金屬材料的成型工藝課件

第二章金屬材料的成型工藝4-1鑄造工藝4-2壓力加工工藝4-3金屬與金屬的連接4-4金屬的切削加工工藝4-5金屬材料的表面裝飾技術(shù)4-1鑄造工藝

一.鑄造發(fā)展歷程

我國的金屬鑄造生產(chǎn)，歷史悠久，成就輝煌。古代勞動人民通過世代相傳的長期生產(chǎn)實踐，創(chuàng)造了具有我國民族特色的傳統(tǒng)鑄造工藝，其中以泥范、鐵范和熔模鑄造最重要，稱為古代三大鑄造技術(shù)。20世紀以來鑄造業(yè)的重大進展中，灰鑄鐵的孕育處理和化學硬化砂造型這兩項新工藝有著特殊的意義。二.鑄造的基本概念及方法

金屬鑄造是將熔融態(tài)的的金屬澆入鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法。一般分為：砂型鑄造方法和特種鑄造方法（熔模鑄造、金屬性鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造、連續(xù)鑄造等）手工造型機器造型

金屬型鑄造熔模鑄造壓力鑄造低壓鑄造陶瓷型鑄造離心鑄造液態(tài)成型工藝砂型鑄造特種鑄造砂型鑄造-手工造型分型方案選定砂型鑄造的注意事項：（1）力求鑄件的外形簡單，輪廓平直。（2）內(nèi)腔設(shè)計成開口結(jié)構(gòu)要有拔模斜度。（3）砂型鑄造表面粗糙，不適宜做表面精度要求較高的的產(chǎn)品。（4）壁厚要均勻，最小壁厚不得小于合金的最小壁厚，內(nèi)壁厚度應比外壁薄，防止應力和裂紋。（5）鑄件表面設(shè)計應避免采用凸線和凹溝。特種鑄造特種鑄造金屬型鑄造離心鑄造壓力鑄造熔模鑄造低壓鑄造擠壓鑄造陶瓷型鑄造1.熔模鑄造（石蠟鑄造）熔模鑄造的注意事項：（1）鑄型沒有分形面，不必考慮起模的問題。（2）熔模鑄造只適用于質(zhì)量小于25千克的小鑄件。（3）鑄件的壁厚應保持均勻，太厚處應設(shè)有孔的方法改進。主要應用：各種造型精美的、帶有花紋和文字的鐘鼎和器皿。3.壓力鑄造注意事項：（1）使用金屬鑄造型和型芯，無退讓性，鑄件的形狀設(shè)計的盡量簡單。（2）壓力鑄造使用的鑄型和型芯，制造困難，成本高，鑄件不可能太大。同時受壓鑄機的噸位限制。（3）可以鑄造表面清晰的花紋、圖案及文字，可獲得滿意的外觀質(zhì)量.可以直接鑄出螺紋、小孔、齒形等，但是一般不能鑄內(nèi)螺紋。4-2金屬塑性加工工藝金屬塑性加工：是指在外力作用下，使金屬坯料產(chǎn)生預期的塑性變形，從而獲得一定形狀、尺寸和機械性能的毛坯或零件的加工方法。優(yōu)點：利用金屬塑性成型過程不僅能得到強度高、性能好的產(chǎn)品，且多數(shù)成型過程具有生產(chǎn)效率高，材料消耗少等優(yōu)點。金屬塑性加工的分類方法：軋制、擠壓、拉拔、自由鍛、模型鍛造、板料沖壓。通常軋制、擠壓、拉拔主要是生產(chǎn)各類型材、板材、管材和線材等二次加工的原料。鍛造基礎(chǔ)知識

鍛造是對金屬坯料（不含板材）施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形、改變尺寸、形狀及改善性能,用以制造機械零件、工件、工具或毛坯的成形加工方法。

根據(jù)在不同的溫度區(qū)域進行的鍛造，針對鍛件質(zhì)量和鍛造工藝要求的不同，可分為冷鍛、溫鍛、熱鍛三個成型溫度區(qū)域。一般地講，在有再結(jié)晶的溫度區(qū)域的鍛造叫熱鍛，不加熱在室溫下的鍛造叫冷鍛。

根據(jù)坯料的移動方式，鍛造可分為自由鍛、鐓粗、擠壓、模鍛、閉式模鍛、閉式鐓鍛。

根據(jù)鍛模的運動方式，鍛造又可分為擺輾、擺旋鍛、輥鍛、楔橫軋、輾環(huán)和斜軋等方式。

鍛件與鑄件相比，一般說來，鑄件的力學性能低于同材質(zhì)的鍛件力學性能。此外，鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續(xù)性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，可保證零件具有良好的力學性能與長的使用壽命。采用精密模鍛、冷擠壓、溫擠壓等工藝生產(chǎn)的鍛件，都是鑄件所無法比擬的。金屬經(jīng)過鍛造加工后能改善其組織結(jié)構(gòu)和力學性能。2.軋制軋制：將金屬靠摩擦力的作用，連續(xù)通過軋機上兩個相對回轉(zhuǎn)軋輥之間的空隙，進行壓延變形成為型材（如圓鋼、方鋼、工字鋼等）的加工方法。3.擠壓擠壓：將金屬坯料置于一封閉的擠壓模內(nèi)，用強大的擠壓力將金屬從?？字袛D出成型，從而獲得符合?？捉孛娴呐髁匣蛄慵募庸し椒ā?.沖壓沖壓：金屬板料在沖壓模之間受壓產(chǎn)生分離或產(chǎn)生塑性變形的加工方法。按加工溫度分類：熱沖壓和冷沖壓。前者適合變形抗力高，塑性較差的板料加工；后者在室溫下進行，是薄板常用的沖壓方法。沖壓基礎(chǔ)知識沖壓有時也稱板材成形,但略有區(qū)別。所謂板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作為原材料進行塑性加工的成形方法統(tǒng)稱為板材成形，此時，板厚方向的變形一般不著重考慮。影響因素：沖壓材料、沖壓模具、沖壓設(shè)備。

(1)沖壓材料沖壓板材質(zhì)量的衡量指標：沖壓特性、化學成分、金相組織、厚度公差和表面質(zhì)量。

(2)沖壓工藝與設(shè)備冷沖壓是一種先進的金屬加工方法，它是建立在金屬塑性變形的基礎(chǔ)上，利用模具和沖壓設(shè)備對板料金屬進行加工，從而一定形狀和尺寸并保證有一定外觀和強度性能的零件加工方法。冷沖壓在加工中不產(chǎn)生切屑，生產(chǎn)效率高，沖壓件的互換性強。冷沖壓工藝大致可分為分離工序與成形工序和復合工序（兩類工序集中于同一模具中完成）三大類。

(3)沖壓模具

模具是指安裝在特定設(shè)備上，并通過設(shè)備加溫加壓而使材料得以成型的工具。其形狀常是零件形狀的“反形”制造沖壓模具的材料有鋼材、硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、鋅基合金、低熔點合金、鋁青銅、高分子材料等等。目前制造沖壓模具的材料絕大部分以鋼材為主，常用的模具工作部件材料的種類有：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻或中鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金等等。

一般情況下，大批量生產(chǎn)所使用的沖壓模具主要為鋼模；對單件小批量生產(chǎn)則可使用鋼皮模；對于新產(chǎn)品試制多采用低熔點合金鋼模具；對于中、小批量生產(chǎn)的一些大型拉延模具，常選用鑄鐵基環(huán)氧樹脂塑料模具。沖壓件的注意事項：沖孔盡量力求簡單對稱，盡量采用圓形、矩形等，避免長槽和細長的懸臂結(jié)構(gòu)。沖孔時，圓孔的直徑不得小于材料的厚度，方孔邊長不得小于材料厚度的0.9倍。為了避免應力集中，而引起的模具開裂，輪廓轉(zhuǎn)角處應為圓角半徑。為防止彎裂，彎曲時考慮纖維方向，同時不能小于材料的彎轉(zhuǎn)半徑。

氣焊電渣焊手工電弧焊自動焊電弧焊埋弧焊熔焊等離子焊氣體保護焊半自動焊電子束焊激光焊點焊電阻焊縫焊摩擦焊對焊壓焊冷壓焊爆炸焊超聲波焊擴散焊軟釬焊釬焊硬釬焊

1.鍛焊

把被連接的兩塊材料加熱到接近熔點的溫度（但不能達到熔點），然后加壓形成連接。鍛焊一般用斜接頭連接，鍛焊制件的力學性能好，殘余應力小。2.冷壓焊

冷壓焊是在室溫下，借助壓力使待焊金屬生產(chǎn)塑性變形而實現(xiàn)固態(tài)焊接的方法。通過塑性變形擠出連接部位界面上的氧化膜等雜質(zhì)，使純潔金屬緊密接觸，達到晶間結(jié)合。搭接冷壓焊時，將工件搭放好后，用鋼制壓頭加壓，當壓頭壓入必要深度后，焊接完成。用柱狀壓頭形成焊點，稱為冷壓點焊；用滾輪式壓頭形成長縫，稱為冷壓滾焊。搭接主要用于箔材、板材的連接。冷壓焊由于不需加熱、不需填料，設(shè)備簡單；焊接的主要工藝參數(shù)已由模具尺寸確定，故易于操作和自動化，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，成本低；不用焊劑，接頭不會引起腐蝕；焊接時接頭溫度不升高，材料結(jié)晶狀態(tài)不變，特別適于異種金屬和熱焊法無法實現(xiàn)的一些金屬材料和產(chǎn)品的焊接。冷壓焊已成為電氣行業(yè)、鋁制品業(yè)和太空焊接領(lǐng)域中最重要的有限幾種焊接方法之一。爆炸焊摩擦焊4.摩擦焊

摩擦焊接是一種固態(tài)焊接方法，即通過機械摩擦運動及施加載荷，然后利用摩擦熱使金屬或非金屬之間互相連接。在正常條件下接合面沒有熔化。這種焊接方法不需要填充金屬、焊劑和保護氣體。

摩擦焊的優(yōu)點：1）焊接質(zhì)量好而且穩(wěn)定。2）焊接生產(chǎn)率高。3）生產(chǎn)費用低，由于焊機功率小，焊接時間短，故可節(jié)省電能。4）能焊接異種鋼和異種金屬。

5）摩擦焊機容易實現(xiàn)機械化和自動化。操作簡單，容易掌握和維護。工作場地衛(wèi)生，沒有火花弧光及有害氣體。

缺點與局限性：

1）摩擦焊主要是一種工件旋轉(zhuǎn)的對焊方法。對于非圓形橫斷面工件的焊接是很困難的。盤狀工件和薄壁管件，由于不容易夾固也很難焊接。

2）由于受到摩擦焊機主軸電動機功率和壓力不足的限制，目前最大的焊接斷面為200cm2。

3）摩擦焊機的一次性投資較大。因此只有當大批量集中生產(chǎn)時，才能降低焊接生產(chǎn)成本。5.超聲波焊

超聲波焊也是一種以機械能為能源的固相焊接方法。進行超聲波焊時，焊接工件在較低的靜壓力下，由聲極發(fā)出的高頻振動能使接合面產(chǎn)生強烈摩擦并加熱到焊接溫度而形成結(jié)合。

超聲波焊可以用于大多數(shù)金屬材料之間的焊接，能實現(xiàn)金屬、異種金屬及金屬與非金屬間的焊接?？蛇m用于金屬絲、箔或2～3mm以下的薄板金屬接頭的重復生產(chǎn)。6.氣焊

氣焊是用氣體火焰為熱源的一種焊接方法。應用最多的是以乙炔氣作燃料的氧－乙炔火焰。由于設(shè)備簡單使操作方便，但氣焊加熱速度及生產(chǎn)率較低，熱影響區(qū)較大，且容易引起較大的變形。

氣焊可用于很多黑色金屬、有色金屬及合金的焊接。一般適用于維修及單件薄板焊接。氣焊搶7.手工電弧焊

電弧是兩帶電導體之間持久而強烈的氣體放電現(xiàn)象。電弧由三部分構(gòu)成，即陰極區(qū)（一般為焊條端面的白亮斑點）、陽極區(qū)（工件上對應焊條端部的溶池中的薄亮區(qū)）和弧柱區(qū)（為兩電極間空氣隙）。

電弧的形成（1）焊條與工件接觸短路時，電流密集的個別接觸點被電阻熱所加熱，極小的氣隙的電場強度很高。結(jié)果：①少量電子逸出。②個別接觸點被加熱、熔化，甚至蒸發(fā)、汽化。③出現(xiàn)很多低電離電位的金屬蒸汽。（2）提起焊條保持恰當距離在熱激發(fā)和強電場作用下，負極發(fā)射電子并作高速定向運動，撞擊中性分子和原子使之激發(fā)或電離。結(jié)果：氣隙間的氣體迅速電離，在撞擊、激發(fā)和正負帶電粒子復合中，其能量轉(zhuǎn)換，發(fā)出光和熱。

手工電弧焊

手弧焊是各種電弧焊方法中發(fā)展最早、目前仍然應用最廣的一種焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊條作電極和填充金屬，電弧是在焊條的端部和被焊工件表面之間燃燒。涂料在電弧熱作用下一方面可以產(chǎn)生氣體以保護電弧，另一方面可以產(chǎn)生熔渣覆蓋在熔池表面，防止熔化金屬與周圍氣體的相互作用。熔渣的更重要作用是與熔化金屬產(chǎn)生物理化學反應或添加合金元素，改善焊縫金屬性能。手弧焊設(shè)備簡單、輕便，操作靈活?？梢詰糜诰S修及裝配中的短縫的焊接，特別是可以用于難以達到的部位的焊接。手弧焊配用相應的焊條可適用于大多數(shù)工業(yè)用碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁、鎳及其合金。

8.埋弧焊

埋弧焊是以連續(xù)送時的焊絲作為電極和填充金屬。焊接時，在焊接區(qū)的上面覆蓋一層顆粒狀焊劑，電弧在焊劑層下燃燒，將焊絲端部和局部母材熔化，形成焊縫。在電弧熱的作用下，上部分焊劑熔化熔渣并與液態(tài)金屬發(fā)生冶金反應。熔渣浮在金屬熔池的表面，一方面可以保護焊縫金屬，防止空氣的污染，并與熔化金屬產(chǎn)生物理化學反應，改善焊縫金屬的成分及性能；另一方面還可以使焊縫金屬緩慢泠卻。埋弧焊可以采用較大的焊接電流。與手弧焊相比，其最大的優(yōu)點是焊縫質(zhì)量好，焊接速度高。因此，它特別適于焊接大型工件的直縫的環(huán)縫。而且多數(shù)采用機械化焊接。

埋弧焊已廣泛用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼的焊接。由于熔渣可降低接頭冷卻速度，故某些高強度結(jié)構(gòu)鋼、高碳鋼等也可采用埋弧焊焊接。埋弧焊原理9.氣體保護電弧焊

這種焊接方法是利用連續(xù)送進的焊絲與工件之間燃燒的電弧作熱源，由焊炬噴嘴噴出的氣體保護電弧來進行焊接的。

熔化極氣體保護電弧焊通常用的保護氣體有：氬氣、氦氣、CO2氣或這些氣體的混合氣。熔化極氣體保護電弧焊的主要優(yōu)點是可以方便地進行各種位置的焊接，同時也具有焊接速度較快、熔敷率高等優(yōu)點。熔化極活性氣體保護電弧焊可適用于大部分主要金屬，包括碳鋼、合金鋼。熔化極惰性氣體保護焊適用于不銹鋼、鋁、鎂、銅、鈦、鋯及鎳合金。利用這種焊接方法還可以進行電弧點焊。10.激光焊

激光焊是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進行的焊接。這種焊接方法通常有連續(xù)功率激光焊和脈沖功率激光焊。

激光焊優(yōu)點是不需要在真空中進行，缺點則是穿透力不如電子束焊強。激光焊時能進行精確的能量控制，因而可以實現(xiàn)精密微型器件的焊接。它能應用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。11.等離子弧焊

等離子弧焊也是一種不熔化極電弧焊。它是利用電極和工件之間地壓縮電?。ń修D(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)移電?。崿F(xiàn)焊接的。所用的電極通常是鎢極。產(chǎn)生等離子弧的等離子氣可用氬氣、氮氣、氦氣或其中二者之混合氣。同時還通過噴嘴用惰性氣體保護。焊接時可以外加填充金屬，也可以不加填充金屬。

等離子弧焊焊接時，由于其電弧挺直、能量密度大、因而電弧穿透能力強。等離子弧焊焊接時產(chǎn)生的小孔效應，對于一定厚度范圍內(nèi)的大多數(shù)金屬可以進行不開坡口對接，并能保證熔透和焊縫均勻一致。因此，等離子弧焊的生產(chǎn)率高、焊縫質(zhì)量好。但等離子弧焊設(shè)備（包括噴嘴）比較復雜，對焊接工藝參數(shù)的控制要求較高。

12.電子束焊

電子束焊是以集中的高速電子束轟擊工件表面時所產(chǎn)生的熱能進行焊接的方法。

電子束焊接時，由電子槍產(chǎn)生電子束并加速。常用的電子束焊有：高真空電子束焊、低真空電子束焊和非真空電子束焊。前兩種方法都是在真空室內(nèi)進行。焊接準備時間（主要是抽真空時間）較長，工件尺寸受真空室大小限制。電子束焊與電弧焊相比，主要的特點是焊縫熔深大、熔寬小、焊縫金屬純度高。它既可以用在很薄材料的精密焊接，又可以用在很厚的（最厚達300mm）構(gòu)件焊接。所有用其它焊接方法能進行熔化焊的金屬及合金都可以用電子束焊接。主要用于要求高質(zhì)量的產(chǎn)品的焊接。還能解決異種金屬、易氧化金屬及難熔金屬的焊接。但不適于大批量產(chǎn)品。13.釬焊

釬焊的能源可以是化學反應熱，也可以是間接熱能。它是利用熔點比被焊材料的熔點低的金屬作釬料，經(jīng)過加熱使釬料熔化，靠毛細管作用將釬料及入到接頭接觸面的間隙內(nèi)，潤濕被焊金屬表面，使液相與固相之間互擴散而形成釬焊接頭。因此，釬焊是一種固相兼液相的焊接方法。釬焊加熱溫度較低，母材不熔化，而且也不需施加壓力。但焊前必須采取一定的措施清除被焊工件表面的油污、灰塵、氧化膜等。這是使工件潤濕性好、確保接頭質(zhì)量的重要保證。

釬料的液相線濕度高于450℃而低于母材金屬的熔點時，稱為硬釬焊；低于450℃時，稱為軟釬焊。

同熔焊方法相比，釬焊具有以下優(yōu)點：

1）釬焊接頭平整光滑，外形美觀；

2）釬焊加熱溫度較低，對母材組織和性能的影響較??；

3）焊件變形較小。尤其是采用均勻加熱（如爐中釬焊）的釬焊方法，焊件的變形可減小到最低程度，容易保證焊件的尺寸精度；

4）某些釬焊方法一次可焊成幾十條或成百條釬縫，生產(chǎn)率高；

5）可經(jīng)實現(xiàn)異種金屬或合金，金屬與非金屬的連接。

釬焊技術(shù)是采用低熔點的錫、鉍合金作為焊接材料，通過烙鐵或火焰使其在基材上融化，達到滲透鑲嵌結(jié)合的技術(shù)。它的特點是錫鉍合金焊材具有“熱縮冷漲”的特性，但硬度較低，所以適合焊接深拉溝和凹坑。釬焊焊縫的設(shè)計硬釬焊和軟釬焊的溫度釬焊的方法二.膠接

膠接是將兩種或兩種以上的零件（構(gòu)件）用膠粘劑連接起來的一種工藝方法，所構(gòu)成的不可拆連接稱為膠連接。

膠接工藝主要包括接頭設(shè)計、表面處理、配膠和涂膠、固化和質(zhì)量檢測。

1.膠接具有如下優(yōu)點：

①能夠?qū)⒉煌慕饘倩蚪饘倥c非金屬粘接在一起。

②可以粘接一些不易焊接的異形、復雜、微小和極薄零件。

③粘接接頭處應力分布比較均勻，粘接膠層具有緩和沖擊，消減振動的作用，使接頭處疲勞強度得以提高。

④粘接膠層密封性能好，粘接劑可以將兩種不同金屬隔開，能防止電化學腐蝕。

⑤粘接重量輕，外表光整。

膠接的缺點是：

①膠接劑對溫度變化比較敏感。

②耐老化、耐酸、堿等性能較差。

③粘接接頭的檢查，特別是無損檢驗困難。

2.膠接的工藝要求

?根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，表面粗糙程度，膠粘液的厚薄，初粘速度的快慢，流動性等技術(shù)要求，選用適當?shù)恼辰臃椒ā?/p>

?根據(jù)被粘物的材質(zhì)，選擇適合的膠粘劑。

?被粘物表面處理，粘接前兩個被粘物表面必須清理干凈，不得有油污、臟物、灰塵、碎末等。涂抹粘膠并稍壓以重物或采用C型夾夾緊。以保證粘接劑與粘接面良好的結(jié)合。

?有時兩個平滑面的粘接，要進行適當打磨粗糙以增加粘接強度，單過于粗糙的表面反而會降低其粘接強度。3.各種粘接面的設(shè)計技術(shù)要求

?保證在粘接面上應力均勻分布；

?將應力減少到最低限度，使之純粹的受拉力和剪力，最好的結(jié)構(gòu)為套接，其次為槽接或斜接。

?盡可能擴大粘接面積。粘接面和接頭共有四種基本形式：對接、角接、“T”型接、平面粘接。粘接面形式比較不好較好好最好好不好較好好最好好三、機械連接主要分三個部分：螺紋緊固、專用、非螺紋緊固緊固件金屬連接成型扣環(huán)螺栓4-5金屬表面處理金屬表面處理的分類：

表面精加工處理；表面層改質(zhì)；表層被覆機械處理：是通過切屑、研磨、噴砂等加工工藝來清理制品表面的銹蝕和氧化皮，