金属材料成型基础2

金属材料成形(chénɡxínɡ)基础主讲(zhǔjiǎng)徐晓峰共七十七页第一章工程(gōngchéng)材料性质第八章切削(qiēxiāo)加工基础知识第三章金属塑性成形(压力加工)第四章金属焊接成形第五章非金属材料和复合材料与成形第七章材料成形方法选择与质量控制第二章金属液态成形(铸造生产)第六章先进成形方法及发展趋势第九章零件表面的切削加工方法与选择第十章机械加工工艺过程的基础知识共七十七页第二章金属(jīnshǔ)液态成形(铸造)重点：1）金属液态(yètài)成形（铸造）工艺原理

2）铸造工艺设计

3）铸件结构工艺性难点：1）金属液态成形（铸造）工艺原理

2）铸造工艺设计共七十七页概述一、什么是金属液态(yètài)成形（铸造生产）

将液态金属(jīnshǔ)浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。共七十七页零件图铸造(zhùzào)工艺图铸型(zhùxínɡ)型芯芯盒芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理检验铸件二、砂型铸造的工艺过程浇注冷却凝固共七十七页（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备(shèbèi)投资低。三、金属(jīnshǔ)液态成形（铸造生产）的特点1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。2．适应性强：

3．成本低：

4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。共七十七页四羊方尊（公元前13~11世纪(shìjì)）青铜高58.3CM曾侯乙尊盘公元前476年~公元前4世纪(shìjì)上半叶共七十七页共七十七页共七十七页第一节金属液态成形(chénɡxínɡ)（铸造）工艺原理充型能力不足(bùzú)时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。

一、液态合金的流动性合金的流动性是：液态合金本身的流动能力。充型——液态合金填充铸型的过程。充型能力——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。§1-1液态金属的充型能力与流动性共七十七页0.45%C铸钢(zhùɡānɡ)：200出气口浇口杯4.3%C铸铁(zhùtiě)：1800共七十七页影响(yǐngxiǎng)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温度（℃）01.合金(héjīn)的化学成分ab共七十七页（3）浇注(jiāozhù)系统的的结构

浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。

二、浇注(jiāozhù)条件（1）浇注温度

一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。（2）充型压力

液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。2.合金的物理性质合金的黏度、导热系数、结晶潜热、热容、密度等共七十七页（2）铸型温度

铸型温度越高，液态(yètài)金属与铸型的温差越小，充型能力越强。（3）铸型(zhùxínɡ)中的气体三、铸型充填条件（1）铸型的蓄热系数

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。共七十七页（2）铸件复杂程度铸件结构复杂，流动(liúdòng)阻力大，铸型的充填就困难。四、铸件(zhùjiàn)的结构（1）铸件的折算厚度折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，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。共七十七页

§1-2液态(yètài)合金的凝固与收缩一、铸件(zhùjiàn)的凝固方式

1.逐层凝固2.糊状凝固

3.中间凝固

影响铸件凝固方式的主要因素：（1）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，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铸件液固液表层中心St铸件温度液相线固凝固区共七十七页（2）铸件(zhùjiàn)的温度梯度

在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决(qǔjué)与铸件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1.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：（1）液态收缩

从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。T浇

—T液共七十七页体收缩率是铸件(zhùjiàn)产生缩孔或缩松的根本原因。体收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件(zhùjiàn)产生应力、变形、裂纹的根本原因。（3）

固态收缩

从凝固终止温度到室温间的收缩。

T固

—T室（2）

凝固收缩

从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。

T液

—T固共七十七页2.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。大而集中(jízhōng)的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。1)缩孔和缩松的形成(xíngchéng)共七十七页§1-3铸造内应力及铸件的变形(biànxíng)、裂纹

一、铸造(zhùzào)内应力

铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。

1.机械应力（收缩应力）

合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。上型下型共七十七页2．热应力

热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分(bùfen)冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分(bùfen)收缩不一致而引起的应力。tT12t0t1t2t3THT临T室t0~t1:塑性(sùxìng)状态弹性状态12+-12t1~t2：t2~t3：+-1212-+12共七十七页

热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸(lāshēn)（拉应力），薄壁或表层受压缩（压应力）。

热应力是永久应力。二、铸件的变形(biànxíng)与防止

+-反变形法共七十七页防止变形(biànxíng)的方法：1）使铸件(zhùjiàn)壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。三、铸件的裂纹与防止

1．热裂

热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂的防止：①应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。②应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。③对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。

共七十七页2．冷裂

冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线(zhíxiàn)状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。

冷裂的防止(fángzhǐ)：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。

共七十七页第二节砂型(shāxíng)铸造§2-1砂型铸造(zhùzào)的生产过程一、手工造型适用于单件、小批量生产共七十七页二、机器(jīqì)造型

1)生产效率高;2)铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）;3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间(shíjiān)较长。适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。共七十七页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．机器造型(zàoxíng)的造型(zàoxíng)方法：1）振击压实2）汽动微振压实3）高压(gāoyā)造型4）抛砂紧实共七十七页共七十七页共七十七页1）射芯机2）壳芯机2．机器造型(zàoxíng)的造芯方法：共七十七页共七十七页共七十七页共七十七页§2-2铸造(zhùzào)工艺设计铸造(zhùzào)工艺图—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。共七十七页共七十七页下上顶面底面侧面（好）（差）（次好）一、浇注位置(wèizhi)的选择浇注(jiāozhù)时铸件在铸型中所处的空间位置。共七十七页1.铸件(zhùjiàn)的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面上下②①下上上下3.铸件(zhùjiàn)的大平面应朝下

2.应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置上下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上或侧放

上下下上①②共七十七页二、分型面的选择(xuǎnzé)

1.分型面应选在铸件(zhùjiàn)的最大截面处。2.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。3.应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。

①②①②上下中共七十七页4.为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量(jǐnliàng)使型腔及主要型芯位于下箱。下上上下①②①②共七十七页50150ø100ø180ø602-ø8全部三、工艺(gōngyì)参数的确定

生产批量最小铸出孔直径灰口铸铁件铸钢件大量生产成批生产单件、小批生产12～1515～3030～5030～50501．机械(jīxiè)加工余量和铸孔

下上材料：HT200数量：100件共七十七页50150ø100ø180ø602-ø8全部下上2．起模斜度(xiédù)3．铸造(zhùzào)圆角

圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/3~1/2。共七十七页4．铸造(zhùzào)收缩率5．型芯及芯头通常灰铸铁为0.7~1.0%，铸造碳钢为1.3~2.0%，铝硅合金(héjīn)为0.8~1.2%，锡青铜为1.2~1.4%。型芯的功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。

芯头的作用：1）定位作用；2）固定作用；3）排气作用。共七十七页共七十七页收缩率:1%共七十七页四、浇、冒口系统(xìtǒng)

1.浇注(jiāozhù)系统1）浇注系统的组成及作用2）浇注系统的常见类型

①封闭式浇注系统

ΣF直>ΣF横>ΣF内

ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=1.15∶1.1∶1

②开放式浇注系统

ΣF直<ΣF横<ΣF内

ΣF直∶ΣF横：ΣF内=1∶2∶4共七十七页a)顶注式b)中注式c)底注式d)阶梯式e)雨淋式f)缝隙式共七十七页2.冒口冒口是在铸型(zhùxínɡ)中设置的一个储存金属液的空腔。

冒口普通(pǔtōng)冒口特种冒口明冒口暗冒口保温冒口发热冒口大气压力冒口易割冒口共七十七页数量(shùliàng)：50件五、铸造工艺设计(shèjì)实例

①②③上下材料：HT200收缩率：1.0%共七十七页上下ⅠⅡ其余(qíyú)数量(shùliàng)：50件共七十七页共七十七页§3-1熔模铸造成形(chénɡxínɡ)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，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(gōngyì)方法。一、熔模铸造的工艺过程第三节特种铸造共七十七页母模压型蜡模组结壳脱蜡单个蜡模焙烧、浇注共七十七页共七十七页二、熔模铸造的特点(tèdiǎn)和适用范围1．铸件的精度(jīnɡdù)和表面质量较高，公差等级可达IT11~IT13，表面粗糙度Ra值达1.6~12.5μm。2．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。

3．可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm的凹槽、直径大于2mm的小孔均可直接铸出。

4．生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。

5．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，丧失原有精度。共七十七页应用：它最适合25kg以下的高熔点、难以切削加工合金铸件的成批大量(dàliàng)生产。共七十七页

§3-2金属型铸造成(zàochénɡ)形工艺

液态(yètài)金属浇入金属型铸件获得一、金属型的材料及结构材料一般采用铸铁，要求较高时，可选用碳钢或低合金钢。金属型的结构有水平分型式、垂直分型式和复合分型式等。共七十七页共七十七页二、金属(jīnshǔ)型的铸造工艺

1．加强(jiāqiáng)金属型的排气2．在金属型的工作表面上喷刷涂料3．预热金属型并控制其温度4．及时开型三、金属型铸造的特点及适用范围1．金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。

2．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IT12~IT14，Ra值平均可达6.3~12.5μm。3．生产率高，劳动条件得到改善。共七十七页4．金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生

气孔(qìkǒng)、应力、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷。

应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金(héjīn)铸件的大批量生产。共七十七页§3-3压力铸造(zhùzào)成形工艺液态(yètài)金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。一、压铸机和压铸工艺过程共七十七页共七十七页二、压力(yālì)铸造的特点和适用范围

1．铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级(děngjí)一般为

IT11~IT13级，Ra为3.2~0.8μm。2．铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造提高25~30%，但伸长率有所下降。

3．可压铸出形状复杂的薄壁件。

4．生产率高。国产压铸机每小时可铸

50~150次，最高可达500次。

5．便于采用镶嵌法。

共七十七页6．压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜(shìyí)单件、小批生产。7．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(róngdiǎn)合金的铸造。8．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，应注意的问题应使铸件壁厚均匀，并以3~4mm壁厚为宜，最大壁厚应小于6~8mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。2.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。共七十七页3.压铸件应尽量避免切削加工(jiāgōng)，以防止内部孔洞外露。4.由于压铸件内部疏松，塑性、韧性(rènxìnɡ)相对较差，因此不适宜制造承受冲击的制件。应用：有色薄壁小件的大批量生产。共七十七页§3-4离心铸造(zhùzào)成形工艺

将液态金属注入高速旋转（250~1500r/min)的铸型中，使其在离心力作用下充填铸型并结晶，以获得(huòdé)铸件的生产方法。一、离心铸造的基本方式1.立式离心铸造机2.卧式离心铸造机共七十七页共七十七页二、离心铸造(zhùzào)的特点及应用范围应用(yìngyòng)：目前是铸铁管、气缸套