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文檔簡(jiǎn)介

工程材料的成形技術(shù)機(jī)械工程學(xué)院陳鴻玲工程材料使用性能工藝性能:使用性能在加工過(guò)程中的綜合反映,指是否易于采用各種成形工藝進(jìn)行加工的性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工程材料只有通過(guò)各種不同的成形工藝,制造成毛坯或制品,才能體現(xiàn)其使用價(jià)值

成形:利用熔化、結(jié)晶、塑性變形、擴(kuò)散變形等物理化學(xué)變化,按預(yù)訂的設(shè)計(jì)要求成形為所需的具有一定形狀、性能的機(jī)械構(gòu)件。成形方法熱加工

冷(機(jī))加工-金屬切削(減料)

快速成形RP(RapidPrototyping)

(增料):快速出樣件技術(shù)成形技術(shù)通過(guò)一定工藝、手段使材料具備某種形狀,以便加工成裝備部件的方法。液態(tài)成形、塑性成形、連接成形、冷加工成形……概述一、金屬材料的熱加工成形的分類

1、液態(tài)成形(鑄造)-熔融狀態(tài)(高溫)的金屬澆入具有一定形狀的型腔的鑄型中,在重力或外力作用下,冷卻并凝固成具有型腔形狀的鑄件。

2、固態(tài)成形

(鍛造)-坯料加熱至一定溫度下,對(duì)坯料施加壓力,使其塑性變形以改變尺寸、形狀及性能,用以制造零件的方法。

冷沖壓。

3、連接成形(焊接)-通過(guò)加熱或加壓,兩部分固態(tài)金屬局部融化(局部高溫)后融合成一整體。

二、內(nèi)容

1、成形方法介紹各種成形的基本工藝原理與相關(guān)的影響因素。

2、成形工藝各種成形生產(chǎn)過(guò)程中的基本工藝參數(shù)及條件。(溫度、尺寸等)

3、結(jié)構(gòu)工藝工件通過(guò)各種成形方法生產(chǎn)時(shí)所需的基本結(jié)構(gòu)要求。三、學(xué)習(xí)方法

1、時(shí)間

2、教學(xué)方式

3、考核要求

4、參考書

機(jī)械制造基礎(chǔ)、工程材料與成形技術(shù)、金屬工藝學(xué)(鄧文英)

第六章金屬液態(tài)成形技術(shù)一、概述

1、定義:液態(tài)合金、澆注、型腔、冷卻、取出(獲得)--毛坯。

2、種類(按造型方法):砂型、特種

3、鑄造的特點(diǎn):

(1)應(yīng)用廣泛(2)是機(jī)械零件或毛坯的主要加工方法(內(nèi)腔和外形復(fù)雜的毛坯)(3)鑄件的形狀和尺寸與零件接近(4)絕大多數(shù)金屬均能用鑄造制成鑄件(5)缺點(diǎn):縮孔、縮松、氣孔、澆不足、冷隔等二、液態(tài)合金的凝固特點(diǎn)(凝固與結(jié)晶)1、按合金的結(jié)晶性能:

溫度范圍

a、逐層凝固方式:純金屬或共晶成分的合金

b、糊狀凝固方式:合金的結(jié)晶溫度范圍寬

c、中間凝固:表面先結(jié)晶呈等軸狀晶粒,而后在鑄件截面一定寬度的凝固區(qū)內(nèi)同時(shí)結(jié)晶。2、影響凝固方式的因素

a、合金的結(jié)晶溫度范圍---成分

b、鑄件的溫度梯度-過(guò)冷度合金的性質(zhì)、鑄型的蓄熱能力、澆注溫度實(shí)質(zhì):液態(tài)金屬逐步冷卻凝固成形的三、液態(tài)合金的充型:

液態(tài)金屬充滿型腔獲得與型腔尺寸、形狀相符合的鑄件,這種獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。(一)、影響充型能力的途徑:(1)金屬液的流動(dòng)時(shí)間—金屬與鑄型間的熱交換條件(2)流動(dòng)速度

(二)、影響充型能力的因素:

液態(tài)合金的流動(dòng)性、澆注條件、鑄型條件及鑄型結(jié)構(gòu)1、液態(tài)合金的流動(dòng)性:(1)定義:液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力(2)流動(dòng)性好-充型能力;排雜能力;補(bǔ)縮(3)測(cè)量:螺旋形流動(dòng)試樣(4)影響因素

A、合金種類灰鑄鐵-鋁硅合金-鑄鋼(熔點(diǎn))

B、合金的化學(xué)成分

溫度范圍*形式:a、逐層b、糊狀c、中間

C、合金的純凈度

2、澆注條件對(duì)充型能力的影響

A、澆注溫度的影響保證充型能力足夠的前提下,盡量降低澆注溫度。高溫出爐,低溫澆注?薄壁上限、厚大下限?

B、充型壓力:

3、鑄型條件對(duì)充型能力的影響

A、鑄型材料:導(dǎo)熱-冷卻

B、鑄型溫度:溫度差

C、鑄型表面:粗糙度、附加層(涂料)

D、鑄型中的氣體

4、鑄件的結(jié)構(gòu):寬窄程度---最小允許壁厚臨界壁厚

四、收縮性

1、三階段液態(tài)--凝固--固態(tài)液面下降收縮

收縮是缺陷產(chǎn)生的根本原因:液態(tài)和凝固收縮是產(chǎn)生縮孔和縮松的主要原因;固態(tài)收縮是產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋的主要原因

2、影響因素

a、合金種類(灰鑄鐵-鋁合金-銅合金-鑄鋼)

b、澆注溫度

C、鑄件形狀三、縮孔的形成與防止

1、定義:縮孔形成必然性縮松

2、形成位置熱節(jié)??jī)?nèi)切圓法、凝固等溫線法、計(jì)算機(jī)模擬

3、防止定向(順序)凝固:使離開“進(jìn)口”的溫度梯度下降

A、冒口:轉(zhuǎn)移缺陷

B、澆口直補(bǔ)

C、設(shè)置冷鐵(厚大):提高局部冷卻速度

d、選擇流動(dòng)性好的合金四、鑄造應(yīng)力與變形、裂紋

1、鑄造應(yīng)力-拉應(yīng)力,壓應(yīng)力-殘余應(yīng)力按產(chǎn)生原因:熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、相變應(yīng)力按阻礙收縮的原因:熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力(1)、熱(內(nèi))應(yīng)力的形成由于冷卻速度不同--各部分收縮量不同-彼此相互制約-應(yīng)力(熱應(yīng)力)

哪部分受拉?規(guī)律?(2)、收縮應(yīng)力-機(jī)械阻礙應(yīng)力

(3)、內(nèi)應(yīng)力的防止

A、結(jié)構(gòu)上:壁厚均勻、對(duì)稱

B、盡量采用線收縮率小、E小的合金

C、提高鑄型溫度

D、工藝上:同時(shí)凝固

E、改善鑄型和型芯的退讓性

F、去應(yīng)力退火2、變形的控制

A、判斷變形方向(變形規(guī)律)

B、“預(yù)變形”(反變形)C、機(jī)加工的工藝安排D、改變鑄件結(jié)構(gòu):減少差異,趨向于同時(shí)凝固E、控制鑄件的打箱時(shí)間F、在鑄造應(yīng)力集中的部位設(shè)置拉筋:防止變形鑄筋有兩類:拉筋與收縮筋收縮筋:防止鑄件產(chǎn)生熱裂G、對(duì)于平板類的鑄件,澆注時(shí)加大壓鐵的重量可提高鑄型剛度防止變形,但增大應(yīng)力。特征:尺寸短、縫隙較寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色4、鑄件的裂紋與防止措施據(jù)形成的溫度不同:熱裂、冷裂(1)熱裂:是在合金凝固末期的高溫下形成的。高溫下金屬的強(qiáng)度低,若受到鑄型或型芯的阻礙,超過(guò)該溫度下的抗拉強(qiáng)度。在鑄鋼件和鋁合金常見影響因素:

a、合金的性質(zhì)(結(jié)晶范圍寬—傾向大;硫的存在)

b、鑄型阻力:凝固收縮受阻防止:

選擇結(jié)晶溫度范圍小的合金;增加型芯、型砂的退讓性;S的含量;收縮筋;鑄件的結(jié)構(gòu)(2)冷裂:在低溫下合金冷卻至彈性狀態(tài)下,當(dāng)大于σb形成的。(P)

在鑄件受拉應(yīng)力的部位---應(yīng)力集中地集中

特征:表面光滑,具有金屬光澤或微呈氧化色圓滑曲線或直線

防止:

a、適當(dāng)?shù)恼{(diào)整合金的化學(xué)成分(P量),縮小凝固溫度范圍或接近共晶成分

b、減低內(nèi)應(yīng)力(同時(shí)凝固)和合金的脆性

c、提高鑄型和型芯的退讓性以減少收縮應(yīng)力

溫裂:

鑄件在切割澆冒口、焊補(bǔ)缺陷或進(jìn)行熱處理等較低溫度下,由于操作不當(dāng)而增大了溫差應(yīng)力防止:清場(chǎng)時(shí)不可過(guò)早開箱,不可重復(fù)敲擊一處,用力要均勻鑄件中常見的缺陷:粘沙、氣孔、砂眼(鑄件的表面或端面,拋丸或機(jī)加工才見)、渣眼、冷隔、白口1.偏析::鑄件中出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄件的偏析可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和體積質(zhì)量偏析三類。(1)晶內(nèi)偏析(又稱枝晶偏析)是指晶粒內(nèi)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象,這種偏析出現(xiàn)在具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止和減少晶內(nèi)偏析的產(chǎn)生,在生產(chǎn)中常采取緩慢冷卻或孕育處理的方法。(2)區(qū)域偏析是指鑄件截面的整體上化學(xué)成分和組織的不均勻。避免區(qū)域偏析的發(fā)生,主要應(yīng)該采取預(yù)防措施,如控制澆注溫度不要太高,采取快速冷卻使偏析來(lái)不及發(fā)生,或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的溫度梯度,使表層和中心部分接近同時(shí)凝固。(3)比重偏析鑄件上、下部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為比重偏析。為防止比重偏析,在澆注時(shí)應(yīng)充分?jǐn)嚢杞饘僖夯蚣铀俸辖鹨旱睦鋮s,使液相和固相來(lái)不及分離,凝固即告結(jié)束。鑄造合金的偏析和吸氣性5、鑄件中的氣孔

按來(lái)源分:侵入性、析出性、反應(yīng)性(1)侵入性氣孔:是由于鑄型表面聚集的氣體侵入金屬液中而形成的孔洞。多位于鑄件的上表面附近,尺寸較大,呈橢圓形或梨形,孔壁光滑,表面有光澤或有輕微氧化色。防止:降低型砂的發(fā)氣量,增加鑄型、型芯的排氣,刷涂料使型砂與金屬隔開(2)析出性氣孔:是溶解在金屬液中的氣體,在凝固時(shí)由金屬液中析出而未能逸出鑄件所產(chǎn)生的氣孔。其特征是尺寸細(xì)小,多而分散,形狀多為圓形、橢圓形或針狀,往往分布于整個(gè)鑄件斷面內(nèi)。防止:減少合金的吸氣量,對(duì)金屬進(jìn)行除氣,提高冷卻速度或在壓力下凝固(3)反應(yīng)性氣孔:澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料、型芯撐、冷鐵或溶渣之間,因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的氣孔,統(tǒng)稱反應(yīng)性氣孔。這種氣孔經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件表面層下1mm-2mm處,孔內(nèi)表面光滑,孔徑1mm-3mm。防止:保持工具的干燥六、常用合金的鑄造性能

1、鑄鐵:是一系列主要由鐵、碳和硅組成的合金的總稱。

鑄鐵的分類:根據(jù)碳在鑄鐵中的存在形式分類(1)白口鑄鐵指碳主要以游離碳化鐵形式出現(xiàn)的鑄鐵,斷口呈銀白色。(2)灰鑄鐵指碳主要以片狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵,斷口呈灰色。它是工業(yè)中應(yīng)用最廣的鑄鐵。(3)麻口鑄鐵指碳部分以游離碳化鐵形式出現(xiàn),部分以石墨形式出現(xiàn),斷口灰白相間。

根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)分類灰鑄鐵(HT):流動(dòng)性好、收縮性小球墨鑄鐵(QT):流動(dòng)性略差、收縮性,內(nèi)應(yīng)力較大,需要工藝上增加控制

蠕墨鑄鐵石墨呈蠕蟲狀可鍛鑄鐵:熔點(diǎn)高,無(wú)石墨化,收縮大,定向凝固2、鑄鋼:溫度高、糊狀,缺陷大(塑性、韌性比鑄鐵高---承受重載荷及沖擊載荷的零件)3、鑄鋁:具有良好的鑄造性能4、鑄銅:收縮大,需設(shè)置冷鐵和冒口,定向凝固防止縮孔三類收縮的對(duì)鑄件質(zhì)量的影響液態(tài)收縮和凝固收縮縮孔縮松固態(tài)收縮(線收縮)影響鑄件尺寸精度鑄造應(yīng)力變形裂紋第二節(jié)金屬液態(tài)成形的方法按鑄型的特點(diǎn):砂型鑄造和特種鑄造一、砂型鑄造:以型砂為造型材料,用人工或機(jī)械方法在砂箱內(nèi)制造出型腔及澆注系統(tǒng)的方法。

傳統(tǒng)--適用于各種形狀、大小及各種常用合金--回收率好砂型鑄造流程型芯型(芯)砂模樣金屬材料的熔煉型腔(型芯)冷卻帶砂的工件破碎后的型砂工件造型是砂型鑄造最基本的工序:手工、機(jī)器

1、特點(diǎn):手工:適應(yīng)性強(qiáng)(尺寸)、成本低;單件、小批量;勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、精度質(zhì)量都較差;操作技術(shù)要求高;環(huán)境差。

機(jī)器:質(zhì)量較穩(wěn)定,大批量;投資大。

凝固速度慢,晶粒粗大影響力學(xué)性能,不太適合作精密產(chǎn)品。二、特種鑄造鑄型用砂少或不用砂,通過(guò)改變鑄型的材料、造型工藝或液態(tài)金屬的充填條件等因素進(jìn)行鑄造的方法。特點(diǎn):鑄件精度和表面質(zhì)量高鑄件內(nèi)在性能好、原材料消耗低鑄件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、材料種類等受到一定限制一、金屬型鑄造(重力)鑄型用金屬制成:制造鑄型的熔點(diǎn)應(yīng)高于澆注合金的熔點(diǎn)1、根據(jù)分型面位置不同:垂直、水平和復(fù)合分型式2、工藝過(guò)程:(制造鑄型)-表面涂料(減緩冷卻速度等)-加熱鑄型(降低溫差,防白口、出型容易)-合模(抽芯結(jié)構(gòu))-澆注-冷卻-開模-取出鑄件特點(diǎn):尺寸精度高、機(jī)械加工余量?。痪Я]^細(xì),力學(xué)性能好;鑄型重復(fù)使用缺點(diǎn):鑄鐵件表面易產(chǎn)生白口,切削加工困難;受材料熔點(diǎn)的限制,熔點(diǎn)高的合金不適用

2、壓力鑄造液態(tài)或半固態(tài)金屬在高壓下高速充型并凝固而獲得鑄件的方法

A、過(guò)程:

同金屬型類似,區(qū)別在于澆注、凝固與冷卻(結(jié)晶)高壓下進(jìn)行(30-70MPa)、并高速充型(速度0.01-0.2s)。同時(shí)工件從模中自動(dòng)頂出。按壓室工作條件不同分為冷、熱壓。

B、特點(diǎn):形狀復(fù)雜、精密度高、效率好、氣孔

3、低壓鑄造

緩慢向坩堝爐內(nèi)通入干燥的壓縮空氣,金屬液受氣體壓力的作用,由下而上充滿型腔

A、過(guò)程利用氣體壓力(<0.1MPa)使坩堝里的液態(tài)金屬自下而上壓入鑄型并在壓力下凝固冷卻。

B、特點(diǎn):澆注時(shí)壓力與速度可調(diào)節(jié);充型平穩(wěn)、排氣性好、組織缺陷少、材料利用率高,適合做要求較高的重要零件

4、離心鑄造

A、過(guò)程

離心鑄造是將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中,在離心力的作用下填充鑄型而凝固成型。有臥式和立式離心鑄造兩類。根據(jù)鑄件直徑的大小來(lái)確定轉(zhuǎn)速

B、特點(diǎn)生產(chǎn)中空(筒、管類)鑄件不用型芯、無(wú)澆冒口系統(tǒng);可提高充型能力;改善了補(bǔ)縮條件;內(nèi)孔尺寸難以準(zhǔn)確控制、表面粗糙;

5、熔模鑄造

A、過(guò)程

用易熔材料(蠟)-模樣-型殼:涂敷多層耐火材料(掛漿、撒砂、硬化)-型殼加熱,融化倒出蠟?zāi)#簾鈬钌埃ü潭ǎ瓭踩胍后w金屬-冷卻-取出。

B、特點(diǎn)

無(wú)分型面鑄件精度高,表面質(zhì)量好;可鑄形狀復(fù)雜、精密的鑄件;適應(yīng)各種材料,工序復(fù)雜、尺寸和質(zhì)量限制一般不超過(guò)25kg;鑄件冷卻慢,晶粒粗大。

6、消失模鑄造

A、過(guò)程利用泡沫塑料模樣進(jìn)行鑄造,由于澆注時(shí)高溫金屬液進(jìn)入后,模樣迅速氣化、燃燒而消失,模樣位置由金屬液逐步充填,冷卻凝固形成鑄件。這種鑄型呈實(shí)體,不存有空腔,故又稱實(shí)型鑄造。

B、特點(diǎn)無(wú)分型面、工序簡(jiǎn)單、形狀復(fù)雜、適應(yīng)各種材料、成本低。

7、擠壓鑄造將定量金屬液澆入鑄型型腔內(nèi)并施加較大的機(jī)械壓力,使其凝固、成形的方法(1)工藝過(guò)程:清理鑄型-澆注-合型加壓(依靠沖頭壓力使金屬液充型)-取出鑄件(2)特點(diǎn):鑄件的尺寸精度高,組織致密,工藝簡(jiǎn)單;需定量澆注,夾雜物無(wú)法排出液態(tài)成形基本過(guò)程加入熔化后的(金屬)材料冷卻成形取出成形后的材料材料中形成空(型)腔螺旋結(jié)晶縮孔模擬順序冷鐵應(yīng)力圖1-11為框形鑄件熱應(yīng)力的形成過(guò)程(+表示拉應(yīng)力-表示壓應(yīng)力)

預(yù)變形機(jī)器造型與澆注金屬型低壓鑄造離心鑄造消失模合金種類

鑄型種類

澆注溫度(℃)

螺旋線長(zhǎng)度(mm)

鑄鐵

C+Si=6.2%鑄鋼

C=0.4%鋁硅合(硅鋁明)

砂型

砂型

金屬型

1800100700~800表1常用合金的流動(dòng)性(砂型,試樣截面8×8mm)

圖1-3Fe-C合金的流動(dòng)性與含碳量的關(guān)系圖1-4

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