工程材料与机械制造基础-7-铸造成形.ppt
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1、,工程材料与机械制造基础,海洋科学与技术学院 贾 非,Dalian University of Technology,第七章 铸造成形,06:29,主 要 内 容,概述 砂型铸造 造型和造芯的方法 浇注系统和冒口 铸件成形工艺基础 液态合金充型能力及铸件的收缩 铸造的缺陷 铸件结构的铸造工艺性 铸造工艺分析与设计 特种铸造 金属型、熔模、压力 低压、离心、实型、连续 铸造成形新工艺简介,06:29,概述,铸造:将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中,待其冷却凝固后,获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一,其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。,铸造的优点:
2、 1)使用范围广。可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯; 2)工艺灵活性大。几乎各种合金,各种尺寸、形状、重量和数量的铸件都能生产; 3)成本较低。原材料来源广泛,价格低廉; 4 )加工余量小,节约金属材料和加工工时。,铸造的缺点:,砂型铸造是应用最广的铸造方法,约占总产量的80%以上.,砂型铸造方法,砂型铸型的组成,适当的分型面。砂型从适当的面分开,以方便取出模样并获得清晰的型腔。 合理的浇注系统与通气孔。型腔中气体逸出的通道。,足够的吃砂量。模样周围应留有足够的砂层厚度,以承受金属液流的压力。,型砂和芯砂,型砂由原砂、黏结剂、水和附加物按一定比例配合,制成符合造型、造芯要求的混合料。 铸型在浇注
3、、凝固过程中要承受高温金属液体的冲刷、静压力和高温的作用,并排出大量气体,承受铸件凝固收缩压力等,获 得优质铸件,型砂应满足 如下性能要求:,强度和紧实度 透气性 耐火性 可塑性 退让性,造型和造芯的方法,造型是砂型铸造的主要工艺之一,一般可分为手工造型和机器造型两大类。 手工造型 全部用手工或手动工具完成的造型工序。 生产中,根据铸件的 形状、大小和生产批 量的不同进行选择。,手工造型的工具 捣砂锤、直浇道棒、通气针、起模针、墁刀、秋叶、砂勾、皮老虎。,整模造型 模样为整体,型腔位于一个砂型内,分型面是平面。,分模造型 模样在最大截面处分成两半,两半模分开的平面常常就是造型的分型面。 造型时
4、,两半模分别在上下两个砂箱中进行。 是应用最广泛的造型方法。,操作简便,适用于最大截面在中间以及形状较复杂的铸件。如套类、管类、曲轴、立柱、阀体、箱体等零件。,挖砂造型 有些铸件的模样不能分开,必须做成整体,造型时挖出阻碍起模的型砂。 特点:模样形状较为复杂;分型面是曲面;要求准确挖至模样的最大截面处,比较费事,对工人操作技术水平要求高;,分型面处易产生毛刺,铸件外观及精度较差,仅用于单件小批量生产。,假箱造型 在造型前先做一个形状与模样的分型面(或形状)一致的假箱,代替上型或下型进行造型。 特点:节省工时,生产率高,铸型质量好,适宜于小批量生产。,活块造型 铸件的侧面有凸起部分妨碍起模时,将
5、局部影响起模的凸台(或肋条)做成活块,造型时,先起出主体模样,再从侧面起出活块模。,活块与主体的连接方法:活块较小时,用销钉和模样主体相连定位;活块较大时,采用燕尾槽连接。 特点:操作复杂,生产效率较低;使用于小批量生产。,刮板造型 制造旋转体或等截面形状的铸件时,用与铸件截面形状相适应的特制板刮制出所需砂型。 特点:可节省模材料和加工工时,造型操作复杂,效率和尺寸精度低,单件或小批量生产。,三箱造型 形状较复杂铸件,两端截面大中间截面小,一个分型面起不出模样,采用两个分型面和三个砂箱。 特点:模样须分模,操作较复杂,生产率低,成本相对高,适于单件小批量生产。水平要求高;,机器造型:用机器全部
6、或至少完成紧砂操作的造型方法。 优点:生产效率高,劳动条件好,砂型质量好(紧实度高而均匀),型腔轮廓清晰,铸件质量也好。 缺点:但设备和工艺装备费用高,生产准备时间较长. 应用:适于中小铸件的成批或大量生产。,机器造型,机器造型的紧砂方法,机器造型的紧砂方法主要有压实、振实、振压、抛砂四种基本形式。,压实造型,振实造型,抛砂造型,射砂造型,造芯的方法,开通气孔和通气道 2. 放芯骨和安装吊环,外浇道 2. 直浇道 横浇道 内浇道 冒口,1-铸件 2-冒口 3-盆形外浇道(浇口盆)4-漏斗形外浇道(浇口杯)5-直浇道 6-横浇道 7-内浇道,浇注系统,合型时应检查铸型型腔是否清洁,型芯的安装是否
7、准确牢固,砂箱的定位是否准确,牢固。,金属液的温度过低,铸件产生冷隔、浇不足、气孔等缺陷。金属液的温度过高,铸件总收缩量增加,吸收气体多,粘砂等缺陷。铸造生产常用的熔炼设备有冲天炉(熔炼铸铁)、电弧炉(熔炼铸钢)、坩埚炉(熔炼有色金属),感应加热炉(熔炼铸铁和铸钢)。,浇注温度过高,金属液吸气多,液体收缩大,铸件容易产生气孔、缩孔、粘砂等缺陷。浇注温度过低,金属液流动性差,铸件易产生浇不足,冷隔等缺陷。,合型,熔炼,浇注,落砂 浇注后,经过充分的凝固和冷却后落砂。落砂过早,铸件的冷速过快,使铸铁表层出现白口组织,导致切削困难;落砂过晚,由于收缩应力大,使铸件产生裂纹,且生产率低。 清理 落砂后
8、,用机械切割、铁锤敲击、气割等方法清除表面粘砂,多余金属等操作过程称为清理。铸件清理后应进行质量检验。 检验 铸件清理后应进行质量检验。通过眼睛观察找出铸件的表面缺陷,如气孔、砂眼、粘砂、缩孔、浇不足、冷隔。铸件内部缺陷可进行耐压试验、超声波探伤等。,铸件成形工艺基础,铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力;用充型能力、收缩性等来衡量。,充型能力:液态金属或合金充满铸型型腔,获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。,1. 流动性,螺旋形标准试样,流动性是熔融金属的流动能力,合金的流动性用浇注流动性试样的方法来衡量,流动距离越长,表明流动性越好。,1)合金的熔点。熔点高,热量散失快,流动性差。,
9、2)结晶区间。纯金属和共晶合金在恒温下结晶,为逐层凝固方式,阻力小,熔点最低,流动性好。液固两相区越宽,枝晶越发达,流动阻力越大,流动性差。,铅锡合金的流动性与相图的关系,影响合金流动性的因素,3)杂质和含气量。夹杂物使粘度增加,流动性下降;含气量越少,流动性越好。,凝固方式对流动性的影响,2. 浇注条件,1)浇注温度 浇注温度越高,保持液态的时间越长,流动性越好。温度越高,合金粘度越低,阻力越小,充型能力越强。故提高浇注温度能有效提高充型能力;但过高吸气量和总收缩大,易产生铸造缺陷。故在保证充型能力的前提下温度应尽量低。生产中薄壁件常采用较高温度,厚壁件采用较低浇注温度。,2)充型压力 浇注
10、速度快、压力头高,能加快合金液体的流动速度,有利于提高流动性,充型能力越强。,3. 铸件结构,1)铸件结构 壁厚过小或壁厚变化剧烈、结构复杂、大平面都影响充型。 2)铸件尺寸 大时不易浇满,出现冷隔及浇不足。,4. 铸型条件,1)造型材料 导热能力及蓄热能力越强,金属液散热越快,充型能力越差; 2)浇注系统的设置 直浇道高度小、浇口截面积小或分布不合理,降低金属液静压力及充型能力; 3)气体阻力 浇注后,型砂发气量过多或透气性不良,阻碍充型。,铸件的收缩,收缩 铸造合金从液态冷却至常温的过程中,体积或尺寸缩小的现象。收缩是铸件产生缩孔、缩松和变形等缺陷的主要原因。通常用体收缩率或线收缩率来表示
11、:,体收缩率,线收缩率,合金的收缩过程可分为三个阶段:,1)液态收缩 从浇注温度冷却到液相线温度的收缩。,3)固态收缩 从固相线温度冷却到室温时的收缩。用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响大,是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。,2)凝固收缩 在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围宽,收缩率大。,影响收缩的因素,1)合金化学成分 铸钢的收缩最大,灰铸铁收缩最小。灰铸铁中增加碳、硅含量和减少含硫量使收缩减小; 2)浇注温度 合金的浇注温度越高,过热度越大,液态收缩量也越大,体收缩越大; 3)铸型结构 铸件结构造成各部分冷却速度不同,产生内部应力阻碍收缩;铸型和型芯对收缩产
12、生机械阻力。铸件的实际线收缩率比其自由线收缩率小。,收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原因;充型能力不好,铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,铸造性能对铸件质量的影响,缩孔和缩松,凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔,细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使铸件力学性能大大降低,以致成为废品。,缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值,且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域,此区域也称热节。,(1)缩孔的形成 金属在恒温或很窄的温度范围内结晶,铸件壁以逐层凝固方式凝固。,缩孔形成过程示意图,缩松形成过程示意图,(2)缩
13、松的形成 基本原因也是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。主要出现在糊状凝固的合金中,或断面较大的铸件壁中。一般在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近,也常分布在集中缩孔的下方。,(3)缩孔缩松的形成规律,1)合金的液态收缩和凝固收缩越大(如铸钢、白口铁等),铸件越易形成缩孔。 2)合金的浇注温度高,液态收缩大,易形成缩孔。 3)结晶温度范围宽的合金,倾向于糊状凝固,易形成缩松。纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固,易形成缩孔。,一定成分的合金,缩孔、缩松的数量可以相互转化,但其总容积基本一定。,铁碳合金成分与体积收缩率的关系,防止缩孔和缩松的基本原则是:采用合理的工艺条件,使缩松转化为缩
14、孔,并使缩孔移至冒口中。,(1)按照顺序凝固原则进行凝固 采用各种工艺措施,使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度,实现向冒口的方向顺序地凝固, 使缩孔转移到冒口中。适用于收缩大或壁厚差别大,易产生缩孔的合金铸件,如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。,(2)合理确定内浇道位置及浇注工艺 内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定;浇注温度和浇注速度应根据铸件结构、浇注系统类型确定,慢浇有利于顺序凝固和补缩,消除缩孔。,顺序凝固原则示意图,(3)合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施 冒口 在铸件厚壁处和热节部位设置冒口。 冷铁 用铸铁、钢、铜等材料制成的激冷物。加大冷却速度,调节凝
15、固顺序。,补贴 在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔型厚度,使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状。 三者综合应用是消除缩孔缩松的有效措施。,冒口冷铁的作用,铸造应力、铸件变形和裂纹,铸造应力:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。分为热应力、相变应力和收缩应力。 热应力:铸件各部分由于冷却速度不同,收缩量不同而引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。 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。 收缩应力:铸件在固态收缩时,因受到铸型、砂芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而引起的应力称收缩应力(机械应力)。,第一阶段,两者都塑性变形,无热应力; 第二阶段,一塑性,一弹性,仍无热应力; 第
16、三阶段,两者均弹性变形,冷却慢的受拉,快的受压。热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各部分壁厚差别及温度差成正比。,热应力的形成,由热阻碍引起,落砂后热应力仍存在于铸件内,是一种残留铸造应力,以框架铸件为例,说明残留热应力的形成过程,其热应力形成过程分三阶段。,由机械阻碍产生,一般都是拉应力,在形成应力的原因消除时,应力也随之消除。但如果临时拉应力和残留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时,铸件将产生裂纹。,减小和消除铸造应力的措施 1)合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构,如壁厚均匀,壁之间连接均匀等。 2)尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。 3)采用同时凝固的工艺。各部分
17、温差小,不易产生热应力。用于收缩较小的普通灰铸铁、结晶范围大,不易实现冒口补缩,对气密性要求不高的锡青铜铸件等。,4)设法改善铸型、型芯的退让性,合理设置浇冒口。 5)对铸件进行时效处理。自然时效、热时效(去应力退火)和共振时效。,铸件的变形与裂纹,铸件的变形 残留铸造应力超过材料的屈服极限时产生翘曲变形。,防止铸造应力的方法也是防止变形的根本方法;同时在工艺上还可以采用反变形法,提早落砂、去应力退火消除机械应力。,铸件的裂纹:当铸造应力超过金属的强度极限时,铸件便产生裂纹。可分为热裂和冷裂。,1)热裂 在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧化而呈氧化色,裂纹沿晶粒边界产生和发展,外形曲折而
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