机械制造工艺教案第一章1节-09-02

1、1机械制造工艺基础机械制造工艺基础主讲教师：周世权主讲教师：周世权2 主讲教师简介：主讲教师简介：周世权，副教授，华中科技大学工程实训中心周世权，副教授，华中科技大学工程实训中心TelTel：8779241787792417，62528116. 62528116. EmailEmail：Research fields: Research fields: Laser welding, Rapid manufacturingLaser welding, Rapid manufacturing，CermetsCermetsEnergy source materials. Solar energy c

2、arEnergy source materials. Solar energy car3第第1章铸造工艺章铸造工艺 Casting Process4铸造工艺概述铸造工艺概述铸造铸造: : 将将液态液态金属或合金金属或合金浇入浇入具有一定形状具有一定形状和尺寸的和尺寸的模型空腔模型空腔，待其冷却，待其冷却凝固凝固后，获得后，获得毛坯或零件毛坯或零件的工艺方法，也称的工艺方法，也称液态成形液态成形。 5铸造工艺铸造工艺概述概述铸造的特点：铸造的特点：（1 1）复杂铸件复杂铸件。如带有复杂内腔的内燃机的。如带有复杂内腔的内燃机的缸体缸体、缸盖缸盖、机床机床的的床身床身和和箱体箱体、涡轮机的、涡轮机的

3、机壳机壳以及以及工工艺品艺品等。等。6铸造工艺铸造工艺概述概述铸造的特点：铸造的特点：（2 2）适应范围广适应范围广。铸造。铸造碳钢碳钢、合金钢合金钢、铸铁铸铁、铜铜合金合金、铝合金铝合金；铸件的；铸件的大小几乎不限大小几乎不限，质量从，质量从几几克到几百吨克到几百吨，壁厚从，壁厚从1 1毫米以下到毫米以下到1 1米以上米以上。铸钢铸钢铸铁钢套铸铁钢套铸铜鼎铸铜鼎7铸造工艺铸造工艺概述概述铸造的特点：铸造的特点：(3(3）成本较低成本较低。加工余量小加工余量小，节省金属，减少切，节省金属，减少切削加工量，从而削加工量，从而降低制造成本降低制造成本；铸造过程中各项；铸造过程中各项费用较低，铸件费

4、用较低，铸件本身生产成本较低本身生产成本较低。锻造连杆锻造连杆铸造连杆铸造连杆8铸造工艺铸造工艺概述概述铸造的特点：铸造的特点：(4(4）质量控制困难质量控制困难. .铸造铸造工艺过程复杂工艺过程复杂，影响因素，影响因素多。多。晶粒粗大晶粒粗大，化学成分的，化学成分的偏析偏析、非金属、非金属夹杂物夹杂物以及以及缩缩孔孔或或缩松缩松等铸造缺陷，因此，铸造零件的等铸造缺陷，因此，铸造零件的力学性能和可靠性力学性能和可靠性较锻造零件差。较锻造零件差。铸铁组织铸铁组织锻钢组织锻钢组织91.1铸造工艺基础铸造工艺基础 Fundamentals of Casting Process一、合金的充型能力一、合

5、金的充型能力（一）液态合金流动性与充型能力的概念（一）液态合金流动性与充型能力的概念1.1.充型充型：合金充填型腔的过程。：合金充填型腔的过程。 2.2.充型能力充型能力：液态合金充满型腔，获得形状完整、：液态合金充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。轮廓清晰的铸件的能力。3.3.浇不足浇不足：铸件出现形状不完整的现象。：铸件出现形状不完整的现象。4.流动性流动性：液态合金本身的充型能力。由液态合金：液态合金本身的充型能力。由液态合金的的成分、熔点温度、杂质含量成分、熔点温度、杂质含量及其物理性质有关，及其物理性质有关，而与外界因素无关，是合金的而与外界因素无关，是合金的主要铸造性能之

6、一主要铸造性能之一。10流动性好的合金，充型能力强流动性好的合金，充型能力强，便于浇注出轮廓清，便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。反之，晰、薄而复杂的铸件。反之，流动性差的合金，充流动性差的合金，充型能力也就较差型能力也就较差。可以通过外界条件的改善来提高可以通过外界条件的改善来提高其充型能力其充型能力。（二）影响液态合金充（二）影响液态合金充 型能力的型能力的主要因素主要因素1.流动性流动性流动性与成分的关系，流动性与成分的关系，可以看出，合金的流可以看出，合金的流动性与其成分之间存动性与其成分之间存在着一定的规律性。在着一定的规律性。一、合金的充型能力一、合金的充型能力 F-CF-C合金

7、的流动性与状态图的关系合金的流动性与状态图的关系111.1.流动性流动性纯金属、共晶成分合金纯金属、共晶成分合金在在固定的温度下凝固固定的温度下凝固，已凝固的固体层从铸件表面逐层向中心推进，与尚已凝固的固体层从铸件表面逐层向中心推进，与尚未凝固的未凝固的液体之间界面分明液体之间界面分明，且固体层内表面比较，且固体层内表面比较光滑光滑，对金属液的流动阻力小，故，对金属液的流动阻力小，故充型能力充型能力最好最好。其他成分的合金其他成分的合金在一温度范围内进行凝固在一温度范围内进行凝固，此，此时结晶在一凝固区内同时进行，由于初生的树枝状时结晶在一凝固区内同时进行，由于初生的树枝状晶体使固体层内晶体使

8、固体层内表面粗糙表面粗糙，对合金液的流动阻力大，对合金液的流动阻力大，所以合金的流动性变差。合金的所以合金的流动性变差。合金的结晶温度范围结晶温度范围越大，越大，同时结晶的区域也越宽，同时结晶的区域也越宽，树枝状晶树枝状晶也越发达，也越发达，充型充型能力能力差差。122 2铸铸型性型性质质（1 1）铸型材料）铸型材料铸型材料的铸型材料的比热容越大比热容越大，对液态合金的激冷作，对液态合金的激冷作用越强，合金液的用越强，合金液的充型能力越差充型能力越差；如金属型。；如金属型。 铸型材料的铸型材料的导热系数越大导热系数越大，将铸型金属界面热，将铸型金属界面热量向外传导的能力就越强，对合金液的冷却作

9、用也量向外传导的能力就越强，对合金液的冷却作用也越大，合金液的越大，合金液的充型能力就越差充型能力就越差，如铜金属型。，如铜金属型。（2 2）铸型温度）铸型温度铸型温度越高铸型温度越高，合金液与铸型的温差越小，合，合金液与铸型的温差越小，合金液热量的散失速度越小，因此金液热量的散失速度越小，因此保持流动的时间越保持流动的时间越长。长。生产中有时采用对生产中有时采用对铸型预热铸型预热以提高合金的以提高合金的充型充型能力能力。（3 3）铸型中的气体）铸型中的气体合金液的热作用，铸型（尤其是砂型）产生大量合金液的热作用，铸型（尤其是砂型）产生大量的气体，如果的气体，如果气体不能及时排出气体不能及时排

10、出，型腔中的，型腔中的气压将增气压将增大大，从而对合金液的，从而对合金液的充型产生阻碍充型产生阻碍。提高铸型的透气。提高铸型的透气性，降低铸型的发气量，以及在远离浇口的最高部位性，降低铸型的发气量，以及在远离浇口的最高部位开设出气口等减少气体。开设出气口等减少气体。133 3浇浇注注条条件件（1 1）浇注温度）浇注温度提高提高浇注温度浇注温度，合金液的，合金液的过热度增加过热度增加，合金液，合金液保持流动的时间变长保持流动的时间变长。充型能力随温度的提高而直。充型能力随温度的提高而直线上升。但线上升。但温度超过某界限温度超过某界限后，由于合金液氧化、后，由于合金液氧化、吸气增加，吸气增加，充型

11、能力提高的幅度会越来越小充型能力提高的幅度会越来越小。对对薄壁铸件或流动性差薄壁铸件或流动性差的合金，采用的合金，采用提高浇注提高浇注温度温度的措施可以有效地防止浇不足或冷隔等铸造缺的措施可以有效地防止浇不足或冷隔等铸造缺陷。但随着浇注温度的提高，铸件的一次结晶组织陷。但随着浇注温度的提高，铸件的一次结晶组织变得变得粗大粗大，且容易产生，且容易产生气孔气孔、缩孔缩孔、缩松、缩松、粘砂粘砂、裂纹裂纹等铸造缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，等铸造缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，浇注温度应尽量低。浇注温度应尽量低。143 3浇浇注注条条件件（2 2）充型压力）充型压力液态金属在液态金属在流动方

12、向流动方向上所受到的上所受到的压力越大压力越大，充充型能力就越好型能力就越好。如通过增加浇注时合金液的。如通过增加浇注时合金液的静压头静压头的方法，可提高充型能力。某些特种工艺，如的方法，可提高充型能力。某些特种工艺，如压力压力铸造铸造、低压铸造低压铸造、离心铸造离心铸造、实型负压铸造实型负压铸造等，充等，充型时合金液受到的压力较大，充型能力较强。型时合金液受到的压力较大，充型能力较强。（3 3）浇注系统）浇注系统 浇注系统的浇注系统的结构越复杂结构越复杂，流动的，流动的阻力就越大阻力就越大，合金液在浇注系统中的合金液在浇注系统中的散热也越大散热也越大，充型能力也充型能力也就下降就下降。151

13、合金的收缩合金的收缩液态合金注入铸型、凝固、直至冷却到室温的过程中，液态合金注入铸型、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为合金的其体积和尺寸缩小的现象称为合金的收缩收缩。收缩三阶段收缩三阶段：（1）液态收缩）液态收缩：液态收缩指合金从：液态收缩指合金从浇注温度浇注温度到到凝固开始温度凝固开始温度（液相线温度）间的收缩。（液相线温度）间的收缩。（2）凝固收缩）凝固收缩：凝固收缩指合金在：凝固收缩指合金在凝固阶段凝固阶段的收缩，即合金的收缩，即合金从从液相线温度液相线温度冷却至冷却至固相线温度固相线温度之间的收缩。之间的收缩。（3）固态收缩）固态收缩：固态收缩指合金从：固态收缩

14、指合金从固相线温度固相线温度冷却至冷却至室温室温时时的收缩的收缩,也称为线收缩。也称为线收缩。凝固收缩与液态收缩凝固收缩与液态收缩缩孔和缩松。缩孔和缩松。 固态收缩固态收缩形状和尺寸精度形状和尺寸精度，铸造应力、热裂、，铸造应力、热裂、 冷裂和变形。冷裂和变形。二、铸造合金的收缩与缩孔、缩松二、铸造合金的收缩与缩孔、缩松16图图1-41-4缩孔形成示意图缩孔形成示意图 （1）缩孔）缩孔缩孔缩孔是在铸件是在铸件上部或最后凝固部位上部或最后凝固部位出现的容积出现的容积较大的较大的孔洞孔洞。其形状极不规则，孔壁粗糙并带有枝。其形状极不规则，孔壁粗糙并带有枝晶状，多呈倒圆锥体。晶状，多呈倒圆锥体。2

15、2铸件中缩孔和缩松的形成铸件中缩孔和缩松的形成纯金属和靠近共晶成分的合金纯金属和靠近共晶成分的合金，在恒温或较窄的，在恒温或较窄的温度范围内凝固，呈逐层凝固的方式，合金流动温度范围内凝固，呈逐层凝固的方式，合金流动性好，性好，倾向于形成集中的缩孔倾向于形成集中的缩孔。17（2）缩松缩松铸件断面上出现的铸件断面上出现的分散、细小的孔洞分散、细小的孔洞称为称为缩缩松松。缩松形成的原因和缩孔基本相同，即铸型内合。缩松形成的原因和缩孔基本相同，即铸型内合金的金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，同时在铸，同时在铸件最后凝固的区域得不到液态合金的补偿。件最后凝固的区域得不到液

16、态合金的补偿。18图图1-51-5顺序凝固示意图顺序凝固示意图缩孔的防止缩孔的防止顺序凝固顺序凝固。顺序凝固顺序凝固铸件按规定方向铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。的过程。先先凝固部位的凝固部位的收缩收缩，由，由后后凝固部位的凝固部位的液体金属液体金属来来补补充充；后后凝固部位的凝固部位的收缩收缩，由冒口或浇注系统由冒口或浇注系统的金属液来的金属液来补充补充，而将而将缩孔缩孔转移到铸件多余部分的转移到铸件多余部分的冒口或浇注系统中冒口或浇注系统中。3 3铸铸件中件中缩缩孔孔与缩与缩松的防止松的防止19图l-6 实现顺序凝固的实现顺序凝固的措施措施是在铸件

17、可是在铸件可能出现缩孔的能出现缩孔的厚大部位厚大部位（热节）（热节）安放安放冒口冒口，或在铸件，或在铸件远离浇、冒远离浇、冒口口的部位增设的部位增设冷铁冷铁等。冒口除补等。冒口除补缩外，有时还起排气、集渣的作缩外，有时还起排气、集渣的作用。用。但对倾向于但对倾向于糊状凝固糊状凝固的合金，由的合金，由于结晶的固体骨架较好地布满整于结晶的固体骨架较好地布满整个铸件的截面，使冒口的补缩通个铸件的截面，使冒口的补缩通道堵塞，道堵塞，难以实现顺序凝固难以实现顺序凝固。201内应力的形成内应力的形成铸造应力按产生的原因不同，分为铸造应力按产生的原因不同，分为热应力热应力、收缩应力收缩应力和和相变应力相变应

18、力三种。铸件中的铸造应力，就是这三种应力的矢量三种。铸件中的铸造应力，就是这三种应力的矢量和。和。（1）热应力）热应力 铸件在凝固和冷却过程中，铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不同部位由于不均衡的收缩不均衡的收缩而而引起的应力，称引起的应力，称热应力热应力。三铸件内应力、变形与裂纹三铸件内应力、变形与裂纹21图图l-7. l-7. 应力框铸件应力框铸件, ,一一根粗杆根粗杆I I和两根细杆和两根细杆II II组成。上部表示了杆组成。上部表示了杆I I和杆和杆II II的冷却曲线，的冷却曲线，+ +表示拉应力表示拉应力; ; 表示压表示压应力应力;t ;t临临 表示金属弹塑表示金属弹塑性临界

19、温度。性临界温度。T0T1阶段阶段: 两杆均处于塑性状态，铸件可以通过两杆的塑性变两杆均处于塑性状态，铸件可以通过两杆的塑性变形使形使应力应力很快很快自行消失自行消失。T1T2间间: 此时杆此时杆II温度较低，已进入温度较低，已进入弹性状态弹性状态，但杆，但杆I仍处于塑仍处于塑性状态。杆性状态。杆II由于冷却快，收缩大于杆由于冷却快，收缩大于杆I，在横杆作用下将对，在横杆作用下将对杆杆I产生产生压应力压应力，而杆，而杆I反过来对反过来对杆杆II施以施以拉应力拉应力（图中（图中b）。）。22图图l-7 处于于塑性状态的处于于塑性状态的杆杆I I受压应受压应力作用产生压缩力作用产生压缩塑性变形塑性

20、变形，使杆使杆I I、杆、杆II II的收缩一致，的收缩一致，应应力随之消失力随之消失（图中（图中c c）。）。T T2 2-T-T3 3间间: : 杆杆I I和杆和杆II II均进入均进入弹弹性状态性状态，此时，此时杆杆I I温度较高，温度较高，冷却时还将产生冷却时还将产生较大收缩较大收缩，杆杆II II温度较低，温度较低，收缩已趋停止收缩已趋停止，在最后阶段冷却时，杆在最后阶段冷却时，杆I I的收的收缩将受到杆缩将受到杆II II强烈阻碍，因此强烈阻碍，因此杆杆I I受拉受拉，杆杆II II受压受压。到室温。到室温时形成了残留应力（图中时形成了残留应力（图中d d）。）。23热应力热应力使

21、冷却较慢的使冷却较慢的厚壁处或心部受拉应力厚壁处或心部受拉应力，冷，冷却较快的却较快的薄壁处或表面受压应力薄壁处或表面受压应力。铸件的铸件的壁厚差别愈大壁厚差别愈大，合金的，合金的线收缩率或弹性模线收缩率或弹性模量愈大量愈大，热应力愈大热应力愈大。顺序凝固顺序凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一致，时，由于铸件各部分冷却速度不一致，产生的产生的热应力较大热应力较大，铸件容易出现，铸件容易出现变形和裂纹变形和裂纹。24（2 2）机械应力）机械应力( (dz72dz72) )铸件在固态铸件在固态收缩时收缩时，因受到铸型、芯子、浇冒口、，因受到铸型、芯子、浇冒口、箱档等箱档等外力的阻碍外力的阻碍而产生

22、的应力称而产生的应力称机械应力机械应力。图图l-8l-8收缩应力的产生收缩应力的产生 25图图l-9l-9同时凝固示意图同时凝固示意图 同时凝固同时凝固(dz22)是指采取一些工艺措施，使铸件各部分是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温温差很小差很小，几乎，几乎同时进行凝固同时进行凝固。（图。（图l-9）铸件如按同时凝固原）铸件如按同时凝固原则凝固，各部分温差较小，不易产生热应力和热裂，铸件变则凝固，各部分温差较小，不易产生热应力和热裂，铸件变形较小。同时凝固时形较小。同时凝固时不必设置冒口不必设置冒口，工艺简单，节约金属工艺简单，节约金属。但同时凝固的铸件中心易出现但同时凝固的铸件中心易出现缩

23、松缩松，影响铸件，影响铸件致密性致密性。（3 3）减少和消除铸造应力的措施）减少和消除铸造应力的措施26图图1-10车床床身挠曲变形示意图车床床身挠曲变形示意图 处于处于应力状态应力状态的铸件是的铸件是不稳定不稳定的，将自发地通过的，将自发地通过变形变形来来减小内应力减小内应力，趋于，趋于稳定状态稳定状态。一般铸件一般铸件厚壁处厚壁处（慢冷处）（慢冷处）受拉应力受拉应力，将，将发生缩短发生缩短（内凹）（内凹）变形；而变形；而薄壁处薄壁处（快冷处）（快冷处）受压应力受压应力，将，将发生伸长发生伸长（外凸）（外凸）变形。变形。2 2铸件的变形与防止铸件的变形与防止图图1-101-10所示为车床床身

24、，其导轨部分因较厚而受拉伸，于所示为车床床身，其导轨部分因较厚而受拉伸，于是朝着导轨方向产生内凹。（梯形梁铸件的应力与变形）是朝着导轨方向产生内凹。（梯形梁铸件的应力与变形）27在铸件在铸件设计时设计时尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称，尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称，在铸造在铸造工艺上工艺上应采用应采用同时凝固同时凝固原则，以便冷却均匀。原则，以便冷却均匀。对于对于长而易变形长而易变形的铸件，还可采用的铸件，还可采用“反变形反变形”工艺。工艺。反变形法反变形法是在统计铸件是在统计铸件变形规律变形规律的基础上，在的基础上，在模样模样上预先上预先做出相当于铸件变形量的做出相当于铸件变形量的反变形量反变形量，以抵消，以抵消铸件的变形。铸件的变形。铸件变形的防止铸件变形的防止28铸造的定义和特点铸造的定义和特点：液态成形方法；可以生产复杂零件，：液态成形方法；可以生产复杂零件，成本低。成本低。流动性与充型能力流动性与充型能力：流动性是液态合金本身的性质；充：流动性是液态合金本身的性质；充型能力是一种铸造工艺特性，受流动性和外界条件的影型能力是一种铸造工艺特性，受流动性和外界条件的影