先进制造技术是近几年提得较多,叫得较响的一个专用词语,而且先进制造技术在机械制造业领域中的应用越来越广泛而深入,并取得了很大的成绩

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1 面向 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 金属工艺学 孙朝阳刘仲礼编著

2 内容简介 本教材是根据教育部有关高职高专教材编写精神而编写的 本书内容包括金属材料的基本知识 铸造 塑性成形 焊接 毛坯选择 金属切削加工基础知识 车钻镗加工 铣刨插拉加工 磨削及光整加工 典型表面的加工 零件结构工艺性及特种加工等 本书系统地叙述了有关金属工艺学的基本知识, 并有最先进的工艺介绍, 内容较全面 ; 同时结合大量的图表, 使叙述通俗易懂, 各章还有配套的习题和思考题, 供学生思考和复习 本书是高等职业专科学校机械类专业的基本教材, 也可供近机类 管理类的职工大学 电视大学 成人教育院校的相关专业选用 图书在版编目 (CIP) 数据 金属工艺学 / 孙朝阳, 刘仲礼编著. 北京 : 北京大学出版社, ( 面向 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 ) ISBN I. 金 II.1 孙 2 刘 III. 金属加工 - 工艺学 - 高等学校 : 技术学校 - 教材 IV.TG 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2005) 第 号 书 名 : 金属工艺学 著作责任者 : 孙朝阳刘仲礼编著 责任编辑 : 黄庆生刘标 标准书号 :ISBN /TH 0027 出 版 者 : 北京大学出版社 地 址 : 北京市海淀区成府路 205 号 电 话 : 邮购部 发行部 编辑部 网 址 : 电子信箱 :xxjs@pup.pku.edu.cn 印 刷 者 : 发 行 者 : 北京大学出版社 经 销 者 : 新华书店 787 毫米 980 毫米 16 开本 12.5 印张 260 千字 2006 年 1 月第 1 版 2006 年 1 月第 1 次印刷 定 价 :19.00 元

3 前 言 金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术科学的课程, 是高职高专机械类各专业所开设的一门必修技术基础课 本书的目的是使学生懂得有关金属材料和其他工程材料的基本知识, 了解常用金属材料的成分 组织 性能及热处理工艺之间的关系 了解铸造 金属塑性加工 焊接 切削加工等工艺基础知识, 为学习其他课程和从事生产技术工作打好必要的基础 在内容安排上, 打破传统的内容体系, 将各种工艺方法中基础 共性的知识综合在一起, 放在前面首先介绍, 为后续内容奠定基础 在介绍传统工艺方法的同时, 更加注重了新方法 新技术及其发展趋势的介绍 同时, 本书还配有大量的插图给学生以直观的学习和体验, 各章后附有习题与思考题供学生复习和思考 本书力求简洁明了 重点突出 对传统内容作了较大的压缩和调整, 并尽量避免与金工实习的内容重复, 使之更适应于学科调整后的学时安排 本教材由刘仲礼编写第 章, 孙朝阳编写 章, 孙朝阳统编全稿 由于编者水平有限, 书中难免有错误和不妥之处, 恳请广大读者批评指正 编者 2005 年 4 月

4 目 录 第 1 章金属材料的基本知识 金属材料的主要性能 金属材料的使用性能 金属材料的工艺性能 金属的晶体结构 晶体结构的基本概念 常见的金属晶体结构 金属实际晶体结构 合金的晶体结构 纯金属的结晶 结晶的概念 结晶的基本过程 铁碳合金 纯铁的同素异构转变 铁碳合金的基本组织 铁碳合金状态图 钢的热处理 钢的热处理的基本原理 钢的退火与正火 钢的淬火与回火 表面淬火 化学热处理 常用的金属材料 碳钢 合金钢 铸铁 习题与思考题...26 第 2 章铸造 合金的铸造性能...27

5 II 金属工艺学 2.2 砂型铸造 模样与芯盒 造型材料 造型与制芯 浇注系统 铸件结构的工艺性 铸造工艺对铸件结构的要求 金属的铸造性能对铸件结构的要求 特种铸造 熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 离心铸造 习题与思考题...45 第 3 章金属塑性成形 自由锻 自由锻的特点和应用 自由锻设备 自由锻工序 模锻 模锻的特点和应用 锤上模锻 压力机上模锻 胎模锻 板料冲压 板料冲压的特点和应用 冲压设备 冲压工序 模具的种类和构造 其他塑性加工方法 精密模锻 高速锤锻造 轧制 挤压 拉拔...67

6 目录 III 3.5 塑性加工新技术 超塑性成形 旋压成形 液态模锻 高能率成形 习题与思考题...71 第 4 章焊接 熔焊 熔焊基本原理 熔焊方法 特点及应用 压焊 电阻焊 其他压焊方法 钎焊 常用金属材料的焊接 金属材料的焊接性 钢的焊接 铸铁的焊补 有色金属及合金的焊接 焊接结构工艺性 习题与思考题...89 第 5 章毛坯选用 机械零件毛坯选择的原则 常用机械零件的毛坯种类和选择 毛坯的种类 毛坯选择应考虑的因素 典型机械零件与结构件毛坯的选择 习题与思考题...94 第 6 章金属切削加工的基础知识 金属切削的基本概念 切削运动 切削要素 金属切削刀具 金属切削刀具的几何参数 切削刀具材料

7 IV 金属工艺学 6.3 金属切削过程的基本规律 金属切削过程及其实质 切削力和切削功率 切削热与切削温度 刀具磨损与耐用度 材料切削加工性和切削用量的选择 工件材料的切削加工性 切削用量的合理选择 习题与思考题 第 7 章车 钻 镗加工 车削加工 车削加工的工艺特点 车床 车刀 车削加工方法 钻削加工 钻削加工的工艺特点 钻床和钻刀 钻削加工方法 镗削加工 镗削加工的工艺特点 镗床和镗刀 镗削加工方法 习题与思考题 第 8 章铣 刨 插 拉加工 铣削加工 铣削加工的工艺特点 铣床 铣刀 铣削加工方法 刨削 插削加工 刨削加工的工艺特点 刨床与插床 刨刀 刨削加工方法

8 目录 V 插削加工方法 拉削加工 拉削加工的工艺特点 拉床和拉刀 拉削加工方法 习题与思考题 第 9 章磨削及光整加工 磨削加工 磨床和砂轮 磨削加工方法 光整加工 研磨 珩磨 超级光磨 抛光 习题与思考题 第 10 章典型表面的加工 外圆面的加工 外圆面的技术要求 外圆面加工方案及选择 孔的加工 孔的技术要求 孔加工方法及选择 平面加工 平面的技术要求 平面加工方案的分析 成形面的加工 成形面的技术要求 成形面加工方案及选择 螺纹加工 螺纹的技术要求 螺纹加工方案及选择 齿轮齿形的加工 齿轮的技术要求 齿轮齿形加工方法及选择

9 VI 金属工艺学 10.7 习题与思考题 第 11 章零件结构的工艺性 概述 零件结构工艺性的设计原则及实例分析 便于在机床或夹具上安装 便于加工和测量 设计时要注意提高生产效率 提高标准化程度 应注意的其他问题 习题与思考题 第 12 章特种加工 电火花加工 电解加工 超声波加工 激光加工 习题与思考题 参考文献

10 第 1 章金属材料的基本知识 1.1 金属材料的主要性能 金属材料的性能是金属应用的重要依据, 包括使用性能和工艺性能 使用性能是金属材料在使用过程中所表现出来的性能, 包括力学性能 物理性能 ( 电导性 热导性等 ) 化学性能 ( 耐蚀性 抗氧化性等 ); 工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能, 包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 热处理性能和切削加工性能等 金属材料的使用性能 金属材料的使用性能主要表现为力学性能或机械性能, 是指金属材料在外力 ( 或载荷 ) 作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力 常用的力学性能有强度 塑性 硬度 冲击韧性和疲劳强度等 1. 强度 强度是指在外力作用下金属材料抵抗变形和断裂的能力 工程上常用屈服点 抗拉强度作为强度判据 测定方法通常采用拉伸试验 图 1.1 为拉伸用标准试样, 通常分为长试样 (l 0 =10d 0 ) 和短试样 (l 0 =5d 0 ) 两种 l 0 和 d 0 有规定的标准值, 一般 l 0 为 100 mm 或 50 mm 试验时, 将拉伸试样装夹在拉伸机上, 缓慢增大拉伸力, 随着拉伸力不断地增大, 试样伸长量也不断增加, 直至试样被拉断 在整个拉伸过程中, 试验机的自动记录装置可将拉伸力与变形 ( 伸长 ) 量描绘在坐标图上, 即得到拉伸力和伸长量的关系曲线, 见图 1.2 图 1.2 是退火低碳钢的拉伸曲线, 由图可见, oe 段为一斜直线, 表示伸长量与拉伸力成正比, 在此范围内卸除载荷, 试验能完全恢复到原来的尺寸和形状, 即试样处于弹性变形阶段 当载荷超过 F e 时, 试样除产生弹性变形外, 还开始出现塑性变形 ( 或称永久变形 ), 即卸除拉伸力, 试样不能完全恢复到原来的形状和尺寸 当载荷增加到 F s 时, 在曲线上开始出现水平 ( 或锯齿形 ) 线段, 即表示载荷不增加, 试样却继续伸长, 这种现象称为屈服 载荷超过 F s 后, 试样的伸长又随载荷的增加而增大, 此时试样已产生大量的塑性变形 当载荷继续增加到某一最大值 F b 时, 试样开始产生局部截面变小, 出现 缩颈 此时载荷逐渐减小, 到达 k 点时试样被拉断

11 2 金属工艺学 0.8 d 0 F s F e F p l 0 图 1.1 标准拉伸试样 图 1.2 退火低碳钢的力 - 伸长曲线 金属材料受到载荷作用后, 其内部产生一个与载荷相平衡的抵抗力 ( 即内力 ), 单位横截面积上的内力称为内应力, 用 σ 表示 金属材料的强度是用应力来度量的 常用的强度指标有弹性极限 屈服点和抗拉强度 (1) 弹性极限材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值, 用符号 σ e 表示 Fe σ e =, MΡa S 式中 :F e 试样产生完全弹性变形时的最大载荷,N; S 0 试样原始横截面积,mm 2 (2) 屈服点材料产生屈服现象时的最小应力值, 用符号 σ n 表示 Fn σ n =, MPa S 0 0 式中 :F n 屈服时的最小载荷,N 有些金属材料 ( 如铸铁 高碳钢等 ) 在拉伸试验中没有明显的屈服现象, 因此测定 σ 很困难 国标中规定, 此种试样的塑性变形量为试样标距长度的 0.2% 时的应力为屈服点, 用符号 σ 0.2 表示 F0.2 σ 0.2 =, MPa S 式中 :F 0.2 试样塑性变形且变形量为标距长度的 0.2% 时的载荷,N (3) 抗拉强度材料被拉断前所能承受的最大应力值, 用符号 σ b 表示 Fb σ b =, MPa S 0 0 n

12 第 1 章金属材料的基本知识 3 式中 :F b 试样断裂前所承受的最大载荷,N 机械零件在工作中一般不允许产生塑性变形, 所以屈服点是设计零件时的主要依据 抗拉强度是表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力, 它也是设计零件和选材时的主要依据 应当指出 : 有些零件在选材时, 还应考虑材料的弹性模量 所谓弹性模量是指金属材料在弹性变形阶段应力与应变的比值, 用符号 E 表示, 即 E = σ, MPa ε 工程上常称弹性模量为刚度, 用它来衡量金属材料抵抗弹性变形的难易程度 弹性模量值愈大, 则材料的刚度愈大, 材料抵抗弹性变形的能力就愈强 由于绝大多数机械零件都是在弹性状态下工作的, 所以对其刚度都有一定的要求 2. 塑性 塑性是指断裂前材料发生的不可逆永久变形的能力 常用的塑性指标是断后伸长率 δ 和端面收缩率 ψ, 一般通过拉伸试验来测定 断后伸长率 δ 又称延伸率, 是试样被拉断时, 标距长度的伸长量 l 与原始标距 l 0 的百分比, 即 : δ=( l/ l 0 ) 100% 测试时注意, 只有用相同标准试样测定的数值才有意义 端面收缩率为试样拉断时, 缩颈处横截面的最大缩减量 S 与原始横截面面积的百分比, 即 : ψ=( S/S 0 ) 100% 断面收缩率不受试样尺寸的影响, 可以较可靠地反映材料的塑性 断后伸长率和断面收缩率的数值大表示金属材料的塑性变形能力大 塑性好 工程上一般把 δ>5% 的材料称为塑性材料, 如低碳钢 ;δ<5% 的材料为脆性材料, 如灰铸铁 3. 硬度 材料抵抗局部变形, 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力称为硬度 硬度值的物理意义随试验方法的不同而不同 工程上常用的有布氏硬度和洛氏硬度 (1) 布氏硬度布氏硬度试验是用载荷 F, 将直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球, 在一定压力作用下, 压入被测材料的表面 ( 见图 1.3), 保持一定的时间后卸去载荷, 以载荷与压痕表面积的比值作为布氏硬度值, 用 HBS 或 HBW 表示, 其单位为 kgf/mm 2, 但一般都不标出 由于 F 和 D 都是定值, 所以一般是先测得压痕直径 d, 根据 d 值查表确定材料的布氏硬度值, 布氏硬度值越大, 材料越硬

13 4 金属工艺学 (a) (b) 图 1.3 布氏硬度试验原理图 用布氏硬度试验测材料的硬度值, 其测试数据比较准确, 但不能测太薄的试样和硬度较高的材料 (2) 洛氏硬度洛氏硬度试验是用一定的载荷将顶角为 120 的金刚石圆锥体或直径为 mm 的淬火钢球压入被测试样表面, 根据压痕的深度确定它的硬度值 洛氏硬度值可以从洛氏硬度计的刻度盘上直接读出 用洛氏硬度计可以测量从软到硬的各种不同材料, 这是因为它采用了不同的压头和载荷, 组成各种不同的洛氏硬度标尺, 如 HRA HRB HRC 等 一般生产中以 HRC( 用 120 金刚石圆锥体作压头, 载荷为 1500 N) 用得最多, 硬度值的表示方法与布氏硬度的相同, 硬度值的有效范围为 20~70 HRC 洛氏硬度的优点 : 测量简单 迅速, 并可测薄的试样和硬的材料, 但不如用布氏硬度法准确 当 HBS>220 时,HRC/HBS 1/10 硬度也是材料重要的力学性能指标, 硬度和强度一样, 都反映了材料对塑性变形的抗力 硬度试验方法较简单, 又不损坏零件, 故在生产实践中往往通过测定材料的硬度来估算其强度指标 硬度还影响到材料的耐磨性, 在一般情况下, 硬度高时其耐磨性能也较好 4. 冲击韧性 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性 不少机器零件, 如冲床的连杆 锻锤的锤头 火车挂钩 冲模等, 在工作时要承受冲击载荷, 如果仍用静载荷作用下的指标来进行设计计算, 就不能保证这些零件在工作时的安全性, 故此必须同时考虑材料的韧性 目前工程上通常采用摆锤冲击试验来测量材料的冲击韧性, 其原理如图 1.4 所示

14 第 1 章金属材料的基本知识 5 (a) 冲击试样 (b) 冲击试验机 图 1.4 摆锤冲击试验示意图 先将被测材料制成一定形状和尺寸的试样, 安放在冲击试验机上, 把具有一定重量的摆锤提到 h 1 高度, 此时摆锤的位能为 gh 1, 然后让其自由下落, 冲断试样, 冲断试样后摆锤的剩余能量为 gh 2, 摆锤冲断试样所消耗的位能称为冲击吸收功, 用符号 A KV 表示, 单位为 J, 即 A KV =g(h 2 -h 1 ) A KV 值越大, 材料的韧性越好, 但影响 A KV 值的因素很多, 因此 A KV 只作为设计选材时的参考 5. 疲劳强度 疲劳强度是指金属材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力 交变载荷或重复应力使金属材料在远低于其屈服点时即发生断裂, 因此具有很大的危险性, 常造成严重事故 零件失效形式中, 约有 80%~90% 是由于疲劳断裂而造成的 为了防止疲劳断裂的产生, 必须设法提高零件的疲劳强度 疲劳强度除与选用材料的本性有关外, 还可以通过以下三种方法提高零件的疲劳强度 (1) 在零件结构设计方面尽量避免尖角 缺口和截面突变, 以免应力集中及由此引起的疲劳裂纹 (2) 降低零件的表面粗糙度, 提高表面加工质量 (3) 采用各种表面强化处理等 金属材料的工艺性能 工艺性能是指金属材料适应加工工艺要求的能力 按照工艺方法的不同, 有铸造性能

15 6 金属工艺学 锻压性能 焊接性能 切削性能等 它们往往是由材料的物理性能 化学性能 力学性能综合决定的 例如灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能, 但其塑性较差, 不能进行锻压, 焊接性能也较差, 因而常用来铸造形状复杂的铸件 1.2 金属的晶体结构 不同的材料具有不同的性能, 即使是同一种材料, 在不同的结晶条件和热处理条件下也会具有不同的力学性能, 这主要是因为其内部的晶体结构不同 因此要了解金属材料的性能与应用, 就要了解这方面的知识 晶体结构的基本概念 1. 晶体和非晶体根据原子排列的特征, 固态物质可分为晶体和非晶体两类 内部原子做无规则排列的物质称为非晶体, 如普通玻璃 松香 塑料等 内部原子按一定几何形式有规则排列的物质称为晶体, 如金刚石 石墨等 绝大多数固态金属及合金都是晶体 2. 晶格和晶胞为了研究原子的排列规律, 可以把晶体中的每个原子假想为近似静态的刚性小球 这样, 晶体就可看成是由许多刚性小球按一定几何规则排列起来的 如图 1.5a 所示 为了清楚地表明原子在空间排列的规律性, 常常将构成晶体的实际质点 ( 原子 离子或分子 ) 忽略, 而将它们抽象为纯粹的几何点, 称之为阵点或结点 这些阵点可以是原子或分子的中心, 也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心, 各个阵点的周围环境都相同 为了观察方便, 做许多平行的直线将这些阵点连接起来, 构成一个三维的空间格架, 如图 1.5b 所示, 这种描述晶体中原子 ( 离子或分子 ) 排列规律的空间格架称为空间点阵, 简称为点阵或晶格 由于晶格中原子的排列具有周期性的特点, 因此, 为了简便起见, 可以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元, 来分析晶体中原子的排列规律性, 这个最小的几何单元称为晶胞 ( 见图 1.5c) 晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度( 称为晶格常数 ) a b c, 来表示晶胞的大小

16 第 1 章金属材料的基本知识 7 (a) 原子排列模型 (b) 晶格 (c) 晶胞 图 1.5 简单立方晶体结构示意图 常见的金属晶体结构 常见的晶体立方结构有体心立方晶格 面心立方晶格和密排六方晶格三种类型 (1) 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个正立方体, 其晶格常数 a=b=c, 在立方体的八个顶角和立方体的中心各排列一个原子, 如图 1.6 所示 具有这类晶格形式的金属有 α-fe 钒 铬 钼 钨等 图 1.6 体心立方晶格晶胞示意图 (2) 面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个正立方体, 其晶格常数 a=b=c, 在立方体的八个顶角和立方体的六个面的中心各有一个金属原子, 如图 1.7 所示 具有这类晶格形式的金属有 γ-fe 铝 镍 铜 铅等 图 1.7 面心立方晶格晶胞示意图 (3) 密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体, 其晶格常数常用正六边形底面边长 a 和上下两底面间距离 c 来表示, 如图 1.8 所示 具有这类晶格形式的金属有铍 镁 钛 锌等

17 8 金属工艺学 图 1.8 密排六方晶胞示意图 金属实际晶体结构 如果整块晶体内部的原子的晶向完全一致, 即由一个晶粒组成, 则称这样的晶体为单晶体 理想的金属单晶体在自然界几乎是不存在的, 现在用人工的方法可以制造某些金属的单晶体, 如锗单晶 硅单晶 实际金属是由许多外形不规则的晶粒组成, 所以是多晶体 由于多晶体中各个晶粒内部的晶格形式是相同的, 只是晶格位向不同, 因而各晶粒的各向异性互相抵消, 使得多晶体在宏观上并不表现出各向异性 合金的晶体结构 1. 基本概念 (1) 合金 合金是由两种或两种以上的金属元素 ( 或金属与非金属 ) 组成的具有金属特性的新物质 (2) 组元 组成合金的最基本的独立的物质称为组元 (3) 合金系统由给定组元按不同比例可配制出一系列成分不同的合金, 这一系列合金构成一个合金系统, 简称为合金系 (4) 相 在纯金属或合金中, 具有相同成分 相同结构, 并与其他部分有界面分开的均匀组成部分 (5) 组织 用金相分析方法, 在金属及合金内部看到的有关晶体或晶粒的大小 方向 形状 排列情况等组成关系的构造情况 2. 合金的结构 不同的相具有不同的晶体结构, 虽然相的种类极为繁多, 但根据相的晶体结构特点可以分为两大类 (1) 固溶体 合金的组元之间以不同的比例相互混合, 混合后形成的固体的晶体结构与组成合金的某一组元的相同, 这种相称为固溶体, 这种组元称为溶剂, 其他组元称为溶质

18 第 1 章金属材料的基本知识 9 (2) 金属化合物 在合金系中, 组元间发生相互作用, 除彼此形成固溶体外, 还可能形成一种具有金属性质的新相, 即为金属化合物 金属化合物具有它自己独特的晶体结构和性质, 而与各组元的晶体结构和性质不同, 一般可以用分子式来大致表示其组成 结晶的概念 1.3 纯金属的结晶 物质由液体状态冷却转变为固体状态的过程称为凝固 由于凝固后的固态金属通常是晶体, 所以又将这一转变称之为结晶 纯金属的结晶是在一个恒定的温度下进行的 金属在极缓慢的冷却条件下 ( 平衡条件下 ) 测得的结晶温度称为理论结晶温度, 用 t 0 表示 在实际生产中, 金属结晶时的冷却速度并不是极缓慢的, 这时测得的结晶温度称为实际结晶温度, 用 t n 表示 (1) 纯金属结晶的冷却曲线冷却曲线是用来描述金属结晶的冷却过程的, 它可以用热分析法测量绘制 具体步骤 : 首先将金属融化, 然后以缓慢的速度进行冷却 ; 在冷却过程中, 每隔一定的时间记录其温度 ; 以温度为纵坐标, 时间为横坐标, 将实验记录的数据绘制成温度 - 时间的关系曲线, 如图 1.9 所示, 该曲线即为该金属的结晶的冷却曲线 t n t 0 Δt 图 1.9 纯金属结晶的冷却曲线 由冷却曲线可见, 开始时为液体状态, 温度随时间下降 ; 之后出现水平线, 这是由于液体金属进行结晶时, 内部放出的结晶潜热补偿了它向环境散失的热量, 从而使温度保持

19 10 金属工艺学 不变 ; 随后温度又随时间下降至室温 (2) 结晶的过冷现象从图 1.9 中可以看到, 金属是冷却至 t n 时才开始结晶的 金属的实际结晶温度 t n 低于理论结晶温度 t 0 的现象, 称为过冷现象 理论结晶温度 t 0 与实际结晶温度之差 (t 0 - t n ) 称为过冷度, 用 Δt 表示 实验表明, 金属只有在低于理论结晶温度的条件下才能结晶 对同一金属来说,Δt 不是恒定值, 它与冷却速度有关 冷却速度越大, 实际结晶温度越低, 过冷度越大 ; 反之, 过冷度越小, 实际结晶温度就越接近理论结晶温度 结晶的基本过程 从纯金属的冷却曲线可以看出, 金属结晶需要一定时间 在这段时间内, 液态金属转变为晶体, 此过程称为结晶过程 该过程又分为晶核的形成和长大两个基本过程 (1) 晶核的形成 在从高温冷却到低温的过程中, 原子的活动能力逐渐减小, 原子的结合力逐渐增大 当液态金属温度下降到实际结晶温度时, 在某些局部微小的体积内, 原子自发地聚集在一起, 并按金属晶体的固有规律排列成有规则的原子集合体, 形成结晶的核心, 称为晶核 此外, 若液态金属中存在外来的固态杂质微粒, 也可以成为晶核, 起到结晶核心的作用 (2) 晶核的长大 晶核形成后, 它可以吸附周围液体中的原子, 即周围原子按一定的几何形式不断地向晶核聚集, 使晶核不断长大 与此同时, 其他部位的液态金属中又产生新的晶核并长大 晶核的形成和长大两过程同时反复进行, 直到全部液态金属转变为固体, 结晶过程终止 1.4 铁碳合金 铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料 不同成分的铁碳合金, 在不同温度下, 具有不同的组织, 因而表现出不同的性能 纯铁的同素异构转变 纯铁具有同素异构转变, 可以形成体心立方和面心立方两种晶格的同素异晶体 纯铁的熔点为 1538, 冷至熔点以下时, 出现体心立方结构的 δ-fe 当温度下降到 1394 时, 体心立方的 δ-fe 转变为面心立方结构, 称为 γ-fe 在 912 时,γ-Fe 又变为体心立方结构, 称为 α-fe 再继续冷却时, 晶格类型不发生变化 由于纯铁具有这种同素异构转变, 因而才有可能对钢和铸铁进行各种热处理, 以改变其组织和性能

20 第 1 章金属材料的基本知识 铁碳合金的基本组织 在铁碳合金中, 铁和碳互相结合的方式是 : 在液态时, 铁和碳可以无限互溶 ; 在固态时, 碳可溶于铁中形成固溶体 ; 当碳含量超过固态溶解度时, 则出现化合物 此外, 还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物 现将在固态下出现的几种基本组织分述如下 (1) 铁素体 碳溶解在 α 铁中形成的固溶体叫做铁素体, 通常用 F 表示 它仍保持 α 铁的体心立方结构 α 铁溶解碳的能力很小, 随温度的不同而不同 在 600 时的溶解度仅有 0.008%, 在 727 时溶解度最大达 % 铁素体含碳量很少, 与纯铁相似, 韧性很好, 延伸率 δ=45%~50%; 强度和硬度均不高,σ b 250 MPa,HB=80 在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒 (2) 奥氏体 碳溶解在 γ 铁中形成的固溶体叫做奥氏体 通常用 A 表示 它仍保持 γ 铁的面心立方结构 γ 铁溶解碳的能力比 α 铁大, 在 1148 时溶解度最大达 2.11% 温度降低时, 溶解度也降低, 在 727 时, 溶解度为 0.77% 稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度是 727 奥氏体的硬度不是很高(HB=160~ 200), 塑性很好, 是绝大多数钢种在高温进行压力加工时所要求的组织 在显微镜下观察, 奥氏体晶粒呈多边形, 晶界较铁素体平直 (3) 渗碳体 铁与碳形成稳定的化合物 Fe 3 C 叫渗碳体 它的碳含量为 6.69%, 具有复杂的晶格形式, 与铁的晶格截然不同, 故其性能与铁素体差别很大 渗碳体的硬度很高 (HB>800), 而塑性极差, 几乎为零, 是一个硬而脆的组织 渗碳体在钢中与其他组织共存时其形态可能呈片状 网状或粒状等, 由于它在钢中分布的形态的不同, 对机械性能有很大的影响 渗碳体在一定条件下可以分解成铁和石墨, 这在铸铁中有重要的意义 (4) 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物叫做珠光体. 通常用 P 表示 由于珠光体是由硬的珠光体片和软的铁素体片相间组成的混合物, 故机械性能介于渗碳体和铁素体之间 它的强度较好 (σ b 75 0MPa),HB 约为 180 (5) 莱氏体 由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物叫做莱氏体, 用 L e 表示 它只在高温 (727 以上 ) 存在 在 727 以下时, 莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物, 用 L e ' 表示 莱氏体的机械性能和渗碳体相似, 硬度很高 (HB>700), 塑性极差 铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是用实验数据绘制而成的 通过实验, 对一系列不同含碳量的合金进行热分析, 测出其在缓慢冷却过程中熔液的结晶温度和固态组织的转变温度, 并标入温度 - 含碳量坐标图中 然后再把相应的温度转折点连接成线, 就成为铁碳合金状态图 图 1.10 为简化的铁碳合金状态图, 略去了 δ 铁的转变和铁素体的成分变化 此外, 因为大于 6.69%C 的铁碳合金, 在工业上没有实用意义, 所以铁碳合金相图实际上是 Fe-Fe 3 C 状

21 12 金属工艺学 态图 D 温度 t/ 图 1.10 铁碳合金状态图 从铁碳合金相图中可以了解到含碳量 温度和结晶组织之间的关系 它是研究铁碳合金和制定热加工工艺的重要工具 1. 铁碳合金状态图中点和线的意义 (1)ACD 液态线 合金熔液冷却到此线时开始结晶, 此线以上为液态区 (2)AECF 固态线 合金熔液冷却到此线时结晶完毕, 此线以下为固态区 (3)GS 代号 A 3 奥氏体冷却到此线时, 开始析出铁素体, 使奥氏体的含碳量沿此线向 0.77% 递增 (4)ES 代号 A cm 奥氏体冷却到此线时, 开始析出二次渗碳体, 使奥氏体的含碳量沿此线向 0.77% 递减 (5)PSK 共析线, 代号 A 1 各种成分的合金冷却到此线时, 其中奥氏体的含碳量都达到 0.77% 并分解成为珠光体 (6)S 共析点 含碳量 0.77% 的奥氏体冷却到此点时, 在恒温下分解成为渗碳体与铁素体所组成的混合物, 即珠光体 (7)C 共晶点 含碳量 4.3% 的合金熔液冷却到此点时, 在恒温下结晶成为奥氏体与渗碳体所组成的混合物, 即莱氏体 2. 缓慢冷却过程中不同成分铁碳合金组织的转变 铁碳合金状态图中, 含碳量低于 2.11% 的部分属于钢,2.11%~6.69%C 的部分属于铸铁

22 第 1 章金属材料的基本知识 13 (1) 钢的组织转变任何一种成分的钢液冷却到 AC 线时, 就开始结晶出奥氏体 随温度的下降, 奥氏体不断增加, 钢液逐渐减少 当冷却到 AE 线时, 结晶完毕, 全部成为均匀的奥氏体 由此可见, 不同成分的钢液是在不同的温度范围里凝固的 在 AC 线至 AE 线的温度区间内, 同时存在熔液和奥氏体 在 AE 线至 GSE 线的温度区间, 含碳量不同的奥氏体并不发生组织变化 当冷却到 GSE 线时, 根据奥氏体的含碳量的不同才分别发生两种不同的组织转变 1 共析钢的组织转变奥氏体的含碳量为 0.77%, 当冷却到 S 点时, 就全部转变为珠光体 这种组织的钢, 其显微组织如图 1.11 所示 2 亚共析钢的组织转变奥氏体的合碳量低于 0.77%, 当冷却到 GS 线时, 开始先析出铁素体 随着温度下降, 铁素体不断增加, 奥氏体逐渐减少 当冷却到 PS 线时, 铁素体析出完毕, 剩余的奥氏体含碳量变为 0.77%, 就转变为珠光体 因此 GS 线与 PS 线之间的结晶组织是铁素体和奥氏体,PS 线以下的结晶组织是铁素体和珠光体 这种组织的钢称为亚共析钢, 其显微组织如图 1.12 所示 图 1.11 共析钢的显微组织 图 1.12 亚共析钢的显微组织 3 过共析钢的组织转变奥氏体的含碳量为 0.77%~2.11%, 当冷却到 ES 线时, 开始先析出二次渗碳体 随着温度下降, 二次渗碳体不断增加, 奥氏体逐渐减少 当冷却到 Se 线时, 二次渗碳体析出完毕 ; 剩余的奥氏体含碳量变为 0.77%, 就转变为珠光体 因此,ES 线与 Se 线之间的结晶组织是二次渗碳体和奥氏体,S e 线以下的结晶组织是二次渗碳体和珠光体 这种组织的钢称为过共析钢, 其显微组织如图 1.13 所示 (2) 铁碳合金状态图中的铸铁组织在铁碳合金状态图中, 铸铁的结晶组织有三种 : 1 亚共晶铸铁 含碳量为 2.11%~4.3%, 结晶组织为珠光体 二次渗碳体和莱氏体 2 共晶铸铁 含碳量为 4.3%, 结晶组织为莱氏体 3 过共晶铸铁 含碳量为 4.3%~6.69%, 结晶组织为一次渗碳体和莱氏体

23 14 金属工艺学 铸铁组织的特点是都含有莱氏体 在 ECF 线与 ek 线之间的莱氏体是奥氏体与渗碳体组成的混合物 ; 在 ek 线以下的莱氏体是珠光体与渗碳体组成的混合物 由于莱氏体中渗碳体占大多数, 而且连成一片, 奥氏体或珠光体则孤立地分布在渗碳体中, 如图 1.14 所示, 莱氏体的性能基本上与渗碳体相同, 因此上述的三种不同组织的铸铁都是很硬很脆的, 在生产上把这三种铸铁统称为白口铸铁 在 727 以上的白口铸铁组织是由奥氏体和渗碳体组成,727 以下的白口铸铁组织是由珠光体和渗碳体组成 图 1.13 过共析钢显微组织 图 1.14 莱氏体的显微组织 3. 钢的含碳量对机械性能的影响 低碳钢的强度和硬度较低, 而塑性和韧性则很高 原因是低碳钢的结晶组织大多数是铁素体 随着含碳量的增加, 铁素体逐渐减少, 而珠光体则不断增加, 因此钢的塑性和韧性急剧下降, 而强度和硬度则直线上升 当含碳量增加到 0.9% 时, 钢的组织绝大多数是珠光体, 并由尚未成为网状的微量二次渗碳体所强化, 使得钢的强度达到了最高值 随着含碳量的增加, 网状的二次渗碳体也不断增加, 钢的硬度继续上升, 强度 塑性与韧性则一起下降 这不仅会使得钢的使用性能不佳, 而且锻压加工也较为困难 所以常用碳素钢的含碳量不超过 1.4% 1.5 钢的热处理 钢的热处理, 是将钢在固态下进行加热 保温和冷却, 改变其内部组织, 从而获得所需要性能的一种金属加工工艺 热处理能有效地改善钢的组织, 提高其力学性能并延长其使用寿命, 是钢铁材料重要的强化手段 机械工业中的钢铁制品, 几乎都要进行不同的热处理才能保证其性能和使用要求 所有的量具 模具 刃具和轴承,70%~80% 的汽车零件和拖拉机零件,60%~70% 的机床零件, 都必须进行各种专门的热处理, 才能合理地加工和使用 热处理按目的 加热条件和特点不同, 分为以下三类

24 第 1 章金属材料的基本知识 15 (1) 整体热处理 特点是对工件整体进行穿透加热 常用的方法有 : 退火 正火 淬火和回火 (2) 表面热处理 特点是对工件表层进行热处理, 以改变表层组织和性能 常用的方法有 : 火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火 (3) 化学热处理 特点是改变工件表层的化学成分 组织和性能 常用的方法有 : 渗碳 渗氮 碳氮共渗等 钢的热处理的基本原理 1. 钢在加热时的组织转变 由 Fe-Fe 3 C 相图可知, 钢通过缓慢加热, 到一定温度后可转变为单相的奥氏体组织, 共析钢 亚共析钢和过共析钢的转变温度, 分别为 A 1 A 3 A cm 实际生产时加热和冷却不可能无限缓慢, 因而其组织转变的温度也就会有相应的变化 通常把实际加热时的转变温度用 Ac 1 Ac 3 Ac cm 表示, 而实际冷却时的转变温度用 Ar 1 Ar 3 Ar cm 表示 将共析钢加热到 Ac 1 时, 便发生珠光体向奥氏体的转变 由于铁素体的含碳量很少, 而渗碳体的碳量又很高, 所以奥氏体总是在铁素体与渗碳体交界面上成核 一方面形成了的奥氏体晶核不断合并其相邻的铁素体, 另一方面渗碳体不断溶解于奥氏体中, 以供给碳分, 这样, 奥氏体晶粒就逐渐增多和长大以至珠光体全部转变为奥氏体 当亚共析钢加热至 Ac 1 以上时, 珠光体转变为奥氏体, 此时的组织为奥氏体和铁素体 若继续升温, 铁素体也逐渐转变为奥氏体, 在温度超过 Ac 3 时, 铁素体完全消失, 全部组织为细而均匀的单一奥氏体 过共析钢的加热转变与上述情况相似, 只是在 Ac 1 至 Ac cm 的升温过程中, 是二次渗碳体逐渐溶入奥氏体中 超过 Ac cm 时, 全部组织为奥氏体, 但其晶粒已经长大粗化 2. 钢在冷却时的组织转变 钢加热奥氏体化后, 再进行冷却, 奥氏体将发生变化 因冷却条件不同, 转变产物的组织结构也不同, 性能也会有显著的差异 所以, 冷却过程是热处理的关键工序, 决定着钢在热处理后的组织和性能 热处理的冷却方式有两种 : 一种是将奥氏体迅速冷至 A 1 以下某个温度, 等温停留一段时间, 再继续冷却, 通常称之为 等温冷却 ; 另一种是将奥氏体以一定的冷却速度冷却, 如油冷 水冷 空冷 炉冷等, 称之为 连续冷却 共析钢过冷奥氏体等温转变的产物大致可分为以下 3 个类型 (1) 高温转变产物 共析钢奥氏体过冷到 A 1 线至 550 之间等温转变的产物属于珠光体型组织, 都是由铁素体和渗碳体的层片所组成的机械混合物 过冷度越大, 层片越薄,

25 16 金属工艺学 硬度也越高 过冷到 A 1 至 650 之间转变而得到的组织为珠光体 ; 过冷到 650 ~600 之间转变而得到的为索氏体, 又叫做细珠光体 ; 过冷到 600 ~550 之间转变而得到的为屈氏体, 又叫做极细珠光体 (2) 中间转变产物 共析钢奥氏体过冷到 550 ~230 之间等温转变的产物属于贝氏体型组织, 是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成 贝氏体比珠光体的硬度更高 过冷到 550 ~350 之间转变而得到的组织为上贝氏体 ; 过冷到 350 ~230 之间转变而得到的为下贝氏体 下贝氏体较上贝氏体有较高的强度和硬度, 塑性和韧性也较好 (3) 低温转变产物 共析钢奥氏体过冷到 230 以下陆续转变成为马氏体 它实质上是过饱和的 α 固溶体, 马氏体是一种不稳定的组织, 它有很高的硬度 (HB=600~650), 但塑性 韧性几乎等于零 共析钢奥氏体过冷到 230 (M s ) 时, 开始转变为马氏体, 随着温度下降, 马氏体逐渐增多, 过冷奥氏体不断减少, 直至 M f 时, 过冷奥氏体才全部转变成马氏体 所以 M s 与 M f 之间的组织为马氏体和残余奥氏体 钢的退火与正火 1. 退火 退火的工艺特点是将工件加热 保温后, 随炉缓慢冷却 退火的主要目的是 : 提高钢的塑性, 便于成型加工 ; 降低钢的硬度, 便于切削加工 ; 细化晶粒, 均匀组织, 改善钢的机械性能 ; 消除工件加热后的内应力 根据不同的工件和退火目的, 应用不同的退火方法 常用的退火方法如下 (1) 完全退火 完全退火主要用于亚共析钢 加热温度为 Ac ~30 ; 保温时使钢的原来组织全部成为单一均匀的奥氏体 ; 然后随炉缓冷, 使奥氏体充分转变成为正常的铁素体和珠光体 (2) 球化退火 球化退火主要用于过共析钢 加热温度为 Ac ~30 保温后, 以极慢的冷却速度通过 A 1, 使珠光体中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状 因此, 球化退火后的结晶组织是以铁素体为基体, 分布着细小的渗碳体颗粒 这种组织, 使过共析钢达到较低的硬度和较大的韧性 (3) 去应力退火 去应力退火的加热温度为 500 ~650 经适当保温后, 随炉缓冷到 200 ~300 以下, 最后出炉在空气中冷却 由此可见, 去应力退火是在 A 1 以下进行的, 组织并未发生变化 ; 主要的作用是在缓慢冷却的过程中, 使工件各部分均匀冷却和收缩, 这样就不会产生内应力了

26 第 1 章金属材料的基本知识 正火 正火是把工件加热到 Ac 3 或 Ac cm 以上 30 ~50, 经适当的保温后, 出炉在空气中冷却 正火比退火的生产周期短, 耗热量少, 而且空冷操作简便, 不占用加热炉 因此, 正火的应用较广 正火的主要目的如下 (1) 提高机械性能 正火的冷却速度比退火快, 细化晶粒的效果较好, 能得到片层间距较小的珠光体组织 因此, 正火后能提高工件的机械性能 很多小负荷 低转速的一般零件如某些螺钉 螺栓 小轴等, 都可在正火状态下使用 (2) 改善切削性能 实践证明, 工件的硬度在 HB = l70~230 时, 对切削加工最为有利 一般来讲, 为了达到适度的加工硬度, 低中碳钢应采用正火, 高碳钢则应采用退火 (3) 为淬火做组织准备 因为粗大晶粒的工件在淬火时容易开裂, 所以正火常用作淬火的预先热处理 对于过共析钢正火能减少二次渗碳体的析出, 并使其不形成连续的网状结构, 有利于缩短过共析钢的球化退火过程 经过正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性, 淬火时就不易开裂 用于生产过共析钢工具的工艺路线举例如下 : 锻造正火球化退火切削加工淬火 回火磨削 钢的淬火与回火 1. 淬火 淬火的工艺特点是将工件加热 保温后, 进行快速冷却 淬火的主要目的是提高钢的硬度, 增加工件的耐磨性 亚共析钢淬火的加热温度是 Ac ~50, 这时钢的组织全部为奥氏体 淬火通过 A 3 和 A 1 时, 由于冷却速度太快, 奥氏体既析不出铁素体, 又不能发生共析转变 到低温时, 组成奥氏体的 γ 铁已迅速转变成 α 铁, 但是原奥氏体中的碳则全部保留在 α 铁中, 成为过饱和的 α 固镕体, 即马氏体 马氏体的硬度可达 HRC65 过共析钢淬火的加热温度是 Ac ~60, 这时钢的组织是奥氏体和渗碳体, 淬火后的组织是马氏体和渗碳体 因为渗碳体的硬度高于马氏体, 所以保留这些渗碳体有利于提高工件的硬度和耐磨性 冷却速度是淬火工艺的关键 如果冷却速度不够快, 则奥氏体会发生分解而得不到马氏体 ; 如果冷却速度太快, 对于某些钢材和工件又容易淬裂 一种正好能获得全部马氏体所必需的最低冷却速度, 称为临界冷却速度 淬火的临界冷却速度随钢种不同而异 合金钢的临界冷却速度较低, 可以在油中淬火以防淬裂 ; 高碳钢的临界冷却速度较高, 需在水中淬火 ; 低碳钢的临界冷却速度太高, 一般无法淬硬

27 18 金属工艺学 2. 回火 把马氏体组织的淬火钢重新加热到 Ac 1 以下一定的温度, 经适当的保温后冷却, 这种热处理过程称为回火 回火的目的是 : 降低淬火钢的脆性 调整内应力和稳定淬火钢的结晶组织, 以获得不同要求的机械性能 因此, 工件淬火之后, 都要及时进行回火 要获得预计的性能, 回火温度是关键 回火的分类如下 (1) 低温回火 低温回火的加热温度是 150 ~250, 回火后的主要组织是回火马氏体, 硬度可达 HRC55~62 低温回火能使工件保持高的硬度和耐磨性, 常用于各类高碳钢的刀具 模具 量具和滚动轴承等 (2) 中温回火 中温回火的加热温度是 350 ~500 回火后的组织是极细的渗碳体与铁素体的混合物, 硬度可达 HRC35~45, 并有较高的弹性和屈服强度 因此, 中温回火常用于各种弹簧以及强度要求较高的零件, 如刀杆 轴套等 (3) 高温回火 高温回火的加热温度是 500 ~650 回火后的组织是细粒渗碳体与铁素体的混合物, 硬度可达 HRC23~35, 并具有适当的强度与较高的塑性 韧性相配合的综合机械性能 淬火后高温回火的过热处理称为调质处理, 常用于受力情况复杂的重要零件, 如各种轴类 齿轮 连杆等 表面淬火 表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度, 而中心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法 它是通过快速加热使钢件表面层很快达到淬火温度, 在热量来不及传到中心时就立即迅速冷却, 实现局部淬火 表面淬火的目的在于获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布, 以提高工件的耐磨性或疲劳强度 表面淬火可采用的快速加热方法颇多, 有电感应 火焰 电接触 浴炉 电解液 脉冲能量等加热方法 我国目前应用较多的是电感应加热法和火焰加热法 (1) 感应加热表面淬火法就是在一个感应圈中通过一定频率的交流电 ( 有高频 中频 工频三种 ), 在感应周围就产生一个频率相同的交变磁场 将工件置于磁场之中, 它就会产生与感应圈频率相同 方向相反的封闭的感应电流, 这个电流叫做涡流 涡流主要集中在工件表面, 而且频率越高, 电流集中的表面层越薄 由于电能变成热能, 工件表面的很薄一层被迅速加热到淬火温度, 如立即喷水冷却, 即可达到表面淬火的目的 1 高频感应加热表面淬火法应用最广 目前我国仍以电子管式高频发生装置为最常见, 频率为 200~300 khz, 加热极快, 通常只有几秒到几十秒 主要用于要求淬硬层较薄的中 小型零件, 如齿轮 轴类等 淬硬层厚度一般为 0.5~2 mm 2 中频感应加热表面淬火法通常用于要求具有较深的淬硬层的工件, 如尺寸较大的

28 第 1 章金属材料的基本知识 19 凸轮轴 曲轴等 中频发生装置一般为发电机式或可控硅变频器, 频率范围为 500~ Hz, 淬硬层可达 2~8 mm 3 工频感应加热表面淬火法是以工频 (50 Hz) 电流进行感应加热的, 不需变频设备 它适于淬透层深度要求在 8~10 mm 以上的工件或用作穿透加热 (2) 火焰加热表面淬火法是将氧 - 乙炔火焰喷向工件表面, 使它迅速加热到淬火温度 ( 升温速度 >1000 /min), 然后进行喷冷或浸冷, 即达到表面淬火的目的 火焰加热表面淬火法易于处理异型 大型或特大型工件, 淬透层深度一般为 3~6 mm; 所需设备比较简单, 适用于各种类型的生产方式 ; 但是容易过热, 淬火效果不稳定 化学热处理 化学热处理是把工件放在一定的介质中加热和保温, 使介质中的活性原子渗入工件表层, 改变表层化学成分和组织, 从而达到使工件表面具有某些特殊的机械性能或物理化学性能的一种热处理工艺 化学热处理的种类很多, 由于渗入元素不同, 工件表面具有的性能也不同, 例如渗碳的目的在于使表面获得高硬度和耐磨性, 而心部仍保持一定强度和较高的塑性与韧性 现以气体渗碳为例, 简介其工艺如下 : 将钢件放入密封很好的渗碳炉中, 通入气体渗碳剂 ( 如煤油 ), 加热到 900 ~950, 保温一段时间, 使工件表面层增碳后再进行淬火加低温回火 气体渗碳时分为三个阶段 (1) 渗碳剂在 900 ~950 的高温下分解出活性炭原子 ; (2) 活性炭原子被工件表面吸收, 溶入表层的奥氏体中 ; (3) 在高温下, 溶解在奥氏体中的碳原子由表面不断向深处扩散 扩散层所达到的深度叫做渗碳层厚度 在一定的渗碳温度下, 加热时间愈长, 渗碳层愈厚 根据零件要求的不同, 渗碳层的厚度一般在 0.5~2 mm 之间 1.6 常用的金属材料 本节将介绍工程中常用的金属材料和其分类 牌号 化学成分 力学性能和应用范围 碳钢 碳钢是指含碳量小于 2.11% 的铁碳合金 在生产中使用的碳钢, 实际碳含量都不大于 1.4%, 因为随着含碳量增大, 组织中渗碳体增多, 塑性 韧性降低, 脆性增大而强度降低,

29 20 金属工艺学 难于加工成型, 没有实用意义 碳钢冶炼方便, 原料广泛, 生产成本较低而性能可满足一般工程使用要求, 是最广泛的金属材料 1. 碳钢中的常见杂质元素及其作用 碳钢中除铁以外的主要元素是碳, 其他常见的杂质元素有硅 锰 硫 磷等, 还有熔炼中夹杂进入的氧 氢 氮等元素 (1) 硅和锰 硅和锰是炼钢后期在脱氧和合金化时, 加入钢液而残留在钢中的, 是有益元素 当含量不多时, 对钢的性能影响不大 (2) 磷和硫 都是钢中的有害元素 磷会形成硬脆化合物 Fe 2 P, 造成 冷脆 ; 硫与铁生成 FeS, 并形成 Fe-FeS 二元低熔点共晶体, 造成 热脆 危害, 严重影响性能, 必须严格控制 通常钢材的质量等级以硫 磷含量的控制来划分 (3) 氧 氢和氮 这三种气体元素也是钢中的有害元素 它们在高温时溶入钢液, 而在固态钢中的溶解度极小, 冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔, 使钢的塑性 韧性和疲劳强度急剧降低, 严重时会造成裂纹 脆断, 是必须严格控制的有害元素 2. 碳钢的分类 牌号和用途 碳钢是应用极为广泛的金属材料, 种类繁多, 为便于生产 选用和储运, 要根据一定的标准将碳钢进行分类 编号 (1) 碳钢的分类碳钢的分类方法很多, 主要有以下几种 1 按碳的含量分类 低碳钢 含碳量 0.08%~0.25%, 塑性好, 多用作冲压 焊接和渗碳工件 中碳钢 含碳量 0.25%~0.60%, 强度和韧性都较高, 热处理后有良好的综合力学性能, 多用作要求良好韧性的各种重要零件 高碳钢 含碳量 0.60%~1.4%, 硬度较高, 多用作工具 模具和量具等工件 2 按质量分类质量划分主要按有害杂质元素硫和磷的含量来分 普通钢 钢中硫含量 0.050%, 磷含量 0.045% 优质钢 钢中硫含量 0.035%, 磷含量 0.035% 高级优质钢 钢中硫含量 0.030%, 磷含量 0.030% 3 按用途分类 碳素结构钢 主要用于建筑 桥梁等工程结构和各种零件 碳素工具钢 主要用于各类刀具 量具和模具, 如丝锥 板牙 刮刀 锯条 冲模等 专用钢 包括锅炉钢 船用钢 易切钢等

30 第 1 章金属材料的基本知识 21 4 按钢液脱氧程度分类 沸腾钢 (F) 沸腾钢脱氧不完全, 组织不致密, 成分不均匀, 性能较差 镇静钢 (Z) 镇静钢脱氧完全, 组织致密, 成分较均匀, 性能较好 优质钢和高级优质钢多为镇静钢, 通常不再标注镇静钢代号 半镇静钢 (b) 半镇静钢脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 (2) 碳钢的牌号 性能及主要用途世界各国都根据国情制定科学而简明的钢铁分类表示方法, 通常都采用 牌号 来具体表示钢的品种 通过牌号 ( 钢号 ) 一般能大致了解钢的类别 成分 冶金质量 性能特点 热处理要求和用途等 1 碳素结构钢碳素结构钢主要用于一般建筑 桥梁等工程结构和机械零件, 以各种热轧板材 带材 棒材和型材供应 通常可在供应状态下直接加工 使用, 不再进行专门的热处理 碳素结构钢的牌号, 由代表屈服点的字母 屈服点的数值 质量等级符号 脱氧方法符号等四个部分组成 牌号有 5 类 20 种, 如 Q235 A F, 其中 Q 为钢材屈服点 屈 字汉语拼音首位字母 ;235 为屈服点数值, 即为 235 MPa( 钢材厚度或直径 16 mm 时 );A 为质量等级符号 ( 分 A B C D 四级,D 级最高 );F 为沸腾钢 不同牌号的碳素结构钢的用途举例如下 : Q195 Q215A Q215B, 常用于薄板 焊接钢管 铁丝 铁钉 屋面板 烟囱等 Q235A Q235B Q235C 和 Q235D, 常用于薄板 中板 钢筋 钢管 铆钉 螺柱 连杆 小轴 法兰 机壳和焊接结构件等 Q255A Q255B Q275, 常用于要求较高强度的拉杆 连杆 键 轴 销钉等 2 碳素工具钢碳素工具钢为含碳量在 0.65%~1.4% 的高碳钢, 用于制造各种低速切削刀具和一般量具 模具 这类钢在使用时, 都应经过淬火再加低温回火热处理, 保证高硬度和良好的耐磨性 碳素工具钢的牌号最前面有汉语拼音字母 T( 碳 的汉语拼音字首 ), 数字表示碳平均含量的千分数, 如 T8 钢, 表示碳平均含量为 0.80% 的碳素工具钢 若是高级优质碳素工具钢, 在牌号末尾加代号 A, 如 T12A 钢, 表示碳平均含量为 1.2% 的高级优质碳素工具钢 碳素工具钢中,T7~T9 钢主要用作受力不大 形状较简单的冲击工具, 如冲头 顶尖 铆钉模 铁锤 剪刀 木工工具等 ;T10~T13 钢主要用作硬而耐磨但不受冲击的工具, 如锉刀 刮刀 钻岩石的钻头 丝锥 钟表工具 医疗外科工具等 碳素工具钢的工作温度较低, 超过 200 时, 硬度和耐磨性急剧降低而丧失工作能力, 所以只能用作各种形状简单而尺寸不大的手工工具 3 铸钢铸钢是指含碳量为 0.15%~0.60% 的铸造碳钢, 其牌号最前面为 ZG( 铸钢 两字汉

31 22 金属工艺学 语拼音字首字母 ) 一般工程用铸钢, 只考虑保证强度, 对化学成分不作要求, 在牌号 ZG 字母后用两组数字表示力学性能 第一组数字表示屈服点, 第二组数字表示抗拉强度, 两组数字之间用 - 分开 如 ZG , 表示是屈服点 200 MPa, 抗拉强度 400 MPa 的铸造碳钢 对于控制化学成分的铸钢, 则在 ZG 后用碳平均含量的万分数数字来表示 如 ZG25, 表示碳含量 0.25% 铸钢一般用作形状较复杂而难于锻压成形, 但对强度 韧性要求又较高的工件, 如齿轮拨叉 大型齿轮 压力机械机座等 铸钢熔铸时的流动性差 收缩大, 碳含量高时还易在凝固时造成应力裂纹 ( 冷裂 ), 因此一般铸钢的含碳量小于 0.6% 合金钢 为了提高钢的使用性能 改善工艺性能, 在碳钢的基础上有意识地加入某些合金元素, 熔合而得到的钢种称为合金钢 虽然碳钢通过增减含碳量和采取不同的热处理方法, 可以改善其性能, 然而现代工业的发展, 对材料的性能提出了更高的要求, 如耐热性 耐蚀性 高磁性和高耐磨性等这些特殊性能往往是碳钢不能适应的 合金钢通过选加不同的合金元素, 就能满足各种性能要求 1. 合金元素的作用及合金钢分类和编号方法 (1) 合金元素的作用合金元素在钢中的主要作用, 归纳为如下几方面 1 提高钢的强度 合金元素一方面能溶入铁素体内强化基体, 另一方面还能形成一些弥散分布的合金碳化物起到弥散强化作用, 同时还能阻碍晶粒生长, 细化晶粒, 使合金钢的强度升高 2 提高钢的淬透性 合金元素溶入奥氏体后, 使奥氏体的稳定性升高, 淬火的临界冷却速度减小, 显著地提高了钢的淬透性 3 满足材料的一些特殊性能如加入合金元素形成单相组织, 在表面形成致密的氧化膜等来形成不锈钢 合金钢中常用的合金元素有锰 硅 钛 镍 钼 钨 钒 钴 铝 稀土等 (2) 合金钢的分类和编号方法合金钢种类繁多, 分类方法也较多, 一般按用途分为三类 : 合金结构钢 合金工具钢和特殊性能钢 合金钢的编号方法, 常用 数字 + 化学元素符号 + 数字 的方法 在牌号首部用数字表明钢的含碳量 为了表明用途, 规定结构钢以万分之一为单位的数字 ( 两位数 ) 工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字 ( 一位数 ) 来表示含碳量 ( 与碳钢编号一样 ), 而工具钢的碳含量超过 1% 时, 碳含量不标出 在表明碳含量的数字之后,

32 第 1 章金属材料的基本知识 23 用元素符号表明钢中的主要合金元素, 含量用其后的数字标明, 平均含量少于 1.5% 时不标出, 平均含量为 1.5%~2.49% 2.5%~3.49%, 时, 相应地标以 2 3 如 : 40Cr 钢为结构钢, 平均含碳量为 0.40%, 主要合金元素为 Cr, 其含量在 1.5% 以下 5CrMnMo 钢为工具钢, 平均含碳量为 0.5%, 含有 Cr Mn Mo 三种主要合金元素, 含量都少于 1.5% CrWMn 钢也是工具钢, 平均含碳量大于 1.0%, 含有 Cr W Mn 合金元素, 含量少于 1.5% 2. 合金结构钢 (1) 低合金结构钢低合金结构钢的含碳量 <0.2%, 含合金元素量 <5%, 一般在 3% 以下 这类钢与含碳量相同的碳素钢相比, 具有较高的强度, 可大幅度减轻结构重量, 节约钢材 ; 并有一定的耐蚀性, 同时保持了较好的塑性 韧性和焊接性等 所以低合金结构钢多用于制造桥梁 车辆 船舶 锅炉 高压容器 油罐 油管等 常用的钢号有 16Mn 15MnMo 14MnNb 等 (2) 合金渗碳钢合金渗碳钢含碳量一般为 0.10%~0.25%, 常加入 Cr Mn Ti B 等合金元素 渗碳钢经过表面渗碳后, 再经过淬火与低温回火可获得 表面硬心部韧 的优良性能 主要用以制造承受强烈摩擦 磨损和冲击载荷的机械零件, 如汽车 拖拉机变速齿轮 内燃机的凸轮 活塞销等 常用的钢号为 20CrMnTi 20Cr 等 (3) 合金调质钢含碳量一般为 0.30%~0.50%, 常加入 Cr Si Mn Ni 等合金元素 调质钢经调质处理后具有良好的综合机械性能, 即强度高, 塑性 韧性好 调质钢广泛用于制造各种重要机器零件, 如齿轮 连杆 轴及螺栓等 常用的钢号有 40Cr 35CrMo 等 (4) 合金弹簧钢一般含碳量为 0.45%~0.75%, 常加入 Si Mn Cr V 等合金元素 弹簧钢经淬火加中温回火后, 具有较高的弹性极限 疲劳强度 屈服强度以及韧性 主要用于制造各种弹簧等弹性零件 常用的合金弹簧钢有 60S62Mn 50CrVA 等 (5) 滚动轴承钢一般含碳量为 0.95%~1.10%,Cr 是基本元素, 含量在 0.10%~1.65%, 目的是提高淬透性 滚动轴承钢主要用来制造各种滚动轴承元件 ( 滚珠 滚柱 滚针 轴承套等 ) 以及其他各种耐磨零件

33 24 金属工艺学 常用的轴承钢为 GCr9 GCr15 等 3. 合金工具钢 合金工具钢应具有高硬度 高红硬性 足够的韧性以及小的变形量等 因此工具钢的含碳量及含合金元素量都较高 (1) 合金刃具钢刃具钢用来制造各种切削刀具, 如车刀 铣刀 铰刀等 按化学成分不同, 刃具钢又分为以下两种 1 低合金刃具钢 含碳量较高, 一般在 0.85%~1.50% 之间, 加入 Si Cr Mn 等合金元素, 保证刀具在 250 ~300 切削时仍保持高的硬度 可用作复杂形状的刀具, 如丝锥 板牙 铰刀等 常用的低合金刃具钢有 9SiCr CrWMn 等 2 高速钢 ( 俗称锋钢 ) 含碳量高, 含有大量的碳化物形成元素, 如 W Mo V Cr 等, 当切削温度高达 600 时, 硬度无明显下降, 仍保持良好的切削性能, 可以进行高速切削 常用的牌号有 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 等 (2) 合金模具钢模具钢按工件条件不同分为冷作模具钢和热作模具钢 1 冷作模具钢主要用于制造冷冲模 冷挤模 拉丝模等 尺寸小的冷作模可采用 9Mn2V CrWMn 等 尺寸较大的可采用 Crl2 Crl2MoV 等 2 热作模具钢主要用于制造热锻模和热压模 常用的热锻模具钢有 5CrMnMo 5CrNiMo 等 (3) 合金量具钢量具钢是用作制造各种测量工具的钢种, 如量规 块规 常用的钢种有 CrMn CrWMn GCrl5 等 4. 特殊性能钢 (1) 不锈钢 不锈钢是指在腐蚀介质中具有抗腐蚀性能的钢 其成分上的特点是低碳, 并加入大量 Cr Ni 等合金元素, 使钢获得单相组织, 具有较高的电极电位, 形成致密氧化膜, 以阻止或减缓化学和电化学腐蚀的进程 不锈钢按组织分类有铁素体型 马氏体型和奥氏体型 典型的铁素体不锈钢是 1Cr17 钢, 单相铁素体组织, 耐腐蚀性能好, 塑性好, 强度低 主要用于制作化工设备的容器 管道等 典型的马氏体不锈钢为 1Crl3 2Crl3 3Cr13 等, 主要用来制作汽轮机叶片 阀体 刀片等 典型的奥氏体不锈钢是 0Crl9Ni9 等的镍铬不锈钢, 室温下具有单相奥氏体组织 它具

34 第 1 章金属材料的基本知识 25 有优良的力学性能 耐蚀性能和良好的冷变形性能, 是目前应用最广的不锈钢 主要用于食品设备 化工设备的零部件 耐酸容器 管道 原子能工业等 (2) 耐热钢耐热钢具有高温抗氧化性, 同时又具有较高的高温强度以提高蠕变抗力 常用的耐热钢有珠光体耐热钢, 典型钢号 15CrMo 12MnMo 等, 用作锅炉材料 过热器管道等 ; 马氏体耐热钢, 典型钢号 1Crl3Mo 4Cr9Si2 等, 多用于制造汽轮机叶片 发动机排气阀等 ; 奥氏体耐热钢, 典型钢号为 0Crl9Ni9, 工作温度可高于 650, 可用于锅炉和汽轮机过热管道 内燃机重负荷排气阀等 (3) 耐磨钢耐磨钢通常指高锰钢, 牌号为 ZGMn13, 它广泛应用于要求既耐磨又耐激烈冲击的一些零件, 如破碎机齿板 大型球磨机衬板 挖掘机铲齿 坦克和拖拉机履带及铁轨道岔 防弹钢板等 铸铁 铸铁是含碳量大于 2.11%, 含杂质比钢多的铁碳合金 铸铁常用的化学成分范围为 : C2.5%~4.0% Si1.0%~3.5% Mn0.5%~1.5% P<0.2% S<0.15%, 其余为 Fe 铸铁具有许多优良的性能, 且生产方法简便, 成本低廉 因此, 目前铸铁仍是最重要的机械结构材料之一, 用于制作机床床身 主轴箱 尾架 减速机箱盖 箱座 内燃机气缸体 缸套 活塞环 凸轮轴 曲轴等零件 在各类机械中, 铸铁件约占机器总重量的 15%~ 90% 根据铸铁中石墨形态的不同, 铸铁分为灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁等 (1) 灰铸铁 碳分主要以片状石墨形式出现的铸铁 ( 图 1.15a), 断口呈灰色 石墨的力学性能极差, 使铸铁的抗拉强度比钢低很多, 伸长率接近于零 铸铁中石墨含量愈多, 愈粗大, 力学性能愈差 但因为石墨存在, 又使铸铁具有一些优点, 如减振性比钢好 ; 石墨能起润滑作用, 提高了耐磨性和切削加工性 ; 有良好的铸造性能, 收缩小, 不易产生铸造缺陷等 另外, 它的熔化过程简单 成本低, 所以是用得最广的铸造合金 (2) 球墨铸铁 铁液经过球化处理, 而不是在凝固后经过热处理, 使石墨大部分或全部呈球状, 少量为团絮状铸铁 ( 图 1.15b) 因石墨呈球状, 基体强度利用率高达 70%~90%, 其抗拉强度 塑性 韧性高, 可与钢相媲美 与钢一样, 通过热处理可进一步提高力学性能 适用于代替钢在静载荷或冲击不大的条件下工作的零件, 如曲轴 凸轮轴等 (3) 可锻铸铁 可锻铸铁是将白口铸铁通过石墨化退火或氧化脱碳处理, 改变其金相组织成分而获得的有一定韧性的铸铁 可锻铸铁中的石墨呈团絮状 ( 图 1.15c), 对金属基体的割裂作用较小, 故其力学性能比灰铸铁好, 适宜制作薄壁 形状复杂的小型铸件 但其工艺复杂, 不少可锻铸铁已逐渐被球墨铸铁代替 可锻铸铁虽有一定的伸长率和冲击韧

35 26 金属工艺学 性, 但实际上是不能锻造成形的 (4) 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是近二十几年来发展起来的一种新型铸铁, 石墨呈蠕虫状 ( 图 1.15d), 它是性能介于球墨铸铁和灰铸铁之间的一种高强度铸铁 图 1.15 铸铁金相组织 1.7 习题与思考题 1. 解释应力和应变 低碳钢拉伸曲线分为哪几个变形阶段? 这些阶段各有什么明显的特征?. 2. 硬度的测量常采用哪几种方法? 3. 解释疲劳破坏及其原因 4. 常见的金属晶体类型有哪几种? 对每种举例说明 5. 合金分为哪两种结构, 各有何特点? 6. 简述金属结晶过程 7. 什么叫同素异晶转变? 以纯铁为例说明 8. 铁碳合金中有哪些基本组织? 哪些是基本相组织? 分析 T10(w c =1.0%) 钢冷却时的组织转变 9. 常用的退火分为哪几种, 各有何特点? 10. 正火的目的是什么? 11. 什么是淬火? 淬火对冷却速度有何要求? 12. 怎样的热处理能得到回火屈氏体? 13. 感应加热表面淬火的原理是什么? 14. 碳中的常有元素是什么? 各起到什么作用? 15. 现有 Q195 Q235 Q255B 三种碳素结构钢, 分别制造铁钉 铆钉和高强销钉, 如何合理选材? 16. 请写出下列合金钢中的碳含量 合金元素含量和主要用途 :40Cr 20CrMnTi Cr12MoV 和 9SiCr 17. 白口铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁和蠕墨铸铁在组织上有何不同?

36 第 2 章铸 造 铸造是熔炼金属 制造铸型, 并将熔融金属浇入铸型, 凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法 多数铸件需要机械加工才能使用, 这类铸件叫做铸造毛坯 ; 也有的不经过机械加工直接装配到机器上即可使用 铸造方法有很多, 常分为砂型铸造和特种铸造两类 砂型铸造即为型砂紧实成型的铸造方法 特种铸造是与砂型铸造不同的其他铸造方法, 如金属型铸造 压力铸造 离心铸造 熔模铸造 陶瓷铸造等 2.1 合金的铸造性能 合金的铸造性能是指氧化性 吸气性 流动性 收缩 偏析等 如果熔化时合金不易氧化, 熔液不易吸收气体 ; 浇注时合金熔液容易充满型腔 ; 凝固时铸件不易产生缩孔, 而且化学成分均匀 ; 冷却时铸件不发生变形和开裂, 这样的铸造合金被认为有良好的铸造性能, 容易铸成完整而优质的铸件 相反, 铸造性能不良的铸造合金, 则容易使铸件产生缺陷 为了保证铸件的质量, 必须增加相应的工艺措施, 因此就会提高铸件的生产成本 合金在铸造过程中表现出来的性能主要有充型能力和收缩性 1. 充型能力 液态金属充满铸型的能力即为充型能力 它影响铸件成型的质量, 充型能力不好, 会导致铸件产生冷隔 浇不足等缺陷 为了获得形状完整 轮廓清晰的铸件, 特别是铸造薄壁复杂的铸件, 除注意选择流动性较好的金属, 如选择共晶合金或接近共晶成分的合金进行浇注外, 在工艺上应注意改善铸型条件, 适当提高浇注温度和浇注速度等来改善液态金属的充型能力, 且铸件的最小壁厚应受到限制 2. 收缩性 铸件在冷凝过程中会产生体积和尺寸缩小的现象 金属的液态收缩和凝固收缩引起的体积缩小, 是导致铸件产生缩孔和缩松的重要原因 金属的固态收缩引起铸件尺寸的缩小,

37 28 金属工艺学 是形成铸造应力的内在因素 一般来说, 具有恒定凝固温度的金属和合金 ( 如共晶凝固 ) 易形成集中缩孔, 合金的凝固温度范围愈宽则愈易形成分散的缩孔, 即缩松 工艺上控制缩孔的方法是使铸件实现顺序凝固, 在铸件最后凝固的部位进行补缩, 实现自下而上的顺序凝固和补缩, 在上部最后凝固的地方放置冒口, 将缩孔移到冒口中去 铸件冷却收缩不均, 固态收缩受阻形成的应力会降低零件的承载能力, 应力较大时, 会导致铸件变形或开裂 工艺上控制铸造应力的主要方法是使铸件实现同时凝固 此外改善型砂 芯砂的退让性, 掌握好落砂的时间, 并合理设计铸件等都能减少铸造应力 对于铸件内的残余应力, 可通过去应力退火加以消除 2.2 砂型铸造 砂型铸造是最基本和应用最广泛的一种铸造方法, 目前使用砂型铸造方法生产的铸件约占铸件总产量的 80% 以上 砂型铸造基本工艺过程如图 2.1 所示 图 2.1 砂型铸造工艺过程 模样与芯盒 按组合形式, 模样分为整体模和分开模, 模样由木材 金属或其他材料制成 木模样具有质轻 价廉和易于加工等优点, 但强度和硬度较低, 易变形和损坏, 常用于单件小批生产 ; 金属模样强度高, 尺寸精确, 表面光洁, 寿命长, 但制造较困难, 生产周期长, 成本高, 常用于机器造型和大批量生产

38 第 2 章铸造 29 芯盒与模样的制造材料相同, 芯盒一般都做成分开的, 以便于制造和取出型芯 模样的外形应与铸件外形相适应, 芯盒的内腔形状应与铸件内腔形状相适应 但模样和芯盒的形状和尺寸不能完全按照零件图样来制造, 还必须考虑 : 在铸件需要切削加工的表面上留出加工余量 ; 铸件在冷凝过程中产生的收缩量 ; 模样和芯盒的垂直部分要有起模斜度等 造型材料 制造铸型或型芯用的材料, 称为造型材料 它由型砂 芯砂 粘结剂和附加物组成 1. 型 ( 芯 ) 砂应具有的主要性能 由于铸件中常见的气孔 砂眼 粘砂 夹砂和裂纹等缺陷都和型 ( 芯 ) 砂有关, 为保证铸件质量, 型 ( 芯 ) 砂应具备下列基本性能 (1) 流动性 流动性是指型 ( 芯 ) 砂在外力或本身重量作用下, 沿模样表面和砂粒间相对移动的能力 流动性不好的型 ( 芯 ) 砂不易造出轮廓完整 清晰而准确的砂型 ( 芯 ) (2) 强度 型 ( 芯 ) 砂制成铸型或型芯后受到外力作用而不易破坏的性能, 称为强度 强度低时, 易使铸件产生砂眼 冲砂等缺陷, 严重时甚至使铸件报废 型 ( 芯 ) 砂的强度随黏土含量和紧实程度的增加而增大 砂的粒度和含水量对强度也有很大的影响 (3) 透气性 紧实后的砂型和型芯, 能使浇注金属液时产生的气体通过和逸走的性能, 称为透气性 透气性差时, 易使铸件产生气孔 透气性与型砂的砂粒形状 粗细和黏土含量的多少有关 当砂粒粗 均匀 黏土含量和紧实度适当时, 透气性较好 (4) 耐火性 型 ( 芯 ) 砂在高温金属液体作用下不软化 不熔融 不粘附于铸件表面的性能, 称为耐火性 耐火性差时, 会使铸件表面粘砂, 形成难于切削加工的硬皮, 严重时甚至使铸件报废 型 ( 芯 ) 砂中石英 (SiO 2 ) 含量高而杂质少时, 其耐火性好 (5) 退让性 型 ( 芯 ) 砂具有随着铸件的凝固及冷却收缩而其体积被压缩的性能, 称为退让性 退让性差的铸件冷却收缩时会受到大的阻力而产生内应力, 严重时甚至使铸件产生裂纹而报废 退让性与型砂的粘结剂有关, 用黏土作粘结剂的型砂, 退让性较差, 为了改善退让性, 可在型 ( 芯 ) 砂中加入少量木屑等附加物, 或采用其他粘结剂 ( 如桐油 树脂等 ) 在浇注过程中, 由于型芯四周被金属液包围, 故要求型芯砂应具有比型砂更好的性能, 同时还必须具有不易吸潮 产生气体少和易于出砂等性能 2. 型 ( 芯 ) 砂的组成及配制过程 (1) 型 ( 芯 ) 砂的组成 1 原砂 是型砂和芯砂的主要组成部分, 其主要成分是 SiO 2 及其他氧化物 砂粒均匀

39 30 金属工艺学 且呈圆形的好, 一般采自山地 沙漠 河滩和海滨 2 粘结剂 其作用是将砂粒互相结合在一起, 使型 ( 芯 ) 砂具有一定的强度和可塑性 粘结剂的种类很多, 常用的有陶 ( 高岭 ) 土 膨润土 油类 合脂 树脂与水玻璃等 3 附加物 为了改善型 ( 芯 ) 砂的某些性能而附加的物质 例如, 加入煤粉可提高耐火性, 加入木屑可改善透气性和退让性等 型砂和芯砂的组成物决定于铸造合金的种类 铸件的大小及结构特征等 (2) 型 ( 芯 ) 砂的制备过程主要包括 : 烘干筛分混砂 ( 先干混后湿混 ) 松砂停放 ( 焖砂 ) 造型与制芯 制造砂型的工艺过程称为造型, 制作型芯的工艺过程称为制芯 造型与制芯是砂型铸造的最基本工序, 通常分成手工造型 ( 芯 ) 和机器造型 ( 芯 ) 两大类 1. 手工造型 手工造型时, 填砂 紧实和起模均用手工进行 其优点是操作灵活 适应性强, 模型成本低 生产准备时间短 ; 但铸件质量较差 生产率低 劳动强度大 ; 适用于单件及小批量生产 根据铸件的形状 大小 使用要求和生产条件的不同, 手工造型主要有下列各种方法 (1) 整体模造型 造型时所用的模型为一整体, 其特点是分型面为平面, 一般用两箱造型, 铸型型腔全部在半个砂型内 ( 如图 2.2 所示 ) 此法造型简单, 且铸件不会产生错箱缺陷 常用于最大截面在端部且为平面的铸件上, 例如联轴节 齿轮坯 轴承和皮带轮等 (2) 挖砂造型 仍用整体模, 但铸件的分型面是曲面或阶梯面, 造型时, 需要挖去阻碍起模的型砂 ( 见图 2.3) 此法费工, 生产率低 常用于单件 小批量生产及分型面不是平面的铸件 图 2.2 整体模造型 图 2.3 挖砂造型 (3) 假箱造型 是将整体模放在预先由木质 金属 石膏或型砂做成的成型底板 ( 胎 ) 上进行造型, 以省去挖砂操作 ( 见图 2.4) 此法常用于成批生产, 可代替挖砂造型法 (4) 分模造型 其特点是将模型沿截面最大处分为两半 造型后, 型腔位于上 下两个半型内 ( 见图 2.5) 在合箱时, 必须使上 下箱对准, 以免发生错箱缺陷 此法常用于

40 第 2 章铸造 31 最大截面在中部 ( 成圆形 ) 的铸件生产, 如水管 箱体 立柱和阀体等 图 2.4 假箱造型 图 2.5 分模造型 (5) 活块造型 将模型上妨碍起模的部分做成活块, 在起模时先起出主体模, 而后从旁侧取出活块 ( 见图 2.6) 此法操作较难, 主要用于有凸台难起模铸件的造型 (6) 三箱造型 砂型由上 中 下三箱构成 当铸件具有两个最大截面 ( 分型面 ), 而其间还有一个小截面 ( 例如槽轮 ) 时, 常用这种方法 ( 见图 2.7) (7) 刮板造型 用特制的刮板来代替模型进行造型的方法称为刮板造型 ( 见图 2.8) 常用于具有回转体或等截面的大 中型铸件的单件小批生产, 例如皮带轮 齿轮坯 飞轮和弯头等 图 2.6 活块造型图 2.7 三箱造型图 2.8 刮板造型 2. 机器造型 现代化铸造车间普遍使用机器造型 它可显著提高劳动生产率, 提高铸件质量, 减少加工余量, 而且改善工人的劳动条件 造型机种类繁多, 其紧砂和起模方式也有所不同, 目前以压缩空气驱动的震压式的造型机最为常用 图 2.9 所示为顶杆起模震压式造型机的工作过程 (1) 填砂 ( 图 2.9a) 打开砂斗门, 向砂箱加入型砂 (2) 震击紧砂 ( 图 2.9b) 先使压缩空气从进气口 1 进入震击活塞底部, 震击活塞在上升过程中关闭进气口, 接着又打开排气口, 使工作台与震击气缸顶部发生一次撞击, 如此反复进行, 使型砂初步紧实 (3) 辅助压实 ( 图 2.9c) 由于震击后砂箱上层型砂的紧实度还不符合要求, 故此还必须进行压实 此时将压头转到砂箱上方, 并使压缩空气从进气口 2 进入压实气缸底部, 压实活塞带动砂箱上升, 在压头的作用下, 使型砂紧实 (4) 起模 ( 图 2.9d) 当压缩空气推动压力油进入起模油缸时, 四根顶杆平稳地将砂箱顶起, 从而使砂型与模板分离

41 32 金属工艺学 震压式造型机主要适用于制造中 小铸型, 其主要特点是噪音大, 生产率不够高, 在现代化的铸造车间, 震压式造型机已逐步被机械化程度更高的其他造型机所替代 1 (a) 填砂 (b) 震击紧砂 2 (c) 辅助压实 图 2.9 震压式造型机的工作过程 (d) 起模 3. 型芯的制造 型芯主要用于形成铸件的内腔和尺寸较大的孔, 有时也用作铸件上难以起模部分 ( 凸台和凹档处 ) 的局部砂型 制造型芯的过程称为造芯, 或叫制芯 其方法也可分为手工和机器制芯两类 一般情况下采用手工制芯, 大量生产时采用机器制芯 手工制芯有用型芯盒及刮板两种方法, 其中以用芯盒制芯最为常用 图 2.10 为简单芯盒手工制芯示意图 ; 刮板制芯示意图如图 2.11 所示

42 第 2 章铸造 33 1 型芯 ;2 芯盒 ;3 定位销 ;4 底板 ;5 夹钳 图 2.10 芯盒制芯 图 2.11 刮板制芯 无论采用何种方法制芯, 都要在型芯中放置芯骨 并将型芯烘干以保证其强度, 同时还应在型芯上扎出通气孔或在型芯内埋入蜡线 麻线来形成通气孔, 以保证其透气性 对于尺寸较大的型芯, 可在内部放入焦炭以增强其透气性 对形状复杂和批量大的型芯, 宜采用机器制芯 浇注系统 为了使金属液体流入型腔而在砂型中开设的通道, 称为浇注系统 它由外浇口 直浇口 横浇口 内浇口和冒口组成, 见图 2.12 冒口浇口杯冒口 横浇道直浇道内浇道图 2.12 浇注系统浇注系统的主要作用如下 (1) 使金属液体能平稳而无冲击地流入并充满整个型腔 ; (2) 防止熔渣 砂粒或其他杂质进入型腔 ; (3) 调节铸件的凝固顺序 因此要合理地开设浇注系统, 才能获得形状完整且无渣眼 砂眼 气孔和缩孔等铸造

43 34 金属工艺学 缺陷的合格铸件 浇注系统各部分的作用如下 (1) 外浇口 ( 浇口杯 ) 承接从铁水包倒入的金属液, 以便于浇注并缓和金属液对型砂的冲击和阻挡熔渣流入 (2) 直浇口 它是外浇口下面的一段垂直通道, 用以调节金属液流入型腔的速度和通过其高度所产生的静压力以使金属液充满型腔的各处 (3) 横浇口 除了将金属液分配给各个内浇口外, 其主要作用是挡渣 (4) 内浇口 它与砂型的型腔直接相连 除了挡渣以外, 其主要作用是控制金属液流入型腔的速度和方向, 并调节铸件各部分的冷却速度 内浇口的方向不要正对砂型壁和型芯, 以免冲砂 (5) 冒口 在浇注过程中, 冒口主要是对铸件最后冷却的收缩部位供给金属液, 起补缩作用 此外, 有些冒口还具有排气和集渣等作用 2.3 铸件结构的工艺性 铸件的结构工艺性, 就是铸件的结构 ( 形状与尺寸 ) 必须利于保证铸件的质量和便于铸造工艺过程的进行 结构工艺性良好的铸件, 可以达到优质 高产和低耗的目的 铸造工艺对铸件结构的要求 模样 ( 芯盒 ) 的制造 造型和造芯等是铸造中重要的工艺环节, 铸件的结构对于这些工艺过程的可操作性和工作难度以及所完成铸型的质量有很大影响 因此, 在设计铸件时, 从铸造工艺的角度出发, 应注意以下几个方面 1. 铸件外形应尽量简单 在满足使用要求的前提下, 铸件外形设计应尽量简化, 以方便生产 (1) 避免铸件外形侧凹 如在设计机床铸件时, 采用图 2.13a 的方案, 则机床结构的侧凹处需要另加外型芯来形成 ; 而 b 方案将凹坑一直扩展到底部, 可省去外型芯 (2) 设计铸件上的凸台和肋条时, 应考虑方便造型起模, 尽量避免使用活块或外型芯 图 2.14a 2.14c 2.14e 所示的凸台和肋条的布置, 通常必须采用活块 ( 或外壁型芯 ) 才能起模, 而将图 2.14a c 改成图 2.14b 2.14d 的设计, 将凸台延展至分型面, 则可避免使用活块, 将图 2.14e 改成图 2.14f, 使铸件法兰下的肋条位置 ( 图中虚线所示 ) 转动 45, 则不会妨碍起模, 使得造型工艺简化

44 第 2 章铸造 35 (a) 改进前 (b) 改进后 图 2.13 机床铸件结构的设计 图 2.14 铸件凸台和肋条的设计 (3) 铸件外形应尽可能使铸件的分型面最少 如图 2.15a 所示端盖铸件, 由于存在法兰凸缘, 而不能采用简单的两箱造型 若改成图 2.15b 的结构, 取消上部的凸缘, 使铸件只有一个分型面, 则将大大简化造型操作 (4) 考虑结构斜度对于铸件上垂直于分型面的非加工表面, 设计时应给出一定的结构斜度, 这样不但便于起模, 而且也因起模时不需要对模样进行较大的松动, 因而提高了铸件的尺寸精度 图 2.16 是铸件结构斜度的实例

45 36 金属工艺学 (a) 改进前 (b) 改进后 (a) 不合理 (b) 合理 图 2.15 端盖铸件的两种结构 图 2.16 考虑铸件的结构斜度 2. 铸件的内腔设计 铸件的内腔通常由型芯形成, 设计时应考虑到方便型芯的制造以及型芯的定位 安放和排气等 ; 并应尽可能地不用或少用型芯, 以节约芯盒和型芯制造的工时及材料消耗 (1) 不用或少用型芯 如图 2.17a 所示的铸件, 因内腔出口处尺寸较小, 必须用型芯才能铸出 若将内腔改成图 2.17b 的开口形式, 则可用自带型芯法构成铸件的内腔 (a) 改进前 (b) 改进后 图 2.17 减少型芯的铸件结构 (2) 若铸件内腔复杂, 使用型芯时, 要考虑型芯的安放 排气和清理 图 2.18a 中的铸件有两个型芯, 其中右面的水平型芯呈悬臂状, 为了使型芯稳固, 必须在下芯时使用芯撑支撑其左端 若将铸件结构改为图 2.18b 那样, 则型芯成为一个整体, 其稳定性得到加强, 排气更为通畅, 清理出砂也比较方便

46 第 2 章铸造 37 (a) 改进前 (b) 改进后 图 2.18 便于型芯固定 排气和清理的铸件结构 3. 铸件结构的合理分割与组合 对于某些复杂的大型铸件, 在生产条件不允许整体铸造时, 可采用组合铸件 即将一个铸件分成几部分铸造, 然后焊接或用螺钉连成一个整体 因铸件由大化小, 结构由复杂变简单, 故制模 造型 ( 芯 ) 落砂和清理等过程均大为简化, 加工和运输也方便, 铸件质量易保证 但组合铸件刚度不如整体铸件好 金属的铸造性能对铸件结构的要求 在设计铸件结构时, 还要考虑到金属铸造性能的优劣, 否则铸件就会出现浇不足 缩孔 缩松 冷隔 铸造应力 变形和裂纹等 往往在采用更合理的铸件结构后, 便可以消除这些缺陷 因此, 应使铸件结构有利于合金液的充型, 并能减轻或避免因合金收缩带来的铸件缺陷 1. 铸件的壁厚 (1) 铸件的壁厚应适当 每一种铸造合金都有其适宜的铸件壁厚范围, 过大或过小都会对铸件产生不利影响 如果选定合金的适宜壁厚不能满足零件的力学性能要求, 则应改选高强度的材料或选择更加合理的截面形状 ( 如 T 字型 工字型 槽型或箱型等 ) 以及增设加强肋等措施, 如图 2.19 所示 (a) 不合理 (b) 合理 图 2.19 采用加强肋减小铸件壁厚

47 38 金属工艺学 (2) 铸件壁厚应均匀 壁厚不均的铸件易在厚壁处产生缩孔和缩松, 并且不同壁厚的冷却速度不同, 铸造应力会使铸件变形和开裂 见图 2.20 (a) 不合理 (b) 合理 图 2.20 铸件的壁厚应均匀 由于上述原因, 所以在设计铸件时, 应力求做到壁厚均匀 也就是说, 铸件的各部分应具有冷却速度相近的壁厚, 铸件的内壁因冷却较慢, 其壁厚应略小于外壁 2. 铸件壁的连接 铸件壁间的连接应注意以下几个方面 (1) 壁的转角处应有结构圆角 在铸件的转角处如果是直角连接, 则在此处不仅会形成热节, 容易产生缩孔和结晶脆弱区, 而且因应力集中易于导致结晶脆弱区产生裂纹, 如图 2.21 所示 图 2.21 尖角和圆角对铸件质量的影响 (2) 壁的连接处应避免过于厚大而形成热节 对于铸件结构中有两个或三个甚至多个壁相连的情况, 为避免连接处过于厚大而形成热节, 不应采用交叉相连 ( 图 2.22a) 或锐角相连 ; 可采用交错接头 ( 中 小件 ) 或环形接头 ( 大件 ) 结构, 见图 2.22b 2.22c; 锐角连接宜采用图 2.22d 中的过渡形式, 以防止产生缩孔 缩松及裂纹等缺陷 (3) 不等厚度的壁相接时应逐渐过渡 铸件如果确因结构需要而不能做到壁厚均匀, 则不同壁厚相接时应采用逐渐过渡的形式, 避免出现壁厚的突变, 以防突变处形成应力集中和裂纹

48 第 2 章铸造 39 (a) 交叉接头 (b) 交错接头 (c) 环状接头 (d) 两壁夹角小于 90 的连接 图 2.22 铸件壁连接处应尽量避免金属积聚 3. 铸件结构应有利于减小应力和防止变形 (1) 尽量使铸件能自由收缩 铸件在浇注后的凝固冷却过程中, 其体积和长度都将减小 如果其收缩受阻, 铸件内部将产生应力, 导致变形 裂纹的产生 因此, 在设计铸件结构时, 应尽量使其能自由收缩 如图 2.23 所示的弯曲轮辐和奇数轮辐设计, 可使铸件能较好地自由收缩, 从而减小铸造应力, 防止发生裂纹 (2) 采用对称结构 对于容易产生变形的铸件, 如壁厚均匀的细长铸件 面积较大的平板铸件等, 为减小变形, 可采用对称式结构以使变形相互抵消或增设防变形肋, 如图 2.24 所示 (a) 不合理 (b) 合理 (c) 合理 (a) 对称结构 (b) 加强肋结构 图 2.23 轮辐的设计 图 2.24 防止变形的铸件结构 4. 铸件结构应尽量避免有过大的水平面 在铸件浇注位置上有过大的水平面, 不利于金属液的充填, 容易产生浇不到等缺陷, 应尽量避免 因此, 在进行铸件结构设计时, 应尽量将水平面设计成倾斜形状, 如图 2.25 所示 (a) 不合理 (b) 合理 图 2.25 避免大水平面的铸件结构

49 40 金属工艺学 以上所述关于铸件结构工艺性的要求都是一般性原则, 并且大多是针对砂型铸造而言, 对于采用特种铸造的铸件, 还应根据其相应的工艺特点考虑一些特殊要求 2.4 特种铸造 特种铸造是指与砂型铸造不同的其他铸造方法, 常用的特种铸造方法主要有以下几种 熔模铸造 用易熔材料 ( 如蜡料 ) 制成模样, 在模样上包覆若干层耐火涂料, 制成型壳, 熔出模样后经高温焙烧即可浇注的铸造方法, 称为熔模铸造或失蜡铸造 因铸件质量高, 又称精密铸造 1. 熔模铸造的工艺过程 熔模铸造工艺过程如图 2.26 所示 图 2.26 熔模铸造工艺 (1) 母模 母模是用钢或铜合金制成的标准件 用它来制造压型 (2) 压型 压型是用来制造蜡模的特殊铸型 为保证蜡模质量, 压型的尺寸 精度和表面质量要求很高 当铸件精度高或大批量生产时, 压型常用钢 锡青铜或铝合金经加工而制成 ; 铸件精度不高或生产批量不大时, 常用易熔合金 ( 锡 铅 铋 ) 直接浇注出来 ; 单件小批生产时, 也可用石膏或塑料制成压型 (3) 蜡模 生产中常用 50% 石蜡和 50% 硬脂酸配制成低熔点蜡料 将熔融 ( 糊状 ) 的蜡料压入压型, 待冷凝后取出, 并将其送入冷水槽冷却, 再经修整检验后得到单个蜡模

50 第 2 章铸造 41 为提高生产率, 可将一些单个蜡模粘焊在预制好的蜡质公用浇注系统上, 制成蜡模组 一个蜡模组上可粘焊 2~100 个蜡模 (4) 结壳 将蜡模组浸到容器中, 挂上涂料浆 ( 由水玻璃作粘结剂与石英粉配成 ) 后, 再放入装置中往其表面撒一层石英砂, 然后将粘附了石英砂的蜡模组放入硬化剂 ( 多为氯化铵溶液 ) 中, 利用化学反应生成的硅酸溶胶将砂粒粘牢并硬化 如此反复涂挂 4~8 层, 直到结壳厚度达 5~10 mm 这种有足够强度的硬壳铸型称为型壳 (5) 脱蜡 用加热装置将水罐中的水加热至 85 ~95, 把型壳放入, 使蜡模溶化并浮到热水面上流出, 收取蜡料供重复使用 蜡模流出后的型壳即为具有空腔的铸型 (6) 造型和焙烧 为提高型壳强度, 防止浇注时型壳变形或破裂, 可将型壳竖放入耐热砂箱, 周围填满石英砂并紧实, 此过程称为造型 为烧尽型壳内的残余挥发物, 蒸发掉水分, 提高其质量, 需将装好型壳的耐热砂箱放在电炉中, 在 900 ~950 下焙烧 (7) 浇注 为提高金属液的充型能力, 防止产生浇不足 冷隔等缺陷, 焙烧后趁热 ( 型壳温度为 600 ~700 ) 将浇包中的金属液浇入铸型 铸件冷却后毁掉铸型, 切去浇口, 放入 150 浓度为 45% 的苛性钠水溶液中进行化学处理, 以彻底清洗铸件 化学处理后用流水洗净并烘干, 对其进行热处理和成品检验 2. 熔模铸造的特点及应用范围 (1) 能铸造各种合金铸件, 尤其适于铸造高熔点 难切削加工和用别的加工方法难以成形的合金, 如耐热合金 磁钢等 (2) 可生产形状复杂 轮廓清晰 薄壁 (0.2~0.7 mm) 且无分型面的铸件 一般的凸台 小孔 (D m =1.5 mm) 均可直接铸出 铸件的公差等级为 IT14~IT11, 表面粗糙度值为 12.5~1.6 μm, 减少了切削加工工作量 ( 加工余量为 0.2~0.7 mm), 实现了少 无切削加工, 节约了金属材料 (3) 生产批量不受限制, 可实现机械化流水生产 (4) 工艺过程复杂, 生产周期较长 (4~15 天 ), 生产成本较高 (5) 因蜡模容易变形, 型壳强度不高等原因, 铸件的重量一般限制在 25 kg 以内 熔模铸造主要用于生产汽轮机 涡轮发动机的叶片 ( 或叫叶轮 ), 切削刀具, 以及飞机 汽车 拖拉机 风动工具和机床上的小型零件 目前它的应用还在日益扩大, 例如, 实验性的铸件, 重量已达 45 kg, 尺寸为 1016 mm 金属型铸造 金属液靠重力浇入用金属制成的铸型中, 以获得铸件的方法, 称为金属型铸造 金属型可重复使用, 故又称永久型铸造

51 42 金属工艺学 1. 金属型的构造 根据分型面位置的不同, 金属型分为整体式 垂直分型式 水平分型式和复合分型式 其中垂直分型式 ( 图 2.27) 便于放设内浇道和取出铸件, 也易于实现机械化, 所以应用较多 金属型多用灰铸铁制成, 也可用铸钢制成 金属型本身无透气性, 为排出型腔内气体, 在分型面上开出一些通气槽, 通气槽的深度应小于 0.2~0.4 mm, 以防止金属液流出 为防止产生气孔和利于金属液的充型, 大多数金属型开有出气口 为能在高温下从铸图 2.27 垂直分型式型中取出铸件, 多数金属型设有顶出铸件的机构 铸件的内腔可用砂芯或金属芯制成, 金属芯一般只用于有色金属铸件, 为能从形状复杂的内腔中取出金属芯, 型芯可由几部分组成, 浇注后按先后顺序取出 2. 金属型铸造的工艺特点 金属型导热比砂型快, 没有退让性, 所以铸件易产生冷隔 浇不足 裂纹等缺陷, 灰铸铁件常产生白口组织 此外, 在高温金属液的冲刷下, 易损坏铸型, 影响了金属型的寿命和铸件的表面质量, 造成取出铸件困难 为减少和避免这些缺点, 生产时需采用下列工艺措施 (1) 金属型应保持合理的工作温度 合理的工作温度可减缓铸型的冷却速度 提高金属液的充型能力 促进铸铁的石墨化和延长铸型寿命 为此, 浇注前要对金属型进行预热 ; 在连续生产中, 如铸型温度过高时, 应利用散热装置 ( 气冷或水冷 ) 散热 金属型的合理工作温度为 : 铸铁件 250 ~350, 有色金属铸件 100 ~250 (2) 为保护型腔和减缓铸型的传热速度, 型腔表面和浇冒口中要涂以厚度为 0.2~1.0 mm 的耐火涂料, 以使金属液和铸型隔开 在黑色金属铸造中, 还要在涂料外面喷涂一薄层重油或乙炔烟, 在浇注时可产生还原性气体, 形成隔热气膜, 以减小铸件表面粗糙度 (3) 因金属型无退让性, 故应掌握好适宜的开型时间 铸件宜早些从型中取出, 以防产生裂纹 白口组织和造成铸件取出困难 但开型过早也会因金属强度较低而产生变形 一般铸铁件的出型温度为 780 ~950 (4) 为防止铸铁件产生白口组织, 其壁厚一般应大于 15 mm, 并控制铁水中碳 硅的质量分数不小于 6% 采用孕育处理的铁水来浇注, 对预防产生白口非常有效 对已产生白口的铸件要利用自身余热, 及时进行退火处理 3. 金属型铸造的特点和应用范围 与砂型铸造相比, 金属型铸造有以下特点

52 第 2 章铸造 43 (1) 实现了 一型多铸 ( 几十次至几万次 ), 节约了大量造型材料 工时和占地面积, 提高了生产率, 改善了劳动条件 (2) 金属型冷却快, 铸件结晶组织细密, 力学性能和致密度高, 例如铜 铝合金铸件的抗拉强度比砂型铸造提高 20% 以上 (3) 铸件的公差等级可达 IT14~IT4l2, 表面粗糙度值为 12.5~6.3 μm, 加工余量为 0.8~1.6 mm 可实现少 无切削加工 (4) 金属型制造成本高 周期长 不适于小批量生产, 不宜铸造形状复杂 大型薄壁件, 铸铁件易产生白口组织 此外, 必须采用机械化 自动化装置进行生产, 才能改善劳动条件 金属型铸造主要适于大批量生产形状简单的有色合金铸件和灰铸铁件 如发动机中的铝活塞 气缸体 缸盖 油泵壳体 水泵叶轮 铜合金轴瓦和轴套等 壁厚为 2~100 mm, 重量为几十克至几百千克 若采用特殊的铸型也可生产钢铸件 压力铸造 在高压下, 将液态或半液态金属高速压入金属铸型, 并在高压下凝固成形的铸造方法, 称为压力铸造 ( 简称压铸 ) 常用的比压为 5~150 MPa, 金属液流速为 5~100 m/s 1. 压铸工艺过程 压铸工艺过程主要工序有 : 闭合压铸型 压射金属 打开压铸型和顶出铸件, 见图 2.28 图 2.28 压铸工艺过程 压铸所用的铸型叫压铸型, 它与垂直分型的金属型相似, 由两个半型组成 安装在压铸机固定板上, 固定不动的半型叫定型 ; 安装在压铸机移动板上的半型叫动型, 可作水平移动 压铸型上装有拔出金属型芯的机构和自动顶出铸件的机构 压铸机是压铸生产中的专用设备, 主要由合型机构和压射机构组成 合型机构的作用是开合压铸型, 并在压射金属时用压力顶住压铸型以防金属液由分型面处漏出 压铸机的

53 44 金属工艺学 规格一般用合型力 (MN) 表示 压射机构的作用是对金属液施以高压, 使其高速充满型腔, 并在高压下凝固成形 2. 压铸的特点和应用范围 (1) 生产率比其他铸造方法都高, 并易于实现半自动化 (2) 可铸出结构复杂, 轮廓清晰的薄壁 深腔 精密铸件, 可直接铸出各种孔眼 螺纹 齿形 花纹和图案等, 也可压铸镶嵌件 铸孔的最小直径为 0.7 mm, 铝合金铸件最小壁厚为 0.5 mm (3) 可获得公差等级为 IT 13~IT11 表面粗糙度 R a 值为 3.2~0.8 μm 的铸件, 可实现少 无切削加工 因大多数压铸件不需切削加工即可直接进行装配, 所以省工 省料, 成本低 (4) 铸件强度和表面硬度高, 组织细密, 其抗拉强度比砂型铸件提高约 25%~40% (5) 压铸设备和压铸型费用高, 压铸型制造周期长, 只适于大批量生产 (6) 因金属液充型速度高, 又在压力下成形, 所以铸件内常有小气孔, 并常存在于表皮下面, 影响铸件质量 压铸目前主要用于大批量生产铝 镁 锌 铜等有色合金的中小型铸件, 在汽车 拖拉机 电器 仪表 航空 航海 精密仪器 医疗器械 日用五金及国防工业等部门已获得广泛应用 3. 低压铸造 用较低的压力 (0.02~0.08 MPa) 的干燥空气将合金液压入铸型, 并在加压条件下凝固获得铸件, 这种铸造方法, 称为低压铸造 其特点是充型平稳, 铸件产生气孔 夹渣较少, 省去了补缩冒口, 金属的利用率高达 95% 以上 不仅适用于铜 铝 镁合金铸件, 还可用于砂型铸造薄壁钢制铸件, 如高速内燃机活塞 带轮 医用消毒缸等 设备也比较简单, 适于各种批量铸件的生产 离心铸造 金属液浇入高速旋转的铸型中, 在离心力作用下充满铸型并凝固而成铸件的方法, 称为离心铸造 离心铸造是在离心机上用金属型或砂型进行的 1. 离心铸造机 根据转轴位置的不同, 离心铸造机分为立式 卧式和倾斜式三种 立式离心铸造机 ( 图 2.29a) 的铸型在垂直轴上旋转, 因重力作用铸件内表面呈抛物线形, 上薄下厚 铸型转速愈慢, 铸件高度愈大, 其壁厚差愈大 因此只适用于铸造高度不

54 第 2 章铸造 45 大的环类 套类及成形铸件, 例如青铜齿轮 巴氏合金及青铜轴套等 在这种铸造机上固定铸型和浇注都较方便 卧式离心铸造机 ( 图 2.29b) 的铸型在水平轴上旋转, 当其转速足够大时, 铸件的壁厚沿长度和圆周方向都很均匀, 因此应用较广 主要用于铸造较长的管类 缸套等铸件 (a) 立式离心铸造机 (b) 卧式离心铸造机 图 2.29 离心铸造 2. 离心铸造的特点和应用范围 在离心力作用下, 金属的结晶从外向内顺序进行, 因而铸件组织细密, 无缩孔 缩松 气孔 夹渣等缺陷, 力学性能好 ; 金属液中的气体 熔渣等夹杂物, 因密度小而集中在内表面, 为提高其质量需经机械加工切除, 铸造圆形中空铸件可不用型芯, 不用浇注系统, 减少了金属消耗 ; 可铸造双金属铸件, 例如钢套内镶铜, 其结合面牢固 耐磨, 可节约贵重金属材料 ; 铸件公差等级为 ITl4~ITl2, 表面粗糙度值 R a 为 12.5~6.3 μm 但易产生区域偏析的合金 ( 如铅青铜铸件 ) 不宜使用离心铸造 2.5 习题与思考题 1. 简述合金的铸造性能, 其影响因素是什么? 2. 简述砂型铸造的生产过程 3. 型砂 芯砂应具有哪些性能? 4. 手工造型方法有哪几种? 选用的主要依据是什么? 5. 机器造型的实质是什么? 其设置的原则是什么? 6. 冒口的作用是什么? 7. 什么是熔模铸造? 试简述其工艺过程 8. 压力铸造和金属型铸造各自的特点是什么?

55 第 3 章金属塑性成形 金属塑性成形加工包括锻造 冲压 拉拔 轧制等, 是利用金属的塑性, 使坯料改变形状 尺寸和改善性能, 以获得型材 棒材 板材 线材或锻压件的加工方法 各类钢和大多数有色金属及其合金均具有不同程度的塑性, 因此, 它们均可以在冷态或热态下进行塑性成形加工 金属塑性成形加工的主要方法有轧制 拉拔 挤压 锻造 冲压等 其中轧制 拉拔 挤压主要用于生产各种板材 管材 线材等 锻造主要生产各种重要的 承受重载荷的机器零件或毛坯, 如机床的主轴和齿轮 内燃机的连杆 炮筒和枪管以及起重吊钩等 冲压主要用于加工板料, 故又称板料冲压 冲压广泛用于汽车 拖拉机 航空 电器 仪表及日用品工业等部门 随着技术创新和技术进步, 塑性成形加工生产中引进了摆动碾压 超塑性成形 高能高速成形等一大批新工艺 新技术, 冷镦 冷挤压 冷精压的锻件可以不再进行机械加工而直接使用, 从而大大提高了生产率和材料利用率 3.1 自由锻 自由锻 ( 造 ) 是利用锻压设备的上 下砧块和一些简单的工具, 使坯料在压力作用下产生塑性变形 自由锻工艺过程的实质是逐步改变坯料的形状和尺寸, 从而获得所要求的形状和性能的锻件的加工工艺 自由锻的特点和应用 1. 自由锻的特点 (1) 所用的工具 设备简单, 通用性大 (2) 金属流动自由 (3) 工艺灵活, 锻件锻造的范围大, 锻造的锻件质量可以从几百克到几百吨 (4) 形状 尺寸精度低, 加工余量大, 劳动生产率低 (5) 劳动强度大, 工人操作技术要求高

56 第 3 章金属塑性成形 47 自由锻适用于单件 小批量生产, 还是大型锻件的唯一的锻造方法, 如大型发电机的叶轮主轴 多曲拐轴 水轮机叶片 火车轮轴等 2. 自由锻的分类 自由锻分为手工锻和机器锻两种, 手工锻造只能生产小型锻件, 生产率也较低 机器锻则是自由锻的主要生产方法 其中, 机器自由锻还可以分为锻锤自由锻和水压机自由锻 对于碳钢和低合金钢的中小型锻件, 自由锻的主要目的是为了成形 ; 而对于大型锻件和高合金钢的锻件, 多数是利用初锻坯或铸锭坯, 其内部组织有疏松 缩孔 偏析 气泡以及夹杂等缺陷, 所以必须通过自由锻来消除 这类坯料的自由锻造工艺研究的重点是制定工艺参数, 选择合适的工具和消除缺陷 改善材料的性能等 自由锻设备 常用的自由锻设备有空气锤 蒸汽 - 空气锤和水压机 (1) 空气锤 变形时间为千分之几秒, 冲击力作用的锻造设备吨位以落下部分的质量表示, 结构简单, 操作方便, 打击效率高, 只适用于中小型锻件, 振动噪音大, 如图 3.1 所示 (2) 蒸汽锤 结构紧凑, 刚性好, 锤头运动准确性好, 打击较平稳, 锻造空间小, 操作较困难 (3) 水压机 变形速度慢, 静压作用下成形, 易于锻透, 能耗少, 压力大, 工作时振动小, 适用于大型锻件, 如图 3.2 所示 1 工作缸 ;2 活塞杆 ;3 机架 ; 4 下抵铁 ;5 操纵杆 ;6 滑阀 图 3.1 空气锤 图 3.2 水压机

57 48 金属工艺学 自由锻工序 (1) 基本工序 : 使金属产生一定程度的塑性变形, 以达到所需形状及尺寸的工艺过程, 是完成锻件的基本工艺过程 (2) 辅助工序 : 为基本工序操作方便而进行的预先变形工序, 如压肩 钢锭倒棱等 (3) 精整工序 : 为减少锻件表面缺陷而进行的工序, 如滚圆 弯曲 扭转 切割等 自由锻基本工序主要有镦粗 拔长 弯曲 冲孔 扭转 错移等, 常用的基本工序是镦粗 拔长 冲孔 弯曲四种, 如表 3.1 所示 表 3.1 自由锻基本工序 工序名称图例应用 镦粗 饼块类零件, 如齿轮 圆盘等冲孔准备工序增加锻造比 拔长 轴杆类零件长轴类空心件, 如套筒 圆环 冲孔 空心圆盘件, 如齿轮毛坯 圆环 1 镦粗 使坯料高度减小, 横断面积增大的锻造工序称为镦粗 镦粗的主要方法有平砧镦粗和局部镦粗 为了保证镦粗的锻件质量和使镦粗顺利进行, 镦粗时必须遵循以下原则 锻粗前坯料镦粗部分的高度不得大于其直径的 2.5~3 倍, 以防止出现双鼓形 折叠或者镦弯等 坯料端面平整且垂直于轴线, 坯料放置要正以防止镦斜 坯料的加热温度应当均匀, 中锻温度不能太低, 打击力不能太轻, 避免坯料产生不均匀变形 2 拔长 使毛坯的横截面积减小而长度增加的锻造工序 拔长的主要方法有芯轴拔长 平砧拔长 V 型砧拔长, 其中平砧拔长是最常用的拔长方法 采用 V 型砧拔长可以锻合心部缺陷, 并提高拔长效率 ; 芯轴拔长是减小空心毛坯外径壁厚, 增加长度的锻造

58 第 3 章金属塑性成形 49 工序, 用于长筒类零件 为了提高拔长效率和提高锻件质量, 拔长应遵循以下原则 合理的送进量, 一般送进量应小于坯料的宽度, 使送进方向金属的流动大于横向的流动, 提高拔长效率 将圆形断面坯料拔长为圆形断面锻件时, 应先拔长较大断面的方坯, 再拔长成小方坯, 最后滚圆成所需要的圆棒 拔长过程中要经常翻转 90, 翻转前的压下量应使工件的宽度与高度之比小于 2.5 拔长的单变压下量应等于或小于送进量, 否则会发生折叠 3 冲孔 在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序 冲孔主要有实心冲孔 空心冲孔和板料冲孔 实心冲孔主要用于锻件上孔径小于 400~500 mm 的孔 ; 孔径大于 400 mm 的孔则可用空心冲孔 ; 对于薄饼类锻件上的孔则可以在垫环上进行单面冲孔 冲孔时为了保证质量, 应在冲孔前将坯料镦粗并使坯料断面平整, 冲子应找准位置并垂直于断面放置, 打击力要平稳, 防止将孔冲偏 冲斜 4 弯曲 将坯料弯折成规定的外形的锻造工序 弯曲时, 为了防止横截面积有所减小, 可采取断面比锻件稍大的坯料, 先拔长不弯曲的部分到锻件所要求的断面积, 然后弯曲成形, 弯曲前对被弯曲部分加热要均匀 ; 弯曲多处需要弯曲的锻件时, 应按照一定的顺序弯曲, 保证获得较准确的外形锻件 3.2 模锻 在高强度金属锻模上预先制出与锻件形状一致的模膛, 使坯料在模膛内受压变形的锻造方法 在变形过程中, 模膛通过对坯料的限制来得到与模膛形状一致的锻件 模锻的特点和应用 1. 模锻特点 ( 与自由锻相比 ) (1) 生产率较高, 操作简单, 易于实现机械化, 锻件成本低 (2) 锻件表面粗糙度值小, 尺寸精确, 加工余量小 (3) 可锻出形状复杂的锻件 (4) 公差仅为自由锻件公差的 1/3~1/4, 材料利用率高 (5) 锻模设备投资大, 锻模成本高, 每种锻模只可加工一种锻件 (6) 受模锻设备吨位的限制, 模锻件质量一般在 150 kg 以下 (7) 模锻适用于中小型锻件的成批和大量生产, 广泛应用于汽车 拖拉机 飞机 机床和动力机械等工业, 如锥齿轮 叶片电器零件 航空零件等

59 50 金属工艺学 模锻按照所使用的设备不同可以分为锤上模锻 摩擦压力机模锻 热模锻压力机模锻和平锻机模锻等 锤上模锻 锤上模锻最常用的设备是蒸汽 - 空气模锻锤, 如图 3.3 所示 蒸汽 - 空气模锻锤的工作原理与自由锻用的蒸汽 - 空气锤基本相同, 只是因为锻模在锻造时上 下模需准确对合, 精度要求较高, 所以模锻锤的锤头与导轨之间的间隙比自由锻锤的小得多, 而且机架直接与砧座连接, 这样可使锤头的运动精确, 能保证上 下模准确对正, 最终使锻件的形状和尺寸精度得到提高 此外, 用于锤上模锻的设备还有无砧座锤和高速锤等 1 锤头 ;2 上模 ;3 下模 ;4 落杆 ;5 砧座 ;6 锤身 ;7 操纵机构 1. 锤上模锻的工艺特点 图 3.3 蒸汽 - 空气模锻锤 锤上模锻时, 坯料经多次击打变形, 加之金属流动惯性, 有利于金属填充模膛 ; 单位时间内打击次数多, 对于 1~10 t 的模锻锤约 40~100 次 / 分钟, 生产率高 ; 工艺较灵活, 应用广泛, 可以适应各种锻造工序和各种形状的锻件 ; 坯料在同一模膛内成形, 金属流线组织连续而不被切断, 锻件质量好 但锤上模锻的振动 噪声大, 能耗高, 对厂房 设备及工人劳动条件有不利的影响

60 第 3 章金属塑性成形 锻模结构 锤上模锻用的锻模由上模和下模两部分构成, 如图 3.4 所示 下模通过燕尾和楔铁与锻锤工作台的模垫相连接, 固定于工作台上 ; 上模通过燕尾和楔铁与锻锤锤头相连接, 随锤头上 下往复运动, 锤击金属坯料 锻模上有使坯料成形的型腔即模膛 根据模膛的作用可将其分为制坯模膛和模锻模膛两大类 对于形状复杂的模锻件, 为了使坯料形状基本接近模锻件形状, 使金属能合理分布和有效地充满型腔, 通常需预先在制坯模图 3.4 锤上模锻锻模结构膛内制坯 主要的制坯模膛有以下几种 (1) 拔长模膛 拔长模膛用来减小坯料某部分的横截面积, 同时增大该处的长度, 具有合理分配金属的作用, 如图 3.5a 所示 拔长模膛有开式和闭式两种, 一般设在锻模的边缘 操作时坯料除送进外还要反复翻转 主要用于横截面积相差较大的轴类锻件 (2) 滚压模膛 滚压模膛是用来减小坯料某部分的横截面积和增大另一部分的横截面积, 起分配金属和光整表面的作用, 如图 3.5b 所示 滚压模膛一般置于终锻模膛的旁边, 操作时需将坯料反复翻转 适应于横截面积相差较大的长轴类锻件 (3) 弯曲模膛 对于弯曲的杆类模锻件, 需用弯曲模膛来弯曲坯料, 如图 3.5c 所示 坯料可直接或先经过其他制坯工步后放入弯曲模膛进行弯曲变形 弯曲后的坯料需翻转 90 后放入模锻模膛成形 (4) 切断模膛 切断模膛是在上模与下模的角部形成一对刃口, 用来切断金属坯料, 如图 3.5d 所示 单件锻造时, 用它来从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口 ; 多件锻造时, 可用它来分离单个锻件 开式闭式开式闭式 (a) 拔长 (b) 滚压 (c) 弯曲 (d) 切断 图 3.5 制坯模膛 模锻模膛有预锻模膛和终锻模膛两种 (1) 预锻模膛 预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸, 这样有利于终锻成形, 提高终锻模膛的寿命, 改善金属在终锻模膛内的流动情况 预锻模膛与终锻

61 52 金属工艺学 模膛的主要区别在于前者的圆角和斜度较大, 一般没有飞边槽 对于形状简单或者生产批量不大的模锻件一般可不设置预锻模膛 (2) 终锻模膛 终锻模膛的作用是使坯料最后变形到锻件要求的尺寸和形状, 因此它的形状和锻件形状相同 但因为锻件冷却时要收缩, 终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量 钢件的收缩量通常取 1.5% 为了使金属充满模腔, 坯料的体积比实际锻件体积大, 因此通常在模膛的周边设有飞边槽, 以增加金属从模膛中流出的阻力, 同时容纳多余的金属 根据模锻件复杂程度的不同, 变形所需要的模膛数量也不同, 可将锻模设计成单模膛形式, 也可设计成多模膛形式 单模膛锻模是在一副锻模上只有一个终锻模膛, 如齿轮坯模锻件就可设计为单模膛锻模, 直接将圆柱形坯料放入锻模中成形 多模膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模 压力机上模锻 1. 热模锻压力机上模锻 由于锤上模锻存在着振动大 噪音响等一些难以克服的缺点, 因此, 大吨位 (16 t 以上 ) 模锻锤有逐步被压力机所代替的趋势 热模锻压机的外观和传动系统如图 3.6 所示 曲柄连杆机构运动由离合器控制, 使曲柄旋转, 然后再通过连杆将曲柄的旋转运动转换成滑块的上下往复运动, 从而实现对毛坯的锻造加工 热模锻压力机的吨位一般为 2000~ kn 热模锻压力机上模锻的特点如下 (1) 锻件精度高 滑块的行程由曲柄尺寸决定, 且滑块与导轨的间隙小 装配精度高, 因此, 锻件的精度比锤上模锻的精度高 (2) 生产率高 热模锻压力机易于实现机械化和自动化, 另外还有自动顶料装置, 可把锻件自模中顶出 (3) 振动 噪声小 热模锻压力机作用于金属上的变形力是静压力, 且变形抗力由机架本身承受, 不传给地基, 因此热模锻压力图 3.6 热模锻压力机机工作时振动 噪声小 但是, 热模锻压力机构造复杂, 造价高, 目前我国仅在一些大型工厂中 ( 汽车 机车 拖拉机制造厂等 ) 采用 基于热模锻压力机的工艺特点, 采用这种设备进行模锻时应注意以下问题 (1) 因热模锻压力机的滑块行程一定, 不论在什么模膛中都是一次成形, 这样毛坯表面形成的氧化皮不易被吹掉, 而被压入到锻件表面, 影响锻件质量

62 第 3 章金属塑性成形 53 (2) 因为是一次成形, 金属变形量过大, 不易使金属填满终锻模膛, 故变形应该逐步进行, 终锻前采用预成形及预锻等 (3) 在热模锻压力机上不宜进行拔长 滚压等工步 对于横截面变化较大的长轴类锻件, 可采用周期轧制坯料或用辊锻机制坯来代替这两个工步 2. 平锻机上模锻 平锻机的主要结构与热模锻压力机相同, 只因滑块是作水平方向运动, 故称为平锻机 如图 3.7 所示为平锻机的工作原理示意图 电动机 1 通过皮带 2 将运动传给带轮 3, 带轮 3 与离合器 4 一同装在传动轴 5 上, 传动轴另一端装有齿轮 6 7, 这样将运动传至曲轴 8 上, 曲轴 8 通过连杆 9 与主滑块 15 相连 凸轮 11 装在曲轴 8 上, 与导轮 接触 副滑块 13 固定着导轮, 并通过连杆系统 与副滑块和活动模 16 相连 当运动传至曲轴后, 随着曲轴的转动, 一方面推动主滑块 15 带动凸模作前后往复运动, 同时曲轴又驱使凸轮 11 旋转 凸轮的旋转通过导轮使副滑块 13 移动, 并驱使活动模 16 运动, 从而实现锻模的闭合或开启 挡料板 14 通过辊子与主滑块的轨道接触 当主滑块向前运动 ( 工作行程 ) 时, 轨道斜面迫使辊子上升, 带动挡料板绕其轴线转动, 挡料板末端便移至一边, 给凸模让出位置 电动机 ;2 皮带 ;3 带轮 ;4 离合器 ;5 传动轴 ;6 7 齿轮 ;8 曲轴 ;9 连杆 ; 导轮 ;11 凸轮 ;13 副滑块 ;14 挡料板 ;15 主滑块 ;16 活动模 ; 连杆系统 图 3.7 平锻机工作原理示意图 平锻机的吨位以凸模最大压力来表示, 一般是 500~ kn, 可锻造 Φ25~Φ230 mm 的棒料 锻件的形状是带头部的杆类和有孔 ( 通孔或盲孔 ) 的锻件, 如汽车半轴 倒车齿轮等 平锻机上模锻的特点如下 (1) 能锻出其他设备难以锻出的锻件, 特别是一端带法兰的较长轴

63 54 金属工艺学 (2) 自动化程度高, 每小时可锻制 400~900 件 (3) 节省金属, 材料利用率可达 85%~95% (4) 对非回转体及中心不对称的锻件难以锻造 (5) 设备投资较大 3. 摩擦压力机上模锻 如图 3.8 所示, 摩擦压力机上的锻模分别安装在滑块 6 和机座 8 上 滑块与螺杆 1 相连, 可沿导轨 7 上下滑动 螺杆穿过固定在机架上的螺母 2 螺杆 1 上固定着飞轮 3, 下端用轴承与压力机滑块 6 相连 主轴上装有两个圆轮 4, 它由电动机 5 带动旋转, 通过操纵杆可使主轴沿轴向作一些移动, 这样就可使其中一个圆轮与飞轮 3 的边缘靠紧而带动飞轮 3 旋转, 从而带动滑块 6 在导轨 7 中作上下运动 螺杆 ;2 螺母 ;3 飞轮 ;4 圆轮 ;5 电动机 ;6 滑块 ;7 导轨 ;8 机座 图 3.8 摩擦压力机 在这类压力机上模锻, 主要是靠飞轮 螺杆及滑块向下运动时积蓄的能量来实现 摩擦压力机的吨位一般为 1000~3500 kn, 最大吨位可达 kn 摩擦压力机本身具有如下特点 ( 1) 工作过程中滑块速度为 0.5~1. 0 m/s, 对毛坯变形具有一定的冲击作用, 且滑块行程可控, 这又与锻锤相似 (2) 摩擦压力机带有顶料装置, 取件容易 但摩擦压力机滑块打击速度不高, 传动效率低 ( 仅为 10%~15%), 能力有限, 故多用于锻造中小型锻件 摩擦压力机上模锻具有如下工艺特点 : 由于滑块行程不固定, 且具有一定的冲击作用, 因而可实现轻打 重打, 可在一个模膛内进行多次锻打 不仅能满足模锻各种主要成形工序的要求, 还可以进行弯曲 压印 热压 精压 切飞边 冲连皮及校正等工序 由于滑 8

64 第 3 章金属塑性成形 55 块运动速度不高, 金属变形过程中可以充分进行再结晶, 故特别适合于锻造低塑性合金钢和非铁合金 ( 如铜合金 ) 等材料 但摩擦压力机承受偏心载荷的能力差, 通常只适用于单膛锻模进行模锻 对于形状复杂的锻件, 需在其他设备上制坯 摩擦压力机具有结构简单 造价低 使用维修方便 基建要求不高 工艺用途广泛等特点, 所以我国中小型机械厂都拥有这类设备, 用它来代替模锻锤 平锻机 热模锻压力机进行模锻生产 胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上用可移动的简单锻模 ( 简称胎模 ) 生产锻件的工艺方法 它是自由锻与模锻相结合的产物, 并有其自身的特点, 因而在生产中得到较广泛的应用 1. 胎模锻的特点与应用 胎模锻与自由锻相比较有如下优点 : 胎模锻件的形状和尺寸可由模具来保证, 所以对工人技术要求不高, 操作简便 ; 胎模锻件的形状较准确, 尺寸精度高, 余块少, 加工余量小, 因而既节约了原材料, 又减少了后继的切削加工工作量 ; 胎模锻件在胎膜内成形, 锻件内部组织致密, 纤维分布合理, 因而锻件的力学性能比较好 胎模锻与模锻相比较有如下优点 : 胎膜锻造不需采用昂贵的模锻设备, 用自由锻设备即可, 从而扩大了自由锻设备的应用范围 ; 胎膜锻工艺操作灵活, 能够用较小的设备成形较大的锻件 ; 胎模是一种不固定在锻造设备上的锻模, 其结构较简单, 通过组合多个模具可完成不同的锻造工序 但胎模锻件的尺寸精度比模锻件低, 工人劳动强度较大 胎模锻适于中小型锻件的中 小批量生产, 在没有模锻设备的中 小企业应用较多 2. 胎模种类 胎模类型主要有扣模 套筒模和合模三种 ( 1) 扣模 扣模由上扣和下扣组成, 用来对坯料进行全部或局部扣形, 生产长杆非回转体锻件, 也可为合模锻造进行制坯 用扣模锻造时坯料不转动, 扣形后翻转 90 在锤砧上平整侧面, 如图 3.9a 所示 (2) 套筒模 套筒模主要用来锻造齿轮 法兰盘等回转体类锻件, 也可用于非回转体类锻件 根据锻件的具体情况, 可制成整体模 镶块模和组合模等多种形式, 如图 3.9b 图 3.9c 所示 (3) 合模 合模通常由上模和下模两部分组成, 为了使上 下模对中以避免错位, 在模具上设有导向装置 合模结构如图 3.9d 所示 与只有终锻模膛的锤上模锻锻模相似, 锻件有飞边, 分模面在锻件的最大截面处 主要用于连杆 拔叉等非回转体零件的锻造

65 56 金属工艺学 (a) 扣模 (b) 开式 (c) 闭式 (d) 合模 图 3.9 胎模种类 3.3 板料冲压 板料冲压是利用模具使板料经分离或成形而得到制件的加工方法 板料冲压一般在室温下进行, 故又称冷冲压 只有当板料厚度超过 8~10 mm 时, 才采用热冲压 板料冲压的特点和应用 板料冲压的特点如下 (1) 冲压件有较高的尺寸精度和表面质量, 互换性好, 一般不需要切削加工, 而且质量稳定 (2) 可生产形状复杂的零件, 废料较少 (3) 冲压件的质量轻 强度和刚度好, 有利于减轻结构重量 (4) 操作简单, 工艺过程便于实现机械化和自动化, 生产率高, 成本低 (5) 可生产各种零件, 质量为一克到几十千克, 尺寸为一毫米到几米 (6) 适应范围广, 金属与非金属件, 微型 中型及大型件均可冲压 但因冷冲模的制造较复杂, 故只在成批大量生产的条件下, 冷冲压的优越性才能充分发挥 板料冲压的缺点是 : 冲模制造复杂, 成本高 板料冲压广泛应用于汽车 航空航天 电器仪表 国防以及日用品等工业部门, 并只有在大批量生产时, 才能充分显示其优越性 冲压设备 板料冲压用设备类型很多, 最基本的是下料用的剪床和冲压成形用的各种冲床

66 第 3 章金属塑性成形 剪床 如图 3.10 所示, 剪床 ( 即剪扳机 ) 用于在冲压生产中剪切直线边缘的板料 条料和带料, 为下一步冲压工序提供毛坯 厚度小于 10 mm 的板料用机械式剪床剪切, 厚度超过 10 mm 的用油压机 2. 冲床 冲床是冲压加工的基本设备, 一般分为开式冲床和闭式冲床 闭式冲床用于大 重型冲压件, 中小冲压件用开式冲床 冲床的最大吨位为 4000 kn 如图 3.11 所示为冲床外观图 电动机通过伺服减速系统带动大带轮转动, 大带轮借离合器与曲轴相连, 离合器则用踏板通过拉杆来控制 当离合器脱开, 大带轮空转 当踩下踏板使离合器合上, 则大带轮便带动曲轴旋轮连同滑块以及固定在其上的上模做上下往复运动进行冲压 下模固定在工作台上, 制动器的作用是当离合器脱开时使曲轴能立即停止转动并保证滑块停留在上面位置 图 3.10 剪床 图 3.11 冲床 冲压工序 冲压生产有很多种工序, 根据工序性质的不同, 其基本工序可分为分离工序和变形工序两大类 分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工艺方法, 主要有剪切 落

67 58 金属工艺学 料 冲孔 切边 修正等, 其中以冲孔和落料 ( 统称为冲裁 ) 应用最广 变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移加不分离的工序, 最常用的变形工序是弯曲和拉深工序 1. 分离工序 (1) 冲裁 冲孔是用冲模在板料上冲出需要的孔, 被冲下的金属是废料 ( 图 3.12) 落料是用冲模从板料上冲下的金属作为工件或进一步加工的坯料 ( 图 3.13) 废料工件工件废料 图 3.12 冲孔 图 3.13 落料 1 冲裁变形过程 冲裁件质量 冲裁模结构与冲裁时板料变形过程有密切关系 冲裁变形过程分为以下三个阶段, 如图 3.14 所示 (a) 弹性变形阶段 (b) 塑性变形阶段 (c) 断裂阶段 图 3.14 冲裁过程示意图 弹性变形阶段 如图 3.14a 所示, 冲头接触板料后, 继续向下运动的初始阶段, 使板料产生弹性压缩 拉伸与弯曲等变形, 这时冲头略挤入材料, 板料另一侧也略挤入凹模口 随着冲头的继续压入, 板料中的应力迅速增大, 达到弹性极限 此时, 凸模 ( 冲头 ) 处的材料略有弯曲, 凹模上的材料则向上翘 凸 凹模之间的间隙越大, 弯曲和上翘越明显 塑性变形阶段 如图 3.14b 所示, 冲头继续压入, 压力增加, 板料中的应力值达到屈服极限时, 则产生塑性变形, 即进入塑性变形阶段 随着冲头挤入, 材料的深度

68 第 3 章金属塑性成形 59 也逐渐增大, 塑性变形程度也逐渐增大, 材料内部的拉应力和弯矩都增大, 位于凸凹模刃口处的材料硬化加剧, 出现微裂纹, 塑性变形阶段结束 此阶段除剪切变形外, 还存在弯曲和拉伸变形 间隙越大, 弯曲和拉伸也越大 断裂分离阶段 如图 3.14c 所示, 冲头继续压入, 已形成的上 下微裂纹逐渐扩大并向材料内延伸, 像楔形那样发展, 当上 下裂纹相遇重合时, 材料被剪断分离 冲裁件断裂面有明显的区域特征 ( 如图 3.15 所示 ): 光亮带, 冲头挤压切入所形成的光滑表面, 断面质量最佳 剪裂带, 是材料在剪断分离时所形成的断裂带, 表面粗糙 2 凸凹模间隙 凸凹摸间隙的选取不仅关系着冲裁件的断面质量而且还会影响模具寿命 卸料力 推件力 冲裁力和冲裁件的尺寸精度 间隙过大, 断面质量差, 光亮带小一些, 剪裂带和毛刺均较大 ; 间隙过小, 断面质量好, 光亮带增大, 但毛刺图 3.15 冲裁件断裂面特征也增大, 模具磨损严重, 寿命受影响 合理选择模具间隙, 主要应考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要的因素 一般来说, 当对冲裁件断面质量要求较高时, 应选取较小的间隙值, 而当对冲裁件的质量要求不高时, 则应尽可能地加大间隙值, 以利于提高冲模的寿命 (2) 修整 是指利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属, 切掉冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺, 从而提高冲裁件的精度 1 外缘修整 修整冲裁件的外形, 如图 3.16a 所示 2 内孔修整 修整冲裁件的内孔, 如图 3.16b 所示 (a) 外缘修整 (b) 内孔修整 图 3.16 修整 (3) 切断 切断是指用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 剪刃安装在剪床上, 把大板料剪成一定宽度的条料, 供下一步冲压工序用 而冲模是

69 60 金属工艺学 安装在冲床上, 用以制取形状简单 精度要求不高的平板零件 2. 成形工序 (1) 弯曲 弯曲是将毛坯的一部分相对于另一部分弯成一定角度或形状的冲压工序 1 弯曲变形过程 如图 3.17 所示, 在弯曲过程中, 坯料内侧受压缩变短, 外侧受拉伸变长, 在内 外侧之间有一既不缩短也不伸长的中性层 当外侧的拉伸应力超过坯料金属的抗拉强度时将会产生破裂 板料厚度越厚, 内侧弯曲半径越小, 压缩与拉伸应力则越大 为了防止弯曲件破裂, 弯曲的最小半径应为 0.25~1 倍的板料厚度 此外, 弯曲时应尽量使弯曲线垂直于金属的轧制纹向, 若弯曲线平行于轧制纹向, 则弯曲时容易使冲压件发生破裂 2 弯曲成形的工艺要点 在弯曲塑性变形时, 由于存在弹性变形, 弯曲后弹性变形消失, 工件将略微弹回, 因而使被弯角度增大 这种现象称为回弹现象 回弹角一般为 0 ~10, 故在设计弯曲模时, 应使模具的角度比弯曲成品的角度小一个回弹角 (2) 拉深 拉深是使板料或者半成品在拉深模具内成形变成中空零件的工序 1 拉深变形过程 如图 3.18 所示, 板料在拉深模凸模的作用下, 逐渐被压入凹模内, 在此过程中坯料发生很大的塑性变形, 而形成中空零件 拉深件的底部一般不变形, 只起传递拉力的作用, 厚度基本不变 零件直壁由坯料外径减去内径的环形部分所形成, 主要受拉力作用, 厚度有所减小 而直壁与底之间的过渡圆角部被拉薄的程度最严重 拉深件的法兰部分切向受压应力作用, 厚度有所增大 凸模 S 坯料凹模 凸模压边圈坯料凹模 图 3.17 弯曲成形 图 3.18 拉深成形 2 拉深过程的工艺要点 在拉深过程中, 起皱和拉裂是最常见的质量问题 为了防止拉深件出现起皱, 在拉深过程中需用压边圈 ( 压板 ) 施加以适当的压力将板料压住 为了防止拉深件被拉裂, 除了将拉深模的边缘作成圆角和采用合理的模具间隙值外, 还要根据材料的塑性来选定合理的拉深系数 (m) 拉深系数是拉深件直径 d 与坯料直径 D 之比, 即 m=d/d, 此系数值总是小于 1 拉深系数 m 值越小则变形程度越大, 可拉深的

70 第 3 章金属塑性成形 61 次数越少, 反之则应经过多次拉深才能完成 拉深系数 m 的大小, 一般为 0.5~0.8 在多次拉深过程中, 往往需要进行中间退火 ( 再结晶退火 ) 以消除前几次拉深变形中所产生的冷加工硬化, 为随后的拉深过程的顺利进行做准备 (3) 其他板料成形工艺 1 胀形和缩口 胀形是利用坯料局部厚度变薄形成零件的成形工序 是冲压成形的一种基本形式, 也常和其他方式结合出现于复杂形状零件的冲压过程之中 胀形主要有平板坯料胀形 管坯胀形 球体胀形 拉形等几种方式, 下面介绍平板坯料胀形和管坯胀形 平板坯料胀形 如图 3.19 所示, 平板坯料放在凹模上, 加压边圈并在压边圈上施加足够大的压边力, 当凸模向凹模内压入时, 坯料被压边圈压住不能向凹模内收缩, 只能靠凸模底部坯料的不断变薄来实现变形过程 管坯胀形 如图 3.20 所示, 在凸模压力的作用下, 管坯内的橡胶变形, 直径增大, 将管坯直径胀大, 靠向凹模 胀形结束后, 凸模抽回, 橡胶恢复原状, 从胀形件中取出 凹模采用分瓣式, 从外套中取出后即可分开, 将胀形件从中取出 有时也可以用液体或气体代替橡胶 1 凸模 ;2 凹模 ;3 工件 ;4 橡胶 ;5 外模套 图 3.19 平板坯料胀形 图 3.20 胀形工艺 2 翻边 在坯料的平面或曲面部分上, 使坯料沿一定的曲线翻成竖直边缘的冲压方法 翻边的种类较多, 常用的是圆孔翻边 如图 3.21 所示, 圆孔翻边前坯料孔的直径是 d 0, 变形区是内径为 d 0 外径为 d 1 的环形部分 翻边过程中变形区在凸模作用下内径不断扩大, 翻边结束时达到凸模直径, 最终形成了竖直的边缘 进行翻边工序时, 如果翻边孔的直径超过容许值, 会使 图 3.21 翻边

71 62 金属工艺学 孔的边缘造成破裂 其容许值可用翻边系数来衡量 当零件所需凸缘的高度较大, 用一次翻边成形计算出的翻边系数值很小, 直接成形无法实现时, 则可采用先拉深 后冲孔 再翻边的工艺来实现 模具的种类和构造 一切冲压产品, 都是利用安装在冲床上的冷冲模具冲制而成的 冲压模具按工序组成和结构特点不同, 可分成简单冲模 复合冲模及连续冲模三种 1. 简单冲模 通过冲床, 滑块运动在一次行程内只能完成一个工序的冲模称为简单冲模, 如图 3.22 所示 凹模用下压板固定于下模板上, 而下模板又用螺栓固定在冲床的工作台上 凸模则用上压板固定于上模板上, 再用冲头把下模板与冲床滑块相连, 故凸模可随滑块作上 下运动而实现冲裁工作 为了保证冲裁时凸模和凹模孔对准, 模具上装有导套和导柱 每冲一件料的送进距离用定位销控制 卸料板用于防止板冲材料卡在凸模上 凸模 ;2 凹模 ;3 上模板 ;4 下模板 ;5 模柄 ; 6 下压板 ;8 卸料板 ;7 导板 ;10 定位销 ;11 套筒 ;12 导柱 图 3.22 简单落料冲孔模 这种模具虽然结构简单, 制造成本低, 但精度不高, 生产率较低, 只用于生产量不大和要求不高的冲压件生产 2. 连续冲模 把两个简单冲模安装在一块模板上, 以便在冲床滑块的一次冲程内完成两个以上冲压工序的冲模称为连续冲模, 如图 3.23 所示 工作时, 导头对正板料上的定位孔, 当冲头下行时, 落料凸模进行落料同时冲孔凸模则进行冲孔 而当冲头回升时卸料板将凸模上的坯料推下 然后, 使坯料向前送进 ( 其送进距离可通过一定的方法来控制 ), 继续进

72 第 3 章金属塑性成形 63 行冲压 落料凸模 ;2 定位销 ;3 落料凹模 ;4 冲孔凸模 ; 5 冲孔凹模 ;6 卸料板 ;7 坯料 ;8 成品 ;9 废料 图 3.23 连续落料冲孔模 这种冲模的生产率高, 但结构比较复杂且制造繁琐, 其冲压件的精度也比复合模低, 故只适用于冲压精度要求不高的中 小型冲压件的大量生产 3. 复合冲模 在冲模内的同一位置上, 冲床滑块的一次冲程中同时完成两个以上冲压工序的冲模称为复合冲模, 如图 3.24 所示 其最大的特点是在中间有一个凸凹模 ( 其外圆是落料凸模, 而内孔则是拉深凹模 ) 当冲床滑块带着凸凹模下降时, 条料首先在凸凹模和落料凹模中落料, 而后由下模中的拉深凸模将坯料顶入凸凹模内进行拉深 由拉深件拉深成的零件在冲床滑块的回程中, 由顶出器和卸料器推出 凸凹模 ;2 拉深凸模 ;3 压板 ;4 落料凹模 ;5 顶出器 ;6 条料 ; 7 挡料销 ;8 坯料 ;9 拉深件 ;10 零件 ;11 切余材料 图 3.24 落料及拉深复合模 这种冷冲模具有生产率较高和冲压件精度也较高的优点, 但冲模制造复杂, 故适用于大批量或精度要求较高的冲压件生产

73 64 金属工艺学 3.4 其他塑性加工方法 精密模锻 精密模锻是提高锻件精度和表面质量的一种先进成形工艺 它能够锻造形状复杂 尺寸精度高的零件, 如锥齿轮 叶片等 其主要工艺特点如下 (1) 使用普通的模锻设备进行锻造, 一般需采用预 ( 粗 ) 锻和终 ( 精 ) 锻两套锻模, 对形状简单的锻件也可以用一套锻模, 粗锻时应留 0.1~1.2 mm 的精锻余量 (2) 原始坯料尺寸和重量要精确, 否则会降低锻件精度和增大尺寸公差 (3) 需要精细清理坯料表面, 除净氧化皮 脱碳层及其他缺陷等 (4) 采用无氧化或少氧化加热法, 尽量减少坯料表面的氧化皮, 为提高锻件精度和减少粗糙度 R a 值打好基础 (5) 模锻时要很好地润滑和冷却锻模 (6) 模具精度对提高锻件精度影响很大, 精锻模膛的精度一般要比锻件精度高两级, 精锻模要有导柱 导套结构, 以保证合模准确 为排除模膛中的气体, 减少金属流动阻力, 容易充满模膛, 在凹模上应开设排气孔 (7) 公差 余量约为普通锻件的 1/3, 尺寸精度为 IT15~IT12, 表面粗糙度 R a 值为 3.2~ 0.8 μm 高速锤锻造 高速锤锻造是利用高压气体 ( 压力为 14 MPa 的空气或氮气 ) 在极短时间内突然膨胀, 推动锤头和框架系统作高速相对运动, 对坯料进行悬空对击的成形方法 高速锤打击速度高, 约为 20 m/s( 一般模锻锤为 6~7 m/s), 坯料变形时间极短, 约为 0.001~0.002 s, 因此变形热效应大, 金属充型性能好, 对形状复杂 有薄而高的筋等零件和低塑性 高强度和难变形的材料都可锻造 ; 由于悬空对击, 因此传给地面的震动小, 但噪声大 ; 与能量相当的模锻锤相比, 高速锤重量轻 体积小 易制造 ; 高速锤锻造采用少 无氧化加热, 采用适宜的润滑剂, 锻造时常是一次打击成形 ; 锻件精度为 IT 9~IT 8, 表面粗糙度 R a 值为 3.2~0.8 μm, 并可使纤维组织沿锻件外形合理分布, 组织均匀致密, 力学性能高 但高速锤锻造不能承受偏心打击, 故仅适于单模膛锻造对称的锻件, 且模具磨损快 高速锤可进行精密模锻 热挤压, 如螺旋锥齿轮和发动机支架的精锻 叶片的挤压等 轧制 金属坯料在回转轧辊的孔隙中, 靠摩擦力作用, 连续进入轧辊而产生塑性变形的加工

74 第 3 章金属塑性成形 65 方法, 称为轧制 轧制除了生产板材 无缝管材和型材外, 现已广泛用来生产各种零件 它具有生产率高 质量好 节约材料 成本低和力学性能好等优点 常用的零件轧制方法有以下几种 (1) 辊锻 辊锻是将轧制工艺应用到锻造生产中的一种新工艺 它是使坯料在通过装有扇形模块的一对旋转的轧辊时, 受碾压而产生塑性变形的加工方法 当扇形模块分开时, 将加热的坯科送至挡块处 轧辗转动, 将坯料夹紧并压制成形 辊锻既可作为模锻前的制坯工序, 也可直接辊锻锻件 例如扳手 链环 连杆 刺刀和叶片等 叶片的辊锻工艺和铣削工艺相比, 材科利用率提高 4 倍, 生产率提高 2.5 倍, 而且质量也提高了 (2) 横轧 辗环轧制又称扩孔, 如图 3.25 所示, 是用来扩大环形坯料的内 外径, 以获得各种环状零件的加工方法 加热后的坯料套在芯辊上, 在摩擦力作用下, 辊压辊带动坯料和芯辊一起旋转, 随碾压辊下压, 坯料内外径不断扩大, 壁厚减薄 导向辊迫使坯料保持圆形, 并使其旋转平稳 当坯料的外圆与信号辊接触时, 信号辊先发出精辗信号, 然后发出停辗信号 用不同形状的轧辊可生产不同截面形状的环形件, 如火车轮箍 齿圈 轴承套圈 起重机旋转轮圈等 辊环轧制具有很高的生产率, 广泛用于批量生产 扩孔件的外径为 40 mm~5 m, 宽度为 20~180 m, 重量达 6 t 或更大 (3) 斜轧 又称螺旋斜轧, 如图 3.26 所示 它是采用两个带有螺旋形槽的轧辊, 互相交叉成一定角度, 作同向旋转, 使坯料既绕自身轴线转动又向前进, 与此同时受压变形获得所需产品 图 3.25 横轧 图 3.26 斜轧 螺旋斜轧钢球是棒料在轧辊间的螺旋形槽里受轧制, 并被分离成单个球 轧辊每转一周即可轧制一个钢球 轧制过程是连续的 斜轧还可轧制周期变截面型材 冷轧丝杠和自行车后闸壳以及直接热轧出带螺旋线的高速钢筋刀体等

75 66 金属工艺学 挤压 挤压是将金属坯料放在挤压筒内, 用强大压力从模孔中挤出而成形的加工方法, 如图 3.27 所示 (a) 正挤压 (b) 反挤压 (c) 径向挤压 (d) 复合挤压 图 3.27 挤压 在挤压过程中, 金属坯料的截面依照模孔形状减小, 而长度增加, 从而得到各种形状复杂的等截面型材 毛坯或零件 挤压按金屑流动方向和凸模运动方向的关系, 可分为以下四种 (1) 正挤压 金属从凹模底部的模孔中流出, 其方向与凸模的运动方向一致 可得到带有端头的杆类零件 ( 螺钉 圆盘阀等 ) 如凸模前端有芯杆, 则可挤压出带有法兰的管类零件 (2) 反挤压 金属流动方向与凸模运动方向相反 此时金屑从凸 凹模间的环形间隙中流出 反挤压可生产管类零件, 如软管的套管等 (3) 径向挤压 金属从凹模侧面的孔中流出 这种方法可挤压三通管 十字接头等零件 为便于取出挤压件, 凹模由两个半模组成, 即凹模有一个分模面 (4) 复合挤压 其特点是金属同时向几个方向流动, 可同时完成上述几个挤压过程

76 第 3 章金属塑性成形 67 挤压工艺过程一般具有以下特点 (1) 金属坯料在三向受压状态下变形, 可显著提高材料的塑性 塑性好的材料 ( 纯铁 低碳钢 铝和铜等 ) 和塑性差的合金结构钢 不锈钢都可挤压成形 ; 在一定变形量下某些高碳钢 轴承钢, 甚至高速钢也可采用挤压成形 (2) 挤压时金属变形量大, 可挤压出深孔 薄壁 细杆和异形截面等形状复杂的零件 (3) 挤压件尺寸精度高, 一般公差等级为 IT 7~IT 6, 粗糙度 R a 值为 3.2~0.4 μm, 可直接用于装配 (4) 由于强烈的加工硬化和纤维组织连续地沿零件外形分布, 因而挤压件的力学性能得到很大提高 (5) 挤压过程操作简单, 易于实现机械化和自动化, 其生产率要比其他塑性加工方法和切削加工提高几倍甚至几十倍, 材料利用率可达到 70%~90% 以上, 极大地降低了成本 拉拔 拉拔是将金属坯料从拉拔模的模孔中拉出而成形的加工方法 ( 图 3.28) 拉拔的原始坯料为轧制或挤压的棒 ( 管 ) 材 拉拔模用工具钢 硬质合金或金刚石制成, 金刚石拉拔模用于拉拔直径小于 0.2 mm 的金属丝 拉拔可加工各种钢和有色金属, 拉拔产品很多, 如直径为 0.002~5 mm 的导线和特种型材 拉拔的钢管最大直径达 200 mm, 最小的不到 l mm; 钢棒料直径为 3~150 mm 拉拔产品的尺寸精度高 ( 直径为 1~1.6mm 的钢丝, 公差只有 0.02 mm), 表面质量高, 而且还可生产薄壁型材 图 3.82 拉拔成形 3.5 塑性加工新技术 超塑性成形 超塑性成形是指利用金属或合金在低的形变速率 (ε=10-2 ~10-4 /s) 和一定的变形温度条件下获得均匀的细晶粒度 ( 晶粒平均直径 0.2~5μm), 且延伸率 δ 可超过 100% 以上的特性的成形方法 1. 超塑性成形的应用 (1) 板料冲压 ( 如图 3.29 所示 )

77 68 金属工艺学 (2) 板料气压成形 ( 如图 3.30 所示 ) 图 3.29 板料超塑性拉深成形 1 加热件 ;2 进气孔 ;3 板料 ;4 工件 ;5 凹凸模 ;6 模框 ;7 抽气孔 图 3.30 板料超塑性气压成形 (3) 挤压和模锻 高温合金及钛合金在常温条件下塑性很差, 变形抗力大, 不均匀变形引起的各向异性的敏感性强, 采用常用的成形方法较难成形, 而且材料的损耗大, 产品成本很高 在超塑性状态下进行模锻, 可克服上述缺点, 节约材料, 降低成本 2. 超塑性模锻的工艺特点 (1) 扩大了可锻金属材料种类, 如镍基合金等 (2) 填充模膛的性能好, 产品的精度高 (3) 零件的晶粒均匀细小, 力学性能均匀一致 (4) 金属的变形抗力小, 可充分发挥中 小设备的作用 旋压成形 旋压成形是指利用旋压机使坯料和模具以一定的速度共同旋转, 并在旋轮的作用下使

78 第 3 章金属塑性成形 69 坯料在与旋轮接触的部位上产生局部变形, 获得空心回转体零件的加工方法 旋压分为普通旋压和变薄旋压两大类 1. 普通旋压 ( 普旋 ) 普通旋压是指板料厚度基本保持不变, 依靠坯料圆周方向与半径方向上的变形来实现 其主要特征是旋压过程中坯料外径有明显变化 (1) 拉深旋压 ( 拉旋 ), 如图 3.31a 所示 (2) 缩径旋压 ( 缩旋 ), 如图 3.31b 所示 (3) 扩口旋压 ( 扩旋 ), 如图 3.31c 所示 (a) 拉深旋压 (b) 缩径旋压 (c) 扩口旋压 2. 变薄旋压 ( 强力旋压 强旋 ) 图 3.31 旋压成形 变薄旋压主要依靠板料厚度的减薄来实现成形 变薄旋压过程中坯料外径基本不变, 壁厚减薄是变薄旋压的主要特征 (1) 锥形件变薄旋压, 如图 3.32 所示 (2) 筒形件变薄旋压, 如图 3.33 所示, 筒形件变薄旋压包括正旋 反旋 图 3.32 锥形件变薄旋压 图 3.33 筒形件变薄旋压 旋压成形的特点如下

79 70 金属工艺学 1 局部连续塑性变形, 变形区很小, 成形力小, 设备也小 2 旋压工装简单, 工具费用低, 旋压设备柔性大 3 旋压件尺寸精度高, 与切削相当 4 力学性能好 旋压适于形状复杂的零件和大型封头类回转类壳体零件, 在航空 航天 汽车 电子等行业得到广泛应用 液态模锻 将一定量的液态金属直接注入金属模膛, 随后在压力的作用下, 使处于熔融或半熔融状态的金属液发生流动并凝固成形, 同时伴有少量塑性变形, 从而获得毛坯或零件的加工方法, 如图 3.34 所示 (a) 熔化 (b) 浇注 (c) 加压 (d) 顶出 图 3.34 液态模锻 液态模锻的特点如下 (1) 液态金属在整个过程中承受等静压, 在压力下完成结晶凝固 (2) 已凝固金属在压力作用下产生塑性变形, 可以保证尺寸精度 (3) 凝固过程中能得到强制补缩, 比压铸件的组织致密 (4) 可以成形形状复杂的锻件 液态模锻应用于活塞 炮弹引信体 压力表壳体 波导弯头 汽车油泵壳体 摩托车零件等铝合金零件 ; 齿轮 蜗轮 高压阀体等铜合金零件 ; 钢平法兰 钢弹头 凿岩机缸体等碳钢 合金钢零件 高能率成形 高能率成形是指在极其短的时间内释放高的能量使金属变形的成形方法 高能率成形主要有爆炸成形 电液成形和电磁成形等几种方式 (1) 爆炸成形 利用物质爆炸瞬间所释放出的巨大化学能使金属坯料变形成为所需形状的加工方法, 如图 3.35 所示 以水作为成形的介质, 使坯料固定在压边圈和凹模之间,

80 第 3 章金属塑性成形 71 爆炸时形成高速 高压冲击波在水中传播, 使毛坯在极短时间内成形 爆炸成形的特点如下 1 模具 设备简单, 其中模具仅用凹模即可 2 能提高材料的塑性变形能力, 适用于塑性差的难成形材料 3 可以用于大型零件成形, 爆炸成形不受模具的限制, 不需要专用设备 爆炸成形可以用于板材剪切 冲孔 弯曲 拉深 翻边 胀形 扩口 缩口 压花等工艺, 也可用于爆炸焊接 表面强化 构件装配及粉末压制等 (2) 电液成形 将高压电加到两电极上产生高压放电, 于是在放电回路中形成强大的冲击电流, 在电极周围的液体介质中产生冲击波及液流冲击, 使毛坯成形, 如图 3.36 所示 电液成形主要应用于板材的拉深 胀形 翻边和冲孔等 (3) 电磁成形 电磁成形是利用脉冲磁场对金属坯料进行高能成形的一种加工方法 成形线圈放电时, 管坯内表面的感应电流与线圈内的放电电流方向相反, 这两种电流产生的磁场在线圈内部空间因方向相反而抵消, 在线圈和管坯之间因方向相同而加强, 其结果是管坯内表面受到强大的磁场压力, 使管坯胀形, 如图 3.37 所示 电磁成形主要用于管坯胀形和缩径以及坯料成形 此外还用于管材的缩口 翻边等 电极水凹模坯料 高压电源 线圈 坯料 至高压电源 图 3.35 爆炸成形图 3.36 电液成形图 3.37 电磁成形 3.6 习题与思考题 1. 自由锻的工序有哪些? 各应用于哪些零件的成形加工? 2. 模锻与自由锻相比有哪些特点? 3. 试简述锤上模锻的模膛的分类和各种模膛完成什么工作 4. 试述热模锻压力机 平锻机 摩擦压力机上模锻和胎模锻各有什么特点 5. 冲裁变形过程分哪几个阶段? 冲裁件断裂面分哪几个区域?

81 72 金属工艺学 6. 弯曲成形过程和拉深成形过程的工艺要点是什么? 7. 简述冲压模具的种类和分别有哪些特点 8. 精密模锻与普通模锻相比有何特点? 9. 挤压 轧制 拉拔各主要用于生产哪些类型的产品? 高能率成形的各种方法中有哪些共同特点?

82 第 4 章焊 接 通过加热或加压, 或两者并用, 并且用或不用填充材料, 使连接件达到原子结合的加工方法, 称为焊接 其实质是使被焊金属的原子之间相互扩散, 相互结合, 并形成整体的过程 它属于永久性连接金属的工艺方法 根据实现原子结合基本途径的不同, 可将种类繁多的焊接方法归纳为三大类 (1) 熔焊 即在焊接过程中, 把焊件接头局部加热到熔化状态, 不加压力, 靠熔化金属冷却结晶成一体而完成焊接的方法, 例如电弧焊 埋弧自动焊 气体保护焊等 (2) 压焊 焊接过程中必须对焊接接头施加压力 ( 或同时加热 ) 以完成焊接的方法, 谓之压焊, 例如锻焊 电阻焊 冷压焊等 (3) 钎焊 采用比母材熔点低的金属材料作钎料, 把钎料与焊件加热到高于钎料熔点 低于母材熔点的温度, 使液态钎料润湿母材 填充接头间隙并与母材相互扩散, 然后冷却结晶而形成接头 4.1 熔焊 熔焊基本原理无论是哪一种熔焊方法都包含加热 化学冶金反应 结晶和相变三个互相交错, 彼此联系的过程 焊接时, 热源相对移动, 焊件上各点最高加热温度及达到最高温度的时间不同, 即相当于焊件上各点经受不同规范的热处理, 从而引起近缝区组织和性能的差异 一般熔焊中, 焊接接头包括焊缝 熔合区和热影响区, 如图 4.1 一般情况下, 焊缝金属为柱状晶, 只有在大断面焊缝的上部有少量等轴晶 ( 电渣焊除外 ), 焊缝性能不一定低于母材 熔合区虽然窄 (0.1~0.4 mm), 但组织和性能都不均匀, 是裂纹和局部脆性破坏的发源地 热影响区中的过热区, 由于晶粒严重长大, 韧性 塑性极差 ; 如果焊件在焊前未经过冷变形, 则不存在再结晶区 淬硬倾向大的材料, 焊接接头组织和性能与低碳钢不尽相同 无论用哪一种材料焊接, 焊接接头熔合区和热影响区越窄越好, 其大小与材料 焊接方法 焊接规范和焊后冷却速度等多种因素有关

83 74 金属工艺学 图 4.1 焊接接头示意图 熔焊方法 特点及应用熔焊的方法很多, 生产中用得较普遍的是手弧焊 埋弧自动焊 气体保护焊等 1. 手弧焊用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法称为手弧焊, 如图 4.2 所示 焊接方向 焊缝 ;2 渣壳 ;3 熔滴 ;4 药皮 ;5 焊芯 6 焊钳 ;7 弧焊机 ;8 工件 ;9 金属熔池 ;10 电弧 图 4.2 手弧焊焊接过程示意图

84 第 4 章焊接 75 (1) 焊接电弧焊接电弧是由电源供给的, 在具有一定电压的两电极间或电极与母材 ( 被焊金属材料的统称 ) 间 气体介质中产生强烈持久的放电现象 电极可以是金属丝 钨极 碳棒或焊条, 一般手工电弧焊都使用焊条 电弧引燃后 ( 如图 4.3 所示 ), 弧柱中就充满了高温电离气体, 放出大量的热能和强烈的光 电弧的热量与焊接电流和电压的乘积成正比, 电流愈大, 电弧产生的总热量就愈大 一般来说, 电弧热量在阳极区产生得较多, 约占总热量的 43%; 阴极区因放出大量电子时消耗一定能量, 所以产生的热量较少, 约占 36%; 其余的 21% 左右是在弧柱中产生的 手工电弧焊只有 65%~85% 的热量用于加热和熔化金属, 其余则散失在电弧周围和飞溅的金属滴中 图 4.3 电弧电弧中阳极区和阴极区的温度因电极材料 ( 主要是电极熔点 ) 不同而有所不同 用钢焊条焊接钢材时, 阳极区温度约 2600, 阴极区温度约 2400, 电弧中心区温度最高, 可达到 6000~8000 由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定差异, 在使用直流电焊机焊接时, 有两种接线方法 : 正接或反接 正接是将工件接到正极, 焊条 ( 或电极 ) 接到负极, 因此对工件加热较多 ; 反接是将工件接到负极, 焊条 ( 或电极 ) 接到正极 (2) 手弧焊设备 1 对手弧焊电源设备的要求为了安全 便于引弧, 应有适当的空载电压和较高的引弧电压 ; 当电弧稳定燃烧时, 电流增大, 电压应急剧降低, 还应保证焊条与焊件短路时, 短路电流不应太大, 同时焊接电流应能根据不同的产品和焊接条件进行调节 ; 弧焊机应结构简单 维修方便 2 手弧焊电源设备手弧焊电源设备的种类有交流弧焊机和直流弧焊机两类 直流弧焊机所供给焊接电弧的电流是直流电, 其特点是能够得到稳定的直流电, 因此电弧稳定, 焊接质量较好 ; 但是直流弧焊机结构复杂, 成本高, 维修困难, 工作时噪声大 交流弧焊机供给焊接电弧的电流是交流电, 其特点是焊机结构简单, 制造方便, 成本低, 使用可靠, 维修容易, 工作时噪声小, 但电弧稳定性较直流弧焊机差 (3) 焊条 1 焊条的组成和作用焊条是涂有药皮的供手弧焊用的溶化电极 焊条由药皮和焊芯两部分组成 焊芯在焊接过程中是导电的电极, 同时焊芯本身熔化作为填充金属和熔化的母材共同形成焊缝金属 焊芯的质量会直接影响焊缝的质量, 焊丝的化学成分按用途 牌号不同由国标规定, 杂质含量如硫 磷都很低 药皮是压涂在焊芯表面的涂料层 它在焊接过程中所起的主要作用有 : 机械保护作用,

85 76 金属工艺学 防止空气进入焊缝 ; 冶金作用, 如脱氧 脱磷和渗合金元素等 ; 使焊条有良好的工艺性能, 如稳弧 脱渣 成型美观等 2 焊条的分类焊条按熔渣化学性质分有两大类 酸性焊条 指药皮中含有多量酸性氧化物如 SiO 2 TiO 2 的焊条 焊接时电弧稳定, 飞溅小, 脱渣性较好, 抗气孔能力强, 但药皮氧化性强, 焊缝抗裂性较差 可用于交 直流电源焊接一般的焊接结构 碱性焊条 药皮中含有多量碱性氧化物如 CaO 和萤石 CaF 2 的焊条 焊接时焊缝中 O 2 N 2 H 2 少, 药皮脱氧性较好, 抗裂性能好, 但最大的缺点是对油 水 铁锈敏感, 易产生气孔 故焊前需在 350 左右烘烤 1~2 小时, 并彻底清除油污和铁锈等 一般宜用直流反接 ( 即焊件接电源负极 ), 常用于重要结构的焊接 焊条按用途可分为结构钢焊条 钼和铬钼耐热钢焊条 低温焊条 不锈钢焊条 堆焊焊条 铁及镍合金焊条 铜及铜合金焊条 铝及铝合金焊条 铸铁焊条及特殊用途焊条等 焊条型号, 由国家标准分别规定各类焊条的型号编制方法, 如国家标准规定碳钢焊条型号是以字母 E 加四位数字组成, 即 E 字母 E 表示焊条 前两位数表示熔敷金属抗拉强度的最小值 第三位数字表示焊接位置,0 及 1 表示焊条适用于全位置 ( 即平焊 立焊 横焊 仰焊 ) 焊接,2 为平焊及平角焊等 第三 四位数字组合时表示焊条的药皮类型及适用的电源种类 ;03 为钛钙型药皮, 交 直流电源均可 ;02 为氧化铁型药皮, 交流或直流正接等 例如 E4303,E 焊条 ;43 熔敷金属的抗拉强度 43 kgf/mm 2 (MPa);0 焊条适用于全位置焊接 ;03 钛钙型药皮, 电流种类为交流或直流正 反接 焊条选用应按等性能原则, 并考虑焊件的结构特点 工作条件 生产批量 施工条件及经济性等因素合理选用焊条的型号 (4) 手弧焊工艺参数的确定手弧焊的工艺参数主要包括焊条直径 d 焊接电流 I 电弧电压 U 和焊接速度 V 等 其确定是否合理对焊接质量有重要影响 1 焊条直径 d 一般按焊件厚度选取相应的焊条标准直径, 通常 δ<4 mm 时, 取 d =δ,δ>1 mm, 则取 d=3~6 mm 非平焊缝 多层焊第一道焊缝选用小直径焊条 2 焊接电流 I 电流过小, 易引起夹渣未焊透, 电流过大, 易产生咬边 烧穿或使接头组织过热等 但适当增大电流能提高生产率 平焊时可按经验公式计算电流 : 即 I=10d 2 (A) 若为非平焊位置或使用碱性焊条等, 电流值适当减小 3 电弧电压 U 电弧越长, 电压越高 电弧过长, 则燃烧不稳, 飞溅加大, 熔深变小, 而且保护不良 故焊接时尽量用短弧

86 第 4 章焊接 77 4 焊接速度 V 在保证焊透的情况下, 采用较大的焊接速度可提高生产率并可减小过热区 2. 埋弧自动焊 埋弧自动焊是将手弧焊接过程中的引燃电弧 送进 和移动焊丝 电弧移动等动作由机械来完成, 且电弧在焊剂层下燃烧的一种焊接方法 (1) 埋弧自动焊的设备与焊接材料 埋弧自动焊的设备如图 4.4 所示, 它主要由焊接电源 控制箱及焊接小车等组成 图 4.4 埋弧自动焊机外形图 (2) 埋弧自动焊的过程与工艺 埋弧焊焊接过程如图 4.5 所示 电源与导电嘴 6 和焊件 1 相接, 焊剂 2 流经漏斗 3 均匀地堆覆在焊件上, 形成厚度 40~60 mm 的焊剂层 焊丝 4 经送丝滚轮 5 和导电嘴连续进入焊剂层下的电弧区, 维持电弧燃烧 随着焊接小车的匀速行走, 实现电弧沿焊缝自行移动 1 工件 ;2 焊剂 ;3 焊剂漏斗 ;4 焊丝 ; 5 送丝滚轮 ;6 导电嘴 ;7 焊缝 ;8 渣壳 图 4.5 埋弧自动焊焊接过程

87 78 金属工艺学 埋弧自动焊焊缝形成过程如图 4.6 所示, 在焊剂层下燃烧的电弧使其附近的焊丝 焊件和焊剂熔化, 并蒸发出气体 焊丝 焊件熔化形成熔池, 焊剂熔化形成熔渣, 蒸发的气体使液态熔渣形成一个笼罩着电弧和熔池的封闭的熔渣泡 具有表面张力的熔渣泡有效阻止空气侵入熔池和熔滴, 使熔化金属得到焊剂层和熔渣泡的双重保护, 同时阻止熔滴向外飞溅, 减少热量损失, 加大熔深 随着焊丝沿焊缝前移, 熔池凝固成焊缝, 比重轻的熔渣结成覆盖焊缝的渣壳 没有熔化的大部分焊剂回收后可重新使用 埋弧自动焊的焊丝从导电嘴伸出的长度较短, 所以可大幅度提高焊接电流, 使熔深明显加大 一般埋弧焊电流强度比焊条电弧焊高 4 倍左右 小于 24 mm 的板厚对接焊时, 不开坡口也能将工件焊透, 但为保证焊接质量, 一般当板厚在 10 mm 以上时就要开坡口 埋弧自动焊也适于焊接大直径 (>250 mm) 筒体环焊缝, 焊接时需采用滚轮架, 使被焊筒体转动, 而焊丝位置不动, 如图 4.7 所示 图 4.6 埋弧自动焊焊缝形成过程 图 4.7 环焊缝埋弧焊示意图 埋弧自动焊的工艺参数 ( 焊丝直径 焊接电流 电弧电压和焊接速度等 ) 决定着焊接质量和生产率 一般情况下, 电流越大, 熔深越深, 焊接速度越快, 生产率越高 (3) 埋弧自动焊的特点与应用 1 埋弧自动焊的优点 : 生产率高, 因焊丝外无药皮, 故焊接电流可以比焊条电弧焊大得多, 且焊接过程可连续进行而无需停弧换焊条, 所以生产率比焊条电弧焊提高 5~10 倍 ; 焊缝质量好, 由于熔池保护效果好, 液态保持时间长, 冶金反应比较充分, 焊接工艺参数稳定, 故焊缝质量好, 且成形美观 ; 成本低, 因熔深大, 工件可不开或少开坡口, 没有焊条头损失和飞溅, 所以节约了焊接材料 加工工时及电能消耗 ; 劳动条件好, 无弧光伤害, 烟尘少, 劳动强度低, 对焊工技术水平的要求大大降低 2 埋弧自动焊的缺点 : 适应性差, 通常只适于水平位置焊接直缝和环缝 ; 对焊前准备要求严, 工件坡口加工要求较高, 在装配时需保证组装间隙均匀 ; 焊接设备较复杂, 设备费用一次投资较大

88 第 4 章焊接 79 因此, 埋弧自动焊主要用于成批生产厚度为 6~60 mm 处于水平位置的长直焊缝或较大直径的环形焊缝 ; 适焊材料有钢 镍基合金 铜合金等 ; 在造船 锅炉 压力容器 桥梁 车辆 工程机械 核电站等工业生产中得到广泛应用 3. 气体保护电弧焊 ( 气体保护焊 ) 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法, 称为气体保护焊 常用的有氩弧焊和二氧化碳气体保护焊 (1) 氩弧焊氩弧焊是用氩气作为保护气体的电弧焊 根据焊接过程中电极是否熔化, 可分为熔化极氩弧焊 ( 图 4.8a) 和不熔化极 ( 钨极 ) 氩弧焊 ( 图 4.8b) (a) 熔化极氩弧焊 (b) 不熔化极 ( 钨极 ) 氩弧焊 1 焊件 ;2 熔滴 ;3 氩气 ;4 10 喷嘴 ;5 11 氩气喷管 6 熔化极焊丝 ;7 9 导电嘴 ;8 非熔化极钨丝 ;12 外加焊丝 图 4.8 氩弧焊示意图 图 4.8a 是熔化极氩弧焊的工艺原理图 氩气从喷嘴中喷出, 在电弧区形成连续封闭的气体保护区, 使焊丝和熔池与空气隔离 由于氩气是惰性气体, 既不与金属起化学反应, 也不溶于金属, 所以氩气保护很有效, 焊接质量高 多用于中厚板 (25 mm 以下 ) 的焊接 图 4.8b 是钨极氩弧焊工艺原理图, 由于焊接电流小, 钨极又受氩气流的冷却作用, 所以钨极不会熔化 焊缝需要用焊丝熔化填充 多用于焊接 4 mm 以下的薄件 氩弧焊的优点是 : 焊接质量高 ; 热影响区小, 焊件变形小 ; 电弧稳定, 飞溅小, 表面无熔渣 ; 明弧操作, 便于观察, 焊接工艺简单 ; 易于实现机械化和自动化 缺点是焊接成本高

89 80 金属工艺学 (2)CO 2 气体保护焊 CO 2 气体保护焊是用 CO 2 气体作为保护气体, 以焊丝作电极, 以自动或半自动方式进行焊接 目前应用较多的是 CO 2 半自动焊 CO 2 焊的焊接过程如图 4.9 所示 焊丝由送丝轮经导电嘴送进, 在焊丝和焊件间产生电弧,CO 2 气体经焊枪的喷嘴沿焊丝周围喷射形成保护层, 使电弧 熔滴和熔池与空气隔绝 由于 CO 2 气体是氧化性气体, 在高温下气体分解后要氧化金属, 烧损合金元素, 所以不能焊接易氧化的非铁金属和高合金钢等 因 CO 2 气体冷却能力强, 熔池凝固快, 焊缝中易产生气孔 若焊丝中含碳量高, 飞溅较大, 则要使用焊接冶金过程中能脱氧和渗合金的特殊焊丝来完成 CO 2 焊 常用的 CO 2 焊焊丝是 H08Mn2SiA, 适于焊接低碳钢和抗拉强度在 600 MPa 以下的普通低合金结构钢 还可使用 Ar 和 CO 2 混合保护气体, 焊接强度级别较高的普通低合金结构钢 图 4.9 CO 2 气体保护焊示意图 一般情况下,CO 2 焊无需接干燥器, 甚至不需要预热器 但用于 300 A 以上的焊枪时要水冷 为了电弧稳定, 飞溅少,CO 2 焊接采用直流反接 CO 2 焊目前广泛用于造船 机车车辆 汽车制造等工业生产 对于单件 小批生产的焊件或短曲 不规则焊缝, 采用半自动焊 ( 送丝自动, 电弧移动靠手工操作 ); 对于成批生产的焊件或长直焊缝和环焊缝, 可采用自动焊 ( 送丝和电弧移动均自动进行 ) CO 2 气体保护焊的优点 : 成本低,CO 2 气体比较便宜, 焊接成本是埋弧自动焊的 40% 左右 ; 生产率高, 焊丝送进自动化, 电流密度大, 电弧热量集中, 所以焊接速度快, 且不需要清渣 ; 操作性能好,CO 2 保护焊是明弧, 可清楚看到焊接过程, 操作灵活, 适合全位置焊接 ; 焊接质量好,CO 2 保护焊焊缝含氢量低, 电弧热量集中, 热影响区小, 变形和开

90 第 4 章焊接 81 裂倾向也小 缺点是 : 焊缝成形差, 飞溅大 ; 烟雾较大, 控制不当易产生气孔 ; 设备使用和维修不便 4. 其他熔焊方法 熔焊还包括气焊 电渣焊 等离子弧焊等 4.2 压焊 电阻焊 电阻焊是利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热, 将焊件加热到塑性或局部熔化的状态, 再施加压力形成焊接接头的焊接方法 根据接头形式和焊接工艺过程的不同, 电阻焊又可分为搭接电阻焊和对焊两大类 1. 搭接电阻焊 (1) 点焊点焊是焊件装配成搭接接头, 并压紧在两电极之间, 利用电阻热熔化母材金属, 形成焊点的电阻焊方法 如图 4.10a 所示 点焊适于大多数材料, 主要用于厚度为 0.5~8 mm, 无气密性要求的工件焊接 (2) 缝焊缝焊是焊件装配成搭接或对接接头并置于两滚轮电极之间, 滚轮加压焊件并转动, 连续或断续送电, 形成一条连续焊缝的电阻焊方法, 如图 4.10b 所示 主要用于有气密性要求的工件焊接 焊件厚度小于 (3+3)mm (a) 点焊 (b) 缝焊 图 4.10 搭接电阻焊示意图

91 82 金属工艺学 点焊 缝焊焊接主要是利用工件内阻热, 其优点是加热时间短, 热影响区小, 变形小, 机械化自动化程度高, 生产率高, 操作简单 但点焊 缝焊的焊接质量不稳定, 设备复杂, 采用搭接接头增加了产品重量, 且短时间 大电流的功率对电网负荷不利, 故其应用受到一定限制 2. 对焊 (1) 电阻对焊将焊件装配成对接接头, 使其端面紧密接触, 利用电阻热加热至塑性状态, 然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法称为电阻对焊, 如图 4.11a 所示 主要用于焊接直径小于 20 mm, 断面不大而紧凑的零件, 也可用于棒材 管材 板材的焊接 电阻对焊具有加热不均匀, 热影响区宽, 接头有很大突起, 接头清理要求严, 易产生夹渣等缺点 (2) 闪光对焊焊件装配成对接接头, 接通电源, 并使其端面逐渐移近达到局部接触, 利用电阻热加热这些接触点 ( 产生闪光 ), 使端面金属熔化, 直至端部在一定深度范围内达到预定温度时, 迅速施加顶锻力完成焊接的方法称为闪光对焊, 如图 4.11b 所示 (a) 电阻对焊 (b) 闪光对焊 图 4.11 对焊示意图 闪光对焊除可焊同种金属外, 并适于异种金属的焊接, 如铝 - 铜等, 焊接截面可达 1000 mm 2 闪光对焊接头夹渣少, 接头质量好, 清理要求不如电阻对焊的高, 强度比电阻对焊的高, 焊件形状 尺寸应用范围广, 但接头有毛刺, 需用专门设备去除 其他压焊方法 除电阻焊外, 常见的压焊方法还有摩擦焊 超声波焊 爆炸焊等 摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦产生的热, 使端面达到热塑性状态, 然后迅速顶锻,

92 第 4 章焊接 83 完成焊接的一种焊接方法 它具有质量好 稳定 生产率高 易于实现自动化 表面清理要求不高等优点, 特别适于异种材料焊接, 但设备投资大, 工件必须有一个是回转体, 不宜焊摩擦系数小或脆性的材料 超声波焊接是利用超声波的高频振荡能对焊件接头进行局部加热和表面清理, 然后, 施加压力实现焊接的一种压焊方法 由于焊接表面无变形, 无热影响区, 因此焊接质量好, 并且表面无需严格清理, 适于厚度小于 0.5 mm 的工件焊接, 尤其适于异种材料焊接, 但其功率小, 应用受限 爆炸焊是利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞, 实现连接焊件的一种压焊方法 该方法主要用于材料性能差异大而用其他方法难焊的场合, 如 : 铝 - 钢, 钛 - 不锈钢, 钽 锆等的焊接, 也可用于制造复合板, 无需专用设备, 工件形状 尺寸基本不受限制, 但以平板 圆柱 圆锥形为宜 4.3 钎焊 1. 基本原理 钎焊时母材不熔化, 填充材料 ( 钎料 ) 熔化, 焊接过程中熔化的液态钎料润湿工件, 并依靠毛细作用吸入和保持在被焊接头的间隙内, 通过与固态母材之间的相互扩散形成金属结合 2. 钎焊方法分类 特点及应用 钎焊加热温度低, 母材不熔化, 焊接冶金过程较熔化焊简单, 焊接应力和变形小, 尺寸精度高, 但焊接接头强度较低, 耐热性较差, 并且多采用搭接接头, 增加了结构重量, 因此多用于仪器 仪表 微电子器件 真空器件的焊接 根据钎料的熔点, 钎焊可分为硬钎焊和软钎焊两大类 硬钎焊钎料熔点大于 450, 接头强度在 400~500 MPa 之间 ; 用于工作温度高, 受力较大的工件焊接, 但承载不如熔焊接头大 ; 一般用于自行车三角架焊接 车刀刀头与刀杆焊接 双层卷焊管焊接和工艺品焊接等 软钎料熔点小于 450, 接头强度小于 70 MPa; 用于工作温度低, 受力较小的工件焊接 ; 一般用于半导体器件引脚焊接和大功率管芯片焊接等 3. 钎焊工艺 钎焊工艺过程包括 : 焊前准备 ( 除油 机械清理 ); 然后安置钎料, 加热 ; 钎料熔化 冷却后, 形成接头 ; 最后焊后清理 检验

93 84 金属工艺学 钎焊时为保证液态钎料顺利润湿母材, 铺展成膜, 一般采用钎剂去除工件上的氧化膜, 并以液态层隔绝氧, 防止进一步氧化, 同时起界面活化作用, 改善润湿性 常用的钎剂有硼砂 硼酸 氟化物 松香等, 也可以在保护气或真空条件下钎焊 钎焊的加热方法很多, 除传统的烙铁 火焰 电阻 感应 盐浴等加热方法外, 在半导体制造业中还广泛采用红外 激光 气相 ( 凝聚 ) 加热 4.4 常用金属材料的焊接 金属材料的焊接性 1. 焊接性 焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性, 即在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度 它包括两方面的含义, 一是接合性能, 二是使用性能 焊接性好的金属, 应是焊接工艺简单, 焊接接头完整, 且能满足使用要求 2. 焊接性的评定 在焊接结构中最常用的材料是钢材, 通常用碳当量来评定钢的焊接性 将钢中合金元素的含量, 按其对焊接性的影响换算成碳的相当含量, 加上碳含量, 总和称为碳当量 国际焊接学会推荐的碳当量计算公式为 : C eq =C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 (%wt) 实践证明, 钢的碳当量越高, 焊接性越差 当 C eq <0.4% 时, 钢的焊接性良好 ; 当 C eq =(0.4~0.6)% 时, 钢的焊接性尚可 ;C eq >0.6%, 钢的焊接性不好 除化学成分对钢的焊接性产生影响外, 焊件的厚度等其他因素也对其有影响, 所以应综合分析 钢的焊接 根据钢的焊接性评定方法, 高碳钢及某些高合金钢的焊接性低劣, 易产生淬硬组织和裂纹, 很少进行焊接 ; 中碳钢及中碳合金结构钢的焊接性也比较差, 一般不作焊接结构 1. 碳钢的焊接 (1) 低碳钢的焊接 其焊接性良好, 在一般焊接工艺条件下就能获得良好的焊接接头, 并且适应于各种焊接方法的焊接 在焊接厚件, 结构复杂的焊件, 以及低温下焊接较大刚

94 第 4 章焊接 85 度的结构时, 可能产生较大的内应力, 应适当预热 (2) 中 高碳钢的焊接 它们属于易淬火钢, 焊接过程中, 热影响区易产生淬硬组织, 而且因母材碳含量较高, 渗入熔池后增大焊缝的碳含量, 降低其塑性, 增加开裂倾向 因此, 焊接此类钢时, 应采取相应的焊接工艺措施, 如焊前预热 (150 ~250 ), 焊后热处理, 并用小规范 ( 细焊条 小电流 ) 进行焊接 2. 合金钢的焊接 合金钢因含有合金元素, 焊接性能较差 低合金结构钢进行焊接的比较多, 而合金渗碳钢与合金调质钢则很少用来制造焊接结构件 高合金钢中, 除奥氏体不锈钢外, 很少用于焊接生产 (1) 低合金结构钢的焊接 这类钢中碳当量 C eq <0.4% 时, 焊接性良好, 可采用手弧焊和埋弧焊, 不需要采取特殊的焊接工艺措施即可焊接 对于强度等级 σ s 450 MPa,C eq >0.4% 的低合金结构钢, 焊接时, 热影响区有较大的淬硬倾向, 冷裂倾向加剧, 需要采取焊前预热 ( 150 ), 调整焊接规范及焊后热处理等工艺措施 (2) 不锈钢的焊接 不锈钢焊接中, 应用最广泛的是奥氏体不锈钢, 其焊接性良好, 可采用手弧焊 埋弧焊和氩弧焊等方法焊接 焊接时, 选用与母材成分相同的焊条进行焊接 还应当注意, 不锈钢的焊接易产生晶界腐蚀和热裂纹, 这是因为高温下晶界处析出碳化铬, 使其附近的铬含量下降, 失去了耐热能力 另外, 在晶界处易形成低熔点共晶 ( 含 P S Si 等 ) 体, 产生热裂纹 可采取控制 S P 量 小电流 速焊和强制冷却等措施予以解决 铸铁的焊补 铸铁的焊接性很差, 不能用来制造焊接结构件 但是, 如果在铸铁生产中出现铸造缺陷, 铸铁零件在使用过程中发生局部损坏, 可用焊补修复 铸铁焊补易产生白口组织 气孔与裂纹 焊补的方法分热焊和冷焊两种 1. 热焊 焊前将焊件预热至 600 ~700, 并在焊补过程中, 温度不低于 400, 焊后缓慢冷却, 以防止白口组织和裂纹的产生 热焊质量较好, 可进行机械加工, 但工艺复杂, 生产率低, 劳动条件差 2. 冷焊 焊前不预热或预热温度低于 400, 进行焊补, 称为冷焊 铸铁的焊补一般采取手弧焊或气焊, 用专用铸铁类焊条 一般根据铸铁件的情况和要

95 86 金属工艺学 求选用热焊或冷焊 如某些缺陷的焊补, 只要求密封性, 采用冷焊比较合理, 若采用热焊, 可能引起焊接其他部位尺寸的变化 确定冷 热焊之后, 选择是采用手弧焊还是气焊, 然后再选择焊条丝材料与熔剂, 最后编制施焊工艺 有色金属及合金的焊接 1. 铝及铝合金的焊接 焊接铝及其合金的主要困难如下 (1) 易氧化 铝极易被氧化形成难熔的氧化铝薄膜 (A1 2 O 3 膜 ), 熔点为 2050, 厚度只有 0.1~0.2 μm, 但却非常致密 它覆盖在金属表面, 阻碍金属熔合, 且氧化铝密度大, 不易浮出熔池, 难于排除, 易形成夹渣缺陷 (2) 易产生缺陷 液态铝能溶解大量氢, 而铝在固态时几乎不溶解氢, 因此易生成气孔 ; 高温时铝的强度 塑性很低, 热膨胀系数大, 易产生较大的焊接应力 变形和裂纹 ; 铝及铝合金由固态加热到液态时无颜色变化, 故操作时难以掌握加热温度, 易烧穿 另外, 铝和铝合金的焊接接头的耐蚀性一般都低于焊件 焊接铝及其合金常用的方法有氩弧焊 电阻焊 钎焊和气焊 目前, 氩弧焊是焊接铝和铝合金最为理想的方法 由于氩弧焊保护效果好, 以及采用适当电源极性对熔池表面氧化膜产生 阴极破碎 作用, 自动去除氧化膜, 因此焊缝质量好, 成形美观, 焊接变形小, 接头耐蚀性好 为保证焊接质量, 焊前应严格清洗焊件 焊丝, 并使之干燥 氩弧焊多用于焊接质量要求高的构件, 所用的焊丝成分应与焊件成分相同或相近 电阻焊焊接铝及铝合金时, 焊前必须清除焊件表面的氧化膜, 焊接时应采用大电流 对焊接质量要求不高的铝及铝合金焊件, 可采用气焊 焊前必须清除焊件表面氧化膜, 焊接时用熔剂 [CJ 401( 气剂 401)] 去除氧化物, 并用焊丝不断挑破金属液表面的氧化膜 为防止熔剂对焊件的腐蚀, 焊后应立即将残余熔剂冲洗掉 此法灵活方便, 成本低, 但生产率低, 焊接变形大, 接头耐蚀性差 通常用于焊接薄板 ( 厚度 0.5~2 mm) 构件和焊补铝铸件 2. 铜及铜合金的焊接 铜和铜合金的焊接性较差, 主要存在的问题是 : (1) 铜的热导性好, 焊接时要求热源集中, 焊前要预热, 否则易产生未焊透或末熔合等缺陷 (2) 铜的线胀系数大, 凝固时收缩率也大, 因此焊接应力与变形大 (3) 铜在高温时极易与氧形成氧化亚铜 (Cu 2 O), 它与铜形成低熔点共晶体 (Cu 2 O-Cu),

96 第 4 章焊接 87 分布在晶界上, 易产生热裂纹 (4) 铜在液态时能溶解大量氢气, 凝固时溶解度急剧下降, 若氢气来不及析出, 就夹杂在焊缝中形成气孔 此外, 高温时氢与氧反应生成水汽不溶于铜液, 也易引起气孔 焊接黄铜时会产生锌的蒸发, 使黄铜焊缝的强度和耐蚀性下降 锌蒸气有毒, 对人体有害 焊接铜及铜合金常用的方法有氩弧焊 气焊和钎焊等 氩弧焊是焊接紫铜和青铜的有效方法 可用特制的含硅 锰等脱氧元素的紫铜焊丝, 如 HS201( 丝 201) HS202( 丝 202) 直接进行焊接, 若用一般的紫铜丝或从焊件上剪条作焊丝, 则必须使用熔剂, 以保证焊接质量 焊接黄铜常用气焊, 这不仅因为气焊温度较低, 锌的蒸发较少, 面且由于气焊可采用轻微氧化焰和含硅焊丝相配合, 使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜, 保护效果强, 焊接质量高 4.5 焊接结构工艺性 1. 焊接应力和焊接变形 焊接时, 焊件不均匀的局部加热和冷却是焊接应力和变形产生的根本原因 一般焊缝区受热温度高, 冷却收缩大, 并受到两边固态金属阻碍, 焊后总是受拉应力 ; 而两边金属受压应力, 并互相平衡 任何情况下, 焊接应力总是存在的, 当焊接应力超过相应温度下的屈服点时, 焊件产生变形, 焊接变形的基本形式如图 4.12 所示 (a) 横向纵向收缩变形 (b) 角变形 (c) 弯曲变形 (d) 扭曲变形 (e) 波浪变形 图 4.12 焊接变形的基本形式 变形焊件可在焊后用机械或加热方法进行矫形 焊接应力和变形的存在将影响工件的机械加工精度, 降低构件承载能力 当焊接应力超过极限值时, 焊件将产生裂纹甚至断裂, 因此必须采取措施, 预防和减少焊接应力和变形

97 88 金属工艺学 2. 焊接结构设计的原则 (1) 尽量减少焊缝的数量 可采用型材和冷冲压件代替板料拼接, 如图 4.13 所示 (a) 用四块钢板焊成 (b) 用两根槽钢焊成 (c) 用两块钢板弯曲后焊成 图 4.13 减少焊缝数量 (2) 焊缝布置尽量对称, 如图 4.14 所示 (3) 尽量避免焊缝密集交叉, 如图 4.15 所示 (a) (b) (a) 不合理 (c) (d) (b) 合理 图 4.14 焊缝对称布置 图 4.15 焊缝分散布置 (4) 不同厚度工件焊接时, 接头处应平滑过渡 3. 在工艺上常采用的措施 (1) 反变形法, 如图 4.16 所示 (a) (b) (c) (d) (a) (c) 焊前 ; (b) (d) 焊后 图 4.16 反变形法

98 第 4 章焊接 89 (2) 刚性固定法, 可采用工装夹具或定位焊固定, 如图 4.17 所示 母材塑性差的慎用 (3) 合理选择焊接顺序, 如图 4.18 所示 (a) 合理的焊接顺序 (b) 不合理的焊接顺序 图 4.17 使用夹具的刚性固定法 图 4.18 平板拼焊的焊接顺序 (4) 焊前预热, 重要的工件可整体预热 ; 还有局部预热, 即焊前选择工件的合理部位局部加热, 可减少应力的产生, 如图 4.19 所示 (a) 焊前 (b) 焊后 图 4.19 加热去应力 (5) 选用能量集中的焊接方法施焊或采取措施减小焊接热影响区 (6) 焊后热处理可改善焊接接头组织和消除残余应力 4.6 习题与思考题 1. 金属焊接的实质是什么? 2. 焊接分为哪三大类? 划分的依据是什么? 3. 何谓热影响区? 焊接低碳钢时, 其热影响区分为哪几个区? 4. 什么是电弧的极性? 如何选用?

99 90 金属工艺学 5. 电焊条由哪几部分组成? 其作用是什么? 如何选用? 焊条的种类是怎样划分的? 6. 什么是埋弧焊? 它与手弧焊比较有哪些特点? 7. 何谓气体保护焊? 常用的有哪几种? 其应用如何? 8. 电阻焊的实质是什么? 其特点如何? 9. 钎焊的实质是什么? 有哪些特点? 10. 铸铁的补焊有哪些方法? 11. 铜及铜合金的焊接特点是什么? 12. 铝及铝合金的焊接特点是什么? 13. 为了防止与减少焊接应力和变形, 可以采取哪些措施?

100 第 5 章毛坯选用 5.1 机械零件毛坯选择的原则 生产中常用的机械零件大多数是通过铸造 锻压和焊接等方法加工成毛坯, 再经切削加工制成成品 毛坯的选择, 将会直接影响零件乃至整部机械的制造质量和使用性能, 而且对零件的制造工艺过程 生产周期和成本也有很大影响 因此, 正确地选择毛坯是机械设计和制造中的重要任务之一 实际生产中毛坯选择的原则如下 1. 适用性原则 零件使用要求包括对零件形状 尺寸 精度和表面质量的要求, 及工作条件对零件性能的要求 工作条件一般指零件的受力情况 工作温度和接触的介质等 机械中各零件的功能不同, 其使用要求也不同, 甚至有很大差异, 所以它们的毛坯在选材和具体制造方法上差别很大 在任何情况下, 选择毛坯时都应首先保证零件的使用要求 2. 经济性原则 零件的制造成本包括本身的材料费 消耗的燃料和动力费 工资 设备和工艺装备的折旧费, 以及其他辅助性费用 毛坯选择时, 可在保证零件使用性能的条件下, 把几个可供选择的方案从经济上进行分析比较, 从中选择出制造成本最低的方案 3. 可行性原则 考虑生产条件时, 应首先分析本厂的设备条件和技术水平, 考虑能否实现毛坯制造方案的要求 如不能满足要求, 则应考虑某些零件的毛坯可否通过厂间协作或外购解决 4. 环保性原则 环保性原则是指, 在选择成形方法时应考虑到生产过程对环境的影响, 力求做到清洁生产, 与环境相宜 因此, 必须综合考虑资源和环境的关系, 从末端治理转为以防为主,

101 92 金属工艺学 积极采用节能降耗 资源综合利用率高 废弃物排放最少的成形方法和加工方案 由于环境保护问题对当今和未来社会与经济发展的影响正受到越来越多的关注, 所以, 对环保性原则的重视也将会越来越加强 上述四项原则是相互联系的, 考虑时应在保证第一项原则的前提下, 力求做到质量好 成本低 制造周期短和环保的原则 5.2 常用机械零件的毛坯种类和选择 毛坯的种类 常用的机械零件的毛坯有铸件 型材件 锻件和焊接件等几种 (1) 铸件 铸件是采用液态成形, 一般情况下, 铸铁 有色金属及部分碳素结构钢均可用铸造方法来获得铸件 铸件受零件尺寸 形状和重量的限制, 但材料利用率高, 成本低, 应用广泛 (2) 型材件 型材件大都是由冶金后轧制成形的 型材的形状和尺寸品种多样, 常见的形状有圆形 方形 六角形等及特殊形状的断面 (3) 锻件 锻件是金属在固态下塑性流动成形的, 锻件形状较铸件简单 多用于承受重载 动载及复杂载荷的重要件 它生产成本高, 材料利用率低 (4) 焊接件 焊接件是借助于金属原子间的扩散和结合作用, 形成永久性连接 焊接要求原材料强度好 塑性好和液态稳定性好 焊接件的尺寸 形状一般不受限制, 结构轻便, 材料利用率高, 生产周期短, 主要用于制造各种金属结构件, 也用于制造零件的毛坯及修复废旧零件等 毛坯选择应考虑的因素 毛坯的选择包括毛坯的材料 种类和成形方法, 具体选择时应考虑以下因素 (1) 生产批量 当生产量大时, 应采用精度和生产率高的毛坯成形加工方法, 虽然该方法用于毛坯成形加工的设备和工艺装备费用高, 但可通过节省的材料费和机械加工费用等来得到补偿 当产量小时, 则宜采用精度和生产率低的毛坯成形加工方法, 使毛坯容易制造 成本低 生产周期短, 但增加了机械加工的工时和费用 (2) 零件对材料组织和性能以及材料的工艺性能的要求 一般零件材料确定后, 毛坯的种类也就基本确定了 如材料为铸铁时只能选铸件 ; 对于重要的受力复杂的钢质零件, 为获得优良的力学性能, 均应选用锻件, 而不宜采用型材作毛坯

102 第 5 章毛坯选用 93 (3) 结构 形状与尺寸 一般的轴类零件若各段台阶直径相差不大, 可直接选用型材 ; 若直径相差较大, 则可采用锻件 大型零件只能采用自由锻件 砂型铸件或焊接件 (4) 生产条件 选择毛坯时还应考虑现有毛坯成形加工方法的实际工艺水平 设备状况及外协的可能性与经济性等因素 典型机械零件与结构件毛坯的选择 1. 轴杆类零件 常见的轴杆类零件有各种实心轴 空心轴 直轴 曲轴和杆件零件等 根据承载条件的不同, 轴又可分为 : 工作时既承受弯矩, 又传递转矩的转轴, 如车床的主轴 带轮的轴等 ; 主要传递转矩, 而不承受或承受很小弯矩的传动轴, 如车床上的光杆等 ; 仅承受弯矩, 而不传递转矩的心轴, 如自行车 汽车的前轴等 轴杆类零件一般都是重要的受力和传动零件 用于中等载荷或一般要求的轴, 主要选用中碳调质钢 ; 用于重载 冲击及耐磨的轴, 主要选用合金结构钢 用这类材料制造的轴, 其毛坯均采用锻造成形加工方法 有些异形断面或弯曲轴线的轴, 如凸轮轴 曲轴等, 材料采用球墨铸铁, 其毛坯选用铸造成形方法 在某些情况下, 零件毛坯成形方法可选用锻 - 焊 铸 - 焊结合的方法 例如汽车排气阀零件, 可将合金耐热钢的阀帽与普通碳素钢的阀杆焊成一体, 以节约耐热钢材料 有些大型轴杆类零件的毛坯, 例如我国自行设计制造的 t 水压机的立柱, 即采用铸焊结构 ; 该立柱长 18 m, 直径 1 m, 壁厚 0.3 m, 重 80 t, 采用 ZG , 分六段铸造, 以焊接方法焊成整体毛坯 2. 盘套类零件 常见的盘套类零件有齿轮 飞轮 手轮 法兰 套环 垫圈及一些饼块件等 根据各零件功能的不同, 其材料及毛坯选用各不相同 以齿轮为例, 运转时主要受力部分是轮齿, 齿面承受接触应力和摩擦力, 要求轮齿表面有足够的强度和硬度 ; 同时, 齿根部分要承受弯曲应力 ; 齿轮运转过程中有时还受到冲击力, 因此齿轮本体要有一定的强度和韧性 根据以上分析, 一般中小型齿轮应选用综合机械性能良好的中碳结构钢, 重要的齿轮应选用合金渗碳钢 其毛坯生产方法采用型材经锻造而成 结构复杂的大型齿轮, 其毛坯可用铸钢或球墨铸铁铸造而成 在单件生产的条件下, 也可用焊接方法制造大型齿轮的毛坯 低速运转受力不大的齿轮, 可用灰铸铁件为毛坯 高速轻载的普通小齿轮, 为减小噪声也可用非金属材料 ( 如尼龙等 ) 制造 对要求传动精确 结构小巧的仪表齿轮, 可用板料冲裁而成 有些齿轮也可用压铸 粉末冶金等方法制成

103 94 金属工艺学 带轮 飞轮 手轮和垫块等受力不大或承压的零件毛坯, 通常都采用灰铸铁经铸造方法制成 法兰 套环 垫圈等零件, 根据受力情况及形状 尺寸等, 可分别用铸造 锻造成形毛坯或直接用型材下料加工成零件 3. 箱座 支架类零件 常见的机架类零件有各种机械的机身 机架 机座 工作台以及齿轮箱 轴承座 阀体 泵体等 它们的结构一般都比较复杂, 工作条件相差很大, 有的以承压为主, 并要求有较好的刚度和减震性 ; 有的同时承受压应力 拉应力 弯曲应力的作用, 或还有冲击载荷 ; 有的则要求具有良好的耐磨性 ; 有的则要求有好的密封性等 根据这类零件的结构特点和使用要求, 通常采用铸铁以铸造方法制成毛坯 铸铁能制造结构比较复杂的毛坯, 具有良好的耐压 耐磨和减振性, 价格便宜 对受力大 复杂的零件毛坯, 则采用铸钢件 在单件生产或工期紧迫时, 也可采用焊接件制造毛坯, 它的优点可减轻零件重量, 但减振性不如铸铁件 5.3 习题与思考题 1. 选择机械零件的原则和考虑的因素有哪些? 2. 试述常用机械零件毛坯的种类和各种类型毛坯的特点 3. 下列零件选用何种成形方法制造毛坯比较合理 : 形状复杂而且要求减振的大型机座 ; 大批量生产的重载小型齿轮 ; 薄壁低碳钢汽车覆盖件 ; 形状复杂的铝合金构件

104 第 6 章金属切削加工的基础知识 金属切削加工是利用切削刀具从毛坯上切除多余的金属, 以获得要求的形状 尺寸和表面粗糙度的零件的加工方法 前面几章中讲到的铸造 锻压和焊接等方法通常只能用来制造毛坯和较粗糙的零件 凡是精度要求较高的零件, 一般都需要进行切削加工, 因此切削加工在机械制造业中占有重要的地位 金属切削加工虽然有着各种不同的形式, 如车 钻 刨 铣 磨以及齿轮加工等, 但是也存在着共同的现象和规律 掌握这些现象和规律, 以便正确地进行切削加工, 对保证零件的加工质量, 提高生产率和降低成本, 都有着重要的意义 本章主要介绍金属切削的基础知识, 内容包括金属切削加工的基本概念 刀具材料 切削变形 刀具磨损, 以及刀具耐用度 工件材料切削加工性 切削液 切削用量的选择 刀具几何参数的选择等 6.1 金属切削的基本概念 切削运动 在工件上要切削加工出零件所需的表面, 工件与刀具之间必须形成一定的相对运动, 则它们各自所作的运动称切削运动 例如, 车削外圆 ( 见图 6.1), 工件需要作旋转运动, 车刀需要作纵向的直线进给运动 根据切削运动在切削加工中所起的作用不同, 可将切削运动分为以下两种 (1) 主运动 主运动是切除工件上多余金属层, 形成工件新表面所必需的运动 它是由机床提供的, 是切切削表面待加工表面 v 已加工表面削时最基本的运动, 这个运动具有速度最高 消耗功率最大的特点 如图 6.1 所示, 车削外圆时的工件旋转运 v f 动就是主运动 其他切削加工方法的主运动可以是旋转主运动运动或直线运动, 但每种切削加工方法的主运动只有一进给运动个 (2) 进给运动 进给运动是把被切削金属层间断或图 6.1 车削外圆的切削运动示意图连续地投入切削的一种运动, 使主运动能继续进行切削

105 96 金属工艺学 以便形成工件表面的运动 一般是由机床和人力提供的运动, 可以是一个或者多个 特点是速度小 消耗功率比主运动小 如图 6.1 所示, 车削外圆时刀具的纵向直线运动是进给运动 其他切削加工方法的进给运动可以是直线运动 旋转运动或两者的结合 切削要素 1. 工件的加工表面 (1) 待加工表面 工件上将要被切去的表面, 如图 6.2 所示 (2) 已加工表面 刀具切削后形成的新表面, 如图 6.2 所示 (3) 切削表面 刀刃正在切削的表面 它总是处在待加工表面与已加工表面之间, 如图 6.2 所示 待加工表面加工表面已加工表面 2. 切削用量 图 6.2 工件的加工表面 切削用量是切削速度 进给量和切削深度三个切削要素的总称, 表示切削时各运动参数的数量 它们对于加工质量 生产率以及加工成本有很大的影响, 如何合理地选择切削用量, 是调整机床运动的依据 (1) 切削速度 v 切削速度是切削刀刃与工件接触点主运动的线速度, 用 v 表示, 即单位时间工件和刀具沿主运动方向的相对位移,m/min 或 m/s 当主运动为旋转运动时, 切削速度可用以下公式计算 πdn w v = 式中 :v 切削速度,m/s 或 m/min; d w 完成主运动的刀具或工件的最大直径,mm; n 工件或刀具主运动的转速,r/s 或 r/min 当主运动为往复直线运动时, 则应取其平均速度 v 作为切削速度, 计算公式为

106 第 6 章金属切削加工的基础知识 97 2Ln v = r 式中 :L 往复直线运动的行程长度,mm; n r 主运动每分钟的往复次数,r/min (2) 进给量 f 进给量是指主运动一个循环内, 刀具或工件沿着进给方向移动的距离, 习惯上也称走刀量, 用 f 表示 如车削时为工件每转一圈刀具沿进给方向移动的距离 (mm/r); 在牛头刨床上刨削时, 进给量指刀具往复运动一次, 工件移动的距离 (mm/dst) (3) 切削深度 α P 切削深度是指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离(mm), 也称背吃刀量, 用 α P 表示 车削外圆时的切削深度为 dw dm ap = 2 式中 :a P 切削深度,mm; d w 工件待加工表面的直径,mm; d m 工件已加工表面的直径,mm 3. 切削层几何参数 刀刃在一次走刀中, 从工件待加工表面切下的金属层, 称为切削层, 即相邻两个加工表面间的一层金属 切削层的参数就是指切削层的截面尺寸, 通常该截面在垂直于主运动方向的平面内 ( 即不考虑进给运动的影响 ) 图 6.3 是车外圆时的切削层及其截面尺寸 车刀由位置 I 移动到 Ⅱ, 工件 I Ⅱ 位置间的一层金属被切下 切削层的截面 ( 图中剖面线部分 ) 垂直于主运动方向, 即通过零件中心线 切削层的参数主要有以下几方面 (1) 切削厚度 a c 切削厚度是垂直于切削表面度量的切削层尺寸 (mm) 车外圆主刀刃为直线时, 切削层的切图 6.3 切削层几何参数削厚度为 ( 见图 6.3) ac = f sinκr 式中 : κ r 切削刃和工件轴线间的夹角, 单位为 由上式可以看出,f 或 κ r 增大, 则 a c 增大 (2) 切削宽度 a w 切削宽度是沿着切削表面度量的切削层尺寸(mm), 如图 6.3 所示, 切削宽度为 ap aw = sinκ r

107 98 金属工艺学 为 由此可见, 当 a p 减少或 k r 增大时,a w 变短 (3) 切削面积 A c 切削面积是指切削层沿垂直于主运动方向所截得面积 (mm 2 ), 其值 4. 金属切除率 Z w Ac = aa w c = fap 金属切除率是指单位时间切下工件材料的体积 它是衡量切削效率高低的一种指标 Z ω 可以由下式计算 z = 1000vfa 由上式可知, 金属切除率等于切削用量三要素的乘积 w p 6.2 金属切削刀具 金属切削刀具的几何参数 切削刀具的种类很多, 如车刀 钻头 刨刀 铣刀 镗刀等, 各种刀具的形状各异, 但它们的切削部分在几何特征上却具有共性, 其切削部分的几何参数对刀具的切削性能有很大的影响 车刀是最常用 最简单的基本的切削刀具, 因而最具有代表性, 故分析刀具结构可以车刀为基础 外圆车刀的切削部分, 可以看作是其他各种刀具切削部分的基本形态 下面的基本定义是以外圆车刀切削部分给出的 1. 车刀的组成 如图 6.4 所示为车刀的组成部分, 它由刀杆和刀头 ( 切削部分 ) 组成, 刀杆用来将车刀夹持在刀架上, 刀头负担切削工作 其中刀头由刀具切刀杆削部分的表面与刀刃以及刀尖组成 刀头 (1) 前刀面 A r 切屑流出时经过的刀面称为前刀面 A r (2) 后刀面 A α 与加工表面相对的刀面称为后刀面 ( 也称主后刀面 ) S (3) 副后刀面 A α 与已加工表面相对的刀面称为副后 S' A A α ' α f 刀面 刀尖 (4) 主切削刃 S 在切削加工中, 承担主要切削工作图 6.4 车刀的切削部分的切削刃, 它是前刀面与后刀面的交线而得到的边锋

108 第 6 章金属切削加工的基础知识 99 (5) 副切削刃 S 在切削加工中, 承担少量切削工作, 配合主切削刃完成切削工作而最终成形工件的切削刃 它是前刀面与副后刀面的交线而得到的边锋 (6) 刀尖 刀尖是主 副切削刃相交的一小段切削刃, 大多数刀具在刀尖处为一小段圆弧刃或一小段直线刃, 其半径称为刀尖半径 2. 刀具静止参考系 在设计和制造刀具时, 为确定各刀面和切削刃在空间的位置, 以及作为制造 刃磨和测量时的依据, 需选择一些参考平面作为基准, 从而建立起刀具静止参考系 它是刀具设计计算 绘图标注 刃磨测量角度时的基准, 用它定义的角度称为刀具角度 刀具静止参考系的参考平面是以刀具结构为基础, 考虑到安装定位面及假定的切削运动方向而建立起来的坐标平面, 由以下三个平面组成, 如图 6.5 所示 n 工件 f 基面 90 切削平面 车刀 主剖面 底平面 图 6.5 刀具静止参考系的参考平面 (1) 基面 P r 通过主切削刃一点, 而又垂直于主运动方向 ( 切削速度方向 ) 的平面, 称之为该点的基面 如普通车刀和刨刀的基面都平行于刀具的底面 (2) 切削平面 P 通过主切削刃一点, 相切于主切削刃而又垂直于基面的平面, 称之为该点的切削平面 (3) 主剖面 P v 通过主切削刃一点, 而又垂直于主切削刃在基面上投影的剖面, 称之为该点的主剖面 由以上定义可知 : 基面 切削平面和主削面是三个相互垂直的坐标平面 3. 刀具几何角度定义 图 6.6 是主剖面系标准的刀具角度, 其中主要的刀具角度有 5 个, 它们的定义分别如下

109 100 金属工艺学 (1) 前角 γ 0 在主剖面中测量, 前刀面与基面的夹角 当前刀面高于基面时前角为负值 ; 反之为正值, 如图 6.6b 所示 (a) 车刀的主要标注角度 (b) 前角的正负值 图 6.6 主剖面系的刀具角度 (2) 后角 α 0 在主剖面中测量, 主后刀面与切削平面之间的夹角, 表示刀具后角的倾斜程度, 后面只有正值, 其值的大小影响后面与工件的摩擦和刀体强度 (3) 主偏角 κ r 在基面中测量, 主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角 (4) 副偏角 κ r 在基面中测量, 副切削刃在基面上投影与进给方向反方向之间的夹角 (5) 刀倾角 λ r 在基面上测量, 主切削刃与基面的夹角在基面上投影, 当主切削刃高于基面时, 刃倾角为负值 ; 反之为正值 由图 6.6 所示我们还可知 : γ 0 λ r 两角确定了前刀面的方位 ; α v κ r 两角确定了后刀面的方位 ; κ λ 两角确定了主切削刃的方位 此外, 根据分析刀具的需要, 还有两个派 r r 生的角度 (6) 楔角 β 0 在主剖面中测量, 前刀面与后刀面之间的夹角 β0 =90 -( γ 0 十 α 0 ) (7) 刀尖角 ε r 主切削刃与副切削刃在基面上投影的夹角 ε =180 -( κ 十 κ ) 4. 刀具的工作角度 r 上述车刀的标注角度, 也称刀具的标注角度, 即在图样上的标注角度, 是在不考虑进给运动和刀具安装误差的影响等条件下确定的, 即车刀刀尖与工件回转轴线等高, 刀杆与进给方向垂直等 而实际切削过程中, 这些条件可能会发生改变, 致使辅助平面的位置将发生变化, 由标准参考系变为工作参考系 因而刀具在实际工作过程中的角度与标注角度不同, 刀具在工作参考系中的角度称为工作角度 如图 6.7 所示, 车削外圆时, 当刀尖高 r r

110 第 6 章金属切削加工的基础知识 101 于工件回转轴线时, 切削平面与基面向逆时针方向发生偏转, 工作前角 γ 0e > γ 0, 而工作后角 α0e < α0 ; 反之, 刀尖低于工件轴线, 则 γ 0e > γ 0, α 0e < α 0 当车刀刀杆在水平面内与进给方向不垂直时, 将使车刀的主偏角和副偏角发生变化, 如图 6.8 所示 γ 0e >α 0 γ 0e =α 0 γ 0e <α 0 α 0e =α 0 α 0e <α 0 图 6.7 刀具安装位置对刀具角度的影响 α 0e >α 0 v v v κ re > κ r f v κ re < κ r κ = κ re f r κ re= κ r f κ re < κ r κ re > k r (a) 刀杆向右偏斜 (b) 刀杆与进给方向垂直 (c) 刀杆向左偏斜 图 6.8 车刀安装偏斜对主 副偏角的影响 此外, 由于进给运动的影响, 会使它和切削速度所合成的切削运动方向发生变化, 从而引起切削平面和基面发生变化, 会导致刀具的实际前角 后角不同于标注角度 当进给量很小时, 可以不考虑工作角度的变化 但是进给量很大时, 必须考虑工作角度的这种变化 切削刀具材料 1. 刀具材料应具备的基本性能 刀具材料一般是指其切削部分的材料 刀具切削时除受高温作用外, 还要承受很大的切削力 摩擦 冲击和振动 因此, 刀具材料必须具备以下基本性能 (1) 高的硬度 刀具材料的硬度必须高于被切材料的硬度才能切下金属, 所以硬度是

111 102 金属工艺学 刀具材料应具备的基本特性 现有的刀具材料, 其硬度一般都在 60HKC 以上 (2) 高的耐磨性 耐磨性是刀具材料抗磨损的能力 一般刀具材料的硬度越高, 其耐磨性越好 当然耐磨性不仅决定于硬度, 还决定于它的化学成分 金相组织等 耐磨性可用 VB/L 来表示 (VB 为后刀面的平均磨损量, 单位为 mm;l 为切削路程, 单位为 m) (3) 足够的强度与冲击韧度 强度是抵抗切削力的作用, 而不致崩刃与折断所应具备的性能 一般用抗弯强度来表示 (4) 高的耐热性 ( 热稳定性 ) 耐热性是衡量刀具材料性能的主要指标 它综合反映刀具材料在高温下能保持的硬度 耐磨性 强度 抗氧化 抗粘纳和抗扩散的能力 耐热性一般用温度来表示 例如, 高速钢的耐热性 ( 红硬性 ) 为 500~600 (5) 良好的工艺性和经济性 为了便于制造刀具与刃磨, 要求刀具材料具有良好的工艺性能 如锻造 热处理及磨削加工性能等 当然在制造与选用刀具材料时, 应考虑经济性 2. 常用刀具材料的性能和用途 常用刀具材料有碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 金刚石 立方氮化硼等 目前用得最多的是高速钢和硬质合金 (1) 碳素工具钢 碳素工具钢是一种含碳量较高的优质钢, 合碳量在 0.7%~1.2%, 淬火后的硬度可达 HRC 61~65, 且价格低 但它的耐热性不好, 在 200 ~250 后它的硬度就会急剧下降, 它所允许采用的切削速度不能超过 8 m/min(0.13 m/s), 且在淬火时容易产生变形和裂纹, 所以多用于制造切削速度低的简单手工工具, 如锉刀 锯条和刮刀等 常用牌号为 T10 T10A 和 T12 T12A 等 (2) 合金工具钢 在碳素工具钢中加入适量的铬 (Cr) 钨 (W) 锰 (Mn) 等合金元素, 能够提高材料的耐热性 耐磨性和韧性 它的主要优点是淬火变形小 淬透性好, 淬火硬度可达 HRC61~65, 耐热性可达 300~400 常用于制造低速加工 ( 允许的切削速度可比碳素工具钢提高 20% 左右 ) 和要求热处理变形小的刀具, 如铰刀 拉刀等 常用的牌号有 CrWMn 和 9SiCr 等 (3) 高速钢 高速钢又称白钢 锋 ( 或风 ) 钢, 它是含有较多的钨 铬等合金元素的高合金工具钢 它的硬度 耐热性和耐磨性都有显著提高, 淬火硬度为 HRC62~65, 耐热性可达 600, 允许切削速度为 30~50 m/min(0.5~1.08 m/s) 它的热处理变形小, 刃磨性能较硬质合金好, 所以广泛用于制造各种复杂的刀具, 如钻头 铣刀 拉刀和齿轮刀具等 常用牌号有 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 等 (4) 硬质合金 硬质合金是用硬度和熔点都很高的碳化钨 (WC) 碳化钛 (TiC) 等金属碳化物作基体, 用钴作粘结剂, 采用粉末冶金法制成的合金, 其硬度很高, 可达 HRC74~78, 耐热性可达 850~1 000, 允许的切削速度可达 1.7~5 m/s, 但其抗弯强度和韧性比高速钢低, 冲击韧性差 通常把硬质合金制成各种形式的刀片, 将其焊接或

112 第 6 章金属切削加工的基础知识 103 夹固在刀体上使用 硬质合金按其成分, 可分为两大类 : 1 钨钴类 (YG 类 ) YG 类硬质合金由碳化钨和钴组成, 它的韧性较好, 但切削韧性材料时, 耐磨性较差, 因此 YG 类适用于加工铸铁 青铜等脆性材料 常用的牌号有 YG3 YG6 YG8 等, 牌号中的数字表示钴的百分含量 含钴多, 韧性好, 但硬度及耐磨性降低 粗加工应选用含钴多的牌号 ( 如 YG8), 精加工应选用含钴少的牌号 ( 如 YG3) 2 钨钛钴类 (YT 类 ) YT 类硬质合金由碳化钨 碳化钛和钴组成 由于加入了碳化钛, 因而其耐磨性 耐热性比 YG 类硬质合金更高, 但 YT 类硬质合金韧性差, 故适于加工钢件 常用的牌号有 YT5 YTl5 YT30 等, 牌号中的数字表示 TiC 的百分含量 TiC 的含量越多, 耐热性和耐磨性越好, 但韧性越差 粗加工选用含 TiC 少的牌号 (TYT5), 精加工可选用含 TiC 多的牌号 ( 如 YT30) (5) 陶瓷材料 陶瓷材料的主要成分是氧化铝 (Al 2 O 3 ), 刀片硬度可达 HRA 86~96, 能耐 l200 高温, 所以能承受较高的切削速度 ; 又因 Al 2 O 3 的价格较低 原料丰富, 因此很有发展前途 但陶瓷材料性脆怕冲击, 所以如何提高它的抗弯强度, 已成为各国研究工作的重点 近十多年来, 各国先后研究成功 金属陶瓷, 如我国研制的 AMF AMT AMMC 等牌号的金属陶瓷, 其成分除 A1 2 O 3 外, 还含有各种金属元素, 其抗弯强度比普通陶瓷刀片高 陶瓷材料目前主要用于高硬度钢材的半精加工和精加工 (6) 人造金刚石 人造金刚石的硬度极高, 接近于 HVl0 000( 硬质合金为 HV1300~ l800), 耐热性为 700~800, 其颗粒一般小于 0.5 mm 可用于加工硬质合金 陶瓷 玻璃 有色金属及其合金等, 但不宜加工钢铁材料, 因铁和金刚石的碳原子的亲和力强, 易产生粘附作用而加快刀具磨损 用细颗粒金刚石制成的砂轮是磨削硬质合金特别有效的工具 (7) 立方氮化硼 立方氮化硼的硬度达 HV 8000~9000, 其耐热性 ( 为 1300~1500 ) 和化学稳定性均优于人造金刚石 但它的强度低 焊接性差, 适用于半精加工和精加工高硬度 高强度的淬火钢及耐热钢, 也可用于精加工有色金属 6.3 金属切削过程的基本规律 金属切削过程及其实质 金属切削过程实际上是切屑形成过程 比较典型的切削过程是 : 被切削金属层受到刀具挤压而产生弹性变形 随着刀具的切入, 应力 应变逐渐加大 当剪应力达到材料的屈服强度时, 开始产生塑性变形 滑移 刀具再继续切入, 当剪应力达到材料的抗拉强度时, 金属层经过剪切滑移后被挤裂而形成切屑 实际上, 由于加工材料等条件不同, 切削过程的这三个阶段并不完全显示出来 例如, 加工铸铁等脆性材料时, 被切层在弹性变形

113 104 金属工艺学 后很快形成切屑离开母材 而加工塑性很好的钢材时, 滑移阶段特别明显 由于切屑形成过程不同, 切屑的形状也不一样, 一般可分为三类 ( 如图 6.9 所示 ) (a) 带状切屑 (b) 节状切屑 (c) 崩碎切屑 图 6.9 切屑的形态 (1) 带状切屑 用较大前角 较高的切削速度和较小的进给量切削塑性材料时, 容易得到带状切屑 形成带状切屑时, 材料没有充分变形 因此, 切削中产生的力和热均较小, 切削平稳, 加工表面较光洁, 但切屑连绵不断, 会缠在工件或刀具上进而影响工件的质量, 甚至伤人 (2) 节状切屑 采用较低的切削速度和较大的进给量切削中等硬度的钢材时, 容易得到节状切屑 这种切屑的形成过程是典型的金属切削过程 由于切削力波动较大, 工件表面较粗糙 (3) 崩碎切屑 在加工铸铁 青铜等脆性材料时易形成崩碎切屑 产生崩碎切屑时, 切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近, 刀尖易磨损, 容易产生振动, 影响表面质量 崩碎切屑也会飞溅伤人, 因而要采用前搓板型车刀, 使切屑形成卷状 从切屑形成过程分析可知, 切削过程主要是产生变形 ( 被切层金属产生弹性变形 塑性变形 ) 和摩擦 ( 刀具前积屑瘤面与切屑 后面与工件之间 ) 的过程 由于变形和摩擦的结果, 就产生一系列物理现象, 如切削力 切削热 积屑瘤 ( 图 6.10) 工件表面变形强化 刀具磨损等 所有这些现象对工件的加工精度 表面质量 生产率 机床和刀具的工作都有影响 金属切削过程的基本规律很多, 本节只介绍切削力 切削热与切削温度以及刀具磨损的变化规律, 为合理地选图 6.10 积屑瘤用刀具材料 刀具几何参数及切削用量打下基础

114 第 6 章金属切削加工的基础知识 切削力和切削功率 1. 切削力的来源和分解 在切削过程中, 刀具上所有参与切削的各切削部分所产生的总切削力的合力称作刀具总切削力 ; 一个切削部分切削工件时所产生的全部切削力称作一个部分总切削力, 用 F r 来表示 (1) 切削力的来源 刀具要切下金属, 必须使被切金属产生弹性变形 塑性变形, 以及克服金属对刀具的摩擦 切削力来源于两个方面 : 切削层金属变形产生的变形抗力和切屑 工件与刀具间的摩擦力 (2) 切削力的分解 总切削力 F r 是个空间力, 为了便于测量和计算, 通常将总切削力分解成三个互相垂直的分力, 如图 6.11a 和图 6.11b 所示 (a) 合力 (b) 分解 图 6.11 作用在刀具上的切削合力与分解 1 主切削力 F z 总切削力在主运动方向上的正投影, 大小约占总切削力的 80%~90% F z 是计算机床动力 设计主传动系统的零件和夹具的依据 ; 也是计算刀杆 刀头强度和选则切削用量的依据 ;F z 太大, 可能使刀具崩刃或使机床产生 闷车 现象 2 进给力 F x 总切削力在进给运动方向上的正投影, 是设计和验算进给机构所必需的数据 在车削过程中, 零件受其影响而产生弹性变形 例如, 在车端面时, 表面可能呈凹心或凸肚状态 3 背向力 F y 总切削力在垂直于工作平面上的分力 在三个分力中,F y 对工件的加工精度影响最大 在车削过程中, 该力具有将工件顶弯的趋势 在利用尾顶尖加工细长轴时, 可使车削后的工件呈腰鼓形 车悬臂轴时, 可使工件呈喇叭形 当工艺系统刚度不足时, 还容易引起振动 总切削力 F 与各切削分力的关系为

115 106 金属工艺学 F = F + F + F 2 2 r z x 在切削过程中, 切削力能使工艺系统变形, 影响加工精度 为了提高加工精度, 应设法减小切削力 增加工艺系统刚度 影响切削力大小的因素很多, 如工件材料 切削用量 刀具角度 切削液和刀具材料等 其中, 前两者对切削力影响较大 2. 切削功率 P 切削功率是指切削在切削区消耗的功率 它是主切削力 F z 和进给力 F x 消耗功率之和 由于进给力所消耗的功率一般很小, 故通常略去不计 则切削功率可表示为 3 Pc = ( Fzvc 10 )/ 60 式中 :P c 切削功率,kW; F z 主切削力,N; v c 切削速度,m/min 2 y 切削热与切削温度 1. 切削热的来源以及传导 (1) 切削热的来源 在切削过程中, 由于绝大部分的切削功都转变为热能, 所以有大量的热产生, 称为切削热 如图 6.12 所示, 切削热的主要来源是被切削层金属的变形 切屑与刀具前刀面的摩擦和工件与刀具后刀面的摩擦, 因而三个变形区也是产生切削热的三个热源区 其中, 由切屑传出的热量约占 50%~ 86%, 由刀具传出的热量约占 40%~10%, 由工件传出的热量约占 9%~3% 左右 (2) 切削热的传导 切削热产生后, 由切屑 工件 刀具和周围介质 ( 如空气 切削液等 ) 传导出去 各部分图 6.12 切削热的来源和传导传导的比例随切削条件的改变而不同 切削热产生与传散的综合结果影响着切削区域的温度, 过高的温度不仅使工件产生热变形, 影响加工精度, 还影响刀具的寿命 因此, 在切削加工中应采取措施, 减少切削热的产生 改善散热条件以减少高温对刀具和工件的不良影响 2. 切削温度及其影响因素 切削区域的平均温度称为切削温度, 其高低取决于切削热产生的多少及散热条件的好坏, 由于温度的升高, 使得工件和机床产生变形, 影响零件的加工精度和表面质量, 而且还影响刀具的耐用度

116 第 6 章金属切削加工的基础知识 107 (1) 切削用量 切削用量 v c f a P 增大, 切削功率增加, 产生的切削热相应增多, 切削温度相应升高 但它们对切削温度的影响程度是不同的, 其中 v c 的影响最大,f 次之,a P 的影响最小 这是因为随着 v c 的提高, 单位时间内金属切除量增多, 功耗大, 热量增加, 同时, 使摩擦热来不及向切屑内部传导, 而是大量积聚在切屑底层, 从而使切削温度升高 而 a P 增加, 参加工作的刀刃长度增加, 散热条件得到改善, 所以切削温度升高并不多 (2) 工件材料 工件材料的强度 硬度愈高或塑性愈好, 切削中消耗的功也愈大, 切削热产生的愈多, 切削温度愈高 热导性好的工件材料和刀具材料, 因为传热快, 切削温度较低 (3) 刀具几何角度 γ 0 和 κ r 对切削温度的影响较大 γ 0 增大, 切屑变形和摩擦减小, 产生的切削热少, 切削温度低 ; 但 γ 0 过大, 反而因刀具导热体积减小而使切削温度升高 κ r 减小, 切削刃工作长度增加, 散热条件变好, 使切削温度降低 ; 但 κ r 过小又会引起振动 此外, 使用切削液与否和刀具的磨损等都会对切削温度产生一定的影响 3. 切削液 在切削过程中, 为了降低切削力和切削温度, 减小刀具磨损, 改善加工质量和提高生产率, 常使用各种切削液 使用切削液不仅可以起到冷却作用, 而且还可以起到润滑 清洗和防锈的作用, 实际生产中常用的切削液有以下几类 (1) 水溶液 它的主要成分是水, 并在水中加入一定量的防锈剂, 其冷却性能好, 润滑性能差, 呈透明状, 常在磨削中使用 (2) 乳化液 由乳化油加水稀释而成的白色液体, 其特点是散热快, 具有良好的冷却作用, 也有一定的润滑性能 它是应用最广的一种切削液, 常用于车削 钻削和磨削 (3) 切削油 主要是矿物油, 在要求低粗糙度值时也采用动植物油或混合油 油类润滑性好, 但冷却作用小 常用于精加工及成形表面的加工, 如车螺纹和齿轮加工等 切削液的品种很多, 性能各异, 应根据加工的性质 工件的材料和刀具材料等原则选择合适的切削液, 以提高加工质量和生产率 刀具磨损与耐用度 在切削过程中, 刀刃由锋利逐渐变钝以致不能正常使用, 这种现象就称为刀具的磨损 1. 刀具的磨损形式 刀具正常磨损时, 按其发生的部位不同可分为以下的三种形式, 如图 6.13 所示 (1) 后刀面磨损 切削脆性材料, 或者以较小的切削厚度 (h d <0.1 mm) 切削塑性材料时, 易发生这种磨损 后刀面磨损程度通常用后刀面平均磨损高度 VB 来表示, 如图 6.13a 所示

117 108 金属工艺学 (2) 前刀面磨损 切削塑性材料,h d >0.5 mm 时易发生这种磨损 磨损后在切削刃口后方出现月牙洼, 磨损程度用月牙洼的最大深度 KT 表示, 如图 6.13b 所示 (3) 前 后刀面同时磨损 在常规条件下, 切削中等厚度的塑性材料 h d =0.1~0.5 mm 时, 会发生前后刀面同时磨损, 如图 6.13c 所示 VB VB K T K T (a) 后刀面磨损 (b) 前刀面磨损 (c) 前后刀面同时磨损 图 6.13 刀具磨损形式 刀具的磨损形式随着切削条件的不同而互相转化 在大多数情况下, 后刀面都有磨损, 它的磨损程度对加工质量的影响较大, 而且便于测量, 所以常用后刀面的磨损高度 VB 来表示刀具的磨损程度 2. 刀具的磨损过程 从图 6.14 所示的刀具磨损过程的曲线中可以看出, 随着时间的积累, 刀具磨损增加, 磨损过程可分为三个阶段 磨损高度 VB/mm 图 6.14 刀具磨损的过程 (1) 初期磨损阶段 此阶段的磨损较快, 因为新刃磨的刀具后刀面存在粗糙不平以及显微裂纹 氧化或脱碳层等缺陷 ; 而后刀面与加工表面接触面积较小, 压应力较大, 导致

118 第 6 章金属切削加工的基础知识 109 刀具表面金属不耐磨, 故磨损较快 一般初期磨损量 VB 值为 0.05~0.1 mm, 其大小与刀具刃磨质量直接相关, 如研磨过的刀具, 初期磨损量较小 (2) 正常磨损阶段 这个阶段的磨损比较缓慢均匀, 因为刀具粗糙表面已经磨平, 表面光洁平整, 摩擦力小, 进入正常状态, 因而磨损较慢 它的磨损随切削时间的延长而近似地成正比例增加, 这个阶段时间较长 (3) 急剧磨损阶段 这个阶段的磨损速度增加很快, 因刀具经过初期磨损阶段和正常磨损阶段的使用, 切削刃逐渐变钝, 到正常磨损阶段后期, 刀具和工件的接触情况恶化, 达到一定限度后, 切削力与切削温度均迅速升高, 加速刀具磨损以致失去切削能力 生产中为合理使用刀具 保证加工质量, 应当避免达到这个磨损阶段 因而在实际加工中一般要在这个阶段到来之前, 及时刃磨 3. 刀具耐用度 T 刀具耐用度是指刀具从刃磨后开始切削到磨钝为止的实际切削时间, 常以 T(min) 表示, 它是衡量刀具是否磨钝的标准量 如硬质合金车刀的耐用度为 60~90 min, 高速钢钻头的耐用度为 80~120 min 影响刀具耐用度的因素很多, 其中主要有切削速度 进给量与背吃刀量 刀具几何参数 工件与刀具材料 切削液等 切削用量中切削速度对刀具耐用度的影响最大, 其次是进给量, 背吃刀量影响最小 原因是切削速度增大时, 刀具磨损加快, 使刀具耐用度下降 此外, 选用可加工性好的工件材料 耐热性好的刀具材料, 并合理选用刀具几何角度和切削液, 均可不同程度地提高刀具耐用度 6.4 材料切削加工性和切削用量的选择 工件材料的切削加工性 切削加工性是指某种材料进行切削加工的难易程度 切削加工性的概念是相对的, 某种材料切削加工性的好坏, 是相对于另一种材料而言的, 一般是以 45 钢为基准 刀具材料的性能与切削加工性的关系最密切, 不能脱离刀具材料的性能去孤立地讨论工件的切削加工性 1. 衡量切削加工性的指标 (1) 切削速度 v t 指当刀具耐用度为 T(min) 时, 切削某种材料所允许的最大切削速度 相同的刀具耐用度下,v t 值高的材料切削加工性较好 一般情况下, 可取耐用度 T=60 min, 则 v t 写作 v 60 对一些难加工的材料, 也可取 T=30 min 或 T=15 min, 分别写作 v 30 和 v 15

119 110 金属工艺学 (2) 相对加工性 K r 在判别材料的切削加工性时, 一般以切削正火状态 45 钢的 v 60 作为基准, 写作 (v 60 ), 而把其他各种材料的 v 60 同它相比, 其比值 K r =v 60 /(v 60 ) 称为相对加工性 常用材料的相对加工性如表 6.1 所示 表 6.1 常用材料的相对加工性 加工性等级工件材料分类相对切削加工性 K r 代表性材料 1 很容易切 削的材料 一般有色金属 > 铜铅合金, 铝镁合金, 9-4 铝铜合金 2 容易切削易切钢 2.5~3.0 退火 15Cr, 自动机钢 3 的材料较易切钢 1.6~2.5 正火 30 钢 4 一般钢, 铸铁 1.0~1.6 45, 灰铸铁普通材料 5 稍难切削的材料 0.65~1.0 调质 2Cr1385 号钢 6 较难切削的材料 0.5~0.65 调质 45Cr, 调质 65Mn 7 难切削的难切削的材料 0.15~0.5 8 材料 很难切削的材料 <0.15 1Cr18Ni9Ti, 调质 50CrV, 某些钛合金 铸造镍基高温合金, 某些钛合金 (3) 加工表面质量 精加工时, 常以此作为可加工性指标 凡容易获得好的表面质量的材料, 其可加工性较好 ; 反之则较差 根据这一指标衡量时, 低碳钢的可加工性比中碳钢差, 硬铝合金比纯铝可加工性好 (4) 切削力或切削功率 切削条件相同时, 凡切削力小 切削温度低的材料, 其可加工性好 ; 反之则差 如灰铸铁的可加工性比冷硬铸铁好, 铜 铝及其合金的可加工性比钢料好 此外, 在粗加工或机床刚性差 动力不足时, 也可用切削力或切削功率来衡量材料的可加工性 (5) 切屑处理性 即切屑的卷屑 折断与清理 凡容易卷屑 断屑及清理切屑的材料, 其可加工性较好, 反之则较差 在自动机床或自动生产线上加工时, 常以此作为衡量指标 上述指标中,v t 和 K r 在各种加工条件下都可适用, 故最常用 2. 影响材料切削加工性的因素 (1) 工件材料物理 力学性能的影响 一般工件材料的强度 硬度越高, 切削力越大, 切削温度越高, 刀具磨损越快, 故其可加工性越差 ; 材料的塑性越高, 加工变形越大, 加工硬化和刀具表面粘结现象越严重, 断屑越困难, 越不易获得好的表面质量, 故其可加工性越差 ; 韧性高的材料, 切削时消耗能量较多, 切削力 切削温度较高, 不易断屑, 故其

120 第 6 章金属切削加工的基础知识 111 可加工性较差 ; 导热性好的材料, 切削热传导快, 切削区温度低, 故其可加工性好 (2) 化学成分的影响 工件材料的化学成分通过其力学 物理性能的影响而影响可加工性 碳钢随含碳量的增加, 强度 硬度增高, 而塑性 韧性下降 低碳钢的塑性和韧性较高, 高碳钢的硬度和强度较高, 都给切削加工带来一定困难 而中碳钢的强度 硬度 塑性和韧性均居中, 故其综合可加工性好 此外, 钢中加入的合金元素不同, 其力学性能不同, 对可加工性的影响也不同 在钢中加入硅 锰 镍 铬 钼 钨等之后, 使得铁素体强化, 强度 硬度提高, 可加工性下降 ; 而加入硫 磷 铅 钙等之后, 可使钢脆化, 或产生一种有润滑作用的非金属夹杂物 ( 如 MnS), 从而减弱了钢对刀具的擦伤能力, 有利于切削加工 (3) 金相组织的影响 钢铁材料中的金相组织不同, 对可加工性的影响不同 如低碳钢铁素体较多, 强度 硬度低, 塑件好, 可加工性差 ; 淬火钢的组织以马氏体为主, 强度 硬度高, 刀具磨损剧烈, 可加工性也很差 ; 而中碳钢的金相组织为珠光体加铁素体, 强度 硬度 塑性 韧性均适中, 其可加工性较好 灰铸铁中, 游离石墨多, 硬度低, 可加工性较好 此外, 金相组织的形状和大小对可加工件也有影响 如珠光体有片状 球状 针状等形式, 其中针状的硬度最高, 对刀具磨损最大, 但可获得较小的表面粗糙度, 而球状的硬度最低, 对刀具磨损最小 3. 改善工件材料切削加工性的措施 (1) 适当进行热处理 进行适当的热处理可改变材料的力学性能, 从而改善其可加工性 如对低碳钢进行正火, 可降低塑性 ; 对高碳钢与工具钢进行球化退火, 可降低硬度, 减少刀具的磨损 ; 对 2Crl3 不锈钢调质到 28HRC 左右, 可降低塑性 ; 对白口铸铁进行退火 ( 在 950~1000 下长期退火 ), 使之变为可锻铸铁等, 均可改善其可加工性 (2) 适当调整化学成分 在不降低材料力学性能并满足使用要求的前提下, 可在钢中加入微量的硫 铅 钙等, 使之变为易切削钢, 可减小切削力, 且容易断屑, 可获得较好的表面质量 此外, 还可采用其他工艺方法改善可加工性 如对于低碳钢, 可通过冷拔提高硬度 降低塑性, 以改善其可加工性 总之, 工件材料的可加工性是材料的一个综合性工艺指标 若工件材料已经选定, 不能更改时, 则应从改变切削条件着手, 如选用合适的刀具材料 刀具角度 切削用量和切削液等, 使之适应该种材料的切削加工 切削用量的合理选择 切削用量对于保证加工质量 降低加工成本和提高劳动生产率, 均有重要的意义 在

121 112 金属工艺学 一定的加工条件下, 选用不同的切削用量会产生不同的加工效果 若切削用量选低了, 则生产效率下降, 生产成本增加 ; 反之若选高了, 则会加速刀具的磨损, 增加换刀时间和磨刀费用, 生产效率会下降, 生产成本也会增加 因此, 切削用量有一个优化与组合的问题 所谓 合理的 切削用量是指在保证加工质量的前提下, 获得高的生产率和低的加工成本的切削用量 1. 切削用量的选择原则 刀具耐用度是限制切削用量最基本的因素, 因为它在很大程度上严重地影响了生产率和加工成本, 所以选择切削用量的原则是以刀具耐用度作为基础的 (1) 对于粗加工, 要以尽可能保证较高金属切除率为原则 例如, 车削加工, 金属切除率可用下式表示 Z w 1000 vfa p 式中 :Z w 金属切除率,mm 3 /s; v 切削速度,m/s; f 进给量,mm/s; a p 切削深度,mm 从上式可以看出, 提高切削速度 增大进给量和切削深度, 都能提高金属切除率 但是它们对刀具耐用度的影响则不同, 影响刀具耐用度最大的是切削速度, 其次是进给量, 最小的是切削深度 所以, 在选择粗加工的切削用量时, 应优先考虑采用最大的切削深度, 其次考虑采用切削力 功率允许的最大进给量, 最后根据刀具耐用度选定合理的切削速度 (2) 对于半精加工及精加工, 要以保证加工精度 表面质量为原则 半精加工和精加工时, 切削深度只是粗加工后留下来的不大的余量, 限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度 为了减小工艺系统的弹性变形和已加工表面残留面积的高度, 在选择半精加工和精加工的切削用量时, 一般首先选取加工精度与加工表面质量允许的切削深度与进给量, 然后确定在保证刀具耐用度的前提下的合理的切削速度 总之, 当切削用量受刀具耐用度的限制时, 选择切削用量的原则是 : 首先选取大的切削深度, 其次选取大的进给量, 最后选取合理的切削速度 2. 合理选择切削用量的方法 (1) 切削深度的确定 切削深度 ( 背刀量 ) 的选择一般根据加工性质和加工余量的大小而定 粗加工时, 除留给半精加工与精加工的余量外, 尽可能以最少的走刀次数把粗加工余量切除, 以提高生产率 但是, 当粗加工余量太大或因加工工艺系统刚性较差不能一次切除时, 则第一次走刀的切削深度要比第二次的大 这样可得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度, 一般第一

122 第 6 章金属切削加工的基础知识 113 次走刀的切削深度为 2/3~3/4 的加工分量 (2) 进给量的确定 粗加工时切削力较大, 进给量应是工艺系统所能承受的最大进给量 它受车刀刀杆的强度和刚度 硬质合金或陶瓷刀片的强度 工件的装夹刚度以及机床进给机构的强度等的限制 半精加工和精加工时, 因为切削深度较小, 产生的切削力较小, 最大进给量则主要受加工精度和表面粗糙度的限制 在实际生产中, 进给量可根据经验选取 粗加工时, 依照加工材料 车刀刀杆尺寸 工件直径及已确定的切削深度选择 当刀杆尺寸增大 工件直径增大时, 可以选择较大的进给量 ; 当切削深度增大时, 由于切削力增大, 应选择较小的进给量 ; 加工铸铁时的切削力较加工钢时小, 故可选取较大的进给量 按经验确定的精车进给量, 在一些特殊情况下, 如切削力很大, 工件长径比很大时, 还需对所选定的进给量进行校验 在半精加工和精加工时, 进给量则按表面粗糙度的要求 工件材料 刀尖圆弧半径 切削速度等选择 当表面粗糙度较小时, 进给量应取小值 ; 当刀尖圆弧半径增大 切削速度较高时, 进给量可以取大值 (3) 切削速度的确定 根据已经选定的切削深度 a p 进给量 f 及刀具耐用度 T, 可按有关公式计算切削速度 生产中常按经验或查相关的切削用量手册确定, 然后计算车床的转速, 即 n= 1000 v c / πd w 式中 :d w 毛坯直径,mm 所选定的转速还应根据机床的说明书最后确定, 再根据选定的转速计算出实际的切削速度 此外, 在确定切削速度时, 还应考虑以下几点 1 精加工时, 应尽量避开产生积屑瘤和鳞刺的切削速度区域 2 断续切削时, 宜适当降低切削速度, 以减小冲击和热应力 3 在易发生振动的情况下, 切削速度应避开自激振动的临界速度 4 加工大型 细长 薄壁工件时, 应选择较低的切削速度 ; 端面车削应比外圆车削的速度高一些, 以获得较高的平均切削速度, 提高生产效率 在实际生产中, 按上述步骤选择的切削用量三要素, 最后还应参照所用机床的实际技术参数, 进行适当调整, 使之符合机床的实际参数 6.5 习题与思考题 1. 切削层包括哪几项内容? 画出外圆车削时的切削层的参数

123 114 金属工艺学 2. 简要叙述切削用量由哪些因素组成, 并分别说明各要素的含义 3. 简述刀具几个角度的定义, 并画图说明 4. 简述刀具材料应具备哪些性能, 以及它们对刀具的切削性能有何影响 5. 根据切屑的外形, 可把切屑分为哪几种形式? 各类切屑对切削加工有何影响? 6. 简述切削力如何分解, 并说明各个分力的物理含义 7. 简述切削热的来源和传播方式以及切削温度的影响因素 8. 刀具磨损的形式有哪几种? 磨损过程可以划分为哪几个阶段? 各个阶段磨损的特点是什么? 9. 影响工件材料切削加工性的因素有哪些? 请简要叙述 10. 切削用量选择的方法是什么?

124 第 11 章零件结构的工艺性 11.1 概述 零件的结构工艺性, 是指这种结构的零件被加工的难易程度 它既是评价零件结构设计优劣的技术经济指标之一, 又是零件结构设计优劣所带来的后果 具有良好结构工艺性的零件在保证使用要求的前提下, 能较经济地 高效地 合格地加工出来 零件的制造一般包括毛坯生产 切削加工 热处理 装配等阶段 在设计零件时, 要综合考虑, 分清加工时的主次, 如加工过程中, 切削加工所耗费最多, 因此要着重考虑 评价零件结构工艺性优劣, 是随着条件的变化而变化 例如阀套 ( 图 11.la) 上精密方孔的加工, 在没有电火花加工工艺以前, 阀套加工要分成 5 个圆环分别加工, 再装配起来 在电火花出现以后, 一次即可加工出来, 所以要采用 11.1b 所示的设计方案 这样既减少了劳动量又降低了成本, 而且这种整体结构的工艺性也是好的 (a) (b) 图 11.1 阀套结构 11.2 零件结构工艺性的设计原则及实例分析 在设计零件时, 要考虑到其加工方法和其他过程 ( 如装配和检修等 ) 的可行性, 要使零件在制造和使用时有最合理的结构 因此要了解一般的加工方法和其特点, 以便采用最

125 第 11 章零件结构的工艺性 171 合理的方案 下面着重讨论设计时零件的切削加工和装配时工艺性常采用的方法 便于在机床或夹具上安装 (1) 设计时增加工艺凸台 在加工较大工件时, 为了安装方便增加工艺凸台 b, 如图 11.2b 所示, 加工完毕后, 再把凸台切除 (a) (b) 图 11.2 增加工艺凸台 (2) 增加装夹表面 锥度心轴一般是先车后磨, 用顶尖 拨盘 卡箍装夹, 应在心轴一端设计一圆柱表面, 以便安装卡箍, 如图 11.3b 所示 锥度 锥度 (a) (b) 图 11.3 增加装夹表面 (3) 增设装夹凸缘或装夹孔 如图 11.4a 所示的大平板, 在龙门刨床或龙门铣床上加工上平面时, 不便用压板 螺钉将它装夹在工作台上 如果在平板侧面增设装夹用的凸缘或孔 ( 图 11.4b), 便容易可靠地夹紧, 同时也便于吊装和搬运 (4) 改变结构或增加辅助安装面 车床通常用三爪卡盘 四爪卡盘来装夹工件, 如图 11.5a 所示的轴承盖, 要加工 Ф120 外圆及端面, 如果夹在 A 处, 则一般卡爪伸出的长度不够, 夹不到 A 处 ; 如果夹在 B 处, 又因为是圆弧面, 与卡爪是点接触, 不能将工件夹牢 ; 因此, 装夹不方便 若把工件改为图 11.5b 所示的结构, 使 C 处为一圆柱面, 便容易夹紧 或在毛坯上加出一个辅助安装面, 如图 11.5c 中之 D 处, 用它进行安装, 也比较方便, 零件加工后, 再将这个辅助面切除 ( 辅助安装面也可称为工艺凸台 )

126 172 金属工艺学 (a) (b) 图 11.4 增设装夹凸缘或装夹孔 (a) (b) (c) 图 11.5 轴承盖结构改进 便于加工和测量 (1) 要便于进刀和退刀 如图 11.6b 所示的零件, 加工外螺纹时, 应保留有退刀槽或者要保留足够的退刀长度 (a) (b) 图 11.6 外螺纹加工

127 第 11 章零件结构的工艺性 173 (2) 简单的几何形状 如图 11.7 所示, 把阶梯孔改成简单的孔, 就会带来很大方便 (3) 凸缘上的孔要留出足够的加工空间 如图 11.8 所示, 若孔的轴线距壁的距离 S 小于钻卡头外径 D 的一半, 则难以进行加工 一般情况下, 要保证 S D/2+(2~5) mm, 才便于加工 S 图 11.7 简单几何形状 图 11.8 凸缘上的孔要有足够的加工空间 设计时要注意提高生产效率 1. 减少安装次数 在设计时尽量减少安装次数, 从而减少辅助时间, 提高生产效率 如图 11.9 所示, 需要磨削或精车的零件, 应考虑在一次安装中完成, 以保证加工精度, 也减少了二次安装时工时的耗费, 从而提高生产效率 图 11.9 减少安装次数 2. 减少刀具种类和换刀次数 如图 所示, 同一零件上结构相同的槽 ( 键槽 刀槽 ), 其宽度 ( 包括内圆角半径 ) 应尽可能一致, 以减少刀具种类和换刀次数

128 174 金属工艺学 图 减少刀具种类 3. 要有足够的刚性 零件结构要有足够的刚性, 以减少工件在夹紧力或切削力作用下的变形, 保证加工精度 ; 而且较大的刚性, 允许采用较大的切削用量进行加工, 利于提高生产效率 图 11.11a 所示的薄壁套筒, 在卡盘卡爪夹紧力的作用下, 容易变形, 车削后形状误差较大 若改成图 11.11b 的结构, 可增加刚性, 提高加工精度 (a) (b) 图 刚性较高的零件结构 4. 孔的轴线应与其端面垂直 如图 11.12a 所示的孔, 由于其轴线不垂直于进口或出口的端面, 钻孔时钻头很容易产生偏斜或弯曲, 甚至折断 因此, 应尽量避免在曲面或斜壁上钻孔, 可以采用图 11.12b 所示的结构 (a) (b) 图 孔的轴线应与其端面垂直 5. 尽量减少加工量 (1) 采用标准型材 设计零件时, 应考虑标准型材的利用, 以便选用形状和尺寸相近

129 第 11 章零件结构的工艺性 175 的型材作坯料, 这样可大大减少加工的工作量 (2) 采用精密坯料制造法 尽可能采用精密坯料制造工艺, 以减少零件的机械加工工作量, 零件结构上非配合的表面 ( 特别是成形表面 ) 应尽可能用精密坯料制造方法 ( 如精密铸造 模锻等 ) 直接得到, 凡是可以设计成板料冲压结构的零件, 不可轻易使用机械加工方法 (3) 减少加工面积 图 11.13b 所示支座的底面与图 11.13a 所示结构相比, 既可减少加工面积, 又能保证装配时零件间很好地结合 (a) (b) 图 减少加工面积 6. 尽量减少走刀次数 铣牙嵌离合器时, 由于离合器齿形的两侧面要求通过中心, 呈放射形 ( 图 11.14), 这就使奇数齿的离合器在铣削加工时, 要比偶数齿的省工, 如铣削一个五齿离合器的端面齿, 只要五次分度和走刀就可以铣出 ( 图 11.14a), 而铣一个四齿离合器, 却要八次分度和走刀才能完成 ( 图 11.14b) 因此离合器应设计成奇数为好 图上数字表示走刀次数 (a) (b) 图 铣牙嵌离合器 如图 11.15a 所示的零件, 当加工这种具有不同高度的凸台表面时, 需要逐一地将工作

130 176 金属工艺学 台升高或降低 如果把零件上的凸台设计得等高 ( 图 11.15b), 则能在一次走刀中加工所有凸台表面, 这样可节省大量的辅助时间 (a) (b) 图 加工面应等高 7. 便于多件一起加工 图 11.16a 所示的拨叉, 沟槽底部为圆弧形, 只能单个地进行加工 ; 若改为图 11.16b 所示的结构, 则可实现多件一起加工, 利于提高生产效率 (a) (b) 图 拨叉 又如图 11.17a 所示的齿轮, 轮毂与轮缘不等高, 多件一起滚齿时, 刚性较差, 并且轴向进给的行程较长 若改为图 11.17b 的结构, 既可增加加工时的刚性, 又可缩短轴向进给的行程, 提高生产效率 (a) 图 齿轮 (b)

131 第 11 章零件结构的工艺性 提高标准化程度 (1) 尽量采用标准件 设计机器时, 应尽量按国标 部标或厂标选用标准件, 以利于产品成本的降低 (2) 应能使用标准刀具加工 零件上的结构要素如孔径及孔底形状 中心孔 构槽宽度或角度 圆角半径 锥度 螺纹的直径和螺距 齿轮的模数等, 其参数值应尽量与标准刀具相符, 以便能使用标准刀具加工, 这样可以避免设计和制造专用刀具, 降低加工成本 例如, 被加工的孔应具有标准直径, 不然需要特制刀具 当加工不通孔时, 由一直径到另一直径的过渡最好做成与钻头顶角相同的圆锥面 ( 图 11.18b), 因为与孔的轴线相垂直的底面或其他角度的锥面 ( 图 11.18a), 将使加工复杂化 (a) (b) 图 盲孔的结构 又如图 11.19b 所示零件的凹下表面, 可以用端铣刀加工, 在粗加工后, 其内圆角必须用立铣刀清边, 因此其内圆角的半径, 必须等于标准立铣刀的半径 如果设计成图 11.19a 的形状, 则很难加工出来 零件内圆角半径越小, 所用立铣刀的直径越小, 凹下表面的深度越大, 则所用立铣刀的长度也越大, 加工越困难, 加工费越高, 所以在设计凹下表面时, 圆角的半径越大越好, 深度越小越好 (a) (b) 图 凹下表面的形状

132 178 金属工艺学 应注意的其他问题 (1) 应利于装配和拆卸 在图 11.20a 中, 两零件无径向装配定位基准, 难以保证其同轴度要求, 应改为图 11.20b 所示的结构 在图 11.21a 中轴承内环不易拆卸, 应使轴承内环的外径大于轴肩直径才利于拆卸, 如图 11.21b 所示 (a) (b) (a) (b) 图 有利于装配的结构 图 有利于拆卸的结构 (2) 合理地规定表面的精度等级和粗糙度的数值 零件上不需要加工的表面不要设计成加工面 ; 在满足使用要求的前提下, 表面的精度越低 粗糙度越大, 越容易加工, 成本也越低, 所规定的尺寸公差 形位公差和粗糙度数值, 应按国家标准选取, 以便使用通用量具进行检验 (3) 合理采用零件的组合 一般来说, 在满足使用要求的条件下, 所设计的机器设备, 零件总数越少越好, 零件的结构越简单越好 但是, 为了加工方便, 合理地采用组合件也是适宜的 如图 11.22a 所示的零件, 滑动轴套中部的花键孔, 加工是比较困难的 如果改为图 11.22b 所示的结构, 圆套和花链套分别加工后, 再组合起来, 则加工比较方便 (a) (b) 图 零件的组合 总的来说, 零件的结构工艺性, 是一个非常实际和重要的问题, 上述原则和实例分析, 只不过是一般原则和个别实例 设计零件时, 应根据具体要求和条件, 综合所掌握的工艺知识和实际经验, 灵活地加以运用, 以求设计出结构工艺性良好的零件

133 第 11 章零件结构的工艺性 习题与思考题 1. 何为零件的结构工艺性? 如何来评判一个零件的结构性的好坏? 2. 可以采用哪几种方法使工件便于在机床或夹具上安装? 3. 可以采取哪几种方法使工件有利于加工和测量? 4. 设计时, 怎样提高标准化程度? 其好处在哪里?

134 第 12 章特种加工 随着科技的发展, 对某些零件的要求越来越高 高硬度 高强度 高韧性 切削加工性能差的材料以及具有特殊性能的新材料不断出现, 具有特殊结构和要求的零件越来越多, 传统的加工方法已经不能满足要求 20 世纪 40 年代以后, 出现了利用电能 化学能 声能等来对材料进行加工的方法 这些加工方法与传统的切削加工完全不同, 为区别起见, 把这些加工方法统称为 特种加工方法 这里简单介绍电火花加工 电解加工 激光加工和超声波加工等 12.1 电火花加工 1. 电火花加工的基本原理 电火花加工是使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电, 靠电火花局部 瞬时产生高温, 把金属蚀除下来 也可称为电加工或电蚀加工 图 12.1 为电火花加工原理图 图 12.1 电火花加工原理图

135 第 12 章特种加工 181 加工时, 工具和工件作为电极分别与脉冲电源的两极相连接, 自动进给调节装置使工具和工件之间经常保持一个很小的放电间隙, 在两者之间加上直流 100 V 左右的脉冲电压 由于工具和工件的表面不是绝对光滑, 而是呈微观的凸凹不平形状, 所以两表面各点之间的实际间隙是大小不等的 脉冲电压由低升高, 使实际间隙最小处或绝缘强度最低处被击穿, 在该局部产生火花放电 在微小的区域内, 由放电产生的瞬时高温, 使工件和工具表面的材料产生程度不同的熔化和气化现象 与此同时, 在放电处的绝缘液体也被加热, 迅速气化, 体积膨胀, 随之产生很高的压力, 将已经熔化 气化的材料和工具的表面蚀除掉, 在二者的表面形成一个微小的凹坑 在放电结束, 工作液恢复绝缘性能后, 第二个脉冲又在工具和工件的表面之间新的最小间隙处重复上述过程 如此循环不已, 直至工件的形状尺寸和表面质量达到所规定的技术要求为止 2. 电火花加工的特点及应用 电火花加工具有如下特点 (1) 主要用于加工硬 脆 韧 软 高熔点的导电材料 (2) 加工时 无切削力, 有利于小孔 窄槽以及各种复杂截面的型孔 曲线孔 型腔等的加工, 以及薄壁工件的加工, 也适用于精密细微加工 (3) 当脉冲宽度不大时, 对整个工件而言热影响小, 可以提高加工质量, 适于加工热敏性强的材料 (4) 脉冲参数可以任意调节, 能在同一台机床上连续进行粗 半精 精加工 精加工时尺寸精度视加工方式而异, 穿孔可达 0.05~0.01 mm, 型腔加工可达 0.1 mm 左右, 线切割可达 0.02~0.0l mm, 表面粗糙度 R a 值可达 1.6~0.8 μm 电火花加工的应用范围很广, 可以用来加工型腔及各种孔, 如锻模模腔 异形孔 喷丝孔等 也可以进行切断和切割 ( 例如常用的线切割机, 就是利用电火花加工的原理进行工作的 ) 以及电火花磨削等 此外, 还可以进行表面强化和打印记等 12.2 电解加工 1. 加工的基本原理 电解加工 ( 电化学加工 ) 是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理, 对金属材料进行成形加工的一种方法, 如图 12.2 所示

136 182 金属工艺学 直流电源 工具 工件 电解液泵 电解液 图 12.2 电解加工原理 电解加工时, 以工件为阳极 ( 接直流电源正极 ), 工具为阴极 ( 接直流电源负极 ), 在两极之间的狭小间隙内, 有高速电解液通过 当工具阴极不断向工件进给时, 在相对于阴极的工件表面上, 金属材料按阴极型面的形状不断地溶解, 电解产生物被高速电解液带走, 于是在工件的相应表面上就加工出和阴极型面近似相反的形状 电解加工采用低的工作电压 (6~24 V), 大的工作电流 ( 某些场合可高达 A), 狭小的加工间隙 (0.1~0.8 mm) 和高的电解液流速 (5~60 m/s) 电解加工时的化学反应是比较复杂的, 它随工件材料 电解液成分等不同而不同 当用氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢工件时, 其主要电化学反应如下 (1) 电解液在电场作用下离解 : NaCl=Na + +Cl - H 2 O=H - +OH - (2) 工件 ( 阳极 ) 离解并与电解液反应 : Fe-2e Fe 2+ Fe 2+ +2(OH) - Fe(OH) 2 (3) 工具极 ( 阴极 ) 反应 : 2H + +2e H 2 由上述反应可知, 在电解加工过程中, 外电源不断使工件 ( 阳极 ) 的 Fe 原子失去电子 以 Fe ++ 的形式与电解液中的 OH - 化合生成 Fe(OH) 2 而沉淀 由于 Fe(OH) 2 在水中的溶解度很小, 起初为墨绿色的絮状物, 时间一长, 它逐渐被电解液及空气中的氧氧化而生成黄褐色的 Fe(OH) 3 ( 即铁锈 ) 沉淀物, 其反应如下 : 4 Fe(OH) 2 +2H 2 O+O 2 4Fe(OH) 3

137 第 12 章特种加工 183 沉淀物被高速流动的电解液带走, 达到去除工件材料的目的 电解液中的 H + 不断从工具 ( 阴极 ) 得到电子, 形成氢气 (H 2 ) 游离而出 在整个过程中, 仅有工件 ( 阳极 ) 和水逐渐消耗, 而工具 ( 阴极 ) 和 NaCl 并不消耗 因此, 在理想的情况下, 工具可长期使用, 只要把电解液过滤干净, 并补充适量的水, 加工即可继续进行 2. 电解加工的特点及应用电解加工具有如下特点 : (1) 能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或型腔 ( 如锻模 叶片等 ) (2) 可加工高硬度 高强度和高韧性等难切削的金属材料 ( 如淬火钢 高温合金 钛合金等 ) (3) 加工中无机械切削力或切削热, 因此适合于易变形或薄壁零件的加工 (4) 加工后零件表面无残余应力和毛刺, 表面粗糙度 R a 值为 0.2~0.8 μm (5) 工具阴极不损耗 (6) 由于影响电解加工的因素较多, 难于实现高精度的稳定加工 (7) 电解液对机床有腐蚀作用, 电解产物的处理和回收困难 电解加工主要用于加工型孔 型腔 复杂型面 小而深的孔, 以及套料 去毛刺 刻印等方面 由以上分析可知, 电解加工和电火花加工在应用范围上有许多相似之处, 所不同的是电解加工的生产率较高, 加工精度较低, 且机床费用较高 因此电解加工适用于成批和大量生产, 而电火花加工主要适用于单件小批量生产 12.3 超声波加工 1. 加工的基本原理超声波加工是利用工具作高频振动, 通过磨料对工件进行加工的, 如图 12.3 所示 加工时, 工具以一定的压力作用在工件上, 加工区送入磨料液, 高频振动的工具端面捶击工件表面上的磨料, 通过磨料将加工区的材料粉碎 磨料液的循环流动, 带走被粉碎下来的材料微粒, 并使磨料不断更新 工具逐渐深入到材料中, 工具形状便复现在工件上

138 184 金属工艺学 2. 超声波加工的特点及应用 图 12.3 超声波加工原理图 超声波加工具有如下特点 (1) 主要适用于加工各种不导电的硬脆材料 对于导电的硬质金属材料也能进行加工, 但生产率较低 (2) 由于工具通常不需要旋转, 因此, 易于加工出各种复杂形状的内表面和成形表面等 采用中空形状工具, 还可以实现各种形状的套料 (3) 加工过程中, 工具对加工材料的宏观作用力小, 热影响小, 特别对于加工某些不能承受较大机械应力的零件比较有利 (4) 因为材料的碎除是靠磨料的直接作用, 故磨料硬度一般应比加工材料高, 而工具材料的硬度可以低于加工材料的硬度 通常可用中碳钢及各种成型管材和线材作工具 目前, 在各工业部门中, 超声波加工主要用于硬脆材料的孔加工 套料 切割 雕刻以及研磨金刚石拉丝模等 此外, 在加工难切硬质金属材料及贵重脆性材料时, 利用工具作高频振动, 还可以与其他加工方法 ( 如切削加工和电加工 ) 配备进行复合加工 一般超声波加工的孔径范围约 0.1~90 mm, 深度可达 10 mm 以上 加工孔的尺寸误差小于 ±(0.02~0.05) mm 12.4 激光加工 1. 激光加工的基本原理 激光是一种亮度高 方向性好 单色性好的相干光, 由于激光发散角小和单色性好, 在理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上, 加上亮度高, 其焦点处的功率密度

139 第 12 章特种加工 185 可达 10 3 ~10 7 W/mm 2, 温度可高至万度左右, 在此高温下, 任何坚硬的材料都将瞬时急剧熔化和蒸发, 并产生很强烈的冲击波, 使熔化物质爆炸式地喷射去除 激光加工就是利用这种原理进行打孔 切割的 图 12.4 是采用固体激光器的加工原理示意图 图 12.4 激光加工原理图 当工作物质受到光泵的激发后, 吸收特定波长的光, 在一定条件下可形成工作物质中亚稳态粒子数大于低能级粒子数的状态 这种现象称为粒子数反转, 此时一旦有少量激发粒子自发辐射发出光子, 即可感应所有其他激发粒子产生受激辐射跃迁, 造成光放大, 并通过谐振腔的反馈作用产生振荡, 由谐振腔一端输出激光 通过透镜将激光束聚焦到待加工表面, 就可进行加工 2. 激光加工的特点及应用 激光加工具有如下特点 (1) 几乎对所有的金属材料和非金属材料都可以用激光来加工 (2) 加工速度极高, 打一个孔只需 s, 易于实现自动化生产和流水作业, 同时热变形很小 采用激光可对许多材料进行高效率的切割加工 切割速度一般超过机械切割 切割厚度, 对金属材料可达 10 mm 以上, 非金属材料可达几十毫米 切缝宽度一般为 0.1~ 0.5 mm (3) 加工时不需用刀具, 属于非接触加工, 无机械加工变形 (4) 可通过空气 惰性气体或光学透明介质进行加工 激光加工可用于金刚石拉丝模 钟表宝石轴承 陶瓷 玻璃等非金属材料和硬质合金 不锈钢等金属材料的小孔加工, 以及多种金属材料和非金属材料的切割或成形切割加工等 特别适于对坚硬材料进行微小孔的加工, 孔的直径一般为 0.0l~1 mm, 最小孔径可达 mm 孔的深径比可达 50~l00, 也可加工异形孔