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内容简介

　　本书主要针对铸、锻、焊三种基本成形技术，分为三篇进行论述，每篇都从成形理论、工艺、设备三方面展开。鉴于“材料—工艺—设备”的一体化成形领域的发展趋势，本书加入了相应设备的内容，同时，考虑到成形工艺的复杂性采用计算机辅助分析已成为重要的手段，因此也加入了相应数值模拟的内容。

作者简介

　　赵升吨，西安交通大学机械电子工程专业博士生导师。从1979年考入西安交大机械系本科以后，学士、硕士及博士学位均在西安交大机械系取得，并一直在西安交通大学机械系（学院）任教至今。从事的主要的研究方向包括：机、电、液系统的计算机监控；人工智能与智能控制；流体传动系统及控制；超声加工；半固态精密加工；振动与噪声控制；数字式交流伺服及直线电动机驱动的机械设备；柔性可控机构学；绿色制造技术等。

目　　录

第一篇铸造
第1章铸造工艺基础
1.1 液态合金的充型能力
1.2 铸件的凝固与收缩
1.3 铸造应力及铸件的变形与裂纹
1.4 习题与思考题
第2章常用铸造合金及其熔炼
2.1 常用铸造合金
2.1.1 铸铁
2.1.2 铸钢
2.1.3 铸造有色合金
2.2 常用铸造合金的熔炼
2.2.1 铸铁的熔炼
2.2.2 铸钢的熔炼

第一篇 铸 造 
第1章 铸造工艺基础 
1.1 液态合金的充型能力 
1.2 铸件的凝固与收缩 
1.3 铸造应力及铸件的变形与裂纹 
1.4 习题与思考题 
第2章 常用铸造合金及其熔炼 
2.1 常用铸造合金 
2.1.1 铸铁 
2.1.2 铸钢 
2.1.3 铸造有色合金 
2.2 常用铸造合金的熔炼 
2.2.1 铸铁的熔炼 
2.2.2 铸钢的熔炼 
2.2.3 铸造有色合金的熔炼 
2.3 习题与思考题 
第3章 铸造成形方法 
3.1 砂型铸造 
3.2 特种铸造 
3.2.1 熔模铸造 
3.2.2 金属型铸造 
3.2.3 压力铸造 
3.2.4 离心铸造 
3.2.5 其他特种铸造方法 
3.3 习题与思考题 
第4章 铸造工艺与铸件结构设计 
4.1 铸造工艺设计 
4.2 铸造工艺设计实例 
4.3 铸件结构设计 
4.3.1 铸造性能对铸件结构的要求 
4.3.2 铸造工艺对铸件结构的要求 
4.3.3 铸件结构设计应考虑的其他方面 
4.4 习题与思考题 
第5章 铸件质量控制及其过程的 
计算机数值模拟 
5.1 铸造生产过程的质量控制 
5.1.1 铸造生产的工艺过程 
5.1.2 铸造生产工序的质量控制 
5.2 铸件质量的检验 
5.2.1 铸件质量 
5.2.2 铸件质量检验 
5.3 铸件缺陷的产生和修复 
5.3.1 铸件常见缺陷及其产生原因 
5.3.2 铸件缺陷的修复 
5.4 铸造过程的计算机数值模拟 
5.4.1 铸件充型及传热过程模拟 
5.4.2 铸件应力场的数值模拟 
5.4.3 凝固过程的微观组织模拟 
5.4.4 铸造过程数值模拟主要专业 
软件简介 
5.5 习题与思考题 
第6章 常用铸造设备 
6.1 铸造设备的分类 
6.2 造型和制芯设备 
6.2.1 压实式造型机 
6.2.2 震实式造型机 
6.2.3 震压式造型机 
6.2.4 射压式造型机 
6.2.5 气冲造型机 
6.2.6 抛砂机 
6.3 制芯机 
6.3.1 热芯盒射芯机 
6.3.2 壳芯机 
6.3.3 冷芯盒射芯机 
6.4 混砂设备 
6.4.1 碾轮式混砂机 
6.4.2 碾轮转子式混砂机 
6.4.3 逆流式混砂机 
6.5 落砂与清理设备 
6.5.1 落砂机 
6.5.2 抛丸及喷丸清理设备 
6.6 压铸机 
6.6.1 热室压铸机 
6.6.2 冷室压铸机 
6.7 离心浇注机 
6.7.1 悬臂式卧式离心铸造机 
6.7.2 托辊式卧式离心铸造机 
6.7.3 立式离心铸造机 
6.8 连铸机 
6.8.1 钢包运载装置 
6.8.2 中间包及运载装置 
6.8.3 结晶器及振动装置 
6.8.4 二次冷却装置 
6.8.5 拉坯矫直装置 
6.8.6 切割装置 
6.8.7 引锭装置 
6.9 习题与思考题
第二篇 塑性成形技术 
第7章 绪论 
7.1 塑性成形技术的含义与特点 
7.1.1 塑性成形的定义 
7.1.2 塑性成形的本质 
7.1.3 塑性成形中需要解决的 
基本问题 
7.1.4 塑性成形技术的特点 
7.2 塑性成形工艺方法的分类 
7.3 工艺与设备的关系 
7.4 塑性成形技术的发展趋势 
第8章 金属塑性变形力学基础 
8.1 金属材料的真实应力-应变曲线 
8.1.1 金属材料的单向拉伸试验 
8.1.2 金属材料的单向拉伸试验曲线 
载荷最大点及颈缩阶段的特性 
8.1.3 真实应力-应变曲线的近似 
数学表达式 
8.1.4 变形温度和应变速率对真实 
应力-应变曲线的影响 
8.2 应力平衡微分方程 
8.2.1 直角坐标系中一点的应力状态 
8.2.2 应力平衡微分方程 
8.3 屈服准则 
8.3.1 与屈服准则相关的金属材料的 
某些性质 
8.3.2 屈雷斯加屈服准则（最大剪应力 
不变条件） 
8.3.3 密席斯屈服准则（弹性形变能不 
变条件） 
8.3.4 中间主应力的影响 
8.3.5 平面问题和轴对称问题中屈服 
准则的简化 
8.3.6 塑性变形中的应力状态对塑性与 
变形抗力的影响 
8.4 几何方程、应变连续方程与体积 
不变条件 
8.4.1 质点的应变状态与几何方程 
8.4.2 变形连续方程 
8.4.3 塑性变形时的体积不变条件 
8.4.4 主应变、应变张量的不变量、 
主剪应变和最大剪应变 
8.4.5 应变偏张量和球张量 
8.4.6 应变状态的影响 
8.5 本构关系 
8.5.1 弹性应力应变的关系 
8.5.2 塑性变形的增量理论 
（流动理论） 
8.6 变形力的理论计算与主应力法 
8.6.1 变形力的数学解析法 
8.6.2 主应力法 
8.7 习题与思考题 
第9章 塑性成形设备 
9.1 概论 
9.1.1 塑性成形设备的驱动与传动 
的特点 
9.1.2 塑性成形设备的分类 
9.2 锻造设备 
9.2.1 液压机概述 
9.2.2 液压机动力装置 
9.2.3 液压缸部件 
9.2.4 液压机机身 
9.3 冲压设备 
9.3.1 机械压力机概述 
9.3.2 曲柄滑块机构的设计计算 
9.3.3 机械压力机传动系统 
9.3.4 机械压力机离合器与制动器 
9.4 习题与思考题 
第10章 锻造工艺 
10.1 锻造基本工序 
10.1.1 自由锻工序 
10.2 锻造模具及其结构 
10.3 锻造过程有限元分析 
10.4 习题与思考题 
第11章 板料冲压成形工艺 
11.1 冲压成形基本工序 
11.1.1 冲裁 
11.1.2 弯曲 
11.1.3 拉深 
11.1.4 成形 
11.2 冲压模具及其结构 
11.2.1 冲裁模具及其结构 
11.2.2 弯曲模的典型结构 
11.2.3 拉深模的典型结构 
11.3 冲压过程有限元分析 
11.3.1 有限元分析简介 
11.3.2 板料成形有限元模拟 
11.3.3 板料成形有限元模拟前后 
处理技术 
11.4 习题与思考题 
第12章 挤压成形工艺 
12.1 挤压成形基本工序 
12.1.1 挤压工艺分类 
12.1.2 挤压金属流动规律 
12.1.3 挤压主要缺陷形式 
12.2 挤压模具及其结构 
12.2.1 冷挤压模具及其结构 
12.2.2 温挤压模具及其结构 
12.2.3 热挤压模具及其结构 
12.3 挤压过程有限元分析
第三篇 焊 接 技 术 
第13章 焊接冶金与成形原理 
13.1 焊接冶金成形原理 
13.1.1 焊接的实质 
13.1.2 焊接接头的特征 
13.1.3 焊接冶金过程的特点 
13.1.4 焊缝金属的结晶 
13.1.5 改善焊缝金属组织的措施 
13.1.6 影响焊接接头组织与性能的 
因素 
13.2 液态金属与气体的相互作用 
13.2.1 焊接过程中的气体及其来源 
13.2.2 金属的氧化及其影响 
13.2.3 焊缝金属的氮化及其影响 
13.2.4 氢对焊缝金属的作用 
13.3 液态金属与熔渣的相互作用 
13.3.1 熔渣的作用及其分类 
13.3.2 熔渣的物理性能及其对焊缝的 
影响 
13.3.3 熔渣的化学性能及其对焊缝的 
影响 
13.3.4 焊接熔渣的断面情况 
13.4 习题与思考题 
第14章 常用焊接方法 
14.1 电弧焊接方法 
14.1.1 手工电弧焊 
14.1.2 埋弧自动焊 
14.1.3 钨极氩弧焊 
14.1.4 熔化极气体保护焊 
14.1.5 熔化极氩弧焊 
14.1.6 二氧化碳气体保护焊 
14.1.7 药芯焊丝气体保护焊 
14.2 压力焊及钎焊 
14.2.1 电阻焊 
14.2.2 摩擦焊 
14.2.3 钎焊 
14.3 习题与思考题 
第15章 焊接性分析与常用金属焊接 
15.1 金属的焊接性及试验方法 
15.1.1 金属的焊接性 
15.1.2 影响焊接性的主要因素 
15.1.3 金属焊接性的评估 
15.2 结构钢的焊接 
15.2.1 碳钢的焊接性 
15.2.2 合金结构钢的焊接 
15.3 不锈钢的焊接 
15.3.1 奥氏体不锈钢的焊接 
15.3.2 马氏体不锈钢的焊接 
15.3.3 铁素体不锈钢的焊接 
15.4 有色金属的焊接 
15.4.1 铝及铝合金的焊接 
15.4.2 铜及铜合金的焊接 
15.5 习题与思考题 
第16章 焊接结构力学与强度 
16.1 焊接应力与变形 
16.1.1 焊接应力与变形的形成 
16.1.2 纵向残余应力及其分布特点 
16.1.3 横向残余应力及其分布特点 
16.1.4 厚板中厚度方向残余应力 
及其分布 
16.2 残余应力对结构的影响 
16.2.1 对静载强度的影响 
16.2.2 对构件加工尺寸精度的影响 
16.2.3 对受压杆件稳定性的影响 
16.2.4 对应力腐蚀裂纹的影响 
16.3 减小及消除焊接残余应力的措施 
16.3.1 减小焊接残余应力的措施 
16.3.2 消除焊接残余应力的措施 
16.4 预防和消除焊接变形的措施 
16.4.1 焊接变形的分类 
16.4.2 预防焊接变形的措施 
16.4.3 消除焊接变形的方法 
16.5 焊接结构冲击韧性和低温强度 
16.5.1 焊接结构的脆性断裂 
16.6 焊接结构的疲劳强度 
16.6.1 焊接结构的疲劳 
16.6.2 提高焊接接头疲劳强度的 
措施 
16.7 焊接结构的应力腐蚀破坏 
16.7.1 应力腐蚀破坏 
16.7.2 防止焊接结构产生应力腐蚀的 
措施 
16.8 习题与思考题 
第17章 高能束焊接 
17.1 高能束焊接的物理基础 
17.1.1 高能束流束源品质的发展 
17.1.2 高能束流焊接技术 
17.2 电子束焊 
17.2.1 电子束焊的基本原理 
17.2.2 电子束焊的深熔焊效应 
17.2.3 电子束焊的特点 
17.2.4 电子束焊的适用范围 
17.2.5 电子束焊工艺 
17.2.6 真空电子束焊的应用 
17.3 激光焊 
17.3.1 激光焊原理 
17.3.2 激光焊的特点 
17.3.3 激光焊的应用 
17.3.4 激光焊工艺 
17.4 习题与思考题 
第18章 焊接工装设计 
18.1 焊接工装的组成与分类 
18.1.1 焊接工装的地位和作用 
18.1.2 焊接工装的分类 
18.1.3 焊接工装的特点 
18.2 焊件的定位原理及定位器设计 
18.2.1 焊件的定位及定位器 
18.3 焊接工装夹具 
18.3.1 夹紧的作用 
18.3.2 夹紧机构的设计要点 
18.3.3 对夹紧机构的基本要求 
18.3.4 夹紧机构的组成 
18.3.5 常用夹紧机构 
18.3.6 气动与液压夹紧器 
18.3.7 专用夹具 
18.4 焊接工装夹具的设计方法 
18.4.1 夹具设计的基本要求 
18.4.2 工装夹具设计基本方法 
18.4.3 工装夹具设计的步骤 
18.4.4 工装夹具制造的精度要求 
18.4.5 夹具结构工艺性 
18.5 焊接变位机械 
18.5.1 焊接操作机 
18.5.2 焊工变位机 
18.5.3 变位机械装备的组合应用 
18.6 焊件变位机械 
18.6.1 焊件变位机 
18.6.2 焊件变位机设计 
18.7 习题与思考题 
参考文献

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前　　言

　　前言
　　在人类社会发展进程中，制造业起到了举足轻重的作用，可以说制造业是创造人类财富的支柱。制造业也是产生当今人类社会面临的环境、资源、人口三大问题的主要根源。为了保护人类社会的可持续发展，一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造业的可持续发展模式——绿色制造应运而生。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中对环境的影响（负作用）最小，资源效率最高。零件或材料的加工方法大致可分为4种，即成形加工、切除加工、表面加工、热处理加工等。选择零件的加工方法需要综合考虑零件的形状尺寸特征、工作条件及性能要求、生产批量和制造成本等多种因素。而成形加工兼备了成形与成性两方面，节材、高效、可显著提高材料性能，已成为目前蓬勃发展的技术领域。因此，成形技术水平的高低是衡量一个国家制造能力、综合国力、工业现代化水平的重要标志之一。培养和造就掌握成形技术和创新精神的人才，对提升我国制造能力、实现制造强国梦想具有极其重要的现实意义和战略意义。

前 言 
　　在人类社会发展进程中，制造业起到了举足轻重的作用，可以说制造业是创造人类财富的支柱。制造业也是产生当今人类社会面临的环境、资源、人口三大问题的主要根源。为了保护人类社会的可持续发展，一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造业的可持续发展模式——绿色制造应运而生。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中对环境的影响（负作用）最小，资源效率最高。零件或材料的加工方法大致可分为4种，即成形加工、切除加工、表面加工、热处理加工等。选择零件的加工方法需要综合考虑零件的形状尺寸特征、工作条件及性能要求、生产批量和制造成本等多种因素。而成形加工兼备了成形与成性两方面，节材、高效、可显著提高材料性能，已成为目前蓬勃发展的技术领域。因此，成形技术水平的高低是衡量一个国家制造能力、综合国力、工业现代化水平的重要标志之一。培养和造就掌握成形技术和创新精神的人才，对提升我国制造能力、实现制造强国梦想具有极其重要的现实意义和战略意义。

为适应当今工程教育新模式对人才培养的要求，在编写过程中，充分吸收国内外最新的成形技术和科技成果，融基础理论、工程实例、经典例题、经验总结、实践训练于一体，力求做到实用性、系统性和先进性。本书主要针对铸、锻、焊三种基本成形技术，分为三篇自成体系进行论述，每篇都从成形理论、工艺、设备三方面展开。鉴于“材料—工艺—设备”的一体化成形领域的发展趋势，加之成形装备已成为目前机械加工装备发展的重点之一，因此，本书在铸、锻、焊三篇中均加入相应的设备的内容，这也是有别于其他教材的特色之一。同时，考虑到成形工艺的复杂性，目前借助于商用软件，采用计算机辅助分析方法，对复杂的成形工艺过程进行数值模拟已成为重要的手段，所以，本书在铸、锻、焊三篇中均加入相应的数值模拟的相关内容。

本书可作为普通高等院校机械设计制造及其自动化、机械工程、车辆工程、机械电子工程、航空航天制造工程、能源动力系统及自动化、测控技术与仪器等相关专业主干专业课程“材料成形技术基础”的教科书，也可供从事成形技术的研究和应用的工程技术人员参考。

本书由西安交通大学赵升吨担任主编。全书共分三篇。第一篇中的第1章、第2章、第3章由河南科技大学陈慧敏编写，第4章、第5章、第6章由河南科技大学张万红编写。第二篇中的第7章由西安交通大学赵升吨编写，第8章由西安交通大学赵升吨、张大伟编写，第9章由西北工业大学姚泽坤编写，第10章由西安理工大学唐文亭编写，第11章由西安交通大学张琦编写，第12章由西安交通大学赵升吨、范淑琴编写。第三篇由西安交通大学蔡洪能编写。本书由西安交通大学赵升吨统稿。

本书编写时参阅了有关院校、工厂、科研院所的一些教材、资料和文献，并得到了许多同行专家教授的支持和帮助，在此谨向他们表示衷心的感谢。

限于编者水平有限，书中难免存在错误、疏漏和不妥之处，敬请读者提出宝贵意见。 
　　 
　　编 者 
　　2013年7月

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