教案首页 课程名称 ：金属材料成形基础 任课教师：徐晓峰  第二篇 金属液态成形（铸造生产） 计划学时： 10  教学目的和要求： 本篇主要介绍了液态成形工艺方法的基本原理、各种液态成形工艺方法和零件的结构工艺性和铸造工艺设计。学完本篇要求学生了解并掌握液态成形工艺方法的基本原理、各种液态成形工艺方法和零件的结构工艺性和铸造工艺设计。  重点：重点为铸造工艺基础、铸造生产方法、铸件的结构及工艺设计。  难点：难点为铸造工艺基础、铸件结构工艺性及铸造工艺设计。  思考题： 金属液态成形有哪些特点？哪些机器零件适宜采用铸件为毛坯？ 何谓浇注位置和分型面？选择它们的出发点是什么？选择是应考虑哪些问题？ 石墨对灰口铸铁的性能有哪些影响？提高灰口铸铁强度的途径有哪些？ 铸件某些部位的壁厚过大或过小会产生哪些缺陷？为了保证铸件壁厚处的质量，在铸件结构设计、选材及铸造工艺等方面应如何处理？ 什么是合金的收缩？影响合金收缩的因素有哪些？合金收缩时易在铸件中产生哪些缺陷？ 在设计铸件的外形结构与内腔结构时各应考虑哪些因素？为什么？   第二篇 金属液态成型 序： 一、什么是液态成型（铸造生产） 将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。 二、砂型铸造的工艺过程 三、铸造生产的特点 1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。 2．适应性强：（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。 3．成本低： （1）材料来源广；（2）废品可 重熔；（3）设备投资低。 4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。 第一章 金属液态成型工艺基础 §1-1 液态金属的充型能力与流动性 充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。 充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。 一、液态合金的流动性 合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。 0.45%C 铸钢：200、4.3%C 铸铁：1800 合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点 二、浇注条件 （1）浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。 （2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。 （3）浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。 三、铸型充填条件 （1）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取热量并储存在本身的能力。 （2）铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。 （3）铸型中的气体 四、铸件结构 （1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。 （2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。 §1-2 液态金属的凝固与收缩 一、铸件的凝固方式 1. 逐层凝固 2. 糊状凝固 3. 中间凝固 影响铸件凝固方式的主要因素 ： （1）合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。 （2）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄 。 二、合金的收缩 1. 收缩的概念 合金的收缩经历如下三个阶段： （1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。 T浇 — T液 （2）?凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 — T固 （3）??固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 — T室 体收缩率： 线收缩率： 体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。 线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。 2. 缩孔与缩松 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。 1)缩孔和缩松的形成 2)缩孔和缩松的防止 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固” 冒口— 储存补缩用金属液的空腔。 顺序凝固— 铸件按照一定的次序逐渐凝固。 寻找热节的方法：等温线法；内切圆法。 同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。 §1-3 液态成形内应力、变形与裂纹 一、液态成形内应力 铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。 1．.机械应力（收缩应力） 合金的线收缩受到铸型、型芯、 浇冒系统的机械阻碍而形成的 内应力。机械应力是暂时应力。 2．热应力 热应力是由于铸件壁厚不均匀， 各部分冷却速度不同，以致在同一 时期内铸件各部分收缩不一致而引 起的应力。 t0~t1：: t1~t2： t2~t3： 热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力是永久应力。 二、铸件的变形与防止 防止变形的方法：1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）采用反变形法。 三、铸件的裂纹与防止 1 ．热裂 热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。 热裂的防止：① 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。 ② 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。 ③ 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。 2 ．冷裂 冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。 冷裂的防止：1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。 §1-4 液态成形件的质量与控制 常见铸件缺陷及特征 名称  特 征 名称  特 征  气 孔 主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。 缩孔 缩松  1．缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。 2．所松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。  粘 砂 铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。 裂纹  1．热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。 2．冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。  夹 砂  铸件表面上有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。 化学成分及力学性能不合格  铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技术条件要求。  白 口 灰铸铁件断面全部或表面出现亮白色组织，常在铸件薄的断面，棱角及边缘部分。     铸件缺陷的产生与铸造工艺、造型材料、模具、合金的熔炼与浇注、铸造合金的选择、铸件结构设计、技术要求的设计是否合理等各个环节密切相关。因此，应从以下几个方面控制铸件质量： 1．合理选定铸造合金和铸件结构 2．合理制定铸件的技术要求 具有缺陷的铸件并不都是废品，在合格铸件中，允许存在那些缺陷及其存在的程度，应在零件图或有关的技术文件中做出具体规定，作为铸件质量要求的依据。 3．铸件质量检验 铸件质量检验是控制铸件质量的重要措施。 铸件检验的项目有：铸件外观质量，包括铸件表面缺陷、表面粗糙度、重量公差和尺寸公差等；铸件内在质量，包括铸件内部缺陷、化学成分、金相组织和材质性能等；铸件使用性能，包括铸件在强力、高速、耐蚀、耐热、耐低温等不同条件下的工作能力。 铸件质量检验最常用的是宏观法。它是通过肉眼观察（或借助尖咀锤）找出铸件的表面缺陷和皮下缺陷，如气孔、砂眼、夹渣、粘砂、缩孔、浇不到、冷隔、尺寸误差等。对于内部缺陷则要用仪器检验，如着色渗透检验、超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、荧光探伤、耐压试验等。此外，若有必要还应对铸件进行解剖检验、金相检验、力学性能检验和化学成分分析等。 第二章 常用液态成形合金及其熔炼 §2-1 铸铁件生产 铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-4.0%）的铁碳合金。 根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为： 1.白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。 2．灰口铸铁：碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。 3．麻口铸铁： 组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。 根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为： 1．普通灰口铸铁 ： 简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图a所示 2．可锻铸铁： 其石墨呈团絮状。如图b所示。 3．球墨铸铁： 其石墨呈球状。如图c所示。 4．蠕墨铸铁 ： 其石墨呈蠕虫状。如图d所示。  一、影响铸铁组织和性能的因素 铸铁中的碳可以以化合态渗碳体和游离态石墨两种形式存在。 碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。 1、化学成分 1）碳和硅：碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。 硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。 所以：当铸铁中碳、硅含量均高 时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。 2）硫：硫是强烈阻碍石墨化元素。 硫量高易促使碳以Fe3C 白口组织； 硫量高 热脆性； 使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。 所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更低。 3）锰：锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。一般控制在0.6~0.12%之间 4）磷：磷对铸铁的石墨化影响不显著。含磷过高将增加铸铁的冷脆性。 限制在0.5%以下，高强度铸铁则限制在0.2~0.3%以下。 2．冷却速度 1）铸型材料 2）铸件壁厚 铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。 由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。 在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚），选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组织。  二、灰口铸铁 （一）灰口铸铁的化学成分、组织和性能 1 ．灰口铸铁的化学成分与组织 灰口铸铁的化学成分一般为：2.6~3.6%C，1.2~3.0%Si， 0.4~1.2Mn，S≤0.15%，P≤0.3%。 1) 铁素体灰口铸铁（F+G片）： 这种铸铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸造性能好。常用来制造性能要求不高的铸件和一些薄壁件。 2) 铁素体-珠光体灰口铸铁（F+P+G片）： 此种铸铁强度亦较低，但可满足一般机件要求，且其铸造性能、切削加工性能和减振性较好，因此应用较广。 3) 珠光体灰口铸铁（ P+G片）： 这种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较为重要的机件。 2 ．灰口铸铁的性能 1）力学性能：σb=120-250Mpa，仅为钢件的20-30%， δ≈ 0 2）良好的减振性 3）良好的耐磨性 4）低的缺口敏感性 （二）灰口铸铁的孕育处理 灰口铸铁的组织和性能，很大程度上取决于石墨的数量、大小和形态。 孕育处理 — 熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。 孕育铸铁：P细+G细片 σb=250-400Mpa， HB=170-270，δ≈ 0 常用的孕育剂为含硅75%的硅铁， 加入量为铁水重量的0.25-0.6%。 冷却速度对其组织和性能的影响很小。 孕育铸铁适用于静载荷下，要求较高 强度、硬度、耐磨性或气密性的铸件， 特别是厚大截面铸件。如重型机床床 身，汽缸体、缸套及液压件等。 必须指出： ① 孕育铸铁原铁水的碳、硅含量不能太高； ② 原铁水出炉温度不应低于1400℃； ③ 经孕育处理后的铁水必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。 （三）灰口铸铁的工艺性能 1 ．良好的铸造性能。良好的流动性、小的收缩率。 2 ．良好的切削加工性能。 3 ．锻造性和焊接性差。 （四）灰口铸铁生产特点及牌号选用 1 ．灰口铸铁件的生产特点 1）灰口铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉； 2）具有良好的铸造性能。 3）灰口铸铁一般不通过热处理来提高其性能。 2 ．灰口铸铁的牌号选用 灰口铸铁的牌号用汉语拼音“HT”和一组数字表示，数字表示其最低抗拉强度σb （Mpa）。 牌 号 组 织  用 途 举 例  HT100 F+G片  盖、外罩、油盘、手轮、支架、底板、镶导轨的机床底座等对强度无要求的零件  HT150 F+P+G片 底座、床身、与HT200相配的溜板、工作台；泵壳、容器、法兰盘;工作压力不太大的管件  HT200 F+P+G片 要求高的强度和一定耐蚀能力的泵壳、容器、塔器、法兰、硝化塔 机床床身、立柱、平尺、划线平板、汽缸、齿轮、活塞、刹车轮、联轴器盘、水平仪框架 压力为80Mpa以下的油缸、泵体、阀门  HT250 P+G片   HT300 P细+G细片 床身导轨、车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮、高压油缸、水缸、泵体、阀门、衬套、凸轮、大型发动机曲轴、气缸体、气缸盖；冷镦模、冷冲模  HT350 P细+G细片    三、可锻铸铁 （一）可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用 1 ．可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用 1）铁素体（黑心）可锻铸铁（F+G团）： 具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较高，适于制造承受振动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如汽车拖拉机的底盘类零件、各种水管接头、农机件等。 2）珠光体（P+ G团）： 其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化。可取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。 2 ．可锻铸铁的牌号 可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其最低抗拉强度σb （Mpa），第二组数字表示其最低伸长率δ 。 牌 号 组织  用 途 举 例  KTH300—06 F+G团 三通、管件、中压阀门  KTH330—08 F+G团  输电线路件、汽车、拖拉机的前后轮壳、差速器壳、转向节壳、制动器；农机件及冷暖器接头等。  KTH350—10 F+G团   KTH370—12 F+G团   KTZ450—06 P+ G团  曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、犁片、耙片、闸、万向接头、棘轮、扳手、传动链条、矿车轮  KTZ550—04 P+ G团   KTZ650—02 P+ G团   KTZ700—02 P+ G团    （二）可锻铸铁的生产特点 1.铸出白口坯料 1）碳、硅含量要低。通常为2.4~2.8%C，0.4~1.4%Si。 2）冷却速度要快。 2.石墨化退火 石墨化退火的总周期一般为40~70小时 高温阶段的石墨化退火时间需10-20小时 四、球墨铸铁 1．球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途 1）珠光体球墨铸铁（P + F少+G球） 其性能特点是：σb=600~800 MPa ; δ=2% a）强度高。特别是屈服强度高，屈、强比（σ0.2/σb≈0.7～0.8）高于45号钢（σ0.2/σb≈0.6)； b）疲劳强度较高； c）硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高。 因此，珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。 2）铁素体球墨铸铁 （F + P少+G球） 其性能特点：σb=450~500 MPa ; δ=17% 我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘类零件，如后桥壳等。国外则大量用于铸管，如上、下水管道及输气管道等。 球墨铸铁的牌号用汉语拼音“QT”和两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。 牌 号 组 织  用 途 举 例  QT400—17  F+G球 汽车、拖拉机底盘类零件，轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、中低压阀门、管道。  QT420—10  F+G球   QT500—05  F+P+G球 机座、传动轴、机车护瓦等。  QT600—02  P+G球 曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、汽缸套、机床蜗轮、蜗杆等  QT700—02  P+ G球   QT800—02  P+ G球   QT1200—01  B下+ G球 汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、曲轴、凸轮等   2．球墨铸铁的生产 1）控制原铁水化学成分 a）应严格控制 S≤0.07%、P≤0.1%。 b）适当提高含碳量（3.6～4.0%C），以改善铸造性能。 2）较高的铁水温度： 出炉温度应高于1400℃ 。 3）球化处理和孕育处理 a）球化处理 球化剂的作用：促使石墨在结晶时呈球状析出。 稀土镁合金 球化剂加入量一般为铁水重量的1.0-1.6%。 b）孕育处理 孕育剂的作用：促进铸铁石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向 。 常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.4-1.0%。 球化处理工艺有冲入法和型内球化法 。 4）球墨铸铁的热处理 退火、正火及其它热处理（淬火、回火等）。 五、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的性能特点： （1）力学性能（强度和韧性）比灰铸铁高，与铁素体球墨铸铁相近。 （2）壁厚敏感性比灰铸铁小得多。 （3）导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。 （4）耐磨性比灰口铸铁好，为HT300的2.2倍以上。 （5）减振性比球墨铸铁高，但比灰口铸铁低。 （6）工艺性能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削加工性能近于球墨铸铁。 蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件。如大型柴油机机体、大型机床立柱等，更适合制造在热循环作用下工作的零件，如大型柴油机汽缸盖、排汽管、制动盘、钢锭模及金属型等 牌 号 组 织 用 途 举 例  RT260 F+G蠕 汽车、拖拉机底盘类零件、驱动桥壳、阀体等  RT300 F+P+G蠕  排气管、变速箱体、汽缸盖、纺织零件、液压件等  RT340 F+P+G蠕 重型机床件、大型齿轮箱体、盖、刹车鼓、玻璃模具、飞轮等  RT380 P+G蠕  活塞环、气缸套、制动盘、玻璃模具、刹车鼓、钢珠研磨盘吸泥泵体等  RT420  P+ G蠕    §2-2 铸钢件生产 一、铸钢的分类、性能、牌号及应用 1 ．碳素钢 1）低碳钢：C<0.25% 铸造性能差、应用较少。 2）中碳钢：C=0.25~0.45% 铸造性能较好、应用广泛。 3）高碳钢：C=0.50~0.60 铸造性能差、应用较少。 2 ．合金钢 1）低合金钢： Me<5% 2）高合金钢： Me>5% Mn13 钢 号 旧钢号 化学成分的质量分数（%） 用 途 举 例    C Si Mn P、S     ≤   ZG200~400 ZG15 0.20 0.50 0.80 0.04 用于受力不大、要求韧性高的各种机械零件，如机座、箱体等  ZG230~450 ZG25 0.30 0.50 0.90 0.04 用于受力不大、要求韧性较高的各种机械零件，如外壳、轴承盖、阀体、砧座等  ZG270~500 ZG35 0.40 0.50 0.90 0.04 用于轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体、箱体等  ZG310~570 ZG45 0.50 0.60 0.90 0.04 用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、棍子等  ZG340~640 ZG55 0.60 0.60 0.90 0.04 用于齿轮、棘轮、联接器、叉头等   二、铸钢的熔铸工艺特点 1. 铸钢的铸造性能差：流动性差、收缩大。 1）铸件要安放冒口和冷铁；2）必须严格控制浇注温度； 3）铸件的壁不能太薄。 2. 铸钢的热处理：退火：C ( 0.35%；正火：C ( 0.35% 3. 铸钢的熔炼：电炉 §2-3 铸造有色合金 一、铸造铜合金 1．铸造黄铜 (Cu-Zn) 铸造黄铜有相当高的力学性能，如σb=250~450Mpa，δ=7~30%，HBS=60~120。因其含铜量低，价格低于铸造青铜，而且它的凝固温度范围小，有优良的铸造性能。所以铸造黄铜常用于生产重载低速下或一般用途下的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等。 2．铸造青铜 青铜是指除了铜锌合金以外的其它铜合金 。 铸造锡青铜的力学性能虽低于黄铜，但其耐磨、耐蚀性优于黄铜，锡青铜特别适合制造高速滑动轴承和衬套。除锡青铜外，还有铝青铜、铅青铜、铍青铜等，其中铝青铜有优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。 二、铸造铝合金 1 ．铝硅合金（Al-Si） 铝硅合金流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广。常用于制造形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、化油器、仪表外壳等。 2 ．铝铜合金（Al-Cu） 铝铜合金的铸造性能差，热裂倾向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。 3 ．铝镁合金（Al-Mg） 铝镁合金是所有铝合金中比强度最高的，主要用于航天、航空或长期在大气、海水中工作的零件等 。 4 ．铝锌合金（Al-Zn） 第三章 液态金属的成形工艺方法 §3-1 砂型铸造成形工艺 一、手工造型 适用于单件、小批量生产 二、机器造型 1)生产效率高; 2)铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）; 3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。 适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。 1 ．机器造型的造型方法： 1）振击压实 2）汽动微振压实 3）高压造型 4）抛砂紧实 2 ．机器造型的造芯方法： 1）射芯机 2）壳芯机 §3-2 金属型铸造成形工艺 将液态金属 金属型 铸件的生产方法。 一、金属型的材料及结构 材料一般采用铸铁，要求较高时，可选用碳钢或低合金钢 。金属型的结构有水平分型式、垂直分型式和复合分型式等 。 二、金属型的铸造工艺 1 ．加强金属型的排气； 2 ．在金属型的工作表面上喷刷涂料； 3 ．预热金属型并控制其温度； 4 ．及时开型。 三、金属型铸造的特点及适用范围 1．金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。 2．铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精度达IT12~IT14，Ra值平均可达6.3~12.5μm。 3 ．生产率高，劳动条件得到改善。 4 ．金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生气孔、应力、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷。 应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批量生产。 §3-3 熔模铸造成形工艺 在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。 一、熔模铸造的工艺过程 二、熔模铸造的特点和适用范围 1．铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11~IT13，表面粗糙度Ra值达1.6~12.5μm。 2．合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。 3．可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm的凹槽、直径大于2mm的小孔均可直接铸出。 4．生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。 5．工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有精度。 应用：它最适合25kg以下的高熔点、难以切削加工合金铸件的成批大量生产。 §3-4 压力铸造成形工艺 液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。 一、压铸机和压铸工艺过程 二、压力铸造的特点和适用范围 1．铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为IT11~IT13级，Ra为3.2~0.8μm。 2．铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造提高25~30%，但伸长率有所下降。 3．可压铸出形状复杂的薄壁件。 4．生产率高。国产压铸机每小时可铸50~150 次，最高可达500次。 5．便于采用镶嵌法。 6．压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜单件、小批生产。 7．由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造。 8．压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成 许多气孔。 三、在压铸件的设计和使用中，应注意的问题 1． 应使铸件壁厚均匀，并以3~4mm壁厚为宜，最大壁厚应小于6~8mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。 2 . 压铸件不能进行热处理或在高温下工作，以免压铸件内气孔中的气体膨胀，导致铸件表面鼓泡或变形。 3．压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。 4 . 由于压铸件内部疏松，塑性、韧性相对较差，因此不适宜制造承受冲击的制件。 应用：有色薄壁小件的大批量生产。 §3-5 低压铸造成形工艺 低压铸造是在0.2~0.7大气压的低压下将金属液注入型腔，并在压力下凝固成形，以获得铸件的方法。 一、低压铸造的工艺过程 二、低压铸造的特点及应用范围 1．浇注压力和速度便于调节，可适应不同材料的铸型。 2．铸件的气孔、夹渣等缺陷较少。 3．便于实现顺序凝固，使铸件组织致密、力学性能高。 4．由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到90~98%。 应用：目前广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等，也可用于球墨铸铁、铜合金等浇注较大的铸件，如球铁曲轴、铜合金螺旋桨等。 §3-6 其它铸造成形工艺方法简介 一、挤压铸造 二、陶瓷型铸造 三、实型铸造 第四章 液态成形金属件的工艺设计 §4-1 铸件结构设计 一、铸件壁厚的设计 1 ．合理设计铸件壁厚 1）铸件的最小壁厚 在一定铸造工艺条件下，所能浇注出的铸件最小壁厚。 铸 造 方 法 铸件尺寸 （mm） 合金种类    铸钢 灰口铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金  砂 型 铸 造 <200×200 8 5～6 6 5 3 3～5   200×20~ 500×500 10～12 6～10 12 8 4 6～8   >500×500 15～20 15～20 15～20 10～12 6 10～12   2）铸件的临界壁厚 在砂型铸造条件下，临界壁厚≈3×最小壁厚 在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。 3）铸件截面形状 2 ．铸件壁厚应均匀、避免厚大截面 二、铸件壁的连接 1 ．铸件的结构圆角 2 ．避免锐角连接 3 ．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡 4 ．减缓筋、辐收缩的阻碍 三、铸件外形的设计 1 ．避免外部侧凹、凸起； 2 ．分型面应尽量为平直面； 3 ．凸台、筋条的设计应便于起模。 四、铸件内腔的设计 1 ．应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。 2 ．便于型芯的固定、排气和清理。 五、铸件结构设计应考虑的其它问题 1 ．铸造方法 2 ．组合铸件的设计 §4-2 砂型铸造工艺设计 铸造工艺图—将工艺设计的内容（工艺方案）用工艺符号或文字在零件图上表示出来 所形成的图样。 一、浇注位置的选择 浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。 1.铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面； 2. 应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置； 3.铸件的大平面应朝下 ； 4.为防止铸件产生缩孔、缩松的缺陷，应使铸件的厚大部位朝上或侧放。 二、分型面的选择 1. 分型面应选在铸件的最大截面处。 2. 应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。 3. 应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。 4. 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。 三、工艺参数的确定 1．机械加工余量和铸孔 凡是零件表面有加工符号处均需留出机械加工余量。 生产批量 最小铸出孔直径   灰口铸铁件 铸钢件  大量生产 成批生产 单件、小批生产 12～15 15～30 30～50 30～50 50   2．起模斜度 在垂直于分型面的立壁上所加的斜度。 3．铸造圆角 铸件上壁与壁的过渡处均应圆角过渡。 圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/3~1/2。 4．铸造收缩率 通常灰铸铁为0.7~1.0%，铸造碳钢为1.3~2.0%，铝硅合金为0.8~1.2%，锡青铜为1.2~1.4%。 5 ．型芯及芯头 型芯的功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。 芯头的作用：1）定位作用；2）固定作用；3）排气作用。 四、浇、冒口系统 1. 浇注系统 1）浇注系统的组成及作用 2）浇注系统的常见类型 ① 封闭式浇注系统 ΣF直>ΣF横>ΣF内 ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=1.15∶1.1∶1 ② 开放式浇注系统 ΣF直<ΣF横<ΣF内 ΣF直∶ΣF横：ΣF内=1∶2∶4 2. 冒口 冒口是在铸型中设置的一个储存补缩用金属液的空腔。 §4-3 液态成形工艺设计实例 第五章 液态成形技术新进展 §5-1 造型技术的新进展 一、气体冲压造型 这是近年来发展迅速的低噪音造型方法，其主要特点是在紧实前先将型砂填入砂箱和辅助框内，然后在短时间内开启快速释放阀门而给气，对松散的型砂进行脉冲冲击紧实成形，气体压力达3×105Pa，且压力增长速率△P/△t大于40Mpa/s，可一次紧实成形，无需辅助紧实。它包括空气冲击造型和燃气冲击造型两类。前者是将贮存在压力罐内的压缩空气突然释放实现脉冲成绩；后者是利用贮气罐内的可燃气体和空气的混合物点火燃烧爆炸产生的压力波冲击紧实。气体冲压造型具有砂型紧实度高、均匀合理、能生产复杂铸件、噪音小、节约能源、设备结构简单等优点，进年来发展较快。主要用于汽车、拖拉机、缝纫机、纺织机械所用铸件及水管的造型。 二、静压造型 静压造型的特点是消除了震—压造型机的噪音污染，型砂紧实效果好，铸件尺寸精度高。其工艺过程为：首先将砂箱置于装有通气塞的模板上，通如压缩空气，使之穿过通气塞排出，型砂被压想模板，越靠近模板，型砂密度越高，最后用压实板在型砂上进一步压实，使其上、下硬度均匀，起模即成铸型。 它不需要刮去大量余砂，维修要求简单，因而较适合我国国情，目前主要用于汽车和拖拉机的汽缸等复杂件的生产。 三、真空密封造型（V法造型） V发造型是一种全新的物理造型方法。其基本原理是在特制的砂箱内填入无水无粘结剂的干砂，用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助铸型内外的压力差，使型砂紧实成形。V法造型用于生产面积大、壁薄、形状不太复杂及表面要求十分光洁、轮廓十分清晰的铸件。近年来，在叉车配重块、艺术铸件、大型标牌、钢琴弦架、浴缸等领域获得了极大的发展。 四、冷冻造型 冷冻造型又称为低温造型，是英国BCD公司首先研制出来，并于1977年建成世界上第一条冷冻造型自动生产线。 冷冻造型法采用石英砂作为骨架材料，加入少量水，必要是时还加入少量粘土，按普通造型方法制好铸型后送入冷冻室里，用液态的氮或二氧化碳作为致冷剂，使铸型冷冻，借助于包覆在砂粒表面的冰冻水分而实现砂粒的结合，使铸型具有很高的强度和硬度。浇注时，铸型温度升高，水分蒸发，铸型逐渐解冻，稍加振动立即溃散，可方便地取出铸件。 与其它造型方法相比，这种造型方法具有：（1）型砂配制简单、落砂清理方便。（2）对环境的污染少。（3）铸型的强度高、硬度大、透气性好、铸件表面光洁、缺陷少。（4）成本低等特点。 §5-2 快速成形技术（RPT）的类型及应用 一、激光立体光刻成形技术（SLA） SLA是世界第一种快速成形技术。其基本原理为：SLA将设计零件的三维计算机成像数 据，转换成一系列很薄的模样截面数据。然后在快速成形机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模样的一个薄截面轮廓。 二、分层叠纸制造成形工艺（ＬＯＭ） LOM的基本原理如图所示。首先将需进行快速成形产品的三维图形输入计算机的成形系统，用切片软件对该散图形进行切片处理，得到沿产品高度方向上的一系列横截面轮廓线。单面涂有热熔胶的纸卷套在纸棍上，并跨过支承棍缠绕到收纸棍上。步进电机带动收纸棍转动，使纸卷沿图中箭头方向移动一定距离。工作台上升至与纸卷接触，热压棍沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与底基上的前一层纸毡合。CO2激光器发射的激光束跟踪零件的二维截面轮廓数据，进行切割，并将轮廓外的废纸余料切割出方形小格，以便呈现过程完成后易于剥离余料。每切割完一个截面，工作台连同被切出的轮廓层自动下降至一定高度，然后步进电机再次驱动收纸棍将纸移到第二个需要切割的截面，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面粘叠的立体纸样。然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。 三、激光粉末选区烧结成形技术（ＳＬＳ） SLS工艺是在一个充满氮气的惰性气体加工室中，先将一层很薄的可熔粉末沉淀到圆柱形容器底部的可上、下移动的板上，按CAD数据控制CO2激光束的运动轨迹，对可熔粉末材料进行扫描熔化，并调整激光束的强度正好能将0.125～0.25mm的粉末烧结。这样，当激光在模样几何形状所确定的区域内移动时，就能将粉末烧结，从而生成模样的截面形状。同SLA工艺一样，每层烧结都是在先制成的那层顶部进行。未烧结的粉末在制完模样后，可用刷子或压缩空气去除。如图所示为SLS工艺的原理示意图。 四、熔丝沉积成形工艺（FDM） FDM工艺使用一个外观非常像二维平面绘图仪的装置，只是笔头被一个挤压头代替，它可挤压出一束非常细的蜡状塑料（热塑性）或熔模铸造蜡，并以此逐步挤出热熔塑料丝的方法来画出和堆积有切片软件所形成的没一二维切片薄层。同理，制造模样从底层开始，一层一层进行，由于热塑性树脂或蜡冷却很快，这样形成了一个有二维薄层轮廓堆积并粘结成的立体模样。如图所示为FDM工艺原理示意图。 五、直接制壳生产铸件的工艺（DSPC） DSPC工艺与迄今所描述的制壳工艺有本质的区别，它允许在计算机上进行零件设计直到浇注的整个铸造过程。它直接利用CAD数据自动制造陶瓷型壳，而无需模具和压型，大大缩短了铸件的生产周期。其工作过程是用计算机控制一个喷墨印刷头，依据分层软件逐层选择地在粉末层上沉积液体粘结材料，最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体。其为具有整体芯的星壳，型壳经焙烧后即可浇注金属液。