机械制造基础绪言铸造1章.ppt

课程名称：机械制造基础,教材：金属工艺学上册，邓文英主编，高教出版社机械制造工艺基础学时：32，周学时：3学时分配：金属工艺学16学时；机械制造工艺基础，14学时；考试：2学时,自我介绍,主讲课程,必修课,机械制造基础安全管理学,选修课,膜分离技术概论互换性与技术测量污水处理工程设计,姓名:黄维菊,QQ：496660370,联系电话：854029928076069613628056928,E-mail：hjw1957,绪论,各种成型工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；零件的成型工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对成型工艺的影响；工艺方法的综合比较等。,一、课程性质,机械制造基础课程是一门研究有关制造金属机件的工艺方法及机器零件成型工艺原理的综合性技术学科。分为热加工、切削加工(冷加工)和公差配合三大部分。它们相互独立，又相互联系。,它主要研究：成型工艺几乎涉及机器制造中所有金属材料的成型工艺。,1.金属材料的主要性能；2.金属的液态成型（铸造生产）；3.金属的塑性成型（压力加工）；4.材料的连接成型（焊接生产）；5.切削加工成型。,本课程内容包括：,二、课程内容,三、学习目的,选择材料、选择结构、选择加工方法,4.拓宽知识面。,1为后续课程的学习打基础；,2.为毕业后的工作打基础；,3.培养“三选”的能力；,四、要求了解和掌握,1.各种成形方法的原理、特点及适用范围；,2.各种零件的结构工艺性；,3.常用金属材料的性能特点,金属工艺学上、下册高等教育出版社邓文英材料成型工艺基础华中理工大学出版社沈其文机械制造学机械工业出版社王贵成工程材料与热加工工艺西北工业大学出版社裴崇斌机械加工工艺西北工业大学出版社裴崇斌机械加工工艺基础清华大学出版社金问楷材料成形学机械工业出版社李新城,五、参考书目,返回,返回,齿轮泵,返回,返回,齿轮泵,齿轮泵构成,返回,机械产品生产过程,产品设计,产品制造,装配调试,机械产品,金属材料做成,机械产品生产过程,毛坯,零件,机器,热加工,铸造,焊接,切削加工,(冷加工),装配,压力加工,由毛坯加工成机器的过程中，每一加工环节都必须给出加工的精度(或精确度)才能进行加工，加工精度的确定则由公差配合部分确定。,机械产品的制造过程,机械产品的制造过程,零件,热处理,形状、尺寸、性能(精度),毛坯,零件,机器,热加工,铸造,焊接,切削加工,(冷加工),装配,压力加工,由毛坯加工成机器的过程中，每一加工环节都必须给出加工的精度(或精确度)才能进行加工，加工精度的确定则由公差配合部分确定。,机械产品的制造过程,第一篇热加工,机器零件的毛坯是用铸造、压力加工和焊接等工艺方法加工出来的。这些工艺方法的加工条件一般都在金属的再结晶温度以上，所以称为热加工。,铸造-是将熔化金属浇注到预先做好的铸型型腔中，使之凝固成一定形状和尺寸的零件毛坯。该方法能够制造形状复杂，特别是其它工艺难以做到的各种合金铸件，其重量可以从几克到几百吨以上，且成本较低。但铸造质量不稳定，成品率较低，铸件的机械性能较差。应用：广泛，铸件量约占机器设备总重量的4080%，用于做机床床身、机座、箱体、皮带轮、发动机机体等。,锻压(压力加工)-是用外力使金属塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。各类钢和许多有色金属及其合金都具有一定塑性，故可在热态或冷态下进行压力加工。经过压力加工的金属，晶粒细小，组织致密，机械性能比铸件好得多。凡是承受重载荷的机器零件如机器的主轴、连杆、重要齿轮、炮筒、枪管等常用锻件作毛坯；汽车、仪表、电器及生活用具也大量使用板料冲压。压力加工方法难以制造形状复杂的毛坯。,焊接-是一种连接金属的方法。其实质是对金属局部加热或加压，或既加热又加压，使分离的金属原子间相互扩散与结合，形成一个整体。焊接节省金属和工时，接头致密，易于实现机械化和自动化，己在绝大部分机器零件和金属结构制造中取代了铆接方法。将型材、铸件、锻件和冲压件拼焊成复合结构体，可充分利用铸、锻、冲压、焊等加工方法的特点。影响焊接接头质量的原因较多，焊接热影响区的性能有所下降，对原材料要求较严，某些材料的焊接尚有困难。,掌握铸、锻、焊等加工方法的基本原理和影响质量的各种因素；具有初步选择毛坯材料和制造方法，以及考虑零件结构工艺性的能力；了解铸、锻、焊的先进工艺和新技术，知道提高产品质量和生产率的途径。,教学要求,第一章铸造工艺基础,什么叫铸造？-将液态金属浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。铸造生产的特点:A.优点：可制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯，如箱体、气缸体、机座、机床床身等。铸件的大小几乎不受限制，重量可以从几克到几百吨。原材料来源广泛，价格低廉，铸件成本较低。B缺点：生产过程复杂，影响铸件质量因素多，废品率较高。铸件笨重，工人劳动强度大。,1液态合金的充型,充型：液态合金填充铸型的过程，简称充型。充型能力-液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。影响充型能力的主要因素如下。一、合金的流动性二、浇注条件三、铸型填充条件,一、合金的流动性,1定义-液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性，是合金的主要铸造性能之一。2对铸件的影响流动性好：1)充型能力强，易浇出轮廓清晰、薄而复杂的铸件；2)有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；3)有利于对合金凝固过程所产生的收缩进行补缩。流动性差：充型不好，易产生浇不足、冷隔、气孔和夹渣等缺陷。,3影响因素：主要是化学成分。a.共晶成分合金的流动性最好。因为共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，液态合金从表层逐层向中心凝固，己结晶的固体层内表面比较光滑(图2-3a)，对金属液的阻力较小；共晶成分合金凝固温度最低，因而流动性最好。b.铸铁中Si、P可提高铁水的流动性，而S使流动性下降。c.铸铁和有色金属的流动性较好，铸钢较差。d.铁碳合金的流动性与含碳量的关系(如图2-2),共晶点,钢:E点以左,含碳量小于2.11%,4衡量-合金的流动性通常以“螺旋形试样”的长度来衡量(图2-1)。在相同的浇注条件下，流动性愈好，所浇出的试样愈长。,铸铁：当C+Si=6.2%，砂型，1300，螺旋线长度1500mm铸钢：当C=0.4%，砂型，1600，螺旋线长度100mm,二、浇注条件,1.浇注温度-对合金的充型能力有着决定性的影响。高，合金的粘度下降，且过热度高，合金在铸型中保持流动的时间长，故充型能力强；反之，差。对薄壁铸件或流动性较差的合金，提高浇注温度，可防浇不足和冷隔等缺陷。过高，铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷。灰铸铁12001380，铸钢15201620，铝合金680780超过界限，浇注温度过高，则液态合金收缩大大增加，吸气大大增加，氧化严重，流动性反而降低。2.充型压力-液态合金在流动方向上所受的压力愈大，充型能力愈好。砂型铸造时，充型压力是由直浇道所产生的静压力取得的，故直浇道的高度必须适当。,三、铸型填充条件,-影响合金的流动速度和合金保持流动的时间1铸型的蓄热能力-铸型材料的导热系数和比热，2铸型的温度-影响冷却速度，3.透气性或排气能力此外，铸件的结构(如壁厚、大小和复杂程度等)，对充型能力也有相当影响。,2铸件的凝固与收缩,一、铸件的凝固方式二铸造合金的收缩三、铸件中的缩孔与缩松,一、铸件凝固方式-影响铸件质量,铸件凝固方式是依据凝固区的宽窄来划分的，在凝固区内液相和固相并存，对铸件质量影响较大。1逐层凝固-纯金属或共晶成分合金在凝固过程中不存在液固并存区，其断面上外层的固体和内层的液体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。(图2-3a)合金充型能力强，便于防止缩孔和缩松。温度高低固体层薄厚液体层多减少直达铸件中心2糊状凝固-合金的结晶温度范围很宽，温度分布较平坦(内外温度较小)，整个断面内均为液固并存，先呈糊状而后固化，称为糊状凝固。铸件表面不存在固体层，液固并存的凝固区贯穿整个断面(图2-3c)，而后固化。3中间凝固-凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间,影响铸件凝固方式的因素-主要是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度,合金的结晶温度范围小凝固区窄逐层凝固宽凝固区宽糊状凝固铸件的温度梯度(内外层间)由小大凝固区宽窄影响铸件内外层间温度梯度的因素1)合金的性质2)铸型的蓄热能力3)浇注温度结论：1)倾向于逐层凝固的合金(灰口铸铁、铝硅合金等)-便于铸造，应尽量选用；2)倾向于糊状凝固的合金(锡青铜、铝铜合金、球墨铸铁等)-采用适当的工艺措施，减小其凝固区域。,二铸造合金的收缩,1收缩铸造合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性。合金的收缩是多种铸造缺陷(如缩孔、缩松、裂纹、变形等)产生的根源。2合金的收缩经历如下三个阶段：(1)液态收缩从浇注温度到凝固开始温度(即液相线温度)间的收缩(2)凝固收缩从凝固开始温度(即固相线温度)间的收缩。(3)固态收缩从凝固终止到室温间的收缩。合金的总收缩率为上述三种收缩的总和。,3不同合金的收缩率不同。在常用合金中，铸钢的收缩最大，灰口铸铁最小(表2-1所示为几种铁碳合金的体积收缩率)灰口铸铁收缩率很小是由于其中大部分碳是以石墨状态存在的。石墨的比容大，在结晶过程中石墨析出所产生的体积膨胀，抵消了合金的部分收缩。4铸件的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。,三、铸件中的缩孔与缩松,1缩孔和缩松的形成液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成了一些孔洞。按孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。(1)缩孔它是集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显的凹坑。缩孔的形成过程(图2-4)。合金的液态收缩和凝固收缩愈大，浇注温度愈高，铸件愈厚，缩孔的容积愈大。,(2)缩松分散在铸件某区域内的细小缩孔，称为缩松。分为宏观缩松和显微缩松。形成原因铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足；被树枝状晶体隔开的小液体区难以得到补缩。缩孔和缩松的说明：1)显微缩松难以完全避免，一般铸件不作缺陷对待，但对气密性、机械性能、物理化学性能要求很高的铸件，则必须设法减少。2)逐层凝固合金(纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金)缩孔倾向大，缩松倾向小；反之，糊状凝固的合金(锡青铜、铝铜合金)缩孔倾向小，极易产生缩松。3)因用一些工艺措施可控制铸件的凝固方式，缩孔和缩松可在一定范围内相互转化。4)缩孔部位的确定-“凝固等温线法”和“内切圆法”中等温线未曾通过的心部和内切圆直径最大处，即为容易出现缩孔的热节。,2缩孔和缩松的防止方法：,缩孔和缩松都使铸件的机械性能下降，都属铸件的重要缺陷。只要能使铸件实现“顺序凝固”，就可获得没有缩孔的致密铸件。1)何谓顺序凝固？-(图2-6)在铸件上可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口本身凝固。,2)措施：a.加冒口先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液补充；后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充，从而将缩孔转移到冒口之中。冒口为铸件的多余部分，在铸件清理时将其去除。b.在铸件上某些厚大部位增设冷铁。(图2-7)图中若仅靠顶部冒口，难以向底部凸台补缩。在凸台的型壁上安放了两个外冷铁，加快该处的冷却速度，使厚度较大的凸台反而最先凝固，从而实现了自下而上的顺序凝固，防止了凸台的缩孔产生。,注意：1)冷铁本身并不起补缩作用，仅加快某些部位的冷却速度，控制凝固顺序。2)安放冒口和冷铁，虽可有效地防止缩孔，却耗费金属和工时，加大成本，促进了铸件的变形和裂纹倾向。主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铝硅合金和铸钢件等。,铸件在凝固之后继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍时，铸件内部将产生内应力。它们有时是在冷却过程中暂存的，有时则一直保留到室温。铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。,铸造内应力,3铸造内应力、变形和裂纹,内应力的形成,按照产生原因，可分为热应力和机械应力两种。1热应力它是由于铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时间内铸件各部分收缩不一致而引起的。2机械应力它是合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。(图2-10)它使铸件产生剪切或拉伸应力，并且是暂时的，在铸件落砂之后，这种应力便可自行消除。但收缩应力在铸型中可与热应力共同起作用，增大了某些部位的拉伸应力，促进了铸件的裂纹倾向,1热应力,1)热应力的产生金属自高温冷却到室温时应力状态的改变：塑性状态-固态金属在再结晶温度以上的较高温度时(钢和铸铁为620650以上)，处于塑性状态。此时，在较小的应力下就发生塑性变形(即永久变形)，变形之后应力可自行消除。弹性状态-在再结晶温度以下，金属呈弹性状态。此时，在应力作用下将发生弹性变形，变形之后应力继续存在。2)表现方式热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。,3)热应力的预防：尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀冷却。设计铸件，应尽量使其壁厚均匀，避免热节。工艺上，采用同时凝固原则。(图2-9)浇口开在薄壁处，厚壁处安放冷铁。缺点：铸件心部容易出现缩孔或缩松。应用：主要用于普通灰口铸铁及锡青铜等。灰口铸铁缩孔、缩松倾向小,结论：先冷受压，后冷受拉，合金线收缩率愈高，弹性模量