西南交通大学 材料成型技术基础复习纲要

第一篇 金属铸造成形工艺

一.掌握铸造定义与实质及其合金的铸造性能。

A铸造：将熔融金属浇入铸型型腔， 经冷却凝固后获得所需铸件的方法。

B铸造实质：液态成形。

C合金：两种或两种以上的金属元素、或金属与非金属元素（碳）熔和在一起，所构成具有金属特性的物质。

D合金的铸造性能：是指合金在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力，流动性和收缩性是合金的主要铸造工艺特性。

二.掌握合金的充型能力及影响合金充型能力的因素。

A合金的充型能力：液态合金充满铸型，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力。

B影响合金充型能力的因素：

（1）铸型填充条件

a. 铸型材料；

b. 铸型温度；

c. 铸型中的气体

（2）浇注条件

a. 浇注温度（T）

T 越高（有界限），充型能力越好。

b. 充型压力

流动方向上所受压力越大，

充型能力越好。

（3）铸件结构

结构越复杂，充型越困难。

三.掌握合金收缩经历的三个阶段及其铸造缺陷的产生。

A合金的收缩：合金从浇注、凝固、冷却到室温，体积

和尺寸缩小的现象。

B合金收缩的三个阶段：

（1）液态收缩

合金从 T浇注→ T凝固开始 间的收缩。

（2）凝固收缩

合金从 T凝固开始→T凝固终止 间的收缩。

液态收缩和凝固收缩是形成铸件缩孔和缩松缺陷的基本原因。

（3）固态收缩（易产生铸造应力、变形、裂纹等。）

合金从 T凝固终止→T室 间的收缩。

四.了解形成铸造缺陷（缩孔，缩松）的主要原因及其防止措施。

A产生缩孔和缩松的主要原因：液态收缩 和 凝固收缩 导致。

B缩孔形成原因：收缩得不到及时补充；

缩松形成原因：糊状凝固，被树枝晶体分隔区域难以实现补缩。

C缩孔与缩松的预防：

（1）定向凝固，控制铸件的凝固顺序；

（2）合理确定铸件的浇注工艺

五.掌握铸件产生变形和裂纹的根本原因。

铸件产生变形和裂纹的根本原因：铸造内应力（残余内应力）

六.掌握预防热应力的基本途径。

预防热应力的基本途径：缩小铸件各部分的温差，使其均匀冷却。借助于冷铁使铸件实现同时凝固。

七.砂型铸造：是把液体金属浇注到砂型中从而获得铸件的铸造方法。

1.掌握浇注位置和分型面的选择及拔摸斜度α的作用；

A浇注位置和分型面的选择原则：

① 主要工作面和重要加工面应朝下或位于侧面；

②铸件的大平面应朝下或采用倾斜浇注，以免造成结疤、夹砂等缺

陷；

③铸件薄避部分应朝下或位于侧面或倾斜浇注，以免产生冷隔、浇

不到现象；

④铸件厚大部分应朝下或位于侧面，以便设置冒口进行补缩；

⑤分型面应选在最大截面处，方便起模；

⑥尽量减少分型面的数量；

⑦分型面应尽量选用平直面，避免曲面分型，以简化制模和造型工

艺；

⑧尽量使铸件全部或大部分处于同一砂箱，且位于下箱，或使主要

加工面与基准面处于同一砂箱；

⑨尽量减少型芯和活块数量，以简化制模、制芯和造型等工序；

⑩分型面应尽量与浇注位置一致，以免合型后再翻转砂箱。

B拔摸斜度α的作用：使模样容易从砂型中取出而不致损坏砂型和砂芯。

2.了解浇注系统的定义及各组成部分的特点和作用。

A浇注系统：为填充型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道。

B浇注系统组成部分：浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道

C作用：

1）确保金属液平稳、无冲击地充满型腔；

2）除渣、调节凝固顺序，避免产生铸造缺陷。

八.掌握零件结构的铸造工艺及铸造性能对铸件的要求。

铸造工艺:

1、浇注位置和分型面的选择.

2、浇注系统

3、铸造工艺参数的确定（机加工余量、收缩余量、起模斜度、芯头…）

九.铸件结构设计

1.掌握并会鉴别铸件结构工艺性的合理性；

A铸件结构的合理性

设计铸件时应从下述几方面考虑：

a合理、适宜的铸件壁厚

b 铸件壁的联接

① 采用过渡形式；

避免金属积聚和内应力的产生。

○2 铸件结构圆角；

避免出现热节和应力集中现象。

○3多壁相连，采用交错或环形接头；

④ 避免铸件壁间的锐角联接

○5防止铸件翘曲变形；

采用对称式结构或增设防变形肋。

⑥ 避免大水平面和冷却受阻的铸件结构

B、 铸件结构的工艺性

a. 铸件外形设计

① 减少和简化分型面

○2改进妨碍起模的铸件结构

（凹面、凸台、肋条…）

铸件要有结构斜度

便于起模，延长模具使用寿命

b. 铸件内腔的设计

① 铸件结构应避免不必要的型芯，

并尽量避免活块；

② 铸件结构应有利于砂芯的固定和排气；

○3避免封闭空腔；

（型芯安放困难、排气不畅、难于清砂）

○4去除不必要圆角。

（使造型或制芯工艺过程复杂化。）

2.了解给定铸件结构条件下可能产生的主要缺陷，掌握处理缺陷

的措施。

第二篇 金属的塑性成形工艺

锻压：是通过金属在固态下发生塑性变形来形成零件毛坯的重要加工方法之一，要掌握其形成特点和应用范围。

塑性成型：在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。

锻模：是高强度合金制造的成型锻件的模具，由上、下模组成。

模锻：在模锻设备上，利用锻模使材料变形而获得锻件的锻造方法。

模膛：上、下模接触时所形成的空间。

冲压：通过冲模使板料塑性成型（分离或变形）而得到制件的工艺方法。

拉深：利用模具使冲裁后的平板毛坯变形为开口空心零件，而厚度基本不变的加工方法。

一.了解一般金属在锻压时经历的变形过程、变形特点及变形对锻压件组

织性能的影响。

1、变形过程：未变形（不受力）→ 弹性变形（小力）→ 弹塑性变形

→塑性变形

2、变形特点：晶粒沿变形最大的方向伸长；晶格与晶粒均发生扭曲，

产生内应力；晶粒间产生碎晶。

加工硬化：金属低于再结晶温度时，由于塑性应变而产生的强度、硬度增加的现象

回复：将冷成形后的金属加热到一定温度后，使金属内部原子回复到平衡位置，晶内残余应力减小的现象。（部分消除加工硬化）

再结晶：消除加工硬化，再次获得良好的塑性。

二.掌握锻压、锻造比与锻造流线的特性及材料可锻性（塑性成型性）的

衡量指标。

1、锻压特性:

?改善材料的力学性能,使金属组织致密，晶粒细小；

?简单的精加工，使坯料的形状、尺寸接近成品零件；

?提高零件的强度和韧性；

?精密的公差；

? 快速零件加工。

2、锻造比（y）：锻造变形前后的截面比、长度比或高度比。

拔长： y = A0 /A = L /L0 > 1

镦粗： y = A /A0 = H0 /H > 1

3、锻造流线（纤维组织、流纹）

特性：a金属变形程度越大，纤维组织就越明显，各向异性也就越明显。

b化学稳定性强，其分布状况一般不能通过热处理消除，只能通过不同方位上的锻压成形才能改变。（为获得最佳力学性能，应充分利用纤维组织的方向性）

遵循两项原则：1、使纤维分布与零件的轮廓相符而不被切断（切断时，不能连贯，切应力与纤维方向平行，承载能力较弱；不切断，连贯性好，纤维方向合理，零件品质好）。2、使零件所受的最大拉应力与纤维方向一致，最大切应力与纤维方向垂直。

4、材料可锻性（塑性成型性）的衡量指标：金属的塑性（反映金属塑

性变形的能力）和变形抗力（反映金属塑性变形的难易程度）综合评定。

三.掌握金属塑性变形的基本规律（体积不变条件，最小阻力定律）。

体积不变条件：金属在塑性变形时，由于金属材料连续而致密，其体积变化很小，与形状变化相比可以忽略不计。

最小阻力定律：金属受外力作用下发生塑性变形时，如果金属质点在几个方向上都可流动，那么，金属质点就优先沿阻力最小的方向流动。

四.重点掌握分模面（上下锻模在模锻件上的分界面）的选择原则。

　?要保证模锻件能从模膛中取出（一般选在模锻件的最大尺寸的截面上）。

　?按选定的分模面制成锻模后，应使上、下两模没分模面的模膛轮廓一致（当出现错模现象时，可及时发现并调整）

?最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处。（金属更容易充满模膛，便于取出锻件，有利于锻模的制造）

?选定的分模面应该使零件上所加的敷料最少（敷料多，浪费金钱，降低材料利用率，增加切削加工的工作量）

?最好使分模面为一个平面，上、下模膛的模膛深度基本一致（便于锻模制造）

注意问题：

?头部尺寸明显偏大的锻件选曲面分模。

?锻件流纹方向垂直分模面

五.掌握板料冲压的基本工序、变形特点及应用，重点了解冲裁、弯曲、

拉深等工艺中影响质量的因素。

1、板料冲压的基本工序：

a：分离工序（使坯料的一部分与另一部分相互分离的工艺方法。主要有落料、冲孔、切边、修整等）

b：成形工序也可称变形工序（使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工艺方法。主要有弯曲、拉深、翻边、成型等。）

2、板料冲压的特点：

?板料冲压生产过程的主要特征是依靠冲模和冲压设备完成加工，便于实现自动化，生产率高，操作方便。

?冲压件一般不需再进行切削加工，节省原材料，节省能源消耗。

?板料冲压常用表面品质好的板料或带料，产品质量小、强度高、刚性好。

?冲压件的尺寸公差由冲模来保证，因此产品尺寸稳定，互换性好，可形成形状复杂零件。

3、板料冲压的应用：

板料冲压在批量生产中得到广泛的应用。在汽车、拖拉机航空、电器、

仪表、国防以及日用品工业中，冲压件占有相当大的比例

4、冲裁影响质量的因素：凸、凹模间隙Z等

5、弯曲影响质量的因素：

a：板厚δ、内弯曲半径r（δ越大，r越小，压缩及拉伸应力越大，容易产生破裂）

b：弯曲线与板料纤维方向的关系（尽可能使弯曲线与流纹垂直。若弯曲线与流纹平行，容易产生破裂，可增大最小弯曲半径来避免破裂） c：回弹现象（防止：将模具制成比弯曲件角度小一个回弹角β）

6、拉深影响质量的因素：拉深系数m等

六.了解冲裁的变形过程，掌握凸、凹模刃口尺寸的确定。

1、冲裁的变形过程：

?弹性变形阶段（板料内应力未超过材料的弹性极限）

?塑性变形阶段（刃口附近出现微裂纹）

?剪裂分离阶段（上下微裂纹沿最大剪切应力方向板料内部扩展，上下裂纹重合，板料被剪断分离）

2、凸、凹模刃口尺寸的确定（落料件的光亮带由凹模刃口挤切板料产

生，冲孔件孔的光亮带由凸模刃口挤切板料产生的。故计算刃口尺寸时，应按落料和冲孔两种情况分别进行分析）：

?落料模：以凹模为设计基准件，即按落料件尺寸确定凹模刃口尺寸，而凸模的刃口尺寸 = 凹模刃口尺寸 – Z（凸、凹模间隙）；

?冲孔模：以凸模为设计基准件，即按冲孔件尺寸确定凸模刃口尺寸，而凹模的刃口尺寸 = 凸模刃口尺寸 + Z（凸、凹模间隙）；

七.掌握拉深系数与常见拉深缺陷。

1、拉深变形特点：

a：变形区是板料的凸缘部分，其它部分是传力区；

b：板料变形在切向压应力和径向拉应力的作用下，产生切向压缩和径向伸长的变形；

c：拉深时，金属材料产生很大的塑性流动，板料直径越大，拉深后筒形直径越小，其变形程度就越大。

2、拉深系数（拉深系数是衡量拉深变形程度的指标，m越小→变形程度越大，坯料拉入凹模越困难）：拉深件的直径d与坯料直径D的比值，即m = d / D。

注：对于m较小的拉深零件需采用多次拉深工艺（多次拉深必然产生加工硬化，为保证坯料有足够塑性，经过一两次拉深后，应安排工序间的退火处理），总拉深系数：m = m1·m2 ·m3···m n。多次拉深时，应使: m1＜m2＜m3···＜m n ，m1=d1/D，m2=d2/d1，··· m n=d n/d n-1。

3、常见拉深缺陷：拉裂和起皱是拉深工艺中常见的缺陷。

○1拉裂：直壁与底部的过渡圆角处为最危险部位，当拉应力超过材料屈服点时，此处将被：“拉裂”。

防止拉裂措施：

a：正确选择拉深系数

b：合理设计拉深凸、凹模的圆角半径。

c：合理设计凸、凹模的间隙。

d：注意润滑。

○2起皱：当拉深变形程度较大、压应力较大、板料又比较薄时，部分材料会因失稳而拱起，产生起皱现象。

拉深过程不允许出现起皱现象，防止起皱措施：

a：设置压边圈。

b：增加毛坯的相对厚度。

c：增加拉深系数。

八.掌握自由锻、模锻、冲压件结构设计原则。

1、自由锻结构设计原则：在满足使用性能要求的条件下，应使锻件状

简单、易于锻造

2、模锻结构设计设计原则：

① 合理的分模面、模锻斜度和圆角；

② 锻件形状简单、对称、平直；

③ 避免窄沟、深槽、深孔和多孔结构；

④ 复杂锻件采用锻 —— 焊组合工艺。

3、冲压件结构设计原则：零件在满足使用要求的前提下，能以最简单、

最经济的冲压方式加工出来。

九.重点掌握冲压件的结构工艺性（弯曲件，拉深件），修改不合理的冲压

件结构。

影响冲压件工艺性的主要因素有：冲压件的形状、尺寸、精度和材料。

1、冲裁件结构工艺性：

?冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用，同时应避免长槽与长悬臂结构，否则制造模具困难（搭边排样）。

?冲裁件的内、外形转角处，要尽量避免尖角，应以圆弧连接。以避免尖角处应力集中被冲模冲裂

?冲孔件尺寸与厚度关系合理。

2、弯曲件结构工艺性（S为材料厚度）：

? 弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径，并应考虑材料纤维方向，以免成型过程中弯裂。

? 弯曲边过短不易弯成型，故应使弯曲边高度H＞2s。若H＜2s，则必须压槽，或增加弯曲边高度，然后加工去掉

? 弯曲带孔件时，为避免孔的变形，孔的边缘距弯曲中心应有一定的距离L。L＞1.5～2s。当L过小时,可在弯曲线上冲工艺孔,如对零

件孔的精度要求较高，则应弯曲后再冲孔。

3、拉深件结构工艺性

?拉深件外形应简单、对称，且不宜太高。以便使拉深次数尽量少，并容易成型。

?拉深件的圆角半径（如图示）应满足：rd > 2S，R > (3~4)S，r > 0.15H。

否则，应增加整形工序。

?拉深件的壁厚变薄量一般要求不应超出拉伸工艺壁厚变化的规律（最大变薄率约在 10%～18%左右）

注：为简化冲压工艺，可采用冲-焊结构。

第三篇 材料的焊接成形工艺

焊接：是通过加热、加压或加热加压，并且使用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。焊接技术分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。

钎焊：用熔点低于工件材料熔点的钎料作连接物，在连接面上冷却结晶形成结合面的方法

熔焊：指焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压完成焊接

的方法。

压焊：指焊接过程中，对工件施压完成焊接的方法。

一.掌握焊接成型的特点及冶金过程的实质。

1、焊接成型的特点：（1）不同材料、厚度、形状的金属连接成型；

（2）焊件刚度大、整体性好；

（3）存在焊接应力和焊接变形；

（4）不可拆性

2、焊接的冶金过程：加热焊接材料→熔化焊材→熔滴向熔池转移

3、焊接成型的实质：通过加热或加压（或两都并用）使材料两个分离

表面的原子达到晶格距离，借助原子的结合与扩散而获得不可拆的接头。

二.了解焊接电弧的组成与直流电弧焊的正接，反接。

1、电弧由阴极区（阴极材料的电子逸出功愈小，电子发射愈容易，电

弧愈易稳定）、弧柱区（中性的气体粒子受到电场作用将产生激励或电离，弧柱具有很高的温度）和阳极区（接受由弧柱来的电子流和向弧柱提供正离子流，受电子碰撞，阳极能量较高，温度升高）组成

2、○1直流电弧焊的正接：焊件接电源正极，焊条接电源负极（正极温

度高于负极，这种接法可获得较大的熔深，适于厚板的焊接。）

○2直流电弧焊的反接：焊件接电源负极，焊条接电源正极（焊条熔化速度快，可实现薄板的快速焊接及碱性焊条的焊接。）

三.掌握产生焊接应力与变形的根本原因及其防止措施。

1、焊接应力与变形的根本原因：工件局部不均匀加热和冷却。焊接应

力还是形成焊接裂纹的重要因素

2、焊接应力与焊接变形的防止措施：

（1）尽量减少焊缝数量和尺寸，避免焊缝密集交叉。

（2）采用合理的焊接顺序。

· 先焊收缩量较大的焊缝；

· 先焊工件受力较大的焊缝；

· 先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。

（3）焊前预热；

（4）反变形法

（5）焊前刚性固定

（6）锤击焊缝法；

（7）焊后去应力退火处理。

四.了解焊条药皮（酸性药皮可用交流、直流电源焊接，而碱性药皮

只能用直流电源焊接）、焊芯的主要作用

提高电弧燃烧稳定性;防止空气对金属的有害作用;对焊缝金属脱氧;

加入合金元素,提高焊缝力学性能.

五.掌握引弧板和熄弧板的作用。

引弧板和熄弧板的作用：防止起弧和熄弧时在工件焊焊缝中产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷。

六.了解焊接成型的常见缺陷及金属材料的焊接性。

1、金属材料的焊接性：

焊接性定义：金属材料对焊接加工的适应性（CE越大，焊接性越差）。

焊接性包括：

○1 接合性能（金属对产生焊接缺陷的敏感性）；

② 使用性能（焊接接头对使用要求的适应性）。

2、焊接成型的常见缺陷：

七.掌握常用焊接方法的工艺特性、应用范围与焊接位置。

焊条电弧焊、 埋弧焊、 电渣焊、 压焊和钎焊

（一）焊条电弧焊

（1）工艺特性，主要包括：焊条直径、焊接电流、焊接层数、焊接

速度和电弧长度等

1. 焊条直径（d）

立焊时， d ≤ 5 mm；仰焊或横焊时，d ≤ 4 mm；平焊焊条选用原则：板厚 δ≤ 4 mm → d =δ；δ＞ 4 mm → d = 4 ~ 6 mm。

2. 焊接电流（I）。影响焊接电流的主要因素：d和焊缝空间位置。

I = K·d [A]，式中：K（经验系数，K = 30 ~ 40 A/mm）；d（焊条直径，单位：mm）

3. 焊层数（n），n =δ/d，式中：δ（焊件厚度，单位mm）；n等于小数时取整。

（2）应用范围：适合于焊接性好的低碳钢、低合金钢的焊接；只用于单件、小批短焊缝的焊接。

（3）焊接位置：平焊、立焊、横焊、仰焊。

（二）埋弧焊

（1）工艺特性：

1、焊前准备

δ＜ 14 mm，不开坡口；

δ= 14 ~ 22 mm，开 “Y ” 型坡口，坡口角度 50o ~ 60o；

δ= 22 ~ 50 mm，开 “Y ” 型或 “U ” 型坡口。

焊缝两端附加引弧板和熄弧板；

焊缝间隙要均匀。

2、平板对接焊

平板对接焊一般采用双面焊，也可采用打底焊、焊剂垫或垫板，也可采用水冷铜成形底板进行单面焊双面成型。

3、环缝焊

焊接环焊时，焊丝起弧点应与环的中心线偏离一距离e，以防止熔池金属的流淌。偏移距离 e = 20 ~ 40 mm，适用范围：焊件直径＞250 mm。

4、焊件的装配

装配间隙均匀、高低平整、上下不错边。

（2）应用范围：用于压力容器的环缝焊和直缝焊、锅炉冷壁的长直焊缝焊接、船舶和潜艇壳体的焊接、起重机械（如行车）和治金机械（如高炉炉身）的焊接等。

只适于平焊直缝和环缝，板厚δ= 6 ~ 60 mm 的各种钢板焊件。不适于δ＜ 1mm 的薄板。

（3）焊接位置：平焊、环焊

（三）电渣焊（三个阶段：起弧造渣阶段、焊接阶段、收尾阶段） （1）工艺特性

1、一次焊成任意厚度工件（只需留有一定的间隙而不用开坡口）；

2、 单丝可焊厚度 δ = 40 ~ 60 mm

单丝摆动 δ = 60 ~ 150 mm

三丝摆动 δ = 450 mm

3、生产率高，成本低；

4、焊接质量好；

5、焊缝晶粒粗大，力学性能差。

（2）应用范围：广泛应用于锅炉、重型机械和石油化工等行业。除焊接碳钢、合金钢以及铸铁外，也可用来焊接铝、镁、钛及铜合金。

（3）焊接位置：立焊

八.重点掌握焊接接头工艺设计（焊缝的合理布置，接头形式）。

（一）焊缝的布置：

（1）焊缝位置应便于操作：

1、手工电弧焊要考虑焊条操作空间。

2、自动焊应考虑接头处便于存放焊剂。

3、点焊或缝焊应考虑电极伸入方便。

（2）焊缝布置应有利于减少焊接应力与变形

1、焊缝应避免过分密集交叉（减少焊接热影响区，防止粗大组织出现）。

2、尽量减少焊缝数量

3、焊缝应尽量对称布置（抵消焊接变形）

4、焊缝端部锐角应该去掉

（3）焊缝应尽量避开最大应力或应力集中处（防止焊接应力与外加应力相互叠加，造成过大的应力和开裂）

（4）不同厚度工件焊接时，接头处应平滑过渡（防止接头处应力集中，防止焊不透等缺陷）。

（5）焊缝应避开加工表面（防止破坏已加工面）

（二）接头形式：

（三）接头过渡形式：