第一節(jié)鑄造成形理論基礎

1、l概述工程材料解決了機器零件工程材料解決了機器零件是由什么材料制造的問題是由什么材料制造的問題零件是用什么方法生產(chǎn)出來的？零件是用什么方法生產(chǎn)出來的？要合理地、經(jīng)濟的生產(chǎn)出這些要合理地、經(jīng)濟的生產(chǎn)出這些零件，對它的結(jié)構(gòu)有何要零件，對它的結(jié)構(gòu)有何要求？求？材料成形工藝要解決材料成形工藝要解決的問題的問題 （1 1）產(chǎn)品設計）產(chǎn)品設計 總體設計總體設計零部件設計零部件設計決定功能，選材決定功能，選材定技術(shù)要求，繪出圖紙定技術(shù)要求，繪出圖紙（2 2）工藝準備）工藝準備 決定生產(chǎn)方案決定生產(chǎn)方案制定工藝規(guī)程及工藝卡制定工藝規(guī)程及工藝卡設計并制造工裝設計并制造工裝（3 3）毛坯生產(chǎn)）毛坯生產(chǎn) 鑄件、鑄件

2、、鍛壓件、鍛壓件、焊接件焊接件（4 4）切削加工）切削加工粗加工粗加工半精加工半精加工精加工精加工（5 5）裝配與調(diào)試）裝配與調(diào)試（6 6）裝箱出廠）裝箱出廠l毛坯生產(chǎn)毛坯生產(chǎn)l毛坯：根據(jù)機器零件所要求的工藝尺寸、形狀毛坯：根據(jù)機器零件所要求的工藝尺寸、形狀而制成而制成 的坯料，供進一步加工使用，以獲得成的坯料，供進一步加工使用，以獲得成品零件。品零件。 l常用的毛坯除型材外，主要有鑄件、鍛件、沖常用的毛坯除型材外，主要有鑄件、鍛件、沖壓件和焊接件。壓件和焊接件。 獲得毛坯的生產(chǎn)過程就是毛坯獲得毛坯的生產(chǎn)過程就是毛坯生產(chǎn)。生產(chǎn)。 l毛坯生產(chǎn)方法：毛坯生產(chǎn)方法： 鑄造、鍛造、沖壓、焊接鑄造、鍛造

3、、沖壓、焊接等。等。l（1 1）掌握各種毛坯生產(chǎn)方法的實質(zhì)及工藝特）掌握各種毛坯生產(chǎn)方法的實質(zhì)及工藝特點，具有合理選擇毛坯生產(chǎn)方法及工藝分析點，具有合理選擇毛坯生產(chǎn)方法及工藝分析的能力的能力l（2 2）掌握常用金屬材料的工藝性能和零件結(jié)）掌握常用金屬材料的工藝性能和零件結(jié)構(gòu)設計的工藝性要求，為以后做設計打下必構(gòu)設計的工藝性要求，為以后做設計打下必要的工藝基礎要的工藝基礎l鑄造：鑄造：將液態(tài)金屬澆注到鑄型型腔中，待其冷卻將液態(tài)金屬澆注到鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。l鑄造成形具有極高的隨意性及綜合經(jīng)濟性，這是鑄造成形具有極高的

4、隨意性及綜合經(jīng)濟性，這是其它成形方法所不及的。其它成形方法所不及的。 第八章 鑄造優(yōu)點優(yōu)點：l零件的形狀復雜；零件的形狀復雜；complex in shape complex in shape l工藝靈活；工藝靈活； adaptability in technologyadaptability in technologyl成本較低。成本較低。cheap in productioncheap in production缺點缺點l機械性能較低；機械性能較低； lower mechanical propertiesl精度低，效率低；精度低，效率低；unstable qualityl勞動條件差；勞動條

5、件差；worse work condition 砂型鑄造砂型鑄造Sand CastingSand Castingl90%90%以上，精度低以上，精度低 ；l 特種鑄造特種鑄造Special CastingSpecial Castingl鑄件性能較好，效率高。鑄件性能較好，效率高。 我國鑄造技術(shù)歷史悠久，早在三千多年前，青銅器已我國鑄造技術(shù)歷史悠久，早在三千多年前，青銅器已有應用；二千五百年前，鑄鐵工具已經(jīng)相當普遍。泥有應用；二千五百年前，鑄鐵工具已經(jīng)相當普遍。泥型、金屬型和失蠟型是我國創(chuàng)造的三大鑄造技術(shù)。型、金屬型和失蠟型是我國創(chuàng)造的三大鑄造技術(shù)。 司母戊鼎是采用組芯的造型方法，從鑄造痕跡來看

6、，司母戊鼎是采用組芯的造型方法，從鑄造痕跡來看，司母戊鼎是用二十塊范鑄成的。司母戊鼎是用二十塊范鑄成的。合金的鑄造性能合金的鑄造性能指合金鑄造成型獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能指合金鑄造成型獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，包括力，包括流動性、收縮、偏析、氧流動性、收縮、偏析、氧化和吸氣化和吸氣等等1 1、合金的流動性、合金的流動性 流動性流動性液態(tài)合金的流動能力液態(tài)合金的流動能力。流動性好的合金：流動性好的合金：l易于澆注出輪廓清晰、薄而復雜的鑄件；易于澆注出輪廓清晰、薄而復雜的鑄件；l有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除；有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除；l易于補縮及熱裂紋的彌合。易于補縮及熱裂紋的彌合。 合金的

7、流動性是以螺旋形流動試樣的長度來合金的流動性是以螺旋形流動試樣的長度來衡量。衡量。在相同的澆注條件下，所澆注出的試樣越在相同的澆注條件下，所澆注出的試樣越長，合金的流動性越好。長，合金的流動性越好。*鑄鐵的流動性鑄鐵的流動性*鑄鋼的流動性鑄鋼的流動性實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。不同合金流動性的比較不同合金流動性的比較l合金的流動性是熔融金屬本身的流動能力，主要與合金的流動性是熔融金屬本身的流動能力，主要與合金的化學成分有關(guān)合金的化學成分有關(guān)l（1）共晶成分的合金流動性好。）共晶成分的合金流動性好。（恒溫下結(jié)晶，凝固層內(nèi)表面光滑）（恒溫下結(jié)晶，

8、凝固層內(nèi)表面光滑）l（2）亞、過共晶合金流動性差。）亞、過共晶合金流動性差。（在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，凝固層內(nèi)表面粗糙不平）（在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，凝固層內(nèi)表面粗糙不平）、影響合金流動性的因素、影響合金流動性的因素合金液合金液樹枝晶樹枝晶凝固層凝固層凝固層凝固層l碳鋼隨結(jié)晶溫度范圍的增加而流動性變差。亞共晶鑄鐵碳鋼隨結(jié)晶溫度范圍的增加而流動性變差。亞共晶鑄鐵隨含碳量增加，結(jié)晶間隔減小，流動性提高。愈接近共隨含碳量增加，結(jié)晶間隔減小，流動性提高。愈接近共晶成分，愈容易鑄造。晶成分，愈容易鑄造。 Fe-C Fe-C 合金流動性與含碳量關(guān)系合金流動性與含碳量關(guān)系l2 2、充型能力、充型能力mold f

9、illing capacity l考慮鑄型及工藝因素影響的熔融金屬的流動性考慮鑄型及工藝因素影響的熔融金屬的流動性。l合金的流動性是影響其充型能力的主要因素之一合金的流動性是影響其充型能力的主要因素之一。合。合金的流動性愈好，充型能力就愈強。金的流動性愈好，充型能力就愈強。l液態(tài)金屬的充型能力除與流動性有關(guān)外，還與液態(tài)金屬的充型能力除與流動性有關(guān)外，還與外界條外界條件如鑄型條件、澆注條件和鑄件結(jié)構(gòu)件如鑄型條件、澆注條件和鑄件結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。（1 1）鑄型條件對充型能力的影響）鑄型條件對充型能力的影響 凡增加金屬流動阻力、降低流速和提高金屬冷卻速度的因凡增加金屬流動阻力、降低流速和提

10、高金屬冷卻速度的因素，均會降低合金的充型能力。素，均會降低合金的充型能力。l鑄型條件鑄型條件 mould conditionmould condition。鑄型的導熱速度越大或?qū)?。鑄型的導熱速度越大或?qū)饘僖毫鲃幼枇υ酱?，流動性越差。屬液流動阻力越大，流動性越差。l澆注條件澆注條件 pouring condition pouring condition 。澆注溫度越高，流動性越。澆注溫度越高，流動性越好。好。l鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu) casting structurecasting structure。壁厚過小、壁厚急劇變化、。壁厚過小、壁厚急劇變化、結(jié)構(gòu)復雜及有大的水平面等結(jié)構(gòu)時，都使金屬液的流

11、動困結(jié)構(gòu)復雜及有大的水平面等結(jié)構(gòu)時，都使金屬液的流動困難。難。l（2 2）澆注溫度對合金的充型能力的影響）澆注溫度對合金的充型能力的影響l澆注溫度提高，合金的充型能力提高澆注溫度提高，合金的充型能力提高l在保證充型能力足夠的前提下，盡可能做到在保證充型能力足夠的前提下，盡可能做到“高溫出爐，低溫澆注高溫出爐，低溫澆注”。改善合金的充型能力1、選擇靠近共晶成分的合金，其流動性好2、提高澆注溫度，延長金屬液流動時間3、提高充填壓力4、設置出氣冒口，減少型內(nèi)氣體，降低金屬液流動的阻力1 1、收縮的概念、收縮的概念 合金從液態(tài)冷卻到常溫的過程中，尺寸和體積縮小的現(xiàn)象。合金從液態(tài)冷卻到常溫的過程中，尺寸

12、和體積縮小的現(xiàn)象。 收縮的三個階段收縮的三個階段液態(tài)收縮液態(tài)收縮Liquid ContractionLiquid Contraction凝固收縮凝固收縮Solidification Solidification ContractionContraction固態(tài)收縮固態(tài)收縮Solid ContractionSolid Contraction形成縮孔、縮松形成縮孔、縮松體收縮率體收縮率rate of volumerate of volumeContractionContraction產(chǎn)生變形和裂紋產(chǎn)生變形和裂紋 （線收縮率線收縮率rate of linear Contraction ）l不同合金的

13、收縮率不同。在常用合金中，不同合金的收縮率不同。在常用合金中，鑄鋼的收鑄鋼的收縮最大，灰口鑄鐵最小縮最大，灰口鑄鐵最小?；铱阼T鐵收縮很小是由于?；铱阼T鐵收縮很小是由于其中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在的，石墨的比容大，其中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在的，石墨的比容大，在結(jié)晶過程中石墨析出所產(chǎn)生的體積膨脹，抵消了在結(jié)晶過程中石墨析出所產(chǎn)生的體積膨脹，抵消了合金的部分收縮合金的部分收縮 。幾種鐵碳合金的體積收縮率幾種鐵碳合金的體積收縮率合金種類含碳量（%）澆注溫度（）液態(tài)收縮（%）凝固收縮（%）固態(tài)收縮（%）總體積收縮（%）線收縮率（%）碳素鑄鋼白口鐵灰鑄鐵0.353.03.51610140014001.6

14、2.43.53.04.00.17.865.46.33.34.212.461212.96.97.81.382.01.352.00.81.0三、鑄件的縮孔和縮松三、鑄件的縮孔和縮松 Shrinkage and Dispersed ShrinkageShrinkage and Dispersed Shrinkage縮孔的形成：液態(tài)合金在冷凝過程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的液態(tài)合金在冷凝過程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補足，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。容積得不到補足，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。容積較大的叫縮孔，容積細小且分散的叫縮松容積較大的叫縮孔，容積細小且分

15、散的叫縮松。純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金的合金,澆澆注后在型腔內(nèi)是由表及里的逐層凝注后在型腔內(nèi)是由表及里的逐層凝 固。在凝固固。在凝固過程中，如得不到合金液的補充，在鑄件最后過程中，如得不到合金液的補充，在鑄件最后凝固的地方就會產(chǎn)生縮孔凝固的地方就會產(chǎn)生縮孔.縮松的形成：縮松的形成：結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達，枝晶骨架將較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補縮所致。合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補縮所致。2 2、縮孔和縮松的防止、

16、縮孔和縮松的防止（1）、變縮松為縮孔，選擇結(jié)晶溫度范圍窄的合金。）、變縮松為縮孔，選擇結(jié)晶溫度范圍窄的合金。（2）、采用）、采用順序凝固順序凝固 Directional Solidification原則。原則。（3）、合理應用冒口）、合理應用冒口Riser 、冷鐵、冷鐵Chilling等工藝措施。等工藝措施。（4）、控制熱節(jié)）、控制熱節(jié) Hot Spot判斷縮孔出現(xiàn)的方法判斷縮孔出現(xiàn)的方法內(nèi)切圓法內(nèi)切圓法順序凝固順序凝固 Directional SolidificationDirectional Solidification 在鑄件可能在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位，通過增設冒口或冷鐵等工藝措施

17、，使出現(xiàn)縮孔的厚大部位，通過增設冒口或冷鐵等工藝措施，使鑄件上遠離冒口的部位先凝固，爾后是靠近冒口的部位凝固，鑄件上遠離冒口的部位先凝固，爾后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。冒口本身最后凝固。 結(jié)果：使鑄件各個部分的凝固收縮均能得到液態(tài)結(jié)果：使鑄件各個部分的凝固收縮均能得到液態(tài)金屬的補充，而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口之中。金屬的補充，而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口之中。四、鑄造應力四、鑄造應力Casting Stress 鑄造內(nèi)應力有鑄造內(nèi)應力有熱應力熱應力和和機械應力機械應力Contraction StressContraction Stress ，是鑄件產(chǎn)生變形和開裂的基本原因。，是鑄件產(chǎn)生變形和開裂的

18、基本原因。熱應力的形成機械應力的形成熱應力：鑄件在凝固和冷卻過程中，熱應力：鑄件在凝固和冷卻過程中，由于不同部位收縮不均衡引起的應由于不同部位收縮不均衡引起的應力力機械應力：鑄件在固態(tài)收縮時，機械應力：鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口等外因受到鑄型、型芯、澆冒口等外力的阻礙而產(chǎn)生的應力。力的阻礙而產(chǎn)生的應力。鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件各部分能自由收縮鑄件各部分能自由收縮 工藝方面：工藝方面：采用同時凝固原則采用同時凝固原則Simultaneously Solidifying熱處理：熱處理：去應力退火去應力退火Relief Annealing鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對稱鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對稱鑄

19、件的壁厚盡可能均勻鑄件的壁厚盡可能均勻減少和消除應力的措施減少和消除應力的措施 用于收縮大或壁厚差用于收縮大或壁厚差距較大，易產(chǎn)生縮孔的合距較大，易產(chǎn)生縮孔的合金鑄件，如鑄鋼、鋁硅合金鑄件，如鑄鋼、鋁硅合金等。定向凝固補縮作用金等。定向凝固補縮作用好，鑄件致密，但鑄件成好，鑄件致密，但鑄件成本高，內(nèi)應力大。本高，內(nèi)應力大。 用于凝固收縮小的灰鑄鐵。用于凝固收縮小的灰鑄鐵。鑄件內(nèi)應力小，工藝簡單，鑄件內(nèi)應力小，工藝簡單，節(jié)省金屬但同時凝固往往使節(jié)省金屬但同時凝固往往使鑄件中心區(qū)域出現(xiàn)縮松，組鑄件中心區(qū)域出現(xiàn)縮松，組織不致密?？棽恢旅?。五、鑄件的變形及裂紋五、鑄件的變形及裂紋 Deformatio

20、n and Crack of Casting（1 1）變形）變形對于厚薄不均勻、截面不對稱及具有細長特點的桿件類、對于厚薄不均勻、截面不對稱及具有細長特點的桿件類、板類及輪類等鑄件，當殘余鑄造應力超過鑄件材料的屈服板類及輪類等鑄件，當殘余鑄造應力超過鑄件材料的屈服強度時，產(chǎn)生翹曲變形。強度時，產(chǎn)生翹曲變形?？蛐舞T件變形框形鑄件變形T形梁鑄鋼件變形形梁鑄鋼件變形用反變形法防止箱體、床身導軌的變形。用反變形法防止箱體、床身導軌的變形。 箱體件反變箱體件反變形量和方向形量和方向 床身導軌的翹床身導軌的翹曲變形及反變形曲變形及反變形 有的鑄件雖無明顯的變形，但經(jīng)切削加工后，破有的鑄件雖無明顯的變形，但經(jīng)切削加工后，破壞了鑄造應力的平衡，產(chǎn)生變