工程材料及成形工藝 第3版 課件 9章 鑄造

第9章鑄造9.1鑄造工藝基礎(chǔ)9.2砂型鑄造9.3鑄造工藝9.4鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性9.5特種鑄造9.1.1鑄造概念9.1鑄造工藝基礎(chǔ)將液態(tài)合金澆注到與零件形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型空腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法稱為鑄造。

鑄造的基本過程：液態(tài)金屬充型鑄件凝固收縮哇，鑄造真簡單！！

鑄造具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.適于復(fù)雜零件：適于用來生產(chǎn)復(fù)雜外形復(fù)雜內(nèi)腔的零件。2.適應(yīng)范圍廣：①鑄造材料不受限制，對塑性很差的材料(如鑄鐵等)是唯一的成型工藝。②鑄件的大小、壁厚幾乎不受限制。③批量不受限制。3.成本低：原材料來源廣泛，價格低廉,一般不需要昂貴的設(shè)備。與其它成型方法相比，鑄造在機(jī)器制造業(yè)中應(yīng)用極其廣泛。在機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)、重型機(jī)器中，鑄件重量占70～90%；在風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)中鑄件重量占60～80%；在農(nóng)業(yè)機(jī)械中鑄件占40～70%；在汽車中鑄件占20～30%。鑄造的生產(chǎn)方法很多，主要可分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類，其中砂型鑄造為鑄造生產(chǎn)最基本的方法。套筒的鑄造過程

9.1.2合金的鑄造性能1合金的流動性流動性是液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的基本條件。流動性好的合金，充型能力強(qiáng)，流動性差的合金，充型能力差。如果金屬的流動性不足，則會在金屬液還未充滿鑄型前就停止了流動，使鑄件產(chǎn)生澆注不足或冷隔缺陷。

影響流動性的因素主要有：（1）合金的成分（2）澆注條件（3）鑄型條件（4）鑄件結(jié)構(gòu)0.45%C鑄鋼：200mm4.3%C鑄鐵：1800mm金屬流動性試驗在鑄件的凝固過程中，對鑄件質(zhì)量影響較大的是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的“凝固方式”可據(jù)凝固區(qū)的寬窄劃分為逐層凝固、糊狀凝固、中間凝固三種。2鑄件的凝固方式收縮是鑄件中許多缺陷產(chǎn)生的基本原因。合金的收縮分為三個階段：液態(tài)收縮階段、凝固收縮階段、固態(tài)收縮階段。合金種類Wc/%澆注溫度/℃液態(tài)收縮/%凝固收縮/%固態(tài)收縮/%總體積收縮/%鑄鋼0.3516101.637.8612.46白口鑄鐵3.014002.44.25.4～6.312～12.9灰鑄鐵3.514003.50.13.3～4.26.9～7.83合金的收縮性鐵碳合金的收縮率9.1.3鑄件的常見缺陷

1、縮孔與縮松

液態(tài)合金在冷凝過程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補(bǔ)充，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類?？s孔集中在鑄件上部或最后凝固的部位，通常隱藏在鑄件的內(nèi)層，有時也暴露在鑄件的上表面，呈明顯的凹坑；縮松則分散在鑄件的某區(qū)域內(nèi)。

縮孔形成過程縮松形成過程2、鑄造應(yīng)力、變形和裂紋鑄件凝固后將在冷卻至室溫的過程中繼續(xù)收縮，若收縮受到阻礙，加之固態(tài)相變，會使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。例如，在冷卻后期，鑄件厚的部分受拉伸、薄的部分受壓縮。如果內(nèi)應(yīng)力超過合金的屈服點(diǎn)時，鑄件力圖通過變形來減緩內(nèi)應(yīng)力，因此細(xì)長鑄件或者大而薄的鑄件易產(chǎn)生變形。當(dāng)鑄件內(nèi)應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時，鑄件便將產(chǎn)生裂紋。車床床身的彎曲變形

平板鑄件的變形

裂紋

3、鑄件中的氣孔氣孔是氣體在鑄件中形成的孔洞。氣孔破壞了金屬的連續(xù)性，減少了有效的承載面積，并引起應(yīng)力集中，因而降低了鑄件的機(jī)械性能，特別是沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度顯著降低。彌散性氣孔還可促使顯微縮松的形成，降低了鑄件的氣密性。鑄造時為什么用砂型？①砂型的耐火度高，能經(jīng)受高溫金屬液的侵蝕；②砂子具有“流動性”，便于制成生產(chǎn)鑄件所需要空腔。③砂型退讓性好，減少鑄件的應(yīng)力和裂紋傾向；④砂型透氣性良好，便于氣體逸出；⑤砂型具有一定的強(qiáng)度，能在造型、搬運(yùn)、合箱、澆注等過程中不損壞。1－下型；2－下箱；3－分型面；4－上型；5－上箱；6－通氣孔；7－出氣口；8－型芯排氣道；9－澆口盆；10－直澆道；11－橫澆道；12－內(nèi)澆道；13－型腔；14－型芯；15－型芯頭；16－型芯座9.2砂型鑄造

砂型的組成9.2.1工藝工裝設(shè)計

1根據(jù)零件圖，設(shè)計鑄造工藝圖鑄造工藝圖鑄造收縮率：0.9%2進(jìn)行工裝設(shè)計芯盒尺寸加收縮率：L模型=L毛坯（1+εl）模型手捏后型砂具有清晰的輪廓，濕度合適。折斷時斷面沒有破碎狀，具有足夠的強(qiáng)度。型砂組成粘土水玻璃桐油樹脂輔料粘接劑原砂1混砂混砂在混砂機(jī)進(jìn)行。對型砂性能要求：強(qiáng)度高、透氣好、耐火度高、一定退讓性。9.2.2造型

2、造型

套筒的分模造型過程在成批、大量生產(chǎn)時，應(yīng)采用機(jī)器造型，將緊砂和起模過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。水管接頭下型的機(jī)器造型過程

砂芯的主要作用是形成鑄件的內(nèi)腔，有時也形成鑄件的局部外形。砂芯用芯盒制造。刷涂料：提高耐高溫性，防止粘砂。烘干：提高強(qiáng)度和透氣性。3、砂芯制造4、合型將上型、下型、砂芯組合在一起的過程稱為合型，又稱合箱。合型工作包括：①鑄型的檢查；②下芯；③合上下型；④上、下型的定位；⑤鑄型的緊固。壓鐵把液體金屬澆入鑄型的操作稱為澆注。準(zhǔn)備澆包清理通道烘干用具做好防護(hù)工作澆注工藝澆注溫度澆注速度澆注過程控制9.2.3澆注落砂：從砂型中取出鑄件的過程，稱為落砂。包括清除型芯。清理：切除澆冒口，去除飛邊毛刺，清除粘砂。檢驗：鑄件的尺寸精度、表面質(zhì)量、化學(xué)成份及力學(xué)性能等是否符合要求，最重要的是檢查有無鑄造缺陷。9.2.4落砂、清理和檢驗1、澆注位置的確定原則（1）應(yīng)將鑄件的重要加工面或主要受力處放到下面，若有困難則可放到側(cè)面或斜面。9.3.1澆注位置與分型面的選擇機(jī)床床身澆注位置圓錐齒輪澆注位置起重機(jī)卷筒澆注位置9.3鑄造工藝

（2）應(yīng)有利于型腔中氣體的排出電動機(jī)端蓋澆注位置鑄鐵平臺澆注位置（3）當(dāng)鑄件壁厚不均需要補(bǔ)縮時，應(yīng)按順序凝固的原則，將厚大的部分放在上面或側(cè)面，以便于安放冒口和冷鐵。如右圖示。（4）應(yīng)盡可能避免使用吊砂、吊芯或懸壁式砂芯。鑄鐵平臺澆注位置2、鑄型分型面的選擇（1）為了起模方便，分型面一般選在鑄件最大的截面上，但注意不要使模樣在一個砂型內(nèi)過高。右圖若采用方案（2），可使模樣在下箱的高度減小。（2）盡量將鑄件的重要加工面或大部分加工面與加工基準(zhǔn)面放在同一個砂箱中，而且盡可能放在下型，以便保證鑄件的尺寸精確，但下箱型腔也不宜過深。

方案2可減小模樣在下箱的高度支架的工藝方案（3）為了簡化操作過程，保證鑄件尺寸精度，應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)目，減少活塊的數(shù)目。（4）分型面應(yīng)盡量采用平直面，這樣使操作方便。（5）應(yīng)盡量減少砂芯的數(shù)目。

繩輪的兩箱造型以砂芯代替活塊造型起重機(jī)分型面的選擇鑄造工藝參數(shù)通常是指鑄型工藝設(shè)計時需要確定的某些工藝數(shù)據(jù)，這些工藝參數(shù)一般都與模樣和芯盒尺寸有關(guān)，既與鑄件的精度有關(guān)，同時也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過程有聯(lián)系。

鑄造工藝參數(shù)主要包括：1、鑄造收縮率2、機(jī)械加工余量3、起模斜度4、最小鑄出孔5、型芯頭結(jié)構(gòu)9.3.2工藝參數(shù)的選擇芯頭與芯座的間隙垂直芯頭水平芯頭為了使金屬液流入型腔，而在鑄型中所開出的通道稱為澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)主要作用：使金屬液能平穩(wěn)地流入并充滿型腔，避免沖壞型壁和型芯；防止熔渣、砂?；蚱渌s質(zhì)進(jìn)入型腔；能調(diào)節(jié)鑄件的凝固順序。9.3.3澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)的組成放置冒口是鑄造生產(chǎn)中防止縮孔、縮松缺陷的有效措施。冒口的主要作用是補(bǔ)縮，此外，還有出氣和集渣的作用。9.3.4冒口冒口的位置設(shè)置在鑄件被補(bǔ)縮部位的上部或附近；放在鑄件最高最厚的地方；盡可能對鑄件多個熱節(jié)縮；布置在鑄件需要機(jī)械加工的表面上。冒口熱節(jié)冒口設(shè)置原則：冒口的凝固時間應(yīng)大于或等于鑄件的凝固時間；有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件的收縮；與鑄件被補(bǔ)縮部位之間必須存在補(bǔ)縮通道。澆注位置；分型面；型芯；加工余量；拔模斜度；收縮率；澆注系統(tǒng)；冒口；冷鐵等。9.3.5鑄造工藝圖鑄造工藝圖是反映零件鑄造工藝方案的圖形。其內(nèi)容包括：澆注位置；分型面；型芯；加工余量；拔模斜度；收縮率；澆注系統(tǒng)；冒口。主要內(nèi)容包括：1、鑄件的壁厚應(yīng)合理每一種鑄造合金，采用某種鑄造方法，都要求鑄件有其合適的壁厚范圍。為了避免澆不足、冷隔等缺陷，鑄件應(yīng)有一定的厚度。下表列出了幾種常用的鑄造合金在砂型鑄造條件下的鑄件最小允許壁厚。

9.4.1鑄件質(zhì)量對鑄件結(jié)構(gòu)的要求鑄件尺寸鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金鎂合金200

200以下200

200～500

500500

500以下6～810～1218～255～66～1015～206124～55～8345～73～56～839.4鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性

2、鑄件壁的連接和圓角鑄件的壁厚應(yīng)力求均勻，如果因結(jié)構(gòu)所需，不能達(dá)到壁厚均勻，則鑄件各部分不同壁厚的連接應(yīng)采用逐漸過渡。不合理合理壁厚的過渡形式3、壁厚力求均勻

金屬過多地聚集在一起，使鑄件冷卻不均勻，形成較大的內(nèi)應(yīng)力，而且易形成縮孔、縮松及裂紋。因此應(yīng)取消不必要的厚大部分，減小、減少熱節(jié)。右圖為壁厚力求均勻的實(shí)例。不合理合理4、應(yīng)防止產(chǎn)生變形某些壁厚均勻的細(xì)長鑄件，較大面積的平板鑄件，以及壁厚不均勻的長形箱體都會由于應(yīng)力而產(chǎn)生翹曲變形?？刹捎煤侠淼慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計予以解決。不合理合理5、避免水平方向出現(xiàn)較大的平面

在澆注時，如果型內(nèi)有較大的水平型腔存在，當(dāng)液體金屬上升到該位置時，由于斷面突然擴(kuò)大，上升速度緩慢，高溫液體較長時間烘烤頂部型面，極易造成夾砂、澆不足等缺陷，同時也不利于金屬夾雜物和氣體的排出。因此，應(yīng)盡量設(shè)計成傾斜壁。

不合理合理1、減少和簡化分型面鑄件分型面的數(shù)量應(yīng)盡量少，且盡量為平面，以利于減少砂箱數(shù)量和造型工時，而且能簡化造型工藝、減少錯型、偏芯等缺陷，提高鑄件精度。9.4.2鑄造工藝對鑄件結(jié)構(gòu)的要求托架的分型面選擇示意圖2、鑄件外型和內(nèi)腔應(yīng)力求簡單

采用型芯和活塊可以制造出各種復(fù)雜的鑄件，但型芯和活塊將使造型、造芯和合型的工作量增加，且易出現(xiàn)廢品，所以設(shè)計鑄件時，其外型和內(nèi)腔力求簡單，盡量避免不必要的型芯和活塊。

在這幾個示意圖中，圖a為不合理結(jié)構(gòu)，圖b為避免活塊的設(shè)計。

3、鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)有利用于減少型芯及便于型芯的定位、固定、排氣和清理鑄件結(jié)構(gòu)由a）改為b）后，型芯的穩(wěn)定性大為提高且下芯簡便、易于排氣。鑄件結(jié)構(gòu)由a）改為b）后，在鑄件底面上增設(shè)了兩個工藝孔，這樣不僅省去了型芯撐，也便于排氣和清理。如果零件上不允許有此孔，以后則可用螺釘或木塞堵住。

4.應(yīng)有一定的結(jié)構(gòu)斜度

凡垂直于分型面的不加工面都應(yīng)有一定的斜度。結(jié)構(gòu)斜度的大小與垂直壁的高度有關(guān)，與拔模斜度不能混淆。

5.去除不必要的圓角

雖然鑄件的轉(zhuǎn)角處幾乎都希望用圓角相連接，這是由鑄件的結(jié)晶和凝固特點(diǎn)決定的。但是有些外圓角對鑄件質(zhì)量影響不大，但卻對造型或制芯等工藝過程有不良效果。

9.5特種鑄造熔模精密鑄造，就是用易熔材料（如蠟料或塑料）制成模型（簡稱熔模），在其上涂覆若干層耐火涂料，經(jīng)過硬化形成整體型殼，熔掉模型，焙燒后澆入金屬液而得到鑄件。優(yōu)點(diǎn)：①鑄件尺寸精確，表面光滑；②可鑄造形狀復(fù)雜的鑄件；③不受合金材料的限制；④可以提高金屬材料的利用率；⑤生產(chǎn)靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：①鑄件尺寸不能太大；②工藝過程復(fù)雜，工序繁多，生產(chǎn)周期長；③鑄件冷卻速度慢，降低機(jī)械性能。金屬型鑄造是將金屬液澆注到金屬制成的鑄型中，隨后冷卻獲得鑄件的鑄造方法。金屬型可以使用幾百次到上萬次。①鑄型是永久型，生產(chǎn)時不需要造型，所以生產(chǎn)效率高，勞動條件好，對環(huán)境污染小；②金屬型的導(dǎo)熱性和蓄熱性高；③工序簡單，鑄件質(zhì)量和尺寸易于控制，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化；④金屬型鑄件具有較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度，因而減少了加工余量，材料消耗減少；⑤金屬型激冷作用大，無退讓性，無透氣性；⑥模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。離心鑄造是將液體金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使液體金屬在離心力的作用下充填鑄型和凝固形成的一種鑄造方法。創(chuàng)造使鑄型旋轉(zhuǎn)的條件；旋轉(zhuǎn)速度（一般250～1500r/min）。