第2章金屬熱加工基礎(chǔ)2.1鑄造

2.2壓力加工

2.3焊接

2.4毛坯的選擇

復(fù)習(xí)思考題

2.1鑄

造

2.1.1鑄造的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用

(1)可以鑄成外形和內(nèi)腔十分復(fù)雜的毛坯,如各種箱體、床體、機(jī)架等。

(2)適用范圍較廣,工業(yè)上常用的金屬材料都可用來鑄造,有些材料(如鑄鐵)只能用鑄造方法來制取零件。鑄件的質(zhì)量可以從幾克到數(shù)百噸以上。

(3)原材料來源廣泛,還可直接利用報廢的機(jī)件或切屑,工藝設(shè)備費(fèi)用少,成本較低。

(4)鑄件的形狀與零件的尺寸較接近,可節(jié)省金屬的消耗,減少切削加工工作量。

鑄造生產(chǎn)具有以下缺點(diǎn):鑄件中常出現(xiàn)氣孔、縮松、縮孔、夾渣和砂眼等缺陷,使其力學(xué)性能不如鍛件;鑄造生產(chǎn)的工序較多,一些工藝過程難控制,質(zhì)量不穩(wěn)定等,因此,對于承受動載荷的重要零件一般不采用鑄件作為毛坯。鑄造可分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類。特種鑄造方法有金屬型鑄造、連續(xù)鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、熔模鑄造和殼型鑄造、陶瓷型鑄造等。

2.1.2砂型鑄造砂型鑄造(SandCasting)就是將熔化的金屬澆入到砂型型腔中,經(jīng)冷卻、凝固后,獲得鑄件的方法。當(dāng)從砂型中取出鑄件時,砂型便被破壞,故又稱一次性鑄造,俗稱翻砂。砂型鑄造是最基本的鑄造方法,目前大部分鑄件都是由這種方法生產(chǎn)的。它的生產(chǎn)過程如圖2-1所示,可以歸納為以下幾點(diǎn):圖

2-1砂型鑄造生產(chǎn)過程

(1)根據(jù)零件圖制造模型和型芯盒。(2)制備型砂及芯砂。(3)利用模樣及芯盒進(jìn)行造型和造芯。(4)烘干型芯(或鑄型)。(5)合箱澆注。(6)出砂和清理鑄件。

1.模樣、鑄件砂型鑄造中,模樣(Mold)、鑄件(Castings)、零件(Part)三者是不同的。在尺寸上,鑄件等于零件尺寸再加上機(jī)械加工余量,模樣等于鑄件尺寸加收縮量;形狀上,鑄件與模樣必須有拔模斜度(便于起模)、鑄造圓角(便于造型、避免崩砂);當(dāng)鑄件上有孔時,模樣上要有型芯頭,以便型芯的定位與固定。

2.造型材料造型材料(MoldingMaterials)包括型砂和芯砂,它們由砂、粘結(jié)劑和水混合而成。常用的粘結(jié)劑有粘土、水玻璃和油脂。若粘結(jié)劑是粘土,則稱為粘土砂;若粘結(jié)劑是水玻璃，則稱為水玻璃砂;若粘結(jié)劑是油脂,則稱為油砂。為了制造各種形狀的空腔,型砂應(yīng)具有很好的可塑性,為防止型腔在制造、修理、搬動、澆注時受力破壞,型砂應(yīng)具有一定的強(qiáng)度。為排除型砂及液體金屬中的氣體,型砂應(yīng)有良好的透氣性。為防止高溫下鑄件產(chǎn)生粘砂,型砂應(yīng)具有耐火性。為使鑄件冷凝時自由收縮,型砂在此時應(yīng)能自動崩散,即有一定的退讓性。

3.造型造型(Molding)就是用型砂和模樣制造砂型的過程。圖2-2所示為合箱后的砂型裝配圖,圖中型砂被舂緊在上、下砂箱之中,連同砂箱一起,稱做上砂型和下砂型。砂型中取出木模后留下的空腔稱為型腔。上下砂型分界面稱為分型面。對于帶孔的鑄件,還應(yīng)制作出型芯,型芯上用來安放和固定型芯的部分,稱為型芯頭,型芯頭置于砂型的型芯座上。金屬液經(jīng)澆注系統(tǒng)流入型腔。型腔的最高處或側(cè)面開有冒口,其主要作用是儲存金屬液，在鑄件凝固的最后階段得到補(bǔ)縮；另外，還有排氣，觀察浮渣及金屬液是否澆滿的作用。被高溫金屬液包圍后型芯中產(chǎn)生的氣體則由型芯排氣道排出,而型砂中的氣體則由通氣孔排出。

圖

2-2砂型裝配圖

1)手工造型實(shí)際生產(chǎn)中,由于鑄件的大小、形狀、鑄造合金、生產(chǎn)批量、鑄件的技術(shù)要求不同,手工造型(HandMolding)的方法也不同。手工造型方法有以下幾種:

(1)整模造型(One-piecePatternMolding)。整模造型是用整體模樣造型,模樣只在一個砂箱內(nèi)(下箱),分模面是平面。整模造型操作方便,鑄件不會由于上下砂型錯位而產(chǎn)生錯位缺陷,它用于制造形狀比較簡單的鑄件。

圖2-3所示為整模造型過程。

圖

2-3整模造型過程

(2)分模造型(PartedPatternMolding)。分模造型是將木模沿最大截面處分成兩部分,并用銷釘定位,該模樣稱為分模。模樣上分開的平面常常作為造型時的分型面。分模造型將模樣分別放置在上、下砂型中。分模造型在生產(chǎn)上應(yīng)用最廣,圖2-4所示為套筒鑄件的分模造型過程。

圖

2-4分模造型過程

(3)刮板造型(SweepMolding)。刮板造型是在造型時用一個與鑄件截面形狀相應(yīng)的刮板代替模樣,來刮出所需鑄件的型腔。圖2-5為一皮帶輪鑄件的刮板造型過程,刮板繞軸線旋轉(zhuǎn)造出上、下型,最后合型澆注。刮板造型適用于等截面的大、中型回轉(zhuǎn)體鑄件的單件、小批量生產(chǎn),如帶輪、大齒輪、飛輪、

彎管等。

圖

2-5刮板造型過程

2)機(jī)器造型機(jī)器造型(MachineMolding)指在造型中的兩道基本工序(緊砂和起模)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。機(jī)器造型改善了勞動條件,提高了生產(chǎn)率,而且鑄件尺寸精確,表面光潔,加工余量少,適用于大批量生產(chǎn)。隨著鑄造生產(chǎn)向著集中化和專業(yè)化方向發(fā)展,機(jī)器造型的比重將日益增加。

(1)緊砂方法。常用的緊砂方法有壓實(shí)、震實(shí)、震壓、拋砂和射砂等幾種形式,其中震壓方法應(yīng)用最廣,圖2-6為氣動震壓緊砂機(jī)構(gòu)原理圖。

圖

2-6氣動震壓緊砂機(jī)構(gòu)原理圖

(2)起模方法。常用的起模機(jī)構(gòu)有頂箱、

落模和翻轉(zhuǎn)三種,圖2-7為起模方法。

圖

2-7起模方法

4.造芯

制造型芯的過程稱為造芯(CoreMaking)。型芯的制造工藝與造型的相似。為了增加型芯強(qiáng)度,保證型芯在翻轉(zhuǎn)、吊運(yùn)、下芯、澆注過程中不致變形和損壞,型芯中應(yīng)放置芯骨(可用鐵絲或鐵釘做型芯骨)。為增強(qiáng)其透氣性,需在型芯內(nèi)扎通氣孔,型芯一般要上涂料或烘干,以提高它的耐火度、

強(qiáng)度和透氣性。

5.澆注系統(tǒng)將液態(tài)金屬澆入鑄型的過程稱為澆注(Gating)。為填充型腔而開設(shè)于鑄型中的一系列通道稱為澆注系統(tǒng)(GatingSystem)。澆注系統(tǒng)通常由排氣道、外澆口、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道組成，如圖2-8所示。對形狀簡單的小鑄件可省略橫澆道。澆注系統(tǒng)的作用是使金屬液平穩(wěn)、迅速地流入型腔,調(diào)節(jié)鑄件的凝固順序,并阻止熔渣、砂粒等進(jìn)入型腔。

圖

2-8澆注系統(tǒng)的組成

2.1.3特種鑄造

1.金屬型鑄造將液態(tài)金屬澆入金屬材料制成的鑄型中以獲得鑄件的方法,稱為金屬型鑄造(PermanentMoldCasting)。金屬型一般用鑄鐵、碳鋼或低合金鋼等制造,金屬型鑄造實(shí)現(xiàn)了一型多鑄,故又稱為永久性鑄造。用金屬型鑄出的鑄件有較高的尺寸精度和表面質(zhì)量,機(jī)械加工余量小。由于冷卻速度快,故鑄件的晶粒細(xì)小,力學(xué)性能好。但因鑄型熱導(dǎo)率高、退讓性差,澆注前必須先進(jìn)行預(yù)熱。如果是連續(xù)生產(chǎn)不斷澆注,鑄型因吸熱而溫度升高,則需要設(shè)置冷卻裝置。金屬型鑄造主要用于大批量生產(chǎn)形狀簡單的鋁合金活塞、汽缸體、油泵殼體、銅合金軸瓦、軸套等非鐵合金。

2.熔模鑄造熔模鑄造(InvestmentCasting)又稱為失蠟鑄造。它是用易熔材料(如蠟料或塑料)制成模樣,并涂上若干層耐火材料形成外殼,待干燥硬化后加熱熔失模樣,獲得無分型面的型殼,在型殼中澆注液態(tài)金屬,冷凝后毀去外殼,得到鑄件。熔模鑄造由于鑄型是一個整體,不受分型面的限制,可以制作任何種類、形狀復(fù)雜的鑄件。鑄件尺寸精度高,表面質(zhì)量好,能減少或無需切削加工,特別適用于高熔點(diǎn)金屬或難以切削加工的鑄件,如耐熱合金、磁鋼等。熔模鑄造的主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜,蠟?zāi)３叽邕^大易變形,因而多用于制造各種復(fù)雜形狀的小零件。例如，各種氣輪機(jī)、發(fā)動機(jī)的葉片或葉輪、汽車、拖拉機(jī)、風(fēng)動工具、機(jī)床上的小型零件以及刀具等。

3.壓力鑄造

將液態(tài)金屬在高壓下高速充填到金屬型腔中以獲得鑄件的方法,稱為壓力鑄造(PressureDieCasting)。壓力鑄造是在壓鑄機(jī)上進(jìn)行的。由于金屬是在強(qiáng)大的壓力下壓入型腔的,可鑄出組織致密、薄壁、尺寸精度高的鑄件。此外,鑄件上的各種孔、螺紋、精細(xì)的花紋圖案,都可采用壓力鑄造直接得到。壓鑄件一般不再進(jìn)行切削加工。但壓鑄件在高壓下迅速冷凝,內(nèi)部氣體不易逸出,易產(chǎn)生皮下小氣孔和縮松。壓鑄是先進(jìn)的、高效率的加工方法之一,目前主要用在鋁、鎂、鋅、銅等有色合金鑄件的大批量生產(chǎn)中,如計算機(jī)、照相器材等零件。

4.離心鑄造將液態(tài)合金澆入高速旋轉(zhuǎn)著的鑄型,使金屬在離心力作用下結(jié)晶而獲得鑄件的方法稱為離心鑄造(TrueCentrifugalCasting)。離心鑄造的鑄型有繞垂直軸旋轉(zhuǎn)和繞水平軸旋轉(zhuǎn)兩種。金屬液由于離心作用,鑄造圓形內(nèi)腔時不需型芯和澆注系統(tǒng),所含熔渣和氣體都集中在內(nèi)表面上,使金屬呈方向性結(jié)晶,所以鑄件結(jié)晶細(xì)密,可防止產(chǎn)生縮孔、氣孔、渣眼等缺陷,力學(xué)性能較好,但內(nèi)表面質(zhì)量較差,因而此處加工余量應(yīng)放大一些。離心鑄造適用于制造空心旋轉(zhuǎn)體鑄件,如各種管道、汽車和拖拉機(jī)缸套等。此法還可以進(jìn)行雙層金屬離心鑄造,如用于機(jī)床主軸的封閉式缸套、

缸套鑲銅軸承等。

2.1.4鑄造合金的鑄造性能

1.合金的流動性合金的流動性(AlloyFluidity)指液態(tài)合金填充鑄型的能力,它對鑄件質(zhì)量有很大的影響。流動性好,就容易獲得形狀完整、輪廓清晰、壁薄或形狀復(fù)雜的鑄件,同時有利于合金中氣體和非金屬夾雜物的上浮和排除,有利于合金凝固時的補(bǔ)縮。流動性不好,易使鑄件產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣和縮孔等缺陷。鑄造合金的流動性常用液態(tài)合金澆成的螺旋形試樣的長度評定。影響流動性的因素很多,主要是合金的化學(xué)成分、

澆注溫度和鑄造工藝。

(1)化學(xué)成分。不同成分的鑄造合金,凝固時具有不同的結(jié)晶特點(diǎn),流動性也不同。共晶成分的合金是在恒溫下結(jié)晶的，結(jié)晶溫度低,流動性好。其他成分的合金,結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成的,先結(jié)晶的固體,必然會影響液態(tài)金屬的流動性。而且結(jié)晶溫度間隔越寬,其流動性越差。

(2)澆注溫度。澆注溫度越高,合金的流動性越好。但不能太高,否則鑄件易產(chǎn)生縮孔、粘砂、氣孔等。

(3)鑄型工藝及鑄件結(jié)構(gòu)。液態(tài)合金在砂型中的流動性優(yōu)于在金屬型中的流動性,砂型中干型流動性大于濕型流動性。此外提高直澆口高度,增設(shè)出氣冒口等都可增加合金流動性。鑄件壁厚要大于規(guī)定的最小壁厚。對于形狀復(fù)雜,壁薄而散熱大的鑄件,需選擇流動性好的合金。

2.合金的收縮性

金屬在冷卻時體積縮小的性能稱為收縮性(Contractility)。金屬的收縮可分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三部分。其中,液態(tài)收縮是在高溫狀態(tài),只造成鑄型冒口部分金屬液面的降低;凝固收縮會造成縮松、縮孔等現(xiàn)象;固態(tài)收縮受到阻礙時,則產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力。為防止縮松或縮孔,應(yīng)擴(kuò)大內(nèi)澆道,利用澆道直接補(bǔ)縮,或在壁厚處設(shè)置冒口,由冒口中金屬液補(bǔ)充壁厚處凝固收縮。影響收縮的因素是其化學(xué)成分、澆注溫度、鑄型工藝及鑄件結(jié)構(gòu)。

(1)化學(xué)成分。各類合金的成分不同,其收縮率也不同。

(2)澆注溫度。合金澆注溫度越高,液態(tài)收縮越大,形成縮孔的傾向也越大。

(3)鑄型工藝和鑄件結(jié)構(gòu)。當(dāng)鑄型、型芯對金屬收縮產(chǎn)生阻力時,將影響鑄件的收縮。鑄件形狀復(fù)雜或厚薄相差大,凝固后的鑄件收縮不一樣,導(dǎo)致其內(nèi)應(yīng)力增大,甚至變形、開裂。

3.常用合金的鑄造性能

1)灰口鑄鐵灰口鑄鐵成分接近于共晶,結(jié)晶溫度間隔小,熔點(diǎn)低,結(jié)晶時石墨膨脹,可抵消鐵的收縮,故總的收縮小,流動性好。如灰口鑄鐵的澆注溫度在1200～1280℃時,表示流動性好壞的螺旋線長度為600～1200mm,總體積收縮率為6.9％～7.8％。

2)碳素鑄鋼常用于制造機(jī)械零件的鑄鋼含碳量為0.25％～0.45％。鑄鋼的澆注溫度高(約為1500℃),螺旋線長度為100mm,流動性差,收縮大,總體積收縮率達(dá)12.4％。在熔煉過程中易吸氣和氧化。因此鑄鋼的鑄造性能差,易產(chǎn)生粘砂、澆不足、冷隔、縮孔、裂紋、氣孔等缺陷。

3)有色金屬銅合金熔點(diǎn)低,流動性好。錫青銅澆注溫度為1040℃,螺旋線長度為420mm。硅黃銅澆注溫度為1100℃,螺旋線長度為1000mm。銅合金熔煉時易氧化,某些銅合金(如鉛青銅)還易產(chǎn)生密度偏析,熔煉時要注意防止合金氧化、燒損、偏析。鋁合金的澆注溫度更低,一般在680℃,螺旋線長度為700～800mm。鋁合金在高溫下易吸氣和氧化,影響其力學(xué)性能,故熔煉時要注意隔絕合金液體與爐氣的接觸,并采用一些凈化措施。

2.2壓力加工

金屬壓力加工(MechanicalWorkingofMetals)是利用金屬的塑性,改變其形狀、尺寸，并改善其性能,以獲得型材、棒材、板材、線材或鍛壓件的加工方法。它包括鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔等。壓力加工是以材料的塑性為基礎(chǔ)的。各種鋼和大多數(shù)有色金屬都具有不同程度的塑性,因此它們可以在冷態(tài)或熱態(tài)下進(jìn)行壓力加工,但脆性材料(如鑄鐵)則不能。金屬壓力加工的特點(diǎn)如下:

(1)改善金屬內(nèi)部組織,提高力學(xué)性能。壓力加工后的金屬材料能獲得較細(xì)的晶粒,同時能使鑄造組織內(nèi)部缺陷(如微小裂紋,縮松、氣孔等)焊合,因而提高了金屬的力學(xué)性能。

(2)具有較高的生產(chǎn)率。如采用快速鍛造、擠壓、軋壓、輥鍛、冷沖壓等都能提高生產(chǎn)率。以螺紋和螺母的生產(chǎn)為例,一臺自動冷鐓機(jī)的產(chǎn)量相當(dāng)于18臺自動機(jī)床。

(3)減少金屬的加工消耗。使用精密的壓力加工,可使精密鍛壓件的尺寸精度和表面粗糙度接近成品,經(jīng)少量切削(或無切削)加工即可得到成品零件。

(4)適用范圍廣。能適應(yīng)各種形狀及質(zhì)量的需要,從簡單形狀的螺釘?shù)叫螤顝?fù)雜的多拐曲軸,從質(zhì)量不及1g的表針到數(shù)百噸的大軸都可以制造。

2.2.1鍛造

1.自由鍛自由鍛(OpenDieForging)是利用沖擊力或壓力使金屬坯料在熱態(tài)下產(chǎn)生塑性變形,從而獲得所需幾何形狀和內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的加工方法。自由鍛按其設(shè)備可分為手工自由鍛和機(jī)器自由鍛。手工自由鍛是一種古老的鍛造方法。它是利用一些簡單工具,靠手工操作對鍛件進(jìn)行加工,只能生產(chǎn)一些小型鍛件,或作為機(jī)器鍛造的輔助操作。機(jī)器自由鍛常用的設(shè)備有鍛錘或水壓機(jī)。鍛錘有空氣錘、蒸汽錘等。鍛錘是靠沖擊力,水壓機(jī)則用靜壓力使坯料變形。自由鍛造的基本工序包括:鐓粗、拔長、沖孔、切割、彎曲、扭轉(zhuǎn)及鍛接等。下面簡述生產(chǎn)中常用的鐓粗、

拔長和沖孔三種。

1)鐓粗鐓粗(ForgingFeduction)是使坯料高度減少,橫截面增大的工序。制造高度小,橫截面大的工件(如齒輪、圓盤等)必須經(jīng)過鐓粗工序。鐓粗可分為局部鐓粗和全部鐓粗。局部鐓粗又分為端部鐓粗和中部鐓粗。局部鐓粗常需要在墊環(huán)上進(jìn)行。圖2-9為鐓粗示意圖。

圖

2-9鐓粗示意圖

2)拔長拔長(DrawingOut)是使坯料橫截面積減少,長度增加的工序。制造外形長而截面小或空心的工件(如軸、曲軸、空心軸、套筒、圓環(huán)、炮筒等)需經(jīng)拔長工序。拔長時一般先鍛成方形截面,待拔長到所需長度后,再鍛成需要的形狀尺寸,對于帶孔的坯料,可在心軸上通過減小空心坯料的壁厚來增加長度。

圖2-10為拔長示意圖。

圖

2-10拔長示意圖

3)沖孔在鍛件上制造出通孔或不通孔的鍛造工序稱為沖孔(Punching)。沖孔用于制造齒輪坯、套筒、

圓環(huán)等空心工件。

沖孔前坯料鐓粗成近似扁平狀態(tài)。

圖2-11為沖孔示意圖。

圖

2-11沖孔示意圖

2.胎模鍛胎模鍛(LooseToolingForging)是在自由鍛設(shè)備上使用可移動胎模生產(chǎn)鍛件的一種鍛造方法。胎模由上下模組成。胎模不固定在錘頭或砧座上,工作時,下模放在鍛錘的下砧座上,把經(jīng)過自由鍛初步成型的鍛件坯料置于胎模中,然后合上上模進(jìn)行鍛壓,使坯料在胎模內(nèi)變形。胎模鍛是介于自由鍛和模鍛之間的一種鍛造方法。與自由鍛相比,可獲得形狀較復(fù)雜,尺寸較精確的鍛件,生產(chǎn)率較高。與模鍛比較,缺點(diǎn)是工人勞動強(qiáng)度較高,生產(chǎn)效率較低,鍛件精度及表面質(zhì)量較差。胎模鍛主要適用于中小批量、形狀較復(fù)雜的鍛件。它在缺乏模型鍛造設(shè)備的中、小型企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.模鍛在模鍛設(shè)備上,利用模具使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法稱為模鍛(DieForging)。模鍛可在多種設(shè)備上進(jìn)行。常用的模鍛設(shè)備有蒸汽－空氣模鍛錘、曲柄壓力機(jī)、摩擦螺旋壓力機(jī)、平鍛機(jī)、液壓機(jī)等。其中在蒸汽－空氣模鍛錘上的模鍛應(yīng)用最廣,稱為錘上模鍛。圖2-12所示為錘上模鍛示意圖。上模5和下模4分別安裝在錘頭7和模墊9上的燕尾槽內(nèi),用鑲條對準(zhǔn)和緊固。工作時上模隨錘頭一起上下運(yùn)動,沖擊模膛中的坯料8,使之充滿模膛。模鍛與自由鍛和胎模鍛相比:模鍛件的尺寸精度高,加工余量小;能鍛造形狀較復(fù)雜的鍛件;生產(chǎn)率較高;勞動強(qiáng)度低。但模鍛受到設(shè)備能力的限制,模鍛件重量一般在150kg以下,模鍛需要專門的設(shè)備,制造成本高。所以模鍛主要適用于中小型鍛件的成批和大量生產(chǎn)。

圖

2-12錘上模鍛示意圖

2.2.2板料沖壓

1.沖裁利用沖模將板料以封閉的輪廓線與坯料分離的沖壓方法稱為沖裁(Blanking)。沖裁包括沖孔和落料。沖孔和落料的方法相同,只是作用不同。落料是用沖模從坯料上沖下一塊金屬,作為成品或進(jìn)一步加工的坯料,即沖下的部分是有用的。而沖孔是用沖模從坯料上沖出所需的孔,沖下的部分是廢料(見圖2-13)。

圖

2-13落料和沖孔示意圖

2.彎曲將板料、型材或管材在彎矩作用下彎成具有一定曲率和角度的成型方法稱為彎曲(Bending)。彎曲時,為防止彎曲部分的外側(cè)在拉應(yīng)力作用下斷裂,彎曲模凸模的端部和凹模的邊緣必須加工出一定的角度(見圖2-14),而且各種材料都規(guī)定有最小彎曲半徑。為了抵消板料因彈性變形而回彈,彎曲模的角度應(yīng)比成品的角度略小一個回彈角。

圖

2-14彎曲示意圖

3.拉伸

拉伸(Drawing)是將板料加工成杯狀零件的工序。圖2-15為拉伸示意圖,坯料在凸模的作用下被壓入凹模。為了避免坯料被拉裂,凸模與凹模轉(zhuǎn)角處都應(yīng)作成圓角。同時為了減少摩擦阻力,凸模與凹模間應(yīng)留有一定的間隙。此外,為了防止拉裂,成品直徑與坯料直徑不能相差太大。當(dāng)一次拉制不易成型時,可采用多次拉伸。在多次拉伸時,為了消除加工硬化,在多次拉伸中間往往要進(jìn)行再結(jié)晶退火。

圖

2-15拉伸示意圖

2.2.3軋制金屬材料在一對旋轉(zhuǎn)軋輥的壓力作用下,產(chǎn)生連續(xù)塑性變形,獲得要求的截面形狀并改變其性能的方法,稱為軋制(Rolling)，

如圖2-16所示。

軋制一般都是熱軋。冷軋通常用于軋制薄板。軋制常用來制造鋼管、板材、角鋼、工字鋼等各種型材,如圖2-17所示。此外,還可以直接制造機(jī)械零件成品,如車輪和輪緣、齒輪、連桿、圓環(huán)、鋼球等。

圖2-16軋制示意圖圖

2-17軋制型鋼

2.2.4擠壓擠壓(Extrusion)是使金屬坯料在擠壓模內(nèi)受壓成型的加工方法。在圖2-18中,坯料3在擠壓筒2內(nèi)受到壓頭1的擠壓作用,從擠壓模4中流出,流出部分的截面形狀和尺寸取決于擠壓模的孔的形狀和尺寸,因此,擠壓可以獲得各種復(fù)雜截面的型材和零件。

圖

2-18擠壓示意圖

擠壓工藝簡單,生產(chǎn)率高,零件精度高,表面質(zhì)量好,特別是擠壓件的纖維組織與輪廓一致,使零件的力學(xué)性能得以提高。所以,擠壓是壓力加工中較先進(jìn)的一種加工方法,常用于生產(chǎn)各種形狀復(fù)雜、

深孔、薄壁、異形斷面的零件。

2.2.5拉拔拉拔(見圖2-19)是坯料在牽引力的作用下通過拉拔模的孔拔出,使之產(chǎn)生塑性變形而得到截面縮小、長度增加的制品的工藝。

圖

2-19拉拔示意圖

2.3焊

接

2.3.1焊條電弧焊

1.焊接過程圖2-20為手工電弧焊焊接過程示意圖。焊接前,焊鉗和焊件分別與電焊機(jī)輸出端的兩極連接,并用焊鉗夾持焊條。焊接時,首先使電極與焊件瞬時接觸,在焊條和焊件之間引出電弧,在電弧的高溫作用下,焊條和焊件同時熔化,形成金屬熔池,隨著電弧沿焊接方向移動,熔池金屬迅速冷卻凝固成焊縫。

圖

2-20手工電弧焊焊接過程示意圖

2.電焊條電焊條(WeldingRod)由金屬焊芯(CoreWire)及包在它外面的藥皮(Coating)組成。

(1)焊芯。焊芯主要起傳導(dǎo)電流和填充焊縫的作用。焊芯金屬的化學(xué)成分直接影響焊縫的質(zhì)量。焊芯直徑常用的為Φ2～Φ5mm,長度為300～450mm。

(2)藥皮。藥皮的作用是使電弧容易引燃并且穩(wěn)定燃燒,保護(hù)熔池內(nèi)金屬不被氧化,保證焊縫金屬具有合乎要求的化學(xué)成分和力學(xué)性能。藥皮的成分較為復(fù)雜,一般由礦石粉、鐵合金粉和水玻璃配制而成,粘涂在焊芯表面。

(3)電焊條分類及牌號。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),焊條共分為十類,即低碳鋼和低合金鋼焊條,鎳及鎳合金焊條,鉬和鉻鉬耐熱鋼焊條,不銹鋼焊條,堆焊焊條,低溫鋼焊條,鑄鐵焊條,銅及銅合金焊條,鋁和鋁合金焊條和特殊用途焊條。焊條牌號國家有統(tǒng)一規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5117-1995)。下面以碳鋼焊條為例進(jìn)行說明。碳鋼焊條型號用E及四位數(shù)字表示,E表示焊條,前二位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值,單位為MPa,第三位數(shù)字表示焊接位置,第三、四兩位數(shù)字配合時表示焊接電流種類及藥皮類型。例如,E4315的含義為

3.焊接接頭、坡口形式和焊縫位置

1)焊接接頭和坡口形式在焊條電弧焊中,由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀、材料厚度和焊縫質(zhì)量要求不同,需要采用不同形式的接頭和坡口進(jìn)行焊接。常用的接頭形式有對接、搭接、角接和T形接等,如圖2-21所示。

對接接頭是常用的接頭形式,當(dāng)工件厚度δ≤6mm時,一般不開坡口(即I形坡口),只需在工件接頭處留有一定的間隙;當(dāng)工件厚度δ＞6mm時,為保證焊透需開出各種形式的坡口,如圖2-22所示。

圖2-21接頭形式圖

2-22坡口形式

2)焊縫的空間位置根據(jù)焊接操作時焊縫的空間位置不同,可分為平焊、橫焊、立焊和仰焊四種,如圖2－23所示。其中平焊位置操作最為方便,立焊、

橫焊次之,仰焊最差。

圖

2-23焊縫的空間位置

4.焊接參數(shù)

焊接參數(shù)(WeldingCondition)是指焊接時,為保證焊接質(zhì)量而選定的各項(xiàng)參數(shù)的總稱。焊條電弧焊的焊接參數(shù)主要有焊條直徑、焊接電流、焊接速度和電弧長度等。其中，焊條直徑和焊接電流是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素。焊條直徑d取決于焊件厚度、接頭形式和焊縫空間位置。通常按焊件厚度選取,焊條直徑d和焊件厚度之間的關(guān)系見表2-1。

表2-1焊條直徑的選擇

焊接電流一般按焊條直徑選取。當(dāng)焊接電流適當(dāng)時,電弧燃燒穩(wěn)定,噪聲小,飛濺少,鋼液流動好,焊縫成型美觀；當(dāng)電流過大時,會造成焊縫咬邊、燒穿、飛濺和焊縫成型不良等缺陷;當(dāng)電流太小時,電弧燃燒不穩(wěn)定,并易造成夾渣、未焊透等缺陷。焊接低碳鋼時,可接合具體情況參考下列經(jīng)驗(yàn)公式確定焊接電流:I=(30～55)d

式中,I為焊接電流(A)；d為焊條直徑(mm)。

2.3.2氣焊和氣割

1.氣焊氣焊(GasWelding)是利用氣體火焰來熔化母材和填充金屬的一種焊接方法。氣焊的熱源是乙炔和氧混合燃燒形成的氧乙炔焰。氣焊的特點(diǎn)是加熱過程比較穩(wěn)定,且加熱速度緩慢,易于實(shí)現(xiàn)均勻焊透和單面焊雙面成型,此外,氣焊不需要電源,給室外操作帶來方便。氣焊的應(yīng)用不如電弧焊廣泛,主要原因是氣焊火焰溫度低,熱量不夠集中,故生產(chǎn)率不高。工業(yè)上氣焊常用于焊接厚度小于2～3mm的薄鋼板、非鐵(有色)金屬及其合金,以及焊補(bǔ)鑄鐵零件等。氣焊設(shè)備主要有氧氣瓶、

乙炔瓶、

減壓器和焊炬等,如圖2-24所示。

圖

2-24氣焊設(shè)備及其連接

(1)氧氣瓶。氧氣瓶是儲運(yùn)氧氣的一種高壓容器,它的容積一般為0.04m3。儲氧的最高壓力為14.7MPa。氧氣瓶口上裝有閥,使用時在閥上裝減壓器。放置氧氣瓶必須平穩(wěn)可靠,并套上防震圈,避免運(yùn)輸時撞擊。

(2)乙炔瓶。乙炔瓶是儲運(yùn)乙炔的壓力容器,其工作壓力為1.5MPa,乙炔瓶容積為0.04m3。乙炔瓶表面漆白色,用紅漆標(biāo)寫乙炔字樣。乙炔瓶內(nèi)裝有浸滿著丙酮的多孔材料:石棉和硅藻土。乙炔易溶于丙酮中,多孔材料吸收了丙酮和乙炔的溶液可抗震動,防止爆炸。乙炔瓶的使用,除遵循氧氣瓶的使用要求外,還應(yīng)注意:瓶體的溫度不能超過30～40℃;乙炔瓶只能直立,不能橫臥;不能遭受撞擊、震動;存放乙炔瓶的室內(nèi)應(yīng)注意通風(fēng)；也可用家用液化氣替代乙炔氣。

(3)減壓器。它的作用是將瓶內(nèi)氣壓降至工作壓力,并使工作壓力保持穩(wěn)定。

(4)焊炬。焊炬是將乙炔和氧氣按需要的比例混合,由焊嘴噴出后產(chǎn)生焊接火焰的器具，又稱焊槍。焊炬的焊嘴是可以更換的,每把焊炬?zhèn)溆形鍌€大小不同的焊嘴,供焊接不同厚度焊件時選用。

2.氣割氣割(GasCutting)是利用氧—乙炔氣體混合火焰將工件待割處預(yù)熱到一定溫度后,噴出高壓氧氣流使其燃燒,放出熱量并吹除氧化渣,實(shí)現(xiàn)切割的方法。其過程如圖2-25所示。

圖

2-25氣割過程示意圖

1)氣割設(shè)備氣割的設(shè)備除割炬外,其他都與氣焊的相同。割炬(CuttingTorch，又稱割槍)由形成預(yù)熱火焰部分和送入切割氧氣部分組成，見圖2-26。預(yù)熱部分與氣焊的焊炬構(gòu)造相同,所不同的是多了一根氧氣通道,高壓純氧由此進(jìn)入割嘴內(nèi),將燃燒的氧化物吹掉,形成切口。割炬的割嘴可以更換,每個割炬都帶有3～4的流量不同的割嘴,以供氣割不同厚度的材料時選用。

圖

2-26割炬

2)氣割工藝氣割前,首先應(yīng)根據(jù)氣割金屬的厚度選擇適當(dāng)?shù)母钭?并進(jìn)行清理工作及畫出割線,割件下面應(yīng)墊空,不能在水泥地上進(jìn)行氣割。氣割時,火焰的點(diǎn)燃與氣焊時相同,火焰應(yīng)垂直于切割金屬的表面進(jìn)行加熱。待加熱到金屬表面層即將氧化燃燒時,再以一定壓力的氧氣流噴射入切割層,已預(yù)熱的金屬便在氧氣流中燃燒,被氧化的熔渣被一層層吹掉,最后金屬被切斷。當(dāng)氣割薄板時(1.5～2mm),可將許多薄板疊加在一起,用夾具夾緊,使各層鋼板之間相互粘合好,一次將其切割開。

2.3.3其他焊接方法

1.埋弧焊埋弧焊(ShieldedArcWelding)又稱為焊劑層下電弧焊,是一種焊絲和焊件在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。在焊接過程中引燃電弧、焊絲送進(jìn)和沿焊接方向的移動等全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動進(jìn)行。埋弧焊的焊縫形成過程如圖2-27所示。由于電弧在焊劑層下燃燒,能防止空氣對焊接熔池的不良影響;焊絲連續(xù)送進(jìn),焊縫的連續(xù)性好,消除了焊條電弧焊接中因更換焊條而引起的缺陷;由于焊劑的覆蓋,減少了金屬燒損和飛濺,可節(jié)省焊接材料。因此,埋弧焊與焊條電弧焊相比,具有生產(chǎn)率高、節(jié)約金屬、提高焊縫質(zhì)量和改善勞動條件等優(yōu)點(diǎn),在造船、鍋爐、

車輛等工業(yè)部門獲得了廣泛的應(yīng)用。

圖

2-27埋弧焊的焊縫形成過程示意圖

2.氣體保護(hù)焊

氣體保護(hù)電弧焊(GasShieldedArcWelding)簡稱氣體保護(hù)焊。它是利用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊方法。氣體保護(hù)焊利用從噴嘴中噴出的氣流,在電弧周圍形成氣體保護(hù)層,將空氣與焊接區(qū)隔開,以保證焊接過程的穩(wěn)定,獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊縫。根據(jù)氣體種類的不同,目前常用的氣體保護(hù)焊主要有氬弧焊和二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊兩種。

1)氬弧焊氬弧焊(ArgonShieldedArcWelding)是以氬氣作為保護(hù)氣體的一種氣體保護(hù)焊方法。氬弧焊按照電極的不同可分為熔化電極(金屬極)和鎢極兩種,如圖2-28所示。

由于氬氣是惰性氣體,既能保護(hù)熔池不被氧化,本身也不和熔化金屬起作用。因此,氬弧焊對易氧化金屬的保護(hù)作用強(qiáng)、焊接質(zhì)量高、焊件變形少、操作簡便以及容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。氬弧焊廣泛地應(yīng)用于高強(qiáng)度合金鋼、高合金鋼、鋁、鎂、銅及其合金和稀有金屬等材料的焊接。

圖2-28氬弧焊示意圖

2)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(CO2ShieldedArcWelding)是以CO2氣體作保護(hù)氣體,用含有一定脫氧元素的專用二氧化碳焊絲作熔化電極,以燃燒于焊件和焊絲間的電弧作熱源的一種電弧焊。

CO2氣體保護(hù)焊由于采用廉價的CO2氣體和焊絲來代替焊劑和焊條,加上電能消耗又少,一般僅為埋弧焊的40%,為焊條電弧焊的37%～42%,所以其成本低。同時,它又具有生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量好、抗蝕能力強(qiáng)及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊已普遍用于汽車、機(jī)車、造船及航天等工業(yè)部門,用來焊接低碳鋼、

低合金結(jié)構(gòu)鋼和高合金鋼。

3.電阻焊電阻焊(ResistanceWelding)是將焊件壓緊于兩電極之間,并通以大電流,利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。電阻焊屬于壓力焊,不需要外加填充金屬和焊劑。但它的接頭形式有限,主要是棒、管的對接接頭和薄板的搭接接頭。根據(jù)焊接接頭的形式可分為對焊、點(diǎn)焊、縫焊三種,如圖2-29所示。點(diǎn)焊和縫焊常用于薄板搭接接頭的焊接,縫焊用于有氣密性要求的場合，對焊常用于棒、管狀工件的對接。

圖

2-29電阻焊示意圖

4.釬焊釬焊(Soldering)是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作焊料(Solder),將焊件和焊料加熱到高于焊料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度,利用液態(tài)焊料潤濕母材,填充接頭間隙并于母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。與熔焊相比,釬焊的特點(diǎn)是:焊件加熱溫度低,其組織和力學(xué)性能變化小;變形較小,焊件尺寸精度高;可以焊接薄壁小件和其他難以焊接的高級材料;可一次焊多件、多接頭;生產(chǎn)率高;可以焊接異種材料。但由于接頭強(qiáng)度低，不適于一般鋼結(jié)構(gòu)和