金属材分料及机械制造工艺项目三毛坯成型方式的选择.ppt
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1、项目三 毛坯成型方式的选择,任务1 毛坯成型方式概述 任务2 毛坯成型方式铸造 任务3 毛坯成型方式锻压 任务4 毛坯成型方式焊接,【知识目标】 1. 熟悉常用铸造成型方式的特点及应用; 2. 熟悉常用锻压成型方式的特点及应用; 3. 熟悉常用焊接成型方式的特点及应用; 4. 掌握毛坯成型方式选择的原则。 【能力目标】 1. 具有根据零件的特点初步选择毛坯成型方式的能力; 2. 具有对毛坯零件进行合格性检测的能力。,在根据机械零件的使用性能合理选择原材料后,需确定零件生产所需要的毛坯。选择毛坯的基本任务是确定毛坯的种类及成型方法,了解毛坯的制造误差原因及其可能产生的缺陷。由于毛坯的种类及其不同
2、成型方式的选择是否合理,将对后续零件制造过程中的加工工艺方法、加工质量、材料利用率、工人劳动强度和制造成本等方面产生很大的影响,因此,正确选择毛坯的成型方式在零件制造过程中显得尤其重要。,任务1 毛坯成型方式概述 1.1 机械零件常用毛坯的种类 毛坯是根据零件的形状、工艺尺寸等要求制成的用于进一步加工的生产对象。机械零件常用毛坯的种类主要有型材、铸件、锻件、焊接件、冲压件、粉末冶金件等几大类。,1型材 型材主要有棒材、管材、板材及线材等。常用型材的截面形状有圆形、方形、六角形和特殊断面形状等。型材根据成型方法分为热轧和冷拉两种。热轧型材尺寸范围较大,精度较低,主要用于一般机器零件。冷拉型材尺寸
3、范围较小,表面质量好,精度较高,力学性能好,多用于制造毛坯精度要求较高的中小零件。型材是批量生产的产品,可从市场上直接采购,价格便宜,可简化制造工艺和降低制造成本。,2铸件 铸件是采用铸造方法,把液态金属注入铸型中冷却凝固定型后获得的工件。形状复杂的毛坯一般适宜采用铸造方法制造。铸件毛坯的铸造方法有砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造、离心铸造等。 3锻件 锻件是固态金属在外力的作用下通过塑性变形而获得的工件。锻件毛坯由于塑性变形后使得材料内部组织较细且致密,没有铸件组织中的缺陷,所以锻件比相同材料的铸件的力学性能要好;并且由于塑性变形后可得到金属纤维组织的连续性和取向分布,符合零件受力要
4、求,因此更能发挥材料的潜力。锻件常用于强度高、耐冲击、抗疲劳等重要零件的毛坯。锻件有自由锻件、模锻件、精锻件和轧锻件等。,4焊接件 焊接件是用焊接的方法把分离的金属件制成的永久性的结合件。焊接件的尺寸、形状一般不受限制。焊接件的优点是制造简便,生产周期短,节省材料,减轻重量。但其抗振性较差,变形大,需经时效处理后才能进行机械加工。,5其他毛坯 其他毛坯类型包括冲压件、粉末冶金件、冷挤压件、工程塑料件等。冲压件是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力,使之产生塑性变形或分离,从而获得所需形状和尺寸的工件。粉末冶金件是通过制取金属或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料,通过
5、成型和烧结方法制造出的金属材料、复合材料以及各种类型制品的工件。冷挤压件是指在室温下采用施加压力使材料通过模具的孔口或缝隙后横截面面积减小、长度增加的加工方法而获得的制件。工程塑料件是指用高分子材料制成的具有一定强度、硬度的耐冲击性、耐热性及抗老化性均优的塑料件。 常用毛坯的种类、特点及用途见表3-1。,表3-1 常用毛坯的种类、特点及用途,1.2 毛坯成型方式选择的依据 选择毛坯种类及成型方式的原则就是在满足零件使用要求的前提下,必须结合实际生产条件,尽量提高毛坯质量,降低制造成本和提高劳动生产率,力争做到满足使用要求,质量良好,成本低廉、生产迅速。因此,对毛坯种类及成型方式进行合理选择的影
6、响因素很多,应主要考虑以下几方面。,1零件材料、结构形状、尺寸及其力学性能要求 产品设计的性能要求决定了零件的材料、结构形状和尺寸,而零件的材料、结构形状和尺寸的特点在很大程度上决定了毛坯的成型方式。例如,材料为铸铁和青铜的零件应选择铸件毛坯;对于钢制零件,毛坯成型方式可以采用型材、铸造、锻造、冲压、焊接等方式,但具体选择时应该再根据零件的结构形状、尺寸及其要求的力学性能来决定。例如,钢制零件当形状不复杂、力学性能要求不太高时可选型材;重要的钢制零件,为保证其力学性能,应选择锻件毛坯。对于形状复杂的毛坯,一般采用铸造方法制造。薄壁零件不宜采用砂型铸造;中小型零件可考虑采用先进的铸造方法;大型零
7、件可采用砂型铸造。一般用途的阶梯轴,如台阶直径相差不大,可采用圆棒料;如各台阶直径相差较大,为减少材料消耗和机械加工的劳动量,则宜选择锻件毛坯。尺寸大的零件一般选择自由锻造;中小型零件可选择模锻件或冲压件。,2. 毛坯成型方式的工艺特点 对于同种毛坯材料,不同的毛坯成型方式也有着不同的工艺特点。 (1) 不同的毛坯成型方式,其组织和力学性能会有很大的差别,正确选择毛坯成型方式可以发挥材料的性能潜力,提高毛坯的内部质量。 (2) 不同的毛坯成型方式,毛坯所能达到的精度、表面粗糙度等外形质量水平也不同。 (3) 不同的毛坯成型方式,所需生产设备及生产效率也不相同,这将决定毛坯成型的适应性及经济性。
8、,3生产类型 产品的生产类型,即产品的品种、产量及生产组织方式等,对合理选择毛坯的成型方式有着重大的影响,有时会起决定性的作用。当零件是大批量生产时,通常选择精度和生产率都比较高的毛坯成型方法,以减少材料消耗和零件后续切削加工费用来降低生产成本。例如,铸件采用金属模机器造型或精密铸造,锻件采用模锻和精锻,型材采用冷轧和冷拉。零件产量较小时应选择精度和生产率较低的毛坯制造方法,例如砂型铸造、自由锻等毛坯成型方式。,4生产条件 确定毛坯的种类及成型方法,必须考虑具体的生产条件,才能兼顾适用性与经济性原则,从而保证生产的顺利进行。在一般情况下,应充分利用本企业现有条件完成生产;若现有生产条件不能满足
9、产品的生产要求,可适当改变毛坯的成型方式,适当改造现有设备或者进行厂外协作。,5充分考虑利用新工艺、新技术的可能性 随着机械制造技术的发展,毛坯制造方面的新工艺、新技术和新材料的应用也发展很快,形成了多种优质、高效、低耗、少污染的先进加工技术,并已在生产中得到了应用。例如精铸、精锻、冷挤压、粉末冶金和工程塑料等在机械中的应用日益增加。采用这些方法能大大减少机械加工量,有时甚至可以不再进行机械加工,其经济效果非常显著。,1.3 毛坯形状及尺寸设计 零件毛坯的成型,是由原材料转变为成品零件的第一步。毛坯的形状和尺寸设计得合理与否,在很大程度上决定了后续加工过程中工序的数量、材料的消耗、加工时间的长
10、短等。因此,对于毛坯的形状和尺寸设计显得尤其重要。 在毛坯的设计中,应通过毛坯的简化使其形状和尺寸尽量与零件相接近,以减少机械加工的劳动量,力求实现少或无切削加工。但是,由于现有毛坯成型技术及成本的限制,以及产品零件的加工精度和表面质量的要求越来越高,所以毛坯的某些表面仍需留有一定的加工余量,以便通过机械加工达到零件的技术要求。,毛坯成型尺寸与零件相应尺寸的差值称为毛坯加工余量。毛坯成型尺寸的公差称为毛坯公差。毛坯的加工余量及毛坯公差与毛坯的制造方法有关。在制造方法相同的情况下,其加工余量又与毛坯的尺寸、部位及形状有关。如铸造毛坯的加工余量,是由铸件最大尺寸、公称尺寸(两相对加工表面的最大距离
11、或基准面到加工面的距离)、毛坯浇注时的位置(顶面、底面或侧面)、铸孔等因素所决定的。生产中可参照有关工艺手册确定。 毛坯的加工余量确定后,其形状和尺寸的设计,除了将加工余量附加在零件相应的加工表面之外,有时还要考虑到毛坯的制造、机械加工及热处理等工艺因素的影响。因此,毛坯的形状与零件的形状会有所不同。,1.4 毛坯的质量检验 制造机械零件的毛坯时,在熔炼及加工过程中,由于工艺及设备的限制,不可避免地存在一些缺陷,例如夹杂物、偏析、缩孔、疏松以及裂纹等等。这些缺陷的存在,往往导致零件过早失效。因此,在产品的制造过程中要对毛坯进行检验。 质量检验是保证质量的重要工序,也是保证生产合格产品的有效措施
12、。对铸、锻、焊等毛坯件进行严格的质量检验,可为后续切削加工工序提供合格产品,避免因毛坯质量问题造成后续工序的工时浪费。,要保证合格的铸、锻、焊毛坯,就必须按照国家规定的检验项目和标准对毛坯进行严格的质量检验。毛坯检验可分为破坏性检验和非破坏性检验两类。 破坏性检验包括力学性能测试、化学成分分析和金相检验。破坏性检验必须从被检件上切取试样或破坏整体被检件进行试验,它主要用于新材料、新工艺、新产品试制检验和模拟试验。通常可利用特制样件进行破坏性试验,这样可不破坏被检件。,非破坏性检验包括外观检验、各种无损探伤检验和致密性检验。该类检验直接对被检件检验,并不对其造成破坏,检验合格后直接成为成品或转换
13、到下一道工序。 常用毛坯检验方法如下: 1外观检验 毛坯件的外观检验以肉眼观察为主,或者辅以简单的工具(低倍放大镜、直尺等)。许多毛坯件缺陷都可通过外观检验获得,但重要零件仅用外观检验是不够的,还必须进行内在质量检验。,2力学性能的测试 毛坯质量检查中的力学性能测试最常用的方法是硬度试验,因它能直接反映出材料成分、组织、性能的关系,并可间接反映其他力学性能指标,而且零件经硬度试验后不受 损伤。 其他一些力学性能的测试如静拉伸、弯曲、扭转、疲劳等,都要制成标准试样,在专业试验机上进行,主要用于对原材料进行进厂检验,对新材料、新工艺进行研制,对零件进行失效分析等。,3化学成分分析 化学成分分析用以
14、鉴定材料的成分是否符合规范,并评价材质的优劣。常用方法是光谱分析。该方法速度快,灵敏度高,可进行化学成分定性和定量分析,但测定钢中轻元素(例如H、N、O、C等)比较困难。 对零件表面、局部或微区化学成分的测定可采用现代化的俄歇电子能谱仪以及离子探针、电子探针等。例如,检查晶界上有无析出相或杂质元素,检测金属材料中合金元素和杂质元素的浓度及分布,测定沉淀相或夹杂物等。,4金相组织试验 通过对毛坯组织进行检验,可判定构件所用材料和处理工艺是否合格。金相分析是组织分析中应用最广的实验观察技术,它能够提供有关金属材料的显微组织、晶粒度、非金属夹杂物等信息,主要用于对原材料进行进厂检验和监测各种热处理质
15、量缺陷。 5无损探伤检验 无损探伤检验包括超声波检验、射线检验和磁粉检验。 (1) 超声波检验。超声波检验是利用高频声波(20 000 Hz)射入被检物并用探头接收信号从而检测出材料内部或表面缺陷的方法之一,如气孔、夹杂、裂纹、缩孔、未焊透等。该法尤其善于检测出长度方向与超声波束方向垂直的缺陷。通常探测工件的厚度为2 mm10 mm。,(2) 射线检验。射线检验是利用具有高穿透能力的电磁辐射X射线和射线,在不破坏受检材料的情况下,对其内部质量进行检查的一种无损检测方法。X射线和射线都是电磁波,可不同程度地穿透一定厚度的金属材料。用射线照射工件,由于工件完好部位与有缺陷部位对射线能量的吸收程度不
16、同,因此用感光胶片记录透过工件的射线,即可获得缺陷部位的阴影图像。射线探伤用于重要毛坯件的内部检验,如焊缝、铸件及管材中的缩孔、气孔、夹杂及裂纹与未焊透等缺陷。X射线检验工件的厚度为0.1 mm60 mm;射线检验工件的厚度为60 mm150 mm。,(3) 磁粉检验。磁粉检验适合于表层或近表面缺陷检测。其基本原理是,被检件在磁场中被磁化后,缺陷部位产生漏磁磁场,在被检物表面撒上磁粉,缺陷处有磁粉附着从而显示出缺陷部位。 6致密性检验 致密性检验用于检验不受压力或受压很低的容器、管道等。它包括气密性试验和水压试验。 (1) 气密性试验。气密性试验主要检验容器的各连接部位是否有泄漏现象。气密性试
17、验所用气体应为干燥、清洁的空气、氮气或其他稀有气体。试验时压力应缓慢上升,达到规定试验压力后保压不少于30分钟,然后降至设计压力,检验容器或管道的渗漏情况。,(2) 水压试验。水压试验用于检验压力容器、管道和储罐等结构的穿透性缺陷。水压试验应严格按照国家标准进行。 此外,质量检验也是进行失效分析的有效手段。通过宏观或微观、物理或化学的检验,能探究失效的形式和本质,便于分析引起失效的性能指标与成分、组织、状态之间的关系,寻找失效的主要原因。,任务2 毛坯成型方式铸造 2.1 概 述 铸造是将液态金属浇注、压射或吸入到与零件的形状和尺寸相适应的铸型空腔中,待其冷却凝固,以获得毛坯或零件的生产方法。
18、铸造后获得的金属零件或毛坯件称为铸件,用于铸造的金属统称为铸造合金。铸造合金可以是铸铁、铸钢和非铁合金如铝合金、铜合金、镁合金等等。 铸造方法包括砂型铸造和特种铸造两大类,其中砂型铸造是最常用的铸造方法,特种铸造主要包括金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、离心铸造等。,铸造工艺的优点如下: (1) 铸造是利用了液态金属的流动性进行成型的,因此可制造各种尺寸和形状复杂,特别是具有复杂内腔的毛坯,如箱体、床身、机座、汽缸体等。铸件的尺寸与重量几乎不受限制,铸件的壁厚可以从几毫米到十几米,铸件的重量也可以从几克到数百吨。 (2) 铸造工艺适应性很强,绝大多数金属材料都可以用于铸造,其中应用最广的是铸铁。
19、铸造生产还适用于各种生产类型。,(3) 铸造所用的原材料,大多数价格低廉,来源广泛,可以直接利用报废的机件及切屑,并且铸造生产设备简单,投资小,因而铸件价格低廉。 (4) 铸件尺寸、形状可与零件接近,可减少切削加工量,节省金属消耗和后续加工工时。 铸造工艺也有如下缺点,使其应用受到一定的限制。 (1) 铸造工序繁多,工艺过程不易控制,铸件的质量稳定性不高,废品率较高。 (2) 铸件显微组织粗大、疏松,内部常出现缩孔、缩松、气孔、夹渣、砂眼等缺陷,其力学性能一般不如相同尺寸和形状的锻件高。,(3) 工人劳动强度大,劳动条件较差,生产率低。 综上所述,铸造方法具有很高的适应性和综合经济性,也是最常
20、用的毛坯成型方式之一。随着现代铸造成型技术的发展,铸造工艺不断得到革新。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置,在工业中获得了广泛应用。,2.2 砂 型 铸 造 2.2.1 砂型铸造的特点 砂型铸造是用型砂作为造型材料,用人工或机械方法在砂箱内制造出型腔及浇注系统的铸造方法,是目前各种液态成型方式中最基本的铸造方法。 钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得,铸型制造简便,对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应,长期以来一直是铸造生产中的基本工艺,在机械制造业中占有非常重要的地位。砂型铸造也是合理选择铸造方法和正确设计铸件的基础。,砂型铸
21、造是目前各种铸造成型方法中最基本、应用最广泛的成型方法,其生产的铸件约占铸件总产量的80%以上。它具有灵活性大、生产周期短和成本低等优点。但是砂型铸造生产工序较多,有些工艺过程难以控制,因此易产生一些铸造缺陷,铸件质量也不够稳定,废品率较高。 2.2.2 砂型铸造生产过程 砂型铸造过程中,一般需经过制备模样及芯盒、配备型砂及芯砂、造型及造芯、熔炼金属及合箱浇注、落砂清理及检验、去应力处理及防腐蚀处理等步骤。 一般机械零件的砂型铸造工艺过程可概括为以下三个基本阶段,如图3-1所示。,图3-1 砂型铸造的生产流程,(1) 准备铸型。先将放大收缩量的模样及芯盒制作好,再按要求准备好砂铸型。准备砂铸型
22、常被简称为造型和造芯,这个阶段既是砂型铸造中最基本的工序,也是砂型铸造最重要的方法,它对铸件质量、生产率和成本影响很大。 (2) 浇注金属。先将熔炼好的液态金属检测合格,然后再将液态金属浇注满铸型型腔。这部分包含合金熔炼和铸件浇注。 (3) 落砂清理。待液态金属在铸型型腔内凝固成型并冷却后,扒箱落砂与检验,从而得到一定形状和尺寸并带有浇冒口的铸件。,1造型 造型是砂型铸造最基本的工序,造型方法选择是否合理,对于铸件质量和成本有着重要的影响。按紧实型砂和起模方法,一般可分为手工造型和机器造型两大类。 造型需要模样和芯盒。模样是用来形成铸件外部轮廓的,芯盒是用来制造型芯,形成铸件的内部轮廓的。制造
23、模样和芯盒所用的材料根据铸件的大小和生产规模而有所不同。铸件产量小时一般采用木材,产量大时可用金属和塑料制作模样和芯盒。,1) 手工造型 手工造型时,填砂、紧实和起模都用手工来完成。手工造型的优点是操作方便灵活,适应性强,模样生产准备时间短,但生产率低,劳动强度大,铸件质量不易保证。故手工造型只适用于单件小批生产。 实际生产中,由于铸件的尺寸、形状、生产批量、使用要求以及生产条件的不同,可以采用不同的造型方法。常用手工造型方法的特点和应用范围见表3-2。,表3-2 常用手工造型方法,2) 机器造型 机器造型是将加砂、紧砂和起模等工序用造型机来完成的造型方法,是大批量生产砂型的主要方法。如果配以
24、机械化的型砂处理、浇注、落砂等工序,可以组成现代化的铸造生产线。机器造型能够显著提高劳动生产率,改善劳动条件,并提高铸件的尺寸精度和表面质量,使加工余量减小。 机器造型紧实型砂的方法有:振动紧实、压实紧实、振压紧实、微振压紧实、抛砂紧实、射砂紧实。机器造型起模的方法大多数用起模机构,如顶箱、漏模、翻转等。例如,顶杆起模式振压造型机的工作过程为:填砂振击紧砂辅助压实起模。,机器造型工艺采用模板进行两箱造型。模板是将模样、浇注系统沿分型面与底板连接成一个整体的专用模具。造型后,底板形成分型面,模样形成铸型空腔,而底板的厚度并不影响铸件的形状与尺寸。机器造型所用模板可分为单面和双面两种,其中以单面模
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