机械制造工艺教案第一章1节.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 zhoushiquan Researchfields Laserwelding Rapidmanufacturing CermetsEnergysourcematerials Solarenergycar 3 第1章铸造工艺CastingProcess 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FundamentalsofCastingProcess 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 T0 T1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 T1 T2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 常用铸造合