《工程材料及成形技术》课件 8-铸造 -

铸造本单元学习目标对铸件的生产方法、特点、应用等有初步认识，理解选用不同铸造性能的原材料，对铸造工艺和铸件的质量是有影响的。对砂型铸造的工艺过程及工艺要点（分型面、浇注位置、工艺参数等的正确选择）有较系统的认识，能初步阅读简单的铸造工艺技术文件（铸造工艺简图等）。根据零件的结构特点与性能要求，合理选择常用的铸造方法生产零件毛坯（铸件）。章节主要内容第一节铸造基础知识第二节砂型铸造第三节铸造工艺设计第四节铸件的结构设计第五节特种铸造第六节铸造新技术一、概述二、金属的铸造性能第一节铸造基础知识一、概述1、铸造特点——将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。优点：液态成型，可生产复杂形状零件；方法多样，工艺灵活；成本较低。缺点：铸件力学性能较低；精度低；效率低、劳动条件差铸件实例2、铸造方法砂型铸造——适应性广，生产准备简单，成本低，应用最广特种铸造——铸件性能较好，精度高，效率高

金属型铸造压力铸造熔模铸造离心铸造

实型铸造陶瓷型铸造

……砂型铸造场景大型压铸机二、金属的铸造性能1、金属的流动性

——流动能力，影响到液态合金的充型能力。流动性不足对铸件质量的影响流动性好意味前易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于补缩及热裂纹的弥合。反之铸件易出现【冷隔】【浇不到】【气孔】【夹渣】等缺陷。冷隔浇不足气孔流动性测量用螺旋形流动试样的长度表示，试样螺旋线越长，流动性越好常用合金的流动性（砂型，试样截面8×8mm）关注：比较铸铁与铸钢的流动性流动性影响因素材料化学成分——与结晶温度区间有关，恒温结晶或结晶温度区间小，有利于流动性。一般纯金属、共晶合金的流动性好铸造工艺条件——浇注温度高、浇注压力大，有利于金属流动性铸型材料导热性好、铸型内腔形状得杂，阻碍流动性改善流动性措施从材料化学成分与铸造工艺条件出发2、合金的收缩率收缩率的概念——金属液在凝固和冷却时的体积和尺寸缩减。收缩液态收缩凝固收缩固态收缩——形成缩孔、缩松（体收缩率）————产生变形和裂纹（线收缩率）缩孔缩松收缩对铸件质量的影响【缩孔】液态收缩和凝固收缩部分得不到补足时，在铸件的最后凝固处出现的较大的集中孔洞。缩孔可以用冒口补缩。【变形与开裂】铸件凝固后继续冷却，固态收缩受到阻碍就产生铸造内应力，当内应力达到一定数值，铸件便产生变形甚至开裂利用冒口补缩【缩松】是分散在铸件内的细小的缩孔。缩松很难弥补。影响收缩的因素:【化学成分】

合金的种类和成分不同，其收缩率不同铁碳合金中灰铸铁的收缩率小，铸钢的收缩率大【铸造工艺条件】T浇——注温度越高，液态收缩越大还要注意：凡阻碍铸件收缩的因素，会导致铸件内应力，导致变形开裂一、模样和芯盒二、造型材料三、造型与造芯四、熔炼与浇注五、落砂、清理、检验第二节砂型铸造特点：——造型材料以砂为主，来源广泛，成本低廉，是常用的铸件生方法，目前我国砂型铸件约占铸件产量的80%砂型铸造生产工艺简介造型材料落砂清理造型造芯浇注铸件模样芯盒砂型铸造动画工艺流程：一、模样和芯盒模样和芯盒是用来造型和造芯的基本工艺装备。用木材、铝合金、聚酯泡沫材料等制作二、造型材料包括型砂和芯砂型砂组成：原砂、粘结剂、附加物、水、旧砂粘结剂有粘土、树脂、水玻璃、油脂附加物有煤粉木屑等

泵体木模芯盒芯砂组成：与型砂基本相同，常用桐油、亚麻油、合脂等作为剂，并可用芯骨加强，烘干后提高强度（１）足够的强度，以保证砂型在制造、搬运过程中不至于变形毁坏；（２）较高的耐火性，以防止在高温金属液的冲刷下，型砂出现软化、熔化，导致型砂粘附在铸件的表面产生粘砂，使切削加工困难，甚至造成废品；（３）良好的透气性，使铸型中的气体顺利排除，防止铸件中形成气孔；（４）较好的退让性，以减少对铸件收缩的阻碍，减小铸造内应力。

型芯的周围被高温金属液所包围，故芯砂的上述性能要求比型砂更高。型砂与芯砂应具备如下性能：三、造型与造芯：手工造型、机器造型1、常用手工造型方法分模造型视频整模造型视频挖砂造型视频续表8-3:常用手工造型方法活块造型视频刮板造型视频三箱造型视频2、机器造型——机器造型是用机器全部完成或部分完成造型的工艺（含填砂、紧砂、压实、翻转砂箱、起模等造型工序）四、熔炼与浇注1、熔炼冲天炉——熔炼的主要任务是提供化学成分和温度合适的熔融金属熔炼设备：冲天炉、感应电炉冲天炉要求熔炼温度、效率、合金化；铁焦比，节能，环保感应电炉能达更高温度，准确调整合金液成分，但耗电量大双联炉：冲天炉——感应炉感应炉感应炉开炉出铁场境先采用冲天炉熔化，再利用电炉过热、保温、储存、精炼，以确保铸铁液的质量，是较先进的熔炼方法。2、浇注

浇注温度应根据铸件材料、性能、壁厚等确定。铸铁的T浇为液相线以上200℃，通常为1250～1470℃。浇注温度过高，吸气多、体收缩大，对铸型的热作用大，易产生气、缩孔、粘砂等浇注温度过低，流动性差，易浇不到、冷隔，甚至在浇注过程中出现断流大铸件的浇注.mp4浇注流量与速度浇注速度过快，铸型中气体来不及排出易产生气孔，并易形成冲砂；浇注速度过慢，使型腔表面烘烤时间过长，导致砂层翘起脱落，产生结疤、夹砂等缺陷五、落砂、清理、检验1、落砂——用手工或机器使铸件与型砂、砂箱分开的操作2、清理——采用滚筒、喷丸、抛丸等方法清除芯砂及铸件表面粘砂，并切除铸件上多余金属（含浇冒口、飞翅、氧化皮）3、检验（外观，内部）外观检验用肉眼或借助于尖嘴锤找出铸件表层或皮下的宏观铸造缺陷（气孔、砂眼、粘砂、缩孔、冷隔、浇不到）内部检验包括成分、组织和性能，采用压力试验、磁粉探伤、超声波探伤、金相检验、力学性能试验评级：检验后可对铸件进行评级第三节铸造工艺设计一、浇注位置的确定二、分型面的选择三、工艺参数的确定四、浇注系统等一、浇注位置的确定浇注位置是铸件在铸型中所处的位置。确定原则如下：（1）铸件重要面或主要加工面朝下或位于侧面，如图8-9（2）铸件厚大部分放在顶部或分型面侧面，如图8-10图8-9床身的主要工作面朝下8-10卷扬筒的重要面位于侧面（3）铸件的大平面朝下或倾斜浇注，如图8-11（4）铸件的薄壁朝下、侧立或倾斜，如图8-12图8-11平板铸件的浇注位置图8-12电机端盖的浇注位置二、分型面的选择分型面是为了取出模样，一般选择在铸件最大截面处。为起模方便、简化铸造工艺、保证铸件质量。确定原则如下：（1）分型面应选择在铸件最大截面处。如图8-13所示图8-13分型面选择在最大截面处（2）尽量减少分型面，如图8-14

（3）尽量使分型面平直，如图8-15图8-14绳轮铸件分型图图8-15弯曲连杆分型图（4）尽量使铸件的全部或大部分位于同一砂箱中

如图8-16所示图8-16水管堵头的分型图（5）尽量使型芯位于下箱，并注意减低砂箱的高度这样可简化造型工艺、方便下芯和合型、便于起模和修型。图8-17所示图8-17机床立柱的分型面三、工艺参数的确定（1）机械加工余量（MA）和公差（DCT）——与铸件精度等级、材质、批量、尺寸，浇注位置及铸造方法等因素有关确定方法：首先根据精度等级的要求确定铸件公差等级、加工余量等级然后根据国标确定加工余量MA数值、公差DCT数值（GB/T6414-2017）提示：铸件上可以不铸出的小孔（简化工艺，可用机加工）铸铁件：直径＜30ｍｍ铸钢件：直径＜40ｍｍ（2）起模斜度——作用是使模样易从铸型中取出，起模斜度有三种取法，模样越高，斜度越小。如图8-18所示木模的斜度一般为α＝0.3~3°金属模的斜度一般为α＝0.2～2°图8-18起模斜度的取法（3）收缩率——指模样尺寸放大的值。用于补偿铸件在冷却过程中产生的收缩灰铸铁件：线收缩率约取1％；有色金属铸件：线收缩率约取1.5％；铸钢件：线收缩率约取2％（4）铸造圆角——模样上壁与壁的连接处要做成圆弧过渡，避免砂型尖角损坏，防止产生粘砂、缩孔、裂纹内圆角半径：约取相邻两壁平均壁厚的1/3～1/5外圆角半径：约取内圆角的一半。（5）芯头——指砂芯的外伸部分，用来定位和支承砂芯。如图8-19图8-19芯头的结构四、浇注系统（1）浇注系统的组成与作用组成：通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道和冒口等作用：使金属液平稳地充满型腔；控制金属液流动方向和速度；控制冷却凝固顺序；阻挡夹杂物进入型腔。1—冒口

2—外浇口

3—直浇道

4—横浇道

5—内浇道冒口:起补缩、排气和集渣作用，设在铸件最后凝固处，一般在铸件的厚壁部位或上部（2）浇注系统的类型图8-20浇注系统的类型五、铸造工艺图绘制举例铸造工艺图上的工艺符号：分型面、浇注位置、型芯结构和尺寸、浇注系统、铸造工艺参数例：对比：零件图、铸造工艺图、铸件图的区别！图8-21衬套的零件图、铸造工艺简图和铸件毛坯图第四节铸件的结构设计一、铸件的外形二、铸件的孔和内腔三、铸件的壁厚与壁间连接一、铸件的外形机械零件外形尽量简洁、实用（工艺品除外），便于造型起模等铸造工艺实施具体以下：1.铸件上的凸台不应妨碍起模以减少活块。如图8-22所示基本的原则：在符合使用要求前提下，尽可能简化铸造工艺、提高生产效率、改善铸件质量和降低生产成本图8-22避免或减少活块

2.铸件应避免外部侧凹以减少分型面，图8-23图8-23减少分型面

3.设计结构斜度以便于起模，如图8-24所示

垂直于分型面的非加工侧壁，一般应设计1°~3°。图8-24结构斜度示例4．铸件结构应有利于自由收缩以防裂纹图8-25所示为手轮轮辐的二种设计方案a偶数轮辐收缩受阻，铸造内应较大，不合理。b奇数轮幅，比较合理图8-25轮辐设计方案

5．避免过大水平面以防铸造缺陷过大平面不利于金属液填充，易产生浇不到和冷隔；大平面铸型受金属液的高温烘烤使型砂拱起，易产生夹砂。将大的水平面改为倾斜面，可防止上述缺陷的产生。二、铸件的孔和内腔铸件上的孔和内腔大都是用型芯来形成的。应尽量减少型芯数量，防止偏芯、气孔等铸造缺陷具体如下：1.减少型芯数量。图8-26改封闭空心为开放结构图8-27改型芯为自带型芯图8-26悬臂支架

图8-27端盖铸件的内腔设计

2．便于型芯的固定、排气和铸件清理如图8-28所示，a悬臂型芯难以固定，排气不畅，且需两个型芯，不合理。b修改后只需一个型芯，合理。图8-28轴承支架三、铸件的壁厚与壁间连接

1.壁厚应均匀，避免“热节”。图8-29和图8-30所示不合理合理图8-29铸件壁厚力求均匀图8-30铸件加强肋的应用

2.壁的厚度应合理铸件壁不宜太薄，否则浇注时金属液在狭窄的型腔内流动受到阻碍，易产生浇不到、冷隔等缺陷铸件最小壁厚：在一定的铸造条件下，铸造合金能充满铸型型腔的最小厚度，与合金的种类和成分。见表8-5铸件壁厚也不宜过大，否则由于铸件冷却过慢使晶粒粗大，且易产生缩孔、缩松等缺陷，使性能下降，所以不能靠无节制地增大铸件的壁厚来提高承载能力3．铸件的壁间连接、交叉应合理铸件应有结构圆角，避免直角或锐角连接，以免造成应力集中而产生裂纹。如图8-31所示图8-31铸件壁与壁的连接与交叉设计第五节特种铸造一、金属型铸造二、压力铸造三、熔模铸造四、离心铸造五、陶瓷型铸造六、实型铸造一、金属型铸造——是指在重力的作用下将液态金属浇入金属铸型中获得铸件的方法。金属型可连续使用几千次至数万次，所以也称“永久型”1.金属型的材料与结构材料：铸铁或铸钢结构：整体式、垂直分型式、水平分型式金属铸型垂直分型的金属型金属型铸造工艺过程2.金属型铸造工艺要点金属铸型浇注前应预热与涂料：金属型导热快、无退让性、无透气性，使铸件易出现冷隔与浇不到、裂纹、气孔等缺陷。型腔内喷刷0.3～0.4mm厚的涂料，以防出现冷隔与浇不到缺陷，并延长金属型的寿命；铸件凝固后应及时开型、取出铸件，以防铸件开裂或取出铸件困难。3.金属型铸造的特点及应用范围优点：生产率高；铸件的晶粒细小、组织致密，力学性能比砂型铸件高约25%；铸件的尺寸精度高、表面质量好缺点：难于浇注高熔点的铸铁与铸钢应用：主要用于大批量生产形状简单的铝、铜、镁等非铁金属及合金铸件金属型铸造铸件示例铝合金活塞铜合金轴承衬套机构：活塞连杆曲轴二、压力铸造——熔融金属在高压下快速压入铸型中，并在压力下凝固的铸造方法，简称“压铸”。常用的压射比压为5~150MPa，充型速度为0.5~50m/s，充型时间为0.01~0.2s二、压力铸造１．压力铸造工艺过程压铸机：压铸工艺是在专用设备压铸模：必须用热作模具钢，如3Cr2W8V，并进行热处理压铸机压铸模2.压力铸造的特点及适用范围优点：生产率高，便于实现自动化；铸件的精度高、表面质量好；组织细密、性能好；能铸出形状复杂的薄壁铸件缺点：不能用于高熔点铸铁和铸钢件；由于浇注速度快，常有气孔残留于铸件内，因此，铸件不宜热处理，以防气体受热膨胀，导致铸件变形破裂。应用：大批量生产铝、锌、铜、镁等低熔点非铁金属与合金件压铸件示例压铸铝合金电机壳体压铸铝合金防水盒压铸铝合金仪器壳体压铸铝合金路灯散热器配件案例——汽车车身的一体化压铸三、熔模铸造——是用易熔材料制成模样，涂挂若干层耐火涂料，硬化后熔出模样，得到型壳，经高温焙烧后用于浇注获得铸件。又称为“失蜡铸造”1.熔模铸造的工艺过程，如图8-34所示熔模铸造场景图8-34熔模铸造工艺过程示意图2、熔模铸造的特点及应用优点：铸件尺寸精度高、表面质量好；能生产出形状特别复杂的铸件；适合于高熔点和难切削合金的铸造，生产批量不受限制缺点：熔模铸造的工艺复杂、生产周期长、成本高，且不适宜大件铸造。应用：适合于形状复杂、精密的中小型铸件可生产高熔点、难切削的合金铸件可生产各种不锈钢、耐热钢和磁钢等的精密铸件熔模铸造铸件示例耐热钢料盘绞肉机刀盘不锈钢精密铸件铝合金增压器叶轮四、离心铸造——是将金属液浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型，在离心力的作用下凝固成铸件的铸造方法。离心铸造多用于简单的圆筒体，铸造时不用型芯便可形成内孔1、离心铸造工艺方法立式离心铸造卧式离心铸造图8-35离心铸造方法离心铸造场景2、离心铸造的特点及应用优点：制造环类和套类铸件时可省去浇注系统和型芯铸件在离心力的作用下结晶，组织致密，基本上无缩孔、气孔等缺陷，力学性能好便于双金属铸件的铸造缺点：但铸件的内孔尺寸误差大、内表面粗糙铸件的比重偏析大，金属中的熔渣等密度小的夹杂物易集中在内表面。应用：离广泛用于大口径铸铁管、缸套、双金属轴承、活塞环和特殊钢无缝管坯等离心铸造铸件示例离心铸造球墨铸铁管钢体巴氏合金双金属轴瓦钴基合金离心铸造密封环离心铸造特殊钢无缝钢管坯五、陶瓷型铸造——是用陶瓷质耐火材料制成铸型件的铸造方法。是砂型铸造和熔模铸造的基础上发展起来的一种精密铸造新工艺1、陶瓷型铸造的工艺过程陶瓷型工艺过程示意图陶瓷型铸造场景2、陶瓷型铸造特点及应用优点：铸件的精度和表面质量好，与与熔模铸造相当；适合于高熔点、难加工材料的铸造；铸件大小不受限制；缺点：原材料价格贵不适宜于铸造形状复杂的铸件和大批量生产的条件难以实现自动化和机械化应用：适宜于较大尺寸的精密铸件的单件或小批量生产用于各种模具（如金属型、压铸模、塑料模和锻模等）

还用于喷嘴、压缩机转子、阀体、齿轮、钻探钻头、隧道用刀具等六、实型铸造——又称消失模铸造或气化模铸造（缩写EPC）。用泡沫塑料或石蜡做成模样，造型后不取出，当浇入高温金属液时模样气化消失，金属液填充模样的位置，冷却凝固后获得铸件。消失模、铸件实型铸造工艺过程示意图2、实型铸造的特点及应用优点：造型工艺简化，劳动条件改判，铸造缺陷及废品少；铸件无飞翅毛刺，使清理打磨工作量减少50％以上。缺点：气化模造成空气污染；泡沫塑料模具设计生产周期长，成本高；大尺寸的铸件时，由于模样易变形应用：适应性强，能用于材料，各种形状的做件，如模具、气缸头、管件、曲轴、叶轮、壳体、艺术品、床身和机座等各种铸造方法比较比较项目砂型铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造低压铸造离心铸造适用金属任意铸钢为主有色合金为主铝、锌合金等有色合金为主铸铁、铜合金铸件大小任意<25Kg中小为主<10Kg中小为主不限表面质量差高较高最高较高较高生产批量不限成批、大量大批大量大批大量成批、大量成批、大量生产率低、中低、中中、高最高中中、高应用床身,机架箱体带轮刀具叶片自行车零件铝活塞水暖化油器仪表喇叭缸体缸盖壳体螺旋桨铁管环套辊轴承第六节铸造新技术随着对毛坯生产高精度、高成品率、高效率、低能耗、少污染和低成本的要求，近年来铸造技术出现了较大的发展，主要在三个方面的进展甚为明显：一是新的造型方法不断涌现；二是计算机在铸造生产中的应用已进入实质性阶段；三是铸造生产的集约化和清洁化。一、铸造生产线和造型技术——是将工艺流程中的各种设备联结起来，组成机械化或自动化的铸造系统。旨在提高生产率，改善劳动强度。机器造型生产线砂型铸造生产线砂型铸造生产线平面图二

、3D打印在铸造中的应用工作原理是通过铸造3D打印机的喷头将粘结剂喷射“印刷”在均匀平铺的砂子上面（类似于喷墨打印机），多层叠加后形成立体的铸型。粘结剂通常采用呋喃树脂、酚醛树脂等，砂子通常采用及硅砂、陶粒砂等。其工作过程如下:（1）铺砂:铺砂器将已混有固化剂的砂通过铺粉器均匀地铺在工作台面上，完成铺砂过程（2）固化：打印头根据计算机控制层截面图形将树脂选择性地喷射在已铺好的砂层上面，完成固化，（3）下降：工作台面在上一层粘结完毕后，举升机下降（优选0.2~0.5mm）；（4）重复：重复上述铺砂、打印过程，完成整个砂型的打印工作；

（5）清理：清理未固化砂子，形成需要的砂型，完成整个流程3D打印与传统铸造流程对比3D打印给传统铸