五邑大学金属液态成形.ppt

材料成形工艺基础 主要参考书 1 材料成形工艺基础 主编翟封祥等 哈尔滨工业大学出版社2 材料成形及机械制造工艺基础 主编童辛生等 华中科技大学出版社3 金属工艺学 第四版 主编邓文英 高等教育出版社 巨型司毋戊鼎 河南安阳晚商遗址 高133厘米 重875kg 饰纹优美 象形尊 西周 青铜器时代 BronzeAge 我国有着辉煌的传统冶铸历史 在殷商时期就有灿烂的青铜器铸造技术 永乐大钟 北京明朝永乐青铜大钟 重达46 5t 钟高6 75m 钟唇厚22cm 外径3 3m 钟体内遍铸经文22 7万字 击钟时尾音长达2分钟以上 传距20km 外形和内腔如此复杂 重量如此巨大 质量要求如此高的青铜大钟 正说明我国早已掌握冶炼和铸造技术 永乐大钟铸造场景模拟 左上图 制模 左下图 熔炼 右图 铸造 越王勾践剑 春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55 7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发 一 课程的地位 机械制造的基本流程 矿石冶炼 金属材料 铸造 压力加工 焊接 材料热加工 毛坯或零件 切削加工 车 铣 刨 磨等材料冷加工 热处理 零件 装配 机器 二 课程的性质与内容 材料成形工艺基础 是高等院校机械类专业必修的一门综合性的技术基础课 材料成形工艺基础课程是介绍机械工程材料加工成形过程中的基本原理 基本工艺和基本方法 内容包括 液态成形塑性成形连接成形粉末冶金成形非金属材料成形 材料成形技术研究的对象 各种成形方法本身的规律性及其在机械制造的应用和相互联系 机械零件的加工工艺性和结构工艺性 常用工程材料性能对成形工艺的影响 各种成形方法的综合比较 三 课程的目的和任务 熟悉各种成形方法的工艺过程 设备特点和应用范围 掌握各主要加工方法的实质和工作原理 具有选择加工方法的初步能力 掌握零件的结构工艺性和常用材料的工艺性 掌握工艺方法与金属材料的关系 课程学习特点 课程以实践为基础 实践性强 技术性强 内容庞杂 学习中应注重分析和理解 活学活用 第1章金属的液态成形 什么是铸造 即是将液态金属浇注到与零件形状尺寸相适应的铸型空腔中 待其冷却凝固后 以获得毛坯或零件的生产方法或工艺方法 其工艺特点 液态成形铸造工艺过程简介铸造的优缺点 返回第二节 铸造的优缺点 优点 成型能力强 可制作形状复杂的 特别是复杂内腔的毛坯 如箱体 阀体 叶轮等 适应范围广 不限材料 大小 批量 成本低 节约金属 缺点 铸件内部晶粒粗大 组织不均匀 且常伴随有缺陷 故其力学性能较塑性成形件低 铸造过程比较复杂且不易控制 使得铸件的质量不稳定 工人劳动强度大 1 1金属液态成形的铸造基础 1 1 1液态合金的工艺性能液态合金的充型铸件的凝固与收缩铸造内应力 变形和裂纹铸件的质量与控制1 1 2常用合金铸件的生产 合金铸造性能 1 1 1 1液态合金的充型 充型 液态合金填充铸型的过程 影响充型能力的主要因素 合金的流动性浇注条件铸型填充条件 液态合金充满铸型空腔 获得形状完整 轮廓清晰铸件的能力 称为液态合金的充型能力 充型能力不足易产生浇不足 冷隔现象 合金的流动性 指液态合金本身的流动能力 是合金主要铸造性能之一 合金流动性通常以 螺旋形试样 长度来衡量 影响流动性的因素 过热度 浇注温度与熔点温度之差 合金种类化学成分 不同合金成分的流动性 1 1 1 2铸件的凝固与收缩 一 铸件凝固方式 逐层凝固 凝固过程中不存在凝固区 断面上由一条界线清楚地分开液 固体 糊状凝固 液 固相并存的凝固区贯穿整个界面 中间凝固 介于逐层凝固和糊状凝固之间 对铸件质量影响较大 铸件凝固方式 逐层凝固 糊状凝固 中间凝固 二 铸造合金的收缩 1 合金的收缩经历三个阶段 液态收缩凝固收缩固态收缩 常用线收缩率表示是产生内应力 变形的主要原因 缩孔 变形 收缩将引起如下缺陷 缩松 裂纹 2 影响合金收缩的因素 化学成分浇注温度铸件结构与铸型条件 三 铸件中的缩孔和缩松 1 缩孔 合金的液态收缩和凝固收缩越大 缩孔容积越大 合金的浇铸温度越高 铸件越厚 缩孔容积越大 结晶间隔越大的合金 越易形成缩松 是指集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞 缩孔的形成过程 2 缩松 是指分散在铸件某区域内的细小缩孔 不同铸造合金的缩孔和缩松的倾向不同 其形成条件是 铸件以逐层凝固方式凝固 其形成条件是 铸件以糊状凝固方式凝固 3 缩孔 缩松的防止方法 采用定向凝固 又称顺序凝固 所谓定向凝固 即在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口 冷铁等工艺措施 使铸件远离冒口的部位先凝固 尔后是靠近冒口部位凝固 最后才是冒口本身的凝固 凝固方向 缩孔缩松位置确定 凝固等温线法 内切圆法 1 1 1 3铸造内应力 变形和裂纹 铸造内应力 铸件在凝固以后的继续冷却过程中 固态收缩受到阻碍而在其内部产生的应力 一 内应力的形成 铸造内应力按产生原因可分为 热应力 是由于铸件各部分冷却速度不同 以致在同一时间内铸件各部分收缩不一致 相互约束而引起的内应力 机械应力 是铸件的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力 1 热应力的形成 塑性变形阶段弹塑性变形阶段弹性变形阶段 慢冷区 受拉应力 快冷区 受压应力 应力框冷却曲线 结论 粗拉细压 t0 t1 t1 t2 t2 t3 2 机械应力的形成 热应力的预防 采用同时凝固原则 主要用于灰铸铁 锡青铜等 尽量选用E小 收缩率小的合金设计壁厚均匀的铸件从铸造工艺上 当铸件落砂后 机械应力便可自动消除 二 铸件的变形与防止 应力状态下的铸件是不稳定的 将自发地处通过变形来减缓其内应力 以趋于稳定状态 铸件受拉应力部分将产生压缩变形 受压应力的部分将产生拉伸变形 防止变形的方法 零件设计方面 形状力求对称 壁厚均匀 铸造工艺方面 坚持同时凝固原则 反变形法 铸后处理方面 采用自然时效 人工时效 三 铸件的裂纹与防止 当铸造内应力超过金属的强度极限时 铸件将产生裂纹 裂纹可分为 热裂冷裂 是在合金凝固末期的高温下形成的 特征 裂纹短 缝隙宽 形状曲折 缝内呈氧化色 常出现在形状复杂工件的拉伸部位 特别是应力集中处 特征 裂纹细小 呈连续直线状 缝内呈金属光泽或轻微氧化色 1 1 1 4铸件的质量与控制 合理选定铸造合金和铸件结构合理制订铸件的技术要求模样质量管理铸件质量管理铸件热处理 常见铸件缺陷及特征 浇不足 冷隔 缩孔 缩松 冷裂 热裂 气孔 粘砂 夹砂 白口 偏析 力学性能不合格等 质量控制 1 1 2常用合金铸件的生产 1 1 2 1铸铁件生产 一 铸铁的分类 按石墨形态分类 按石墨化程度分类 二 铸铁的成分 组织和性能 铸铁的组织和性能主要取决于石墨化程度 影响铸铁石墨化的主要因素是 化学成分冷却速度 三 铸铁的生产特点 灰铸铁通常在冲天炉内熔炼 灰铸铁具有良好的铸造性能 灰铸铁的孕育处理 灰铸铁的时效处理 球墨铸铁的生产特点 1 铁水 浇注温度较高 2 炉前处理 球化处理和孕育处理 3 铸型工艺 较灰铁易产生缩孔 缩松 皮下气孔和夹渣等缺陷 4 铸后热处理 退火 正火等 可锻铸铁的石墨化退火工艺曲线 1 1 2 2铸钢件的生产 1 1 2 3铜 铝合金铸件的生产 1 2砂型铸造 砂型铸造是传统的造型方法 它适用于各种形状 大小 批量及各种合金铸件的生产 学习本节应掌握 造型方法的选择浇注位置和分型面的选择绘制铸造工艺图 返回铸造工艺图 返回整模造型法 1 2 1造型方法的选择 手工造型铸造适应性广 可做小型和大型铸件 手工造型因其生产率低 主要用于单件小批量生产 有时也用于较大批量生产 二 机器造型 机器造型将填砂 紧实和起模等主要工序实行机械化 并可组成生产流水线 机器造型生产效率高 铸型质量好 铸件质量高 但设备费用高 适用于中小型铸件的成批大量生产 一 手工造型 最大截面在端部 向一个方向递减的铸件 常用整模造型 1 整模造型 2 分模造型 最大截面在中部 向两个相反方向递减的铸件 可采用分模造型 3 三箱造型 中部截面小于两端截面的铸件 可用三箱造型 当铸件最大截面不在端部 且木模又不便分成两半时 常采用挖砂造型 挖砂造型的铸型具有不平直的分型面 4 挖砂造型 常用的手工造型方法 铸件局部凸出部妨碍拔模时 可用活块造型 5 活块造型 尺寸较大 形状简单的回转体铸件可用刮板造型 以达到减少制造模样成本的目的 6 刮板造型 目的是减少分型面数量 可提高生产率 但增加了制芯成本 主要用于较大批量的生产 7 外砂芯造型 可减少砂箱的数量 主要用于尺寸较大的铸件 8 地坑造型 常见的砂型铸造方法演示 1 整模造型2 分模造型3 三箱造型4 挖砂造型5 活块造型 返回 返回 返回 返回 返回 特别指出 1 三箱造型 挖砂造型 活块模造型 因其要求工人技术较高 并且生产率低 故主要用于单件小批量生产 2 整模造型和分模造型既可用于单件小批生产 也可用于较大批量生产 3 铸件的内腔通常用型芯做出 对于一些形状简单 深度不大的内腔也可用自带型芯 砂垛 做出 如书图1 60 机器造型 造芯 1 震压造型机的工作原理 工艺特点 采用模板进行两箱造型 将模样 浇注系统沿分型面与模底板联接成一整体的专用模具 2 射压造型机的工作原理 3 机器造芯 1 2 2砂型铸造的工艺设计 用各种工艺符号或文字把已确定的工艺设计内容描述在零件图上 即为铸造工艺图 它是制造模样和铸型 进行生产准备和铸件检验的依据 是铸造生产的基本工艺文件 设计内容包括 铸造工艺图符号及表示方法见书表1 12 1 2 3浇注位置和分型面的选择 浇注位置 金属浇注时铸件所处的空间位置 分型面 是指砂箱间的接触面 一 浇注位置的选择原则 1 铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面 2 铸件的大平面应朝下 3 易产生浇不足或冷隔缺陷的面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或处于垂直和倾斜位置 4 易产生缩孔的铸件 厚大部分应尽量安置在分型面的上部或侧部 金属液的充型过程中 灼热的金属液会对砂型上表面有强烈的热辐射作用 使该表面的型砂拱起或开裂 导致金属液钻进裂缝处 这将使铸件的该表面产生夹砂缺陷 二 分型面的选择原则 1 便于拔模 这是确定分型面最基本的要求2 使造型工艺简化 例如 尽量使分型面平直 数量少 避免不必要的活块和型芯等 又如书图1 45 3 尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱内 4 尽量使型腔及主要型芯位于下箱 以便于造型 下芯 合箱和检查铸件壁厚 对质量要求很高的铸件应优先考虑浇注位置以保证质量 内在质量 外观质量 切不可以牺牲质量来满足操作方便 对质量要求一般的铸件可优先考虑分型面的选择 对朝上的加工表面可采用稍大的加工余量来解决 指出 三 工艺参数确定 铸造收缩率毛坯铸件的机械加工余量铸出孔和槽的大小起模斜度型芯头铸造圆角 铸造收缩率 在制造模型或芯盒时 应根据铸造合金收缩率的大小 将模型或芯盒放大 以保证该合金的铸件冷却至室温时能符合尺寸要求 铸造合金收缩率的大小 随铸造合金种类 成分及铸件的尺寸和结构的不同而改变 通常灰铸铁的收缩率为0 7 1 0 铸钢的为1 5 2 0 有色合金的为1 0 1 5 毛坯铸件的机械加工余量 铸件的机械加工余量是指为进行机械加工而增大的尺寸 零件图上所有标注粗糙度符号的表面均需机械加工 均应标注机械加工余量 其具体值的大小随铸件的大小 材质 批量 结构的复杂程度及加工面在铸型中的位置等的不同而变化 铸钢件表面粗糙 变形较大 其加工余量应比铸铁件大 有色合金铸件表面较光洁 平整 其加工余量要小些 铸铁件中灰铸铁件的加工余量较可锻铸铁和球墨铸铁的要小 机械造型的铸件比手工造型的精度高 故加工余量要小些 铸件的尺寸愈大或加工面与基准面间的距离愈大 由于铸件尺寸误差增大 机械加工余量也随之加大 由于铸件的上表面比其底面和侧面更易产生缺陷 故加工余量应比底面和侧面的大 铸出孔和槽的大小 铸件上的孔和槽铸出与否 取决于铸造工艺的可行性和必要性 一般说来 较大的孔和槽应当铸出 以减少切削工时和节约金属材料 铸件的最小铸出孔尺寸 起模斜度 若零件在设计时没设计足够的结构斜度 就应在进行铸造工艺设计时确定拔模斜度拔模斜度的大小取决于该垂直壁的高度 造型方法及表面粗糙度等因素 通常 随垂直壁高度的增加 其拔模斜度应减小 机器造型的拔模斜度较手工造型的小 外壁的拔模斜度也小于内壁的 起模斜度又称拔模斜度 在造型和制芯时 为了很方便地把模型从铸型中或芯子从芯盒中取出 需在模型或芯盒的起模方向上做出一定的斜度 5 型芯头设计 型芯头设计的好坏 对型芯的定位 稳固 排气和从铸件中的清理 至关重要的作用 按芯头在铸型中的位置不同 可分为垂直芯头和水平芯头两大类 垂直芯头 垂直芯头的高度主要取决于其直径的大小 对于矮粗的型芯 可以不用上芯头 以便于下芯和扣箱 对于细高的型芯 应具备上 下芯头 且下芯头的斜度较小 高度较大 以增加型芯的稳定性 而上芯头的斜度较大 高度较小 以便于合箱 水平芯头 的长度取决于型芯的长度和芯头的直径 并随型芯长度和芯头直径的增大而增加 在芯头与芯座之间应留1 4mm的间隙 以便下芯和合箱 1 2 5浇注系统设计 1 浇注系统组成及作用 是引导金属液进入铸型型腔的一系列通道的总称 2 内浇口开设方式 3 冒口 1 2 6铸造工艺图 铸造工艺图符号及表示方法见P 60表1 12 1 2 7综合分析举例例1 法兰盘零件 法兰盘铸造工艺图 例2 支承台零件图 方案1 方案2 例3 支座 方案比较 方案1 优点 1 轴孔易铸出 下芯方便 2 轴孔凸台不需活块 缺点 1 螺钉突台需活块 2 易错箱 3 木模易损坏 清理飞边工作量大 方案2 3 优点 1 克服了方案1的缺点 2 螺钉孔凸台不需活块 3 铸件全部或大部分位于下箱 支承部质量易保证 缺点 1 轴孔凸台需活块或外砂芯 2 轴孔难铸出 3 面积较大的底面质量较差 方案分析 1 零件对质量没有特殊要求 应首先考虑分型面 简化造型方法 其次考虑浇注位置 2 从生产批量考虑 单件小批量生产 由于轴孔不大 可以不铸出 底面适当加大加工余量 方案2的缺点则解决了 因此 方案2用活块模造型是合理的 大批量生产 因不宜用活块型 因此方案1是不合适的 方案2轴孔的凸台可以采用外型芯解决拔模困难 并且可以和轴孔砂芯连为一整体将孔铸出 因此方案2是合理的 综述 方案2 3适合各种批量的生产 例4 C6140车床进给箱体材料 HT200生产批量 单件 小批大量生产 分型面选择 铸造工艺图 讨论课 小结 砂型铸造 模型 木模 铸型 砂型 在重力作用下充型 金属模蜡模气化模 耐火型壳金属型陶瓷型 压力离心力 在外力作用下充型 创新发展 创新发展 创新发展 1 3特种铸造 金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造离心铸造陶瓷型铸造气化模铸造 1 3 1金属型铸造 由于金属铸型可反复使用多次 几百到几千次 故有永久型铸造之称 一 金属型构造 二 金属型铸造的特点和适用范围优点 铸型可承受多次浇注 一型多铸 大大提高生产率 铸件冷却速度快 组织致密 力学性能高 铸件精度和表面质量提高 节省工序 改善劳动条件等 缺点 制造金属型的成本高 周期长 工艺要求严格 金属型铸件的形状和尺寸有一定的限制 适用范围 有色合金的大批量生产 1 3 2熔模铸造 熔模铸造的工艺过程 1 蜡模制造2 结壳3 脱蜡和造型4 焙烧和浇注 1 3 3压力铸造 一 工艺过程 1 注入金属 2 压铸 3 取出铸件 二 压力铸造特点和适用范围 优点 1 铸件精度及表面质量最高 2 可铸出形状复杂的薄壁件或镶嵌件 3 铸件的强度和硬度较高 4 生产率高缺点 设备投资大 周期长 只适用于大量生产 压铸合金的种类受限制 铸件内部常有气孔和缩松 压铸件不能用热处理来提高性能 1 3 4低压铸造 低压铸造特点 充型压力和速度便于控制 故可适应各种铸型 充型能力较高 有利于形成轮廓清晰 表面光洁的铸件 铸件组织致密 质量较好 由于省去补缩冒口 使金属的利用率提高 设备简单 投资较少 0 02 0 07MPa 1 3 5离心铸造 离心铸造的基本方式 立式 卧式 离心铸造是大口径铸铁管 气缸套 铜套 双金属轴承的主要生产方式 1 3 6陶瓷型铸造 1 3 7气化模铸造 实型铸造 各种铸造工艺方法的综合比较 金属液态成形方法的合理选择 应考虑 生产批量 质量要求 铸件大小 合金种类 生产效率 思考题 1 金属型铸造和砂型铸造相比有哪些特点 金属型铸造应用在什么条件下 2 与铸钢相比 铸铁的铸造性如何 为什么 3 试分析如下工件的铸造工艺方法 车床床身 铸铁 成批 大口径污水管 铸铁 大批 摩托车汽缸体 铝合金 大批 复杂刀具 高合金工具钢 成批 仪表支架 铝合金 大批 汽车喇叭 铝合金 大批 双金属轴瓦 钢 铜 成批 活塞 铝合金 大批 小型飞机涡轮叶片 高温合金 成批 大直径齿轮坯 铸钢 单件