材料成型技术基础

1、材料成型技术基础Basic Knowledge about Technologies to Shape the Material,Introduction,1. How to shape?,mass increase mass decrease mass formation,Casting Plastic forming Fabrication by joining Machining Powder metallurgy Rapid prototype,Main shaping technologies,2. About This Curriculum,Technology Basic Cou

2、rse 以研究常用工程材料及机器零件的成型工艺原理为主的综合性基础课 涉及的课程知识：材料学、传热学、力学、冶金学、机械制图 Main Topics in This Curriculum 铸造 Foundry 压力加工 Mechanical Working 焊接 Welding Fabrication,3. How to study?,课程要求 掌握各种成型技术的基本原理 熟悉各种成型工艺的特点及其主要应用 熟悉零件成型的结构工艺性 掌握常用金属的工艺性能以及影响因素 成绩评定 平时成绩占30% 闭卷考试占70%,教学方法 授课：必须认真听，记笔记 作业：独立、按时完成 自学：认真对待 录像：

3、开阔视野 实验 学习方法 重视各个教学环节 重视实践环节 培养总结知识能力 培养分析解决问题能力,4. 主要参考书 References,沈其文主编材料成型工艺基础，华中理工大学出版社，1999.9 李遇昌等主编热加工工艺，成都科技大学出版社，1989.6 美E.Paul DeGarmo Materials and Processes in Manufacturing机械制造工艺及材料，机械工业出版社，1985 只是参考，主要教材,第二篇 铸造 Foundry,什么叫铸造 Casting？ (p33),The production of shaped articles by pouring m

4、olten metal into the mould,铸造方法,铸造生产的特点及局限,广泛 wide-ranging,精度相对较高 Precision、 便宜 Low Cost,铸造的局限性,铸造的特点,第一章 铸造工艺基础The Basic Knowledge,铸造性能,获得好铸件（Perfect Casting）的难易程度,形状完整：Shape is properly formed 内部质量好： Internally sound 没有缺陷：Free from defects,取决于：充型、凝固、冷却、结晶 Depend on liquid metal, flow property unde

5、r foundry condition, solidification process, cooling process,1 液态合金的充型The Mould Filling of Liquid Alloy,充型能力 mould filling capacity (p34) 液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力,形状不完整、轮廓不清晰 产生缺陷,问：影响铸件充型的因素有哪些？,浇不足 Short Run 冷隔 Cold Shut,充型能力差,合金本质：流动性 环境条件：浇注、充型 工件结构：结构工艺性,1. 合金的流动性 Fluidity Castability,1) 合金的

6、流动性的概念 合金本身流动的能力；粘度 viscosity,流动性好 容易浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件 气体、夹杂上浮与排除 补缩 流动性差 薄壁铸件：浇不足 复杂铸件：冷隔,2) 合金流动性测量,螺旋型试样法： 用浇注后试样的长度来表示,1试样铸件 2浇口 3冒口 4试样凸点 流道长：1.5m P34, fig2-1,3) 影响合金的流动性的主要因素 variables influencing fluidity,成分 composition: 固液二相区间距越大，流动性越差,纯金属及共晶点成分合金流动性好，后者的熔点更低，流动性更好。,铁碳合金流动性与含碳量关系p35,fig 2-2,fr

7、eezing rang 凝固区间, 凝固范围,2. 影响液态合金充型的其它因素,1）温度：合金T，流动性好，充型容易 温度取决于浇注温度、铸型温度和铸型材料 预热：铸型温度 金属型铸造，压力铸造，熔模铸造 铸型材料：蓄热系数 干砂型，湿砂型。石英砂，刚玉，锆砂 浇注温度 T，流动性好，充型能力强 浇注温度 Pouring temperature不能过高，why？,熔炼温度高，吸气增加，气孔 收缩增加，缩孔、缩松 凝固速度降低，粗晶 易产生粘砂温度,2) 充型压力 ：静压头； 低压铸造； 离心铸造 3) 铸型中的气体： 排气口，真空浇注,2 铸件的凝固与收缩Freezing and Shrink

8、age,1. 铸件的三种凝固方式 the wideness of paste zone,P36 图2-3,逐层凝固 Freezing layer by layer 糊状凝固 Paste freezing 中间凝固 Middle freezing,液态收缩和凝固收缩得不到补偿，将产生缩孔或缩松,Noted:,凝固方式(the wideness of paste zone)取决于 合金的成分：freezing rang 凝固区间, 凝固范围 温度梯度temperature gradient 凝固方式决定了合金的补缩性能 feeding characters 倾向于逐层凝固的合金（灰口铸铁，近共晶点

9、铝硅合金） 补缩性能好、铸件致密度高、不容易产生缩松 倾向于糊状凝固的合金：锡青铜，铝青铜，球墨铸铁 补缩性能差、铸件致密度不高、不容易产生缩松,2. 铸造合金的收缩 Shrinkage of the Casting Alloys,合金从浇注、凝固、直至冷却到室温，其体积和尺寸缩减现象（p36）,铸钢白口铸铁灰口铸铁(p37表2-1) 液态收缩和凝固收缩得不到补偿，将产生缩孔或缩松,液态收缩liquid Contraction 体收缩 凝固收缩freezing contraction 体收缩 固态收缩solid contraction 线收缩,3. 铸件中的缩孔和缩松,3.1 缩孔与缩松的形成

10、 缩孔（又称集中缩孔） Shrinkage void 由于凝固收缩得不到补偿，在最后凝固部位或者热节处(thermal center)，形成容积较大的孔洞,The formation of Shrinkage Void p37 Fig.2-4,缩松（又称分散缩孔）Porosity,由于凝固收缩得不到补偿，在铸件一定区域内，形成分散的小缩孔,宏观缩松肉眼可见 分布在铸件心轴线处或缩孔下方 微观缩松在显微镜下可见 缩松影响铸件的气密性和力学性能,左P38 Fig.2-5 The formation of Shrinkage Void and Porosity,3.2 缩孔和缩松倾向,缩孔、缩松倾向

11、取决于合金的收缩和补缩能力 合金的收缩包括液态收缩和凝固收缩 合金的凝固区间（凝固温度范围）: freezing rang 铸钢白口铸铁灰口铸铁 球墨铸铁、锡青铜易形成缩松 浇注温度 铸件的补缩性能：凝固方式，补缩条件 凝固方式与凝固区间和温度梯度有关 逐层凝固的合金补缩性能好，不容易产生缩松 糊状凝固的合金补缩性能差，容易产生缩松 压力下凝固，可以防止缩松,3.3 缩孔和缩松的防止,选用缩孔和缩松倾向小的合金 :共晶合金 eutectic alloy 对于缩孔 ：用冒口(riser)补缩 采用顺序凝固progressive solidification原则 顺序凝固（定向凝固）：在铸件厚大部

12、位安放冒口，铸件远离冒口处先凝固，靠近冒口处后凝固，最后冒口本身凝固。,注意：冷铁本身没有补缩作用，但可以加快该处铸件的冷却速度，与冒口一起使用，实现顺序凝固,如何避免缩松？,对于倾向粥状凝固的合金,例如锡青铜,缩松很难避免 一般采用同时凝固的原则 避免局部产生较大尺寸的缩松,不管壁厚如何，同时一起收缩,要求更高，采用金属型离心铸造 也可以采用压力铸造，液态模锻等工艺,3 铸造内应力、变形和裂纹Internal Stress, Deformation and Crack,1. 铸造应力,铸件冷却，固态收缩受阻碍，在铸件内部产生的应力 得不到释放，形成残余内应力 超过屈服极限，产生变形 超过断裂

13、极限，形成裂纹,形成方式：热应力、机械应力、相变应力 热应力： 铸件各部分冷却速度不同，收缩过程不一致造成的应力 相变应力：铸件各部分相变时间不一致而产生的应力 有时形成残留应力，有时为临时应力 机械应力：铸件受到机械阻碍而产生的应力 一般不形成残留应力,P39 图2-8,铸件中厚的部分最后冷却，总是受拉应力，薄的部分受压应力; 热应力形成残留应力 热应力的预防：采用同时凝固的方法（很少用）、合理结构 内应力的消除：自然时效、人工时效,热应力的形成 Formation of Thermal Stress,2. 铸件的变形与防止Cast Distortion and the Solution,铸

14、造应力超过材料的屈服极限，铸件将产生塑性变形,机架的变形,T型型材的变形,预防铸件变形的措施,设计时：铸件结构的壁厚均匀，形状对称 采用反变形法：在模型上预先加一个反变形量 采用同时凝固，但须考虑到缩孔,同时凝固主要适用于灰铸铁和锡青铜，why?,p40, fig2-9,3. 铸件的裂纹与防止 Cracking and Prevention,铸造应力超过材料的断裂极限，铸件将产生裂纹 热裂纹（晶间、高温、凝固裂纹）hot tearing 宽，曲折，氧化色 冷裂纹（低温裂纹） cold crack：细，直，轻微氧化色 防止裂纹措施 选用裂纹倾向小的合金 热裂倾向：凝固区间solidificati

15、on rang和钢中的S 冷裂倾向：塑性plastic和钢中的 P 铸件的结构： 避免热节、应力集中stress concentration 铸型的退让性,p40, fig2-10,第二章 常用合金铸件的生产Typical Cast Alloys,1 铸铁件生产,灰铸铁 Gray Cast Iron 1.1 灰铸铁的组织性能特点 灰铸铁的组织,铸造性能好，成本低、应用广泛，产量高,常用铸造合金的组织、性能以及铸件的生产特点,G：片状（特点） 3基体类: F，P，F+P,灰铸铁的性能特点,力学性能差，脆性材料,流动性好 缩孔缩松倾向小 热裂、冷裂倾向低,优良的 减震性 优良的减摩性 灰铸铁的铸造

16、性能好,强度、硬度低，塑、韧性几乎为0,由于G片尖端相当于裂纹，造成应力集中,灰铸铁的理想组织是什么？,基体：P 石墨：细小、均匀,1.2 影响铸铁组织和性能的因素,化学成分 C, Si, Mn, S, P 碳、硅碳当量 C.E=C%+0.3 Si%,白口铸铁，a麻口铸铁，珠光体灰口铸铁b珠光体铁素体灰口铸铁，铁素体灰口铸铁,问题：1. 获得高牌号灰口铸铁而不产生麻口 2. 铸件壁厚不一致，但性能均匀,冷却速度,1.3 孕育处理 Inoculation,定义 将孕育剂（75硅铁）0.25-0.6%加入到低碳、低硅(2.7-3.3%C, 1-2%Si)的铁水中，搅拌后浇注，以获得细小且分布均匀石

17、墨的灰铸铁件处理工艺 孕育铸铁 Inoculated Cast Iron 组织：细小、均匀的G + P基体 性能特点,灰铸铁牌号HT100HT350,2. 可锻铸铁 Malleable Cast Iron,什么叫可锻铸铁？ 性能特点：有一定的塑性、韧性，不可锻造 可锻铸铁的生产过程 白口铸铁高温退火石墨呈团絮状 成分：低碳、低硅；2.42.8%C，0.41.4%Si 适用范围：中压阀门 形状复杂的薄壁小件：大件容易产生麻口 受一定冲击的零件 大批量生产: 单件成本高 牌号KTH300-06,3. 球墨铸铁 Spheroid Cast Iron,3.1 组织、性能特点及牌号 QT700-2 性能

18、好制造曲轴、连杆：疲劳性能高 组织：球状G + 基体,3.2 生产关键 熔炼 成分：高碳（3.64% C），低P、低S 温度：1420 球化处理、孕育处理,F，P，B，F+P，A-B,4. 蠕墨铸铁,铸型工艺 增加铸型刚度 用干型防止皮下气孔 浇注系统，挡渣 热处理：基体改善,蠕虫状G +基体；力学性能介于灰铁与球铁之间 优异的耐热疲劳性,球墨铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷,2 铸钢件生产Production of Cast Steel Element,1. 铸钢牌号及成分,牌号：ZG270-500 p51 Table 2-6 成分特点：中碳 0.250.45%C why? 含碳量

19、过低熔点高，流动性差，易粘砂，气孔多； 含碳量过高熔点虽低，但塑性差，易冷裂 铸钢的特点 熔点高，易氧化、吸气 铸造性能差 流动性差、收缩大(缩孔缩松倾向大)、热裂倾向大,3 铜、铝合金铸件生产,熔化设备：坩埚炉 铜合金的氧化问题（形成CuO2）加覆盖剂 铝合金的吸氢问题加氯化锌（ZnCl2 ）、六氯乙烷（C2Cl6）或加Cl2,第三章 砂型铸造 Sand casting,用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造 砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法 可追溯到公元前30004000年,砂型铸造工艺流程,合适的铸造合金 正确的熔炼和浇注 合理的铸型工艺,获得健全的铸件,砂型铸造的铸型工艺主要体现在铸造

20、工艺图和铸型装配图,铸造工艺图,定义：用工艺符号和参数，表示铸造工艺方案的图形 一般直接画在零件图上 作用：指导模型（芯盒）设计，生产准备，铸型制造 作为铸件检验依据 选择造型方法后，就开始制定铸型工艺,砂型铸造概略图,铸型工艺 实线：分型面； 文字、箭头：铸件的浇注位置 型芯的数量、形状、尺寸、固定方法等 工艺参数：加工余量（涂黑），拔模斜度、收缩率（数字） 浇注工艺：浇注系统、冒口、冷铁,铸造工艺图的内容,用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型 手工造型 全部用手工或手动工具完成的造型工序 手操作灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低 铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要

21、求高 手工造型主要用于单件小批生产 特别是重型和形状复杂的铸件 机器造型 用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序 铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小 需要专用设备，投资较大 适合大批量生产,1 造型方法的选择,手工造型,机器造型,手工造型与机器造型重要区别,震压紧实,手工造型可以用2、3、多箱、地坑 机器造型一般2箱 手工造型用模样，机器造型用模板 手工造型允许挖砂、活块 机器造型绝不允许,铸造（型）工艺设计 确定浇注位置和分型面 确定主要工艺参数 浇注系统的设计：确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔 补缩系统的设计：为消除缩孔和疏松，合理设置冒口、冷铁等,浇注系统的组成 Bush or

22、 basin Down runner runner ingates,2 浇注位置与分型面的选择Casting Situation and Parting face,1. 浇注位置的选择原则 铸件的重要加工面应朝下或者侧面 why? 上部组织不致密 容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷 有数个重要加工面时，应使较大者处于下部,车床床身,卷扬机筒,浇注位置的选择原则,铸件的大平面应朝下，防止夹砂 型砂受高温急剧膨胀，强度下降而拱起或开裂,油盘铸件,平板浇注时的位置,面积较大的薄壁部分 置于下部、处于垂直或倾斜位置 防止铸件薄壁部分浇不足或冷隔缺陷,对容易产生缩孔的铸件，厚的部分放在铸型的上部或侧面 以便

23、在铸件厚壁处直接安置冒口，进行补缩 定向（顺序）凝固,Fig.2-31 三通分型方案,分型面为铸型组元间的接合面 选择分型面原则：简化造型、保证精度、方便装配 简化造型 分型面平直、数量少：用2箱造型，避免挖砂、假箱 不用、少用型芯和活块（机器造型，不能使用活块）,2. 分型面的选择,保证精度,简化造型: 自带型芯,应尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱,Fig.2-32 支架分型方案,方便装配,图2-35 机床支柱,应尽量使型腔及主要型芯位于下箱 使造型、下芯、合箱、检验铸件壁厚，操作方便 下箱不宜过深，并尽量避免吊芯和大的吊砂,上述原则一般不能同时被满足，有时甚至是互相矛盾的 对质量要求很高的

24、铸件， 应在满足浇注位置的前提下，再考虑简化工艺 对质量要求不高的铸件， 以简化铸造工艺为主,3 工艺参数的选择Technological Parameters (Casting Dimension Criterion),1. 机械加工余量和铸孔Machining Allowance and Casting Hole,工艺参数很多：机械加工余量，最小铸孔，拔模斜度，收缩率，型芯头的结构和尺寸,什么叫机械加工余量？P 63 机械加工余量确定原则：主要考虑经济性 生产批量 大考虑省料 铸件精度 加工余量 小 考虑省工加工余量 保证成品率 合金种类：决定铸件精度、表面粗糙 精度高、表面粗糙度低余量小

25、 加工余量：有色金属铸铁铸钢 铸件大小，加工面与基准的距离、加工面位置等 尺寸和距离，绝对误差 加工面在浇注时的位置：上面缺陷多，余量大,2. 拔模斜度 Pattern Draft,铸孔：主要考虑能否铸出，经济性 但零件图上不要求加工孔、槽，无论大小，原则上都要铸出,铸件的工艺结构之一：垂直于分型面侧壁的倾斜度 与造型方法、模型材料、立壁高度有关 加工表面结合加工余量直接画出 不加工表面用文字注明,15 3o for out surface 3o10o for inner surface Depend on : casting height, the way to produce mould,

26、 the pattern material,3. 收缩率 contraction ruler 合金冷却过程中有线收缩，模样的尺寸比铸件相应放大，取决于合金种类和铸件收缩阻碍情况 灰口铸铁 0.71.0%，铸钢 1.3 2.0%，铝硅合金0.8 1.2%，锡青铜1.2 1.4%,4. 型芯头,型芯作用？ 型芯依靠芯头与型腔定位和固定,在画铸造工艺图时不画，用数据标出；模样：定制的尺（缩尺）,垂直芯芯头有斜度。 上芯头6150，下芯头为5100,水平芯头有一定的长度, 悬臂芯的芯头更长,芯头与芯座之间有间隙：1 4mm,4 综合分析举例 examples,1. 造型方法选择 How to prod

27、uce sand mould 2. 浇铸方案 Pouring criterion 浇注位置casting situation 、浇注系统gating system 、冒口和冷铁risers and chills,图2-38支座,3. 铸型方案 Moulding criterion 分型面parting face 、 型芯 cores 4. 工艺参数 Dimension criterion 机加工余量allowance for machining 、拔摸斜度draft angle 、收缩率contraction ruler 、芯头结构 core print等,图2-39,支座的铸造工艺图,C6140车床进给箱,C6140车床进给箱,分型面的选择,进给箱的铸造工艺图,第五章 铸件结构设计Structure Design of the Cast,满足使用要求前提下，容易加工 1. 无缺陷 2. 性能好 3. 操作方便 铸件基本工艺结构： 1. 合理的壁厚 2. 壁厚均匀过渡 3. 铸造圆角 4. 加强筋 5. 凸台和凹槽 6. 取模斜度,1 铸件结构与砂型铸造的关系,1. 容易起模,1) 避免外部侧凹,别挡着 平面