机械设计基础-金属制造工艺简介

    金属制造工艺的分类：

    热加工包括铸造、锻压和焊接。

    冷加工，亦称为金属切削加工，包括刀具切削加工（其中有车削加工、钻镗加工、刨削、插削、拉削、铣削加工，磨料切削加工；齿轮齿形的加工）。

下面分别进行简单介绍。

（一）铸造

    铸造的过程是将液态金属浇注到铸模中，待其冷却后获得一定形状和性能的铸件。这是金属在液态下的成形方法。

    铸造可以生产形状复杂、特别是内腔复杂的毛坏坯，尺寸和重量不受限制。既可单件生产，也可批量生产，使用的材料大部分来源广泛，价格低廉，还可用废料和废零件，因此成本低。铸件与零件形状、尺寸接近，加工余量小。

    铸件的缺点是工序繁多，工艺过程控制难度大。由于金属冷却时产生内应力，易出现缺陷，因此质量不稳定；由于其内部组织粗大不匀，其机械性能不如锻件高。目前还存在劳动强度大，劳动条件差的问题。

    铸造生产方法分为砂型铸造和特种铸造两大类，以砂型铸造为主。

1、砂型铸造

    目前大部分砂型还是手工制作的。

    砂型铸造主要用于铸铁、铸钢、铸铜、铸铝等材料的铸件生产。进行铸件结构设计，要考虑铸造工艺及金属铸造性能的要求，防止产生缩孔、缩松、浇不足，冷隔、变形及裂纹等缺陷，应注意以下问题：
①铸件要有合理壁厚及结构斜度，铸件壁厚尽可能均匀。

②铸件壁的连接：铸件壁连接处要有结构圆角。避免交叉和锐角连接，厚壁与薄壁的衔接要逐步过渡。

③铸件应避免过大的水平面。

④为防止铸件翘曲变形，对较大的平板铸件及壁厚不均匀的长形箱体，应将其设计成对称形状或增加肋板来提高其刚度。

⑤避免铸件收缩受阻

    如常见轮形铸件，轮辐为偶数，直线形。但是对于收缩率较大的合金，因应力过大有时会产生裂纹。为防止裂纹，可制成弯曲轮辐，以借轮辐或轮缘的微量变形，减少内应力。

⑥按顺序凝固原则设计铸件结构

    图示铸钢壳体，将其改成右面的样子，在壳体底部76mm保持均匀壁厚，往上逐步增加壁厚，直到与法兰盘相接，保证了壳体按顺序凝固，不再产生缩松缺陷了。

2、特种铸造

①  熔模铸造，以蜡为材料制模，又叫“失蜡制造”，能铸造各种有色及黑色金属铸件。

② 金属型铸造，模型可反复使用4万次，铸件有较好的精度（达到IT12~IT14），表面光洁，少加工或不加工即可使用，可机械化生产。

③压力铸造：压铸机压室内浇注液态或半液态金属，充填铸型，并在高压下成形和结晶。常用压铸比压为5~150MPa，金属流速达5~100m/s。效率高易实现自动化，产品质量好，实现少屑和无屑加工，成本低。

④低压铸造。

⑤离心铸造：金属液加入旋转的铸型中。

（二）锻压

    包括锻与冲压，在外力作用下使金属产生塑性变形，一般要在高温下进行。锻造分为自由锻和模锻两大类。冲压加工的对象是金属薄板，一般在常温下进行，故又称为板料冲压或冷冲压。

1、自由锻

    将坯料放在设备（自由锻锤或水压机）的上、下抵铁之间，因坯料在压力作用下是自由流动的，故称为自由锻。

    按使用设备和锻造力性质不同，自由锻分为锤上自由锻和水压机上自由锻，大型锻件要在水压机上进行。

    自由锻产品尺寸精度低、加工量大，材料消耗多，生产率低，劳动条件差，劳动强度大，只有在单件、小批量生产才是合理的。

2、模锻

    模锻时将坯料放在锻模膛内，使工件压力成形。按照使用设备不同，模锻分为锤上模锻，曲柄压力机上模锻、平锻机上模锻，螺旋压力机上模锻及其他专用设备上模锻。

    模锻生产率高，工件表面光洁，尺寸精度高，材料利用率高，锻件内部，锻造流线分布更加合理，提高了使用寿命，可锻软复杂零件，操作简单，易于实现机械化，成本较低，常用于中小型锻件的批量生产。

3、板料冲压

    利用装在冲压机床上的冲模对金属板料加工，使之变形或分离，从而获得零件或毛坯。

    板料坯料通常是厚度在1~2mm以下的薄板一般不加热。板料冲压的原材料要具有良好的塑性和较低的抗变形能力，如低碳钢、合金钢、铜、铝。

    冲压件重量轻，刚度好、结构轻巧、质量稳定，互换性好。操作简单，易于机械化和自动化，且成本低。

    由于冲压模具制作成本高，大批量生产才是合理的。

4、其他压力加工方法

    挤压形成，使用的压力大，金属变形量大，可制作多种材料，多种形状的金属工件，且精度高、机械性能好，可机械化自动化。

    辊轧成形：如辊轧、热轧齿轮、辗环。

    精密模锻，经向锻造、高速锤锻造等。