材料液态成型工艺学-4(____).ppt

大连理工大学 DalianUniversityofTechnology 材料科学与工程学院张兴国 材料成型工艺学 第六章铸型工艺方案的确定 6 1零件结构的铸造工艺性分析铸造工艺性 零件的本身结构应符合铸造生产的要求 既便于整个铸造工艺过程的顺利进行 又利于保证产品的质量 作用 1 审查零件结构是否符合铸造生产的工艺要求 2 在既定的零件结构条件下 考虑在铸造过程中可能出现的主要缺陷 在工艺设计中应采取的工艺措施 一 从避免缺陷方面审查零件结构的合理性1 铸件应有合理的壁厚最小壁厚 一定条件下铸造合金能充满铸型的最小壁厚 铸件的设计壁厚应不小于最小壁厚 临界壁厚 当铸件的壁厚超过临界壁厚时 铸件的力学性能并不按比例随铸件厚度的增加而增加 反而是显著地下降 因此 设计铸件壁需要注意的问题是 1 为防止出现冷隔和浇不足缺陷 铸件应有一定的壁厚 2 外形尺寸大 结构复杂 合金流动性差的铸件 铸件壁厚应适当加大 3 厚壁会增加铸件的重量和金属的消耗 而且易产生缩孔 缩松等缺陷 另外 厚壁铸件凝固慢 会造成晶粒粗大 力学性能降低 最好的方法是采用加强筋 4 对灰铸铁件 最小壁厚的选择应防止出现白口 考虑浇注条件和孕育条件 一 从避免缺陷方面审查零件结构的合理性 表6 1不同合金的临界壁厚 采用加强筋减小铸件壁厚 表6 2灰铸铁相对强度的变化 壁厚单位 mm 铸件壁连接处会形成热节 易造成缩孔 缩松和应力集中 设计时需注意 1 壁厚应该力求均匀 2 铸件壁冷却均匀 3 铸件壁厚发生变化处应逐渐过渡 4 筋条应该错开排列 2 铸件壁的连接应逐渐过渡 2 铸件壁的连接应逐渐过渡 2 铸件壁的连接应逐渐过渡 一 从避免缺陷方面审查零件结构的合理性 3 结构圆角的设计铸件壁的转角处一般要设计出结构圆角 铸件壁的直角连接易造成连接处的金属堆积 形成大的热节 而内侧的散热条件差 往往会造成缩孔 缩松 在载荷的作用下 直角内侧往往产生应力集中 内侧实际承受的应力比平均应力大得多 若采用直角连接 在一些合金凝固的过程中将形成垂直于铸件表面的柱状晶 因结晶的方向性 在转角的对角线上形成整齐的分界面 由于分界面上杂质 缺陷较多 使转角处成为铸件的薄弱环节 在集中应力作用下很容易产生裂纹 3 结构圆角的设计 当铸件壁采用圆角结构时 可以消除应力集中 破坏了柱状晶的分界面 明显提高转角处的力学性能 也防止了缩孔 缩松和裂纹的产生 圆角结构还有利于造型 浇注时可避免熔融金属对铸型的冲刷 减少砂眼和粘砂缺陷的发生 3 结构圆角的设计 不合理 合理 不合理 合理 3 结构圆角的设计 4 内壁厚度应小于外壁 铸件内部的筋和壁 散热条件较差 因此 铸件的结构设计应使内壁比外壁薄一些 以便使整个铸件能均匀地冷却 防止产生内应力和裂纹 一般地 当铸件外壁 铸件内壁和筋的厚度按1 0 8 0 6设计时 可以保证各部位冷却速度均匀一致 4 内壁厚度应小于外壁 内 外壁厚相差值约为10 30 是合理的 5 壁厚应力求均匀 铸件各部位壁厚如果相差太大 厚壁处会产生金属局部积聚形成热节 凝固收缩时在热节处形成缩孔 缩松缺陷 此外 各部位冷却不均匀 易形成热应力 致使铸件在薄壁和厚壁连接处产生裂纹 因此 在进行铸件结构设计时应做到壁厚力求均匀 5 壁厚应力求均匀 6 避免水平大平面 如果铸件有大的水平空腔存在 当液体金属上升到该位置时 由于断面突然扩大 上升速度缓慢 高温金属液较长时间烘烤顶部型面 极易造成夹砂 浇不足等缺陷 同时也不利于金属夹杂物和气体的排除 因此 应尽量设计成倾斜壁 6 避免水平大平面 7 有利于顺序凝固 有的铸件因工作需要 结构设计上造成壁厚不均匀和局部厚度较大 而且合金的体收缩又比较大 这时很容易形成缩孔和缩松缺陷 因此 应仔细审查零件结构实现顺序凝固的可能性 使之便于安放冒口 冷铁 以避免出现缩孔 缩松缺陷 8 铸件结构应能防止热裂和变形 经验表明 某些壁厚均匀的细长铸件 较大面积的平板铸件 及某些壁厚不均匀的长形箱体类铸件 如床身类铸件 都会产生翘曲变形 前两者产生翘曲变形的主要原因是 铸件结构刚度差 铸件各面冷却条件的差别所引起的不大的内应力使其变形 后者主要是壁厚差别大 厚壁处冷却慢 薄壁处冷却快 引起较大的内应力促使铸件产生变形 铸件变形可以采用改进铸件结构 设置加强筋提高刚性 人工时效 采用反变形等方法予以解决 8 铸件结构应能防止热裂和变形 8 铸件结构应能防止热裂和变形 一 从避免缺陷方面审查零件结构的合理性 应考虑的原则 1 铸件应有合理的壁厚 2 铸件壁的连接应逐渐过渡 3 结构圆角的设计 4 内壁厚度应小于外壁 5 壁厚应力求均匀 6 避免水平大平面 7 有利于顺序凝固 8 铸件结构应能防止热裂和变形 二 从简化铸造工艺过程方面进行零件结构的工艺性分析 1 铸件结构应便于起模 简化工艺 节省造型和制模工时铸件侧壁上的凸台 突缘 筋条等 常常妨碍起模 而为了这些小的凸台 突缘 筋条等 在大量生产中不得不增加砂芯 在单件 小批生产中 必须将它们制成活动模块 活块 这些活动模块都大大增加造型 制芯和模具制造的工时 提高了生产成本 如果从简化铸造工艺过程的角度对其结构稍加改进 即可避免这些缺点 1 铸件结构应便于起模 简化工艺 节省造型和制模工时 尽量取消铸件外壁的侧凹 2 应减少 简化分型面 尽量采用平直分型面 分型面最好只有一个 并且最好是简单的平面 这样只需要两箱造型 减少了造型和模具制造工时 提高铸件精度 并易于实现机械化生产 平直的分型面可以减少铸件的毛边 便于清理 2 减少 简化分型面 尽量采用平直分型面 3 减少砂芯数量 尽量不用或少用砂芯 有砂芯的铸件不仅增加成本 而且使造型 造芯和合箱工艺复杂化 影响生产率和铸件质量 3 减少砂芯数量 尽量不用和少用砂芯 4 取消不必要的圆角 虽然铸件的转角处几乎都希望用圆角相连接 这是由铸件的结晶和凝固的合理性所决定的 但是有些外圆角对铸件的质量影响并不大 但却对造型 制芯等工艺过程有不良效果 此时 应将圆角取消 5 有利于砂芯的固定和排气 如轴承架铸件 其内腔采用两个砂芯 其中较大的砂芯采用悬臂芯 不稳定 必须用芯撑加固 若改成使用整体芯的工艺 既将两个砂芯做成一个砂芯 既不影响零件的使用 而且砂芯的稳定性大为提高 下芯也很方便 排气也通畅 注意 尽量少用或避免使用芯撑 对于砂芯芯头不足 难以固定砂芯的铸件 为使砂芯稳固 可适当采取开设工艺孔的方法解决 如图所示的铸件 因底面没有芯头 只好加芯撑 当改成右图所示的结构后 不仅省去芯撑 也便于排气和清理 这些工艺孔可用螺钉或柱塞堵住 5 有利于砂芯的固定和排气 6 复杂铸件分体铸造 简单小件联合铸造 有些大而复杂的铸件 可考虑分成两个以上的简单铸件 铸造后再用螺栓或焊接的方法连接起来 以简化铸造过程 也可使本来没有条件生产的大型铸件的生产成为可能 与分体铸造相反 一些很小的零件 如轴套 压环 密封环等 可把许多小件连在一起 铸成一个较长的铸件再机械加工 或将多个小件采用叠箱造型的方法生产 6 复杂铸件分体铸造 简单小件联合铸造 1 铸件结构应便于起模 简化工艺 节省造型和制模工时 2 应减少 简化分型面 尽量采用平直分型面 3 减少砂芯数量 尽量不用和少用砂芯 4 取消不必要的圆角 5 有利于砂芯的固定和排气 6 复杂铸件采用分体铸造 简单小件采用联合铸造 二 从简化铸造工艺过程方面进行零件结构的工艺性分析 总结 6 2浇注位置的确定 浇注位置 浇注时铸件在型内所处的位置 即哪个面朝上的问题 浇注位置应依据铸件的质量要求 大小 结构特点 合金性能 生产批量 现场条件及综合效益等方面评估 很大程度上着眼于顺序凝固 1 铸件的重要加工面应朝下或呈侧立面 有几个加工面时 应该将主要的或较大的加工面朝下或侧立 受力的部位放在下部 个别加工面朝上时要适当加大加工余量 理由是 浇注位置的下部 冷却快 有静压力作用和上部金属的补缩而致密 几乎无夹杂和气孔 浇注位置的上部 因渣 气上浮 故易产生气孔 夹砂 砂眼 气隔等缺陷 2 铸件的大平面朝下 采用倾斜浇注 因为在浇注过程中 熔融金属处于大平面位置时 金属液面的上升速度缓慢 对型腔上表面有强烈的热辐射作用 容易使上表面型砂急剧地膨胀而变形或开裂 在铸件表面造成夹砂 结疤和鼠尾 沟槽等缺陷 因此 对大平板类铸件应采取倾斜浇注的方法 以增加液体金属的上升速度 如图所示 当倾斜浇注时 依砂箱大小 一般地 H值控制在200 400mm范围内 2 铸件的大平面朝下 采用倾斜浇注 3 应保证铸件能充满 薄壁部分放在下部或在内浇道以下 避免形成冷隔 浇不足等缺陷 要求金属液达到薄壁处所经过的路径 所需要的时间越短越好 4 有利于实现顺序凝固 对体收缩较大的合金铸件 或铸件薄厚不均匀而易形成缩孔 缩松或对质量要求高的铸件 浇注位置的选择应有利于实现顺序凝固 为此 应使铸件的厚大部分置于铸件最上方 以便于安放冒口和最好地发挥冒口的补缩效果 如果不能完全做到这一点 也应使热节部分放置于铸件的侧面 可利用侧冒口进行补缩 5 保证砂芯定位稳固 排气通畅和下芯 检验方便 吊砂在合箱 浇注时易塌箱 特别是向上半型吊芯操作不方便 悬臂式砂芯不稳固 在金属液浮力作用下易发生偏移 应尽量避免使用 砂芯不宜过高 以免造成合箱困难 砂芯在上箱时检验也很困难 对罩形件的排气问题也需注意 可采用分两阶段进行浇注 或采用盖芯或卧浇 5 保证砂芯定位稳固 排气通畅和下芯 检验方便 6 应使合箱位置 浇注位置和冷却位置相一致 这样可避免合箱后或浇注后再次翻转铸型 翻转铸型不仅劳动量大 而且容易引起砂芯移动 掉砂等缺陷 只是在个别情况下 为了造型方便和增加冒口的补缩效果等原因 要求合箱或浇注后改变冷却位置 例如 曲轴横浇竖冷 大平板水平合箱 倾斜浇注 但是对大批量生产 曲轴件仍然要卧浇卧冷 1 铸件的重要加工面应朝下或呈侧立面 2 铸件的大平面朝下 或采用倾斜浇注 3 应保证铸件能充满 4 有利于实现顺序凝固 5 保证砂芯定位稳固 排气通畅和下芯 检验方便 6 应使合箱位置 浇注位置和冷却位置相一致 6 2浇注位置的确定原则 总结 6 3分型面的选择 分型面 两半铸型相互接触的表面 分型面的选择对简化造型工艺 提高生产率 降低成本 提高铸件的质量都具有直接的关系 分型面的确定最好与浇注位置的选择同时考虑 两者协调 使工艺简单 保证铸件质量 一般说来 应根据铸件的结构特点 技术要求 生产批量和现场条件 结合浇注位置选择 6 3分型面的选择 选择原则 1 使全部或大部分铸件或将加工基准面 重要加工面处于同一半铸型内 铸件放在同一个砂箱内可以避免产生错箱和毛刺缺陷 有利于保证铸件的精度和减少清理工作量 6 3分型面的选择 1 使全部或大部分铸件或将加工基准面 重要加工面处于同一半铸型内 1 使全部或大部分铸件或将加工基准面 重要加工面处于同一半铸型内 2 尽量减少分型面的数量 不用或少用活块1 分型面少 需要的砂箱数量少 铸件尺寸偏差小 2 铸件要求最严格的部分不应被分型面分割 3 大量生产的机器造型的中小件一般只允许一个分型面 两箱造型 以便发挥造型机的生产效率 不便起模处用砂芯形成 而不应采用活块或多箱造型 6 3分型面的选择 但是 对于下面这些情况 为便于造型 下芯及保证铸件精度 采用多个分型面的多箱造型是有利的 如 1 铸件高大复杂 采用一个分型面使模样很高 较大的拔模斜度造成铸件形状的较大改变 2 一个分型面导致砂箱也很大 造型不方便 3 砂芯多 型腔狭窄 操作困难 2 尽量减少分型面的数量 不用或少用活块 3 尽量减少砂芯的数量 采用砂胎 吊砂取代砂芯砂芯多 铸件复杂 精度难于控制 生产成本也高 特别是机器造型大批量生产时 在保证铸件质量的前提下可利用砂胎或吊砂取代砂芯 6 3分型面的选择 柴油机曲轴定位套的机器造型方案 4 尽量选用平直分型面分型面的形状可以是平面 折面 曲面及不规则曲面等 但是最简单 最理想的就是平面 它加工方便 容易保证铸件的精度 6 3分型面的选择 4 尽量选用平直分型面 但是在大批量生产 机器造型的情况下 为减少分型面 往往采取局部曲折分型 此时就应尽量保证规则曲面 同时 为减轻落砂和清理的工作量 特殊情况也可采用曲面分型 5 不使某一砂箱过高 分型面应在铸件的最大截面处选择分型面时要充分注意机器造型时 该机器所规定的最大砂箱高度和运输机械的承载能力 手工造型时更要考虑工人连续操作时的劳动强度问题 6 3分型面的选择 为起模方便 分型面一般选择在铸件的最大截面处 6 有利于下芯 合箱和检验型腔尺寸为此 应把主要砂芯放在下箱 在手工造型中 模样及芯盒尺寸精度不高 在下芯 合箱时需要调整砂芯 检验尺寸才能保证铸件壁厚均匀 所以 分型面的选择应便于检查型腔尺寸 如图所示为中心距大于700mm的减速箱盖的工艺方案 采用两个分型面目的是便于合箱前检验两孔的中心距 6 3分型面的选择 7 对受力件 分型面不应削弱铸件的结构强度如图所示的工字梁类铸件 如果合箱时产生错箱 则改变其截面积分布 使其中一边的强度削弱 6 3分型面的选择 1 使全部或大部分铸件 或将加工基准面 重要加工面处于同一铸型内 2 尽量减少分型面的数量 不用或少用活块 3 尽量减少砂芯的数量 采用砂胎 吊砂取代砂芯 4 尽量选用平直分型面 5 不使某一砂箱过高 分型面应在铸件最大截面处 6 有利于下芯 合箱和检验型腔尺寸 7 对受力件 分型面不应削弱铸件的结构强度 6 3分型面的选择 6 4砂芯设计 砂芯 用来形成铸件的内腔 各种成型孔及外形不易起模的部分 砂型局部要求特殊性能的部分有时也用砂芯 砂芯的工作条件 在浇注时 砂芯的大部分或部分表面被液态金属包围 经受铁水的热作用 机械作用都较强烈 排气条件也差 出砂清理困难 因此 对砂芯的性能要求比一般型砂高 砂芯分类 1 按尺寸分类 小砂芯 体积小于5 10 3m3 中砂芯 体积等于5 10 3 5 10 2m3 大砂芯 体积大于5 10 2m3 2 按干湿程度分类 湿芯 用于中小型薄壁件 干芯 用于各类铸件 表干芯 中小件 不太重要的大件 3 按粘结剂分类 粘土砂芯 水玻璃砂芯 水泥砂芯 油 合脂砂芯 树脂砂芯等 4 按造芯工艺分类 常规砂芯 自硬砂芯 冷芯盒砂芯 热芯盒砂芯 壳芯 6 4砂芯设计 2 砂芯应满足的基本要求 1 砂芯形状 尺寸和在型内的位置与铸件的要求相适应 2 有足够的强度和刚度 3 能顺利排出型腔和砂芯中的气体 4 对铸件收缩的阻力小 5 清理容易 3 砂芯设计的内容 砂芯分块 芯头结构设计 砂芯的烘干与排气 下芯顺序 6 4砂芯设计 4 砂芯设计 分块 的基本原则1 保证铸件的精度 下芯和检验方便 铸件内腔尺寸要求严格的部分应由整芯或同一半砂芯形成 不宜分为几个砂芯 铸件精度要求较高的部分 应由同一半砂芯形成 避免为分盒面所分割 更不宜划分为几个砂芯 6 4砂芯设计 5 砂芯设计 分块 的基本原则 但是 有时为了保证某一部分的精度 将大砂芯分块 如图A所示 另外 为下芯和检验方便 有时也将砂芯分成几块 如图所示 B图表示为No6安装方便 将右侧砂芯分成No5和No7 同样 图C是为便于No3和No4的装配 将中间砂芯分成No1和No6 A B C 5 砂芯设计 分块 的基本原则 2 大而复杂的砂芯简化为小而简单的 这样可以简化造芯和芯盒的结构 缩短烘干时间 细而长的砂芯易变形 应分割成数段 并尽量使芯盒通用 3 不能削弱砂芯的强度 定位准确 排气通畅 对如图所示的砂芯 一般不把1 2两部分分割开来制造 因为a处很薄 分开后要正确定位并接合牢固不容易 右图中的砂芯较复杂 四周基本被金属液包围 为便于制造将其分成数块 但必须注意砂芯的排气问题 5 砂芯设计 分块 的基本原则 4 尽量减少砂芯的数量增加砂芯数量不仅增加制芯本身的费用 而且也增加了下芯工时 增加制造芯盒的工作量和费用 从而使铸件成本提高 用砂胎或吊砂可减少砂芯 5 砂芯设计 分块 的基本原则 4 尽量减少砂芯的数量 在手工造型时 对难于取出模样的地方 一般用活块来解决 合并砂芯也是减少砂芯数量的方法 4 尽量减少砂芯的数量 5 分型面与分盒面一致这样能使砂芯的拔模斜度和模样的拔模斜度大小 方向一致 保证铸件壁厚均匀 5 砂芯设计 分块 的基本原则 6 填砂面宽敞 烘干支撑面最好为平面 5 砂芯设计 分块 的基本原则 1 保证铸件的精度 下芯和检验方便 铸件内腔尺寸要求严格的部分应由整芯或同一半砂芯形成 不宜分为几个砂芯 2 大而复杂的砂芯简化为小而简单的 3 不能削弱砂芯的强度 定位准确 排气通畅 4 尽量减少砂芯的数量 5 分型面与分盒面一致 6 填砂面宽敞 烘干支撑面最好为平面 除上述原则外 还应注意使每块砂芯有足够的断面 有一定的强度和刚度 能顺利排出砂芯中的气体 使芯盒结构简单 便于制造和使用 砂芯形状适应于所选用的造型 造芯方法 5 砂芯设计 分块 的基本原则 总结 6 5芯头设计 1 芯头是指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分 2 芯头的功用1 定位和固定砂芯 使砂芯在铸型中有稳固 准确的位置 2 承受砂芯本身重力及浇注时液体金属对砂芯的浮力 3 排除浇注后砂芯所产生的气体 4 集砂 1 为下芯 合箱方便 芯头应留有适当的斜度 2 定位要可靠 浇注过程中砂芯不能移动和转动 3 上 下芯头及芯号容易识别 不致于下错方向或芯号 4 间隙要合理 既要考虑到砂芯 铸型在制造过程中可能产生的误差 又要少出飞边 毛刺 5 使砂芯堆放 搬运方便 重心平稳 6 避免有细小 突出的部分 以免制作困难和安装 烘干等过程中损坏 芯头设计需注意的问题 3 芯头分类根据砂芯在铸型中安放的位置 分为垂直芯头和水平芯头 4 芯头组成典型的芯头结构如图所示 主要有以下几个部分所组成 芯头长度 高度 芯头斜度 芯头间隙 压环 防压环 集砂槽1 芯头长度 砂芯伸入铸型部分的长度 垂直芯头的长度通常称为芯头高度 芯头长度的确定原则 只要满足芯头的基本要求 芯头越短越好 因为 过长的芯头会增加砂箱的尺寸和填砂量 过高的芯头不便于合箱 6 5芯头设计 6 5芯头组成 砂芯越大 重量越大 所受浮力越大 应增加芯头长度 以便芯头和芯头与铸型之间有较大的承压面积 对于直径小于150和长度小于1米的中小砂芯 水平芯头长度一般在20 100毫米之间 特大型砂芯的水平芯头有长达400毫米以上的 水平芯头长度也可通过计算获得 芯头的校核 水平芯头长度 水平芯头定位 垂直芯头高度 砂芯的重量和浮力由垂直芯头的底面积来承受 决定芯头高度有以下经验值得注意 对于高而细的砂芯 上 下都要留有芯头 以免在液体金属冲击下偏斜 对L D 5 L 砂芯高度 D 砂芯直径 的细高砂芯 常用扩大下芯头直径的方法增加下芯时的稳定性 如图所示 对于粗而矮的砂芯 常不用上芯头 下芯头也相对较短 以便造型 合箱 对等截面或上 下对称的砂芯 为下芯方便 上 下芯头可用相同的高度和斜度 对需要区别上 下芯头的砂芯 一般应使下芯头高于上芯头 常用芯头的定位 芯头斜度 对垂直芯头 上 下芯头和芯座都应设有斜度 为合箱方便 避免上芯头和铸型相碰 上芯头和上芯头座的斜度应大些 对水平芯头 如果造芯时芯头不留斜度而能顺利地从芯盒中取出 则芯头可以不留斜度 否则 就应该设计出斜度 对于芯座 一般都留有斜度 至少在端面上要设计出斜度 而且 上箱的斜度较下箱的大些 以免合箱时与芯座相碰 芯头斜度 芯头间隙 为了下芯方便 通常在芯头和芯座之间都留有间隙 间隙的大小取决于砂芯的大小和精度及芯座本身的精度 因此 机器造型 制芯时芯头间隙较小 而手工造型则间隙较大 一般0 5 4mm 但是应当指出 当一个砂芯有多个芯头时 应当给出较大的间隙 对于手工造型 非高压造型 的湿型小砂芯 可以不留间隙 压环 防压环和集砂槽 压环 又称压紧环 是在上模样加工出的一道半圆型凹沟 一般r 1 5 6mm 造型后在上芯座上凸起一环形砂型 合箱后压环可将砂芯压紧 避免液体金属沿间隙钻入芯头 堵塞通气道 它用于机器造型的潮型 压环 防压环和集砂槽 防压环 在水平芯头上靠近模样的根部 设置一凸起圆环 高度为0 5 2mm 宽5 12mm 造型后在相应部位形成下凹的一环状缝隙 下芯 合箱时防压环可防止此处型砂被压塌 因而可防止掉砂缺陷 集砂槽 常因为有砂粒存在于芯座而使砂芯放不到底面上 为此在下芯座模样边缘上设置一道凸环 造型后在砂型内形成一道凹槽 称为集砂槽 用来存放散落砂粒 大大加快下芯速度 集砂槽一般深2 5mm 悬臂芯头 为保证悬臂芯头的稳定 通常采取如下措施