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制造 I · 铸、锻、焊

层次：本科核心 + 业界基础｜ 本页讲原理与设计影响，不讲具体工艺参数（那些依赖设备、材料牌号与现场经验，须查标准与工艺手册）。机械设计的一条铁律：你只能设计出能被造出来的东西。而"能被造出来"取决于工艺。本页讲三类成形工艺——它们决定了零件的形状自由度、内部质量与成本结构。

一、铸造：一次成形复杂形状

原理：熔融金属注入型腔，凝固成形。

优势：

固有问题（全部源于"凝固"这一物理过程）：

① 收缩与缩孔：金属凝固时体积收缩（钢约 3–5%）。最后凝固的部位若得不到补充，就形成缩孔。对策：冒口（额外的金属储备，让缩孔转移到冒口里，事后切除）、冷铁（局部加速冷却，控制凝固顺序）。核心思想是"顺序凝固"——让凝固从远端向冒口推进。

② 壁厚要均匀：厚薄悬殊处，厚壁部位凝固慢、易缩孔，且冷却不均产生残余应力与变形。 设计准则：避免局部厚大（热节），用加强筋代替加厚——这与第三页"把材料移到外围"的结构原则不谋而合，两条准则在此互相支持。

③ 气孔、夹渣、偏析：需要合理的浇注系统与排气。

④ 铸造圆角：尖角处易产生热裂与应力集中。所有铸件转角都必须有圆角——这是铸造设计的第一条规则。

⑤ 拔模斜度：砂型/压铸都需要脱模，垂直于分型面的表面必须有斜度（通常 1–3°）。

材料特性：铸铁的石墨形态决定性能——片状石墨（灰铸铁）割裂基体故脆但减振性极好（机床床身用它正是为此）；球状石墨（球墨铸铁）韧性大幅提高，可替代部分铸钢件。

原理：在塑性状态下施加压力使金属流动成形。

关键优势不在形状，而在组织：

设计要点：让流线沿受力方向连续，且不被后续加工切断。

这个原理有直接的工程后果：曲轴、连杆、齿轮坯、起重吊钩这类关键受力件必须锻造而非铸造或直接切削。从一整块钢料上切削出的吊钩，流线被切断，强度远低于锻造件——这不是理论推测，而是失效分析中反复验证的事实。

分类：自由锻（灵活、单件小批）、模锻（精度高、批量大、需模具）、辊锻、精锻（近净成形）。

冷加工与热加工的区别：

加工硬化本身是一种强化手段：冷拔钢丝、冷轧板材的强度显著高于原始材料。这也是为什么反复弯折金属丝会先变硬、然后断裂（加工硬化 + 疲劳）。

冲压、拉深、弯曲、旋压——汽车覆盖件、家电外壳的主力工艺。

三个必须知道的现象：

① 回弹：弹性变形在卸载后恢复，导致实际角度小于模具角度。回弹补偿是冲压模具设计的核心难题，高强钢的回弹更严重（弹性应变更大）。现代做法是用有限元预测回弹并反向修正模具型面（承第十一页齿轮修形的同一思想：故意做不准，以便成形后正好准）。

② 起皱与拉裂：拉深时法兰区受压易起皱（用压边圈抑制），底部受拉易拉裂。成形极限图（FLD）给出主次应变的安全边界，是板料成形分析的标准工具。

③ 各向异性：轧制板材的性能随方向变化（\(r\) 值），影响成形性与制耳。

原理：局部熔化（或压力/扩散）使材料连成一体。

焊接的三个固有问题——它们全部源于"局部快速加热冷却"：

① 残余应力与变形：焊缝冷却收缩受周围约束 → 产生接近屈服强度的残余拉应力，并使结构变形。对策：合理的焊接顺序、对称焊、反变形预置、焊后热处理（退火）、振动时效。

② 热影响区（HAZ）：焊缝旁未熔化但组织已改变的区域。它常常是接头最薄弱的部位——可能硬化变脆（淬硬倾向）或软化（调质钢回火）。碳当量用于评估钢材的焊接性与预热需求。

③ 缺陷与疲劳：气孔、夹渣、未熔合、裂纹；焊趾的几何突变 + 残余拉应力 → 疲劳性能显著低于母材（承第十四页）。

这三点合起来给出一条重要的设计准则：焊缝应尽量布置在低应力区，且避开疲劳关键部位；不可避免时，通过打磨焊趾、TIG 重熔、锤击改善。

其他连接方式的定位：

这是本页的落点——一个基本态度：设计时就要想着怎么造。

具体准则：

一个成本判断：模具费用是固定成本，切削是可变成本。批量决定了工艺选择的经济性——这与 🔗 微电子站"ASIC 的 NRE vs 出货量"、自动化站"机械凸轮 vs 伺服"是完全同构的判断。

下一页：切削加工——机械制造的主力工艺。它决定了精度的上限，也贡献了机床工程中最经典的稳定性问题：颤振。