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铸造工艺学课件


铸造工艺
员工基础教程 裴军 编制

铸 造
引言 第一节 合金的铸造性能

第二节 常用铸造合金 第三节 砂型铸造

第四节 特种铸造 第五节 零件结构的铸造工艺性

引言
1、何为铸造?熔炼金属,制造铸型,并将熔融金属浇入铸型,凝 固后获得一定形状和性能铸件的成形

方法,称为铸造。

图9-1 砂型铸造

2、铸造优缺点 优点: 优点: 1)可以生产出形状复杂,特别是具有复杂内腔的零件毛坯,如各 种箱体、床身、机架等。 2)铸造生产的适应性广,工艺灵活性大。工业上常用的金属材料 均可用来进行铸造,铸件的重量可由几克到几百吨,壁厚可由 0.5mm到1m左右。 3)铸造用原材料大都来源广泛,价格低廉,并可直接利用废机件, 故铸件成本较低。 缺点: 缺点: 1)铸造组织疏松、晶粒粗大,内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺 陷,因此,铸件的力学性能,特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。 2)铸件质量不够稳定。

图9-2 铸造产品

第一节 合金的铸造性能

一、流动性和充型能力 二 合金的凝固与收缩 三、铸造合金的偏析和吸气性

一、流动性和充型能力

(一)合金的流动性 1. 流动性 流动性是指熔融金属的流动能力。 合金流动性的好坏,通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量, 将金属液体浇入螺旋形试样铸型中,在相同的浇注条件下,合金的 流动性愈好,所浇出的试样愈长。 2. 流动性的影响因素 1)合金的种类 不同种类的合金,具有不同的螺旋线长度,即具有 不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好,硅黄铜、铝硅合金次之, 而铸钢的流动性最差。

2)化学成分和结晶特征 纯金属和共晶成分的合金,凝固是由铸件壁 表面向中心逐渐推进,凝固后的表面比较光滑,对未凝固液体的流 动阻力较小,所以流动性好,见图9-3a。 在一定凝固温度范围内结 晶的亚共晶合金,凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝 状晶体的两相区。凝固温度范围越宽,则枝状晶越发达,对金属流 动的阻力越大,金属的流动性就越差,见图9-3b。

图9-3 不同结晶特征的合金的流动性

铁碳合金的流动性与相图的关系见图9-4。图中表明,纯铁和共晶 铸铁的流动性最好,亚共晶铸铁和碳素钢随凝固温度范围的增加, 其流动性变差。

图9-4 铁碳合金的流动性与相图的关系

(二)合金的充型能力 1. 充型能力 考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动性叫合金的充型能力。合 金的流动性是金属本身的属性,不随外界条件的改变而变化,而合 金的充型能力不仅和金属的流动性相关,而且也受外界因素的影响。 2. 充型能力的影响因素 1)铸型填充条件 a)铸型的蓄热能力 即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型 的热导率和质量热容越大,对液态合金的激冷作用越强,合金的充 型能力就越差。 b)铸型温度 提高铸型温度,可以降低铸型和金属液之间的温差, 进而减缓了冷却速度,可提高合金液的充型能力。 c)铸型中的气体 铸型中气体越多,合金的充型能力就越差。

(二)合金的充型能力 1. 充型能力 考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动性叫合金的充型能力。合 金的流动性是金属本身的属性,不随外界条件的改变而变化,而合 金的充型能力不仅和金属的流动性相关,而且也受外界因素的影响。 2. 充型能力的影响因素 1)铸型填充条件 a)铸型的蓄热能力 即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型 的热导率和质量热容越大,对液态合金的激冷作用越强,合金的充 型能力就越差。 b)铸型温度 提高铸型温度,可以降低铸型和金属液之间的温差, 进而减缓了冷却速度,可提高合金液的充型能力。 c)铸型中的气体 铸型中气体越多,合金的充型能力就越差。

二 合金的凝固与收缩
(一)铸件的凝固方式及影响因素 1. 铸件的凝固方式 (1)逐层凝固方式 合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开,这 种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、 工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。 (2)糊状凝固方式 合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固,这种凝固方式称为糊状凝固。 球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。

(3)中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间,称为中间凝固方 式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。

图9-5 铸件的凝固方式

2. 凝固方式的影响因素 (1)合金凝固温度范围的影响 合金的液相线和固相交叉在一起,或间距很小,则金属趋于 逐层凝固;如两条相线之间的距离很大,则趋于糊状凝固; 如两条相线间距离较小,则趋于中间凝固方式。 (2)铸件温度梯度的影响 增大温度梯度,可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化;反 之,铸件的凝固方式向糊状凝固转化。

(二) 铸造合金的收缩 铸造合金从液态冷却到室温的过程中,其体积和尺寸缩减的现 象称为收缩。它主要包括以下三个阶段: 1.液态收缩 金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 2.凝固收缩 熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固 收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 3.固态收缩 金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固 态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大,是铸造应力、变形 和裂纹等缺陷产生的基本原因。 ?(三) 影响合金收缩的因素 1. 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合 金中铸刚的收缩最大,灰铸铁最小。 2. 浇注温度 合金浇注温度越高,过热度越大,液体收缩越大。 3. 铸件结构与铸型条件 铸件冷却收缩时,因其形状、尺寸的不同, 各部分的冷却速度不同,导致收缩不一致,且互相阻碍,又加之铸 型和型芯对铸件收缩的阻力,故铸件的实际收缩率总是小于其自由 收缩率。这种阻力越大,铸件的实际收缩率就越小。

(四)收缩对铸件质量的影响 1. 缩孔和缩松 (1)缩孔的形成 缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位,其外形特征是: 内表面粗糙,形状不规则,多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于 铸件的内部,有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要 原因是液态收缩和凝固收缩。缩孔形成过程见图9-6。

图9-6 缩孔形成过程示意图

(2)缩松的形成 宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位,显微缩松则是存在于在晶 粒之间的微小孔洞,形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩 所致。缩松形成过程见图9-7。

图9-7 缩松形成过程示意图

(3)缩孔、缩松的防止措施 a)采用定向凝固的原则 所谓定向凝固,是使铸件按规定方向从一 部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用,可造成 铸件的定向凝固,有效地消除缩孔、缩松。定向凝固原则见图9-8。

图9-8 定向凝固原则

b)合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺 浇 注位置的选择应服从定向凝固原则;内浇道应开设在铸件 的厚壁处或靠近冒口;要合理选择浇注温度和浇注速度, 在不增加其它缺陷的前提下,应尽量降低浇注温度和浇注 速度。

2. 铸造应力、变形和裂纹 在铸件的凝固以及以后的冷却过程中,随温度的不断降低,收缩 不断发生,如果这种收缩受到阻碍,就会在铸件内产生应力,引 起变形或开裂,这种缺陷的产生,将严重影响铸件的质量。 (1) 铸造应力的产生 铸造应力按其产生的原因可分为三种: a)热应力 铸件在凝固和冷却过程中,不同部位由于不均衡的收 缩而引起的应力。 b)固态相变应力 铸件由于固态相变,各部分体积发生不均衡变 化而引起的应力。 c)收缩应力 铸件在固态收缩时,因受到铸型、型芯、浇冒口、 箱挡等外力的阻碍而产生的应力。 铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。

(2)铸造应力的防止和消除措施 a)采用同时凝固的原则 同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置 等工艺措施,使铸件温差尽量变小,基本实现铸件各部分在同一时间 凝固。如图9-9所示。 b)提高铸型温度 c)改善铸型和型芯的退让性 d)进行去应力退火

图9-9 同时凝固原则

(3)铸件的变形和防止 铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削 加工变形。防止铸件变形有以下几种方法: a) 采用反变形法 可在模样上做出与铸件变形量相等而方 向相反的预变形量来抵消铸件的变形,此种方法称为反变 形法。 b) 进行去应力退火 铸件机加工之前应先进行去应力退火, 以稳定铸件尺寸,降低切削加工变形程度。 c) 设置工艺肋 为了防止铸件的铸态变形,可在容易变形 的部位设置工艺肋。

(4)铸件的裂纹及防止 a) 铸件裂纹的分类及其形貌 铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。当固态合金的线收缩受到 阻碍,产生的应力若超过该温度下合金的强度,即产生热裂;而 冷裂是铸件处于弹性状态时,铸造应力超过合金的强度极限而产 生的。热裂裂纹一般沿晶界产生和发展,其外形曲折短小,裂纹 缝内表面呈氧化色;冷裂裂纹常常是穿晶断裂,裂纹细小,外形 呈连续直线状或圆滑曲线状,裂纹缝内干净,有时呈轻微氧化色。 b)铸件裂纹的防止 为有效地防止铸件裂纹的发生,应尽可能采取措施减小铸造应力; 同时金属在熔炼过程中,应严格控制有可能扩大金属凝固温度范 围元素的加入量及钢铁中的硫、磷含量。

三、铸造合金的偏析和吸气性
1.偏析 铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏 析、区域偏析和体积质量偏析三类。 (1)晶内偏析 晶内偏析(又称枝晶偏析)是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现 晶内偏析 象,这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减 少晶内偏析的产生,在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方 法。 (2)区域偏析 区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区 区域偏析 域偏析的发生,主要应该采取预防措施,如控制浇注温度不要太高 , 采取快速冷却使偏析来不及发生,或采取工艺措施造成铸件断面较低的 温度梯度,使表层和中心部分接近同时凝固。 (3)比重偏析 铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。 比重偏析 为防止 比重偏析,在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却, 使液相和固相来不及分离,凝固即告结束。

2. 铸件中的气孔和合金的吸气 (1)侵入性气孔 侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入 金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近,尺寸较大, 呈椭圆形或梨形,孔壁光滑,表面有光泽或有轻微氧化色。 (2)析出性气孔 析出性气孔是溶解在金属液中的气体,在凝 固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是 尺寸细小,多而分散,形状多为圆形、椭圆形或针状,往往分 布于整个铸件断面内。 (3)反应性气孔 浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、 冷铁或溶渣之间,因化学反应产生气体而形成的气孔,统称反 应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处,孔内 表面光滑,孔径1mm-3mm。

第二节 常用铸造合金

一、铸铁
铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这 些合金中,碳的质量分数超过了在共晶温度时能保留在奥氏体 固溶体中的量。 (一) 铸铁的分类 1. 根据碳在铸铁中的存在形式分类 (1)白口铸铁 指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁, 断口呈银白色。 (2)灰铸铁 指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁,断口 呈灰色。它是工业中应用最广的铸铁。 (3)麻口铸铁 指碳部分以游离碳化铁形式出现,部分以 石墨形式出现,断口灰白相间。

2. 根据铸铁中石墨形态分类 (1)普通灰铸铁 石墨呈片状,见图9-10;

?图 9-10 灰口铸铁

(2)蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状,见图9-11;

图9-11 蠕墨铸铁

(3)可锻铸铁 石墨呈团絮状,见图9-12;

图9-12 可锻铸铁

(4)球墨铸铁 石墨呈球状,见图9-13。

图9-13 球墨铸铁

3. 根据铸铁的化学成分分类 (1)普通铸铁 (2) 合金铸铁

(二) 灰铸铁 1.灰铸铁的显微组织及其性能 (1)灰铸铁的显微组织 灰铸铁的显微组织由金属基体(铁素体和珠光体)与片状石墨组成。

灰口铸铁的组织: 铁素体+片状石墨 铁素体.珠光体+片状石墨 珠光体+片状石墨

(2)灰铸铁的性能 a) 力学性能 由于石墨的存在,一方面使得基体承载的有效面积减 少,另一方面在基体中容易造成应力集中现象,最终导致灰铸铁的 抗拉强度和弹性模量均比钢低得多,断裂强度通常为120~250Mpa; 塑性和冲击韧性近于0,属于脆性材料。 b) 工艺性能 灰铸铁属于脆性材料,不能进行冲压 ;同时,其焊 接性能也很差。但灰铸铁的切削加工性能较好。 c) 减振性 灰铸铁具有良好的减振性,其减震能力约为钢的5~10 倍。工业上常用它来制造机床床身、机座等。 d) 耐磨性好 e) 缺口敏感性低

2.灰铸铁的孕育处理 孕育是以少量材料加入熔融金属,促进成核,以改善其组织和性 能的方法。加入的材料称为孕育剂。常用的孕育剂是FeSi75,熔 点为1300℃,经孕育处理后的铸铁称孕育铸铁。孕育铸铁的强度、 硬度比普通灰铸铁有显著提高。孕育铸铁适用于对强度、硬度和 耐磨性要求较高的重要铸件,尤其是厚大铸件,如床身、凸轮、 凸轮轴、气缸体和气缸套等。灰铸铁的孕育处理见图9-14。

图9-14 灰口铸铁的孕育处理

(三)可锻铸铁 可锻铸铁是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理, 改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。可 锻铸铁实际上并非可以锻造,这个名子只表示它具有一 定的塑性和韧性。 1.可锻铸铁件的微观组织及其性能特点 (1)可锻铸铁的显微组织 可锻铸铁的显微组织由金属基体(铁素体和珠光体)与 团絮状石墨组成。 (2)可锻铸铁的性能 可锻铸铁的强度一般为300~400Mpa,最高可达700 Mpa, 同时,可锻铸铁具有一定的塑性和较高的冲击韧度。

可锻铸铁的铸造性能 可锻铸铁的碳、硅质量分数低,熔点比灰铸铁高,凝固温 度范围大,故铁液的流动性差,必须适当提高铁液的出炉 温度,以防产生冷隔、浇不到等缺陷。同时,可锻铸铁的 凝固过程没有石墨化膨胀阶段,体积收缩和线收缩较大, 易形成缩孔和裂纹等缺陷。在设计铸件时除应考虑合理的 结构形状外,在铸造工艺上应采用定向凝固的原则设置冒 口和冷铁,适当提高型砂的耐火度,退让性和透气,为挡 住熔渣,在浇注系统中应安放过滤网。

(四)球墨铸铁 球墨铸铁是铁液经过球化处理后使石墨大部分或全部呈球状,有 时少量为团絮状的铸铁。 1. 球墨铸铁的组织与性能 (1)球墨铸铁的显微组织 球墨铸铁的显微组织由金属基体(铁素体和珠光体)与球状石墨 组成。 (2)球墨铸铁的性能 球墨铸铁不仅强度远远高于灰铸铁,优于可锻等铁,甚至可与钢 媲美,尤其屈强比(一般大于0.7)明显高于碳钢(仅0.6左右), 疲劳强度与中碳钢接近,而且其耐磨性远高于45钢表面淬火。球 墨铸铁还具有优良的热处理性能,球墨铸铁的铸造性能、减振性、 切削加工性及缺口敏感性较灰铸铁差,但仍优于铸钢。其塑性和 韧性虽低于钢,但仍能满足一般零件的要求。

球墨铸铁的铸造工艺特点 球墨铸铁的铸造性能介于灰铸铁与铸钢之间。其流动 性与灰铸铁相近,可生产壁厚3mm~4mm铸件。球墨铸 铁的结晶特点是在凝固收缩前有较大的膨胀,在铸造 工艺上应采用定向凝固原则,用干型或水玻璃砂快干 型提高铸型的强度,并增设冒口以加强补缩。球墨铸 铁凝固时有较大的内应力、变形和冷裂倾向,故对重 要的球墨铸铁件要退火以消除应力。

(五) 蠕墨铸铁 指大部分石墨为蠕虫状石墨的铸铁。蠕墨铸铁的力 学性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间。



铸钢

(一)铸钢的种类与性能 铸钢按化学成分的不同,可分为以下两大类: 1. 碳素铸钢 指以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。根据碳质量分 数的高低可分为低碳、中碳和高碳铸钢。铸钢的强度与球墨铸铁相 近,但铸钢的冲击韧度和疲劳强度都高得多,另外,铸钢的焊接性 能远比铸铁优良。 2. 铸造合金钢 对于具有较高力学性能或某些特殊性能要求的零件或工具,可采用 合金铸钢(即铸造合金钢)。合金铸钢按其合金质量分数可分为低 合金铸钢和高合金铸钢。

(二)铸钢的铸造工艺特点 1. 钢液的流动性差 其铸件壁厚不能小于8mm,且浇注系统应力求简单、截面尺寸 要比铸铁大、铸型常用干型。此外,铸钢件晶粒粗大,热裂、 气孔和粘砂等倾向大,故应根据具体情况确定合适的浇注温度。 一般小件、薄壁及形状复杂的铸件,其浇注温度比钢的熔点高 150℃左右;大件、厚壁铸件的浇注温度比钢的熔点高100℃左 右。 2. 铸钢的体积收缩率和线性缩率大 铸钢的体积收缩率为10%-14%,线收缩率为1.8%-2.5%。 3. 易吸气氧化和粘砂

(三)铸钢件的热处理 为了细化组织,消除内应力,改善偏析,提高铸 件的力学性能,必须对铸钢件进行正火或退火处 理。正火的力学性能较退火高,且生产率高、成 本低、应尽量采用正火代替退火。但正火较退火 的内应力大,因此形状复杂、易产生裂纹、硬化 的铸钢件,则需退火。对于小型中碳钢铸件,则 常用调质处理,以提高其综合力学性能。

三 有色金属铸造
(一)铝合金铸造 1. 铸造铝合金的种类 按化学成分的不同,铸造铝合金可分为铸造铝硅合金、铝铜合金、 铝镁合金和铝锌合金。 2. 铝合金的铸造工艺特点 (1)铸造铝合金熔点低、流动性好、对型砂耐火度要求不高, 可用细砂造型,以减小铸件表面粗糙度值,还可浇注薄壁复杂铸 件。 (2)为防止铝液在浇注过程中的氧化和吸气,通常采用开放式 浇注系统及应用,蛇形直浇道和缝隙内浇道等。 (3)应能造成合理的温度分布,使铸型进行定向凝固,并在最 后凝固部分设置冒口进行补缩,以消除缩孔和缩松。

(二)铜合金铸件的生产 1. 铜合金种类 铸造铜合金按其成分不同可分为黄铜和青铜。 2. 铜合金的铸造工艺特点 (1)铸造黄铜熔点低、结晶温度窄(30℃-70℃),流动性好、对 型砂耐火度要求不高,可用细砂造型,以减小铸件表面粗糙度值、 减小加工余量,并可浇注薄壁铸件。但其收缩率大、容易产生集中 缩孔,铸造时应配置较大的冒口。 (2)锡青铜在液态下易氧化,在开设浇道时,应尽力使金属液流 动平稳、防止飞溅,故常用开放式及底注式浇注系统。锡青铜的凝 固温度宽(150℃-200℃),凝固收缩和线收缩率小,虽不易产生 大的集中缩孔,但常出现枝晶偏析与缩松,降低铸件的致密度。这 种缩松便于储存润滑油,适宜制造滑动轴承。壁厚不大的锡青铜铸 件常采用同时凝固原则,锡青铜适合采用金属型铸造,利用快速冷 却与补缩,铸件结晶细小致密。

(3)铝青铜的凝固温度范围小,有利于提高流动性和铸件 组织致密度,是青铜的代用材料,广泛应用于制造重要的齿 轮、轴套、蜗杆和阀体等铸件。但铝青铜的收缩较大,易产 生集中缩孔,为此需安置冒口、定向凝固。又因液态铝青铜 易氧化吸气,故宜采用开放式及底注式浇注系统,且浇注时 不能断流。此外,浇注系统中还应安放过滤网以除去浮渣。 (4)铅青铜浇注时,因铅体积质量大会下沉,故需控制浇 注温度,且浇注前应充分搅拌,并加快铸件冷却以减小偏析。

第三节 砂型铸造
用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。砂型铸造是应用最广泛 的一种铸造方法,其主要工序包括:制造模样,制备造型材料、造 型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。 一、造型方法的选择 二、铸造工艺设计

一、造型方法的选择
用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型是 砂型铸造的最基本工序,通常分为手工造型和机器造型两大类。

(一)手工造型
手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。手工造型操作 灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低,但其铸件质量差、生产 率低、劳动强度大、技术水平要求高,所以手工造型主要用于单件 小批生产,特别是重型和形状复杂的铸件。 1. 手工造型方法分类 根据砂型的不同特征,手工造型方法可分为:两箱造型、三箱造型、 脱箱造型、地坑造型、组芯造型;根据模样的不同特征,手工造型 方法可分为:整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造 型、刮板造型。各种手工造型方法的示意图如图1-15所示。 2. 各 种手工造型方法的主要特征及其适用范围

两箱造型是造型的最基本方法,铸型由成对的上型和下型构成,操
作简单。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。

a) 两箱造型

三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度需与铸件两个分
型面的间距相适应。三箱造型操作费工。主要适用于具有两个分型 面的单件、小批生产的铸件。

b) 三箱造型

脱箱造型主要采用活动砂箱来造型,在铸型合型后,将砂箱
脱出,重新用于造型。 一个砂箱可制出许多铸型。金属浇注 时为防止错型,需用型砂将铸型周围填紧,也可在铸型上套 箱。常用于生产小铸件,因砂箱无箱带,故砂箱一般小于 400mm。 地抗造型是利用车间地面砂床作为铸型的下箱。大 铸件需在砂床下面铺以焦炭,埋上出气管,以便浇注时引气。 地坑造型仅用或不用上箱即可造型,因而减少了造砂箱的费 用和时间,但造型费工、生产率低,要求工人技术水平高。 适用于砂箱不足,或生产要求不高的中、大型铸件,如砂箱、 压铁、炉栅、芯骨等。

c) 地坑造型

组芯造型是用若干块砂芯组合成铸型,而无需砂箱。它可
提高铸件的精度,但成本高。适用于大批量生产形状复杂的 铸件。

d) 组芯造型

整模造型的模样是整体的,分型面是平面,铸型型腔全部在半
个铸型内,其造型简单,铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最 大截面在一端,且为平面的铸件。

e) 整模造型

挖砂造型的模样是整体的,但铸件分型面为曲面。为便于起模,
造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低,工 人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。

f) 挖砂造型

假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点,在造型前预
先做个底胎(即假箱),然后在底胎上制下箱,因底胎 不参予浇注,故称假箱。比挖砂造型操作简单,且分型 面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。

j) 假箱造型

分模造型是将模样沿最大截面处分成两半,型腔位于上、下两个砂 箱内,造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。

g) 分模造型

活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台,肋条等这些部
分作成活动的(即活块)。起模时,先起出主体模样,然后再从侧 面取出活块。其造型费时,工人技术水平要求高。主要用于单件、 小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。

h) 活块造型

刮板造型是用刮板代替实体模样造型,它可降低模样成本,
节约木材,缩短生产周期。但生产率低,工人技术水平要求高。 用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如 带轮、铸管、弯头等。

i) 刮板造型

(二)机器造型
机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。 机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小,但需要专用 设备,投资较大,适合大批量生产。 1. 机器造型方法分类 常用的机器造型方法有:压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压 紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。 2. 各种机器造型方法的主要特征及其适用范围

压实紧实方法单纯借助压
力紧实砂型,机器结构简单、 噪声小,生产率高,消耗动 力少,型砂的紧实度沿砂箱 高度方向分布不均匀,上下 紧实度相差很大。主要适用 于成批生产高度小于200mm薄 而小的铸件。

a) 压实紧实

高压紧实主要是用较高压实
比压(一般在0.7MPa-1.5MPa) 压实砂型。砂型紧实度高,铸 件尺寸精度高,表面粗糙度Ra 值小,废品率低,生产率高、 噪声低、灰尘小、易于机械化、 自动化、但机器结构复杂、制 造成本高。主要适用于需大量 生产的中、小型铸件,如汽车、 机械车辆、缝纫机等产品较为 单一的制造业。

b) 高压紧实

震击紧实主要依靠震击力
坚实砂型。该方法机器结构 简单,制造成本低,但噪声 大、生产率低、要求厂房基 础好。砂型坚实度沿砂箱高 度方向愈往下愈大。主要适 用于需成批生产的中,小型 铸件。

c) 震击紧实

震压紧实是经过多次震
击后再压实砂型。该方 法生产率高,能量消耗 少,机械磨损少,砂型 坚实度较均匀,但噪声 大。广泛用于成批生产 中、小型铸件。

c) 震压紧实

微震紧实是在加压坚
实型砂的同时,砂箱和 模板作高频率、小振幅 震动。此方法生产率较 高、紧实度均匀、噪声 小。广泛用于成批生产 中、小型铸件。

e) 微震紧实

抛砂紧实是利用离心
力抛出型砂,使型砂在 惯性力下完成填砂和坚 实。该方法生产率高, 能量消耗少、噪声低、 型砂坚实度均匀、适用 性广。主要适用于单件、 小批、成批、大量生产 中、大型铸件或大型芯。

f) 抛砂紧实

射压紧实是使压缩空
气骤然膨胀,将型砂射 人砂箱进行填砂和坚实, 再进行压实。该方法生 产率高,坚实度均匀, 砂型型腔尺寸精确、表 面光滑、工人劳动强度 低、易于自动化、但造 型机调整维修复杂。主 要适用于大批、大量生 产的形状简单的中、小 型铸件。

g) 射压紧实 ?射砂紧实是用压缩空气将型(芯)砂 高速射入砂箱或芯盒而进行紧实。因 其将填砂、紧实两个工序同时完成, 故生产率高,但用于造型,其坚实度 不高、需进行辅助压实。广泛用于制 芯、并开始用于造型。

二、铸造工艺设计
铸造工艺图是表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构 尺寸、控制凝固措施(冷铁、保温衬板)等的图样。图中应表示出: 铸件的浇注位置、分型面、型芯的数量、形状、尺寸及固定方法、 加工余量、起模斜度、浇口、冒口、冷铁的尺寸和位置。 1. 铸造方案的确定 (1)浇注位置的选择 浇注位置的选择应考虑以下原则: a)体积收缩大的合金及壁厚差较大的铸件,应按定向凝固的原则, 将壁厚较大的部位和铸件的热节部置于上部或侧部,以便设置冒口 进行补缩。

b)重要加工面、耐磨表面等质量要求较高部位应置于下面或侧面。 见图9-1。

图9-1 汽缸浇注时的位置

c)具有大面积的薄壁铸件,应将薄壁部分放在铸型的下部,同时要 尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置。见图9-2。

图9-2 箱盖浇注时的位置

d)具有大平面的铸件,应将铸件的大平面朝下。见图9-3。

图9-3 平板浇注时的位置 ?e)尽量减少型芯的数目,最好使型芯位于下型以便下芯和检 查,同时应保证型芯在铸型中安放牢靠、排气通畅。

(2)分型面的选择 分型面为铸型组元间的接合面,选择分型面应考虑以下原则: a) 分型面应尽量采用平面分型,避免曲面分型,并应尽量选在最大截 面上,以简化模具制造和造型工艺。见图9-4。

a) 不正确

b) 正确

图9-4 分型面应选在最大截面处

b)尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱以防止错型、飞翅、毛刺等 缺陷,保证铸件尺寸的精确。见图9-5。

a) 不合理

b) 合理

图9-5 分型面的位置应能减少错型、飞翅

c)应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。见图9-6。

a) 不合理

b) 合理

图9-6 螺栓塞头的分型面

d)若铸件的加工面很多,又不可能全部与基准面放在分型面的同一 侧时,则应使加工基准面与大部分加工面处于分型面的同一侧。 e)尽量减少分型面的数目,最好只有一个分型面。见图9-7。

a) 不合理

b) 合理

图9-7 分型面数目的确定

f)铸件的非加工表面上,尽量避免有披缝。见图9-8。 ?g)分型面的选择应尽量与铸型浇注时位置一致。

a) 不正确

b) 正确

图9-8 分型面的位置应能避免披缝

铸造工艺参数的选择 (1) 加工余量 指为保证铸件加工面尺寸和零件精度,在铸件工艺 设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。零件上需要加 工的表面,应需有适当的加工余量。铸件加工余量的大小取决于铸 件的材料、铸造方法、铸件尺寸与复杂程度、生产批量、加工面与 基准面的距离及加工面在铸型中的位置、加工精度要求等。灰铸铁 件较铸钢件线收缩率小、熔点低,铸件表面较光洁、平整,故其加 工余量小,铸钢件因浇注温度高、表面粗糙、变形大、其加工余量 应比铸铁件大;非铁合金铸件表面光洁、且材料昂贵、加工余量应 比铸铁件小;铸件的尺寸愈大或加工面与基准面的距离愈大,铁件 的尺寸误差也愈大,故余量也应随之加大;

大量生产时,因采用机器造型,铸件精度高,故余量可减小;反 之,手工造型误差大,余量应加大;此外,浇注时朝上的表面, 因产生缺陷的机率大,其加工余量应比底面和侧面大。加工余量 的具体数值应根据加工余量国家标准和铸件尺寸公差标准配套使 用选取。 (2)起模斜度(拔模斜度) 为使模样容易从铸型中取出或型芯 自芯盒中脱出,平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度称为起 模斜度。凡垂直于分型面(分盒面)的没有结构斜度的壁均应设 起模斜度。起模斜度的大小,应根据模壁测量面高度、模样材料 及造型方法确定。

3)最小铸出孔及槽 零件上的孔、槽、台阶等应从铸件质量及经济方 面考虑。较大的孔、槽等应铸出来,以便节约金属和机构加工工时, 同时还避免铸件局部过厚所造成的热节,提高铸件的质量,较小的 孔槽,则不宜铸出,直接加工反而方便;如有特殊要求,且无法实 行机加工的孔如弯曲孔,则一定要铸出。

(4)收缩余量 指为了补偿件收缩,模样比铸件图样尺寸增大的数值。 (5)工艺补正量 由于工艺上的原因,在铸件相应部位非加工面上增 加的金属厚度称为工艺补正量。工艺补正量可粗略地按下述经验公 式来确定, e≤0.002L, 式中e为工艺补正量(mm); L为加工面到 加工基准面间的距离(mm)

(6)分型负数 指为抵消铸件在分型部位的增厚,在模样上相应 减去的尺寸。砂型的分型面一般不可能很平整,因此干型或表面 烘干型合型后,上下型不能密合,金属液就有可能从分型面处溢 出,即“跑火”。为了防止跑火,就要在下型的分型面上铺设泥 条、油泥条或石棉绳等,使上、下型接触面密封,这样就使上箱 抬高,增加了铸件的高度或铸件顶面的厚度。制做模样时,为了 使模样符合零件图上尺寸的要求,在模样上相应减去这个抬高的 尺寸,即为分型负数。 (7)芯头 指模样上的突出部分,在型内形成芯座并放置芯头。 或指型芯的外伸部分,不形成铸件轮廓,只是落入芯座内,用以 定位和支承型芯。

第四节 特种铸造

一、熔模铸造 二、金属型铸造 三、压力铸造

一、熔模铸造

熔模铸造是用易熔材料制成模样,然后在模样上涂挂若干
层耐火涂料制成型壳,经硬化后再将模样熔化,排出型外, 从而获得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。 (一)熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程包括:蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧和 浇注等,其流程图及铸造过程示意图如下:

图9-1





图9-2 熔模铸造过程示意图

(二)熔模铸造的主要特点及适用范围 1)铸件的精度和表面质量较高,尺寸公差等级可达IT14-IT11, 表面粗糙度Ra值可达12.5mm-1.6mm。 2)适用于各种合金铸件。 3)可制造形状较复杂的铸件,铸出孔的最小直径为0.5mm,最小 壁厚可达0.3mm。 4)工艺过程较复杂,生产同期长,制造费用和消耗的材料费用 较高,多用于小型零件(从几十克到几千克),一般不超过25kg。

二、金属型铸造

金属型铸造又称硬模铸造,是将液体金属浇入金属铸型,在重 力作用下充填铸型,以获得铸件的铸方法。 (一)金属型 为保证使用寿命,制造金属型的材料具备如下的性能:高的耐热 性和导热性,反复受热不变形,不破坏;一定的强度、韧性及耐 磨性;好的切削加工性能。金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或 低合金钢。 (二)金属型铸造的工艺特点 1. 金属型预热 金属型预热温度主要通过试验来确定,一般不低 于150℃。 2. 刷涂料 金属型表面应喷刷一层耐火涂料(厚度为0.3mm- 0.4mm),以保护型壁表面,免受金属液的直接冲蚀和热击。

3.浇注 由于金属型的导热能力强,因此浇注温度应比砂型铸 造高20℃-30℃。铝合金为680℃-740℃,铸铁为1300℃-1370℃, 锡青铜为1100℃-1150℃,对薄壁小件取上限,对厚壁大件取下限。 4.开型时间 对于金属型铸造,要根据不同的铸件选用合适的开型时 间,具体数值需通过试验来确定。 (三)金属型铸造的特点和应 用范围 1)金属型铸件冷却快,组织致密,力学性能高。 2)铸件的精度和表面质量较高 3)浇冒口尺寸较小,液体金属耗量减少,一般可节约15%-30%。 4)不用砂或少用砂。 金属型铸造的主要缺点是金属型无透气和退让性,铸件冷却速度大, 容易产生浇不到、冷隔、裂纹等缺陷。

三、压力铸造

压力铸造(简称压铸)的实 压力铸造(
质是在高压作用下,使液态或 半液态金属以较高的速度充填 金属型型腔,并在压力下成型 和凝固而获得铸件的方法。常 用压射压力为5-1500MPa,充 填速度约5-5m/s,充填时间很 短,约0.01-02s。 压铸过 程主要由压铸机来实现。压铸 机分热压室式和冷压室式两类。 热压室式压铸机工作原理见图9 -3。 图9-3 热压室式压铸机工作原理

冷压室式压铸特点是
压室和熔化合金的坩埚 连成一体,压室浸在液 体金属中, 多用于低熔 点合金。冷压室式压铸 机分立式和卧式两种类 型,卧式冷压室式压铸 机工作原理见图1-28与 图9-4。

图9-4 冷压室式压铸机工作原理

图9-5 冷压室式压铸机推杆顶出机构工作原理

(二)压铸的特点和应用 1. 压铸优点: 1)铸件的尺寸精度最高,表面粗糙度Ra值最小。 2)铸件强度和表面硬度都较高。 3)生产效率很高,生产过程易于机械化和自动化。 2. 压铸缺点: 1)压铸时,高速液流会包住大量空气,凝固后在铸件表皮下形成 许多气孔,故压铸件不宜进行较多余量的切削加工,以免气孔外 露。 2)压铸黑色金属时,压铸型寿命很低,困难较大。 3)设备投资大,生产准备周期长。

第五节 零件结构的铸造工艺性

一、铸件结构的合理性 铸件结构的铸造工艺性包括:铸件结构的合理性;铸件结构 的工艺性;铸件结构对铸造方法的适应性。 二、铸件结构的工艺性 三、铸造方法对铸件结构的特殊要求

一、铸件结构的合理性
(一)铸件应有合理的壁厚 每一种铸造合金都有其适宜的 铸件壁厚范围,铸件壁厚过大 或过小都会对铸件产生不良影 响。若选定合金的适宜壁厚不 能满足零件力学性能的要求, 则应改选高强度的材料或选择 合理的截面形状以及增设加强 肋等措施,见图9-6。

图9-6 铸件的壁厚应合理

(二)铸件壁厚应力求 均匀 所谓壁厚均匀,是指铸 件的各部分具有冷却速 度相近的壁厚,见图9- 7。铸件的内壁厚度应略 小于外壁厚度。

图9-7 铸件的壁厚应均匀

(三)铸件壁的联接形式要合理 1. 铸件如果因为结构需要不能做冷压室式压铸到壁厚均匀,则不同 壁厚的联接应采用逐渐过渡的形式,见图9-8。

图9-8 铸件壁厚的过渡形式

2. 对于铸件结构中有两个或三个甚至更多个壁相连的情况,可采用 交错接头或环形接头的形式,见图9-9。

图9-9 铸件壁联结应尽量避免金属积聚

(四)尽量避免过大的水平面 过大的平面不利于金属液的填充,容易产生浇不到等缺陷,在进行 铸件的结构设计时,应尽量将水平面设计成倾斜形状,见图9-10。

图9-10 避免大水平壁的结构

(五)铸件结构应避免冷却收缩受阻和有利于减小变形 铸件在结构设计时,应尽量使其能自由收缩,以减小应力,避免裂 纹。如图9-11所示的弯曲轮辐和奇数轮辐的设计,可使铸件能较好 地自由收缩。

图9-11 轮辐的设计

二、铸件结构的工艺性
(一)铸件的外形设计 1. 应使铸件具有最少的分型面 减少铸件分型面的数量,不仅可以减少砂箱的用量,降低造型工时, 而且可以减少错箱、偏芯等缺陷,从而提高铸件的精度。图9-12所 示端盖结构,由于图9-12a存在法兰凸缘,不能采用简单的两箱造 型。若改成图9-12b所示的结构,取消上部的凸缘,使铸件仅有一 个分型面,则将大大简化造型操作。

图9-12 端盖的设计

2. 应尽量使分型面平直 平直的分型面可避免操作费时的挖砂造型或假箱造型;同时,铸件 的毛边少,便于清理。如图9-13a所示的杠杆零件,在造型时只能 采用不平分型面,若改成图9-13b所示的形状,铸型的分型面则为 一简单的平面。

图9-13 杠杆铸件结构

3. 避免外部侧凹 铸件在起模方向上若有侧凹,见图9-14a,就必须再造型时增加 较大的外壁型芯才能起模,若将其改成图9-14b所示结构,则可 省去外壁型芯,显然后一种结构是合理的。

图9-14 铸件两种结构比较

4. 改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋条的结构 设计铸件上的凸台、凸缘和肋条结构时,应考虑便于造型起模,尽 量避免使用活块或外壁型芯。如图9-15a、9-15所示。

图9-15 铸件整体凸台结构设计

5. 铸件要有结构斜度 铸件上垂直于分型面的不加工表面应设计出一定的斜度,称为结构斜 度。结构斜度便于起模,并可延长模具的使用寿命。见图9-16。铸件 结构斜度的大小和许多因素有关,如铸件的高度、造型的方法等,高 度越低,斜度应越大。凸台的结构斜度可达30°-50°。

图9-16 铸件结构斜度

(二)铸件内腔的设计 1. 应使铸件尽可能不用或少用型芯 图9-1 是悬臂支架的两种设计方案,图9-17a采用方形中空截面,为 形成其内腔,必须采用型芯;若改为图9-17b所示工字形开式截面, 则可避免型芯的使用,这样在简化造型的同时,也可保证铸件的质 量,故后者的设计是合理的。
7

图9-17 悬臂支架

2. 铸件的内腔设计应使型芯安放稳固、排气容易、清砂方便。 型芯的固定主要依靠芯头来保证,如图9-18所示轴承支架铸件,若 采用图9-18a的结构,则需要两个型芯,而且其中大的型芯呈悬臂 状态,装配时必须采用芯撑作辅助支撑,若改成图9-18b所示的形 状,采用一个整体型芯来形成铸件的空腔,则既可增加型芯的稳固 性,又改善了型芯排气和清理条件,显然后者的设计是合理的。

图9-18 轴承架铸件

对于因芯头不足而难于固定型芯的铸件,在不影响使用功能的前提 下,可设计出适当大小和数量的工艺孔,用以增加芯头的数量,稳 固型芯。如图9-19b所示。

图9-19 增设工艺孔结构

3. 铸件结构设计中应避免封闭空腔。 图9-20a所示铸件为封闭空腔结构,其型芯安放困难、排气不畅、 难于清砂,若改成图9-20b所示的结构,上述问题将迎刃而解,故 后者是合理的设计。

图9-20 铸件结构避免封闭内腔

三、铸造方法对铸件结构的特殊要求
(一)熔模铸件 1. 便于蜡模的制造 2. 铸件上的孔、槽不宜过小或过深 过小或过深的孔、槽,不利于 制壳时涂料和砂粒顺利地充填熔模上相应的孔洞,形成合适的型腔; 同时,过深的孔、槽也给铸件的清砂工作带来困难。通常,孔径应 大于2mm (薄件>0.5mm) 。通孔时,孔深/孔径<4-6,不通孔时, 孔深/孔径<2。槽宽应大于2mm,槽深不超过槽宽的2-6倍。 3. 减少热节,壁厚力求均匀 熔模铸造一般不单独设置冒口,而是 利用加粗的直浇道作为冒口直接补缩铸件。与此工艺相适应,应尽 量采用薄壁结构,并使壁厚分布符合定向凝固原则。 4. 避免大平板结构 由于熔模型壳的高温强度较低,容易变形,所 以设计铸件结构时,应尽量避免大的平面。

(二)金属型铸件 1. 铸件的外形和内腔应力求简单,尽可能加大铸件的结构斜度, 避免采用直径过小或过深的孔,以便于抽出型芯和保证铸件顺利取 出。 2. 铸件的壁厚要均匀,以防出现缩松和裂纹缺陷;同时要注意壁 厚不能太薄,尽量避免大的水平壁,以防止浇不到、冷隔等缺陷, 如铝硅合金铸件的最小壁厚为2mm~4mm,铝镁合金的最小壁厚为3mm -5mm。 (三)压铸件 1. 压铸件应尽量消除侧凹和深腔。 2. 尽量采用壁厚均匀的薄壁结构。压铸件适宜的壁厚一般为:锌 合金1mm-3mm,铝合金1.5mm-5mm,铜合金2mm-5mm。 3. 压铸可以采用镶嵌件,应充分发挥镶嵌件的优越性,以便制出 复杂件、改善压铸件局部性能和简化装配工艺。为使嵌件在铸件中 的联接可靠,应将嵌件镶入铸件部分制出凹槽、凸台或滚花等。


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