先進(jìn)成形與智能技術(shù) 課件 第2章鑄造成形技術(shù)

先進(jìn)成形與智能技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS第1章

第7章

第8章

第6章

第5章

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第3章

第2章

緒論軋制成型技術(shù)鍛壓加工技術(shù)特種加工及增材制造技術(shù)焊接工藝基礎(chǔ)鑄造技術(shù)金屬成型過程智能控制技術(shù)智能檢測技術(shù)第2章鑄造技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造

我國有輝煌的傳統(tǒng)冶鑄歷史，在殷商時(shí)期就有燦爛的青銅器鑄造技術(shù)。如北京明朝永樂青銅大鐘，重達(dá)46.5t，鐘高6.75m，鐘唇厚22cm，外徑3.3m，鐘體內(nèi)遍鑄經(jīng)文22.7萬字，擊鐘時(shí)尾音長達(dá)2分鐘以上，傳距20km。外形和內(nèi)腔如此復(fù)雜、重量如此巨大、質(zhì)量要求如此高的青銅大鐘，正說明我國早已掌握冶煉和鑄造技術(shù)。概述第2章鑄造技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造

鑄造——將熔融金屬倒入預(yù)制的模具中，待其冷卻凝固后，以獲得所需性能和形狀的零件和毛坯。

鑄造在現(xiàn)代制造業(yè)占據(jù)極其重要的地位，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、機(jī)械、航空等多個(gè)領(lǐng)域，為制造業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。汽車水泵鑄件法蘭鑄件航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片鑄件概述第2章鑄造技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造優(yōu)點(diǎn)：可制成形狀復(fù)雜，具有復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯，如箱體、氣缸體等；適用范圍廣，工業(yè)常用的金屬材料均可以鑄造；原材料來源廣，價(jià)格低廉；鑄件形狀尺寸與零件接近，減少了機(jī)械加工量。缺點(diǎn)：機(jī)械性能不如鍛件，組織粗大，缺陷多；砂型鑄造中，單件、小批量生產(chǎn)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定，工序多，影響因素復(fù)雜，易產(chǎn)生許多缺陷。概述鑄造技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.1.1液態(tài)合金的充型

充型：液態(tài)合金填充鑄型的過程，稱為充型。液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、形狀精準(zhǔn)、輪廓清晰健全成形件的能力，稱為液態(tài)合金的充型能力。充型能力不足澆不足冷隔夾砂氣孔

影響充型能力的因素：合金的流動(dòng)性、澆注條件、鑄型填充條件和鑄件結(jié)構(gòu)。第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造一、合金的流動(dòng)性：

合金的流動(dòng)性的測定：將合金液澆入鑄型中，測量冷凝后充滿型腔的試樣長度，澆出的試樣越長，合金的流動(dòng)性越好。螺旋形試樣矩形試樣

液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力，稱為合金的流動(dòng)性。合金的流動(dòng)性越好，充型能力就越強(qiáng)，越便于澆注出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件。同時(shí)，有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除，還有利于對合金冷凝過程所產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮。常用試樣第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造幾種不同合金流動(dòng)性比較鑄鋼的流動(dòng)性鑄鐵的流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)證明鑄鐵的流動(dòng)性好，鑄鋼的流動(dòng)性差。流速慢且未充滿流速快且充滿第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造

(1)化學(xué)成分

純金屬和共晶成分合金的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，流動(dòng)性最好。合金成分愈遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)，結(jié)晶溫度范圍愈寬，流動(dòng)性愈差。

影響合金流動(dòng)性的因素（a)在恒溫下凝固（b)在一定溫度范圍內(nèi)凝固結(jié)晶特性對流動(dòng)性的影響1-液相2-樹枝晶固相T0-澆注溫度Tg-過熱度T?-凝固溫度范圍共晶點(diǎn)第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造合金鑄型澆注溫度/℃螺旋線長度/mm灰鑄鐵ωC+ωsi=4.2%~5.2%砂型13001000鑄

鋼ωC=0.4%砂型1600~1640100~200錫青銅ωSn=9%~11%ωZn=2%~4%砂型1040420硅黃銅ωsi=1.5%~4.5%砂型11001000鋁合金（硅鋁明）金屬型

（300℃）680~720700~800常用合金流動(dòng)性的比較第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造二、澆注條件澆注條件1、澆注溫度2、充型壓力3、澆注系統(tǒng)澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過熱度高，金屬液內(nèi)含熱量多，保持液態(tài)的時(shí)間長，充型能力強(qiáng)。液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力稱為充型壓力。充型壓力越大,充型能力越強(qiáng)。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1.材料導(dǎo)熱系數(shù)：

其導(dǎo)熱系數(shù)越大，對液態(tài)合金的微冷能力越強(qiáng)，合金的充型能力就越差。如金屬型鑄造較砂型鑄造容易產(chǎn)生澆不足和冷隔缺陷。2.鑄型溫度：

在金屬型鑄造、壓力鑄造和熔模鑄造時(shí)，為了減少鑄型和金屬液之間的溫度差，減緩合金的冷卻速度，可將鑄型預(yù)熱數(shù)百度再進(jìn)行澆注，使充型能力得到提高。3.鑄型中的氣體：

澆注時(shí)因熔融金屬在型腔中的熱作用而產(chǎn)生大量氣體，如果鑄型的排氣能力差，型腔中的氣壓將增大，以致阻礙液態(tài)合金的充型。三、鑄型充填條件第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造鑄件壁厚：鑄件壁厚越大，熱量散失越慢，充型能力就越好；鑄件壁厚過小，壁厚急劇變化或有較大水平面等結(jié)構(gòu)時(shí)，都使液態(tài)合金的充型能力降低。鑄件壁厚相同時(shí)，垂直壁比水平壁更容易充填(大平面鑄件不易成形)，在鑄造時(shí)要注意最小壁厚的要求。復(fù)雜程度：鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力就越大，鑄型的充填就越困難。四、鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，鑄件的壁厚必須大于規(guī)定的最小允許壁厚值，有的鑄件需設(shè)計(jì)工藝孔或流動(dòng)通道。第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1、逐層凝固2、糊狀凝固3、中間凝固一、凝固純金屬或共晶成分合金在凝固過程中不存在液、固并存的凝固區(qū)，所以其鑄件斷面上的凝固區(qū)域等于零，故斷面上外層的固體和內(nèi)層的液體由一條界限（凝固前沿）清楚地分開。隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，逐步達(dá)到鑄件中心，這種凝固方式稱為逐層凝固。如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件的溫度分布較為平坦，則在凝固的某段時(shí)間內(nèi)，鑄件表面并不存在固體層，而液、固并存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)斷面。由于這種凝固方式與水泥類似，即先呈糊狀而后固化，故稱糊狀凝固。介于逐層凝固和糊狀凝固之間的凝固方式稱為中間凝固。2.1.2鑄件的凝固與收縮凝固方式第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造逐層凝固中間凝固糊狀凝固凝固方式第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造收縮：合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，其體

積或尺寸縮減的現(xiàn)象。合金的收縮給液態(tài)成形工藝帶來許多困難，會造成許多鑄造缺陷。（如：縮孔、縮松、裂紋、變形等）。合金收縮的三個(gè)階段液態(tài)收縮——合金從澆注溫度冷卻到凝固開始溫度（即液相線溫度）過程中的收縮。凝固收縮——合金從凝固開始溫度到凝固終止溫度（即固相線溫度）之間的收縮。固態(tài)收縮——合金從凝固終止溫度冷卻到室溫時(shí)的收縮。二、收縮第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造合金收縮的三個(gè)階段Ⅱ凝固收縮——合金從凝固開始溫度到凝固終止溫度（即固相線溫度）之間的收縮。二、收縮溫度Aw(B)BⅠⅡⅢtO體收縮率t澆Ⅰ液態(tài)收縮——合金從澆注溫度冷卻到凝固開始溫度（即液相線溫度）過程中的收縮。Ⅲ固態(tài)收縮——合金從凝固終止溫度冷卻到室溫時(shí)的收縮。第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造合金的固態(tài)收縮不僅引起合金體積上的縮減，同時(shí)，還使鑄件在尺寸上縮減，因此常用單位長度上收縮量（即線收縮率）來表示。合金種類不同，其收縮是不同的。在常用的鑄造合金中鑄鋼件收縮量大，灰鑄鐵最小，這是由于灰鑄鐵中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在的，石墨比容大，在結(jié)晶過程中析出石墨所產(chǎn)生的體積膨脹，抵消了部分收縮。ⅠⅡⅢtO體收縮率合金的液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積的縮減，常用單位體積收縮量(即體積縮率)來表示。第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造合金種類ωC×100澆注溫度/℃液態(tài)收縮/%凝固收縮/%固態(tài)收縮/%總體積收/%碳素鑄鋼0.3516101.637.8612.46白口鑄鐵3.014002.44.25.4~6.312~12.9灰鑄鐵3.514003.50.13.3~4.26.9~7.8合金種類灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵碳素鑄鋼鋁合金銅合金線收縮率/%0.8~1.01.2~2.00.8~1.31.3~2.00.8~1.61.2~1.4幾種合金的體積收縮率幾種合金的線收縮率先進(jìn)成形與智能技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS第1章

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緒論軋制成型技術(shù)鍛壓加工技術(shù)特種加工及增材制造技術(shù)焊接工藝基礎(chǔ)鑄造技術(shù)金屬成型過程智能控制技術(shù)智能檢測技術(shù)第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造砂型鑄造：

砂型鑄造作為一種最常用的鑄造方法，具有許多的優(yōu)點(diǎn)，如價(jià)格成本低、設(shè)備簡單、造型材料來源廣、操作簡便、可運(yùn)用于各種生產(chǎn)規(guī)模而不受鑄件形狀和尺寸以及合金類型的影響等。第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.2.1造型方法的選擇一、手工造型手工造型：主要適用于單件及小批量生產(chǎn)，有時(shí)也可用于較大批量生產(chǎn)。手工造型分類：(1)根據(jù)砂箱特征：兩箱造型、三箱造型、地坑造型、脫箱造型。(2)根據(jù)模樣特征：整模造型、分模造型、活塊造型、刮板造型、假箱造型。手工造型優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，對于大小尺寸不同的鑄件生產(chǎn)均可適用，制造出外輪廓及內(nèi)腔形狀復(fù)雜的構(gòu)件。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低、要求工人具有較高的技術(shù)水平、制造出的鑄件表面粗糙度及尺寸精度較差等。第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造砂箱及造型工具砂箱刮砂板底板砂舂通氣針起模針皮老虎鏝刀鏝勺提勾砂箱及造型工具第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造機(jī)器造型：機(jī)器造型主要適用于大批量生產(chǎn)，利用機(jī)器來完成填砂、緊實(shí)和起模等操作。機(jī)器造型優(yōu)缺點(diǎn)：機(jī)器造型分類：壓實(shí)造型、震擊造型、拋砂造型和射砂造型。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，鑄件質(zhì)量好，勞動(dòng)強(qiáng)度低等缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期長，設(shè)備及模具成本高壓實(shí)造型示意圖震擊造型示意圖第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.2.2澆注位置和分型面選擇一、澆注位置選擇澆注位置：鑄件的澆注位置指的是澆注時(shí)鑄件在型腔內(nèi)所處的位置，澆注位置的選擇是否合理對鑄件的質(zhì)量有很大的影響。澆注位置的選擇原則：(1)重要加工面應(yīng)朝下，避免砂眼氣孔和夾渣。正確澆注位置錯(cuò)誤澆注位置第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(2)平板圓盤大面應(yīng)朝下，減少輻射防開裂夾渣。

具有大平面的鑄件正確澆注位置正確澆注位置出氣冒口夾砂氣孔上下上下錯(cuò)誤澆注位置第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(3)薄壁大面朝下或垂直，防止產(chǎn)生澆不足冷隔。摩托車曲軸箱(4)厚大部分在上或側(cè)面。起重機(jī)卷筒正確澆注位置錯(cuò)誤澆注位置正確澆注位置錯(cuò)誤澆注位置

第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造二、分型面選擇鑄型分型面指的是鑄型組元間的接合面。澆注位置的選擇原則：(1)盡量使分型面垂直、數(shù)量小，以便于起模和簡化工藝。在大批量生產(chǎn)中應(yīng)盡量采用圖所示的分型面，這不僅便于造型操作，且模板的制造費(fèi)用低。單件、小批生產(chǎn)中，由于整體模樣堅(jiān)固耐用、造價(jià)低，故也常采用彎曲分型面。若分型面是一曲面，則必須用挖砂造型或假箱造型，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。起重臂的分型面第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(2)盡量將鑄件全部或大部分置于一個(gè)下箱內(nèi)，以確保鑄件精度。方案a方案b方案a在凸臺處增加一外型芯，使得加工面和基準(zhǔn)面處于同一沙箱內(nèi)，保證了鑄件的精度。而若采用方案b分型，則錯(cuò)箱會影響鑄件精度。第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(3)分型面應(yīng)選在最大截面處，否則難以取出模樣。(4)應(yīng)盡量使鑄件只有一個(gè)分型面，以便采用工藝簡單的兩箱造型三通管不正確正確上下上下第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造三通鑄件的分型方案四箱兩箱三箱三通鑄件第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(5)為便于造型、下芯、合箱和檢驗(yàn)鑄件的壁厚，應(yīng)盡量使型腔及主要型芯位于下箱。Ⅰ、Ⅱ兩種分型方案便于下芯時(shí)檢查鑄件壁厚。但方案Ⅱ的型腔大部分及型芯位于下箱，這樣便可減少上箱的高度，便于起模、合型操作，故方案Ⅱ較為合理。第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造上述選擇澆注位置和分型面的諸原則，對于某個(gè)具體鑄件來說，往往難以全面顧及，有時(shí)甚至相互矛盾。因此，需要提出幾種方案，抓主要矛盾，進(jìn)行分析比較，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來做出正確的判斷，選出最佳方案。有時(shí)采用某種措施可以兼顧二者，例如：單件生產(chǎn)球墨鑄鐵曲軸時(shí)，既要充分利用冒口補(bǔ)縮，來確保整個(gè)曲軸組織均勻且無缺陷，確定中心線直立的澆注位置，又要便于造型，取過中心線的分型面。采用“橫作豎澆”的鑄造工藝，即橫向造型、合型、澆注，然后將砂箱翻轉(zhuǎn)90°，冒口朝上，豎向澆注冷卻，以解決這個(gè)矛盾。eg對質(zhì)量要求高的鑄件應(yīng)優(yōu)先滿足澆注位置的要求，對質(zhì)量要求不高或外形復(fù)雜，生產(chǎn)批量又不大的鑄件，應(yīng)優(yōu)先考慮分型面。第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.2.3工藝參數(shù)選擇加工余量收縮率拔模斜度鑄造圓角型芯及型芯頭工藝參數(shù)鑄件的孔、槽第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造一、加工余量和鑄孔加工余量定義：指鑄件上預(yù)先增加為機(jī)械加工時(shí)切去的金屬層厚度。單件、小批生產(chǎn)的小鑄鐵件的加工余量為4.5～5.5mme/dcb/a機(jī)械加工余量第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造零件的最大尺寸手工造型F~H級機(jī)器造型E~G級零件的最大尺寸手工造型F~H級機(jī)器造型E~G級大于至大于至-400.5~0.70.4~0.52504002.5~5.01.4~3.540630.5~1.00.4~0.74006303.0~6.02.2~4.0631001.0~2.00.7~1.463010003.5~7.02.5~5.01001601.5~3.01.1~2.2100016004.0~8.02.8~5.51602502.0~4.01.4~2.8160025004.5~9.03.2~6.0灰鑄鐵砂型鑄件要求的加工余量（RMA）（摘自GB/T6414--1999）第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造鑄孔：要考慮鑄出的可能性、必要性和經(jīng)濟(jì)性。一般大孔用下芯的方式鑄出，而小孔則用機(jī)加工完成。單件、小批生產(chǎn)的小鑄鐵件上直徑小于30mm的孔一般不鑄出。其余上下第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造二、拔模斜度拔模斜度：為便于模樣從砂型中取出，凡平行拔模方向的模樣表面上所增加的斜度。影響拔模斜度大小的因素有模樣高度、造型方法、模樣材料等，一般為15'～3°。拔模斜度立壁愈高，斜度愈小；機(jī)器造型的拔模斜度相比于手工造型要小；金屬模型拔模斜度要比木模?。粸槭剐蜕氨阌趶哪觾?nèi)腔中取出，內(nèi)壁拔模斜度應(yīng)比外壁大。第2章鑄造技術(shù)2.2砂型鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造三、鑄造收縮率鑄造收縮率：指鑄件自高溫冷卻至室溫時(shí)，尺寸的縮小值與鑄件名義尺寸的百分比。四、型芯頭型芯：鑄件的一個(gè)重要的組成部分，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：型芯的主要組成部分。芯頭是指伸出鑄件以外不與金屬液接觸的砂芯部分，其功用是定位、支撐和排氣。先進(jìn)成形與智能技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS第1章

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第3章

第2章

緒論軋制成型技術(shù)鍛壓加工技術(shù)特種加工及增材制造技術(shù)焊接工藝基礎(chǔ)鑄造技術(shù)金屬成型過程智能控制技術(shù)智能檢測技術(shù)第2章鑄造技術(shù)2.3特種鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.3.1熔模鑄造熔模鑄造：通常是指將易熔材料制成模樣，之后在模樣表面涂掛若干層耐火涂料制成型殼，經(jīng)硬化造型后再將模樣熔化并將其排出型殼，從而可以獲得無分型面的鑄型，最后經(jīng)高溫焙燒后即可進(jìn)行澆注（放入砂箱周圍填砂）的鑄造方法。熔模鑄造生產(chǎn)流程第2章鑄造技術(shù)2.3特種鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造熔模鑄造工藝過程內(nèi)澆口（g)填砂、澆注（a)壓型鑄件填砂砂箱蠟?zāi)＝M澆口棒蠟料（f)脫蠟、焙燒（e)結(jié)殼（d)蠟?zāi)そM（c)單個(gè)蠟?zāi)ぃ╞)注蠟第2章鑄造技術(shù)2.3特種鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造鑄件精度高，表面質(zhì)量好;可用于鑄造難以進(jìn)行砂型鑄造或機(jī)械加工的形狀復(fù)雜的薄壁鑄件;適用于各種合金鑄件。由于型殼采用高級耐火材料制成，尤其適用于高熔點(diǎn)、難加工的高合金鋼鑄件;生產(chǎn)批量不受限，單件、小批、大批量生產(chǎn)均可;生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜且周期長，機(jī)械加工壓型成本高，加之所用耐火材料、模料等，使鑄件成本高。又由于鑄件受熔模和型殼的強(qiáng)度限制，故鑄件不宜過大（或過長），僅適用于從幾十克到幾千克的的鑄件，最大不超過45kg。熔模鑄造的特點(diǎn)：第2章鑄造技術(shù)2.3特種鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造金屬型鑄造：是指將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型之中，在重力作用下凝固成型以獲得鑄件的鑄造方法。因金屬鑄型可以重復(fù)使用成百上千次，故又有永久型鑄造之稱。1、2—左右半型；3—底型；4、5、6—分塊金屬型芯；7、8—銷孔金屬型芯鑄造鋁活塞筒圖2.3.2金屬型鑄造第2章鑄造技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造優(yōu)點(diǎn)：金屬型生產(chǎn)的鑄件，其機(jī)械性能比砂型鑄件高；鑄件的精度和表面光潔度比砂型鑄件高，而且質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定;鑄件的工藝收得率高，液體金屬耗量減少，一般可節(jié)約15～30%；不用砂或者少用砂，一般可節(jié)約造型材料80～100%。缺點(diǎn)：金屬型制造成本高；金屬型不透氣，而且無退讓性，易造成鑄件澆不足、開裂或鑄鐵件白口等缺陷；金屬型鑄造時(shí)，鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度，鑄件在鑄型中停留的時(shí)間，以及所用的涂料等，對鑄件的質(zhì)量的影響甚為敏感，需要嚴(yán)格控制。2.3特種鑄造金屬型鑄造的優(yōu)缺點(diǎn)：第2章鑄造技術(shù)2.3特種鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造壓力鑄造：是指將熔融或半熔融的金屬以高速壓射入金屬鑄型內(nèi)，并在壓力下結(jié)晶的鑄造方法，簡稱壓鑄。壓力鑄造分類壓鑄機(jī)種類壓鑄合金種類壓鑄合金形態(tài)壓鑄方法熱壓室壓鑄冷壓室壓鑄非鐵金屬壓鑄鋼鐵壓鑄半固態(tài)金屬壓鑄全液態(tài)金屬壓鑄普通壓鑄特種壓鑄2.3.3壓力鑄造第2章鑄造技術(shù)2.3特種鑄造戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造

熱壓室式壓鑄機(jī)上裝有坩堝用以儲存液態(tài)金屬，壓室浸在液態(tài)金屬中，也因此只能用來壓鑄低熔點(diǎn)合金，應(yīng)用較少。而冷壓室式壓鑄機(jī)應(yīng)用較為廣泛，金屬的熔煉設(shè)備不在壓鑄機(jī)上。注入液態(tài)金屬(圖a)壓鑄(圖b)鑄件取出(圖c、d)臥式冷壓室式壓鑄機(jī)工作過程動(dòng)型壓鑄件型芯沖頭靜型型芯頂桿第2章鑄造技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造優(yōu)點(diǎn)：鑄件的精度和表面質(zhì)量相較其他的鑄造方法而言較高；壓力鑄造是在高速、高壓下成型，可鑄出形狀復(fù)雜，輪廓清晰的薄壁鑄件，還可直接鑄出小孔、螺紋、齒輪等;因鑄件冷卻速度快，又是在高壓之下結(jié)晶，故其鑄件組織細(xì)密，機(jī)械性能良好，強(qiáng)度和硬度都較高；壓鑄在壓鑄機(jī)上進(jìn)行，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好。缺點(diǎn)：壓鑄所需的壓鑄機(jī)等設(shè)備需要大規(guī)模的投資，且制造壓型費(fèi)用較高，周期長，故多用于大批量的生產(chǎn)，否則經(jīng)濟(jì)效益較低；壓鑄不適用于熔點(diǎn)較高的合金（如銅、鋼等），否則會造成壓型壽命縮短；壓鑄型腔內(nèi)的氣體很難排除，厚壁處的收縮也很難補(bǔ)足，導(dǎo)致凝固之后會在鑄件內(nèi)部形成氣孔和縮松。2.3特種鑄造壓力鑄造的優(yōu)缺點(diǎn)：第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.4.1鑄造工藝對鑄件結(jié)構(gòu)的要求（1）鑄件的外型應(yīng)該盡可能的簡單，在保證零件的實(shí)用性及強(qiáng)度的前提下，應(yīng)該盡量的簡化鑄件的外形，從而便于造型；（2）分型面盡量平直，平直的分型面可避免挖砂和假箱造型，同時(shí)可減少毛邊，便于清理，因此要盡力避免彎曲分型面。托架鑄件的設(shè)計(jì)第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（3）凸臺、筋條的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮便于造型。凸臺的設(shè)計(jì)圖(a)、(c)零件上面的凸臺均防礙起模，必須采用活塊或增加型芯來造型。若這些凸臺與分型面的距離較近，則應(yīng)將凸臺延長到分型面如圖(b)、圖(d)，以簡化造型。第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（4）鑄件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量符合鑄造工藝的要求，設(shè)計(jì)鑄件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量不用型芯或者少用型芯。懸臂支架圖a中的結(jié)構(gòu)，在鑄造時(shí)必須采用型芯，這會增加鑄造成形的周期與成本。在保證強(qiáng)度和使用性能的前提下，如果改為圖b中的結(jié)構(gòu)，在鑄造時(shí)便不必使用型芯。第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（5）鑄件上垂直于分型面的不加工面最好具有一定的結(jié)構(gòu)斜度，以利于起模，同時(shí)便于用砂垛代替型芯(稱為自帶型芯)，以減少型芯數(shù)量。結(jié)構(gòu)斜度的設(shè)計(jì)圖a-d，均不具備結(jié)構(gòu)斜度，在起模時(shí)容易造成結(jié)構(gòu)的損壞，應(yīng)該改為圖e-h中的結(jié)構(gòu)，便于起模。第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（1）壁厚合理。如果鑄件壁厚過大，則容易產(chǎn)生冷隔、澆不足或白口等缺陷，故而鑄件的最小壁厚應(yīng)該根據(jù)鑄件的材料、大小以及鑄造方法等加以限制，為了保證鑄件的強(qiáng)度，可以在減小壁厚的同時(shí)在鑄件上添加加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)2.4.2鑄造性能對鑄件結(jié)構(gòu)的要求第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（2）鑄件壁厚應(yīng)該盡量均勻，圖a在厚壁處產(chǎn)生縮孔、在過渡處易產(chǎn)生裂紋，改為圖b，可防止上述缺陷的產(chǎn)生。頂蓋鑄件的兩種壁厚設(shè)計(jì)裂紋縮孔第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（3）鑄件上的筋條分布應(yīng)盡量減少交叉，以防形成較大的熱節(jié)，需要時(shí)，可采用環(huán)形結(jié)構(gòu)代替筋條的交叉。筋條的分布第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造結(jié)構(gòu)的工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（4）連接鑄件不同壁厚的地方應(yīng)該采用逐漸過渡的方式，鑄件不同結(jié)構(gòu)相互連接時(shí)應(yīng)該釆用較大的圓角連接，避免銳角連接，從而避免因應(yīng)力集中而產(chǎn)生開裂。過渡連接銳角連接不良連接良好連接第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)的新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.5.1定向凝固技術(shù)定向凝固：是在凝固金屬和未凝固熔體中建立起沿特定方向的溫度梯度，從而使熔體在氣壁上形核，之后沿著與熱流相反的方向，按要求的結(jié)晶取向進(jìn)行凝固的技術(shù)。第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造垂直Bridgman定向凝固方法

管式爐熔化材料并提供單向溫度場，定向凝固時(shí)將籽晶置于底端進(jìn)行引晶。晶體生長可通過移動(dòng)坩堝和爐子進(jìn)行，或者爐子和試樣均靜止，或者通過爐子按順序切斷功率的三種方式進(jìn)行。在此過程中，晶體通過溫度梯度區(qū)域而實(shí)現(xiàn)定向凝固。垂直定向凝固坩堝加熱器熔體熱電偶晶體熱絕緣溫度長度第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造

將晶體裝在底部的抽拉桿上，向下抽拉而實(shí)現(xiàn)定向凝固。這類晶體垂直移動(dòng)法首先由Bridgman提出，稱為VB（VerticalBridgman）方法，在工業(yè)和研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外，可在爐內(nèi)加入隔熱擋板，從而將熱區(qū)和冷卻區(qū)隔開，有效地提高了爐內(nèi)溫度梯度。典型Bridgman-Stockbarger定向凝固方法及爐內(nèi)溫度分布坩堝熔體隔熱板晶體支架抽拉桿電阻爐溫度第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造區(qū)域熔化定向凝固

水平定向凝固的一個(gè)顯著方式是區(qū)域定向凝固，目前該技術(shù)廣泛地用于材料提純和制備單晶。該技術(shù)原理是在凝固起始端放入籽晶，利用高頻感應(yīng)加熱線圈加熱，單向移動(dòng)加熱器通過籽晶和鑄錠，然后冷卻形成單晶。區(qū)域熔化定向凝固多晶棒加熱器熔區(qū)晶體第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造激光加熱懸浮熔煉其他定向凝固技術(shù)二維定向凝固技術(shù)保護(hù)氣體出口保護(hù)氣體入口抽拉機(jī)構(gòu)聚焦鏡ZnSe激光送料機(jī)構(gòu)反射鏡澆冒口石墨加熱圈銅結(jié)晶界冷卻介質(zhì)流道凝固方向R第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.5.2數(shù)字化無模鑄造精密成形技術(shù)數(shù)字化無模鑄造精密成型技術(shù)簡稱無模鑄造技術(shù)，是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、新材料、鑄造等技術(shù)的集成和原始創(chuàng)新。第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造優(yōu)點(diǎn):無模鑄型制造工藝與傳統(tǒng)工藝耗費(fèi)時(shí)間對比造型時(shí)間短；制造成本低；一體化制造；型、芯同時(shí)成形；易于制造含自由曲面的鑄型；造型材料低廉。第2章鑄造技術(shù)2.5鑄造技術(shù)新進(jìn)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.5.3快速成形技術(shù)及其應(yīng)用幾種快速成形典型工藝原理圖

快速成形技術(shù)集計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電學(xué)、精密儀器和材料科學(xué)等多種現(xiàn)代學(xué)科于一體的自動(dòng)化技術(shù)?？焖俪尚卧?D打印原材料微處理器成形3D打印機(jī)輸入路徑規(guī)劃三維模型三角面片化逼近數(shù)模切片過程計(jì)算求交點(diǎn)材料在精準(zhǔn)能量作用下，逐點(diǎn)凝固，逐層累加，復(fù)原三維構(gòu)造先進(jìn)成形與智能技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS第1章

第7章

第8章

第6章

第5章

第4章

第3章

第2章

緒論軋制成型技術(shù)鍛壓加工技術(shù)特種加工及增材制造技術(shù)焊接工藝基礎(chǔ)鑄造技術(shù)金屬成型過程智能控制技術(shù)智能檢測技術(shù)第2章鑄造技術(shù)2.4鑄造工藝缺陷戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造液態(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(bǔ)足，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。根據(jù)這些孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩大類?？s孔縮松的形成2.1.3鑄件中的縮孔縮松第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(1)按照順序凝固原則進(jìn)行凝固：順序凝固即定向凝固，就是在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位通過安放冒口等工藝措施，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，而后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身凝固，這樣，鑄件上每一部分的收縮都能得到稍后凝固部分的液體金屬的補(bǔ)充，縮孔則產(chǎn)生在最后凝固的冒口內(nèi)，冒口是多余部分，在鑄件清理時(shí)將其去除。順序凝固冒口和冷鐵一、縮孔縮松的防止第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造(3)合理利用冒口、冷鐵和補(bǔ)貼等工藝。鑄鋼輪緣加冒口補(bǔ)貼(2)合理確定內(nèi)澆道位置和澆注工藝：內(nèi)澆道的引入位置對鑄件各部分的溫度分布有明顯影響，應(yīng)按照順序凝固原則確定，例如，內(nèi)澆道應(yīng)從鑄件厚實(shí)處引入，盡可能靠近冒口或由冒口引入。一、縮孔縮松的防止第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造鑄件在凝固和冷卻的過程中，由于鑄件的壁厚不均勻，導(dǎo)致不同部位不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型、型芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。1.內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力2.變形3.裂紋殘余熱應(yīng)力的存在，使鑄件處在一種非穩(wěn)定狀態(tài)，將自發(fā)地通過鑄件的變形來緩解其應(yīng)力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當(dāng)熱應(yīng)力大到一定程度會導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。二、鑄件內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋永久存在暫時(shí)存在第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1.內(nèi)應(yīng)力——（1）熱應(yīng)力Ⅰ、Ⅱ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ比Ⅱ溫度高，Ⅰ收縮大于Ⅱ，Ⅰ收縮受Ⅱ的阻礙，產(chǎn)生拉應(yīng)力溫度/℃t0t1t2

t3時(shí)間/sT固T再ⅠⅡ框形鑄件（該鑄件由粗桿I和兩根細(xì)桿II組成）+表拉應(yīng)力；-表壓應(yīng)力熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。高溫階段，塑性狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力通過塑性變形消除Ⅱ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ塑性狀態(tài)，Ⅱ桿受拉應(yīng)力，Ⅰ受壓應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力通過Ⅰ塑性變形消除(a)(b)(c)(d)第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造常用內(nèi)應(yīng)力的防止方法——同時(shí)凝固原則同時(shí)凝固——整個(gè)鑄件幾乎同時(shí)間進(jìn)行凝固。預(yù)防方法：

a:壁厚均勻，盡量減少溫差；b:同時(shí)凝固—薄處開澆口，厚處放冷鐵第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型、型芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)適時(shí)開箱加以解決。機(jī)械應(yīng)力預(yù)防方法：

提高鑄型和型芯的退讓性。1.內(nèi)應(yīng)力——（2）機(jī)械應(yīng)力第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.鑄件的變形機(jī)床床身的橈曲變形平板鑄件變形不同截面鑄件的變形厚部、心部受拉應(yīng)力，出現(xiàn)凹變形。薄部、表面受壓應(yīng)力，出現(xiàn)外凸變形。第2章鑄造技術(shù)2.1鑄造工藝基礎(chǔ)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造鑄件變形防止防止變形的方法：防止變形的具體方法：(1)使鑄件壁厚盡可能均勻；