金属材料成型基础2

1、第一章第一章 工程材料性质工程材料性质第八章第八章 切削加工基础知识切削加工基础知识第三章第三章 金属塑性成形金属塑性成形( (压力加工压力加工) )第四章第四章 金属焊接成形金属焊接成形第五章第五章 非金属材料和复合材料与成形非金属材料和复合材料与成形第七章第七章 材料成形方法选择与质量控制材料成形方法选择与质量控制第二章第二章 金属液态成形金属液态成形( (铸造生产铸造生产) )第六章第六章 先进成形方法及发展趋势先进成形方法及发展趋势第九章第九章 零件表面的切削加工方法与选择零件表面的切削加工方法与选择第十章第十章 机械加工工艺过程的基础知识机械加工工艺过程的基础知识第二章第二章 金属液

2、态成形金属液态成形( (铸造铸造) )重点重点： 1）金属液态成形（铸造）工艺原理）金属液态成形（铸造）工艺原理 2）铸造工艺设计）铸造工艺设计 3）铸件结构工艺性）铸件结构工艺性难点难点： 1）金属液态成形（铸造）工艺原理金属液态成形（铸造）工艺原理 2）铸造工艺设计铸造工艺设计 概概 述述一、什么是金属液态成形（铸造生产）一、什么是金属液态成形（铸造生产） 将将液态金属液态金属浇注到与零件形状相适应的浇注到与零件形状相适应的铸型型腔铸型型腔中，中，待其冷却凝固，以获得待其冷却凝固，以获得毛坯或零件毛坯或零件的生产方法。的生产方法。零件图零件图铸造工艺图铸造工艺图铸铸型型型型芯芯芯盒芯盒 芯

3、砂芯砂型砂型砂模型模型熔化熔化合合 箱箱落砂、清理落砂、清理检检 验验铸铸 件件二、砂型铸造的工艺过程二、砂型铸造的工艺过程浇注浇注冷却冷却凝固凝固（1 1）材料来源广；）材料来源广；（2 2）废品可重熔；）废品可重熔；（3 3）设备投资低。）设备投资低。三、金属液态成形（铸造生产）的特点三、金属液态成形（铸造生产）的特点1 1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。（1 1）合金种类不受限制；）合金种类不受限制；（2 2）铸件大小几乎不受限制。）铸件大小

4、几乎不受限制。2 2适应性强：适应性强： 3 3成本低：成本低： 4 4废品率高、表面质量较低、劳动条件差。废品率高、表面质量较低、劳动条件差。四羊方尊四羊方尊 （公元前（公元前13111311世纪）世纪） 青铜青铜 高高58.3CM58.3CM曾侯乙尊盘曾侯乙尊盘 公元前公元前476476年年 公元前公元前4 4世纪上半叶世纪上半叶第一节第一节 金属液态成形（铸造）工艺原理金属液态成形（铸造）工艺原理充型能力不足时，会产生充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。等缺陷。 一、液态合金的流动性一、液态合金的流动性合金的流动性是：合金的流动性是： 液态合金本

5、身的流动能力液态合金本身的流动能力。 充型充型 液态合金填充铸型的过程液态合金填充铸型的过程 。充型能力充型能力液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件（成形件）的能力。轮廓清晰的铸件（成形件）的能力。1-1 1-1 液态金属的充型能力与流动性液态金属的充型能力与流动性0.45%C 0.45%C 铸钢：铸钢：200200出气口浇口杯4.3%C 4.3%C 铸铁：铸铁：18001800影响液态合金流动性的因素：影响液态合金流动性的因素： a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300

6、温度（）01.1.合金的化学成分合金的化学成分a ab b（3 3）浇注系统的的结构）浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力浇注系统的结构越复杂，流动阻力 越大，充型能力越差。越大，充型能力越差。 二、浇注条件二、浇注条件（1 1）浇注温度）浇注温度 一般一般T T浇浇越高，液态金属的充型能力越强。越高，液态金属的充型能力越强。（2 2）充型压力）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。充型能力越强。2.2.合金的物理性质合金的物理性质合金的黏度、导热系数、结晶潜热、热容、密度等合金的黏度、导热系数、结晶潜热、热容、密度等（2

7、 2）铸型温度）铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。越小，充型能力越强。（3 3）铸型中的气体）铸型中的气体三、铸型充填条件三、铸型充填条件（1 1）铸型的蓄热系数）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的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。金属吸取热量并储存在本身的能力。（2 2）铸件复杂程度）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。充填就困难。四、铸件的结构四、铸件的结构（1 1）铸件的折算厚度）铸件的折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，是折

8、算厚度也叫当量厚度或模数，是 铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充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型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易 充填。充填。 1-2 1-2 液态合金的凝固与收缩液态合金的凝固与收缩ab一、铸件的凝固方式一、铸件的凝固方式 1. 1. 逐层凝固逐层凝固 2. 2. 糊状凝固糊状凝固 3. 3. 中间凝固中间凝固 影响铸件凝固方影响铸件凝固方式的主要因素式的主要因素 ：（1 1）合金的结晶温度范围）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，合金的结晶温度范围愈小，凝固

9、区域愈窄，愈倾向于逐层凝固愈倾向于逐层凝固 。表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液c表层中心St铸件温度液相线固凝固区（2 2）铸件的温度梯度）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提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，则外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄其对应的凝固区由宽变窄 。表层中心St铸件温度成分温度S1T1T2二、合金的收缩二、合金的收缩1. 1. 收缩的概念收缩的概念T浇T液T固T室合金的收缩经历如下三个阶段：合金的

10、收缩经历如下三个阶段：（1 1）液态收缩）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度从浇注温度到凝固开始温度 之间的收缩。之间的收缩。T T浇浇 T T液液体收缩率是铸件产生体收缩率是铸件产生缩缩孔或缩松孔或缩松的根本原因。的根本原因。%100 铸铸件件铸铸件件铸铸型型VVVV %100 铸件铸件铸件铸件铸型铸型LLLL 体收缩率：体收缩率：线收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生线收缩率是铸件产生应应力、变形、裂纹力、变形、裂纹的根本的根本原因。原因。 （3 3） 固态收缩固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。从凝固终止温度到室温间的收缩。 T T固固 T T室室（2 2） 凝固收缩凝固收缩 从凝固

11、开始到凝固终止温度间的收缩。从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T T液液 T T固固2. 2. 缩孔与缩松缩孔与缩松 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孔洞 。大而集中大而集中的称为的称为缩孔缩孔，细小而分散细小而分散的称为的称为缩松缩松。1) 1)缩孔和缩松的形成缩孔和缩松的形成1-3 1-3 铸造内应力及铸件的变形、裂纹铸造内应力及铸件的变形、裂纹 一、铸造内应力一、铸造内应力 铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其铸件在凝固以

12、后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力碍，铸件内部即将产生内应力。 1. 1.机械应力（收缩应力）机械应力（收缩应力） 合金的线收缩受到铸型、合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。机械应力是暂时应力。上型下型2 2热应力热应力 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。致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。tT12t0t1t2t3THT临T室t0t1:塑性状态

13、弹性状态12+-12t1t2：t2t3：+-1212-+12 热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸（拉应力），热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸（拉应力）， 薄壁或表层受压缩（压应力）。薄壁或表层受压缩（压应力）。 热应力是永久应力。热应力是永久应力。二、铸件的变形与防止二、铸件的变形与防止 +-反变形法反变形法防止变形的方法：防止变形的方法： 1 1）使铸件壁厚尽可能均匀；）使铸件壁厚尽可能均匀；2 2）采用同时凝固的原则；）采用同时凝固的原则；3 3）采用反变形法。）采用反变形法。三、铸件的裂纹与防止三、铸件的裂纹与防止 1 1 热裂热裂 热裂的形状特征是：热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折

14、、缝内裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。呈氧化色。 热裂的防止：热裂的防止： 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量， 防止热脆性。防止热脆性。 2 2 冷裂冷裂 冷裂的特征是：冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。光泽或轻微氧化色。 冷裂的防止：冷裂的防止：1 1）使铸件壁厚尽可能均匀；）使铸件壁厚尽可能均匀

15、；2 2）采用同时凝固的原则；）采用同时凝固的原则；3 3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。含量，防止冷脆性。 第二节第二节 砂型铸造砂型铸造2-1 2-1 砂型铸造的生产过程砂型铸造的生产过程一、手工造型一、手工造型适用于单件、小批量生产适用于单件、小批量生产二、机器造型二、机器造型 1) 1)生产效率高生产效率高; ; 2)2)铸型质量好铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）; ;3)3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。 适用于适用于中、小型中、

16、小型铸件的铸件的成批、大批量生产成批、大批量生产。 型砂落砂捅箱机压铁传送机铸件输送机下箱造型机铸型输送机下箱翻箱、落箱机下芯合箱机合箱冷却箱冷却浇注压铁加砂机加砂机上箱造型机1 1 机器造型的造型方法：机器造型的造型方法：1 1）振击压实）振击压实2 2）汽动微振压实）汽动微振压实3 3）高压造型）高压造型4 4）抛砂紧实）抛砂紧实1 1）射芯机）射芯机2 2）壳芯机）壳芯机2 2 机器造型的造芯方法：机器造型的造芯方法：2-2 2-2 铸造工艺设计铸造工艺设计铸造工艺图铸造工艺图将工艺设计的内容（工艺方案）用工艺符号将工艺设计的内容（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

17、。或文字在零件图上表示出来所形成的图样。 下下上上顶面底面侧面（好）（差）（次好）一、浇注位置的选择一、浇注位置的选择浇注时浇注时铸件铸件在在铸型中铸型中所处的所处的空间位置。空间位置。1.1.铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面 上上下下下下上上上上下下3.3.铸件的大平面应朝下铸件的大平面应朝下 2.2. 应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置上上下下4.4.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上或侧放 上上下

18、下下下上上二、分型面的选择二、分型面的选择 1.1. 分型面应选在铸件的最大截面处。分型面应选在铸件的最大截面处。2. 2. 应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件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。的尺寸精度。 3. 3. 应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。 上下中4. 4. 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型为便于造型、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。腔及主要型芯位于下箱。 下上上下5050150150 100100 180180 60602-2- 8 8

19、全部全部三、工艺参数的确定三、工艺参数的确定 生产批量生产批量最小铸出孔直径最小铸出孔直径灰口铸铁件灰口铸铁件铸钢件铸钢件大量生产大量生产成批生产成批生产单件、小批生产单件、小批生产1212151515153030303050503030505050501 1机械加工余量和铸孔机械加工余量和铸孔 下上材料：HT200数量：100件5 50 0150150 100100 180180 60602-2- 8 8全部全部下上2 2起模斜度起模斜度3 3铸造圆角铸造圆角 圆角半径一般约圆角半径一般约为相交两壁平均为相交两壁平均厚度的厚度的1/31/21/31/2。4 4铸造收缩率铸造收缩率5 5 型芯

20、及芯头型芯及芯头通常灰铸铁为通常灰铸铁为0.71.0%0.71.0%，铸造碳钢为，铸造碳钢为1.32.0%1.32.0%，铝硅，铝硅合金为合金为0.81.2%0.81.2%，锡青铜为，锡青铜为1.21.4%1.21.4%。 型芯的功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模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。部分的外形。 芯头的作用：芯头的作用：1 1）定位作用；）定位作用；2 2）固定作用；）固定作用；3 3）排气作用。）排气作用。收缩率收缩率:1%:1%四、浇、冒口系统四、浇、冒口系统 1. 1. 浇注系统浇注系统 1 1）浇注系统的组成及作用）浇注系统的组成及作

21、用2 2）浇注系统的常见类型）浇注系统的常见类型 封闭式浇注系统封闭式浇注系统 F直直F横横F内内 F直直 F横横 F内内=1.15 1.1 1 开放式浇注系统开放式浇注系统 F直直F横横F内内 F直直 F横横：F内内=1 2 4a) a) 顶顶 注注 式式b) b) 中中 注注 式式c) c) 底底 注注 式式d) d) 阶梯式阶梯式e) e) 雨淋式雨淋式f) f) 缝隙式缝隙式2. 2. 冒口冒口冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。 冒口冒口普通冒口普通冒口特种冒口特种冒口明冒口明冒口暗冒口暗冒口保温冒口保温冒口发热冒口发热冒口大气压力冒口

22、大气压力冒口易割冒口易割冒口数量：数量：5050件件五、铸造工艺设计实例五、铸造工艺设计实例 上上下下材料：材料：HT200HT200收缩率：收缩率：1.0 %1.0 %上下其余其余数量：数量：5050件件3-1 3-1 熔模铸造成形工艺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，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。工艺方法。 一、熔模铸造的工艺过程一、熔模铸造的工艺过程 第三节第三节 特种铸造特种铸造母模压型蜡模组结壳脱蜡单个蜡模焙烧、浇注二、熔模

23、铸造的特点和适用范围二、熔模铸造的特点和适用范围1 1铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11IT13IT11IT13， 表面粗糙度表面粗糙度RaRa值达值达1.612.5m1.612.5m。 2 2合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合合金种类不受限制，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。金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。 3 3可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm3mm的的 凹槽、直径大于凹槽、直径大于2mm2mm的小孔均可直接铸出。的小孔均可直接铸出。 4

24、 4生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。 5 5工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成工艺过程较复杂，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，本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形， 丧失原有精度。丧失原有精度。 应用：应用：它最适合它最适合25kg25kg以下的高熔点、难以切削加工合金以下的高熔点、难以切削加工合金 铸件的成批大量生产。铸件的成批大量生产。 3-2 3-2 金属型铸造成形工艺金属型铸造成形工艺 液态金属液态金属浇入浇入金属型金属型铸件铸件获得获得一、金属型的材料及结构一

25、、金属型的材料及结构材料一般采用材料一般采用铸铁铸铁，要求，要求较高时，可选用较高时，可选用碳钢或低碳钢或低合金钢合金钢 。金属型的结构有金属型的结构有水平分型式、水平分型式、垂直分型式和复合分型式垂直分型式和复合分型式等等 。二、金属型的铸造工艺二、金属型的铸造工艺 1 1 加强金属型的排气加强金属型的排气2 2 在金属型的工作表面上喷刷涂料在金属型的工作表面上喷刷涂料3 3 预热金属型并控制其温度预热金属型并控制其温度4 4 及时开型及时开型三、金属型铸造的特点及适用范围三、金属型铸造的特点及适用范围1 1金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能

26、高。 2 2铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精 度达度达IT12IT14IT12IT14，RaRa值平均可达值平均可达6.312.5m6.312.5m。 3 3 生产率高，劳动条件得到改善。生产率高，劳动条件得到改善。4 4 金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生金属型不透气、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、白口气孔、应力、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷。等铸造缺陷。 应用应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批量生产。主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批量生产。3-3 3-3 压

27、力铸造成形工艺压力铸造成形工艺液态金属在液态金属在高压作用高压作用下下快速压入快速压入金属铸型金属铸型中，并中，并在压力下结在压力下结晶晶，以获得铸件的成形工艺方法。，以获得铸件的成形工艺方法。 一、压铸机和压铸工艺过程一、压铸机和压铸工艺过程二、压力铸造的特点和适用范围二、压力铸造的特点和适用范围 1 1铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为 IT11IT13IT11IT13级，级，RaRa为为3.20.83.20.8mm。 2 2铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造 提高提高2530%25

28、30%，但伸长率有所下降。但伸长率有所下降。 3 3可压铸出形状复杂的薄壁件。可压铸出形状复杂的薄壁件。 4 4生产率高。国产压铸机每小时可铸生产率高。国产压铸机每小时可铸 5015050150次，最高可达次，最高可达500500次。次。 5 5便于采用镶嵌法。便于采用镶嵌法。 6 6压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间 长，长，不适宜单件、小批生产不适宜单件、小批生产。7 7由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢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。等高熔点合金的铸造。 8 8压铸件内部存在缩孔和缩

29、松，表皮下形成许多气孔。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，应注意的问题三、在压铸件的设计和使用中，应注意的问题应使铸件壁厚均匀，并以应使铸件壁厚均匀，并以34mm34mm壁厚为宜，最大壁厚壁厚为宜，最大壁厚 应小于应小于68mm68mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。，以防止缩孔、缩松等缺陷。2 . 2 . 压铸件不能进行热处理或在高温下工作，以免压铸件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。内气孔中的气体膨胀，导致铸件表面鼓泡或变形。3 . 3 . 压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。4 . 4 . 由于压铸件内部疏松，塑性、韧性相对较差，因此不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。适宜制造承受冲击的制件。应用应用：有色薄壁小件的大批量生产。有色薄壁小件的大批量生产。3-4 3-4 离心铸造成形工艺离心铸造成形工艺 将液态金属注入高速旋转（将液态金属注入高速旋转（2501500r/min)2501