1、金属材料及加工工艺,“鸟巢”跨度330多米，中间没有一根柱子，这样的结构，需要一种抗拉、抗压和抗弯强度大的特种钢材做支撑柱。Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大。,金属材料及加工工艺,现代工业中，金属材料得到了极其广泛的应用，它是现代工业产品造型设计中最重要的材料之一。,设计师对各种常用的金属材料的种类、性能及其应用条件等，必需有一个全面的了解。,金属材料及加工工艺,2.1 材料的一般特性,机械性能,是指金属材料在外力的作用下表现出来的变形和抗变形特性，是材料抵抗外力作用的能力，因而也称为力学性能。 金属材料在受外力作用时，由于外加
2、载荷的性质和加载方式的不同，使金属材料的变形和抗变形能力即强度具有不同的特征。 静载荷下金属材料的机械性能 动载荷下金属材料的机械性能 交变载荷下金属材料的机械性能,静载荷下金属材料的机械性能,在缓慢加载条件下测得的金属材料抗变形和抗断裂的能力，称为金属材料的静力强度。通常以拉伸强度为最基本的强度值。通过拉伸试验测定拉伸强度，是确定金属材料机械性能的一种最重要的方法。,P,O,E,S,B,K,Pe,Ps,Pb,Pk,l,lk,2.1 材料的一般特性,2.1 材料的一般特性,静载荷下金属材料的机械性能,1、弹性 发生弹性形变后可以恢复原来的状态2、塑性 （屈服、缩颈） 外力超过其弹性限度后具有能
3、永久保留形变的性质 3、强度 金属材料抵抗外力破坏作用的能力4、硬度 硬度主要是指材料局部抵抗塑性变形的能力,2.1 材料的一般特性,动载荷下金属材料的机械性能,冲击韧性： kAK/F = G(H1-H2)/F,2.1 材料的一般特性,交变载荷下金属材料的机械性能,疲劳强度与抗拉强度的近似关系：碳素钢 -1 (0.40.55) b 灰口铸铁 -1 0.4 b 有色金属 -1 (0.30.4) b,2.1 材料的一般特性,金属材料的物理和化学性质,1、物理性质： 比重差别大， 导热、导电性好， 受热体积膨胀， 在磁场中易被磁化。,2.1 材料的一般特性,金属材料的物理和化学性质,2、化学性质：
4、普通金属易被腐蚀和氧化， 贵重金属抵抗能力强。 对产品表面进行喷漆、电镀、氧化和磷化等处理，可防止腐蚀、保护金属材料，而且具有装饰意义。,2.1 材料的一般特性,金属材料的工艺性能,各种金属材料只有经过一系列加工和工艺处理才能制成产品，材料适应各种加工和工艺处理要求的能力，称为金属材料的的工艺性能。它是金属材料机械、物理、化学性能的综合反映，是决定金属材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，它直接关系到加工效率、产品质量和生产成本等。在进行产品设计和选择工艺方法时，必须认真考虑金属材料的工艺性能。按照工艺方法的不同，工艺性能可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。,2.3 钢铁材
5、料生产及分类,1金属材料的分类,2.3 钢铁材料生产及分类,1）钢铁材料：铸铁、钢 2）有色金属：铜及铜合金、铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金,2产品设计中常用的金属材料,含碳量多少是区别钢铁的主要标准。生铁含碳量大于2.0；钢含碳量小于2.0。生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物理化学应用性能，因此被广泛利用。,2.3 钢铁材料生产及分类,3钢铁材料的生产,铁矿石中把金属铁分离出来并获得生铁的过程称为炼铁，不论是炼钢用生铁还是铸造用生铁，都是在高炉中冶炼的。 高炉生产时从炉顶装入铁矿石（赤铁矿、磁
6、铁矿、褐铁矿）、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。经过这一过程得到的液态生铁，含碳量一般为为34，还含有一定量的硅、锰及少量杂质硫和磷等。,生铁冶炼,2.3 钢铁材料生产及分类,3钢铁材料的生产,经高炉炼铁得到的生铁，含有较高的碳和硫、磷等有害杂质，其机械性能很差，有此限制了它的用途。因而，除少数经熔化
7、烧铸生产铸铁件外，绝大多数还必须进一步精练成钢，提高机械性能 。所谓炼钢，即在高温下降低生铁中的碳和有害杂质的含量，并根据需要调整金属的化学成分，对钢进行合金化处理。通常是向液态生铁通氧，使碳和有害杂质元素被氧化来完成的。,炼钢,2.3 钢铁材料生产及分类,4铸铁,是铸造用的生铁，含碳量24.0之间的铁碳合金，成本低廉、具有良好的铸造性能、切削性能及耐磨性和减振性等优点。但延展性、塑性差，很脆。常见的机床床身、工作台、箱体、底座等形态复杂或受压力及摩擦力的零件，大多用铸铁制成。铸铁的常用种类可分为：灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁。,铸 铁,应用于户外设施：,2.3 钢铁材料生产及分类,
8、2.3 钢铁材料生产及分类,铸 铁,应用于户外设施：,2.3 钢铁材料生产及分类,铸 铁,应用于厨卫产品：,2.3 钢铁材料生产及分类,1.灰铸铁,定义：指石墨呈片状分布的灰口铸铁。,性能：抗压不抗拉；耐磨、消振性好；缺口敏感性低、切削加工性好等。,用途：利用灰铸铁的减震和抗压性能，常用于制作机床底座、床身、工作台、导轨、箱体等。,机床底座,2.3 钢铁材料生产及分类,2.球墨铸铁,定义：在金属液中加入球化剂和孕育处理得到球状石墨。,性能：突出特点是屈强比（屈服强度与抗拉强度的比值 ）高。良好的抗拉强度，塑性、韧性、铸造性、可切削加工性等。可热处理化。,应用：承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传
9、动齿轮。,铸铁曲轴,2.3 钢铁材料生产及分类,3.可锻铸铁,性能：介于灰铸铁和球铁之间，具有较高的强度，以及较好的塑性和韧性。名为可锻，实不可锻。,定义：由白口铸铁经石墨化退火获得，其石墨呈团絮状。,应用：用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。,白口铸铁：不含石墨的铸铁。几乎全部的碳都与铁形成渗碳体。具有很大的硬度和脆性。不能承受冷加工，也不能承受热加工，只能直接用于铸造状态。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料,2.3 钢铁材料生产及分类,5钢的分类,为保证其韧性和塑性，钢的含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。
10、钢的分类方法多种多样： 1、按品质分类 (1) 普通钢（P0.045%，S0.050%） (2) 优质钢（P、S均0.035%） (3) 高级优质钢（P0.035%，S0.030%）2、按化学成份分类 (1) 碳素钢：a.低碳钢（C0.25%）；b.中碳钢（C0.250.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。（特点：具有一定的塑性和韧性；但强度低，耐蚀性和抗氧化性较差，低温抗冲击能力差。） (2) 合金钢：a.合金结构钢（切削钢、弹簧钢 ）；b.合金工具钢（刃具钢、模具钢 ）；c.特殊性能钢（不锈钢、耐热钢 ）。（特点：与碳素钢相比，合金钢的强度大大提高，同时耐蚀性、抗氧化性和耐磨性均显著提高
11、；但价格较高。） 3、按成形方法分类：(1) 锻钢；(2) 铸钢；(3) 热轧钢；(4) 冷拉钢。,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,应用：,低碳钢,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,中碳钢,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,高碳钢,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,合金结构钢,合金工具钢,车 刀,铣 刀,麻花钻,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,特殊性能钢：耐热钢,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,特殊性能钢：不锈钢,不锈钢应用于厨具设计：,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,2.3 钢铁材料生产及分类,钢,不锈钢应用于灯具设计：,2.4 有色金属,1有色金属的分类,按密度、
12、储量和分布情况分 有色轻金属指密度小于4.5g/cm3的有色金属，有铝、镁、钙等及其合金 有色重金属指密度大于4.5g/cm3的有色金属、有铜、镍、铅、锌及其合金 贵金属指矿源少、提取难、价格贵的金属，如金、银和铂族元素及其合金 半金属指物理化学性质介于金属与非金属之间的硅、硒、碲、砷、硼等 稀有金属指在自然界中含量很少、分布散或难提取的金属，稀有金属又分为钛、铍、锂、铯、等稀有轻金属；钨、钼、铌、钒等稀有高熔点金属；镓、铟、锗等稀有分散金属；钪、钇等元素的稀土金属；镭、锕系元素等稀有放散性元素,2.4 有色金属,2铝及铝合金,1、铝铝在自然界中分布很广，是地壳中储量最丰富地元素，几乎占地壳中
13、全部金属含量地1/3。铝的生产分两个步骤：第一步从铝矿石中提取氧化铝，第二步由氧化铝电解得到纯铝。纯铝为面心立方晶体结构，银白色、塑性好，便于切削。强度、硬度低，不宜作结构材料。 2、铝合金因为纯铝的硬度、强度较低，所以在机械制造、交通工具、一起仪表等制造上，均大量采用各种铝合金。铝中加入锡、铜、镁、锌等元素制成合金，强度提高。,2.4 有色金属,2铝及铝合金,纯铝： 银白色。 特点： 1）密度小（ 3.7 g/cm ），相当于铜的1/3 。 2）导电、导热性能优良，仅次于铜。 3）具有很好的耐大气腐蚀能力，但不耐酸、碱、盐的腐蚀。 4）很高的塑性和延展性。 5）但硬度、强度都很低，一般不做结
14、构材料。用途：炊具、电线、导电材料、散热材料及包装材料。,2.4 有色金属,纯铝应用：,2.4 有色金属,2铝及铝合金,铝合金： 特点： 1）质轻、强度高，比强度值（按单位质量计算的强度）接近或超过钢。 2）优良的导电导热性和抗腐蚀性。 3）易加工、耐冲压，并且可以阳极氧化成各种颜色。,2.4 有色金属,2铝及铝合金,常见铝合金品种,铝合金型材：利用塑性加工将铝合金坯锭加工成不同断面形状及尺寸规格的铝材。按断面形状分为角、槽、丁字、工字、Z字等几大类别。铝合金型材具有质轻、高强、耐蚀、耐磨等特点，表面再经阳极氧化或喷涂处理而更具装饰性。广泛用作产品造型材料、展示材料、门窗框体材料、墙面和吊顶骨
15、架支承材料等。铝合金装饰板：铝合金板材经辊压、冷弯等工艺制成的具有一定形状的装饰板，表面经阳极氧化、喷漆、覆膜或精加工等处理可获得各种色彩或肌理。铝合金装饰板质轻，耐久性和耐蚀性好，不易磨损，造型优美，安装方便。品种有铝合金花纹板、波纹板和压型板等，广泛用作建筑物墙面、屋面装饰材料和展示材料。,2.4 有色金属,2铝及铝合金,2.4 有色金属,2铝及铝合金,铝箔：铝箔是金属箔中用量最大、日用途最广的一种包装材料，铝箔采用压延方法压制而成，它不但对氧气、光线和水蒸汽具有高阻隔性，而且具有艳丽的金属光泽，可印制美丽的图案，可与塑料薄膜复合成复合薄膜，因此，铝箔广泛用于各种商品的包装。铝箔的主要包装
16、性能是防潮性、保香性、遮光性和反射性。,防潮性：铝箔的防潮性能极优良，厚铝箔的防潮性更为突出。在药品防潮方面，铝箔的应用特别引人注目，如药品的泡罩包装等。保香性：铝箔具有卓越的保香性。食品和化妆品的香味是很重要的质量指标。香味通常是由极微量的挥发性物质产生的，人们通过铝箔包装材料来阻隔香味，除了可防止内装物的香味扩散以外，还可防止外部目味的渗入。遮光性：铝箔是一种极好的遮光材料。采用铝箔包装材料，能阻隔光线对商品的直接照射，对提高商品的保存寿命起了重要的作用。反射性：铝箔具有金属光泽，对紫外线、红外线等各种射线有强力的反射作用。,2.4 有色金属,2铝及铝合金,2.4 有色金属,2铝及铝合金,
17、铝塑复合膜：通常铝箔较少单独用于包装，因为铝箔很柔软，不适宜高速包装，往往要进行二次加工才能把铝箔的特性进一步发挥出来。对铝箔进行树脂涂布或把铝箔与其它塑料进行复合，能使铝箔的机械强度增强，并具有热封性能，从而适应现代包装机的高速自动包装。由于复合薄膜是由两种或两种以上的不同性质的材料复合在一起的多层薄膜，因此在材料的性能上可以相互取长补短。人们可以根据内容物的包装要求，选用不同的基材和不同的复合工艺，获得能满足各种包装性能要求的材料。铝塑复合膜昌有优良的防潮性、阻气性、遮光性、卫生性、耐化学性、耐气候性、热封性和机械加工适应性等，是理想的包装材料。铝塑复合膜已广泛地用于食品、日化、药品和其他
18、各类商品的包装。,2.4 有色金属,真空镀铝膜：是一种新颖的包装装潢材料，是将高纯度铝丝置于高真空装置中，将铝丝加热到熔融点以上，铝丝蒸发形成铝蒸气，蒸气分子连续沉积在被涂基材上而形成的一种复合膜。与铝箔相似，镀铝层昌有美丽的金属光泽，有优良的阻气性和防潮性，光线的反射率高而透过率极低，遮光性良好，适合各类高品的包装。真空镀铝膜的基材可采用聚酯薄膜、双向拉伸聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜和纸等。另外，镀铝前在薄膜基材上涂布一层透明的颜色，就可获得多种颜色的金属光泽，这些五彩续纷的材料特别适用于礼品包装。,2铝及铝合金,2.4 有色金属,3铜及铜合金,纯铜： 玫瑰红色，表面氧化后成紫红色，
19、所以也称紫铜。 特点： 1）导电、导热性优良。 2）耐腐蚀性强。 3）塑性、韧性好，无磁性。 用途： 电线、电缆、铜管、电器零件等。,2.4 有色金属,铜合金：黄铜、白铜和青铜 。 黄铜（ 铜 + 锌）： 色泽美观，呈黄金般色泽。 特点： 1）导电、导热性强。 2）耐腐蚀性能、机械性能和工艺性能良好。 3）易于切削、抛光及焊接。 4）黄铜声音清脆，容易产生共振。 5）较纯铜便宜。 用途： 制造弹壳、乐器、仪器仪表零件、日用五金、装饰材料等。,3铜及铜合金,2.4 有色金属,黄铜日用五金：,2.4 有色金属,黄铜乐器,2.4 有色金属,黄铜雕像：,2.4 有色金属,黄铜勋章、钱币：,2.4 有色
20、金属,3铜及铜合金,白铜（ 铜 + 镍）：色泽呈银白色。 特点： 1）极高的电阻。 2）耐腐蚀性强、延展性能好。,白铜饰品,白铜地漏,2.4 有色金属,青铜（ 铜 + 锡）： 除黄铜、白铜以外的其它铜基合金统称为青铜。特点： 1）铸造收缩率最小的有色金属。 2）在大气、海水、淡水和蒸气中十分耐腐蚀。 3）耐磨性很好。,1）锡青铜 2）无锡青铜（主要有铝青铜、铍青铜、锰青铜、硅青铜、磷青铜等）,3铜及铜合金,青铜在现代雕塑中的应用：,2.4 有色金属,2.4 有色金属,4钛及钛合金,纯钛： 银白色。 特点： 1）密度小（ 4.54 g/cm ），熔点高（1675） 。 2）钛的比强度在金属材料中
21、最高。 3）优良的耐蚀性和耐热性。 4）纯钛无毒，具有优良的生物相容性，可植入人体修复骨折。,2.4 有色金属,4钛及钛合金,钛合金： 特点： 1）比强度、热强度高（工作温度550以上），目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。 2）较好的低温韧性，钛合金是一种重要的低温结构材料。 3）质轻，机械强度极大，耐腐蚀。 4）主要缺点是不易切削和塑性加工。 5）价格高。,2.4 有色金属,钛合金应用：,2.4 有色金属,钛合金应用：,2.4 有色金属,5镁及镁合金,纯镁： 银白色，蕴藏丰富。 特点： 1）密度小（ 1.74 g/cm ），相当于铝的2/3 ，铁的1/4。 2）
22、易在空气中形成疏松多孔的氧化膜。 3）一般不直接用作结构材料。,2.4 有色金属,5镁及镁合金,镁合金： 特点：1）质轻，比强度、比刚度高 ，仅次于钛合金及合金结构钢，但明显高于铝合金，而且疲劳极限高。 2）散热快，电磁屏蔽性、防辐射性能、减震减噪性好。 3）良好的抗冲击性，高于铝合金，是塑料的20倍。 4）耐腐蚀性好（特别是煤油、汽油和碱的腐蚀），使用寿命高于铝合金。 5）优良的铸造性能、机械加工性能和焊接性能。 6）可以做到100%回收再利用 ，具有抗菌、无毒性能。,2.4 有色金属,镁合金应用：,华硕M5A纪念版,健康、环保、安全、轻盈,2.4 有色金属,镁合金应用：,佳能单反40D 数
23、码相机,镁合金由于密度低、强度较高，具有一定的防腐性能，常用来做单反相机的骨架。一般中高端及专业数码单反相机都采取镁合金做骨架，使其坚固耐用，手感好。,2.5 金属成型加工工艺,2.5 金属成型加工工艺,铸造成型工艺,将液体金属浇注到与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法称为铸造。与其他工艺方法相比，铸造成形生产成本低，工艺灵活性大，适应性强，适合制造各种尺寸和形状复杂的铸件。但其缺点是公差较大，容易产生内部缺陷。铸造的生产方法很多，主要可分为砂型铸造和其他铸造两大类。,2.5 金属成型加工工艺,砂型铸造,砂型铸造为铸造生产中的最基本方法，砂型铸造的生产工序主要包
24、括： 制模、配砂、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理和检验。,2.5 金属成型加工工艺,用于制造砂型的材料称为型砂；用于制造型芯的材料称为芯砂。 砂箱是长方形、方形或圆形的坚实框子，有时根据铸件结构，作成特殊形状。砂箱的作用是牢固的固紧所捣实的型砂，以便于铸型的搬运及在浇注时承受液体金属的实力。砂箱可以用木料、铸铁、钢、铝合金制成。通常上箱和下箱组成一对砂箱，彼此之间有销子及销孔进行配合。 型芯的主要作用是形成铸件的内腔，有时也形成铸件局部外形。由于砂芯的表面被高温金属液所包围，受到的冲击及烘烤比砂型厉害，因此要求砂芯要有更高的强度、透气性、耐火度和退让性等。,2.5 金属成型加工工艺,
25、将上型、下型、砂芯、浇口等组合成一个完整铸型的操作过程称为合型，又称合箱。是浇注前的最后一道工序，若合型操作不当，会使铸件产生错箱、偏芯、跑火及夹砂等缺陷。 把液体金属注入铸型的操作称为浇注。浇注不当，会引起浇不足、冷隔、跑火、夹渣和缩孔等铸造缺陷。,2.5 金属成型加工工艺,从砂型中取出铸件的工作称为落砂。落砂时要注意开箱的时间，过早，铸件未凝固或温度很高，会造成跑火、变形、表面硬皮等缺陷，并且铸件会形成内应力、裂纹等缺陷；过晚，将过长占用生产场地及工装，使生产率降低。 落砂后的铸件必须经过清理工序，才能使铸件外表面达到要求。包括切除浇冒口，清除型芯，清除粘砂等。,2.5 金属成型加工工艺,
26、铸造性能:合金在铸造生产中所表现出来的性能。,合金的铸造性能,流动性 收缩性,流动性：熔融金属本身的流动能力。试验方法：螺旋形试样法。,1.合金的流动性及试验方法,一、流动性,2.5 金属成型加工工艺,*铸铁的流动性,*铸钢的流动性,2.5 金属成型加工工艺,2.流动性对铸件质量的影响,改善金属 的流动性,加快凝固中液体的补缩,排除内部夹杂物和气体,形成薄壁复杂的铸件,有利于,3.影响合金流动性的因素,（1）化学成分,纯金属、共晶合金流动性好（恒温下结晶）。 亚、过共晶合金流动性差（在一定温度范围内结晶）。,（2）充型条件,（3）浇注温度,一般，T浇，流动性，超过某一界限后，合金吸气多，氧化严
27、重，流动性。 T浇：铸钢15201620；铸铁12301450；铝合金680780。,2.5 金属成型加工工艺,二、合金的收缩性,1.合金的凝固,定义：铸型中的合金从液态转变为固态的过程,凝固条件：只有当体系所处的温度低于熔点温度时，才能发生。,凝固过程：晶核的形成及晶体的长大。,凝固方式：逐层凝固，糊状凝固和中间凝固。,2.5 金属成型加工工艺,逐层凝固：纯金属或共晶成分合金，凝固过程中液固界限清楚分开。常见有灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝等。,糊状凝固：合金结晶温度范围很宽，液固并存，先呈糊状而后固化。常见有球墨铸铁、高碳钢等合金。,中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间。常见有中碳钢、
28、高锰钢、白口铸铁等。,2.5 金属成型加工工艺,2.合金的收缩,定义：凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象。,分类,液态收缩：产生缩孔,凝固收缩：产生缩孔、缩松,固态收缩：产生内应力、裂纹和变形,2.5 金属成型加工工艺,体收缩率：,线收缩率：,铁碳合金的收缩率,2.5 金属成型加工工艺,4. 收缩性对铸件质量的影响,收缩率：尺寸愈精确、组织愈致密。 收缩率：易产生铸造缺陷。,3.影响收缩的因素,化学成分：化学成分不同，收缩率不同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。 浇注温度：浇注温度，收缩率。 铸件结构和铸型条件：型腔形状复杂或结构设计不合理，铸件会因收缩受阻铸造应力 裂纹。,2
29、.5 金属成型加工工艺,（1）缩孔和缩松,缩孔：凝固过程中，由于补缩不良产生的孔洞 部位：铸件上部或最后凝固的部位。 特征：倒锥形，内表面不光滑。 原因：体积减小得不到液态金属的补充 条件：逐层凝固。,5.收缩导致的铸件缺陷,2.5 金属成型加工工艺,缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。 部位：铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近 。 特征：细小的空洞。 原因：凝固区域被分割成许多孤立熔池，收缩得不到补充。 条件：糊状凝固。,2.5 金属成型加工工艺,防止措施：定向凝固（顺序凝固）,主要措施：安放“冒口”或“冷铁”。,定向凝固：使远离冒口部位最先凝固，而后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝
30、固。,危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。,2.5 金属成型加工工艺,冒口：在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空腔。作用是补缩、出气、集渣、观察。 冷铁：在铸型中安放的金属物或其他激冷物。,冒口、冷铁共用法,2.5 金属成型加工工艺,（2）铸造应力,铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。,2.5 金属成型加工工艺,机械应力：,固态收缩时，因受到铸型、型芯等外力阻碍而产生的应力。是暂时的。与热应力同时作用时，铸件将产生裂纹。,2.5 金属成型加工工艺,-,-,+,+表示拉应力 -表示压应力,铸件产生热应力与变形的规律： 薄壁：冷得快，受压应
31、力（凸出）； 厚壁：冷得慢，受拉应力（凹进）。,热应力产生原因：,2.5 金属成型加工工艺,防止和减小铸造应力的措施,尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀 同时凝固原则：心部会产生缩孔和缩松，用于灰铸铁和锡青铜。 可采用时效等方法消除。时效处理可分为自然时效和人工时效。 尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。,2.5 金属成型加工工艺,其他铸造,1. 熔模铸造 熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后再模样上涂耐火材料，经硬化之后，再将模样熔化，排出型外，获得无分型面的铸型，浇注即可获得铸件。也称失蜡铸造，是发展较快的一种精密铸造方法。,2.5 金属成型加工工艺,熔模铸造优点：没有分型面，型腔表面极光
32、洁，故铸件的精度和表面质量均优；型壳是由耐火材料制成，可以适应各种高熔点合金；生产批量不受限制。熔模铸件的形状可以比较复杂，铸件上可铸出的最小孔径为1.5mm，铸件的最小壁厚为0.3mm。 熔模铸造缺点：材料昂贵、工序多、生产周期长、不易生产大件。,2.5 金属成型加工工艺,2. 金属型铸造 将液体金属浇注到用金属材料制成的铸型中，获得铸件的铸造方法。 金属型铸造优点：可承受多次浇铸，实现了“一型多铸”，节省工序，生产效率高；铸件精度及机械性能高。 金属型铸造缺点：成本高，周期长，工艺要求严格，对铸件的形状和尺寸有一定限制。,3. 压力铸造 压力铸造简称压铸，它是在高压作用下使液态或半液态金属
33、以较高的速度填充铸型型腔，并在压力下凝固而获得铸件的方法。 压力铸造优点：精度及表面质量高，强度及硬度高，生产率比其他方法均高，可铸形状复杂的零件。压力铸造缺点：投资大，周期长，不宜进行大余量的切削加工等。,2.5 金属成型加工工艺,2.5 金属成型加工工艺,4. 离心铸造 离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，使其在离心力作用下成形并凝固的铸造方法。离心铸造主要用于生产圆筒形铸件。离心铸造优点：缺陷少，机械性能好，节约用材等。离心铸造缺点：铸件易产生偏折，内孔不准确，内表面较粗糙。,2.5 金属成型加工工艺,锻压成形工艺,锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状并改善性能，用以
34、制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法，它是锻造和冲压的总称。 大多数金属材料在冷态或热态下都具有一定的塑性，因此他们可以在室温或高温下进行各种锻压加工。常见的锻压方法有自由锻造、模型锻造、板料锻造、轧制、挤压和拉拔等。 金属锻压加工的特点：可使金属获得较细密的晶粒，提高零件的性能；坯料的形状和尺寸发生改变而体积基本不变，与切削加工相比可节约材料和工时；除自由锻造外，其他锻压方法都具有较高的劳动生产率；能加工各种形状、重量的零件，使用范围广。,2.5 金属成型加工工艺,轧制,2.5 金属成型加工工艺,材料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的加工方法称为轧制
35、。通过合理设计轧辊上的各种不同的孔型，可以轧制出不同截面的原材料。,2.5 金属成型加工工艺,2.5 金属成型加工工艺,2.5 金属成型加工工艺,挤压,坯料在压应力作用下从模具的孔口或缝隙挤出，使之横截面积减小、长度增加，成为所需制品的加工方法称为挤压。按挤压温度可分为冷挤、温挤、热挤，适用于加工有色金属和低碳钢等金属材料。,2.5 金属成型加工工艺,拉拔,材料在牵引力作用下通过模孔拉出，使之横截面积减少，长度增加的加工方法称为拉拔。拉拔生产主要用来制造各种细线、棒、薄壁管等型材。,2.5 金属成型加工工艺,自由锻,只用简单的通用性工具或在锻造设备的上下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及
36、内部质量的锻件，这种加工方法称为自由锻。 特点：操作工具简单，劳动强度大，技术水平要求高，生产效率低，较难大批量生产。,2.5 金属成型加工工艺,模锻,在模锻设备上利用锻模使坯料变形而获得锻件的锻造方法称为模锻。 特点：生产效率高，尺寸精确，表面光洁，适合中小型锻件的大批量生产。,2.5 金属成型加工工艺,冲压,使板料经分离或塑性变形而得到制件的工艺称为冲压。 冲压基本工序有分离和变形两类.分离工序包括落料,冲孔,切断等;变形工序包括拉深,弯曲,翻边和涨形等.,2.5 金属成型加工工艺,冲压,1）落 料,落 料,用冲模沿封闭轮廓冲切板料，冲下来的部分为制件。,2.5 金属成型加工工艺,冲压,2
37、）冲 孔,用冲模沿封闭轮廓冲切板料，冲下来的部分为废料。,2.5 金属成型加工工艺,冲压,3）切 口,将坯料上沿不封闭轮廓冲出切口，切口部分发生弯曲。,通风板,2.5 金属成型加工工艺,冲压,4）弯 曲,利用压力使材料产生塑性变形，从而被弯成有一定曲率、一定角度的形状。可以用于加工较复杂制件。,2.5 金属成型加工工艺,冲压,5）拉 深,把平板坯料成型为各种空心制件。,拉深工艺图,2.5 金属成型加工工艺,冲压,5）拉 深,通常配合胀形、扩孔、缩孔工艺成型金属容器。,2.5 金属成型加工工艺,常见的金属型材、板材、管材、线材等原材料，大都是通过轧制挤压等方法制成的。自由锻造、模锻和板料冲压则是
38、一般机械厂常用的生产方法。凡承受重载荷、工作条件恶劣的机器零件，如发电机转子、主轴、叶轮、重要齿轮、连杆等，通常均需采用锻件毛坯，再经切削加工制成。,2.5 金属成型加工工艺,焊接成形工艺,焊接加工通过加热或加压，或两者并用，借助于金属原子扩散和结合，使分离的材料牢固地连接在一起的加工方法。焊接方法的种类很多，按焊接过程特点可分为三大类： 1. 熔焊 这类方法的共同特点是把焊接局部连接处加热至熔化状态，形成熔池，待其冷却结晶后形成焊缝，将两部分材料焊接成一个整体。因两部分材料均被熔化，故称熔焊。 2. 压焊 在焊接过程中需要对焊件施加压力（加热或不加热）的一类焊接方法。 3. 钎焊 利用熔点比
39、母材低的填充金属（称为钎料）熔化后，填入接头间隙并与固态的母材通过扩散实现连接的一种焊接方法。,2.5 金属成型加工工艺,熔焊,主要焊接方法,压焊,钎焊,等离子弧焊,气焊,电弧焊,电渣焊,电子束焊,激光焊,硬钎焊,软钎焊,冷压焊,超声波焊,扩散焊,爆炸焊,摩擦焊,电阻焊,焊条电弧焊,埋弧焊,气体保护焊,点焊,缝焊,对焊,锡焊,铜焊,银焊,自动,半自动,氩弧焊,co2焊,2.5 金属成型加工工艺,焊接具有连接性好、省工省料、成本低、重量轻、可简化工艺等优点，得到广泛应用。但同时也存在一些不足之处，如结构不可拆，更换修理不方便；存在焊接应力，容易产生焊接变形；容易出现焊接缺陷等。,2.5 金属成型
40、加工工艺,机械加工成形工艺,机械加工是操作机床进行的切削加工。切削加工是利用切削工具和工件之间的相对运动，从毛坯上切去多余部分材料，以获得所需要的尺寸精度、形状精度、相互位置精度及表面粗糙度的一种加工方法。 现代工业中，除少部分金属零件可以采用精密铸造、精密锻造、粉末冶金等方法直接获得要求的形状及表面精度，绝大部分零件都需要切削加工，来保证零件的加工精度与表面粗糙度。,2.5 金属成型加工工艺,切削基本知识,1. 切削运动 切削时的基本运动是直线运动和回转运动，按切削时工件和刀具相对运动所起的作用不同可分为主运动和进给运动。 主运动是进行切削时最主要的运动。通常它的速度最高，消耗机床动力最多。
41、如普通卧室车床的主运动为主轴的旋转运动v，镗床主运动是镗杆的旋转运动。 进给运动与主运动配合后，将能保持切削工作连续地进行，从而切除金属层形成已加工表面。进给运动可以是连续的，也可以是间歇的。,2.5 金属成型加工工艺,2. 切削要素 切削速度v，是主运动的线速度，单位是m/s。 进给量f，是进给运动方向上相对工件的位移量。车削时，进给量为主轴每转一转时，工件与刀具相对的位移量，单位为mm/r。 背吃刀量ap，是每次走刀切入的深度。背吃刀量等于待加工表面与已加工表面间的垂直距离（mm）。,2.5 金属成型加工工艺,3. 切削刀具 金属切削刀具种类繁多，形状也各不相同，但是，不管形状多么复杂的
42、具，都是在刀具基本类型的基础上发展起来的，以适应不同条件下的切 削加工。外圆车刀分为切削部分（刀头）和夹持部分（刀杆或刀体）两部分，刀 体装在刀架上，刀头装在刀体上（可焊接或机械装卡）。刀具材料应具备高硬度、高耐磨性、高红硬性和足够的强度和韧性，除 此之外，刀具材料还要有良好的工艺性和经济性。常用刀具材料分为工 具钢、硬质合金、陶瓷及超硬材料四大类。,2.5 金属成型加工工艺,切削基本知识,4. 切削液 切削液主要用来减少摩擦和降低切削温度。合理使用切削液，对提高刀具耐用度和保证表面加工质量有着重要意义。 切削液的作用： 冷却；润滑；洗涤和排屑；防锈。 常用的切削液有水溶液切削液（主要起冷却和
43、排屑作用）和油液切削液（除冷却和排屑作用外还有防锈作用）。,2.5 金属成型加工工艺,切削基本知识,5. 零件的加工质量 零件的加工质量直接影响产品的使用性能和寿命，其主要包括加工精度和表面质量。 加工精度是指零件加工以后，其尺寸、形状、相互位置等参数的实际数值和它的理想数值相符合的程度。零件实际参数的最大允许变动量称为公差。 加工精度用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。 尺寸公差有20个公差等级，公差数值依次增大。形状公差有直线度、平面度等六种。位置公差有平行度、垂直度、同轴度等八种。 表面质量常用表面粗糙度来衡量。生产中常用轮廓算术平均偏差Ra作为评定表面粗糙度的主要参数。,2.5 金属
44、成型加工工艺,切削基本知识,6. 切屑的形成过程,在切削塑形金属时，切屑的形成过程可比作推挤一叠卡片的变化过程。,金属切削过程是：切削层在刀具前刀面的挤压下，产生以剪切滑移为主的塑性变形，形成切屑和已加工表面的过程。,7. 切削变形区的划分,通常将直角自由切削塑性金属时，切削刃作用范围内的切削层划分为三个变形区。,1. 第一变形区 从OA-OM之间的区域，主要产生剪切滑移变形，也称剪切区，是切削过程中产生变形的主要区域。,2. 第二变形区 切屑从OM处开始同材料基体分离，在沿前刀面流出时，还将受到前刀面的挤压和摩擦，使切屑进一步产生滑移变形。,3. 第三变形区 已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀
45、面的挤压、摩擦与回弹，造成纤维化与加工硬化的部分。,2.5 金属成型加工工艺,8. 切屑的种类及控制,工件材料不同，切削条件不同，则切削变形的程度不同，所产生的切屑形态也不同。切屑的形态如图所示：,2.5 金属成型加工工艺,8. 切屑的种类及控制,形成原因：带状切屑一般在加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时得到。,1. 带状切屑,切屑的内表面是光滑的，外表面是毛茸状的，每个层片很薄，肉眼看起来大体上平整。,切削特点：带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。,2.5 金属成型加工工艺,8. 切屑的种类及控制,又称挤裂切屑，其外弧表面呈锯齿形，内弧
46、表面有时有裂纹。,2. 节状切屑,形成原因 节状切屑大都在加工塑性材料，且切削速度较低、切屑厚度较大的情况下产生。,3. 粒状切屑,又称单元切屑，其形状为相似的梯形粒状。,形成原因 粒状切屑是在剪切面上的剪应力超过材料的破裂强度，整个单元被切离而形成。,2.5 金属成型加工工艺,8. 切屑的种类及控制,4. 崩碎切屑,切削中，切削层靠近切削刃和前刀面的局部金属，未经明显的塑性变形就在张应力状态下脆断，形成不规则的碎块切屑。同时使工件加工表面凹凸不平。,注意：工件材料越是硬脆，切削厚度越大，越容易产生崩碎切屑。,崩碎切屑 是指不规则的碎块状切屑。,形成原因 切削脆性金属（如铸铁）时，材料塑性很小，抗拉强度较低。,2.5 金属成型加工工艺,8. 切屑的种类及控制,生产中常见的是带状切屑，当切削厚度增大时，得到节状（挤裂）切屑，粒状切屑比较少见。,切屑的形态可随切削条件而转化，如：加大前角、减小切削厚度、提高切削速度，可使节状切屑转变为带状切屑。,2.5 金属成型加工工艺,END,
