铸造方法概述及低压铸造.ppt

铸造方法及低压铸造 2 一 铸造成形工艺方法 PouringMeltinMold Solidification Casting铸造Foundry 是一种液态金属成形的方法 即将金属加热到液态 使其具有流动性 然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中 液态金属在重力场或外力场 压力 离心力 电磁力等 的作用下充满型腔 冷却并凝固成具有型腔形状的铸件 3 GB T5611 1998规定 铸造是指熔炼金属 制造铸型 并将熔融金属浇入铸型 凝固后获得一定形状 尺寸和性能的金属零件毛坯的成形方法 用铸造方法获得的金属毛坯或零件称为铸件 铸造是常用的制造方法 优点是 制造成本低 工艺灵活性大 可以获得复杂形状和大型的铸件 在机械制造中占有很大的比重 机床占60 80 汽车占25 拖拉机占50 60 5 铸造历史 三星堆 立人像铸于商代晚期 人像高172厘米 底座高90厘米 通高262厘米 是世界上最大的青铜立人像 被尊称为 世界铜像之王 突目面具铸于商代晚期 原件高64 5厘米 宽138厘米 眼球柱状外突长达13 5厘米 其造型在世界上亦属首见 6 司母戊鼎 司母戊鼎 商代大鼎 1939年出土 鼎高133厘米 重875公斤 為已知的中国古代最大的青銅器 铜禁 中国已知最早应用失蜡法铸造的作品 春秋時代的楚国王子午墓出土的 年代为公元前6世紀 7 现状 国民经济的一个重要组成部分 航海 航空 铁路 体育用品等 我国是世界第一铸造大国 2012年全球铸件产量9000万吨 我国铸件产量达到4250万吨 从业人员约200万人 给国家创造了约5000亿元的经济收入 2012年数据 11 1 优质 精密 2 数字化 网络化 虚拟生产 3 高效智能化 机器人应用 4 交叉综合化 并行CAD CAE CAM一体化加工 浇注系统设计 绘图 计算模数 凝固过程模拟 缺陷预测 工艺过程实时控制 5 低耗清洁化 绿色环保可持续发展 铸造发展方向 12 铸造的优点 1 适用性广 2 凡能熔化材料均可铸造 3 具有一定尺寸精度 熔模铸造 4 成本低 13 铸造过程 金属熔化 浇注充型 冷却凝固 清理加工 14 手工造型机器造型 金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造陶瓷型铸造离心铸造 液态成型工艺 砂型铸造 特种铸造 15 典型铸造工艺示意图A 16 砂型铸造 整模造型分模造型三箱造型活块造型 一 活块造型 二 挖砂造型刮板造型等 手工造型 17 机器造型和制芯 同手工相比 机器造型和制芯的生产率高 质量稳定 工人劳动强度低 但设备和工艺装备费用高 生产准备周期长 适用于大批量生产的铸件 普通机器造型 震实造型 压实造型 震压造型 18 特种铸造 金属型铸造 离心铸造 压力铸造 熔模铸造 低压铸造 挤压铸造 陶瓷型铸造 23 熔模铸造 制造熔模的材料即模料一般采用用蜡料 天然树脂和塑料 合成树脂 配制 主要用蜡料配制的模料称为蜡基模料 它们的熔点较低 为60 70 主要用天然树脂配制的模料称为树脂基模料 熔点稍高 约70 120 24 3 型壳的制造 将模组浸涂耐火涂料后 撒上料状耐火材料 再经干燥 硬化 如此反复多次 使耐火涂挂层达到需要的厚度为止 这样便在模组上形成了多层型壳 通常将型壳停放一段时间 使其充分硬化 然后熔失模组 便得到多层型壳 多层壳有的需要装箱填砂 有的则不需要 经过焙烧后就可直接进行浇注 26 1 2 3熔模铸造特点和应用范围 熔模铸造的特点 熔模铸造与其他铸造方法相比较有以下几方面的优点 铸件尺寸精度和表面光洁度高 可以生产形状非常复杂的铸件 铸造合金的类型没有限制 生产批量没有限制 但熔模铸造也有一些缺点 如生产工序繁多 生产周期长 太大的铸件不适合用熔模铸造生产 熔模铸造的适用范围 可用熔模铸造法生产的合金种类有碳素钢 合金钢 耐热合金 不锈钢 精密合金 永磁合金 轴承合金 铜合金 铝合金 钛合金和球墨铸铁等 熔模铸件的形状一般都比较复杂 铸件上可铸出孔的最小直径可达0 5mm 铸件的最小壁厚为0 3mm 熔模铸件的重量大多为几十克到几公斤 太重的铸件用熔模铸造法生产较为麻烦 但目前生产大的熔模铸件的重量已达800公斤左右 27 金属型铸造 金属型铸造又称硬模铸造 它是将液体金属浇入金属铸型 以获得铸件的一种铸造方法 铸型是用金属制成 可以反复使用多次 几百次到几千次 因此有人又称它为永久型铸造 28 金属型铸造工艺 铸型在浇注之前需要预热 预热的温度根据合金种类 铸件结构和大小而定 金属型铸造时在浇铸之前需要在铸型表面喷涂料 喷涂料的作用主要有调节铸件的冷却速度 保护金属型和利用涂料层排气 根据所浇注合金种类的不同 涂料可有多种配方 金属型的浇注温度一般比砂型铸造时高 可根据合金种类 化学成分 铸件大小和壁厚等 通过试验确定 金属型芯在铸件中停留的时间越长 由于铸件收缩产生的抱紧型芯的力就越大 所需的抽芯力也就越大 最佳的抽芯时机是当铸件冷却到塑性变形温度范围 并有足够的强度时 铸件在铸型中停留的时间过长时 型壁温度升高 需要更多的冷却时间 也会降低铸型的生产率 合适的铸件出型及抽芯时间 一般要通过试验加以确定 29 金属型铸造的特点 优点 冷却速度较快 所以铸件组织致密 晶粒细小 使金属型铸件的机械性能比砂型铸件高 铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高 而且质量和尺寸稳定 铸件的工艺收得率高 液体金属耗量减少 一般可节约金属15 30 金属型铸造的生产效率高 使铸件产生缺陷的原因减少 工序简单 易实现机械化和自动化 不足 金属型制造成本高 金属型不透气 而且无退让性 易造成铸件浇不足 开裂或铸铁件白口等缺陷 金属型铸造时 铸件的质量对铸型的工作温度 合金的浇注温度和浇注速度 铸件在铸型中停留的时间 以及所用的涂料等的变化比较敏感 生产时需要严格控制 30 金属型铸造的适用范围 金属型铸造目前所能生产的铸件 在重量和形状方面还有一定的限制 如对黑色金属只能是形状简单的铸件 铸件的重量不可太大 壁厚也有限制 较小的铸件壁厚无法铸出 因此 在决定采用金属型铸造时 必须综合考虑下列各因素 铸件形状和重量大小必须合适 要有足够的批量 完成生产任务的期限许可 31 1 4压力铸造 压力铸造 简称压铸 的实质是在高压作用下 使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔 并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法 一 压力铸造的特点 高压和高速充填压铸型是压铸的两大特点 它常用的压射比压是从几个至几十个MPa 甚至高达2 102MPa 充填速度约在10 50m s 有些时候甚至可达100m s以上 充填时间很短 一般在0 01 0 2s范围内 32 压铸优点 1 产品质量好 铸件尺寸精度高 表面光洁度好 强度和硬度较高 强度一般比砂型铸造提高25 30 但延伸率降低约70 尺寸稳定 互换性好 可压铸薄壁复杂的铸件 2 在压铸件中可嵌铸其他材料 以节省贵重材料和加工工时 压铸的不足1 压铸时由于液态金属充填型腔速度高 流态不稳定 故采用一般压铸法 铸件易产生气孔 不能进行热处理 2 对内凹复杂的铸件 压铸较为困难 3对高熔点合金 如铜 黑色金属 压铸型寿命较低 4不宜小批量生产 其主要原因是压铸型制造成本高 压铸机生产效率高 小批量生产不经济 33 二 压力铸造工艺 压铸时的压力和速度对铸件的质量有极大的影响 压力是获得轮廓清晰和组织致密铸件的主要因素 压射比压影响金属液的充填和铸件的强度和延伸率 当提高比压时 能提高铸件的致密性和提高强度 但使延伸率下降 当比压超过一定数值时 不仅强度开始下降 而且延伸率会显著下降 压射比压的选择 应根据合金种类和铸件结构特性确定 34 1 充填速度2 浇注温度3 压型温度4 充填 持压和开型时间 充填速度应根据压铸合金和铸件结构来确定 如果充填速度偏低 会造成铸件轮廓不清晰 当充填速度过高时 型腔中的空气难以排除使铸件产生气孔 一般充填速度在10 40m s之间可获得优质铸件 浇注温度过高 收缩大 使铸件容易产生裂纹 且铸件晶粒粗大 浇注温度过低 易产生冷隔 表面花纹和浇不足等缺陷 浇注温度应与压力 压铸型温度及充填速度同时考虑 压型在使用前要预热到一定温度 预热的作用有两个方面 其一是避免高温液态金属对冷压型的热冲击 以延长压铸型的使用寿命 其二是避免液态金属 激冷 造成浇不足 冷隔等缺陷 自液态金属开始进入型腔起到充满型腔止 所需的时间称为充填时间 充填时间长短取决于铸件的体积大小和复杂程度 从液态金属充填型腔到内浇口完全凝固时 继续在压射冲头作用下的持续时间 称为持压时间 持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚 持压后应开型取出铸件 从压射终了到压铸型打开的时间 称为开型时间 开型时间应控制准确 开型时间过短 由于合金强度尚低 可能在铸件顶出和自压铸型落下时引起变形 但开型时间太长 则铸件温度过低 收缩大 对抽芯和顶出铸件的阻力亦大 一般开型时间按铸件壁厚1毫米需3秒钟计算 然后经试验调整 35 三 压力铸造的应用范围 目前压铸合金不再局限于有色金属的锌 铝 镁和铜 而且也逐渐扩大用来压铸铸铁和铸钢件 压铸件的尺寸和重量 取决于压铸机的功率 由于压铸机的功率不断增大 铸件尺寸可以从几mm到1 2m 重量可以从几g到数十kg 国外可压铸直径为2m 重量为50kg的铝铸件 36 离心铸造 离心铸造的第一个专利是在1809年由英国人爱尔恰尔特 Erchardt 提出的 直到二十世纪初才开始被采用 离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中 使液体金属在离心力的作用下充填铸型和凝固成形的一种铸造方法 根据铸型旋转轴在空间位置的不同 分为立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种类型 37 立式和卧式离心机 38 离心铸造的特点 1 液体金属能在铸型中形成中空的圆柱形自由表面 这样便可不用型芯就能铸出中空的铸件 大大简化了套筒 管类铸件的生产过程 2 由于旋转时液体金属所产生的离心力的作用 使金属充填铸型的能力提高 因此一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产 3 由于离心力的作用 改善了补缩条件 气体和非金属夹杂也易于自液体金属中排出 因此离心铸件的组织较致密 缩孔 缩松 气孔 夹杂等缺陷较少 4 消除或大大节省浇注系统和冒口方面的金属消耗 5 铸件易产生偏析 铸件内表面较粗糙 内表面尺寸不易控制 39 二 离心铸造工艺 1 离心铸型转速的选择选择离心铸型的转速时 主要应考虑两个问题 1 离心铸型的转速应保证液体金属在进入铸型后立刻能形成圆筒形 绕轴线旋转 2 充分利用离心力的作用 使铸件致密 避免铸件内产生缩孔 缩松 夹杂和气孔 2 离心铸造用铸型离心铸造时使用的铸型有两大类 即金属型和非金属型 非金属型有砂型 壳型 熔模壳型等 但在离心铸造时广泛采用的是金属型 3 涂料金属型离心铸造时 常需在金属型的工作表面喷刷涂料 刷涂料的目的一是保护金属型 二是为防止铸件与金属型粘合和铸铁件产生白口 在离心金属型上的涂料层有时较厚 4 浇注离心铸造时 由于铸件的内表面是自由表面 而铸件厚度的控制全由所浇注液体金属的数量决定 故离心铸造浇注时 对所浇注金属的定量要求较高 40 低压铸造 低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔 以形成铸件的一种方法 由于所用的压力较低 所以叫做低压铸造 在密封的坩埚 或密封罐 中 通入干燥的压缩空气 金属液在气体压力的作用下 沿升液管上升 通过浇口平稳地进入型腔 并保持坩埚内液面上的气体压力 一直到铸件完全凝固为止 然后解除液面上的气体压力 使升液管中未凝固的金属液流回坩埚 再由气缸开型并推出铸件 41 42 低压铸造的优点 1 液体金属充型比较平稳 这是由于低压铸造采取底注式充型 其金属液的上升速度容易控制 2 铸件成形性好 有利于形成轮廓清晰 表面光洁的铸件 对于大型薄壁铸件的成形更为有利 3 铸件组织致密 机械性能高 4 提高了金属液的工艺收得率 一般情况下不需要冒口 使金属液的收得率大大提高 收得率一般可达90 此外 劳动条件好 设备简单 易实现机械化和自动化 也是低压铸造的突出优点 43 低压铸造工艺 低压铸造的工艺规范包括充型 增压 铸型预热温度 浇注温度 以及铸型的涂料等 低压铸造过程中压力需要经历几个阶段的变化 升液压力 充型压力和结晶压力 低压铸造可采用各种铸型 对非金属型的工作温度一般都为室温 无特殊要求 而对金属型的工作温度就有一定的要求 在保证铸件成型前提下 浇注温度愈低愈好 涂料应均匀 涂料厚度要根据铸件表面光洁度及铸件结构来决定 低压铸造所用的铸型主要有三种 即湿砂型 干砂型和金属型 44 挤压铸造 挤压铸造也叫液态模锻 是金属液在压力下充型及凝固而获得铸件的一种铸造方法挤压铸造与其它铸造方法相比具有下列优点 1 铸件精度高 加工余量小 2 由于铸件是在压力下充型和凝固的 所以铸件组织致密 晶粒细小 铸件的机械性能好 3 生产率高 工序简单 4 挤压铸造常用来生产形状比较简单的铝合金 锌合金 铜合金 钢 铁等铸件 比如高压锅 阀体 活塞 铁锅等 45 陶瓷型铸造 陶瓷型铸造是在砂型熔模铸造的基础上发展起来的一种新工艺 陶瓷型是利用质地较纯 热稳定性较高的耐火材料作造型材料 用硅酸乙酯水解液作粘结剂 在催化剂的作用下 经灌浆 结胶 起模 焙烧等工序而制成的 陶瓷型铸造兼有砂型铸造和熔模铸造的优点 其主要有 1 铸件的表面光洁度高 2 铸件的尺寸精度高 3 可以铸出大型精密铸件4 投资少 投产快 生产准备周期短 缺点是原材料价格昂贵 由于有灌浆工序 不适于浇注批量大 重量轻 形状较复杂的铸件 且生产工艺过程难于实现机械化和自动化 46 连续铸造 原理是将熔融的金属 不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中 凝固 结壳 了的铸件 连续不断地从结晶器的另一端拉出 它可获得任意长或特定长度的铸件 连续铸造和普通铸造法比较有下述优点 1 由于金属被迅速冷却 结晶致密 组织均匀 机械性能较好 2 连续铸造时 铸件上没有浇注系统和冒口 故连续铸锭在轧制时不用切头去尾 节约了金属 提高了收得率 3 简化了工序 免除造型及其它工序 因而减轻了劳动强度 所需生产面积也大为减少 4 连续铸造生产易于实现机械化和自动化 铸锭时还能实现连铸连轧 大大提高了生产效率 47 48 真空吸铸 真空吸铸是一种借助真空系统在结晶器内造成负压 吸入金属而生产铸件的一种方法 真空吸铸的原理如图所示 将与真空系统相连的结晶器侵入到金属液中 由于负压作用 金属液被吸入到结晶器中 待金属液凝固到一定厚度时 切断真空 多余的金属液流回坩埚 铸件的长度取决于结晶器的长度 厚度取决于凝固时间 49 50 真空吸铸与其他铸造方法相比具有以下优点 真空吸铸时由于结晶器内的空气压力小 所以减少了铸件在充型时吸气的可能性 铸件的组织致密 晶粒细化 从而提高了铸件的机械性能 铸件不用浇冒口 减少了金属消耗 提高了金属的收得率 真空吸铸主要用于铸造内燃机铜合金轴套或铸造铝合金锭坯 51 磁型铸造 磁型铸造是采用钢丸或铁丸代替型砂 以磁力代替粘结剂造型 模型采用气化模 浇注时直接在模型上浇注金属液 模型在高温下气化 腾出空间由金属液充填而生产铸件的一种铸造方法 52 磁型铸造具有以下特点 由于铁丸可以反复使用 所以节省了造型材料 降低了产品的成本 用气化模造型不用起模 铸件尺寸精度高 加工余量小 但磁型铸造也有很大的局限性 磁型铸造不适合铸造厚大复杂的铸件 浇注时气化模燃烧放出大量烟气 造成空气污染 并易造成铸钢件增碳和夹渣等缺陷 磁型铸造可用来铸造厚度在40mm以下的中小铸件 53 实型铸造 实型铸造也称消失模铸造 LostFoamCasting 是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇 刷涂耐火涂料并烘干后 埋在干石英砂中振动造型 在负压下浇注 使模型气化 液体金属占据模型位置 凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法 二 低压铸造成型方法及工艺 低压铸造 1 概述 2 低压铸造工艺设计 3 低压铸造铸型特点 5特殊低压铸造工艺 4 低压铸造设备 1 1原理使液体金属在不大的外界压力 20 80kPa 作用下 从型腔底部充填型腔 以形成铸件的一种方法 由于所用的压力较低 所以叫做低压铸造 1 概述 1 2 低压铸造的优点 重力浇注的进步 底铸 液体金属充型比较平稳 利于排气 1 概述 压力下充型结晶 铸件成形性好 补缩效果好 组织致密 力学性能较高 不需要冒口 一般情况下 使金属液的收得率大大提高 收得率一般可达90 设备简单 易实现机械化和自动化 劳动条件好 1 3 低压铸造的发展 20世纪40年代开始用于工业生产 60年代得到广泛推广应用铝镁合金 汽车轮毂 活塞 汽缸体 汽缸盖 泵体等铜合金件 叶轮 轴瓦 螺旋浆等铸铁件 汽缸套 曲轴等 1 概述 金属型 大批量生产的有色金属铸件非金属铸型 如砂型 石墨型 陶瓷型和熔模型壳等 单件小批量生产 低压铸造用砂型的造型材料的透气性和强度应比重力浇注时高 型腔中的气体 全靠排气道和砂粒孔隙排出 1 概述 1 4 低压铸造用铸型 设计原则 自上而下顺序凝固 通过浇口补缩铸件 1 浇口设在铸件的厚壁部位 而使薄壁部位远离浇口 2 用加工余量调整铸件壁厚 以调节铸件的方向性凝固 3 改变铸件的冷却条件 如通过涂料层或金属型壁厚度的变化或在铸件厚壁处进行局部冷却实现铸件由上而下的顺序凝固 2 低压铸造工艺设计 采用措施 充型和增压保压铸型预热温度浇注温度铸型的涂料 2 低压铸造工艺设计 低压铸造工艺规范 升液压力是指当金属液面上升到浇口附近所需要的压力 2 低压铸造工艺设计 1 升液 金属液在升液管内的上升速度应尽可能缓慢 有利于型腔内气体的排出使金属液在进入浇口时不致产生喷溅 铝合金升液参数选择 一般情况下 为了有利于型腔中气体的排出 升液速度缓慢些为好 对于铝合金 速度控制在5 15cm s 加压速率为 1 27 1 75KPa s 对于镁合金 加压速率可提高20 30 2 充型压力和充型速度充型压力是指使金属液充型上升到铸型顶部所需的压力 在充型阶段 金属液面上的升压速度就是充型速度 2 低压铸造工艺设计 金属液充型速度 超过一最低值 防止冷隔和欠铸不能太快产生紊流及冲击铸型 充型压力与充型速度的计算方法 充型压力 P2 h K 10200h 合金液上升至铸件顶面的高度 cm 合金液密度 g cm3 K 充型阻力系数 K 1 1 5 阻力小取下限 阻力大取上限充型速度 V2 P2 P1 t2P2 P1 充型和升液压力t2 充型时间 3 增压压力金属液充满型腔后 再继续增压 使铸件的结晶凝固在一定大小的压力作用下进行 这时的压力叫结晶压力 0 1 0 25MPa 2 低压铸造工艺设计 结晶压力越大 补缩效果越好 最后获得的铸件组织也愈致密 但通过结晶增大压力来提高铸件质量 不是任何情况下都能采用的 增压大小 增压压力 P3 一般P3 1 1 2 0 P2 增压压力也可根据铸件结构 铸造方法 加压工艺选定 4 保压时间型腔压力增至结晶压力后 并在结晶压力下保持一段时间 直到铸件完全凝固所需要的时间叫保压时间 2 低压铸造工艺设计 保压时间不够 保压时间过久 铸件未完全凝固就卸压 型腔中的金属液将会全部或部分流回 造成铸件 放空 报废 浇口残留过长 降低工艺收得率 而且还会造成浇口 冻结 使铸件出型困难 5 卸压延时冷却一般在卸压后再冷却1 2min后开型 铸件完全凝固 开型不容易拉伤铸件 2 低压铸造工艺设计 2 低压铸造工艺设计 几种具体的充型工艺 低压充型工艺的压力曲线 上端敞开的有明冒口的铸型 2 低压铸造工艺设计 几种具体的充型工艺 湿砂型 薄壁复杂金属型件 2 低压铸造工艺设计 几种具体的充型工艺 缓慢增压结晶工艺压力曲线 厚壁砂型件 2 低压铸造工艺设计 几种具体的充型工艺 金属型 石墨型改善补缩效果 6 铸型温度及浇注温度非金属型 一般都为室温金属型 铝合金件200 250 薄壁复杂件 可高达300 350 关于合金的浇注温度 实践证明 在保证铸件成型的前提下 应该是愈低愈好 2 低压铸造工艺设计 7 涂料作用 提高金属型及工具 设备的寿命提高铸件质量必须刷涂料 涂料应均匀涂料厚度要根据铸件表面光洁度及铸件结构来决定 2 低压铸造工艺设计 宝马发动机公司工艺 模具清理方法 1 先用干冰清洗 2 喷涂料 3 1铸件在铸型中的位置 3 低压铸造铸型特点 自上而下顺序凝固 壁厚较大或热节部位放在低部涂料层 覆砂层 金属型厚度变化 3 2 铸型结构 3