金屬材料與熱加工基礎第七章

鍛壓加工及應用能力目標:1）具有自由鍛造工藝設計的能力。2）具有合理選擇毛坯或零件鍛壓加工方法的能力。3）具有安排板料沖壓工序的能力。知識目標:1）掌握鍛壓加工基礎知識。2）掌握鍛造常用方法及特點。3）了解自由鍛造的工藝設計。4）掌握板料沖壓基本工序及應用。育人目標:

培養(yǎng)具有工匠精神，養(yǎng)成吃苦耐勞、堅韌不報的品質。案例導入在上下五千年的中國歷史長河中，名刀利劍一直披著神秘的外衣，從青銅時代的莫邪舍身祭爐而得千古名劍“干將”“莫邪”，到鋼鐵時代的趙云在長板坡用“青罁”寶劍在曹操的百萬軍中殺了個七進七出，救下后主阿斗。這些千古流傳的故事感動著古往今來一代又一代的中華兒郎，而這些寶劍是如何制作的呢？他們都是經過無數次的鍛打成形，也就是我們今天所說的鍛造加工。案例導入如圖7-1所示生活用品都是采用金屬制作的，你知道它們是采用什么方法加工出來的嗎？固態(tài)金屬外力作用下工具模具零件（毛坯）塑性變形鍛壓:是鍛造和沖壓工藝的總稱，屬于壓力加工范疇。第一節(jié)鍛壓加工基礎知識常見的金屬壓力加工方法有鍛造、沖壓、擠壓、軋制、拉拔等，如圖7-2所示。a)自由鍛b)模鍛c)板料沖壓

d)擠壓e)軋制

f)拉拔金屬鍛壓加工在機械制造、汽車、拖拉機、造船、冶金及航空、航天等工業(yè)中應用廣泛。常用于制造主軸、連桿、曲軸、齒輪、容器、汽車外殼、電機硅鋼片、武器、彈殼等。以汽車為例按質量計算，汽車上70％的零件都是由鍛壓加工制造的。航空航天武器裝備中國動車組列車交通運輸全鋁汽車曲軸齒輪

連桿1.產品力學性能好2.可提高材料的利用率。3.具有較高的生產率。4.加工范圍廣優(yōu)點鍛壓加工應用范圍很廣，尤其適用于各種重要受力零部件。缺點1.不能加工脆性材料（如鑄鐵）；2.不能加工形狀特別復雜（尤其是具有復雜內腔）的零件或毛坯；3.不能加工體積特別大（設備噸位難以滿足變形力需要）的零件或毛坯。一、金屬的塑性變形冷塑性變形不僅能改變金屬材料的形狀與尺寸，而且還能使其組織和性能產生一系列變化，其主要變化是產生了冷變形強化。1.冷變形強化（加工硬化）冷變形強化：金屬經過塑性變形后，強度和硬度上升，而塑性和韌性下降的現象。只有塑性變形這種永久性的變形，才能用于鍛壓加工。塑性變形分為冷塑性變形和熱塑性變形。

a)b)

冷軋前后多晶體晶粒的變化a)冷軋前退火狀態(tài)組織b)冷軋后纖維組織低碳鋼的冷變形強化纖維組織：變形后，金屬的晶格嚴重畸變，變形金屬的晶粒被壓扁或拉長，呈纖維狀,稱為纖維組織，如圖7-3所示。低碳鋼冷塑性變形時力學性能的變化規(guī)律如圖7-4所示。1.冷變形強化（加工硬化）2.加熱對冷變形金屬性能的影響隨著回火溫度的提高,冷變形金屬發(fā)生變化為：回復、再結晶、晶粒長大。（1）回復定義：加熱溫度不高時，原子擴散能力較低，顯微組織變化不大，強度、硬度稍有下降，塑性略有提高，內應力顯著下降，這種現象稱為回復?；貜椭荒懿糠窒庸び不渥冃谓饘僭诩訜釙r組織和性能的變化示意圖T回=(0.25-0.3)T熔（2）再結晶當加熱溫度較高時，塑性變形后的金屬被拉長了的晶粒重新形核、結晶，變?yōu)榧毿?、均勻的等軸晶粒，使金屬組織和性能恢復到變形前狀態(tài)，這個過程稱為再結晶。冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖純金屬的再結晶溫度為：T再≈0.4T熔式中T熔－純金屬的熔點溫度，單位為開氏（K）已形成纖維組織的金屬，通過再結晶一般都能得到細小而均勻的等軸晶粒。但是如果加熱溫度過高或加熱時間過長，則晶粒會明顯長大，成為粗晶粒組織，從而使金屬的可鍛性惡化。（3）晶粒長大冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化示意圖3.冷塑性變形與熱塑性變形（冷加工與熱加工）（1）冷塑性變形在再結晶溫度以下進行的變形稱為冷變形，也稱冷加工。如冷沖壓、冷彎、冷擠、冷鐓、冷軋和冷拔等，有加工硬化現象。金屬材料通過冷變形可以獲得較高的精度和表面質量。由于冷變形變形抗力大，需要較大噸位的設備。為了避免冷變形破裂，冷變形程度不宜過大，變形過程中需要增加中間退火。在再結晶溫度以上進行的變形稱為熱變形，也稱熱加工。3.冷塑性變形與熱塑性變形（冷加工與熱加工）（2）熱塑性變形例：鎢（熔點為3380℃）在800℃變形為冷加工，而鉛（熔點為327℃）在室溫變形就可稱為熱加工。二、鍛造流線與鍛造比1.鍛造流線（纖維組織）鑄錠在鍛壓加工中產生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質形狀都發(fā)生了變形，它們將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀，形成鍛造流線，這種結構叫纖維組織。

性能特點：具有各向異性

（1）縱向（平行纖維方向），韌、塑性增加（2）橫向（垂直于纖維方向），韌、塑性降低,但抗剪切能力顯著增強鍛造流線合理分布（1）零件最大拉應力方向應與鍛造流線平行（2）零件最大剪切應力方向應與鍛造流線垂直（3）零件外形輪廓應與鍛造纖維的分布相符合而不被切斷。a)b)不同工藝方法對纖維組織形態(tài)的影響a)切削加工制造的螺栓b)局部鐓粗制造的螺栓二、鍛造流線與鍛造比

a)

b)

c)

d)不同成形工藝齒輪的流線組織a)棒料切削成形b)扁鋼切削成性c)棒料鐓粗后切削成性d)熱軋成形二、鍛造流線與鍛造比在鍛造生產中，金屬的變形程度常以鍛造比Y來表示，不同的鍛造工序，鍛造比的計算方法各不相同。即：拔長時，鍛造比Y拔長=S0/S=L/L0鐓粗時，鍛造比Y鐓粗=S/S0=H0/H鍛造比的選擇結構鋼鋼錠的鍛造比一般為2～4；其他類鋼坯和軋材的鍛造比一般為1.1～1.3。二、鍛造流線與鍛造比2.鍛造比三、金屬的鍛造性能金屬的鍛造性能是衡量金屬材料承受鍛壓加工能力的工藝指標。1.可鍛性的衡量指標（1）塑性：材料的塑性越好，其可鍛性越好。（2）變形抗力：材料的變形抗力越小，其可鍛性越好。2.影響可鍛性的因素（1）化學成分的影響：Me越低，材料的可鍛性越好。（2）金屬組織的影響：純金屬和固溶體具有良好的可鍛性。粗晶粒、柱狀晶、網狀組織等可鍛性↓（3）變形溫度的影響：T溫越高，材料的可鍛性越好。（4）變形速度的影響：V變越小，材料的可鍛性越好。變形速度對鍛造性能的影響示意圖1-變形抗力曲線2-塑性變化曲線（5）應力狀態(tài)的影響：三向壓應力—塑性最好、變形抗力最大。三向拉應力—塑性最差。a)b)c）金屬變形時的應力狀態(tài)a)擠壓b)拉拔c)自由鍛鐓粗第二節(jié)自由鍛造的應用實例導讀如圖7-10所示為某公司高壓油缸異形法蘭，是為國內長期供應的一種特殊油缸的配件，質量要求高，對零件的力學性能及無損檢測都有很高的要求。這就需要根據零件形狀對產品的毛坯成形方法的可能性進行分析，你能設計出該件的毛坯進行工藝設計嗎？第二節(jié)自由鍛造的應用一、自由鍛造的實質、特點及應用自由鍛造（自由鍛）——利用簡單工具，或在鍛造設備的上下砧之間，直接使金屬坯料變形獲得鍛件得工藝方法。自由鍛的特點：優(yōu)點：自由鍛工藝靈活，適應性強，適用于各種大小鍛件的生產，尤其使大型的鍛件，同時生產費用低，準備周期短。缺點：自由鍛生產效率低，只適用于簡單的單件、小批量生產，且鍛件精度低，加工余量大，對工人的技術要求高，勞動條件較差。二、自由鍛的基本工序1.鐓粗是指使坯料高度減小、橫截面積增大的鍛造工序，常用于鍛造圓盤、齒輪、凸緣等零件，也可以作為鍛造圓環(huán)、套筒等鍛件沖孔前的預備工序。a)b)c)鐓粗a)完全鐓粗b)一端鐓粗c)中間鐓粗也稱延伸，是指使坯料橫斷面積減小、長度增加的鍛造工序，常用于鍛造桿件類與軸類鍛件，如軸、拉桿、連桿、曲軸等。二、自由鍛的基本工序a)b)c)拔長a)在平砧上拔長b)在芯棒上拔長c)在V型鐵上拔長2.拔長沖孔是利用沖頭在坯料上沖出透孔或不透孔的鍛造工序，常用于鍛造齒輪坯、環(huán)套類等空心鍛件。對于直徑小于25mm的孔一般不鍛出，而是采用鉆削的方法進行加工。二、自由鍛的基本工序a)b)c)a)b)

雙面沖孔單面沖a)沖一面b)沖另一面c)沖孔結束a)準備沖孔b)沖孔結束3.沖孔彎曲是采用一定的工裝模具將坯料彎成所規(guī)定的外形的鍛造工序，常用于鍛造角尺、彎板、吊鉤等軸線彎曲的零件。二、自由鍛的基本工序a)b)a)b)c)鍛錘壓緊彎曲法用墊模彎曲法a)用大錘打彎b)用吊車拉彎a)板料彎曲b)角尺彎曲c)成形角尺4.彎曲5.切割切割是指將坯料分成幾部分或部分地割開，或從坯料的外部割掉一部分，或從內部割出一部分的鍛造工序a)b)c)切割a)單面切割b)雙面切割c)局部切割后再拔長二、自由鍛的基本工序

7.扭轉

扭轉是將坯料的一部分相對于另一部分繞其軸線旋轉一定角度的鍛造工序。二、自由鍛的基本工序錯移

6.錯移錯移是指將坯料的一部分相對另一部分平行錯開一段距離的鍛造工序，常用于鍛造曲軸類零件。扭轉

三、自由鍛工藝規(guī)程的制訂1.繪制鍛件圖鍛件圖是在零件圖的基礎上考慮工藝余塊、機械加工余量、鍛件公差等因素繪制的。自由鍛件圖

a)鍛件余量及余塊b)鍛件圖2.計算坯料的質量和尺寸(1)確定坯料質量

m坯料=m鍛件+m燒損+m料頭(2)確定坯料的尺寸根據坯料質量——求出體積——根據鍛造比確定坯料截面尺寸和長度尺寸等。3.選擇鍛造工序自由鍛的分類及鍛造用工序4.選擇鍛造設備自由鍛的主要設備有空氣錘、蒸汽－空氣錘、水壓機等a)b)c)自由鍛設備a)空氣錘b)蒸汽-空氣錘c)水壓機5.確定鍛造溫度范圍(1)加熱的目的鍛造加熱的目的是提高金屬的塑性和降低變形抗力，以改善其可鍛性和獲得良好的鍛后組織，加熱后鍛造可以用較小的鍛打力量使坯料產生較大的變形而不破裂。(2)鍛造溫度范圍1）終鍛溫度是坯料經過鍛造成形，在停止鍛造時鍛件的溫度。2）終鍛溫度是坯料經過鍛造成形，在停止鍛造時鍛件的溫度。WcX100%非合金綱的鍛造溫度范圍鋼的類別始鍛溫度/℃終鍛溫度普通質量非合金鋼1280700優(yōu)質非合金結構鋼1200800非合金工具鋼1100770機械結構用合金鋼1150～1200800～850合金工具鋼1050～1150800～850不銹鋼1100～1180825～850耐熱鋼1100～1150850高速鋼1100～1150900～950銅及銅合金850～900650～700鋁及鋁合金450～480380鈦合金950～970800～850表7-3各類金屬材料的鍛造(2)鍛造溫度范圍6.冷卻方式中、低碳鋼小型鍛件:常采用單個或成堆放在地上空冷；低合金鋼鍛件及截面寬大的鍛件:則需要放入坑中或埋在砂、石灰或爐渣等填料中緩慢冷卻；高合金鋼鍛件及大型鍛件的冷卻速度要緩慢，通常都采用隨爐緩冷。7.填寫工藝卡鍛造工藝卡上需填寫工藝規(guī)程制定的所有內容：下料方法、工序安排、火次、加熱設備、加熱及冷卻規(guī)范、鍛造設備、鍛件鍛后處理等,例如：凸肩齒輪自由鍛的工藝卡鍛件名稱：凸肩齒輪鍛件材料：45鋼坯料質量：96kg鍛件質量：87kg坯料尺寸(mm)：使用設備：3t蒸汽-空氣自由鍛錘凸肩齒輪自由鍛的工藝卡四、自由鍛結構工藝性設計鍛件結構時應該考慮金屬的可鍛性和鍛造工藝，盡量使鍛造過程簡單。

a)

b)

a)b)避免錐面或斜面結構a)不合理b)合理1.盡量避免錐面或斜面結構2.避免幾何體的交接處形成空間曲線四、自由鍛結構工藝性c)d)避免幾何體的交接處形成空間曲線a)c)不合理b)d)合理a)

b)四、自由鍛結構工藝性3.避免加強筋、凸臺等非規(guī)則截面外形。a)b)c)d)避免筋板和凸臺結構a)c)不合理b)d)合理第三節(jié)模鍛的應用實例導讀如圖7-26所示的鏟齒是一種常用的工程機械零件，主要用于工程機械上的挖掘機構，是重要的工作零件，工作中要承受較大的沖擊阻力。該零件結構復雜、成形困難，用鑄造方法不能滿足其輕量化，不能滿足大型機械鏟齒的使用。你知道采用什么方法生產該鏟齒嗎？第三節(jié)模鍛的應用模鍛是利用模具使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法。模鍛的特點（與自由鍛相比）

優(yōu)點：a）鍛件形狀復雜，尺寸精確，表面光潔；

b）加工余量小，節(jié)約材料和工時；

c）鍛造流線分布符合外形結構，力學性能高；d）生產效率高。缺點：a）模具費用高，生產周期長；b）鍛件重量小，一般小于150公斤。一、錘上模鍛鍛模由上鍛模和下鍛模兩部分組成，分別安裝在錘頭和模墊上。錘上模鍛1-錘頭2-上模3-飛邊槽4-下模5-模墊6、7、10-緊固楔鐵8-分模面9-模膛1.鍛模的結構

(1)制坯模膛用來減小坯料某部分的橫截面積，以增加該部分的長度；坯料送進并需不斷翻轉2)滾壓模膛

(1)制坯模膛1)拔長模膛3）彎曲模膛4）切斷模膛(1)制坯模膛1.鍛模的結構（2）模鍛模膛可分為預鍛模膛和終鍛模膛。根據鍛件復雜程度，鍛模又分為單模膛鍛模和多模膛鍛模。2.模鍛工藝規(guī)程的制訂（1）繪制模鍛件圖1）分模面位置的選擇①盡可能采用直線分模，如圖所示，使鍛模結構簡單，防止上下模錯移。直線分模防錯移②對頭部尺寸較大的長軸類鍛件可以折線分模，使上下模膛深度大致相等，使尖角處易于充滿。

上下模膛深度大致相等易充滿1）分模面位置的選擇③盡可能將分模位置選在鍛件側面中部，如圖7-30所示。這樣易于在生產過程中發(fā)現上下模錯移。分模位置居中便于發(fā)現錯模a)b)c)圓餅類鍛件分模位置a)產品圖b)徑向分模c)軸向分模④當圓餅類鍛件H≤D時，應采取徑向分模，不宜采用軸向分模如圖7-31所示。1）分模面位置的選擇⑤鍛件形狀較復雜部分應該盡量安排在上模。2）加工余量和公差的確定需要在鍛后進行機械加工，這些部位應預留加工余量，具體數值可查有關手冊。3）確定模鍛斜度4）圓角的確定5）沖孔連皮

模鍛斜度、圓角半徑和沖孔連皮1）分模面位置的選擇（2）計算毛坯質量步驟與自由鍛相同。坯料質量包括鍛件、飛邊、連皮和燒損質量。一般飛邊質量是鍛件質量的20%～25%；燒損質量是鍛件和飛邊質量總和的2.5%～4%。（3）確定模鍛工步模鍛工步是根據鍛件的形狀和尺寸確定的，如表7-5所示為長軸類鍛件制坯工步示例。2.模鍛工藝規(guī)程的制訂長軸類模鍛件制坯工步示例3.模鍛零件的結構工藝性（1）模鍛零件應具有合理的分模面合理分模面模鍛件是在模膛內成形的，模鍛件的形狀應使鍛件能容易充滿模膛和從模膛中順利地取出。為此在設計結構時，應考慮到分模面、模鍛斜度及圓角等問題。（2）模鍛件盡量避免薄壁、高筋、凸起和深的凹陷等結構薄壁和高筋結構的冷卻較快，易于使變形不均勻。鍛造時難變形錐重合，變形困難。a)b)

模鍛件結構工藝性3.模鍛零件的結構工藝性二、胎模鍛1.扣模主要用于非回轉體長桿鍛件的全部或局部連續(xù)成形，操作時坯料前后移動。a)b)

扣模

a)有上扣b)無上扣2.套模（筒模）二、胎模鍛套膜分開式套膜和閉式套膜兩種。開式套膜：主要用于回轉體鍛件（如端蓋、齒輪）的最終成形或制坯，當用于最終成形時，鍛件的端面必須是平面。閉式套膜：主要用于端面凸臺或凹坑的回轉體類鍛件的制坯和最終成形，有時也用于非回轉體類鍛件。開式套膜閉式套膜3.合模二、胎模鍛合模適于各類鍛件的終鍛成形，尤其是非回轉體類復雜形狀的鍛件，如連桿、叉形件等。合模壓力機上模鍛方法的工藝特點比較三、壓力機上模鍛沖壓——是利用沖模使板料分離或成形的加工方法。通常在常溫下進行，又稱為冷沖壓。特點——①沖壓件尺寸精度高，表面質量好，互換性好，

材料利用率高。②沖壓生產率高，零件成本低，能生產出形狀復雜的零件。③沖模制造成本高，只有在大批量生產時，才能顯示其優(yōu)越性。應用——在汽車、航空航天、電器、儀表等行業(yè)占有極其重要的地位。

汽車車身的板件則均為沖壓件。第四節(jié)常見沖壓方法及應用一、沖壓工藝概述沖壓件—汽車產品一沖壓工藝概述--應用沖壓件—家用產品一沖壓工藝概述--應用二、沖壓的基本工序1.分離工序分離工序是指使坯料的一部分與另一部分相互分離的工序，如剪切、落料、沖孔等。（1）剪切是指將材料沿不封閉的曲線分離的一種沖壓方法。剪切通常都是在剪板機上進行的。（2）沖裁是指利用沖模將板料以封閉輪廓與坯料分離的沖壓方法。落料和沖孔，都屬于沖裁。落料是被分離的部分為成品，而周邊是廢料；沖孔是被分離的部分為廢料，而周邊是成品；a)b)沖裁a)落料b)沖孔（2）沖裁1）沖裁的過程沖裁變形過程包括三個階段，即彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段a)

b)

c)金屬板料分離過程a)彈性變形b)塑性變形c)斷裂分離階段（2）沖裁2）沖裁間隙的選擇合理的間隙值可由有關手冊查得。實際生產中，對于低碳鋼、鋁合金等，Z=(0.06～0.1)δ,δ為板的厚度；對于高碳鋼，Z=(0.08～0.12)δ。3）沖裁凸、凹模刃口尺寸確定

沖孔件：凸模的刃口尺寸等于沖孔尺寸，凹模刃口尺寸等于沖孔尺寸加上間隙Z;

落料件：凹模的刃口尺寸等于落料尺寸，凸模刃口尺寸等于落料尺寸減去間隙Z。（2）沖裁2.成形工序成形工序是指使板料的一部分相對于另一部分產生位移而不破裂的工序，如彎曲、拉深、翻邊等工序。（1）彎曲

彎曲是將坯料彎成一定的角度，一定的曲率形成一定形狀零件的工序。彎曲變形

彎曲時還應盡可能使彎曲線與坯料纖維方向垂直。回彈現象--由于彈性變形的恢復，坯料略微彈回一點，使被彎曲的角度增大。一般回彈角為0～10°。a)b)彎曲件的流線方法a)流線方向合理b)流線方向不合理2.成形工序（2）拉深拉深是使平面板料(或淺的空心坯)成形為空心件（或深的空心件）的加工方法2.成形工序a)b)

產品拉深a)拉深產品b)拉深拉深過程及變形特點：拉深過程如圖示，其凸模和凹模有一定的圓角，其間隙一般稍大于板料厚度。拉深件的底部一般不變形，厚度基本不變。直壁厚度有所減小。拉深中常見的缺陷有拉穿和起皺從拉深過程中可以看到，拉伸件中最危險的部位是直壁與底部的過渡圓角處，當拉應力超過材料的強度極限時，此處將被“拉穿”。防止“拉穿”的措施有：正確選擇拉伸系數合理設計拉深模工作零件起皺是由于法蘭部分在切向力的作用下導致的結果。為了防止起皺，可用壓邊圈把坯料壓緊。2.成形工序當沖壓件的深度與直徑比值較大，不能一次拉深成形時，可采用多次拉深,如圖7-47所示，多次拉深需要中間退火，已消除變形強化現象，回復塑性。a)b)c)

深中空件多次拉深工序圖a)深中空件b)第一次拉深c)第二次拉深2.成形工序正確選擇拉深系數拉深件直徑d與坯料直徑D的比值稱為拉深系數，用m表示，即m=d/D。拉深系數不小于0.5～0.8。坯料的塑性差取上限值，塑性好取下限值。

如果拉深系數過小，不能一次拉深成形時，則可采用多次拉深工藝。

第一次拉深系數m1=d1/D

第二次拉深系數m2=d2/d1

第幾次拉深系數mn=dn/dn-1

總的拉深系數m=m1×m2×mn

2.成形工序2.成形工序（3）翻邊在毛坯的平面或曲面部分的邊緣，沿一定曲線翻起豎立直邊的成形方法，稱為翻邊，將板料或工件上有孔的邊緣翻成豎立邊緣，稱為孔的翻邊（4）縮口將管件或空心制件的端部加壓，使其徑向尺寸縮小的成形方法（5）局部成形2.成形工序三、典型零件的沖壓工藝四、板料沖壓件的結構工藝性1.對沖裁件的結構要求（1）沖裁件的結構應便于合理排樣，以減小廢料a)

b)零件形狀與材料利用率的關系a)不合理

b)合理（2）為了保證模具強度和沖裁件的質量，對凹槽尺寸、凸臂尺寸、孔的尺寸、孔之間距離、孔邊之間距離、輪廓圓角半徑等均有最小尺寸要求四、板料沖壓件的結構工藝性2.對彎曲件的結構要求沖壓件有關尺寸的限制（1）彎曲件的彎曲邊不宜過短，一般彎曲邊長H＞2s,彎邊直線高度應大于板厚的2倍。彎曲件有關尺寸的限制（2）在彎曲半徑較小的彎邊交接處，容易產生應力集中而破裂，可事先鉆出止裂孔（工藝孔），能有效地防止裂紋的產生彎曲件上的止裂孔3.對拉深件的結構要求（1）拉深件的外形應盡量簡單，對稱。（2）盡量減小拉深件的中空深度。（3）拉深件應有結構圓角。四、板料沖壓件的結構工藝性1.簡單沖模在沖床的一次沖程中只完成一個工序的沖模，稱為簡單沖模。模具簡單,造價低。五、沖模的分類和結構

沖床的一次沖程中，在模具不同部位上同時完成數道沖壓工序的模具，稱為連續(xù)模。生產率高，要求定位精度高。2.連續(xù)沖模（級進模）五、沖模的分類和結構沖床的一次沖程中，在模具同一部位上同時完成數道沖壓工序的模具，稱為復合模。精度高，模具復雜。3.復合沖模五、沖模的分類和結構第五節(jié)生產中常見問題分析實例導讀鍛壓加工過程中經常會出現各種缺陷，這些缺陷對工件質量有很大影響，如圖7-61所示為某企業(yè)鋁合金筋類零件鍛造缺陷，為了提高工件生產質量，必須要積極找出鍛件產生缺陷的原因并采取有效措施加以解決。第五節(jié)生產中常見問題分析一、鍛造常見缺陷1.加熱過程中的缺陷2.自由鍛件主要缺陷一、鍛造常見缺陷2.自由鍛件主要缺陷一、鍛造常見缺陷一、鍛造常見缺陷3.模鍛件常見缺陷二、沖壓件常見缺陷金屬材料與熱加工基礎第八章

焊接加工及應用能力目標:1）具有焊條電弧焊工藝設計的能力。2）具有合理選擇毛坯或零件焊接加工方法的能力。3）具有手工操作電弧焊的能力。4）具有分析焊接變形產生原因的能力。知識目標:1）掌握常用金屬的焊接性能。2）掌握電弧焊工藝基礎知識。3）了解埋弧焊、氣體保護焊、氣焊、氣割、壓力焊、釬焊的特點及應用范圍。4）掌握焊接變形的原因及預防措施。育人目標:

培養(yǎng)具有工匠精神，養(yǎng)成吃苦耐勞、堅韌不報的品質。鳥巢建筑造型獨特新穎，整個工程沒有一顆螺絲和鉚釘，100％全焊鋼結構，所有構件作用力全都由焊縫承擔，真可謂：“成也焊接、敗也焊接”，令世人矚目。案例導入第一節(jié)焊接概述實例導讀在金屬結構和機器制造中，將兩個或兩個以上的零件按一定形式和位置連接起來的方法很多，其中應用最廣的是焊接，如圖8-2所示，你見過這些焊接嗎？定義：用加熱或加壓方式，借助于金屬原子的結合和擴散，使分離金屬達到結合的加工方法。特點：1）節(jié)省金屬材料；2）可以制造雙金屬結構；3）可以化大為小，拼小成大；4）焊接接頭密封性能好。應用：分類：制造金屬構件，如鍋爐、壓力容器、船舶、橋梁、建筑、管道、車輛、起重機械等，也可用于修補鑄、鍛件的缺陷和局部損壞的零件。熔焊、壓焊和釬焊第一節(jié)焊接概述第二節(jié)常用的焊接方法實例導讀焊接常用于機械制造、建筑結構、化工設備等制造及維修行業(yè)中，如圖所示的輪船制造、壓力容器制造，對于這些大型設備的制造，離不開焊接，你知道焊接有哪些常用的方法嗎？埋弧自動焊氣體保護焊焊條電弧焊電弧焊電弧焊：利用電弧熱加熱并熔化金屬來進行焊接的。一、

電弧焊第二節(jié)常用的焊接方法

1.焊條電弧焊定義：用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法。

（1）焊接電弧的產生焊接電弧是由焊接電源供給的，在兩電極間或電極與焊件間，在氣體介質中產生的強烈而持久的放電現象。a)b)c)

焊接電弧的產生a)電極與工件接觸b)拉開電極c)引燃電?。?）電弧的構造及熱量分布焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)三部分組成。1.焊條電弧焊（3）電弧極性及其選用1）正接工件接電源正極，焊條接負極。此時工件受熱多，可以加快工件的熔化速度，適合焊接厚板件直流電源焊接時兩種極性的選用a)正接b)反接2）反接工件接電源負極，焊條接正極。此時工件受熱少，適合焊接薄板件。1.焊條電弧焊（4）焊條電弧焊焊接過程焊條電弧焊焊接過程1.焊條電弧焊焊條:供手弧焊用的熔化電極。焊芯的作用:一是作為電極傳導電流，產生電弧；二是本身熔化后作為填充金屬與熔化的焊件形成焊縫。藥皮的作用:提高焊接電弧的穩(wěn)定性，防止空氣對熔化金屬的侵害，保證焊縫金屬具有合乎要求的化學成分和力學性能。1）焊條的組成及作用（5）焊條

1.焊條電弧焊①焊條分類:2）焊條的分類、型號和牌號

兩種焊條分類的對應關系焊條按用途分類（行業(yè)標準）焊條按成分分類（國家標準）類別名稱代號國家標準編號名稱代號一結構鋼焊條J（結）GB5117—1995碳鋼焊條E二鉬和鉻鉬耐熱鋼焊條R（熱）GB5118—1995低合金焊條三低溫鋼焊條W（溫）四不銹鋼焊條G（鉻）、A（奧）GB983—1995不銹鋼焊條五堆焊焊條D（堆）GB984—2001堆焊焊條ED六鑄鐵焊條Z（鑄）GB10044—2006鑄鐵焊條EZ七鎳即鎳合金焊條Ni（鎳）———八銅及銅合金焊條T（銅）GB3670—1995銅及銅合金焊條TCu九鋁及鋁合金焊條L（鋁）GB3669—2001鋁及鋁合金焊條TAl十特殊用途焊條TS（特）———國家標準將焊條按化學成分劃分為若干大類，而焊條行業(yè)統(tǒng)一將焊條按用途分為十類（5）焊條“E”表示焊條；前兩位數字表示熔敷金屬抗拉強度的最小值（kgf/mm2）；第三位數字表示焊接位置：“0”、“1”均表示適用于全位置焊接，“2”表示適用于平焊，“4”表示適用于立焊；第三位和第四位數字組合表示焊接電流種類和焊條藥皮類型，03表示鈦鈣型藥皮，交流或直流正接、反接，15表示低氫鈉型藥皮，直流反接，16為低氫鉀型藥皮，交流或直流反接。如E4303、E5015、E5016等。E××××以大寫拼音字母或漢字表示焊條的類別，后面跟三位數字。前兩位表示焊縫金屬抗拉強度等級（kgf/mm2）；第三位數字表示表示焊條藥皮類型和焊接電流種類，其中1~5表示酸性焊條，6和7表示堿性焊條；1~6表示交直流兩用，7表示只用于直流反接。如J422中，“J”表示結構鋼焊條，“42”表示熔敷金屬抗拉強度不低于42kgf/mm2，“2”表示藥皮為氧化鈦鈣型，交流、直流電源均可使用。2）焊條的分類、型號和牌號②焊條的型號和牌號焊條型號：焊條牌號：要考慮焊縫和母材具有相同水平的使用性能。3）焊條的選用①對于一般結構鋼焊件，通常按“等強原則”選取相應強度等級的焊條；②對于不銹鋼、耐熱鋼焊件，則側重考慮相同的化學成分；③在普通環(huán)境下工作的一般焊件，盡量選取價格便宜的酸性焊條；④受動載荷、高溫、高壓或低溫作用的重要焊件，則應選取低氫焊條；⑤如果現場沒有直流焊機，則可選擇適用于交、直流兩用的穩(wěn)弧低氫型焊條。（6）焊條電弧焊工藝設計基礎1）焊接接頭常用焊接接頭形式a)對接接頭b)搭接接頭c)角接接頭d)T型接頭①焊接接頭的形式a)b)c)d)②坡口形式及應用常用的對接接頭的坡口形式有I形坡口（不開坡口）、V形坡口、X形坡口、U形坡口等四種。對接接頭的坡口形式a)b)c)d)

e)焊接時，焊件接縫所處的空間位置稱為焊接位置。按焊縫在空間位置的不同可分為平焊、立焊、橫焊和仰焊。a)平焊b)立焊c)橫焊d)仰焊2）焊縫位置3）焊接參數的選擇①焊條直徑的選擇②坡口形式及應用定義：埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法。自動焊機2.埋弧焊2.埋弧焊（1）埋弧焊焊接過程埋弧焊的焊接過程1—母材金屬2—電弧3—焊絲4—焊劑5—熔化的焊劑6—渣殼7—焊縫8—熔池2.埋弧焊（2）埋弧焊的特點及應用特點:1）生產效率高。應用:適用于成批生產中長直焊縫和較大直徑的環(huán)形焊縫，如大型容器和鋼結構等。2）焊接質量好。3）勞動條件好。4）操作不夠靈活，適應性較差。2.埋弧焊埋弧焊的應用定義：在焊接區(qū)內噴入保護氣體，將熔池與空氣隔開，達到保護熔化金屬的電弧焊方法。常用的有CO2氣體保護焊和氬弧焊兩種3.氣體保護焊CO2氣體保護焊示意圖（1）CO2氣體保護焊（2）氬弧焊：用氬氣作為保護氣體的氣體保護焊。1—熔池2—電弧3—焊絲4—送絲槍5—噴嘴6—氬氣7—焊件8—鎢極9—焊縫分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊。3.氣體保護焊CO2氣體保護焊——用于低碳鋼和強度級別不高的低合金結構鋼材料氬弧焊——氬氣保護效果好，但成本高。用于有色金屬、高強度合金鋼及特殊性能鋼。氣體保護焊的特點及應用①保護性氣體和焊絲分別送進，便于實現自動化焊接；②氣體保護焊對焊接位置無特殊要求，且透過氣體能看到焊接情況；③熱量集中，熱影響區(qū)小，變形??；④成本低，生產率高。但：①空氣流動會影響保護效果，故不適合室外進行。

②弧光強烈，煙霧、飛濺大，若操作不當，易產生氣孔等缺陷。定義：利用氣體火焰作熱源的焊接方法，最常用的是氧-乙炔焊。1.氣焊二、氣焊與氣割

氣焊的裝置圖1.氣焊1.氣焊

氣焊的火焰

氣焊的過程氣焊的火焰示意圖氣焊的過程示意圖特點優(yōu)點：設備簡單，不需要電源，適合各種空間位置的焊接。缺點：氣焊火焰溫度低，生產效率較低，焊接變形大。適合焊接薄板、小型零件、易熔的有色金屬及其合金。應用1.氣焊2.氣割氣割是利用預熱火焰將被切割的金屬預熱到燃點，再向此處噴射氧氣流，被預熱到燃點的金屬在氧氣流中燃燒形成金屬氧化物。定義：是在焊件組合后，通過電極施加壓力，利用電流在焊接處產生的電阻熱而進行焊接的方法。優(yōu)點：生產效率高，焊接變形小，勞動條件好。缺點：設備復雜，耗電量大，適用的接頭形式與焊件厚度

受到一定的限制。特點：電阻焊主要有點焊、縫焊和對焊三種種類：三、電阻焊1.點焊定義：將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩個柱狀電極之間，利用電阻熱熔化焊件金屬，形成焊點的焊接方法。應用：板厚＜4㎜，不要求密封的薄板沖壓結構和鋼筋的焊接。定義：縫焊過與點焊不同的是以盤狀滾動電極代替了柱狀電極用于厚度＜3㎜，有密封性要求的薄壁容器和管道等。如汽車車身頂蓋雨檐、減震器封頭、油箱、消聲器和機油盤等。應用：2.縫焊定義：將焊件裝配成對接接頭，利用電阻熱將兩工件端面對接起來的焊接方法。分為電阻對焊和閃光對焊兩種。分類：3.對焊四、摩擦焊摩擦焊是指利用焊件表面相互摩擦所產生的熱，使端面達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。五、釬焊釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將母材和釬料加熱，使釬料熔化而母材不熔化，利用液態(tài)釬料填充接頭間隙，潤濕母材并與母材相互擴散實現連接的焊接方法。a）烙鐵加熱

b）電阻加熱c）氣體火焰加熱釬焊的加熱方法示意圖釬焊的特點（1）尺寸精度高。釬焊時加熱溫度低，故釬焊金屬的組織和性能變化小，變形也小。（2）釬焊可以實現性能差異大的異種金屬的連接。（3）生產率高，操作簡單．易于實現機械化生產，可一次同時釬焊幾條焊縫。第三節(jié)常用金屬材料的焊接實例導讀不同的金屬材料，焊接的難易程度不同。如圖所示為低碳鋼的焊接和高碳鋼的焊接，你知道這兩種材料在相同的焊接條件下，哪種比較容易焊接？1.焊接性的概念：焊接性是指金屬材料在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質接頭的難易程度。2.金屬焊接性的評定方法CE＜0.4%時，焊接性良好；CE=0.4%~0.6%時，焊接性較差，焊接時需要預熱并采取其他工藝措施防止裂紋；CE＞0.6%時，焊接性差，焊接時需要較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。碳鋼和普通低合金鋼可以用碳當量來粗略預測其焊接性的好壞。CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5方法材料焊條電弧焊埋弧焊氬弧焊CO2保護焊氣焊電渣焊點焊縫焊對焊釬焊低碳鋼AAAAAAAAA中碳鋼ABABAABAA低合金鋼AAAABAAAA不銹鋼ABABABAAA鑄鐵BCBCBB—DB鋁合金CCADBDAAC常用金屬材料不同焊接方法的焊接性比較

第三節(jié)常用金屬材料的焊接一、金屬材料的焊接性1.低碳鋼的焊接：（1）低碳鋼wC＜0.25%，CE＜0.4%，一般沒有淬硬、冷裂傾向，所以低碳鋼的焊接性良好。（2）中高碳鋼的焊接中碳鋼wC=0.25%~0.6%，CE＞0.4%，其淬硬傾向和冷裂紋傾向較大，焊縫金屬熱裂傾向較大。因此，焊前必須預熱至150~250℃。焊接中碳鋼常用焊條電弧焊，選用E5015(J507)焊條。采用細焊條、小電流、開坡口、多層焊等工藝，盡量防止含碳量高的母材過多地熔入焊縫。焊后應緩慢冷卻，防止冷裂紋的產生。低碳鋼工件采用焊條電弧焊時，一般選用E4303（J422）和E4315（J427）焊條；埋弧自動焊常選用H08A或H08MnA焊絲和HJ431焊劑；CO2保護氣體保護焊時選用H08Mn2SiA焊絲。高碳鋼wC＞0.6%，CE＞0.6%，其焊接性更差，所以高碳鋼一般不用來制作焊接結構，僅用焊接來修補工件。常采用焊條電弧焊或氣焊進行修補，焊前應進行預熱和焊后緩冷。二、常用金屬材料的焊接性2.低合金結構鋼的焊接：強度級別較低的低合金結構鋼，CE＜0.4%，焊接性能接近低碳鋼，具有良好的焊接性能，一般不需預熱，焊接時不必采取特殊的工藝措施。但在低溫下或板厚較大時，需預熱到100~150℃。強度級別較高的低合金結構鋼，隨合金元素含量及強度的增高，熱影響區(qū)的淬硬傾向增大，焊接性能較差。接頭產生冷裂紋的傾向也相應增大，焊前需預熱，并加大焊接電流，減小焊速，同時選用低氫焊條，焊后還有及時進行熱處理或消氫處理，以預防冷裂紋的產生。3.不銹鋼的焊接奧氏體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氬弧焊和埋弧焊進行焊接。焊接時，一般不需要采取特殊的工藝措施。但奧氏體不銹鋼焊接時存在的問題是焊縫的熱裂傾向及焊接接頭的晶間腐蝕傾向。為防止其發(fā)生，應按母材金屬類型選擇不銹鋼焊條，采用小電流、短弧、焊條不擺動、快速焊等工藝，盡量避免過熱。對耐蝕性要求高的重要結構，焊后還要進行高溫固溶處理，以提高其耐蝕性。馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的焊接性較差，應采取嚴格的工藝措施，如焊前預熱、采用細焊條、小電流焊接、焊后去應力退火等。二、常用金屬材料的焊接性（1）熱焊：焊前將焊件整體或局部加熱到600~700℃，焊后緩慢冷卻的焊接方法。熱焊可防止出現白口組織和裂紋，焊補質量較好，焊后可以進行機械加工。但熱焊生產效率低，成本較高，勞動條件差，一般用于焊補形狀復雜焊后需要加工的重要鑄件，如汽車的氣缸體、機床導軌等。（2）冷焊：焊前不預熱或低溫預熱（400℃以下）的焊補方法。冷焊生產效率高，成本低，勞動條件好，可用于機床導軌、球墨鑄鐵件及一些非加工表面的焊補。但冷焊易出現白口組織，要靠焊條調整焊縫化學成分，以防止白口組織和裂紋的產生。二、常用金屬材料的焊接性4.鑄鐵補焊：5.鋁及其合金的焊接性鋁及鋁合金的焊接較為困難。鋁的線膨脹系數大，易變形；鋁及鋁合金熔化時無明顯顏色變化而不易被操作者覺察，焊接時容易燒穿。二、常用金屬材料的焊接性6.銅及銅合金的焊接性銅及銅合金焊接性能較差。銅的導熱系數很高，焊接要采用大功率熱源，且焊前和焊接過程中要預熱，否則易焊不透；銅的線膨脹系數和收縮率大，焊接變形嚴重，需采用適當的焊接順序及焊后錘擊等工藝措施。第四節(jié)生產中常見問題分析實例導讀焊接作為工業(yè)生產中經常使用到的一種工藝，其技術質量和設備的使用質量與焊件的質量息息相關。如圖所示，為常見的焊接缺陷。一旦焊接質量不達標或者沒有規(guī)范負荷要求，那么很有可能會在運行中潛藏巨大的安全隱患，甚至影響到生產的正常運行。接下來，我們就來對焊接生產中常見問題進行分析。一、焊接接頭的組織與性能第四節(jié)生產中常見問題分析低碳鋼熔焊接頭組織示意圖1.焊縫區(qū)的組織和性能焊縫金屬結晶示意圖一、焊接接頭的組織與性能焊縫區(qū)晶粒粗大，存在成分偏析，組織不致密，塑性較差，容易產生裂紋。由于焊條本身合金化的作用，使焊縫化學成分優(yōu)于母材，所以焊縫金屬的力學性能不低于母材。2.熔合區(qū)的組織和性能熔合區(qū)的溫度在液相線與固相線之間，熔合區(qū)既有液態(tài)金屬的結晶組織，又有高溫形成的粗大奧氏體組織。3.熱影響區(qū)的組織和性能（1）過熱區(qū)：塑性、韌性大大降低，容易產生裂紋，也是

焊接接頭的一個薄弱區(qū)域。（2）正火區(qū)：力學性能良好，是焊接接頭中力學性能最好的區(qū)域。（3）部分相變區(qū)：力學性能略低于母材。一、焊接接頭的組織與性能二、焊接應力和變形1.焊接應力與焊接變形a)收縮變形b)角變形c)彎曲變形d)扭曲變形e)波浪變形2.預防和減少焊接應力與焊接變形的措施（1）采用合理的結構采用盡量小的焊縫尺寸、數量；焊縫盡量對稱布置；焊縫分散，避免集中。（2）反變形法Y形坡口對接時，由于焊縫收縮產生變形，可用反變形法消除。

Y形坡口對接反變形二、焊接應力和變形（3）剛性固定法焊前將工件各部分用夾具、剛性支撐等強制固定以防止和減小變形。（