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工程材料的成形技术,机械工程学院 陈鸿玲,工程材料,使用性能,工艺性能：使用性能在加工过程中的综合反映，指是否易于采用各种成形工艺进行加工的性能,力学性能,物理性能,化学性能,工程材料只有通过各种不同的成形工艺，制造成毛坯或制品，才能体现其使用价值,成形：利用熔化、结晶、塑性变形、扩散变形等物理化学变化，按预订的设计要求成形为所需的具有一定形状、性能的机械构件。,成形方法 热加工 冷（机）加工金属切削（减料）快速成形 RP(Rapid Prototyping)（增料）：快速出样件技术,成形技术,通过一定工艺、手段使材料具备某种形状，以便加工成装备部件的方法。液态成形、塑性成形、连接成形、冷加工成形,概述,一、金属材料的热加工成形的分类 1、液态成形（铸造）熔融状态（高温）的金属浇入具有一定形状的型腔的铸型中，在重力或外力作用下，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。2、固态成形(锻造）坯料加热至一定温度下，对坯料施加压力，使其塑性变形以改变尺寸、形状及性能，用以制造零件的方法。冷冲压。3、连接成形（焊接）通过加热或加压，两部分固态金属局部融化（局部高温）后融合成一整体。,二、内容 1、成形方法 介绍各种成形的基本工艺原理与相关的影响因素。2、成形工艺 各种成形生产过程中的基本工艺参数及条件。（温度、尺寸等）3、结构工艺 工件通过各种成形方法生产时所需的基本结构要求。,三、学习方法 1、时间 2、教学方式 3、考核要求 4、参考书 机械制造基础、工程材料与成形技术、金属工艺学（邓文英）,第六章 金属液态成形技术一、概述 1、定义：液态合金、浇注、型腔、冷却、取出（获得）毛坯。2、种类（按造型方法）：砂型、特种 3、铸造的特点：（1）应用广泛（2）是机械零件或毛坯的主要加工方法（内腔和外形复杂的毛坯）（3）铸件的形状和尺寸与零件接近（4）绝大多数金属均能用铸造制成铸件（5）缺点：缩孔、缩松、气孔、浇不足、冷隔等,二、液态合金的凝固特点（凝固与结晶）,1、按合金的结晶性能：温度范围 a、逐层 凝固方式：纯金属或共晶成分的合金 b、糊状 凝固方式：合金的结晶温度范围宽 c、中间凝固：表面先结晶呈等轴状晶粒，而后在 铸件截面一定宽度的凝固区内同时结晶。2、影响凝固方式的因素 a、合金的结晶温度范围-成分 b、铸件的温度梯度过冷度 合金的性质、铸型的蓄热能力、浇注温度,实质：液态金属逐步冷却凝固成形的,三、液态合金的充型：,液态金属充满型腔获得与型腔尺寸、形状相符合的铸件，这种获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。（一）、影响充型能力的途径：（1）金属液的流动时间金属与铸型间的热交换条件（2）流动速度(二)、影响充型能力的因素:液态合金的流动性、浇注条件、铸型条件及铸型结构,1、液态合金的流动性：（1）定义：液态金属本身的流动能力（2）流动性好充型能力；排杂能力；补缩（3）测量：螺旋形流动试样（4）影响因素 A、合金种类 灰铸铁铝硅合金铸钢（熔点）B、合金的化学成分 温度范围*形式：a、逐层 b、糊状 c、中间 C、合金的纯净度,2、浇注条件对充型能力的影响 A、浇注温度的影响 保证充型能力足够的前提下，尽量降低浇注温度。高温出炉，低温浇注？薄壁上限、厚大下限？B、充型压力：3、铸型条件对充型能力的影响 A、铸型材料：导热冷却 B、铸型温度：温度差 C、铸型表面：粗糙度、附加层（涂料）D、铸型中的气体 4、铸件的结构：宽窄程度最小允许壁厚 临界壁厚,四、收缩性 1、三阶段 液态凝固固态 液面下降 收缩 收缩是缺陷产生的根本原因：液态和凝固收缩是产生缩孔和缩松的主要原因；固态收缩是产生内应力、变形和裂纹的主要原因 2、影响因素 a、合金种类（灰铸铁铝合金铜合金铸钢）b、浇注温度 C、铸件形状,三、缩孔的形成与防止 1、定义：縮孔形成 必然性 縮松 2、形成位置 热节？内切圆法、凝固等温线法、计算机模拟 3、防止定向（顺序）凝固：使离开“进口”的温度梯度下降 A、冒口：转移缺陷 B、浇口直补 C、设置冷铁（厚大）：提高局部冷却速度 d、选择流动性好的合金,四、铸造应力与变形、裂纹 1、铸造应力拉应力，压应力残余应力 按产生原因：热应力、机械应力、相变应力 按阻碍收縮的原因：热应力、收縮应力(1)、热（内）应力的形成 由于冷却速度不同各部分收缩量不同彼此相互制约应力(热应力）哪部分受拉？规律？(2)、收縮应力机械阻碍应力,（3）、内应力的防止 A、结构上：壁厚均匀、对称 B、尽量采用线收縮率小、E小的合金 C、提高铸型温度 D、工艺上：同时凝固 E、改善铸型和型芯的退让性 F、去应力退火2、变形的控制 A、判断变形方向（变形规律）B、“预变形”（反变形)C、机加工的工艺安排,D、改变铸件结构：减少差异，趋向于同时凝固E、控制铸件的打箱时间F、在铸造应力集中的部位设置拉筋：防止变形 铸筋有两类：拉筋与收缩筋 收缩筋：防止铸件产生热裂G、对于平板类的铸件，浇注时加大压铁的重量可提高铸型刚度防止变形，但增大应力。,特征：尺寸短、缝隙较宽、形状曲折、缝内呈氧化色,4、铸件的裂纹与防止措施 据形成的温度不同：热裂、冷裂,（1）热裂：是在合金凝固末期的高温下形成的。,高温下金属的强度低，若受到铸型或型芯的阻碍，超过该温度下的抗拉强度。在铸钢件和铝合金常见,影响因素：a、合金的性质（结晶范围宽倾向大；硫的存在）b、铸型阻力：凝固收缩受阻,防止:选择结晶温度范围小的合金；增加型芯、型砂的退让性；S的含量；收缩筋；铸件的结构（2）冷裂：在低温下合金冷却至弹性状态下，当大于 b形成的。（P)在铸件受拉应力的部位-应力集中地集中 特征:表面光滑,具有金属光泽或微呈氧化色圆 滑曲线或 直线 防止：a、适当的调整合金的化学成分（P量），缩小凝固温度范围或接近共晶成分 b、减低内应力（同时凝固）和合金的脆性 c、提高铸型和型芯的退让性以减少收缩应力,温裂：铸件在切割浇冒口、焊补缺陷或进行热处理等较低温度下，由于操作不当而增大了温差应力防止：清场时不可过早开箱，不可重复敲击一处，用力要均匀铸件中常见的缺陷：粘沙、气孔、砂眼（铸件的表面或端面，抛丸或机加工才见）、渣眼、冷隔、白口,1.偏析:铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。(1)晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现 象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方 法。(2)区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。(3)比重偏析 铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。为防止 比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却，使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。,铸造合金的偏析和吸气性,5、铸件中的气孔 按来源分：侵入性、析出性、反应性,（1）侵入性气孔：是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。防止：降低型砂的发气量，增加铸型、型芯的排气，刷涂料使型砂与金属隔开,（2）析出性气孔：是溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。,防止：减少合金的吸气量，对金属进行除气，提高冷却速度或在压力下凝固（3）反应性气孔：浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。防止：保持工具的干燥,六、常用合金的铸造性能 1、铸铁:是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。铸铁的分类:根据碳在铸铁中的存在形式分类（1）白口铸铁 指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁，断口呈银白色。（2）灰铸铁 指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。它是工业中应用最广的铸铁。（3）麻口铸铁 指碳部分以游离碳化铁形式出现，部分以石墨形式出现，断口灰白相间。根据铸铁中石墨形态分类 灰铸铁（HT）：流动性好、收缩性小 球墨铸铁（QT）：流动性略差、收缩性，内应力较大，需要工艺上增加控制 蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状 可锻铸铁：熔点高，无石墨化，收缩大，定向凝固,2、铸钢：温度高、糊状，缺陷大（塑性、韧性比铸铁高-承受重载荷及冲击载荷的零件）3、铸铝：具有良好的铸造性能4、铸铜：收縮大，需设置冷铁和冒口，定向凝固防止缩孔,三类收缩的对铸件质量的影响,液态收缩和凝固收缩,缩孔缩松,固态收缩（线收缩）,影响铸件尺寸精度铸造应力变形裂纹,第二节金属液态成形的方法,按铸型的特点：砂型铸造和特种铸造一、砂型铸造：以型砂为造型材料，用人工或机械方法在砂箱内制造出型腔及浇注系统的方法。传统适用于各种形状、大小及各种常用合金回收率好,砂型铸造流程,型芯,型（芯）砂,模样,金属材料的熔炼,型腔（型芯）,冷却,带砂的工件,破碎后的型砂,工件,造型是砂型铸造最基本的工序：手工、机器,1、特点：手工：适应性强（尺寸）、成本低；单件、小批量；劳动强度大、效率低、精度质量都较差；操作技术要求高；环境差。机器：质量较稳定，大批量；投资大。凝固速度慢，晶粒粗大影响力学性能，不太适合作精密产品。,二、特种铸造,铸型用砂少或不用砂，通过改变铸型的材料、造型工艺或液态金属的充填条件等因素进行铸造的方法。特点：铸件精度和表面质量高 铸件内在性能好、原材料消耗低 铸件的结构、形状、尺寸、材料种类等受到一定限制,一、金属型铸造（重力）铸型用金属制成：制造铸型的熔点应高于浇注合金的熔点1、根据分型面位置不同：垂直、水平和复合分型式2、工艺过程：（制造铸型）表面涂料（减缓冷却速度等）加热铸型（降低温差，防白口、出型容易）合模（抽芯结构）浇注冷却开模取出铸件 特点：尺寸精度高、机械加工余量小；晶粒较细，力学性能好；铸型重复使用 缺点：铸铁件表面易产生白口，切削加工困难；受材料熔点的限制，熔点高的合金不适用,2、压力铸造 液态或半固态金属在高压下高速充型并凝固而获得铸件的方法 A、过程：同金属型类似，区别在于浇注、凝固与冷却（结晶）高压下进行（30-70MPa）、并高速充型（速度0.01-0.2s）。同时工件从模中自动顶出。按压室工作条件不同分为冷、热压。B、特点：形状复杂、精密度高、效率好、气孔,3、低压铸造 缓慢向坩埚炉内通入干燥的压縮空气，金属液受气体压力的作用，由下而上充满型腔 A、过程 利用气体压力（0.1MPa）使坩埚里的液态金属自下而上压入铸型并在压力下凝固冷却。B、特点：浇注时压力与速度可调节；充型平稳、排气性好、组织缺陷少、材料利用率高，适合做要求较高的重要零件,4、离心铸造 A、过程 离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下填充铸型而凝固成型。有卧式和立式离心铸造两类。根据铸件直径的大小来确定转速 B、特点 生产中空(筒、管类)铸件不用型芯、无浇冒口系统；可提高充型能力；改善了补縮条件；内孔尺寸难以准确控制、表面粗糙；,5、熔模铸造 A、过程 用易熔材料（蜡）模样型壳:涂敷多层耐火材料（挂浆、撒砂、硬化）型壳加热，融化倒出蜡模焙烧外围填砂（固定）浇入液体金属冷却取出。B、特点 无分型面铸件精度高，表面质量好；可铸形状复杂、精密的铸件；适应各种材料，工序复杂、尺寸和质量限制一般不超过25kg；铸件冷却慢，晶粒粗大。,6、消失模铸造 A、过程 利用泡沫塑料模样进行铸造，由于浇注时高温金属液进入后，模样迅速气化、燃烧而消失，模样位置由金属液逐步充填，冷却凝固形成铸件。这种铸型呈实体，不存有空腔，故又称实型铸造。B、特点 无分型面、工序简单、形状复杂、适应各种材料、成本低。,7、挤压铸造,将定量金属液浇入铸型型腔内并施加较大的机械压力，使其凝固、成形的方法（1）工艺过程：清理铸型浇注合型加压（依靠冲头压力使金属液充型）取出铸件（2）特点：铸件的尺寸精度高，组织致密，工艺简单；需定量浇注，夹杂物无法排出,液态成形基本过程,加入熔化后的（金属）材料,冷却成形,取出成形后的材料,材料中形成空（型）腔,螺旋,结晶,缩孔,模拟,顺序,冷铁,应力,图1-11为框形铸件热应力的形成过程（+表示拉应力-表示压应力）,预变形,机器造型与浇注,金属型,低压铸造,离心铸造,消失模,