特种铸造与工艺____-第3-4部分.ppt

砂型铸造灵活 成本低 适应性强 但质量和尺寸精度不高 生产率低 劳动条件差 特种铸造是指与普通砂型铸造有显著区别的一些铸造方法 如熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 陶瓷型铸造 实型铸造等 每种特种铸造方法均有其优越之处和适用的场合 近些年来 特种铸造在我国得到了飞速发展 其地位和作用日益提高 1 5特种铸造 大多数特种铸造方法铸件精度高 表面粗糙度值小 易实现少 无切削加工 铸件内部组织致密 力学性能较好 金属液消耗少 工艺简单 生产效率高 是今后发展的方向 少 无切削的铸造方法 特种铸造 1 实型铸造5 离心铸造2 金属型铸造6 熔模铸造3 压力铸造7 连续铸造4 低压铸造 制模材料常用聚苯乙烯泡沫塑料 型砂多为无粘接剂的干硅砂 1 模样和型砂 图2 2 26实型铸造工艺过程 1 实型铸造 消失模 气化摸铸造 模样 铸型 造型材料用铁丸或钢丸 磁型铸造 2 实型铸造的特点和应用 1 特点 不必起模和修型 无型芯 无分型面 因而无飞边毛刺 不错箱 涂光洁和耐火涂料 泡沫塑料粘合 为铸件结构设计提供充分的自由度 使造型效率比砂型铸造提高2 5倍 铸件尺寸精度高 表面粗糙度值小 易实现少 无切削加工 工序少 生产效率高 采用无粘接剂的干砂造型 劳动强度低 无粉尘污染 作业环境好 被荣为 绿色铸造 技术 2 应用 实型铸造几乎不受铸件结构 尺寸 质量 批量和合金种类的限制 目前正在大力推广 用于不易起模的复杂铸件的生产 缺点 模样用一次 易变形 气体有一定的污染 设备投资较高 2 金属型铸造 砂型 一型一件 尘 强度大 劳动条件差 且小型复杂件 批量大时 砂型有一定缺陷 铸型改革 即在重力作用下将熔融金属浇入金属型腔中获得铸件的方法 1 金属型金属型可分为整体 水平 垂直和综合分型四种 其中垂直分型便于开设浇冒口和安放金属芯 易于排气便于实现机械化 应用较广 2 工艺特点 与砂型比特点 散热块 1 铸型预热 2 型腔喷刷涂料 3 浇铸温度较高 4 及时开型取件 1 喷刷涂料 耐火 隔热缓冲 金属型的型腔和金属型芯表面必须喷刷涂料 涂料可分衬料和表面涂料两种 前者以耐火材料为主 厚度为0 2 1 0mm 后者为可燃物质 如灯烟 油类 每次浇注喷涂一次 以产生隔热气膜 2 金属型应保持一定的工作温度 第一次要预热 通常铸铁件为250 350 非铁金属件100 250 其目的是减缓铸型对浇入金属的激冷作用 减少铸件缺陷 同时 因减小铸型和浇入金属的温差 避免急冷急热 热疲劳 提高了铸型寿命 3 严格控制浇铸温度金属型冷却快 浇铸温度比砂型通常要高20 30摄氏度 过低 易产生冷隔 浇不到等缺陷 过高影响金属型寿命 4 适合的出型时间浇注之后 铸件在金属型内停留的时间愈长 铸件的出型及抽芯愈困难 铸件的裂纹倾向加大 同时 铸铁件的白口倾向增加 金属型铸造的生产率降低 为此 应使铸件凝固后尽早出型 通常小型铸铁件出型时间为10 60s 铸件温度约为780 950 此外 为避免灰铸铁件产生白口组织 除应采用碳 硅含量高的铁水外 涂料中应加入些硅铁粉 对于已经产生白口组织的铸件 要利用出型时铸件的自身余热及时进行退火 图2 2 27垂直分型式金属型的结构 3 金属型铸造的优缺点及应用 1 优点 金属型铸造一型多铸 节省造型材料且减少了环境污染 工艺简单 易于实现机械化和自动化 铸件精度高 表面粗糙度值小 力学性能好 2 缺点不宜铸造结构复杂 薄壁或大型铸件 用于熔点较高的合金时 铸型寿命短 灰铁件铸造时还易产生白口组织 3 应用金属型铸造主要用于成批 大量生产 熔点较低 铝合金 铜合金等非铁合金的中 小型铸件 如活塞 缸体 液压泵壳体 轴瓦和轴套等 3 压力铸造 金属型容易出现浇不足 冷隔 裂纹等 充型能力差 充型改革 压力铸造是指金属液在高压下高速充型 并在压力下凝固的铸造方法 1 压铸机和压铸工艺过程 压铸机是压力铸造生产的主要设备 按压室 压射室 分 一般分热压室压铸机 压室浸于金属液中 和冷压室压铸机 压室与金属液保温炉分开 两大类 目前应用较多的是卧式冷压室压铸机 卧式冷压室压铸机的压铸工艺过程如图所示 图2 2 28卧式冷压室压铸机的工作过程 2 压力铸造的特点和应用 特点 生产率比其他铸造方法都高 操作简便 易于实现自动化 铸件质量好 尺寸精度高 不需要进行切削加工即可直接装配 因为铸件的冷却速度快 又是在压力下结晶 其表层晶粒细密 压铸件强度和硬度都较高 抗拉强度比砂型铸件提高20 40 因压力 可生产形状复杂 薄壁铸件 可直接铸出螺纹 齿形 文字等 可铸造出镶嵌件 设备投资大 压铸型费用高 生产周期长 只适用于大批量生产 缺点 卷气 吸气 皮下气孔 不能大余量切削 不能热处理 铸型材料的选用要防 蠕变 T工作大于T再结晶时 应用 压力铸造主要用于大批量生产铝 锌 镁 铜等非铁合金的中 小型铸件 仪表壳体等 低压铸造是指金属液在气体压力作用下完成充型和凝固的铸造方法 其压力为0 02 0 06MPa 是介于重力铸造 如砂型铸造 金属型铸造 和压力铸造之间的一种铸造方法 它是使液态合金在压力下 自下而上地充填型腔 并在压力下结晶 以形成铸件的工艺过程 4 低压铸造 低压 下而上 充型平稳 充型 1 低压铸造的工艺过程向坩埚中通压缩空气 金属液上升充型 保压 凝固 将坩埚上部与空气相通 取出铸件 如图 自下而上充型 压力下凝固 图2 2 29低压铸造工艺过程 特点 可人为的调整压力 适应性强 可用于各种铸型 适用于各种合金及各种大小的铸件 铸件组织致密 力学性能好 对于铝合金能有效地克服铸件的针孔等缺陷 对于薄 有耐压 防渗漏 气密性要求的铸件尤为重要 可生产形状复杂 轮廓清晰 薄壁铸件 浇注时压力较低 底注充型 平稳且易控制 无飞溅冲击 不易夹渣 砂眼 气孔 金属的实际利用率高 设备简单 投资少 操作简便 劳动条件好 易于实现机械化 自动化 应用 低压铸造目前主要用于生产铸造质量要求高的铝 镁合金铸件 2 低压铸造的工艺特点和应用 1 离心铸造机 离心铸造机是离心铸造所用的设备 按其旋转轴空间位置的不同分为立式 卧式两种 图2 2 30离心铸造示意 5 离心铸造 充型 离心铸造是将金属液浇入绕水平 倾斜或立轴旋转的铸型中 在离心力的作用下凝固的铸造方法 铸型可用金属型 砂型 陶瓷型 熔模壳型等 1 特点 铸件组织致密 无缩孔 缩松 气孔 夹渣等缺陷 力学性能好 铸造圆形中空铸件时 不用型芯和浇注系统 降低了金属消耗 提高了金属液的充型能力 可浇注流动性差的合金及薄壁铸件 可生产双金属铸件 如钢套内镶铜轴承等 其结合面牢固 离心铸造适应性较广 铸造合金的种类几乎不受限制 既适于铸造中空件 又可以铸造成形铸件 适应性强 2 应用离心铸造主要用于生产各种管 套 环类铸件 也可用于生产齿轮 叶轮 涡轮等成形铸件 2 离心铸造的特点和应用 熔模铸造是指在易熔模样的表面包覆多层耐火涂料 待其干燥硬化后熔出模样而制成型壳 型壳经高温培烧后即可浇注的铸造方法 熔模铸造又称失蜡铸造 1 熔模铸造的工艺过程 用钢或铜合金等制造压型的母模 制造压型 制造模样 制造壳体 熔去蜡模 造型 浇注 如图所示 6 熔模铸造 压铸 蠕变 金属型 普通砂型铸造对于小零件要分模 起模 易错箱 粗糙 高温下会 热疲劳 大多不能铸造铁碳合金 又想到Sio2 不用分模 起模 铸型 图2 2 31熔模铸造工艺过程 2 熔模铸造的特点和应用 1 特点 可生产形状复杂 轮廓清晰 薄壁铸件 铸件精度高 表面质量好 实现了少 无切削加工 适用于各种合金 尤其适用于高熔点合金及难以切削加工的合金 许多高质量铸造法无此特点 生产批量不受限制 可实现机械化流水生产 但是工序繁多 工艺过程复杂 生产周期长 铸件不能太大 太长 2 应用熔模铸造主要用于生产汽轮机 水轮机上小型的叶片和叶轮 切削刀具及汽车 拖拉机 船舶 机床和风动工具上的小型零件等 目前 其应用范围还在不断扩大 1 连续铸造的工艺过程 图2 2 32连续铸造示意 7 连续铸造 连续铸造是指将金属液连续的浇入水冷金属型 结晶器 中 连续凝固成形的方法 组织致密 力学性能好 不用浇注系统 中空铸件不用型芯 降低了金属的损耗 简化了造型工序 降低了劳动强度 减少了生产占地面积 设备比较简单 生产过程易于实现机械化 自动化 几乎适用于各种合金 但连续铸造不适于截面有变化 壁厚不均匀的铸件生产 而且铸管的质量较离心铸造差 连续铸造主要用于大批量生产具有等截面的铸锭 铸管 板坯 棒坯等长铸件 其中铸锭直径可由几十毫米至500毫米 铸管直径为100 1300mm 长度可达5 10m 2 连续铸造的特点及应用 1 特点 了解 2 应用 8 陶瓷型铸造陶瓷型铸造是以陶瓷作为铸型材料的一种铸造方法 1 基本工艺过程陶瓷型铸造有不同的工艺方法 较为普遍的如图2 49所示 1 砂套造型为节省昂贵的陶瓷材料和提高铸型的透气性 通常先用水玻璃砂制出砂套 相当于砂型铸造的背砂 制造砂套的木模B比铸件的木模A应增大一个陶瓷料的厚度 图a 砂套的制造方法与砂型铸造雷同 图b 图2 49陶瓷型铸造工艺过程 2 灌浆与胶结即制造陶瓷面层 其过程是将铸件木模固定于平板上 刷上分型剂 扣上砂套 将配制好的陶瓷浆通过浇口注入型腔 图c 经数分钟后 陶瓷浆便开始胶结 陶瓷浆由耐火材料 如刚玉粉 铝钒土等 粘结剂 硅酸乙酯水解液 催化剂 如Ca OH 2 MgO 透气剂 双氧水 等组成 3 起模与喷烧灌浆5 15min后 趁浆料尚有一定弹性便可起出模样 为加速固化过程 必须用明火均匀地喷烧整个型腔 图d 4 焙烧与合箱陶瓷型要在浇注前加热到350 550 焙烧3 5h 以烧去残存的乙醇 水分等 并使铸型的强度进一步提高 5 浇注 浇注温度可略高 以便获得轮廓清晰的铸件 2 陶瓷型铸造的特点及适用范围 1 陶瓷型铸造具有熔模铸造的许多优点 因为起模是在陶瓷层处于弹性状态下进行的 同时 陶瓷型高温时变形小 故铸件的尺寸精度和表面粗糙度与熔模铸造相近 此外 陶瓷材料耐高温 故也可浇注高熔点合金 2 陶瓷型铸件的大小几乎不受限制 如铸件重量可从几千克到数吨 而熔模铸件最大仅几十千克 3 在单件 小批生产条件下 需要的投资少 生产周期短 在一般铸造车间较易实现 陶瓷型铸造的不足之处是 不适于批量大 重量轻或形状复杂铸件 且在生产过程难以实现机械化和自动化 目前陶瓷型铸造主要用于生产厚大的精密铸件 广泛用于铸造冲模 锻模 玻璃器皿模 压铸模 模板等 也可用于生产中型铸钢件 表2 2 9常用铸造方法的特点和适用范围 1 5 7常用铸造方法的比较 5 1铸件结构的工艺性 设计 与工艺设计 制造 5 1 1零件结构的铸造工艺性 书中1 5 一 合金的铸造性能对铸件结构的要求二 铸造工艺对铸件结构的要求三 不同铸造方法对铸件结构的要求先设计 再铸造 这里顺序和书有区别 零件结构的铸造工艺性 指零件采用铸造方法制坯时 其结构能否用最经济的方法制造出来并符合设计要求的能力 同学还要看书中图 一 合金的铸造性能对零件结构的要求 收缩 流动性铸件 或零件 都是由不同的 壁 构成的局部看 大小 厚薄 内外 连接整体看 对称与否 因此 避免大的水平面 壁厚要合适 要均匀 但若考虑缩孔应符合顺序凝固原则 内薄外厚 同时凝固原则避免应力裂纹等 圆滑 避免突变 交叉 锐角 对称不易变形 但有时会有应力 裂纹 一 合金的铸造性能对零件结构的要求 图例1 铸件壁厚 1 壁厚应适当 不能太厚或太薄 图2 3 1铸件壁厚应适当 图2 3 2铸件壁厚应力求均匀 2 壁厚均匀 但若考虑缩孔应符合顺序凝固原则 3 内壁厚应小于外壁厚 a 不合理b 合理 图2 3 5铸件壁的转角 图2 3 4铸件的转角结构 2 铸件壁的连接 1 壁间的连接应采用圆角过渡 图2 3 6铸件接头结构 3 应避免壁厚突变 图2 3 7厚 薄壁的连接 2 应避免壁的交叉和锐角连接 3防止铸件产生变形 图2 3 8细长铸件的设计 图2 3 9平板铸件的设计 4 铸件应避免有过大的水平面 5 铸件结构应有利于自由收缩 图2 3 10过大水平面的设计 图2 3 11轮辐的设计 二 铸造工艺对零件结构的要求 前述 防止缺陷要注意的问题 现在 好操作 如手工造型多种 其中之一好起模 也有利于防止缺陷 降低成本 手工造型1 铸件外形 分型面应平直 少 结构斜度 外凸要便于起模 避免内凹 1 应利于减少和简化铸型的分型面 2 凸台 筋条不应妨碍起模 避免侧凹 3 垂直于分型面的非加工面应具有结构斜度 2 铸件内腔 内腔由型芯形成 所以 不用 少用 安放稳定 易排气易清理 避免封闭的空腔 1 内腔形状应利于制芯或省去型芯 避免封闭空腔 2 应利于型芯固定 排气和清理 3 大件和形状复杂件可采用组合结构 1 利于减少和简化铸件分型面 图2 3 13肋条的设计 a 不合理结构 b 合理结构 2 筋条不应妨碍起模 图2 3 14凸台的设计 凸台不应妨碍起模 3 垂直于分型面的非加工面应具有结构斜度 图2 1 35应有结构斜度的示例 图2 3 17悬臂支架的结构设计 图2 3 16铸件内腔的结构设计 1 内腔形状应利于制芯或省去型芯 3 大件和形状复杂件可采用组合结构 2 应利于型芯固定 排气和清理 三 不同铸造方法对铸件结构的要求 1 压铸件的结构设计 2 熔模铸件的结构设计 3 金属型铸件结构设计 压铸件的结构尽量消除侧凹和深腔 在无法避免时 应便于抽芯 以便铸件能从铸型中顺利取出 1 便于抽芯 壁厚均匀 宜薄 不宜厚 因不易产生浇不到 冷隔等缺陷 1 压铸件的结构设计 图2 3 20便于取出铸件的设计 图2 3 21镶嵌件的应用 镶螺母镶铜衬镶宝石 2 注意嵌件连接为使压铸件中嵌件连接牢固 应在嵌件镶入铸件的表面预制出凹槽 凸台或滚花 设计熔模铸件的结构时应考虑到 为便于熔模铸造浸渍涂料和撒砂 孔 槽不宜过小或过深 通常 孔径应大于2mm 薄壁件的孔径应大于0 5mm 对于通孔 孔深 孔径 4 6 对于盲孔 孔深 孔径 2 槽宽应大于2mm 槽深为槽宽的2 6倍 2 熔模铸件的结构设计 孔 槽不宜过小或过深 图2 3 22在大平面上设工艺孔和筋 2 尽量避免大平面熔模型壳高温易变形 应尽量避免大平面 或在大平面上设工艺孔或加强筋 可增加型壳刚度 图2 3 23金属型铸件结构和抽芯的关系 a 结构不合理 b 结构合理 3 金属型铸件结构设计 1 应保证铸件能顺利抽出金属型芯 表2 3 2金属型铸件的最小壁厚 2 金属型铸件壁厚应大于最小壁厚 表2 3 3金属型铸造最小铸孔 mm 3 为便于型芯的安放及顺利抽出铸件 孔径不能过小 过深 浇注位置的选择 质量第一 通常遵循以下原则 浇注位置是浇注时铸件在铸型内所处的位置 分型面是铸型砂箱间的结合面 一 浇注位置与分型面的选择 液态合金中金属密度大 而非金属杂质 气体等密度小 易于上浮 铸件上表面易于产生砂眼 气孔 夹渣等缺陷 锥齿轮铸件的浇注位置 a 铸件的重要加工面或主要工作面应处于底面或侧面 对单个面而言 铸件的重要加工面或大部分加工面 加工基准面放在同一砂箱中 以免错箱等 对多个面而言 5 1 2铸造工艺设计 书中1 4 开始具体铸造 如铸件如何放 分型面 模样尺寸等 第一步 铸件如何放 分型面在那 b 铸件大平面应朝下 c 铸件的薄壁应朝下 垂直 倾斜 免浇不足 冷隔 厚壁应朝上 分型面附近上部或侧部 利安放冒口 顺序凝固 大平面浇注位置 图2 2 7壳体铸件浇注位置 夹砂示意图 分型面的选择 方便工作 分型面一般应取在铸件的最大截面上 否则难以取出模样 分型面选择应遵循下述原则 a 铸件的加工面及加工基准面尽量放在同一砂型中 以保证铸件的加工精度 b 主要型芯应尽量放在下半铸型中 图2 2 12 图2 2 9管子堵头分型面 分型面要 三少 一大 一平直 c 应尽量减少分型面数量 并力求采用平面 前工艺性也有但前主要是设计时考虑 d 应尽量减少型芯 活块的数量 2 2 12左两图是一个铸件的结构 图2 2 10壳体分型面选择 图2 2 11弯臂分型面的选择 端盖浇注位置和分型面的选择 方案一 方案二 二 确定工艺参数 第二步 画铸件图 画模样图 制模样等 为了绘制铸造工艺图 在铸造方案确定后 还需要选定如下工艺参数 机械加工余量 收缩率 起模斜度 铸造圆角 最小铸出孔 槽尺寸 型芯头a 芯头高 或长 度和斜度b 芯头装配间隙 机械加工余量 铸件比零件大 机械加工余量是铸件上为切削加工而加大的尺寸 大量生产时余量可减小 单件小批量生产时 余量应加大 表面粗糙时 余量应加大 如铸钢 位于铸型上部的面 孔面余量应大些 非铁金属表面光洁且材料价格昂贵 余量应减小 铸件尺寸越大 加工余量越大 加工面与基准面距离越大 加工余量越大 要求的机械加工余量RMA等级有10级 称之为A B C D E F G H J和K级 见表2 2 5 推荐用于各种铸造合金和铸造方法的RMA等级列在表2 2 6中 表2 2 5毛坯铸件典型的机械加工余量等级 注 最终机械加工后铸件的最大轮廓尺寸 表2 2 6机械加工余量 注意 1 先选公差等级CT 2 再选加工余量等级 3 加工余量表中的基本尺寸是指加工表面上最大基本尺寸和该面与它的加工基准之间距离较大的一个 4 顶面 孔的加工余量等级应降一级使用 端盖的机械加工余量 端盖零件材质为灰铸铁 且采用砂型铸造手工造型 由表2 2 5查得 其机加工余量等级为F H级 由于批量不大 故选为H级 零件最大尺寸为165mm 查表2 2 6得 大端面外圆直径 72mm端面的机加工余量为4mm 孔内余量应稍大 取为5mm 国家标准规定 加工余量用红线画出轮廓 剖面处全涂以红色 或细纹格 机加工余量数值用数字在图纸上直接标出 例2 零件为灰铸铁 手工造型 小批量生产 尺寸公差等级取13 求图中1 5各面的加工余量 收缩率 模样比铸件大一收缩量 由于合金的线收缩 铸件冷却后的尺寸将比型腔尺寸略为缩小 为保证铸件的应有尺寸 模样尺寸必须比铸件尺寸放大一个该合金的收缩量 不同的铸造合金 其收缩率大小不同 砂型铸造时的铸件线收缩率如表2 2 4所示 表2 2 4砂型铸造时铸件线收缩率 端盖是小型普通灰铸铁件 且结构简单 查表得线收缩率为1 起模斜度 自学P56 57 取模为平行于起模方向的表面在模样或芯盒壁上所设计的斜度 内大外小 铸造圆角 自学P59 设计制作模样时 相邻两壁之间的交角都应做成圆弧过渡的铸造圆角 内大外小 一般中 小型铸件的铸造圆角半径为3 5mm 端盖属小型铸件 未注铸造圆角均为R3 5mm JB T5105 1991铸件模样起模斜度规定了砂型铸造所用的起模斜度 如表2 2 7 表2 2 7砂型铸造时模样外表面的起模斜度 摘自GB T5105 91 最小铸出孔 槽尺寸 灰铸铁件最小铸出孔直径 单件小批生产时为30 50mm 大量生产时为12 15mm 端盖上有两个 11mm孔及两个 22mm深2mm沉孔 直径均小于30mm 不易铸出 由机加工完成 在铸造工艺图上 不铸出孔用红线打叉表明 端盖 72 圆柱增加壁厚法 起模斜度为1mm 62mm内孔 取3mm 使内孔易于脱模 型芯头 a 芯头高 或长 度和斜度 垂直芯头高度 水平芯头的长度L 随芯头直径和型芯长度增加而加大 芯头斜度 下芯头斜度小 高度大些 上芯头斜度大 高度小些 图2 2 16型芯头的构造 型芯头是指型芯的外伸部分 不形成铸件的轮廓 型芯需要型芯头支撑 定位 排气和落砂 b 芯头装配间隙 为了便于下芯和合型 芯头与芯座之间应留有间隙S 一般S为0 5 4mm 端盖铸件内孔的直径大于铸件的高度 可以使用砂垛代替型芯 没有型芯头的设计问题 图2 2 16型芯头的构造a 垂直芯头b 水平芯头 三 浇注系统 自学P59 60 四 绘制铸造工艺图与铸件图 自学60 63 图2 2 17端盖的铸造工艺图与铸件图 绘制铸造工艺图的目的 1 铸件的形状 2 尺寸有哪些变化 3 生产方法 工艺过程 4 制造模样 芯盒 造型芯 5 检验铸件 五 铸件质量及检验1 铸件质量概念 自学P70 2 自学表1 24 六 金属液态成型经济性分析和环境保护 略 七 金属液态成形新技术新工艺1 壳型铸造 参见P46 47 一般砂型 由于强度低 不得不采用比面砂多几倍的背砂作支持物 以支持金属液压 使金属凝固时构成一定的几何形状 这样 一方面增加了型砂周转量 另一方面由于砂型各部分的紧密度和强度不匀 难于将铸件尺寸固定在允许的公差以内 因而对铸件质量不易控制 壳型是利用热熔性树脂和硅砂作为造型材料 由于树脂在硬化后强度很大 只需一层薄壳就可支撑 2 悬浮铸造 60年代末提出 金属粉末或颗粒加进金属液流中 1 结晶核心 2 极细的内冷铁 降温 细化晶粒 在进行悬浮铸造时 粉末材料既不是加到浇包中 也不是直接加到铸型中 而是在浇注时加到浇注系统中 因为粉末材料加到浇包中将降低金属液的温度导致流动性变差而难以浇注 直接加到铸型中则很难均匀分布 因此 悬浮铸造的铸型结构与普通砂型结构的差别主要是在浇注系统 P82图1 49 方面 前者比后者增加了专用的浇口铸型 此浇口铸型有一个离心式集液包 当金属液沿着侧面呈切线方向进入集液包后 即绕其中心线旋转 而后通过直浇口流入铸型 由于旋转 金属液在集液包中形成一个漏斗型的空腔即漩涡中心 造成负压 吸住由供料斗中撒落下来的粉末状微型冷铁 并将其卷入液流中心 使微型冷铁不致于粘附到浇注系统壁上而妨碍金属流动 通过对悬浮铸造浇注系统的分析表明 微型冷铁在内浇口中才逐渐散开 均匀分布 随金属液流人铸型中 3 近净成形技术 半固态加工 指零件成形后 仅需少量加工或不再加工 就可用作机械构件的成形技术 它是建立在新材料 新能源 机电一体化 精密模具技术 计算机技术 自动化技术 数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上 改造了传统的毛坯成形技术 使之由粗糙成形变为优质 高效 高精度 轻量化 低成本的成形技术 该项技术包括近净铸造成形 精确塑性成形 精确连接 精密热处理改性 表面改性 高精度模具等专业领域 并且是新工艺 新装备 新材料以及各项新技术成果的综合集成技术 固相率0 2时形成连续的网络骨架 失去宏观流动性 冷却凝固时强烈搅拌 颗粒状非枝晶固相率达0 5 0 6时 仍具有一定流变性 从而可以压铸 挤压 模锻 液固共存区 半固态加工 1 原理 利用半固态 搅拌 近球状晶体 2 特点 流动性 压铸充型平稳 降低卷气 缩松 晶粒小 组织致密 收缩 浇注温度低 压力下充型和结晶 减小收缩 变形小 缩松少 余量小 精度高 浇注温度低 提高金属型寿命 4 喷雾沉积铸造 简介 快速原型技术简介 1 快速原型技术的概念快速原型 RP M 技术是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维实体零件技术的总称 RP M技术的成形原理不同于传统制造的去除法 切削加工 电火花加工等 和变形法 铸造 锻压等 而是一种分层制造的材料累加方法 从成形角度看 零件可视为 点 或 面 叠加而成 RP M技术从CAD三维模型中离散得到点 面的几何信息 再与成形工艺参数信息结合 控制材料有规律 精确地由点到面 由面到体地堆积零件 从制造角度看 它根据CAD造型生成零件三维几何信息 控制多维系统 通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件 2 快速原型技术的特征 RP M技术是CAD技术 数控技术 激光技术以及材料科学技术的高度集成 在成形概念上以离散 堆积为指导 在控制上以计算机和数控为基础 以最大的柔性为目标 CAD技术实现零件的曲面和实体造型 能够进行精确的计算和复杂的数据交换 数控技术使精确的运动控制 能量传输控制 材料转移控制等成为可能 激光的极高能量密度和极小光斑直径的特性是实现切割 烧结 聚合反应等工艺的保证 材料科学则提供满足各种性能要求的材料 如光敏材料 热敏材料等 此外RP M技术还有以下特征 l 高度柔性 它取消了专用工具 在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件 2 设计制造一体化 RP M技术采用了离散 堆积分层制造工艺 能够克服传统的CAD CAM技术中成型思想的局限性 很好地将CAD CAM一体化 3 快速性 RP M技术中 从CAD设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时 比传统的成型方法速度要快得多 适合于新产品的开发与管理 4 自由成形制造 RP M技术的这一特点是基于自由成形制造的思想 自由的含义有两个方面 一是指根据零件的形状 不受任何专用工具 或模腔 的限制而自由成形 二是指不受零件任何复杂程度的限制 5 材料的广泛性 由于各种RP M工艺的成形方式不同 因而材料的使用也各不相同 如金属 纸 塑料 光敏树脂 蜡 陶瓷 甚至纤维等材料在快速原型领域已有很好的应用 因此RP M技术与传统加工技术相比 有如下优势 l 从设计角度可以设计制造任意复杂的三维几何实体 不用考虑毛坯形状 工装卡具 时间和成本的限制 减少零件数量 不受刀具加工能力的限制 同时用于精度 装配的时间减少 目前已发展出多种多样的RP M方法 各种RP M方法工艺过程基本相同 图10 1 1 先由CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型 然后根据工艺要求 将其按照一定厚度进行分层 把原来的三维电子模型变成二维平面信息 截面信息 再将分层后的数据进行一定的处理 加入工艺参数 产生数控代码 最后数控系统以平面加工方式有序地加工出每个薄层并使它们自动粘结而成形 2 从制造角度CAD模型直接驱动 成形过程无需人干预或较少干预 通用成形设备无需专用夹具或工具 减少材料浪费 降低原材料储存运输费用等 参数化设计 参数化制造 零件一致性好 图10 1 1快速原型工艺基本过程 3 从市场和用户角度避免传统方法中复杂的中间加工制造环节和设计失误造成的损失 实时地根据市场需求低成本 少风险地改变产品 产品多样化 面向订单生产 1 6 1 2快速原型工艺 发展新型的先进成形工艺是RP M的核心 目前市场上推出的RP M成形方法已有十余种 并还在迅速发展 常见的有立体平版印刷法 逐层轮廓成形法以及选择性激光烧结法 光掩膜法 熔化堆积法和直接制模铸造法等 1 激光烧结 SLS 法 SLS法的基本原理是依靠CAD软件 在计算机中建立三维实体模型及其表面 由CO2激光器发出的光束在计算机的控制下 根据几何形体各层横截面的坐标数据对材料粉末层进行扫描 在激光照射的位置上 粉末熔化并凝固在一起 再铺上一层新的粉末 再用激光扫描 烧结 新的一层和前一层自然地烧结在一起 最后就可制造出所需零件 SLS法与立体平版印刷法生产过程相似 只是将液态激光固化树脂换成在激光照射下可烧结成形的粉末烧结材料 其工艺过程如图10 1 2所示 用红外线板将粉末烧结材料加热至恰好低于烧结点的温度 然后用计算机控制激光束 按零件的截面形状扫描平台上的粉末烧结材料 使其受热熔化烧结 继而平台下降一个厚层 用滚子将粉末烧结材料均匀地分布在烧结层上 再用激光烧结 如此反复进行 逐层烧结成形 SLS技术所用的材料除金属粉末外 还可以使用聚合物和陶瓷 从而使所成形的模样性能符合设计要求 适应不同的需要 也可以制造出高强度的零件 因为粉末是经过压实的 所以SLS技术不需要支撑 但是SLS模型是一种烧结技术产品 烧结过程中单位面积的吸收功率要非常准确 控制有一定难度 此外模型表面相对粗糙 要进行适当的焙烧固化并经打磨处理 当粉末粒径为0 1mm以下时 SLS法成形后的模样精度可达 1 图10 1 2选择性激光烧结法工艺原理 SGC是立体平版印刷法的扩展 与立体平版印刷法激光直接在树脂液面扫描成形不同 而是让激光通过一个可编程的光掩膜照射树脂成形 如图10 1 3所示 光掩膜上的图形是掩膜机在模型片层参数的控制下 利用电传照相技术在平板玻璃上调色或静电喷涂而成零件断面图形 零件截面部分可透过紫外光 SGC法采用高能紫外激光器 成形速度快 可以省去支撑结构 SGC法的模型精度可达 0 l 图10 1 3光掩膜法 2 光掩膜 SGC 法 FDM技术是在SLS技术的基础上发展起来的新型成形技术 FDM技术不采用激光 而采用一个加热头将热塑性材料细丝加热成半液态 计算机控制下的FDM喷嘴根据CAD模型所确定的几何信息将半液态的热塑性材料挤出 沉积成薄层 层层堆积 将零件的几何设计变成真实零件 3 熔化堆积 FDM 法 FDM的大致工作过程如图1 1 4所示 FDM喷嘴在计算机的控制下作零件堆砌所需的运动 而整个过程中所需的成型材料则由喷嘴以半熔融状态挤压出来 通过正确控制成型材料的熔化温度和成型的工作环境温度 使从喷嘴中挤压出的半熔融状态的成型材料在离开喷嘴的瞬间开始凝固 即当喷嘴离开成型位置后 成型位置处留下的是已 或接近 凝固的成型材料 经过喷嘴以一定的厚度填充出一个个截面的薄层 然后在高度方向堆砌出成型零件的三维实体 由于液流非常细小 所以固化十分迅速 不会发生流淌 图1 1 4熔化堆积法工艺原理 FDM技术可以最大限度地利用成型材料 但由于必须使喷嘴按一定的轨迹运动 所以成型时间较长 同时 由于喷嘴有一定的质量 运动时有惯性 其动态性能与运动速度有关 这在很大程度上限制了成型速度的提高 FDM技术做出的模型 从材料的性能以及外观上都非常接近实际 制得的石蜡模样可以直接用作熔模铸造的蜡模 所以在制造概念模型和验证产品功能方面有独特的优势 其应用范围越来越广泛 4 直接制模铸 壳型制造 DSPC DSPC法得到的是一个型腔形状 尺寸与零件一致的陶瓷模壳 可直接用来浇注 因此又称为陶瓷壳法 DSPC法首先把零件的CAD模型输入模壳设计装置 选择零件的铸造收缩率 铸造圆角 加工余量等 图10 1 5DSPC法工艺过程 设计各个模壳的模腔数和浇注系统类型等 模壳设计装置就产生一个达到规定厚度 需要时配有模芯的模壳组件的电子模型 把模壳的电子模型输人模壳制造装置 由电子模型驱动制成固体的三维陶瓷模壳 陶瓷模壳的制造过程如图10 1 5所示 先涂敷一层陶瓷粉末 喷头在计算机控制下根据零件截面形状喷粘结剂 印刷一次 形成一层凝结粉末层 没有喷到粘结剂的粉末仍为分散状在成形部分间起支撑作用 一层一层重复循环 最终粘结形成一个三维实体 即直接得到一个陶瓷壳 烧结后即可用于浇注 再构成机器造型的模板 1 1 3快速原型技术在热加工中的应用 RP M技术自20世纪80年代初问世以来得到迅速发展 成为先进制造技术的重要组成部分 并得到广泛应用 目前RP M技术的应用领域已遍及机械 电子 汽车 医疗 建筑等行业 RP M技术在热加工中的应用主要有以下几方面 1 直接制造形状复杂的单个零件快速原型工艺制作树脂模样或石蜡原型 可用熔模铸造或实型铸造方法直接浇注铸件 例如航空航天工业中特种铸造产品的生产 或新产品试制 2 中小批量生产时利用原型翻制模具后再制造零件快速原型工艺制作的原型采用熔模铸造 石膏型铸造或砂型铸造等方法翻制母模 然后制蜡模或直接浇注成铸件 美国克莱斯勒公司用选择性激光烧结法制成蜡模 生产形状很复杂的汽车进排气管 3 批量生产时利用原型模样制造模具利用快速原型技术制得的模具原型直接铸造出金属模具 也可以将低熔点合金喷涂在原型表面用作熔模铸造压蜡模具 此外 利用陶瓷壳法制作的陶瓷型可直接用来浇注金属模具 美国福特汽车公司采用逐层轮廓成形法制造长685mm的汽车曲轴陶瓷原型 将先后制作的三部分拼装成砂型铸造用的模板 尺寸精度达到 0 13mm 传统模具制造往往是靠切削加工和特种加工的方法 有时还需要钳工修整 费时耗资 且精度不高 尤其是形状复杂的薄壁铸件 例如涡轮发动机的叶片 船用螺旋浆 汽车拖拉机的缸体 缸盖等 采用数控机床 仿型铣等先进设备加工模具的周期长 与之相比 快速原型技术以较低的费用迅速由图纸直接得到零件的实物原型 并能方便地进行修改 使模具开模制造的风险降低到最低限度 1 6 3专家系统 1 专家系统的概念专家系统是一种计算机软件 它把有关领域的专家知识表示成计算机能够利用的形式 传统程序通过一套算法处理数据 以达到在有限步骤内解决问题的目的 与之不同 专家系统利用产生式结构来解决问题 产生式结构包括 包含事实的知识库 规则和如何应用规则的推理机构 一般专家系统包括知识获取模块 知识库 推理机构及人机接口四个核心部分 图10 2 3 图10 2 3专家系统结构 1 知识获取模块实现专家系统的自学习 使专家系统的 业务水平 进一步提高 2 知识库存储领域专家提供的专门知识 含有与领域问题相关的理论知识 常识性知识和专家凭经验得到的启发性知识 3 推理机构是在一定的控制策略下针对当前问题的信息 识别 选取 匹配知识库中的产生式规则 以得到问题求解结果的一种机制 4 人机接口将专家和用户的输入信息翻译成系统可接收的内部形式 同时把系统向专家或用户的输出信息转换为人类易于理解的形式 其中 知识库是整个专家系统的重要支柱 知识库的建立是通过收集 整理 归纳和提炼现有的生产数据和专家经验的基础上 补充发展新的信息 使其形成一种资源 建立尽可能完整 丰富的知识库 就可以使计算机专家系统对所遇到的问题进行全面 综合的分析 并可从浩渺的数据海洋中得到人工分析不可能得出的有用的结果 知识库水平的高低 在很大程度上决定专家系统的知识水平和工作能力 专家系统分为诊断型 规划设计型和实时控制型等类型 它们分别解决生产故障 废品分析与改进 生产状况与产品的预测和规划 生产工艺过程的优化与设计 生产过程的自动控制与监测等任务 专家系统与人类专家相比 具有以下特点 1 在知识的广度方面 一个专家系统只是人类专家知识极为有限的一部分 并且在求解方面基本上还是以模仿的方式进行 而对于其他领域则一无所知 另外 系统的知识获取主要靠人工输入 现有的专家系统自学能力有限 2 在知识的深度方面 专家系统缺乏对基本原理的理解 知识层次不够 所以有些专家系统尽管在限定范围内问题求解的性能上达到专家水平 但仍不能称其实现专家思维的高度模拟 3 在速度和精度方面 在一些需要结合大量数据处理或多因素协调控制的问题领域 专家系统能在速度和精度方面克服人类专家的不足 还可以克服人类专家的遗忘 疲劳 紧张 粗心 以及各种外界干扰和心理因素的偏见等不利影响 随着专家系统技术的逐步成熟 目前已在医疗诊断 化学工程 资源勘探 工程技术 语音识别 图像处理 金融决策 军事科学等领域中研制了大量的专家系统 有的在性能上已达到 甚至超过同领域人类专家的水平 2 专家系统在热加工中的应用 国内研制的 型砂质量管理专家系统