工程材料及成形工藝 課件 第6章 金屬鑄造成形

工程材料及成形工藝第1章金屬結(jié)構(gòu)及性能第2章金屬結(jié)晶及相圖第3章金屬熱處理及工藝第4章鋼鐵材料及性能第5章非鐵金屬與非金屬材料第6章金屬鑄造成形第7章金屬鍛壓成形第8章金屬焊接成形第9章機(jī)械零件材料及工藝選擇第6章金屬鑄造成形6.1.1砂型鑄造6.1.1.1砂型鑄造過程（1）準(zhǔn)備鑄型先將放大收縮量的模樣及芯盒制作好，再按要求準(zhǔn)備好砂鑄型。（2）澆注金屬先熔煉好合格的液態(tài)金屬，再將液態(tài)金屬澆注滿鑄型型腔。（3）落砂清理待液態(tài)金屬在鑄型型腔內(nèi)凝固成形并冷卻后，扒箱落砂與檢驗(yàn)，從而得到一定形狀和尺寸并帶有澆冒口的鑄件，如圖6-1所示。6.1鑄造工藝方法6.1鑄造工藝方法6.1.1.2手工造型方法6.1鑄造工藝方法6.1鑄造工藝方法6.1鑄造工藝方法6.1.1.3機(jī)器造型方法（1）機(jī)器造型工藝過程造型時(shí)將模板和砂箱放在震壓式造型機(jī)上（見圖6-3），填滿型砂后，先使壓縮空氣從進(jìn)氣口1進(jìn)入震擊活塞底部，頂起震擊活塞、模板及砂箱等，并將進(jìn)氣口過道關(guān)閉。（2）機(jī)器造型起模方式機(jī)器造型起模方式有頂箱式起模、漏模式起模和翻轉(zhuǎn)式起模。6.1鑄造工藝方法6.1鑄造工藝方法6.1.2特種鑄造6.1.2.1金屬型鑄造（1）鑄型構(gòu)造及特點(diǎn)金屬鑄型型腔內(nèi)設(shè)有排氣孔，分型面上還設(shè)有許多通氣槽，以便排除鑄型中氣體。6.1鑄造工藝方法（2）鑄造工藝及特點(diǎn)金屬型導(dǎo)熱快、韌性差，為防止金屬液直接沖擊型壁，必須在型腔和型芯工作表面涂刷一層厚0.3~4mm耐火材料（見圖6-5b），以便使金屬液與型腔分開。（3）金屬型鑄造特點(diǎn)金屬型相比砂型具有許多優(yōu)越性，復(fù)用性好，可實(shí)現(xiàn)“一型多鑄”，以提高生產(chǎn)率并改善勞動(dòng)條件。6.1.2.2壓力鑄造（1）壓型結(jié)構(gòu)及原理壓鑄所用的金屬型稱壓型，其壓型和型芯均用合金鋼制成，例如，鋁合金鑄件常用5CrMnMo或3Cr2W8V鋼制成。6.1鑄造工藝方法（2）壓鑄工藝過程壓鑄工藝包括向型腔噴射涂料、閉合壓鑄型、壓射金屬、打開壓鑄型和取出鑄件等過程。6.1鑄造工藝方法（3）壓鑄特點(diǎn)及應(yīng)用壓鑄冷卻速度快、結(jié)晶較細(xì)、強(qiáng)度較高（比砂型鑄件提高25%~40%），可獲得尺寸精度很高、表面粗糙度很小的鑄件，尺寸公差等級(jí)可達(dá)CT8~CT4（相當(dāng)于IT13~IT11，最高達(dá)IT9~IT8），表面粗糙度達(dá)Ra=3.2~0.8??m，而且尺寸穩(wěn)定，互換性好，可壓鑄形狀復(fù)雜的薄壁件、精密件、鑲嵌件及深腔件等，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、電機(jī)殼體、變速箱體及儀表、電器、日用五金等中小型零件。6.1.2.3低壓鑄造6.1.2.4離心鑄造6.1鑄造工藝方法6.1.2.5熔模鑄造（1）熔模鑄造工藝過程整個(gè)工藝流程包括熔模制造、結(jié)殼、脫蠟、焙燒、澆注等。（2）熔模鑄造特點(diǎn)及應(yīng)用熔模鑄造是采用整體熔模涂層的制殼工藝，型腔無分型面，殼壁表面極為光潔，可使鋼鐵鑄件尺寸公差等級(jí)達(dá)CT7~CTS（相當(dāng)于IT13~IT11），粗糙度達(dá)Ra=12.5~1.6??m，以實(shí)現(xiàn)少或無切削加工而節(jié)省金屬材料。6.1鑄造工藝方法6.1.3新型鑄造6.1.3.1快速成形（RPM）6.1鑄造工藝方法6.1.3.2無模鑄造（PCM）（見圖6-11b）6.1鑄造工藝方法6.1鑄造工藝方法6.2.1液態(tài)金屬流動(dòng)性6.2.1.1流動(dòng)性基本概念6.2鑄造工藝原理6.2鑄造工藝原理6.2.1.2影響流動(dòng)性的內(nèi)在因素（1）合金種類的影響灰鑄鐵和硅黃銅的流動(dòng)性最好，鋁硅合金次之，鑄鋼最差。（2）合金結(jié)晶性能的影響合金結(jié)晶性能主要取決于合金的結(jié)晶溫度范圍和結(jié)晶形式，并同時(shí)又取決于合金的化學(xué)成分，不同的合金種類，結(jié)晶形式不同，流動(dòng)性也不同，如圖6-13所不。6.2鑄造工藝原理（3）合金澆注溫度的影響在一定范圍內(nèi)澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度下降，且因過熱度越大，金屬液體流動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于液態(tài)金屬的充型。反之，則充型能力越差。（4）充型壓力及影響液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，其流動(dòng)充型能力越強(qiáng)。6.2.1.3影響流動(dòng)性的型腔條件（1）型腔材料與溫度液態(tài)金屬充型時(shí)，鑄型從金屬中吸收和儲(chǔ)存熱量的能力，將影響金屬的流動(dòng)速度。（2）型腔狀態(tài)與氣膜型腔表面狀態(tài)與氣膜條件對(duì)金屬流動(dòng)性影響很大，當(dāng)型腔表面光滑時(shí)，一旦澆入鐵液將會(huì)流動(dòng)無阻，而提高金屬的流動(dòng)性。（3）型腔形狀與尺寸如果鑄型型腔過窄，將會(huì)增加金屬流動(dòng)的摩擦阻力，從而降低金屬的流動(dòng)性。6.2鑄造工藝原理6.2鑄造工藝原理6.2.2凝固金屬收縮性6.2.2.1金屬收縮及影響因素（1）金屬收縮的三階段金屬收縮按形態(tài)分液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。（2）影響金屬收縮的因素金屬收縮性大小取決于合金種類、澆注溫度、鑄型條件與鑄件結(jié)構(gòu)等因素。6.2鑄造工藝原理6.2.2.2鑄件的縮孔及防止（1）縮孔和縮松的形成現(xiàn)以共晶成分鑄件的縮孔形成為例，如圖6-14a所示。6.2鑄造工藝原理（2）縮孔的形成位置縮孔一般產(chǎn)生在鑄件厚壁處或中心部，即冷卻凝固最慢的部位。（3）縮孔的防止措施在工藝上采取順序凝固原則，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口或澆道的部位先凝固，靠近冒口或澆道的部位后凝固，最后是冒口或澆道本身凝固，從而建立一個(gè)自遠(yuǎn)而近逐漸遞增的順序凝固溫度梯度曲線（見圖6-16a），以實(shí)現(xiàn)鑄件的厚實(shí)部分補(bǔ)縮薄壁部分、冒口補(bǔ)縮鑄件的厚實(shí)部分，而獲得組織致密并健全的鑄件。6.2鑄造工藝原理6.2鑄造工藝原理6.2.3鑄造應(yīng)力及其危害6.2.3.1鑄造應(yīng)力及形成（1）熱應(yīng)力及其形成圖6-17所示T形梁鑄件，由厚薄不同的I和Ⅱ兩部分組成，I部分較厚、冷卻較慢，Ⅱ部分較薄則冷卻較快，導(dǎo)致同一時(shí)期內(nèi)各部分收縮不一致而產(chǎn)生彎曲度不同，如圖6-17e所示。（2）機(jī)械應(yīng)力與相變應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力是指鑄件落砂前受到機(jī)械阻礙作用所形成的暫時(shí)應(yīng)力，落砂后即可消失。6.2鑄造工藝原理6.2.3.2鑄件的變形與防止（1）鑄件的變形方向鑄件內(nèi)存在應(yīng)力時(shí)，將會(huì)使其處于不穩(wěn)定狀態(tài)而自發(fā)變形，以減小內(nèi)應(yīng)力。6.2鑄造工藝原理（2）防止變形的措施在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量使鑄件壁厚均勻，形狀簡(jiǎn)單并對(duì)稱。6.2鑄造工藝原理（3）消除應(yīng)力的方法實(shí)踐證明，鑄件變形后雖可消除部分應(yīng)力，但仍有部分殘余應(yīng)力存在，且采取防變形措施后也會(huì)仍有不同程度的變形。6.2鑄造工藝原理6.2.3.3鑄件的裂紋與防止（1）熱裂紋及特征熱裂紋是在鑄件固相線（約1000~1100°C）以下形成的裂紋，裂紋外形曲折、短而寬，裂口呈深氧化色，亦稱為結(jié)晶裂紋。（2）冷裂紋及特征冷裂紋是在鑄件冷卻到較低溫度下處于彈性狀態(tài)時(shí)形成的裂紋，裂紋細(xì)呈連續(xù)直線狀，且穿過晶界和晶內(nèi)，也稱穿晶裂紋。（3）裂紋的防止措施在治金方面，應(yīng)嚴(yán)格限制鋼鐵中的S、P含量，盡量阻止低熔點(diǎn)共晶物（Fe+FeS）和磷共晶物Fe3P的形成，以提高合金的強(qiáng)度、塑性和韌性。6.2.4常用金屬件的鑄造6.2.4.1鑄鐵件的鑄造（1）灰鑄鐵件的鑄造普通灰鑄鐵件的鐵液不經(jīng)任何處理，出爐后可直接進(jìn)行澆注，如HT100、HT150均屬這類。6.2鑄造工藝原理（2）球墨鑄鐵件的鑄造通常在出爐灰鑄鐵液澆包中，直接沖入稀土鎂合金球化劑和孕育劑（見圖6-21a），然后再注入鑄型，從而使鐵液溫度降低，流動(dòng)性比灰鑄鐵變差，因此必須提高鐵液出爐溫度，加大澆道截面，或采用型內(nèi)球化法（見圖6-21b），將球化劑預(yù)置于反應(yīng)室中，以增大鐵液充型速度，防止?jié)膊蛔憷涓簟?.2鑄造工藝原理（3）可鍛鑄鐵件的鑄造可鍛鑄鐵的熔點(diǎn)比灰鑄鐵高（約1300°C），結(jié)晶溫度蒞圍較寬，流動(dòng)性較差、收縮性較大，易產(chǎn)生澆不足、冷隔、縮孔及裂紋等缺陷。6.2.4.2鑄鋼件的鑄造6.2鑄造工藝原理6.2鑄造工藝原理（1）防氣孔及粘砂鑄鋼對(duì)型砂和型芯的強(qiáng)度、耐火度、退讓性和透氣性要求均較高，為提高型芯砂的退讓性和透氣性，不僅需采用耐火度很高的人造硅砂，而且對(duì)于中、大件鑄型還需采用強(qiáng)度較高的CO2硬化水玻璃和粘土砂干型。（2）防冷隔及澆不足中、小型鑄鋼件的澆注系統(tǒng)開設(shè)在分型面上或開設(shè)在鑄件上面，而大型鑄鋼件則開設(shè)在下面。（3）防縮孔及裂紋壁厚差較大的鑄鋼件，應(yīng)采取順序凝固法，在厚壁部位設(shè)置一定數(shù)量的冒口（見圖6-22a），并使冒口所耗鋼液占澆入金屬質(zhì)量的25%~50%，以防止縮孔、縮松等缺陷。6.2鑄造工藝原理6.2.4.3鑄鋁件的鑄造（1）鋁硅合金件的鑄造鋁硅合金［w（Si）≥5%〕又稱鋁硅明，成分處于共晶點(diǎn)附近，類似于灰鑄鐵為逐層結(jié)晶形式，具有流動(dòng)性好、收縮率?。?.8%~1.1%）、不易產(chǎn)生裂紋、致密性好等鑄造性能。（2）鋁鎂合金件的鑄造鋁鎂類合金［w（Mg）≥5%］在海水和空氣中具有非常優(yōu)異的耐蝕性能，力學(xué)性能較高，加工表面光亮美觀，并在各種鑄造鋁合金中密度最小，但其遠(yuǎn)離共晶成分，結(jié)晶溫度范圍大，鑄造性能差且液體易吸氣和氧化，因此必須采取措施（見圖6-23a），保證鋁液較快而又平穩(wěn)地流入型腔，且避免攪動(dòng)。（3）鋁銅合金件的鑄造鋁銅合金［w（Cu）≥4%］是工業(yè)上最早采用的鑄鋁合金，其重要性僅次于鋁硅合金，具有較高的室溫和高溫力學(xué)性能，切削加工性能好，但其耐蝕性較低，大多作為耐熱和高強(qiáng)度鋁合金應(yīng)用。6.2鑄造工藝原理6.2鑄造工藝原理6.2.4.4鑄銅件的鑄造（1）青銅件的鑄造錫青銅結(jié)晶溫度范圍寬（約180°C），流動(dòng)性差，易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析與澆不足，對(duì)于大、中型圓柱套類鑄件，宜采用頂注雨淋式澆注系統(tǒng)，如圖6-24a所示。（2）黃銅件的鑄造黃銅熔點(diǎn)低，結(jié)晶溫度范圍窄（30~70°C），流動(dòng)性好，可澆注薄壁（厚約3mm）復(fù)雜形鑄件，且對(duì)型砂耐火度要求不高，可用較細(xì)的型砂造型，以減小鑄件表面粗糙度值，減少加工余量。6.2鑄造工藝原理6.3.1鑄造工藝方案擬定6.3.1.1造型方法選擇（1）簡(jiǎn)單形鑄件的造型圖6-25所示為套筒鑄件的五種造型方案，可根據(jù)不同使用要求和尺寸大小分析選擇。（2）曲折形鑄件的造型圖6-26所示為曲折形鑄件的三種造型方法。6.3砂型鑄造工藝6.3砂型鑄造工藝6.3.1.2鑄型分型面選擇（1）分型面量少而平原則簡(jiǎn)化造型工藝，提高鑄件的精度和生產(chǎn)效率，要盡可能使鑄型有最少的分型面，并盡量做到只有一個(gè)分型面。6.3砂型鑄造工藝（2）鑄件全部或大部放在下型原則圖6-28所示為工作臺(tái)鑄件分型方案，方案一型腔全部位于下型，既便于型芯安放和檢驗(yàn)，又可使上型高度減低而便于合型和檢驗(yàn)壁厚，還有利于起模及翻箱操作。6.3砂型鑄造工藝（3）鑄件重要面放在同一個(gè)鑄型原則圖6-29所示為水管堵頭鑄件的分型方案，在機(jī)械加工時(shí)，鑄件上部的方頭（管鉗夾緊處）是作為外圓表面車削螺紋的基準(zhǔn)，采用加工面與加工基準(zhǔn)面都處在同一個(gè)上型內(nèi)，可減少因錯(cuò)箱造成的加工余量不夠而影響鑄件各表面間的位置精度。6.3砂型鑄造工藝6.3.1.3鑄件澆注位置確定（1）重要面向下放原則鑄件上要求較高的重要加工面或主要工作面，應(yīng)放在鑄型的下面、側(cè)面或傾斜面進(jìn)行澆注。6.3砂型鑄造工藝（2）寬大平面向下放原則鑄件上寬大平面或薄壁部分，在澆注時(shí)應(yīng)放在鑄型下部，并盡量使薄壁垂直或傾斜澆注，以免出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷。6.3砂型鑄造工藝（3）薄而大的平面向下放圖6-32所示為箱蓋的澆注位置，它將鑄件上大面積薄壁部分放在鑄型下面，使這部分能在較高的金屬液壓力下充滿鑄型，以利于防止?jié)膊蛔慊蚶涓簟＃?）厚大斷面處向上原則如圖6-33a所示為起重機(jī)卷筒的澆注位置，若將卷筒的主要加工圓周面放在鑄型側(cè)面，而次要且尺寸較小的凸緣放在上面，則既可保證卷筒全部圓周面的質(zhì)量均勻一致，又便于凸緣處放置明冒口，還可造成自下而上按順序凝固，以利于補(bǔ)縮且防止縮孔。6.3砂型鑄造工藝6.3砂型鑄造工藝（5）型芯設(shè)置穩(wěn)定原則鑄件的型芯應(yīng)放置牢固并盡量減少其數(shù)量。6.3砂型鑄造工藝6.3.2鑄造工藝參數(shù)確定6.3.2.1鑄造收縮率6.3.2.2加工余量及鑄孔（1）機(jī)械加工余量機(jī)械加工余量是指鑄件上凡需機(jī)械加工的表面，在擬定工藝時(shí)所特意加大的尺寸量，其大小取決于鑄件合金種類、鑄造方法、尺寸大小、生產(chǎn)批量、加工面質(zhì)量要求以及所處澆注位置等諸多因素。6.3砂型鑄造工藝（2）鑄出孔的大小鑄件上的孔和槽鑄出與否，應(yīng)根據(jù)鑄造工藝的可能性和使用的必要性，一般尺寸較大的孔應(yīng)鑄出，以減少切削工時(shí)并節(jié)約金屬材料。6.3砂型鑄造工藝6.3.2.3起模斜度6.3.2.4鑄造圓角6.3.2.5型芯及型芯頭6.3砂型鑄造工藝（1）芯頭高度和斜度垂直型芯一般均有上、下芯頭（見圖6-36a），短而粗型芯也可不留上芯頭（見圖6-36b），芯頭高度主要取決于型芯頭直徑，一般取15~150mm。6.3砂型鑄造工藝（2）芯頭裝配間隙為便于下芯和合箱，芯頭與芯座之間應(yīng)留有間隙S，垂直芯頭一般為0.5~4mm，若為濕型、大批量機(jī)器造型的中型件，常取S為0.5~1.5mm，而干型、大型件則取S為2~4mm。對(duì)于水平芯頭，無論濕型或干型S值均較大。6.3.3鑄造工藝文件編制6.3.3.1鑄造工藝圖繪制6.3砂型鑄造工藝（1）分型方案繪制方法選取分型面投影線的視圖一端，適當(dāng)延長(zhǎng)一短線以表示分型面位置，在其上繪出分型面和分模面表示符號(hào)，標(biāo)出兩反向箭頭和“上、下”或“上、中”“中、下”等字樣，以表示上、下型分界處和鑄件澆注位置。（2）斜度及圓角繪制方法檢查零件圖上垂直于分型面的非加工面上有無結(jié)構(gòu)斜度，若無則需在使用要求允許條件下，添加一定大小的結(jié)構(gòu)斜度。（3）型芯及澆道繪制方法繪出型芯輪廓、芯頭形狀及斜度、標(biāo)注尺寸、注明斜度及間隙數(shù)值等，型芯數(shù)量較多時(shí)應(yīng)進(jìn)行編號(hào)并標(biāo)注。6.3.3.2鑄造工藝卡片制定6.3.3.3鑄件圖及鑄型圖6.3砂型鑄造工藝6.3砂型鑄造工藝6.4.1鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求6.4.1.1鑄件外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）鑄件分型面應(yīng)盡量平直若將鑄件的分型面設(shè)計(jì)成平直形狀，不僅可使制模簡(jiǎn)便，避免操作費(fèi)時(shí)的挖砂造型或假箱造型，還可使鑄件尺寸精度誤差小、毛邊少而便于清理，因此應(yīng)盡量避免曲折形分型面，如圖6-39所示。6.4鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.4鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）鑄件外表應(yīng)盡量避免側(cè)凹鑄件垂直于分型面的側(cè)壁上，若有凹入部分，必將妨礙起模而增加鑄造工藝復(fù)雜性，應(yīng)力求避免。6.4鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）鑄件外表應(yīng)盡量避免凸起鑄件側(cè)壁上的凸臺(tái)、凸緣、肋條等結(jié)構(gòu)，若設(shè)計(jì)不當(dāng)則將會(huì)妨礙起模，而必須采用活塊造型或增加型芯等方法解決起模，但不論采用哪種方法起模，均會(huì)增加造型、制芯及模樣制造的工作量。6.4鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）鑄件側(cè)壁應(yīng)具有結(jié)構(gòu)斜度許多鑄件在設(shè)計(jì)過程中，初步確定分型面后，應(yīng)使垂直于分型面的非加工表面留有結(jié)構(gòu)斜度，以便于起模和提高鑄件精度，而且還便于自帶型芯。6.4鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.4鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.4.1.2鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）應(yīng)盡量不用或少用型芯如圖646a所示支柱的兩種設(shè)計(jì)方案，左側(cè)為箱形截面結(jié)構(gòu)，其中部空腔需采用型芯獲得，但若改為其右邊所示的工字形截面，則不需再使用型芯，既可保證鑄件質(zhì)量并提高生產(chǎn)率，又使結(jié)構(gòu)輕巧。6.4鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）應(yīng)便于型芯固定排氣和清理鑄件內(nèi)腔除應(yīng)能減少型芯數(shù)量外，還應(yīng)使型芯在鑄型中定位準(zhǔn)確、安放穩(wěn)固、排氣通暢、清理