液态成型工艺基础

第5章金属材料成形第一节金属液态成型工艺基础第二节金属塑性成形工艺基础第三节金属连接成形工艺基础金属材料铸造粉末冶金压力加工热处理焊接切削加工零件毛坯装配机器机械设备制造过程示意图：第一节金属液态成型工艺基础金属液态成形又称为铸造，是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。金属材料在液态下一次成形，具有很多优点：（1）适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料如铸铁、碳素钢、合金钢、非铁合金等，均可在液态下成形。（2）最适合形状复杂的铸件。具有复杂内腔的毛坯或零件的成形，如复杂箱体、机架、阀体、泵体、缸体等。（3）成本较低。铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近，节省材料和加工工时。汽缸体铸铁曲轴砂型铸造铸造可分为砂型铸造和特种铸造两大类。其中砂型铸造工艺如图所示。一、熔融合金的流动性及充型1.流动性概念熔融合金的流动性指其自身的流动能力。2.充型能力概念充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。二、液态合金的收缩液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。收缩是绝大多数合金的物理本性之一。收缩可使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷，影响铸件质量。1.收缩的概念合金的收缩经历如下三个阶段：(1)液态收缩从浇注温度(T浇)到凝固开始温度(即液相线温度TL)间的收缩。(2)凝固收缩从凝固开始温度(TL)到凝固终止温度(即固相线温度TS)间的收缩。(3)固态收缩从凝固终止温度(TS)到室温间的收缩。合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小。2、铸件的缩孔和缩松液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。(1)缩孔的形成恒温或很窄温度范围内结晶的合金，铸件壁以逐层凝固方式进行凝固的条件下，容易产生缩孔。(2)缩松的形成结晶温度范围宽的合金，以糊状凝固方式进行凝固的条件下，容易产生缩松。缩孔是指集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙；缩松是指分散在铸件某些区域内的细小缩孔。三、砂型铸造造型（造芯）方法砂型铸造是以型砂为造型材料、用人工或机器在砂箱内造出所需的型腔及必要的浇注系统的一类历史悠久、应用最为广泛的铸造方法。砂型铸造工艺过程示意图如下：四、铸件结构工艺性进行铸件结构设计时，不仅要保证其使用性能和力学性能要求，还必须考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求，铸件结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。(一)铸件结构应使铸造工艺过程简化(二)铸件结构应适应合金铸造性能的要求(一)铸件结构应使铸造工艺过程简化1.铸件的外形结构应力求简单虽然根据液态金属流动成形的特点，铸件外形可很复杂，但仍应在满足使用要求的前提下，力求简单，以方便起模，简化造型，尽量避免三箱、挖砂、活块造型及不必要的外部型芯。2.铸件的内腔结构应简单适用，避免不必要的复杂结构1.铸件的外形结构应力求简单(1)尽量避免铸件外表侧凹，减少分型面这样可以减少使用的砂箱或外型芯数量，减少造型工时，也可减少因错箱、偏芯而产生的铸造缺陷。铸件避免外表侧凹的结构图1-32应使分型面平直a)、b)小支架c)、d)、e)杠杆(2)尽可能使铸件分型面平直包括注意避免分型面上的圆角结构。图铸件加强肋与凸台的设计a)、b)加强肋c)、d)凸台(3)铸件外表加强肋、凸台的设计应便于起模若设计不当，加强肋、凸台常会妨碍起模，而需采用活块造型或增加外型芯等解决起模问题，如图a与c所示结构。(4)铸件侧壁应具有结构斜度铸件上凡垂直于分型面的非加工表面应给出结构斜度，以便于起模和提高铸件精度，如图，结构斜度的大小与铸件的垂直壁高度有关，如表1-8所示。表1-8铸件的结构斜度结构斜度的设计2.铸件的内腔结构应简单适用，避免不必要的复杂结构(1)应尽量少用或不用型芯型芯增加材料消耗，且使生产工艺过程复杂，成本提高，还会因型芯组装间隙影响铸件尺寸精度，容易产生由型芯导致的铸造缺陷。圆盖铸件不用型芯的内腔设计铸件的内腔需用两个型芯形成，其中大的型芯呈悬臂状，必须用型芯撑作辅助支撑，型芯撑容易导致铸造缺陷(如因型芯不稳而偏芯导致壁厚不匀、因型芯撑处冷凝快而出现冷隔等)，而且因型芯不连通导致排气不畅、清砂不便。轴承支架便于型芯固定的内腔结构(2)应便于型芯的固定、排气、定位和清理如图a所示轴承支架(二)铸件结构应适应合金铸造性能的要求1.铸件的壁厚铸件壁厚大，有利于液态合金充型，但随壁厚增加，铸件晶粒愈粗大，且易出现缩松、缩孔等缺陷。2.铸件壁间的连接要考虑减少热节，防止应力集中等。3.尽可能避免铸件上的过大水平面大的水平面(按浇注位置)不利于金属液的充填，易产生浇不到、冷隔等缺陷，同时还有易产生夹杂、不利于气体和非金属夹杂物排除等缺点，应尽可能避免。4.采用对称或加强肋结构如细长、薄大铸件为防止翘曲变形，常采用对称或加强肋结构，如图1-46所示。1.铸件的壁厚铸件壁厚大，有利于液态合金充型，但随壁厚增加，铸件晶粒愈粗大，且易出现缩松、缩孔等缺陷。(1)铸件的最小壁厚指在某种工艺条件下，铸造合金能充满型腔的最小厚度。表1-9砂型铸造铸件最小壁厚的设计(单位：mm)(2)铸件壁厚不宜过厚过大的壁厚，会引起晶粒粗大，且易产生缩孔、缩松等缺陷(见图a)，使其承载能力不再随壁厚增加而成比例提高。铸件壁厚应尽量均匀(3)铸件壁厚应尽可能均匀以使铸件各处的冷却速度趋于一致。制动鼓铸件壁厚大小适当；灰铸铁流动性好；壁厚最小可达4-5mm;铸钢流动性差，最小壁厚不应小于8-10mm；最大临界壁厚一般不得超过最小壁厚的三倍。铸件壁厚大小主要与合金种类及铸件轮廓尺寸有关。对于重载壁，切忌盲目增大壁厚，宁可用加强肋结构。铸件内壁应薄于外壁内、外壁厚差约为：10﹪-30﹪。铸件壁厚力求均匀，取消不必要的厚大壁部，采用加强肋结构。避免壁或加强肋的十字交叉。（1）铸件内外表面转角连接处应为圆角，以免产生裂纹、缩孔等缺陷。2.铸件壁间的连接要考虑减少热节，防止应力集中等。热节是在凝固过程中，铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域。这个部位凝固慢，容易产生缩孔！容易产生疏松缺陷，一般需要做探伤检查。(2)不同壁厚之间要逐步过渡当铸件壁厚难以均匀一致时，为减少应力集中，防止不同壁厚连接处产生裂纹，应采用逐步过渡的连接型式，避免壁厚突变。表1-11铸件的内圆角半径R值(单位：mm)表1-12几种壁厚的过渡形式及尺寸图1-43壁间连接结构a)十字形连接b)锐角连接c)交错连接d)环状连接e)垂直或钝角连接(3)壁间连接应避免交叉和锐角如图a、b所示的十字形交叉连接与锐角连接，易形成热节和应力集中，铸件容易产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷(4)轮辐设计应避免收缩受阻轮形铸件(如带轮、齿轮、飞轮等)的轮毂和轮缘间由轮辐连接，轮辐形式不同，收缩受阻程度不同，产生裂纹的倾向也不同。轮辐的连接形式a)偶数对称直轮辐b)奇数轮辐c)弯曲轮辐3.尽可能避免铸件上的过大水平面图1-45顶盖铸件大平面的倾斜设计铸件壁的连接和过渡要科学合理圆弧连接轮辐及辐板的改进设计加大壁的交接夹角内直角改圆弧过渡特种铸造砂型铸造具有适应性广，应用最为普遍，但砂型铸件的精度低，表面粗糙；对薄壁非铁合金铸件、高尺寸精度铸件、管状铸件和高温合金飞机叶片等特殊零件，往往难以用砂型铸造方法来生产，或者生产效率低，为解决这类零件的制造，出现了用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备的铸造方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和实型铸造等，这些铸造方法统称为“特种铸造”。熔模铸造熔模铸造也称失蜡铸造，因为熔模铸件具有较高的尺寸精度和较好的表面质量又称为精密铸造。a)拨叉铸件b)制造压型c)制造蜡模d)焊成蜡模组e)制造型壳f)填砂、浇注金属熔模铸造的工艺过程（一）熔模铸造工艺过程1.制造蜡模2.制造型壳3.脱蜡5.浇注4.型壳的焙烧6.脱壳和清理（二）熔模铸造的特点是：（1）铸件尺寸精度高、表面质量好，是少、无切削加工工艺的重要方法之一，表面粗糙度为Ra12.5~1.6μm。如熔模铸造的涡轮发动机叶片，铸件精度已达到无加工余量的要求。（2）可制造形状复杂的铸件，其最小壁厚可达0.3mm，最小铸出孔径为0.5mm。对由几个零件组合成的复杂部件，可用熔模铸造一次铸出。3）铸造合金种类不受限制，用于生产高熔点和难切削合金铸件，更具显著优越性。（4）生产批量基本不受限制，既可成批、大批量生产，又可单件、小批量生产。但熔模铸造也有一定的局限性，工序繁杂，生产周期长，生产成本较高。另外，受蜡模与型壳强度、刚度的限制，铸件的重量一般限于25kg以下。熔模铸造主要用于生产汽轮机及燃气轮机的叶片，泵的叶轮，切削刀具，以及飞机、汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小型零件。