材料液态成型工艺学A1-4-2015

1、Dalian University of Technology大连理工大学大连理工大学 张兴国张兴国 材料成型工艺及设备材料成型工艺及设备第六章第六章 铸型工艺方案的确定铸型工艺方案的确定第六章第六章 铸型工艺方案的确定铸型工艺方案的确定6-1 零件结构的铸造工艺性分析零件结构的铸造工艺性分析铸造工艺性：铸造工艺性： 零件的本身结构应符合铸造生产的要求，既便于整个铸零件的本身结构应符合铸造生产的要求，既便于整个铸造工艺过程的顺利进行，又利于保证产品的质量。造工艺过程的顺利进行，又利于保证产品的质量。铸造工艺性分析的作用：铸造工艺性分析的作用： 1.1.审查零件结构是否符合铸造生产的工艺要求；审

2、查零件结构是否符合铸造生产的工艺要求； 2.2.在既定的零件结构条件下，考虑在铸造过程中可能出在既定的零件结构条件下，考虑在铸造过程中可能出现的主要缺陷，在工艺设计中应采取的工艺措施。现的主要缺陷，在工艺设计中应采取的工艺措施。零件结构的铸造工艺性分析方法：零件结构的铸造工艺性分析方法：一、从避免缺陷方面审查零件结构的合理性一、从避免缺陷方面审查零件结构的合理性二、从简化铸造工艺过程方面审查零件结构的铸造工艺性二、从简化铸造工艺过程方面审查零件结构的铸造工艺性1.1.铸件应有合理的壁厚铸件应有合理的壁厚最小壁厚：最小壁厚：一定条件下铸造合金能充满铸型的最小壁厚。一定条件下铸造合金能充满铸型的最

3、小壁厚。 铸件的设计壁厚应不小于最小壁厚铸件的设计壁厚应不小于最小壁厚 。临界壁厚：临界壁厚：当铸件的壁厚超过临界壁厚时，铸件的力学性能并不当铸件的壁厚超过临界壁厚时，铸件的力学性能并不按比例随铸件厚度的增加而增加，反而是显著地下降。按比例随铸件厚度的增加而增加，反而是显著地下降。 因此，因此，设计铸件壁需要注意的问题设计铸件壁需要注意的问题是：是： 1 1）为防止出现冷隔和浇不足缺陷，铸件应有一定的壁厚；）为防止出现冷隔和浇不足缺陷，铸件应有一定的壁厚； 2 2）外形尺寸大、结构复杂、合金流动性差的铸件）外形尺寸大、结构复杂、合金流动性差的铸件, ,铸件壁厚应铸件壁厚应适当加大；适当加大；

4、3 3）厚壁会）厚壁会增加铸件的重量和金属的消耗增加铸件的重量和金属的消耗，而且容易产生，而且容易产生缩孔、缩孔、缩松缩松等缺陷。另外，厚壁铸件等缺陷。另外，厚壁铸件凝固速度慢凝固速度慢，会造成，会造成晶粒粗大晶粒粗大、力力学性能降低学性能降低。最好的方法是采用加强筋最好的方法是采用加强筋； 4 4）对灰铸铁件，最小壁厚的选择应防止出现白口（）对灰铸铁件，最小壁厚的选择应防止出现白口（考虑浇注条考虑浇注条件和孕育条件件和孕育条件）。）。一、从避免缺陷方面审查零件结构的合理性一、从避免缺陷方面审查零件结构的合理性表表6-1 不同合金的临界壁厚不同合金的临界壁厚合合 金金种种 类类牌牌 号号重重

5、量量(kg)(kg)0.1-2.50.1-2.52.5-102.5-101010灰铸铁灰铸铁HT100,HT150HT100,HT1508-108-1010-1510-1520-2520-25HT200,HT250HT200,HT25012-1512-1512-1512-1512-1812-18HT300HT30012-1812-1815-1815-182525HT350HT35015-2015-2015-2015-202525球球 铁铁QT400-15,QT450-10QT400-15,QT450-10101015-2015-205050QT500-7,QT600-3QT500-7,QT60

6、0-314-1814-1818-2018-206060碳碳 钢钢ZG200-400,ZG230-450ZG200-400,ZG230-45015152020-铝合金铝合金6-106-106-126-1210-1410-14采用加强筋减小铸件壁厚采用加强筋减小铸件壁厚1缩孔缩孔 2加强筋加强筋壁厚壁厚1520203030505070相对强度相对强度1.00.90.80.7表表6-2 灰铸铁相对强度的变化（壁厚单位灰铸铁相对强度的变化（壁厚单位:mm） a)不加筋结构不加筋结构 b) 加筋结构加筋结构 铸件壁连接处形成热节，易造成缩孔、缩松和应力集中。铸件壁连接处形成热节，易造成缩孔、缩松和应力集

7、中。 设计时需注意：设计时需注意： 1 1）壁厚应该力求均匀；）壁厚应该力求均匀； 2 2）铸件壁冷却均匀；）铸件壁冷却均匀； 3 3）铸件壁厚发生变化处应逐渐过渡；）铸件壁厚发生变化处应逐渐过渡； 4 4）筋条应该错开排列。）筋条应该错开排列。2. 铸件壁的连接应逐渐过渡铸件壁的连接应逐渐过渡铸件接头结构铸件接头结构 (a) 交错接头交错接头 (b) 环状接头环状接头 (c) 两壁夹角小于两壁夹角小于90的连接的连接不合理不合理 许可许可 合理合理 2. 铸件壁的连接应逐渐过渡铸件壁的连接应逐渐过渡2. 铸件壁的连接应逐渐过渡铸件壁的连接应逐渐过渡一、从避免缺陷方面审查零件结构的合理性一、从

8、避免缺陷方面审查零件结构的合理性 3结构圆角的设计结构圆角的设计 铸件壁的转角处一般要设计出结构圆角。铸件壁的转角处一般要设计出结构圆角。铸件壁直角连接容易造成连接处的金属堆积，形成铸件壁直角连接容易造成连接处的金属堆积，形成大的热节。大的热节。而内侧的散热条件差，往往会造成缩孔、而内侧的散热条件差，往往会造成缩孔、缩松；缩松；在载荷的作用下，直角内侧往往产生应力集中，内在载荷的作用下，直角内侧往往产生应力集中，内侧实际承受的应力比平均应力大得多；侧实际承受的应力比平均应力大得多；1)1) 若采用直角连接，在一些合金凝固的过程中将形成若采用直角连接，在一些合金凝固的过程中将形成垂直于铸件表面的

9、柱状晶。垂直于铸件表面的柱状晶。因结晶的方向性，在转因结晶的方向性，在转角的对角线上形成整齐的分界面。角的对角线上形成整齐的分界面。由于由于分界面上杂分界面上杂质、缺陷较多质、缺陷较多，使转角处成为铸件的薄弱环节，在，使转角处成为铸件的薄弱环节，在集中应力作用下很容易产生裂纹。集中应力作用下很容易产生裂纹。3. 结构圆角的设计结构圆角的设计 当铸件壁采用圆角结构时，可以当铸件壁采用圆角结构时，可以消除应力集中消除应力集中，破，破坏了柱状晶的分界面，明显提高转角处的力学性能，坏了柱状晶的分界面，明显提高转角处的力学性能，也防止了缩孔、缩松和裂纹的产生。也防止了缩孔、缩松和裂纹的产生。 圆角结构还

10、有利于造型圆角结构还有利于造型，浇注时可避免熔融金属对，浇注时可避免熔融金属对铸型的冲刷，减少砂眼和粘砂缺陷的发生。铸型的冲刷，减少砂眼和粘砂缺陷的发生。不同转角的热节和应力分布不同转角的热节和应力分布(a)直角连接直角连接 (b)圆角连接圆角连接金属结晶的方向性金属结晶的方向性(a)直角连接直角连接 (b)圆角连接圆角连接3. 结构圆角的设计结构圆角的设计不合理不合理合理合理不合理不合理 合理合理3. 结构圆角的设计结构圆角的设计铸钢件结构对热裂的影响铸钢件结构对热裂的影响(a) 结构不合理结构不合理 (b) 结构合理结构合理铸件的内园角半径铸件的内园角半径R值值/mm4. 内壁厚度应小于外

11、壁内壁厚度应小于外壁 铸件内部的筋和壁，散热条件较差。铸件内部的筋和壁，散热条件较差。因此，铸件的因此，铸件的结构设计应使结构设计应使内壁比外壁薄内壁比外壁薄一些，以便使整个铸件能一些，以便使整个铸件能均匀地冷却，防止产生内应力和裂纹。均匀地冷却，防止产生内应力和裂纹。 一般地，当铸件一般地，当铸件外壁、内壁和筋的厚度外壁、内壁和筋的厚度按按1:0.8:0.6设计时，可以保证各部位冷却速度均匀一致。设计时，可以保证各部位冷却速度均匀一致。灰铸铁外壁、内壁和筋的合理壁厚（灰铸铁外壁、内壁和筋的合理壁厚（mm）4. 内壁厚度应小于外壁内壁厚度应小于外壁内、外壁厚相差值约为内、外壁厚相差值约为101

12、0-30-30是合理的。是合理的。铸件内壁壁厚相对减薄的实例铸件内壁壁厚相对减薄的实例 (a)不合理不合理 (b)合理合理5. 壁厚应力求均匀壁厚应力求均匀 l 铸件各部位壁厚如果相差太大，厚壁处会产生金属局部积聚铸件各部位壁厚如果相差太大，厚壁处会产生金属局部积聚形成热节，凝固收缩时在热节处形成形成热节，凝固收缩时在热节处形成缩孔、缩松缩孔、缩松缺陷。缺陷。l 此外，各部位冷却不均匀，易形成热应力，致使铸件在薄壁此外，各部位冷却不均匀，易形成热应力，致使铸件在薄壁和厚壁连接处产生和厚壁连接处产生裂纹裂纹。l 因此，在进行铸件结构设计时应做到因此，在进行铸件结构设计时应做到壁厚力求均匀壁厚力求

13、均匀。铸件壁厚力求均匀铸件壁厚力求均匀 (a)不合理不合理 (b)合理合理铸件壁厚应均匀铸件壁厚应均匀 (a)不合理不合理 (b)合理合理5. 壁厚应力求均匀壁厚应力求均匀 铸件壁厚避免形成大热节举例铸件壁厚避免形成大热节举例均匀壁厚均匀壁厚 防止形成尖砂防止形成尖砂 筋条错开筋条错开 避免形成大热节避免形成大热节 d4， R=a 6. 避免水平大平面避免水平大平面 l 如果铸件有大的水平空腔存在，当液体金属上升到该位如果铸件有大的水平空腔存在，当液体金属上升到该位置时，由于置时，由于断面突然扩大，上升速度缓慢断面突然扩大，上升速度缓慢，高温金属液较，高温金属液较长时间烘烤顶部型面，极易造成长

14、时间烘烤顶部型面，极易造成夹砂、浇不足夹砂、浇不足等缺陷；等缺陷；l 同时也同时也不利于金属夹杂物和气体的排除。不利于金属夹杂物和气体的排除。l 因此，因此，应尽量设计成倾斜壁应尽量设计成倾斜壁。避免铸件结构有水平大平面避免铸件结构有水平大平面6. 避免水平大平面避免水平大平面 避免铸件结构有水平大平面避免铸件结构有水平大平面(a)不合理不合理 (b)合理合理 7. 有利于顺序凝固有利于顺序凝固 l 有的铸件因工作需要，结构设计上造成壁厚不均匀和局有的铸件因工作需要，结构设计上造成壁厚不均匀和局部厚度较大，而且合金的体收缩又比较大，这时很容易形部厚度较大，而且合金的体收缩又比较大，这时很容易形

15、成成缩孔和缩松缩孔和缩松缺陷。缺陷。l 因此，应仔细审查零件结构实现因此，应仔细审查零件结构实现顺序凝固顺序凝固的可能性，使的可能性，使之便于安放之便于安放冒口、冷铁冒口、冷铁，以避免出现缩孔、缩松缺陷。，以避免出现缩孔、缩松缺陷。按顺序凝固原则设计铸件结构按顺序凝固原则设计铸件结构(a) 不合理不合理 (b) 合理合理8. 铸件结构应能防止热裂和变形铸件结构应能防止热裂和变形 l 经验表明，某些经验表明，某些壁厚均匀的细长铸件、较大面积壁厚均匀的细长铸件、较大面积的平板铸件，及某些壁厚不均匀的长形箱体类的平板铸件，及某些壁厚不均匀的长形箱体类铸件，铸件，如床身类铸件，都会产生如床身类铸件，都

16、会产生翘曲翘曲变形。变形。l细长铸件和平板铸件细长铸件和平板铸件产生翘曲变形的主要原因是：产生翘曲变形的主要原因是：铸件结构刚度差，铸件各面冷却条件的差别所引起的铸件结构刚度差，铸件各面冷却条件的差别所引起的不大的内应力使其变形。不大的内应力使其变形。l壁厚不均匀长形箱体类壁厚不均匀长形箱体类铸件主要是壁厚差别大，厚铸件主要是壁厚差别大，厚壁处冷却慢，薄壁处冷却快，引起较大的内应力促使壁处冷却慢，薄壁处冷却快，引起较大的内应力促使铸件产生变形。铸件产生变形。l 铸件变形可以采用改进铸件结构、设置铸件变形可以采用改进铸件结构、设置加强筋加强筋提提高刚性、高刚性、人工时效人工时效、采用、采用反变形

17、反变形等方法予以解决。等方法予以解决。8. 铸件结构应能防止热裂和变形铸件结构应能防止热裂和变形 防止变形的铸件结构防止变形的铸件结构(a)不合理不合理 (b)合理合理(a)(b)8. 铸件结构应能防止热裂和变形铸件结构应能防止热裂和变形 防裂筋的应用防裂筋的应用 轮辐的设计轮辐的设计 (a)不合理不合理 (b)、(c)合理合理 铸造方法铸造方法与与铸件结构铸件结构砂型砂型铸造铸造金属型金属型铸造铸造熔模熔模铸造铸造压力压力铸造铸造离心离心铸造铸造挤压挤压铸造铸造 铸铸 件件 形形 状状可以可以很复杂很复杂不宜不宜太复杂太复杂可较可较复杂复杂不宜不宜太复杂太复杂限中空限中空回转体回转体不宜不宜

18、太复杂太复杂铸铸 件件大大 小小不限制不限制中小件中小件100kg中小件中小件3铸铁铸铁3铸钢铸钢6铝合金铝合金2-3，灰铸铁灰铸铁4，铸钢铸钢50.5铝合金铝合金0.5锌合金锌合金0.4铜合金铜合金0.8比同类比同类重力铸重力铸造薄造薄2-5拔拔 模模斜斜 度度最小最小15一般一般10 铝合金铝合金15锌合金锌合金150mm时，时，h=(1.5-1.8)D, 或或h=(1.5-1.8)H，lL, 2 2）采用芯撑或辅助砂芯。）采用芯撑或辅助砂芯。当当L1.2 D或或L1.2 H时时，应采用芯撑或辅助砂芯，应采用芯撑或辅助砂芯，使其安放牢固。使其安放牢固。 方案方案b使砂箱过长，使砂箱过长，不

19、宜采用，多用不宜采用，多用c方案。方案。悬臂芯头的几种形式悬臂芯头的几种形式加大芯头尺寸加大芯头尺寸常用的悬臂芯头结构常用的悬臂芯头结构 对对a、b和和c三种情况，当三种情况，当D或或H150mm时，时，h=D(或或H), l=1.25L 当当D或或H150mm时，时，h=(1.5-1.8)D, 或或h=(1.5-1.8)H，lL,悬臂芯头的几种形式悬臂芯头的几种形式3)3)采用挑担砂芯（采用挑担砂芯（扁担砂芯扁担砂芯） 将两个或几个相同铸件的砂芯串联起来，使悬臂砂芯安放牢固。将两个或几个相同铸件的砂芯串联起来，使悬臂砂芯安放牢固。爬芯头：爬芯头：当铸件的芯头在分型面以下，当铸件的芯头在分型面

20、以下，其方向与拔模斜度的方向垂直时，其方向与拔模斜度的方向垂直时，为了为了便于起模和简化分型面，要将芯头适当便于起模和简化分型面，要将芯头适当增大，使其伸到分型面上来，增大，使其伸到分型面上来，这种芯头这种芯头通常叫做通常叫做“爬芯头爬芯头”。悬臂芯头悬臂芯头 爬芯头爬芯头挑担砂芯的芯头挑担砂芯的芯头 悬臂砂芯、扁担砂芯及联合式砂芯悬臂砂芯、扁担砂芯及联合式砂芯 (a) 悬臂砂芯悬臂砂芯(b)、（、（c）扁担砂芯）扁担砂芯 （d）(e)联合式砂芯联合式砂芯芯头尺寸的验算芯头尺寸的验算l 一般情况下，小砂芯和中等尺寸的砂芯，一般情况下，小砂芯和中等尺寸的砂芯，作作用在芯头上的重力和浮力不大，因此

21、，用在芯头上的重力和浮力不大，因此，不必验不必验算芯头的尺寸算芯头的尺寸（承压面积）。（承压面积）。l 但是，但是，对于重量大或者是金属液体的浮力较对于重量大或者是金属液体的浮力较大而芯头的尺寸显得太小的砂芯大而芯头的尺寸显得太小的砂芯，为了确保铸，为了确保铸件的质量，在按经验数据初步确定芯头的尺寸件的质量，在按经验数据初步确定芯头的尺寸后，后，应该验算芯头的承压面积应该验算芯头的承压面积。芯头尺寸的验算芯头尺寸的验算验算步骤为：验算步骤为：1.1.计算砂芯所受的重力及浮力计算砂芯所受的重力及浮力 G=G1+G2（N）式中：式中： G-砂芯重力；砂芯重力； G1芯砂重力；芯砂重力； G2芯骨重力。芯骨重力。砂芯所受到的浮力与砂芯砂芯所受到的浮力与砂芯在砂型中的位置、砂芯的在砂型中的位置、砂芯的形状、尺寸以及浇注系统类型等有关。形状、尺寸以及浇注系统类型等有关。如图所示，当金属液上升到如图所示，当金属液上升到A-A断面时的浮力最大：断面时的浮力最大：F=/4（D12-D22）gH砂芯受金属液体浮力示意图砂芯受金属液体浮力示意图式中：式中：F砂芯所受浮力（砂芯所受浮力（kg）；）；D1 砂芯直径（砂芯直径（m）；）；D2 下芯头直径（下芯头直径（m）；）；H 砂芯受浮力作用的高度（砂芯受浮力作用的高度（m）；）；g 重力加速度（重力加