4）不使用、不产生对环境有害的物质。2．环境负载性的评价要考虑从原料到制成材料，然后经成形加工成制品，再经使用至损坏而废弃，或回收、再生、再使用（再循环），在这整个过程中所消耗的全部能量（即全寿命消耗能量），CO2气体排出量，以及在各阶段产生的废弃物，有毒排气、废水等情况。这就是说，评价环境负载性，谋求对环境友好，不能仅考虑制品的生产工程，而应全面考虑生产、还原两个工程。所谓还原工程就是指制品制造时的废弃物及其使用后的废弃物的再循环、再资源化工程。这一点，将会对材料与成形方法的选择产生根本性的影响。例如汽车在使用时需要燃料并排出废气，人们就希望出现尽可能节能的汽车，故首先要求汽车轻，发动机效率高，这必然要通过更新汽车用材与成形方法才可能实现。3．成形加工方法与单位能耗的关系材料经各种成形加工工艺成为制品，生产系统中的能耗就由此工艺流程确定。据有关报导，钢铁由棒材到制品的几种成形加工方法的单位能耗与材料利用率如表6-1所示。表6-1几种成形加工方法的单位能耗、材料利用率比较成形加工方法制品耗能量/106J·kg-1材料利用率（%铸造30～3890冷、温变形4185热变形46～4975～80机械加工66～8245～50自矿石经精炼制成棒材的单位能耗大约为33MJ/kg，由表6-1可见，与材料生产的单位能耗相比，铸造与塑性变形等加工方法的单位能耗不算大，且其材料利用率较高。与材料生产相比，制品成形加工的单位耗能量较大，且单位能耗大的加工方法，其材料利用率通常也较低。由于成形加工方法与材料密切相关，因此在选择制品的成形加工方法时，应通盘考虑选择单位能耗少的成形加工方法，并选择能采用低单位能耗成形加工方法的材料。二、材料成形方法选择的依据选择材料成形方法的主要依据有：（一）零件类别、功能、使用要求及其结构、形状、尺寸、技术要求等根据零件类别、用途、功能、使用性能要求、结构形状与复杂程度、尺寸大小、技术要求等，可基本确定零件应选用的材料与成形方法。而且，通常是根据材料来选择成形方法。例如，机床床身，这类零件是各类机床的主体，且为非运动零件，它主要的功能是支承和连接机床的各个部件，以承受压力和弯曲应力为主，同时为了保证工作的稳定性，应有较好的刚度和减振性，机床床身一般又都是形状复杂、并带有内腔的零件。故在大多数情况下，机床床身选用灰铸铁件为毛坯，其成形工艺一般采用砂型铸造。（二）零件的生产批量选定成形方法应考虑零件的生产批量，通常是：单件小批量生产时，选用通用设备和工具、低精度低生产率的成形方法，这样，毛坯生产周期短，能节省生产准备时间和工艺装备的设计制造费用，虽然单件产品消耗的材料及工时多，但总成本较低，如铸件选用手工砂型铸造方法，锻件采用自由锻或胎模锻方法，焊接件以手工焊接为主，薄板零件则采用钣金钳工成形方法等；大批量生产时，应选用专用设备和工具，以及高精度、高生产率的成形方法，这样，毛坯生产率高、精度高，虽然专用工艺装置增加了费用，但材料的总消耗量和切削加工工时会大幅降低，总的成本也降低。如相应采用机器造型、模锻、埋弧自动焊或自动、半自动的气体保护焊以及板料冲压等成形方法。特别是大批量生产材料成本所占比例较大的制品时，采用高精度、近净成形新工艺生产的优越性就显得尤为显著。例如，某厂采用轧制成形方法生产高速钢直柄麻花钻，年产量两百万件，原轧制毛坯的磨削余量为0.4mm。后采用高精度的轧制成形工艺，轧制毛坯的磨削余量减为0.2mm，由于材料成本约占制造成本的78%，故仅仅磨削余量的减少，每年就可节约高速钢约48t，约40万元左右，另外还可节约磨削工时和砂轮损耗，经济效益非常明显。在一定条件下，生产批量还会影响毛坯材料和成形工艺的选择，如机床床身，大多情况下采用灰铸铁件为毛坯，但在单件生产条件下，由于其形状复杂，制造模样、造型、造芯等工序耗费材料和工时较多，经济上往往不合算，若采用焊接件，则可以大大缩短生产周期，降低生产成本（但焊接件的减振、减摩性不如灰铸铁件）。又如齿轮，在生产批量较小时，直接从圆棒料切削制造的总成本可能是合算的，但当生产批量较大时，使用锻造齿坯可以获得较好的经济效益。（三）现有生产条件在选择成形方法时，必须考虑企业的实际生产条件，如设备条件、技术水平、管理水平等。一般情况下，应在满足零件使用要求的前提下，充分利用现有生产条件。当采用现有条件不能满足产品生产要求时，也可考虑调整毛坯种类、成形方法，对设备进行适当的技术改造；或扩建厂房，更新设备，提高技术水平；或通过厂间协作解决。如单件生产大、重型零件时，一般工厂往往不具备重型与专用设备，此时可采用板、型材焊接，或将大件分成几小块铸造、锻造或冲压，再采用铸-焊、锻-焊、冲-焊联合成形工艺拼成大件，这样不仅成本较低，而且一般工厂也可以生产。如图6-1所示的大型水轮机空心轴，工件净重4.73t，可有以下三种成形工艺：（1）整轴在水压机上自由锻造，两端法兰锻不出，采用余块，加工余量大，材料利用率只有22.6%，切削加工需1400台时。（2）两端发兰用砂型铸造成形的铸钢件，轴筒采用水压机自由锻造成形，然后将轴筒与两个法兰焊接成形为一体，材料利用率提高到35.8%，切削加工需用台时数下降为1200；（3）两端发兰用铸钢件，轴筒用厚钢板弯成两个半筒形，再焊成整个筒体，然后与发兰焊成一体，材料利用率可高达47%，切削加工只需1000台时，且不需大型熔炼与锻压设备。图6-1水轮机空心轴三种成形工艺方案三种成形工艺的相对直接成本（即材料成本与工时成本之和）依次为2.2∶1.4∶1.0，若再计算重型与专用设备的维修、管理、折旧费，方案（1）的生产总成本将超出方案（3）的三倍以上.又如机床油盘零件，通常采用薄钢板冲压成形，但如果现场条件不够，也可采用铸造成形或旋压成形来代替冲压成形。再如，有一个规模不大的机械工厂，承接了每年生产2000台机车附件的生产任务，该产品由一些小型锻件、铸件和标准件组成。这些锻件若能采用锤上模锻成形的方法生产昀为理想，但该厂无模锻锤，经过技术、经济分析，认为采用胎模锻成形比较切实可行和经济合理，然后把有限的资金用于对铸造生产进行技术改造，增置了造型机使铸件生产全部采用机器造型，并实现铸造生产过程的半机械化，不仅提高了铸件质量，也提高了该厂的铸造生产能力。（四）密切注意新工艺、新技术、新材料的利用随着工业的发展、市场的繁荣，人们已不再满足规格化的、粗制制品，而是要求多变的、个性化的、精制制品。这就要求产品的生产由少品种、大批量转变成多品种、小批量；要求产品的类型更新快，生产周期短；要求产品的质量优，而成本低。在这种激烈的市场竞争形势下，选择成形方法就不应只着眼于一些常用的传统工艺，而应扩大对新工艺、新技术、新材料的应用，如精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷挤压、液态模锻、特种轧制、超塑性成形、粉末冶金、注塑成形、等静压成形、复合材料成形以及快速成形等，采用少、无余量成形方法，以显著提高产品质量、经济效益与生产效率。使用新材料的往往从根本上改变成形方法，并显著提高制品的使用性能。例如，在酸、碱介质下工作的各种阀、泵体、叶轮、轴承等零件，均有抗蚀、耐磨的要求，昀早采用铸铁制造，性能差，寿命很短；随后改用不锈钢铸造成形制造；自塑料工业发展后就改用塑料注射成形制造，但塑料的耐磨性不够理想；随着陶瓷工业的发展