铸锻件⽑坯的分类选择分析
铸锻件⽑坯的分类选择分析
产品从原材料加⼯到成品⼀般要经过多道⼯序才能完成，对于⾦属制品，虽然可以应⽤少⽆切削加⼯新⼯艺直接从原材料制成成品。但⽬前⼤多数是通过铸造、锻造、冲压或焊接等加⼯⽅法制成⽑坯，在经过切削加⼯制成。 ⽑坯的质量之机影响成品的质量。⽑坯的选择是否合适，影响到成品的制造周期、成本、性能、以及使⽤寿命。因此正确的选择⽑坯是机械设计与制造当中的⾸要问题。 ⽑坯种类的选择不仅影响⽑坯的制造⼯艺及费⽤，⽽且也与零件的机械加⼯⼯艺和加⼯质量密切相关。为此需要⽑坯制造和机械加⼯两⽅⾯的⼯艺⼈员密切配合，合理地确定⽑坯的种类、结构形状，并绘出⽑坯图。
⼀、常见的⽑坯种类
常见的⽑坯种类有以下⼏种：
（⼀）铸件
对形状较复杂的⽑坯，⼀般可⽤铸造⽅法制造。⽬前⼤多数铸件采⽤砂型铸造，对尺⼨精度要求较⾼的⼩型铸件，可采⽤特种铸造，如永久型铸造、精密铸造、压⼒铸造、熔模铸造成和离⼼铸造等。各种铸造⽅法及⼯艺特点见表 3-9 。
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锻件⽑坯由于经锻造后可得到连续和均匀的⾦属纤维组织。因此锻件的⼒学性能较好，常⽤于受⼒复杂的重要钢质零件。其中⾃由锻件的精度和⽣产率较低，主要⽤于⼩批⽣产和⼤型锻件的制造。模型锻造件的尺⼨精度和⽣产率较⾼，主要⽤于产量较⼤的中⼩型锻件。其锻造⽅法及⼯艺特点见表 3-9 。
（三）型材
型材主要有板材、棒材、线材等。常⽤截⾯形状有圆形、⽅形、六⾓形和特殊截⾯形状。就其制造⽅法，⼜可分为热轧和冷拉两⼤类。热轧型材尺⼨较⼤，精度较低，⽤于⼀般的机械零件。冷拉型材尺⼨较⼩，精度较⾼，主要⽤于⽑坯精度要求较⾼的中⼩型零件。
（四）焊接件
焊接件主要⽤于单件⼩批⽣产和⼤型零件及样机试制。其优点是制造简单、⽣产周期短、节省材料、减轻重量。但其抗振性较差，变形⼤，需经时效处理后才能进⾏机械加⼯。
（五）其它⽑坯
其它⽑坯包括冲压件，粉末冶⾦件，冷挤件，塑料压制件等。
⼆、⽑坯的选择原则
选择⽑坯时应该考虑如下⼏个⽅⾯的因素：
（⼀）零件的⽣产纲领
⼤量⽣产的零件应选择精度和⽣产率⾼的⽑坯制造⽅法，⽤于⽑坯制造的昂贵费⽤可由材料消耗的减
少和机械加⼯费⽤的降低来补偿。如铸件采⽤⾦属模机器造型或精密铸造；锻件采⽤模锻、精锻；选⽤冷拉和冷轧型材。单件⼩批⽣产时应选择精度和⽣产率较低的⽑坯制造⽅法。
（⼆）零件材料的⼯艺性
例如材料为铸铁或青铜等的零件应选择铸造⽑坯；钢质零件当形状不复杂，⼒学性能要求⼜不太⾼时，可选⽤型材；重要的钢质零件，为保证其⼒学性能，应选择锻造件⽑坯。
（三）零件的结构形状和尺⼨
形状复杂的⽑坯，⼀般采⽤铸造⽅法制造，薄壁零件不宜⽤砂型铸造。⼀般⽤途的阶梯轴，如各段直径相差不⼤，可选⽤圆棒料；如各段直径相差较⼤，为减少材料消耗和机械加⼯的劳动量，则宜采⽤锻造⽑坯，尺⼨⼤的零件⼀般选择⾃由锻造，中⼩型零件可考虑选择模锻件。
（四）现有的⽣产条件
选择⽑坯时，还要考虑本⼚的⽑坯制造⽔平、设备条件以及外协的可能性和经济性等。
⽑坯选择的原则，应在满⾜使⽤要求的前提下，尽可能地降低⽣产成本，使产品在市场上具有竞争能⼒。
1. ⼯艺性原则
零件的使⽤要求决定了⽑坯形状特点，各种不同的使⽤要求和形状特点，形成了相应的⽑坯成形⼯艺要求。零件的使⽤要求具体体现在对其形状、尺⼨、加⼯精度、表⾯粗糙度等外部质量，和对其化学成分、⾦属组织、⼒学性能、物理性能和化学性能等内部质量的要求上。对于不同零件的使⽤要求，必须考虑零件材料的⼯艺特性（如铸造性能、锻造性能、焊接性能等）来确定采⽤何种⽑坯成形⽅法。例如，不能采⽤锻压成形的⽅法和避免采⽤焊接成形的⽅法来制造灰⼝铸铁零件；避免采⽤铸造成形⽅法制造流动性较差的薄壁⽑坯；不能采⽤普通压⼒铸造的⽅法成形致密度要求较⾼或铸后需热处理的⽑坯；不能采⽤锤上模锻的⽅法锻造铜合⾦等再结晶速度较低的材料；不能⽤埋弧⾃动焊焊接仰焊位置的焊缝；不能采⽤电阻焊⽅法焊接铜合⾦构件；不能采⽤电渣焊焊接薄壁构件等等。选择⽑坯成形⽅法的同时，也要兼顾后续机加⼯的可加⼯性。如对于切削加⼯余量较⼤的⽑坯就不能采⽤普通压⼒铸造成形，否则将暴露铸件表⽪下的孔洞；对于需要切削加⼯的⽑坯尽量避免采⽤⾼牌号珠光体球墨铸铁和簿壁灰⼝铸铁，否则难以切削加⼯。⼀些结构复杂，难以采⽤单种成形⽅法成形的⽑坯，既要考虑各种成形⽅案结合的可能性，也需考虑这些结合是否会影响机械加⼯的可加⼯性。鹤嘴锤
2. 适应性原则
在⽑坯成形⽅案的选择中，还要考虑适应性原则。既根据零件的结构形状、外形尺⼨和⼯作条件要求，选择适应的⽑坯⽅案。
例如，对于阶梯轴类零件，当各台阶直径相差不⼤时，可⽤棒料；若相差较⼤，则宜采⽤锻造⽑坯。形状复杂和薄壁的⽑坯，⼀般不应采⽤⾦属型铸造；尺⼨较⼤的⽑坯，通常不采⽤模锻、压⼒铸造和熔模铸造，多数采⽤⾃由锻、砂型铸造和焊接等⽅
零件的⼯作条件不同，选择的⽑坯类型也不同。如机床主轴和⼿柄都是轴类零件，但主轴是机床的关键零件，尺⼨形状和加⼯精度要求很⾼，受⼒复杂且在长期使⽤过程中只允许发⽣很微⼩的变形，因此要选⽤具有良好综合⼒学性能的45钢或40Cr，经锻造制坯及严格切削加⼯和热处理制成；⽽机床⼿柄则采⽤低碳钢圆棒料或普通灰⼝铸铁件为⽑坯，经简单的切削加⼯即可完成，不需要热处理。再如内燃机曲轴在⼯作过程中承受很⼤的拉伸、弯曲和扭转应⼒，应具有良好的综合⼒学性能，故⾼速⼤功率内燃机曲轴⼀般采⽤强度和韧性较好的合⾦结构钢锻造成形，功率较⼩时可采⽤球墨铸铁铸造成形或⽤中碳钢锻造成形。对于受⼒不⼤且为圆形曲⾯的直轴，可采⽤圆钢下料直接切削加⼯成形。
3. ⽣产条件兼顾原则
⽑坯的成形⽅案要根据现场⽣产条件选择。现场⽣产条件主要包括现场⽑坯制造的实际⼯艺⽔平、设备状况以及外协的可能性和经济性，但同时也要考虑因⽣产发展⽽采⽤较先进的⽑坯制造⽅法。
为此，⽑坯选择时，应分析本企业现有的⽣产条件，如设备能⼒和员⼯技术⽔平，尽量利⽤现有⽣产条件完成⽑坯制造任务。若现有⽣产条件难以满⾜要求时，则应考虑改变零件材料和（或）⽑坯成形
⽅法，也可通过外协加⼯或外购解决。
4. 经济性原则
经济性原则就是使零件的制造材料费、能耗费、⼯资费⽤等成本最低。在选择坯件的类型和具体的制造⽅法时，应在满⾜零件使⽤要求的前提下，把⼏个预选⽅案作经济性⽐较，从中选出整体⽣产成本低廉的⽅案。⼀般，选择⽑坯的种类和制造⽅法时，应使⽑坯尺⼨、形状尽量与成品零件相近，从⽽减少加⼯余量，提⾼材料的利⽤率，减少机械加⼯⼯作量。但是⽑坯越精确，制造就越困难，费⽤也越⾼。因此，⽣产纲领⼤时，应采⽤精度⾼、⽣产率⾼的⽑坯制造⽅法，这时虽然⼀次投资较⼤，但增⼤的⽑坯制造费⽤可由减少的材料消耗及机械加⼯费⽤得到补偿。⼀般的规律是，单件⼩批⽣产时，可采⽤⼿⼯砂型铸造、⾃由锻造、⼿⼯电弧焊、板⾦钳⼯等成形⽅法，在批量⽣产时可采⽤机器造型、模锻、埋弧⾃动焊或其他智能脱扣器
⾃动焊接⽅法和板料冲压等成形⽅法制造⽑坯。
5. 可持续性发展原则
环境恶化和能源枯竭已是21世纪⼈类必须解决的重⼤问题，在发展⼯业⽣产的同时，必须考虑环保和节能问题，不能⼲圈⼀块⼚房，毁⼀⽚⼭林的蠢事。在⼯艺流程设计中应考虑可持续发展的原则，应保护⼦孙后代的⽣存环境。必须做到：
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1）尽量减少能源消耗，在制定⼯艺流程中应考虑选择能耗⼩的成形⽅案，并尽量选⽤低能耗成形⽅法的材料，合理进⾏⼯艺设计，尽量采⽤净成形、净终成形的新⼯艺。
2）不使⽤对环境有害和会产⽣对环境有害物质的材料，采⽤加⼯废弃物少、容易再⽣处理、能够实现回收利⽤的材料。
3）少⽤或不⽤煤、⽯油等直接作为加热燃料，避免排出⼤量CO2⽓体，导致地球温度升⾼。
三、⽑坯的形状及尺⼨
⽑坯的形状和尺⼨主要由零件组成表⾯的形状、结构、尺⼨及加⼯余量等因素确定的，并尽量与零件相接近，以达到减少机械加⼯的劳动量，⼒求达到少或⽆切削加⼯。但是，由于现有⽑坯制造技术及成本的限制，以及产品零件的加⼯精度和表⾯质量要求愈来愈来⾼，所以，⽑坯的某些表⾯仍需留有⼀定的加⼯余量，以便通过机械加⼯达到零件的技术要求。
⽑坯尺⼨与零件图样上的尺⼨之差称为⽑坯余量。铸件公称尺⼨所允许的最⼤尺⼨和最⼩尺⼨之差称为铸件尺⼨公差。⽑坯余量与⽑坯的尺⼨、部位及形状有关。如铸造⽑坯的加⼯余量，是由铸件最⼤尺⼨、公称尺⼨（两相对加⼯表⾯的最⼤距离或基准⾯到加⼯⾯的距离）、⽑坯浇注时的位置（顶⾯、底⾯、侧⾯）、铸孔的尺⼨等因素确定的。对于单件⼩批⽣产，铸件上直径⼩ 30mm 和铸钢件上
直径⼩于 60mm 的孔可以不铸出。⽽对于锻件，若⽤⾃由锻，当孔径⼩于 30mm 或长径⽐⼤于 3 的孔可以不锻出。对于锻件应考虑锻造圆⾓和模锻斜度。带孔的模锻件不能直接锻出通孔，应留冲孔连⽪等。
⽑坯的形状和尺⼨的确定，除了将⽑坯余量附在零件相应的加⼯表⾯上之外，有时还要考虑到⽑坯的制造、机械加⼯及热处理等⼯艺因素的影响。在这种情况下，⽑坯的形状可能与⼯件的形状有所不同。例如，为了加⼯时安装⽅便，有的铸件⽑坯需要铸出必要的⼯艺凸台，如图 3-17 所⽰，⼯艺凸台在零件加⼯后⼀般应切去。⼜如车床开合螺母外壳，它由两个零件合成⼀个铸件，待加⼯到⼀定阶段后再切开，以保证加⼯质量和加⼯⽅便。如图 3-18 所⽰。
有时为了提⾼⽣产率和加⼯过程中便于装夹，可以将⼀些⼩零件多件合成⼀个⽑坯，如图 3-19 所⽰的滑键为锻件，可以将若⼲零件先合成⼀件⽑坯，待两侧⾯和平⾯加⼯后，再切割成单个零件。如图 3-20 所⽰为垫圈类零件，也应将若⼲零件合成⼀个⽑坯，⽑坯可取⼀长管料，其内孔直径要⼩于垫圈内径。车削时，⽤卡盘夹住⼀端外圆，另⼀端⽤顶尖顶住，这时可车外圆、车槽，然后⽤卡盘夹住外圆较长的⼀部分⽤φ 16mm 的钻头钻孔，这样就可以分割成若⼲个垫圈零件。
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常⽤⽑坯成形⽅法的⽐较
常⽤的⽑坯成形⽅法有铸造、锻造、粉末冶⾦、冲压、焊接、⾮⾦属材料成形和快速成形等。
1. 铸造铸造是液态⾦属充填型腔后凝固成形的成形⽅法，要求熔融⾦属流动性好、收缩性好，铸造材料利⽤率⾼，适⽤于制造各种尺⼨和批量且形状复杂尤其具有复杂内腔的零件，如⽀座、壳体、箱体、机床床⾝等。⼿⼯砂型铸造是单件、⼩批⽣产铸件的常⽤⽅法；⼤批⼤量⽣产常采⽤机器造型；特种铸造常⽤于⽣产特殊要求或有⾊⾦属铸件。
2. 锻造锻造是固态⾦属在压⼒下塑性变形的成形⽅法，要求⾦属的塑性较好、变形抗⼒⼩。锻造⽅法
适⽤于制造受⼒较⼤、组织致密、质量均匀的锻件，如转轴、齿轮、曲轴和叉杆等。⾃由锻锻造⼯装简单、准备周期短，但产品形状简单，是单件⽣产和⼤型锻件的唯⼀锻造⽅法；胎模锻是在⾃由锻设备上采⽤胎模进⾏锻造的⽅法，可锻造较为复杂、中⼩批量的中⼩型锻件；模锻的锻件可较复杂，材料利⽤率和⽣产率远⾼于⾃由锻，但只能锻造批量较⼤的中⼩型锻件。
3. 粉末冶⾦粉末冶⾦是通过成形、烧结等⼯序，利⽤⾦属粉末和（或）⾮⾦属粉末间的原⼦扩散、机械楔合、再结晶等获得
零件或⽑坯的。要求粉料的流动性好，压缩性⼤。粉末冶⾦材料利⽤率和⽣产率⾼，制品精度⾼，适合于制造有特殊性能要求的材料和形状较复杂的中、⼩型零件。如制造减磨材料、结构材料、摩擦材料、硬质合⾦、难熔⾦属材料、特殊电磁性材料、过滤材料等板、带、棒、管、丝各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件；可以制造重量仅百分之⼏g的⼩制品，也可制造近2t重的⼤型坯料。
4. 冲压冲压是借助冲模使⾦属产⽣分离或变形的成形⽅法，要求⾦属塑性成形时塑性好、变形抗⼒⼩。冲压可获得各种尺⼨且形状较为复杂的零件，材料利⽤率和⽣产率⾼。冲压⼴泛应⽤于汽车、仪表⾏业，是⼤批量制造质量轻、刚度好的零件和形状复杂的壳体的⾸选成形⽅法。薄片蒸汽眼罩
5. 焊接焊接是通过加热和（或）加压使被焊材料产⽣共同熔池或塑性变形或原⼦扩散⽽实现连接的，
要求材料在焊接时的淬硬倾向以及产⽣裂纹和⽓孔等缺陷的倾向较⼩。焊接可获得各种尺⼨且形状较复杂的零件，材料利⽤率⾼，采⽤⾃动化焊接可达到很⾼的⽣产率，适⽤于形状复杂或⼤型构件的连接成形，也可⽤于异种材料的连接和零件的修补。
6. 塑料成形塑料成形可在较低的温度下（⼀般在400℃以下）采⽤注射、挤出、模压、浇注、烧结、真空成形、吹塑等⽅法制成制品。由于塑料的原料来源丰富易得，制取⽅便，成形加⼯简单，可以少⽆切削加⼯，成本低廉，性能优良，所以塑料在国民经济中得到⼴泛的应⽤。
7. 陶瓷成形陶瓷成形通常采⽤注浆成形法、可塑成形法、模压成形法等。陶瓷的密度低，⽐重只有钢的1/3，弹性模量⾼、缺⼝敏感性⼩，耐⾼温，膨胀系数低，硬度⾼，摩擦系数较低，热稳定性和化学稳定性好、电性能好，属耐⾼温耐腐蚀绝缘材料。陶瓷成形的特点是在制备过程中需经过⾼温处理，其制备⼯艺路线长，加⼯和质量控制难度⼤。因此，先进陶瓷制品的成本较⾼。
8. 复合材料成形复合材料是由基体材料和增强材料复合⽽成的⼀类多相材料。复合材料保留了组成材料的各⾃的优点，获得单⼀材料⽆法具备的优良综合性能。它的成形特征是材料与结构⼀次成形，即在形成复合材料的同时也就得到了结构件。这⼀特点使构件的零件数⽬减少，整体化程度提⾼；同时由于减少甚⾄取消了接头，避免或减少了铆、焊等⼯艺从⽽减轻了构件质量，改善并提⾼了构件的耐疲劳性和稳定性。由于复合材料材料成形和结构成形是⼀次完成的，因此其成形的关键是在成形过程中既要保证零件的外部公差，⼜要保证零件的内部质量。
常⽤的材料成形⽅法⽐较见表7-1
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