《工程材料及成形工艺基础》复习思考题答案-第六章.docx

第六章 铸造成形
复习思考题
1．试说明铸造在机械制造生产中的地位。
答：机器零件的生产通常包括制造毛坯和对毛坯的切削加工两部分。制造毛坯的方法有铸造成形、塑性成形和焊接成形等。铸造成形在机器制造业中应用极其广泛，现代各种类型的机器设备中铸件所占的比重很大。据统计，在机器设备中铸件所占的比例很大，如汽车中铸件的重量约占20～30%，拖拉机中铸件重量约占50～70%以上，机床中铸件重量约占70～90%，而铸件成本仅占机器设备总成本的20～30%。因此，铸造成形在机械制造生产中，具有重要的基础地位。
2．型砂和芯砂应具有哪些性能？这些性能对铸件质量有哪些影响？
答：型砂是由石英砂、粘结剂（包括粘土、水玻璃和有机树脂等）和其他附加物按一定比例配合，经过混制后得到的具有一定性能的混合料。型砂的性能对铸件质量具有重要影响。型砂应具备以下主要性能要求。
（1）透气性。若型砂透气性差，部分气体留在金属液内不能排出，凝固后铸件便会出现气孔缺陷。
（2）强度。若型砂的强度不够时，容易造成塌箱、冲砂等问题。
（3）耐火度。若型砂的耐火度不足，砂粒会粘附在铸件表面上形成一层硬皮，难清除干净，造成切削加工困难，严重时可使铸件报废。
（4）退让性。若型砂的退让性差，铸件收缩时会受到较大的阻碍，将产生较大的收缩应力，可能导致铸件变形或开裂等铸造缺陷。
3．简述各主要造型方法的特点和应用。
答：砂型铸造的造型方法分为手工造型和机器造型两大类。
（1）手工造型。手工造型是传统的造型方法，紧实型砂、起模、下芯、合型等一系列过程都由手工完成。手工造型的优点是操作灵活、适应性强、生产准备工作简单。缺点是铸件质量很大程度上取决于工人技术水平，不稳定；工人的劳动强度大，生产效率低。目前手工造型主要用于单件、小批量，新产品试制等。
（2）机器造型是将造型过程中的填砂、紧实型砂、起模等主要工序实现了机械化。与手工造型相比，它具有生产率高、铸型质量好，便于组织自动化流水线生产，工人劳动强度低等优点。但机器造型的设备和工艺装备费用高、生产准备周期长，因此适用于成批、大量生产。
4．下列铸件在大批量生产时，应选用哪种铸造方法？
（1）铝活塞； （2）摩托车汽缸体； （3）缝纫机头；
（4）大模数齿轮铣刀； （5）汽缸套； （6）汽轮机叶片；
（7）车床床身； （8）大口径铸铁管
答：铝活塞→金属型铸造；摩托车气缸体→低压铸造；
缝纫机头→砂型铸造；大模数齿轮铣刀→熔模铸造；
气缸套→离心铸造； 汽轮机叶片→熔模铸造；
车床床身→砂型铸造；大口径铸铁管→离心铸造。
5．什么是合金的流动性？为什么应尽量选择共晶成分或结晶温度范围摘要的合金作为铸造合金？
答：液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性。
共晶成分或结晶间隔窄的合金，按逐层凝固方式结晶，结晶前沿比较平滑，对金属的流动阻力小，流动性好。流动性好的合金，充填铸型的能力强。在相同的铸造工艺条件下，流动性好的铸造合金，有利于充满铸型，可得到形状、尺寸准确，轮廓清晰的致密铸件；有利于使铸件在凝固期间产生的缩孔得到合金液的补缩；有利于使铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到合金液的充填而弥合。
6．铸件产生缩孔和缩松的原因是什么？防止产生缩孔的主要工艺措施有哪些？
答：合金的液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松缺陷的基本原因。基本条件是逐层凝固。
为了防止铸件产生缩孔缺陷，铸造工艺中常采取定向凝固的方法对铸件进行有效补缩。所谓定向凝固就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口或冒口加冷铁的组合，使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后冒口凝固。按照这样的凝固顺序，后凝固部位液态合金的补充先凝固部位的收缩，前边的总收缩最后集中到冒口中形成缩孔。冒口是铸件之外的部分，去除后便得到了致密的铸件。
7．“定向凝固原则”和“同时凝固原则”分别可以防止哪种铸造缺陷？各需采取哪些工艺措施才能实现？
答：定向凝固原则解决的是缩孔、缩松缺陷；同时凝固原则解决的是铸造应力缺陷。
定向凝固就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口或冒口加冷铁的组合，使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后冒口凝固。
同时凝固原则是将内浇道设置在薄壁部位，浇入铸型中的金属液都从这里流过，薄壁部位铸型被加热的时间长，温度高于其它部位，并且这里液态合金的温度也高于其它部位，因此减缓了薄壁部分的冷却速度。在最厚大部位设置一个冷铁，加速了厚壁部分的冷却速度，因此使铸件各部位实现了同时凝固。
8．“高温出炉、低温浇注”具体是指什么？
答：高温出炉是为了使液态合金中的渣、气等在浇包中有充分的上浮排除时间，有利于提高铸件的力学性能。低温浇注是为了减少液态收缩，尽量减少缩孔和缩松。
9．什么是铸件的热裂和冷裂？它们各自的产生条件是什么？应如何防止？
答：根据铸件裂纹产生的原因和温度范围，分为热裂和冷裂两种。
热裂是在凝固的末期，固相线附近出现的。此时，由于铸件中结晶的骨架已经形成并开始收缩，但晶粒间还有一定量的液态合金，合金的强度和塑性极低，收缩稍受阻碍即可开裂。
热裂是铸钢件、可锻铸铁件和某些有色合金铸件中最常见的铸造缺陷。其特征是：断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，外观形状不规则。
冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限时产生的。其特征是：外形呈连续直线状或圆滑曲线，而且常常是穿过晶粒延伸到整个断面，裂口处表面干净，具有金属光泽或呈轻微氧化色。
冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是应力集中的地方。
10．什么是铸件的结构斜度？它与起模斜度有何不同？图6-45中的铸件结构是否合理？如不合理如何改进？

图6-45 题图
答：铸件的结构斜度，是在铸件的结构设计时，在垂直于分型面的直壁上设计出来的斜度。直壁高度越小，角度越大。
铸件的结构斜度与起模斜度不容混淆。前者，是零件结构的一部分；后者，是在绘制铸造工艺图时，在垂直于分型面的表面上设置的斜度。
这个铸件的结构设计不合理。铸件上与分型面垂直的外壁没有设计出结构斜度，不便于起模。上表面的孔壁虽然设计了结构斜度，但方向搞反了。改成反斜度，也就是变成上口小下口大，便于起模，也便于用砂跺来成形孔，降低生产成本。
11．图6-46中的铸件结构有何缺点？应该如何改进？

图6-46 题图
答：铸件上的凸台是孤立的，在造型时或者采用活块造型，或者增加一个外砂芯，使铸造工艺复杂，生产成本提高。不合理。
将铸件上的凸台上延到与分型面相连接，则造型时就没有这些麻烦了。简化了造型工艺，结构就合理了。
12．为什么铸件要设计出结构圆角？图6-47中铸件的哪些圆角不合理？应如何改进？
图6-47 题图
答：铸件的结构圆角，也就是在铸件壁的转角处设计成圆角连接。采用直角连结存在如下问题：（1）直角连接处会形成金属的积聚，易产生缩孔、缩松；（2）在载荷的作用下，直角连接处的内侧易产生应力集中；（3）在合金结晶过程中，沿着散热反方向形成垂直于型壁的柱状晶，在转角处的对角线上形成整齐的分界线，削弱转角处的力学性能。
当铸件采用圆角结构时，可以有效克服上述缺点。另外，铸造圆角还可防止金属液流将型腔尖角冲毁，以及美化铸件外形和避免划伤人体等。铸件的分型面尽量平直
图6-47所示铸件上的圆角设计不合理。
铸件的上表面有圆角，不是最大截面。若将分型面设置在上表面，则要挖砂造型。若采用与上表面相符合的曲面，则会给制作模样和造型都带来很多麻烦。因此不合理。
合理的设计是将铸件上表面的圆角去掉，改为把与上表面垂直的直壁设计成结构斜度，保证上表面为最大截面，这样分型面就可以设置在上表面，结构就合理了。
13．铸件、模样、零件三者在尺寸上有何关系？并分析这种尺寸关系的原因。
答：铸件的尺寸加上该铸造合金的线收缩量即为模样的尺寸。零件的尺寸加上切削加工余量即为铸件的尺寸。
14．为什么空心球难以铸造？应采用什么措施才能将空心球铸造出来？试用图表示。
答：因为空心球的空心是封闭的，如不采取特殊工艺措施，是没办法铸出的。
铸造时，可预先设计出工艺孔，等铸出铸件后，再想办法将工艺孔堵住，就得到了空心孔了。

15．某厂批量生产一种薄壁灰铸铁件，投产以来质量基本稳定，但最近突然出现浇不足、冷隔等缺陷增多的现象，试分析其原因。
答：铸件出现浇不足、冷隔缺陷，可能有以下一些原因：
（1）化学成分控制可能出现偏差，比如有利于提高合金流动性的碳、硅含量偏低，或降低合金流动性的硫含量偏高。
（2）熔炼工艺可能出现问题，如合金氧化严重，渣量偏多等。
（3）浇注温度可能过低，导致充型能力不足。
16．为什么要规定铸件最小壁厚？灰铸铁件的壁厚过大或局部过薄会出现哪些问题？
答：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，选择得当，既能保证铸件的力学性能，又能防止某些铸造缺陷的产生。
如果铸件的壁厚太厚，则容易在中间出现缩孔缩松缺陷。但铸件的壁厚不能太薄，否则容易出现浇不足和冷隔缺陷。
17．用内接圆法确定图6-48中铸件的热节部位。在保证尺寸H的前提下，如何使铸件的壁厚尽量均匀？

图6-48 题图
答：

图6-52 题图
18．铸造技术发展的新成果对你有何启示？
答：针对铸造中存在的问题，如：铸造成形的工艺过程比较复杂，有的还难以精确控制；铸件内部晶粒粗大、组织不均匀、不致密，导致同一材质铸件的力学性能比锻件的低；有些结构的铸件，即使严格控制，也很难避免缩孔、缩松等。铸造新技术都有了比较好的解决方案。
如铸造成形数值模拟技术，就是利用计算机仿真技术，对铸造过程进行 数值模拟，如通过对温度场、流动场、应力场等进行数值模拟，来预测可能产生的铸造缺陷和部位，进而优化铸造工艺设计。这，大大缩短了新产品的开发周期，降低了试制成本。
再比如半固态金属铸造技术，就是利用机械力、或电磁力的搅拌作用来细化晶粒，利用压力充型和凝固来消除缩孔和缩松，从而得到了晶粒细小、组织致密的高质量铸件的技术。