材料與成形技術(shù)-2

封面第2章鑄造成形

鑄造是液態(tài)金屬成形的方法，鑄造過(guò)程是熔煉金屬，制造鑄型，將熔融金屬在重力、壓力、離心力、電磁力等外力場(chǎng)的作用下充滿(mǎn)鑄型，凝固后獲得一定形狀與性能鑄件的生產(chǎn)過(guò)程，是生產(chǎn)金屬零件和毛坯的主要形式之一。與其他零件成形工藝相比，鑄造成形具有生產(chǎn)成本低，工藝靈活性大，幾乎不受零件尺寸大小及形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制等特點(diǎn)。在材料成形工藝發(fā)展過(guò)程中，鑄造是歷史上最悠久的一種工藝，在我國(guó)已有6000多年的歷史，目前我國(guó)鑄件年產(chǎn)量已超過(guò)1000萬(wàn)噸。由于歷史原因，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的鑄造生產(chǎn)處于較落后狀態(tài)。與當(dāng)前世界工業(yè)化國(guó)家先進(jìn)水平相比，我國(guó)鑄造生產(chǎn)的差距集中在質(zhì)量和效率上。2.1概述表2-1國(guó)內(nèi)外鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平的比較比較項(xiàng)目國(guó)外國(guó)內(nèi)尺寸精度

氣缸體和汽缸蓋：一般為CT8～CT9與國(guó)外差2～4級(jí)表面粗糙度Ra

氣缸體和汽缸蓋：<25μm>50μm使用壽命

氣缸套為6000～10000h3000～6000h鑄件廢品率

美、英、法、日約為2%8～15%耗能/噸鑄件360～370kg標(biāo)準(zhǔn)煤(合格鑄件)650kg標(biāo)準(zhǔn)煤勞動(dòng)生產(chǎn)率65t/人年8t/人年熔煉技術(shù)

富氧送風(fēng)，鐵水溫度>1500℃1400℃造型工藝

廣泛采用流水線(xiàn)，采用高壓造型、射壓造型、和氣沖造型

汽車(chē)等行業(yè)采用半自動(dòng)、自動(dòng)化流水線(xiàn)鑄造工藝裝備

造型機(jī)精度和精度保持能力很高。造型線(xiàn)精度可保持1～2年，設(shè)備綜合開(kāi)工率>80%，裝備全部標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、商品化

精度低，精度保持能力差(<半年)。裝備標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、商品化程度尚低

鑄件的生產(chǎn)工藝方法中，砂型鑄造應(yīng)用最為廣泛，占鑄件總產(chǎn)量的80％。傳統(tǒng)上，將有別于砂型鑄造工藝的其他鑄造方法統(tǒng)稱(chēng)為“特種鑄造”。砂型鑄造可分為手工造型和機(jī)器造型兩種，其工藝流程如圖2-1所示。圖2-1砂型鑄造流程圖2.2鑄件形成理論基礎(chǔ)決定某材料是否可鑄造成型，應(yīng)考慮材料的流動(dòng)性，收縮性和偏析性，是否合乎要求．流動(dòng)性：指材料熔融后易于流動(dòng)，不粘滯的性能。流動(dòng)性好的材料易于充滿(mǎn)鑄型，能鑄成較薄、較細(xì)，形狀復(fù)雜的鑄件。收縮性：指材料經(jīng)冷卻后，體積收縮程度的大小，收縮性小的材料冷卻后體積變化小，不易出現(xiàn)疏松、變形、裂紋等缺陷。偏析性：材料冷卻后，各種成分分布的均勻程度。由于合金不是一種成分，如果偏析，冷卻過(guò)程中會(huì)有一部分先析出，致使材料性能下降，影響強(qiáng)度和加工性能。材料的可鑄性

液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型，獲得尺寸精確、輪廓清晰的鑄件，取決于充型能力。在液態(tài)金屬充型過(guò)程中，一般伴隨結(jié)晶現(xiàn)象，若充型能力不足時(shí)，在型腔被填滿(mǎn)之前形成的晶粒將充型的通道堵塞，金屬液被迫停止流動(dòng)，于是鑄件將產(chǎn)生澆不足或冷隔等缺陷。澆不足使鑄件未能獲得完整的形狀；冷隔時(shí)，鑄件雖可獲得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接縫，鑄件的力學(xué)性能?chē)?yán)重受損。充型能力首先取決于金屬液本身的流動(dòng)能力，同時(shí)又受鑄型性質(zhì)、澆注條件及鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。影響充型能力的因素有許多，如表2-2所示。2.2.1金屬的充型表2-2影響充型能力的因素和原因序號(hào)影響因素定義影響原因1合金的流動(dòng)性

液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力

流動(dòng)性好，易于澆出輪廓清晰，薄而復(fù)雜的鑄件；有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除；易于對(duì)鑄件的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮2澆注溫度

澆注時(shí)金屬液的溫度

澆注溫度愈高，充型能力愈強(qiáng)3充型壓力

金屬液體在流動(dòng)方向上所受的壓力

壓力愈大，充型能力愈強(qiáng)。但壓力過(guò)大或充型速度過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)生噴射、飛濺和冷隔現(xiàn)象4鑄型中的氣體

澆注時(shí)因鑄型發(fā)氣而形成在鑄型內(nèi)的氣體

能在金屬液與鑄型間產(chǎn)生氣膜，減小摩擦阻力，但發(fā)氣太大，鑄型的排氣能力又小時(shí)，鑄型中的氣體壓力增大，阻礙金屬液的流動(dòng)5鑄型的蓄熱系數(shù)

鑄型從其中的金屬吸取并存儲(chǔ)在本身中熱量的能力

蓄熱系數(shù)愈大，鑄型的激冷能力就愈強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就愈短，充型能力下降6鑄型溫度

鑄型在澆注時(shí)的溫度

溫度愈高，液態(tài)金屬與鑄型的溫差就愈小，充型能力愈強(qiáng)7澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

各澆道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜情況

結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，流動(dòng)阻力愈大，充型能力愈差8鑄件的折算厚度

鑄件體積與表面積之比

折算厚度大，散熱慢，充型能力好9鑄件復(fù)雜程度

鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜狀況

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)阻力大，鑄型充填困難2.2.2鑄件的溫度場(chǎng)

金屬液在鑄型中的凝固和冷卻過(guò)程是一個(gè)不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程，鑄件上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間下降，而鑄型溫度隨時(shí)間上升；鑄件在凝固過(guò)程中不斷釋放出結(jié)晶潛熱，其斷面上存在固態(tài)外殼、液固態(tài)并存的凝固區(qū)域和液態(tài)區(qū)，在金屬型凝固時(shí)還可能出現(xiàn)中間層。因此，鑄件與鑄型的傳熱是通過(guò)若干個(gè)區(qū)域進(jìn)行的。2.2.3金屬的凝固

1．金屬的凝固方式

液態(tài)合金的結(jié)晶與凝固，是鑄件形成過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題，其在很大程度上決定了鑄件的鑄態(tài)組織及某些鑄造缺陷的形成，冷卻凝固對(duì)鑄件質(zhì)量，特別是鑄件力學(xué)性能，起決定性的作用。一般將鑄件的凝固方式分為三種類(lèi)型：逐層凝固方式、體積凝固（或稱(chēng)糊狀凝固）方式和中間凝固方式。鑄件的“凝固方式”是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來(lái)劃分的。

1）逐層凝固方式

恒溫下結(jié)晶的金屬，在凝固過(guò)程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾鹊扔诹?，斷面上的固相和液相由一條界線(xiàn)（凝固前沿）清楚地分開(kāi)。隨溫度的下降，固體層不斷加厚，逐步達(dá)到鑄件中心，這種情況稱(chēng)為“逐層凝固”。

2）體積凝固方式

如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件斷面溫度場(chǎng)較平坦，鑄件凝固的某一段時(shí)間內(nèi)，其凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個(gè)鑄件斷面，而表面溫度尚高，這種情況稱(chēng)為“體積凝固方式”，或稱(chēng)“糊狀凝固方式”。

3）中間凝固方式如果合金的結(jié)晶溫度范圍較窄，或因鑄件斷面的溫度梯度較大，鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谇岸咧g時(shí)，則屬于“中間凝固方式”。2.2.4合金的收縮、應(yīng)力及變形

由上述可知，鑄件斷面凝固區(qū)域的寬度是由合金的結(jié)晶溫度范圍和溫度梯度兩個(gè)量決定的。鑄件的溫度梯度主要取決于：

(1)合金的性質(zhì)合金的凝固溫度愈低、導(dǎo)熱率愈高、結(jié)晶潛熱愈大，鑄件內(nèi)部溫度均勻化能力愈大，故溫度梯度小（如多數(shù)鋁合金）。

(2)鑄型的蓄熱能力鑄型蓄熱能力愈強(qiáng)，鑄件溫度梯度愈大。

(3)澆注溫度澆注溫度愈高，因帶入鑄型中熱量增多，鑄件的溫度梯度減小。

1.合金的收縮及影響因素1)收縮鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱(chēng)為收縮。收縮是鑄件中許多缺陷(如縮孔、縮松、裂紋、變形和殘余應(yīng)力等)產(chǎn)生的基本原因。為了獲得形狀和尺寸符合技術(shù)要求，組織致密的健全鑄件，必須對(duì)收縮加以控制。合金的收縮量通常用體收縮率或線(xiàn)收縮率來(lái)表示。金屬?gòu)臐沧囟壤鋮s到室溫要經(jīng)歷三個(gè)互相聯(lián)系的收縮階段：2)影響收縮的因素

(1)液態(tài)收縮金屬在液體狀態(tài)時(shí)的收縮，由于氣體排出；空穴減少；原子間的間距減小。

(2)凝固收縮金屬在凝固過(guò)程時(shí)的收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮在外部表現(xiàn)皆為體積減小，一般表現(xiàn)為液面降低，因此稱(chēng)為體積收縮。是縮孔或縮松形成的基本原因。

(3)固態(tài)收縮金屬在固態(tài)過(guò)程中的收縮。固態(tài)收縮還引起鑄件外部尺寸的變化，故稱(chēng)尺寸收縮或線(xiàn)收縮。線(xiàn)收縮對(duì)鑄件形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。

(1)化學(xué)成分的影響不同的合金，化學(xué)成分不同，收縮率也不一樣。比如鑄鋼，隨wC增加，收縮率增大?；铱阼T鐵，隨wC和wSi的增加，則收縮率下降。

(2)澆注溫度的影響澆注溫度升高，合金液態(tài)收縮量增加，故合金總收縮量增大。

(3)鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件的影響鑄件在鑄型中是受阻收縮而不是自由收縮。阻力來(lái)自于鑄型和型芯；鑄件的壁厚不同，各處的冷卻速度不同，冷凝時(shí)，鑄件各部分相互制約也會(huì)產(chǎn)生阻力。因此鑄件的實(shí)際線(xiàn)收縮率比合金的自由線(xiàn)收縮率要小，設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，應(yīng)根據(jù)鑄造合金的種類(lèi)、鑄件的復(fù)雜程度和大小選取適當(dāng)?shù)木€(xiàn)收縮率。3)縮孔及縮松

鑄件凝固結(jié)束后常常在某些部位出現(xiàn)孔洞，大而集中的孔洞稱(chēng)為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱(chēng)為縮松?？s孔和縮松可使鑄件力學(xué)性能、致密性和物理化學(xué)性能大大降低，以至成為廢品，是極其有害的鑄造缺陷之一。集中縮孔易于檢查和修補(bǔ)，便于采取工藝措施防止。但縮松，特別是顯微縮松，分布面廣，既難以補(bǔ)縮，又難以發(fā)現(xiàn)。合金液態(tài)收縮和凝固收縮愈大(如鑄鋼、白口鑄鐵、鋁青銅等)，收縮的容積就愈大，愈易形成縮孔。合金澆注溫度愈高，液態(tài)收縮也愈大(通常每提高100℃，體積收縮增加1.6%左右)，愈易產(chǎn)生縮孔。純金屬或共晶成分的合金，易形成集中的縮孔。2.鑄造應(yīng)力及變形

圖2-7鑄造應(yīng)力與變形

鑄件凝固后繼續(xù)冷卻，若收縮受阻，則在鑄件內(nèi)會(huì)產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。它是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因。鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力。

1)熱應(yīng)力鑄造熱應(yīng)力引起框架式鑄件的變形過(guò)程如圖2-7所示。圖a表示鑄件處于高溫固態(tài)，尚無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生。圖b表示鑄件因冷卻開(kāi)始固態(tài)收縮，兩旁細(xì)桿冷卻快，收縮早，受到中間粗桿的限制，將上下梁拉彎。此時(shí)，中間粗桿處于壓應(yīng)力狀態(tài)，兩旁細(xì)桿處于拉應(yīng)力狀態(tài)。圖c表示中間粗桿溫度還比較高，強(qiáng)度較低但塑性較好，產(chǎn)生壓縮塑性變形使熱應(yīng)力消失。圖d表示兩旁細(xì)桿冷至室溫，收縮終止，而中間粗桿冷卻慢，繼續(xù)收縮又受到兩旁細(xì)桿的限制。此時(shí)，中間粗桿處于拉應(yīng)力狀態(tài)，兩旁細(xì)桿處于壓應(yīng)力狀態(tài)并失穩(wěn)產(chǎn)生彎曲。3)鑄件的變形

可見(jiàn)，熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉應(yīng)力，薄壁或表層受壓應(yīng)力。鑄件的壁厚差別愈大，熱應(yīng)力也就愈大。

2)收縮應(yīng)力鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型、型芯、澆冒口等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為收縮應(yīng)力，收縮應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生拉應(yīng)力或切應(yīng)力，并是暫時(shí)的。在落砂、打斷澆冒口后，這種應(yīng)力也隨之消失。但是如果在某一瞬間收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力同時(shí)作用超過(guò)了鑄件的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件將產(chǎn)生裂紋。

帶有殘余應(yīng)力的鑄件是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地變形使殘余應(yīng)力減少而趨于穩(wěn)定。如對(duì)于厚薄不均勻，截面不對(duì)稱(chēng)及具有細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)的桿類(lèi)、板類(lèi)和輪類(lèi)等鑄件，當(dāng)殘余鑄造應(yīng)力超過(guò)一定值時(shí)，往往會(huì)發(fā)生翹曲變形。3.縮孔、縮松、應(yīng)力和變形的防止方法

1)防止縮孔、縮松的方法防止鑄件中產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原則是針對(duì)該合金的收縮和凝固特點(diǎn)制定正確的鑄造工藝，使鑄件在凝固過(guò)程中建立良好的補(bǔ)縮條件，盡可能使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔，并使縮孔出現(xiàn)在鑄件最后凝固的地方。這樣，在鑄件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使縮孔集中于冒口中，或者把澆口開(kāi)在最后凝固的地方直接補(bǔ)縮，就可以獲得健全的鑄件。

(1)使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔的方法縮松轉(zhuǎn)化為縮孔的途徑可從兩方面考慮：①盡量選擇凝固區(qū)域較窄的合金，使合金傾向于逐層凝固，從根本上解決縮松的生成條件。②對(duì)一些凝固區(qū)域較寬的合金，可采用增大凝固溫度梯度的辦法，使合金盡可能地趨向于逐層凝固。

(2)防止縮孔的方法要使鑄件在凝固過(guò)程中建立良好的補(bǔ)縮條件，主要是通過(guò)控制鑄件的凝固方向使之符合“定向凝固原則”。

鑄件的定向凝固原則，是采用各種措施保證鑄件結(jié)構(gòu)上各部分，按照遠(yuǎn)離冒口的部分最先凝固，然后朝冒口方向凝固，最后才是冒口本身凝固的次序進(jìn)行，亦即使鑄件上遠(yuǎn)離冒口或澆口的部分到冒口或澆口之間建立一個(gè)遞增的溫度梯度，鑄件按照定向凝固，能保證縮孔集中在冒口中，獲得致密的鑄件。2)防止應(yīng)力和變形的方法

鑄造熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚有大小，冷卻有先后，致使鑄件收縮不一致而形成。防止熱應(yīng)力和變形的方法就是創(chuàng)造一個(gè)凝固條件，保證鑄件結(jié)構(gòu)的溫度盡量均勻一致。同時(shí)凝固原則是采取工藝措施保證鑄件結(jié)構(gòu)上各部分之間沒(méi)有溫差或溫差盡量小，使各部分同時(shí)凝固，消除鑄件熱應(yīng)力的方法。

同時(shí)凝固原則的優(yōu)點(diǎn)是凝固期間不容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也不易引起應(yīng)力、變形。缺點(diǎn)是鑄件中心區(qū)域往往有縮松，鑄件不致密。2.3砂型鑄造工藝分析

在鑄造生產(chǎn)中，一般根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)條件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。2.3.1澆注位置和分型面的確定1.澆注位置選定原則

澆注位置是指澆注時(shí)鑄件在鑄型中所處的位置。

(1)鑄件的重要加工面或主要工作面應(yīng)朝下或位于側(cè)面。(2)鑄件的大平面盡可能朝下或采用傾斜澆注

這是因?yàn)榻饘僖旱谋戎卮笥谏啊⒃?。澆注時(shí)，砂眼氣泡和夾渣往往上浮到鑄件的上表面，所以上表面的缺陷通常比下部要多。同時(shí)，由于重力的關(guān)系，下部的鑄件最終比上部要致密。因此，為了保證零件的質(zhì)量，重要的加工面應(yīng)盡量朝下，若難以做到朝下，應(yīng)盡量位于側(cè)面。

鑄型上表面的大平面經(jīng)常產(chǎn)生夾砂缺陷。這是由于在澆注過(guò)程中，高溫的液態(tài)金屬對(duì)型腔上表面有強(qiáng)烈的熱輻射，型砂因急劇膨脹和強(qiáng)度下降而拱起或開(kāi)裂，拱起處或裂口浸入金屬液中，形成夾砂缺陷。同時(shí)鑄件的大平面朝下，也有利于排氣、減小金屬液對(duì)鑄型的沖刷力。(3)盡量將鑄件大面積的薄壁部分放在鑄型的下部或垂直、傾斜的位置。

這能增加薄壁處金屬液的壓強(qiáng)，提高金屬液的流動(dòng)性，防止薄壁部分產(chǎn)生澆不足或冷隔缺陷，如圖2-15所示。圖2-15大面積薄壁鑄件澆注位置(4)熱節(jié)處應(yīng)位于分型面附近的上部或側(cè)面，以便安放冒口，實(shí)現(xiàn)定向凝固，進(jìn)行補(bǔ)縮。

(5)便于型芯的固定和排氣，能減少型芯的數(shù)量。2.分型面的選擇原則

分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。一般說(shuō)來(lái)，分型面在確定澆注位置后再選擇。但是，分析各種分型面的利、弊之后，可能再次調(diào)整澆注位置。分型面的選擇在很大程度上影響著鑄件的質(zhì)量(主要是尺寸精度)、成本和生產(chǎn)率。分型面的選擇要在保證鑄件質(zhì)量的前提下，盡量簡(jiǎn)化工藝，節(jié)省人力物力，因此需考慮以下幾個(gè)原則：

(1)保證模樣能從型腔中順利取出，因此分型面應(yīng)設(shè)在鑄件最大截面處。

(2)應(yīng)使鑄件有最少的分型面，并盡量做到只有一個(gè)分型面這是因?yàn)椋孩俣嘁粋€(gè)分型面多一份誤差，使精度下降；②分型面多，造型工時(shí)多，生產(chǎn)率下降；③機(jī)器造型只能兩箱造型，故分型面多，不能進(jìn)行大批量生產(chǎn)。(3)應(yīng)使型芯和活塊數(shù)量盡量減少。(4)應(yīng)使鑄件全部或大部分放在同一砂型，否則錯(cuò)型時(shí)易造成尺寸偏差。(5)應(yīng)盡量使加工基準(zhǔn)面與大部分加工面在同一砂型內(nèi)以使鑄件的加工精度得以保證。(6)應(yīng)盡量使型腔及主要型芯位于下型，以便于造型、下芯、合型及檢驗(yàn)。(7)應(yīng)盡量使用平直分型面，以簡(jiǎn)化模具制造及造型工藝，避免挖砂。(8)應(yīng)盡量使鑄型總高度為最低這樣不僅節(jié)約型砂，而且還能減輕工作量，對(duì)機(jī)器造型有較大的經(jīng)濟(jì)意義。2.3.2主要工藝參數(shù)

1.鑄件尺寸公差

鑄件尺寸公差取決于鑄件設(shè)計(jì)要求的精度、機(jī)械加工要求、鑄件大小和批量、采用的鑄造合金種類(lèi)、鑄造設(shè)備及工裝、鑄造工藝方法等。鑄件公差等級(jí)由低向高遞增方向?yàn)椋荷靶褪止ぴ煨汀靶蜋C(jī)器造型及殼型鑄造→金屬型鑄造→低壓鑄造→壓力鑄造→熔模鑄造。2.鑄件質(zhì)量公差

3.鑄件加工余量

鑄件需要加工的表面都要留加工余量(MA)。加工余量數(shù)值根據(jù)選擇的鑄造方法、合金種類(lèi)、生產(chǎn)批量和鑄件基本尺寸大小來(lái)確定。4.鑄造收縮率

鑄件由于凝固、冷卻后的體積收縮，其各部分尺寸均小于模樣尺寸。為保證鑄件尺寸要求，需在模樣(芯盒)上加一個(gè)收縮的尺寸。加大的這部分尺寸稱(chēng)為收縮量，一般根據(jù)鑄造收縮率來(lái)定。鑄造收縮率K定義如下：式中：L模──模樣尺寸；

L件──鑄件尺寸。5.鑄型起模斜度圖2-22鑄型起模斜度

為了起模方便又不損壞砂型，凡垂直于分型面的壁上留有起模斜度，如圖2-22所示。6.最小鑄出孔(不鑄孔)和槽

鑄件中較大的孔、槽應(yīng)當(dāng)鑄出，以減少切削量和熱節(jié)，提高鑄件力學(xué)性能。較小的孔和槽不必鑄出，留待以后加工更為經(jīng)濟(jì)。表2-4鑄件最小鑄出孔尺寸批量單件小批中等批量大批生產(chǎn)尺寸/mm30～5015～3012～152.3.3鑄造工藝圖的制定

鑄造工藝圖是鑄造過(guò)程最基本和最重要的工藝文件之一，它對(duì)整體工藝流程起著指導(dǎo)和依據(jù)的作用。鑄造工藝圖是將各種簡(jiǎn)明的工藝符號(hào)，標(biāo)注在產(chǎn)品零件圖上的圖樣?？蓮囊韵聨追矫孢M(jìn)行分析：

①分型面和分模面；②澆注位置、澆冒口的位置、形狀、尺寸和數(shù)量；③工藝參數(shù)；④型芯的形狀、位置和數(shù)目，型芯頭的定位方式和安裝方式；⑤冷鐵的形狀、位置、尺寸和數(shù)量；⑥其他。

2.4鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)鑄件的質(zhì)量、生產(chǎn)率以及成本有很大的影響。鑄件的結(jié)構(gòu)包括：鑄件外形、內(nèi)腔、壁厚、壁與壁的連接及加強(qiáng)肋、凸臺(tái)、法蘭等。常見(jiàn)鑄件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如表2-5所示。

表2-5常見(jiàn)鑄件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)名稱(chēng)不合理結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理由鑄件外形的設(shè)計(jì)

盡量避免曲面分型，以避免挖砂造型續(xù)表名稱(chēng)不合理結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理由鑄件外形的設(shè)計(jì)

對(duì)凸臺(tái)、肋條及法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)便于起模，避免不必要的型芯和盡量少用活塊

盡量使鑄件有最少的分型面

應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斜度續(xù)表名稱(chēng)不合理結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理由鑄件外形的設(shè)計(jì)

應(yīng)避免水平放置較大的平面

細(xì)長(zhǎng)件或大而薄的平板件要防止彎曲

避免鑄件收縮受阻續(xù)表名稱(chēng)不合理結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理由鑄件內(nèi)腔的設(shè)計(jì)

應(yīng)盡量不用或少用型芯

型芯必須安裝方便、穩(wěn)固可靠，排氣通暢

必須考慮清砂便利續(xù)表名稱(chēng)不合理結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理由鑄件壁的設(shè)計(jì)

鑄件壁厚應(yīng)盡可能均勻

鑄件壁應(yīng)有圓角過(guò)渡

避免交叉和銳角連接2.5砂型鑄造方法2.5.1氣動(dòng)微振壓實(shí)造型

砂型鑄造方法主要有手工造型和機(jī)器造型兩大類(lèi)。手工造型是用手工或手動(dòng)工具完成緊砂、起模、修型的工序。其特點(diǎn)是：①操作靈活，可按鑄件尺寸、形狀、批量與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件靈活地選用具體的造型方法；②工藝適應(yīng)性強(qiáng)；③生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短；④生產(chǎn)效率低；⑤質(zhì)量穩(wěn)定性差，鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量較差；⑥對(duì)工人技術(shù)要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。主要應(yīng)用于單件、小批生產(chǎn)或難以用造型機(jī)械生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的大型鑄件生產(chǎn)中。機(jī)器造型的實(shí)質(zhì)是用機(jī)器進(jìn)行緊砂和起模，根據(jù)緊砂和起模的方式不同，有各種不同種類(lèi)的造型機(jī)。

氣動(dòng)微振壓實(shí)造型是采用振動(dòng)(頻率150~500Hz，振幅25~80mm)－壓實(shí)－微振(頻率400~3000Hz，振幅5~10mm)緊實(shí)型砂的。氣動(dòng)微振壓實(shí)造型的特點(diǎn)為：圖2-27氣動(dòng)微振壓實(shí)造型機(jī)緊砂原理圖

(1)緊實(shí)效果好?？稍趬簩?shí)同時(shí)進(jìn)行微振，從而促進(jìn)型砂流動(dòng)，獲得緊實(shí)度較高且均勻的砂型。

(2)工作適應(yīng)性強(qiáng)?？筛鶕?jù)鑄件形狀特點(diǎn)選擇不同的緊實(shí)方式；型腔深窄、砂型緊實(shí)度要求高時(shí)采用預(yù)振加壓振方式；型腔平坦時(shí)采用壓振方式以提高生產(chǎn)率；鑄件不高、形狀簡(jiǎn)單時(shí)只用單純壓實(shí)方式以便消除振擊噪聲。

(3)生產(chǎn)率較高。達(dá)到適宜的砂型緊實(shí)度所需的時(shí)間較短。

(4)對(duì)機(jī)器地基要求較低。該法的缺點(diǎn)是振擊噪音大，砂箱、模板的定位銷(xiāo)和銷(xiāo)套磨損較快。2.5.2高壓造型

高壓造型一般指壓實(shí)比壓超過(guò)0.7MPa的機(jī)器造型，壓實(shí)機(jī)構(gòu)以液壓為動(dòng)力加砂。

多觸頭由許多可單獨(dú)動(dòng)作的觸頭組成，。使用較多的是彈簧復(fù)位浮動(dòng)式多觸頭，如圖2-29所示。以適應(yīng)不同形狀的模樣，使整個(gè)型砂得到均勻的緊實(shí)度。多觸頭高壓造型通常也配備氣動(dòng)微振裝置，以便增加工作適應(yīng)能力。

1.多觸頭高壓造型圖2-29多觸頭高壓造型2.垂直分型無(wú)箱造型

在造型、下芯、合型及澆注過(guò)程中，鑄型的分型面呈垂直狀態(tài)(垂直于地面)的無(wú)箱造型法稱(chēng)為垂直分型無(wú)箱造型。其工藝過(guò)程如圖2-30所示，由射砂壓實(shí)、起模Ⅰ、合型、起模Ⅱ

、關(guān)閉造型室等過(guò)程所組成。它主要適用于大批大量的中小型鑄件的生產(chǎn)。垂直分型無(wú)箱造型工藝的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)采用射砂填砂又經(jīng)高壓壓實(shí)砂型硬度高且均勻、鑄件尺寸精確、表面粗糙度值低。

(2)無(wú)需砂箱節(jié)約了有關(guān)砂箱的一切費(fèi)用。

(3)一塊砂型兩面成形既節(jié)約型砂，生產(chǎn)率又高。

(4)可使造型、澆注、冷卻、落砂等設(shè)備組成簡(jiǎn)單的直線(xiàn)系統(tǒng)，占地省。圖2-30DISA垂直分型無(wú)箱造型機(jī)工藝過(guò)程2.5.3真空密封造型

真空密封造型又稱(chēng)真空薄膜造型、減壓造型或V法，適用于生產(chǎn)薄壁、面積大、形狀不太復(fù)雜的扁平鑄件。真空密封造型原理：真空密封造型是在特制砂箱內(nèi)充填無(wú)水無(wú)粘結(jié)劑的型砂，用薄而富有彈性的塑料薄膜將砂箱密封后抽成真空，借助鑄型內(nèi)外的壓力差(約40kPa)使型砂緊實(shí)和成形。該法的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)鑄件尺寸精確能澆出2~3mm的薄壁部分。

(2)鑄件缺陷少，廢品率可控制到1.5%以下。

(3)砂型成本低，損耗少，回用率在95%以上。

(4)工作環(huán)境比較好，噪聲小、粉塵少，勞動(dòng)強(qiáng)度低。缺點(diǎn)是：對(duì)形狀復(fù)雜、較高的鑄件覆膜成形困難，工藝裝備復(fù)雜，造型生產(chǎn)率比較低。

2.5.4氣流沖擊造型

氣流沖擊造型簡(jiǎn)稱(chēng)氣沖造型，是一種新的造型方法。其原理是利用氣流沖擊，使預(yù)填在砂箱內(nèi)的型砂在極短的時(shí)間內(nèi)完成沖擊緊實(shí)過(guò)程。氣沖造型分低壓氣沖造型和高壓氣沖造型兩種，低壓氣沖造型應(yīng)用較多。氣沖造型的優(yōu)點(diǎn)是砂型緊實(shí)度高且分布合理，透氣性好，鑄件精度高，表面粗糙度值低，工作安全、可靠、方便；缺點(diǎn)是砂型最上部約30mm的型砂達(dá)不到緊實(shí)要求，因而不適用于高度小于150mm的矮砂箱造型，工裝要求嚴(yán)格，砂箱強(qiáng)度要求高。

氣沖緊實(shí)過(guò)程可分成兩個(gè)階段。

(1)型砂自上而下加速并初步緊實(shí)階段在頂部氣壓迅速提高的作用下，表面層型砂上下產(chǎn)生很大的氣壓差，使表面層型砂緊實(shí)度迅速提高，形成一初實(shí)層。在氣壓的推動(dòng)下，初實(shí)層如同一塊高速壓板，以很大的速度向下移動(dòng)，使下面的砂層加速并初步緊實(shí)。

(2)沖擊緊實(shí)階段初實(shí)層繼續(xù)向下移動(dòng)和擴(kuò)展，型砂的緊實(shí)前鋒很快到達(dá)模板，與模板發(fā)生沖擊。在沖擊處，砂層運(yùn)動(dòng)突然滯止，產(chǎn)生巨大的沖擊力，使靠近模板的一層緊實(shí)度劇烈提高。隨后，沖擊向上發(fā)展，型砂由下而上逐層滯止，直到砂層頂部為止。1.氣沖緊實(shí)原理2.5.5消失模造型1.鑄造原理和工藝過(guò)程

消失模鑄造（EPC）是美國(guó)的專(zhuān)利技術(shù)，又稱(chēng)實(shí)型鑄造和氣化模鑄造，其原理是用泡沫聚苯乙烯塑料模樣（包括澆冒口）代替普通模樣，造好型后不取出模樣就澆入金屬液，在灼熱液態(tài)金屬的熱作用下，泡沫塑料氣化、燃燒而消失，金屬液取代了原來(lái)泡沫塑料模所占的空間位置，冷卻凝固后即可獲得所需要的鑄件。消失模鑄造工藝過(guò)程如圖2-34所示。

消失模鑄造主要用于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以起?；蚧顗K和外型芯較多的鑄件。與普通鑄造相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：工序簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、效率高，鑄件尺寸精度高(造型后不起模、不分型，沒(méi)有鑄造斜度和活塊)，增大了鑄件設(shè)計(jì)的自由度，簡(jiǎn)化了鑄造生產(chǎn)工序，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。。2.鑄造特點(diǎn)和應(yīng)用范圍圖2-34消失模鑄造工藝過(guò)程示意圖表2-6美國(guó)消失模鑄造情況（生產(chǎn)和增長(zhǎng)速度）應(yīng)用產(chǎn)量/（kt/年）（1997年）增長(zhǎng)速度（1994~1997年）/%增長(zhǎng)速度（1997~2000年）/%轎車(chē)82.6971352載貨汽車(chē)5.11044232造船業(yè)8.4636543管件11.057163200機(jī)床7.018615一般工業(yè)7.1051945其他19.02660168總計(jì)140.67627832.5.6冷凍造型

冷凍造型法又稱(chēng)為低溫硬化造型法。其造型過(guò)程是采用普通石英砂作為骨架材料，加入少量的水，必要時(shí)還加入少量的粘土，按普通造型方法制好鑄型后送入冷凍室中，用液態(tài)氮或二氧化碳作為制冷劑，使鑄型冷凍，借助于包覆在砂粒表面的冷凍水分而實(shí)現(xiàn)砂粒的結(jié)合，使鑄型具有很高的強(qiáng)度及硬度。澆注時(shí)，鑄型溫度升高，水分蒸發(fā)，鑄型逐步解凍，稍加振動(dòng)立即潰散，可方便地取出鑄件。與其他造型方法相比，冷凍造型法具有以下特點(diǎn)：

(1)型砂中除少量的水及粘土外，無(wú)其他輔助材料，鑄件的清理落砂方便，舊砂回用方便，砂處理設(shè)備簡(jiǎn)單。

(2)鑄造過(guò)程產(chǎn)生的粉塵及有害氣體少，勞動(dòng)保護(hù)條件好，環(huán)境污染小。

(3)鑄型強(qiáng)度高、硬度大、透氣性好，鑄件表面粗糙度值低、缺陷少。2.6特種鑄造2.6.1金屬型鑄造

用鑄鐵、碳鋼或低合金鋼等金屬材料制成鑄型，在重力作用下，金屬液充填金屬型型腔，冷卻成形而獲得鑄件的工藝方法稱(chēng)為金屬型鑄造，也稱(chēng)為硬模鑄造、永久型鑄造、冷硬鑄造等。表2-8金屬型鑄造特點(diǎn)金屬型特點(diǎn)鑄件成形過(guò)程特點(diǎn)對(duì)鑄件的影響無(wú)退讓性

鑄件在凝固過(guò)程中，受阻較大，難以自由收縮

鑄件內(nèi)應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋無(wú)透氣性

金屬液在充填過(guò)程中，受型內(nèi)氣體阻礙，不易充滿(mǎn)

在金屬液匯合處、對(duì)流處或鑄型凹入的死角，易產(chǎn)生澆不足缺陷導(dǎo)熱快

金屬冷卻速度快，在金屬型傳熱系統(tǒng)中，中間層是控制冷卻速度的關(guān)鍵

鑄件晶粒細(xì)小，組織致密，表面光潔，力學(xué)性能好

金屬型鑄造液態(tài)金屬耗用量少，勞動(dòng)條件好，便于機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，適用于大批生產(chǎn)有色合金鑄件，如鋁合金活塞、氣缸體、銅合金軸瓦軸套等，故廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表、農(nóng)機(jī)等工業(yè)，發(fā)展很快。2.6.2離心鑄造

離心鑄造是將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中，在離心力作用下填充鑄型而凝固成形的一種鑄造方法。1.離心鑄造的分類(lèi)

根據(jù)鑄型旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)在空間的位置，常見(jiàn)的離心鑄造可分為兩種：

(1)臥式離心鑄造鑄型的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)處于水平狀態(tài)或與水平線(xiàn)夾角很?。?lt;4°）時(shí)的離心鑄造。如圖2-37所示為三種離心鑄造示例。圖2-37三種臥式離心鑄造圖2-38兩種立式離心鑄造(2)立式離心鑄造鑄型的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)處于垂直狀態(tài)時(shí)的離心鑄造稱(chēng)為立式離心鑄造，如圖2-38所示為兩種立式離心鑄造示例。2.離心鑄造的特點(diǎn)

與砂型鑄造相比，離心鑄造的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)鑄件致密度高，氣孔、夾渣等缺陷少，故力學(xué)性能較好；

(2)生產(chǎn)中空鑄件時(shí)可不用型芯，故在生產(chǎn)長(zhǎng)管形鑄件時(shí)可大幅度地改善金屬充型能力，降低鑄件壁厚對(duì)其長(zhǎng)度或直徑的比值，簡(jiǎn)化套筒和管類(lèi)鑄件的生產(chǎn)過(guò)程；

(3)生產(chǎn)中幾乎沒(méi)有澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)的金屬消耗，提高工藝出品率；

(4)便于制造筒、套類(lèi)復(fù)合金屬鑄件，如鋼背銅套、雙金屬軋輥等；

(5)鑄造成形鑄件時(shí)，可借離心力提高金屬的充型能力，故可生產(chǎn)薄壁鑄件，如葉輪、金屬假牙等；

(6)對(duì)合金成分不能互溶或凝固初期析出物的密度與金屬液基體相差較大時(shí)，易形成密度偏析；

(7)鑄件內(nèi)孔表面較粗糙，其尺寸不易正確控制；

(8)用于生產(chǎn)異型鑄件時(shí)有一定的局限性。3.離心鑄造應(yīng)用范圍

離心鑄造應(yīng)用較廣，用離心鑄造法生產(chǎn)產(chǎn)量很大的鑄件有以下幾種：

(1) 鐵管，世界上每年球墨鑄鐵管件總產(chǎn)量的近一半是用離心鑄造法生產(chǎn)的；

(2) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸套。

(3) 各種類(lèi)型的銅套。

(4) 雙金屬鋼背銅套、各種合金的軸瓦。

(5) 造紙機(jī)滾筒。

幾乎一切鑄造合金都可以用于離心鑄造生產(chǎn)，鑄件的最小內(nèi)徑可為8mm，最大直徑達(dá)2600mm，最大長(zhǎng)度為8m，鑄件的重量可為數(shù)克至數(shù)十噸。2.6.3壓力鑄造1.鑄造原理和工藝循環(huán)

壓力鑄造是在高壓的作用下，以很高的速度把液態(tài)或半液態(tài)金屬壓入壓鑄模型腔，并在壓力下快速凝固而獲得鑄件的鑄造方法。2.壓鑄機(jī)分類(lèi)與比較

壓鑄機(jī)按其工作原理結(jié)構(gòu)形式分為冷壓式壓鑄機(jī)（有臥式、立式、全立式三種）和熱壓式（有普通熱室、臥式熱室兩種）壓鑄機(jī)。冷室壓鑄機(jī)的壓室和熔爐是分開(kāi)的，壓鑄時(shí)要從保溫爐中舀取金屬液倒入壓室內(nèi)，再進(jìn)行壓鑄。

熱室壓鑄機(jī)的壓室與合金熔化爐聯(lián)成一體，壓室浸在保溫坩堝的液體金屬中，壓射機(jī)構(gòu)裝在坩堝上面，用機(jī)械機(jī)構(gòu)或壓縮空氣所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行壓鑄，圖2-41為熱室壓鑄機(jī)工作原理示意圖。圖2-41熱室壓鑄機(jī)工作原理示意圖3.鑄造特點(diǎn)

壓力鑄造的基本特點(diǎn)是高壓高速，壓力從幾兆帕到幾十兆帕，甚至高達(dá)500MPa，高速（從10～120m/s），以極短的時(shí)間（0.01～0.2s）填充鑄型。壓力鑄造的特點(diǎn)如下：

(1)生產(chǎn)率高，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化或自動(dòng)化，經(jīng)濟(jì)效果好，大批生產(chǎn)時(shí)壓鑄成本低，鑄件產(chǎn)量在3000件以上時(shí)可考慮采用；

(2)生產(chǎn)適用性好，能生產(chǎn)出從簡(jiǎn)單到相當(dāng)復(fù)雜的鑄件，并可生產(chǎn)中間鑲嵌其他金屬的鑄件，能直接鑄出齒形和螺紋，壓鑄件的重量從幾克到數(shù)十公斤；

(3)產(chǎn)品質(zhì)量好，具有較高的尺寸精度和表面質(zhì)量，力學(xué)性能好，尺寸穩(wěn)定性好，互換性好，輪廓清晰，適用于大量生產(chǎn)有色合金的小型、薄壁、復(fù)雜鑄件。

(4)普通壓鑄法生產(chǎn)的鑄件易產(chǎn)生氣孔。

(5)壓力鑄造設(shè)備投資大，壓鑄模制造復(fù)雜，周期長(zhǎng)，費(fèi)用大，一般不宜于小批生產(chǎn)。壓力鑄造是所有鑄造方法中生產(chǎn)速度最快的一種方法，應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。廣泛用于汽車(chē)、儀表、航空、航天、電器及日用品鑄件；以鋁、鋅、鎂材料為主。壓力鑄造的發(fā)展

由于壓力鑄造是在極短的時(shí)間內(nèi)完成充型過(guò)程的，很容易造成氣體的卷入而影響壓鑄件的質(zhì)量。為此發(fā)展了新的工藝。

(1)加氧壓力鑄造。是在鋁金屬液充填型腔之前，用氧氣充填壓室和型腔，以取代其中的空氣和其他氣體。其特點(diǎn)是：充型時(shí)滯留在金屬液中的氧氣會(huì)與金屬液產(chǎn)生金屬氧化物，從而消除或減少了氣孔，提高鑄件的質(zhì)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，投資少。

(2)真空壓力鑄造。是先將壓鑄型腔內(nèi)空氣抽除，然后再壓入液體金屬。其特點(diǎn)是：可消除或減少壓鑄件內(nèi)部的氣孔，提高鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。其缺點(diǎn)是：密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和安裝較困難。

(3)壓力鑄造計(jì)算機(jī)控制和柔性制造單元。

壓鑄生產(chǎn)中對(duì)壓鑄過(guò)程的壓射速度、壓射力、增壓時(shí)間及對(duì)自動(dòng)化裝置（噴涂、澆注、取件裝置等）采用計(jì)算機(jī)控制，以滿(mǎn)足多品種小批量生產(chǎn)的要求，提高生產(chǎn)率和穩(wěn)定鑄件質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了壓鑄柔性加工單元（FMC），即在其規(guī)定的范圍內(nèi)，按照預(yù)先確定的工藝方案，生產(chǎn)各種零件的控制過(guò)程，其核心技術(shù)是快速更換模具和與之相關(guān)的其他零部件。2.6.4低壓鑄造

低壓鑄造是介于一般重力鑄造和壓力鑄造之間的一種鑄造方法。

1.鑄造原理和工藝過(guò)程澆注時(shí)金屬液在低壓（20～60kPa）作用下，由下而上地填充鑄型型腔，并在壓力下凝固而形成鑄件的一種工藝方法。低壓鑄造的工藝過(guò)程如圖2-47所示。圖2-47低壓鑄造工藝過(guò)程3.鑄造特點(diǎn)和應(yīng)用范圍

(1)金屬液充型平穩(wěn)，充型速度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)；在壓力下充型，流動(dòng)性增加，有利于獲得輪廓清晰的鑄件；

(2)由下而上充型，金屬液潔凈，夾雜和氣孔少，鑄件合格率高；

(3)在壓力下凝固，可得到充分的補(bǔ)縮，故鑄件致密，力學(xué)性能好；

(4)澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可減少或省去冒口，故工藝出品率高；

(5)對(duì)合金的牌號(hào)適應(yīng)范圍廣，不僅適用非鐵金屬，也可用于鑄鐵鑄鋼；

(6)易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，與壓鑄相比，工藝簡(jiǎn)單，制造方便，投資少，占地少。表2-10低壓鑄造應(yīng)用范圍舉例應(yīng)用的合金鋁合金、銅合金、鑄鐵、球鐵、鑄鋼應(yīng)用的鑄型砂型、金屬型、殼型、石膏型、石墨型應(yīng)用的產(chǎn)品汽車(chē)、拖拉機(jī)、船舶、摩托車(chē)、汽油機(jī)、機(jī)車(chē)車(chē)輛、醫(yī)療機(jī)械、儀表等應(yīng)用的零件舉例鋁合金鑄件：消毒缸、曲軸箱殼、氣缸蓋、活塞、飛輪、輪轂、座架、氣缸體、葉輪等銅合金鑄件：螺旋漿、軸瓦、銅套、銅泵體等鑄鐵件：柴油機(jī)缸套、球鐵曲軸等鑄鋼件：曲拐2.6.5熔模鑄造

熔模鑄造又稱(chēng)失蠟鑄造、熔模精密鑄造、包模精密鑄造，是精密鑄造法的一種。型殼熔模鑄造工藝如圖2-48所示，用易熔材料(蠟或塑料等)制成精確的可熔性模型,并進(jìn)行蠟?zāi)＝M合，涂以若干層耐火涂料，經(jīng)干燥、硬化成整體型殼，加熱型殼熔失模型，經(jīng)高溫焙燒而成耐火型殼，在型殼中澆注鑄件。圖2-48型殼熔模鑄造過(guò)程示意圖

熔模鑄造有以下特點(diǎn)：

(1) 尺寸精度高。表面粗糙度低。

(2) 適用于各種鑄造合金、各種生產(chǎn)批量。尤其在難加工金屬材料如鑄造刀具，渦輪葉片等生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。

(3) 可以鑄造形狀復(fù)雜的鑄件。熔模鑄件的外形和內(nèi)腔形狀幾乎不受限制，可以制造出用砂型鑄造、鍛壓、切削加工等方法難以制造的形狀復(fù)雜的零件。而且可以使一些焊接件、組合件在稍進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后直接鑄造出整體零件。(4) 可以鑄造出各種薄壁鑄件及重量很小的鑄件。其最小壁厚可達(dá)0.5mm，最小孔徑可以小到φ0.5mm，重量可以小到幾克。

(5) 生產(chǎn)工序繁多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，鑄件不能太大。

殼法造型法用酚醛樹(shù)脂作粘結(jié)劑，配制的型（芯）砂稱(chēng)為覆膜砂，象干砂一樣松散。圖2-49殼法造型法示意圖2.6.6殼型鑄造

鑄造生產(chǎn)中，砂型（芯）直接承受液體金屬作用的只是表面一層厚度僅為數(shù)毫米的砂殼，其余的砂只起支撐這一層砂殼的作用。若只用一層薄殼來(lái)制造鑄件，將減少砂處理的大量工作，并能減少環(huán)境污染。

殼法造型、芯的優(yōu)點(diǎn)是混制好的覆模砂可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存（三個(gè)月以上），無(wú)需搗砂，能獲得尺寸精確的型、芯；型、芯強(qiáng)度高，易搬運(yùn)；透氣性好，可用細(xì)的原砂得到光潔的鑄件表面；無(wú)需砂箱；覆模砂消耗量小。但酚醛樹(shù)脂覆模砂價(jià)格較貴，造型、造芯耗能較高。

2.6.7陶瓷型鑄造

陶瓷型鑄造的基本原理是：以耐火度高、熱膨脹系數(shù)小的耐火材料為骨料，用經(jīng)過(guò)水解的硅酸乙酯作為粘結(jié)劑而配制成的陶瓷型漿料，在堿性催化劑的作用下，用灌漿法成形，經(jīng)過(guò)膠接，噴燃和燒結(jié)等工序，制成光潔、細(xì)致、精確的陶瓷型。陶瓷型兼有砂型鑄造和熔模鑄造的優(yōu)點(diǎn)，即操作及設(shè)備簡(jiǎn)單，型腔的尺寸精度高、表面粗糙度值低。在單件小批生產(chǎn)的條件下，鑄造精密鑄件，鑄件重量從幾千克到幾克。生產(chǎn)率較高，成本低，節(jié)省機(jī)加工工時(shí)。

陶瓷型可用來(lái)制造各類(lèi)成形模具，模具工作面上可鑄出復(fù)雜、光滑的花紋，尺寸精確，模具的耐蝕性和工作壽命較高。也可用陶瓷型鑄造法生產(chǎn)一般機(jī)械零件，如螺旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、內(nèi)燃機(jī)噴嘴、水泵葉輪、船用螺旋漿等等。2.6.8磁性鑄造

磁性鑄造是德國(guó)在研究消失模鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)明的鑄造方法，其實(shí)質(zhì)是采用鐵丸代替型砂及型芯砂，用磁場(chǎng)作用力代替鑄造粘結(jié)劑，用泡沫塑料消失模代替普通模樣的一種新的鑄造方法。與砂型鑄造相比，它提高了鑄件質(zhì)量，因與消失模鑄造原理相似，其質(zhì)量與消失模鑄造相同，同時(shí)比消失模鑄造更減少了鑄造材料的消耗。經(jīng)常用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，可鑄材料和鑄件大小范圍廣，常用于汽車(chē)零件等精度要求高的中小型鑄件生產(chǎn)。2.6.9石墨型鑄造

石墨型鑄造是用高純度的人造石墨塊經(jīng)機(jī)械加工成形或以石墨砂作骨架材料添加其他附加物制成鑄型，澆注凝固后獲得鑄件的一種工藝方法。它與砂型、金屬型鑄造相比，鑄件晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高；由于石墨的熱化學(xué)穩(wěn)定性好，熔融金屬與鑄型接觸時(shí)一般不發(fā)生化學(xué)作用，鑄件表面質(zhì)量好；石墨型受熱尺寸變化小，不易發(fā)生彎曲、變形，故鑄件尺寸精度高；石墨型的壽命達(dá)2~5萬(wàn)次，勞動(dòng)生產(chǎn)率比砂型提高2~10倍。2.6.10真空吸鑄圖2-53真空吸鑄示意圖

真空吸鑄是使型腔內(nèi)造成負(fù)壓使金屬液充型凝固的鑄造方法。

1.工藝過(guò)程

真空吸鑄基本工藝過(guò)程如圖2-52所示。裝結(jié)晶器型腔上涂料結(jié)晶器下口浸入金屬液型腔接通真空，金屬液充型保持一段時(shí)間卸除型腔真空自金屬液中提起結(jié)晶器脫出鑄件圖2-52真空吸鑄工藝過(guò)程2.鑄造原理

如圖2-53所示，將結(jié)晶器的下端浸入金屬液中，抽氣使結(jié)晶器型腔內(nèi)造成一定的真空，金屬液被吸入型腔一定的高度，受循環(huán)水冷卻的結(jié)晶器產(chǎn)生激冷，金屬液由外向內(nèi)迅速凝固，形成實(shí)心或空心的鑄件。2.6.11差壓鑄造84(1) 鑄件不易產(chǎn)生氣孔、縮孔、夾雜等缺陷。

(2) 鑄件晶粒細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能好。

(3) 無(wú)澆注系統(tǒng)的金屬液損失，但有結(jié)晶器口粘附金屬的損失，工藝出品率高；

(4) 生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化，生產(chǎn)率高。

(5) 鑄件外形尺寸精確，內(nèi)孔尺寸靠凝固時(shí)間控制，尺寸精度低，表面粗糙不平。4.應(yīng)用范圍

真空吸鑄通常生產(chǎn)直徑120mm以下的圓筒、圓棒類(lèi)鑄件等，它們可以加工成各種螺母、螺桿、軸套和軸類(lèi)零件。真空吸鑄廣泛用于生產(chǎn)各種銅合金鑄件，對(duì)于鋁合金、鋅合金等鑄件的真空吸鑄正在發(fā)展中。

差壓鑄造又稱(chēng)反差鑄造，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輪轂等質(zhì)量要求高的鑄件。其實(shí)質(zhì)是使液態(tài)金屬在壓差的作用下，澆注到預(yù)先有一定壓力的型腔內(nèi)，凝固后獲得鑄件的一種工藝方法。3.鑄造特點(diǎn)2.6.12半固態(tài)金屬流變鑄造

差壓鑄造裝置工作原理是：澆注前密封室內(nèi)有一定的壓力（或真空度），然后借往密封室A中加壓或由密封室B減壓，使A、B室之間形成壓力差，進(jìn)行升液、充型和結(jié)晶。差壓鑄造的特點(diǎn)為充型速度可以控制；鑄件充型性好，表面質(zhì)量高，；鑄件晶粒細(xì)，組織致密，力學(xué)性能好；可以實(shí)現(xiàn)可控氣氛澆注，提高了金屬的利用率；勞動(dòng)條件好。

半固態(tài)金屬加工技術(shù)屬于前沿性加工技術(shù)。金屬在凝固過(guò)程中，進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌或通過(guò)控制凝固條件，抑制樹(shù)枝晶的生成或破碎所生成的樹(shù)枝晶，可形成具有等軸、均勻、細(xì)小的初生相均勻分布于液相中的懸浮半固態(tài)漿料。這種漿料在外力作用下即使固相率達(dá)到60％仍具有較好的流動(dòng)性?？衫脡鸿T、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進(jìn)行加工，這種工藝方法稱(chēng)為半固態(tài)金屬加工技術(shù)。

SSM鑄造成形的主要工藝路線(xiàn)有兩條：一條是將獲得的半固態(tài)漿料在其半固態(tài)溫度的條件下直接成形，通常稱(chēng)作流變鑄造或流變加工；另一條是將半固態(tài)漿料制備成坯料，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度后加工成形，通常稱(chēng)為觸變成形或觸變鑄造。對(duì)觸變成形，由于半固態(tài)坯料便于輸送，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因而在工業(yè)中較早得到推廣。對(duì)于流變鑄造，由于將攪拌后的半固態(tài)漿料直接成形，具有高效、節(jié)能、短流程的特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展很快。

半固態(tài)金屬鑄造成形具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)充型平穩(wěn)；加工溫度較低，模具壽命大幅提高；凝固時(shí)間短，生產(chǎn)率高。

(2)鑄件表面平整光滑，內(nèi)部組織致密，氣孔和偏析少；晶粒細(xì)小，力學(xué)性能接近鍛件。

(3)凝固收縮小，尺寸精度高，可實(shí)現(xiàn)凈成形、凈終成形加工。

(4)流動(dòng)應(yīng)力小，成形速度高，可成形十分復(fù)雜的零件。

(5)適宜于鑄造鋁、鎂、鋅、鎳、銅合金和鐵碳合金，尤其適宜于鋁、鎂合金。

SSM鑄造成形技術(shù)在全世界應(yīng)用日益廣泛，目前，美國(guó)、意大利、瑞士、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家處于領(lǐng)先地位。2.6.13現(xiàn)代整體精鑄及快速凝固成形技術(shù)

1.現(xiàn)代整體精鑄成形技術(shù)

鋁、鈦和鋼的大型、復(fù)雜、薄壁件現(xiàn)代精鑄技術(shù)是20世紀(jì)70年代根據(jù)航空工業(yè)需要而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展。美國(guó)GE公司的GET700發(fā)動(dòng)機(jī)前驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的整體導(dǎo)向器，原設(shè)計(jì)由多個(gè)鑄件組裝而成，密封性差，現(xiàn)改為由72個(gè)葉片與薄壁噴管連在一起的整體精鑄件，不但解決了密封問(wèn)題，而且大大減少了加工和裝配工作量，降低了成本，減輕了重量。美國(guó)用此整體精鑄技術(shù)一年就生產(chǎn)了幾千個(gè)渦輪增壓器整體渦輪。這些精鑄技術(shù)在提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，簡(jiǎn)化生產(chǎn)程序，降低結(jié)構(gòu)重量和制造成本方面都取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2.快速凝固成形技術(shù)

目前國(guó)外在加速研制更高冷卻效果的定向單晶鑄造的空心渦輪葉片和快速凝固渦輪葉片，可使戰(zhàn)斗機(jī)攜帶武器總質(zhì)量增加兩倍，壽命提高一倍。其原理是使液態(tài)金屬的熱量沿一定的方向排出，或通過(guò)對(duì)液態(tài)金屬施行某方向的快速凝固，從而使晶粒的生長(zhǎng)（凝固）向一定的方向進(jìn)行，最終獲得具有單方向晶粒組織鑄件的一種工藝方法。由于冷卻及控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使熱量排出的強(qiáng)度及方向性不斷提高，從而使固液界面前沿液相中的溫度梯度增大，這不僅使晶粒生長(zhǎng)的方向性提高，而且組織更細(xì)長(zhǎng)、挺直，并延長(zhǎng)了定向區(qū)。由于沿定向生長(zhǎng)的組織力學(xué)性能優(yōu)異，使葉片工作溫度大幅提高，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能提高。利用定向凝固技術(shù)制取的單晶體鑄件，如單晶渦輪葉片，比一般定向凝固柱狀晶葉片具有更高的工作溫度、抗熱疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性能。

快速凝固技術(shù)是在比常規(guī)工藝條件下的冷卻速度（10－4～10K/s）快得多的冷卻條件（103～109K/s）下，使液態(tài)合金轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的工藝方法。它使合金材料具有優(yōu)異的組織和性能，如很細(xì)的晶粒，合金無(wú)偏析缺陷、材料的高強(qiáng)度、高韌性等?？焖倌碳夹g(shù)甚至可以使液態(tài)金屬脫開(kāi)常規(guī)的結(jié)晶過(guò)程（形核和生長(zhǎng)），直接形成非晶結(jié)構(gòu)的固體材料，即所謂的金屬玻璃。2.6.14鑄件成形過(guò)程數(shù)值模擬

鑄件成形過(guò)程數(shù)值模擬是在虛擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境下，模擬仿真出研究對(duì)象的特定過(guò)程，分析有關(guān)影響因素，預(yù)測(cè)該過(guò)程可能的趨勢(shì)和結(jié)果，從而不需要現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)，就能制定合理的鑄造工藝，大大縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。鑄件成形過(guò)程數(shù)值模擬的主要研究?jī)?nèi)容有：

(1)溫度場(chǎng)模擬利用傳熱學(xué)原理，分析鑄件的傳熱過(guò)程，模擬鑄件的冷卻凝固進(jìn)程，預(yù)測(cè)縮孔、縮松等缺陷。

(2)流動(dòng)場(chǎng)模擬利用流體力學(xué)原理，分析鑄件的充型過(guò)程，可以?xún)?yōu)化澆注系統(tǒng)，預(yù)測(cè)卷氣、夾渣、沖砂等缺陷。

(3)流動(dòng)與傳熱耦合計(jì)算利用流體力學(xué)與傳熱學(xué)原理，在模擬充型的同時(shí)，計(jì)算傳熱，可以預(yù)測(cè)澆不足、冷隔等缺陷