1、1金 属 工 艺 学授课教案机电学院金工教研室2上 编第一章 铸 造铸造：液态金属 自重或压力 铸型 冷却、凝固 铸件铸造特点：优点：1具有较强的适应性 性 材 料材 质 ： 不 限 ， 特 别 是 脆结 构 ： 复 杂 外 形 、 内 腔壁 厚 ：尺 寸 ： 几 毫 米 十 几 米重 量 ： 几 克 几 百 吨m12.02铸件成本低原材料：来源广、价格低、投资少、易生产铸件：机械加工量相对较小，成本低 缺点：1废品率较高，生产过程难以控制；2铸件力学性能较差，3砂型铸造铸件精度较差。1.1 铸造工艺规程制定（一）铸造性铸造性:金属在铸造成形过程中所表现出的能力，主要取决于金属充型能力和收缩。
2、一、充型能力液态金属充填铸型型腔的能力（液态金属流入型腔、液态金属准确清晰复制出型腔结构） 影响因素：（1）金属成分（流动性）纯金属和共晶成分金属，在恒温下结晶，充型能力好。见图 2.18。（2）温度和压力温度越高，原子动能越大，保持液态时间越长，传给铸型热量越多，减小铸型对金属的激冷作用，充型能力强。提高压力，改变压力场可显著改善金属的充型能力。（3）铸型填充条件a 铸型蓄热能力：铸型从金属中吸收和储存热量的能力铸型材料导热系数和比热越大，对液态金属激冷能力越强，金属充型能力就越差。如金属型，浇不足b 铸型温度：影响液态金属冷却速度温度高，充型能力强，金属型和熔模铸造，预热铸型c 铸型排气能
3、力：透气性，充型能力图 2.18 合金成分对充型的影响3措施：扎气孔、加木屑，远离浇口的最高部位开设气口二、收缩铸件凝固过程中，温度变化很大，必然会引起收缩。后果： 缩孔、缩松（液态固态） 热应力、机械阻碍应力（固态） 变形、开裂预防措施：控制凝固方式，有效补缩顺序凝固，易产生缩孔处加冒口加冷铁，改变局部凝固速度。（二）铸造工艺规程制定工艺规程包括：铸造方法、绘制铸件工艺图、选择工艺参数等。其核心内容：绘制铸件工艺图（在零件图上用各种各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形） 。一、选择浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。确定原则如下：（1）铸件重要工作面或主要加工面应朝下或呈侧立状态防止
4、砂眼、气孔、夹渣等缺陷（缩孔）朝下：图 4.1 侧立：图 4.2（2）铸件大平面或薄壁结构应朝下或呈侧立状态防止砂眼、气孔、夹渣及夹砂和浇不足朝下：图 4.3 侧立：图 4.4（3）浇注位置应有利于补缩、防止产生缩孔将铸件厚大部分置于铸件的上部位置，以便安放冒口，实现自下而上的顺序凝固，图 4.2二、确定分型面：铸型间的接触表面确定原则如下：（1）应能方便、顺序地取出模样或铸件一般选在铸件地最大横截面处（2）应尽量与浇注位置一致，并尽量满足浇注位置的要求（图 4.5）（3）分型面应避免曲折，数量应少，最好是一个且为平面，机器造型时，分型面只能有一个（图 4.6）（4）应尽量使型腔全部或大部分置
5、于同一个砂型内，最好使型腔或使加工面与基准面位于下型中。（5）应使型芯数量少，并便于安放和稳定。三、确定工艺参数1.机械加工余量：铸造时在零件的加工表面增加的供切削加工用的余量。2.拔模斜度为便于把模样（或型芯）从砂型中（或从芯盒中）取出，铸件上垂直分型面的各个侧面应具有的斜度。拔模斜度在铸造工艺图中标出，其大小取决于立壁的高图 4.1 车床床身浇注位置 图 4.2 起重机卷筒浇注位置图 4.3 大平面铸件浇注位置 图 4.4 薄件浇注位置图 4.5 伞齿轮分型面方案图 4.6 三通铸件分型面方案4度、造型方法、模样材质和该侧面在型腔中的所处位置。通常在 153，见图 4.83.型芯及型芯头型
6、芯：铸件孔形和各种内腔，简化模样的外形，铸出铸件上局部妨碍拔模的凸台、凹槽等结构。按照在型腔中所处的状态，一般分为水平型芯和垂直型芯。型芯头：浇注时不与液体金属接触，起到定位、支撑型芯及导引型芯中气体排出的作用。1.2 铸造方法按铸件的成形条件和制备铸型的材料不同，铸造方法可以分为：砂型铸造、熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、离心铸造、低压铸造、陶瓷型铸造等。砂型铸造是普遍采用的方法，其他方法都属于特种铸造。一、金属型铸造用金属材料（铸铁或钢）制造铸型生产铸件的方法。亦称永久型铸造（可使用上千次） 。按分型面的状态，金属型可分为水平式、垂直式和复合式。见图 4.11金属材料导热速度快、无退让性，
7、无透气性，耐火性比型砂差等，易产生浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺陷。由于金属型反复受灼热金属液的冲刷，寿命会降低，应采用相应的工艺措施。1.喷刷涂料：导热能力较强的耐火材料（氧化锌、石墨料）作用：隔绝液态金属与金属型型腔的直接接触，方便铸件出型。避免高温液体金属直接冲刷金属型腔表面，减弱液体金属对铸型热冲击的作用，延长铸型的使用寿命。减缓铸件的冷却速度，防止铸件产生裂纹和白口组织等缺陷。2.保持合适的工作温度既对金属型要预热才能使用，预热温度为铸铁件 250350、有色金属件 100250。预热的目的是减缓铸型对金属的激冷作用，利于金属液的充型和避免产生浇不足、裂纹或白口缺陷，减小所浇金属与铸型
8、的温差，提高铸型的寿命。3. 控制开型时间 浇注后开型太晚，铸型会阻碍铸件收缩而使其产生裂纹，增大取件和抽出型芯的难度，对灰口铸铁还将增厚白口层。但开型过早也会影响铸件成形和使铸件变形过大。通常开型时间为 1060 秒，大多通过实验确定合适的开型时间。4.浇注灰口铸铁件要防止产生白口组织铸铁件壁厚应大于 15mm。铁水中的碳、硅总量应高于 6%，涂料中应掺有硅铁粉，以使铸件表面的含硅量稍高而减弱白口倾向。从铸型中取出铸件后，应放入缓冷环境（如干砂坑、草灰坑或保温炉）中冷却。金属型铸造的特点和应用：优点：节省造型材料、设备及工时，可“一型多铸” ，便于自动化生产，生产效率高；金属型冷却速度快，获
9、得铸件的组织致密，晶粒细小，力学性能好，较砂型铸件的强度提高约图 4.11 铸造铝活塞简图图 4.8 拔模斜度520%；铸件尺寸精度高，公差等级为 IT12IT16，表面粗糙度较低，Ra12.5m。缺点：铸型制造周期长、成本高、工艺参数要求严格，易出现大量同一缺陷的废品等缺点。应用：主要用于熔点较低的有色金属的大批量生产铸件，如飞机、汽车、内燃机等用的铝合金活塞、汽缸体、汽缸盖、水泵壳体及铜合金轴瓦、轴套等。黑色金属类铸件只限于形状简单的中、小型铸铁件。二、熔模铸造（精密铸造、失蜡铸造）采用易熔的蜡料制成模样来生产铸件的工艺方法。该法制作的铸型无分型面，从而提高了铸件的精度，故又称为“精密铸造
10、” 。生产过程中模样主要由蜡质材料来制造，经熔化从铸型中流出，故又称为“失蜡铸造” 。1.模样及铸型材料用来制造模样的易熔材料有蜡基模料、树脂（松香）基模料、含水无机盐模料及水银模料等。目前工业生产中主要采用前两种模料制造模样。2.工艺过程（图 4.12）（1） 蜡模制造（图 4.13） 压型制造：压型是制造蜡模的专用模具。高精度、大批量时采用钢、铜或铝制造。小批量时采用低熔点合金、塑料或石膏。蜡模压制：将配好的模料加热成糊状后，以23 个大气压的用压力注入压型，待其冷却、凝固后取出。蜡模组装：将若干个带有内浇口的单个蜡模粘接在直浇口棒上，形成蜡模组，以提高生产率。 （2）结壳：在蜡模组上涂挂
11、耐火材料，以制成一定强度的耐火型壳过程。浸挂涂料：把蜡模放在由石英粉、粘结剂（水玻璃、硅酸乙酯等）组成的糊状混合物中浸泡，使涂料均匀地覆盖在模组表层，使型腔获得光洁的内表面。撒砂，在已浸渍涂料的蜡模组上，均匀地撒上一层石英砂。为使型壳迅速增厚，撒砂时，第一、二层所用砂的粒度较细，后面几层所用砂的粒度较粗。硬化，撒砂后，为使耐火材料层结成坚固的型壳，需要进行硬化处理。硬化后应在空气中干燥。为使型壳具有较高的强度，上述结壳过程要重复多次，以便形成 510mm厚的硬化耐火型壳。（3）脱蜡：取出蜡模以形成铸型空腔。热水法：将结壳后的蜡模浇口朝上浸泡在热水中（一般 8595） ，使其中的蜡料熔化，浮在水
12、面；高压蒸汽法：将型壳浇口朝下放在高压釜内，向釜内通入 0.20.5MPa 的高压蒸汽，使蜡料熔出。模样为树脂基时，无需脱蜡过程，而是在焙烧过程中将模样燃烧掉。（4）焙烧将脱蜡后的型壳送入加热炉内，加热到 8001000进行焙烧，以去除型壳中的水分、残余蜡料及其他杂质，还能增大型壳强度。（5）填砂造型：将脱蜡后的型壳置于铁箱中，周围用粗砂填实以加固型壳，防止浇注时型壳变形或开裂。图 4.14（6）浇注：焙烧出炉后趁热（600700）浇注，以提高铸造合金的充型能力，同时也防止浇不足、冷隔等缺陷。（7）落砂及清理：铸件冷却凝固之后，打碎型壳，取出铸件，并用氧乙图 4.13 蜡模制造图 4.14 待
13、浇注的铸型6炔焰切除浇、冒口，清理毛刺。3.熔模铸造的特点及适用范围：（1）铸型没有分型面，型腔表面极为光洁，起模过程无振动，型腔变形很小，故铸件精度及表面质量好；（2）铸型在预热（600700）后浇注，可生产出形状复杂的薄壁件（最小壁厚可达 0.7mm） ；（3）适用各种合金的铸造，结壳材料耐火度高，可浇注高熔点合金及难切削合金如（高锰钢、耐热合金等） ；（4）生产批量不受限制，既适应成批生产，又适应单件生产；（5）原材料价格昂贵，工艺过程复杂，生产周期长，铸件成本高，铸件尺寸、重量受限。适用范围：（1）高熔点合金精密铸件的成批、大量生产。（2）形状复杂、难以切削加工的小零件。三 压力铸造（
14、压铸）液态金属 5150MPa(高压) 铸型 压力下结晶 铸件0.0010.2S（快速）1.压铸机及压铸工艺过程压铸机可分为热压室式和冷压室式两大类。热室式压铸机压室与合金熔化炉成一体或压室浸入熔化的液态金属中，用顶杆或压缩空气产生压力进行压铸。热压室式压铸机压力较小，压室易被腐蚀，一般只用于铅、锌等低熔点合金的压铸，生产中应用较少。冷室式压铸机压室和熔化金属的坩埚是分开的。压铸机结构简单，生产率高，液体金属进入型腔流程短，压力损失小，故使用较广。冷室式卧式压铸机工艺过程,见图 4.15：（1）注入金属喷刷涂料闭合压型液态金属经压室上的注液孔注入压室。（2）压铸压射冲头向前推进，金属液压入压型
15、中，保压、凝固（3）取出铸件铸件凝固后，型腔两侧型芯同时抽出动型左移开型铸件被冲头顶离压室铸件被顶杆顶出动型2.压铸的特点和适用范围（1）精度和表面质量高于其他铸造方法，少、无切削加工。（2）压铸件强度、硬度较高，力学性能好（3）可压铸出形状复杂的薄壁件，镶嵌件，最小壁厚 0.4mm（4）生产率很高（5）设备投资高，铸型制造周期长适合压铸的合金种类有限，压铸件不能采用热处理改性，不能承受冲击载荷适用范围：大批量的有色金属铸件，缸体、齿轮、箱体、支架等四低压铸造 低压铸造是介于重力铸造（如砂型、金属型铸造）和压力铸造之间的一种铸造方法。液态合金在压力作用下，自下而上地充填型腔，并在压力下结晶形成
16、铸件的工艺过程。所用压力较低，一般为 0.020.07MPa。1.工艺过程 密闭的保温坩埚用于熔炼与储存金属液体，垂直的升液管使金属液与铸型朝下的浇口相通，铸型可用砂型、金属型等，其中金属型最为常用，但金属型必须预热并喷刷涂料。浇注前紧锁上半型，浇注时，先缓慢向坩图 4.15 冷室式压铸机图 4.17 低压铸造7埚室通入压缩空气金属液在升液管内平稳上升，直至充满铸型升压到所需压力（工作压力）保压、凝固结晶撤压，升液管和浇口中未凝固的金属液体在重力作用下流回坩埚内由气动装置开启上型取出铸件。见图 4.17。2.低压铸造的特点和适用范围（1）充型时的压力和速度便于控制和调节，充型平稳，液体合金中的
17、气体较容易排出，气孔、夹渣等缺陷较少；（2）低压作用下，升液管中的液态合金源源不断地补充铸型，有效防止了缩孔、缩松的出现，尤其是克服了铝合金的针孔缺陷；（3）省掉了补缩冒口，使金属利用率提高到 9098%；（4）铸件组织致密、力学性能好；（5）压力提高了液态合金的充型能力，有助于大型薄壁件的铸造。适用范围：主要用于质量要求较高的铝、镁合金铸件的大批量生产，如气缸、曲轴、高速内燃机活塞、纺织机零件等。五离心铸造 将液态金属浇入高速旋转（2501500r/min）的铸型中，使金属液体在离心力作用下充填铸型，以获得铸件的铸造方法。1 基本工艺 立式：铸型绕垂直轴旋转，用于生产圆环铸件；卧式：铸型绕水
18、平轴旋转，用于生产管类和套类铸件。离心铸造的铸型主要使用金属型，也可以用砂型。2. 离心铸造的特点和适用范围（1）铸造圆筒形铸件时，可节省型芯和浇注系统，省工省料，降低成本；（2）铸件组织致密，极少有缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷；（3）合金充型能力得到了提高，可以浇注流动性较差的合金铸件和薄壁铸件，如涡轮、叶轮等；（4）便于制造双金属件，如轧辊、钢套、镶铜衬、滑动轴承等。适用范围：铸铁管、气缸套、双金属轴承、特殊钢的无缝管坯。六. 陶瓷型铸造在砂型铸造和熔模铸造基础上发展形成的一种精密铸造工艺。1.工艺过程(见图 4.19)（1）砂套造型：目的：节约昂贵的陶瓷材料及提高铸型的透气性材料：水玻璃
19、砂制造过程与砂型铸造相同，只是砂套木模 B 比铸件木模 A 大一个陶瓷料厚度。（2）灌浆与胶结：制造陶瓷面层将铸件木模固定于平板上，刷上分型剂，扣上砂套。把陶瓷浆由浇口注满，几分钟后陶瓷浆开始结胶变硬，形成陶瓷面层。陶瓷浆由刚玉粉（耐火材料） 、硅酸乙脂（粘结剂） 、氢氧化钙（催化剂）及双氧水（透气剂）等组成。（3）起模与喷烧：灌浆约十几分钟后，在浆料尚有一定弹性时起出模型，然后用明火喷烧整个型腔以加速固化。（4）焙烧与合箱：浇注前陶瓷型要加热到 350550焙烧几个小时，去除残留在陶瓷型中的乙醇及图 4.18 圆筒件的离心铸造图 4.19 陶瓷型铸造工艺过程8水分，并进一步提高铸型强度。（5
20、）浇注与凝固 浇注时，温度要略高，冷却凝固后获得成形好的铸件。2. 陶瓷型铸造的特点和适用范围（1）陶瓷材料耐高温，故可浇注高熔点合金；（2）铸件大小不受限制，几千克数吨；（3）投资少，生产周期短适用范围：主要用于厚大精密铸件，广泛用于铸造冲模、锻模、玻璃器皿模、压铸模等。七.磁型铸造1.原理：用铁丸代替型砂，依靠磁力进行紧实2.工艺流程（1）制作气化模：将聚苯乙烯发泡后制成气化模，气化模表面涂挂涂料，并留出浇口位置，不需要从铸型中取出，浇注时可自行气化燃烧掉。（2）造型（埋箱）：把气化模埋入磁丸箱，微振紧实。（3）激磁、浇注：将磁丸箱推入推入马蹄形电磁铁中，通电后，马蹄形电磁铁产生的磁场把磁
21、丸磁化而相互吸引，形成铸型。这种铸型既有一定强度，又有良好的透气性。把金属液顺浇口注入磁型型腔，高温的金属液将气化模烧掉气化，液体金属注满整个型腔。（4）落丸：铸件冷却凝固后，切断电源，磁场力消失，磁丸自动落下，铸件自行脱出。磁丸经净化后可反复使用。3. 磁型铸造的特点和适用范围：（1）不用型砂，无粉尘造成的危害，造型材料可反复使用；（2）设备简单，占地面积小，造型、清理等操作简便；（3）不需起模，无分型面造成的披缝，铸件精度及表面质量好。（4）不适于厚大复杂件，烟气污染空气。适用范围：中、小型铸钢件大批量生产。1.3 铸件结构设计铸件结构设计，首先要保证铸件使用要求，同时应根据铸造工艺特点，
22、避免铸造缺陷，简化铸造工艺，降低铸造成本。一避免铸造缺陷的结构设计1.铸件壁厚应合理取值允许最小壁厚值（表 4.2）不同铸造方法，不同种类的铸造合金，充型能力有较大差异，允许的最小壁厚值也各不相同。增设加强筋，减小壁厚（图 4.23）铸件各壁冷却速度均匀相近（图 4.24，表 1.4.3）磁丸激磁、浇注金属熔化造型气化模落丸铸件92.铸件壁厚力求均匀，避免局部过厚形成热节（图 4.25）3.铸件各壁之间应均匀过渡，两个非加工表面所形成内角应设计成结构圆角。不同壁厚联结应逐步过渡，以避免出现应力集中和裂纹。图 4.26直角结构易产生缺陷：（图 4.27）难成形、易夹砂、金属聚集，缩孔、缩松应力集
23、中，易出现裂纹柱状晶晶粒分界面，积聚杂质，形成薄弱环节4.避免产生翘曲变形和大的平面结构细长或平板形结构，当断面不对称时，会产生翘曲变形，应设计成对称结构（图 4.28）大的水平平面结构，易产生弯曲变形，应增加筋条，易产生浇不足、夹砂、缺肉等缺陷，应修改结构。 （图 4.29）图 4.26 接头结构图 4.27 圆角结构图 4.28 防止变形的铸件结构图 4.29 避免大水平平面的铸件结构图 4.23 采用加强筋减小壁厚图 4.24 铸件内部壁厚相对减薄图 4.25 壁厚均匀实例10二简化工艺过程的合理结构1.分型面数量应少，且平直，便于取出模型。2.合理设计凸台，避免侧壁的局部凹陷结构。图
24、4.30 凸台结构设计 图 4.31 侧凹结构设计 3.合理确定结构斜度结构斜度：零件设计时，垂直于分型面的非加工表面均应设计出斜度，以便于造型时拔模，确保型腔质量。结构斜度在零件图上标出，数值可较大。见图 4.32，表 4.5。铸件结构应有利于型芯的固定、排气和清理（见图 4.33）型芯在铸型中不能牢固安放时，就会产生偏芯，气孔、砂眼等缺陷。三.结合铸造方法的合理结构 1.熔模铸造的铸件结构便于从压型中取出蜡模为便于浸挂涂料和撒砂，孔、槽不宜过小或过深。孔 d2mm, h4d 槽 t2mm, h4t壁厚均匀、避免过多的分散热节。2.金属型铸造的铸件结构应顺利出型，方便抽芯，确定合理分型面壁厚均匀，不能过薄便于型芯安放和抽芯，孔径不宜过小，过深。3.压铸件结构尽可能采用薄壁，均匀结构，最小壁厚可铸螺纹、孔、齿形、图案等具体尺寸应按标准选定非加工表面应设计结构斜度和圆角发挥镶嵌件的优越性，但应确保连接牢固，使用可靠。图 4.32 结构斜度 图 4.33 活塞结构实例
