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第三章金属的铸造形成工艺 第一节重力作用下的铸造成形靠液态金属自身的重力充填型腔的形成工艺 2020 3 30 2 金属的液态成型工艺的种类 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 ClasficationoffoundryMethods 砂型铸造 基本工艺过程 制作模样 配制型砂 制作芯盒 制作芯砂 砂型 铸型 凝固 落砂 清理 检验 铸件 型芯 烘干 造型 下芯 浇注 液态金属 选配炉料 熔炼 造芯 一 砂型铸造 是用模样和型砂制造砂型的一种工艺 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 操作方便灵活 适应性强 模样生产准备时间短 但生产率低 劳动强度大 铸件质量不易保证 只适用于单件小批量生产 砂型铸造SandCasting手工造型HandMolding机器造型MachineMolding震压造型VibrationRamming微震压实造型VibratorysqueezingMolding高压造型HighPressureMolding射压造型ShootingandSqueezingMolding空气冲击造型AirImpactingMolding抛砂造型ImpellerRamming 2020 3 30 7 砂型铸造 手工造型分型方案选定 一 手工造型1 砂箱及造型工具如图所示 2 常见手工造型方法1 整模造型特点是 模样是整体的 铸型的型腔一般只在下箱 整模造型因操作简便 无砂箱错位现象 适用于外形轮廓上有一个平面可作分型面的简单铸件 如齿轮坯 轴承 皮带轮罩等 2 分模造型特点是 铸件的最大截面不在端部而在中部 因而木模沿最大截面分成两半 后图为水管铸件的分模两箱造型过程 操作简便 适用于形状较复杂的铸件 特别广泛用于有孔或带有型芯的铸件 如套筒 水管 阀体 箱体 曲轴 立柱等 三箱造型过程 3 挖砂造型 当铸件最大截面在中部 模样又不便分成两半 如分模后模样太薄或分面是曲面 时 只能将模样做成整模 造型时挖掉防碍起模的砂子 挖砂造型操作麻烦 生产率低 要求操作技术水平高 仅适用于单件小批量生产 对于分型面为阶梯面或曲面的铸件 当生产数量较多时 可用成形底板代替平面底板 并将模样放置在成形底板上造型 可省去挖砂操作 成形底板可根据生产数量的不同 分别用金属 木材制作 如果件数不多 可用粘土较多的型砂春紧制成砂质成形底板 称为假箱造型 4 活块造型将模样上妨碍起模的部分 如凸台 肋 耳等 做成活动的 称为活块 活块用销式燕尾与模样的主体连接 在起模时须先取出模样主体 然后取出活块 5 刮板造型用与铸件截面相适应的刮板代替实体模样造型的方法 刮板造型 可以降低模样成本 缩短生产准备时间 但要求操作技能高 铸件尺寸精度低 生产率低 故只适用于中小批生产尺寸较大的回转体铸件 如皮带轮 齿轮等 用机器代替手工进行造型 芯 称机器造型 芯 造型过程包括 填砂 紧实 起模 下芯 合箱以及铸型 砂箱的运输等工艺环节 大部分造型机主要是实现型砂的紧实和起模工序的机械化 至于合箱 铸型和砂箱的运输则由辅助机械来完成 不同的紧砂方法和起模方式的组合 组成了不同的造型机 二 机器造型 造芯 手工造型中的摏 chong 箱 起模两工序不仅效率低 劳动条件差 而且铸件尺寸不准确等不足 1 机器造型的特点 用机器全部或至少完成紧砂操作的造型 生产效率高 劳动条件好 砂型质量好 紧实度高而均匀 型腔轮廓清晰 铸件质量也好 但设备和工艺装备费用高 生产准备时间较长 适于中小铸件的成批或大量生产 2 机器造型的紧砂方法 机器造型的紧砂方法主要有压实 振实 振压 抛砂四种基本形式 1 振压紧砂 以压缩空气为动力 工作原理如图2 19所示 2 抛砂紧实 工作原理如图3 6所示 3 机器造型的起模方法 1 顶箱起模 如图3 7所示 机构简单 但易漏砂 用于型腔简单 高度小的铸型 多用于上型 以省却翻箱 2 漏模起模 如图3 8所示 一般用于形状复杂或高度较大的铸型 3 翻转起模 如图3 9所示 机构较复杂 但不易掉砂 适用于型腔较深 形状复杂的铸型 常用于下型 4 造型生产线 将造型机和其它辅机 翻转机 下芯机 合型机 压铁机 落砂机等 按照铸造工艺流程 用运输设备 铸型输送机或辊道 联系起来 组成一套机械化 自动化铸造生产系统 二 壳型铸造 在铸造生产中 砂型 芯 直接承受液体金属作用的只是表面一层厚度仅为数毫米的砂壳 其余的砂只起支撑这一层砂壳的作用 若只用一层簿壳来制造铸件 将减少砂处理工部的大量工作 并能减少环境污染 1940年 JohannesCroning发明用热法制造壳型 称为 C法 或 壳法 shellprocess 或叫壳型造型 shellmolding 目前该法不仅可用于造型 更主要的是用于制壳芯 图翻斗法壳型造型法示意图 该法用酚醛树脂作粘结剂 配制的型 芯 砂叫覆膜砂 象干砂一样松散 其制壳的方法有两种 翻斗法和吹砂法 翻斗法常用于制造壳型 吹砂法用于制造壳芯 翻斗法 吹砂法分顶吹法和底吹法两种 吹砂压力一般顶吹0 1 0 35MPa 吹砂时间为2 6秒 底吹法为0 4 0 5MPa 15 35秒 顶吹法可以制造较大型复杂的砂芯 底吹法常用于小砂芯的制造 硬化时间为90s 2min 芯盒加热温度一般为250 28 动画11顶吹法壳型铸造 动画12底吹法壳型铸造 吹砂法 壳法造型芯的优点是 混制好的覆模砂可以长期储存 三个月以上 无需捣砂 能获得尺寸精确的型 芯 型 芯强度高 易搬运 透气性好 可用细的原砂得到光洁的铸件表面 无需砂箱 覆模砂消耗量小 但酚醛树脂覆模砂价格较贵 造型 造芯耗能较高 79 壳型通常多用于生产液压件 凸轮轴 曲轴以及耐蚀泵件 履带板等钢铁铸件上 壳芯多用于汽车 拖拉机 液压阀体等部分铸件上 见视频 壳型铸造 金属型铸造 1 金属型的构造 金属型的材料一般采用铸铁 铸件内腔可用金属型芯或砂芯得到 结构有整体式图3 14a 水平分型式如图3 14b 垂直分型式如图3 14c 复合分型式如图3 14d等 金属型铸造是在重力作用下将金属液体浇入金属铸型以获得铸件的方法 铸型用金属制成 可反复使用 故又称永久型铸造 硬模铸造 铁模铸造 冷硬铸造 冷激模铸造等 2 金属型铸造的工艺过程 2 刷涂料 金属型表面应喷刷一层耐火涂料 以保护型壁表面 免受直接冲蚀和热击 还可改变冷却速度 蓄气和排气 不同合金采用不同涂料 铝合金常用含氧化锌粉 滑石粉和水玻璃的涂料 灰铸铁用石墨 滑石粉 耐火粘土 桃胶和水 3 浇注温度 浇注温度应比砂型铸造高20 300C 1 金属型预热 未预热的金属型导热性好 使金属液冷却过快 铸件易出现冷隔 浇不足 夹杂 气孔等缺陷 铸型受强烈热冲击 应力倍增 极易损坏 故在浇注前必须预热 预热温度应根据合金种类和铸件结构而定 4 开型时间 在型内停留时间越长 温度越低 收缩量越大 取出铸件越困难 产生内应力和裂纹的倾向越大 同时金属型的温度越高 冷却时间越长 生产率下降 因此合适的开型时间十分重要 金属型铸造既可采用金属芯 也可以用砂芯取代难以抽拔的金属芯 金属型的铸型可反复使用 铸件组织致密 力学性能好 精度和表面质量较好 精度可达CT6级 Ra值可达12 5 6 3 m 金属型的种类及特点见下表1 金属型铸造特点见表2金属型铸造具有很多优点 适用于制造铝合金活塞 气缸体 油泵壳体 铜合金轴瓦轴套等 故广泛用于发动机 仪表 农机等工业 发展很快 表1金属型种类及特点 56 表2金属型铸造特点 57 金属型铸造液态金属耗用量少 劳动条件好 便于机械化和自动化生产 适用于大批生产有色合金铸件 金属型铸造见视频 视频金属型铸造 四 熔模铸造 75 熔模铸造又称失蜡铸造 熔模精密铸造 包模精密铸造 是精密铸造法的一种 根据铸型的特点可分为型壳熔模铸造 填箱熔模铸造 型壳制好后 装入砂箱中 在型壳周围注入耐火浆料或干砂增强 石膏型熔模铸造 用石膏型代替型壳 以前者的应用最广 型壳熔模铸造工艺如下图所示 用易熔材料 蜡或塑料等 制成精确的可熔性模型 并进行蜡模组合 涂以若干层耐火涂料 经干燥 硬化成整体型壳 加热型壳熔失模型 经高温焙烧而成耐火型壳 在型壳中浇注铸件 见视频 过程 1 制造蜡模 1 准备压型 压型的尺寸根据铸件设计 并考虑蜡模的收缩 制造合金的收缩 锡合金 2 50 石蜡 50 硬脂酸 全熔温度70 90 制模时 蜡料是45 48 糊状 取出放入14 24 的水中冷却 防止变形 3 为了节省浇口金属 一般把若干个蜡模焊牢在一个直浇口上 装配成为模组 壳型制造工艺 浸涂料耐火材料55 60 石英砂 40 45 水玻璃糊状混合物 模组全部浸入 2 撒砂 3 硬化剂20 25 氯化铵水溶液与水玻璃作用分解出硅酸胶把石英砂粘结牢 然后干燥形成1 2mm薄壳 结壳过程4 6次 壳厚5 10mm3 造型和浇注工艺 1 脱蜡 造型90 98 热水中 2 培烧和浇注 3 落砂清理 图3 17型壳熔模铸造过程示意图 母模 熔模铸造有以下特点 1 尺寸精度高 熔模铸造铸件精度可达CT4级 表面粗糙度低 Ra12 5 1 6 m 2 适用于各种铸造合金 各种生产批量 尤其在难加工金属材料如铸造刀具 涡轮叶片等生产中应用较广 3 可以铸造形状复杂的铸件 熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受限制 可以制造出用砂型铸造 锻压 切削加工等方法难以制造的形状复杂的零件 而且可以使一些焊接件 组合件在稍进行结构改进后直接铸造出整体零件 4 可以铸造出各种薄壁铸件及重量很小的铸件 其最小壁厚可达0 5mm 最小孔径可以小到 0 5mm 重量可以小到几克 76 5 生产工序繁多 生产周期长 铸件不能太大 是净成形 净终成形加工的重要方法之一 视频熔模铸造生产工艺过程 五 消失模造型 51 1 铸造原理和工艺过程 消失模铸造 EPC 为美国1958年专利 1962年开始应用 又称实型铸造和气化模铸造 其原理是用泡沫聚苯乙烯塑料模样 包括浇冒口 代替普通模样 造好型后不取出模样就浇入金属液 在灼热 图消失模铸造工艺过程示意图 液态金属的热作用下 泡沫塑料气化 燃烧而消失 金属液取代了原来泡沫塑料模所占的空间位置 冷却凝固后即可获得所需要的铸件 消失模铸造工艺过程如图所示 消失模铸造主要用于形状结构复杂 难以起模或活块和外型芯较多的铸件 与普通铸造相比 具有以下优点 工序简单 生产周期短 效率高 铸件尺寸精度高 造型后不起模 不分型 没有铸造斜度和活块 精度达CT8级 可采用无粘结剂型砂 增大了铸件设计的自由度 简化了铸造生产工序 降低了劳动强度 近年来 消失模铸造技术在欧美发展很快 表2 6为美国消失模铸造情况 2 铸造特点和应用范围 表美国消失模铸造情况 生产和增长速度 52 3 消失模铸造的新发展 消失模铸造用的泡沫塑料模与不断涌现的其他新材料 新设备 新技术相结合 发展形成很多新的造型和铸造方法 如消失模陶瓷型铸造 消失模精密铸造 消失模干砂法 磁性铸造 磁性真空法 消失模减压造型法等 如图2 35所示 这些方法扩大了消失模铸造的应用范围 提高了铸造生产水平 图2 35消失模铸造新发展示意图 53 六 陶瓷型铸造 80 陶瓷型铸造是20世纪50年代英国首先研制成功的 其基本原理是 以耐火度高 热膨胀系数小的耐火材料为骨料 用经过水解的硅酸乙酯作为粘结剂而配制成的陶瓷型浆料 在碱性催化剂的作用下 用灌浆法成形 经过胶接 喷燃和烧结等工序 制成光洁 细致 精确的陶瓷型 陶瓷型按不同的成形方法分为两大类 全部为陶瓷铸型的整体型和带底套的复合陶瓷型 底套的材料有硅砂和金属两种 整体陶瓷型铸造的工艺流程如下 制备陶瓷浆金属液熔炼 制砂套 灌浆 起模 喷烧 焙烧 合型 浇注 砂套复合陶瓷型铸造过程如图3 19和视频7 陶瓷型可用来制造热拉模 热锻模 橡胶件生产用钢模 玻璃成形模具 金属型和热芯盒等 模具工作面上可铸出复杂 光滑的花纹 尺寸精确 模具的耐蚀性和工作寿命较高 也可用陶瓷型铸造法生产一般机械零件 如螺旋压缩机转子 内燃机喷嘴 水泵叶轮 齿轮箱 阀体 钻机凿刀 船用螺旋浆 工具 刀具等 图3 19砂套复合陶瓷型铸造过程示意图 81 陶瓷型兼有砂型铸造和熔模铸造的优点 即操作及设备简单 型腔的尺寸精度高 表面粗糙度值低 精度达CT6级 在单件小批生产的条件下 铸造精密铸件 铸件重量从几千克到几克 生产率较高 成本低 节省机加工工时 视频陶瓷型铸造 七 离心铸造 58 离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中 在离心力作用下填充铸型而凝固成形的一种铸造方法 1 离心铸造的分类 根据铸型旋转轴线在空间的位置 常见的离心铸造可分为两种 1 卧式离心铸造铸型的旋转轴线处于水平状态或与水平线夹角很小 4 时的离心铸造 如图所示为三种离心铸造示例 图3 20三种卧式离心铸造 图3 22两种立式离心铸造 59 2 立式离心铸造铸型的旋转轴线处于垂直状态时的离心铸造称为立式离心铸造 如图3 22所示为两种立式离心铸造示例 铸型旋转轴与水平线和垂直线都夹有较大角度的离心铸造称为倾斜轴离心铸造 但应用很少 2 离心铸造的特点 60 与砂型铸造相比 离心铸造的优缺点如下 1 铸件致密度高 气孔 夹渣等缺陷少 故力学性能较好 2 生产中空铸件时可不用型芯 故在生产长管形铸件时可大幅度地改善金属充型能力 降低铸件壁厚对其长度或直径的比值 简化套筒和管类铸件的生产过程 3 生产中几乎没有浇注系统和冒口系统的金属消耗 提高工艺出品率 4 便于制造筒 套类复合金属铸件 如钢背铜套 双金属轧辊等 5 铸造成形铸件时 可借离心力提高金属的充型能力 故可生产薄壁铸件 如叶轮 金属假牙等 6 对合金成分不能互溶或凝固初期析出物的密度与金属液基体相差较大时 易形成密度偏析 7 铸件内孔表面较粗糙 聚有熔渣 其尺寸不易正确控制 8 用于生产异型铸件时有一定的局限性 视频离心铸造生产工艺过程 3 离心铸造应用范围 61 离心铸造应用较广 用离心铸造法生产产量很大的铸件有以下几种 1 铁管 世界上每年球墨铸铁管件总产量的近一半是用离心铸造法生产的 2 柴油发动机和汽油发动机的气缸套 3 各种类型的铜套 4 双金属钢背铜套 各种合金的轴瓦 5 造纸机滚筒 用离心铸造法生产质量及经济效益显著的铸件有 1 双金属铸铁轧辊 2 加热炉底耐热钢辊道 3 特殊钢无缝钢管毛坯 4 刹车鼓 活塞环毛坯 铜合金蜗轮毛坯等 5 异型铸件如叶轮 金属假牙 小型阀门等 几乎一切铸造合金都可以用于离心铸造生产 铸件的最小内径可为8mm 最大直径达2600mm 最大长度为8m 铸件的重量可为数克至数十吨 八 压力铸造 62 1 铸造原理和工艺循环 压力铸造是在高压的作用下 以很高的速度把液态或半液态金属压入压铸模型腔 并在压力下快速凝固而获得铸件的铸造方法 压力铸造工艺循环如图所示 图压力铸造工艺循环图 2 压铸机分类与比较 压铸机按其工作原理结构形式分为冷压式压铸机 有卧式 立式 全立式三种 和热压式 有普通热室 卧式热室两种 压铸机 冷室压铸机的压室和熔炉是分开的 压铸时要从保温炉中舀取金属液倒入压室内 再进行压铸 图2 40是卧式冷室压铸机工作原理示意图 图2 40卧式冷室压铸机工作原理示意图 63 热室压铸机的压室与合金熔化炉联成一体 压室浸在保温坩埚的液体金属中 压射机构装在坩埚上面 用机械机构或压缩空气所产生的压力进行压铸 图2 41为热室压铸机工作原理示意图 图2 41热室压铸机工作原理示意图 3 铸造特点 64 压力铸造的基本特点是高压高速 压力从几兆帕到几十兆帕 甚至高达500MPa 高速 从10 120m s 以极短的时间 0 01 0 2s 填充铸型 压力铸造的特点如下 1 生产率高 可实现机械化或自动化 经济效果好 大批生产时压铸成本低 铸件产量在3000件以上时可考虑采用 图2 42 2 生产适用性好 能生产出从简单到相当复杂的铸件 并可生产中间镶嵌其他金属的铸件 能直接铸出齿形和螺纹 压铸件的重量从几克到数十公斤 3 产品质量好 具有较高的尺寸精度 最高达CT4 和表面质量 最高达Ra3 2 m 力学性能好 尺寸稳定性好 互换性好 轮廓清晰 适用于大量生产有色合金的小型 薄壁 复杂铸件 4 普通压铸法生产的铸件易产生气孔 不能进行热处理 压铸某些内凹件 高熔点合金铸件还比较困难 图2 42不同铸造方法生产的铸件费用比较 视频压力铸造 65 5 压力铸造设备投资大 压铸模制造复杂 周期长 费用大 一般不宜于小批生产 压力铸造是所有铸造方法中生产速度最快的一种方法 应用很广 发展很快 广泛用于汽车 仪表 航空 航天 电器及日用品铸件 以铝 锌 镁材料为主 九 低压铸造 70 低压铸造是介于一般重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法 1 铸造原理和工艺过程浇注时金属液在低压 20 60kPa 作用下 由下而上地填充铸型型腔 并在压力下凝固而形成铸件的一种工艺方法 低压铸造的工艺过程如图2 47所示 图2 47低压铸造工艺过程 2 铸造工艺过程 71 低压铸造浇注过程包括升液 充型 增压 保压和卸压五个阶段 1 浇注过程参数的变化 表 2 升液压力和速度 升液压力p1 单位 MPa 是指当金属液面上升到浇口 高度为H1时所要求的压力 p1 H1 根据经验 升液速度一般控制在150mm s以下 3 充型压力和速度 充型压力p2 单位 MPa 是使金属液充型上升到铸型顶部所需的压力 P2 H2 在充型阶段 金属液面上的压力从p1升到p2 其升压速度v2 单位 MPa s 为 2 2 4 增压和增压速度 金属液充满型腔后 再继续增压 使铸件的结晶凝固在一定的压力p3下进行 此压力称为结晶压力 一般p3 1 3 2 0p2 增压速度v3 单位 MPa s 为 2 3 5 保压时间保压时间与铸件质量有关 保压时间与铸件质量成正比 一般保压时间在1 5 8min内 时间太长 将影响生产率 表2 9浇注过程各阶段参数的变化 72 注 合金液密度 系数 3 铸造特点和应用范围 73 1 金属液充型平稳 充型速度可根据需要调节 在压力下充型 流动性增加 有利于获得轮廓清晰的铸件 2 由下而上充型 金属液洁净 夹杂和气孔少 铸件合格率高 3 在压力下凝固 可得到充分的补缩 故铸件致密 精度可达CT6 力学性能好 4 浇注系统简单 可减少或省去冒口 故工艺出品率高 5 对合金的牌号适应范围广 不仅适用非铁金属 也可用于铸铁 铸钢 6 易实现机械化和自动化 与压铸相比 工艺简单 制造方便 投资少 占地少 低压铸造见视频4 应用范围见表 表低压铸造应用范围举例 视频低压铸造 74 挤压铸造 挤压铸造 用铸型的一部分直接挤压金属液 使金属在压力作用下成形 凝固而获得零件或毛坯的方法 又称液态模锻 挤压铸造多采用金属型 挤压的工艺过程包括铸型准备 浇注 合型加压 完成等过程 如大型薄壁铝合金铸件的挤压工艺过程如图3 28所示 2 挤压铸造的特点及应