材料成型第3章_金属的铸造形成工艺1（PPT 74页）.ppt

金属的铸造形成工艺 本章学习目的与要求 掌握各种造型方法的原理 特点与用途 能根据零件的结构形状 大小与生产类型正确选择铸造方法 第一节重力作用下的铸造成形靠液态金属自身的重力充填型腔的形成工艺第二节外力作用下的铸造成形靠外力充填型腔的形成工艺 手工造型机器造型 金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造陶瓷型铸造离心铸造 液态成型工艺 砂型铸造 特种铸造 ClasficationoffoundryMethods 金属的液态成型工艺的种类 第一节重力作用下的铸造成形 砂型铸造是传统的铸造方法 由于适应于各种形状 大小 批量及各种合金铸件的生产 也是使用最广的一种铸造方法 一 砂型铸造 一 砂型铸造 基本术语 模样由木材 金属或其他材料制成 用来形成铸型型腔的工艺装备称为模样 芯盒 制造型芯或其他种类耐火材料芯所用的装备称为芯盒 芯盒的内腔与型芯的形状和尺寸相同 零件图 铸造工艺图 模样图 芯盒图 铸型装配图 准备炉料 熔炼金属 浇注 化验 落砂 清理 检验 热处理 合格铸件 是用模样和型砂制造铸型的一种工艺 一 砂型铸造 基本工艺过程 砂型铸造 造型材料 型砂和芯砂由原砂 粘结剂 水和附加物 造型方法 整模造型分模造型三箱造型手工造型挖砂造型活块造型刮板造型等压实式造型震机压实式造型微震压实式造型机器造型高压式造型空气冲击式造型射压式造型抛砂式造型 铸件形体组合 造型方法选定 手工造型handmolding定义 全部用手工或手动工具完成的造型工序称为手工造型 填砂 紧实和起模人工完成机器造型machinemolding 机器加砂 紧砂与起模 造型机 优点 手工造型操作灵活 工艺装备 模样 芯盒 砂箱等 简单 生产准备时间短 适应性强 造型质量一般可满足工艺要求 缺点 生产率低 劳动强度大 铸件质量较差 所以主要用于单件小批生产 一 手工造型 1 砂箱及造型工具如图所示 手工造型的两箱造型图解 型芯Core 上箱flask 下箱 分型面P L 型腔Cavatity 浇注系统gatingsystem 排气孔 模样是整体的 铸型的型腔一般只在下箱 造型时 整个模样能从分型面方便地取出 整模造型因操作简便 无砂箱错位现象 图示 2 常见手工造型方法 整模造型 适用于 外形轮廓上有一个平面可作分型面的简单铸件 如齿轮坯 轴承 皮带轮罩等 1 整模造型 特点 铸件的最大截面不在端部而在中部 因而木模沿最大截面分成两半 造型简单 节省工时 2 分模造型 演示 特点 形状较复杂的铸件 特别广泛用于有孔或带有型芯的铸件 如套筒 水管 阀体 箱体 曲轴 立柱等 适用于 将模样沿最大截面处分为两半 型腔分别位于上 下两个半型内 特点 铸件两端截面尺寸比中间大 采用两箱无法起模 将铸件放在三个砂箱中组合而成 注意 中箱高度须与铸件两个分型面的间距相适应 三箱造型操作费工 且需配有合适的砂箱 适用于 单件小批生产 具有两个分型面的铸件 3 三箱造型过程 演示 特点 模样是整体的 但铸件的分型面是曲面 造型操作麻烦 生产率低 要求操作技术水平高 4 挖砂造型 当铸件最大截面在中部 模样又不便分成两半 如分模后模样太薄或分面是曲面 时 只能将模样做成整模 造型时挖掉防碍起模的砂子 挖砂 适用于 单件 小批量生产 5 假箱造型 对于分型面为阶梯面或曲面的铸件 当生产数量较多时 为了克服挖砂造型的缺点 可用成形底板代替平面底板 并将模样放置在成形底板上造型 可省去挖砂操作 假箱造型 成形底板可根据生产数量的不同 分别用金属 木材制作 如果件数不多 可用粘土较多的型砂舂紧制成砂质成形底板 铸件上有妨碍起模的小凸台 肋条等 制模时将此部分作成活块 在主体模样起出后 从侧面取出活块 适用于单件 小批生产带有突起部分的铸件 6 活块造型 活块用销式燕尾与模样的主体连接 在起模时须先取出模样主体 然后取出活块 活块造型 用与铸件截面相适应的刮板代替实体模样造型的方法 特点 刮板造型 可以降低模样成本 缩短生产准备时间 但要求操作技能高 铸件尺寸精度低 生产率低 适用于 单件 小批生产尺寸较大的回转体铸件 如皮带轮 齿轮等 7 刮板造型 刮板造型 8 地坑造型 大型铸件单件生产时 为节省下砂箱 降低铸型高度 便于浇铸 多采用地坑造型 造型时先在地坑中填入型砂 制好砂床 再将模样安卧好 再填砂舂实 刮平 造上箱 砂型铸造 手工造型分型方案选定 大部分造型机主要是实现型砂的紧实和起模工序的机械化 至于合箱 铸型和砂箱的运输则由辅助机械来完成 不同的紧砂方法和起模方式的组合 组成了不同的造型机 手工造型中的摏 chong 箱 起模两工序不仅效率低 劳动条件差 而且铸件尺寸不准确等不足 二 机器造型 造芯 用机器代替手工进行造型 芯 称机器造型 芯 机器造型是指用机器完成填砂 紧实 起模等操作的造型方法 该机器称为造型机 用机器全部或至少完成紧砂操作的造型 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 但设备和工艺装备费用高 生产准备时间较长 适于中小铸件的成批或大量生产 2 机器造型的紧砂方法 机器造型的紧砂方法主要有震实 震压 压实 抛砂和射压式等多种基本形式 1 机器造型的特点 紧砂方法 震压紧砂 1 震压紧砂 抛砂头转子上装有叶片 型砂由皮带输送机连续地送入 高速旋转的叶片接住型砂并分成一个个砂团 当砂团随叶片转到出口处时 由于离心力作用 以高速抛入砂箱 同时完成填砂和紧实 2 抛砂造型 抛砂紧实 3 机器造型的起模方法 1 顶箱起模 机构简单 但易漏砂 用于型腔简单 高度小的铸型 多用于上型 以省却翻箱 3 机器造型的起模方法 2 漏模起模一般用于形状复杂或高度较大的铸型 3 翻转起模机构较复杂 但不易掉砂 适用于型腔较深 形状复杂的铸型 常用于下型 3 机器造型的起模方法 4 机器造型的特点 采用模板的两箱造型 所谓模板就是将模样 浇注系统沿分型面与底板联结成一体的专用工装 一般采用金属材料制造 造型时 底板形成分型面 模样形成型腔 有单面模板和双面模板之分 图3 10 不能采用三箱造型和活块造型 采用外型芯解决起模的问题 在铸造生产中 砂型 芯 直接承受液体金属作用的只是表面一层厚度仅为数毫米的砂壳 其余的砂只起支撑这一层砂壳的作用 若只用一层簿壳来制造铸件 将减少砂处理工部的大量工作 并能减少环境污染 1940年 JohannesCroning发明用加热法制造壳型 称为 C法 或 壳法 shellprocess 或叫壳型造型 shellmolding 目前该法不仅可用于造型 更主要的是用于制壳芯 二 壳型铸造 二 壳型铸造 工艺过程用一种遇热硬化的型砂覆盖在加热的金属模板上 使其硬化为薄壳 薄壳厚度一般为6 12毫米 具有足够的强度和刚度 不用砂箱即可构成铸型 该法用酚醛树脂作粘结剂 配制的型 芯 砂叫覆膜砂 象干砂一样松散 其制壳的方法有两种 翻斗法和吹砂法 翻斗法常用于制造壳型 吹砂法用于制造壳芯 图翻斗法壳型造型法示意图 翻斗法 特点和用途用树脂砂制造薄壳铸型或壳芯可显著减少使用的型砂数量 获得的铸件轮廓清晰 表面光洁 尺寸精确 可以不用机械加工或仅少量加工 因此壳型铸造特别适用于生产批量较大 尺寸精度要求高 壁薄而形状复杂的各种合金的铸件 但壳型铸造使用的树脂价格昂贵 模板必须精密加工 成本较高 在浇注时还会产生有刺激性的气味 这在某种程度上限制了这种方法的广泛应用 28 动画11顶吹法壳型铸造 动画12底吹法壳型铸造 吹砂法 吹砂法分顶吹法和底吹法两种 顶吹法 吹砂压力一般顶吹0 1 0 35MPa 吹砂时间为2 6秒顶吹法 可以制造较大型复杂的砂芯 底吹法 砂压力为0 4 0 5MPa 15 35秒 底吹法 常用于小砂芯的制造 硬化时间为90s 2min 芯盒加热温度一般为250 混制好的覆模砂可以长期储存 三个月以上 无需捣砂 能获得尺寸精确的型 芯 型 芯强度高 易搬运 透气性好 可用细的原砂得到光洁的铸件表面 无需砂箱 覆模砂消耗量小 但酚醛树脂覆模砂价格较贵 造型 造芯耗能较高 79 壳型通常多用于生产液压件 凸轮轴 曲轴以及耐蚀泵件 履带板等钢铁铸件上 壳芯多用于汽车 拖拉机 液压阀体等部分铸件上 壳法造型芯的特点是 特种铸造 特种铸造 金属型铸造 离心铸造 压力铸造 熔模铸造 低压铸造 挤压铸造 陶瓷型铸造 消失模铸造 主要内容 半固态铸造 石膏型铸造 三 金属型铸造 1 金属型的材料与结构 浇注低熔点合金 锡 锌 镁等 采用铸铁做金属型料 浇注铝 铜等合金 一般采用合金铸铁或钢做金属型 铸件内腔 可用金属型芯或砂芯得到 是液态金属在重力作用下注入金属铸型以获得铸件的方法 铸型用金属制成 可反复使用 故又称永久型铸造 硬模铸造 铁模铸造 冷硬铸造 冷激模铸造等 金属型的材料 整体式图3 14a 水平分型式如图3 14b 垂直分型式如图3 14c 复合分型式如图3 14d等 金属型的结构 根据分型面在空间位置的不同 金属型可分为 金属型的排气依靠出气口及分布在分型面上的许多通气槽 多数金属型设有推杆机构 垂直分型式金属型 铸造铝活塞的金属型及金属型芯 复合分型式合金属型结构 金属型铸造演示 演示 2 金属型铸造工艺 2 在金属型的工作表面上喷刷涂料金属型的型腔和金属型芯表面必须喷刷涂料 目的 以保护型壁表面 免受直接冲蚀和热击 涂料可分 衬料和表面涂料两种 衬料 以耐火材料为主 厚度为0 2 1 0mm 表面涂料 为可燃物质 如灯烟 油类 每次浇注喷涂一次 以产生隔热气膜 1 加强金属型的排气型腔上设排气孔 分型面上开通气槽 型壁上设置通气塞 金属型铸造工艺过程 3 及时开型浇注之后 铸件在金属型内停留的时间愈长 铸件的出型及抽芯愈困难 铸件的裂纹倾向加大 铸铁件的白口倾向增加 金属型铸造的生产率降低 为此 应使铸件凝固后尽早出型 通常小型铸铁件出型时间为10 60s 铸件温度约为780 950 此外 为避免灰铸铁件产生白口组织 除应采用碳 硅含量高的铁水外 涂料中应加人些硅铁粉 对于已经产生白口组织的铸件 要利用出型时铸件的自身余热及时进行退火 2 预热金属型并控制其温度通常铸铁件为250 350 非铁金属件100 250 目的 是减缓铸型对浇入金属的激冷作用 减少铸件缺陷 同时 因减小铸型和浇入金属的温差 提高了铸型寿命 金属型铸造工艺过程 57 金属型铸造液态金属耗用量少 劳动条件好 便于机械化和自动化生产 适用于大批生产有色合金铸件 金属型铸造见视频 金属型和砂型 在性能上有显著的区别 3 金属型铸造的特点和适用范围 优点 金属型铸造可 一型多铸 便于实现机械化和自动化生产 从而可大大提高生产率 铸件的精度和表面质量比砂型铸造显著提高 尺寸精度ITl2 16 表面粗糙度值Ra25 12 5 m 由于金属型对铸件的冷却能力强 使铸件的结晶组织致密 铸件的力学性能得到显著提高 如铸铝件的屈服点平均提高20 劳动条件得到显著改善 缺点 金属型的制造成本高 生产周期长 铸造工艺要求严格 否则容易出现浇不足 冷隔 裂纹等铸造缺陷 而灰铸铁件又难以避免白口缺陷 金属型铸件的形状和尺寸还有着一定的限制 金属型铸造适用于大批量生产形状简单的有色合金铸件 如飞机 汽车 拖拉机 内燃机的铝活塞 气缸体 缸盖 油泵壳体以及铜合金轴瓦 轴套等 四 熔模铸造 失蜡铸造 75 定义 用易熔材料 蜡或塑料等 制成精确的可熔性模型 并进行蜡模组合 涂以若干层耐火涂料 经干燥 硬化成整体型壳 加热型壳熔失模型 经高温焙烧而成耐火型壳 在型壳中浇注铸件 熔模铸造的生产工艺 焙烧 母模 制造压型 熔蜡 充满压型 一个蜡模 蜡模组合 结壳 倒出熔蜡 填砂浇注 熔模铸造的生产工艺 1 蜡模制造 制造蜡模要经过如下程序 制造压型 压型是用来制造单个蜡模的专用模具 压型一般用钢 铜或铝经切削加工制成 这种压型的使用寿命长 制出的蜡模精度高 但压型的制造成本高 生产准备时间长 主要用于大批量生产 对于小批量生产 压型还可采用易熔合金 Sn Pb Bi等组成的合金 塑料或石膏直接向模样上浇注而成 压制蜡模将蜡料加热到糊状后 在2 3个大气压力下 将蜡料压入到压型内 待蜡料冷却凝固便可从压型内取出 然后修去分型面上的毛刺 即得单个蜡模 组装蜡模熔模铸件一般均较小 为提高生产率 降低成本 通常将若干个蜡模焊在一个预先制好的浇口棒上构成蜡模组 从而可实现一型多铸 2 结壳 它是在蜡模组上涂挂耐火材料 以制成具有一定强度的耐火型壳的过程 由于型壳的质量对铸件的精度和表面粗糙度有着决定性的影响 因此结壳是熔模铸造的关键环节 浸涂料 撒砂 硬化 1 浸涂料 将蜡模组置于涂料中浸渍 使涂料均匀地覆盖在蜡模组的表层 涂料是由耐火材料 如石英粉 粘结剂 如水玻璃 硅酸乙酯等 组成的糊状混合物 这种涂料可使型腔获得光洁的面层 2 撒砂 它是使浸渍涂料后的蜡模组均匀地粘附一层石英砂 以增厚型壳 3 硬化 为了使耐火材料层结成坚固的型壳 撒砂之后应进行化学硬化和干燥 如以水玻璃为粘结剂时 将蜡模组浸于NH4Cl溶液中 于是发生化学反应 析出来的凝胶将石英砂粘得十分牢固 为了从型壳中取出蜡模以形成铸型空腔 还必须进行脱蜡 通常是将型壳浸泡于85 95 的热水中 使蜡料熔化 并经朝上的浇口上浮而脱除 图中f 脱出的蜡料经回收处理后可重复使用 3 脱蜡 1 焙烧为了进一步去除型壳中的水分 残蜡及其它杂质 在金属浇注之前 必须将型壳送入加热炉内加热到800 1000 进行焙烧 通过焙烧 型壳强度增高 型腔更为干净 为防止浇注时型壳发生变形或破裂 常在焙烧之前将型壳置于铁箱之中 周围填砂 图中g 若型壳强度已够 则可不必填砂 2 浇注为提高合金的充型能力 防止浇不足和冷隔缺陷 要在焙烧出炉后趁热 600 700 进行浇注 4 焙烧和浇注 与砂型铸造方法对比 熔模精密铸造具有 1 铸件尺寸精度高 IT11 IT14 表面粗糙度值低 Ra25 3 2um 减少切削加工量 甚至无须切削加工 涡轮发动机的叶片 2 可以铸造薄壁件及重量很小的铸件 3 擅长制造用砂型铸造 锻压 切削加工等方法难以制造的形状复杂 不便分型的零件 如带有精细的图案 文字 细槽和弯曲细孔的铸件 成形刀具 4 可以制造各种合金材质的铸件 尤其适用于高熔点 难切削合金的小型复杂铸件的生产 51 1 铸造原理和工艺过程 原理 用泡沫聚苯乙烯塑料模样 包括浇冒口 代替普通模样 造好型后不取出模样就浇入金属液 在灼热液态金属的热作用下 泡沫塑料气化 燃烧而消失 金属液取代了原来泡沫塑料模所占的空间位置 冷却凝固后即可获得所需要的铸件 图消失模铸造工艺过程示意图 五 气化模铸造 消失模铸造 消失模铸造 EPC 为美国1958年专利 1962年开始应用 又称实型铸造和气化模铸造 消失模铸造工艺过程如图所示 2 气化模铸造特点及适用范围 1 由于铸型没有分型面 省去起模和修型工序 便于制出凸台 法兰 肋条 吊钩等在普通砂型铸造中需要活块 或型芯 的结构 从而可简化造型工艺 降低劳动强度 2 加大了铸件结构的自由度 简化了铸件结构和工艺设计 3 铸件尺寸精度高 造型后不起模 不分型 没有铸造斜度和活块 精度达CT8级 铸件无飞翅 减轻了铸件清理工作量 3 气化模铸造的适用范围 气化模铸造适用于各种批量的 形状复杂的 除低碳钢以外的合金铸件的生产 铸件壁厚4mm以上的铸件 质量几公斤至几十吨的铸件 80 陶瓷型铸造是20世纪50年代英国首先研制成功的 基本原理是 以耐火度高 热膨胀系数小的耐火材料为骨料 用经过水解的硅酸乙酯作为粘结剂而配制成的陶瓷型浆料 在碱性催化剂的作用下 用灌浆