3630材料成型技术指导书Word下载.docx

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2、了解工程塑料的成形工艺及设备。

三、学时分配

序号

课程内容

自学时数

作业时数

实验

第一章

金属的液态成形

24

第一节

液态成形铸造理论基础

6

2

第二节

金属的液态成形方法

第三节

液态金属成形件的工艺设计

4

第四节

液态金属成形件的结构设计

第二章

金属的塑性成形

26

金属塑性成形的工艺基础

金属热锻成形工艺

12

板料冲压成形工艺

8

特种塑性成型技术简介

第三章

材料的连接成形

22

焊接成型工艺基础

焊接方法及工艺

金属材料的焊接性

第四章

非金属材料的成形

成形工艺过程综合实验

一周

合计

72

20

四、课程参考资料

铸造合金及其熔炼，陆文华主编，机械工业出版社，1996

铸造工艺学，曹文龙主编，机械工业出版社，1993

电弧焊，胡特生主编，机械工业出版社，1993

《材料成形技术基础》课程考试大纲

1、掌握铸件宏观结晶组织的形成及其影响因素。

2、掌握影响温度梯度的因素。

了解铸件凝固方式与铸件质量的关系。

3、了解铸件中的气体、非金属夹杂物。

4、掌握铸造合金的收缩。

掌握防止产生缩孔与缩松的途径。

了解铸件的热裂纹和冷裂。

了解铸件的变形。

5、掌握常用的手工造型方法，掌握铸造成形方案的选择。

6、掌握铸件结构工艺性能分析。

7、了解常用的特种铸造技术。

掌握金属塑性成形性能及影响因素。

掌握热锻成形工艺、了解自由锻工序、掌握自由锻件的结构工艺性。

掌握模锻的模具结构，了解模锻工艺规程、掌握模锻件的结构工艺性。

了解板料冲压成形，掌握冲压件结构设计。

了解轧制成形、了解挤压成形。

第三章焊接成形技术

1、了解焊接电弧及电源。

2、了解熔焊的冶金特点。

3、掌握焊接热影响区的组织和性能。

4、了解焊接应力与变形。

5、掌握焊接缺陷的种类及防止措施。

6、了解埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊。

《材料成形技术基础》自学指导书

一、材料加工方法分类

传统分类为：

冷加工与热加工两个部分。

1）成形技术：

通过不去除材料或者不以去除材料为主要加工方法的生产技术。

用零件的材料直接成形，零件的精度比较低，主要用于零件毛坯的制造。

今年来随着成形工艺的不断改进，也大量用于零件的生产。

生产率高，材料利用率高，加工工艺灵活，可以成形各种复杂的零件。

主要包括铸造、锻压、焊接、粉末冶金和塑料成形。

（举例）

2）制造技术：

以去除材料为主要加工方法的生产技术。

在毛坯的基础上加工成形，用于生产高精度零件。

生产率低，材料利用率低，不能生产结构复杂的零件。

如车、铣、磨、刨、钻及电火花、电解加工等。

3）表面成形加工：

改变零件表面性能来使零件满足技术要求的加工方式。

工程应用中的某些零件需要内、外部分的受力情况不同。

如球磨机衬板、机床的轴承。

如表面形变、淬火强化、化学热处理、表面涂层和气相沉积等。

4）热处理加工：

通过加热、保温、冷却等处理方法改变材料的组织结构，以满足工程需要的方法。

能够极大的改善零件的力学性能，提高零件的寿命，是改善零件力学性能的主要方式。

如退火、淬火、正火及回火处理。

将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。

用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。

与其它金属加工方法相比，铸造具有如下优点：

（1）原材料来源广

（2）生产成本低

（3）铸件形状与零件接近，尺寸不受限制

第一节液态成形铸造理论基础

铸造性能是合金在铸造生产中所表现出来的性能，包括合金的流动性、收缩性等。

一、合金的凝固与收缩

液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象，称为合金的收缩。

1、铸件的凝固方式

（1）逐层凝固方式

（2）糊状凝固方式

（3）中间凝固方式

2、合金的收缩方式

是产生缩孔、缩松的主要原因

（1）液态收缩：

从浇注—液相线

（2）凝固收缩：

液相线—固相线

（3）固态收缩;

固相线—室温

导致体积收缩和线收缩,是产生内应力、裂纹和变形的主要原因

3、影响收缩的因素

（1）化学成分碳、硅量高，收缩减少；

锰、硫量高，收缩增大。

（2）浇注温度浇注温度越高，收缩越大。

（3）铸件结构和铸型条件

二、合金的流动性和充型能力

1、流动性

流动性是指熔融金属本身的流动能力。

合金流动性好的优点：

（1）易获得形状复杂、轮廓清晰的薄壁件；

（2）有利于气体和夹杂物的上浮和排除；

（3）有利于补缩；

因此，能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷。

合金流动性的大小通常用浇注流动性试样的方法来测定。

2、影响合金流动性的因素

（1）合金种类

（2）化学成分

一般规律：

合金的凝固范围宽，流动性差。

硅提高流动性；

锰的影响不大；

硫易形成硫化锰，降低流动性；

磷提高流动性。

3、合金的充型能力

在实际生产条件下，熔融金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，叫合金的充型能力。

影响充型能力的因素有：

（1）铸型填充条件：

包括铸型的蓄热能力、温度及铸型中的气体等。

（2）浇注条件：

包括浇注温度、充型压力等。

（3）铸件结构

三、铸造性能对铸件质量的影响

1、铸件中的缩孔和缩松

缩孔是容积较大而集中的孔洞。

缩松是细小而分散的孔洞。

（1）缩孔缩孔通常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位。

其外形特征为倒锥形，内表面不光滑。

基本原因是液态收缩和凝固收缩。

基本条件是逐层凝固。

（2）缩松缩松分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近。

基本条件是铸件在较宽的区域内同时凝固。

（3）防止措施

定向凝固是防止产生缩孔的有效措施。

定向凝固就是采取一定措施，是铸件按规定的方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。

a）合理选择内浇道在铸件上的引入位置和高度；

b）开设冒口；

c）放置冷铁。

冷铁是用来控制铸件凝固顺序的激冷物。

定向凝固的缺点：

一是冒口浪费金属；

二是铸件内应力大，易于变形和开裂。

应用：

主要用于凝固收缩大，凝固温度范围较宽的合金。

如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。

2、铸件的内应力、变形和裂纹

（1）铸件的内应力铸件的凝固收缩受到阻碍时，就会产生内应力。

a）热应力是铸件在凝固或冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。

防止的根本途径是尽量减少铸件各部位的温差，使其均衡凝固。

具体工艺措施是减少铸件与铸型的温差；

适当控制铸件的打箱时间等。

b）收缩应力是铸件的固态收缩受到铸型、型芯、浇注系统、冒口或箱挡的阻碍而产生的应力。

一般这种应力是暂时的，打箱后便可消失。

防止措施是改善铸型和型芯的退让性。

（2）铸件的变形

（3）铸件的裂纹

当内应力超过合金的强度极限时，铸件就会产生裂纹。

根据裂纹产生的温度不同，把裂纹分为热裂和冷裂两种。

a）热裂是铸件在高温下形成的裂缝，外形形状曲折而不规则，断口呈氧化色。

热裂是铸件在凝固末期形成的。

是铸钢和铸铝常见的缺陷。

b）冷裂是铸件处于弹性状态时，其热应力和机械应力总值超过合金强度极限而形成的。

其外形呈连续直线状或圆滑曲线状，断口干净，具有金属光泽或称轻微氧化色。

砂型铸造成形

砂型铸造是指铸型由砂型和砂芯组成，而砂型和砂芯是用砂子和粘结剂为基本材料制成的。

分为手工造型和机器造型。

1、手工造型

2、机器造型

（1）紧实砂型的方法

（a）震压紧实

（a）抛砂紧实

（c）高压紧实

（2）起模方法

（a）顶箱起模

（b）漏模起模

（c）反转起模

二、特种铸造

（一）熔模铸造

熔模铸造又称失蜡铸造，它是在蜡模表面包以造型材料，待其硬化后，再将其中的蜡模熔去，从而获得无分型面铸型的铸造方法。

1、蜡模铸造工艺过程

（1）母模

（2）压型：

易熔合金压型，利用母模作模样，由易熔合金（Sn、Pb、Bi等的合金）直接浇注制成的。

钢或铝合金压型。

（3）蜡模的制作

模料：

分低温模料、中温模料和高温模料。

压蜡：

将调好的模料压入压型，凝固后取出蜡件，放入水中冷却。

修蜡模：

修去飞边毛刺。

组合：

将多个蜡件粘到蜡质浇棒上。

（4）铸型的制造

制壳；

脱蜡，焙烧；

浇注

2、熔模铸造的特点及应用范围

（1）铸件精度高，表面光洁。

（2）能够铸造各种合金铸件。

（3）铸件形状可以比较复杂。

（4）铸件质量不宜太大。

熔模铸造主要用于制造形状复杂、精度要求较高的小型零件，如涡轮机叶片和叶轮、高速钢刀具等。

（二）金属型铸造

金属型铸造的特点及应用范围：

（1）实现了一型多铸

（2）铸件的力学性能高

（3）铸件的精度高

（4）局限性：

铸型制造成本高，周期长；

透气性差，无退让性，铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷；

铸造合金的熔点不能太高，质量不能太大；

（5）应用金属型主要用于制造有色合金铸件，如铝活塞、汽缸体、缸盖等。

（三）压力铸造

特点及应用：

（1）铸件尺寸精度高

（2）铸件的强度和表面硬度高

（3）可压铸形状复杂的薄壁铸件，可嵌铸其他材料

（4）生产效率高

（5）设备投资大，压型制造成本高

（6）铸件内部有大量气孔

（7）压铸件不能大余量加工和热处理

（8）适宜压铸低熔点合金

压力铸造主要用于熔点较低的锌、铝、镁及铜合金铸件的生产。

（四）低压铸造

液态金属在一定的压力下自下而上地充填铸型并凝固而获得铸件的方法。

特点：

（1）适用于各种铸型

（2）铸件质量好

（3）劳动条件好

低压铸造主要用于铸造质量要求较高的铝合金和镁合金铸件。

（五）离心铸造

将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方法。

（1）工艺过程简单

（2）铸件力学性能高

（3）便于铸造双金属铸件

（4）铸件内表面质量差，孔的尺寸不易控制。

离心铸造目前主要用于制造铁管、缸套和滑动轴承。

（六）挤压铸造

（七）实型铸造

第三节液态金属成形件的工艺设计

一、铸造成形方案的选择

1、浇注位置的选定

指浇注时铸件在铸型中所处的位置。

浇注位置不同，铸件质量不一样。

下部质量比上部好。

原因：

（1）下部缺陷少（气体、熔渣上浮）。

（2）下部无冷隔、浇不足（静压力大）。

（3）晶粒细小、力学性能高（冷速快）。

铸件侧面周长方向质量均匀，原因：

在周长方向上冷却条件相近，同时凝固。

所以：

一般应从以下考虑：

（1）铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或侧立。

（2）铸件的厚大部位置于上方或侧立。

（3）铸件大平面应尽可能朝下。

（4）铸件的薄壁部分应放在下部或侧面。

浇注位置以文字标出：

上下或上中下

2、分型面的选择

选取原则：

在保证铸件质量的前题下，以造型简单、起模方便为原则。

铸件质量要求较高时，以选择浇注位置为主；

铸件质量要求不高时，以选择分型面为主，以简化工艺。

“横浇竖冷”

3、砂芯的设计

（1）砂芯数量、形状、模样

（2）芯盒的斜度、芯头结构、尺寸及下芯顺序

二、铸造成形工艺参数的确定

（1）收缩余量

（2）加工余量

（3）起模斜度

（4）芯头

三、铸造成形工艺图：

利用各种工艺符号，把制造模样和铸型以及型芯所需要的资料，直接绘在零件图上所得到的图形。

第四节液态金属成形件的结构设计

合理结构铸件的结构设计：

使用性能

经济性能：

材料费用、工艺性能

铸件结构工艺性能好：

易铸（造型简单、起模方便）

无缺陷（无缩孔、变形、开裂）

省材（无冒口）

生产率高（工艺简单、易机械化）

一、铸造性能对铸件结构的要求

1、铸件壁厚的设计

（1）合理设计铸件壁厚

（2）铸件壁厚应尽可能均匀

2、注意铸件壁的连接

设防裂筋

减少收缩阻力

二、铸造成形工艺对铸件结构的要求

1、铸件外形设计

（1）尽量使分型面少且平

（2）外形力求简单、平直

（3）避免活块

2、铸件内腔设计

制芯简单

下芯容易

安装稳固

排气通畅

清理方便

（1）尽量减少型芯

（2）型芯要稳固、易于清理

3、结构斜度

三、铸造成形方法对铸件结构的要求

第一节金属塑性成形的工艺基础

一、金属塑性成形概述

1、概念

在外力作用下使金属产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。

各类钢和大多数有色金属及其合金都具有一定塑性，可以在热态或冷态下进行塑性成形。

2、主要方式

轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压

（1）轧制

使金属坯料通过两个旋转轧辊之间的间隙而产生塑性变形，生产各种型材、管材、板材等。

（2）挤压

使金属坯料从挤压模孔挤出而成型位各种型材、管材、零件等

挤压的方法有：

a）正挤压

b）反挤压

c）复合挤压

d）径向挤压

（3）拉拔

将金属坯料从拉模的模孔中拉出而成型为各种线材、薄壁管材、特殊截面型材等

锻造

（4）冲压

利用冲模将金属板料切离或变形为各种冲压件

（5）锻造

将金属坯料置于上下砧或锻模内，用冲击力或压力使金属成型为各种型材和锻件等

锻造的种类有：

a）自由锻

b）模锻

c）胎模锻

二、金属塑性成形性能及影响因素

1、金属的塑性及变形规律

塑性：

金属在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。

金属变形过程：

a）金属材料在外力作用下发生弹性变形

b）当外力超过一定值后产生塑性变形

c）外力继续加大，发生断裂

金属塑性变形的实质：

a）晶粒内部滑移和孪生

b）晶间滑移和晶粒转动

基本规律：

最小阻力定律，体积不变定律

2、塑性变形对金属的组织和性能的影响

1）、变形程度的影响

a）锻造比b）变形程度的其他表示方法

2）、纤维组织的影响

锻造流线及其合理分布：

（1）铸锭经塑性变形后的显微特征：

具有锻造流线

a）脆性杂质，被打碎并顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布

b）塑性杂质，随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布

c）晶粒，显著地沿同一方向被拉长

（2）性能特点：

具有各向异性

a）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加

b）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低但抗剪切能力显著增强

（3）合理分布

a）零件最大拉应力方向应与锻造流线平行

b）零件最大剪切应力方向应与锻造流线垂直

c）零件外形轮廓应与锻造流向的分布相符合而不被切断

3）、冷变形与热变形的影响

（1）、冷变形

变形温度低于再结晶温度

生产方法：

冷冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等

特点：

a）位错密度上升——显著加工硬化

强度、硬度上升

韧、塑性下降

b）尺寸精度高、表面质量好

（2）、热变形

变形温度高于再结晶温度

生产方式：

热锻、热轧、热挤压

坯料原始组织特征：

晶粒粗大、组织不均匀、有气孔、缩松、微裂纹、非金属夹杂物等缺陷

热变形后的组织特征：

a）加工硬化和再结晶同时发生

b）冶金缺陷得到改善或消除

c）最终得到细小的等轴晶

d）组织致密，力学性能显著提高

3、影响金属塑性变形的因素

可锻性是金属经受塑性成型的难易程度，塑性（ä

、ø

、å

）好、变形抗力（ó

b、ó

s）小，金属的可锻性就好

1）、内在因素

（1）化学成分

a）纯金属比合金的可锻性好

b）含合金元素少的合金比多的好

（2）组织

a）单相组织（纯金属或固溶体）比多相好

b）钢中碳化物呈弥散分布比网状分布好

c）晶粒细化组织比粗大好

2）、加工条件

（1）变形温度的影响

a）滑移力减小

b）再结晶过程加速

c）多相状态向单相转变

因此，加热温度高，可锻性好

但是，温度过高，会引起过烧或过热。

过烧会破坏晶粒间的连接，过热会使晶粒过分长大

始锻温度：

锻造温度的上限

终锻温度：

锻造温度的下限

碳素钢的锻造温度范围1150/1250-800/850度

（2）变形速度的影响

金属材料在单位时间内的变形程度

a）变形速度不大时，回复和再结晶来不及消除加工硬化，可锻性下降

b）变形速度大于一定值后，由于塑性变形的热效应使材料温度升高，回复和再结晶充分，可锻性提高

（3）应力状态

挤压时，金属呈三向压应力

拉拔时，变形材料呈两向压应力和一向拉应力

理论和实践表明：

a）压应力越多，材料的塑性越好

b）拉应力越多，塑性越差

第二节金属热锻成形工艺

按使用设备不同，锻造工艺分为：

a）自由锻b）模锻c）胎模锻

一、自由锻造成形

自由锻的特点

（1）坯料变形时，只有部分表面受到限制，其余可自由流动；

（2）所用设备及工具简单，适应性强，锻件重量不受限制；

（3）由人工控制锻件的形状和尺寸，锻件的精度低，生产率低；

（4）适用于单件小批生产，也是大型锻件的唯一锻造方法。

1、自由锻的工序

（1）基本工序

用来改变坯料的形状和尺寸的工序，主要包括：

镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移等。

（2）辅助工序

为了完成基本工序而进行的预先变形工序，主要包括：

压钳把、倒棱、压痕等。

（3）修整工序

用来减少锻件表面缺陷的工序，主要包括：

校正、滚圆、平整等。

2、制定锻造工艺规程

工艺：

将原材料或半成品加工成产品的工作、方法、技术等。

规程：

将某种政策、制度等所做的分章分条的规定。

（1）锻件图的绘制

在零件图的基础上，考虑加工余量、锻造公差、余块等因素后绘制的工艺图。

a）加工余量

锻件表面留有供机械加工的金属层，5-20mm。

b）锻造公差

锻件尺寸相对于公称尺寸所允许的变动量。

c）余块

为便于锻造而增加的那一部分金属。

如较小孔、槽等。

（2）选择自由锻工序和锻造比

（3）确定坯料的重量和尺寸

1）坯料重量计算

m坯=m锻件+m损

m损=m烧+m芯+m切

其中：

m烧——火耗损失

m芯——冲孔冲掉的芯料

m切——修切端部的损失

2）坯料尺寸、锻造比

锻造比：

锻件在锻造成形时的变形程度。

锻造比过小，达不到性能要求，过大则增大工作量，引起各向异性。

只有锻造比选择合适时，则毛坯内部缺陷被压合，树枝晶被打碎，晶粒显著细化，力学性能得到提高。

a）锻造比的计算方法:

拔长时，B拔=A0/A

镦粗时，B镦=H0/H

一般情况下，铸锭作为坯料时，锻造比不小于2.5—3；

轧制型材作为坯料时，锻造比选择1.3—1.5。

b）坯料尺寸：

根据坯料重量和锻造比确定。

（4）选择锻造设备

根据锻件的尺寸、形状、材料等条件来选择设备种类及其规格，既保证锻透工件、有较高的生产率，又不浪费动力，并使操作方便。

a）锻锤

利用冲击力使坯料产生塑性变形

常用设备有：

空气锤，锻件重量范围是50-1000公斤；

蒸汽---空气锤，锻件重量范围是20-1500公斤。

b）液压机

利用静压力使坯料变形

常用设备是水压机，适用于大型锻件。

（5）确定锻造温度范围

（6）填写锻造工艺卡片

3、自由锻件的结构工艺性.

设计零件时，应考虑锻造的工艺特点，使零件的结构便于锻造，节约成本。

自由锻造采用简单、通用的工具，锻件的形状和尺寸精度很大程度上取决于锻工的技术水平，所以锻件的形状不能复杂。

二、模型锻造成形

模锻是利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。

按所用设备不同可分为锤上模锻、压力机上模锻、平锻机上模锻和旋转压力机上模锻等。

模锻的特点

（1）优点

a）锻件形状复杂，尺寸精确，表面光洁；

b）加工余量小，节约材料和工时；

c）锻造流线分布符合外形结构，力学性能高；

d）生产效率高。

（2）缺点

a）模具费用高，生产周期长；

b）锻件重量小，一般小于150公斤。

1、锤上模锻设备及工艺特点

锤上模锻一般选用1—16吨的蒸汽—空气模锻锤。

锻模制作成带燕尾的上下两半模，上下模分别用楔铁紧固在锤头和模垫上。

2、锤上模锻的模具结构

（1）锻模结构与模膛

a）锻模一般由上模和下模两部分组