机械工程材料ppt课件

第八章铸造 1 何为铸造 熔炼金属 制造铸型 并将熔融金属浇入铸型 凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法 称为铸造 砂型铸造 概述 铸造生产在机械制造业中的地位 概述 砂型铸造概述 概述 铸造产品 概述 铸铝件 球铁铸件 铸铜 1 灵山大佛通高88米 佛体79米 莲花瓣9米 2 灵山大佛佛体 不含莲花瓣 由1560块6 8毫米厚的铜壁板构成 焊缝长达30余公里 3 灵山大佛铸铜约700吨 铜板面积达九千多平方米 约一个半足球场大小 4 由于高科技的运用 灵山大佛能抵御14级台风和8级地震的侵袭 优点 1 可以生产出形状复杂 特别是具有复杂内腔的零件毛坯 如各种箱体 床身 机架等 2 铸造生产的适应性广 工艺灵活性大 工业上常用的金属材料均可用来进行铸造 铸件的重量可由几克到几百吨 壁厚可由0 5mm到1m左右3 铸造用原材料大都来源广泛 价格低廉 并可直接利用废机件 故铸件成本较低 2 铸造的优缺点 概述 缺点 1 铸造组织疏松 晶粒粗大 内部易产生缩孔 缩松 气孔等缺陷 因此 铸件的力学性能 特别是冲击韧度低于同种材料的锻件 2 铸件质量不够稳定 概述 第一节合金的铸造性能 一 合金的流动性及充型能力 一 流动性 螺旋形标准试样 流动性是熔融金属的流动能力 合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量 试样越长 流动性越好 第一节合金的铸造性能 铸件的主要缺陷及产生原因如图所示 第一节合金的铸造性能 第一节合金的铸造性能 常用合金的流动性 砂型 试样截面8 8mm 第一节合金的铸造性能 二 影响合金流动性的因素 1 不同结晶特征的合金的流动性 第一节合金的铸造性能 二 影响合金流动性的因素 2 化学成分对合金流动性的影响 铁碳合金的流动性与相图的关系 第一节合金的铸造性能 三 充型能力及其影响因素 充型能力是指液态合金充满铸型型腔 获得形状完整 轮廓清晰的合格铸件的能力 1 浇注条件 1 浇注温度 第一节合金的铸造性能 2 充型压力 3 浇注系统 结构复杂 流动阻力大2 铸型条件蓄热系数 温度以及铸型中的气体等均影响流动性 第一节合金的铸造性能 二 铸件的凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间 称为中间凝固方式 中碳钢 高锰钢 白口铸铁等具有中间凝固方式 一般将铸件的凝固方式分为三种类型 逐层凝固方式 体积凝固 或称糊状凝固 方式和中间凝固方式 体积凝固 第一节合金的铸造性能 三 铸造合金的收缩 一 收缩的概念把液态合金在凝固和冷却过程中 体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩 它是铸造合金本身的物理性质 收缩是铸件中许多缺陷如缩孔 缩松 裂纹 变形和内应力等产生的基本原因 图9 4温度梯度对凝固区域的影响 合金的收缩经历如下3个阶段 第一节合金的铸造性能 第一节合金的铸造性能 二 影响收缩的因素 1 化学成分的影响 常用合金中 铸钢的收缩率最大 灰铸铁最小 碳素钢随合碳量的增加凝固收缩率增加 而固态收缩率略减 灰铸铁中碳 硅含量越高 硫含量越低 收缩率越小 2 浇注温度的影响 3 铸件结构与铸型条件的影响 浇注温度主要影响液态收缩 合金的浇注温度愈高 过热度愈大 液态收缩量愈大 则总收缩量相应增加 铸件的实际收缩率比自由收缩率小 第一节合金的铸造性能 三 铸件的缩孔和缩松 1 缩孔和缩松的形成 纯金属 共晶成分和凝固温度范围窄的合金 浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固 在凝固过程中 如得不到合金液的补充 在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔 图8 5缩孔的形成过程示意图 第一节合金的铸造性能 1 缩孔和缩松的形成 铸件最后凝固的收缩未能得到补足 或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固 凝固区域较宽 液 固两相共存 树枝晶发达 枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致 a 锯齿形凝固前沿 b 形成液体小区 c 形成缩松图8 6缩松的形成过程 第一节合金的铸造性能 三 铸件的缩孔和缩松 一定成分的合金 缩孔 缩松的数量可以相互转化 但其总容积基本一定 如图所示 铁碳合金成分与体积收缩率的关系 防止缩孔和缩松的基本原则是 采用合理的工艺条件 使缩松转化为缩孔 并使缩孔移至冒口中 三 铸件的缩孔和缩松 2 缩孔和缩松的防止 第一节合金的铸造性能 1 按照顺序凝固原则进行凝固是指采用各种工艺措施 使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度 从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固 如图所示 使缩孔转移到冒口中 适用于收缩大或壁厚差别大 易产生缩孔的合金铸件 如铸钢 高强度灰铸铁 可锻铸铁等 顺序凝固原则示意图 三 铸件的缩孔和缩松 2 缩孔和缩松的防止 第一节合金的铸造性能 2 合理确定内浇道位置及浇注工艺内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定 浇注温度和浇注速度应根据铸件结构 浇注系统类型确定 慢浇有利于顺序凝固 有利于补缩 消除缩孔 三 铸件的缩孔和缩松 2 缩孔和缩松的防止 第一节合金的铸造性能 3 合理应用冒口 冷铁和补贴等工艺措施 冒口冷铁的作用 冒口 在铸件厚壁处和热节部位设置冒口 是防止缩孔 缩松最有效的措施 冷铁 用铸铁 钢 铜等材料制成的激冷物 加大冷却速度 调节凝固顺序 2 缩孔和缩松的防止 第一节合金的铸造性能 三 铸件的缩孔和缩松 补贴 对于板件和壁后均匀的薄壁件 由于冒口的有效补缩距离所限 往往在铸铁的内部仍产生缩孔和缩松 若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度 使铸件壁厚变成朝冒口铸件增厚的形状 即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度 所增加的楔形部分 称为 补贴 3 合理应用冒口 冷铁和补贴等工艺措施 三 铸件的缩孔和缩松 2 缩孔和缩松的防止 第一节合金的铸造性能 铸件的缩孔和缩松录像 第一节合金的铸造性能 四 铸造应力 变形与裂纹 内应力 热应力 机械应力 变形 裂纹 铸件在凝固和冷却的过程中 由于铸件的壁厚不均匀 导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力 铸件在固态收缩时 因受到铸型 型芯 浇冒口 砂箱等外力阻碍而产生的应力 残余热应力的存在 使铸件处在一种非稳定状态 将自发地通过铸件的变形来缓解其应力 以回到稳定的平衡状态 当热应力大到一定程度会导致出现裂纹 第一节合金的铸造性能 热应力的形成过程演示 第一节合金的铸造性能 机械应力形成过程分析 机械应力 机械应力会导致形成裂纹 应适时开箱加以解决 第一节合金的铸造性能 铸件的结构 铸件各部分能自由收缩工艺方面 采用同时凝固原则时效处理 人工时效 自然时效 铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀 热应力的消除方法 第一节合金的铸造性能 第二节砂型铸造 制做铸型和型芯所用的材料成为造型材料 主要分型砂与芯砂 由原砂 粘接剂 水和附加物配制而成 一 型 芯 砂的性能1 强度 应保证铸型 或型芯 受外力作用时 不易被损坏 型砂强度不足会造成塌箱 冲砂与砂眼等缺陷 2 透气性 铸型 或型芯 能允许气体通过 因为浇注时 型腔内的空气及铸型产生的挥发气体要通过砂型逸出 3 可塑性 型砂受力易成型且获得清晰轮廓 可塑性好 作兴方便 造型的轮廓清晰 可铸出形状尺寸精确的铸件 一 造型材料 第二节砂型铸造 4 耐火性 型 芯 砂在高温液态金属作用下 不软化 不熔融和不粘结的能力 耐火性差的型 芯 砂 砂粒易粘附在铸件表面 使清砂和切削加工困难 5 退让性 铸件凝固收缩时 型 芯 砂不阻碍铸件收缩 退让性差的型芯砂 将阻碍铸件的收缩 会使铸件产生应力 引起变形 甚至开裂 型芯在浇注时 四周被液态金属包围 故要求芯砂性能比型砂高 第二节砂型铸造 二 型 芯 砂的组成及配制过程 1 型 芯 砂的组成原砂是型砂和砂芯的主要组成部分 其主要成分是由SiO2及其他氧化物 砂粒均匀且呈圆形的好 一般采自山地 沙漠 河滩和海滨 粘结剂其作用是江砂粒互相粘结在一起 使型 芯 砂具有一定的强度和可塑性 种类很多 常用的有陶 高岭 土 膨润土 油类 合脂 树脂与水玻璃等 第二节砂型铸造 附加物为了改善型 芯 砂某些性能而附加的物质 例如 加入煤粉可提高耐火性 加入水玻璃可提高强度 加入木屑可改善透气性和退让性等 型砂和芯砂的组成物决定于铸造合金的种类 铸件的大小及结构特征等 2 型 芯 砂的制备过程烘干 筛分 混砂 先干混后湿混 砂 停放 闷砂 第二节砂型铸造 1 模样的制造一般情况 模样的外形与铸件的外形相似 其尺寸要大于铸件 这是因为金属有冷却收缩 模样应有足够的强度和刚度 以及与逐渐向适应的表面粗糙度和尺寸精度 根据制造模样所用的材料不同 分为木模样 金属模样和塑料模样等 可根据铸件的要求 造型方法和生产批量等 经济合理的选用 第二节砂型铸造 木模样 是模样中应用最广泛的一种 具有质轻 价廉和容易加工等优点 但强度低 容易变形和损坏 一班用于单件和中小批量生产 常用木材有 红木 杉木 银杏等 金属模样 用铸铁 铜合金和铝合金等金属材料制造的模样 铝模最为多见 金属模样的强度高 尺寸精确 表面光洁 寿命长 但制造时生产周期长 成本高 用于大批量生产 二 芯盒的制造芯盒的型腔与铸件的内腔孔洞相似 其尺寸应考虑铸件内腔的加工余量和收缩量 根据制造芯盒的材质不同 也可以分为木芯盒和金属芯盒 金属芯盒的材料一般是铸造铝合金 第二节砂型铸造 三 造型与制芯工艺 造型是指用型砂 模样 砂箱等工艺装备制造砂型的过程 制芯是将芯砂制成符合芯盒形状的砂芯的过程 图砂型铸造工艺流程 第二节砂型铸造 第二节砂型铸造 二 砂型铸造的工艺过程将液体金属浇入用型砂紧实成的铸型中 待凝固冷却后 将铸型破坏 取出铸件的铸造方法称为砂型铸造 砂型铸造工艺过程制造模样 芯盒 配制型砂 芯砂 造型和造芯 烘干 合箱 熔炼金属 浇注 落砂 清理与检验等 第二节砂型铸造 三 砂型铸造造型方法 一 手工造型 单件 小批量生产 二 机器造型 中 小件大批量生产 三 机器造芯 中 小件大批量生产 四 柔性造型单元 各种形状与批量生产 套筒的砂型铸造过程 第二节砂型铸造 第二节砂型铸造 一 手工造型 1 整模造型的模样是整体的 分型面是平面 铸型型腔全部在半个铸型内 其造型简单 铸件不会产生错型缺陷 适用于铸件最大截面在一端 且为平面的铸件 第二节砂型铸造 2 分模造型是将模样沿最大截面处分成两半 型腔位于上 下两个砂箱内 造型简单省工 常用于最大截面在中部的铸件 第二节砂型铸造 支承台的分块模造型实例 第二节砂型铸造 三箱造型 第二节砂型铸造 法兰座的三箱造型实例 第二节砂型铸造 3 挖砂造型的模样是整体的 但铸件分型面为曲面 为便于起模 造型时用手工挖去阻碍起模的型砂 其造型费工 生产率低 工人技术水平要求高 用于分型面不是平面的单件 小批生产铸件 第二节砂型铸造 手轮的挖砂造型实例 第二节砂型铸造 4 活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台 肋条等这些部分作成活动的 即活块 起模时 先起出主体模样 然后再从侧面取出活块 其造型费时 工人技术水平要求高 主要用于单件 小批生产带有突出部分 难以起模的铸件 第二节砂型铸造 5 刮板造型是用刮板代替实体模样造型 它可降低模样成本 节约木材 缩短生产周期 但生产率低 工人技术水平要求高 用于有等载面或回转体的大 中型铸件的单件 小批生产 如带轮 铸管 弯头等 刮板造型实例 第二节砂型铸造 6 地坑造型在地平面以下的沙坑中或特制的地坑中制造下型的造型方法 特点是省掉了下砂箱 但造型操作麻烦 用于中型 大型铸件单件或小批量生产 第二节砂型铸造 平板的地坑造型实例 第二节砂型铸造 7 假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点 在造型前预先做个底胎 即假箱 然后在底胎上制下箱 因底胎不参予浇注 故称假箱 比挖砂造型操作简单 且分型面整齐 适用于成批生产中需要挖砂的铸件 假箱造型实例 第二节砂型铸造 二 机器造型 机器造型是将填砂 紧实和起模等主要工序实现了机械化 并组成生产流水线 机器造型生产率高 铸型质量好 铸件质量高 适用于中小型铸件的大批量生产 自动造型生产线1 卸箱机2 移箱机3 13 落砂4 下箱自动造型机5 刷砂刷6 平车7 放箱机8 翻转机9 合型机10 辊道11 换模小车12 上箱自动造型机14 铸型15 浇注工段16 输送带 第二节砂型铸造 机器造型方法一 1 振压造型工作原理 机器造型方法 振压造型 高压造型 抛砂造型 a 填砂b 振实c 压实d 起模 图8 11振压式造型机工作原理 第二节砂型铸造 震压式造型录像 第二节砂型铸造 三 机器造芯 在大批量生产中 常用型芯制作设备是射芯机和壳 吹 芯机 第二节砂型铸造 射砂挤压造型录像 射芯机工作原理 第二节砂型铸造 四 浇注系统的确定 图浇注系统的组成1 外浇口2 直浇口3 横浇口4 内浇口5 冒口 浇注系统指液态金属流入铸型型腔的通道 浇注系统一般包括外浇口 直浇道 横浇道 内浇口等 第二节砂型铸造 浇注系统的组成1 外浇口2 直浇口3 横浇口4 内浇口5 冒口 浇注系统应保证液态金属平稳地引入铸型 要有利于排渣和排气 并能控制铸件的凝固顺序 冒口的作用是补缩 集渣 通气 排气 对冒口的要求是 金属液足够补缩量 补缩通道畅通 且保证冒口的凝固时间要大于铸件的凝固时间 第二节砂型铸造 浇口位置的确定对铸件质量影响很大 依据铸件的具体结构 合金种类等有以下几种 第二节砂型铸造 五 砂型铸造工艺设计 铸造工艺图包括 铸件的浇注位置铸型分型面铸造工艺参数 支座的零件图 铸造工艺图 模样图及合型图 第二节砂型铸造 一 浇注位置的选择 铸件的重要加工面应朝下或位于侧面 浇注位置 浇注时铸件在铸型中的空间位置 浇注位置的选择原则 第二节砂型铸造 铸件的大平面应朝下 面积较大的薄壁部分置于铸型下部或侧面 铸件厚大部分应放在上部或侧面 浇注位置的选择原则 第二节砂型铸造 铸件厚大部分应放在上部或侧面 二 铸型分型面的选择 a 铸件 b 四箱造型 c 三箱造型 d 两箱造型三通类铸件的分型面的选择 第二节砂型铸造 选择原则 应保证模样能顺利的从铸型中取出 应尽量减少分型面的数量 应尽量使分型面是一个平直的面 应使铸件的全部或大部分置入同一砂箱 应使铸件的全部或大部分置入下箱 应尽量使型芯和活块的数量减少 分型面 指铸型中相互结合的表面 第二节砂型铸造 应保证模样能顺利从铸型中取出 a 不合理 b 合理 分型面应选在最大截面处示意图 第二节砂型铸造 应尽量减少分型面的数量 第二节砂型铸造 应尽量使分型面是一个平直的面 第二节砂型铸造 应使铸件的全部或者大部分位于同一砂箱 使铸件的全部或者大部分位于同一砂箱 易于保证铸件的尺寸精度 第二节砂型铸造 应使铸件的全部或大部分置入下箱 第二节砂型铸造 应尽量使型芯和活块的数量减少 图为一侧凹铸件 图中的分型方案1要考虑采用活块造型或加外型芯才能铸造 采用图中的方案2则省去了活块造型或加外型芯 第二节砂型铸造 三 工艺参数的确定 加工余量 收缩率 拔模斜度 铸造圆角 型芯及型芯头 工艺参数 第二节砂型铸造 1 加工余量 孔的铸出 要考虑铸出的可能性 必要性 和经济性 一般大孔用下芯的方式铸出 而小孔则用机加工完成 第二节砂型铸造 2 铸造收缩率 铸件在凝固和冷却过程中会发生收缩而造成各部分体积和尺寸缩小 为了使铸件的实际尺寸符合图样要求 在制作模样和芯盒时 模样和芯盒的制造尺寸应比铸件放大一个该合金的收缩率 合金收缩率的大小取决于铸造合金的种类及铸件的结构 尺寸等因素 通常灰铸铁的铸造收缩率是0 7 1 0 铸钢的铸造收缩率为1 3 2 0 铝合金的铸造收缩率为0 8 1 2 锡青铜铸造收缩率为1 2 1 4 式中 L模 模样尺寸 L件 铸件尺寸 第二节砂型铸造 3 铸型起模斜度 为了起模方便又不损坏砂型 凡垂直于分型面的壁上留有起模斜度 如图所示 起模斜度值见JB T5105 1991 第二节砂型铸造 4 铸造圆角 凝固特性热节 充型 不同转角处的热节 第二节砂型铸造 5 型芯及型芯头 型芯是铸件的一个重要的组成部分 型芯的功用是形成铸件的内腔 孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形 第二节砂型铸造 1 支座 四 实例分析 方案 沿底版中心分型 轴孔下芯方便 但底版上四个凸台必须采用活块且铸件在上 下箱各半 方案 沿底面分型 铸件全部在下箱 不会产生错箱 铸件易清理 但轴孔内凸台必须采用活块或下芯且轴孔难以铸出 第二节砂型铸造 五 铸造工艺图的绘制 为了获得健全的合格铸件 减小铸型制造的工作量 降低铸件成本 在砂型铸造的生产准备过程中 必须合理地制订出铸造工艺方案 并绘制出铸造工艺图 a联轴节零件图 b铸造工艺图 c模样图 收缩率1 第二节砂型铸造 六 铸造工艺设计的一般程序 表9 8铸造工艺设计的内容和一般程序 第二节砂型铸造 特种铸造 金属型铸造 离心铸造 压力铸造 熔模铸造 低压铸造 挤压铸造 陶瓷型铸造 第三节特种铸造 与砂型铸造相比 特种铸造具有铸件精度和表面质量高 铸件内在性能好 原材料消耗低 工作环境好等优点 但铸件的结构 形状 尺寸 重量 材料种类往往受到一定限制 第三节特种铸造 模铸造是在易熔模样表面包覆若干层耐火材料 待其硬化后 将模样熔去制成中空型壳 经浇注而获得铸件的成形方法 熔模铸造工艺过程 制造熔模 制模组 上涂料 及撒砂 脱模 焙烧 浇注 落砂 切浇口 一 熔模铸造 第三节特种铸造 图8 26熔模铸造的工艺过程a 母模b 压型c 熔蜡d 制造蜡模e 蜡模f 蜡模组g 结壳 脱蜡h 填砂 浇注 熔模铸造的生产工序 第三节特种铸造 熔模铸造的特点 铸件的精度和表面质量较高 IT11 13 Ra1 6 12 5 合金种类不受限制 钢铁及有色金属均可适用可铸出形状复杂的铸件生产批量不受限制工艺过程较复杂 生产周期长 成本高铸件尺寸不能太大 熔模铸造是一种少 无切削的先进精密成形工艺 最适合25kg以下的高熔点 难加工合金铸件的批量生产 如汽轮机叶片 泵轮 复杂刀具 汽车上小型精密铸件 第三节特种铸造 第三节特种铸造 二 金属型铸造 金属型的结构可分为 水平分型式 垂直分型式及复合分型式等 金属型一般用铸铁 铸钢 铸件的内腔可用金属型芯或砂芯来形成 金属型铸造是在重力作用下将液态金属浇入金属铸型的成形方法 水平分型式 第三节特种铸造 金属型铸造生产过程 第三节特种铸造 金属型优点 一型多铸 生产效率高铸件尺寸精度高 表面质量好 IT12 14 Ra6 3 12 5 铸件冷却快 组织致密 机械性能好 金属型缺点 金属型成本高没有退让性 不宜生产形状复杂的铸件铸件冷却快 组织致密 机械性能好 金属型铸造主要用于铜 铝 镁等有色金属铸件的大批量生产 如内燃机活塞 汽缸盖 油泵壳体 轴瓦 轴套等 第三节特种铸造 第三节特种铸造 三 压力铸造 压力铸造是将液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中 并在压力下结晶 以获得铸件的方法 a b c 图8 28立式压铸机工作过程示意图a 浇注b 压射c 开型l 定型2 压射活塞3 动型4 下活塞5 余料6 压铸件7 压室 第三节特种铸造 第三节特种铸造 卧式压铸机 第三节特种铸造 压力铸造的特点 铸件的尺寸精度高 IT8 12 Ra3 2 0 4 铸件的强度和表面硬度都较高生产效率高 一般为50 150次 小时 铸件表皮下有气孔 不能多余量加工和热处理设备投资大 压铸型制造成本高 适宜大量生产 压力铸造主要用于铝合金 锌合金和铜合金铸件 压铸件广泛应用与汽车 仪器仪表 计算机 医疗器械等制造业 如发动机汽缸体 汽缸盖 仪表和照相机的壳体与支架 管接头 齿轮等 第三节特种铸造 四 低压铸造 低压铸造工艺过程 第三节特种铸造 低压铸造 第三节特种铸造 低压铸造的特点 浇注时的压力和速度可以调节采用底注式冲型 金属液冲型平稳铸件在压力下结晶 铸件组织致密 轮廓清晰 机械性能高浇注系统简单 金属利用率可达90 以上 低压铸造目前广泛应用于铝合金铸件的生产 如汽车发动机缸体 缸盖 活塞 叶轮等形状复杂的薄壁铸件 第三节特种铸造 五 离心铸造 离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中 使其在离心力作用下成形并凝固的铸造方法 a 立式离心铸造 b 卧式离心铸造图8 30离心铸造机原理图 第三节特种铸造 离心铸造工