机械制造工艺教案第一章1节-09-02.ppt

1,机械制造工艺基础,主讲教师：周世权,2,主讲教师简介： 周世权，副教授，华中科技大学工程实训中心 Tel：87792417，62528116. Email： Research fields: Laser welding, Rapid manufacturing，Cermets Energy source materials. Solar energy car,3,第1章 铸造工艺 Casting Process,4,铸造工艺概述,铸造: 将液态金属或合金浇入具有一定形状和尺寸的模型空腔，待其冷却凝固后，获得毛坯或零件的工艺方法，也称液态成形。,5,铸造工艺概述,铸造的特点： （1）复杂铸件。如带有复杂内腔的内燃机的缸体、缸盖、机床的床身和箱体、涡轮机的机壳以及工艺品等。,6,铸造工艺概述,铸造的特点： （2）适应范围广。铸造碳钢、合金钢、铸铁、铜合金、铝合金；铸件的大小几乎不限，质量从几克到几百吨，壁厚从1毫米以下到1米以上。,铸钢,铸铁钢套,铸铜鼎,7,铸造工艺概述,铸造的特点： (3）成本较低。加工余量小，节省金属，减少切削加工量，从而降低制造成本；铸造过程中各项费用较低，铸件本身生产成本较低。,锻造连杆,铸造连杆,8,铸造工艺概述,铸造的特点： (4）质量控制困难.铸造工艺过程复杂，影响因素多。晶粒粗大，化学成分的偏析、非金属夹杂物以及缩孔或缩松等铸造缺陷，因此，铸造零件的力学性能和可靠性较锻造零件差。,铸铁组织,锻钢组织,9,1.1 铸造工艺基础 Fundamentals of Casting Process,一、合金的充型能力 （一）液态合金流动性与充型能力的概念 1.充型：合金充填型腔的过程。 2.充型能力：液态合金充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。 3.浇不足：铸件出现形状不完整的现象。,4.流动性：液态合金本身的充型能力。由液态合金的成分、熔点温度、杂质含量及其物理性质有关，而与外界因素无关，是合金的主要铸造性能之一。,10,流动性好的合金，充型能力强，便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。反之，流动性差的合金，充型能力也就较差。可以通过外界条件的改善来提高其充型能力。 （二）影响液态合金充 型能力的主要因素 1.流动性 流动性与成分的关系， 可以看出，合金的流 动性与其成分之间存 在着一定的规律性。,一、合金的充型能力,F-C合金的流动性与状态图的关系,11,1.流动性,纯金属、共晶成分合金在固定的温度下凝固，已凝固的固体层从铸件表面逐层向中心推进，与尚未凝固的液体之间界面分明，且固体层内表面比较光滑，对金属液的流动阻力小，故充型能力最好。,其他成分的合金在一温度范围内进行凝固，此时结晶在一凝固区内同时进行，由于初生的树枝状晶体使固体层内表面粗糙，对合金液的流动阻力大，所以合金的流动性变差。合金的结晶温度范围越大，同时结晶的区域也越宽，树枝状晶也越发达，充型能力差。,12,2铸型性质,（1）铸型材料 铸型材料的比热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金液的充型能力越差；如金属型。 铸型材料的导热系数越大，将铸型金属界面热量向外传导的能力就越强，对合金液的冷却作用也越大，合金液的充型能力就越差，如铜金属型。,（2）铸型温度 铸型温度越高，合金液与铸型的温差越小，合金液热量的散失速度越小，因此保持流动的时间越长。生产中有时采用对铸型预热以提高合金的充型能力。,（3）铸型中的气体 合金液的热作用，铸型（尤其是砂型）产生大量的气体，如果气体不能及时排出，型腔中的气压将增大，从而对合金液的充型产生阻碍。提高铸型的透气性，降低铸型的发气量，以及在远离浇口的最高部位开设出气口等减少气体。,13,3浇注条件,（1）浇注温度 提高浇注温度，合金液的过热度增加，合金液保持流动的时间变长。充型能力随温度的提高而直线上升。但温度超过某界限后，由于合金液氧化、吸气增加，充型能力提高的幅度会越来越小。 对薄壁铸件或流动性差的合金，采用提高浇注温度的措施可以有效地防止浇不足或冷隔等铸造缺陷。但随着浇注温度的提高，铸件的一次结晶组织变得粗大，且容易产生气孔、缩孔、缩松、粘砂、裂纹等铸造缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，浇注温度应尽量低。,14,3浇注条件,（2）充型压力 液态金属在流动方向上所受到的压力越大，充型能力就越好。如通过增加浇注时合金液的静压头的方法，可提高充型能力。某些特种工艺，如压力铸造、低压铸造、离心铸造、实型负压铸造等，充型时合金液受到的压力较大，充型能力较强。,（3）浇注系统 浇注系统的结构越复杂，流动的阻力就越大，合金液在浇注系统中的散热也越大，充型能力也就下降。,15,1合金的收缩 液态合金注入铸型、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为合金的收缩。 收缩三阶段： （1）液态收缩：液态收缩指合金从浇注温度到凝固开始温度（液相线温度）间的收缩。 （2）凝固收缩：凝固收缩指合金在凝固阶段的收缩，即合金从液相线温度冷却至固相线温度之间的收缩。 （3）固态收缩：固态收缩指合金从固相线温度冷却至室温时的收缩,也称为线收缩。 凝固收缩与液态收缩缩孔和缩松。 固态收缩形状和尺寸精度，铸造应力、热裂、 冷裂和变形。,二、铸造合金的收缩与缩孔、缩松,16,图1-4缩孔形成示意图,（1）缩孔 缩孔是在铸件上部或最后凝固部位出现的容积较大的孔洞。其形状极不规则，孔壁粗糙并带有枝晶状，多呈倒圆锥体。,2铸件中缩孔和缩松的形成,纯金属和靠近共晶成分的合金，在恒温或较窄的温度范围内凝固，呈逐层凝固的方式，合金流动性好，倾向于形成集中的缩孔。,17,（2）缩松 铸件断面上出现的分散、细小的孔洞称为缩松。缩松形成的原因和缩孔基本相同，即铸型内合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，同时在铸件最后凝固的区域得不到液态合金的补偿。,18,图1-5顺序凝固示意图,缩孔的防止顺序凝固。 顺序凝固铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。先凝固部位的收缩，由后凝固部位的液体金属来补充；后凝固部位的收缩，由冒口或浇注系统的金属液来补充，而将缩孔转移到铸件多余部分的冒口或浇注系统中。,3铸件中缩孔与缩松的防止,19,图l-6,实现顺序凝固的措施是在铸件可能出现缩孔的厚大部位（热节）安放冒口，或在铸件远离浇、冒口的部位增设冷铁等。冒口除补缩外，有时还起排气、集渣的作用。 但对倾向于糊状凝固的合金，由于结晶的固体骨架较好地布满整个铸件的截面，使冒口的补缩通道堵塞，难以实现顺序凝固。,20,1内应力的形成 铸造应力按产生的原因不同，分为热应力、收缩应力和相变应力三种。铸件中的铸造应力，就是这三种应力的矢量和。 （1）热应力 铸件在凝固和冷却过程中， 不同部位由于不均衡的收缩而 引起的应力，称热应力。,三铸件内应力、变形与裂纹,21,图l-7. 应力框铸件,一根粗杆I和两根细杆II组成。上部表示了杆I和杆II的冷却曲线，+表示拉应力; 表示压应力;t临 表示金属弹塑性临界温度。,T0T1阶段: 两杆均处于塑性状态，铸件可以通过两杆的塑性变形使应力很快自行消失。 T1T2间: 此时杆II温度较低，已进入弹性状态，但杆I仍处于塑性状态。杆II由于冷却快，收缩大于杆I，在横杆作用下将对杆I产生压应力，而杆I反过来对杆II施以拉应力（图中b）。,22,图l-7,处于于塑性状态的杆I受压应力作用产生压缩塑性变形，使杆I、杆II的收缩一致，应力随之消失（图中c）。 T2-T3间: 杆I和杆II均进入弹性状态，此时杆I温度较高，冷却时还将产生较大收缩，杆II温度较低，收缩已趋停止，在最后阶段冷却时，杆I的收缩将受到杆II强烈阻碍，因此杆I受拉，杆II受压。到室温时形成了残留应力（图中d）。,23,热应力使冷却较慢的厚壁处或心部受拉应力，冷却较快的薄壁处或表面受压应力。 铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。 顺序凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一致，产生的热应力较大，铸件容易出现变形和裂纹。,24,（2）机械应力(dz72) 铸件在固态收缩时，因受到铸型、芯子、浇冒口、箱档等外力的阻碍而产生的应力称机械应力。,图l-8收缩应力的产生,25,图l-9同时凝固示意图,同时凝固(dz22)是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。（图l-9）铸件如按同时凝固原则凝固，各部分温差较小，不易产生热应力和热裂，铸件变形较小。同时凝固时不必设置冒口，工艺简单，节约金属。但同时凝固的铸件中心易出现缩松，影响铸件致密性。,（3）减少和消除铸造应力的措施,26,图1-10车床床身挠曲变形示意图,处于应力状态的铸件是不稳定的，将自发地通过变形来减小内应力，趋于稳定状态。 一般铸件厚壁处（慢冷处）受拉应力，将发生缩短（内凹）变形；而薄壁处（快冷处）受压应力，将发生伸长（外凸）变形。,2铸件的变形与防止,图1-10所示为车床床身，其导轨部分因较厚而受拉伸，于是朝着导轨方向产生内凹。（梯形梁铸件的应力与变形）,27,在铸件设计时尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称， 在铸造工艺上应采用同时凝固原则，以便冷却均匀。 对于长而易变形的铸件，还可采用“反变形”工艺。 反变形法是在统计铸件变形规律的基础上，在模样 上预先做出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消 铸件的变形。,铸件变形的防止,28,铸造的定义和特点：液态成形方法；可以生产复杂零件，成本低。 流动性与充型能力：流动性是液态合金本身的性质；充型能力是一种铸造工艺特性，受流动性和外界条件的影响。 纯金属和共晶成份的合金流动性好，其他成份合金流动性差。铸造合金一般为靠近金属和共晶成份的合金。 凝固与收缩：逐层结晶和树枝结晶。逐层结晶产生集中缩孔，树枝结晶产生缩松。 防止缩孔采用顺序凝固。 防止应力与变形: 同时凝固. 应力与变形的判断:快冷(薄壁)-压应力,伸长(外凸). 慢冷(厚壁)-拉压应力,缩短(内凹).,本节课程小结,29,图1-11哑铃铸件,1.试述铸造成形的实质及优缺点。 2.合金的铸造性能对铸件的质量会产生什么影响?常用铸造