机械制造技术课件：铸造成形

铸造成形4.1铸造概述4.2砂型铸造4.3特种铸造本章小结习题

4.1铸造概述

4.1.1铸造的定义铸造指熔炼金属,制造铸型,并将熔融金属浇入铸型,凝固后获得具有一定形状、尺寸、成分、组织和性能的零件毛坯的成形方法。铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇入铸型,经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。

4.1.2铸造的分类

根据生产方法的不同,铸造可分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造按砂型分为湿型(砂型未经烘干处理)铸造、干型(砂型经烘干处理)铸造和自硬型铸造三种。

特种铸造按造型材料可分为两类:

一是,以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造,包括熔模铸造、泥型铸造、壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等;

二是,以金属为主要铸型材料的特种铸造,包括金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造等。

4.1.3铸造的优缺点

1.铸造的优点

(1)可制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯,如箱体、气缸体等。

(2)适应范围广,可以铸造各种合金。对于脆性材料,铸造是唯一的毛坯制造方法。

(3)铸件的形状、尺寸与零件可以做到最为接近,因而减少了切削的加工余量,节省了金属材料,节约了加工工时。

(4)设备投资少,成本低。铸造废料(浇口、冒口、废品等)可熔化再利用。

2.铸造的缺点

(1)生产工序繁多,工艺过程较难控制,铸件易产生缺陷。

(2)铸件的尺寸均一性差,尺寸精度低,

(3)同种金属材料制成的零件,力学性能较锻件低。

(4)工作环境差,温度高,粉尘多,劳动强度大。

4.2砂型铸造

砂型铸造一般由制造模样、制备造型材料、制造砂型、制造型芯、合箱、浇注、落砂、清理及检验等工艺过程组成。图4－1为齿轮毛坯的砂型铸造工艺过程。图41砂型铸造工艺过程

砂型一般由上砂型、下砂型、型芯、浇注系统组成等,如图4－2所示。上、下砂型的交界面称为分型面,上、下砂型一般由定位销进行定位。

砂型中由模样形成的空腔称为型腔。金属液体流入型腔,凝固后形成铸件的外形。图4－2中型腔中的阴影部分为型芯,用来形成铸件的内腔。浇注系统将金属液体倒入并使之充满型腔,液体与型砂作用产生的气体,从冒口、通气孔等处排出砂型。图4－2砂型组成示意图

4.2.1型砂的性能与成分

1.型砂的性能

铸型在浇注过程中要承受金属液的冲击、静压和高温的作用,并要排除大量的气体,型芯还要承受铸件凝固时的收缩压力,因而型砂应满足以下性能要求:

(1)可塑性。型砂在外力作用下铸造成形,当外力去除时仍能保持外力作用时的形状称为可塑性。这种性能能保证铸件具有清晰的轮廓和精确的尺寸。

(2)透气性。高温金属液浇入铸型后,型腔内充满大量气体,这些气体必须顺利排出型腔,型砂这种能使气体通过的性能称为透气性。否则,将会使铸件产生气孔、浇不足等缺陷。

(3)强度。型砂承受外力的作用而不易破坏的性能称为强度。型砂必须具有足够的强度,在浇注时才能承受金属溶液的冲击和压力,不至于变形和毁坏,从而防止铸件存在夹砂、砂眼等缺陷。型砂的强度也不宜过高,否则会因透气性、退让性的下降,使铸件产生缺陷。

(4)耐火性。型砂在高温金属液的作用下不软化、不熔化以及不黏附在铸件表面上的性能称为耐火性。如果型砂的耐火性差,则铸件易产生黏砂,使清理和切削加工困难。型砂中SiO2含量越多,型砂颗粒越大,耐火性越好。为防止黏砂,也可在型砂中掺入少量煤粉或在型腔和型芯表面涂上一层涂料。

(5)退让性。铸件冷却收缩时,砂型和型芯的体积可以被压缩的性能称为退让性。当退让性不好时,铸件收缩受阻碍,产生内应力,使铸件变形甚至出现裂纹。型砂中黏土含量越高,高温时越容易发生烧结,退让性越差。在型砂中加入少量木屑,或采用其他黏结剂,如油和树脂,可以改善退让性。

此外,还需考虑型砂的回用性、发气性和出砂性。回用性良好的型砂便于重复使用,型砂耗费量低;发气性低的型砂浇注时自身产生的气体少,铸件不易产生气孔;出砂性好的型砂浇注冷却后残留强度低,铸件易于清理。

2.型砂的成分

型砂是由原砂、旧砂、黏结剂、附加材料和水混合而成的。一般来说,生产1t的铸件需要4~5t的原砂,原砂多为天然的石英砂等。黏结剂一般为黏土、水玻璃、树脂等,加入黏结剂能使型砂具有一定的强度和可塑性。附加材料是为了改善和提高型砂的性能,有时需要加入煤粉、木屑等附加物。

4.2.2造型方法与分类

将型砂制作成砂型的过程称为造型。造型方法可按砂箱特征和模型特征区分。

1.按砂箱特征分

按砂箱特征分,造型可分为两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型等。

(1)两箱造型是指铸型由上砂型、下砂型构成,操作简单,适用于各种批量、尺寸、大小的铸件,如图4－3所示。图4－3两箱造型

(2)三箱造型是指零件的外形结构出现两个大截面之间夹着一个小截面时,若只用一个分型面、两个砂箱造型,则不能起模,必须将砂型沿两个最大截面分型,即两个分型面、三个砂箱造型,同时还应将模型分成两块或多块才能使模型从砂型中取出,如图4－4所示。三箱造型操作复杂、精度低,适用于单件和中、小批量生产。图4－4三箱造型

(3)脱箱造型是采用活动砂箱来造型如图4－5所示,造铸型合型后,将砂型脱出,重新用于造型,一个砂箱可制造多个砂型。脱箱造型适用于生产小型零件。图4－5脱箱造型

(4)地坑造型是利用车间地面、砂床作为铸件的下箱的造型方法,如图4－6所示。大铸件需要在砂床下面铺以焦炭,埋出气管。地坑造型用于砂箱不足,或生产批量不大,质量要求不高的中、大型铸件,如砂箱、压铁、栅栏等。图4－6地坑造型

2.按模型特征分

按模型特征分,造型可分为整体模造型、假箱造型、分模造型、活块造型、刮板造型等。

(1)整体模造型是当零件外形轮廓的最大截面位于其一端时,可将其端面作为分型面进行造型,因为零件端面以下没有妨碍起模的部分,故可将模型做成与零件形状相适应的整体结构,称为整体模,如图4－7所示。

整体模的特点:模型基本在一个砂箱内形成;分型面是平面,操作方便,不会因为错箱影响零件精度。图4－7整体模造型

(2)假箱造型是在造型前预先做个假箱(底胎),然后在底胎上制下箱,因底胎不参与浇注,故称为假箱,如图4－8所示。图48假箱造型

(3)分模造型是将模型沿铸件中间的最大截面分成两半,型腔位于上、下两个砂箱内,造型简单省力,如图4－9所示。分模造型的特点是模型的分模面与铸型的分型面重合,起模方便,尤其适合需要用水平型芯形成内孔的铸件,因为它使下芯操作方便,浇注时型芯产生的气体很容易由分型面排出。图4－9分模造型

(4)活块造型是当零件外形上有局部妨碍起模的凸台或肋板时,可将模型上的这部分做成活动的,称为活块。模型上的活块部分和模型主体用销或燕尾榫连接,起模时先取出模型主体,然后再从侧面取出活块,如图4－10所示。活块造型操作困难,铸件精度较差,生产率低,主要用于单件、小批量生产。图4－10活块造型

(5)刮板造型是用与铸件截面形状相应的刮板来造型的,如图4－11所示,刮板分为绕轴线旋转刮板和沿导轨往复移动刮板两大类。刮板造型适用于回转体或等截面形状的大、中型铸件,如带轮、简单气缸盖、弯管等。图411刮板造型

4.2.3砂型的制作工艺过程

制作砂型的各主要工序说明如下:

1.预备工序

(1)准备造型材料和配砂。造型材料主要包括制造砂型的型砂和制造型芯的芯砂。造型材料的性能直接影响造型工艺及铸件的质量。

(2)制作模样和芯盒。模样用来通过造型形成铸型型腔,其形状与铸件外形一致,仅尺寸比铸件增加一收缩量;芯盒用来制造型芯,型芯的外形相当于铸件的内腔形状,用来形成铸件的内腔。

2.手工造型

造型是使用模样、型砂以及其他辅助工具制作砂型的操作工序。手工造型的基本操作主要有:造型前的准备工作、紧实型砂、砂型的通气、起模、开设浇口、修型、合型等。

(1)造型前的准备工作。首先要准备造型用的工具和辅具,如底板、砂箱、模样、芯盒、舂砂锤、起模针等。然后按照模样的形状和尺寸,确定砂箱的结构和尺寸。最后将模样安放在砂箱内底板上的安放位置,保证有一定的吃砂量,模样的拔模斜度与起模方向一致,如图4－12所示。图412砂箱尺寸示意图(单位:mm)

(2)紧实型砂。

把型砂填入砂箱中,用舂砂锤舂紧型砂,使砂型获得一定的紧实度以保证其具有一定的强度。第一次加砂时要用手按住模样,将模样周围的型砂塞紧,以防模样在砂箱中移动。型砂要分批加入、逐层紧实,并且要按照一定路线进行,一般从砂箱边开始逐步向中间紧实,如图4－13所示。图4－13舂砂路线示意图

(3)砂型的通气。为了使金属液体浇入铸型型腔时内部产生的大量气体顺利排出型腔,不仅要求砂型具有良好的透气性,还需在砂型上扎通气孔,以及采取其他通气措施,如图4－14所示。扎通气孔时,一般用直径为2~10mm的通气针,通气孔之间距离为20~30mm,通气孔距模样表面10~15mm,不得穿透型腔,如图4－15所示。图4－14砂型各处的紧实度应不同图4－15砂型的通气孔(单位:mm)

(4)起模。把模样从砂箱中取出前,先在模样四周的型砂上刷一些水,增加型砂的强度与塑性,但不要用水量过大,以免铸件产生气孔。

(5)开设浇口。在上、下分型面上开设横浇口和内浇口。(6)修型。修型主要是将起模时损坏的、砂型不够紧实的部分和型腔表面不光滑的部分修补好。

(7)合型。修型完毕,把各分砂型和型芯按图纸要求组装成完整的铸型的过程为合型。合型时要对准合型线,合型后用螺栓或卡箍紧固砂箱,或者在砂箱上放置压铁,以防止抬箱、跑火等。

3.制造型芯

1)型芯的工艺要点型芯的作用是用来形成铸件的内腔。制作型芯的工艺操作过程与造型的工艺过程相似,只是型芯由于处在高温液体的包围和冲刷之中,因此性能要求更高。为了保证型芯的性能要求,在制芯过程中需要采取如下措施:

(1)放置型芯骨,以提高型芯的强度,图4－16为用铁丝制作的芯骨。

(2)开通气道以提高型芯的排气能力,图4－17为几种通气方法。

(3)涂料与烘干,在型芯表面刷一层涂料,以防止铸件黏砂,然后在一定温度下烘干,以提高型芯的强度及透气性。图416铁丝芯骨图4－17型芯的通气孔

2)制芯方法

可用芯盒制芯,也可用刮板制芯。在单件小批量生产时多用手工制芯;在大批量生产时多用机器制芯。

根据芯盒的结构,制芯方法有:整体式芯盒制芯,主要用于形状简单的中、小型型芯;对开式芯盒制芯,适用于圆形截面的较小型芯;可拆式芯盒制芯,主要用于形状复杂的大、中型型芯,如图4－18所示。图4－18在芯盒中制芯

3)型芯的固定

型芯在铸件中的定位主要靠型芯头,型芯头必须有足够的尺寸和合适的形状,能使型芯牢固的固定在铸型中,以防止浇注时漂浮和偏移。

4.2.4浇注系统

金属溶液注入铸型时流经的通道,称为浇注系统。浇注系统主要是为了保证金属液体平稳、均匀、连续地充满型腔,防止熔渣、砂粒等进入型腔,调节铸件的凝固顺序,并供给铸件冷凝收缩时所需要填充的金属溶液。

1.浇注系统的组成

一般浇注系统主要由四部分组成,包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道,如图4－19所示。并非每个铸件的浇注系统都需要有这四个部分,如一些简单的小铸件,只有直浇道与内浇道,而不需要横浇道。图419带冒口的浇注系统

2.浇注系统各部分的作用

浇注系统中各个组成部分在系统中所起的作用是不同的,为了保证浇注时金属液能平稳的注入型腔,并将熔渣等杂质阻挡在型腔以外,一般应使内浇道截面积总和小于横浇道截面积,而横浇道截面积则小于直浇道截面积。

(1)浇口杯:呈漏斗形,其作用是缓和金属液对铸型的冲击作用,并使熔渣、杂质上浮,起到挡渣作用。

(2)直浇道:浇注系统中的垂直通道。通常带有一定的锥度,其作用是通过其高度产生的静压力使金属液迅速充满型腔。

(3)横浇道:浇注系统中的水平通道部分。其截面为梯形,它的作用是分配金属溶液流入内浇道,起到挡渣作用。一般横浇道开在上砂箱内。

(4)内浇道:浇注系统中引金属溶液进入型腔的部分。其截面为梯形或半圆形,它的作用是控制金属溶液的流动速度和方向。内浇道一般位于下砂箱分型面上,内浇道的尺寸和数目根据金属的种类,铸件的重量、壁厚和外形而定。

(5)冒口:金属溶液在冷凝过程中产生缩孔和缩松,在铸件中要设置冒口。冒口主要是对铸件最后冷却部位的收缩提供金属液进行补缩,以便使铸件的缩孔集中在冒口中。另外,在浇注时产生的气体可以从冒口排出,同时在型腔中的少量熔渣、砂粒等杂质也可集中上浮到冒口的上部。冒口一般设在铸件的最高处和最远处,图4－19为带冒口的铸件。

4.2.5铸件的常见缺陷和修补

1.铸件的常见缺陷

铸件缺陷的种类很多,应该根据具体情况综合分析,找出原因,再采取相应措施加以防止。铸件清理后检验的项目主要有外观、尺寸、力学性能及内部缺陷,最基本的是外观检查和内部缺陷检验。对于裸眼难以发现的铸件细致缺陷和皮下缺陷常用渗透法和磁粉探伤法进行检查。铸件内部缺陷需要用超声波和射线探伤来检查。表4－1为常见铸件缺陷的特征及主要原因。

2.铸件的修补

有缺陷的铸件应在保证质量的前提下尽量修复,铸件修补常采用的方法有以下几种:

(1)气焊和电弧焊修补。气焊和电弧焊常用于修补裂纹、气孔、缩孔、冷隔、砂眼等。焊补可达到与铸件本体相近的力学性能,为保证焊补质量,焊补前应将缺陷处的黏砂、氧化皮等杂物铲除,开出坡口并使其露出新的金属光泽,以防未焊透、夹渣等。

(2)金属喷镀。金属喷镀是在铸件缺陷处喷镀一层金属,采用先进的等离子喷镀效果较好。

(3)填腻修补。填腻修补是用腻子填补孔洞缺陷,不能改变铸件的质量,只用于装饰。

4.3特种铸造

4.3.1熔模铸造熔模铸造通常是在模样表面涂覆多层耐火材料制成型壳,再将模样熔化排出型壳,从而获得无分型面的铸型。

1.熔模铸造的工艺过程

熔模铸造又称失蜡铸造,包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇铸金属液及后处理等工序。熔模铸造是用易熔材料制成零件的蜡模,然后在蜡模上涂以泥浆,晾干后再焙烧成陶模,经过焙烧蜡模全部熔化流失只剩陶模,再从浇注口灌入金属溶液,冷却后所需的零件就制成了。

熔模铸造的工艺过程如图4－20所示。图4－20熔模铸造的工艺过程

2.熔模铸造的特点

(1)熔模铸件尺寸精度较高,一般可达IT4~IT6(砂型铸造为IT10~IT13)。但是熔模铸造的工艺过程复杂,影响铸件尺寸精度的因素较多,例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等。

(2)熔模铸件的表面光洁度也比较高。一是压制熔模时,采用型腔表面光洁度高的压型。二是型壳由耐高温的特殊黏结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成,与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。所以,熔模铸件的表面光洁度比一般铸造件的高,Ra一般可达1.6~3.2μm。

(3)熔模铸件可减少机械加工工序,只是在零件上要求较高的部位预留少许加工余量,甚至某些铸件只留打磨、抛光余量,不必机械加工即可使用。由此可见,采用熔模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时,大幅度节约金属原材料。

(4)熔模铸造可以铸造各种合金且形状复杂的铸件,特别是铸造高温合金铸件,如喷气式发动机的叶片,其流线型外廓与冷却用内腔,用机械加工工艺几乎无法形成。用熔模铸造工艺生产不仅可以做到批量生产,保证了铸件的一致性,而且避免了机械加工后残留刀纹的应力集中。

4.3.2金属型铸造

金属型铸造是将液态金属浇入金属铸型,以获得铸件的一种铸造工艺。其铸型是用金属制成的,可以反复使用几百次到几千次,所以又称为永久型铸造。

1.金属型铸造的类型

金属型铸造按照结构可分为四种类型,包括整体式、水平分型式、垂直分型式和复合分型式。采用哪种类型的金属型铸造取决于铸件的形状、尺寸和大小,分型面数量,合金种类、生产批量等条件。

(1)整体式。这种金属型铸造的铸型无分型面,结构简单,它只适用于形状简单,无分型面的铸件。

(2)水平分型式。它适用于薄壁轮状铸件。

(3)垂直分型式。这类金属型铸造便于开设浇冒口和排气系统,开、合型方便,容易实现机械化生产,多用于生产简单的小铸件。

(4)复合分型式。它由两个或两个以上的分型面组成,甚至由活块组成,一般用于复杂铸件的生产。

2.金属型铸造的结构

金属型铸造的结构包括上型、下型、型块、砂芯、型腔、止口定位、动型、定位销、定型和底座等,如图4－21所示。图4－21金属型铸造的结构

3.金属型铸造的特点

(1)金属型铸造生产的铸件,其机械性能比砂型铸件高。

(2)铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高,而且质量和尺寸稳定。

(3)金属型铸造可不用砂或者少用砂,一般可节约造型材料80%~100%。

(4)金属型铸造的生产效率高,工序简单,易实现机械化和自动化。

4.金属型铸造的应用

金属型铸造主要适用于大批量生产的中、小型有色金属铸件,如汽车、拖拉机、内燃机的铝活塞、气缸体、气缸盖、油泵壳体,以及铜合金轴瓦、轴套。

4.3.3压力铸造

压力铸造(压铸)是将熔融金属在高压下高速充入铸型,并在高压下结晶凝固形成铸件的过程。其主要特征是高压、高速,常用的压力为数十兆帕,填充速度(内浇口速度)为16~80m/s,金属液填充模具型腔的时间极短,为0.01~0.2s。

压力铸造的过程如图4－22所示。图422压铸过程示意图

1.压铸的特点

压铸件尺寸精度高,可达IT9~IT12,表面粗糙度Ra可达0.8~6.3μm;压铸可铸造薄壁复杂的铸件,并可直接铸出小孔、螺纹、齿轮等,所得铸件的结晶致密、强度高。

2.压力铸造的应用

压力铸造广泛用于不需进行切削加工,大批量生产的薄壁、复杂、小型的有色金属铸件,如铝合金气缸体、气缸盖、仪表、化油器等。

压铸件在高压下会形成气孔,热处理加热时,气体膨胀会使铸件表面突起或变形,因此压铸件不能进行热处理,压力铸造不适于高熔点合金,如钢、铸铁等。

4.3.4离心铸造

离心铸造是将液体金属注入高速旋转的铸型内,使金属液在离心力的作用下充满铸型和形成铸件的技术和方法。离心力使液体金属在径向能很好地充满铸型并形成铸件的自由表面,不用型芯能获得圆柱形的内孔,有助于液体金属中气体和夹杂物的排除,影响金属的结晶过程,从而改善铸件的机械性能和物理性能。

1.离心铸造的分类

根据铸型旋转轴线的空间位置,离心铸造可分为立式离心铸造和卧式离心铸造。

(1)立式离心铸造。铸型的旋转轴线处于垂直状态时的离心铸造称为立式离心铸造,它主要用于生产高度小于直径的圆环类铸件,如图4－23(a)所示。

(2)卧式离心铸造。铸型的旋转轴线处于水平状态或与水平线夹角很小(4°)时的离心铸造称为卧式离心铸造,它主要用于生产长度大于直径的套筒或管类铸件,如图4－23(b)所示。图4－23离心铸造

2.离心铸造的特点

1)优点

(1)几乎不存在浇注系统和冒口系统的金属消耗,提高工艺出品率。

(2)生产中空铸件时可不用型芯,故在生产长管形铸件时可大幅度地改善金属充型能力,降低铸件壁厚对长度或直径的比值,简化套筒和管类铸件的生产过程。

(3)铸件致密度高,气孔、夹渣等缺陷少,力学性能高。

(4)便于制造筒、套类复合金属铸件,如钢背铜套、双金属轧辊等;成形铸件时,可借离心力提高金属的充型能力,故可生产薄壁铸件。

2)缺点

(1)用于生产异形铸件时有一定的局限性。

(2)铸件内孔直径不准确,内孔表面比较粗糙,质量较差,加工余量大。

(3)铸件易产生比重偏析,因此不适于合金易产生比重偏析的铸件(如铅青铜),尤其不适于铸造杂质比重大于金属液的合金。

3.离心铸造的应用

由于采用离心铸造可获得均匀的壁厚,因此它主要用来浇注气缸套、轴套等圆筒形重要零件,如铸铁水管、缸套和活塞环坯料等。它也可用来制造钢套镶铜的双金属轴承,使两种合金牢固地连接成一体,以节约昂贵的铜合金。

本章小结

(1)铸造的分类:根据生产方法的不同,铸造可分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造按砂型分为湿型(砂型未经烘干处理)铸造、干型(砂型经烘干处理)铸造和自硬型铸造三种。特种铸造按造型材料可分为两类:一是,以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造,包括熔模铸造、泥型铸造、壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等;二是,以金属为主要铸型材料的特种铸造,包括金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造等。

(2)型砂的性能:铸型在浇注过程中要承受金属液的冲击、静压和高温的作用,并要排除大量的气体,型芯还要承受铸件凝固时的收缩压力,因而型砂应满足的性能要求有:可塑性、透气性、强度、耐火性、退让性,此外还需考虑型砂的回用性、发气性和出砂性。

(3)浇注系统主要由四部分组成,包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道。浇注系统中各个组成部分在系统中所起的作用是不同的,为了保证浇注时金属液能平稳的注入型腔,并将熔渣等杂质阻挡在型腔以外,一般应使内浇道截面积总和小于横浇道截面积,而横浇道截面积则小于直浇道截面积。

(4)熔模铸造的工艺过程:熔