材料成型技术基础.pptx
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材料成型技术基础.pptx
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高等学校机械类专业系列教材,出版社科技分社科技分社,材料成形技术基础,ISBN978-5624-2193-1出版社,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,1.绪论,材料成形技术:
传统定义:
指铸造、锻造、焊接等金属材料成形的技术。
现代定义:
所有利用物理、化学、冶金原理使材料成形的方法。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,1)本课程的性质材料成形技术基础课程是按教育部面向21世纪工科本科机械类专业人才培养模式改革要求而设置的机械基础系列课程之一。
该课程是机械工程类专业和近机械工程类专业学生必修的一门技术基础课。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2)本课程的任务使学生比较全面系统的获得金属和非金属零件及其毛坯成形过程、原理及特点等方面的专业知识,具体包括机械制造中铸造、锻压、粉末成形、复合材料、焊接、塑料、橡胶、陶瓷以及有关模具设计、加工、制造等内容。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,3)本课程的要求
(1)掌握各种材料成形方法的基本原理、工艺特点和应用场合,了解各种常用的成形设备的结构和用途,具有进行材料成形工艺分析和合理选择毛坯(或零件)成形方法的初步能力。
(2)具有综合运用工艺知识,分析零件结构工艺性的初步能力。
(3)了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,4)本课程的学习方法
(1)在学习中要注意抓好课程的主线。
对于每一类材料成形工艺而言,其内容基本上都是围绕着“工艺原理一成形方法及应用成形工艺设计工件的结构工艺性”这样一条主线而展开的。
按照主线对知识点进行归纳整理,将有利于在学习中保持清晰的思路,有利于对本课程内容的总体把握。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,
(2)注重与以前所学课程的配合、交叉和衔接把握材料使用特性与成形技术、材料成分/组织、性能的关系,将本课程与机械工程材料、机械制造技术基础、金工实习等课程的融合、交叉和衔接,系统的掌握材料及其成形方法的选择。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,(3)在学习过程中应注意密切联系生产实际本课程是一门实践性很强的课程,除了课堂讲授之外,还应对本课程的电化教学、多媒体CAI、现场参观、课堂讨论和实验教学等给以充分重视并积极参与。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,1.1材料成形技术过程形态学模型简介形态学体系最早是由丹麦工业大学著名教授LeoAlting提出的,它通过对于纷纭复杂的各种过程所共有的三个基本要素(材料、能量、信息)的变化与作用综合论述各种加工方法,并对其进行横向分析。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,用简单清晰的图形反映各种材料成形过程的共同结构,通过对这些结构要素的定义与研究,反映各成形过程的方法、基本原理与内在联系,对材料过程获得连贯而系统的认识,对各种成形过程的可能性与局限性作出评价。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,按照形态学体系的思想,材料成形过程可能是加工工件材料加工过程、能量转化过程、信息变化过程的某种组合。
其完整模型如图所示:
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,1.2现代制造过程分类按照形态学体系方法,根据制造过程中质量的变化情况,现代制造过程可分为:
质量不变过程质量减少过程质量增加过程,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,质量不变的基本过程主要包括加热、熔化、凝固、铸造、锻压(弹性变形、塑性变形、塑性流动)、浇灌、运输等。
1.2.1质量不变过程,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,质量减少过程主要包括材料的4种基本去除方法:
切削过程;磨料切割、喷液切割、热力切割与激光切割、化学腐蚀等;超声波加工、电火花加工和电解加工;落料、冲孔、剪切等金属成形过程。
1.2.2质量减少过程,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,质量增加过程的特征是加工材料在过程结束时的质量比过程开始时的最终质量有所增加。
材料经过渗碳、渗氮、氰化处理、气相沉积、喷涂、电镀、刷镀等表面处理及快速原型制造方法属于质量增加过程。
1.2.3质量增加过程,出版社科技分社,2.液态材料铸造成形技术过程,高等学校机械类专业系列教材,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2.1概述,1)铸造的基本概念液态材料成形技术通常称之为铸造,它是指熔炼金属、制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后,获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成形方法。
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。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2)铸造成形的主要工序,图2.1金属铸造成形的主要工序,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,3)铸造成形的主要特点
(1)优点:
投资小技术过程灵活性大能制造形状复杂的零件生产周期短
(2)缺点:
砂型铸件的力学性能较差,质量不够稳定砂型铸造成形生产劳动强度大,生产条件差,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,4)铸造成形技术的分类
(1)按生产方法分类,可分为:
砂型铸造特种铸造。
(2)按合金分类可分为:
铸铁铸钢铝合金铜合金镁合金钛合金铸造等。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,5)应用,广泛应用于机械制造、矿山冶金、交通运输、石化通用设备、农业机械、能源、轻工纺织、土建工程、电力电子、航天航空、国防军工等领域。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2.2铸造成形技术过程理论基础2.2.1液态金属的充型能力1)液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔,获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力,称为液态金属充填铸型的能力,简称液态金属的充型能力。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,液态金属的充型能力强,易于充满薄而复杂的型腔,有利于金属液中气体、杂质的上浮并排除,有利于对铸件凝固时的收缩进行补缩。
液态金属的充型能力弱,铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,表2.2不同金属和不同铸造方法铸造的铸件最小壁厚,单位:
mm,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2)影响液态金属充型能力的因素
(1)金属的流动性液态金属自身的流动能力称为“流动性”,是金属的液态铸造成形的性能之一,与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。
液态金属流动性用浇注流动性试样的方法来衡量。
在生产和科学研究中应用最多的是螺旋形试样。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,在相同的铸型及条件下,浇出的螺旋形试样越长,表示该金属的流动性越好。
图2.2螺旋形流动性试样示意图,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,表2.3一些合金的流动性(螺旋形试样,沟槽截面8mm8mm),出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,图2.3Fe-C合金的流动性与状态图的关系(a)相同过热温度的流动性;(b)相同浇注温度的流动性,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,
(2)铸型性质铸型的阻力影响金属液的充型速度,铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。
所以铸型的蓄热系数b(表示铸型从其中的金属液吸取并储存在本身中热量的能力)愈大,铸型的激冷能力就愈强,金属液于其中保持液态的时间就愈短,充型能力下降,如液态金属在金属铸型中的流动性比在砂铸型中差;铸型的温度较高,就能减少金属液与铸型的温差,从而提高金属液的充型能力。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,(3)浇注条件浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影响。
浇注温度越高,充型能力越好。
在一定温度范围内,充型能力随浇注温度的提高而直线上升,超过某界限后,由于吸气,氧化严重,充型能力的提高幅度减小。
液态金属在流动方向上所受压力(充型压头)越大,充型能力就越好。
但金属液的静压头过大或充型速度过高时,不仅发生喷射和飞溅现象,使金属氧化和产生”铁豆”缺陷,而且型腔中气体来不及排出,反压力增加,造成“浇不足”或“冷隔”缺陷。
浇注系统结构越复杂,流动阻力越大,液态金属充型能力越低。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,(4)铸件结构衡量铸件结构的因素是铸件的折算厚度R(R铸件体积/铸件散热表面积VS)和复杂程度,它们决定着铸型型腔的结构特点。
R大的铸件,则充型能力较高。
R越小,则充型能力较弱。
铸件结构复杂,厚薄部分过渡面多,则型腔结构复杂,流动阻力大,充型能力弱。
铸件壁厚相同时,铸型中的垂直壁比水平壁更容易充满。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2.2.2铸件的凝固,铸型中的合金从液态转变为固态的过程,称为铸件的凝固,或称为结晶。
金属凝固时应满足的热力学条件是:
只有当体系所处的温度低于熔点温度(液相线温度)tm时,才能发生凝固现象。
液-固两相自由能差(G=Gl-Gs0。
)是凝固过程能保持继续进行的驱动力。
金属的凝固包括晶核的形成及晶体的长大两个过程。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,图2.4合金的凝固方式(a)逐层凝固;(b)中间凝固;(c)糊状凝固,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,1)逐层凝固纯金属和共晶合金在恒温下结晶,凝固过程中铸件截面上固液两相界面分明,没有凝固区域。
随着温度的下降,固相区不断增大,逐渐到达铸件的中心,如图2.4(a)所示。
2)体积凝固当合金的结晶温度范围很宽或因铸件截面温度梯度很小、铸件凝固时,其液固共存的凝固区域很宽,甚至贯穿整个铸件截面,如图2.4(c)所示。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,3)中间凝固金属结晶温度范围很窄或结晶温度范围虽宽、但铸件截面温度梯度大时,铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间,如图2.4(b)所示。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,影响铸件凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范围(取决于合金的化学成分)和铸件的温度梯度。
合金的结晶温度范围越小,则凝固区域越窄,越趋于逐层凝固。
当合金成分一定时,凝固方式取决于铸件截面上的温度梯度,温度梯度越大,对应的凝固区域越窄,越趋向于逐层凝固。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2.2.3铸件的收缩,1)收缩的基本概念铸件在液态、凝固和固态冷却过程中所产生的体积减小现象称为收缩,是液态金属自身的物理性质。
收缩是铸件的许多缺陷,如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基本原因。
所以,它又是决定铸件品质的重要铸造性能之一。
出版社科技分社,衡量收缩的基本参数为体收缩率和线收缩率:
体收缩率,线收缩率,、,式中:
V0、V1金属在T0和T1时的体积;l0、l1金属在T0和T1时的长度;金属在T0T1温度范围内的体收缩系数和线收缩系数
(1)。
、,高等学校机械类专业系列教材,出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,2)收缩的3个基本阶段,
(1)液态收缩阶段()表现为型腔内液面的降低。
(2)凝固收缩阶段()由状态改变和温度下降两部分产生。
一般用体收缩率表示。
(3)固态收缩阶段()通常表现为铸件外形尺寸的减少,故一般用线收缩率表示。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。
固体收缩是铸件产生应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。
金属的总体收缩为上述三个阶段收缩之和。
它和金属自身的成分、温度和相变有关。
出版社科技分社,高等学校机械类专业系列教材,3)铸件的实际收缩实际上,铸件在进行收缩时除受金属自身的成分、温度和相变的影响外,还受到一些外界阻力的影响。
铸件在铸型中收缩时受到的阻力有以下几种:
(1)铸型表面的摩擦阻力铸件收缩时,其表面与铸型表面之间的摩擦,与铸件质量,铸型表面的平滑程度有关。
(2)热阻力铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力。
(3
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