铸造成型技术-2012.09

1前言铸造是属于热加工的一种加工方式，也是人类掌握较早的一种加工工艺，在机械加工中，铸造成型技术往往是第一道加工工序，再次才是下一步的精加工；铸造存在的历时也比较久远，迄今为止约有6000年左右，尤其是到了上周时代，青铜器的冶炼技术日渐成熟，这也是传统铸造工艺的一个黄金时代，当时铸造工艺的代表作有：司母戊鼎、四羊方尊。铸造可以铸铁、铸钢、铸造有色合金，而且铸造又分为了砂型铸造和特种铸造两类。23•实训重点：①型(芯)砂的组成及性能②造型方法及型芯部分③金属的熔炼④浇注系统的组成及作用⑤冒口、冷铁⑥几种常见的特种铸造方法•实训难点：①砂型铸造工艺方案的灵活运用②浇注系统部分的灵活设计4一、铸造的定义、特点、分类及工艺流程•1、铸造的定义：铸造是指熔炼金属、制作铸型，并将熔融的金属溶液浇入到铸型当中，以此获得一定形状和性能的铸件的方法。•2、特点：优点——材料来源广，适应性强，加工范围大，生产成本低，易于切削加工，其最大的特点是能够成型现代加工和特种加工无法加工成型的复杂内腔。缺点——铸件力学性能较差，易产生铸造缺陷，废品率相对较高。5•3、分类砂型铸造——生产成本低，铸件表面粗糙度较大，整体精确度不高，往往需要下一步的精加工。特种铸造——生产成本高，模样损耗率较高，铸件表面粗糙度不大，整体精确度较高，甚至有的铸件可以直接使用而不需要下一步的精加工。•4、工艺流程制作模样→造型→熔炼金属→设计浇注系统→落砂、清理及检验6二、制作模样•1、铸造工艺图7•铸型装配图通气孔：排除型砂中的水分出气口：排除型腔内侵入或者逸出的气体型芯通气孔：有时排除型芯内的气体，有时排除型腔内的气体8二、造型•1、造型工具9•2、造型材料①模样的种类：（根据材质来区分）木模、金属模、塑料模②型砂⑴组成部分：原砂、再生砂、黏结剂、水、其它附加材料。⑵型砂的种类：（根据黏结剂来区分）黏土砂、水玻璃砂、树脂砂。10黏土砂：以黏土作为黏结剂的型（芯）砂称为黏土砂。常用的黏土为膨润土和高岭土。黏土在与水混合时才能发挥黏结作用，因此必须使黏土砂保持一定的水分。此外，为了防止铸件粘砂，还需在型砂中添加一定数量的煤粉或其他附加材料。由黏土砂作为造型材料所制造的铸型，根据其干燥情况可分为湿型、表干型及干型三种。湿型铸造具有生产效率高、铸件不易变形，适合于大批量流水作业等优点，广泛用于生产中、小型铸铁件，而大型复杂铸铁件则采用干型或表干型铸造。11水玻璃砂：用水玻璃作黏结剂的型(芯)砂称为水玻璃砂。它的硬化过程主要是化学反应的结果，因此也称为化学硬化砂。水玻璃砂与黏土砂相比，具有强度高、透气性好、流动性好、易于紧实、铸件缺陷少、内在质量高、造型(芯)周期短、耐火度高等特点，适合于生产大型铸铁件及所有铸钢件。水玻璃砂也存在一些缺点，如退让性差、旧砂回用较复杂等。目前国内用于生产的水玻璃砂有二氧化碳硬化水玻璃砂、硅酸二钙水玻璃砂、水玻璃石灰石砂等，其中以二氧化碳硬化水玻璃砂用得最多。12树脂砂：以合成树脂作黏结剂的型(芯)砂称为树脂砂。目前国内铸造用的树脂黏结剂主要有酚醛树脂、尿醛树脂和糠醇树脂三类。与湿型黏土砂相比，树脂砂的型芯可直接在芯盒内硬化，且硬化反应快，不需进炉烘干，大大提高了生产效率；型芯硬化后取出，变形小，精度高，可制作形状复杂、尺寸精确、表面粗糙度低的型芯和铸型；制芯(型)工艺过程简化，便于实现机械化和自动化。但是，树脂黏结剂的价格较贵，树脂硬化时会放出有害气体，对环境有污染，所以树脂砂只用在制作形状复杂、质量要求高的中、小型铸件的型芯及铸型时使用。13③型砂的性能特点：（八种）湿度：为了得到所需要的湿态强度和韧性，黏土砂必须含有适量水分。（4%~6%）可塑性：可塑性是指型（芯）砂在外力作用下变形，取出后仍保持变形的能力。强度：强度是指型（芯）砂抵抗外力的能力，如强度不足，在起模、搬动砂型、下芯、合型等过程中，铸型都有可能破损、塌落；浇铸时，可能承受不住金属液的冲刷和冲击，冲坏砂型而造成铸造缺陷。如果强度过高，因要加入更多的黏土和水分，而使透气性和退让性降低，同时给混砂、落砂等工序带来困难。14透气性：透气性是指紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力，一般是通过添加其他附加材料来实现的。（如煤粉、焦炭、木屑等）。退让性：退让性是指铸件在凝固和冷却过程中产生收缩时，型（芯）砂能被压缩、退让的能力；同时也跟手工开浇道相关。耐火度：耐火度是指型（芯）砂抵抗高温热作用的能力。溃散性：溃散性是指型（芯）砂在浇铸后容易溃散的性能。溃散性好，型（芯）砂容易从铸件上清除，可节省落砂和清砂的劳动强度。流动性：流动性是指型（芯）砂在外力或重力作用下，沿模样与砂粒间相对移动的能力。15•3、造型方法造型方法分为手工造型和机器造型两大类，在这里我们以手工造型方法为主来介绍一下常见和基本的几种造型方法。①常用造型方法：整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、三箱及多箱造型、假箱造型、刮板造型、地坑造型。②基本造型方法：整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型。16工艺装备17（1）整模造型整模造型采用整体模样，模样结构特征为：模样的一端是平面，并且是模样上的最大截面，模样的截面变化规律是由最大的截面一端向另一端逐渐缩小或不变。造型时模样全部在下砂型内，取模时能一次性将其从铸型中取出。18（2）分模造型分模造型采用分体模样，模样上的分开面叫分模面，制造模样时，通常将模样在最大截面处分开，使其能在不同的铸型或分型面上顺利取出。根据铸件结构的不同，分模造型可分为二箱分模造型、三箱分模造型等。分模造型适于铸造套类、管类、箱体等零件。19（3）挖砂造型当铸件的外部轮廓为曲面（如手轮等）其最大截面不在端部，且模样又不宜分成两半时，应将模样做成整体放在一个砂箱内，造型时通过挖掉妨碍取出模样的那部分型砂，完成造型的方法称为挖砂造型。20（4）活块造型将铸件上妨碍起模的部分（如凸台、筋条等）做成活块，用销子或燕尾榫与模样主体形成可拆连接，起模时，先将模样主体取出，再从侧面取出活块的造型方法称为活块造型。2122基本造型方法的特点•整模造型：模样完整未被分开，铸型的型腔位于一个砂箱内。•分模造型：模样被最大截面（分模面）分开，铸型的型腔分别位于两个砂箱内。•挖砂造型：挖砂时要挖到模样的最大截面处。•活块造型：取模时先将模样主体取出，再将其余部分取出。23•4、型芯①定义：型芯主要是用来形成铸件的内腔或者局部外形，有时也可形成铸件工作表面的凹陷和凸台。24②制作型芯的步骤：（1）放置芯骨：砂芯中应防止芯骨以提高其强度，防止型芯在制芯、搬运过程中被损坏，小砂芯的芯骨可以用铁丝来做；中、大型砂芯的芯骨可用铸铁浇铸而成。（2）开排气道：砂芯中必须做出贯通的排气道，而且砂芯中的排气道一定要与砂型中排气道联通，这样才能在浇铸时将砂芯中的气体迅速而通畅的排出铸型。（3）刷涂料：为了降低铸件内腔表面粗糙度以及防止粘砂，砂芯表面通常要刷一层耐火涂料。一般铸铁件刷石墨粉，铸钢件刷石英粉，有色金属刷滑石粉涂料。（4）烘干砂芯：烘干砂芯以提高砂芯的强度和透气性，减少砂芯在浇铸时的发气量。25四、金属的熔炼•凡是能用于生产铸件的合金都称为铸造合金。常用的铸造合金有铸铁、铸钢和有色金属。合金熔炼的任务是：用最经济的方法和手段获得温度和化学成分合格的金属液。•1、熔炼设备：铸铁→冲天炉、电弧炉、感应电炉；（如HT、QT、KT、RuT）铸铁的三大特点：减振、耐磨、消声铸钢→平炉、转炉、电弧炉、感应电炉；26•2、冲天炉的组成部分及工作原理冲天炉是利用热对流原理熔炼的。熔炼时，热炉气自下而上运动，冷炉料自上而下运动。两股逆向流动的物、气之间进行着热量交换和冶金反应，使金属炉料在熔化区（在底焦顶部，温度约1200℃）开始熔化。铁水在下落过程中又被高温炉气和炽热的焦炭进一步加热，温度高达1600℃左右，并经过过桥进入前炉。此时，温度稍有下降，铁水出炉温度约为1360~1420℃。27五、浇注系统•为将金属液引入型腔而在铸型中开出的通道称浇注系统。浇注系统一般由外浇道（浇口杯）、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成，但并非每个铸件都要这四部分，应根据铸件结构、合金种类和性能要求而定。对于形状简单、要求不高的小铸件，可以只有直浇道和内浇道，而无横浇道。28•1、浇铸系统的组成典型的浇铸系统包括外浇口、直浇道、横浇道、内浇道。①外浇口：外浇口形状通常为漏斗状或者盆形，其作用是容纳金属溶液并有一个缓冲作用，使之平稳流入直浇道。②直浇道：直浇道是有锥度的垂直通道，横断面为圆形，它的主要作用是使金属溶液产生静压力。直浇道越高，金属液的填充压力越大，越容易充满型腔的细薄部位。③横浇道：横浇道可将直浇道的进入也引入内浇道，其截面多为高梯形，且位于内浇道上面，其主要作用是将金属溶液分配给各个内浇道并能有效的起到挡渣作用。29④内浇道：内浇道是直接引导金属溶液进入型腔的通道，其截面形状一般为梯形、扁梯形、三角形和浅半圆形。其作用是控制金属液体流入型腔的速度和方向，除此之外，内浇道与铸件型腔的结合处常带有缩颈，以便于清理。附：浇铸系统的最佳横截面积比直浇道：横浇道：内浇道1.15:1.1:130•2、铸件大小、壁厚与浇铸系统（内浇道）的大小、数量有何种关系？①内浇道不应开在铸件的重要部位（如重要加工面和定位基准面），因内浇道处的金属液冷却慢，晶粒粗大，力学性能差。②内浇道的方向不要正对砂型壁和型芯，防止铸件产生冲砂及粘砂缺陷。31③大平面薄壁铸件，特别是易氧化合金（铸钢、铸铝）的薄壁复杂件，应多开内浇道，使金属液迅速、平稳充满铸型，防止铸件产生冷隔和氧化夹渣等缺陷。④薄壁铸件的内浇道与铸件连接处应带有缩颈，防止打掉浇口时敲坏铸件。⑤应考虑对铸件凝固顺序的要求。壁厚相差不大，收缩小的合金铸件（如灰口铸铁），其内浇道多开在薄壁处，使铸件各部分同时凝固和收缩，有利于防止铸件变形和裂纹；而壁厚差别大的合金铸件（如铸钢件、球墨铸铁、白口铸铁），其内浇道应开在厚壁处，使铸件由薄壁到厚壁处进行顺序凝固和收缩，有利于防止铸件缩孔。金属溶液的收缩阶段：液态收缩→凝固收缩→固态收缩（缩孔）（缩松）（裂纹）32•3、其他形式的浇铸系统33•4、冒口和冷铁①冒口：冒口是砂型铸造中储存金属溶液的水库，它能补充型腔内金属溶液凝固时的收缩，消除铸件中的缩孔。34②冷铁：冷铁可加大铸件中厚壁处的凝固速度，消除铸件中的缩孔、裂纹，提高铸件表面的硬度和耐磨性。35六、特种铸造优点与缺点比较：生产成本高，如果使用模样的话（如熔模铸造、消失模铸造），模样损耗率较高；铸件表面粗糙度不大，整体精确度较高，甚至有的模样可以直接使用而不需要下一步的精加工。举例：熔模铸造、消失模铸造（实型铸造）、离心铸造、金属型铸造、普通压力铸造、低压铸造等。36•1、熔模铸造熔模铸造是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形壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，经过焙烧后浇注液态金属获得铸件的铸造方法。由于熔模广泛采用蜡质材料来制造，故又称失蜡铸造或精密铸造。37•2、消失模铸造消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。38•3、金属型铸造金属型铸造是将液体金属在重力作用下浇入金属铸型以获得铸件的一种方法，又称硬模铸造。由于铸型可以反复使用几百次到几千次，所以也称为永久型铸造。39•4、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形的一种铸造方法。离心铸造通常可以用于生产空心回转体零件，同时也可利用金属材料间熔点的不同，生产双金属或多金属铸件。40七、落砂与清理浇注及冷却后的铸件必须经过落砂和清理，才能进行机械加工或使用。•1、落砂砂型浇注后用手工或机械使铸件、型砂和砂箱分开的工序叫落砂。落砂时应注意开型的温度。温度过高，铸件未凝固，会发生烫伤事故。即使铸件已凝固，急冷也会使铸件产生表面硬皮，增加机械