7.1.1毛坯的選擇7.1.2

常用毛坯成形方法的比較目錄第7章機械制造工藝過程第7章機械制造工藝規程17.1.1毛坯的選擇

材料的成形過程是機械制造的重要工藝過程。機器制造中，大部分零件是先通過鑄造成形、鍛壓成形或焊接成形方法制得毛坯，再通過切削加工制成的。毛坯的選擇對機械制造質量、成本、使用性能和產品形象有著重要的影響。1.毛坯選擇的原則7

毛坯選擇的原則，應在滿足使用要求的前提下，盡可能地降低生產成本，使產品在市場上具有競爭能力。

1)工藝性原則零件的使用要求決定了毛坯形狀特點，各種不同的使用要求和形狀特點，形成了相應的毛坯成形工藝要求。零件的使用要求具體體現在對其形狀、尺寸、加工精度、表面粗糙度等外部質量和對其化學成分、金屬組織、力學性能、物理性能和化學性能等內部質量的要求上。28工藝性原則

對于不同零件的使用要求，必須考慮零件材料的工藝特性(鑄造性能、鍛造性能、焊接性能等)來確定采用何種毛坯成形方法。例如，不能采用鍛壓成形的方法和避免采用焊接成形的方法來制造灰口鑄鐵零件，避免采用鑄造成形方法制造流動性較差的薄壁毛坯；不能采用普通壓力鑄造的方法成形致密度要求較高或鑄后需熱處理的毛坯；不能采用錘上模鍛的方法鍛造銅合金等再結晶速度較低的材料；不能用埋弧自動焊焊接仰焊位置38工藝性原則的焊縫；不能采用電阻焊方法焊接銅合金構件；不能采用電渣焊焊接薄壁構件等等。選擇毛坯成形方法的同時，要兼顧后續機加工的可加工性。如切削加工余量較大的毛坯就不宜采用普通壓力鑄造成形，不然會暴露鑄件表皮下的孔洞；對于需要切削加工的毛坯盡量避免采用高牌號珠光體球墨鑄鐵和簿壁灰口鑄鐵，否則難以切削加工。一些結構復雜，難以采用單種成形方法成形的毛坯，既要考慮各種成形方案結合的可能性，也需考慮這些結合是否會影響機械加工的可加工性。492)適應性原則

在毛坯成形方案的選擇中，還要考慮適應性原則。既根據零件的結構形狀、外形尺寸和工作條件要求，選擇適應的毛坯方案。

例如，對于階梯軸類零件，當各臺階直徑相差不大時，可用棒料；若相差較大，則宜采用鍛造毛坯。

形狀復雜和薄壁的毛坯，一般不應采用金屬型鑄造；尺寸較大的毛坯，通常不采用模鍛、壓力鑄造和熔模鑄造，多數采用自由鍛、砂型鑄造和焊接等方法制坯。592)適應性原則（續）零件的工作條件不同，選擇的毛坯類型也不同。如機床主軸和手柄都是軸類零件，但主軸是機床的關鍵零件，尺寸形狀和加工精度要求很高，受力復雜且在長期使用過程中只允許發生很微小的變形，因此要選用具有良好綜合力學性能的45鋼或40Cr，經鍛造制坯及嚴格切削加工和熱處理制成。62)適應性原則（續）

而機床手柄則采用低碳鋼圓棒料或普通灰口鑄鐵件為毛坯，經簡單的切削加工即可完成，不需要熱處理。再如內燃機曲軸在工作過程中承受很大的拉伸、彎曲和扭轉應力，應具有良好的綜合力學性能，故高速大功率內燃機曲軸一般采用強度和韌性較好的合金結構鋼鍛造成形，功率較小時可采用球墨鑄鐵鑄造成形或用中碳鋼鍛造成形。對于受力不大且為圓形曲面的直軸，可采用圓鋼下料直接切削加工成形。1073)生產條件兼顧原則

毛坯的成形方案要根據生產條件選擇。生產條件主要指現場毛坯制造的實際工藝水平、設備狀況以及外協的可能性和經濟性，同時還要考慮因生產發展而采用較先進的毛坯制造方法。

盡可能利用現有生產條件完成毛坯制造任務。若難以滿足要求時，則應考慮改變零件的材料和(或)毛坯成形方法，也可通過外協加工或外購解決。84)經濟性原則11

經濟性原則就是使零件的制造材料費、能耗費、工時費用等成本最低。應在滿足零件使用要求的前提下，把幾套預選方案作經濟性比較，從中選出整體生產成本低廉的方案。一般，選擇毛坯的種類和制造方法時，應使毛坯尺寸、形狀盡量與成品零件相近，從而減少加工余量，提高材料的利用率，減少機械加工工作量。但是毛坯越精確，制造就越困難，費用也越高。94)經濟性原則（續）11因此，生產綱領大時，應采用精度高、生產率高的毛坯制造方法，這時雖然一次投資較大，但增大的毛坯制造費用可由減少的材料消耗及機械加工費用得到補償。一般的規律是，單件小批量零件，可采用手工砂型鑄造、自由鍛造、手工電弧焊、板金鉗工等成形方法生產；批量大的零件，可采用機器造型、模鍛、埋弧自動焊或其他自動焊接方法和板料沖壓等成形方法制造毛坯。10插齒5)可持續性發展原則12

環境惡化和能源枯竭已是21世紀人類必須解決的重大問題，在發展工業生產的同時，必須考慮環保和節能問題，不能干圈一塊廠房，毀一片山林的蠢事。工藝流程設計應以可持續發展為原則，自覺維護生態環境。應做到以下幾點：

(1)盡量減少能源消耗，在制定工藝流程中應考慮選擇能耗小的成形方案，并盡量選用低能耗成形方法的材料，合理進行工藝設計，盡量采用凈成形、凈終成形的新工藝。11插齒5)可持續性發展原則（續）12

(2)不使用對環境有害和會產生對環境有害物質的材料，采用加工廢棄物少、容易再生處理、能夠實現回收利用的材料。

(3)少用或不用煤、石油等直接作為加熱燃料，避免排出大量CO2氣體，導致地球溫度升高。127.1.2常用毛坯成形方法的比較13

常用的毛坯成形方法有鑄造、鍛造、粉末冶金、沖壓、焊接、非金屬材料成形和快速成形等。

1.鑄造（視頻1）

鑄造是液態金屬充填型腔后凝固成形的成形方法，要求熔融金屬流動性好、收縮性好，鑄造材料利用率高，適用于制造各種尺寸和批量且形狀復雜尤其具有復雜內腔的零件，如支座、殼體、箱體、機床床身等。手工砂型鑄造是單件、小批量生產鑄件的常用方法。大批量生產常采用機器造型。特種鑄造常用于生產特殊要求或有色金屬鑄件。13視頻1鑄造3/8142.鍛造

鍛造是固態金屬在壓力下塑性變形的成形方法(見視頻2)，要求金屬的塑性較好、變形抗力小。鍛造方法適用于制造受力較大、組織致密、質量均勻的鍛件，如轉軸、齒輪、曲軸和叉桿等。自由鍛工裝簡單、準備周期短，但產品形狀簡單，是單件生產和大型鍛件的唯一鍛造方法。

胎模鍛是在自由鍛設備上采用胎模進行鍛造的方法，可鍛造中小批量較復雜的中小型鍛件。

模鍛，材料利用率和生產率遠高于自由鍛，適合鍛造批量較大、較復雜的中小型鍛件。14

15視頻2.鍛造143.18163.粉末冶金(視頻3)15

粉末冶金通過成形、燒結等工序，利用金屬粉末和(或)非金屬粉末間的原子擴散、機械楔合、再結晶等獲得零件或毛坯。粉末冶金材料利用率和生產率高，制品精度高，適合于制造有特殊性能要求的材料和形狀較復雜的中、小型零件。如制造減磨材料、結構材料、摩擦材料、硬質合金、難熔金屬材料、特殊電磁性材料、過濾材料等板、帶、棒、管、絲各種型材，以及齒輪、鏈輪、棘輪、軸套類等各種零件；可以制造重量僅百分之幾克的小制品，也可制造近2噸重的大型坯料。17視頻3粉末冶金152.13184.沖壓16

沖壓是借助沖模使金屬產生分離或變形的成形方法，要求金屬塑性成形時塑性好、變形抗力小。沖壓可獲得各種尺寸且形狀較為復雜的零件，材料利用率和生產率高。沖壓廣泛應用于汽車、儀表行業，是大批量制造質量輕、剛度好的零件和形狀復雜的殼體的首選成形方法。動畫1為連續模沖裁墊圈零件的工作示意圖。19動畫1

連續模工作示意圖16205.焊接

焊接是通過加熱或加壓使被焊材料產生共同熔池或塑性變形或原子擴散而實現連接的，要求材料在焊接時的淬硬傾向以及產生裂紋和氣孔等缺陷的傾向較小。焊接可獲得各種尺寸且形狀較復雜的零件，材料利用率高，采用自動化焊接可達到很高的生產率，適用于形狀復雜或大型構件的連接成形，也可用于異種材料的連接和零件的修補。動畫2為CO2氣體保護焊示意圖。1721動畫2.CO2氣體保護焊接17226.塑料成形18

塑料成形可在較低的溫度(一般在400℃以下)采用注射、擠出、模壓、澆注、燒結、真空成形、吹塑等方法制成制品。由于塑料的原料來源豐富易得，制取方便，成形加工簡單，可以少無切削加工，成本低廉，性能優良，所以塑料在國民經濟中得到廣泛的應用。動畫3為擠出成形示意圖，動畫4為滾塑成形示意圖。23動畫3擠出成形18動畫3擠出成形24動畫4四工位滾塑成形18257.陶瓷成形

陶瓷成形通常采用注漿成形法、可塑成形法、模壓成形法等。陶瓷的密度低，比重只有鋼的1/3，彈性模量高、缺口敏感性小，耐高溫，膨脹系數低，硬度高，摩擦系數較低，熱穩定性和化學穩定性好、電性能好，屬耐高溫耐腐蝕絕緣材料。陶瓷成形的特點是在制備過程中需經過高溫處理，其制備工藝路線長，加工和質量控制難度大。因此，先進陶瓷制品的成本較高。19268.復合材料成形（動畫5）20

復合材料是由基體材料和增強材料復合而成的一類多相材料。復合材料保留了組成材料的各自的優點，獲得單一材料無法具備的優良綜合性能。它的成形特征是材料與結構一次成形，即在形成復合材料的同時也就得到了結構件。這一特點使構件的零件數目減少,整體化程度提高；同時由于減少甚至取消了接頭，避免或減少了鉚、焊等工藝從而減輕了構件質量，改善并提高了構件的耐疲勞性和穩定性。27動畫5纏繞成形20動畫5纖維纏繞成形示意圖復合材料材料結構成形是一次完成的，成形過程中零件的外部公差與內部質量便是成形的關鍵。28常用的材料成形方法比較見表3。21表3常用的材料成形方法比較成形方法成形特點對材料的工藝要求制件特征材料利用率生產率主要應用尺寸結構鑄造液態金屬填充型腔流動性好，集中縮孔各種可復雜較高低～高型腔較復雜尤其是內腔復雜的制件，如箱體、殼體、床身、支座等自由鍛固態金屬塑性變形變形抗力較小，塑性較好各種簡單較低低傳動軸、齒輪坯、炮筒等模鍛中小件可較復雜較高較高或高受力較大或較復雜，且形狀較復雜的制件，如齒輪、閥體、叉桿、曲軸等沖壓各種可較復雜較高較高或高重量輕且剛度好的零件以及形狀較復雜的殼體，如箱體、罩殼、汽車覆蓋件、儀表板、容器等2921成形方法成形特點對材料的工藝要求制件特征材料利用率生產率主要應用尺寸結構粉末冶金粉末間原子擴散、再結晶，有時重結晶粉末流動性較好，壓縮性較大中小件可較復雜高較高精密零件或特殊性能的制品，如軸承、金剛石工具，硬質合金，活塞環、齒輪等焊接通過金屬熔池液態凝固，或塑性變形，或原子擴散實現連接淬硬、裂紋、氣孔等傾向較小各種可復雜較高低～高形狀復雜或大型構件的連接成形，異種材料間的連接，零件的修補等表3常用的材料成形方法比較（續）30續表22成形方法

成形特點對材料的工藝要求制件特征材料利用率生產率主要應用尺寸結構塑料成形采用注射、擠出、模壓、澆注、燒結、真空成形、吹塑等方法制成制品流動性好、收縮性、吸水性、熱敏性小各種可復雜較高較高或高一般結構零件、一般耐磨傳動零件，減磨自潤滑零件，耐腐蝕零件等。如化工管道、儀表殼罩等陶瓷成形陶瓷材料通過制粉、配料、成形、高溫燒結獲得制品坯體結構均勻并有一定的致密度中小件可較復雜較高低～較高高硬度，耐高溫、耐腐蝕絕緣零件，如刀具、高溫軸承、泵、閥31續表22成形方法

成形特點對材料的工藝要求制件特征材料利用率生產率主要應用尺寸結構復合材料成形基體材料和增強材料復合而成的一類多相材料，材料與結構一次成形纖維有高強度和剛度，有合理的含量、尺寸和分布；基體有一定的塑