液态成形理论基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热加工工艺基础,1.,课程的性质和任务,工程材料与热加工基础是材料类、机械类各专业学生必修的一门技术基础课。,本课程的任务是,:,l）,工程材料的性能：以力学性能为主，还要考虑物理性能、化学性能及工艺性能；,2,）金属学基本理论：使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；常用工程材料成分组织性能应用之间关系的一般规律,3,）热处理方面：掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺路线。,绪论,1.,课程的性质和任务,4,）常用工程材料：掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；了解工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等常用非金属材料的分类、性能和用途，以便合理选用工程材料。,5,）热加工基础：掌握铸造、锻压和焊接的特点及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。,6,）零件材料与毛坯的选择：熟悉常用工程材料的生产工艺过程，正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热处理在工艺过程中的位置。合理选用工程材料的初步能力。,2.,课程概论,金属材料,非金属材料,工程材料的分类,钢铁材料,非铁金属,高分子材料,陶瓷材料,复合材料,2.,课程概论,铸造性能,可锻性能,可焊性能,切削加工性能,热处理性工艺性,工程材料的性能,使用性能,力学性能,物理性能,化学性能,工艺性能,2.1,工程材料的性能,2.2,机械零件加工工艺,材,料,毛,坯,零,件,铸造,锻压,焊接,粉末,冶金,切削加工,型材,热处理,3.,材料的发展,公元前,1200,年左右，人类进入了铁器时代，开始使用的是铸,铁，以后制钢工业迅速发展，称为,18,世纪产业革命的重要内容和物质基础。,由于铁的熔点较高（,1538,），其出现时间较晚。,图为伊朗出土的铁制器皿。,3.,材料的发展,20,世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为,“,高分子时代,”,、,“,半导体时代,”,、,“,先进陶瓷时代,”,和,“,复合材料时代,”等种种提法。在当今新技术革命波及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个“材料革命”的新时代。,4.1,铸造毛坯,熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造,。,4.,零件的毛坯,锻造毛坯,锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。,焊接的概念,通过,加热或加压,，或两者并用，并且用或不用,填充材料,，使焊件达到原子结合，形成永久性接头的的加工方法。,第一篇 金属液态成形加工工艺,重点,：,铸造生产的特点、实质与应用，合金的铸造性能，各种铸造方法的特点，铸件结构工艺性。,第一章：液态成形理论基础,引言,铸造：将熔融的液体浇注到与零件的形状相适应的铸型型腔中，冷却后获得铸件的工艺方法。,1,、铸造的实质：利用了,液态金属的流动成型,1,）适应性大（铸件重量、合金种类、零件形状都不受限制）,2,）成本低,3,）工序多，质量不稳定，废品率高,4,）机械性能较同样材料的锻件差,原因：晶粒粗大，组织疏松，成分不均匀,含碳,0.3%,的铸钢与锻钢机械性能比较,2,、,铸造生产的特点,3,、铸造的应用,主要用于受力较小，形状复杂或简单、重量较大的零件毛坯。,铸造生产工艺流程,制模型,-,造型,零件图,-,制定铸造工艺图,-,烘干,-,合箱,-,配料、熔,制芯盒,-,造芯,化、浇注,-,清理,-,检验废品,-,机加工、热处理,1.1,液态金属的凝固,是一个形核与长大的过程。有如下特点：以非匀质形核为主，以枝晶方式生长为主。,1.1.1,铸件的组织,影响凝固组织的主要因素有炉料、铸件的冷却速度和生产工艺。,凝固组织的晶粒越小，其机械性能越好。可通过增加过冷度、加少量变质剂、振动等方式细化晶粒。,1.1.2,铸件的凝固方式及影响因素,1,）逐层凝固,:,纯金属或共晶成分合金在凝固过程中不存在液、固并存的凝固区，以逐层凝固方式凝固。,2,）糊状凝固：当合金的结晶温度范围很宽时，且铸件断面上的温度分布较为平坦，液、固共存的凝固区贯穿整个断面。以此方式凝固。,3,）中间凝固：介于上述二者之间。,影响铸件凝固方式的主要因素：,1,）合金的结晶温度范围：结晶温度范围越宽，越趋于糊状凝固。,2,）铸件的温度梯度：温度梯度越陡，凝固区越窄。,温度梯度取决于铸件合金的性质、铸型的蓄热能力、浇注温度。合金的凝固温度越低，导热率越高、结晶潜热越大，铸件温度梯度越小；铸型的蓄热能力越强，铸件温度梯度越大；浇注温度越高，铸件温度梯度越小。,铸件断面的温度梯度主要取决于：,1,合金的性质：合金的凝固温度越低，导热率越高，结晶潜热越大，铸件内部温度均匀化能力越大，铸件断面温度梯度越小,(,如多数铝合金,),。,2,铸型的蓄热能力 铸型蓄热能力越强，对铸件的激冷能力越强，铸件断面温度梯度越大。,3,浇注温度 浇注温度越高，带入铸型中热量增多铸件的温度梯度减小。,1.2,合金的铸造性能,是合金在铸造生产中表现出来的工艺性能。主要包括流动性、收缩性、吸气性等。,1.2.1,合金的流动性与充型能力,流动性,:,液态金属本身的流动能力。与金属的成分、温,度、杂质含量及其物理性质有关。,充型能力：合金充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。,流动性好的合金，易于充满薄而复杂的型腔。有利于气体和夹杂物上浮排除，有利于铸件凝固时的补缩。流动性不好的合金，其充型能力差，易产生浇不足、冷隔、气孔、缩孔、缩松、热裂纹等缺陷。,熔融合金的流动性通常以“螺旋形试样”,(图1-3),长度来衡量。在相同的浇注条件下，,将液态合金浇注到螺旋形标准试样所形成的铸型中，浇注冷凝后，测出其实际螺旋线长,度，测得的螺旋线长度越长，表明合金的流动性越好。,影响合金流动性的因素,(1),合金的种类,不同合金因其结晶特性、粘度不同，其流动性亦不同。常用铸造合金中灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差。,(2),合金的成分,纯金属和共品成分合金的结晶为逐层凝固，结晶的固体层内表面比较光滑，如图,14(,a)，,对金属液的阻力较小。同时共晶成分合金的凝固温度最低，相对说来，合金的过热度大，推迟了合金的凝固，故流动性最好。,(3),浇注条件,浇注温度 浇注温度对合金流动性的影响很显著。绕注温度越高，液态金属的粘度越低，且因其过热度高，金属液含热量多，保持液态时间长，有利于提高合金的流动性。但浇注温度过高，铸件容易产生绍孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，浇注温度不要过高。通常，灰口铸铁的浇注温度为,1200-1380,度，铸钢为,l5201620,度，铝合金为,680780,度。,充型压力 液态合金在流动方向上所受的压力越大，充型能力越好。砂型铸造时，充型压力是由直浇道所产生的静压力形成的，故直浇道的压力必须适当。而压力铸造、离心铸造因增加了充型压力，充型能力较强，金属液的流动性也较好。,(4),铸型的充填条件,铸型的蓄热能力 铸型的蓄热能力表示铸型从熔融合金中吸收并传出热量的能力。,铸型温度 浇注前将铸型预热到一定温度，减少了铸型与熔融金属间的温度差，减缓了合金的冷却速度，延长合金在铸型中流动时间，合金流动性提高。,铸型中的气体 在金属液的热作用下，型腔中的气体膨胀，型砂中的水分汽化，煤粉和其他有机构燃烧，将产生大量气体，如果铸型排气能力差，浇注时产生的大量气体来不及排出气体压力将增大，必然阻碍熔融金属的充型。,铸型结构 当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化、结构复杂，或有大的水平面时，均会使合金充型困难。,1.2.2,合金的收缩性,1,收缩的概念,铸件在液态、凝固态、固态冷却过程中所发生的体积和尺寸减小的现象。,收缩的三个阶段,液态收缩,凝固态收缩,固态收缩,2,影响合金收缩的因素,(,I),化学成分 碳素钢的含碳量增加，其液态收缩增加，而固态收缩略减。灰铸铁中的碳、硅含量增多，其石墨化能力越强，石墨的比体积大，能弥补收缩，故收缩越小。硫可阻碍石墨析出，使收缩率增大。适当地增加锰，锰与铸铁中的硫形成,Mns,，,抵消了硫对石墨化的阻碍作用，使铸铁收缩率减小。但含锰量过高，铸铁的收缩率又有所增加。,(2),浇注温度 浇注温度越高，过热度越大，使液态收缩增加，合金的总收缩率加大。对于钢液，通常浇注温度提高,100,度，体收缩率增加约,1.6%,，因此浇注温度越高，形成缩孔倾向越大。,(3),铸件结构和铸型条件 铸件在铸型中的冷凝过程中往往不是自由收缩，而是受阻收缩。其阻力来源于：铸件各部分的冷却速度不同引起各部分收缩不一致，相互约束而对收缩产生阻力。铸型和型心对收缩的机械阻力。因此，铸件的实际收缩率比自由收缩率要小一些。铸件结构越复杂，铸型硬度越大型心骨越粗大，则收缩阻力亦越大。,3,缩孔、缩松的形成,在铸件的凝固过程中，由于合金的液态收缩和固态收缩，使铸件的最后凝固部位出现孔洞，容积较大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为 缩松。,影响缩孔缩松形成的因素：,（,a,）,成分：共晶成分、近共晶成分或凝固温度范围小的合金易形成集中缩孔，反之易形成缩松。缩孔易于检查和修补。,(b),增加铸件的冷却速度可促进缩松向缩孔转化。,(c),缩孔和缩松总是存在于铸件的最后部位。,防止缩孔、缩松的措施,A,、,实现“定向凝固”,B,、,加压补缩,C,、,热等静压法（在高温高压下，通过惰性气体介质把压力从各个方向等压地传到铸件表面，经蠕变,-,扩散结合，使内部缺陷闭合消失。,4,铸造内应力、变形与开裂,铸造内应力：铸件在凝固末期，其故态收缩如受到阻碍，铸件内部将产生内应力。,按其产生的原因，分为热应力、收缩应力和相变应力。,1.,热应力：在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。结论铸件的厚壁或心部受拉，薄壁或表层受压。,2.,收缩应力,:,铸件在固体收缩时，因受到铸型、型心、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。形成应力的原因一旦消除，收缩应力也就随之消失，所以收缩应力是一种临时应力。,3.,相变应力：固态下发生相变的合金，由于部分部分冷却速度不同，达到相变温度的时刻不同，且发生相变的程度也不同，由此而产生的应力称为相变应力,。,减小或消除铸造应力的措施,A|,、,使铸件符合“同时凝固”的原则（内浇口开在薄壁处、厚壁处安放冷铁）,B,、,造型工艺上，改善铸型或芯子的退让性,C,、,铸件结构上尽量使铸件能自由收缩（壁厚均匀、壁与壁的联接均匀等）,D,、,去应力退火,E,、,合理选用合金,铸件的变形与防止,铸件变形是由铸造应力引起的，前面所提到的减小减小或消除铸造应力的措施可以防止和减小铸件的变形。另外还常采用反变形工艺，即在模型上预先作出相当于铸件变形的反变形量，待铸件冷却后变形正好被抵消。,铸件的裂纹与防止,热裂纹：是在固相线附近的高温下形成的。特征是：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。,铸钢、可锻铸铁件常出现热裂纹。,冷裂纹：是在铸件冷却到低温处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而形成的。特征是：裂纹细小，呈连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。,脆性大、塑性差的合金（白口铸铁、高碳钢等）及形状复杂的大型铸件的受拉应力处易产生冷裂纹。,防止冷裂纹的方法是尽量减小铸造应力。,1.2.3,合金的吸气性,按气体来源不同铸件中的气孔可分三类：,1,、侵入性气孔,由于砂型表面层聚集的气体侵入金属液中形成的。气体来源于造型材料中的水分，粘结剂及各种附加物。,2,、析出性气孔,溶解于高温金属液中的气体在冷却过程中，由于溶解度下降而以气泡形式析出，上浮的气泡若受阻，则在铸件中就产生气孔。,3,、反应性气孔,金属液与铸型材料、型芯撑等因化学反应产生的气孔。,1.3,铸件质量与检验,1.3.1,铸件的质量,外观质量：铸件的表面质量、尺寸公差、形位偏差。,内在质量：化学成分、组织、性能以及缺陷等。,使用质量：指铸件能满足使用要求的性能。,1.3.2,铸件的质量检验,外观质量检验：,（,1,）形状、尺寸：工具、夹具、量具或划线检测等手段,内在质量检验：,第二章 常用合金铸件,液态成形用的金属材料通常称为铸造合金，除了少数几种特别难熔的合金外，几乎所有的合金都能用于铸造生产。常用的铸造合金有铸铁、铸钢、铸造铜合金和铸造铝合金等，其中铸铁的应用最广。,2.1,铸铁,2.1.1,铸铁的分类,白口铸铁、灰口铸铁,(,普通灰口铸铁，简称灰铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁）、麻口铸铁。,212,铸铁的石墨化,石墨化过程分为三个阶段：,第一阶段：通过共晶反应形成；,第二阶段：自奥氏体中沿,ES,线析出二次石墨；,第一、二阶段称为高温石墨化过程。如要高温石墨化过程都得到充分进行，就可得到,第三阶段：通过共析反应形成。,影响铸铁石墨化的因素：,成分：,C,Si,促进石墨化；,S,Mn,等阻碍石墨化。,冷却速度：冷却越慢，越有利于石墨的形成。,其中,I,区属于白口铸铁；,2,区,属于麻口铸铁；,3、4、5,区分别属于珠光体、珠光体加铁素体、铁素体灰铸铁。,2.1.2,、灰铸铁,组织：石墨呈片状，分布在珠光体、珠光体,铁素体、铁素体的基体上。,性能：抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，塑性和韧性趋近于零。机械性能差是由于石墨造成的，可将灰铸铁视为布满裂纹的钢。有良好的减震性、耐磨性、缺口敏感性低、不能锻造和冲压、可焊性差、切削加工性好、铸造性能优良。,孕育处理：常用孕育处理提高铸铁的性能。孕育处理可使铸铁得到细粒状珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。,灰铸铁件的生产特点及牌号,灰铸铁的牌号 灰铸铁的牌号用“灰铁”的汉语拼音“,HTxxx,”,表示，数值表示其最低抗拉强度,(,MPa,)。,依照国标,Gg943988,从铸铁分级,，灰铸铁共分为,HTl00HT350,六个牌号,用途,用来制作各种承受压力和要求消震性的床身、机架、结构复杂的箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体等。,铸造特点,灰口铸铁一般在冲天炉中冶炼，成本低廉，成分接近共晶成分，结晶时因石墨析出产生体积膨胀，抵消了部分或全部的收缩，故流动性好，收缩小，形成缺陷的倾向小。可不设冒口，并可选用同时凝固。,2.1.4,球墨铸铁的性能,通过向灰铸铁的铁水中加入一定量的球化剂,(,如镁、钙及稀土元素等,),进行球化处理，并加入少量的孕育剂,(,硅铁或硅钙合金,),以促进石墨化，在浇注后可获得具有球状石墨的球墨铸铁。,l,球墨铸铁的化学成分和组织,球墨铸铁原铁水的化学成分为：,W(C)3.640，W(Si)1.01.3、W(,Mn,)06%，W(S)O06，W(P)008。,其特点是高碳，低硅，低锰、硫、磷。高碳是为了提高铁水的流动性，消除白口和减少缩松，使石墨球化效果好：硫与球化剂中的镁、稀土元素化合，促使球化衰退；磷可降低球墨铸铁的塑性和韧性；应尽量减少铁水中硫、磷含量。,球墨铸铁的铸态组织,:,由珠光体、铁素体、球状石墨，以及少量自由渗碳体组成。,2,球墨铸铁的球化和孕育处理,球化和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。球化剂的作用是使石墨呈球状析出。,纯镁是主要的球化剂,.,稀土元素其球化作用比镁弱,.,3,球墨铸铁的生产特点,多数球墨铸铁件铸后要进行热处理，以保证应有的力学性能。常用的热处理为退火和正火。退火的目的是获得铁素体基体，以提高球铁的塑性和韧性。正火的目的是获得珠光体基体，以提高强度和硬度。,4,球墨铸铁的牌号,球墨铸铁牌号用汉语拼音“,QTxxx,xx”,表示，前一组数字表示最低抗拉强度，后一组数字表示最低断后延伸率。,铸造特点,球墨铸铁因结晶后期凝固收缩前的膨胀迫使型腔扩大，缩松倾向很大，一般要设冒口补缩。,2.1.5,可锻铸铁,Before the discovery of nodular irons,malleable irons were the only ductile class of cast irons.,Tempered,Graphite,石墨呈团絮状，比普通灰铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性。因此名谓可锻铸铁。实际可锻铸铁并不能锻造。,Ferritic,Malleable Cast iron,Pearlitic,Malleable Cast Iron,1.,可锻铸铁的组织,2.,可锻铸铁的用途,常用来制造汽车、拖拉机的前后桥壳、减速器壳等薄壁零件。,铸造特点,首先必须获得,100%,的白口铸铁坯件。因此必须采用含碳、含硅很低的铁水，其流动性差，收缩大，容易产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷。必须设置冒口补缩。,2.1.6,蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是近几十年来发展起来的一种新型铸铁材料。,1,蠕墨铸铁的组织、力学性能与应用,蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体组织的灰铸铁与球墨铸铁之间。耐磨性比灰铸铁好，减振性比球墨铸铁好，铸造性能接近于灰铸铁，切削性能也不错。蠕墨铸铁突出的优点是导热性和耐热疲劳性好，壁厚敏感性比灰铸铁小得多。,217,合金铸铁,当铸铁件要求具有某些特殊性能,(,如高耐磨、耐蚀等,),时，可在铸铁中加入一定量的合金元素，制成合金铸铁，常用的合金铸铁有耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁。,2.2,铸钢,其用量仅次于灰铸铁。,其力学性能高于各类铸铁，适用于制造形状复杂，强度、塑性等要求较高的零件；,某些合金铸钢具有特殊的性能；,铸钢的牌号与应用,碳素铸钢：,ZG XXXXXX,最小屈服点,最小抗拉强度,碳素铸钢的应用最广，其产量约占铸铜总产量的,80,。碳素铸钢有较高的强度，较好的塑性、冲击韧性、疲劳强度等，适合于用来制造受力较复杂、交变应力较大和受冲击的铸件,.,而且铸钢的焊接性能比铸铁好，便于采用铸,焊组合工艺制造重型零件，如重型水压机的横梁、大型轧钢机机架、大齿轮等。,合金铸钢：,ZG+,数字合金元素符号数字,碳,含量的万分数，当其质量分数大于,1,时，不写。,合金元素含量的百分数,合金铸钢按合金元素的量分为低合金铸钢和高合金铸钢两类。低合金铸钢中合金元素总质量分数小于或等于,5,，它的力学性能比碳钢高，因而能减轻铸钢重量提高铸件使用寿命。我国主要采用的是锰系、锰硅系及铬系铸钢系列。,高合金铸钢中合金元素总质量分数大于,10,。由于合金元素含量高，这种铸钢一般都具有耐磨、耐热和耐腐蚀等特殊性能。如,ZGMnl3,中,Mn,的质量分数约为,13,，具有特殊耐磨性能，常用来制造铁路道岔、推土机刀片、履带板等耐磨零件。,ZGl0crl8Ni9,为铸造不锈钢，常用来制造耐园泵体等耐腐蚀零件。,铸造特点：,铸钢的铸造性能差：熔点高，钢液易氧化，流动性差，收缩大，吸气，易产生缺陷，如粘砂，冷隔，浇不足，缩孔，变形，裂纹，铸造困难。为了获得高质量的铸件，必须采取一些工艺措施。,1,）对型砂性能要求要高。有较高的耐火度、高强度、良好的透气性和退让性。,2,）铸造工艺上采用定向凝固原则，多使用冒口和冷铁。,3,）严格控制浇注温度。,铸后进行热处理，以细化晶粒，提高机械性能，消除铸造内应力。,2.3,铸造有色金属及合金,1,）铸造铜合金,ZCu,主加合金元素符号主加合金元素质量百分数,铸造特点,各种铜合金的成分不同，铸造性能和铸造工艺特点也不同。,锡青铜的结晶范围大，凝固区域宽，流动性差，易产生缩松，铸造时重点解决缩松问题。,铝青铜、铝黄铜等含铝较高的铜合金，结晶范围很小，呈逐层凝固，流动性好，易形成集中缩孔，且极易氧化，铸造时重点解决缩孔和氧化问题。,为了防止氧化和吸气，铜合金熔炼时应采取：,覆盖：用熔剂（木炭、硼砂或碎玻璃等）。,脱氧：加磷铜。,铸造铝合金,牌号：,ZAl,主加合金元素符号主加合金元素质量百分数,分类：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金等。,适用于制造薄壁件或气密性要求较高的零件，如调速器壳，机油泵体等,耐热性好，强度较高。适用于制造形状简单、负荷较大的零件。如活塞等。,耐蚀性差但，强度高。常用来制作汽车发动机配件、仪表元件。,耐蚀性好，强度高。但铸造工艺复杂。常用来制作耐蚀性、装饰性部件。,铸造特点,：,1,）高温下易氧化，吸气能力强，易产生小气孔，使机械性能下降。一般用坩锅熔炼，各种炉料都要进行预热或烘干。,2,）铝硅合金应用钠盐进行变质处理。铝硅合金的流动性好，可铸出薄壁件。,3,）铝合金一般熔点低，对型砂的耐火度要求不高。,4,）铝铜和铝镁合金的铸造性能差，应保证型芯砂有足够的退让性，可适当提高浇注温度和浇注速度，并在厚部安放冒口。,第三章 铸造方法及发展,砂型铸造、特种铸造,3.1,、砂型铸造（看一段录像）,是最传统的铸造方法，按砂型紧实成型方式不同，可分为两大类：,1,、手工造型,特点：,操作灵活，工装简单，准备时间短，适应性强，适用于各种形状的铸件。但铸件精度低，质量不稳定，工人的劳动强度大。主要用于单件小批量生产。,2,、机器造型,用机器代替人工填砂、紧实型砂、起模。,只能两箱造型，湿型、单一砂，专用模板（将模型、浇注系统沿分型面与底板联接成一整体的专用模具，造型后底板形成分型面。模型形成型腔。,机器造型的特点及应用范围：,生产效率高，铸件尺寸精度及表面光洁度高，质量好。但设备和工装费用高，生产准备时间长，适用于中、小型铸件的成批或大量生产。,3.2,、特种铸造,（一）熔模铸造（失蜡铸造）,1,、熔模铸造的工艺过程,1,）制母模,2,）制压型,3,）制蜡模,4,）组合蜡模,5,）蜡模结壳,6,）失蜡,7,）焙烧、浇注,2,、熔模铸造的特点及应用范围,1,）铸件精度高，尺寸精度,IT11IT14,，,表面光洁度好，表面粗糙度,(Ra253.2),节省加工工时和材料。,2,）合金液的流动性好，可铸出形状复杂的薄壁铸件，最小壁厚,0.7mm,最小孔径,0.5mm,。,3,）,因型壳采用高级耐火材料制成，特别适合那些高熔点难切削合金的铸造。,4,）生产批量不受限制。,5,）因蜡模强度有限，所以只适用于中小件的生产。,6,）工艺过程复杂，生产周期长，成本高。,主要用于形状复杂的高熔点难切削合金铸件的精密铸造。如麻花钻头、叶轮等。,（二）金属型铸造,在重力下将液体金属浇入金属铸型中，冷凝后获得铸件的方法。,1,、金属型铸造的工艺特点,1,）预热铸型,2,）喷刷涂料,3,）及时开型,2,、金属型铸造的特点及应用范围,1,）简化了造型等工序，使生产率提高，改善了劳动条件。,便于实现机械化、自动化生产。,2),有较高的尺寸精度,(IT1216),和较好的表面光洁度，表面粗糙度,(Ra2512.5,），,机加工余量少。,3,）由于冷却快，晶粒细小，铸件机械性能好。,4,）金属型制造成本高，周期长，不适合单件小批量生产。,5,）铸件的外形尤其是内腔不能太复杂。,6,）铸件不宜过薄，以防浇不足等缺陷。,7,）用于高熔点合金时，金属型的寿命低。铸铁件还易出现白口组织。,主要用于有色金属铸件的大批量生产。如内燃机活塞、缸体油泵壳体、轴瓦等铸件。,（,三）压力铸造,将熔融金属在高压（,3070MPa),下，快速（,0.010.2s),压入金属型中，并在压力作用下凝固，获得铸件的方法。,1、压力铸造的特点及应用范围,1）生产率高，可实现机械化自动化生产。,2）铸件精度高，,尺寸公差等级为,(IT1113),，,表面粗糙度,(Ra6.31.6,），,大都不需机加工就可使用。,3）铸件强度、硬度高 4）便于生产双金属件,5）成本高，不适于单件小批量生产,6）不适于高熔点合金的铸造 7）压铸件不能热处理,8）压铸件的塑性与韧性差。,主要用于铝、锌、镁等低熔点非铁合金的铸造。,（四）离心铸造,将熔融液体金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作,用下填充铸型和结晶的方法。,1,、离心铸造的基本类型（立式和卧式）,2,、,离心铸造的特点及应用范围,1,）生产率高，成本低。,2,）在离心力作用下结晶，无气孔、缩孔，组织致密，力学性能好。气渣多集于内腔，外表面质量好。,3,）便于生产双金属件。,4,）不适于比重偏析大的合金铸造。,主要用于制造铸铁管、气缸套、双金属轴承、特殊钢无缝管等。,（五）低压铸造,低压铸造是介于压力铸造和重力铸造之间的一种铸造方法。它是在,0.06,0.15MPa,的压力作用下，将金属液注入型腔，并在压力下凝固，以获得铸件的方法。,1、低压铸造的工艺过程,2、低压铸造的特点及应用范围,1）压力和速度便于调节，适用于不同铸型的铸造。,2）充型平稳，对铸型的冲击力小，气体易于排出。,3）在压力下结晶，顺序凝固，铸件的组织致密。,4）不用冒口，节约金属，铸件的合格率高。,5）设备投资少，劳动条件好。主要用于铝合金铸件中小批量的生产，如气缸体、气缸盖、曲轴箱、活塞等。,三、铸造方法的比较,1,、,铸件内部质量,2,、铸件外观质量,Ra,值,熔模铸造 晶粒粗大,253.2,金属型铸造 晶粒细小,2512.5,压力铸造 晶粒细小，有气孔,6.31.6,离心铸造 决定于铸型材料 决定于铸型材料,低压铸造 组织致密，气密性好,256.4,砂型铸造 晶粒粗大,5025,3,、适用于合金种类,4,、铸件的复杂程度,熔模铸造 不受限制性 复杂的铸件,金属型铸造 非铁合金 不宜太复杂,压力铸造 非铁合金 可复杂,离心铸造 不适合比重差别大和密度小的合金 回转体为主,低压铸造 不受限制性 可复杂,砂型铸造 不受限制性 可复杂,5,、生产率,6,、设备投资,7,、生产批量,熔模铸造 低、中 中等 大、中、小,金属型铸造 中、高 中等 大、中,压力铸造 最高 昂贵 大批,离心铸造 中、高 中等 大、中、小,低压铸造 中 中等 大、中、小,砂型铸造 低、中 中、少 不限,3.3,液态成形新工艺,一、,挤压铸造,挤压铸造简称挤铸，挤铸能够铸造大型薄壁件，如汽车门,机罩及航空与建筑工业中所用的薄板等。,1.挤铸原理,最简单的挤压铸造法如图,310,所示。其主要特征是挤压铸造的压力较小,(210,MPa)，,其工艺过程是在铸型中浇入一定量液态金属，上型随即向下运动，使液态金属自下而上充型，且挤压铸造的压力和速度,(0.10.4,m/s),较低。无涡流飞溅现象，因此铸件致密而无气孔。,2,挤铸的特点及应用,挤铸与压力铸造及低压铸造的共同点是，压力的作用是使铸件成形并产生“压实”，使铸件致密。其不同点是挤铸时没有浇口，且铸件的尺寸较大，较厚时，液流所受阻力较小，所需的压力远比压力铸造小，挤铸的压力主要用于使铸件压实而致密。,特点,应用,挤压铸造可以铸出大面积的高质量薄壁铝铸件及复杂空心薄壁件。,二、气化模铸造,用聚苯乙烯发泡的气化模代替木模，用于砂,(,或树脂砂、水玻璃砂等,),代替普通型砂进行造型，并直接将高温液态金属浇到铸型中的气化模上，使气化模燃烧、气化、消失而形成铸件的方法称为气化模铸造。,1,气化模铸造的工艺过程,气化模模样的制造,-,模样与浇冒口的粘合,-,气化模涂挂涂料和干燥,-,填于砂并振动,紧实,-,浇注落砂清理。,3.,气化模铸造特点及应用,（1),气化模是一种少、无切削余量精确成形的新工艺。,(2),为铸件结构设计提供了充分的自由度。,(3),气化模铸造的工序比砂型铸造及熔模铸造大大简化，无需高技术等级的工人。,3.4,计算机在液态成形中的应用简介,一、铸造过程的数值模拟,大部分铸造缺陷产生于充型过程和凝固过程，通过数值模拟，可以帮助工程技术人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保持件的质量。目前，铸造凝固过程数值模拟的研究主要在以下几方面发展：,(1),铸件收缩缺陷判据和铸件缩孔、缩松定量预测：此方法已经在铸造厂得到应用，并取得满意的结果，尤其对大型铸钢件的预测，均与生产检验较相吻合。如图,311,所示为,T,型铸钢件断面的模拟等温曲线分布，由图可以准确的确定容易产生缩孔的部位，从而可以合理的设计冒口、冷铁等防止缩孔的产生。,(2),应力场的模拟 铸造过程应力场的数值模拟能帮助工程师预测和分析铸件裂纹、变形及残余应力，为提高铸件尺寸精度及稳定性提供了科学依据。,(3),微观组织模拟 微观模拟是一个较新的研究领域，通过计算机模拟预测铸件微观组织形成进而预测力学性能，最终控制铸件质量。目前，微观组织模拟取得了显著成果能够模拟枝晶生长、共晶生长、住状晶等轴转变等。,二、铸造,CAD,铸造工艺,CAD,综合了铸件凝固数值模拟、铸造工艺计算机分析图形学和数据库等技术，将计算机的快速、准确和工艺人员的经验、思维、综合分析能力结合起来辅助铸造工作者优化铸造工艺预测铸件质量，确定铸造工艺方案，估算铸件成本，显示并绘制铸造工艺图、工艺卡等技术文件。铸造,CAD,可以缩短工艺设计周期、提高设计水平有利于提高产品质量和产品的更新换代。,三、快速成形技术,(,RPT),快速成形技术的成形原理不同于传统的成形方法、而是一种首先将材料分层然后累加的方法：设计者首先在计算机上绘制成所需生产零件的三维模样，然后将其按照一定厚度进行分层，将三维模型变成二维平面，再将分层后的数据进行一定的处理，加人工艺参数，产生数控代码。最后数控系统以平面加工方式有序地加工出每个薄层并使它们自动粘接成形。,通过本章的学习，应了解常用五种特种铸造方法的工艺过程、主要特点和应用范围，能初步选用常用铸造方法（砂型铸造和特种铸造）。,第四章 铸造结构与工艺设计,4.1,铸件的结构设计,铸件的结构工艺性是指所设计的零件采用铸造方法生产的方便性，即是否容易铸造。,4.1.1,铸造工艺对铸件结构的要求,（一）铸件外型应便于起模,1,、避免外部侧凹和凸起,2,、分型面应尽量平直,3,、凸台、筋条结构应便于起模,如图,41(,a),所示的端盖，由于存有法兰凸缘，铸件产生了侧凹，使铸件具有两个分型面，所以常需采用三箱造型，或者增加环状外型心，使造型工艺复杂。图,43(,b),所示为改进设计后，取消了上部法兰凸缘，使,铸件仅有一个分型面，因而便于造型。,如图,42(,a),所示的托架，原设计时忽略了分型面尽量平直的要求，在分型面上增加了外圆角，结果只得采用挖砂,(,或假箱,),造型：图,42(,b),为改进后的结构，便可采用简易的整模造型。,如图,43(,a),和43(,b),所示凸台均妨碍起模，必须采用活块或增加型心来克服。改成图,43(,c)、(d),的结,构避免了活块和砂心，起模方便，简化造型。,图4-4(,a),所示四条筋的布置，妨碍了填砂、舂砂和起模，改成固,44(,b),所示方案布置后，克服了上述缺点，布置合理,（二）合理设计铸件内腔,(,I),节省型心的设计,图45(,a),为一悬臂支架，它是采用中空结构，必须以悬臂型心来形成，这种型心须用型心撑加固，下心费工。当改为图,45(,b),所示的开式结构后，省去了型心，降低了,成本。,(2),便于型心的固定、排气和铸件清理,图47(,a),为一轴承架，其内腔采用两个型心其中较大的呈悬臂状，须用型心撑来加固。若改成图,47(,b),的结构，使型心为整体型心,则型心的稳定性大为提高，且下心简便，易于排气。,3,铸件要有结构树度,铸件上垂直于分型面的不加工表面，最好具有结构斜度，这样起模省力，铸件精度高。,4.1.2,合金铸造性能对铸件结构的要求一、,铸件壁的设计,（1,）铸件应有合理的壁厚,:,不同的合金在一定的铸造条件下能够铸出铸件的最小壁厚也不同。故铸件的最小壁厚一定要大于该合金的“最小壁厚”。,（,2,）铸件的壁厚应尽可能的均匀,如图,4-10(,a),所示。此外，各部分冷却速度不同，易形成热应力，致使铸件簿壁与厚壁连接处产生裂纹。因此，在设计铸件时，应尽可能使壁厚均匀，以防止上述缺陷产生，如图,410(,b),所示。,(,3),按顺序凝固原则没计铸件结构 对于收缩大的合金材料壁厚分布，应符合顺序凝固原则，便于合金的补缩防止产生缩孔与缩松缺陷。,（4,）铸件壁的连接：应避免金属积聚和应力集中,1,铸件壁的转角处一般应设计出结构圆角；,铸件两壁的直角连接，会在直角处形成金属,的局部积聚，内侧散热条件差，容易形成缩孔和缩松。,2,避免十字交叉和锐角连接；,为了减少热节和防止铸件产生缩扎与缩松，铸件壁应,避免交叉连接和锐角连接。中、小铸件可采用交错接头，大铸件宜用环形接头,3,厚壁与薄壁连接处应逐步过渡。,为了减少铸件中的应力集中现象，防止产生裂纹，铸件的厚壁和薄壁连接时，应采取逐步过渡的方法，防止壁厚的突变。,二、铸件筋的设计,（,1,）,筋的作用：,增加铸件的刚度和强度，防止变形；,图414(,a),所示薄而大的平板、收缩时易发生翘曲变形，加上几条筋之后便可避免翘曲变形，如图,4-14(,b),所示。,消除铸件后大截面，防止铸件产生缩孔、缩松；,消除铸件的热裂，防止铸件产生裂纹,防裂筋的方向与收缩应力方向一致，而且筋的厚度应为连接壁厚的,34-13,。,改善合金充型，防止夹砂缺陷,(2),筋的设计,筋的设计应尽量分散和减少热节,受力加强筋设计成曲线形,(图4-18),，必要时还可在筋与壁的交接处开孔，减少热节，防止缩孔的产生。筋的两端与壁的交接处由于消除了应力集中，避免了裂纹的产生。,设计铸铁件的加强筋时，应使筋处于受压状态下使用,筋的尺寸应适当,筋的设计不能过高或过薄，否则在筋与铸件本体的连接处易产,生裂纹铸铁件还易形成白口。处于铸件内腔的筋，散热条件较差，应比表面筋设计得薄些。一般外表面上加强筋的厚度为本体厚度的,0.8,倍，内腔加强筋的厚度为本体厚度的,0607,倍。,三铸件结构应尽量减少铸件收缩受阻，防止变形和裂纹,(1),尽量使铸件能自由收缩,图420(,a),为偶数轮辐，,由于收缩应力过大易产生裂纹。改成图,4,20(,b),所示的弯曲轮辐或图,420(,c),所示的奇,数轮辐后利用弯曲轮辐或轮缘的微量变形，,可明显减小铸造应力，避免产生裂纹。,(2),采用对称结构，防止铸件变形,如图,421(,a),所示的铸钢梁，由于受较大热应力，,产生了变形，改成工字截面后，虽然壁厚仍不均匀，但,四铸件结构应尽量避免过大的水平壁,将水平壁改成倾斜壁，就可防止熔融金属上升较慢，不利于合金的充型，易产生浇不到、冷隔等缺陷,4.2,铸造的工艺设计,铸造工艺设计是根据铸件的结构特点、技术要求、生产批量、生产条件等，确定铸造方案和工艺参数，绘制工艺图，编制工艺卡和工艺规程等。,4.2.1,浇注位置的选择原则（三下一上）,浇注位置是浇注时铸型分型面所处的位置。,1,、铸件重要的加工面或主要的工作面应朝下或在侧面。,图424,中机床床身导轨是主要工作面，,浇,注时应朝下,主要加工面为外圆柱面，采用立式浇注，卷筒的全部圆周表面位于侧位,2,、宽大的平面应尽量朝下。,3,、铸件的薄壁部分应放在下面、侧面或倾斜位置。,图4-27(,a),所示的油盘铸件，格薄壁部分置于铸型上部，易产生浇不到、冷隔等缺陷,改置于图,427(,b),所示位置后，薄壁部分置于铸型下部，可避免出现上述缺陷。,4,、易产生缩孔的厚部应放在分型面附近的上部，使部件自下而上顺序凝固。,5,、应尽减少型芯数量，以便于型芯固定和排气。,铸件截面较厚的部分放在分型面附近的上部或侧面，便于安放冒口，使铸件自下而上,顺序凝固。,如图,4-28,为床腿铸件，采用图,428(,a),方案，中间空腔需一个很大心子，增加了制心的工作量；采用因,428(,b),方案，中间空腔由自带砂心形成，简化了造型工艺。,4.2.2,铸型分型面的选择原则,分型面为铸型组之间的结合面。若铸型是由上型和下型组成，分型面则是上、下型的,结合面。分型面选择是否合理，对铸件的质量影响很大。选择不当还将使制模、造型、合,型，甚至切削加工等工序复杂化。分型面的选择应在保证铸件质量曲前提下，使造型工艺,尽量简化，节省人力、物力。,1,、应使铸型有最少的分型面，并尽量做到只有一个分型面。,(1),为了便于起模，分型面应选在铸件的最大截面处。,(2),分型面的选择应尽量减少型心