金屬材料成型基礎(chǔ)2

金屬材料成形(chénɡxínɡ)基礎(chǔ)主講(zhǔjiǎng)徐曉峰共七十七頁第一章工程(gōngchéng)材料性質(zhì)第八章切削(qiēxiāo)加工基礎(chǔ)知識第三章金屬塑性成形(壓力加工)第四章金屬焊接成形第五章非金屬材料和復(fù)合材料與成形第七章材料成形方法選擇與質(zhì)量控制第二章金屬液態(tài)成形(鑄造生產(chǎn))第六章先進(jìn)成形方法及發(fā)展趨勢第九章零件表面的切削加工方法與選擇第十章機械加工工藝過程的基礎(chǔ)知識共七十七頁第二章金屬(jīnshǔ)液態(tài)成形(鑄造)重點：1）金屬液態(tài)(yètài)成形（鑄造）工藝原理

2）鑄造工藝設(shè)計

3）鑄件結(jié)構(gòu)工藝性難點：1）金屬液態(tài)成形（鑄造）工藝原理

2）鑄造工藝設(shè)計共七十七頁概述一、什么是金屬液態(tài)(yètài)成形（鑄造生產(chǎn)）

將液態(tài)金屬(jīnshǔ)澆注到與零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法。共七十七頁零件圖鑄造(zhùzào)工藝圖鑄型(zhùxínɡ)型芯芯盒芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理檢驗鑄件二、砂型鑄造的工藝過程澆注冷卻凝固共七十七頁（1）材料來源廣；（2）廢品可重熔；（3）設(shè)備(shèbèi)投資低。三、金屬(jīnshǔ)液態(tài)成形（鑄造生產(chǎn)）的特點1．可生產(chǎn)形狀任意復(fù)雜的制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的制件。如汽缸體、汽缸蓋、蝸輪葉片、床身件等。（1）合金種類不受限制；（2）鑄件大小幾乎不受限制。2．適應(yīng)性強：

3．成本低：

4．廢品率高、表面質(zhì)量較低、勞動條件差。共七十七頁四羊方尊（公元前13~11世紀(jì)(shìjì)）青銅高58.3CM曾侯乙尊盤公元前476年~公元前4世紀(jì)(shìjì)上半葉共七十七頁共七十七頁共七十七頁第一節(jié)金屬液態(tài)成形(chénɡxínɡ)（鑄造）工藝原理充型能力不足(bùzú)時，會產(chǎn)生澆不足、冷隔、夾渣、氣孔等缺陷。

一、液態(tài)合金的流動性合金的流動性是：液態(tài)合金本身的流動能力。充型——液態(tài)合金填充鑄型的過程。充型能力——液體金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰的鑄件（成形件）的能力?！?-1液態(tài)金屬的充型能力與流動性共七十七頁0.45%C鑄鋼(zhùɡānɡ)：200出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵(zhùtiě)：1800共七十七頁影響(yǐngxiǎng)液態(tài)合金流動性的因素：a）在恒溫下凝固b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固PbSb20406080204060800流動性（cm）100200300溫度（℃）01.合金(héjīn)的化學(xué)成分ab共七十七頁（3）澆注(jiāozhù)系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)

澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動阻力越大，充型能力越差。

二、澆注(jiāozhù)條件（1）澆注溫度

一般T澆越高，液態(tài)金屬的充型能力越強。（2）充型壓力

液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力越大，充型能力越強。2.合金的物理性質(zhì)合金的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、熱容、密度等共七十七頁（2）鑄型溫度

鑄型溫度越高，液態(tài)(yètài)金屬與鑄型的溫差越小，充型能力越強。（3）鑄型(zhùxínɡ)中的氣體三、鑄型充填條件（1）鑄型的蓄熱系數(shù)

鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從其中的金屬吸取熱量并儲存在本身的能力。共七十七頁（2）鑄件復(fù)雜程度鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(liúdòng)阻力大，鑄型的充填就困難。四、鑄件(zhùjiàn)的結(jié)構(gòu)（1）鑄件的折算厚度折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù)，是鑄件體積與表面積之比。折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就好。鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更容易充填。共七十七頁

§1-2液態(tài)(yètài)合金的凝固與收縮一、鑄件(zhùjiàn)的凝固方式

1.逐層凝固2.糊狀凝固

3.中間凝固

影響鑄件凝固方式的主要因素：（1）合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固

。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)共七十七頁（2）鑄件(zhùjiàn)的溫度梯度

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決(qǔjué)與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其對應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。表層中心St鑄件溫度成分溫度S1T1T2二、合金的收縮1.收縮的概念T澆T液T固T室合金的收縮經(jīng)歷如下三個階段：（1）液態(tài)收縮

從澆注溫度到凝固開始溫度之間的收縮。T澆

—T液共七十七頁體收縮率是鑄件(zhùjiàn)產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因。體收縮率：線收縮率：線收縮率是鑄件(zhùjiàn)產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因。（3）

固態(tài)收縮

從凝固終止溫度到室溫間的收縮。

T固

—T室（2）

凝固收縮

從凝固開始到凝固終止溫度間的收縮。

T液

—T固共七十七頁2.縮孔與縮松

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充，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中(jízhōng)的稱為縮孔，細(xì)小而分散的稱為縮松。1)縮孔和縮松的形成(xíngchéng)共七十七頁§1-3鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形(biànxíng)、裂紋

一、鑄造(zhùzào)內(nèi)應(yīng)力

鑄件在凝固以后的繼續(xù)冷卻過程中，其固態(tài)收縮受到阻礙，鑄件內(nèi)部即將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

1.機械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）

合金的線收縮受到鑄型、型芯、澆冒系統(tǒng)的機械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。機械應(yīng)力是暫時應(yīng)力。上型下型共七十七頁2．熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分(bùfen)冷卻速度不同，以致在同一時期內(nèi)鑄件各部分(bùfen)收縮不一致而引起的應(yīng)力。tT12t0t1t2t3THT臨T室t0~t1:塑性(sùxìng)狀態(tài)彈性狀態(tài)12+-12t1~t2：t2~t3：+-1212-+12共七十七頁

熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸(lāshēn)（拉應(yīng)力），薄壁或表層受壓縮（壓應(yīng)力）。

熱應(yīng)力是永久應(yīng)力。二、鑄件的變形(biànxíng)與防止

+-反變形法共七十七頁防止變形(biànxíng)的方法：1）使鑄件(zhùjiàn)壁厚盡可能均勻；2）采用同時凝固的原則；3）采用反變形法。三、鑄件的裂紋與防止

1．熱裂

熱裂的形狀特征是：裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色。熱裂的防止：①應(yīng)盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。②應(yīng)提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機械應(yīng)力。③對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制硫的含量，防止熱脆性。

共七十七頁2．冷裂

冷裂的特征是：裂紋細(xì)小，呈連續(xù)直線(zhíxiàn)狀，縫內(nèi)有金屬光澤或輕微氧化色。

冷裂的防止(fángzhǐ)：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時凝固的原則；3）對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制磷的含量，防止冷脆性。

共七十七頁第二節(jié)砂型(shāxíng)鑄造§2-1砂型鑄造(zhùzào)的生產(chǎn)過程一、手工造型適用于單件、小批量生產(chǎn)共七十七頁二、機器(jīqì)造型

1)生產(chǎn)效率高;2)鑄型質(zhì)量好（緊實度高而均勻、型腔輪廓清晰）;3)設(shè)備和工藝裝備費用高，生產(chǎn)準(zhǔn)備時間(shíjiān)較長。適用于中、小型鑄件的成批、大批量生產(chǎn)。共七十七頁型砂落砂捅箱機壓鐵傳送機鑄件輸送機下箱造型機鑄型輸送機下箱翻箱、落箱機下芯合箱機合箱冷卻箱冷卻澆注壓鐵加砂機加砂機上箱造型機1．機器造型(zàoxíng)的造型(zàoxíng)方法：1）振擊壓實2）汽動微振壓實3）高壓(gāoyā)造型4）拋砂緊實共七十七頁共七十七頁共七十七頁1）射芯機2）殼芯機2．機器造型(zàoxíng)的造芯方法：共七十七頁共七十七頁共七十七頁共七十七頁§2-2鑄造(zhùzào)工藝設(shè)計鑄造(zhùzào)工藝圖—將工藝設(shè)計的內(nèi)容（工藝方案）用工藝符號或文字在零件圖上表示出來所形成的圖樣。共七十七頁共七十七頁下上頂面底面?zhèn)让妫ê茫ú睿ù魏茫┮?、澆注位?wèizhi)的選擇澆注(jiāozhù)時鑄件在鑄型中所處的空間位置。共七十七頁1.鑄件(zhùjiàn)的重要加工面和受力面應(yīng)朝下或位于側(cè)面上下②①下上上下3.鑄件(zhùjiàn)的大平面應(yīng)朝下

2.應(yīng)將面積較大的薄壁部位置于鑄型下部，或使其傾斜位置上下4.為防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的缺陷，應(yīng)使鑄件的厚大部位朝上或側(cè)放

上下下上①②共七十七頁二、分型面的選擇(xuǎnzé)

1.分型面應(yīng)選在鑄件(zhùjiàn)的最大截面處。2.應(yīng)盡量使鑄件的全部或大部置于同一砂箱，以保證鑄件的尺寸精度。3.應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)量，并盡可能選擇平面分型。

①②①②上下中共七十七頁4.為便于造型、下芯、合箱及檢驗鑄件壁厚，應(yīng)盡量(jǐnliàng)使型腔及主要型芯位于下箱。下上上下①②①②共七十七頁50150?100?180?602-?8全部三、工藝(gōngyì)參數(shù)的確定

生產(chǎn)批量最小鑄出孔直徑灰口鑄鐵件鑄鋼件大量生產(chǎn)成批生產(chǎn)單件、小批生產(chǎn)12～1515～3030～5030～50501．機械(jīxiè)加工余量和鑄孔

下上材料：HT200數(shù)量：100件共七十七頁50150?100?180?602-?8全部下上2．起模斜度(xiédù)3．鑄造(zhùzào)圓角

圓角半徑一般約為相交兩壁平均厚度的1/3~1/2。共七十七頁4．鑄造(zhùzào)收縮率5．型芯及芯頭通?；诣T鐵為0.7~1.0%，鑄造碳鋼為1.3~2.0%，鋁硅合金(héjīn)為0.8~1.2%，錫青銅為1.2~1.4%。型芯的功用是形成鑄件的內(nèi)腔、孔洞和形狀復(fù)雜阻礙起模部分的外形。

芯頭的作用：1）定位作用；2）固定作用；3）排氣作用。共七十七頁共七十七頁收縮率:1%共七十七頁四、澆、冒口系統(tǒng)(xìtǒng)

1.澆注(jiāozhù)系統(tǒng)1）澆注系統(tǒng)的組成及作用2）澆注系統(tǒng)的常見類型

①封閉式澆注系統(tǒng)

ΣF直>ΣF橫>ΣF內(nèi)

ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1.15∶1.1∶1

②開放式澆注系統(tǒng)

ΣF直<ΣF橫<ΣF內(nèi)

ΣF直∶ΣF橫：ΣF內(nèi)=1∶2∶4共七十七頁a)頂注式b)中注式c)底注式d)階梯式e)雨淋式f)縫隙式共七十七頁2.冒口冒口是在鑄型(zhùxínɡ)中設(shè)置的一個儲存金屬液的空腔。

冒口普通(pǔtōng)冒口特種冒口明冒口暗冒口保溫冒口發(fā)熱冒口大氣壓力冒口易割冒口共七十七頁數(shù)量(shùliàng)：50件五、鑄造工藝設(shè)計(shèjì)實例

①②③上下材料：HT200收縮率：1.0%共七十七頁上下ⅠⅡ其余(qíyú)數(shù)量(shùliàng)：50件共七十七頁共七十七頁§3-1熔模鑄造成形(chénɡxínɡ)工藝在易熔模樣表面包覆若干層耐火材料，待其硬化干燥后，將模樣熔去制成中空型殼，經(jīng)澆注而獲得鑄件的一種成形工藝(gōngyì)方法。一、熔模鑄造的工藝過程第三節(jié)特種鑄造共七十七頁母模壓型蠟?zāi)＝M結(jié)殼脫蠟單個蠟?zāi)１簾沧⒐财呤唔摴财呤唔摱?、熔模鑄造的特點(tèdiǎn)和適用范圍1．鑄件的精度(jīnɡdù)和表面質(zhì)量較高，公差等級可達(dá)IT11~IT13，表面粗糙度Ra值達(dá)1.6~12.5μm。2．合金種類不受限制，尤其適用于高熔點及難加工的高合金鋼，如耐熱合金、不銹鋼、磁鋼等。

3．可鑄出形狀較復(fù)雜的鑄件，如鑄件上寬度大于3mm的凹槽、直徑大于2mm的小孔均可直接鑄出。

4．生產(chǎn)批量不受限制，單件、成批、大量生產(chǎn)均可適用。

5．工藝過程較復(fù)雜，生產(chǎn)周期長；原材料價格貴，鑄件成本高；鑄件不能太大、太長，否則熔模易變形，喪失原有精度。共七十七頁應(yīng)用：它最適合25kg以下的高熔點、難以切削加工合金鑄件的成批大量(dàliàng)生產(chǎn)。共七十七頁

§3-2金屬型鑄造成(zàochénɡ)形工藝

液態(tài)(yètài)金屬澆入金屬型鑄件獲得一、金屬型的材料及結(jié)構(gòu)材料一般采用鑄鐵，要求較高時，可選用碳鋼或低合金鋼。金屬型的結(jié)構(gòu)有水平分型式、垂直分型式和復(fù)合分型式等。共七十七頁共七十七頁二、金屬(jīnshǔ)型的鑄造工藝

1．加強(jiāqiáng)金屬型的排氣2．在金屬型的工作表面上噴刷涂料3．預(yù)熱金屬型并控制其溫度4．及時開型三、金屬型鑄造的特點及適用范圍1．金屬型鑄件冷卻速度快，組織致密，力學(xué)性能高。

2．鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量均優(yōu)于砂型鑄造件。尺寸精度達(dá)IT12~IT14，Ra值平均可達(dá)6.3~12.5μm。3．生產(chǎn)率高，勞動條件得到改善。共七十七頁4．金屬型不透氣、無退讓性、鑄件冷卻速度快，易產(chǎn)生

氣孔(qìkǒng)、應(yīng)力、裂紋、澆不到、冷隔、白口等鑄造缺陷。

應(yīng)用：主要用于銅、鋁、鎂等有色合金(héjīn)鑄件的大批量生產(chǎn)。共七十七頁§3-3壓力鑄造(zhùzào)成形工藝液態(tài)(yètài)金屬在高壓作用下快速壓入金屬鑄型中，并在壓力下結(jié)晶，以獲得鑄件的成形工藝方法。一、壓鑄機和壓鑄工藝過程共七十七頁共七十七頁二、壓力(yālì)鑄造的特點和適用范圍

1．鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量最高。公差等級(děngjí)一般為

IT11~IT13級，Ra為3.2~0.8μm。2．鑄件的強度和表面硬度高。抗拉強度可比砂型鑄造提高25~30%，但伸長率有所下降。

3．可壓鑄出形狀復(fù)雜的薄壁件。

4．生產(chǎn)率高。國產(chǎn)壓鑄機每小時可鑄

50~150次，最高可達(dá)500次。

5．便于采用鑲嵌法。

共七十七頁6．壓鑄設(shè)備投資大，壓鑄型制造成本高，工藝準(zhǔn)備時間長，不適宜(shìyí)單件、小批生產(chǎn)。7．由于壓鑄型壽命的原因，目前壓鑄尚不適宜鑄鐵、鋼等高熔點(róngdiǎn)合金的鑄造。8．壓鑄件內(nèi)部存在縮孔和縮松，表皮下形成許多氣孔。三、在壓鑄件的設(shè)計和使用中，應(yīng)注意的問題應(yīng)使鑄件壁厚均勻，并以3~4mm壁厚為宜，最大壁厚應(yīng)小于6~8mm，以防止縮孔、縮松等缺陷。2.壓鑄件不能進(jìn)行熱處理或在高溫下工作，以免壓鑄件內(nèi)氣孔中的氣體膨脹，導(dǎo)致鑄件表面鼓泡或變形。共七十七頁3.壓鑄件應(yīng)盡量避免切削加工(jiāgōng)，以防止內(nèi)部孔洞外露。4.由于壓鑄件內(nèi)部疏松，塑性、韌性(rènxìnɡ)相對較差，因此不適宜制造承受沖擊的制件。應(yīng)用：有色薄壁小件的大批量生產(chǎn)。共七十七頁§3-4離心鑄造(zhùzào)成形工藝

將液態(tài)金屬注入高速旋轉(zhuǎn)（250~1500r/min)的鑄型中，使其在離心力作用下充填鑄型并結(jié)晶，以獲得(huòdé)鑄件的生產(chǎn)方法。一、離心鑄造的基本方式1.立式離心鑄造機2.臥式離心鑄造機共七十七頁共七十七頁二、離心鑄造(zhùzào)的特點及應(yīng)用范圍應(yīng)用(yìngyòng)：目前是鑄鐵管、氣缸套