工程材料及成形工艺 课件 第6章 金属铸造成形

工程材料及成形工艺第1章金属结构及性能第2章金属结晶及相图第3章金属热处理及工艺第4章钢铁材料及性能第5章非铁金属与非金属材料第6章金属铸造成形第7章金属锻压成形第8章金属焊接成形第9章机械零件材料及工艺选择第6章金属铸造成形6.1.1砂型铸造6.1.1.1砂型铸造过程（1）准备铸型先将放大收缩量的模样及芯盒制作好，再按要求准备好砂铸型。（2）浇注金属先熔炼好合格的液态金属，再将液态金属浇注满铸型型腔。（3）落砂清理待液态金属在铸型型腔内凝固成形并冷却后，扒箱落砂与检验，从而得到一定形状和尺寸并带有浇冒口的铸件，如图6-1所示。6.1铸造工艺方法6.1铸造工艺方法6.1.1.2手工造型方法6.1铸造工艺方法6.1铸造工艺方法6.1铸造工艺方法6.1.1.3机器造型方法（1）机器造型工艺过程造型时将模板和砂箱放在震压式造型机上（见图6-3），填满型砂后，先使压缩空气从进气口1进入震击活塞底部，顶起震击活塞、模板及砂箱等，并将进气口过道关闭。（2）机器造型起模方式机器造型起模方式有顶箱式起模、漏模式起模和翻转式起模。6.1铸造工艺方法6.1铸造工艺方法6.1.2特种铸造6.1.2.1金属型铸造（1）铸型构造及特点金属铸型型腔内设有排气孔，分型面上还设有许多通气槽，以便排除铸型中气体。6.1铸造工艺方法（2）铸造工艺及特点金属型导热快、韧性差，为防止金属液直接冲击型壁，必须在型腔和型芯工作表面涂刷一层厚0.3~4mm耐火材料（见图6-5b），以便使金属液与型腔分开。（3）金属型铸造特点金属型相比砂型具有许多优越性，复用性好，可实现“一型多铸”，以提高生产率并改善劳动条件。6.1.2.2压力铸造（1）压型结构及原理压铸所用的金属型称压型，其压型和型芯均用合金钢制成，例如，铝合金铸件常用5CrMnMo或3Cr2W8V钢制成。6.1铸造工艺方法（2）压铸工艺过程压铸工艺包括向型腔喷射涂料、闭合压铸型、压射金属、打开压铸型和取出铸件等过程。6.1铸造工艺方法（3）压铸特点及应用压铸冷却速度快、结晶较细、强度较高（比砂型铸件提高25%~40%），可获得尺寸精度很高、表面粗糙度很小的铸件，尺寸公差等级可达CT8~CT4（相当于IT13~IT11，最高达IT9~IT8），表面粗糙度达Ra=3.2~0.8𝜇m，而且尺寸稳定，互换性好，可压铸形状复杂的薄壁件、精密件、镶嵌件及深腔件等，如发动机气缸体、电机壳体、变速箱体及仪表、电器、日用五金等中小型零件。6.1.2.3低压铸造6.1.2.4离心铸造6.1铸造工艺方法6.1.2.5熔模铸造（1）熔模铸造工艺过程整个工艺流程包括熔模制造、结壳、脱蜡、焙烧、浇注等。（2）熔模铸造特点及应用熔模铸造是采用整体熔模涂层的制壳工艺，型腔无分型面，壳壁表面极为光洁，可使钢铁铸件尺寸公差等级达CT7~CTS（相当于IT13~IT11），粗糙度达Ra=12.5~1.6𝜇m，以实现少或无切削加工而节省金属材料。6.1铸造工艺方法6.1.3新型铸造6.1.3.1快速成形（RPM）6.1铸造工艺方法6.1.3.2无模铸造（PCM）（见图6-11b）6.1铸造工艺方法6.1铸造工艺方法6.2.1液态金属流动性6.2.1.1流动性基本概念6.2铸造工艺原理6.2铸造工艺原理6.2.1.2影响流动性的内在因素（1）合金种类的影响灰铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。（2）合金结晶性能的影响合金结晶性能主要取决于合金的结晶温度范围和结晶形式，并同时又取决于合金的化学成分，不同的合金种类，结晶形式不同，流动性也不同，如图6-13所不。6.2铸造工艺原理（3）合金浇注温度的影响在一定范围内浇注温度越高，液态金属的粘度下降，且因过热度越大，金属液体流动时间越长，越有利于液态金属的充型。反之，则充型能力越差。（4）充型压力及影响液态金属在流动方向上所受的压力越大，其流动充型能力越强。6.2.1.3影响流动性的型腔条件（1）型腔材料与温度液态金属充型时，铸型从金属中吸收和储存热量的能力，将影响金属的流动速度。（2）型腔状态与气膜型腔表面状态与气膜条件对金属流动性影响很大，当型腔表面光滑时，一旦浇入铁液将会流动无阻，而提高金属的流动性。（3）型腔形状与尺寸如果铸型型腔过窄，将会增加金属流动的摩擦阻力，从而降低金属的流动性。6.2铸造工艺原理6.2铸造工艺原理6.2.2凝固金属收缩性6.2.2.1金属收缩及影响因素（1）金属收缩的三阶段金属收缩按形态分液态收缩、凝固收缩和固态收缩。（2）影响金属收缩的因素金属收缩性大小取决于合金种类、浇注温度、铸型条件与铸件结构等因素。6.2铸造工艺原理6.2.2.2铸件的缩孔及防止（1）缩孔和缩松的形成现以共晶成分铸件的缩孔形成为例，如图6-14a所示。6.2铸造工艺原理（2）缩孔的形成位置缩孔一般产生在铸件厚壁处或中心部，即冷却凝固最慢的部位。（3）缩孔的防止措施在工艺上采取顺序凝固原则，使铸件上远离冒口或浇道的部位先凝固，靠近冒口或浇道的部位后凝固，最后是冒口或浇道本身凝固，从而建立一个自远而近逐渐递增的顺序凝固温度梯度曲线（见图6-16a），以实现铸件的厚实部分补缩薄壁部分、冒口补缩铸件的厚实部分，而获得组织致密并健全的铸件。6.2铸造工艺原理6.2铸造工艺原理6.2.3铸造应力及其危害6.2.3.1铸造应力及形成（1）热应力及其形成图6-17所示T形梁铸件，由厚薄不同的I和Ⅱ两部分组成，I部分较厚、冷却较慢，Ⅱ部分较薄则冷却较快，导致同一时期内各部分收缩不一致而产生弯曲度不同，如图6-17e所示。（2）机械应力与相变应力机械应力是指铸件落砂前受到机械阻碍作用所形成的暂时应力，落砂后即可消失。6.2铸造工艺原理6.2.3.2铸件的变形与防止（1）铸件的变形方向铸件内存在应力时，将会使其处于不稳定状态而自发变形，以减小内应力。6.2铸造工艺原理（2）防止变形的措施在结构设计上，应尽量使铸件壁厚均匀，形状简单并对称。6.2铸造工艺原理（3）消除应力的方法实践证明，铸件变形后虽可消除部分应力，但仍有部分残余应力存在，且采取防变形措施后也会仍有不同程度的变形。6.2铸造工艺原理6.2.3.3铸件的裂纹与防止（1）热裂纹及特征热裂纹是在铸件固相线（约1000~1100°C）以下形成的裂纹，裂纹外形曲折、短而宽，裂口呈深氧化色，亦称为结晶裂纹。（2）冷裂纹及特征冷裂纹是在铸件冷却到较低温度下处于弹性状态时形成的裂纹，裂纹细呈连续直线状，且穿过晶界和晶内，也称穿晶裂纹。（3）裂纹的防止措施在治金方面，应严格限制钢铁中的S、P含量，尽量阻止低熔点共晶物（Fe+FeS）和磷共晶物Fe3P的形成，以提高合金的强度、塑性和韧性。6.2.4常用金属件的铸造6.2.4.1铸铁件的铸造（1）灰铸铁件的铸造普通灰铸铁件的铁液不经任何处理，出炉后可直接进行浇注，如HT100、HT150均属这类。6.2铸造工艺原理（2）球墨铸铁件的铸造通常在出炉灰铸铁液浇包中，直接冲入稀土镁合金球化剂和孕育剂（见图6-21a），然后再注入铸型，从而使铁液温度降低，流动性比灰铸铁变差，因此必须提高铁液出炉温度，加大浇道截面，或采用型内球化法（见图6-21b），将球化剂预置于反应室中，以增大铁液充型速度，防止浇不足冷隔。6.2铸造工艺原理（3）可锻铸铁件的铸造可锻铸铁的熔点比灰铸铁高（约1300°C），结晶温度蒞围较宽，流动性较差、收缩性较大，易产生浇不足、冷隔、缩孔及裂纹等缺陷。6.2.4.2铸钢件的铸造6.2铸造工艺原理6.2铸造工艺原理（1）防气孔及粘砂铸钢对型砂和型芯的强度、耐火度、退让性和透气性要求均较高，为提高型芯砂的退让性和透气性，不仅需采用耐火度很高的人造硅砂，而且对于中、大件铸型还需采用强度较高的CO2硬化水玻璃和粘土砂干型。（2）防冷隔及浇不足中、小型铸钢件的浇注系统开设在分型面上或开设在铸件上面，而大型铸钢件则开设在下面。（3）防缩孔及裂纹壁厚差较大的铸钢件，应采取顺序凝固法，在厚壁部位设置一定数量的冒口（见图6-22a），并使冒口所耗钢液占浇入金属质量的25%~50%，以防止缩孔、缩松等缺陷。6.2铸造工艺原理6.2.4.3铸铝件的铸造（1）铝硅合金件的铸造铝硅合金［w（Si）≥5%〕又称铝硅明，成分处于共晶点附近，类似于灰铸铁为逐层结晶形式，具有流动性好、收缩率小（0.8%~1.1%）、不易产生裂纹、致密性好等铸造性能。（2）铝镁合金件的铸造铝镁类合金［w（Mg）≥5%］在海水和空气中具有非常优异的耐蚀性能，力学性能较高，加工表面光亮美观，并在各种铸造铝合金中密度最小，但其远离共晶成分，结晶温度范围大，铸造性能差且液体易吸气和氧化，因此必须采取措施（见图6-23a），保证铝液较快而又平稳地流入型腔，且避免搅动。（3）铝铜合金件的铸造铝铜合金［w（Cu）≥4%］是工业上最早采用的铸铝合金，其重要性仅次于铝硅合金，具有较高的室温和高温力学性能，切削加工性能好，但其耐蚀性较低，大多作为耐热和高强度铝合金应用。6.2铸造工艺原理6.2铸造工艺原理6.2.4.4铸铜件的铸造（1）青铜件的铸造锡青铜结晶温度范围宽（约180°C），流动性差，易产生晶内偏析与浇不足，对于大、中型圆柱套类铸件，宜采用顶注雨淋式浇注系统，如图6-24a所示。（2）黄铜件的铸造黄铜熔点低，结晶温度范围窄（30~70°C），流动性好，可浇注薄壁（厚约3mm）复杂形铸件，且对型砂耐火度要求不高，可用较细的型砂造型，以减小铸件表面粗糙度值，减少加工余量。6.2铸造工艺原理6.3.1铸造工艺方案拟定6.3.1.1造型方法选择（1）简单形铸件的造型图6-25所示为套筒铸件的五种造型方案，可根据不同使用要求和尺寸大小分析选择。（2）曲折形铸件的造型图6-26所示为曲折形铸件的三种造型方法。6.3砂型铸造工艺6.3砂型铸造工艺6.3.1.2铸型分型面选择（1）分型面量少而平原则简化造型工艺，提高铸件的精度和生产效率，要尽可能使铸型有最少的分型面，并尽量做到只有一个分型面。6.3砂型铸造工艺（2）铸件全部或大部放在下型原则图6-28所示为工作台铸件分型方案，方案一型腔全部位于下型，既便于型芯安放和检验，又可使上型高度减低而便于合型和检验壁厚，还有利于起模及翻箱操作。6.3砂型铸造工艺（3）铸件重要面放在同一个铸型原则图6-29所示为水管堵头铸件的分型方案，在机械加工时，铸件上部的方头（管钳夹紧处）是作为外圆表面车削螺纹的基准，采用加工面与加工基准面都处在同一个上型内，可减少因错箱造成的加工余量不够而影响铸件各表面间的位置精度。6.3砂型铸造工艺6.3.1.3铸件浇注位置确定（1）重要面向下放原则铸件上要求较高的重要加工面或主要工作面，应放在铸型的下面、侧面或倾斜面进行浇注。6.3砂型铸造工艺（2）宽大平面向下放原则铸件上宽大平面或薄壁部分，在浇注时应放在铸型下部，并尽量使薄壁垂直或倾斜浇注，以免出现浇不足、冷隔等缺陷。6.3砂型铸造工艺（3）薄而大的平面向下放图6-32所示为箱盖的浇注位置，它将铸件上大面积薄壁部分放在铸型下面，使这部分能在较高的金属液压力下充满铸型，以利于防止浇不足或冷隔。（4）厚大断面处向上原则如图6-33a所示为起重机卷筒的浇注位置，若将卷筒的主要加工圆周面放在铸型侧面，而次要且尺寸较小的凸缘放在上面，则既可保证卷筒全部圆周面的质量均匀一致，又便于凸缘处放置明冒口，还可造成自下而上按顺序凝固，以利于补缩且防止缩孔。6.3砂型铸造工艺6.3砂型铸造工艺（5）型芯设置稳定原则铸件的型芯应放置牢固并尽量減少其数量。6.3砂型铸造工艺6.3.2铸造工艺参数确定6.3.2.1铸造收缩率6.3.2.2加工余量及铸孔（1）机械加工余量机械加工余量是指铸件上凡需机械加工的表面，在拟定工艺时所特意加大的尺寸量，其大小取决于铸件合金种类、铸造方法、尺寸大小、生产批量、加工面质量要求以及所处浇注位置等诸多因素。6.3砂型铸造工艺（2）铸出孔的大小铸件上的孔和槽铸出与否，应根据铸造工艺的可能性和使用的必要性，一般尺寸较大的孔应铸出，以减少切削工时并节约金属材料。6.3砂型铸造工艺6.3.2.3起模斜度6.3.2.4铸造圆角6.3.2.5型芯及型芯头6.3砂型铸造工艺（1）芯头高度和斜度垂直型芯一般均有上、下芯头（见图6-36a），短而粗型芯也可不留上芯头（见图6-36b），芯头高度主要取决于型芯头直径，一般取15~150mm。6.3砂型铸造工艺（2）芯头装配间隙为便于下芯和合箱，芯头与芯座之间应留有间隙S，垂直芯头一般为0.5~4mm，若为湿型、大批量机器造型的中型件，常取S为0.5~1.5mm，而干型、大型件则取S为2~4mm。对于水平芯头，无论湿型或干型S值均较大。6.3.3铸造工艺文件编制6.3.3.1铸造工艺图绘制6.3砂型铸造工艺（1）分型方案绘制方法选取分型面投影线的视图一端，适当延长一短线以表示分型面位置，在其上绘出分型面和分模面表示符号，标出两反向箭头和“上、下”或“上、中”“中、下”等字样，以表示上、下型分界处和铸件浇注位置。（2）斜度及圆角绘制方法检查零件图上垂直于分型面的非加工面上有无结构斜度，若无则需在使用要求允许条件下，添加一定大小的结构斜度。（3）型芯及浇道绘制方法绘出型芯轮廓、芯头形状及斜度、标注尺寸、注明斜度及间隙数值等，型芯数量较多时应进行编号并标注。6.3.3.2铸造工艺卡片制定6.3.3.3铸件图及铸型图6.3砂型铸造工艺6.3砂型铸造工艺6.4.1铸造工艺对铸件结构的要求6.4.1.1铸件外形结构设计（1）铸件分型面应尽量平直若将铸件的分型面设计成平直形状，不仅可使制模简便，避免操作费时的挖砂造型或假箱造型，还可使铸件尺寸精度误差小、毛边少而便于清理，因此应尽量避免曲折形分型面，如图6-39所示。6.4铸件结构设计6.4铸件结构设计（2）铸件外表应尽量避免侧凹铸件垂直于分型面的侧壁上，若有凹入部分，必将妨碍起模而增加铸造工艺复杂性，应力求避免。6.4铸件结构设计（3）铸件外表应尽量避免凸起铸件侧壁上的凸台、凸缘、肋条等结构，若设计不当则将会妨碍起模，而必须采用活块造型或增加型芯等方法解决起模，但不论采用哪种方法起模，均会增加造型、制芯及模样制造的工作量。6.4铸件结构设计（4）铸件侧壁应具有结构斜度许多铸件在设计过程中，初步确定分型面后，应使垂直于分型面的非加工表面留有结构斜度，以便于起模和提高铸件精度，而且还便于自带型芯。6.4铸件结构设计6.4铸件结构设计6.4.1.2铸件内腔结构设计（1）应尽量不用或少用型芯如图646a所示支柱的两种设计方案，左侧为箱形截面结构，其中部空腔需采用型芯获得，但若改为其右边所示的工字形截面，则不需再使用型芯，既可保证铸件质量并提高生产率，又使结构轻巧。6.4铸件结构设计（2）应便于型芯固定排气和清理铸件内腔除应能减少型芯数量外，还应使型芯在铸型中定位准确、安放稳固、排气通畅、清理