《機(jī)械制造基礎(chǔ)》第2版 課件 柳青松 第6、7章 鑄造、壓力加工

Chapter鑄造66.1鑄造成形基礎(chǔ)

案例導(dǎo)入圖6-1插齒機(jī)刀軸蝸輪工藝圖圖6-1所示為插齒機(jī)刀軸蝸輪鑄造工藝圖，其工藝分析如下。⑴生產(chǎn)批量大批生產(chǎn)⑵技術(shù)要求1）材質(zhì)耐磨鑄鐵2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖6-1所示為筒類(lèi)鑄件。最大直徑，長(zhǎng)260mm，主要壁厚30mm，鑄件質(zhì)量48kg。案例導(dǎo)6.1鑄造成形基礎(chǔ)

案例導(dǎo)入圖6-1插齒機(jī)刀軸蝸輪工藝圖案例導(dǎo)3）使用要求①蝸輪的齒部是與材質(zhì)為20Cr的蝸桿嚙合，要求精度保持性好，且耐磨。②內(nèi)徑φ165mm和外徑φ205mm的圓柱面為滑動(dòng)摩擦面，要求表面粗糙度低（Ra0.63~0.32um）。因此鑄件必須組織致密、硬度均勻、耐磨，不允許有任何鑄造缺陷。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

初步分析案例導(dǎo)⑴分型面的選擇①分型面選在蝸輪的一側(cè)上（如圖6-1Ⅰ），采用此方案對(duì)造型、下芯均方便。但存在兩個(gè)缺點(diǎn)，首先其內(nèi)澆道必然開(kāi)在蝸輪的輪緣上；此外，其組織不致密，硬度不均勻，耐磨性不好，也容易產(chǎn)生錯(cuò)型缺陷。②沿中心線水平分型（如圖6-1Ⅱ），此時(shí)造型、下芯更為方便。澆注系統(tǒng)可另行設(shè)計(jì)，以確保鑄件內(nèi)部質(zhì)量。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

初步分析案例導(dǎo)⑵澆注位置的選擇①水平澆注用此方案時(shí)鑄件上部的質(zhì)量較差，易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷，且組織不致密、耐磨性差。②垂直澆注如圖6-1所示，采用反雨淋式澆口，垂直澆注。由于澆注系統(tǒng)的撇渣效果好，氣體易排除，鐵液上升穩(wěn)定，因而鑄件不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等鑄造缺陷，鑄件的組織致密、均勻、耐磨性良好。綜上分析比較，確定選用平做立澆、一型兩件的工藝，采用機(jī)器造型。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)合金的鑄造性能，是指合金在鑄造生產(chǎn)中表現(xiàn)出來(lái)的工藝性能，即獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，它對(duì)是否易于獲得合格鑄件有很大影響。合金的鑄造性能是選擇鑄造合金、確定鑄造工藝方案及進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。合金的鑄造性能主要指合金的充型能力、收縮、吸氣性等。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)6.1.1合金的充型能力

合金的充型能力是指液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得尺寸正確、形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。充型能力取決于液態(tài)金屬本身的流動(dòng)性，同時(shí)又受鑄型、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。因此，充型能力差的合金易產(chǎn)生澆不到、冷隔、形狀不完整等缺陷，使力學(xué)性能降低，甚至報(bào)廢。影響合金充型能力的主要因素是合金的流動(dòng)性。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)

合金的流動(dòng)性是液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力，它是影響充型能力的主要因素之一。流動(dòng)性越好，液態(tài)合金充填鑄型的能力越強(qiáng)，越易于澆注出形狀完整、輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件；有利于液態(tài)合金中氣體和熔渣的上浮和排除；易于對(duì)液態(tài)合金在凝固過(guò)程中所產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮。如果合金的流動(dòng)性不良，則鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔等鑄造缺陷。

合金的流動(dòng)性大小，通常以澆注的螺旋試樣長(zhǎng)度來(lái)衡量。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)如圖6-2所示，螺旋上每隔50mm有一個(gè)小凸點(diǎn)作測(cè)量計(jì)算用。在相同的澆注條件下澆注出的試樣越長(zhǎng)，表示合金的流動(dòng)性越好。不同合金的流動(dòng)性不同。表6-1列出了常用鑄造合金的流動(dòng)性。由表6-1可見(jiàn)，鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性最好，鑄鋼的流動(dòng)性最差6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)表6-1常用合金的流動(dòng)性6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)

6.1.2合金流動(dòng)性的影響因素主要包括合金的化學(xué)成分、澆注溫度、充型壓力以及鑄型。

1.合金的化學(xué)成分

不同成分的鑄造合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，對(duì)流動(dòng)性的影響也不相同。純金屬和共晶成分的合金是在恒溫下進(jìn)行結(jié)晶的，結(jié)晶過(guò)程中，由于不存在液、固并存的凝固區(qū)，從表面開(kāi)始向中心逐層凝固，如圖6-3(a)所示。凝固層內(nèi)表面比較光滑，因而對(duì)尚未凝固的液態(tài)合金的流動(dòng)阻力小，故流動(dòng)性好。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)特別是共晶成分的合金，熔點(diǎn)最低，因而流動(dòng)性最好。非共晶成分的合金是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，如圖6-3(b)所示，在結(jié)晶區(qū)域內(nèi)，既有形狀復(fù)雜的枝晶，又有未結(jié)晶的液體。復(fù)雜的枝晶不僅阻礙未凝固的液態(tài)合金的流動(dòng)，而且使液態(tài)合金的冷卻速度加快，從而流動(dòng)性差。合金結(jié)晶區(qū)間越大，流動(dòng)性越差。圖6-3不同成分合金的結(jié)晶

(a)在恒溫下凝固；(b)在一定溫度范圍內(nèi)凝固6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)

2.澆注溫度

合金的澆注溫度對(duì)流動(dòng)性的影響極為顯著。澆注溫度越高，合金的黏度越低，液態(tài)金屬所含的熱量越多，在同樣冷卻條件下，保持液態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，傳給鑄型的熱量增多，使鑄型的溫度升高，降低了液態(tài)合金的冷卻速度，改善了合金的流動(dòng)性，充型能力加強(qiáng)。但是，澆注溫度過(guò)高，會(huì)使液態(tài)合金的吸氣量和總收縮量增大，增加了鑄件產(chǎn)生氣孔、縮孔等缺陷的可能性，因此在保證流動(dòng)性的前提下，澆注溫度不宜過(guò)高。在鑄鐵件的生產(chǎn)中，常采用“高溫出爐，低溫澆注”的方法。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)高溫出爐能使一些難熔的固體質(zhì)點(diǎn)熔化；低溫澆注能使一些尚未熔化的質(zhì)點(diǎn)及氣體在澆包鎮(zhèn)靜階段有機(jī)會(huì)上浮而使鐵水凈化，從而提高合金的流動(dòng)性。對(duì)于形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，為了避免產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷，澆注溫度以略高為宜。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)

3.充型壓力

金屬液態(tài)合金在流動(dòng)方向上所受到的壓力稱(chēng)為充型壓力。充型壓力越大，合金的流速越快，流動(dòng)性越好。但充型壓力不宜過(guò)大，以免產(chǎn)生金屬飛濺或因?yàn)闅怏w排出不及時(shí)而產(chǎn)生氣孔等缺陷。砂型鑄造的充型壓力由直澆道所產(chǎn)生的靜壓力形成，提高直澆道的高度可以增大充型能力。通過(guò)壓力鑄造和離心鑄造來(lái)增加充型壓力，即可提高金屬液的流動(dòng)性，增強(qiáng)充型能力。6.1鑄造成形基礎(chǔ)

鑄造成形基礎(chǔ)

4.鑄型條件

鑄型條件包括鑄型的蓄熱系數(shù)、鑄型溫度以及鑄型中的氣體含量等。鑄型的蓄熱系數(shù)是指鑄型從金屬液吸收并儲(chǔ)存熱量的能力。鑄型材料的導(dǎo)熱率、密度越大，蓄熱能力越強(qiáng)，蓄熱系數(shù)越大，對(duì)液態(tài)合金的激冷作用越強(qiáng)，金屬液保持流動(dòng)的時(shí)間就越短，充型能力越差。鑄型溫度越高，金屬液冷卻越慢，越有利于提高充型能力。另外，在澆注時(shí)，鑄型如產(chǎn)生氣體過(guò)多，且排氣能力不好，則會(huì)阻礙充型，并易產(chǎn)生氣孔缺陷。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮

6.2.1合金的收縮

1.合金收縮的概念液態(tài)合金從澆注溫度逐漸冷卻、凝固，直至冷卻到室溫的過(guò)程中，其尺寸和體積縮小的現(xiàn)象，稱(chēng)為收縮。整個(gè)收縮過(guò)程經(jīng)歷了液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個(gè)階段。

液態(tài)收縮為合金從澆注溫度冷卻至液相線溫度的收縮。凝固收縮為合金從液相線溫度冷卻至固相線溫度之間的收縮。固態(tài)收縮為合金從固相線溫度冷卻至室溫時(shí)的收縮。常用合金中，灰鑄鐵的收縮率最小，鑄造碳鋼的收縮率最大。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮2.鑄件中的縮孔與縮松

澆入鑄型中的液態(tài)合金，因液態(tài)收縮和凝固收縮所產(chǎn)生的體積收縮而不能得到外來(lái)液體的補(bǔ)充時(shí)，在鑄件最后凝固的部位形成的孔洞稱(chēng)為縮孔?？s孔分為集中縮孔與分散縮孔兩類(lèi)，一般把前者稱(chēng)為縮孔，后者稱(chēng)為縮松。廣義的縮孔也包括縮松，它是鑄件上危害最大的缺陷之一。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮

1)縮孔

縮孔是容積較大的孔洞，常出現(xiàn)在鑄件的上部或最后凝固的部位，其形狀不規(guī)則，多呈倒錐形，且內(nèi)表面粗糙。其形成過(guò)程如圖6-4所示。

液態(tài)合金填滿鑄型后，合金液逐漸冷卻，并伴隨有液態(tài)收縮，此時(shí)因澆注系統(tǒng)尚未凝固，型腔還是充滿的，如圖6-4(a)所示。隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)外緣溫度降至固相線溫度以下時(shí)，鑄件表面凝固成一層硬殼。如內(nèi)澆道已凝固，所形成的硬殼就像一個(gè)封閉的容器，里面充滿了液態(tài)合金，如圖6-4(b)所示。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮鑄件進(jìn)一步冷卻時(shí)，除了里面的液態(tài)合金產(chǎn)生液態(tài)收縮及凝固收縮外，已凝固的外殼還將產(chǎn)生固態(tài)收縮。但硬殼內(nèi)合金的液態(tài)收縮和凝固收縮遠(yuǎn)大于硬殼的固態(tài)收縮，故液面下降，與硬殼頂面脫離，如圖6-4(c)所示。此時(shí)在大氣壓力作用下，硬殼可能向內(nèi)凹陷，如圖6-4(d)所示。隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，凝固層不斷加厚，液面繼續(xù)下降，在最后凝固的部位形成一個(gè)倒錐形的縮孔，如圖6-4(e)所示。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮圖6-4縮孔的形成6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮

2)縮松

鑄件中分散在某區(qū)域內(nèi)的細(xì)小孔洞稱(chēng)為縮松，其分布面積較廣。產(chǎn)生縮松的原因也是由于鑄件最后凝固區(qū)域的收縮未能得到補(bǔ)充，或者是由于合金結(jié)晶間隔寬，被樹(shù)枝狀晶分隔開(kāi)的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)充所致?？s松可分為宏觀縮松與顯微縮松兩種。宏觀縮松用肉眼或放大鏡可以觀察到，它多分布在鑄件中心、軸線處或縮孔下方，如圖6-5所示。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小孔洞，要用顯微鏡才能觀察到。顯微縮松難以完全避免，對(duì)于一般鑄件不作為缺陷對(duì)待，但對(duì)氣密性、力學(xué)性能、物理化學(xué)性能要求很高的鑄件，則必須設(shè)法減少。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮圖6-5宏觀縮松6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮3.縮孔和縮松的防止措施防止縮孔常用的工藝措施就是控制鑄件的凝固次序，使鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固。所謂順序凝固，就是使鑄件按遞增的溫度梯度方向從一個(gè)部分到另一個(gè)部分依次凝固。在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的熱節(jié)處，通過(guò)增設(shè)冒口或冷鐵等一系列工藝措施，使鑄件遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后是冒口本身凝固，如圖6-6所示。按此原則進(jìn)行凝固，能使縮孔集中到冒口中，最后將冒口切除，就可以獲得致密的鑄件。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮圖6-6順序凝固示意圖6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

合金的收縮順序凝固原則主要適用于純金屬和結(jié)晶溫度范圍窄、靠近共晶成分的合金，也適用于凝固收縮大的合金補(bǔ)縮。

通過(guò)加壓補(bǔ)縮的方法也可以防治縮孔和縮松。將鑄型放于壓力室中，澆注后使鑄件在壓力下凝固，可顯著減少顯微縮松。此外，采用壓力鑄造、離心鑄造等特種鑄造方法使鑄件在壓力下凝固，也可有效地防治縮孔和縮松。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄造內(nèi)應(yīng)力6.2.2鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄件在凝固后繼續(xù)冷卻的過(guò)程中產(chǎn)生的固態(tài)收縮受到阻礙及熱作用，會(huì)產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力，它是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋等缺陷的主要原因。鑄造內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生的不同原因主要分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩種。

1.熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻、各部分冷卻速度不一致，致使鑄件在同一時(shí)期內(nèi)各部分的收縮不一致而引起的。如圖6-7所示。6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄造內(nèi)應(yīng)力

圖6-7熱應(yīng)力的形成6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄造內(nèi)應(yīng)力

固態(tài)收縮使鑄件的厚壁或心部受拉，薄壁或表面受壓。合金的固態(tài)收縮率越大、鑄件壁厚差別越大、形狀越復(fù)雜，所形成的熱應(yīng)力越大。

同時(shí)凝固原則，就是從工藝上采取必要的措施，使鑄件各部分冷卻速度盡量一致。但是這種凝固方式易使鑄件中心出現(xiàn)宏觀縮松或縮孔，影響鑄件的致密性。因此，這種凝固原則主要適用于縮孔、縮松傾向較小的灰口鑄鐵等合金。但是同時(shí)凝固原則的工藝措施與防止縮孔、縮松缺陷的順序凝固措施相矛盾，此時(shí)，應(yīng)根據(jù)鑄件的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)際的工藝措施以防止缺陷的產(chǎn)生。

6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄造內(nèi)應(yīng)力2.機(jī)械應(yīng)力

鑄件收縮時(shí)受到鑄型、型芯等的機(jī)械阻礙而引起的應(yīng)力稱(chēng)為機(jī)械應(yīng)力，機(jī)械應(yīng)力是暫存的，鑄件落砂后機(jī)械阻礙消除可自行消失。形成機(jī)械阻礙的原因是型砂的高溫強(qiáng)度高，退讓性差；鑄件型腔結(jié)構(gòu)等。

3.鑄件的變形與防止

內(nèi)應(yīng)力的存在是鑄件產(chǎn)生變形的主要原因。鑄件的變形使鑄件精度降低，嚴(yán)重時(shí)可能使鑄件報(bào)廢，必須進(jìn)行防止。為防止鑄件變形，首先在鑄件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使鑄件壁厚均勻、形狀簡(jiǎn)單和結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。另外，在生產(chǎn)中常用反變形法防止鑄件變形。也可采用同時(shí)凝固原則，減少熱應(yīng)力及鑄件變形。

6.2合金的收縮和鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄造內(nèi)應(yīng)力圖6-9鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)變形的影響6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造6.3.1砂型鑄造及分類(lèi)

按工藝方法不同，常用的鑄造方法可分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類(lèi)。砂型鑄造是傳統(tǒng)的鑄造方法，其特點(diǎn)是適應(yīng)性廣，成本低，生產(chǎn)周期短，應(yīng)用最為廣泛，但鑄件的精度不高，粗糙度值大，鑄型僅能使用一次，而且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也大等。特種鑄造是指與普通砂型鑄造有一定區(qū)別的一些鑄造方法，如熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等，這些方法主要從鑄型及鑄型材料、制造鑄型的工藝方法、澆注條件及液態(tài)金屬的冷卻速度等方面加以改善，有利于提高鑄件精度和表面質(zhì)量，從而獲得比砂型鑄件力學(xué)性能更高的鑄件。6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造

砂型鑄造以型砂和芯砂為造型材料制成鑄型，如圖6-10所示，它是一種通過(guò)液態(tài)金屬在重力作用下充填鑄型來(lái)生產(chǎn)鑄件的鑄造方法。2.鑄型

所用鑄型一般由外砂型和型芯組合而成。砂型的基本原材料是鑄造砂和型砂黏結(jié)劑。最常用的鑄造砂是硅質(zhì)砂，當(dāng)高溫性不滿足要求時(shí)可用鋯英砂、鉻鐵礦砂、剛玉砂等特種砂。應(yīng)用最廣的型砂黏結(jié)劑是黏土，也可采用干性油或半性油、水柔性硅酸鹽或磷酸鹽和各種合成樹(shù)脂。1.砂型鑄造6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造3.砂型鑄造的分類(lèi)

1)手工造型

手工造型操作靈活，工藝裝備簡(jiǎn)單，成本低，大小鑄件均可適應(yīng)，特別能鑄造出形狀復(fù)雜、難以起模的鑄件。但是手工造型鑄件質(zhì)量較差，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，要求工人技術(shù)水平高，適用于單件、小批量生產(chǎn)。手工造型的方法很多，表6-2列出手工造型各種方法及應(yīng)用。6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造

表6-2手工造型各種方法及應(yīng)用6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造表6-2

手工造型各種方法及應(yīng)用-續(xù)表6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造2)機(jī)器造型

用機(jī)器全部完成或至少完成緊砂操作的造型工序稱(chēng)機(jī)器造型。與手工造型相比，機(jī)器造型生產(chǎn)效率高，改善勞動(dòng)強(qiáng)度，環(huán)境污染小，制出的鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量高，加工余量小。但設(shè)備和砂箱、模具投資大，費(fèi)用高，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。因此，機(jī)器造型適用于中、小型鑄件成批或大批量生產(chǎn)。同時(shí)，在各種造型機(jī)上只能采用模板進(jìn)行兩箱造型或類(lèi)似于兩箱造型的其他方法，并盡量避免活塊和挖砂造型等，提高造型機(jī)的生產(chǎn)率。常用的機(jī)器造型方法的特點(diǎn)及應(yīng)用見(jiàn)表6-3。6.3常用的鑄造成形方法砂型鑄造

表6-3

常用的機(jī)器造型方法的特點(diǎn)及應(yīng)用6.3常用鑄造成形方法特種鑄造1.熔模鑄造

熔模鑄造又稱(chēng)失蠟鑄造。其工藝過(guò)程如圖6-11所示。熔模鑄造出的鑄件尺寸精度高，表面粗糙度值小，可以減少或省去機(jī)械加工余量。這種方法能鑄造出各種合金的鑄件，尤其是那些高熔點(diǎn)合金、難切削加工的合金及形狀復(fù)雜的小型零件，如汽輪機(jī)葉片、成型刀具和汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床上的小型零件。6.3.2特種鑄造6.3常用鑄造成形方法特種鑄造6.3常用鑄造成形方法特種鑄造2.金屬型鑄造

將液態(tài)金屬澆注到用金屬制成的鑄型而獲得鑄件的方法稱(chēng)為金屬型鑄造。金屬型通常使用鑄鐵或鑄鋼制成，可以反復(fù)使用，故鑄造又稱(chēng)“永久型鑄造”。

金屬型鑄造實(shí)現(xiàn)了“一型多鑄”，節(jié)省了造型材料和工時(shí)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。鑄件組織結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能高；同時(shí)鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量比砂型鑄造高，切削加工余量小，加工費(fèi)用低。但金屬型生產(chǎn)成本高，周期長(zhǎng)，鑄造工藝嚴(yán)格。因此，金屬型鑄造主要適用于形狀簡(jiǎn)單的有色合金鑄件的大批量生產(chǎn)，如內(nèi)燃機(jī)的鋁活塞、汽缸體、汽缸蓋以及銅合金的軸瓦、軸套等；有時(shí)也可用于生產(chǎn)某些鑄鐵件或鑄鋼件。6.3常用鑄造成形方法特種鑄造3.壓力鑄造

壓力鑄造是指在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬以高速充填金屬鑄型，并在壓力作用下凝固而獲得鑄件的方法。高壓和高速充填金屬鑄型是壓力鑄造區(qū)別于普通金屬型鑄造的重要特征。壓鑄時(shí)所用的壓力高達(dá)數(shù)十兆帕(有時(shí)高達(dá)200MPa)，充填速度約為5m/s～50m／s，液態(tài)合金充滿鑄型的時(shí)間為0.01s～0.2s，在這種情況下，對(duì)金屬的流動(dòng)性要求不高，澆注溫度可以降低，甚至可用半液態(tài)金屬來(lái)進(jìn)行澆注。壓鑄工藝過(guò)程如圖6-12所示。6.3常用鑄造成形方法特種鑄造圖6-12

壓鑄工藝過(guò)程圖6.3常用鑄造成形方法特種鑄造

壓力鑄造所獲得的鑄件精度及表面質(zhì)量高，可以壓鑄出形狀復(fù)雜的薄壁件和很小的孔或螺紋等，因?yàn)閴盒偷睦鋮s速度快，所以鑄件組織致密，抗拉強(qiáng)度比砂型鑄造高。但由于液態(tài)金屬充型速度高，壓力大，氣體難以排出，使鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生皮下氣孔，此外，金屬液也難以補(bǔ)縮，鑄件厚大部分易產(chǎn)生縮孔和縮松。因此壓力鑄造目前多用于有色金屬精密鑄件的大量生產(chǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體及箱體、化油器、支架等。6.3常用鑄造成形方法特種鑄造4.離心鑄造

將液態(tài)金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使金屬液在離心力的作用下充填鑄型并結(jié)晶凝固制成鑄件的方法，稱(chēng)為離心鑄造。離心鑄造必須在離心鑄造機(jī)上進(jìn)行，主要用于生產(chǎn)圓筒形鑄件。

圖6-13(a)為立式離心鑄造機(jī)的鑄型繞垂直軸旋轉(zhuǎn)示意圖，當(dāng)其澆注圓形鑄件時(shí)，金屬液并不填滿型腔，在離心力的作用下緊貼型腔外側(cè)而自動(dòng)形成中空的內(nèi)腔，其厚度取決于加入的金屬量。立式離心鑄造主要用于高度小于直徑的環(huán)、套類(lèi)零件。圖6-13(b)為臥式離心鑄造機(jī)，主要用于長(zhǎng)度較大的筒類(lèi)、管類(lèi)鑄件。

6.3常用鑄造成形方法特種鑄造圖6-13離心鑄造示意圖

(a)立式離心鑄造；(b)臥式離心鑄造6.3常用鑄造成形方法特種鑄造離心鑄造由于金屬的結(jié)晶按由外向內(nèi)順序凝固，鑄件組織致密，無(wú)縮孔、縮松、氣孔、夾渣等缺陷，力學(xué)性能好。當(dāng)生產(chǎn)圓形內(nèi)腔鑄件時(shí)，不需要型芯，此外，還省去了澆注系統(tǒng)，節(jié)省了材料。離心鑄造便于生產(chǎn)雙金屬鑄件，例如鋼套鑲銅襯套，其結(jié)合面牢固，節(jié)省貴重金屬。但離心鑄造不宜生產(chǎn)偏析傾向大的合金，如鋁青銅鑄件。6.3常用鑄造成形方法鑄造方法選擇

選擇鑄造方法時(shí)要結(jié)合具體生產(chǎn)情況，從合金的種類(lèi)、生產(chǎn)批量、鑄件的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、現(xiàn)有設(shè)備條件及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析，比較出一種可行的最佳方案，進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。表6-4列出了各種鑄造方法的比較，供選擇時(shí)參考。6.3.3鑄造方法的比較與合理選擇6.3常用鑄造成形方法鑄造方法選擇表6-4

各種鑄造方法的比較6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)就是根據(jù)鑄造零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)條件等，確定鑄造方案和工藝參數(shù)，繪制鑄造工藝圖，編制工藝卡等技術(shù)文件的過(guò)程。鑄造工藝設(shè)計(jì)的有關(guān)文件，是生產(chǎn)準(zhǔn)備、管理和鑄件驗(yàn)收的依據(jù)，并用于直接指導(dǎo)生產(chǎn)操作。因此，鑄造工藝設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)鑄件品質(zhì)、生產(chǎn)率和成本的高低起著重要作用。鑄造工藝設(shè)計(jì)的一般內(nèi)容和程序見(jiàn)表6-5。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)表6-5

鑄造工藝設(shè)計(jì)的一般內(nèi)容和程序6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容的繁簡(jiǎn)程度，主要取決于批量的大小、生產(chǎn)要求和生產(chǎn)條件。一般包括下列內(nèi)容：鑄造工藝圖，鑄件(毛坯)圖、鑄型裝配圖(合箱圖)、工藝卡及操作工藝規(guī)程。廣義地講，鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì)也屬于鑄造工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容，例如模樣圖、芯盒圖、砂箱圖、壓鐵圖、專(zhuān)用量具圖和樣板圖、組合下芯夾具圖等。本節(jié)以砂型鑄造為例介紹鑄造工藝的設(shè)計(jì)。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)6.4.1砂型鑄造的基本過(guò)程

砂型鑄造生產(chǎn)工藝過(guò)程如圖6-14所示。由圖6-14可以看出，砂型鑄造首先是根據(jù)零件圖繪制鑄造工藝圖，并以此做成適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，再用模型和配制好的型砂制成一定的砂型，將液態(tài)合金澆注到鑄型空腔中，待液態(tài)合金冷卻凝固后，就可落砂清理鑄件，經(jīng)檢驗(yàn)獲得符合圖紙技術(shù)要求的合格鑄件。6.3砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-14砂型鑄造生產(chǎn)工藝過(guò)程圖6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.澆注位置的選擇

澆注位置是指澆注時(shí)鑄件在鑄型內(nèi)所處的位置。選擇時(shí)應(yīng)考慮以下原則。

(1)鑄件的主要加工面或主要工作面應(yīng)處于底面或側(cè)面。這是因?yàn)殍T件上部冷卻速度慢，晶粒較粗大，上表面容易形成砂眼、氣孔、渣孔等缺陷。鑄件下部的晶粒細(xì)小，組織致密，缺陷少，質(zhì)量?jī)?yōu)于上部。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

當(dāng)鑄件有幾個(gè)重要加工面或重要面時(shí)，應(yīng)將主要的和較大的加工面朝下或側(cè)立。無(wú)法避免在鑄件上部出現(xiàn)的加工面，應(yīng)適當(dāng)加大加工余量，以保證加工后鑄件質(zhì)量。如機(jī)床床身(見(jiàn)圖6-15)和圓錐齒輪(見(jiàn)圖6-16)，圖示的位置可以避免氣孔、砂眼、縮孔、縮松等缺陷出現(xiàn)在工作面上。6.3砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-15機(jī)床床身圖6-16圓錐齒輪

(a)不合理；(b)合理6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)(2)鑄件的大平面應(yīng)朝下，見(jiàn)圖6-17。因?yàn)樵跐沧r(shí)，高溫的液態(tài)金屬對(duì)型腔的上表面有強(qiáng)烈的熱輻射，型腔上表面急劇地?zé)崤蛎浂捌鸹蜷_(kāi)裂，使鑄件表面易產(chǎn)生夾砂缺陷。

(3)鑄件的薄壁部分應(yīng)放在鑄型的下部或側(cè)面，以免產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷(見(jiàn)圖6-18)。

(4)對(duì)于容易產(chǎn)生縮孔的鑄件，應(yīng)將截面較厚的部分置于上部或側(cè)面，以便在鑄件厚處直接安置冒口，使之實(shí)現(xiàn)自下而上的凝固順序。圖6-18所示的罩殼，厚截面放在上部是有利于補(bǔ)縮的。

6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-17大平面鑄件澆注位置

(a)不合理；(b)合理6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-18

薄件澆注位置6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

(5)盡量減小型芯的數(shù)量，便于型芯的固定、檢驗(yàn)和排氣。圖6-19所示的床腿鑄件，采用圖6-19(b)的方案，中間空腔由自帶芯來(lái)形成，簡(jiǎn)化了造型工藝。

6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-19床腿鑄件澆注位置

(a)不合理；(b)合理6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.鑄型分型面的選擇

鑄型分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。分型面選擇是否合理，對(duì)鑄件的質(zhì)量好壞影響很大。因此分型面的選擇應(yīng)在保證鑄件質(zhì)量的前提下，減化鑄造工藝過(guò)程，以節(jié)省人力物力，在選擇分型面時(shí)要考慮以下原則：

(１)鑄件應(yīng)盡可能放在一個(gè)砂箱內(nèi)或?qū)⒓庸っ婊蚣庸せ鶞?zhǔn)面放在同一砂箱內(nèi)，以保證鑄件的尺寸精度。圖6-20(b)的方案較圖6-20(a)更為合理，它將鑄件全部放在下型，避免錯(cuò)箱，保證鑄件精度。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-20

床身鑄件分型面方案

(a)不合理；(b)合理6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)(２)盡量減少分型面的數(shù)量，并力求采用平直分型面代替曲折分型面。圖6-21所示為繩輪鑄件兩個(gè)分型面方案。圖6-21(b)利用環(huán)狀外型芯措施，將原來(lái)的兩個(gè)分型面減為一個(gè)分型面，并可采用機(jī)器造型。圖6-22為起重臂分型面的方案，可采用分模造型，使造型工藝簡(jiǎn)化，如采用曲線作為分型面，則必須采用挖砂或假箱造型。

6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-21

繩輪鑄件6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-22

起重臂分型面的方案6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

(３)盡量減少型芯和活塊的數(shù)量，以簡(jiǎn)化制模、造型、合型工序。

(４)為了方便下芯、合箱和檢查型腔尺寸，通常把型芯放在下型箱內(nèi)。以上所述的幾項(xiàng)原則，對(duì)于具體鑄件往往難以全面符合，因此在確定澆注位置和分型面時(shí)，一般情況下，確定澆注位置是首要的，分型面盡量與澆注位置相適應(yīng)，在保證鑄件質(zhì)量的前提下，解決主要問(wèn)題，次要問(wèn)題則應(yīng)從工藝措施上設(shè)法解決。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)3.工藝參數(shù)的確定

1)機(jī)械加工余量

鑄件上為進(jìn)行機(jī)械加工而加大的尺寸稱(chēng)為機(jī)械加工余量。加工余量的大小取決于鑄件的大小、生產(chǎn)批量、合金種類(lèi)、鑄件的復(fù)雜程度以及鑄件在澆注時(shí)的位置等。鑄鋼件表面粗糙，變形量大，加工余量比鑄鐵件大；有色金屬鑄件表面光滑、平整且價(jià)格較貴，加工余量較小。澆注時(shí)朝上的表面缺陷較多時(shí)，其加工余量應(yīng)比底面或側(cè)面要大。此外，若采用機(jī)器造型，則鑄件精度高，加工余量?。?.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)零件上的孔與槽是否鑄出，應(yīng)考慮工藝上的可行性和使用上的經(jīng)濟(jì)性。一般來(lái)說(shuō)，較大的孔與槽應(yīng)鑄出，這樣不僅節(jié)約金屬材料和切削加工工時(shí)，同時(shí)可以減少鑄件熱節(jié)。鑄鐵件上直徑小于25mm和鑄鋼件上直徑小于35mm的加工孔，在單件及小批量生產(chǎn)時(shí)可不鑄出，留待機(jī)械加工更為經(jīng)濟(jì)。而零件圖上不要求加工的孔、槽不論大小，都應(yīng)鑄出。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

2)收縮率

鑄件在冷卻過(guò)程中，由于收縮，鑄件的尺寸比模型的尺寸要小，為了保證鑄件要求的尺寸，必須加大模型的尺寸。合金收縮率的大小，隨合金的種類(lèi)及鑄件的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)而不同，還與鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度(即受阻收縮)有關(guān)。通?；铱阼T鐵的收縮率約為0.7%～1.0%，鑄鋼約為1.5%～2.0%，有色金屬約為1.0%～1.5%。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

3)拔模斜度

為了從砂型中起模或從芯盒中取芯方便，垂直于分型面的側(cè)壁在制造模型時(shí)，必須做出一定的斜度，稱(chēng)為拔模斜度，又稱(chēng)為起模斜度。

拔模斜度的大小取決于垂直壁的高度、造型方法、模型材料等，通常為30′～3°。模型越高，斜度越??；金屬模比木模的斜度??；機(jī)器造型比手工造型的斜度小。鑄件內(nèi)壁應(yīng)比外壁斜度大，一般為3°～10°。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

4)鑄造圓角

在設(shè)計(jì)和制造模樣時(shí)，對(duì)相交壁的交角要做成圓弧過(guò)渡，稱(chēng)為鑄造圓角。其目的是為了避免鑄件壁在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生裂紋、縮孔和黏砂等缺陷。鑄造圓角的大小可以在有關(guān)手冊(cè)中查出。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

5)型芯頭

型芯頭是指型芯的外伸部分，不形成鑄件輪廓，只落入型芯座內(nèi)，是為了型芯在鑄型中的定位和固定而設(shè)置的。模樣上用以在型腔內(nèi)形成芯座并放置芯頭的突出部分也稱(chēng)型芯頭。型芯頭按在鑄型中的位置分為垂直型芯頭和水平型芯頭兩類(lèi)。垂直型芯頭一般都有上、下型芯頭，短而粗的型芯也可不設(shè)置上型芯頭，型芯頭的高度Ｈ主要取決于型芯直徑ｄ。水平型芯頭的長(zhǎng)度L根據(jù)型芯頭的直徑d和型芯的長(zhǎng)度來(lái)確定。鑄型上的型芯座端部也應(yīng)留有一定的斜度α。型芯頭和鑄型型芯座之間應(yīng)留有1～4mm的間隙，以便于鑄型的裝配。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)

4.澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)為將液態(tài)金屬引入鑄型型腔而在鑄型內(nèi)開(kāi)設(shè)的通道，如圖6-23所示，它包括澆口杯、直澆口、橫澆口和內(nèi)澆口。澆口杯承接澆包倒進(jìn)來(lái)的金屬液，也稱(chēng)外澆口。直澆口連接外澆口和橫澆口，將金屬液由鑄型外部引入鑄型內(nèi)部。橫澆口則連接直澆口，分配由直澆口送來(lái)的金屬液流。內(nèi)澆口連接橫澆口，向鑄型型腔灌輸金屬液。

澆注系統(tǒng)的作用是控制金屬液充填鑄型的速度及充滿鑄型所需的時(shí)間；使金屬液平穩(wěn)地進(jìn)入鑄型，6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)圖6-23

典型澆注系統(tǒng)

6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求6.4.2

鑄造性能對(duì)結(jié)構(gòu)的要求

設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)時(shí)，如果不能滿足合金的鑄造性能要求，就可能產(chǎn)生縮孔、縮松、變形、裂紋、冷隔、澆不足、氣孔等缺陷。因此，設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。

1.鑄件壁厚設(shè)計(jì)合理

鑄件的最小壁厚是在滿足強(qiáng)度的前提下，還應(yīng)考慮合金的流動(dòng)性，否則鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。鑄件的最小壁厚是由合金的種類(lèi)、鑄件的尺寸決定的，表6-6列出了砂型鑄造條件下，常用合金鑄件的最小壁厚。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求

表6-6

常用合金鑄件的最小壁厚6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求2.鑄件壁厚盡量均勻

鑄件各部分壁厚相差過(guò)大，在厚壁處會(huì)形成金屬積聚(熱節(jié))，凝固收縮時(shí)在熱節(jié)處易形成縮孔、縮松等缺陷。同時(shí)，由于冷卻速度不一致，還會(huì)形成熱應(yīng)力，有時(shí)會(huì)使鑄件厚薄連接處產(chǎn)生裂紋，改為均勻壁厚，則上述缺陷可以避免。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求3.鑄件壁的連接

1)鑄件的結(jié)構(gòu)圓角

鑄件壁間的轉(zhuǎn)角處一般設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)圓角。當(dāng)鑄件兩壁直角連接時(shí)會(huì)形成金屬的局部積聚而易形成縮孔、縮松，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中嚴(yán)重而易產(chǎn)生裂紋。將轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)成圓角，不僅鑄件外形美觀，而且有利于造型，可避免鑄型尖角損壞而形成黏砂或砂眼缺陷。圓角半徑R的數(shù)值可參閱表6-7。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求表6-7

鑄件的內(nèi)圓角半徑R值mm6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求2)避免交叉和銳角連接

為了減少熱節(jié)，避免鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，鑄件上筋的連接應(yīng)盡量避免交叉和銳角連接，如圖6-24所示。中、小鑄件可采用交錯(cuò)接頭，大件宜采用環(huán)狀接頭，而厚壁與薄壁相連接要逐步過(guò)渡，而不能采用銳角連接。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求圖6-24

鑄件接頭結(jié)構(gòu)

(a)不合理；(b)合理6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求3)厚壁與薄壁間的連接要逐步過(guò)渡

不同壁厚的各個(gè)部分應(yīng)逐步過(guò)渡，避免壁厚的突變而產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)防止裂紋的產(chǎn)生。表6-8為幾種壁厚的過(guò)渡形式及尺寸。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求表6-8

幾種壁厚的過(guò)渡形式及尺寸6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求4）避免受阻收縮

對(duì)于線收縮較大的合金，在凝固過(guò)程中應(yīng)盡量減少鑄造應(yīng)力。圖6-25(a)為偶數(shù)直線型，由于收縮應(yīng)力過(guò)大，易產(chǎn)生裂紋，改成圖6-25(b)所示的彎曲輪輻或圖6-25(c)所示的奇數(shù)輪輻后，借輪輻或輪緣的微量變形來(lái)減少鑄造內(nèi)應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求圖6-25

輪輻的設(shè)計(jì)

(a)偶數(shù)直線型；(b)彎曲型；(c)奇數(shù)型6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求5）鑄件結(jié)構(gòu)盡量避免過(guò)大的水平面

澆注時(shí)鑄件朝上的水平面易產(chǎn)生氣孔、夾砂等缺陷。此外，大水平面也不利于金屬的充填，易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。6）防止鑄件的變形

設(shè)計(jì)某些細(xì)長(zhǎng)鑄件時(shí)，應(yīng)盡量采用對(duì)稱(chēng)截面形狀模樣，以減少鑄件的變形。圖6-26(a)中梁由于受較大熱應(yīng)力，產(chǎn)生變形，改成圖6-26(b)所示的工字截面后，雖然壁厚仍不均勻，但熱應(yīng)力相互抵消，變形大大減小。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求

6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求4.合金鑄造性能對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證鑄件使用要求的前提下，還應(yīng)盡量簡(jiǎn)化鑄造工藝過(guò)程，以提高生產(chǎn)率，降低成本，盡量使生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化。

(1)避免不必要的曲面和側(cè)凹，減小分型面和外部型芯。

圖6-27所示為一機(jī)床鑄件。圖6-27(a)在AB截面兩側(cè)設(shè)計(jì)成凹坑，必須采用兩個(gè)較大的外型芯才能取出模型，改成圖6-27(b)所示的結(jié)構(gòu)，將凹坑改為擴(kuò)展到底部的凹槽，可省去外部型芯。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求圖6-27

機(jī)床鑄件

(a)不合理；(b)合理6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求(2)分型面應(yīng)盡量平直。

圖6-51為搖臂鑄件。圖6-28(a)中兩臂的設(shè)計(jì)不在同一平面內(nèi)，分型面不平直，使制模、造型困難，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后可以采用簡(jiǎn)單平直的分型面進(jìn)行造型，如下圖所示。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求(3)凸臺(tái)、筋條的設(shè)計(jì)應(yīng)便于造型。

圖6-29(a)中的凸臺(tái)，必須采用活塊或外型芯才能取模，改成圖6-29b)后使造型簡(jiǎn)化。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求

(4)鑄件應(yīng)有合適的結(jié)構(gòu)斜度。

鑄件上垂直于分型面的不加工表面，最好具有結(jié)構(gòu)斜度，便于取模。圖2-53為結(jié)構(gòu)斜度示例圖。

鑄件結(jié)構(gòu)斜度的大小隨垂直壁的高度而不同，高度愈小，角度愈大。一般當(dāng)采用金屬?；驒C(jī)器造型時(shí)，外側(cè)面結(jié)構(gòu)斜度可取0.5°～1°，砂型和手工造型可取1°～3°，內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)斜度較外側(cè)大些。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求5.鑄造方法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

(1)盡量不用或少用型芯。

不用或少用型芯可以節(jié)省制造芯盒、造芯和烘干等工序的工具和材料，可避免型芯在制造過(guò)程中的變形、合箱中的偏差，提高鑄件的精度。

(2)應(yīng)使型芯安放穩(wěn)定、排氣暢通和清砂方便。圖6-30所示為軸承支架鑄件，圖6-30(a)所示的設(shè)計(jì)需用兩個(gè)型芯，其中大的型芯呈懸臂狀態(tài)，下芯時(shí)必須使用型芯撐，改成圖6-30(b)所示的結(jié)構(gòu)，型芯變成一個(gè)整體，裝配簡(jiǎn)便，易于排氣，穩(wěn)固性也大為提高。6.4鑄造成形的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)要求圖6-30軸承支架鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案a)不合理b）合理Chapter壓力加工7第7章

壓力加工

案例導(dǎo)入圖7-1(b)的零件為某型號(hào)的機(jī)床變速箱中齒輪軸（虛線表示），該齒輪軸零件既要承擔(dān)扭矩傳遞功能，還要具有耐磨、變形小等，為此材料按照表7-1選擇為40Cr鋼棒制造，并以相應(yīng)的熱處理保證相應(yīng)力學(xué)性能；該零件屬于中、小批量生產(chǎn)。圖7-1齒輪軸(a)鍛件余量及余塊(b)鍛件圖第7章

壓力加工

初步分析依據(jù)圖7-1（b），結(jié)合零件生產(chǎn)類(lèi)型，不難發(fā)現(xiàn)該零件具有以下的特點(diǎn)：⑴屬于臺(tái)階軸，且直徑方向差異很大，零件的最大直徑為，最小直徑小于。如用40Cr鋼棒制造，批量生產(chǎn)該零件時(shí)材料利用率低、成本較高。⑵為了保證齒輪軸的力學(xué)性能，符合產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，需要保證齒輪軸齒形部分的金屬纖維盡可能的少切削，并通過(guò)相關(guān)熱處理后達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的力學(xué)性能。為此，該零件選用自由鍛造制造毛坯。本章主要討論金屬材料鍛壓生產(chǎn)的原理、應(yīng)用及鍛壓零件的結(jié)構(gòu)工藝性。7.1金屬壓力加工基本原理

塑性變形的實(shí)質(zhì)1.單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形有兩種方式：滑移與孿晶。其主要方式是滑移，只有當(dāng)滑移過(guò)程很難進(jìn)行時(shí)，才有可能發(fā)生孿晶變形。實(shí)驗(yàn)證明，晶體只有受到切應(yīng)力時(shí)才會(huì)產(chǎn)生塑性變形。單晶體的塑性變形主要是由于切應(yīng)力引起晶體內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（即滑移變形）產(chǎn)生的，如圖7-2所示。圖7-2晶體通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移示意圖7.1金屬壓力加工基本原理

塑性變形的實(shí)質(zhì)2.多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形也是通過(guò)滑移方式進(jìn)行的，它的塑性變形可以看成是由許多單個(gè)晶粒產(chǎn)生變形的綜合效果。此外，在晶粒與晶粒之間也有滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，稱(chēng)為晶間變形。但多晶體的塑性變形以晶內(nèi)變形為主，晶間變形很小，否則將引起金屬的破壞。多晶體的每個(gè)晶粒的形狀、大小不等，相鄰晶粒的位向也不同；同時(shí)多晶體內(nèi)存在大量晶界，因此多晶體的塑性變形過(guò)程要比單晶體復(fù)雜得多。為此，金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)是晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移變形，其中位錯(cuò)是引起滑移變形的主要原因。7.1金屬壓力加工基本原理

加工硬化、再結(jié)晶1、加工硬化又稱(chēng)冷變形強(qiáng)化，是指在冷變形過(guò)程中，隨著變形程度的增加，金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性有所下降的現(xiàn)象。冷變形程度的大小對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響如圖7-3所示。圖7-3冷變形程度對(duì)低碳鋼性能的影響7.1金屬壓力加工基本原理

加工硬化、再結(jié)晶2.再結(jié)晶當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，塑性變形后被拉長(zhǎng)的晶粒將重新形核、結(jié)晶為等軸狀晶粒，加工硬化現(xiàn)象完全消除，金屬的組織和性能恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)，這一過(guò)程稱(chēng)為再結(jié)晶，如圖7-4所示。圖7-4金屬的回復(fù)和再結(jié)晶示意圖7.1金屬壓力加工基本原理

冷加工與熱加工1.冷變形及其對(duì)組織結(jié)構(gòu)和性能的影響冷變形過(guò)程中只產(chǎn)生加工硬化而無(wú)再結(jié)晶現(xiàn)象，因此金屬的變形抗力大，塑性低，變形程度小。一方面，冷變形使金屬制品強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低，即產(chǎn)生了“冷變形強(qiáng)化”現(xiàn)象。要想繼續(xù)進(jìn)行冷變形，必須增加再結(jié)晶退火工序。另一方面，冷變形能使金屬產(chǎn)品獲得較高的表面質(zhì)量和尺寸精度。常用于對(duì)已熱變形過(guò)的坯料的再加工，如冷軋、冷拉、冷沖壓等。2.熱變形及其對(duì)組織結(jié)構(gòu)和性能的影響熱加工可使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松及微裂紋焊合，組織更加致密，強(qiáng)度、塑性和韌性提高7.1金屬壓力加工基本原理

可鍛性1.金屬的可鍛性金屬的可鍛性是衡量材料在進(jìn)行塑性成形過(guò)程中獲得合格制件的難易程度?？慑懶缘膬?yōu)劣常用金屬的塑性和變形抗力來(lái)綜合衡量。塑性越好，變形抗力越小，則金屬的可鍛性越好。7.1金屬壓力加工基本原理

鍛造性2.影響鍛造性的因素金屬的鍛造性取決于金屬的本質(zhì)和變形條件⑴金屬的本質(zhì)金屬的力學(xué)性能取決于其化學(xué)成分與金屬的組織結(jié)構(gòu)⑵變形條件金屬的變性條件取決于變形溫度、變形速度與應(yīng)力狀態(tài)。①變形溫度的影響②變形速度的影響③應(yīng)力狀態(tài)的影響圖7-5變形速度對(duì)金屬鍛壓性能的影響圖7-8金屬變形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法常用鍛造合金常用的鍛造合金常用的鍛造合金包含著碳鋼、合金鋼、鋁合金以及銅合金等。⑴碳鋼⑵合金鋼⑶鋁合金⑷銅合金7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法常見(jiàn)塑性加工方法圖7-7常見(jiàn)金屬塑性加工方法a)軋制b）擠壓c）拉拔d）自由鍛e）模鍛f）板料沖壓7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法鍛壓加工特點(diǎn)⑴改善金屬組織，提高金屬的力學(xué)性能⑵范圍廣、效率高鍛壓產(chǎn)品適用范圍廣泛，模鍛和沖壓加工工藝有較高的生產(chǎn)率。⑶節(jié)省材料，減少切削加工工時(shí)⑷鍛壓的缺點(diǎn)是難以獲得形狀復(fù)雜的零件。7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法自由鍛及分類(lèi)⑴自由鍛如前所述，自由鍛所用的工具簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，靈活性大。鍛件質(zhì)量從不足1kg至300噸。由于自由鍛是局部變形，變形抗力小，故所需設(shè)備功率比模鍛要小得多。如萬(wàn)噸模鍛水壓機(jī)只能鍛造幾百千克的模鍛件，而萬(wàn)噸自由鍛水壓機(jī)卻可鍛造百噸以上的大型鍛件?？梢?jiàn)，在重型機(jī)械制造中的大型鍛件，自由鍛造是唯一可行的方法。但是，自由鍛靠人工操作，用簡(jiǎn)單的工具來(lái)控制鍛件的形狀和尺寸，所以鍛件的形狀簡(jiǎn)單、表面粗糙、精度低、生產(chǎn)率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。適合于單件和小批生產(chǎn)。⑵分類(lèi)現(xiàn)在生產(chǎn)中主要采用機(jī)器鍛造。根據(jù)鍛造設(shè)備對(duì)坯料產(chǎn)生的作用力性質(zhì)的不同，機(jī)器鍛造可分為鍛錘自由鍛和水壓機(jī)自由鍛兩種。前者用于鍛造中小型鍛件，常用設(shè)備為空氣錘和蒸汽一空氣錘，后者用于鍛造大型鍛件，用水壓機(jī)產(chǎn)生靜壓力使金屬變形。7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法自由鍛常用設(shè)備圖7-8蒸汽-空氣錘的工作原理示意圖1-進(jìn)汽管2-節(jié)汽閥3-滑閥4-排汽管5-下汽道6-上汽道7-汽缸8-活塞9-錘桿10-錘頭11-下砧7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法自由鍛工序⑴自由鍛的工序根據(jù)自由鍛工序的作用和變形要求不同，分為基本工序、輔助工序和精整工序三類(lèi)⑵基本工序基本工序是改變坯料的形狀和尺寸以達(dá)到鍛件基本成形的工序，包括鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、錯(cuò)移、彎曲、扭轉(zhuǎn)、切割等。其中，最常用的基本工序是鐓粗、拔長(zhǎng)和沖孔。圖7-9鐓粗圖7-10拔長(zhǎng)7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法自由鍛工序圖7-11沖孔7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模鍛1.模鍛的特點(diǎn)與應(yīng)用⑴模鍛的主要優(yōu)點(diǎn)模鍛與自由鍛相比的主要優(yōu)點(diǎn)如下：①可鍛造形狀比較復(fù)雜、尺寸精度高、表面粗糙度值小的接近于零件形狀的鍛件。②模鍛件機(jī)械加工余量小，公差僅是自由鍛鍛件公差的1/4～1/3，材料利用率高，因而可節(jié)省材料和切削加工工時(shí)。③模鍛件的鍛造流線組織分布更為合理，力學(xué)性能較好，因而可有效提高零件的使用性能和使用壽命。④生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高，鍛件生產(chǎn)成本低。⑤模鍛時(shí)坯料受三方向的壓應(yīng)力，可以鍛造塑性較低的金屬。7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模型鍛造1.模鍛的特點(diǎn)與應(yīng)用⑵模鍛的主要缺點(diǎn)

與自由鍛相比較，模鍛設(shè)備價(jià)格高，鍛模的設(shè)計(jì)和制造費(fèi)用高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，每種鍛模只能生產(chǎn)一種鍛件，由于設(shè)備能力的限制，模鍛件質(zhì)量不宜過(guò)大，一般在150kg以下。

⑶模鍛的應(yīng)用

模鍛已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床和動(dòng)力機(jī)械等行業(yè)重要零部件的生產(chǎn)中，主要適用于中小型鍛件的成批和大量生產(chǎn)。7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模型鍛造2.模鍛的分類(lèi)

模鍛按所用設(shè)備的不同可分為：錘上模鍛、胎膜鍛、壓力機(jī)上模鍛等，生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是錘上模鍛。⑴錘上模鍛圖7-12模鍛工作示意圖7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模型鍛造1)制坯模膛2)模鍛模膛：a.預(yù)鍛模膛b.終鍛模膛圖7-13多膛鍛模7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模型鍛造圖7-21彎曲連桿模鍛過(guò)程7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模型鍛造（2）摩擦壓力機(jī)上模鍛的特點(diǎn)

1)摩擦壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造、維修方便、使用費(fèi)用低，對(duì)廠房、地基的要求不高，鍛件成本低。2)摩擦壓力機(jī)滑塊行程不固定并具有一定的沖擊作用，因而可實(shí)現(xiàn)輕打、重打，坯料可在一個(gè)模膛內(nèi)進(jìn)行多次鍛打，不僅能完成鐓粗、彎曲、預(yù)鍛、終鍛等成形工序，也可進(jìn)行校正、精整、切邊、沖孔等后續(xù)工序的操作。3)滑塊運(yùn)動(dòng)速度較低，金屬變形過(guò)程中的再結(jié)晶可以充分進(jìn)行。4)因螺桿與滑塊間的非剛性連接，所以摩擦壓力機(jī)承受偏心載荷的能力差，通常只適用于單模膛鍛模，對(duì)于形狀復(fù)雜的鍛件，需要在自由鍛設(shè)備或其他設(shè)備上制坯。5)摩擦壓力機(jī)的飛輪慣性大，單位時(shí)間內(nèi)的行程次數(shù)比其他設(shè)備低得多，因此其生產(chǎn)效率較低。7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模型鍛造摩擦壓力機(jī)上模鍛圖7-14摩擦壓力機(jī)上模鍛1-電動(dòng)機(jī)2-傳動(dòng)帶3-摩擦盤(pán)4-飛輪5-螺母

6-螺桿7-滑塊8-導(dǎo)軌9-工作臺(tái)10-操縱桿7.2常用的鍛造合金與塑性加工方法模型鍛造⑶平鍛機(jī)上模鍛平鍛機(jī)上模鍛的特點(diǎn)除具有曲柄壓力機(jī)上模鍛的特點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)：1)坯料都是棒料或管材，并且只進(jìn)行局部（一端）加熱和局部變形加工，因此，可以完成在立式鍛壓設(shè)備上不能鍛造的某些長(zhǎng)桿類(lèi)鍛件。

2)鍛模有兩個(gè)分模面，鍛件出模方便，可以鍛出在其他設(shè)備上難以完成的在不同方向上有凸臺(tái)或凹槽的鍛件。

3)鍛件尺寸精度高、表面粗糙度值小、飛邊小、材料利用率高。

但平鍛機(jī)是模鍛設(shè)備中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一種，價(jià)格高，投資大，適用于大批量生產(chǎn)的有頭桿類(lèi)鍛件和有孔管件的局部需要鐓粗或脹孔的鍛件。7.3板料沖壓板料沖壓特點(diǎn)板料沖壓具有以下特點(diǎn)。①?zèng)_壓件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、互換性好、材料利用率高。②因加工硬化的產(chǎn)生，使沖壓件的強(qiáng)度和剛度好，有利于減輕結(jié)構(gòu)重量。③沖壓過(guò)程操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高（一臺(tái)沖床班產(chǎn)量可達(dá)30000個(gè)零件），成本低。④能生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的零件，沖壓件一般不再進(jìn)行切削加工，生產(chǎn)周期較短。但沖模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)、成本高，只有在大批量生產(chǎn)時(shí)，才能顯示其優(yōu)越性。7.3板料沖壓板料沖壓設(shè)備圖7-15落料（或沖孔）用簡(jiǎn)單模1-模柄2-上模板3-導(dǎo)套4-導(dǎo)柱5-下模板6-凹模固定板7-凹模8-凸模固定板9-導(dǎo)料板10-凸模11-定位銷(xiāo)12-卸料板7.3板料沖壓板料沖壓設(shè)備圖7-16落料一拉深復(fù)合模的結(jié)構(gòu)1一凸凹模2一定位銷(xiāo)3一頂出器；4—板料5一卸料板6一落料凹模7一拉深凸模8一落料件9一拉深件10--廢料7.3板料沖壓板料沖壓設(shè)備圖7-32沖孔-落料連續(xù)模結(jié)構(gòu)1一落料凸模2一定位銷(xiāo)3一落料凹模4—沖孔凸模5一沖孔凹模6一卸料板7一板料8一成品9一廢料7.3板料沖壓板料沖壓工序7.3.3板料沖壓的基本工序1.分離工序：分離工序是使坯料的一部分與另一部分相互分離的工序。一般包括剪切、沖裁、修整等工序。2.變形工序：變形工序是使坯料的一部分相對(duì)于另一部分產(chǎn)生位移而不破裂的工序，如拉深、彎曲、成形等。圖7-21拉深工序圖1-坯料2-第一次拉深的產(chǎn)品，即第二次拉深的坯料3-凸模4-凹模5-成品圖7-22拉深缺陷（a）起皺（b）拉穿7.3板料沖壓板料沖壓工序圖7-23有壓邊圈的拉深圖7-24彎曲圖7-25彎曲線與鍛造流線的方向7.3板料沖壓板料沖壓工序7.4其他壓力加工方法軋制1.軋制軋制成形是指金屬坯料在旋轉(zhuǎn)軋輥的壓力作用下，產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，以獲得所需要截面形狀的成形方法。軋制具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約材料、成本低，產(chǎn)品質(zhì)量和力學(xué)性能好的特點(diǎn)。軋制除生產(chǎn)板材、無(wú)縫管材和型材等原材料外，也廣泛用于生產(chǎn)各種零件。圖7-26輥鍛軋制示意圖圖7-27熱軋齒輪示意圖7.4其他壓力加工方法軋制2.軋制的分類(lèi)根據(jù)軋輥軸線與坯料軸線方向的不同，軋制分為縱軋、橫軋和斜軋三種。圖7-28斜軋7.4其他壓力加工方法擠壓1.擠壓成形的特點(diǎn)⑴擠壓時(shí)金屬材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，因而金屬的塑性可大大提高。不僅純鐵、低碳鋼、銅、鋁等塑性好的材料可以擠壓成形，高碳鋼、軸承鋼、高速鋼等材料也可擠壓成形。⑵擠壓件的精度高，可實(shí)現(xiàn)少、無(wú)切削加工，有的擠壓件可直接用于裝配。⑶擠壓時(shí)金屬的變形量大，可以擠壓出具有深孔、薄壁、細(xì)桿或異形截面的制件。⑷由于強(qiáng)烈的加工硬化作用和具有良好的鍛造流線，擠壓件的力學(xué)性能較高。⑸擠壓操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)效率比一般鍛造等機(jī)械加工的方法提高幾倍甚至幾十倍。但擠壓時(shí)坯料變形抗力較大，需選用噸位較大的設(shè)備；擠壓時(shí)模具易于磨損。。7.4