《机械制造技术 第3版》课件 第4章 材料的液态成形

第4章材料的液态成形4.1铸造工艺基础4.2砂型铸造4.3特种铸造4.4常用铸造方法的比较4.5铸件结构34.6铸造技术发展4.1铸造工艺基础4.1.1合金的铸造性能

4.1.2常用合金铸件生产

4.1.1合金的铸造性能1.液态合金的充型液态金属填充铸型的过程简称充型。液体金属充满型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力称为充型能力。充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。影响合金充型能力的主要因素：

1)合金的流动性合金种类、合金成分2)浇注条件浇注温度、充型压力3)铸型填充条件蓄热能力、温度、气体、结构影响影响影响衡量合金流动性最常用的试样是螺旋形流动性试样，如右图所示。在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。

4.1.1合金的铸造性能4.1.1合金的铸造性能图4-1Fe-C合金流动性与碳的质量分数的关系(1)铸件的凝固方式及影响因素1）铸件的凝固方式（见图4-3

）逐层凝固。糊状凝固。中间凝固。2）影响凝固方式的因素凝固温度范围:愈小---凝固区域愈窄逐层凝固；愈大---凝固区域愈宽糊状凝固。铸件温度梯度:随温度梯度由小到大.凝固区域由宽变窄

2.合金的凝固与收缩4.1.1合金的铸造性能图4-3铸件的凝固方式4.1.1合金的铸造性能

a)逐层凝固b)中间凝固c)糊状凝固(2)铸造合金的收缩1)收缩的概念铸造合金在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形、内应力等。合金的收缩分三个阶段：液态收缩：液相线温度间的收缩凝固收缩：固相线温度间的收缩固态收缩：凝固终止温度至室温之间的收缩如图4-5

所示。浇注温度与开始凝固温度开始凝固温度至凝固终止温度4.1.1合金的铸造性能4.1.1合金的铸造性能图4-5铸造合金的收缩阶段Ⅰ-液态收缩Ⅱ-凝固收缩Ⅲ-固态收缩2）影响收缩的因素①化学成分。

不同化学成分的合金,其收缩率不同（铸钢最大,灰铸铁最小）。②浇注温度。合金的浇注温度越高,过热度越大,液态收缩也越大,总收缩量增加。③铸件结构与铸型条件。在铸型中冷凝时,铸件不是自由收缩,会受到铸件各部位因冷速不同,相互制约而产生的阻力以及铸型和型芯对收缩产生的机械阻力的影响。4.1.1合金的铸造性能3）收缩对铸件质量的影响缩孔与缩松。产生：液态合金在冷凝过程中因收缩所减少的体积得不到液体金属的及时补充，则在铸件最后凝固部位形成不规则的孔洞，其中大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。图4－6缩孔的形成过程浇道缩孔4.1.1合金的铸造性能图4-7缩松的形成4.1.1合金的铸造性能缩松和缩孔。可使铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以致成为废品。防护措施：a.合理选择铸造合金。b.顺序凝固原则：保证按照远离冒口的部位最先凝固，冒口最后凝固的顺序进行。c.安放冒口和冷铁、实现顺序凝固。d.如在远离冒口的的厚大部位放置冷铁，加快该处的冷却速度，使其先凝固。e.控制浇注温度与速度。应在满足充型能力的前提下,尽量降低浇注温度和速度。3）收缩对铸件质量的影响

4.1.1合金的铸造性能同时凝固温度曲线冷铁铸件温度(℃)浇口距离ⅠⅡⅢ图4-8铸件顺序凝固示意图图4-11铸件同时凝固示意图4.1.1合金的铸造性能4.1.1合金的铸造性能铸造应力和变形。按应力形成的原因铸造应力分为机械应力、热应力和相变应力。热应力:由于铸件形状复杂,厚薄不均,各部分的冷却速度不同,收缩不一致而引起的内应力。机械应力:铸件的固态收缩受到铸型和型芯的机械阻碍而产生的应力称为机械应力。图4-10热应力的形成+表示拉应力；-表示压应力图4-12机械应力示意图4.1.1合金的铸造性能4）铸件的裂纹与防止热裂:在高温下形成的裂纹。其形状特征是:缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。冷裂：在低温下形成的裂纹。其形状特征是:裂纹细小、呈连续直线状:有时缝内呈轻微氧化色。①合金性质

②铸型阻力形成因素防止裂纹①降低内应力②控制含磷量4.1.1合金的铸造性能4.1.2常用合金铸件生产1.普通灰铸铁件

普通灰铸铁件是铸造生产中应用最广泛的一种金属材料。常用来制造承受较小冲击的载荷、需要减振耐磨的零件，如机床床身等。2.孕育铸铁件

孕育铸铁件是指铁液经孕育处理后，获得的亚共晶灰铸铁。3.可锻铸铁件

可锻铸铁件是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性铸铁。4.球墨铸铁件

球墨铸铁件内部组织中的石墨呈球状，是一种广泛应用的高强度铸铁。5.蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的组织为金属基体上均匀分布着蠕虫状石墨。6.铸钢件

铸造性差，易产生缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷。7.铸造铝合金件

铸造铝合金熔点较低，流动性好，可用细砂造型，故表面尺寸比较精确，但力学性能差。8.铸造铜合金件

铸造铜合金通常分为铸造黄铜和铸造青铜。4.1.2常用合金铸件生产

4.2砂型铸造4.2.1造型方法选择4.2.2铸造工艺设计4.2.1造型方法选择1.砂型铸造的工艺过程（如图4-13）2.砂型铸造方法(1)手工造型(如图)。手工造型的方法很多,常用的造型方法有整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、刮板造型、假箱造型等。(2)机器造型（震压式造型）将紧砂和起模实现机械化的造型方法。图4-13砂型铸造的工艺过程4.2.1造型方法选择手工造型4.2.1造型方法选择4.2.2铸造工艺设计1.铸造工艺图的设计图4-15零件图、铸件工艺图与铸件图a)零件图b)铸件工艺图c)铸件图（1）浇注位置的选择

浇注位置:是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。铸件铸件

铸件

4.2.2铸造工艺设计1）铸件的重要工作面、主要的加工面应朝下或侧立放置。床身锥齿轮起重机卷筒4.2.2铸造工艺设计2）铸件的大平面应朝下放置。3）应将铸件薄而大的平面放在下部、侧面或倾斜位置。4.2.2铸造工艺设计

图4-18薄壁件的浇注位置

4）应将铸件的厚大部分放在上部或侧面。4.2.2铸造工艺设计5）确定浇注位置时应尽量减少型芯的数量,要有利于型芯的安装、固定、检查和排气。4.2.2铸造工艺设计（2）铸型分型面的选择铸型分型面:是指两半铸型相互接触的表面。铸件铸件铸件4.2.2铸造工艺设计分型面选择原则如下：1）应使造型工艺简化。为了便于起模，分型面应选择在铸件的最大截面处。分型面的选择应尽量减少型芯和活块的数量。分型面应尽量平直。（如图）尽量减少分型面，特别是机器造型时，只能有一个分型面。2)尽量将铸件重要加工面或大部分加工面、加工基准面置于同一个砂箱中。（如图）3）使型腔和主要芯位于下箱,便于下芯、合型和检查型腔尺寸。4.2.2铸造工艺设计4.2.2铸造工艺设计4.2.2铸造工艺设计（1）加工余量的确定加工余量的大小，要根据铸件的大小、生产批量、合金种类、铸件复杂程度以及加工面在铸型中的位置来确定。（2）起模斜度一般外壁斜度0.5°～3°,内壁斜度3°～10°（3）铸造圆角圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/3~1/2。（4）铸造收缩率收缩量的大小与金属的线收缩率有关，灰铸铁为0.7%~1.0%，铸钢为1.5%~2%。

2.铸件工艺参数的确定

4.2.2铸造工艺设计4.3特种铸造4.3.1金属型铸造4.3.2熔模铸造4.3.3压力铸造4.3.4离心铸造4.3.1金属型铸造b)垂直分型式c)复合分型式a)水平分型式金属型铸造

金属型铸造是依靠重力将熔融金属浇入铸型而获得铸件的方法。1.金属型铸造的特点1）实现了“一型多铸”,生产率高,成本低,便于机械化与自动化生产。2）铸件精度高,表面质量好，减少了铸件的机械加工余量。3）金属型传热快,铸件的冷却速度快,晶粒细,经济性能提高。4）制造成本高,周期长,不适合单件小批生产；形状尺寸受限制,易产生白口。2.金属型铸造的应用范围主要用于中、小型有色合金铸件的大批量生产,如铝活塞、气缸体、缸盖、液压泵壳体、轴瓦、衬套等。4.3.1金属型铸造4.3.2

熔模铸造熔模铸造是用易熔的蜡质材料制成模样，在模样上包裹若干层耐火涂料，然后制成型壳，熔去模样后经高温焙烧即可浇注。熔模铸造1.熔模铸造的工艺过程（见图4-24）母模---压型---压制蜡模---单个蜡模---蜡模组---制壳---脱蜡---填砂浇注

图4－24熔模铸造工艺流程

4.3.2

熔模铸造2.熔模铸造的特点1)可生产形状复杂的铸件,薄壁铸件。2)铸件尺寸精度高,表面质量好。3)适应性广。4)工艺过程复杂,生产周期长,铸型的制造费用高,铸件不宜太大。3.熔模铸造的应用适于汽车、机床、风动工具、气轮机等的构件。4.3.2

熔模铸造4.3.3压力铸造压力铸造

是将液态或半液态合金在高压下快速地压入金属铸型，并在压力下结晶而获得铸件的铸造方法。1.压力铸造的工艺过程

将金属液压入压室,活塞将其压入闭合的铸型中,金属在压力下凝固,退回活塞分开压型,推杆顶出压铸件。2.压力铸造的特点1)生产率高。2)铸件的精度和表面质量高。3)铸件冷却速度快，晶粒细密，强度较高。4)力学性能好。5)设备贵，铸件易产生气孔、缩孔。3.压力铸造的应用这种铸造方法适于汽车、飞机、电器的有色合金件。4.3.3压力铸造4.3.4离心铸造离心铸造是将金属浇入高速旋转的铸型中，使液态金属在离心力的作用下充填铸型并结晶。

图4－26离心铸造a）绕垂直轴旋转b）绕水平轴旋转

1.离心铸造的特点1)金属利用率高，省芯、浇注系统，成本低。2)铸件组织致密，无缩孔、气孔、夹渣等缺陷,力学性能高。3)充型能力强，便于流动性差的合金和薄壁铸件的生产。4)便于制造双金属铸件。5)内径尺寸误差大，粗糙、偏析。2.离心铸造的应用主要用于空心旋转体铸件，如铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承、圆环等。4.3.4离心铸造4.4常用铸造方法的比较金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造4.4常用铸造方法的比较1.金属型铸造（1）铸型材料一般采用铸铁，也可选用碳钢或低合金钢为金属型芯或砂芯，薄壁复杂件或黑色金属件多采用砂芯，形状简单件或有色金属件多采用金属型芯。(如图)

（2）铸造工艺排气、涂料、控制温度、及时开型。（3）缺点不透气,

导热快,无退让性,易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷。4.4常用铸造方法的比较（4）工艺措施

1）开排气孔，排气槽。2）喷刷涂料，避免高温金属液与金属型内表面的接触。一般铝合金铸件用氧化锌粉、滑石粉和水玻璃涂料，灰铸铁件一般用石英粉、石墨粉、炭黑等。3）预热金属型和控制温度120～350℃。4）及时开型。（5）应用

1）冷却块改密，力学性能高，抗拉强度可提高25%，屈服强度平均提高20%。2）铸件尺寸精度可达IT12～IT14,Ra=6.3～12.5µm。3）一型多铸。

4）主要用于铜、铝、镁等有色金属的大批量生产。4.4常用铸造方法的比较2.熔模铸造(1)工艺过程

(如图)

(2)特点及应用

1）尺寸精度，表面质量可达IT11～IT13，表面粗糙度

Ra=1.6～12.5µm。2）合金种类不限，尤其适用于高熔点及难加工的高合金（耐热合金、不锈钢、磁钢）。

3）可铸较复杂铸件：如宽度大于3mm、直径大于2mm的小孔。

4）生产批量不受限制。

5）工艺过程复杂,生产周期长,原材料价格贵,成本高。4.4常用铸造方法的比较4.4常用铸造方法的比较3.压力铸造（1）工艺过程

（2）特点及应用

1)高压,高速,精度可达IT11～IT13,表面粗糙度Ra=3.2～0.8µm。2)铸件晶粒细小，组织致密,抗拉强度比砂型提高,25%～30%。3)可压铸出形状复杂的薄壁件或细小螺纹、孔、齿文字等。4)便于用镶嵌法。5)投资大。考虑寿命不宜压铸铁、钢等高熔点合金；压铸时易产生气孔等缺陷。4.4常用铸造方法的比较4.4常用铸造方法的比较4.低压铸造（1）工艺过程（2）特点1）便于调整浇注压力和速度。2）充型平稳,不易产生气孔、夹渣等缺陷。3）便于实现顺序凝固,使铸件组织致密,力学性能好。4）提高了金属的利用率。（3）应用低压铸造广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车工件、叶轮、螺旋桨等。4.4常用铸造方法的比较4.4常用铸造方法的比较4.5铸件结构

4.5.1铸件结构的工艺性

4.5.2合金铸造性能对铸件结构的要求4.5.1铸件结构的工艺性

1）铸件要尽量减少分型面数量,并尽可能为平面分型面。a)b)

端盖铸件上下上下

摇臂铸件4.5.1铸件结构的工艺性

2)铸件结构应少用或不用型芯。a)改进前结构b)改进后结构

轴承支架

内腔的两种设计4.5.1铸件结构的工艺性

3)铸件壁厚应尽可能均匀。

4.5.1铸件结构的工艺性A─AbAAbB─BBBA─AB─B

顶盖的设计a）b）4)铸件结构应有利于型芯的固定、排气和清理。a)改进前的结构b)改进后的结构

轴承座的结构a)改进前的结构b)改进后的结构

轴承支架的结构4.5.1铸件结构的工艺性

上下a)不合理上下b)合理

活塞结构的改进4.5.1铸件结构的工艺性

5)铸件形状应尽量简单,避免使用活块。a)b)c)d)

凸台的设计4.5.1铸件结构的工艺性6)铸件上应有结构斜度。a)b)a)b)

结构斜度4.5.1铸件结构的工艺性

7)铸件壁相交要用圆角连接。应力集中热节4.5.1铸件结构的工艺性4.5.2合金铸造性能对铸件结构的要求

1）合理设计铸件壁厚。2）铸件壁应避免交叉和锐角连接。a)交错接头b)环状接头铸件接头结构a)不正确b)正确4.5.2合金铸造性能对铸件结构的要求

铸件接头结构

4.6铸造技术的发展

实现绿色集约化铸造，注意资源回收利用、减少乃至无废弃物排放，实施铸造清洁化生产。1.

凝固理论的发展（1）差压铸造（2）定向凝固及单晶精铸理论（3）半固态铸造

2.计算机在铸造中的应用

（1）铸件凝固过程的数值模拟（2）Procast软件在熔模铸造中的应用实例

（3）基于Magma软件的转向摇臂铸造工艺计算机模拟（4）铸造工艺CAD3.快速成形技术的应用1.凝固理论的发展

(1)差压铸造使液态金属在压差的作用下，充填到预先有一定压力的型腔内，进行结晶、凝固而获得铸件。金属液补缩能力强,能消除微观缩松,减小针孔的危害4.6铸造技术的发展(2)定向凝固及单晶精铸理论

定向凝固成为生产高温合金飞机发动机涡轮叶片的主要手段之一。

细晶铸造技术改善了中低温条件下使用的铸件的组织和力学性能。细晶铸造技术通过控制普通熔模铸造工艺强化核心形成,阻止晶粒长大,获得微米级的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件。飞机发动机涡轮叶片

4.6铸造技术的发展(3)半固态铸造其优点是成形温度低,能延长模具使用寿命;节省能源,改善生产环境;铸件质量高;加工余量小。4.6铸造技术的发展4.6铸造技术的发展2.计算机在铸造中的应用运用计算机对铸造生产过程进行设计、仿真、模拟，可以帮助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品制造周期，降低生产成本，确保铸件质量。铸件三维工艺实体网格自动剖分流场计算温度计算缺陷预测结果显示数据库应力场计算

前处理

主体计算

后处理铸造数值模拟的过程(1)铸件凝固过程的数值模拟（2）Procast软件在熔模铸造中的应用实例

初始的蜡模组布置，标示处就是气泡（左图），右图是铸件的气孔缺陷。4.6铸造技术的发展

X射线和procast模拟下的收缩缺陷优化后的设计方案修改前（左）和修改后（右）的模拟（灰色是凝固部分金属，红色是液态金