《机械制造基础》 自考 课件 第7章 铸造

第7章铸造本章要点17.1铸造的工艺基础7.2铸造方法7.3铸造工艺设计7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造27.1.1金属的充型指液态合金本身的流动能力，常用浇注标准螺旋形试样的方法进行测定。在相同的铸型（一般采用砂型）和浇注条件（如相同的浇注温度或相同的过热温度）下，液态合金的流动性越好，浇注出的试样越长。常用铸造合金中，铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢最差。1.液态合金的流动性液态合金填充铸型的过程，简称充型。液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力，取决于合金的流动性，且受铸型性质、铸件结构和浇注条件等外界条件影响。标准螺旋形试样7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造37.1.1金属的充型液态合金的充型能力主要取决于合金的流动性和各种工艺因素。充型时，凡是增加液态合金流动阻力、降低流动速度及提高冷却能力的因素，都会降低液态合金的充型能力。1）铸型材料的导热能力越强，充型能力越差；2）砂型铸造中，应减少型腔中的气体，并提高铸型的透气性，必要时可在远离浇口的最高部位设置出气口；3）铸件结构越复杂，铸件壁厚越薄，液态合金的充型能力越差；4）浇注系统结构越复杂，液态合金流动的阻力越大，其充型能力越差；5）浇注温度越高，液态合金的流动性越好，但浇注温度过高，铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹砂和粗晶等缺陷；6）砂型铸造中，常采用提高直浇道高度来增加液态合金静压力。2.液态合金的充型能力7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造47.1.2合金的凝固与收缩1）逐层凝固时，铸件结晶前沿和液相间有平坦的界面，合金的充型能力强，有利于防止缩孔和缩松。2）体积凝固时，铸件整体或大部分成液固二相区间，达到一定温度时，整个体积间同时凝固，容易获得晶粒粗大的铸件。3）中间凝固方式既有固相和液固二相界面，又存在液固二相和液相界面。在常用合金中，大部分的金属材料是以中间凝固方式凝固的，灰铸铁和铝硅合金等倾向于逐层凝固，球墨铸铁、锡青铜和铝铜合金等倾向于体积凝固。1.铸造合金的凝固一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式（图a）、体积凝固（或称糊状凝固）方式（图b）和中间凝固方式（图c）。a）逐层凝固b）体积凝固c）中间凝固金属的凝固方式7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造57.1.2合金的凝固与收缩2.铸造合金的收缩合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩小的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性，是产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等铸造缺陷的根源。合金的收缩经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩3个阶段，各阶段互相联系。（1）液态收缩。液态金属从浇注温度到凝固开始温度（液相线温度）之间的收缩。（2）凝固收缩。液态金属从凝固开始温度到凝固终止温度（固相线温度）之间的收缩。（3）固态收缩。金属从凝固终止温度到室温之间的收缩。影响收缩的因素主要是化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造67.1.2合金的凝固与收缩3.铸件中的缩孔和缩松液态合金在铸型内的凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充时，将在铸件最后凝固部位形成孔洞。按照孔洞的大小和分布的不同，可分为缩孔和缩松。大而集中的孔洞为缩孔，小而分散的孔洞为缩松。1）缩孔形成过程：液态合金充满铸型型腔（图a）后，由于铸型的吸热，靠近型腔内表面的合金很快凝固成一层外壳，而内部仍是高于凝固温度的液体（图b）。温度继续下降，外壳加厚，内部液态合金因液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积缩小，液面下降，使铸件内部出现了空隙（图c）。直到内部完全凝固，在铸件上部形成缩孔（图d）。继续冷却至室温，铸件发生固态收缩，缩孔的绝对体积略有减小（图e）。缩孔形成过程示意图合金的液态收缩和凝固收缩越大、浇注温度越高、铸件壁厚越大，则缩孔的容积越大。7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造77.1.2合金的凝固与收缩3.铸件中的缩孔和缩松2）缩松。由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补充，或者因合金体积凝固的树枝状晶体（枝晶）分隔开的液相小区难以补缩所致。分为宏观缩松和显微缩松。当缩松和缩孔的容积相同时，缩松的分布面积要比缩孔大得多。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大大降低，甚至成为废品，是极其有害的铸造缺陷之一。减少缩松工艺措施：铸件的定向凝固通过控制冷却速度来控制铸件的凝固方式，使产生缩孔和缩松的倾向在一定条件下和一定范围内相互转化。缩孔的防止方法可考虑采用冒口补充热节圆处的金属液体，和采用冷铁激冷远离冒口处的金属，在生产上一般称为定向凝固补缩原则。7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造87.1.3铸造内应力、变形和裂纹1.热应力铸件在凝固之后继续冷却至室温的过程中，若固态收缩受到阻碍，铸件内部将产生内应力，称为铸造内应力。按照产生原因的不同，铸造内应力可分热应力和机械应力。由于铸件壁厚不均匀、各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起的应力。落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残余内应力。热应力使冷却较慢的厚壁或心部受拉应力，冷却较快的薄壁或表层受压应力。壁厚差别越大、合金的线收缩率越高或弹性模量越大，热应力越大。顺序凝固时，由于铸件各部分的冷却速度不一致，产生的热应力较大，铸件易出现变形和裂纹，应用时应考虑。2.机械应力铸件冷却到弹性状态后，因收缩受到机械阻碍而形成的应力。形成机械应力的阻碍包括铸型、型芯和浇冒口等。机械应力是暂存性的，应力形成的原因一旦消除，应力也随之消失。但它在铸件冷却过程中可与热应力共同起作用，增大某些部位的应力，增加铸件的裂纹倾向。7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造97.1.3铸造内应力、变形和裂纹3.铸件的变形当铸件的内应力超过材料的屈服极限（σs）时，铸件便产生了变形。具有残余内应力的铸件，处于不稳定状态，将自发地进行变形来缓解内应力以趋于稳定状态。只有原来受拉应力部分产生压缩变形、受压应力部分产生拉伸变形，才能使残余内应力减小或消除。对于厚薄不均、截面不对称及具有细长特点的杆类、板类及轮类等铸件，当残余铸造内应力超过铸件材料的屈服极限时，往往会产生翘曲变形。如框形铸件（a）、梁形铸件（b）。变形使铸造内应力重新分布，残余应力会减小一些，但不会完全消除。a）机床床身铸件

b）梁形铸件铸件的变形7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造107.1.3铸造内应力、变形和裂纹4.铸件的裂纹当铸件的内应力超过金属的抗拉强度（Rm）时，铸件便产生裂纹。按照裂纹形成的温度范围不同，可分为热裂与冷裂两种。（1）热裂。在铸件凝固末期、接近固相线的高温下形成。形状特征：尺寸较短、缝隙较宽、形状曲折、缝内呈氧化色。防止热裂的措施：a.选择结晶温度范围窄、热裂倾向小的合金。b.减小铸型阻力，铸型的退让性越好、机械应力越小，热裂倾向越小。（2）冷裂。在较低温度下，铸件的内应力超过合金的抗拉强度而形成。形状特征：裂纹细小、呈连续直线状、缝内有金属光泽或呈轻微氧化色。常出现在铸件受拉应力的地方，尤其有应力集中的地方（尖角、孔洞类缺陷或非金属夹杂物附近）。防止冷裂的措施：a.减小铸造内应力，如合理设计铸件结构，使铸件壁厚差别小、形状简单，则冷裂倾向小。b.降低合金脆性，不同铸造合金的冷裂倾向不同。7.1铸造的工艺基础机械制造基础第7章铸造117.1.4铸件中的气孔根据形状与生成原因不同一般称之为气孔、气泡、针孔、气疏松和气缩孔。按照气体来源的不同，气孔主要分为析出性气孔、浸入性气孔和反应性气孔3类。（1）析出性气孔。在熔化和浇注过程中，金属很难与气体隔离，H₂、N₂和O₂等可以从炉料、炉气等进入金属液中。析出性气孔主要是这些进入金属液中的气体，在凝固过程中未能及时上浮排出而形成的。特征：尺寸较小、分布较广，甚至遍布整个铸件截面。防止措施：在浇注前对金属液进行“除气处理”。同时，对炉料要去除水、锈、油，浇注工具要烘干，控制铸型水分等。（2）浸入性气孔。主要是砂型和型芯中的气体浸入金属液中而形成的。特征：位于砂型和型芯表面附近，尺寸较大，呈椭球形或梨形。防止措施：提高砂型透气性，增加铸型排气能力。（3）反应性气孔。主要是液态合金与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应产生气体而形成的。若冷铁、型芯撑附近有水、锈、油，则当其与高温金属液接触时，将发生化学反应，产生CO气体，从而常在冷铁、型芯撑附近形成气孔。气孔破坏了金属的连续性，减少了铸件的有效截面面积，造成局部应力集中，降低了铸件的力学性能。弥散性气孔还可促使显微缩松的形成，降低铸件的气密性。7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造127.2.1砂型铸造包括制造模样和芯盒、制备型砂及芯砂、造型、造芯、合箱、熔化金属及浇注、铸件凝固后开型落砂、表面清理及质量检验。对于大型铸件的铸型及型芯，还需在合箱前烘干。1.砂型铸造的工艺过程砂型铸造的生产过程7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造137.2.1砂型铸造2.砂型的结构组成上、下两砂箱中充满紧实型砂，连同砂箱分别叫做上砂型、下砂型。取出砂型中的模样后留下的空腔称为型腔。在上、下砂型间的结合面称为分型面。造芯、造型时用的模具是芯盒和模样。芯盒用来形成铸件的内腔，模样用来形成铸件的外形。在制造模样和芯盒之前，要以零件图作为依据，同时考虑铸造工艺的特点，绘制制造工艺图。在绘制时，通常主要考虑零件的加工余量、分型面、拔模斜度、芯头和芯座、铸造圆角及收缩余量等。砂型结构7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造147.2.1砂型铸造（1）手工造型。是全部用手工或手动工具完成造型工作。手工造型操作方便灵活，适应性强，模样生产准备时间短，但生产率低，劳动强度大，且铸件质量不易保证，适于单件或小批量生产。3.造型造型是用型砂和模样制造铸型的过程。是砂型铸造最基本的工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。整模造型分模造型挖砂造型按模样特征分类的常用手工造型方法假箱造型活块造型刮板造型7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造157.2.1砂型铸造按砂箱特征分类的常用手工造型方法两箱造型三箱造型地坑造型7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造167.2.1砂型铸造（2）机器造型。是用机器完成全部或至少完成紧砂与起模操作的造型方法.显著提高了铸件质量和生产效率，改善了劳动条件，降低了劳动强度，但所用设备和工装投资较大，生产准备周期较长，对产品变化的适应性比手工造型差，因此，主要适用于成批大量生产。按照紧砂方式不同，造型机可分为压实式、震实式、震压式、微震式、高压式、抛砂式和射砂式等多种。为实现机械起模，机器造型所用的模样与底板连成一体，称为模板。机器造型的起模方式有顶箱式起模、翻转式起模、落模式起模、漏模式起模等。3.造型制造铸型用的材料称为造型材料，制造型芯用的材料称为造芯材料，都是由型砂、芯砂、黏结剂、水和附加物按一定比例混合制成的。黏结剂的种类，主要有黏土、合脂、桐油、水玻璃等，其中黏土应用最广。型砂、芯砂用黏土作为黏结剂的称为黏土砂，其他分别称为合脂砂、水玻璃砂、油砂等。7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造177.2.1砂型铸造为获得铸件的内孔或局部外形，用芯砂或其他材料制成的安放在型腔内部的铸型组元，称为型芯。制造型芯的过程称造芯。造芯可分手工造芯和机器造芯。常用手工造芯的方法为芯盒造芯。芯盒通常由两半组成。手工造芯主要应用于单件、小批量生产中。机器造芯是利用造芯机来完成填砂、紧砂和取芯的，生产效率高，型芯质量好，适用于大批量生产。4.造芯a）准备芯骨；b）

舂砂、放芯骨；c）刮平、扎通气孔；d）敲打芯盒；e）取芯、刷涂料对开式芯盒造芯过程7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造187.2.1砂型铸造将铸型的各个组元如上型、下型、型芯、浇口杯（盆）等组合成一个完整铸型的操作过程称为合型（又称合箱）。5.合型6.浇注将熔炼的金属从浇包（浇注容器，用来盛放、浇注和输送熔融金属）注入铸型的过程。7.浇注的落砂、清理（1）铸件的落砂。把铸件与型砂及砂箱分开的过程，该过程应在铸件得到充分冷却后再进行。通常对于重量小于10kg、形状简单的铸件，落砂一般在浇注1h左右后就可以进行。小型铸件采用手工落砂，用手锤和铁钩进行。为提高生产率及改善劳动条件，常采用震动落砂机落砂。（2）铸件的清理。包括清除芯砂、表面砂、浇冒口、氧化皮和飞边等。7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造197.2.2熔模铸造工艺过程主要包括蜡模制造、型壳制造、脱蜡与造型、焙烧与浇注等几个工序。熔模铸造是用易熔材料（如石蜡、硬脂酸和动物油脂等）制成精确的模样，在其表面包覆若干层耐火涂料，待其硬化干燥后，将模样熔去，制成无分型面的薄壳铸型，经浇注而获得铸件的特种铸造方法。由于熔模铸造的模样广泛采用蜡质材料来制作，因此，又称为失蜡铸造。a）母模；b）压型；c）压制蜡模；d）蜡模组装；e）型壳制造；f）脱蜡；g）填砂、浇注熔模铸造的工艺过程7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造207.2.3金属型铸造金属型铸造是将金属液在重力作用下，浇注入用金属制成的铸型中冷却凝固而获得铸件的铸造方法。由于金属型铸造所用的铸型是用铸铁或铸钢铁等制造的，可以反复使用，又称为“永久性铸造”。金属铸型的结构主要取决于铸件形状、尺寸、合金种类及生产批量等，主要有整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式等4种类型。1-型腔；2-销孔型芯；3-左半型；4-左侧型芯；5-中间型芯；6-右侧型芯；7-右半型；8-销孔型芯；9-底板铸造铝活塞的金属型7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造217.2.4压力铸造压力铸造（简称压铸）是将液态或半液态金属在高压、高速下压入铸型型腔，并在压力下冷却凝固而获得铸件的特种铸造方法。由于高压（5~150MPa）和高速（0.5~50m/s）是压铸的两大特点，因此，压铸铸型必须用耐热合金钢制成，且与垂直分型的金属铸型相似，其半个铸型是固定的（称为静型），另外半个可水平移动（称为动型）。a）合型、浇入金属液；

b）进行压射；

c）开型、顶出铸件压力铸造工作原理低压铸造是将液态金属在低压（0.02~0.06MPa）作用下，自下而上压入铸型型腔，并在一定压力下冷却凝固而获得铸件的特种铸造方法，是介于重力铸造（如砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造）和压力铸造之间的一种铸造方法。将熔炼好的液态合金放在密封的铸铁坩埚内，四周用电阻加热保温。铸型安装在密封盖上，其底部浇口由升液管（浇注管）通到坩埚中的金属液里。向坩埚内通入压缩空气，即可将液态合金自下而上经升液管压入金属铸型的型腔中，并在压力下冷却凝固，最后解除压力，使升液管和浇注系统中未凝固的金属液流回坩埚，打开铸型，取出铸件。7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造227.2.5低压铸造低压铸造工作原理7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造237.2.6离心铸造离心铸造是将金属液浇注入高速旋转（250~1500r/min）的铸型中，使其在离心力的作用下充填铸型并冷却凝固而获得铸件的特种铸造方法。按照铸型旋转轴空间位置的不同，离心铸造机可分为立式和卧式两大类。在立式离心铸造机上的铸型是绕垂直轴旋转的，当其浇注圆筒形铸件时，金属液并不填满型腔，在离心力作用下自动形成内腔，其壁厚则取决于浇入的金属量。其自由表面（即内表面）呈抛物线状，使铸件上薄下厚。因此，主要用于浇注高度小于直径的圆环类铸件。在卧式离心铸造机上铸型是绕水平轴旋转的，铸件各部分的冷却条件相近，铸出的圆筒形铸件无论在轴向和径向的壁厚都是均匀的，因此，主要用于浇注长度较大的套筒、管类铸件。a）立式离心铸造圆环类铸件c）离心铸造成形铸件b）卧式离心铸造轴套类铸件7.2铸造方法机械制造基础第7章铸造247.2.7消失模铸造又称实型铸造，是用泡沫塑料模制造铸型后不取出模样，浇注金属时模样汽化消失获得铸件的铸造方法。消失模铸造工艺过程机械制造基础第7章铸造257.2.8铸造方法的比较与合理选择各种铸造方法都有其优缺点，分别适应于一定的条件和范围。选择铸造方法时要结合具体生产情况，从合金的种类，生产批量，铸件的结构、重量，现有设备条件及经济性进行综合分析，比较出一种可行的最佳方案，进行铸造生产。7.2铸造方法7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造267.3.1浇注位置和分型面的确定（1）铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或侧面。1.浇注位置的选定a）机床床身

b）锥齿轮

c）起重机卷扬筒铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或侧面的示例7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造277.3.1浇注位置和分型面的确定（2）铸件的大平面尽可能朝下，或采用倾斜浇注。（3）尽量将铸件大面积的薄壁部分放在铸型的下部或垂直、倾斜。铸件的大平面形成夹砂缺陷

大面积薄壁部分放在铸型的下部（4）热节处应位于分型面附近的上部或侧面。（5）便于型芯的固定和排气，能减少型芯的数量。7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造287.3.1浇注位置和分型面的确定有热节的浇注位置a）型芯不易固定b）自带型芯便于型芯固定

和减少型芯的浇注位置7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造297.3.1浇注位置和分型面的确定2.分型面的选择a）三箱造型

b）加外型芯后的两箱造型双联齿轮毛坯的造型方案是指两半铸型相互接触的表面。分型面的选择要在保证铸件质量的前提下，尽量简化工艺，节省人力物力。需考虑以下几个原则：（1）分型面应设在铸件最大截面处，能保证模样从型腔中顺利取出。（2）应使铸件有最少的分型面，并尽量做到只有一个分型面。（3）应使型芯和活块数量尽量减少。（4）应使铸件全部或大部放在同一砂箱。（5）应尽量使加工基准面与大部分加工面在同一砂箱内，以使铸件的加工精度得以保证。（6）应尽量使型腔及主要型芯位于下箱，以便于造型、下芯、合型及检验。（7）应尽量使用平直分型面，以简化模具制造及造型工艺，避免挖砂。（8）应尽量使铸型总高度为最低，这样不仅节约型砂，而且还能减轻劳动量。7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造307.3.2浇注系统的确定浇注系统一般包括外浇道、直浇道、横浇道、内浇道等。1）外浇道容纳注入的金属液并缓解液态金属对砂型的冲击。小型铸件通常为漏斗状（称浇口杯），较大型铸件为盆状（称浇口盆）。2）直浇道是连接外浇道与横浇道的垂直通道，改变直浇道的高度可以改变型腔内金属液的静压力从而改善液态金属的充型能力。3）横浇道是将直浇道的金属液引入内浇道的水平通道，一般开在砂型的分型面上。横浇道的主要作用是分配金属液入内浇道和隔渣。4）内浇道直接与型腔相连，能调节金属液流入型腔的方向和速度，调节铸件各部分的冷却速度。是指液态金属流入铸型型腔的通道。浇注系统的作用应能平稳地将金属液引入铸型，要有利于挡渣和排气，并能控制铸件的凝固顺序。浇注系统的组成1-外浇道2-直浇道3-横浇道4-内浇道7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造317.3.2浇注系统的确定浇注系统的类型很多，根据合金种类和具体铸件情况不同，按照内浇道在铸件上开设位置的不同，可将浇注系统分为顶注式、底注式、中间注入式和分段注入式。a）顶注式；

b）底注式；

c）中间注入式；

d）分段注入式浇注系统类型示意图7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造327.3.3型芯的形式型芯是砂型的一部分，在制造中空铸件或有妨碍起模的凸台铸件时，往往要采用型芯。a）水平型芯；

b）垂直型芯；

c）悬臂型芯；

d）悬吊型芯；

e）引伸型芯；

f）外型芯型芯的形式7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造337.3.4主要工艺参数的确定1.铸件尺寸公差与铸件加工余量铸件尺寸公差取决于铸件设计要求的精度、机械加工要求、铸件大小和批量，采用的铸造合金种类、铸造设备及工装、铸造工艺方法等。铸件尺寸公差（CT）等级分为16级。铸件公差等级由低向高递增方向为：砂型手工造型→砂型机器造型及壳型铸造→金属型铸造→低压铸造→压力铸造→熔模铸造。铸件需要加工的表面都要留加工余量（MA）。加工余量数值根据选择的铸造方法、合金种类、生产批量和铸件基本尺寸大小来确定，其等级由精到粗分为A、B、C、D、E、F、G、H和J共9个等级。2.铸件质量公差铸件质量公差是以占铸件公称重量的百分比为单位的铸件重量变动的允许范围。取决于铸件公称重量（包括机械加工余量和其他工艺余量）、生产批量、采用的铸造合金种类及铸造工艺方法等因素。铸件质量公差（MT）分为16级。7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造347.3.4主要工艺参数的确定3.铸造收缩率铸件由于凝固、冷却后的体积收缩，其各部分尺寸均小于模样尺寸。为保证铸件尺寸要求，需在模样（芯盒）上加大一个收缩的尺寸。加大的这部分尺寸称收缩量，一般根据铸造收缩率来定。铸造收缩率主要取决于合金的种类，同时与铸件的结构、大小、壁厚及收缩时受阻碍情况有关。通常灰铸铁为0.7%~1.0%，铸造碳钢为1.6%~2.0%，铝硅合金为0.8%~1.2%，锡青铜为1.2%~1.5%。对于一些要求较高的铸件，如果收缩率选择不当，将影响铸件尺寸精度，使某些部位偏移，影响切削加工和装配。7.3铸造工艺设计机械制造基础第7章铸造357.3.4主要工艺参数的确定4.铸件模样起模斜度起模斜度是为了在造型和制芯时便于起模，以免损坏铸型和型芯，在模样、芯盒的起模方向留有的斜度。起模斜度应留在铸件垂直于分型面