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机械制造技术基础 主讲王全景 第二篇铸造 第三篇金属压力加工 第四篇焊接 第五篇切削加工 第二篇铸造 什么是铸造 将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中 待其冷却凝固 以获得毛坯或零件的生产方法 铸造定义动画 砂型铸造 金属型铸造 熔模铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 陶瓷型铸造 实型铸造 铸造方法 砂型铸造动画 铸造的工艺过程 砂型铸造 零件图 铸造工艺图 铸型 型芯 芯盒芯砂 型砂模型 熔化 合箱 落砂 清理 检验 铸件 铸造的工艺过程 砂型铸造 铸造生产的特点 1 可生产形状任意复杂的制件 特别是内腔形状复杂的制件 如汽缸体 汽缸盖 蜗轮叶片 床身件等 摩托车汽缸体 机床床身 暖气片 1 材料来源广 2 废品可重熔 3 设备投资低 1 合金种类不受限制 2 铸件大小几乎不受限制 2 适应性强 3 成本低 4 废品率高 表面质量较低 劳动条件差 铸造生产的特点 1 可生产形状任意复杂的制件 特别是内腔形状复杂的制件 如汽缸体 汽缸盖 蜗轮叶片 床身件等 第一章铸造工艺基础 充型能力不足时 会产生浇不足 冷隔 夹渣 气孔等缺陷 充型 液态合金填充铸型的过程 充型能力 液体金属充满铸型型腔 获得尺寸精确 轮廓清晰的成形件的能力 1 1液态合金的充型 充型能力取决于 合金流动性 浇注条件 铸型填充条件 0 45 C铸钢 200mm 4 3 C铸铁 1800mm 一 液态合金的流动性 合金的流动性是 液态合金本身的流动能力 合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点 a 在恒温下凝固 b 在一定温度范围内凝固 3 浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂 流动阻力越大 充型能力越差 铸件复杂程度铸件结构复杂 流动阻力大 铸型的充填就困难 二 浇注条件 1 浇注温度一般T浇越高 液态金属的充型能力越强 2 充型压力液态金属在流动方向上所受的压力越大 充型能力越强 2 铸型温度铸型温度越高 液态金属与铸型的温差越小 充型能力越强 3 铸型中的气体 三 铸型充填条件 1 铸型的材料 1 2铸件的凝固与收缩 一 铸件的凝固方式 1 逐层凝固 2 糊状凝固 3 中间凝固 影响铸件凝固方式的主要因素 合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小 愈倾向于逐层凝固 液 液 二 铸造合金的收缩 1 收缩的概念 合金的收缩经历如下三个阶段 合金从浇注 凝固直至冷却到室温 其体积或尺寸缩减的现象 1 液态收缩从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩 T浇 T液 3 固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩 T固 T室 2 凝固收缩从凝固开始到凝固终止温度间的收缩 T液 T固 体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因 体收缩率 线收缩率 线收缩率是铸件产生应力 变形 裂纹的根本原因 三 铸件中的缩孔与缩松 液态合金在冷凝过程中 若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充 则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 大而集中的称为缩孔 细小而分散的称为缩松 1缩孔和缩松的形成 2缩孔和缩松的防止 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序 使铸件实现 顺序凝固 定向凝固 冒口 储存补缩用金属液的空腔 冷铁 寻找热节的方法 等温线法 内切圆法 1 3铸造内应力 变形和裂纹 一 内应力的形成 铸件在凝固以后的继续冷却过程中 其固态收缩受到阻碍 铸件内部即将产生内应力 1 机械应力 收缩应力 合金的线收缩受到铸型 型芯 浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力 机械应力是暂时应力 上型 下型 热应力是由于铸件壁厚不均匀 各部分冷却速度不同 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力 2 热应力 热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸 薄壁或表层受压缩 热应力是永久应力 二 铸件的变形与防止 变形的产生 防止变形的方法 1 合理设计铸件结构 使铸件壁厚尽可能均匀 2 采用同时凝固的原则 3 采用反变形法 4 时效处理 反变形法 三 铸件的裂纹与防止 1 区分热裂和冷裂 热裂的形状特征是 裂纹短且宽 形状曲折 缝内呈氧化色 热裂 合金凝固末期的高温下形成的裂纹 冷裂的特征是 裂纹细小 呈连续直线状 缝内有金属光泽或轻微氧化色 冷裂 低温下形成的裂纹 出现于复杂工件的受拉部位和应力集中部位 冷裂的防止 使铸件壁厚尽可能均匀 采用同时凝固的原则 对于铸钢件和铸铁件 必须严格控制磷的含量 防止冷脆性 热裂的防止 对于铸钢件和铸铁件 必须严格控制硫的含量 防止热脆性 应尽量选择凝固温度范围小 热裂倾向小的合金 应提高铸型和型芯的退让性 以减小机械应力 2 防止热裂和冷裂 1 4铸件的质量控制 一 铸件常见缺陷 二 铸件质量控制措施合理选择铸造合金 合理设计铸件结构合理制订铸件技术要求模样质量检验铸件质量检验铸件热处理 第二章常用合金铸件的生产 铸铁 铸钢 铜合金 铝合金 2 1铸铁件生产 铸铁是含碳量大于2 11 通常为2 5 4 0 的铁碳合金 3 麻口铸铁 组织中既存在石墨 又有莱氏体 是白口和灰口之间的过渡组织 因断口处有黑白相间的麻点 故而得名 根据碳在铸铁中存在形式的不同 铸铁可分为 1 白口铸铁 碳全部以Fe3C的形式存在 断口呈银色 具有良好的耐磨性 有时也用来制造一些耐磨件 如轧辊 粉碎机锤头 和犁铧等 2 灰口铸铁 碳大部或全部以石墨形式存在 断口呈暗灰色 4 蠕墨铸铁 其石墨呈蠕虫状 如图d所示 a b c d 根据铸铁中石墨形态的不同 灰口铸铁可分为 1 灰铸铁 其石墨呈片状 如图a所示 2 可锻铸铁 其石墨呈团絮状 如图b所示 3 球墨铸铁 其石墨呈球状 如图c所示 一 影响铸铁组织和性能的因素 1 化学成分 碳是形成石墨的元素 也是促进石墨化的元素 含碳愈高 析出石墨愈多 石墨片愈粗大 硅是强烈促进石墨化的元素 含硅量增加 石墨显著增多 所以 当铸铁中碳 硅含量均高时 析出的石墨就愈多 愈粗大 铸铁中的碳以化合态渗碳体和游离态石墨形式存在 碳以石墨形式析出的现象称为石墨化 1 碳和硅 3 锰 所以 硫含量限制在0 1 0 15 以下 弱阻碍石墨化 但具有提高铸铁强度和硬度的作用 锰含量控制在0 6 1 2 之间 4 磷 对铸铁的石墨化影响不显著 含磷过高将增加铸铁的冷脆性 磷含量限制在0 5 以下 2 硫 强烈阻碍石墨化 高硫量促使碳以Fe3C存在 增加热脆性 恶化铸铁铸造性能 一 影响铸铁组织和性能的因素 2 冷却速度 实际生产中 一般是根据铸件主要部位的壁厚 选择适当的化学成分 主要指碳 硅 以获得所需要的组织 1 铸型材料 2 铸件壁厚 铸件壁愈厚 冷却速度愈慢 则石墨化倾向愈大 愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体 一 影响铸铁组织和性能的因素 二 灰铸铁 一 灰铸铁的化学成分 组织 灰铸铁的化学成分 2 6 3 6 C 1 2 3 0 Si 0 4 1 2Mn S 0 15 P 0 3 珠光体基体灰铸铁 铁素体基体灰铸铁 珠光体 铁素体基体灰铸铁 碳钢的基体 片状石墨 灰铸铁的组织 二 灰铸铁的性能 5 低的缺口敏感性 1 力学性能 b 120 250Mpa 低 仅为钢件的20 30 伸长率 0 塑性韧性差 2 良好的减振性 3 良好的耐磨性 4 良好的切削加工性 二 灰铸铁 是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁 孕育处理 浇注前向铁水中冲入细颗粒的孕育剂 人工晶核如硅铁和硅钙合金 形成大量的 弥散的难熔质点 成为石墨的结晶核心 促进石墨的形核 得到具有细片状石墨的组织 b 250 400Mpa 0 三 灰铸铁的孕育处理 孕育铸铁 二 灰铸铁 用于制造力学性能要求较高而截面尺寸变化较大的大型铸件 如重型机床床身 汽缸体等 强度和韧性优于普通灰铸铁 孕育处理使不同壁厚铸件的组织较均匀 性能基本一致 孕育铸铁特点 灰铸铁的牌号用汉语拼音 HT 数字表示 数字表示其最低抗拉强度 b MPa 四 灰铸铁牌号及选用 二 灰铸铁 三 可锻铸铁 白口铸铁通过退火处理使渗碳体分解而得到团絮状石墨的一种高强度铸铁 又叫展性铸铁或韧性铸铁 1 可锻铸铁的组织 性能及选用 塑性和韧性好 耐蚀性较高 适于制造承受振动和冲击 形状复杂的薄壁小件 如汽车拖拉机的底盘类零件 1 铁素体 黑心 可锻铸铁 2 珠光体可锻铸铁 强度 硬度 耐磨性优良 用于石油管道 炼油厂管道和商用及民用建筑的供气和供水系统的管件 3 白心可锻铸铁 三 可锻铸铁 白口铸铁在氧化气氛中退火 产生几乎是全部脱碳的可锻铸铁 国内应用较少 国外有用作水暖管件的 2 可锻铸铁的牌号 可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示 第一组数字表示其最低抗拉强度 b Mpa 第二组数字表示其最低断后伸长率 KTH300 06 KTZ450 06 KTB450 07 三 可锻铸铁 四 球墨铸铁 向铁水中加入球化剂和孕育剂得到的具有球状石墨的铸铁 1 强度高 1 球墨铸铁的性能 抗拉强度不仅高于铸铁 甚至高于碳钢 疲劳强度大致与中碳钢相似 耐磨性优于表面淬火钢 所谓 以铁代钢 主要指球墨铸铁 2 塑性 韧性好 3 良好的铸造性能 减摩性 切削加工性及低的缺口敏感性 球墨铸铁的牌号用汉语拼音 QT 和两组数字表示 两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率 2 球墨铸铁的牌号 QT500 07抗拉强度最低值为500MPa 伸长率最低值为7 四 球墨铸铁 3 球墨铸铁的生产 1 控制原铁水化学成分 2 较高的铁水温度 3 球化处理和孕育处理 出炉温度应高于1400 a S和P含量要低 b C含量要高 3 6 4 0 C 球化处理 促使石墨在结晶时呈球状析出 孕育处理 促进铁水的石墨化 铁水 孕育处理 球化处理 球化处理工艺 冲入法 五 蠕墨铸铁 向铁水中加入蠕化剂 如镁钛合金 进行蠕化处理 然后加入孕育剂作孕育处理 得到的具有短片状石墨的铸铁 蠕墨铸铁的性能 1 力学性能 强度和韧性 比灰铸铁高 比球墨铸铁低 2 壁厚敏感性比灰铸铁小得多 3 导热性和耐疲劳性好 4 优良的铸造性能 蠕墨铸铁的牌号 RuT 数字表示 RuT420 表示抗拉强度不低于420MPa的蠕墨铸铁 五 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁主要用来生产复杂的大型铸件 如大型柴油机机体 大型机床立柱等 更适合制造在热循环作用下工作的零件 如大型柴油机汽缸盖 排汽管 制动盘 液压阀 金属型等 蠕墨铸铁的应用 五 蠕墨铸铁 2 2铸钢件生产 一 铸钢的分类 性能 牌号及应用 1 碳素钢 2 合金钢 1 低碳钢 2 中碳钢 3 高碳钢 C 0 25 C 0 25 0 45 C 0 50 0 60 1 低合金钢 2 高合金钢 Me 5 Me 5 Mn13 铸造性能差 应用较少 铸造性能较好 应用广泛 铸造性能差 应用较少 铸钢的流动性差 收缩大 1 铸件要安放冒口和冷铁 2 必须严格控制浇注温度 3 铸件的壁不能太薄 2 2铸钢件生产 铸造性能差 二 铸钢的铸造特点 2 3铜 铝合金铸件生产 一 铸造铜合金 1 铸造黄铜 Cu Zn 紫铜 纯铜 中加入合金元素形成铜合金 含锌量低于47 以锌为唯一或主要的合金元素的铜合金 2 铸造青铜 青铜是指除了铜锌合金以外的其它铜合金 铸造锡青铜的力学性能低于黄铜 但其耐磨 耐蚀性优于黄铜 适合制造高速滑动轴承和衬套 铸造黄铜力学性能高 如 b 250 450Mpa 7 30 其含铜量低 价格低于铸造青铜 铸造性能优良 常用于生产一般用途的轴承 衬套等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等 3 铝镁合金 Al Mg 4 铝锌合金 Al Zn 1 铝硅合金 Al Si 流动性好 线收缩率低 热裂倾向小 气密性好 强度较高 所以应用最广 常用于制造形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件 如内燃机缸体 仪表外壳等 二 铸造铝合金 2 铝铜合金 Al Cu 概述 第三章砂型铸造 砂型铸造 造型材料 型砂和芯砂由原砂 粘结剂 水和附加物 特点 适应性强尺寸精度低生产率低 劳动条件差 3 1造型方法的选择 一 手工造型 二 机器造型 适用于单件 小批量生产 1 生产效率高 2 铸型质量好 紧实度高而均匀 型腔轮廓清晰 3 设备和工艺装备费用高 生产准备时间较长 适用于中 小型铸件的成批 大批量生产 整模造型 动画 用一个整体本模造型 特点是型腔全部位于一个砂箱内 分型面是平面 适用于形状简单 外形轮廓上有一个平面可作为分型面的铸件 手工造型的造型方法 2 分模造型 将木模沿外形的最大截面分成两半 不一定对称 并用销钉定位 这种木模称为分模 利用分模面做分型面 适用于形状较复杂 或最大截面为平面的铸件 特别是用于有孔的铸件 分模 上半模 下半模 分模面 型芯头 定位销 型芯 若铸件的外形轮廓为曲面或阶梯面 最大截面亦为曲面 且模型又不便分成两半 采用挖砂造型 用于单件小批生产分型面不是平面的铸件 3 挖砂造型 动画 手轮零件 分模 上半模 下半模 分模面 定位销 整体木模 4 假箱造型 动画 需要专门制作假箱或成型底板 用于成批生产分型面不是平面的铸件 5 活块造型 凸台 活块 活块造型动画 将木模上妨碍起模的部分做成活块 6 三箱造型两个分型面 三个砂箱 三箱造型动画 7 刮板造型 刮板造型动画 用于制造回转体或等截面形状的铸件 8 地坑造型用于制造大型铸件 1 振压造型 2 射压造型 机器造型的造型 芯 方法 3 射芯机 振压造型机工作过程动画 3 2浇注位置和分型面的选择 一 浇注位置的选择 浇注时铸件在铸型中所处的空间位置 在铸造工艺图上用汉字和箭头表示 铸件的重要工作面或主要加工面应朝下或呈侧立状态 车床床身的浇注位置 不合理 合理 铸件上的大平面结构或薄壁结构应朝下或呈侧立状态 合理 不合理 选择浇注位置应有利于补缩 防止在铸件中产生缩孔 卷扬机筒 不合理 合理 确定分型面 分型面的确定应能方便 顺利地取出模样或铸件 分型面一般选在铸件的最大截面处 二 分型面的选择 确定分型面 分型面以平面为宜 越少越好 一 不合理 合理 确定分型面 分型面以平面为宜 越少越好 二 确定分型面 应尽量使型腔全部或大部分置于同一个砂型内 最好使型腔或使加工面与基准面位于下型中 合理 不合理 确定分型面 应使型芯和活块数量少 并便于安放和稳定 一 确定分型面 应使型芯和活块数量少 并便于安放和稳定 二 合理 不合理 3 3工艺参数的选择 工艺参数 加工余量 拔模斜度 型芯及型芯头 铸造圆角 收缩率 确定工艺参数 机械加工余量和最小铸孔机械加工余量和最小铸孔数值的大小与生产批量 合金种类 铸件大小 加工面与基准面的距离及加工面在浇注时的位置等因素有关 孔的铸出 要考虑铸出的可能性 必要性和经济性 一般大孔用下芯的方式铸出 而小孔则用机加工完成 确定工艺参数 拔模斜度铸件上垂直于分型面的各个侧面应具有斜度 以便于把模样 或型芯 从砂型中 或从芯盒中 取出 并避免破坏型腔 或型芯 确定工艺参数 型芯及型芯头型芯的功用是形成铸件的型腔 孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形 分为水平型芯和垂直型芯 型芯头是型芯的重要组成部分 起到定位和支撑型芯及排出型芯中气体的作用 确定工艺参数 铸造圆角圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1 3 1 2 铸件收缩率收缩率的大小取决于铸造合金的种类及铸件的结构 尺寸等因素 灰铸铁的收缩率是0 7 1 0 铸钢的收缩率为1 3 2 0 凝固特性热节 充型 不同转角处的热节 铸造圆角 铸造工艺举例一 支撑座零件图 3 4综合分析举例 铸造工艺举例一 确定浇铸位置和分型面 铸造工艺举例一 确定浇铸位置和分型面 铸造工艺举例一 确定加工余量 铸造工艺举例一 确定拔模斜度 铸造工艺举例一 确定型芯 上 下 下 上 上 下 以支座零件为例 铸造工艺举例二 上 下 底面凹槽易铸出 轴孔下芯方便 轴孔内凸台不妨碍起模 底板凸台采用活块 易错型 加强筋处木模过薄 分模造型 方案 方案 底面凹槽挖砂造型 轴孔内凸台妨碍起模 必须采用活块 使轴孔下芯不便 上 下 挖砂造型 方案 上 下 分模或假箱造型 第四章特种铸造 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 为获得高质量 高精度的铸件 提高生产率 人们在砂型铸造的基础上 创造了多种其它的铸造方法 通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造 七种常见的特种铸造方法 第四章特种铸造 熔模铸造 模样材料 蜡基模料 树脂 松香 材料铸型材料 起粘附作用的涂料和起支撑作用的撒砂材料 熔模铸造 熔模铸造 特点 铸件精度高 适合各种合金 工序复杂 周期长 成本高 在易熔模样表面包覆若干层耐火材料 待其硬化干燥后 将模样熔去制成中空型壳 经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法 工艺过程 制蜡模 制型壳 浇注 落砂 金属型铸造 金属型铸造 特点 节省造型材料 一型多铸 精度高 IT12 IT16 Ra 12 5 m生产率高周期长 成本高 工艺参数严格 应用 铜 铝 镁等有色合金铸件的大批量生产 液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中 并在压力下结晶 以获得铸件的成形工艺方法 压力铸造 压力铸造 压力铸造动画 压力铸造 特点 铸件精度高 可以做形状复杂的薄壁件 力学性能好 生产率高 50 150次 小时 设备投资大 铸型制造周期长 低压铸造 低压铸造是在0 2 0 7大气压的低压下将金属液注入型腔 并在压力下凝固成形 以获得铸件的方法 低压铸造 特点 充型压力和速度便于控制 适用于各种铸型 力学性能好 金属利用率高 可达90 98 充型能力强 适用大型薄壁件 容易实现 离心铸造 立式 卧式 离心铸造 特点 制造筒形件时省去型芯 浇注系统 适用于生产薄壁件 可以生产双金属铸件 容易产生比重偏析缺陷 内表面粗糙 陶瓷型铸造 砂套造型 灌浆与胶结 起模与喷烧 焙烧与合箱 基本工艺过程 陶瓷型铸造动画 陶瓷型铸造 特点 精度高 适合高熔点合金 铸件大小不受限制 可以从几十千克到数吨 投资少 周期短 不适合于大批量 重量轻或形状复杂铸件 实型铸造 特点 设备简单 无污染 造型 清理方便 不需要起模 精度高 第五章铸件结构设计 简化铸造工艺过程 避免铸造缺陷 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件外形的设计 铸件内腔的设计 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 铸件整体结构应能选出合适的分型面 其数量应少 铸件外形应便于取出模样 不合理 合理 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件分型面尽量为平面 不合理 合理 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 合理设计凸台和避免侧壁具有防碍拔模的局部凹陷结构 不合理 合理 合理设计凸台和避免侧壁具有防碍拔模的局部凹陷结构 不合理 合理 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 合理设计凸台和避免侧壁具有防碍拔模的局部凹陷结构 不合理 合理 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 合理设计筋板和避免侧壁具有防碍拔模的局部凹陷结构 不合理 合理 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 设计铸件应合理确定结构斜度 不合理 合理 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件结构应有利于型芯的固定 排气和清理 一 不合理 合理 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 铸件结构应有利于型芯的固定 排气和清理 二 不合理 合理 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 不合理 合理 铸件结构应尽量减少型芯数量和避免不必要的型芯 一 铸件结构设计 简化工艺过程的合理结构 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 不合理 合理 铸件结构应尽量减少型芯数量和避免不必要的型芯 二 铸件结构设计