1、材料成形技术基础,本课程的目的、性质及任务：,材料成形技术基础是机械大类专业的一门专业基础课。学习本课程的主要目的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造、锻造、冲压、焊接及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。通过本课程的学习，要求学生能根据产品的形状、结构、尺寸以及生产实际情况选用合理的成形过程，为后续课程的学习及从事机械零件设计、制造及管理工作打下必要的技术基础。,第一章 铸造成形工艺第二章 金属的压力加工成形第三章 焊接成形工艺与胶结,课程教学内容,第一章 铸造成形工艺,主 要 内 容,铸造成形理论基础,砂型铸造方法,铸造工艺设计,铸件结构设计,将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应
2、的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。,铸造的优点：1、可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯；2、工艺灵活性大。几乎各种合金，各种尺寸、形状、重 量和数量的铸件都能生产；3、成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。,铸造的缺点： 1、铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、 气孔等缺陷。2、铸件的机械性能较低。 3、铸造工序多，难以精确控制，使铸件质量不够稳定。 4、劳动条件较差，劳动强度较大。,砂眼,冷隔,疏松,缩孔,第一节 铸造成形理论基础,1、合金的凝固与收缩,凝固：物质由液态转化为固态的过程。结
3、晶：金属的凝固过程。 结晶包括形核和长大两个过程。,第一节 铸造成形理论基础,凝固组织：宏观上指铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况；微观上指晶粒内部结构的形态、大小和分布，以及各种缺陷等。,铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方式。,1.1 铸件的凝固方式,逐层凝固 糊状凝固 中间凝固,第一节 铸造成形理论基础,（1）逐层凝固,纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，如图(a)所示，已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已
4、凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。,第一节 铸造成形理论基础,如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图(c)所示。这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。,(2) 糊状凝固,第一节 铸造成形理论基础,大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，如图(b)所示，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固。,（3）中间凝固,第一节 铸造成形理论基础,铸件质量与凝固方式有关，逐层凝固时，合金
5、充型能力强（流动性好），便于防止缩孔、缩松。而糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松。 影响铸件凝固方式的因素：合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。,(1) 铸造合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。,1.2 影响铸件凝固方式的因素,第一节 铸造成形理论基础,(2) 铸件的温度梯度 铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如右图所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。,第一节 铸造成形理论基础,铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶
6、潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。 铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。 提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。,铸件的温度梯度主要取决于：,第一节 铸造成形理论基础,铸造性能对铸件质量有显著的影响。收缩是铸件中许多缺陷，如缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等产生的基本原因。充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔 洞。
7、缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙。缩松：分散在铸件某些区域内的细小缩孔。,1.3 缩孔和缩松,第一节 铸造成形理论基础,缩孔的形成,缩孔主要出现在金属在恒温或很窄温度范围内结晶，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。缩孔形成机理：逐层凝固方式下最后凝固部位得不到补充而形成的空隙。,第一节 铸造成形理论基础,(a) (b) (c) (d) (e),缩松的形成,形成机理：树枝状晶体所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。缩松主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。,第一节 铸造成
8、形理论基础,原理顺序凝固原则 即远离冒口处的金属先凝固，靠近冒口处的金属后凝固，冒口处的金属最后凝固，形成一条畅通的补缩通道，如图所示。,消除缩孔和缩松的方法,第一节 铸造成形理论基础,缩孔和缩松的防止措施：,1、冒口：在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固（图），尔后是靠近冒口的部位凝固（图、I），冒口本身最后凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充从而将缩孔转移到冒口之中。（缺点是浪费金属）,第一节 铸造成形理论基础,2、冷铁：为了实现定向凝固，在安放冒口的同时，在铸件上某
9、些厚大部位增设的金属材料(冷铁：激冷物) 。 将冷铁放入铸型某一特定部位，用以加速铸件某局部热节的冷却，调节凝固顺序，是消除铸件中缩孔和缩松的有效措施。,第一节 铸造成形理论基础,第二节 铸造成形方法,铸造的分类,铸造分类,砂型铸造,特种铸造,化学硬化砂型,湿砂型,干砂型,以天然矿产砂石为主要造型材料,熔模铸造、壳型铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等,以金属作为主要造型材料,金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造等,第二节 铸造成形方法,砂型铸造流程图,第二节 铸造成形方法,2.1 砂型铸造成形,以型砂为材料制备铸型的铸造方法由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对
10、铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。,第二节 铸造成形方法,型砂及芯砂是制造铸型和型芯的造型材料,它主要由原砂、粘结剂、附加物和水混制而成。,第二节 铸造成形方法,造型材料的选择,型(芯)砂按粘结剂的种类可分为：1、黏土砂 黏土砂是以黏土为粘结剂配制成的型砂。 由原砂(应用最广的是硅砂,主成分SiO2)、粘土、水及附加物按一定比例配制而成。 黏土砂是迄今为止铸造生产中应用最广泛的型砂。可用于制造铸铁件、铸钢件及非铁合金的铸型和不重要的型芯。,2、水玻璃砂 水玻璃砂是以水玻璃（硅酸钠的水溶液）为粘结剂配制成的化学硬化砂。是除粘土砂外用得最广泛的一种型
11、砂。 水玻璃砂铸型或芯无需烘干、硬化速度快、生产周期短、易于机械化、劳动条件改善。,3、油砂和合脂砂 油砂是以桐油、亚麻仁油等植物油为粘结剂配制成的型砂。 合脂砂以合成脂肪酸残渣经煤油稀释而成的合脂作粘结剂。 油砂或合脂砂制造结构复杂、要求高的型芯。,第二节 铸造成形方法,4、树脂砂 树脂砂是以树脂为粘结剂配制成的型砂。又分为热硬树脂砂、壳型树脂砂、覆模砂等。 用树脂砂造型或制芯，铸件质量好、生产率高、节省能源和工时费用、工人劳动强度低、易于实现机械和自动化、适宜成批大量生产。,第二节 铸造成形方法,手工造型工具,第二节 铸造成形方法,造型方法,造型是指用型砂、模样、砂箱等工艺装备制造砂型的过
12、程。造型分为手工造型和机器造型,一 、手工造型 全部用手工或手动工具完成的造型工序。,1、整模造型的模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。,第二节 铸造成形方法,整模造型,第二节 铸造成形方法,2、分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。,第二节 铸造成形方法,3、挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。,第二
13、节 铸造成形方法,挖砂造型,第二节 铸造成形方法,4、活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。,第二节 铸造成形方法,活块造型,第二节 铸造成形方法,5、刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。,第二节 铸造成形方法,刮板造型,第二节 铸造成形方法,6、组芯造型是用若干块砂芯组合成铸型
14、，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。,第二节 铸造成形方法,7、地坑造型在地平面以下的沙坑中或特制的地坑中制造下型的造型方法，特点是省掉了下砂箱，但造型操作麻烦。用于中型、大型铸件单件或小批量生产。,第二节 铸造成形方法,8、假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。,第二节 铸造成形方法,假箱造型,第二节 铸造成形方法,机器造型 机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂和起模两项主要操作工序的造型方法。与手工造型相
15、比，机器造型生产效率高，劳动条件好，对环境污染小，铸件的尺寸精度和表面质量高，加工余量小但需要专用设备，投资较大，适合大批量生产。,第二节 铸造成形方法,紧砂方法,压实紧砂机工作原理图,机器造型的紧砂方法为压实、震实、震压和抛砂四种基本形式。,第二节 铸造成形方法,震实紧砂机工作原理图,第二节 铸造成形方法,震压紧砂机工作原理图,第二节 铸造成形方法,抛砂紧砂机工作原理图,第二节 铸造成形方法,气动微震压实造型,第二节 铸造成形方法,由许多可单独动作的触头组成。当压实活塞向上推动时，触头将型砂从余砂框压入砂箱内，而自身在多触头箱体的相互连通的油腔内浮动，以适应不同形状的模样，使整个型砂得到均匀
16、的紧实度。 该设备通常也配备气动微振装置，以增加工作适应能力。多触头高压造型辅机多，砂箱数量大，造价高，适用于各种形状中小铸件的大量或成批生产。,第二节 铸造成形方法,多触头高压造型,起模方法,起模方法根据其起模机构分为：顶模起模（a）：机构简单，但易漏砂，用于型腔简单、高 度小的铸型，多用于上型，以省却翻箱漏模起模（b）：一般用于形状复杂或高度较大的铸型。翻转起模（c）：机构较复杂，但不易掉砂，适用于型腔较 深，形状复杂的铸型，常用于下型。,第二节 铸造成形方法,第二节 铸造成形方法,第三节 铸造成形件工艺设计,铸造工艺设计是根据铸件结构特点、技术要求、生产批量、生产条件等，确定铸造方案和工
17、艺参数，绘制铸造工艺图，编制工艺卡和工艺规范等。,铸件工艺设计的有关文件，是生产准备、管理和铸件验收的依据，并用于直接指导生产操作。因此，铸件工艺过程设计的好坏，对铸件品质、生产率和成本起着重要的作用。,第三节 铸造成形件的工艺设计,浇注位置的选择,浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。选择原则：铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面，避免砂眼气孔和夹渣。,3.1 铸造成形方案的选择,原因：金属液的比重大于砂、渣。浇注时，砂眼气泡和夹渣往往上浮到铸件的上表面，所以上表面的缺陷通常比下部要多。同时，由于重力的关系，下部的铸件最终比上部要致密。因此，为了保证零件的质量，重要的加工面应尽量朝
18、下，若难以做到朝下，应尽量位于侧面。,床身的浇注位置,2) 铸件的大平面应朝下，减少辐射，防开裂夹渣。,铸型的上表面除了容易产生砂眼、气孔、夹渣外，大平面还常产生夹砂缺陷，如图所示。这是由于在浇注过程中，高温的液态金属对型腔上表面有强烈的热辐射，型砂因急剧膨胀和强度下降而拱起或开裂，拱起处或裂口浸入金属液中，形成夹砂缺陷。同时铸件的大平面朝下，也有利于排气、减小金属液对铸型的冲刷力。,大平面朝上引起夹渣缺陷,3）面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或垂直、倾斜位置。防止产生浇不足、冷隔。,这能增加薄壁处金属液的压强，提高金属液的流动性，防止薄壁部分产生浇不足或冷隔缺陷，如上图所示。,大面积薄壁铸件
19、浇注位置,4）易形成缩孔的铸件，较厚部分置于上部或侧面。考虑安放冒口利于补缩。,热节处应位于分型面附近的上部或侧面容易形成缩孔的铸件(如铸钢、球墨铸铁、可锻铸铁、黄铜)浇注时应把厚的部位放在分型面附近的上部或侧面，如上图所示，以便安放冒口，实现定向凝固，进行补缩。,有热节的浇注位置,分型面是指两半铸型相互接触的表面。除了消失模铸造外，都要选择分型面。 一般说来，分型面在确定浇注位置后再选择。但是，分析各种分型面的利、弊之后，可能再次调整浇注位置。在生产中浇注位置和分型面有时是同时确定的。分型面的选择在很大程度上影响着铸件的质量(主要是尺寸精度)、成本和生产率。分型面的选择要在保证铸件质量的前提
20、下，尽量简化工艺，节省人力物力，因此需考虑以下几个原则：,分型面的选择,选择原则：简化工艺求经济 1）分型面应选择最大截面处-保证模型取出,2）尽量使铸件的全部或大部在同一沙箱,否则错型时易造成尺寸偏差。,使铸件全部或大部分放在同一砂型,3) 分型面应尽量平直,水平分型面-便于造型操作，适宜批量生产！,挖砂造型 费时、费工，尽 量避免。单件生产时可用此法！,尽量使用平直分型面,4) 尽量减少分型面数量,尽量做到只有一个分型面，这是因为：多一个分型面多一份误差，使精度下降； 分型面多，造型工时多，生产率下降；机器造型只能两箱造型，故分型面多，不能进行大批量生产。如上图所示为一双联齿轮毛坯，若大批
21、生产只能采用两箱造型，但其中间为侧凹的部分，两箱造型要影响其起模，当采用了环状外型芯后解决了起模问题，很容易进行机器造型。,双联齿轮毛坯的造型方案,5）分型面选择应使型腔及主要型芯位于下箱：方便造型、下芯、合箱及保证铸件壁厚 。,尽量使型腔及主要型芯位于下型,注意：下箱型腔也不宜过深(否则不宜起模、按放型芯)，并力求避免吊芯和大的吊砂，如上图所示。,铸造工艺参数包括收缩余量、加工余量、起模斜度、铸造圆角、型芯和芯头等。,收缩余量定义：模样比铸件图纸尺寸增大的数值称收缩余量。在制作模样和芯盒时，模样和芯盒的制造尺寸应比铸件放大一个该合金的线收缩率。这个线收缩率称为铸造收缩率：=(L模-L铸件)/
22、 L模*100%通常，灰铸铁的铸造收缩率为0.71.0，铸造碳钢的铸造收缩率为1.32.0，铝硅合金的铸造收缩率为0.81.2，锡青铜的铸造收缩率为1.21.4。,3.2 铸造工艺参数的确定,定义：在铸件加工表面上留出的准备切削去的金属层厚度,机械加工余量,依据：加工余量的大小，要根据铸件的大小、生产批量、合金种类、铸件复杂程度及加工面在铸型中的位置来确定。灰铸铁件加工余量小；铸钢件加工余量比铸铁件要大些；有色金属件加工余量小。机器造型比手造型加工余量小。,定义：为使模样容易地从铸型中取出或型芯自芯盒中脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度，称为起模斜度。依据：起模斜度的大小根据立壁的高度
23、、造型方法和模样材料来确定：立壁愈高，斜度愈小；外壁斜度比内壁小；机器造型的一般比手工造型的小；金属模斜度比木模小。具体数据可查有关手册。一般外壁为3-15，内壁为3-10。,起模斜度,定义:在设计和制造模样时，相交壁的交角要做成圆角，以防止铸件交角处产生粘砂、缩孔，裂纹等缺陷。这种四圆角称为铸造圆角。标准：圆角半径一般为相交两壁平均厚度的l/3-1/2。,铸造圆角,型芯是铸型的一个重要组成部分，型芯的功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。,型芯与芯头,作用：芯头是型芯的定位、支撑和排气的部分设计：设计时需考虑：保证定位准确，能承受砂芯自身重量和液态合金的冲击、浮力等外力的作
24、用，浇注时砂芯内部产生的气体顺畅引出铸型等。,型芯与芯头,第四节 铸造成形件结构设计,铸件的结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率以及成本有很大的影响。铸件的结构包括：铸件外形、内腔、壁厚、壁与壁的连接及加强肋、凸台、法兰等。 设计铸件时，不仅要保证使用性能的要求，还要满足铸件在制造过程中的工艺性要求。即考虑铸造生产工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。应尽量使生产工艺中的制模、造型、制芯、装配、合型和清理等各个环节简化，节约工时，防止废品产生。符合合金铸造性能的要求，以避免出现如缩孔、缩松、变形、裂纹、浇不足、冷隔、气孔和偏析等缺陷。使铸件的具体结构与这些要求相适应，以达到工艺简单、经济、快速
25、地生产出合格铸件的目的。,（1）平直分型防挖砂-1,铸件工艺对结构的影响1：铸件外形的设计,（2）平直分型防挖砂-2,改进前,改进后,（3）凸台/肋设计避活块,改进前,改进后,（4）结构斜度为起模,改进前,改进后,拔模斜度：铸件上垂直分型面的各个侧面应具有斜度，以便于把模样（或型芯）从型砂中（或从芯盒中）取出，并避免破坏型腔（或型芯）。结构斜度：凡垂直分型面的非加工表面都应设计出斜度，以利于造型时拔模，并确保型腔质量。拔模斜度是在铸造工艺图上方便起模，在垂直分型面的各个侧面设计的工艺斜度，如果是加工面还必须把这部分切削掉，增加了金属耗材。结构斜度是在零件图上非加工表面设计的斜度，可以不必再特意
26、设拔模斜度，浇注完可以不用加工掉。,铸件内腔的设计良好的内腔设计，既可减少型芯数量，又利于型芯的固定、排气和清理，因而可防止偏芯、气孔等缺陷的产生，并简化造型工艺，降低成本。,铸件工艺对结构的影响2：铸件内腔的设计,1）内腔设计尽量少用和不用型芯,实 例,2）便于固定、排气与清理,(1)合理设计铸件壁厚 在确定铸件壁厚时，首先要保证铸件能达到所要求的强度和刚度，同时还必须从合金的铸造性能的可行性来考虑，以避免铸件产生某些铸造缺陷。,合金铸造性能对结构的影响1：铸件壁厚的设计,在一定铸造工艺条件下，所能浇注出的铸件最小壁厚。铸件壁厚小于“最小壁厚”，易产生浇不到、冷隔等缺陷。,厚壁铸件，易产生缩
27、孔、缩松、晶粒粗大等缺陷，力学性能下降，故存在一个最大壁厚。,在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。,在砂型铸造条件下: 临界壁厚3最小壁厚,(1) 合理设计铸件壁厚,减小铸件壁厚，防止铸件产生缩孔、裂纹。,(2) 铸件壁厚求均匀， 减少应力避缺陷,1) 铸件壁间的转角处设计出结构圆角,合金铸造性能对结构的影响2：铸件壁的连接,不合理结构,合理结构,2) 避免十字交叉和锐角连接,3）避免较大水平面 ，适当倾斜易成形,4）减缓肋、收缩的阻碍,在铸造过程中铸件由液态变为固态时由于热胀冷缩会产生内应力，偶数个的轮辐会使两个轮辐处于同一水平线上，铸造时无法变形而容易在内应力的作用下破裂。奇数的轮辐由于两个轮辐不在同一水平线上，内应力可以通过轮辐的微小变形得到缓解。所以，如果是奇数辐，应力会消散均匀，产生变形可能小，但如果是偶数辐就容易发生变形现象。,5）合理设计筋,薄而大的平板，收缩易发生翘曲变形，加上几条筋之后便可避免。如下图所示。,筋的厚度不宜过大，一般取为被加强壁厚度的0.60.8倍。,
