铸造成型原理及应用

铸造成型原理及应用主讲：XXXX铸造成型概述•铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有6000年的历史。中国约在公元前1700~前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是将固态金属熔化为液态倒入特定形状的铸型，待其凝固成型的加工方式。•早期：中国商朝的重875公斤的司母戊鼎，战国时期的曾候乙尊盘，西汉的透光镜，都是古代铸造的代表产品。早期的铸件大多是农业生产、宗教、生活等方面的工具，艺术色彩浓厚。那时的铸造工艺是与制陶工艺并行发展的，受陶器的影响很大。•发展：中国在公元前513年，铸出了世界上最早见于文字记载的铁铸件－晋国铸型鼎,重约270公斤。欧洲在公元八世纪前后也开始生产铸铁件。铸铁件的出现，扩大了铸件的应用范围。例如在15～17世纪，德、法等国先后敷设了不少向居民供饮用水的铸铁管道。18世纪的工业革命以后，蒸汽机、纺织机和铁路等工业兴起，铸件进入为大工业服务的新时期。铸造技术开始有了大的发展。•现代：进入20世纪，铸造的发展速度很快，其重要因素之一是产品技术的进步，要求铸件各种机械物理性能更好，同时仍具有良好的机械加工性能；另一方面，机械工业和其他工业如化工、仪表业的发展给铸造业创造了有利的物质条件。如检测手段的发展，保证了铸件质量的提高和稳定，并给铸造理论的发展提供了条件。中国古代的铸件现代铸造汽车发动机铸件成型的特点•优点：（1）适应性强，工艺灵活性大（2）成型能力强（3）经济性好•缺点：（1）铸件的力学性能差（2）铸造工序多，工艺过程难以控制，废品率高（3）铸造的工作条件差，工人劳动强度大铸造方法及其应用从造型方法来分•砂型铸造：应用最广•特种铸造：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。与砂型铸造比，能够改善铸件质量、提高生产率和降低工人劳动强度。砂型铸造•砂型铸造是传统的液态成形，它适用于各种形状、大小及各类合金铸件的生产•砂型铸造最基本的工序就是造型和制芯，用来制造砂型和砂芯的材料统称为造型材料•用于制造砂型的材料称为型砂；用于制造型芯的材料称为芯砂•造型方法通常分为手工造型和机器造型两大类1.手工造型•手工造型具有操作灵活,工艺装备(模样、芯盒、砂箱等)简单,生产准备时间短,适应性强等优点。手工造型可通过分模、活块、挖沙、三箱、劈箱等方法生产出形状复杂难于起模的铸件。但是,手工造型对工人的技术水平要求较高。生产率低,劳动强度大,铸件尺寸精度和表面质量较差,主要用于单件、小批生产。特大型铸件只能采用手工造型。（1）整模造型•模样是整体结构，最大截面在模样一端且是平面；分型面多为平面，操作造型简单，适用于形状简单的铸件，如盘、盖类等。（2）分模造型•将木模沿外形的最大截面分成两半，并用定位销钉定位。其造型操作方法与整模基本相似，不同的是在造上型时，必须在下箱的模样上，靠定位销放正上半模样。分模造型适用于形状较复杂的铸件，特别是用于有孔的铸件，如套筒、阀体、管子。（3）活块模造型•模样上可拆卸或活动的部分叫活块。为了方便起模，将模样上有妨碍起模的部分，做成活动的，用销子或燕尾连接。活块模造型，要求造型特别细心，操作技术水平高，生产率低，质量也难以保证。图3-9图3-9（4）挖沙造型•如果铸件的外形轮廓为曲面或阶梯面，其最大截面亦是曲面，由于条件所限，模型不便分成两半时，常采用挖砂造型。挖砂造型时，每造一型需挖砂一次，操作麻烦，生产率低，要求操作技术水平高。挖砂时应注意，必须要挖到模型的最大截面，位置要恰当，否则就会在分型面产生毛刺，影响铸件的外形和尺寸精度。此方法仅用于形状较复杂铸件的单件生产。图3-10图3-10（5）假箱造型•挖砂造型生产的铸件有一定批量时，为了避免每型挖砂，可采用假箱造型。先预制好一半型，其上承托模样，用其造下型，然后在此下型上再造上型。开始预制的半型不用来挠注，故称假箱。假箱一般是用强度较高的型砂制成，舂得比铸型硬。假箱造型可免去挖砂操作，提高造型效率。当数量较大时，可用木料制成成型底板代替假箱。（6）三箱造型•用三个砂箱制造铸型的过程称为三箱造型。有些铸件，两端截面大于中间截面，这时其最大截面为两个，造型时，为了方便起模，必须有两个分型面。其特点是中型的上、下两面都是分型面，且中箱高度与中型的模样高度相近。此方法操作较复杂，生产率较低，适用于两头大中间小的形状复杂且不能用两箱造型的铸件。（7）刮板造型•对有些旋转体或等截面形状的铸件，当产量小，属单件或小批量生产时，为了节省模样费用，缩短模样制造时间，可以采用刮板造型。•刮板造型模样简单，节省制模材料和工时，但操作复杂，生产率很低，仅用于大中型旋转体铸件的单件小批生产。图3-14图3-142.机器造型•机器造型是将填砂、紧实和起模等主要工序实现了机械化，并组成生产流水线。机器造型生产效率高，铸型质量好(紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰),铸件质量较高。但设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长，适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。V法铸造设备机器造型按紧实方式分为：震压式造型、压实造型、震击冲击造型等。图为震击造型过程：3.特种铸造•各种不用砂或少用砂采用特殊工艺装备进行铸造的方法通称特种铸造。包括金属型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造、离心铸造、实型铸造等。特种铸造具有铸件精度和表面质量高、铸件内在质量性能好、原材料消耗低、工作环境好的优点。但铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类受一些限制。（1）熔模铸造•熔模成型工艺是液态金属在重力作用下浇入由蜡模熔失后形成的中空型壳中成型，从而获得精密铸件的方法，常称为熔模铸造或失蜡铸造。熔模制造的特点和应用范围熔模制造的优点：•铸件的精度高，表面光洁(IT11～14，Ra12.5~1.6μm)。•可铸出形状复杂的薄壁铸件，如铸件上的凹槽(3mm宽)、小孔(φ≥2.5mm)均可直接铸出。•铸造合金种类不受限制，钢铁及有色合金均可适用。•生产批量不受限制，单件小批、成批、大量生产均可适用。熔模制造的缺点：•工序复杂，生产周期长。•原材料价贵，铸件成本高。•铸件不能太大、太长，否则蜡模易变形，丧失原有精度。应用：形状复杂，机械加工困难的零件。如汽轮机叶片、泵的叶轮、仪表元件、汽车、拖拉机、机床上的小型零件等。（2）金属型铸造•液态金属在重力作用下注入金属型中成型的方法，称为金属型铸造，习惯上亦称硬模铸造。由于金属型可重复使用，故又有永久型铸造之称。金属型材料及结构•制造金属型的材料应根据浇注的合金选用，一般金属型材质的熔点应高于浇入液态合金的温度。浇注锡、锌等低熔点合金，可用灰铸铁做金属型；浇注铝、铜等合金，要用合金铸铁或钢做金属型。•金属型的结构首先必须保证铸件(连同浇、冒口系统)能从金属型中顺利取出。为适用各种铸件的形状，金属型按分型面的不同可分为：整体式、水平分型式、垂直分型式和复合分型式等。金属型铸造的特点及应用范围金属型的优点：•金属型可“一型多铸”省去了砂型铸造中的配砂、造型、落砂等许多工序，节省了大量的造型材料和生产场地，提高了生产率，易于实现机械化和自动化生产。•铸件尺寸精度和表面粗糙度(IT12~14，Ra6.3~12.5μm)均优于砂型铸件，其加工余量可减少。因金属型冷却快使铸件的晶粒细密，铸件机械性能得到提高，如铜、铝合金铸件的抗拉强度可提高产10%～20%。•劳动条件好，由于不用砂或少用砂，大大减少了硅尘对人的危害。金属型铸造的缺点：•金属型的制造成本高，周期长，不适合单件、小批生产。•不适宜铸造形状复杂(尤其是内腔复杂〉、薄壁(防止浇不到)和大型铸件。•用于铸钢等高熔点合金时，金属型寿命低，同时，还易使铸铁件产生硬、脆的白口组织。应用：目前金属型铸造主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批生产。如内燃机活塞、缸盖、油泵壳体、轴瓦、衬套、盘盖等中小型铸件。（3）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，以获得铸件的成形方法。压铸所用的压力一般为30～70MPa(300～700大气压),充填速度可达5～100m/s,充填时间约为O.05～0.2s。所以，高压、高速充填铸型，是压力铸造区别于其它铸造方法的重要特征。压铸机和压铸工艺过程•压铸机是完成压铸过程的主要设备，根据压室工作条件的不同可分为热压室压铸机和冷压室压铸机两类。目前在生产中广泛应用的是冷压室压铸机。•压铸所用的铸型称为压型。压型与垂直分型的金属型相似，由定型和动型两部分组成，定型固定在压铸机的定模板上，动型固定在压铸机的动模板上，并可作水平移动。推杆和芯棒有压铸机上的相应机构控制，可自动抽出芯棒和顶出铸件。压铸特点•压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜单件、小批生产。•由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造。•压铸时，金属液注入和冷凝速度过快，使得型腔气体难以完全排出，壁厚处难以进行补缩，故压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。（4）实型铸造•用聚苯乙烯发泡的气化模代替木模，用干砂(或树脂砂、水玻璃砂等)代替普通型砂进行造型，并直接将高温液态金属浇到型中的气化模上，使气化模燃烧、气化、消失而形成铸件的方法称为实型铸造。又叫气化模铸造和消失模铸造。气化模铸造的主要工艺过程•气化模模样的制造→模样与浇冒口的粘合→气化模涂挂涂料和干燥→填干砂并振动紧实→浇注落砂清理。（5）离心铸造•离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力作用下充填铸型并凝固成型的一种铸造方法。离心铸造的类型•离心铸造的铸型可以是金属型，也可以是砂型。为使铸型旋转，离心铸造必须在离心铸造机上进行。根据铸型旋转轴空间位置的不同，离心铸造机通常可分为立式和卧式两大类。立式离心铸造•在立式离心铸造机上，铸型是绕垂直轴旋转的由于离心力和液态金属本身重力共同作用，使铸件的自由表面(内表面)呈抛物面形状，造成铸件上薄下厚。显然，在其它条件不变的前提下，铸件的高度愈大，壁厚的差别也愈大，因此，立式离心铸造主要用于高度小于直径的圆环类铸件。卧式离心铸造•在卧式离心铸造机上，铸型是绕水平轴旋转的。由于铸件各部分的冷却条件相近，故铸出的圆筒形铸件壁厚均匀，因此卧式离心铸造适于生产长度较大的套筒、管类铸件，是常用离心铸造方法。浇铸系统设计步骤•选择系统的类型和结构•根据砂箱中铸件数目及其布置方式，确定系统的布置•确定内浇道的引入位置和个数•计算浇注时间和系统最小断面面积•确定直浇道的高度•确定系统中其他结构的断面面积和尺寸浇铸系统类型•按金属液导入铸件型腔的位置，浇注系统可分为：顶注式浇注系统，底注式浇注系统，中注式浇注系统，阶梯式浇注系统，缝隙式浇注系统等，对于高度不大的中、小型铸件，尤其是机器铸造，多采用中间注入式。•按各组元断面比例关系，分为封闭式（内浇道断面积之和最小）和开放式（内浇道断面积之和最大）。铸件的结构工艺性•进行铸件设计时，不仅要保证其工作性能和机械性能要求，还要使铸件结构本身符合铸造生产的要求。这种对于铸造工艺过程来说，铸件结构的合理性，称为铸件的“结构工艺性”。（1）铸造工艺对铸件结构的要求铸件的外形设计•避免侧凹结构•合理设计凸台和肋条，尽量避免使用活块或外型芯•减少和简化分型面•考虑结构斜度对于垂直分型面的非加工表面，设计时给出一定的斜度，可便于起模铸件的内腔设计•铸件的内腔由型芯形成，设计时要考虑方便型芯的制造以及型芯的定位、安放和排气等。尽可能不用或少用型芯。•方便型芯的安放、排气和清理。铸造成型技术的发展趋势•随着科学技术的进步和经济的发展，对铸造提出了优质、低耗、高效、少污染的要求。•铸造技术正向以下几方面发展。机械化、自动化技术的发展•随着汽车工业等大批量制造的要求，各种新的造型法（如高压造型、射压造型、气充造型等）和造芯方法得到了进一步的开发和推广。特殊性能合金的应用•球墨铸铁、合金钢、铝合金、钛合金等高比强度比模量的材料逐步进入应用。新型铸造功能材料（如铸造复合材料、阻尼材料）和具有特殊磁学、电学、热学性能及耐辐射材料进入铸造成型领域。微电子技术