现代制造技术精密成形技术

1、 第一节第一节 精密洁净铸造技术精密洁净铸造技术 铸造是一种液态金属成形方法。长期以来，铸造是一种液态金属成形方法。长期以来，应用最广泛的是普通砂型铸造。随着科学技应用最广泛的是普通砂型铸造。随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生活的需要，在继承古代铸造技术和类社会生活的需要，在继承古代铸造技术和应用近代科学技术成就的基础上，开创了许应用近代科学技术成就的基础上，开创了许多新的铸造方法和工艺。使现代多新的铸造方法和工艺。使现代铸造技术朝铸造技术朝着着“精密、洁净、高效精密、洁净、高效”方向发展。方向发展。第3章 精密成形技术 现代铸造技术

2、以现代铸造技术以熔体洁净熔体洁净、铸件组织细密铸件组织细密（性（性能高）和能高）和表面光洁表面光洁、尺寸精度高、尺寸精度高、生产效率高生产效率高为主要特征，可以简称为精密洁净高效铸造工为主要特征，可以简称为精密洁净高效铸造工艺技术。精密洁净铸造是采用各种特殊的工艺艺技术。精密洁净铸造是采用各种特殊的工艺方法实现的。常见的包括方法实现的。常见的包括:精密砂型铸造精密砂型铸造、高、高效金属型铸造、效金属型铸造、消失模铸造消失模铸造、半固态铸造半固态铸造、熔、熔模铸造、模铸造、陶瓷型铸造陶瓷型铸造、壳型铸造壳型铸造、近终形状铸近终形状铸造造等。等。 一一 、高效金属型铸造、高效金属型铸造 传统金属铸

3、件的生产方法为砂型铸造，砂型传统金属铸件的生产方法为砂型铸造，砂型铸造是我国古代劳动人民发明的，目前仍是铸造是我国古代劳动人民发明的，目前仍是铸件生产的主要方法。其主要的缺点是铸件铸件生产的主要方法。其主要的缺点是铸件尺寸精度低、表面粗糙、铸造缺陷多、机械尺寸精度低、表面粗糙、铸造缺陷多、机械性能差、生产效率低。性能差、生产效率低。 相对砂型铸造而言，高效金属型铸造是现代相对砂型铸造而言，高效金属型铸造是现代铸造工艺。按照液态金属的填充方式和凝固铸造工艺。按照液态金属的填充方式和凝固特点，金属型铸造又可分为金属型重力铸造、特点，金属型铸造又可分为金属型重力铸造、 金属型低压铸造、金属型离心铸造

4、、金属型金属型低压铸造、金属型离心铸造、金属型压力铸造和挤压铸造等，这些金属型铸造又压力铸造和挤压铸造等，这些金属型铸造又称为特种铸造。称为特种铸造。 金属型铸造也称为硬模铸造，由于铸型可以金属型铸造也称为硬模铸造，由于铸型可以多次重复使用，所以又称永久型铸造。其铸多次重复使用，所以又称永久型铸造。其铸型是由耐高温的金属材料制成的，根据具体型是由耐高温的金属材料制成的，根据具体的需要，型芯可以是金属芯也可以是砂芯。的需要，型芯可以是金属芯也可以是砂芯。金属型重力铸造是靠液态金属的重力填充铸金属型重力铸造是靠液态金属的重力填充铸型的；金属型离心铸造依靠铸型高速旋转产型的；金属型离心铸造依靠铸型高

5、速旋转产 生的离心力，使液态金属贴紧铸型型腔，并生的离心力，使液态金属贴紧铸型型腔，并在高速旋转下结晶凝固；金属型压力铸造是在高速旋转下结晶凝固；金属型压力铸造是把液态金属以很高的压力和很高的速度射入把液态金属以很高的压力和很高的速度射入铸型型腔，并在高压下结晶凝固；而低压铸铸型型腔，并在高压下结晶凝固；而低压铸造其填充压力介于重力铸造和压力铸造之间，造其填充压力介于重力铸造和压力铸造之间，是一种气（惰性气体）举液面的金属型铸造是一种气（惰性气体）举液面的金属型铸造工艺。工艺。 下边着重介绍金属型压力铸造、金属型低压下边着重介绍金属型压力铸造、金属型低压铸造和挤压铸造。铸造和挤压铸造。 （一）

6、压力铸造（一）压力铸造 压力铸造压力铸造简称压铸，它是在压铸机的承压室简称压铸，它是在压铸机的承压室内内浇注液态金属或半液态金属浇注液态金属或半液态金属，使其在高压，使其在高压高速下填充铸型，并在高压下冷凝形成铸件高速下填充铸型，并在高压下冷凝形成铸件的一种铸造方法的一种铸造方法。 其常用压比为其常用压比为5 5150MPa150MPa，金属液的流速达，金属液的流速达5 5100m/s100m/s，填充时间极短（一般为，填充时间极短（一般为0.010.010.21s0.21s）。）。高压、高速是压力铸造的根高压、高速是压力铸造的根本特点本特点。 1 1、发展概况、发展概况 压铸技术的出现，迄今

7、已有压铸技术的出现，迄今已有150150年的历史。最年的历史。最初压铸是用于印刷文字的铸造，后来用于计初压铸是用于印刷文字的铸造，后来用于计算机和留声机上锡铅合金零件的铸造，算机和留声机上锡铅合金零件的铸造，19041904年后才用于机械零件的铸造，年后才用于机械零件的铸造，2020世纪世纪2020年代年代美国的美国的KippKipp公司制造出机械化的热压室压铸公司制造出机械化的热压室压铸机，到了冷压室压铸机的产生，压铸的材料机，到了冷压室压铸机的产生，压铸的材料扩展到了铜、铝合金。扩展到了铜、铝合金。2020世纪世纪4040年代压铸技年代压铸技 术进入工业生产。术进入工业生产。2020世纪世

8、纪5050年代大型压铸机年代大型压铸机的诞生，压铸技术才真正拓宽了广泛地工业的诞生，压铸技术才真正拓宽了广泛地工业应用领域。随着压铸机，压铸工艺、压铸模应用领域。随着压铸机，压铸工艺、压铸模及润滑剂等压铸技术的发展，压铸合金也从及润滑剂等压铸技术的发展，压铸合金也从最初的铅到锌、铝、铜、镁最后到铁合金的最初的铅到锌、铝、铜、镁最后到铁合金的发展过程，随着压铸合金熔点的不断提高，发展过程，随着压铸合金熔点的不断提高，压铸技术的应用会越来越广泛。目前压铸技压铸技术的应用会越来越广泛。目前压铸技术已广泛用于汽车工业、仪表、电气通信、术已广泛用于汽车工业、仪表、电气通信、 家电和玩具等行业，并且能生产

9、出形状复杂、家电和玩具等行业，并且能生产出形状复杂、薄壁精美的金属器件。薄壁精美的金属器件。 我国压铸生产开始于我国压铸生产开始于2020世纪世纪5050年代，发展于年代，发展于6060年代到年代到7070年代，年代，9090年代后有了长足进展。年代后有了长足进展。我国多小型压铸，压铸合金以锌合金为主，我国多小型压铸，压铸合金以锌合金为主，多为家电、玩具等非受力件，在汽车、摩托多为家电、玩具等非受力件，在汽车、摩托车等机械设备零件的压铸所占比重较小，在车等机械设备零件的压铸所占比重较小，在压铸件的质量方面于国外相比仍有较大差距。压铸件的质量方面于国外相比仍有较大差距。 2 2、压铸原理与压铸工

10、艺、压铸原理与压铸工艺 压铸在压铸机上进行，压铸机一般由压型也压铸在压铸机上进行，压铸机一般由压型也称为压铸模、压室、射压系统等组成，压铸称为压铸模、压室、射压系统等组成，压铸时把液态金属装入压室，射压系统推动压射时把液态金属装入压室，射压系统推动压射头把液态金属高速压入压型，保持压力，结头把液态金属高速压入压型，保持压力，结晶凝固后，压射头回退，由顶出机构顶出铸晶凝固后，压射头回退，由顶出机构顶出铸件。件。 压力铸造的基本工艺流程如下图所示：压力铸造的基本工艺流程如下图所示： 3 3、压铸设备、压铸设备 压铸机是压铸生产的主要设备压铸机是压铸生产的主要设备，主要由合型，主要由合型机构和压射机

11、构两部分组成。机构和压射机构两部分组成。 根据压室的不同，压铸机分为热压室和根据压室的不同，压铸机分为热压室和冷压冷压室室两类。两类。 热压室压铸机热压室压铸机的压室与金属液的保温装置连的压室与金属液的保温装置连成一个整体，只适用于压铸低熔点合金（如成一个整体，只适用于压铸低熔点合金（如铅、锡、锌等合金）。热压室压铸机的主要铅、锡、锌等合金）。热压室压铸机的主要特点是压铸生产工序简单，生产效率高，易特点是压铸生产工序简单，生产效率高，易 于实现自动化，金属消耗小，工艺稳定，压于实现自动化，金属消耗小，工艺稳定，压入型腔的液态金属干净，无氧化类杂质，铸入型腔的液态金属干净，无氧化类杂质，铸件质量

12、好，但由于压室和冲头长时间浸泡在件质量好，但由于压室和冲头长时间浸泡在液态金属中，影响使用寿命，常用用于低熔液态金属中，影响使用寿命，常用用于低熔点合金如锌合金制件的压铸。点合金如锌合金制件的压铸。 冷压室压铸机冷压室压铸机的压室与保温装置是分离的，的压室与保温装置是分离的， 压铸时从保温坩锅中舀取液态金属，倒入压压铸时从保温坩锅中舀取液态金属，倒入压铸机上的压室，然后进行压射。铸机上的压室，然后进行压射。 卧式热压室压铸机的工作原理图如下图所示。卧式热压室压铸机的工作原理图如下图所示。 它可用来压铸铝、铜、镁等熔点较高的合金。它可用来压铸铝、铜、镁等熔点较高的合金。 3 3、压铸生产特点、压

13、铸生产特点 1 1）可铸造结构复杂的薄壁铸件）可铸造结构复杂的薄壁铸件 压力铸造的填充压力高压力铸造的填充压力高，金属液流动速度快，金属液流动速度快，因此，可获得极其复杂的薄壁铸件，并可直因此，可获得极其复杂的薄壁铸件，并可直接铸出各种型孔、螺纹和齿轮轮齿等结构复接铸出各种型孔、螺纹和齿轮轮齿等结构复杂的铸件。杂的铸件。 2 2）铸件）铸件机械性能好机械性能好 由于填充压力高，并在高压下冷凝结晶，因由于填充压力高，并在高压下冷凝结晶，因 此，补缩能力强，铸件组织致密。同时，由此，补缩能力强，铸件组织致密。同时，由于冷却快，于冷却快，铸件晶粒细小，机械性能好铸件晶粒细小，机械性能好。 3 3）充

14、型极快，冷凝时间短，）充型极快，冷凝时间短，压铸生产率高。压铸生产率高。 4 4）由于填充速度极快，型内气体难以排除干）由于填充速度极快，型内气体难以排除干净，铸件净，铸件中常有一些压力很高的小气孔中常有一些压力很高的小气孔。 这些小气孔对铸件质量有一定的不良影响，这些小气孔对铸件质量有一定的不良影响， 如对压铸件进行热处理，小气孔中气体膨胀如对压铸件进行热处理，小气孔中气体膨胀将使铸件产生变形，所以压铸件一般不进行将使铸件产生变形，所以压铸件一般不进行热处理。热处理。 5 5）压铸机和压铸模的投资大）压铸机和压铸模的投资大，同时由于受到，同时由于受到压铸机规格（吨位）的限制，所以压铸只适压铸

15、机规格（吨位）的限制，所以压铸只适用于大批大量中小型铸件的生产。用于大批大量中小型铸件的生产。 综上所述压力铸造主要适用于大批大量中有综上所述压力铸造主要适用于大批大量中有色金属，小型铸件尤其是色金属，小型铸件尤其是外形复杂薄壁铸件外形复杂薄壁铸件的生产的生产。 4 4、我国压铸技术展望、我国压铸技术展望 1 1）开发新型压射控制系统。高速高压充型，）开发新型压射控制系统。高速高压充型， 是一个极其复杂的热态动力学过程。压铸件是一个极其复杂的热态动力学过程。压铸件高质量、致密薄壁无气孔，在很大程度上与高质量、致密薄壁无气孔，在很大程度上与每次压射的稳定性和再现性有关，因此，必每次压射的稳定性和

16、再现性有关，因此，必须开发新型的压射控制系统和安装靠近压型须开发新型的压射控制系统和安装靠近压型的热探测器和传感器。的热探测器和传感器。 2 2）发展新的压射工艺。如半固态压铸、双活发展新的压射工艺。如半固态压铸、双活塞压铸、真空压铸、加氧压铸等都可以有效塞压铸、真空压铸、加氧压铸等都可以有效地减少铸件气孔和提高力学性能，使压铸件地减少铸件气孔和提高力学性能，使压铸件能够热处理。能够热处理。 3 3）开发新型压铸合金。如金属基复合材料）开发新型压铸合金。如金属基复合材料（MMCsMMCs）, ,这种合金具要高的比强度、比模量、这种合金具要高的比强度、比模量、耐磨和减摩性能、热强性和低的热膨胀系

17、数，耐磨和减摩性能、热强性和低的热膨胀系数，且工艺比较简单，成本低，应用上局限性小。且工艺比较简单，成本低，应用上局限性小。其铸造的填充性好，表面质量令人满意。另其铸造的填充性好，表面质量令人满意。另外压铸镁合金、高铝锌基合金，也都具有独外压铸镁合金、高铝锌基合金，也都具有独特的机械物理性能，且铸造性能良好。特的机械物理性能，且铸造性能良好。 4 4）开展）开展CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAM系统的研究开发，为使系统的研究开发，为使填充和凝固更为精确快捷，同时实现压铸模填充和凝固更为精确快捷，同时实现压铸模 的快速原型制造。的快速原型制造。 （二）低压铸造（二）低压铸造 低压铸造是

18、液体金属在压力作用下充填型腔，低压铸造是液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。所以叫做低压铸造。 1 1、发展概况、发展概况 低压铸造最早由英国人低压铸造最早由英国人E. F. LAKEE. F. LAKE于于19101910年提年提出并申请专利出并申请专利。19501950年以后由于汽车工业的发年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃。展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃。 汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大

19、地推动低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在了低压铸造技术的发展。英国在6060年代率先年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。西德相继发展。 19811981年低压铸造汽车铸铝轮毂市场占有率仅年低压铸造汽车铸铝轮毂市场占有率仅4%4%，19941994年扩大到年扩大到40%40%，至，至20002000年市场份额则年市场份额则扩大到了扩大到了60%60%。 2 2、低压铸造原理及过程、低压铸造原理及过程 低压铸造原理如下图所示：低压铸造原理如下图所示： 它是向储有金属液的坩锅中通入它是向储有金属液的坩锅中通

20、入27N/mm/mm压压力的压缩空气或惰性气体，并作用在液面上，力的压缩空气或惰性气体，并作用在液面上，金属液自上而下通过升液管压入铸型型腔，金属液自上而下通过升液管压入铸型型腔，并保持一定的压力（或适当增压），直到铸并保持一定的压力（或适当增压），直到铸件凝固为止。然后去除液面压力，升液管及件凝固为止。然后去除液面压力，升液管及浇注系统中的未凝固金属液又在重力作用下浇注系统中的未凝固金属液又在重力作用下流回坩锅。流回坩锅。 3 3、低压铸造过程低压铸造过程 低压铸造的工艺规范包括充型、增压、铸型低压铸造的工艺规范包括充型、增压、铸型预热温度、浇注温度，以及铸型的涂料等。预热温度、浇注温度，以

21、及铸型的涂料等。 金属材料熔炼金属材料熔炼封闭炉体封闭炉体制备模具制备模具预热预热模具模具制备复合型芯制备复合型芯合模合模低压浇铸成型低压浇铸成型高压补缩、保压高压补缩、保压铸件成型后铸件成型后放气放气结结晶凝固晶凝固开型开型取出铸件取出铸件清理。清理。 4、低压铸造的特点、低压铸造的特点 1 1、提高了、提高了铸型寿命和铸件质量铸型寿命和铸件质量 低压铸造低压铸造既克服了既克服了重力铸造重力铸造流动性差、铸件流动性差、铸件成形不良和易形成缩孔及缩松的缺点；又克成形不良和易形成缩孔及缩松的缺点；又克服了服了压力铸造压力铸造填充速度过快，对铸型型腔的填充速度过快，对铸型型腔的冲刷作用大，使铸型寿

22、命降低和易在铸件上冲刷作用大，使铸型寿命降低和易在铸件上产生气孔的缺点。产生气孔的缺点。 2 2、浇注和、浇注和凝固压力可根据需要进行调整凝固压力可根据需要进行调整，由于填充压力适当，可由于填充压力适当，可适用于各种铸型适用于各种铸型（金（金属型、砂型等）。属型、砂型等）。 3 3、有较好的补缩作用、有较好的补缩作用 由于在压力作用下充型，冷凝、能对浇口起由于在压力作用下充型，冷凝、能对浇口起补缩作用；且能补缩作用；且能实现自上而下的顺序凝固实现自上而下的顺序凝固，铸件组织致密，机械性能好。铸件组织致密，机械性能好。 4 4、采用金属铸型则生产效率高、采用金属铸型则生产效率高，应用较广，应用较

23、广 进行低压铸造需解决坩锅以及坩锅与铸型间进行低压铸造需解决坩锅以及坩锅与铸型间的密封问题。的密封问题。 当当采用砂型时采用砂型时，铸型安装比较麻烦，铸型安装比较麻烦，生产效生产效率低率低，应用较少；，应用较少；采用金属铸型采用金属铸型则则生产效率生产效率高高，应用较广。低压铸造的铸件精度和表面，应用较广。低压铸造的铸件精度和表面质量取决于所用铸型的种类。质量取决于所用铸型的种类。 5 5、低压铸造设备简单，投资少、低压铸造设备简单，投资少, ,易于实现。易于实现。 5 5、低压铸造设备、低压铸造设备 低压铸造设备一般由保温炉及其附属装置，低压铸造设备一般由保温炉及其附属装置，铸型开合系统和供

24、气系统三部分组成。按铸铸型开合系统和供气系统三部分组成。按铸型和保温炉的连接方式，可分为顶铸式低压型和保温炉的连接方式，可分为顶铸式低压铸造机和侧铸式低压铸造机两种类型。铸造机和侧铸式低压铸造机两种类型。 1 1）保温炉及附属装置）保温炉及附属装置 它由炉体、熔池、密封盖和升液管等所组它由炉体、熔池、密封盖和升液管等所组成，是低压铸造机的基本部分。成，是低压铸造机的基本部分。 保温炉的炉型很多，如焦炭炉，煤气炉，电保温炉的炉型很多，如焦炭炉，煤气炉，电阻炉，感应炉等。但目前广泛使用的是电阻阻炉，感应炉等。但目前广泛使用的是电阻加热炉，其次是电热反射炉。加热炉，其次是电热反射炉。 2 2）供气系

25、统）供气系统 在低压铸造中，正确控制对铸型的充型和增在低压铸造中，正确控制对铸型的充型和增压是获得良好铸件的关键，这个控制完全由压是获得良好铸件的关键，这个控制完全由供气系统来实现。根据不同铸件，不同铸件供气系统来实现。根据不同铸件，不同铸件的要求，供气系统应可以任意调节，工作要的要求，供气系统应可以任意调节，工作要稳定可靠，结构要使维修方便。稳定可靠，结构要使维修方便。 6 6、2121世纪低压铸造展望世纪低压铸造展望 1) 1) 大型薄壁铝合金铸件一直是铸造界的难题，大型薄壁铝合金铸件一直是铸造界的难题，低压铸造是最佳工艺方法。据有关方面信息，低压铸造是最佳工艺方法。据有关方面信息，美国目

26、前可生产直径美国目前可生产直径800 mm800 mm、长、长5 m5 m、壁厚、壁厚6 68 mm8 mm的巡航导弹舱体，合金材料的巡航导弹舱体，合金材料A357A357。我。我国也将研制直径国也将研制直径600 mm600 mm左右、高左右、高3 m3 m、壁厚、壁厚6 6 mmmm的差压铸件。的差压铸件。 (2) (2) 汽车发动机中若干铝合金零件如排汽车发动机中若干铝合金零件如排气管、缸盖以及摩托车发动机缸头、缸气管、缸盖以及摩托车发动机缸头、缸盖和轮毂目前大量仍采用金属型重力铸盖和轮毂目前大量仍采用金属型重力铸造。造。特别是铝合金轮毂，我国起步时大部分特别是铝合金轮毂，我国起步时大部

27、分都采用低压铸造，现在由于低压铸造成套设都采用低压铸造，现在由于低压铸造成套设备不能满足工艺要求，生产率低，许多原来备不能满足工艺要求，生产率低，许多原来采用低压铸造的厂家走回头路又用金属型重采用低压铸造的厂家走回头路又用金属型重力铸造法生产。力铸造法生产。 但随着技术进步，包括汽车、摩托车缸头、但随着技术进步，包括汽车、摩托车缸头、缸盖、排气岐管和轮毂将大量采用低压铸造缸盖、排气岐管和轮毂将大量采用低压铸造法生产，使铸件质量提高一个档次。法生产，使铸件质量提高一个档次。 3) 3) 质量大于质量大于1 000 kg1 000 kg以上的大型离心泵不锈以上的大型离心泵不锈钢叶轮钢叶轮(CF-3

28、M,CD-4MCu)(CF-3M,CD-4MCu)，叶片厚度薄，面积，叶片厚度薄，面积大，而轴颈断面尺寸大，铸件厚薄不均，且大，而轴颈断面尺寸大，铸件厚薄不均，且工作时承受应力腐蚀环境。常规砂型重力浇工作时承受应力腐蚀环境。常规砂型重力浇注时铸件中出现比较严重缩松。在腐蚀环境注时铸件中出现比较严重缩松。在腐蚀环境下寿命大大缩短。下寿命大大缩短。 此类零件在低压铸造设备完备的前提下，采此类零件在低压铸造设备完备的前提下，采用树脂砂或石墨型低压铸造法有望铸造成组用树脂砂或石墨型低压铸造法有望铸造成组织致密、尺寸精确的优质铸件。这类铸件在织致密、尺寸精确的优质铸件。这类铸件在核电装备中具有重要地位。

29、核电装备中具有重要地位。 三、三、挤压铸造挤压铸造 （一）挤压铸造原理（一）挤压铸造原理 挤压铸造工艺于挤压铸造工艺于19731973年由前苏联首次用于铸年由前苏联首次用于铸造生产，当时称为造生产，当时称为“液态金属模压液态金属模压”，是金，是金属液在压力下充型及凝固而获得铸件的一种属液在压力下充型及凝固而获得铸件的一种铸造方法。铸造方法。 将金属液浇入挤压机的凹模中，然后上型将金属液浇入挤压机的凹模中，然后上型（也叫冲头）向下移动将下型中的液态金属（也叫冲头）向下移动将下型中的液态金属挤满型腔，金属液在压力下凝固成形。挤满型腔，金属液在压力下凝固成形。 （二）挤压铸造有以下优点：（二）挤压铸

30、造有以下优点： 1 1、铸件精度高，加工余量小；、铸件精度高，加工余量小； 2 2、由于铸件是在压力下充型和凝固的，所以、由于铸件是在压力下充型和凝固的，所以铸件组织致密，无缩孔、缩松及气孔等铸造铸件组织致密，无缩孔、缩松及气孔等铸造缺陷，晶粒细小，铸件的力学性能好；缺陷，晶粒细小，铸件的力学性能好； 3 3、挤压铸造不必设置浇冒口系统，减少液态、挤压铸造不必设置浇冒口系统，减少液态金属的消耗，提高了工艺实收率。金属的消耗，提高了工艺实收率。 由于上述优点，挤压铸造对铸造的发展还体由于上述优点，挤压铸造对铸造的发展还体 现在以下几个方面：现在以下几个方面： 1 1、建立了一整套压力下结晶及挤压

31、铸造的理、建立了一整套压力下结晶及挤压铸造的理论系统。包括：压力对合金状态图、形核及论系统。包括：压力对合金状态图、形核及长大、气体的溶解与析出等影响；挤压过程长大、气体的溶解与析出等影响；挤压过程中铸件的成形、凝固与热传导，压力的传递中铸件的成形、凝固与热传导，压力的传递分布与损失；铸件的收缩、补缩、晶粒组织分布与损失；铸件的收缩、补缩、晶粒组织与异常偏析形成等。为挤压铸造工艺的发展与异常偏析形成等。为挤压铸造工艺的发展垫定了坚实的理论基础。垫定了坚实的理论基础。 2 2、发展了一整套挤压铸造工艺方法，定型生、发展了一整套挤压铸造工艺方法，定型生产了挤压铸造机系列。为了适应多样化的生产了挤压

32、铸造机系列。为了适应多样化的生产需要，挤压工艺发展了直接冲头挤压、间产需要，挤压工艺发展了直接冲头挤压、间接冲头挤压、柱塞挤压、型板挤压等多种方接冲头挤压、柱塞挤压、型板挤压等多种方式。挤压铸造设备也从早期的通用压力机发式。挤压铸造设备也从早期的通用压力机发展成辅助活动横梁、顶出器油缸或侧向油缸展成辅助活动横梁、顶出器油缸或侧向油缸的普通型挤压铸造机。近十年来又发展了从的普通型挤压铸造机。近十年来又发展了从模具清理喷涂、浇铸、挤压到取件全自动化，模具清理喷涂、浇铸、挤压到取件全自动化，挤压速度可分级调节、工艺参数可全过挤压速度可分级调节、工艺参数可全过 过程计算机控制并显示的挤压铸造机。过程计

33、算机控制并显示的挤压铸造机。 3 3、挤压铸造的生产规模发展迅速。产品材料、挤压铸造的生产规模发展迅速。产品材料包括铝、镁、锌、铜、铁、铅、钢、锡、镍包括铝、镁、锌、铜、铁、铅、钢、锡、镍等合金及其复合材料。产品类型遍布机械、等合金及其复合材料。产品类型遍布机械、交通、家电、仪表及汽车等各个行业。交通、家电、仪表及汽车等各个行业。 （三）挤压铸造工艺的发展趋势（三）挤压铸造工艺的发展趋势 1 1、挤压铸造的材料渗透到陶瓷纤维增强材料、挤压铸造的材料渗透到陶瓷纤维增强材料中，制成局部增强金属基复合材料，将成为中，制成局部增强金属基复合材料，将成为廉价、便捷的批量生产先进金属基复合材料廉价、便捷的

34、批量生产先进金属基复合材料 的方法。此外在传统卧式压铸机上，通过改的方法。此外在传统卧式压铸机上，通过改进压射系统，进行低速充型并实时控制，加进压射系统，进行低速充型并实时控制，加宽浇口，采用双柱塞挤压等方法，可以实现宽浇口，采用双柱塞挤压等方法，可以实现不卷入气体的水平式挤压铸造生产。不卷入气体的水平式挤压铸造生产。 2 2、扩大应用，提高质量，使铸件向着更优质、扩大应用，提高质量，使铸件向着更优质、高性能、大型化、复杂化的方向发展。高性能、大型化、复杂化的方向发展。 3 3、改造原有的挤压铸造设备，发展新的挤压、改造原有的挤压铸造设备，发展新的挤压铸造设备系列。提高挤压铸造的自动化水平铸造

35、设备系列。提高挤压铸造的自动化水平和形成新一代标准化高效挤压铸造设备系列。和形成新一代标准化高效挤压铸造设备系列。 四、四、消失模铸造消失模铸造 （一）（一）消失模铸造发展概况消失模铸造发展概况 19561956年美国人年美国人（H.F.SHOYERH.F.SHOYER）开始了将聚苯）开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并获得成功乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并获得成功, ,引起了人们极大的兴趣，引起了人们极大的兴趣，19581958年以专利的形年以专利的形式公布于众，当时称之为式公布于众，当时称之为“无型腔铸造无型腔铸造”。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品起初，该法只是用来制造金属雕

36、像等艺术品铸件，美国马萨诸塞工艺院铸造出重约铸件，美国马萨诸塞工艺院铸造出重约150Kg150Kg的青铜飞马和高大的球墨铸铁钟架。的青铜飞马和高大的球墨铸铁钟架。 以后经过许多实践和探索，以后经过许多实践和探索，19621962年西德从美年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上得到应用。并在工业上得到应用。 19641964年美国的年美国的T.R.SMITHT.R.SMITH发表了使用无粘结发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件的专利。到了剂干砂造型生产消失模铸件的专利。到了19671967年年, ,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸采用

37、普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功造法获得了成功, ,并在许多国家得到了应用并在许多国家得到了应用, ,生产了成千上万吨铸件生产了成千上万吨铸件, ,但无粘结剂干砂实型但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展铸造却没得到发展, ,仍处于探索阶段。仍处于探索阶段。 在整个六十年代直至七十年代在整个六十年代直至七十年代, ,消失模铸造法消失模铸造法仅限于单件小批生产仅限于单件小批生产, ,典型产品是汽车模具、典型产品是汽车模具、机器底座、艺术品等。机器底座、艺术品等。 19681968年，德国人年，德国人E.KRYZMOWSKIE.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成在砂箱内抽成负压进行浇注负压进行

38、浇注, ,取得了专利，即现在的消失模取得了专利，即现在的消失模铸造。八十年代以前，由于专利的制约，生铸造。八十年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂料不合适以及模型质量不当、型砂和涂料不合适以及模型质量 不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。使得消失模铸造法发展缓慢。 1981198

39、1年以后由年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。并很快在生产上得到应用。 19821982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂年美国首先公开了世界上第一条生产复杂 铝铸件的消失模铸造生产线。铝铸件的消失模铸造生产线。19841984年美国福年美国福特汽车公司建立了年产特汽车公司建立

40、了年产100100万只铝合金进气歧万只铝合金进气歧管高度自动化的生产线。至此，消失模铸造管高度自动化的生产线。至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。 19901990年美国通用汽车公司在年美国通用汽车公司在SaturnSaturn建成了一建成了一套年产铸件套年产铸件5.55.5万吨，万吨，1010万平方米的新铸造厂，万平方米的新铸造厂，用三条全自动用三条全自动EPCEPC生产线生产铝合金缸体、缸生产线生产铝合金缸体、缸盖和球墨铸铁曲轴等铸件。盖和球墨铸铁曲轴等铸件。 19791979年年，由我国著名消失模铸造专家、中科，由我国著名消失模

41、铸造专家、中科 院院长春光学精密机械研究所研究员长春光学精密机械研究所研究员黄述哲教黄述哲教授授在全国铸造工艺学会上发表了在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸消失模铸造基本特性的研究造基本特性的研究”论文报告，在国内首次论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。系统阐述了这一方法的特点和规律性。 八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。造的试验性应用研究。 九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究

42、。入了消失模铸造的研究。 9090年代我国在北京宋庄铸造总厂、福州柴油年代我国在北京宋庄铸造总厂、福州柴油机厂、四川南川机械厂、湖北丹江口管理局机厂、四川南川机械厂、湖北丹江口管理局建成了年产建成了年产300030005000t5000t铸件的消失模铸造生铸件的消失模铸造生产线。同时也引进了国外先进的消失模铸造产线。同时也引进了国外先进的消失模铸造生产线，如一汽轻型发动机从美国福康公司生产线，如一汽轻型发动机从美国福康公司引进了制模、振动台等部分设备，国内配套引进了制模、振动台等部分设备，国内配套组成生产线；长沙汽车发动机厂则引进了意组成生产线；长沙汽车发动机厂则引进了意大利法塔公司全套制模、

43、造型、浇灌生产线。大利法塔公司全套制模、造型、浇灌生产线。 20032003年我国消失模铸造行业的铸件总产量约为年我国消失模铸造行业的铸件总产量约为14060O14060O吨，全国消失模铸造生产厂总数约为吨，全国消失模铸造生产厂总数约为120-140120-140家。家。 （二）（二）生产原理及工艺流程生产原理及工艺流程 消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据

44、模型条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。 对于消失模铸造，有多种不同的叫法，对于消失模铸造，有多种不同的叫法，国内主国内主 要的叫法有要的叫法有“干砂实型铸造干砂实型铸造”、“ “ 负压实型负压实型铸造铸造”，简称，简称EPCEPC铸造。铸造。 消失模铸造根据其铸消失模铸造根据其铸型材料分类型材料分类：结合有粘结剂结合有粘结剂自硬砂消失模铸造自硬砂消失模铸造( (简称简称“FM”FM”法法) )；和无粘结剂干砂结合抽真空；和无粘结剂干砂结合抽真空技术技术( (第三代第三代) )造型法消失模铸造造型法消失模铸造( (简称

45、简称“EPC”EPC”法法) )。 根据浇注条件分类：根据浇注条件分类：普通消失模铸造和普通消失模铸造和负压消失模铸造。负压消失模铸造。传统的砂型铸造工艺流程传统的砂型铸造工艺流程消失模铸造工艺流程消失模铸造工艺流程与传统的铸造技术相比，与传统的铸造技术相比，“二十一世纪的铸造二十一世纪的铸造技术技术”和和“铸造工业的绿色革命铸造工业的绿色革命”。“二十一世二十一世纪的铸造技术纪的铸造技术”和和“铸造工业的绿色革命铸造工业的绿色革命”。 （三）（三）消失模铸造的消失模铸造的工艺优越行工艺优越行 与传统的砂型铸造相比，大量生产的消失模与传统的砂型铸造相比，大量生产的消失模铸造有如下铸造有如下工艺

46、特征：工艺特征： （1 1）一个与逐渐形状完全一致、尺寸大小只）一个与逐渐形状完全一致、尺寸大小只差金属收缩量的泡沫塑料模型保留在铸型内，差金属收缩量的泡沫塑料模型保留在铸型内，形成形成“实型实型”铸型，而不是传统砂型的铸型，而不是传统砂型的“空空腔腔”铸型（即铸型（即“空型空型”）。）。 （2 2）其砂型为无粘结剂、无水份、无任何附）其砂型为无粘结剂、无水份、无任何附加物的干石英砂。加物的干石英砂。 （3 3）浇注时，泡沫塑料模型在高温液体金属）浇注时，泡沫塑料模型在高温液体金属作用下不断分解气化，产生金属作用下不断分解气化，产生金属- -模型的置换模型的置换过程，而不象传统过程，而不象传统

47、“空型空型”铸造是一个液体金铸造是一个液体金属的填充过程。制作一个铸件，就要属的填充过程。制作一个铸件，就要“消失消失”掉一个泡沫塑料模型。掉一个泡沫塑料模型。 （4 4）泡沫塑料模型可以分块成形再进行粘结）泡沫塑料模型可以分块成形再进行粘结组合。模型形状（即铸件形状）基本不受任何组合。模型形状（即铸件形状）基本不受任何限制。限制。 消失模铸造有下列特点：消失模铸造有下列特点：1 1）铸件质量好，成本低。材质不限，大小皆）铸件质量好，成本低。材质不限，大小皆宜；尺寸精度高，表面光洁，减少清理，节省宜；尺寸精度高，表面光洁，减少清理，节省机械加工；内部缺陷大大减少，组织致密。机械加工；内部缺陷大

48、大减少，组织致密。2 2）可实现大规模、大批量生产。自动化流水）可实现大规模、大批量生产。自动化流水线生产线生产, ,无污染、环保。可以大大改善作业环无污染、环保。可以大大改善作业环境、降低劳动强度、减少能源消耗。境、降低劳动强度、减少能源消耗。 3 3）与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具）与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比的优势，被国内外铸造界誉为有与无伦比的优势，被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术二十一世纪的铸造技术” ” 、“铸造工业的铸造工业的绿色革命绿色革命”。 19991999年，国家科技部把消失模铸造技术列为年，国家科技部把消失模铸造技术列为国家重点推广的高新

49、技术。近年来，消失模国家重点推广的高新技术。近年来，消失模铸造技术在国内外已经成为改造传统铸造产铸造技术在国内外已经成为改造传统铸造产业应用最广的高新技术。（观看业应用最广的高新技术。（观看教学片教学片） （四）消失模铸造技术发展趋势（四）消失模铸造技术发展趋势 1 1、随着严格的质量保证体系和各关键工序监、随着严格的质量保证体系和各关键工序监控仪表的完善，消失模铸件的质量将进一步控仪表的完善，消失模铸件的质量将进一步提高，废品率将大为降低。提高，废品率将大为降低。 2 2、在模具设计和制造领域，将大量采用快速、在模具设计和制造领域，将大量采用快速原型制造技术和并行环境下计算机模拟仿真，原型制

50、造技术和并行环境下计算机模拟仿真，从而大大缩短模具的生产时间，实现铸件的从而大大缩短模具的生产时间，实现铸件的快捷生产。快捷生产。 3 3、随着聚苯乙烯泡沫塑料尾气净化装置和旧、随着聚苯乙烯泡沫塑料尾气净化装置和旧 砂处理设备的进一步改善，以及各工序间自砂处理设备的进一步改善，以及各工序间自动化程度的提高，将使消失模铸造工厂（车动化程度的提高，将使消失模铸造工厂（车间）绿色化。间）绿色化。 4 4、随着技术的进步，消失模铸造技术将与其、随着技术的进步，消失模铸造技术将与其它先进铸造工艺相结合，开创出更新的复杂它先进铸造工艺相结合，开创出更新的复杂工艺，将使铸件质量和生产效率进一步提高。工艺，将

51、使铸件质量和生产效率进一步提高。例如，将消失模铸造技术与低压铸造相结合，例如，将消失模铸造技术与低压铸造相结合，将实现对金属液填充速度的严格控制，将实现对金属液填充速度的严格控制， 同时也会实现气化模型的有序气化，使铸件同时也会实现气化模型的有序气化，使铸件 在一定的压力下结晶凝固，从而获得组织致在一定的压力下结晶凝固，从而获得组织致密、高气密性的铝合金铸件。密、高气密性的铝合金铸件。 五、五、 半固态金属半固态金属（SSMSSM）成形）成形 （一）发展概况（一）发展概况 从从7070年代初美国麻省理工学院的年代初美国麻省理工学院的 Flemings Flemings教教授等开发出半固态加工技

52、术以来，授等开发出半固态加工技术以来， 现已得到现已得到迅速发展。美国在此技术的开发研究和工业迅速发展。美国在此技术的开发研究和工业应用等方面处于全球领先地位；欧应用等方面处于全球领先地位；欧 洲国家和洲国家和日本也相继开展此方面的工作，并取得很大日本也相继开展此方面的工作，并取得很大进展。半固态加工技术最广泛的应用主要集进展。半固态加工技术最广泛的应用主要集中在汽车工业，用以进行汽车零件的近终形中在汽车工业，用以进行汽车零件的近终形 (NearNetShape(NearNetShape) )制造以及使其轻量化；制造以及使其轻量化； 另外，这项技术还被越来越多地用于航空、另外，这项技术还被越来

53、越多地用于航空、兵器、仪表等工业的主要构件。兵器、仪表等工业的主要构件。目前，半固目前，半固态金属加工技术的发展主要围绕着半固态金态金属加工技术的发展主要围绕着半固态金属的制备和成形、基础理论、金属基复合材属的制备和成形、基础理论、金属基复合材料料 的制造、工业应用和开发等方面。与此同的制造、工业应用和开发等方面。与此同时，很多相关的新技术和应用领域不断被开时，很多相关的新技术和应用领域不断被开发出来。发出来。 （二）半固态成形原理（二）半固态成形原理 半固态成形，在金属凝固过程中，进行强烈半固态成形，在金属凝固过程中，进行强烈搅拌，使普通铸造易于形成的树枝晶网络被搅拌，使普通铸造易于形成的树

54、枝晶网络被打碎，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着打碎，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固一定颗粒状固相组分的固- -液混合浆料，采用液混合浆料，采用这种既非液态、又非完全固态的金属浆料加这种既非液态、又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为金属的半固态加工。工成形的方法，称为金属的半固态加工。 SSMSSM成形是介于铸造和锻造之间的一种工艺过成形是介于铸造和锻造之间的一种工艺过程，适用于很多常规的成形方法。程，适用于很多常规的成形方法。 通常根据采用的成形设备对其命名，这些设通常根据采用的成形设备对其命名，这些设备包括：改进的压铸设备、注射成形设备、备包括：改进的压铸设备

55、、注射成形设备、连续铸造设备和模锻设备等。在研究和应用连续铸造设备和模锻设备等。在研究和应用中，铸造设备在中，铸造设备在SSMSSM成形中占较大比例，因而成形中占较大比例，因而SSMSSM 成形多称为半固态铸造。成形多称为半固态铸造。 SSM SSM原料在进原料在进入模具内腔之前有不同的处理方法，从而使入模具内腔之前有不同的处理方法，从而使SSMSSM成形分为两大类：流成形分为两大类：流 变成形变成形(Rheoforming(Rheoforming) )和触变成形和触变成形(Thixo(Thixo- forming)- forming)。流变成形是将获得的流变成形是将获得的 SSM SSM原料

56、直接成形；原料直接成形； 触变成形是将触变成形是将SSMSSM原料首先制成原料首先制成 锭料，生产时，锭料，生产时，将定量的锭坯重新加热至半固态然后再成将定量的锭坯重新加热至半固态然后再成形。形。 对于流变成形，由于直接获得的对于流变成形，由于直接获得的SSMSSM原料保存原料保存和输送很不方便，因而发展较缓慢，一和输送很不方便，因而发展较缓慢，一 般仅般仅用于用于SSMSSM连续成形方面；对触变成形，由连续成形方面；对触变成形，由于于 SSM SSM坯料便于输送和加热，易于实现自动化，坯料便于输送和加热，易于实现自动化，所以，触变成形在工业中得到广泛应用。所以，触变成形在工业中得到广泛应用。

57、 （三）半固态金属的成形工艺三）半固态金属的成形工艺 工艺流程：由原始浆料连铸或直接成形的方工艺流程：由原始浆料连铸或直接成形的方法被称为法被称为“流变铸造（流变铸造（rheocastingrheocasting）”， 目前进入实用的流变成形技术只有一种，它目前进入实用的流变成形技术只有一种，它被称之为射铸被称之为射铸(Injection Molding or (Injection Molding or ThixomoldingThixomolding) )技术。射铸技术只应用于镁技术。射铸技术只应用于镁合金合金(ASTM Spectifications-AZ91D)(ASTM Spectif

58、ications-AZ91D)的半固的半固态成形，成形件为汽车零件毛坯，成形机中态成形，成形件为汽车零件毛坯，成形机中包含一个特殊的螺旋推进系统包含一个特殊的螺旋推进系统(Extruder),(Extruder), 并配有半固态镁合金加热源；并配有半固态镁合金加热源；当小块状的镁当小块状的镁合金合金( (由传统的枝晶镁合金锭剪切而成由传统的枝晶镁合金锭剪切而成) )送入送入螺旋推进系统后，镁合金一边被加热，一边螺旋推进系统后，镁合金一边被加热，一边由左向右螺旋剪切推进；到达螺旋推进系统由左向右螺旋剪切推进；到达螺旋推进系统左边的半固态镁合金已经具有流变性，随后左边的半固态镁合金已经具有流变性，

59、随后被射入模具型腔成形。射铸件的强度、塑性被射入模具型腔成形。射铸件的强度、塑性与高压铸件的相当，但射铸件的气孔率降低与高压铸件的相当，但射铸件的气孔率降低约约46%46%，耐蚀性更强。，耐蚀性更强。 另一条途径用术语描述为另一条途径用术语描述为“触变成形触变成形（thixoformingthixoforming）”。 一般触变成形中半固态组织的恢复仍用感应一般触变成形中半固态组织的恢复仍用感应加热的方法，然后进行压铸、锻造加工成形。加热的方法，然后进行压铸、锻造加工成形。 半固态金属的触变成形可以分为几种：一是半固态金属的触变成形可以分为几种：一是触变压铸触变压铸(thixodie(thix

60、odie-casting),-casting),其成形设备是其成形设备是压铸机；二是触变锻造压铸机；二是触变锻造(thixoforging(thixoforging),),其成其成形设备是压力机；三是触变挤压，其成形设形设备是压力机；三是触变挤压，其成形设备是挤压机；备是挤压机； 四是触变轧制，其成形设备是轧机。以上成四是触变轧制，其成形设备是轧机。以上成形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。半固态金属成形工艺如图所示。半固态金属成形工艺如图所示。 （四）半固态成形的特点（四）半固态成形的