《工程材料与材料成形工艺》-第7章 铸造成形工艺

7.1铸造工艺基础7.1.1概述铸造是熔炼金属.制造铸型.并将熔融金属浇入到铸型中.凝固后获得一定形状、尺寸与性能的铸件的生产方法。铸造是生产金属零件或毛坯的主要形式之一。铸件在一般机器中占机器总质量的40%-80%.但其制造成本只占机器总成本的25%-30%。

与其他零件成形工艺相比.铸造成形工艺具有生产成本低、工艺灵活性大、几乎不受零件尺寸及形状的限制、铸件的质量可由几克到数百吨、壁厚可由0.3-1m以上等优点.所以得到了广泛应用。但铸造成形工艺也具有一定的缺点。①铸造缺陷多.如气孔、砂眼等。下一页返回7.1铸造工艺基础②铸件的力学性能低于锻件。③铸件表面较粗糙.尺寸精度不高。

④铸造工人劳动条件较差.劳动强度大。铸造的方法很多.通常分为砂型铸造和特种铸造两大类。由于砂型铸造成本较低.适应性较强.因此应用最为广泛.世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的80%以上.其工艺流程如图7-1所示。特种铸造是除砂型铸造外的各种铸造方法的总称。随着现代科学技术的发展.特种铸造的应用越来越广泛.特种铸造不仅具备砂型铸造的优点.而且克服了砂型铸造的缺陷。下一页返回上一页图7-1砂型铸造工艺流程返回7.1铸造工艺基础7.1.2金属的铸造性能铸造性能是指金属在铸造过程中所表现出来的工艺性能。金属的铸造性能主要是指流动性、收缩性、偏析和吸气性等。铸件的质量与金属的铸造性能密切相关.其中金属的流动性和收缩性对铸件的质量影响最大。1.金属的流动性及其影响因素

(1)流动性的概念金属的流动性是指熔化的金属在铸型型腔中的流动能力。它是影响金属溶液充型能力的重要指标之一。流动性好的合金.容易获得尺寸准确、轮廓清晰的铸件.流动性好还有利于金属液体中杂质和气体的排除。为了了解影响流动性的各种因素.比较不同合金的充型能力.可设计各种测定合金流动性的试样.试样的种类有很多.下一页返回上一页7.1铸造工艺基础如螺旋形、楔形、U形、圆形等.其中最常见的是螺旋形.如图7-2所示。螺旋形试样多采用砂型铸造.在试样上每隔50mm做一个凸点试验时.将合金溶液倒入试样铸型中.冷却后测定浇出的螺旋线的长度.就是流动性的读数。(2)影响流动性的因素金属的流动性不仅与其物理性能(如熔点、黏度等)和化学成分有关.还与铸件的结构及工艺有关。总之.凡是能延长液态时间和加速合金液体流动的因素.都能提高金属的流动性.反之.则降低流动性。下一页返回上一页图7-2螺旋形试样示意图返回7.1铸造工艺基础①化学成分。不同种类的金属的流动性是不同的.根据金属的流动试验可知.灰铸铁的流动性最好.有色金属次之.铸钢的流动性最差。金属的初晶形状和结晶温度范围对流动性的影响很大.金属的结晶温度范围越宽.固相和液相的共存的时间越长.枝晶就越发达.则合金的流动性越差。②浇注温度在一定范围内.提高浇注温度可以降低金属溶液的钻度.使金属的液态状态延长.流动性提高。但是.如果超过一定界限.随着浇注温度的升高.金属液体收缩增加.吸气增多.氧化严重.流动性反而会下降。因此.每种金属都有其一定的浇注温度范围:铸铁为1230℃-1250℃;铸钢为1500℃-1650℃;铸铝为680℃-780℃。一般情况下.厚大零件的浇注温度取其下限.薄壁和形状复杂的零件的浇注温度取其上限。下一页返回上一页7.1铸造工艺基础③铸型性质。造型所用材料不同.对金属的流动性也有影响。造型所用材料的导热能力越强.金属溶液散热则越快.流动性就越差。因此.砂型铸件比金属型铸件的流动性好;干型铸件比湿型铸件的流动性好;热型铸件比冷型铸件的流动性好。2.金属的收缩性及其影响因素金属的收缩是指金属从液态冷却到室温的过程中.体积和尺寸减小的现象。

(1)金属收缩的三个阶段

金属从浇注温度冷却到室温要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个相互联系的阶段。下一页返回上一页7.1铸造工艺基础①液态收缩。金属在液态时由于温度的降低而发生的体积收缩称为液态收缩。由于此时金属全部处于液态.所以体积的缩小仅表现为型腔内液面的降低。②凝固收缩。熔融金属在凝固阶段的体积收缩称为凝固收缩。纯金属及恒温结晶的金属.其凝固收缩单纯由液一固相变引起;具有一定结晶温度范围的金属.除有液-固相变引起的收缩之外.还有因凝固阶段温度下降产生的收缩。③固态收缩。金属在固态时由于温度下降而发生的体积收缩称为固态收缩.主要表现为零件的三个方向的线尺寸的缩小。

(2)影响收缩的因素①金属的种类和化学成分。不同种类的金属具有不同的收缩率。下一页返回上一页7.1铸造工艺基础同类金属中由于化学成分不同.其收缩率也是不同的。凝固温度范围越大.金属的收缩率越大。在常用的铸造金属中.铸钢的收缩率最大.灰铸铁的收缩率最小。②浇注温度。金属的浇注温度愈高.过热度愈大.则液态收缩量愈大.总收缩量也相应增加。③铸件结构。铸件各部分的尺寸不同.其收缩率也不同.各部分之间会相互影响。故铸件的实际收缩率比自由线收缩率小。液态收缩和凝固收缩主要表现为金属体积上的缩减.它们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因.如图7-3所示为铸件缩孔的形成过程。固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小.是铸件产生应力、变形和裂纹的根本原因。下一页返回上一页图7-3铸件缩孔的形成过程返回7.1铸造工艺基础3.金属的吸气性和偏析

(1)吸气性。金属在熔炼和浇注时吸收气体的能力称为金属的吸气性。如果金属在液体时吸收气体多.则在凝固时.侵入的气体若来不及逸出.就会出现气孔、白点等缺陷为了减少金属的吸气性.可以缩短熔炼时间;选用烘干过的炉料;提高铸型和型芯的透气性;降低造型材料中的含水量和对铸型进行烘干等。

(2)偏析。指铸件中各部分出现化学成分、晶相组织不一致的现象。偏析会影响铸件的力学性能、加工性能和抗腐蚀性.严重时可造成废品。偏析产生的原因是在晶体成长过程中结晶速度大于元素的扩散速度.对这一因素可采用退火或在浇注时充分搅拌和加大金属液体的冷却速度的方法来克服。返回上一页7.2砂型铸造将液态金属浇入用型砂紧实成形的铸型中.待凝固冷却后.再将铸型破坏.取出铸件的铸造方法称为砂型铸造。砂型铸造是传统的铸造方法.它适用于各种形状、大小及各种常用金属铸件的生产.应用最为广泛。砂型铸造工艺的主要工序包括制造模样、制备造型(芯)材料、造型、制芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等如图7-4所示为齿轮的砂型铸造工艺过程。7.2.1型砂和芯砂型砂和芯砂是制造砂型的最主要材料，其质量对铸造生产过程和铸件的质量有很大的影响。1.型砂和芯砂的性能

铸型在铸造过程中.要承受金属溶液的冲刷、高温、静压力等作用.返回下一页图7-4齿轮的砂型铸造工艺过程返回7.2砂型铸造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.因此.型砂和芯砂应满足如下的性能要求。

(1)可塑性。造型材料在外力作用下容易获得清晰的型腔轮廓.型砂和芯砂在外力去除后仍能保持其形状的性能称为可塑性。可塑性好.铸件的表面质量就较高。可塑性与黏土和水分含量有关.含黏土量多.含水量适当.则可塑性良好。

(2)强度。型砂、芯砂抵抗外力破坏的能力称为强度。强度与黏结剂的种类和含量、含水量以及型砂的紧实度有关。

(3)耐火性。在高温液态金属的作用下.型砂和芯砂不软化、不烧结的性能称为耐火性。如果耐火性差.铸件易产生钻砂缺陷.给铸件清理和切削加工带来困难。耐火性主要与砂粒的成分、形状和大小有关。下一页返回上一页7.2砂型铸造SiO2含量高、圆形、大颗粒的砂其耐火性高。

(4)透气性在型砂和芯砂被紧实后.由于其各砂粒间存在间隙而具有的允许气体透过的能力称为透气性。透气性差.则铸件易产生气孔等缺陷。砂粒粗大、均匀.黏土含量少.含水量适当的型砂和芯砂透气性良好。

(5)退让性。当铸件凝固后继续冷却时.型砂、芯砂能被压缩而不阻碍铸件收缩的性能称为退让性。退让性差.则铸件容易变形、开裂。减少型砂中黏土的含量.使用桐油、合脂等黏结剂.加入附加物.可提高退让性。芯砂与型砂相比.由于芯砂的表面被高温金属液所包围.受到的冲刷和烘烤较厉害.因而其性能要比型砂的性能要求高。除满足以上要求之外.型砂和芯砂还应具备吸湿性小、发气量少、易于落砂清理等要求.下一页返回上一页7.2砂型铸造2.型砂和芯砂的组成。型砂和芯砂的组成就其基本组成来说.都是由原砂、黏结剂、水和附加物等四部分组成。(1)原砂(新砂)。原砂就是天然砂.即由岩石风化并可按颗粒分离的砂.其主要成分为石英(SiO2)高质量金属的铸造用砂要求原砂中SiO2的含量高(85%-97%).砂粒呈圆形且大小均匀;高熔点金属的铸造用砂则须选用锆砂、镁砂、铬砂。

(2)旧砂。已经使用过的型砂称为旧砂。旧砂经过磁选及过筛.除去铁豆、砂团、木片等杂物.仍可掺在新砂中使用。通常生产一吨铸件需要几吨型砂.因此.旧砂的重复使用具有很大的经济意义。

(3)黏结剂。指能使砂粒相互黏结的物质。常用的黏结剂为高岭土和膨润土.当型芯形状复杂或有特殊要求时.则可用水玻璃、桐油、树脂等。下一页返回上一页7.2砂型铸造(4)水。水用来将原砂和黏土混为一体而制成具有一定的强度和透气性的型砂和芯砂。水的用量应适当.水分过少则砂型强度低.易破碎.造型起模困难;反之则型砂湿度大.强度、透气性均下降.造型时易黏模.浇注时会产生大量的气体。(5)附加材料。指除黏结剂以外能改善型砂或芯砂的性能而加入的物质。常用附加材料有煤粉、重油、木屑等。加入煤粉和重油可以防止铸件粘砂.并可降低铸件的表面粗糙度;加入木屑可提高砂型的退让性和透气性。

(6)涂料。涂料是在型腔和型芯的表面涂敷的材料.其用途是提高表层的耐火性、保湿性、表面光滑程度及化学稳定性。通常.铸铁件中的干型(芯)表面常涂用一层石墨粉和黏结剂加水调成的涂料.湿型(芯)表面扑撒一层石墨粉或滑石粉;铸钢件的干型(芯)表面常涂用一层用石英粉和黏土加水调成的涂料.而湿型(芯)表面常撒石英粉。下一页返回上一页7.2砂型铸造3.型砂和芯砂的种类

(1)黏土砂以黏土(普通黏土、膨润土)作为主要的黏结剂配制的型砂称为黏土砂。黏土是廉价的黏结剂。黏土砂的回用性好.因此得到广泛应用。

(2)水玻璃砂水玻璃是硅酸钠的水溶液.是一种暗灰色的钻调液体.以水玻璃为黏结剂配制而成的型砂称为水玻璃砂。造型后向砂型中吹入CO2气体.CO2与水玻璃作用产生二氧化硅凝胶体.从而将砂粒牢固地黏结起来.使型砂具有较高的强度.同时.大部分水则在化学反应的热作用下蒸发.这个过程称为硬化水玻璃砂的主要优点是:铸型不需干燥.硬化快.生产周期短其主要缺点是溃散性和回用性差。下一页返回上一页7.2砂型铸造

(3)油砂和合脂砂用桐油、亚麻油等油类黏结剂配制的型砂和芯砂称为油砂。油砂的干强度高.烘干后不易吸湿返潮.在浇注以后.由于油被烧掉.强度显著下降.使型砂、芯砂具有良好的退让性和溃散性。但油是重要的工业原料.价格较昂贵.故应用较少。以合脂作为黏结剂配制的型砂和芯砂称为合脂砂。合脂砂的性能与油砂相近.而且合脂来源广泛.价格低廉.因此得到迅速推广。

(4)树脂砂以合成树脂(酚醛树脂、醇酸树脂等)为黏结剂配制的型砂和芯砂称为树脂砂。树脂砂强度高.透气性、退让性和回用性好.是有发展前途的造型材料。下一页返回上一页7.2砂型铸造7.2.2手工砂型造型1.砂箱和造型工具手工造型常用的砂箱和工具如图7-5所示。2.手工造型手工造型方法简便.是目前单件小批量生产铸件的主要方法。手工造型的方法有很多.常见的有整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、三箱造型、刮板造型、地坑造型、组芯造型等。

(1)整模造型整模造型的模样是一个整体.通常型腔全部放在一个砂箱内分型面为平面。这种造型方法简单.适用于形状简单的铸件。其工艺流程如图7-6所示。下一页返回上一页

图7-5手工造型常用工具(a)底板(放置模样用);(b)舂砂锤(用尖头锤舂砂.用平头锤打紧砂箱顶部的砂);(c)通气针(扎砂型通气孔用);(d)起模针(比通气针粗.起模用);(e)皮老虎(用来吹去模样上的分型砂及散落在型腔中的散砂);(f)镘刀(修平面及挖沟槽用);(g)秋叶(修凹的曲面用);(h)提钩(修凹的底部或侧面及钩出砂型中散砂用);(i)(半圆修圆柱形内壁和内圆角用)。返回

图7-6整模造型的工艺流程(a)造下型、填砂、舂砂;(b)刮平、翻箱;(c)造上型、扎气孔、做泥号;(d)起模、开浇道;(e)合型;(f)落砂后带浇道的铸件返回7.2砂型铸造①造下型。如图7-6(a)所示.将模样安放在底板上.放好下砂箱.倒入厚度约20mm的面砂.用手将模样周围的砂塞紧.再加入填充砂.紧实后.刮去多余的型砂.如图7-6(b)所示.翻转下砂箱.用镘刀修光分型面。②造上型。如图7-6(c)所示.套上上砂箱.放上浇、冒口棒.加填型砂.杵实后.刮去多余的型砂;用通气针扎通气孔.拔出浇、冒口棒.在直浇道上挖出外浇口。如果砂箱上没有定位装置.则应该在上下型打开之前在砂箱壁上做出合型线或打上泥号。③起模和修型。将上砂型拿下.在下砂型上挖出内浇道.然后用毛笔沾水.将模样边缘润湿.将起模针钉在模样的重心上.用小锤轻轻敲打起模钉的下部.使模样和砂型之间松动.然后将模样垂直向上提起.如图7-6(d)。起模后.型腔如有损坏.可使用镘刀、砂钩、秋叶等修型工具进行修理。下一页返回上一页7.2砂型铸造④合型。如图7-6(e)所示.合型前.应用皮老虎吹去多余的砂粒并在分型面上撒涂料。如有型芯.须将其正确安放在砂型内.合型时应将上型保持水平下降.并按定位装置或合型线定位。经过浇注、落砂、清理后.得到带有浇注系统的铸件。(2)分模造型。分模造型的模样沿最大截面处分为两半.型腔位于上下两个砂箱内。其工艺流程如图7-7所示。(3)活块造型活块造型是指在制作砂型时.将铸件上妨碍起模的凸台和肋条等部分做成活块.起模时.先取出主体模样.再从侧面取出活块.活块和模样主体之间用钉子、销子或燕尾连接.因此得到的铸件尺寸精度较低.生产率低.只适用于单件小批量生产。其工艺流程如图7-8所示。下一页返回上一页

图7-7分模造型的工艺流程(a)造下型；(b)造上型；(c)起模；(d)开浇道.下芯；(e)合型；(f)带浇道的铸件返回

图7-8活块造型的工艺流程(a)造下,拔出钉子;(b)取出模样主体;(c)取出活块返回7.2砂型铸造

(4)多箱造型。有些复杂的铸件在造型时需要多个分型面.才能将模样各部分从砂型中取出。有些铸件比较高大.造型时为了便于捣砂、修型、开浇口、安放型芯等工作.也必须采用多箱造型。多箱造型由于分型面较多.操作复杂.劳动强度大.生产效率低.铸件尺寸精度低.因此只适用于单件小批量生产.其工艺流程如图7-9所示。

(5)刮板造型。指利用刮板代替实体模样制造铸型的方法。刮板的运动形式很多.最常用的是绕垂直轴旋转的刮板.称为立式刮板如图7-10所示为皮带轮铸件的立式刮板造型示意图。刮板造型的主要特点是可以节约制造模样的材料和工时.缩短生产时间。铸件的尺寸越大.这些优点越明显。但是.刮板造型只能手工进行.要求工人的技术较高.因此只适用于生产批量较小、尺寸较大的回转体零件.如皮带轮、齿轮、飞轮等。下一页返回上一页

图7-9多箱造型的工艺流程(a)造下型;(b)翻箱.造中型,(c)造上型;(d)依次敞箱.起模;(e)下芯.合型返回图7-10刮板造型的工艺流程(a)带轮;(b)刮板;(c)造型;(d)合型返回7.2砂型铸造(6)组芯造型组芯造型是指将若干块砂,组合成铸型的造型方法。采用组芯造型时只需芯盒.不用模样.砂芯装配好后.用夹具夹紧。组芯造型适用于难以找出合适分型面的复杂铸件的生产。其构造如图7-11所示。常用的手工造型方法如表7-1所示。7.2.3型芯制造型芯的制造可分为手工造芯和机器造芯两种。1.手工造芯常用的手工造芯方法是芯盒造芯。芯盒通常由两半组成.如图7-12所示为芯盒造芯过程形状复杂的型芯可分块制造.然后再粘在一起手工造芯主要应用在单件小批量生产中。下一页返回上一页图7-11组芯造型返回表7-1常用的手工造型方法和应用范围下一页返回续表上一页返回7.2砂型铸造2.机器造芯机器造芯可使用造芯机一次完成。生产效率高.型芯质量好.适用于大量生产。型芯成形后一般都要进行烘干.目的是为了增加其强度和透气性.减少发气量。强度要求较高的型芯还需要加入芯骨。7.2.4合箱与浇注砂型的装配工序简称合箱。合箱前应对砂型和型芯进行检验.若有损坏.需要进行修理;合箱时必须保证上下型的准确定位;合箱后两箱必须卡紧.并在砂箱上放置压箱铁.以防止造成抬箱、射箱或跑火等事故。浇注是将熔融的金属从浇包注入铸型的操作。浇注的主要工艺包括浇注温度、浇注速度和浇注时间.这三个方面对铸件的质量有很大的影响。下一页返回上一页7.2砂型铸造7.2.5落砂和清理落砂是将已经冷凝的铸件从砂型中取出的过程一般浇注后应尽快把铸件取出。清理是除去铸件的浇口、冒口、表面钻砂和毛刺的过程。铸件上的浇、冒口可采用敲击、气割、锯割等方法去除;黏砂常用清砂滚筒等清理;毛刺常用砂轮錾子等清除。7.2.6铸件的质量检验铸造的缺陷很多.常见的铸造缺陷及其产生原因如表7-2所示。返回上一页表7-2常见铸件缺陷的特征及产生原因下一页返回续表上一页返回7.3铸造工艺铸造工艺概括地说明了铸件生产的基本过程和方法。铸造生产时.首先要根据铸件的结构特征、技术要求、生产批量、生产条件等因素.确定铸造工艺方案.主要内容包括浇注位置、分型面、铸造工艺参数的确定.然后用规定的工艺符号或文字绘制成铸造工艺图。铸造工艺图是指导铸造生产的技术文件.也是验收铸件的主要依据。7.3.1浇注位置和分型面的选择浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。分型面是铸型组元间的接合面。浇注位置与分型面的选择密切相关通常分型面取决于浇注位置的选定.既要保证质量.又要简化造型工艺一般是先从保证铸件质量出发来确定浇注位置.然后再从工艺操作方便出发确定分型面。下一页返回7.3铸造工艺1.浇注位置的选择铸件的浇注位置对铸件的质量、尺寸精度、造型工艺的难易程度都有很大的影响。通常按下列基本原则确定浇注位置。

(1)铸件的重要工作面或主要加工面朝下或位于侧面浇注时.金属液中的气体、熔渣及铸型中的砂粒会上浮.有可能使铸件的上部出现气孔、夹渣、砂眼等缺陷.而铸件下部出现缺陷的可能性小.组织较致密。如图7-13所示为机床床身的浇注位置.应将导轨面朝下.以保证该重要工作面的质量;如图7-14所示的是卷扬筒.其圆周面的质量要求较高.应采用立浇方案.可使圆周面处于侧面.保证质量均匀一致。

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(a)不合理;(b)合理返回7.3铸造工艺

(2)铸件的大平面朝下或倾斜浇注(见图7-15)

由于浇注时炽热的金属液对铸型的上部有强烈的热辐射.引起顶面型砂膨胀拱起甚至开裂(见图7-15(a)).使大平面出现夹砂、砂眼等缺陷。将大平面朝下或采用倾斜浇注的方法可避免大平面产生以上缺陷如图7-15(c)所示为平板铸件的浇注位置。

(3)铸件的薄壁部分朝下、侧立或倾斜为防止铸件的薄壁部位产生冷隔、浇不到等缺陷.应将面积较大的薄壁置于铸件的下部.或使其处于侧壁或倾斜位置.如图7-16所示。下一页返回上一页图7-15大平面朝下浇注

(a)铸件拱起开裂;(b)铸件夹砂结疤;(c)平板的浇注位置返回图7-16电机端盖的浇注位置返回7.3铸造工艺2.分型面的选择为便于起模.分型面一般选择在铸件的最大截面处。一般来说.应在确定浇注位置后再选择分型面。但是.分析各种分型面的利、弊之后.可能再次调整浇注位置。在生产中.浇注位置和分型面有时是同时确定的。分型面的选择要在保证铸件质量的前提下.尽量简化工艺.节省人力、物力.保证起模方便。确定分型面应遵循如下原则。①分型面应选择在模样最大截面处.以便于起模.但要注意不要让模样在一个砂型内过高如图7-17所示的选择方案中.采用方案(2)。可以减小下箱模样的高度。②尽量减少分型面数量。分型面少则容易保证铸件的精度.并可简化造型工艺。对机器造型来说一般只能有一个分型面.下一页返回上一页图7-17模样在下箱的高度方案返回7.3铸造工艺如图7-18所示的绳轮铸件在成批、大量生产时应避免采用活块造型和三箱造型。为便于机器造型.可按如图7-18(a)所示的方案.采用环状型芯.将两个分型面减少为一个分型面。当然.在单件生产采用手工造型时.为减少工装的制造.采用如图7-28(b)所示的方案.即三箱造型、两个分型面.也是合理的。③尽量使分型面平直。为了使模样制造和造型工艺简便.如图7-19所示的弯曲连杆在生产时.不应采用弯曲的分型面见图7-19(a).而应采用平直的分型面见图7-19(b)。

下一页返回上一页图7-18绳轮铸件的分型面返回图7-19弯曲连杆的分型面(a)不合理;(b)合理返回7.3铸造工艺

④应尽量使铸件的全部或大部分处于同一砂箱中.且位于下箱内.或使主要加工面与加工基准面处于同一砂箱中.以防止因错型而影响铸件的精度.同时也便于造型、下芯、合箱等操作如图7-20所示的工艺方案表示为了保证支架上、下两孔的位置一致而将其放在同一个。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。在进行浇注位置和分型面的选择时.对于同一铸件.很难满足以上所有原则.因此必须经过综合考虑多种因素后才能确定最终方案。

下一页返回上一页图7-20支架的工艺方案返回7.3铸造工艺7.3.2铸造工艺参数的选择铸造工艺参数通常是指在进行铸型工艺设计时需要确定的某些工艺数据.这些工艺参数一般都与模样和芯盒尺寸有关.既与铸件精度有关.同时也与造型、制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。铸造工艺参数包括铸造收缩率、机械加工余量、起模斜度、最小铸出孔的尺寸、型芯头尺寸等。如果工艺参数选择得正确、合适.则不仅使铸件的尺寸、形状精确.而且使造型、制芯、下芯、合型都大为简便.有利于提高生产率.降低成本。1.铸造收缩率。为补偿铸件在冷却过程中产生的收缩.使冷却后的铸件符合图样的要求.需要放大模样的尺寸。其放大量取决于铸件的尺寸和该金属的线收缩率。一般中小型灰铸铁件的线收缩率约取1%;非铁金属的铸造收缩率约取1.5%；铸钢件的铸造收缩率约取2%。下一页返回上一页7.3铸造工艺2.机械加工余量和公差。机械加工余量是指铸件加工面上预留的、准备切除的金属层厚度加工余量取决于铸件的精度等级.与铸件材料、铸造方法、生产批量、铸件尺寸、浇注位置等因素有关。铸件的尺寸公差CT.其精度等级从高到低分为1,2,3…16共16个等级。加工余量等级MA.从精到粗可分为A,B,C,D,E,F,G,H,J共九个级别。如表7-3所示为砂芯铸造常用铸造金属进行单件和小批量生产时公差等级及与之配套的加工余量等级。铸件的公差等级和加工余量等级确定后.其加工余量数值可根据GB/T11350-1989选取.公差的数值可按GB6414-1986选取。为简化铸造工艺.铸件上的小孔和窄槽可以不铸出.而采用机械加工方法完成。一般铸铁件上直径小于30mm和铸钢件上直径大于40mm的孔可以不铸出。下一页返回上一页表7-3公差等级和与之配套的加工余量等级返回7.3铸造工艺3.起模斜度。为使模样(或型芯)易从铸型(或芯盒)中取出.而在模样(或芯盒)上与起模方向平行的壁上留出的一定斜度称为起模斜度。起模斜度需要增减的数值可按有关标准选取.采用黏土砂造型时的起模斜度可按GB/T5105-1991确定。一般木模的斜度为0.3°-30°.金属模的斜度为0.2°-2°。模样越高.斜度越小。当铸件上的孔高度与直径之比小于1(H/D<1)时.可用自带芯子的方法铸孔.此方法的起模斜度一般应大于外壁斜度。4.铸造圆角。模样中壁与壁的连接和转角处要做成圆弧过渡.称为铸造圆角。铸造圆角可减少或避免砂型损坏.防止产生钻砂、缩孔、裂纹等缺陷。但铸件分型面的转角处不能有圆角。模样内圆角的大小可按相邻两壁平均壁厚的1/3-1/5选取.外圆角的半径取内圆角的一半。下一页返回上一页7.3铸造工艺5.芯头。芯头是指砂芯的外伸部分.用来定位和支承砂芯.其结构如图7-21所示。芯头有垂直芯头和水平芯头两种。芯座是指铸型中专为放置芯头而设的空腔。芯头和芯座的尺寸主要有芯头长度L(或高度H),芯头斜度α,芯头与芯座装配隙s等.其数值与型芯的长度(或高度)和直径有关.应查阅相关资料后确定。7.3.3浇注系统和冒口1.浇注系统。浇注系统是指为将金属液流导入型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道。

(1)浇注系统的组成与作用下一页返回上一页图7-21芯头的结构返回7.3铸造工艺浇注系统通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道组成。如图7-22所示。合理地设计浇注系统.可以使金属液平稳地充满铸型型腔.避免冲坏型壁、型芯;可以控制金属液的流动方向和速度;可以调节铸件上各部分的温度.控制冷却凝固顺序;还可以阻挡夹杂物进入铸型型腔。选择合理的浇注系统.包括形状、尺寸和位置.可以有效提高铸件质量.减少出现冲砂、夹砂、缩孔、气孔等缺陷的可能性。(2)浇注系统的类型。按金属液导入型腔的位置.浇注系统可分为底注式、顶注式、中注式、阶梯式等.如图7-23所示。2.冒口

(1)冒口的作用下一页返回上一页

图7-22浇注系统的组成(a)直浇道直通内浇道;(b)直浇道直通刑腔返回图7-23浇注系统的分类(a)顶注式;(b)中问注入式;(c)底注式;(d)阶梯式返回7.3铸造工艺合理设置冒口可有效防止缩孔、缩松现象的产生.其主要作用是补缩.另外还有排气和参渣的作用。

(2)冒口的设置原则①凝固时间应大于或等于铸件(或铸件被补缩部分)的凝固时间。②有足够的金属液补充铸件(或铸件被补缩部分)的收缩。③与铸件上被补缩部分之间必须存在补缩通道。

(3)冒口的形状冒口的形状直接影响其补缩效果。生产中应用最多的冒口形状是圆柱形、球顶圆柱形、压圆柱形常用冒口的形状如图7-24所示。合理确定冒口的设置位置.可以有效消除铸件中的缩孔、缩松现象。一般将冒口设置在铸件最后凝固的上方。下一页返回上一页图7-24常用冒口的形状返回7.3铸造工艺7.3.4铸造工艺图铸造工艺图是铸造过程中最基本和最重要的工艺文件之一它是表示分型面、浇注位置、型芯结构和尺寸、浇注系统、工艺参数等的图样.可按规定的工艺符号或文字标注在铸件图上.也可另绘工艺图。铸造工艺图的绘制可从以下几方面进行分析:①分型面和分模面;②浇注位置.浇冒口的位置、形状、尺寸和数量;③工艺参数;④型芯的形状、位置和数目.型芯头的定位方式和安装方式;⑤冷铁的形状、位置、尺寸和数量;⑥其他。如图7-25所示为轴承座的铸造工艺图和模样结构图。返回上一页

图7-25轴承座的铸造工艺图和模样结构图(a)零件图;(b)铸造工艺图;(c)模样结构图;(d)芯盒结构;(e)铸件返回7.4特种铸造工艺特种铸造是指与砂型铸造不同的其他铸造方法。随着生产技术的发展.特种铸造的方法已得到了日益广泛的应用。常用的特种铸造方法有熔模铸造、压力铸造、金属型铸造和离心铸造等。7.4.1熔模铸造熔模铸造是指用易熔材料(如蜡料)制成模样.在模样上包覆若干层耐火材料.经过干燥、硬化制成形壳.然后加热型壳.模样熔化流出后.经高温焙烧而成为耐火型壳.再将液体金属浇入型壳中.待金属冷凝后去掉型壳获得铸件的方法。由于石蜡一硬脂酸是应用最广泛的易熔材料.所以这种方法又叫“石蜡铸造”。1.熔模铸造的工艺流程。熔模铸造的工艺流程如图7-26所示。下一页返回

图7-26熔模铸造的工艺流程(a)母模；(b)压型；(c)熔蜡；(d)造蜡模；(e)单个蜡模；(f)助蜡模组；(g)制造型壳，熔去蜡模；(h)填砂.浇注返回7.4特种铸造工艺2.熔模铸造的特点及应用范围熔模铸造由于采用可熔化的模子.无需起模.型壳为一整体而无分型面.而且型壳是由耐火度高的材料制成.因此具有以下优点。①铸件尺寸精度高.表面粗糙度低.且可生产出形状复杂、轮廓清晰的薄壁铸件。目前铸件的最小壁厚为0.25-0.4mm。②可以铸造各种合金铸件.包括铜、铝等有色合金.各种合金钢.镍基、钴基等特种合金(高熔点、难切削加工合金)。对于耐热合金的复杂铸件.熔模铸造几乎是其唯一的生产方法。③生产批量不受限制.能实现机械化流水作业。下一页返回上一页7.4特种铸造工艺但是.熔模铸造工序繁多.工艺流程复杂.生产周期较长(一般2-15天);铸件不能太长、太大.质量多为几十克到几公斤一般不超过25kg;某些模料、黏结剂和耐火材料价格较贵.且质量不够稳定.因而生产成本较高。熔模铸造也常常被称为“精密铸造”.是一种少切削和无切削加工工艺。它主要用于生产汽轮机、涡轮发动机的叶片与叶轮、纺织机械、拖拉机、船舶、机床、电器、风动工具和仪表上的小零件及刀具、工艺品等。近年来.国内外在熔模铸造技术方面发展很快.新模料、新黏结剂和制壳的新工艺不断涌现.并已用于生产。目前正在研究与开发熔模铸造与消失模样铸造法的综合新工艺.即用发泡模代替蜡模的新工艺。下一页返回上一页7.4特种铸造工艺7.4.2金属型铸造金属型铸造是指将金属液在重力作用下浇入金属铸型中.以获得铸件的方法。金属型常用铸铁、铸钢或其他合金制成.可以反复使用.所以.又有“永久型铸造”之称。1.金属型的构造金属型的结构按分型面的不同分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式。如图7-27所示为水平分型式、垂直分型式金属型.其中垂直分型式金属型便于开设浇口和取出铸件.易于实现机械化.故应用较多。下一页返回上一页图7-27金属铸型的构造(a)水平分型;(b)垂直分型式铸型返回7.4特种铸造工艺金属型的材料根据浇注的合金种类而定.浇注低熔点合金(锡合金、锌合金、镁合金等)铸件可用灰铸铁;浇注铝合金、铜合金铸件可用合金铸铁;浇注铸铁和铸钢件则需用碳钢及镍铬合金钢等做铸型。铸件的内腔由型芯制成.浇注形状简单的合金用金属型芯;浇注形状复杂或高熔点合金则用砂芯。

金属型本身没有透气性.为便于排出型腔内的气体.可在型腔上部型壁上开排气孔.或在分型面上开设通气槽或使用排气塞等。在高温下.为便于取出铸件.大多数金属型都设有顶出铸件的机构。下一页返回上一页7.4特种铸造工艺2.金属型铸造的工艺要点金属型铸造工艺中最大的特点是金属型导热快.无退让性和透气性。因此.铸件易产生冷隔、浇不足、裂纹等现象.灰铸铁件还常常出现白口组织。此外.由于受到高温金属液的反复冲刷.型腔易损坏而影响铸件表面质量和铸型使用寿命。因此.在采用金属型铸造时应采取以下工艺措施:浇注前应将铸型预热.并在内腔喷刷一层厚度为0.3-0.2mm的涂料.降低铸件冷却速度.以防出现冷隔与浇不到现象.并延长金属型的寿命;选择合理的浇注温度.为保证金属液顺利充型.浇注温度应比砂型铸造高出20℃-35℃;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.但铸件在铸型中也不宜停留过短.不然.因金属在高温下强度较低.也易发生变形和开裂。下一页返回上一页7.4特种铸造工艺3.金属型铸造的特点和应用与砂型铸造相比.金属型铸造主要有以下优点。①金属型使用寿命长.可“一型多铸”.提高生产率。②铸件的晶粒细小.组织致密.力学性能比砂型铸件高约25%。③铸件的尺寸精度高.表面质量好。④铸造车间无粉尘和有害气体的污染.工人的劳动条件有所改善。金属型铸造的不足之处是金属型制造周期长.成本高.工艺要求高.且不能生产形状复杂的薄壁铸件.否则易出现浇不足和冷隔等现象;受铸型材料的限制.浇注高熔点的铸钢件和铸铁件时.金属型的寿命低。7.4.3压力铸造下一页返回上一页7.4特种铸造工艺压力铸造(简称压铸)是在高压下快速地将液态或半液态金属压入金属型中.并在压力下凝固以获得铸件的方法。常用压铸的压力为5-70MPa.有时可高达200MPa;充型速度为5-100m/s.充型时间很短.只有0.1-0.2s。1.压力铸造的工艺过程压铸机是压力铸造生产的主要设备.目前应用较多的是卧式冷压式压铸机.如图7-28所示。压铸所用铸型由定型和动型两部分组成.定型固定在压铸机的定模板上.动型则固定在压铸机的动模板上.并可做水平移动.推杆和芯棒由压铸机上的相应机构控制.可自动抽出芯棒和顶出铸件。其压铸过程是:动型向左移合型.用定量勺向压室注入金属液(见图7-28(a));柱塞快速推进.将液态金属压入铸型(见图7-28(b));打开压型(见图7-28(c));柱塞退回顶杆将铸件顶出(见图7-28(d))；下一页返回上一页

图7-28卧式压铸机的工作过程(a)合型和浇注;(b)压入金属液;(c)开型;(d)顶出铸件返回7.4特种铸造工艺2.压力铸造的特点及适用范围压力铸造具有如下特点: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。但是.压力铸造设备投资大.铸型制造周期长.成本高;受压型材料熔点的限制.目前不能用于高熔点铸铁和铸钢件的生产;由于浇注速度大.常有气孔残留于铸件内.因此铸件不宜进行热处理.以防气体受热膨胀.导致铸件变形破裂。目前压力铸造主要用于大批量生产铝、锌、铜、镁等非铁金属与合金件.主要包括汽车、仪表、计算机、航空、摩托车、日用品等行业各类中小型薄壁铸件.如发动机气缸体、气缸盖、仪表壳体、电动转子、照相机壳体、各类工艺品、装饰品等。下一页返回上一页7.4特种铸造工艺7.4.4离心铸造离心铸造是将液态金属浇入高速旋转的铸型内.在离心力的作用下充型、凝固后获得铸件的方法.铸件的轴线与旋转铸型的轴线重合。离心铸造必须在离心铸造机上进行.铸造时不用型芯便可形成内孔.多用于简单的圆筒体铸造.如图7-29所示。1.离心铸造的工艺流程离心铸造一般多在离心机上进行。离心铸造机按其旋转轴空间位置的不同分为立式、卧式和倾斜式三种。立式离心铸造机的铸型是绕垂直轴旋转(见图7-29(a)).由于金属液的重力作用.铸件的内表面呈抛物线形.故铸件不宜过高.主要用于铸造高度小于直径的环类、套类铸件;下一页返回上一页

图7-29离心铸造的类型(a)立式离心铸造;(b)卧式离心铸造返回7.4特种铸造工艺卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转(见图7-29(b)),铸件的壁厚较均匀.主要用于铸造长度大于直径的管类、套类铸件。2.离心铸造的特点和应用离心铸造可省去浇注系统和型芯比砂型铸造省工、省料.生产率高.成本低;铸件在离心力的作用下结晶.组织致密.基本上无缩孔、气孔等现象.力学性能好;便于双金属铸件的铸造。但是.铸件的内孔尺寸误差大.表面粗糙;铸件的成分偏析大.金属中的熔渣等密度小的夹杂物易集中在内表面。离心铸造广泛用于大口径铸铁管、缸套、双金属轴承、活塞环、特殊钢无缝管坯等的生产。返回上一页7.5铸件的结构设计在对铸件进行设计时.不仅要保证铸件的使用性能要求.还要使铸件结构本身符合铸造生产的要求。对于铸造工艺的整个流程来说.铸件结构的合理性.称为铸件的“结构工艺性”.铸件的结构是否合理.与合金的种类、产量的多少、铸造方法和生产条件等有密切的关系。合理的铸件结构将简化铸造工艺流程.减少和避免产生铸造缺陷.从而提高生产率.减少生产成本。7.5.1铸造工艺对结构的要求在满足使用性能的前提下.铸件结构应尽量简化制模、造型、制芯、合箱和清理等铸造生产工序。因此.在设计铸件结构时.应考虑以下因素。

(1)尽量减少分型面的数量.并使分型面为平面。分型面的数量少.可相应减少砂箱数量.以避免因错型而造成的尺寸误差.提高铸件精度.下一页返回7.5铸件的结构设计如图7-30所示为摇臂铸件的结构设计;分型面为平面可省去挖砂等操作.简化造型工序。(2)尽量避免铸件外表侧凹。铸件侧凹部分必然妨碍起模，这时需要增加砂芯才能形成凹入部分的形状，如果改善铸件结构.即能避免侧凹部分.从而简化铸造工艺.如图7-31所示为外表侧凹铸件的结构设计。(3)有利于型芯固定、排气和清理轴承支架的原设计如图7-32(a)所示.此设计中的型芯只能用型芯撑支承.稳定性不够.排气不好.且铸件不易清理。在不影响使用性能的前提下.将其改为如图7-32(b)所示的结构.型芯设计为具有三个芯头的整体结构.避免了原设计中型芯难以固定、排气和清理的问题。下一页返回上一页图7-30摇臂铸件的结构设计(a)改进前的结构;(b)改进后的结构返回图7-31带有外表侧凹的铸件结构改进(a)不合理结构;(b)合理结构返回图7-32轴承支架的结构设计(a)不合理结构;(b)合理结构返回7.5铸件的结构设计(4)结构斜度造型时.为便于起模.在垂直于分型面的非加工表面一般应设计1°-3°的结构斜度.如图7-33所示。结构斜度的大小与壁的高度、造型方法、模样的材料等很多因素有关。结构斜度的大小随壁的高度的增加而减小.并且内壁的斜度大于外壁的斜度。

(5)去除不必要的圆角虽然铸件的转角处几乎都希望以圆角连接.但有些外圆角对铸件质量影响并不大.却会对造型或制芯等工艺流程造成不利影响.这时就应将圆角取消.如图7-34所示。下一页返回上一页图7-33结构斜度返回图7-34去除不必要的铸造圆角(a)不合理结构;(b)合理结构返回7.5铸件的结构设计7.5.2铸件质量对结构的要求为避免铸造缺陷的产生.在设计铸件结构时.应考虑以下几种因素。

(1)铸件的壁厚应合理铸件壁厚过薄易产生浇不足、冷隔等缺陷;过厚则易在壁中心处形成粗大晶粒.并产生缩孔、缩松等缺陷.因此铸件的壁厚应适中。每一种铸造合金在采用某种铸造方法时.都要求铸件有其合适的壁厚范围。因此每种铸造合金在规定的铸造条件下所浇注铸件的“最小壁厚”均不同(见表7-4).相应地各种铸造合金也有一个最大临界壁厚.超过此壁厚.则铸件承载能力不再按比例地随壁厚的增加而增加。通常最大临界壁厚约为最小壁厚的3倍。为使铸件各部分能够均匀冷却一般外壁厚度大于内壁.内壁大于肋.外壁、内壁、肋之比约为1：0.8：0.6。下一页返回上一页表7-4铸造合金在规定的铸造条件下所浇注铸件的最小壁厚返回7.5铸件的结构设计为保证铸件的强度和刚度.又要避免过大的截面一般可根据载荷的性质.将铸件截面设计成T字形、工字形、槽形或箱形等结构.在脆弱处可设置加强肋.如图7-35所示。(2)铸件壁厚力求均匀铸件各部位壁厚如果相差过大.则由于各部位冷却速度不同.易形成热应力而使厚壁与薄壁的连接处产生裂纹.同时在厚壁处形成热节而产生缩孔、缩松等缺陷。因此.应取消不必要的厚大部分.减小、减少热节.如图7-36所示。

(3)铸件壁的连接在对铸件壁厚不同的部位进行连接时.应力求平缓过渡.以减小应力集中.防止产生裂纹。连接处应避免集中交叉和呈锐角。下一页返回上一页图7-35加强肋的应用示例(a)不合理设置;(b)合理设置返回图7-36铸件壁厚的设计(a)不合理设计;(b)合理设计返回7.5铸件的结构设计当两个以上的壁连接处热量积聚较多时易形成热节.铸件容易形成缩孔.因此.当铸件两壁交又时.中小铸件应采用交错接头.大型铸件应采用环形接头。壁厚过渡形式如图7-37所示。图7-37(a)中的结构由于两截面交接处成直角形拐弯而形成热节.所以此处易形成热裂;改进设计后如图7-37(b)所示.采用圆角过渡可以有效地消除热裂倾向。(3)铸件应避免有过大的水平面铸件上过大的水平面不利于金属液的充填和气体、夹杂物的排除.容易使铸件产生冷隔、浇不足、气孔、夹渣等缺陷并且铸型内水平型腔的上表面由于受高温金属液长时间烘烤.易开裂而产生夹砂、结疤等缺陷。因此.应尽量将其设计成倾斜壁.如图7-38所示。下一页返回上一页图7-37常见的几种连接形式(a)不合理结构;(b)合理结构返回图7-38过大水平面的设计(a)不合理设计;(b)合理设计返回7.5铸件的结构设计

(5)铸件收缩不应受到阻碍铸件在浇注后的冷却凝固过程中.若其收缩受阻.铸件内部将产生应力.导致变形、裂纹的产生。因此.在设计铸件结构时.尽可能使其自由收缩。如图7-39(a)所示的轮形铸件的轮辐为偶数.直线形.对于线收缩很大的合金.会因为应力过大而产生裂纹;将其改为奇数轮辐.或如图7-39(b)和图7-39(c)所示的带孔辐板和弯曲轮辐.则可以借助轮辐和轮缘的微量变形来减小应力.防止裂纹。以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点.在特种铸造方法中.应根据每种不同的铸造方法及其特点选择相应的铸件结构。返回上一页图7-39轮辐的设计(a)偶数直线型轮辐;(b)带孔辐板;(c)弯曲轮辐返回7.6铸造成形技术发展简介铸造是人类掌握比较旱的一种金属热加工工艺.已有约6000年的历史。中国在公元前1700-前1000年之间已进入青铜铸件的全棋期.在铸造工艺方面已达到相当高的水平。中国商朝的重875kg的司母戊方鼎、战国时期的曾侯乙尊盘、西汉的透光镜等.都是古代铸造的代表产品。旱期的铸件大多是农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具.其艺术色彩浓厚。那时的铸造工艺是与制陶工艺并行发展的.受陶器的影响很大。公兀前513年.中国铸出了世界上最旱的见于文字记载的铸铁件—晋国铸型鼎.重约270kg。欧洲在公元八世纪前后也开始生产铸铁件。铸铁件的出现.扩大了铸件的应用范围。18世纪工业革命以后.蒸汽机、纺织机和铁路等工业兴起.铸件进入为大工业服务的新时期.铸造技术开始有了较大的发展。下一页返回7.6铸造成形技术发展简介进入20世纪.铸造技术的发展速度很快.其重要原因之一是产品技术的进步.要求铸件的各种机械物理性能更好.同时仍要具有良好的机械加工性能;另一个原因是机械工业本身和其他如化工、仪表等工业的发展.给铸造业创造了有利的物质条件。例如.检测手段的发展.保证了铸件质量的提高和稳定.并给铸造理论的发展提供了条件;电子显微镜等的发明.帮助人们深入到金属的微观世界.探查金属结晶的奥秘.研究金属凝固的理论.指导铸造生产。在这一时期.人们开发出了大