工程材料及机械制造基础复习热加工工艺基础Word文件下载.docx

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①设计上：

力求铸件壁厚均匀。

②在工艺上：

改善型（芯）砂的退让性；

进行时效处理（包括人工时效和自然时效两种）。

4）铸件的变形及防止

由于铸造内应力的存在，铸件将会变形以缓解和消除这种内应力，变形方向是：

厚的部分向内凹，薄的部分向外凸。

防止变形的措施有：

①尽量减少铸件内应力；

②使铸件结构对称；

③采用反变形法；

④设拉筋。

5）铸件的裂纹及防止

当铸件内应力超过金属强度极限时，铸件便会产生裂纹，裂纹包括热裂和冷裂两种。

1．2铸造工艺图的绘制

（1）浇注位置的选择

①铸件上的重要加工面应朝下或呈侧立面；

②铸件上的大平面应朝下，以免产生夹砂缺陷；

③大面积的薄壁部分应垂直或倾斜浇注，以免产生浇不足或冷隔缺陷；

④收缩率较大的合金应使之自下而上地进行顺序凝固，便于补缩。

（2）分型面的选择

分型面是指上半铸型和下半铸型的分界面，其选择原则是：

1）应便于起模，使造型工艺简化

①尽量使分型面平直且数量少；

②尽量避免不必要的活块或挖砂造型；

③应使型芯的数量少。

2）应尽量使铸件全部或大部分置于同一砂箱中（以免产生错箱缺陷），且最好位于下箱（以便检验铸件壁厚及下芯）。

（3）工艺参数的确定

1）机械加工余量

在铸件上为切削加工的方便而加大的尺寸称为机械加工余量。

铸件的孔、槽是否铸出，不仅取决于工艺上的可能性，还必须考虑其必要性。

2）起模（拔模）斜度

凡垂直于分型面的加工表面都应设置拔模斜度，以便起模。

3）收缩率

由于铸件在冷却、凝固时都要产生收缩，为保证铸件的有效尺寸，模样和芯盒的制造尺寸应比铸件放大一个收缩量。

4）芯头：

其作用是为了保证型芯在铸型中的定位、固定和通气。

※（4）浇注系统

1）对浇注系统的要求

a．使金属液平稳、连续、均匀地流人铸型，避免对砂型和型芯的冲击。

b．防止熔渣、砂粒或其他杂质进入铸型。

c．调节铸件各部分温度分布，控制冷却和凝固顺序，避免缩孔、缩松及裂纹的产生。

2）浇注系统的组成及作用

a．浇口杯：

承受金属液的冲击和分离熔渣，避免金属液对砂型的直接冲击。

b．直浇道：

利用它的高度所产生的静压力，可以控制金属液流人铸型的速度和提高充型能力。

c．横浇道：

主要起挡渣作用。

d．内浇道：

它是把金属液直接引入铸型的通道。

利用它的位置、大小和数量可以控制金属液流人铸型的速度和方向，以及调整铸件各部分的温度分布。

1．3铸铁件生产

（1）铸铁种类

（2）石墨对铸铁性能的影响

①力学性能差:

由于石墨减少了基体的有效承载面积；

在片状石墨的尖角处造成了应力集中。

②工艺性能：

铸造性能好：

铸件产生缺陷的可能性小。

切削加工性好：

切削加工时呈崩碎切屑。

可锻性差：

属脆性材料。

可焊性差；

焊接时产生裂纹的倾向大。

焊接区常出现白口组织。

③特殊性能：

减振性好：

石墨对机械振动起缓冲作用，阻止了振动能量的传播。

耐磨性好：

灰铸铁摩擦面上形成了大量显微凹坑，能起储存润滑油作用

使摩擦副内容易保持油膜的连续性；

同时石墨本身也是良好

的润滑剂。

缺口敏感性低：

由于石墨已使灰铸铁基体上形成了大量缺口，因此外来

缺口对灰铸铁的疲劳强度影响甚傲。

（3）常用铸铁一览表

注：

铸铁的热处理只能改变其基体组织，而不能改变石墨的形态、大小及分布。

灰铁的热处理有去应力退火和软化退火。

球铁的热处理包括退火（获得铁素体基体）、正火（高温正火获得珠光体基体，低温正火获得珠光体+铁素体基体）、调质（获得回火索氏体基体）和等温淬火（获得下贝氏体基体）。

（4）影响石墨化的因素

1）化学成分

碳、硅是强烈促进石墨化的元素。

碳、硅质量分数过低，铸铁易产生白口；

碳、硅质量分数高，则析出的石墨数量多且粗大，基体中铁素体质量分数增高，力学性能降低。

铸铁组织图

（铸件壁厚50mm，砂型铸造）

硫是强烈阻碍石墨化的元素，它的存在使铸件的白口倾向增大，并易产生热脆性。

锰也是阻碍石墨化的元素，但它与硫可形成MnS，从而降低硫的有害作用。

2）冷却连度

铸件的冷却速度主要取决于铸型散热条件与壁厚。

1．4铸钢件生产

（1）牌号及性能

最低抗拉强度，MPa

最低屈服点数字，MPa

铸钢不仅强度高，并有优良的塑性和韧性，因此适用于制造形状复杂、强度和韧性要求都高的零件。

（2）生产特点

铸钢的熔炼一般采用电弧炉和感应电炉等。

钢的浇注温度高、流动性差，钢水易氧化和吸气，体收缩率大。

因此铸造性能差，容易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等缺陷。

为防止上述缺陷的产生，必须在工艺上采取相应的措施。

1．5铸件结构设计

（1）铸件外形设计

①铸件外形要便于造型应尽量避免在铸件外形上沿起模方向的外凸和内凹部分。

②尽量使分型面少而简单。

③凡垂直于分型面的不加工表面，最好具有结构斜度，请注意与拔模斜度的区别。

（2）铸件的内腔设计

①应尽量不用或少用型芯。

②应使铸型中的型芯定位准确、安放稳固、捧气通畅、清理方便。

（3）铸件壁的设计

①铸件的壁厚应适当：

铸件壁不宜过厚，否则金属液聚集会引起晶粒粗大，且容易产生缩孔、缩松等缺陷。

若壁太薄，则易产生冷隔、浇不足、变形和裂纹等缺陷，如此必须限制一个最小壁厚。

②铸件的壁厚应尽可能均匀，否则在厚壁处因金属聚集易产生缩孔、缩松等缺陷，还因冷速不同而产生热应力，致使薄壁和厚壁的连接处产生裂纹。

③铸件壁的连接。

a．铸件的垂直壁或转弯处应有结构圆角。

b．应避免交叉和锐角连接。

c．厚壁与薄壁间的连接要逐步过渡。

（4）其他：

①避免受阻收缩；

②应尽量避免过大的水平面。

※1．6特种铸造

压力加工

2．1金属的塑性变形

单晶体的塑性变形方式有滑移和孪晶两种。

滑移是指晶体在外力作用下，其一部分相对另一部分沿一定的晶面（滑移面）滑动。

其特点是：

①只有在剪应力的作用下才能进行；

②滑移后晶体各部分的位向依然一致；

③滑移距离是原子间距的整数倍；

④由于实际晶体存在位错，所以晶体的滑移实质是沿滑移面的位错运动。

多晶体的塑性变形包括晶粒内部的变形与晶粒之间的变形两部分。

晶内变形仍以滑移与孪晶两种基本方式进行，晶间变形包括晶粒之间的微量相互位移与转动。

多晶体塑性变形的特点是：

变形的不均匀性，变形抗力比单晶体大，形成纤维组织与各向异性。

金属在冷态下塑性变形后其强度和硬度提高、塑性降低的现象称为加工硬化。

加工硬化可作为一种强化金属的手段，但它会使塑性下降，给进一步进行压力加工带来困难。

要消除加工硬化，必须对冷态下塑性变形的金属加热。

随着加热温度的升高，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段：

再结晶温度T再=0．4T熔

金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷态塑性变形，又称冷加工。

其优点是尺寸、形状精度高；

表面质量好；

金属强度。

硬度提高；

劳动条件好。

但它的变形抗力大，变形程度小，金属内部残余应力大。

要想继续进行冷加工，必须进行中间再结晶退火。

金属在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热态塑性变形，又称热加工。

它对组织结构和性能影响是：

消除铸态金属的某些缺陷以提高机械性能；

形成纤维组织。

纤维组织导致金属材料的力学性能呈现各向异性。

沿纤维方向（纵向）较垂直于纤维方向（横向）具有较高的强度、塑性和冲击韧性。

因此在设计零件时，应使流线与零件上所受最大正应力方向一致，与零件上所受剪应力或冲击力方向相垂直，且与零件外形相符合，不被切断。

金属的锻造性是指锻造金属材料的难易程度，其衡量指标为塑性和变形抗力。

影响锻造性的因素是：

1）金属的本质：

包括化学成分和组织结构。

2）变形条件

①变形温度：

提高变形温度可有效地提高金属的可锻性。

②变形速度：

低速、高速（大于临界速度）都可使锻造性提高。

③应力状态：

三个方向中压应力的数目越多，则金属的塑性越好；

拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。

同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。

2．2自由锻

设备

锻锤{空气锤：

适于加工小型锻件；

蒸气—空气锤：

吨位大，适于加工中小型锻件（＜1500kg）。

产生冲击力使金属变形，吨位用落下部分质量表示

水压机：

产生静压力使金属变形，吨位较大，可用来锻造大型锻件

工序

基本工序：

包括拔长、镦粗、冲孔、扩孔、错移、弯曲、扭转和切割等8种

辅助工序

精整工序

自由锻的工艺规程包括以下步骤：

①绘制自由锻件图；

考虑加工余量、敷料和锻件公差即可绘制锻件图；

②计算坯料的质量和尺寸；

③安排锻造工序；

④选择锻造设备；

⑤确定锻造温度范围；

⑥填写锻造工艺卡。

自由锻的结构工艺性重点是判断结构的合理性。

其原则是：

①避免锥面及斜面等；

②避免非平面交接结构；

③避免加强肋及表面凸台等结构；

④对于横截面尺寸变化较大、形状复杂的锻件，可分成几部分分别锻出，然后再机械连接或焊接成整体。

2．3模锻（重点掌握锤上模锻）

锤上模锻所用的设备主要是蒸汽·

空气锤，它与自由锻锤区别是：

锤头与导轨之间的间隙比自由锻锤的小，且机架直接与砧座连接。

锻模模膛可分为模馒模膛、制坯模膛两大类。

1）模锻模膛：

可分为终锻模膛和预锻模膛两种

终锻模膛是锻件最终成形的模膛，因此它的尺寸皮比锻件尺寸放大一个收缩量。

另外，沿模膛四周应设有毛边槽，其作用是：

增加金属从模膛中流出的阻力，促进金属充满模膛，容纳多余金属，缓冲冲击。

预锻模膛的作用是使坯料变形成接近锻件的形状和尺寸，使终锻时金属容易充满模膛，以减少终锻模膛的磨损。

预锻模膛与终锻模膛的主要区别是：

前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。

2）制坯模膛

拔长模膛：

减少坯料某一部分的横截面积，以增加其长度

滚挤模膛：

减少坯料某部分的横截面积，以增加另一部分的横截面积

弯曲模膛

切断模膛

绘制锻件图时应考虑以下问题：

①选择分模面

a．应保证锻件易于从模膛中取出；

b．应使模膛深度最浅；

c．易于发现错模现象；

d．应使零件上所加的敷料最少；

e．要使锻模制造方便，分模面最好是平面而不是折面。

②机械加工余量、敷料和锻件公差

③冲孔连皮

④模锻斜度

⑤圆角半径

模锻件的结构工艺性应考虑的主要原则：

零件上与锤击方向平行的非加工表面，应设计出结构斜度，非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计；

零件外形应力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面差别过大，或具有薄壁、高筋、凸起等结构。

2．4板料冲压

冲压工艺

板料冲压的基本工序可以分为分离（落料、冲孔、剪切、修整）和变形（弯曲、拉深、成形、翻边）两大类。

冲裁：

使板料沿封闭的轮廓进行分离的工序，包括落料和冲孔两种。

落料是被分离的部分为成品，而周边是废料；

冲孔是被分离的部分为废料，而周边是成品。

在孔上或落件上均有圆角带、光亮带和断裂带三部分。

孔的光亮带部分尺寸决定于凸模尺寸，落件光亮带部分尺寸决定于凹模尺寸，所以冲孔时凸模尺寸应等于孔的尺寸，凹模尺寸应等于凸模尺寸加双边间隙值；

落料时，凹模尺寸应等于工件的尺寸，凸模尺寸应等于凹模尺寸减翠边间隙值。

冲裁过程包括弹性变形、塑性变形、断裂分离三个阶段。

对冲裁件断面质量影响最大的是间隙和凸凹

模刃口的磨损。

弯曲：

使板料或坯料弯成一定角度和形状的变形工序。

为防止弯裂应限制最小弯曲半径（因弯曲变形量决定于弯曲半径r和板料厚度t之比，r／t愈小，弯曲变形量愈大），还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直。

另外，还应考虑“回弹”现象。

拉深：

使平板毛坯变成开口空心零件的变形工序。

为防止拉裂甚至拉穿和压褶，应采取如下

措施：

①凸、凹模边缘做成圆角；

②凸、凹模间应有一定的间隙；

③拉深系数m（拉深件内径d与坯料直径D之比）不能太小，若m太小则应进行多次拉深，中间穿插退火以提高塑性；

④防止产生皱褶用压边圈；

⑤加润滑剂，以减少摩擦。

2．5轧制、挤压和拉拔

辊锻的实质是纵向轧制。

它是使坯料（热态或冷态）在装有扇形模块的一对旋转的轧辊中通过，模块上的模槽使坯料受压塑性变形，从而获得所需锻件或毛坯的一种先进工艺。

辊锻主要用于生产长轴、长杆类锻件或锻坯。

轧制是生产板材、型材和管材的主要方法，目前有横轧、斜轧和楔横轧三种。

横轧是轧辊轴线与坯料轴线平行的一种轧制方式，可用来制造正齿轮、斜齿轮和人宇齿轮等。

斜轧是轧辊轴线与坯料轴线在空间相夹一定角度的一种轧制方式，可用来轧制钢球、麻花钻螺旋槽等。

楔横轧适用于大量生产、热轧各种成形阶梯轴毛坯。

挤压的基本方式：

按照挤压时坯料温度不同，挤压可分为热挤压、冷挤压和温挤压。

拉拔是金属坯料从模孔中拉出，使其横截面减小，获得与模孔尺寸、形状相同的制晶的塑性变形加工方法。

拉拔一般在室温下进行，可获得精度较高、粗糙度值较低的产品。

它主要用于生产各种钢、有色金属及其合金的棒材、线材和管材。

焊接

焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。

焊接的实质是用加热、加压或两者并用手段，借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。

焊接方法的种类很多，通常按焊接过程的特点分熔化焊、压力焊和钎焊三大类。

焊接与其他加工方法相比，具有以下特点：

节省材料和工时；

能拼小为大，简化铸、锻、冲压工艺；

便于制造双层金属结构。

3．1手工电弧焊

（1）焊接电弧

焊接电弧是在电极与工件间的气体介质中强烈而持久的放电现象。

它通过接触短路引弧法和高频高压引弧法引燃。

电弧由三部分组成：

阳极区、阴极区和弧柱区。

由于电弧产生的热量阳极和阴极上有一定差异，在使用直流电焊接时有两种接法：

直流正接和直流反接。

直流正接是将工件接正极，焊条接负极，主要用于厚板、难熔金属等的焊接；

直流反接是将工件接负极，焊条接正极，主要用于薄板、有色金属等的焊接。

（2）电焊条

1）手工电弧焊的冶金特点

①焊接电源和金属熔池的温度高于一般的冶金温度，因而使金属元素强烈蒸发、烧损，并使高温区的气体分解为原子态，从而使一系列物理化学反应更加激烈。

②金属熔池的体积小，冷却快，熔池处于液态时间很短，致使各种化学反应难于达到平衡状态，造成化学成分不够均匀。

有时还会使金属熔池中的气体及杂质来不及逸出，而在焊缝中造成气孔、夹渣等缺陷。

2）电焊条的组成及各部分的作用

电焊条由焊芯和药皮两部分组成。

焊芯的作用是导电和填充金属，焊芯材料有H08等。

药皮的作用是：

稳定电弧燃烧；

形成气·

渣联合保护，防止空气中有害物质侵入；

脱硫并参与合金元素，以提高焊缝力学性能。

3）焊条分类：

按熔渣酸碱性可将焊条分为酸性焊条和碱性焊条两大类。

酸性焊条的特点是：

焊缝力学性能不高，抗裂缝性差；

焊接工艺性好；

交、直流均可用。

因此，它仅用于一般钢结构的焊接

碱性焊条的特点是：

焊缝力学性能好，特别是抗裂缝性好，冲击韧性高；

焊接工艺性差，使用焊条要严格烘干、保温，焊件坡口处要清理油、水、锈和赃物；

会产生有害气体HF；

采用直流焊接。

因而它常用于焊接重要结构。

4）焊条牌号

国家规定的型号表示法如下：

E×

×

－（字母）

--

表示熔敷金属化学成分分类代号

表示焊条药皮类型、电源种类

表示焊接位置，“1”及“0”全位置，“2”平焊、横焊和角焊

表示熔敷金属最低抗拉强度，MPa

表示焊条

原机械工业部的牌号表示如下：

J×

药皮类型和电源种类

焊缝金属抗拉强度，MPa

结构钢焊条

5）焊条的选用

焊条选用的原则是要求焊缝和母材具有相同水平的使用性能：

结构钢焊条的选用方法一般是根据母材的抗拉强度，按“等强”原则选择相同强度等级的焊条；

不锈钢焊条和耐用热钢焊条的选用是根据母材的化学成分类型，选择相同成分类型的焊条。

（4）焊接接头的组织和性能

焊接接头包括焊缝和热影响区两部分。

热影响区是指焊缝两侧的基本金属因受焊接加热的影响而发生组织和性能变化的区域。

热影响区可分为四个区域：

熔合区、过热区、正火区和部分相变区。

其中以熔合区和过热区对焊接接头性能的不利影响最大。

焊接接头的力学性能决定于它的化学它的化学成分和组织，因此影响焊缝化学成分和焊接接头的因素都影响焊接头的性能：

1焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）；

②焊接方法（在各种焊接方法中，等离子弧焊和埋弧自动焊的热影响区最窄，电渣焊和气焊的热影响区最宽）；

③焊接工艺（焊接电流、电弧电压、焊接速度等）；

④焊后处理。

（5）焊接应力与变形

1）产生原因：

局部加热及结构有一定刚性。

2）变形基本形式：

收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪形变形和扭曲变形。

3）减少焊接应力与变形的工艺措施：

焊前预热和焊后缓冷；

刚性夹持法（可减少变形，但会增加应力）；

反变形法；

选择合理的焊接次序；

选择合适的焊接方法和规范；

锤击焊缝。

4）矫正变形方法：

机械矫正法和火焰加热矫正法。

（6）焊接缺陷与检验

常见的焊接缺陷有：

焊缝尺寸不符要求、焊接裂纹、咬边、烧穿、气孔、夹渣、未焊透等。

外观检验

密封性检验：

水压试验；

气压试验；

煤油试验

焊缝内部缺陷的无损检测：

渗透检验；

磁粉检验；

射线检验；

超声波检验

3．2其他焊接方法的含义、工艺特点及应用范围

1）气焊火焰

①中性焰：

Vo2／Vc2H2=1.1～1.2，应用最广，一般用来焊接碳钢、紫铜和低合金钢筹。

②氧化焰：

Vo2／Vc2H2>

1.2，主要用于焊接黄铜、铬锦钢等。

③碳化焰：

Vo2／Vc2H2<

1.1，主要用于焊接铸铁、高碳钢和硬质合金等。

2）氧·

乙炔切割

①基本过程：

将金属需切割处用中性焰预热到燃点，然后打开高压切割氧气阀使金属燃烧成液态氧化物熔渣并被切割氧气流吹走，从而形成切口。

即气割包括预热、燃烧、吹渣三个过程，也就是说，气割是一个燃烧过程，而不是熔化过程。

②被切割金属应具备的条件：

金属的燃点与其氧化物的熔点，应低于金属本身的熔点；

金属的导热性要小，燃烧时产生的热量要大。

3．3常用金属材料的焊接

金属材料的焊接性是指在一定焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难易程度。

估算钢材焊接性方法是碳当量法，同时还与其他因素有关，如工件厚度等。

当碳当量ω（C）当量<

0．4％，焊接性优良；

当ω（C）当量：

0．4％～0．6％，焊接性较差；

当ω（C）当量>

0．6％，焊接性不好。

碳当量的计算式如下：

应能根据公式判断和比较金属的焊接性。

对焊接性不好的钢材，为减少其裂纹倾向，常采用下列工艺措施：

焊前预热，焊后缓冷，焊后热处理；

选用抗裂缝性好的低氢型焊条；

选用细焊条小电流开坡口进行多层焊，以防止母材过多地熔人焊缝，同时减少焊缝热影响区的宽度。

铸铁焊补时存在的问题是：

焊接接头易产生白口及淬硬组织；

接头及热影响区易产生裂纹；

易产生气孔和夹渣等缺陷。

常用焊接方法有热焊法和冷焊法两种。

冷焊法常用焊条有：

钢芯铸铁焊条（焊后一般不能机械加工）、铸铁芯铸铁焊条（适于较大灰铸铁的焊补）、钢基铸铁焊条（一般用于非加工面焊补）、镍基铸铁焊条（一般只用于重要铸件的加工面的焊补）。

钢、铝合金焊接的共同点是易氧化、吸气、线收缩大等，因此在焊缝中易形成夹渣、气孔、裂纹等缺陷，焊接性较差，工艺上应采取一定措施，如采用氩弧焊等。

3．4焊接结构设计

（1）焊接结构材料的选择

1）焊接结构在满足工作性能的前提下，首先要考虑选择焊接性较好的材料。

2）应尽量少用异种金属的焊接，以简化制造工艺。

3）设计焊接结构时，应该多采用工宇钢、槽钢、角钢和钢管等型材，它不仅能减少焊缝数量和简化焊接工艺，而且能够增加结构件的强度和喇性。

（2）焊缝的布置

1焊缝应尽量分散；

2）焊缝设置应避开最大应力处和应力集中处；

3）焊缝应尽可能对称；

4）焊缝应尽量避开加工表面；

5）焊缝位置应便于操作。