材料成型技術(shù)基礎(chǔ)

1、材料成型技術(shù)基礎(chǔ)Basic Knowledge about Technologies to Shape the Material,Introduction,1. How to shape?,mass increase mass decrease mass formation,Casting Plastic forming Fabrication by joining Machining Powder metallurgy Rapid prototype,Main shaping technologies,2. About This Curriculum,Technology Basic Cou

2、rse 以研究常用工程材料及機(jī)器零件的成型工藝原理為主的綜合性基礎(chǔ)課 涉及的課程知識：材料學(xué)、傳熱學(xué)、力學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械制圖 Main Topics in This Curriculum 鑄造 Foundry 壓力加工 Mechanical Working 焊接 Welding Fabrication,3. How to study?,課程要求 掌握各種成型技術(shù)的基本原理 熟悉各種成型工藝的特點及其主要應(yīng)用 熟悉零件成型的結(jié)構(gòu)工藝性 掌握常用金屬的工藝性能以及影響因素 成績評定 平時成績占30% 閉卷考試占70%,教學(xué)方法 授課：必須認(rèn)真聽，記筆記 作業(yè)：獨立、按時完成 自學(xué)：認(rèn)真對待 錄像：

3、開闊視野 實驗 學(xué)習(xí)方法 重視各個教學(xué)環(huán)節(jié) 重視實踐環(huán)節(jié) 培養(yǎng)總結(jié)知識能力 培養(yǎng)分析解決問題能力,4. 主要參考書 References,沈其文主編材料成型工藝基礎(chǔ)，華中理工大學(xué)出版社，1999.9 李遇昌等主編熱加工工藝，成都科技大學(xué)出版社，1989.6 美E.Paul DeGarmo Materials and Processes in Manufacturing機(jī)械制造工藝及材料，機(jī)械工業(yè)出版社，1985 只是參考，主要教材,第二篇 鑄造 Foundry,什么叫鑄造 Casting？ (p33),The production of shaped articles by pouring m

4、olten metal into the mould,鑄造方法,鑄造生產(chǎn)的特點及局限,廣泛 wide-ranging,精度相對較高 Precision、 便宜 Low Cost,鑄造的局限性,鑄造的特點,第一章 鑄造工藝基礎(chǔ)The Basic Knowledge,鑄造性能,獲得好鑄件（Perfect Casting）的難易程度,形狀完整：Shape is properly formed 內(nèi)部質(zhì)量好： Internally sound 沒有缺陷：Free from defects,取決于：充型、凝固、冷卻、結(jié)晶 Depend on liquid metal, flow property unde

5、r foundry condition, solidification process, cooling process,1 液態(tài)合金的充型The Mould Filling of Liquid Alloy,充型能力 mould filling capacity (p34) 液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力,形狀不完整、輪廓不清晰 產(chǎn)生缺陷,問：影響鑄件充型的因素有哪些？,澆不足 Short Run 冷隔 Cold Shut,充型能力差,合金本質(zhì)：流動性 環(huán)境條件：澆注、充型 工件結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)工藝性,1. 合金的流動性 Fluidity Castability,1) 合金的

6、流動性的概念 合金本身流動的能力；粘度 viscosity,流動性好 容易澆鑄出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件 氣體、夾雜上浮與排除 補(bǔ)縮 流動性差 薄壁鑄件：澆不足 復(fù)雜鑄件：冷隔,2) 合金流動性測量,螺旋型試樣法： 用澆注后試樣的長度來表示,1試樣鑄件 2澆口 3冒口 4試樣凸點 流道長：1.5m P34, fig2-1,3) 影響合金的流動性的主要因素 variables influencing fluidity,成分 composition: 固液二相區(qū)間距越大，流動性越差,純金屬及共晶點成分合金流動性好，后者的熔點更低，流動性更好。,鐵碳合金流動性與含碳量關(guān)系p35,fig 2-2,fr

7、eezing rang 凝固區(qū)間, 凝固范圍,2. 影響液態(tài)合金充型的其它因素,1）溫度：合金T，流動性好，充型容易 溫度取決于澆注溫度、鑄型溫度和鑄型材料 預(yù)熱：鑄型溫度 金屬型鑄造，壓力鑄造，熔模鑄造 鑄型材料：蓄熱系數(shù) 干砂型，濕砂型。石英砂，剛玉，鋯砂 澆注溫度 T，流動性好，充型能力強(qiáng) 澆注溫度 Pouring temperature不能過高，why？,熔煉溫度高，吸氣增加，氣孔 收縮增加，縮孔、縮松 凝固速度降低，粗晶 易產(chǎn)生粘砂溫度,2) 充型壓力 ：靜壓頭； 低壓鑄造； 離心鑄造 3) 鑄型中的氣體： 排氣口，真空澆注,2 鑄件的凝固與收縮Freezing and Shrink

8、age,1. 鑄件的三種凝固方式 the wideness of paste zone,P36 圖2-3,逐層凝固 Freezing layer by layer 糊狀凝固 Paste freezing 中間凝固 Middle freezing,液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補(bǔ)償，將產(chǎn)生縮孔或縮松,Noted:,凝固方式(the wideness of paste zone)取決于 合金的成分：freezing rang 凝固區(qū)間, 凝固范圍 溫度梯度temperature gradient 凝固方式?jīng)Q定了合金的補(bǔ)縮性能 feeding characters 傾向于逐層凝固的合金（灰口鑄鐵，近共晶點

9、鋁硅合金） 補(bǔ)縮性能好、鑄件致密度高、不容易產(chǎn)生縮松 傾向于糊狀凝固的合金：錫青銅，鋁青銅，球墨鑄鐵 補(bǔ)縮性能差、鑄件致密度不高、不容易產(chǎn)生縮松,2. 鑄造合金的收縮 Shrinkage of the Casting Alloys,合金從澆注、凝固、直至冷卻到室溫，其體積和尺寸縮減現(xiàn)象（p36）,鑄鋼白口鑄鐵灰口鑄鐵(p37表2-1) 液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補(bǔ)償，將產(chǎn)生縮孔或縮松,液態(tài)收縮liquid Contraction 體收縮 凝固收縮freezing contraction 體收縮 固態(tài)收縮solid contraction 線收縮,3. 鑄件中的縮孔和縮松,3.1 縮孔與縮松的形成

10、 縮孔（又稱集中縮孔） Shrinkage void 由于凝固收縮得不到補(bǔ)償，在最后凝固部位或者熱節(jié)處(thermal center)，形成容積較大的孔洞,The formation of Shrinkage Void p37 Fig.2-4,縮松（又稱分散縮孔）Porosity,由于凝固收縮得不到補(bǔ)償，在鑄件一定區(qū)域內(nèi)，形成分散的小縮孔,宏觀縮松肉眼可見 分布在鑄件心軸線處或縮孔下方 微觀縮松在顯微鏡下可見 縮松影響鑄件的氣密性和力學(xué)性能,左P38 Fig.2-5 The formation of Shrinkage Void and Porosity,3.2 縮孔和縮松傾向,縮孔、縮松傾向

11、取決于合金的收縮和補(bǔ)縮能力 合金的收縮包括液態(tài)收縮和凝固收縮 合金的凝固區(qū)間（凝固溫度范圍）: freezing rang 鑄鋼白口鑄鐵灰口鑄鐵 球墨鑄鐵、錫青銅易形成縮松 澆注溫度 鑄件的補(bǔ)縮性能：凝固方式，補(bǔ)縮條件 凝固方式與凝固區(qū)間和溫度梯度有關(guān) 逐層凝固的合金補(bǔ)縮性能好，不容易產(chǎn)生縮松 糊狀凝固的合金補(bǔ)縮性能差，容易產(chǎn)生縮松 壓力下凝固，可以防止縮松,3.3 縮孔和縮松的防止,選用縮孔和縮松傾向小的合金 :共晶合金 eutectic alloy 對于縮孔 ：用冒口(riser)補(bǔ)縮 采用順序凝固progressive solidification原則 順序凝固（定向凝固）：在鑄件厚大部

12、位安放冒口，鑄件遠(yuǎn)離冒口處先凝固，靠近冒口處后凝固，最后冒口本身凝固。,注意：冷鐵本身沒有補(bǔ)縮作用，但可以加快該處鑄件的冷卻速度，與冒口一起使用，實現(xiàn)順序凝固,如何避免縮松？,對于傾向粥狀凝固的合金,例如錫青銅,縮松很難避免 一般采用同時凝固的原則 避免局部產(chǎn)生較大尺寸的縮松,不管壁厚如何，同時一起收縮,要求更高，采用金屬型離心鑄造 也可以采用壓力鑄造，液態(tài)模鍛等工藝,3 鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋Internal Stress, Deformation and Crack,1. 鑄造應(yīng)力,鑄件冷卻，固態(tài)收縮受阻礙，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力 得不到釋放，形成殘余內(nèi)應(yīng)力 超過屈服極限，產(chǎn)生變形 超過斷裂

13、極限，形成裂紋,形成方式：熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、相變應(yīng)力 熱應(yīng)力： 鑄件各部分冷卻速度不同，收縮過程不一致造成的應(yīng)力 相變應(yīng)力：鑄件各部分相變時間不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力 有時形成殘留應(yīng)力，有時為臨時應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力：鑄件受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力 一般不形成殘留應(yīng)力,P39 圖2-8,鑄件中厚的部分最后冷卻，總是受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng)力; 熱應(yīng)力形成殘留應(yīng)力 熱應(yīng)力的預(yù)防：采用同時凝固的方法（很少用）、合理結(jié)構(gòu) 內(nèi)應(yīng)力的消除：自然時效、人工時效,熱應(yīng)力的形成 Formation of Thermal Stress,2. 鑄件的變形與防止Cast Distortion and the Solution,鑄

14、造應(yīng)力超過材料的屈服極限，鑄件將產(chǎn)生塑性變形,機(jī)架的變形,T型型材的變形,預(yù)防鑄件變形的措施,設(shè)計時：鑄件結(jié)構(gòu)的壁厚均勻，形狀對稱 采用反變形法：在模型上預(yù)先加一個反變形量 采用同時凝固，但須考慮到縮孔,同時凝固主要適用于灰鑄鐵和錫青銅，why?,p40, fig2-9,3. 鑄件的裂紋與防止 Cracking and Prevention,鑄造應(yīng)力超過材料的斷裂極限，鑄件將產(chǎn)生裂紋 熱裂紋（晶間、高溫、凝固裂紋）hot tearing 寬，曲折，氧化色 冷裂紋（低溫裂紋） cold crack：細(xì)，直，輕微氧化色 防止裂紋措施 選用裂紋傾向小的合金 熱裂傾向：凝固區(qū)間solidificati

15、on rang和鋼中的S 冷裂傾向：塑性plastic和鋼中的 P 鑄件的結(jié)構(gòu)： 避免熱節(jié)、應(yīng)力集中stress concentration 鑄型的退讓性,p40, fig2-10,第二章 常用合金鑄件的生產(chǎn)Typical Cast Alloys,1 鑄鐵件生產(chǎn),灰鑄鐵 Gray Cast Iron 1.1 灰鑄鐵的組織性能特點 灰鑄鐵的組織,鑄造性能好，成本低、應(yīng)用廣泛，產(chǎn)量高,常用鑄造合金的組織、性能以及鑄件的生產(chǎn)特點,G：片狀（特點） 3基體類: F，P，F(xiàn)+P,灰鑄鐵的性能特點,力學(xué)性能差，脆性材料,流動性好 縮孔縮松傾向小 熱裂、冷裂傾向低,優(yōu)良的 減震性 優(yōu)良的減摩性 灰鑄鐵的鑄造

16、性能好,強(qiáng)度、硬度低，塑、韌性幾乎為0,由于G片尖端相當(dāng)于裂紋，造成應(yīng)力集中,灰鑄鐵的理想組織是什么？,基體：P 石墨：細(xì)小、均勻,1.2 影響鑄鐵組織和性能的因素,化學(xué)成分 C, Si, Mn, S, P 碳、硅碳當(dāng)量 C.E=C%+0.3 Si%,白口鑄鐵，a麻口鑄鐵，珠光體灰口鑄鐵b珠光體鐵素體灰口鑄鐵，鐵素體灰口鑄鐵,問題：1. 獲得高牌號灰口鑄鐵而不產(chǎn)生麻口 2. 鑄件壁厚不一致，但性能均勻,冷卻速度,1.3 孕育處理 Inoculation,定義 將孕育劑（75硅鐵）0.25-0.6%加入到低碳、低硅(2.7-3.3%C, 1-2%Si)的鐵水中，攪拌后澆注，以獲得細(xì)小且分布均勻石

17、墨的灰鑄鐵件處理工藝 孕育鑄鐵 Inoculated Cast Iron 組織：細(xì)小、均勻的G + P基體 性能特點,灰鑄鐵牌號HT100HT350,2. 可鍛鑄鐵 Malleable Cast Iron,什么叫可鍛鑄鐵？ 性能特點：有一定的塑性、韌性，不可鍛造 可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過程 白口鑄鐵高溫退火石墨呈團(tuán)絮狀 成分：低碳、低硅；2.42.8%C，0.41.4%Si 適用范圍：中壓閥門 形狀復(fù)雜的薄壁小件：大件容易產(chǎn)生麻口 受一定沖擊的零件 大批量生產(chǎn): 單件成本高 牌號KTH300-06,3. 球墨鑄鐵 Spheroid Cast Iron,3.1 組織、性能特點及牌號 QT700-2 性能

18、好制造曲軸、連桿：疲勞性能高 組織：球狀G + 基體,3.2 生產(chǎn)關(guān)鍵 熔煉 成分：高碳（3.64% C），低P、低S 溫度：1420 球化處理、孕育處理,F，P，B，F(xiàn)+P，A-B,4. 蠕墨鑄鐵,鑄型工藝 增加鑄型剛度 用干型防止皮下氣孔 澆注系統(tǒng)，擋渣 熱處理：基體改善,蠕蟲狀G +基體；力學(xué)性能介于灰鐵與球鐵之間 優(yōu)異的耐熱疲勞性,球墨鑄鐵易產(chǎn)生縮孔、縮松、皮下氣孔、夾渣等缺陷,2 鑄鋼件生產(chǎn)Production of Cast Steel Element,1. 鑄鋼牌號及成分,牌號：ZG270-500 p51 Table 2-6 成分特點：中碳 0.250.45%C why? 含碳量

19、過低熔點高，流動性差，易粘砂，氣孔多； 含碳量過高熔點雖低，但塑性差，易冷裂 鑄鋼的特點 熔點高，易氧化、吸氣 鑄造性能差 流動性差、收縮大(縮孔縮松傾向大)、熱裂傾向大,3 銅、鋁合金鑄件生產(chǎn),熔化設(shè)備：坩堝爐 銅合金的氧化問題（形成CuO2）加覆蓋劑 鋁合金的吸氫問題加氯化鋅（ZnCl2 ）、六氯乙烷（C2Cl6）或加Cl2,第三章 砂型鑄造 Sand casting,用型砂緊實成型的鑄造方法稱為砂型鑄造 砂型鑄造是應(yīng)用最廣泛的一種鑄造方法 可追溯到公元前30004000年,砂型鑄造工藝流程,合適的鑄造合金 正確的熔煉和澆注 合理的鑄型工藝,獲得健全的鑄件,砂型鑄造的鑄型工藝主要體現(xiàn)在鑄造

20、工藝圖和鑄型裝配圖,鑄造工藝圖,定義：用工藝符號和參數(shù)，表示鑄造工藝方案的圖形 一般直接畫在零件圖上 作用：指導(dǎo)模型（芯盒）設(shè)計，生產(chǎn)準(zhǔn)備，鑄型制造 作為鑄件檢驗依據(jù) 選擇造型方法后，就開始制定鑄型工藝,砂型鑄造概略圖,鑄型工藝 實線：分型面； 文字、箭頭：鑄件的澆注位置 型芯的數(shù)量、形狀、尺寸、固定方法等 工藝參數(shù)：加工余量（涂黑），拔模斜度、收縮率（數(shù)字） 澆注工藝：澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵,鑄造工藝圖的內(nèi)容,用造型混合料及模樣等工藝裝備制造鑄型的過程稱為造型 手工造型 全部用手工或手動工具完成的造型工序 手操作靈活、適應(yīng)性廣、工藝裝備簡單、成本低 鑄件質(zhì)量差、生產(chǎn)率低、勞動強(qiáng)度大、技術(shù)水平要

21、求高 手工造型主要用于單件小批生產(chǎn) 特別是重型和形狀復(fù)雜的鑄件 機(jī)器造型 用機(jī)器全部完成或至少完成緊砂操作的造型工序 鑄件尺寸精確、表面質(zhì)量好、加工余量小 需要專用設(shè)備，投資較大 適合大批量生產(chǎn),1 造型方法的選擇,手工造型,機(jī)器造型,手工造型與機(jī)器造型重要區(qū)別,震壓緊實,手工造型可以用2、3、多箱、地坑 機(jī)器造型一般2箱 手工造型用模樣，機(jī)器造型用模板 手工造型允許挖砂、活塊 機(jī)器造型絕不允許,鑄造（型）工藝設(shè)計 確定澆注位置和分型面 確定主要工藝參數(shù) 澆注系統(tǒng)的設(shè)計：確保液態(tài)金屬能夠平穩(wěn)而合理地充滿型腔 補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計：為消除縮孔和疏松，合理設(shè)置冒口、冷鐵等,澆注系統(tǒng)的組成 Bush or

22、 basin Down runner runner ingates,2 澆注位置與分型面的選擇Casting Situation and Parting face,1. 澆注位置的選擇原則 鑄件的重要加工面應(yīng)朝下或者側(cè)面 why? 上部組織不致密 容易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷 有數(shù)個重要加工面時，應(yīng)使較大者處于下部,車床床身,卷揚(yáng)機(jī)筒,澆注位置的選擇原則,鑄件的大平面應(yīng)朝下，防止夾砂 型砂受高溫急劇膨脹，強(qiáng)度下降而拱起或開裂,油盤鑄件,平板澆注時的位置,面積較大的薄壁部分 置于下部、處于垂直或傾斜位置 防止鑄件薄壁部分澆不足或冷隔缺陷,對容易產(chǎn)生縮孔的鑄件，厚的部分放在鑄型的上部或側(cè)面 以便

23、在鑄件厚壁處直接安置冒口，進(jìn)行補(bǔ)縮 定向（順序）凝固,Fig.2-31 三通分型方案,分型面為鑄型組元間的接合面 選擇分型面原則：簡化造型、保證精度、方便裝配 簡化造型 分型面平直、數(shù)量少：用2箱造型，避免挖砂、假箱 不用、少用型芯和活塊（機(jī)器造型，不能使用活塊）,2. 分型面的選擇,保證精度,簡化造型: 自帶型芯,應(yīng)盡量使鑄件全部或大部置于同一砂箱,Fig.2-32 支架分型方案,方便裝配,圖2-35 機(jī)床支柱,應(yīng)盡量使型腔及主要型芯位于下箱 使造型、下芯、合箱、檢驗鑄件壁厚，操作方便 下箱不宜過深，并盡量避免吊芯和大的吊砂,上述原則一般不能同時被滿足，有時甚至是互相矛盾的 對質(zhì)量要求很高的

24、鑄件， 應(yīng)在滿足澆注位置的前提下，再考慮簡化工藝 對質(zhì)量要求不高的鑄件， 以簡化鑄造工藝為主,3 工藝參數(shù)的選擇Technological Parameters (Casting Dimension Criterion),1. 機(jī)械加工余量和鑄孔Machining Allowance and Casting Hole,工藝參數(shù)很多：機(jī)械加工余量，最小鑄孔，拔模斜度，收縮率，型芯頭的結(jié)構(gòu)和尺寸,什么叫機(jī)械加工余量？P 63 機(jī)械加工余量確定原則：主要考慮經(jīng)濟(jì)性 生產(chǎn)批量 大考慮省料 鑄件精度 加工余量 小 考慮省工加工余量 保證成品率 合金種類：決定鑄件精度、表面粗糙 精度高、表面粗糙度低余量小

25、 加工余量：有色金屬鑄鐵鑄鋼 鑄件大小，加工面與基準(zhǔn)的距離、加工面位置等 尺寸和距離，絕對誤差 加工面在澆注時的位置：上面缺陷多，余量大,2. 拔模斜度 Pattern Draft,鑄孔：主要考慮能否鑄出，經(jīng)濟(jì)性 但零件圖上不要求加工孔、槽，無論大小，原則上都要鑄出,鑄件的工藝結(jié)構(gòu)之一：垂直于分型面?zhèn)缺诘膬A斜度 與造型方法、模型材料、立壁高度有關(guān) 加工表面結(jié)合加工余量直接畫出 不加工表面用文字注明,15 3o for out surface 3o10o for inner surface Depend on : casting height, the way to produce mould,

26、 the pattern material,3. 收縮率 contraction ruler 合金冷卻過程中有線收縮，模樣的尺寸比鑄件相應(yīng)放大，取決于合金種類和鑄件收縮阻礙情況 灰口鑄鐵 0.71.0%，鑄鋼 1.3 2.0%，鋁硅合金0.8 1.2%，錫青銅1.2 1.4%,4. 型芯頭,型芯作用？ 型芯依靠芯頭與型腔定位和固定,在畫鑄造工藝圖時不畫，用數(shù)據(jù)標(biāo)出；模樣：定制的尺（縮尺）,垂直芯芯頭有斜度。 上芯頭6150，下芯頭為5100,水平芯頭有一定的長度, 懸臂芯的芯頭更長,芯頭與芯座之間有間隙：1 4mm,4 綜合分析舉例 examples,1. 造型方法選擇 How to prod

27、uce sand mould 2. 澆鑄方案 Pouring criterion 澆注位置casting situation 、澆注系統(tǒng)gating system 、冒口和冷鐵risers and chills,圖2-38支座,3. 鑄型方案 Moulding criterion 分型面parting face 、 型芯 cores 4. 工藝參數(shù) Dimension criterion 機(jī)加工余量allowance for machining 、拔摸斜度draft angle 、收縮率contraction ruler 、芯頭結(jié)構(gòu) core print等,圖2-39,支座的鑄造工藝圖,C6140車床進(jìn)給箱,C6140車床進(jìn)給箱,分型面的選擇,進(jìn)給箱的鑄造工藝圖,第五章 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計Structure Design of the Cast,滿足使用要求前提下，容易加工 1. 無缺陷 2. 性能好 3. 操作方便 鑄件基本工藝結(jié)構(gòu)： 1. 合理的壁厚 2. 壁厚均勻過渡 3. 鑄造圓角 4. 加強(qiáng)筋 5. 凸臺和凹槽 6. 取模斜度,1 鑄件結(jié)構(gòu)與砂型鑄造的關(guān)系,1. 容易起模,1) 避免外部側(cè)凹,別擋著 平面