第十一章 铸 造.ppt

1、一、教学要求 1、理解铸造、锻压、焊接生产的特点、分类及应用； 2、熟悉砂型铸造、自由锻、模锻、冲压及焊条电弧焊等工艺过程与注意的问题； 3、利用铸造、锻压、焊接实训实习专用周掌握砂型铸造、自由锻及焊条电弧焊等操作能力。 二、教学内容 1、铸造； 2、锻压； 3、焊接。,课程教学模块四：铸、锻、焊工艺及应用,三、重点 铸造、锻压、焊接的分类、特点及应用；砂型铸造与铸件结构工艺性；模锻特点与板料冲压，焊条电弧焊。 四、难点 1、铸件结构工艺性分析； 2、金属塑性成形原理理解及焊接缺陷原因分析。,锻 压,铸 造,焊 接 焊接方法有焊条电弧焊、埋弧自动焊、氩弧焊、CO2气体保护焊、气焊、电阻点焊、钎

2、焊。 焊接应力与变形的产生原因是工件局部不均匀加热和冷却。 预防措施：选择合理的焊接工艺参数。,第十一章 铸 造,知识目标： 1 、砂型铸造工艺基础 2 、合金的铸造性能 3 、砂型铸造工艺设计基础 4 、铸件的结构工艺性 5 、铸造毛坯的选用 6 、特种铸造简介,能力目标： 1 、了解铸造生产的实质、特点及应用。掌握 砂型铸造工艺过程。 2 、掌握铸造工艺图的作用和内容。 3 、熟悉铸件的结构工艺性及铸造工艺过程的 影响。熟悉铸件结构设计的基本知识。 4 、掌握铸件的性能特点及铸造毛坯选用条件。 5 、了解金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、 离心铸造的基本原理、特点和应用。,第十一章 铸 造,

3、第十一章 铸 造,重点： 1 、砂型铸造工艺过程。 2 、铸造工艺图的作用和内容。 3 、铸件结构设计的基本知识。 4 、铸件的性能特点及铸造毛坯选用。,难点： 1 、铸造工艺图的作用和内容。 2 、铸件的性能特点及铸造毛坯选用。,第十一章 铸 造,铸造的概念,将经过熔化的液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的一种工艺方法。,第11章 铸造,第一节 铸造概述,一、铸造的特点与分类,1、铸造的特点,(2)生产成本低，较为经济,(1)成型方便，适应性强,(3)铸件组织性能差,利用液态成形,适应各种形状、尺寸，不同材料的铸件.,节省金属,材料来源广泛，设备简单。,铸

4、件晶粒粗大，力学性能差.,第11章 铸造,铸造产品,第11章 铸造,2、铸造的分类,砂型铸造、特种铸造,第11章 铸造,第一节 铸造概述,一、铸造的特点与分类,（1）砂型铸造,（2）特种铸造,第一节 铸造概述,一、铸造的特点与分类,第11章 铸造,与普通砂型铸造不同的其他铸造方法统称为特种铸造，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、挤压铸造、实型铸造等。,第一节 铸造概述,二、合金的铸造性能,第11章 铸造,铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力；用充型能力、流动性、收缩性、偏析和吸气性等来衡量。,充型: 液态合金填充铸型的过程。 充型能力: 液态合金充满铸型型腔,获得形

5、状完整,轮廓清晰的铸件的能力。 充型能力强：有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件 充型能力不足:易产生1)浇不足: 不能得到完整的零件;2)冷隔:没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下降;3）气孔、夹渣等缺陷。,浇不足：铸件形状不完整,第11章 铸造,冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝,冷隔形成示意图,第11章 铸造,第11章 铸造,第11章 铸造,*铸铁的流动性,*铸钢的流动性,实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。,比较下面几种合金流动性能,（1） 流动性及其对铸件质量的影响,1. 流动性,第11章 铸造,1. 流动性,（2） 流动性的影响因素,同种合金，成分不同，其结晶特点不同，流

6、动性也不同。如图所示铅锡合金的流动性与相图的关系；,1）合金的成分,纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，凝固层表面光滑，阻力小，故流动性好，同时共晶合金熔点最低，故流动性最好。,第11章 铸造,不同结晶特征的合金的流动性,亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍流动，故流动性差。,铸件的凝固方式,第11章 铸造,第11章 铸造,（2） 流动性的影响因素,5） 铸型条件,1）铸型的蓄热能力越强，充型能力越差； 2）铸型温度越高，充型能力越好； 3）铸型中的气体阻碍充型； 4）铸件结构，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、大平面都影响充型。,4）杂质和含气量 固态夹杂物使粘度增加，流动性下

7、降；如灰铁中的 MnS；含气量越少，流动性越好。,第11章 铸造,（2） 流动性的影响因素,2、收缩性,第11章 铸造,收缩：合金从液态冷却至常温的过程中，体积或尺寸缩小的现象。通常用体收缩率或线收缩率来表示：,线收缩率,式中 、 合金在 、 时的体积（ ）； 、 合金在 、 时的长度（ ）； 、 合金在 至 温度范围内的体收缩系数,和线收缩系数（ ）,体收缩率,合金的收缩过程可分为三个阶段：如图11-3所示。,1）液态收缩。指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。,2）凝固收缩。指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收缩时金属液体积缩小，是形

8、成缩孔和缩松的基本原因。,3）固态收缩。指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因 。,第11章 铸造,（1）影响收缩的因素,1）化学成分; 2）浇注温度越高，过热度越大，收缩越大; 3）铸件结构和铸型条件，铸件结构造成各部分冷却速度不同，产生内部应力阻碍收缩；铸型和型芯产生机械阻力。,第11章 铸造,（2） 缩孔和缩松的形成与防止,收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原因;充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔

9、，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使铸件力学性能大大降低，以致成为废品。,缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，此区域也称热节。, 缩孔的形成 形成条件：金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁以逐层凝固方式凝固。形成过程如图11-4所示：,1）缩孔和缩松的形成,图2-7 缩孔形成过程示意图,第11章 铸造,第11章 铸造, 缩松的形成 其基本原因也是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大的铸件壁中。形成过程如图2-8所示。 一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常

10、分布在集中缩孔的下方。,图2-8 缩松形成过程示意图, 缩孔缩松的形成规律,1）合金的液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铁 等）， 铸件越易形成缩孔。 2）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。 3）结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。 纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。,第11章 铸造,第11章 铸造,2） 缩孔和缩松的防止,一定成分的合金，缩孔、缩松的数量可以相互转化，但其总容积基本一定，如图所示。,铁碳合金成分与体积收缩率的关系,防止缩孔和缩松的基本原则是：采用合理的工艺条件，使缩松转化为缩孔，并使缩孔移至冒口中。,第11章 铸造, 按照顺序凝固原

11、则进行凝固 是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固， 如图2-10所示，使缩孔转移到冒口中。, 合理确定内浇道位置及浇注工艺 内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；浇注温度和浇注速度应根据铸件结构、浇注系统类型确定，慢浇有利于顺序凝固，有利于补缩，消除缩孔。,适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。,顺序凝固原则示意图,第11章 铸造, 合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施 冒口，在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。 冷铁，用铸铁、钢、

12、铜等材料制成的激冷物。加大冷却速度，调节凝固顺序。 补贴，在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔型厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，增大补缩距离。,（3） 铸造应力、变形和裂纹,铸造应力:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。可分为热应力和收缩应力； 热阻碍：铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量不同而引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。 机械阻碍：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍,由其引起的应力称机械应力（收缩应力）。,第11章 铸造,1） 铸造应力,第11章 铸造, 热应力,第一阶段，两者都塑性变形，无热应力； 第二阶段，一塑性，一弹性，仍无热应力； 第三阶段，

13、两者均弹性变形，冷却慢的受拉，快的受压。残留热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各部分壁厚差别及温度差成正比。,热应力的形成,由热阻碍引起，落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形成过程，如图所示，其热应力形成过程分三阶段。,第11章 铸造, 收缩应力 由机械阻碍产生，一般都是拉应力，在形成应力的原因消除时，应力也随之消除。但如果临时拉应力和残留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。如图所示。,收缩应力的形成,2） 减小和消除铸造应力的措施 1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁厚均匀，壁之间连接均匀等。 2）尽量

14、选用线收缩率小、弹性模量小的合金。 3）采用同时凝固的工艺。各部分温差小，不易产生热应力。 主要用于收缩较小的普通灰铸铁、结晶范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜铸件等。,第11章 铸造,同时凝固原则:,第11章 铸造,4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。 5）对铸件进行时效处理。自然时效、热时效（去应力退火）和共振时效。,2) 铸造变形,残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲变形。如图1所示的框架铸件，图2的T形梁，当刚度不够时，将产生如图所示的变形。再如车床床身的变形。,车床床身的变形,车床床身导轨面的变形,第11章 铸造,第11章 铸造,防止铸造应力的方

15、法也是防止变形的根本方法；同时在工艺上还可以采用反变形法，提早落砂去应力退火消除机械应力。,3）铸件的裂纹 当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。可分为热裂和冷裂。,1）热裂 在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧化而呈氧化色，裂纹沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则；裂纹短，缝隙宽。 产生原因：凝固末期，合金绝大部分已成固体，但强度和塑性很低，当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂。分布在应力集中处或热节处。,第11章 铸造,防止热裂的措施：,2）冷裂 是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。其表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，裂纹穿过晶粒而发生，外形规则，常是圆滑

16、曲线或直线。防止方法是尽量减少铸造应力。,第二节 砂型铸造,砂型铸造是以砂为主要造型材料制备铸型的一种铸造方法。目前90%以上的铸件是用砂型铸造方法生产的。,一、砂型铸造的工艺过程,工 艺 准 备,造 型,落 砂,合 箱,浇 注,造 芯,清 理,检 验,熔炼金属,配砂、制模,第11章 铸造,砂型铸造,二、造型材料,制造铸型用的材料称为造型材料，砂型铸造使用主要是型砂和芯砂，它们是由砂、粘结剂和附加物组成。,造型材料应具备以下性能：,4、透气性,1、可塑性,3、耐火性,2、足够的强度,5、退让性,型砂和芯砂在外力作用下要易于成形。,型砂和芯砂在外力作用下要不易破坏。,型砂和芯砂在高温下要不易软化

17、、烧结、粘附。,型砂和芯砂紧实后要易于通气。,型砂和芯砂在冷却时其体积可以被压缩。,第11章 铸造,三、造型方法,按造型操作方法的不同，可分为：,1、手工造型,2、机器造型,填砂、紧实、起模等主要有人工完成，操作灵活，生产率低，主要用于单件小批量生产。,填砂、紧实、起模等实现机械化，生产率高，投资大，主要用于批量生产。,主要方法有：,主要方法有：,整模造型,挖砂造型,三箱造型,活块造型,刮板造型,假箱造型,振压紧实、抛砂紧实,分模造型,第11章 铸造,振压紧砂机构原理图,第11章 铸造,抛砂紧实机构原理图,第11章 铸造,视频砂型铸造自动生产线,（一）模样与芯盒,1、模样与芯盒是制造铸型和型芯

18、的工具。,2、模样形成铸件的外形，其外形相当于铸件的外部形状；型芯形成铸件的内腔形状。芯盒是制造型芯的工具。,3、砂型铸造多用木材制造模样和芯盒。,4、特种铸造用金属模、塑料模和其它模样。,第11章 铸造,（二）造芯及合箱,1、造型芯,2、合箱,型芯的作用一是形成铸件的内腔，二是简化模型的外形，以制出铸件上的台和槽等。,型芯采用比型砂更好的造型材料。,造芯方法也有手工造芯和机器造芯两种。,铸型的装配工序简称合箱。合箱前，在铸型中放好型芯、扣上上箱、放置浇口杯。合箱后，两箱要卡紧，防止错箱和抬箱。,第11章 铸造,四、铸铁的熔炼及浇注,1、铸铁的熔炼设备有冲天炉和感应炉等。其原料有金 属料、燃料

19、和熔剂。,2、浇注系统：引导金属液进入铸型型的通道。它包 括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四个部分组成。,第11章 铸造,五、落砂、清理和检验,1、落砂：,出箱的温度一般不高于500度，以免铸件产生内应力或开裂。,清砂是清除型砂和芯砂的过程，有水力清砂和水爆清砂两种方法。,2、清理：,去除表面粘砂的方法有滚筒清理、喷射清理和抛丸清理等方法。,3、检验：,主要包括外观检验、内部检验、化学性能和金相检验等。,将浇注成形后的铸件从型砂和砂箱中分离出来的工序，它分为出箱和清砂两个过程。有手工落砂和机械落砂两种方法。,去除浇口、冒口、飞边、毛刺以及表面粘砂的工序。,其任务是确定合格的铸件，去除有缺陷的铸

20、件。,第11章 铸造,第三节 铸造工艺图,第11章 铸造,铸造工艺图：利用各种铸造工艺参数及符号绘制图样，以供工程技术人员及工人生产、验收铸件。 图中应该标出：铸件的浇注位置，分型面，型芯的形状、数量、尺寸及固定方法，机械加工余量，拔模斜度，收缩率以及浇口、冒口、冷铁的尺寸和位置等。,一、浇注位置的选择,浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的空间位置；浇注位置对铸件质量及铸造工艺都有很大影响。选择时应考虑如下原则：,1）铸件的重要加工面应朝下或位于侧面，以保证获得较好质量。如图11-12的机床床身和锥齿轮，导轨和锥面为重要加工面，应朝下。,主要工作面朝下原则,第11章 铸造,第11章 铸造,图11

21、-13为吊车卷筒，采用立位以保证侧面的质量均匀。,吊车卷筒浇注位置,第11章 铸造,2）铸件宽大平面应朝下，否则易造成夹砂结疤缺陷。如图11-14所示。,大平面的浇注位置选择,第11章 铸造,3）面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或垂直、倾斜位置。如图11-15的箱盖铸件，如图双排链轮。,箱盖的浇注位置,双排链轮的浇注位置,第11章 铸造,4）易形成缩孔的铸件，应将截面较厚的部分置于上部或侧面，便于安置浇冒口补缩。如图11-16的支架。,第11章 铸造,支架的浇注位置,5）应尽量减少型芯的数量，且便于安放、固定和排气。如图11-17所示的机床床脚铸件。图11-18支架。,第11章 铸造,机床床脚

22、的浇注位置,第11章 铸造,二、铸型分型面的选择 两半个铸型相互接触的表面，称为分型面。它对于铸件质量、制模、制芯、合箱和切削加工等工艺的复杂程度有很大影响。选择时应在保证铸件质量的前提下，考虑下列原则: 应使铸件的全部或大部处于同一砂箱内。,第11章 铸造,应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。,二、铸型分型面的选择,第11章 铸造,应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。,二、铸型分型面的选择,第11章 铸造,应尽量减少分型面的数量，最好只有一个分型面。,二、铸型分型面的选择,为便于造型、下芯、合箱及检验型腔尺寸，应尽量使型腔和主要型芯处于下箱。,二、铸型分型面的选择,第11章

23、铸造,应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合箱等工序。,应尽量选用平直面作分型面，少用曲面，以简化模具制造 和造型工艺。,二、铸型分型面的选择,第11章 铸造,为保证从铸型中取出模样，而不损坏铸型，分型面应选在铸件的最大截面处。,三、铸造工艺参数确定,铸造工艺参数是与铸造工艺过程有关的某些工艺数据，包括收缩余量、加工余量、起模斜度、铸造圆角、芯头芯座等，它直接影响模样、芯盒的尺寸和结构，选择不当会影响铸件的精度、生产率和成本。,第11章 铸造,第11章 铸造,1.收缩余量：为补偿收缩，模样比铸件图样尺寸增大的数值。其大小与铸件尺寸大小、结构、壁厚、铸造合金的线收缩率及收缩时受阻碍情况

24、有关。常以铸件线收缩率表示。即,2.加工余量：指在铸件表面上留出的准备切削去的金属层厚度。影响加工余量的因素有合金种类、铸造方法、铸件结构、尺寸及加工面在型内的位置等。,3.起模斜度：为便于取模，在平行于起模方向的模样表面上所增加的斜度称起模斜度。一般用角度或宽度表示，如图11-25所示。起模斜度应根据模样高度及造型方法来确定。对有加工余量的侧面应加上加工余量再给起模斜度，一般按增加厚度法或加减厚度法。非加工面用减小厚度法。,第11章 铸造,4.芯头：芯头起定位和支撑型芯、排除型芯内气体的作用，不形成铸件轮廓。有垂直和水平两种形式 。 1）垂直芯头：上下都有芯头；只有下芯头，无上芯头；上下都无

25、芯头。 如图11-26a所示。 2）水平芯头：两个芯头；联合芯头；加长加大芯头，型芯撑，如图11-26b所示。,四、铸造工艺图的绘制,铸造工艺图是在零件图上以规定的红、蓝等色符号表示铸造工艺内容所得到的图形。它决定了铸件的形状、尺寸、生产方法和工艺过程。其绘制步骤如下：,1）分析铸件质量要求、结构特点和生产批量； 2）选择造型方法；,第11章 铸造,3）选择浇注位置和分型面 ； 4）确定工艺参数。如加工余量、起模斜度、不铸孔、铸造收缩率； 5）设计型芯 ； 6）设计浇冒口系统 ； 7）绘制铸造工艺图。,第11章 铸造,五、 铸造工艺实例,铸造工艺设计的内容，就是在对零件图进行工艺分析的基础上，

26、绘制铸造工艺图。如图所示的车床进给箱体零件图，其工艺分析如下：,车床进给箱零件图,该铸件在质量上没有特殊要求，故应尽量简化造型工艺，同时保证基准面的质量，可有如图所示的三种方案。,上,下,a) 分型面的选择 c)铸造工艺图,第11章 铸造,第11章 铸造,方案II分型面在基准面D处；凸台E和槽C分别采用活块和型芯，基准面朝上，易产生缺陷，轴孔如铸出因无芯头而易产生飞边，难清理。适于单件小批量不铸出孔时采用。 方案III分型面在B处；铸件全部位于下箱；凸台A、E和槽C分别采用活块和型芯，基准面朝下；易于保证铸件质量；但内腔型芯稳定性差；轴孔如铸出因无芯头而易产生飞边，难清理；适于单件小批量不铸出

27、孔时采用。,方案I分型面在轴孔轴线上，凸台A和槽C采用型芯，便于铸出轴孔，飞边少，易清理，下芯头尺寸大，稳定性好；但基准面D朝上，易产生缺陷；型芯数量较多。适于大批量生产。铸造工艺图所示。,第四节 铸件的结构工艺性,第11章 铸造,一、 砂型铸造工艺对铸件结构的要求 1. 分型面少而简单,铸件结构工艺性指铸件结构应符合铸造生产要求，满足铸造性能和铸造工艺对铸件结构的要求。,2. 型芯少而简单,开式结构,凸缘外伸结构,第11章 铸造,3.避免使用活块,一、 砂型铸造工艺对铸件结构的要求,a) c),b) d),第2节 特种铸造,4.应有结构斜度,一、 砂型铸造工艺对铸件结构的要求,第11章 铸造

28、,二、 铸造性能对铸件结构的要求,1. 铸件壁厚的设计 1）铸件的最小壁厚：在各种工艺条件下，铸造合金能充满型腔的最小厚度。它主要取决于合金的种类、铸件的大小及形状。见表11-5 2）铸件的临界壁厚：厚壁铸件，存在晶粒粗大等缺陷，使力学性能下降，故存在一个不易产生缩孔、缩松的最大壁厚。一般取最小壁厚的三倍。,3）铸件壁厚应均匀，避免厚大截面，并防止壁厚的突变。如图11-32所示。,第11章 铸造,2. 铸件壁厚逐步过渡连接 为减少热节、防止缩孔，减少应力，防止裂纹，壁间应圆角连接并逐步过渡。如图11-33所示。,（1） 结构圆角,（2） 过渡接头,第11章 铸造,壁厚逐步过渡,第11章 铸造,（3） 大