第4章_汽车制造中常用成形工艺基础

第四章汽车制造中常用成形工艺北京航空航天大学交通科学与工程学院周煜TEL:82339079-15MOBILE:[phone]E-Mail:[e-mail]汽车制造中常用成形工艺基础4.1铸造4.2粉末冶金4.3非金属材料成形4.1铸造本节内容:一、概述二、砂型铸造三、特种铸造四、铸造工艺性1.何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。铸造示意图一、概述铸造产品优点：1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。缺点：1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同材料的锻件。2）铸件质量不够稳定。一、概述2.铸造优缺点1）金属的流动性：熔融金属的流动能力影响金属流动性的因素：Ⅰ.金属或合金的种类：灰铸铁＞铜＞铝＞铸钢Ⅱ.化学成分和结晶特征：纯金属＞合金2）金属的充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状清晰铸件的能力影响充型能力的因素：Ⅰ.浇注条件：浇注温度↑、充型压力↑Ⅱ.铸型填充条件：铸型蓄热能力↑、铸型温度↑、铸型中气体压力↓一、概述3.铸造性能的影响因素3）凝固方式：逐层凝固、中间凝固、糊状凝固一、概述3.铸造性能的影响因素逐层凝固：灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜中间凝固：中碳钢、高锰钢、白口铸铁糊状凝固：球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜铸件的凝固方式4）金属的收缩：Ⅰ.液态收缩：缩孔和缩松Ⅱ.凝固收缩：缩孔和缩松Ⅱ.固态收缩：铸造应力、变形和裂纹影响金属收缩的因素：A.化学成分：化学成分不同导致收缩率不同，铸钢收缩最大，铸铁最小B.浇注温度：浇注温度高↑过热度↑收缩↑C.铸件结构：铸件形状和尺寸不同各部分冷却速度不同收缩不一致一、概述3.铸造性能的影响因素1）缩孔：缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。一、概述4.铸件的质量缺陷缩孔的形成过程2）缩松：宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。一、概述4.铸件的质量缺陷缩松的形成过程3）缩孔和缩松的预防措施：定向凝固：使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。一、概述4.铸件的质量缺陷冒口和冷铁的合理使用4）铸造应力及防止措施：铸件凝固及冷却过程中，随温度的不断降低，收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，此缺陷将严重影响铸件的质量。铸造应力防止和消除措施：A.同时凝固B.提高铸型温度C.去应力退火D.改善铸型和型芯的退让性一、概述4.铸件的质量缺陷5）变形、裂纹及其防止措施：铸造变形防止和消除措施：a)反变形法：在模样上做出与铸件变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸件的变形。b)进行去应力退火：铸件机加工之前应先进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。c)设置工艺肋：在容易变形的部位设置工艺肋。铸造裂纹分类：热裂：固态合金的线收缩受到阻碍，产生的应力超过该温度下的强度冷裂：铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限一、概述4.铸件的质量缺陷用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。应用最广泛的铸造方法。二、砂型铸造1.何为砂型铸造制造模样、制备造型材料、造型、造芯、合箱、熔炼、浇注、落砂、清理2.砂型铸造主要工序用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，造型方法通常分为手工造型和机器造型两大类。二、砂型铸造3.不同的造型方法手工造型方法整模造型分模造型挖砂造型活块造型刮板造型假箱造型两箱造型三箱造型地坑造型组芯造型机器造型方法震压紧实微震紧实抛砂紧实射砂紧实射压紧实压实紧实高压紧实震击紧实（1）.两箱造型是造型的最基本方法，铸型由成对的上型和下型构成，操作简单。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。（2）.三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生产的铸件。两箱造型二、砂型铸造3.不同的造型方法（手工造型）三箱造型（3）.地坑造型：在地平面以下的砂坑中或特制地坑中制造下型的造型方法（4）.组芯造型：用若干块砂芯组合成铸型，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。地坑造型二、砂型铸造3.不同的造型方法（手工造型）组芯造型（5）.整模造型：模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。（6）.挖砂造型：模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。整模造型二、砂型铸造3.不同的造型方法（手工造型）挖砂造型（7）.假箱造型：为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。（8）.分模造型：将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。假箱造型二、砂型铸造3.不同的造型方法（手工造型）分模造型（9）.活块造型：制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，再从侧面取出活块。其造型费时，工人水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。（10）.刮板造型：用刮板代替实体模样造型，降低模样成本，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。活块造型二、砂型铸造3.不同的造型方法（手工造型）刮板造型（1）.压实紧实：单纯借助压力紧实砂型，机器结构简单、噪声小，生产率高，消耗动力少，型砂的紧实度沿砂箱高度方向分布不均匀，上下紧实度相差很大。主要适用于成批生产高度小于200mm薄而小的铸件。（2）.高压紧实：砂型紧实度高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度Ra值小，废品率低，生产率高、污染小、易于机械化、但机器结构复杂、制造成本高。主要适用于需大量生产的中、小型铸件，如汽车、缝纫机等产品较为单一的制造业。二、砂型铸造3.不同的造型方法（机器造型）压实紧实高压紧实（3）.震击紧实：主要依靠震击力坚实砂型。该方法机器结构简单，制造成本低，但噪声大、生产率低、要求厂房基础好。砂型坚实度沿砂箱高度方向愈往下愈大。主要适用于需成批生产的中，小型铸件。（4）.震压紧实：经过多次震击后再压实砂型。该方法生产率高，能量消耗少，机械磨损少，砂型坚实度较均匀，但噪声大。广泛用于成批生产中、小型铸件。二、砂型铸造3.不同的造型方法（机器造型）震压紧实震击紧实（5）.微震紧实：在加压坚实型砂的同时，砂箱和模板作高频率、小振幅震动。此方法生产率较高、紧实度均匀、噪声小。广泛用于成批生产中、小型铸件。（6）.抛砂紧实：利用离心力抛出型砂，使型砂在惯性力下完成填砂和坚实。该方法生产率高，能量消耗少、噪声低、型砂坚实度均匀、适用性广。主要适用于单件、小批、成批、大量生产中、大型铸件或大型芯。二、砂型铸造3.不同的造型方法（机器造型）抛砂紧实微震紧实（7）.射压紧实：是使压缩空气骤然膨胀，将型砂射入砂箱进行填砂和坚实，再进行压实。生产率高，坚实度均匀，砂型型腔尺寸精确、表面光滑、工人劳动强度低、易于自动化、但造型机调整维修复杂。主要适用于大批、大量生产的形状简单的中、小型铸件。（8）.射砂紧实：用压缩空气将型（芯）砂高速射入砂箱或芯盒而进行紧实。因其将填砂、紧实两个工序同时完成，故生产率高，但用于造型，其坚实度不高、需进行辅助压实。广泛用于制芯、并开始用于造型。二、砂型铸造3.不同的造型方法（机器造型）射压紧实（1）.浇注位置的选择：A.体积收缩大的合金及壁厚差较大的铸件，应按定向凝固的原则，将壁厚较大的部位和铸件的热节部置于上部或侧部，以便设置冒口进行补缩。B.重要加工面、耐磨表面等质量要求较高部位应置于下面或侧面。二、砂型铸造4.铸造工艺设计气缸浇注时的位置（1）.浇注位置的选择：C.具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置。D.具有大平面的铸件，应将铸件的大平面朝下。E.尽量减少型芯的数目，最好使型芯位于下型以便下芯和检查，同时应保证型芯在铸型中安放牢靠、排气通畅。二、砂型铸造4.铸造工艺设计箱盖浇注时的位置平板浇注时的位置（2）.分型面的选择：A.分型面应尽量采用平面分型，避免曲面分型，并应尽量选在最大截面上，以简化模具制造和造型工艺。B.尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱以防止错型、飞翅、毛刺等缺陷，保证铸件尺寸的精确。二、砂型铸造4.铸造工艺设计分型面应选在最大截面处不正确正确分型面的位置应能减少错型、飞翅不正确正确（2）.分型面的选择：C.应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。D.尽量减少分型面的数目，最好只有一个分型面。二、砂型铸造4.铸造工艺设计螺栓塞头的分型面不合理合理分型面数目的确定不合理合理（2）.分型面的选择：E.若铸件的加工面很多，又不可能全部与基准面放在分型面的同一侧时，则应使加工基准面与大部分加工面处于分型面的同一侧。F.铸件的非加工表面上，尽量避免有披缝。G.分型面的选择应尽量与铸型浇注时位置一致。二、砂型铸造4.铸造工艺设计分型面的位置应能避免披缝不合理合理（3）.铸造工艺参数的选择：A.加工余量：取决于铸件的材料、铸造方法、铸件尺寸与复杂程度、生产批量、加工精度要求等B.拔模斜度：模壁测量面高度、模样材料及造型方法确定。C.最小铸出孔及槽：较大的孔槽铸，较小的孔槽不铸。D.收缩余量：为了补偿收缩，模样比铸件图样尺寸增大的数值。E.由于工艺上的原因，在铸件相应部位非加工面上增加的金属厚度称为工艺补正量。F.芯头指模样上的突出部分，在型内形成芯座并放置芯头。G.分型负数：为抵消铸件在分型部位的增厚，在模样上减去的尺寸。二、砂型铸造4.铸造工艺设计熔模铸造：用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。三、特种铸造1.熔模铸造（1）.熔模铸造工艺过程：蜡模制造模具设计收缩率分模面压蜡工艺中温蜡双立式射蜡机沾浆撒砂面层涂料过渡层涂料背层涂料强度粘度润湿剂焙烧温度气孔模壳温度缩松热烈真空浇注浇注温度清理喷砂抛丸振壳浇注焙烧脱蜡制壳难点：1.焙烧温度控制2.浇注温度控制熔模铸造过程示意图三、特种铸造金属型铸造：又称硬模铸造，是将液体金属浇入金属铸型，在重力作用下充填铸型，以获得铸件的铸方法。三、特种铸造2.金属型铸造（1）.金属型铸造的优缺点：优点：1）金属型铸件冷却快，组织致密，力学性能高。2）铸件的精度和表面质量较高3）浇冒口尺寸较小，液体金属耗量减少，一般可节约15%－30%。4）不用砂或少用砂。缺点：金属型无透气和退让性，铸件冷却速度大，容易产生浇不到、冷隔、裂纹等缺陷。金属型结构设计金属型芯设计铸造难点分析1.结构复杂、腔体多2.局部壁薄、易缩孔热处理制砂芯去毛刺去冒口浇注合金熔炼抛丸精修1.充型平稳，排气方便；2.有利于顺序凝固，补缩良好；3.有利于金属型结构简化。浇注位置及浇注系统设计（2）.金属型铸造流程：三、特种铸造压力铸造（简称压铸）：在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔，并在压力下成型和凝固