-十-机械专业《材料成型工艺基础》多媒体课件-1.ppt
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1、材料成形工艺基础,舒金波,Lesson 1 金属材料的力学性能 Lesson 2 铸造工艺基础 Lesson 3 铸造工艺及方法 Lesson 4 铸件结构工艺性 Lesson 5 自由锻 Lesson 6 模锻 Lesson 7 焊接原理与方法 Lesson 8 可焊性与焊件结构工艺性 Lesson 9 特种加工 Lesson 10 快速原形制造技术,Lesson 1 金属材料的力学性能,金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。 主要性能指标有: 弹性、塑性、刚性(度)强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性,金属材料的力学性能之一弹性与塑性,弹性 金属材料受外力作用时产
2、生变形,当外力去掉后能回复其原来形状的性能,叫做弹性。 弹性变形 随着外力消失而消失的变形,叫做弹性变形。 塑性 金属材料在外力作用下,产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性。 塑性变形 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形,叫做塑性变形,,概念,金属材料的力学性能之二强 度,金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力强度。,概念,分 类 拉力抗拉强度 压力抗压强度 弯曲力抗弯强度 ,强度与塑性指标,工程上通用的表示塑性的指标为: 延伸率() 断面收缩率(),工程上通用的表示强度的指标为: 屈服强度(s、 0.2) 抗拉强度( b),强度和塑性指标的测定拉伸实验,拉伸实验在材料试验机上进行
3、,拉伸试样,低碳钢拉伸图,强度和塑性指标的计算公式,根据拉伸实验结果进行计算,计算公式分别为: =(l-l0)/l0100% =(F0-F)/F0 100% s=Ps/ F0 (MPa) b=Pb/ F0 (MPa) e=Pe/ F0 (MPa),F0试样的原始横截面积(mm2) F试样断裂后的横截面积(mm2) Ps ,Pb 分别为屈服点和最大点的拉力(N) l0,l 分别为试样断裂前后的长度,强度和塑性指标的重要意义,强度 机械设计和选材的重要依据。一般零件的许用应力必须小于屈服强度。无明显屈服点的零件,许用应力小于抗拉强度。 对于弹性元件其许用应力应小于弹性极限。 塑性 是金属材料进行塑
4、性加工的必要条件。 是零件安全使用的可靠保证。,金属材料的力学性能之三刚 性,刚性 金属材料抵抗弹性变形的能力。,概念,影响因素,材料本身的弹性模量 零件截面积的大小,意义,零件能否顺利进行加工 影响零件的加工精度,金属材料的力学性能之四硬 度,金属材料抵抗比它更硬的物体压入其内的能力,叫做硬度。 根据测定硬度的实验方法不同来分类。 布氏硬度 (HB) 洛氏硬度 (HR) 维氏硬度 (HV) 。,概念与类型,布氏硬度的测定,用布氏硬度计,HBS压头为钢球,用于测量450HBW,计算公式: HB=压入载荷(N)/压痕表面积(mm2),压头是直径为D的钢球或硬质合金球。,洛氏硬度的测定,用洛氏硬度
5、计 洛氏硬度计用金刚石圆锥或小钢球为压头,实验时是根据测量到的压入深度,转变成刻度盘上的数据。,计算公式: HR(A)C=100-h1/0.002,洛氏硬度的分类及应用,维氏硬度的测定,采用正四棱锥体为压头,用压痕单位面积上的载荷来计量硬度值。主要用于测量极薄试样的硬度。,硬度的意义,硬度试验是一种非破坏性实验,可以直接在零件上测量。一般零件图上标有硬度作技术要求。,金属材料的力学性能之五冲击韧度,冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 冲击韧度的测定在冲击实验机上进行。 ak=Ak/F,意义: 用于受较大冲击载荷的零件; 检验热加工工艺质量。,金属材料的力学性能之六疲劳强度,疲劳破
6、坏_受交变载荷作用的零件,发生断裂时的应力,远低于材料的屈服强度,这种破坏现象,叫做疲劳破坏 疲劳强度当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力,叫做疲劳强度。,疲劳强度通常在旋转对称弯曲试验机上进行。 用符号-1表示弯曲疲劳强度,产生疲劳破坏的原因,材料有杂质、表面划伤等缺陷,应力集中,微裂纹,裂纹扩展,破 坏,金属材料的力学性能之七断裂韧性,异常断裂现象 在材料的强度、塑性、冲击韧性等都符合设计要求的情况下,零件在使用过程中出现突然断裂事故。 。原因 研究表明这种断裂事故产生的原因是于内部存在着各种宏观缺陷,这种缺陷相当于裂纹。当材料受外力作用时,这些裂纹的尖端附近便出
7、现应力集中,应力不断增长,裂纹扩展,导致断裂。 断裂韧性就是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标,通常用K1c表示。,概念,金属材料的性能,使用性能,工艺性能,铸造性能 焊接性能 锻造性能 热处理性能 切削加工性能,物理性能,化学性能,力学性能,金属材料的物理、化学性能,物理性能 熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。 化学性能 耐腐蚀性、抗氧化性等。 物理化学性能将影响工艺性能和使用性能。,本课小结,金属材料的力学性能指标有哪些?是如何定义的,有何意义? 下列代号的含义: HBS、b、 s、HRC、k、 -1,零件加工完成后,采用哪种方法测量其力学性能?,课间休息,Lesson 2
8、铸造工艺基础,1、绪言 2、液态合金的充型 3、铸件的凝固收缩 4、铸造内应力,变形和裂纹 5、铸件中的气孔 6、铸件中的偏析 7、常见的铸造缺陷 8、常用铸造合金分类,本课提纲,1 绪论-铸造的特点,(1) 可以生产出形状复杂的零件,特别是具有复杂内腔的零件。 (2) 适应性广。 (3) 成本低。 (4) 铸件的尺寸和形状与零件非常接近。可以减少切削加工量。 (5) 缺点:工序多,质量不易控制,内部组织缺陷多,力学性能低。,2、液态合金的充型,2.1 液态合金填充铸型的过程,简称充型。 2.2 充型能力 液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰铸件的能力,称为液态合金的充型能力。 2.3
9、 影响充型能力的因素 (1) 合金的流动性 (2) 浇注条件 (3) 铸型填充能力 充型能力不强,则易产生浇不足、冷隔等。,概念,合金的充型能力之一合金的流动性,合金的流动性是指熔融合金的流动能力。 流动性好,充型能力强,便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。 合金的流动性与合金的化学成份有关。,流动动性的测定,流动性实验,合金的充型能力之二浇注条件,(1)浇注温度 浇注温度越高,充型能力越好。但温度过高。会出现其他铸造缺陷。 (2)充型压力 压力越大,充型能力越好。,合金的充型能力之三铸型填充条件,(1)铸型的蓄热能力 散热越快的铸型,充型能力越差。 (2)铸型温度 金属型铸造和熔模铸造时,铸
10、型温度越高,充型能力越好。 (3)铸型中气体 铸型中的气体压力增大,液态合金的流动困难,充型能力差。,3、铸件的凝固收缩,3.1 铸件的凝固方式 3.2 影响铸件凝固方式的因素 3.3 铸造合金的收缩 3.4 铸件中的缩孔与缩松 3.5 顺序凝固原则(定向凝固),小节提纲,3.1 铸件的凝固方式,1、逐层凝固 纯金属和共晶成份的合金,结晶温度是一固定值。凝固过程由表面向中心逐步进行,温度,表层,中心,固,液,3.1 铸件的凝固方式,2、糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金,从铸件的表面至心部都是固液两相混存。,温度,表层,中心,固,液,3.1 铸件的凝固方式,3、中间凝固 大多数合金属于这种方式。
11、,温度,表层,中心,固,液,凝固方式与铸件质量的关系: 逐层凝固有利于充型,可防止缩孔和缩松。,3.2 影响铸件凝固方式的因素,1、合金的结晶温度 结晶温度范围越小,糊状凝固区越小。 2、铸件的温度梯度 温度梯度越大,糊状凝固区越小。 合金的性质 铸型的蓄热能力 浇注温度,3.3 铸造合金的收缩,铸造合金从浇注,凝固直到至冷却到室温的过程中,其体积或尺寸缩减的现象,称为收缩。收缩是铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形的根源。 液态收缩 凝固收缩 固态收缩,3.4 铸件中的缩孔与缩松,缩孔和缩松的形成 液态合金在冷凝过程中,若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积的得不到补足,则在铸件最后凝固的部位形成一些
12、孔洞 缩孔 它是集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞 缩松 分散在铸件某区域内的细小孔洞,称为缩松,3.5 顺序凝固原则(定向凝固),所谓顺序凝固,就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施,使铸件上远离冒口的部位先凝固,尔后是靠近冒口部位凝固,最后才是冒口本身的凝固。 实现顺序凝固的措施。合理设计冒口和安放冷铁。,铸件上可能产生缩孔或缩松的部位,凝固等温线法,内切圆法,等温线未画到的部位,内切圆大的部位可能产生缩孔或缩松,4 铸造内应力、变形与裂纹,4.1 内应力的形成 4.2 同时凝固原则 4.3 铸件的变形 4.4 防止变形的措施 4.5 铸件的裂纹与防止裂纹的措施
13、,小节提纲,4.1 铸造内应力的形成,内应力包括热应力与机械应力 (1) 热应力 它是由于铸件的壁厚不均匀,各部分冷却速度不同,以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。薄壁处受压应力,厚壁处受拉应力。,(2) 机械应力 它是合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。,4.2 同时凝固原则,尽量减少铸件各处的温度差,使铸件不同壁厚各处在同一时间内凝固。 浇口开在薄壁处,在厚壁处安放冷铁,力求使铸件各处同时冷却。,同时凝固原则与顺序凝固原则对比,4.3 铸件的变形,铸件冷却到室温后,热应力保留在铸件中,残余应力,薄壁处受压力,厚壁处受拉力,变形,4.4 防止变形的措施,(1) 设计铸
14、件时尽可能壁厚均匀,形状对称。 (2) 采取同时凝固。 (3) 设计“反变形”量。,(4) 时效处理:有内应力的铸件在加工前置于露天半年以上,或550650C去应力退火。,4.5 铸件的裂纹与防止,(1) 热裂 热裂是铸件在高温下产生的裂纹。其形状特征是:裂纹短,缝隙宽,形状曲折,缝内呈氧化色。 合金性质 铸造合金的结晶特点和化学成分对热裂的产生均有明显的影响 铸型阻力 铸型(包括型芯)的退让性对热力的形成有重要影响。 (2) 冷裂 冷裂是在低温下行成的裂纹。其形状特征是:裂纹细小,呈连续直线状,有时缝内呈轻微氧化色。,5 铸件中的气孔,气孔的来源 1、侵入气孔 侵入气孔是由于砂型表面层聚集的
15、气体侵入金属液中而形成的。 2、析出气孔 溶解于金属液中的气体在冷凝过程中,因气体溶解度下降而析出,在铸件中形成的气孔。 3、反应气孔 浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间,因化学反应产生气体而形成的气孔。,6 铸件中的偏析,铸件内部化学成份不均匀的现象,称为偏析。,偏析类型 1、晶内偏析 结晶温度宽的合金易产生晶内偏析 2、区域偏析 合金中各成份因熔点的不同,引起不时凝固。,7 常见的铸造缺陷,8 铸造合金的分类,铸钢 铸铁 灰口铸铁 白口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 铸造铝合金 铸造铜合金 ,灰口铸铁的特性,力学性能较低。 良好的铸造性能。 良好的切削加工性。 减振性。 耐磨性
16、 缺口敏感低。,本课复习,铸件的常见缺陷有哪些?产生的原因是什么?怎样防止?,什么是同时凝固原则?什么是顺序凝固原则?下例两图哪个是同时凝固?哪个是顺序凝固?为了防止铸件产生内应力,应采取哪种凝固方式?,同时凝固,顺序凝固,课间休息,Lesson 3 铸造工艺及方法,1、砂型铸造 1.1 造型材料 1.2 手工造型方法 1.3 铸造工艺与铸造工艺图 2、其他铸造方法 2.1 金属型铸造 2.2 压力铸造 2.3 熔模铸造 2.4 离心铸造,本课提纲,1.1 造型材料,型(芯)砂的组成?,型(芯)砂应具备哪些主要性能?,型砂是砂、粘结剂附加物和水组成,可塑性、强度、透气性、耐火性、退让性,涂料的
17、组成?作用?扑料?,石墨(石英粉)+粘土+水,1.2 手工造型方法,按砂箱特征,两箱造型,三箱造型,地坑造型,1.2 手工造型方法,按模型特征,整模造型,分模造型,挖砂造型,活块造型,刮板造型,假箱造型,1.3 铸造工艺参数与铸造工艺图,1.3.1 铸造工艺参数 (1) 浇注位置 浇注位置是浇注时铸件在铸型中所处的位置。 (2) 分型面 (3) 加工余量和铸孔 (4) 拔模斜度(起模斜度) 型芯端头的延伸部分。 (5) 型芯头 (6) 收缩率 1.3.2 铸造工艺图例,小节提纲,铸造工艺参数之一1.3.1 浇注位置的选择原则,1、铸件的重要加工表面和主要工作面应朝下或呈侧立。,铸造工艺参数之一
18、1.3.1 浇注位置的选择原则,2、铸件的大平面应朝下。,不合理,合理,铸造工艺参数之一1.3.1浇注位置的选择原则,3、为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔等缺陷,应将面积较大的薄壁部分朝下。,铸造工艺参数之一1.3.1 浇注位置的选择原则,4、容易形成缩孔的铸件,应将截止面较厚的部分放在分型面附近的上部或侧面,以便安放冒口。,铸造工艺参数之二1.3.2 分型面的选择原则,1、尽量使铸件的大部分或全部置于同一砂箱中,或使加工面和加工基准面在同一砂箱中,以保证铸件的精度,便于造型、型芯的安放和检验及合箱等操作。,大批量,小批量,铸造工艺参数之二1.3.2 分型面的选择原则,2、尽量减少分型面的数
19、量,最好只有一个分型面。,不好,不好,好,铸造工艺参数之二1.3.2 分型面的选择原则,3、分型面的选择应尽力减少型芯和活块的数量,以便简化制模、造型、合箱等操作。,铸造工艺参数之二1.3.2 分型面的选择原则,4、为了便于造型、安放型芯、合箱及检查型腔尺寸,应尽量使型腔和主要型芯置于下箱中。铸件的重要加工表面和主要工作面应朝下或呈侧立。,铸造工艺参数之二1.3.2 分型面的选择原则,5、应尽量采取直平面作为分型面。,浇注系统的组成及作用,外浇口 直浇道 横浇道 内浇道 冒口,铸造工艺参数之三1.3.3 加工余量及铸孔,加工余量值与铸件大小、合金种类及造型方法等有关。 单件小批生产的铸铁件的加
20、工余量为4.55.5mm。 小孔可不铸出。 单件小批生产时:3050mm的孔;成批生产时:1530mm的孔:大批量生产时: 1215mm的孔。 不加工孔必须铸出。,铸造工艺参数之四、五1.3.4 拔模斜度、收缩率,拔模斜度是指平行于起模方向的模样壁的斜度。 通常为153。 收缩率指铸件自高温冷却到室温的尺寸收缩率。 灰口铸件为0.71.0% 铸钢为1,32.0% 铝硅合金为0.81.2%,铸造工艺参数之六1.3.5 型芯头,分为垂直芯头和水平芯头。,垂直芯头高度取决于芯头的截面尺寸。下芯头的斜度310,上芯头的斜度615。芯头与铸型之间的间隙14mm。,铸造工艺图,方案2 较好,下芯方便,须使
21、用活块,易产生错箱。,铸造工艺图,2.1 熔模铸造工艺过程,蜡模制造 压型制造 蜡模的压制 蜡模组装,焙烧和浇注,脱蜡和造型 脱蜡 造型,结壳 浸涂料 撒砂 硬化,落砂和清理,2.1 熔模铸造特点与应用,铸件精度高(IT1114)、表面粗糙度低(Ra6.31.6)。一般不再进行切削加工。 适应于各种铸造合金,特别是形状复杂的耐热合金铸件。因为型壳材料是高温的。 可做出形状复杂、难于切削加的铸件。如汽轮机叶片。 工艺过程复杂,生产成本高,不能生产大型铸件。主要用航空、电器、仪器和刀具。,2.2 金属型铸造,金属型铸造是将液态合金浇入金属铸型,以获得铸件的一种铸造方法。,工艺要求: 喷刷涂料。 使
22、金属铸型保持一定的工作温度。 合适的出型时间。 防止铸铁件产生白口。,金属型铸造的特点,一型多铸 生产率高 冷却速度快,铸件组织致密,机械性能高。 表面光洁,尺寸准确。 缺点: 金属型成本高,加工费用大 金属型没有退让性,不宜生产形状复杂的铸件。 金属型冷却速度快,易产生裂纹。 用于大批量生产有色铸件。,2.3 压力铸造,压力铸造是将金属液在高压下高速充型,并在压力下凝固,获得铸件的方法。,工作过程: 浇入金属 压铸 取出铸件,压力铸造的特点,铸件的精度及表面质量较高(IT1113、Ra6.31.6),因此压铸件为经机械加工。 可压出形状复杂的薄壁件或镶嵌件。 铸件的强度和硬度都较高。 生产率
23、高。 缺点: 成本高。 不适于压高熔点金属。 铸件内部常有气孔、缩孔等。 不能进行热处理。,2.4 离心铸件,将液态合金浇入高速旋转(2501500r/min)铸型中,使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶,这种铸造方法称为离心铸造。,立式,卧式,离心铸造的特点,利用自由表面产生圆筒型铸件,可省去型芯和浇注系统,省工、省料,降低成本。 在离心力作用下成型,不易产生缩孔、气孔、夹渣。 充型能力强,便于流动性差的合金及薄件的生产。 便于制造双金属铸件 缺点:内表面粗糙,加工余量大。,本课小结,型砂的组成?性能? 手工造型方法有哪些? 铸造工艺的内容包括哪些? 怎样确定浇注位置与分型面?(见P28、2
24、9练习) 常见的特种铸造方法有哪些?,课间休息,Lesson 4 铸件结构设计,1、铸造工艺对铸件结构的要求; 1.1 铸件外形的结构设计 1.2 铸件内腔的结构设计 1.3 铸件的结构斜度 1.4 铸件结构与铸造方法的关系 2、合金的铸造性能对铸件结构的要求; 3、后续工艺对铸件结构的要求;,本课提纲,1.1 铸件外形的设计,铸件外形的设计应考虑便于起模,1、应有起模斜度 2、尽量避免操作费时的三箱造型、挖砂造型、活块造型及不必要的外部型芯。,铸造工艺对铸件结构的要求1.1 铸件外形的设计之一,避免外部侧凹 以便于造型。,不好,好,铸造工艺对铸件结构的要求 1.1 铸件外形的设计之二,分型面
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