第一章砂型制造

材料成形工藝

重慶文理學院張杰材料成形工藝一切用物理、化學、冶金原理制造機器零部件工程結構，并以改進相應化學成分、微觀組織及性能的方法和技術。緒論

Introduction一、中國材料成形工藝的發(fā)展情況材料成形工藝—由液態(tài)金屬的鑄造成形、固態(tài)金屬的塑性成形、金屬材料的焊接成形和高分子材料成形組成。材料成形工藝是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的技術基礎其生產(chǎn)能力及其工藝水平對國家的工、農(nóng)、國防和科學技術的發(fā)展有重大影響。中國材料鑄造成形已有6000年悠久的歷史，是世界上較早掌握鑄造技術文明古國之一，2500多年以前(公元前513年)就鑄出270kg的鑄鐵刑鼎，商朝起就已創(chuàng)造了燦爛的青銅文化。河南安陽晚商遺址出土司母戊鼎重量：857kg外形尺寸:長×寬×高（133×78×110cm）此鼎重量是迄今為世界上最古老的大型青銅器司母戊鼎商代青銅獸商代中期獸面紋甲戰(zhàn)國青銅馴獸人材料成形工藝（鑄造和焊接）是中國在世界上應用最早的國家之一，1975年甘肅東鄉(xiāng)林家馬家窯文化遺址(約公元前3000左右)出土一件青銅刀，這是目前在中國發(fā)現(xiàn)的最早的青銅器，早期中國古代兵器的制造是鍛和鑄并存，商朝晚期雙頭龍蜈蚣紋戈吳越復合劍制造技術：對兵器不同部位分別制造，用鑄接技術連接。春秋戰(zhàn)國時代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復合材料很好的例子梯度材料古代劍刃截面圖越王勾踐劍吳越青銅兵器技術三絕1、菱形紋飾：表面滲金屬技術，2、劍首同心圓：精密鑄造技術，3、青銅復合劍合金化技術曾侯乙編鐘：編鐘為公元前433年楚惠王時期的鑄品，1978年出土于隨州曾侯乙墓內(nèi)，曾侯乙編鐘由64件分8組組成，最大鐘重203.6kg，最小的鐘重2.4kg，全套總重約5t多，鐘面鑄有變體龍紋和花卉紋飾，有的細如發(fā)絲。鐘上鑄有鍍金銘文2800多字。曾侯乙編鐘編鐘的鐘音、音階與現(xiàn)代C大調(diào)七聲音階相同全套鐘音域?qū)挾瓤?個八度，十二律半音均齊，每個鐘均能發(fā)正鼓音與側鼓音，這套編鐘鑄造技術精湛，發(fā)音準確，雄居古編鐘之首。滄洲鐵獅五代后周廣順三年（公元953年）鑄造，重40噸山西晉祠鐵人北宋紹圣四年（公元1097年）鑄造黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)中國的鑄、鍛成形，歷史悠久，在明朝以前，處于領先水平，由于長期手工作坊，不重視科技，處于落后狀態(tài)。

美國M3中型坦克炮塔為整體鑄造成型，生產(chǎn)容易,根據(jù)炮塔的形狀制作模具，將鋼水澆入模具，冷卻后進行必要的修整，炮塔鑄造就完成了。鑄造和焊接的炮塔炮塔構采用鑄造，發(fā)揮整體鑄造結構優(yōu)勢，在主迎彈面上采用焊接結構的復合裝甲模塊，把面、背板和復合夾層組合成整體的裝甲模塊組件。美國M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克

中國96式和99式坦克采用了鑄、焊混合結構炮塔和復合裝甲改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，鑄、鍛、焊生產(chǎn)突飛猛進，取得了輝煌成就。殲10飛機殲11飛機東風41導彈殲-20隱形戰(zhàn)機火炮中國99型主戰(zhàn)坦克094戰(zhàn)略核潛艇中國預警飛機岸艦導彈潛艇發(fā)射導彈中國激光武器中國激光武器鞍鋼攀鋼夜景新中國的大型鋼鐵基地一萬二千噸水壓機三萬噸模鍛水壓機中國第一顆人造衛(wèi)星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸“神舟二號”飛船運往發(fā)射工位

“神舟”一號飛船

“神舟”一號發(fā)射成功“神舟”二號發(fā)射成功“神舟”三號發(fā)射成功“神舟”四號發(fā)射成功“神舟”三號飛船

“神舟”四號飛船楊利偉升空返回全人類共同的家園飛天返回艙天宮一號突破對接技術天宮一號的實驗艙和資源艙中國是鑄、鍛、焊成形的大國，不是強國，存在問題:

生產(chǎn)效率低，技術創(chuàng)新能力薄弱二、材料成形工藝的作用和地位機械、石油化工、冶金、航天航空、輕工等汽車的零件有80%～90%為成形工藝生產(chǎn)發(fā)動機罩（鋼板，沖壓）前燈：透鏡（玻璃）聚光罩（鋼板沖壓）前窗玻璃（鋼化玻璃或夾層玻璃）車門（鋼板，沖壓）頂蓋（鋼板、沖壓）輪胎（橡膠，壓出）擋泥板（鋼板，沖壓）儀表板（鋼板，沖壓）（塑料，注射）（鎂合金，鑄造）激光焊接底板，及側框與車頂橫梁的固定焊接三、材料成形工藝的特點（1）、材料在熱態(tài)成形澆注零件鑄造成形零件鍛造成形正在焊接零件高分子材料注射成型（2）、材料利用率高（3）、產(chǎn)品性能好（4）、產(chǎn)品尺寸規(guī)格一致（5）、勞動生產(chǎn)率高（6）、熱加工精度比冷加工精度低四、材料成形工藝的分類液態(tài)金屬鑄造成形固態(tài)金屬塑性成形金屬材料連接成形高分子材料成形五、材料成形工藝的發(fā)展趨勢1、精密成形工藝發(fā)展趨勢：以輕代重，以薄代厚，少無切削精密化，高效自動化。如精密鑄件、精密鍛件、板材精密沖裁

精密鑄件軸方法蘭板材精密沖裁產(chǎn)品2、復合成形工藝復合成形工藝有：鑄、鍛復合；鍛、焊復合；鑄、焊復合。3、材料成形過程的計算機數(shù)值模擬4、模具、模型及工裝的計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）美國M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克

鑄造和焊接混合結構的炮塔中國98式主戰(zhàn)坦克鑄、焊混合結構炮塔和復合裝甲六、課程的性質(zhì):是一門從生產(chǎn)實踐中發(fā)展起來，而又直接為生產(chǎn)服務的科學，是一門密切結合實際的科學，它是實踐性很強的課程

七、課程的目的：1.掌握材料成形工藝的基本過程與特點2.掌握材料成形工藝設計的基本內(nèi)容和思路3.掌握鑄、鍛、焊及高分子成形工藝（包括新技術）的原理和方法教學基本要求教學安排平時成績(40%)，期末考試(60%)本課程學習建議1、認真聽講,作好筆記2、課后看書,完成作業(yè)第一篇鑄造工藝與鑄造工裝設計【學習指導】

以砂型鑄造與鑄造工藝設計為主線。

重點掌握砂型鑄造工藝設計的原則、工藝分析、工藝計算、工裝設計和應用。課后能夠承擔中等復雜程度鑄件的工藝、工裝設計任務。

緒論

第一章砂型與砂芯制造

第二章鑄造工藝方案的確定

第三章澆注系統(tǒng)的設計

第四章冒口、冷鐵與鑄肋

第五章鑄造工藝圖與實例分析

第六章鑄造工藝裝備設計

第一節(jié)鑄件綜合質(zhì)量觀交貨期1.鑄件綜合質(zhì)量觀內(nèi)在質(zhì)量外觀質(zhì)量價格↓

第一章砂型與砂芯制造

2.鑄件質(zhì)量三個等級

（JB/JQ82001—1990）質(zhì)量品牌一等品：鑄件質(zhì)量達到當代工業(yè)發(fā)達國家20

世紀80年代初水平，滿足出口要求。優(yōu)等品：達到國際同類鑄件的當代先進水平。

合格品：鑄件質(zhì)量滿足用戶（甲方）要求；鑄件生產(chǎn)過程中（乙方）質(zhì)量穩(wěn)定。3.鑄造廠商三大經(jīng)營準則效率優(yōu)先

質(zhì)量第一

成本低廉第二節(jié)鑄型工作條件及其與金屬的相互作用第二節(jié)鑄型工作條件及其與金屬的相互作用熱的作用1.鑄型工作條件惡劣力的作用壓鐵壓鐵化學作用2.處于惡劣工作條件的部分是砂型接觸區(qū)

砂型接觸區(qū)——與金屬液直接接觸及其受影響的薄層（面砂層），與鑄件壁厚相當。3.金屬與砂型接觸區(qū)的相互作用

機械作用——沖擊與沖刷等；

熱的作用——由熱交換引起；

化學作用——有機物、炭粉燃燒。

結果：1）導致鑄件尺寸、形狀和性能改變；

2）鑄件可能出現(xiàn)表面夾砂、內(nèi)外孔洞（氣孔、砂眼）、裂紋和變形等缺陷。第三節(jié)砂型與砂芯1.型（芯）砂的性能要求

1）強度（濕態(tài)抗壓強度、干態(tài)抗拉強度）

2）可塑性

3）透氣性

4）對鑄件收縮的退讓性

5）耐火度和化學穩(wěn)定性

6）出砂性（潰散性）2.常用鑄鐵濕型砂配料1）原砂硅砂（SiO2，熔點：1713℃）以圓形顆粒為優(yōu)。按wSiO2(≥80﹪~95﹪)分成7級(GB/T9442—1998)，泥含量越少越好。硅砂主要應用于鑄鐵和鑄造有色合金。

粘土型砂結構示意圖

1-原砂粒2-孔洞

3-附加物4-粘土、水分膠體

粘土水濕后使型砂具有粘結性和可塑性。干態(tài)下具有一定強度。粘土的粘結力基于粘土質(zhì)點的水化作用，形成水化膜，對原砂粒起著“橋”的作用而使之連結起來。

加入適量的蘇打(Na2CO3)

水對粘土進行活化處理可提高粘土的粘結性和可塑性。

2）粘土（Al2O3-2SiO2-2H2O）與水分

粘土型砂中水分

控制原理圖3）附加物（煤粉、渣油、淀粉等）作用：改善鑄件表面質(zhì)量。機理：在合金液的高溫作用下于鑄型表面產(chǎn)生大量還原性氣體（CO）,防止金屬液被氧化，使金屬液表面的氧化物被還原。加入量：3﹪-8﹪（質(zhì)量分數(shù)）

東風汽車公司鑄造工廠濕型砂性能及成分配比實例見表一、表二。表一：東風汽車公司鑄造工廠鑄鐵濕型砂性能用途

鑄件型砂性能

W水分（﹪）緊實度（﹪）透氣率濕壓強度/KPaW泥分（﹪）干拉強度

/KPa

其他

高壓造型單一砂

氣缸體（HT250）

3.8-4.632-46≥110

130-17010-15

有效煤粉6-8有效粘土7-9

曲軸（QT700-2）3.6-4.032-40≥100120-150≤15有效煤粉4-6有效粘土7-9

橋殼（QT400-10）5.0-6.035-45≥120110-14010-13.5有效粘土

8-10

擠壓造型

單一砂

灰鑄鐵小件3.5-4.4

36-44≥100120-150≤14有效煤粉4-6有效粘土7-9

球鐵小件4.6-5.334-45≥100120-150

表二：東風汽車公司鑄造工廠濕型砂配比用途

鑄件型砂配比舊砂新砂粘土

煤粉

蘇打

（以粘土為基）

其他

高壓造型單一砂

氣缸體（HT250）

965.01.321.24

水液3-4

曲軸（QT700-2）965.01.35-1.80.75-1.1

水液3

橋殼（QT400-10）95.25.51.00.8

水液3

擠壓造型

單一砂

灰鑄鐵小件965.01.35-1.80.75-1.1

水液3

球鐵小件93-955.51.0-1.50.3-0.5

水液33、鑄鋼用砂1)粘土砂要求：高的耐火度，好的透氣性，低的容讓性和低的發(fā)氣性等。特點：

新砂比例大，顆粒粗，泥分少；重要的大型鑄鋼件用鎂砂（MgO）、鋯砂（ZrSiO2），盡管價格較貴；一般用干型，表面刷涂料。成分配比：見表三。

2)

水玻璃砂

用鈉水玻璃（Na2O·mSiO2·nH2O）作粘結劑，以CO2快速硬化，形成CO2硬化砂。常用于鑄鋼件。

反應式：

Na2O·mSiO2·

(n+1)H2O+CO2=Na2CO3+mSiO2·pH2O+(n-p)H2O

水玻璃模數(shù):

M=nSiO2/nNa2O=1.033(WSiO2/WNa2O)

水玻璃密度：水玻璃溶液中硅酸含量。一般控制在1.45-1.6g/cm2

表三：鑄鋼用粘土砂成分與性能

種類成分（質(zhì)量比）（﹪）性能新砂舊砂膨潤土粘土水分其他濕透氣率濕壓強度/104Pa

干拉強度

/104Pa粒度用量

濕型3020～3080～703-85-6紙漿1-1.5≥100

4.9-5.88

干型85505010-146.8-8糖漿

3≥806.37-7.84≥9.8

水玻璃砂（M=2-3）

粗100燒堿水0.74-54-5水玻璃

8-9≥1002.45-2.94≥1474、有機粘結劑砂

——主要用于芯砂配制。

分為植物油砂、合脂砂和樹脂砂1）植物油砂（桐油、亞麻油、豆油等）

特性：高的干強度，低的發(fā)氣量，小的吸濕性。流動性好，不粘模。但濕強度低。砂芯具有良好的容讓性、透氣性和潰散性。

油砂配制工藝：

選中等粒度的原砂；桐油加入量1﹪-3﹪（質(zhì)量分數(shù)）；粘土量控制在1﹪左右（質(zhì)量分數(shù)）；

水分控制在3﹪左右（質(zhì)量分數(shù)）；烘干溫度

200-250℃/1-2小時

應用：

因桐油資源寶貴，現(xiàn)在很少用于大量生產(chǎn)，主要用在小批量復雜砂芯制造中。2）合脂砂

合脂為制皂殘液。經(jīng)煤油或汽油稀釋用作粘結劑，價格較低。稀釋比為10：6～10：10。多用來制造非鐵合金鑄件的制芯。可適量加入紙漿、粘土和水分。烘干溫度：200-240℃/1-3小時3）樹脂砂（錄象）

用人工合成樹脂替代植物油、合脂作芯砂粘結劑是一大發(fā)明，使型芯質(zhì)量和制芯效率明顯提高。鑄造用人工合成樹脂，常用熱塑性樹脂。市場供應主要有酚醛樹脂和呋喃Ⅰ、Ⅱ型樹脂。使用時另加一定量的化學固化劑。樹脂砂按制芯工藝和硬化方法不同分為：

殼芯樹脂砂；

熱芯盒樹脂砂；

冷芯盒樹脂砂?！駳ば緲渲凹捌渲菩?/p>

殼芯樹脂砂配方實例原砂原砂粒度酚醛樹脂

烏洛托品水/烏洛托品硬脂酸鈣干拉強度/104Pa

應用占砂量占樹脂100100.741：10.35245-343中小殼芯10021或156-7151：1245-343大型殼芯10021或156

1：10.2-0.3245-343

細長芯16

用殼芯樹脂砂制芯可得到薄殼芯

殼芯樹脂砂又稱覆膜砂。

酚醛樹脂在芯盒模壁溫度200-280℃時熔化而包覆砂粒表面，起到連橋作用，形成相對堅硬的薄殼。

●

模腔中部樹脂未能熔化，對眾多砂粒形成不了連橋而松散，它們將隨芯盒旋轉、搖擺回送砂斗，可繼續(xù)使用。這樣能夠得到薄殼中空型芯。

好處：既節(jié)約原材料，又可利于型芯排氣?！裼脷ば緲渲爸菩镜姆椒?/p>

用頂吹法或底吹法將殼芯樹脂砂吹入預熱至200-280℃的金屬芯盒中受熱固化薄層。

芯盒旋轉、搖擺而將砂芯內(nèi)未能固化的松散樹脂砂回送砂斗。

殼芯在芯盒內(nèi)進一步固化后即可開模取芯?！駸嵝竞袠渲凹捌渲菩?/p>

用原砂2﹪-3﹪（質(zhì)量分數(shù)）的呋喃Ⅰ、Ⅱ型樹脂作粘結劑。用20﹪樹脂量的氯化銨、尿素水溶液作固化劑。

氯化銨：尿素：水=1：3：3（質(zhì)量配比）即可得到熱芯盒樹脂砂。（混砂錄象）●熱芯盒樹脂砂制芯工藝

方法：用射芯機制芯；芯盒預熱溫度：180-260℃；硬化時間：

30-40秒。缺點：有少量氨氣放出，污染車間環(huán)境。建議用無氮樹脂，即呋喃Ⅰ、Ⅱ型樹脂作粘結劑?！窭溆矘渲爸菩竟に?/p>

用冷硬樹脂砂