金属工艺学铸造.ppt

铸造 概述 一定义 将液态金属浇注到具有与零件形状 尺寸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 称为铸造 二特点 1 可制成形状复杂 特别是具有复杂内腔的毛坯 如箱体 气缸体 2 适应范围广 3 铸造可直接利用成本低廉的废机件和切屑 设备费用较低 4 废品率较高 5 劳动条件差 劳动强度大 三应用 用于制造受力较简单 形状复杂的零件毛坯 四工艺方法 1砂型铸造2特种铸造特种铸造方法如 熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 离心铸造等 1 1液态合金的充型 合金的铸造性能 铸造成形时获得外形准确内部健全铸件的能力 包括流动性 凝固特性 收缩率 和吸气性 充型 液态合金填充铸型的过程 简称充型 充型能力 液态合金充满铸型型腔 获得形状完整 轮廓清晰铸件的能力 1 1 1影响充型能力的主要因素 合金的流动性 浇注条件 铸型填充条件 第一章铸造工艺基础 一 合金的流动性 流动性 液态合金本身的流动能力 称为流动性 合金的流动性能愈好 充型能力愈强 1是合金的主要铸造性能之一 铸铁流动性较好 铸钢较差 2影响合金的流动性的主要因素是合金的化学成分 亚共晶铸铁随含碳量增加离共晶点越近 结晶温度范围减小 流动性提高 流动性差 铸件易产生浇不到 冷隔 气孔和夹杂等缺陷 流动性好 易于充满型腔 有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩 纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的 由表层向中心逐层推进 称为逐层凝固 方式 固体内层内表面比较光滑 流动阻力小 流动性好 其它成分合金是在一定温度范围内逐步凝固的 糊状凝固 固体内表面粗糙不平 液体本身有晶体部分 流动性很差 远离共晶点成分的合金 流动性差些 铸钢 通常C 0 6 熔点较高 钢液过热度比铸铁小 浇注温度和液相线温度差称过热度 维持流动时间短 另外 钢液浇注后迅速结晶出树枝品 使钢液很快失去流动性 二 浇注条件 1 浇注温度浇注温度越低则充型能力越差 铸件容易产生冷隔 浇不到 浇注温度越高则充型能力越强 铸件容易产生缩孔 缩松 粘沙 析出性气孔 粗晶 2 充型压力压力 充型能力 提高直浇道高度 1 2铸件的凝固与收缩 一 铸件的凝固方式在铸件的凝固过程中 其断面上一般存在三个区域 即固相区 凝固区和液相区 其中对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄 1 逐层凝固纯金属或共晶成分合金凝固过程中不存在液 固并存现象 液固界限清楚分开 称为逐层凝固 3 中间凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间 4 铸件质量与凝固方式密切相关逐层凝固 充型能力强 便于防治缩孔 缩松灰铸铁和铝硅合金等倾向于逐层凝固糊状凝固 难以获得结晶紧实的铸件球铁倾向于糊状凝固 2 糊状凝固合金的结晶温度范围很宽 温度分布较平坦 内外温度较小 整个断面内均为液固并存 先呈糊状而后固化 称为糊状凝固 二 铸造合金的收缩 收缩 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 称收缩 收缩是多种铸造缺陷的根源 如缩松 孔 裂纹等 收缩的三个阶段 1 液态收缩处于液态 温度下降 体积收缩 2 凝固收缩分为状态改变和温度下降两部分组成 体积收缩 是缩松 孔 的基本原因 3 固态收缩由固相线温度到室温时收缩 尺寸收缩 是铸造应力和变形 裂纹基本原因 铸件的实际收缩率与其化学成分 浇注温度 铸件结构和铸型条件有关 三 铸件中的缩孔与缩松 1 缩孔与缩松的形成形成原因液态合金在冷凝过程中 液态收缩和凝固收缩的容积得不到补足而形成 补缩 1 缩孔条件 结晶温度间隔窄的合金 逐层凝固 位置 通常在铸件上部 或最后凝固的部分 大小 合金的液态收缩 凝固收缩 缩孔容积 浇注温度 缩孔容积 铸件较厚 缩孔容积 形成过程 如图 图3 1 4缩孔形成示意图 第二篇铸造 2 6 2 缩松条件 糊状凝固和结晶温度较宽的合金 位置 宏观缩松 铸件中心轴线处或缩孔下方 微观缩松 枝晶间 缩松分为宏观和显微两种 显微缩松分布更为广泛 形成过程与缩孔相似 如图 3 缩松 孔与合金的关系 逐层凝固合金 缩孔倾向大 如纯金属 共晶合金或结晶温度范围窄的合金 糊状凝固合金 缩松倾向大 缩松的形成 主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中 是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致 缩松大多分布在铸件中心轴线处 热节处 冒口根部 内浇口附近或缩孔下方 如图1 7所示 2 缩孔 缩松的防止 1防止缩松 缩孔的措施 顺序凝固 实现顺序凝固 就可实现 补缩 2实现顺序凝固的方法 设冒口 加冷铁等 3倾向于糊状凝固的合金 整个截面上有树枝状晶架 难以避免显微缩松 思考 什么是顺序凝固 图3 1 6冒口补缩示意图 第二篇铸造 2 8 1 3铸造内应力 变形和裂纹 铸件在凝固之后的继续冷却过程中 其固态收缩若受到阻碍 铸件内部将产生内应力 有些内应力是暂存的 有的一直保留到室温 后者称为残余内应力 铸造内应力是铸件产生变形 裂纹的基本原因 一 内应力的形成按照内应力的产生原因 分为热应力和机械应力两种1 热应力 原因 是由于铸件壁厚不均匀 各部分的冷却速度不同 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起 铸件的壁厚差别愈大 线收缩率愈大 弹性模量愈大 热应力愈大 预防热应力的途径 减小个部分间的温差 均匀地冷却 2 机械应力形成 合金的固态收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力 机械应力在铸件落砂后可自行消除 但若机械应力与热应力共同作用 过大时 可能造成铸件的裂纹 二 铸件的变形与防止当铸件内残留铸造应力超过材料屈服极限时 往往产生翘曲变形 即自发地通过变形来减缓其内应力 防止措施 1 工艺上采用同时凝固 冷铁 减小温差 均匀冷却 2 设计时尽量使铸件壁厚均匀 形状对称 3 时效处理 自然时效 将铸件置于露天半年以上 人工时效 550 650 去应力退火 4 严格控制S P含量 三 铸件的裂纹与防止 当铸造内应力超过金属的强度极限时 将产生裂纹 热裂 热裂是在高温下形成的裂纹 因为是高温 所以缝内呈氧化色 缝隙宽 形状曲折 形成热裂的主要因素 合金性质结晶温度范围宽 液 固两相绝对收缩量愈大 热裂倾向也愈大 另外 含硫 S 高 热裂倾向也大 灰铸铁 球铸热裂倾向小 铸钢 可锻铸铁热裂倾向大 铸型阻力铸型的退让性愈好 机械应力愈小 热裂倾向小 砂土中加入少量锯木屑可增加退让性 冷裂 是在低温下形成的裂纹 特征 裂纹细小 呈连续直线状 有时有轻微的氧化色 出现部位 形状复杂的受拉伸部份 特别是应力集中处 如尖角 孔洞处 塑性好的合金通过塑性变形应力自行缓解 故冷裂倾向小 塑性差 脆性大的合金易冷裂如 高锰钢 高碳钢含磷高时易冷裂 控制钢中的含P量 附归纳 铸件中的气孔气体来源 铸件中的气孔是最常见的缺陷 按气体来源可分为 侵入气孔是砂型表面聚集的气体侵入而成 常在铸件上表面 增加铸型的排气能力可预防之 析出气孔因温度下降 气体溶解度下降而析出气孔尺寸小 分布广 有时可遍及整个截面 反应气孔金属与铸型材料等之间发生化学反应而产生的气体 大多分布在铸件表层下1 2mm处 铸件的常见缺陷 砂型铸造铸件缺陷有 冷隔 浇不足 气孔 粘砂 夹砂 砂眼 胀砂等 1 冷隔和浇不到液态金属充型能力不足 或充型条件较差 在型腔被填满之前 金属液便停止流动 将使铸件产生浇不足或冷隔缺陷 浇不到时 会使铸件不能获得完整的形状 冷隔时 铸件虽可获得完整的外形 但因存有未完全融合的接缝 铸件的力学性能严重受损 防止浇不足和冷隔 提高浇注温度与浇注速度 2 气孔气体在金属液结壳之前未及时逸出 在铸件内生成的孔洞类缺陷 防止气孔的产生 降低金属液中的含气量 增大砂型的透气性 以及在型腔的最高处增设出气冒口等 3 粘砂铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒防止粘砂 在型砂中加入煤粉 以及在铸型表面涂刷防粘砂涂料等 砂型铸造 一铸造工艺图 是在零件图上用各种工艺符号及参数表示出铸造工艺方案的图形 铸造工艺图的作用 是指导模样 芯盒 设计 生产设备 铸型制造和铸件检验的基本工艺文件铸造工艺图所含内容 9项 浇注位置 铸型分型面 型芯的数量 形状 尺寸及其固定方法 加工余量 收缩率 浇注系统 起模斜度 冒口和冷铁的尺寸和布置等 概述砂型铸造是将液态金属浇入砂型经冷凝后获得铸件的方法 二铸造工艺特点及应用 可制成形状复杂 特别是具有复杂内腔的毛坯 如箱体 床身 气缸体等 适应范围广 工业上常用的金属材料都可铸造 铸件大小几乎不限 铸件外形尺寸可从几毫米到十几米 壁厚可从1mm到1m 生产的批量不限 既适用于单件小批生产 又适用于大批量生产 成本低 可直接利用成本低廉的废机件和切屑 设备费用较低 在金属切削机床中 铸件占机床总重量75 以上 而生产成本仅占15 30 三砂型铸造生产过程 砂型铸造生产过程包括以下步骤 绘制零件铸造工艺图 制造模样和芯盒 造型和造芯 下芯 合箱 浇注 落砂 清理 质量检验 获得合格铸件 一 手工造型较灵活 对摸样要求不高 但对工人技术水平要求高 单件 小批量生产 成批生产二 机器造型 造芯 基本原理图2 242 252 26 工艺特点不能三箱造型 避免活块 3 1造型方法的选择 附加 砂型制作一 造型材料 制造砂型和型芯的材料 1型 芯 砂的组成1 原砂 石英砂SiO2 2 粘结剂3 附加物4 水粘结剂分为 普通 陶土 湿型 白泥 干型 特殊 桐油 工业油脂2型砂应具备的性能强度 透气性 耐久性 退让性 韧性 二 基本术语 铸型 用型砂 金属或其他耐火材料制成 包括形成铸件形状的空腔 型芯和浇冒系统的组合整体 型腔 铸型中造型材料所包围的空腔部分 铸件 用铸造方法制成的金属件 一般作毛坯用 分型面 铸型组元间的接合面 分模面 模样 木模 组元间的接合面 木模 模型 由木材 金属或其他材料制成 用来形成铸型型腔的工艺装备 砂芯 为获得铸件的内孔或局部外形 用芯砂或其他材料制成的 安放在型腔内部的铸型组元 芯盒 制造砂芯所用的装备 三造型和制芯 一 造型1 手工造型 1 整模造型 适合形状简单且横截面依次减小的铸件 2 分模造型 适于最大截面在中间的铸件 3 挖砂造型 分型面不是平面的铸件单件小批生产 4 活块造型 适于带有难起模的凸起部分的铸件 5 刮板造型 适于大中型回转体的铸件 6 多箱造型 适于形状复杂中间截面小的铸件 基本造型方法 整模造型 分模造型 挖砂造型 活块造型 三箱造型 1 整模造型 整模造型的特点及应用 特点 分型面为平面 铸型型腔全部在一个砂箱内 造型简单 铸件不会产生错箱缺陷 应用范围 铸件最大截面在一端 且为平面 2 分模造型 第二篇铸造 2 17 分模造型的特点及应用 特点 模样沿最大截面分为两半 型腔位于上 下两个砂箱内 造型方便 但制作模样较麻烦 应用范围 最大截面在中部 一般为对称性铸件 3 挖砂造型 第二篇铸造 2 19 挖砂造型的特点及应用 特点 模样为整体模 造型时需挖去阻碍起模的型砂 故分型面是曲面 造型麻烦 生产率低 应用范围 单件小批生产模样薄 分模后易损坏或变形的铸件 浇注位置和分型面的选择 一 浇注位置选择原则 重要的面应朝下 上表面易出现砂眼 夹渣等缺陷 应使重要加工面处于下部 或尽量处于侧面 有数个重要加工面时 应使较大者处于下部 图2 272 28 铸件的大平面应朝下型砂受高温急剧膨胀 强度下降而拱起或开裂 易使铸件表面产生缺陷 夹渣等 故大平面应处于下部 为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔缺陷 应将面积较大的薄壁部分置于下部或使其处于垂直或倾斜位置 如图2 29 对容易产生缩孔的铸件 应使厚的部分放在铸型的上部或侧面以便在铸件厚壁处直接安置冒口 实现定向 顺序 凝固 二 铸型分型面的选择原则 应使造型工艺简化 如尽量使分型面平直 数量少 避免不必要的活块和型芯 尽量使铸件全部或大部分置于同一砂箱 以保证铸件的精度 如图2 32 3 3工艺参数的选择 一 机械加工余量和最小铸孔 加工余量 表2 10 最小铸出孔P70二 起模斜度通常为15 3 立壁高 斜度小 内壁稍比外壁大些 通常3 10 三 收缩率灰铸铁为0 8 1 铸钢1 3 2 铝硅合金0 8 1 锡青铜1 2 2 4 四 型芯头见图2 34 五 浇注系统 引导液态金属进入铸型型腔的通道 1要求 1 使金属液能平稳 连续 均匀地流入铸型 避免对砂型和型芯的冲击 2 防止熔渣 砂粒 或其他杂质进入铸型 3 调节铸件各部分的温度梯度 控制冷却和凝固的顺序 避免缩孔 缩松及裂纹的产生 2浇注系统的组成及作用 1 浇口杯 承受金属液冲击和分离熔渣 2 直浇道 产生充型应力 3 横浇道 挡渣 4 内浇道 控制金属液流入铸型的速度和方向 图2 12浇注系统及冒口 1冒口2外浇口3直浇道4横浇道5内浇道 3 3 4综合分析举例 一 分型面选择 支座分型方案 方案 沿底板中心方案 沿底面分型方案 沿110mm凹槽底面分型 C6149车床进给箱体方案 轴孔的中心线上方案 D处分型方案 B处分型 二 铸造工艺图图2 35 第四章铸件结构设计 5 1铸件结构与铸造工艺的关系 表2 11 5 2铸件结构与合金铸造性能的关系 表2 12 附 起模斜度 拔模斜度 为了方便取出模样而设的斜度 零件图上不标 在绘制铸造工艺图时 模型图时才表示出来 结构斜度 在垂直于分型面的不加工表面 加上不影响设计要求利于加工工艺的较大斜度 斜面在图纸上要表示出来 第五章特种铸造 4 1熔模铸造定义 是指用易焊材料制成模样 在模样表面包覆若干层耐火涂料制成型壳 从而获得无分型面的铸型 经高温焙烧后即可填沙浇注的铸造方法 一工艺过程1蜡模制造 1 压型制造 2 蜡模压制 3 蜡模组合2型壳制造 1 涂制型壳 2 脱蜡3培烧和浇铸 1 培烧型壳 2 浇注二特点及应用 p84 1可制造相当复杂的铸件 2铸件精度高 表面质量好 3适用性广 生产批量部受限制4铸件不能太大 5工艺过程繁杂 生产周期长 成本较高特别适于制造形状十分复杂 高熔点的精密的小铸件 一般不进行机械加工 只进行少许磨切加工 第二篇铸造 2 33 图待浇注的铸型 4 2金属型铸造定义 将液态金属浇入金属的铸型内 并在重力的作用下凝固成形以获得铸件的方法 一 金属型构造金属型分类 整体式模型材料 铸铁 铸钢水平分型式模芯材料 砂芯 用于黑色金属 垂直分型式金属芯 用于有色金属 复合分型式二金属型制造工艺1喷刷涂料 2预热铸型 3控制好开箱时间 关键步骤 三特点及应用 P86 1实现一型多铸 一型多件 2铸造精度高 表面质量好3铸件机械性能高4劳动条件好5铸型制造成本高 周期长 铸造工艺要求严格 主要用于大批量生产形状不太复杂 壁厚较均匀的有色金属铸件 第二篇铸造 2 37 4 3压力铸造 压铸 定义 是在高压下将液态或半液态金属快速地压入金属铸型中 并在压力下凝固以获取铸件的方法 一 工艺过程 注入金属 压铸 取出铸件 二 特点及应用1可制造形状