1、铸造工艺学,主讲：河北工业大学材料加工与控制系李日,铸造工艺学,基础部分 提高部分,基础部分,铸造工艺基本概念及铸件生产的基本流程 通用冒口设计 浇注系统设计 铸造工程师的设计任务,铸造工艺基本概念及铸件生产的基本流程,铸造工艺基本概念由大球及套筒铸件的制造过程引出的概念 铸造工艺流程图 浇注位置和分型面的选择 对铸件零件的处理 砂芯设计,铸造工艺基本概念,大球的制造过程引出的基本铸造工艺概念 套筒工艺与大球工艺的差别 基本铸造工艺概念 作业,铸造工艺基本概念,由大球及套筒铸件的制造过程引出的概念,图12 浇注系统的典型形式 1、浇口杯 2、直浇道 3、浇道窝 4、横浇道 5、集渣包 6、内浇
2、道,图13 无冒口系统时的铸件,模数法设计冒口的基本方法是：1）Mr=fMc Mr为冒口模数，Mc为铸件模数，f=1.0-1.2。2）冒口要提供足够的补缩金属液：(Vc+Vr)+Ve=Vr 3）一定的补缩通道角：可利用冷铁和其他工艺措施来造成合适的补缩通道角,大球的制造过程引出的 基本铸造工艺概念,成型类：分型面、分模面 工艺类：浇注系统、冒口、冷铁 工装类：模样、模板、砂箱等,套筒工艺与大球工艺的差别 浇注位置、砂芯、外模样变化,基本铸造工艺概念,成型类：分型面、分模面、砂芯、模样 工艺类：浇注系统、冒口、冷铁 兼有成型与工艺特点的概念：浇注位置 工装类：模样、模板、砂箱、芯盒,浇注位置和分
3、型面的确定,浇注位置的确定 分型面的确定 作业：抄画教材图，并说明选择图中浇注位置和分型面的原因。,作业,1、叙述球和套筒的铸造生产过程；并讨论分析该过程中需要开展的研究工作(画图)。 2、分析讨论如何确定浇注位置和分型面，确定原则是什么。 3、阅读第一章第一节，并找到复习思考题的答案。 4、作业：抄画教材图，并说明选择图中浇注位置和分型面的原因。,5、确定下面铸件的浇注位置和分型面,浇注位置的确定,判定浇注位置的优先次序为：保证铸件质量凝固方式充型工艺操作,例1：铸件主要加工面或重要加工面，应尽量置于下部或垂直放置。,图 3-2-36,例2：能保证顺序凝固。例如，厚大部分在上部，或按一定次序
4、厚大部分靠近冒口。,例3：铸件水平面积大的部分应尽量置于铸件下部。,例4：避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯、合箱及检验。,分型面的确定,分型面一般在确定浇注位置后选择。但分析各种分型面方案的优劣之后，可能需要重新调整浇注位置。铸造分型面本质上是一种工艺方法，该方法是取出模样（砂型）、铸件（金属型）、保证（提高）精度、工艺操作简单等几个方面综合作用的结果。其优先次序为：取出铸件保证精度工艺简单,例1：加工基准面与大部分加工面在同一半型内，基准面不要在分型面上。,例2：分型面数量应尽量少。,例3：分型面尽量为平面，避免曲面，不得已用曲面，也尽可能改为折面。,例4：不使砂箱过高。,图3-2-3
5、2 减速箱盖手工造型方案,例5：受力件的分型面的选择不应消弱铸件结构强度。,例6：注意减轻铸件清理和机械加工量。,砂芯设计,砂芯本体设计 芯头设计,本体设计的典型实例,1、能制作出来； 2、能进行烘干； 3、如果自硬，则不需烘干，在型内干后直接取出使用。,砂芯本体设计的基本步骤,例1：保证铸件内腔尺寸精度：铸件内腔尺寸较严的部分应当由同一半砂芯形成，避免为分盒面分割。,保证此处孔四 壁壁厚均匀： 将芯子分块。,例2：保证操作方便：分割砂芯，但要防止金属钻入砂型分割面的缝隙，以防堵塞通气道。,例3：保证铸件壁厚均匀。,例4：应尽量减少砂芯数目，如将砂芯做出（砂胎，教材图3-3-4；吊砂，浅底锅。
6、用活块代替，教材图3-3-5）；,例5：填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面。,例6：砂芯形状适应造型、制芯方法，组合芯，教材图3-3-7。,芯头设计,芯头组成 芯头承压面积的核算 特殊定位芯头,芯头组成,芯头结构 芯头长度 芯头斜度 芯头间隙 压环、防压环和积砂槽,图3-3-10中： 、1、a、a1等,图3-3-9： s、s1、s2,3-3-10中： s、s1、s2,芯头承压面积的核算,S=kF芯/压 压：湿型4060KPa;活化膨润土砂型60100KPa；干砂型0.60.8MPa。k：安全系数1.31.5,特殊定位芯头,铸造工艺流程图:,通用冒口设计 普通冒口设计,正圆柱或立方体冒口设计 长杆（
7、长板）、大圆环、立柱冒口的设计 真实铸件复合体冒口设计 加强冒口补缩的手段 冒口设计步骤 冷铁设计计算,正圆柱或立方体冒口设计,铸件补缩分析,当冒口体积与铸件 体积成什么关系时 可以使缩孔位置刚 好处于铸件顶部呢？,冒口体积大于铸件体积时可以消除缩孔！,可以用体积作为冒口设计的准则吗？,冒口体积比铸件体积大，但显然冒口比铸件 先冷却，因冒口散热面积大。,设计冒口尺寸的准则模数,储热量Q=mcT=Vc T，冒口和铸件同时开始凝固，V大则储热量大，但如果冒口散热面积大则不能补缩。 将体积和散热表面积结合起来衡量凝固冷却能力即模数。 补缩条件：MrMc,设计冒口尺寸的第二条件补缩量,当冒口体积与铸件
8、 体积成什么关系时 可以使缩孔位置刚 好处于铸件顶部呢？,设计冒口尺寸的第三条件 补缩通道角：决定冒口位置,同样的铸件同样的冒口，安放位置不同 导致不同的补缩结果！,模数法设计冒口的原理,一、模数,二、模数法原理,Mr=fMc 顶冒口：Mr=(1.21)Mc侧冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2内浇道通过冒口：Mc:Mn:Mr=1:(11.03):1.2 冒口提供足够的金属液： (Vc+Vr)+Ve=Vr ：表3-5-4，表3-5-5，注意合金钢 x； ：表3-5-6；补缩通道角：可利用补贴和冷铁来造成 合适的补缩通道角。,长杆（长板）、大圆环、立柱冒口的设计,环也类似！,补缩距离：水平
9、补缩距离和垂直补缩距离！,球铁件：表3-5-1可锻铸铁：44.5(壁厚)有色金属：见教材,真实铸件复合体冒口设计,不可能用一个冒口统一补缩， 所以要划定三个补缩区域！,冒口设计的基本原则,顺序凝固 同时凝固注意！冒口补缩的是整体补缩域的收缩，而不是相邻结构体！,加强冒口补缩的手段,补贴 冷铁 提高冒口自身补缩能力,补贴,冷铁,不加冷铁的补缩距离！与前加冷铁对比！,外冷铁之间距离为0.51倍于冷铁长度！,提高冒口自身补缩能力,大气压力冒口 保温、发热冒口 易割冒口,大气压力冒口,保温、发热冒口,易割冒口,冒口设计步骤,1）划分补缩区；2）计算冒口及冒口颈模数；3）确定形状和尺寸；4）检查顺序凝固
10、条件；5）校核冒口补缩能力,铸钢45齿轮， 收缩率5%。试 设计其冒口,冷铁设计计算,经验法 外冷铁模数计算法 内冷铁模数计算法（自学）,经验法,外冷铁模数计算法,无气隙外冷铁：As=A0+2Ac1,As砂型等效面积 A0铸件表面积 Ac冷铁工作表面积,M0铸件原模数 M1使用冷铁后铸件等效模数,有气隙外冷铁：As=A0+Ac2,As砂型等效面积 A0铸件表面积 Ac冷铁工作表面积,M0铸件原模数 M1使用冷铁后铸件等效模数,M1的确定,同时凝固：M1相当于热节四周薄壁部分的模数 顺序凝固：M1=(0.83-0.91)Mp，Mp是热节旁补缩壁的模数。经验证明，只有满足Mp0.67M0时，才能用
11、外冷铁消除热节影响 外冷铁质量校核,内冷铁模数计算法（参考教材及文献）,浇注系统设计,浇注系统典型构造 浇注系统类型 浇注系统设计计算 浇注系统设计步骤 练习举例,浇注系统典型构造,图12 浇注系统的典型形式 1、浇口杯 2、直浇道 3、浇道窝 4、横浇道 5、集渣包 6、内浇道,浇注系统类型,按截面比分类 按内浇口位置分类,按截面比分类,1）封闭式：S直 S横 S内2）开放式： S直S内而S内S直直浇道充满，用于小型铝镁合金产品。,按内浇口位置分类,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,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,
12、缝隙式浇注系统,浇注系统设计计算,奥占公式 平均压头Hp计算 浇注时间确定 流量系数确定,奥赞公式,阻流处金属液流速v计算（伯努利方程）,充填下半型时，通过阻流截面的金属质量m下和浇注时间有如下关系,充填上半型时，对应着最大压力头和最小压力头有平均压力头 hP，则,综合上下半型公式有,平均压头Hp计算,总功：,下半型功：,上半型功：,将上两式代入总功，则：,对于底注式P=C，故,对于顶注式P=0，故,浇注时间确定,对其他合金铸件，有经验公式,A、B 、P 、n系数见教材表3-4-4、表3-4-5。,用金属液在型内的上升速度来校核 充填时间,铸铁铸钢的最小上升速度见教材表3-4-6、 表3-4-
13、7,流量系数确定,1、选择浇注系统类型 2、确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属引入方向 3、决定直浇道的位置和高度（压力角） 4、计算浇注时间并核算金属上升速度 5、计算阻流截面积S阻 6、确定浇口比并计算各组元截面积 7、绘出浇注系统图形,浇注系统的计算步骤,铸造工程师的设计任务,铸造工程师应当完成的设计任务 铸件零件结构的铸造工艺性 对铸件零件的处理零件转化为铸件,铸造工程师应当完成的设计任务,铸造工艺图 铸型装配图 铸造工艺卡 铸件图,铸件零件结构的铸造工艺性,零件结构是否容许制造 零件结构是否容易制造,零件结构是否容许制造,做不出来的东西必须向设计者说明，必须改结构 先将要填的孔填实
14、,即小于最小铸出孔的孔填实充型 中空的部位能不能下芯子,例如纯空心球和过长的单臂悬芯造型,最小容许壁厚(铸造工艺手册)充型其他具体分析如高铬铸铁件不能进行机加工切断冒口等 教材表3-2-1：砂型铸造时铸件最小容许壁厚; 临界壁厚=3*最小壁厚;若超过临界壁厚则铸件中心部分晶粒粗大，常出现缩孔、缩松现象。 设计受力铸件时，不可单纯用增厚的办法来增加铸件强度如图3-2-1 。,零件结构是否容易制造,凝固过程的要求 充型过程的要求 操作过程的要求,能做但不好做, 尽量改但如果要求也要想办法做,凝固过程的要求,铸件结构不应造成严重的收缩阻碍,注意壁厚过渡和圆角。,铸件内壁应薄于外壁(为易于补缩可放冷铁
15、)，教材表3-2-2。,壁厚力求均匀,减少肥厚部分,防止形成热节(可减少冒口),有利于补缩和实现顺序凝固,防止铸件翘曲变形,避免浇注位置上有水平的大平面结构,操作过程的要求,取消铸 件外表 侧凸,改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋板的结构,改进铸件内腔结构以减少砂芯,减少和简化分型面,有利于砂芯的固定和排气,减少清理铸件的工作量,简化模具的制造;图3-2-16,大型复杂件的分体铸造和简单小件的联合铸造,对铸件零件的处理,基本原理 零件结构引起的铸造工艺参数 造型引起的铸造工艺参数 制芯引起的铸造工艺参数 凝固过程引起的铸造工艺参数 加工及验收引起的铸造工艺参数,零件转化为铸件,基本原理,铸造工艺流程
16、图是构成整体铸造工艺参数的总纲 主要的影响环节有：零件结构、造型、制芯、凝固过程、机加工、铸件验收要求等。,零件结构引起的铸造工艺参数,最小铸出孔及槽（表3-3-8）,工艺补正量： e=0.002L；单件，小批生产（教材图3-3-14），大量生产修改模具。,造型引起的铸造工艺参数,因模样(敲模、模样受潮膨胀)引起的铸件形状变化：非加工壁厚的负余量（表3-3-11）适用于手工造型、制芯,起模斜度: JB/T5015-91；教材图3-3-13,分型负数: 图3-3-15 , 表3-3-9,制芯引起的铸造工艺参数,舂砂时芯盒涨开、刷涂料、烘干过程引起的芯子形状变化 砂芯负数: 只应用于大型粘土砂芯（
17、表3-3-10）手工造芯,分芯负数,多用于分段制造的长砂芯和分开制造大砂芯,一般留13mm ，用于手工造芯。,凝固过程引起的铸造工艺参数,铸造收缩率（表3-3-7）,反变形量；图3-3-16，图3-3-17,加工及验收引起的铸造工艺参数,铸件尺寸公差：GB6414-86等效于ISO8062-1984（国际标准）教材表3-3-1 铸件重量公差GB/T11351-89 机加工余量GB/T11350-89重量公差与机加工余量均与GB6414-86配套使用,提高部分,关于冒口的讨论（冒口类型） 关于冷铁的讨论 铸肋 灰/球铁件冒口讨论 关于浇注系统流动特点的讨论 铸造工艺装备设计,关于冒口的讨论（冒口
18、类型）,关于冷铁的讨论,冷铁的作用 冷铁种类,在冒口难于补缩的部位防止缩孔缩松,造成人为的末端区,用冷铁防止各类接头的裂纹和缩孔,改善铸件局部的金相组织和力学性能 减轻或防止厚壁铸件中的偏析,外冷铁的作用特点,铸件: 127127203的碳素钢冷铁: 7676 Tickness,使用外冷铁的注意点,直接外冷铁,直接外冷铁有气隙和无气隙,直接外冷铁的作用特点,间接外冷铁,内冷铁,通常在外冷铁激冷作用不足时才 用内冷铁，主要用于壁厚大而技术 要求不太高的铸件上，特别是铸钢 件。,熔接内冷铁和非熔接内冷铁,内冷铁熔接过程,铸肋,割肋的形状和实例,割肋的设计,1）a/b(12),l/b2；或 2）a/
19、b(23),l/b1不设割肋。,割肋的形状和尺寸,拉肋厚度为铸件厚度的0.40.6倍,灰/球铁件冒口讨论,灰/蠕/球铁凝固过程的体积变化 灰/蠕/球铁体积膨胀是不可忽略的 铸铁冒口与铸钢冒口的差异 铸铁件冒口补缩的三种途径 直接实用冒口 控制压力冒口 均衡凝固冒口理论的由来,灰/蠕/球铁凝固过程的体积变化,25.4mm厚的Y形试样，1mm2面积上的石墨球数：当球数150个，为好；当球数90150个为中；90个为差。,灰/蠕/球铁体积膨胀是不可忽略的,实验表明：每析出1%质量的石墨，铸铁体积增大约2%； 强度很高的湿型，抗压强度约为0.6MPa，模数为1cm的球铁或模数为1.5cm的灰铁即可超过
20、其承压能力； 1MPa=9.87atm,铸铁冒口与铸钢冒口的差异,铸铁件冒口补缩的三种途径,不计膨胀，按铸钢件方式即模数补缩； 直接实用冒口：只补缩液态一次收缩，液态收缩停止，冒口颈及时冻结； 控制压力冒口：综合考虑收缩与膨胀的差值进行补缩；,直接实用冒口,实用条件 冒口体设计 冒口颈设计 冒口位置选择,实用条件,薄壁铸件： 球铁M0.48cm； 灰铁M0.75cm； 要求干型，自硬型。 膨胀压力不超过0.6MPa铸件模数高，则膨胀 压力大，型壁不能承 受。,冒口体设计补缩液态（一次）收缩,共晶成分铁液的液态收缩液=液(tp-1150)=(90+304.3)*(tp-1150) 10-6 亚共
21、晶如CE=3.6共晶凝固前析出30%的奥氏体，液态铁向奥氏体转变收缩率为3%，增加30% 3%=0.9%收缩率，则 液= (90+303.6)(tp-1150) 10-6+ 0.9 10-2,理想状态曲线（由上述收缩率公式算出）,实际状态曲线（实际应用时选用）,冒口颈计算,冒口位置选择关键模数确定法,也是确定冒口数量的方法： 1）体积膨胀正好抵偿更厚部分的液态收缩直 到其开始膨胀为止； 2）关键部分的膨胀和比它厚的部分的液态收缩同时发生，且相互关联，才能相互补偿。,控制压力冒口,原理 适用条件 冒口体设计 冒口颈设计 冒口位置和数量的设计,原理,冒口补给铸件的液态收缩，在共晶膨胀初期冒口颈畅
22、通，可使铸件内部铁液回填冒口以释放“压力”。控制 回填程度使铸件内建立适中的内压用来克服二次收缩 缺陷缩松，以使既无缩孔缩松，又无铸件膨胀变 形。,控制方法： 1）冒口颈及时冻结（明冒口只能用此法）； 2）暗冒口容积控制（单用暗冒口，浇注温度不能超过T0； 3）双重控制，重视浇注和冶金质量。,适用条件,1）湿砂型：球铁件 M=0.482.5cm；灰铁件 M=0.752.0cm； 2）干型硬度85,1、冶金质量 好：取下 限； 2、冶金质量 差：取上限； 3、一般：中点； 4、应靠近厚大部位；冒口有效 5、体积所需补缩体积,冒口体设计,冒口颈设计采用短冒口颈,冒口位置和数量的设计,控制压力冒口的
23、补缩距离 冒口位置和数量的设计,控制压力冒口的补缩距离,凝固部位向冒口回填铁液的输送距离。 右图为球铁补缩距离,灰铁补缩距离,冒口位置和数量的设计,冒口位置：模数大的位置 冒口数目：用铁液输送距离结合模 数体积图定（如后图）,可在M1处不放冒口,均衡凝固冒口理论的由来,较为符合实际铸铁件的凝固过程 动态叠加原理图3-5-35,关于浇注系统流动特点的讨论,浇注系统经典结构的由来 金属液经过浇注系统进入型腔时发生的现象 浇注系统的作用 金属液流经浇注系统各结构单元的特点分析,浇注系统经典结构的由来,不要浇注系统，直接将金属液灌入铸型行不 行？如图，显然不行。,如果只设计直浇道，则只能是顶注式， 如
24、果铸件太高，则冲击铸型，为了能从不同 高度引入，所以要设置内浇道。,如果为了分配流股或流量，由单直浇道底部分出 多个内浇道，造型掉砂也不易控制流股；而且如果需 要从铸件不同部位引入时，则为多个直浇道，多个内 浇道，操作烦琐。,直浇道横浇道内浇道比较完备。可以从 任何高度引入，可以控制流速，可以灵活控制引入 引入股的数量。,金属液经过浇注系统进入型腔时发生的现象,金属液冲入铸型； 渣进入铸型； 气体被冲入铸型；,浇注系统的作用,按规定时间导入金属液； 平稳引入； 挡渣； 挡气。,金属液流经浇注系统各结构单元的特点分析,渣特点 比合金液轻的渣浮在表面，量比较大，用漏包浇注或浇注系统或过滤网挡渣；
25、比合金液重的渣沉在浇包底部，转包不会引入，漏包会引入； 与合金液相当的渣需要净化合金液：过滤网。茶壶嘴浇包可以克服轻渣和重渣的不利影响。,浇包中的流动特点,转包；漏包； 茶壶嘴浇包；,浇口杯的流动特点,漏斗形：挡渣挡气均不好； 盆形；,防止水平旋涡的方法,浇口杯中较好的挡渣形式,拔塞、浮塞、铁隔片式,筛网式,闸门和堤坝式,直浇道中的流动特点,直浇道窝中的流动特点,直浇道窝的设计形式,横浇道中金属的流动特点,横浇道作用：稳流，捕渣（中小铸件多不用复杂的浇口杯）； 渣在横浇道中的速度：上浮V浮、平动V横； 存在内浇道吸动区；,如何利用横浇道阻渣,横浇道应呈充满状态；流速要低，充分上浮； 圆盘形铸件
26、内浇道旋转进入；,阻渣位置：横浇道开始段阻渣；末端延长段,封闭式和开放式的内浇道位置,强化阻渣的方法,过滤网,集渣包,内浇口特点基本无阻渣作用,浇口比影响：轻合金铸件常用开放式浇注系统；内浇道流量的不均匀性：一般情况下远离直浇道的内浇口流量大于接近直浇道的内浇口；内浇口的基本设计原则（见教材）,铸造工艺装备设计,概论 模样及模板 砂箱 芯盒 其他工艺装备,概论,铸造工艺装备（foundry rigging）是造型、造芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。包括模样、模板、模板框、砂箱、砂箱托板、芯盒、烘干板（器）、砂芯修整磨具、组芯及下芯夹具、量具及检验样板、套箱、压铁等。此外，芯盒及烘干器的
27、钻模和修整标准也属于铸造工艺装备。,优点：便于选择 螺孔位置，钻孔 和装配方便。 缺点：破坏 模样工作表面， 叙用塑料或铝 等填平。,优点：便于选择 螺孔位置，钻孔 和装配方便。 缺点：破坏 模样工作表面， 叙用塑料或铝 等填平。,砂箱 结构,砂箱名义尺寸：分型面上砂箱内框尺寸乘砂箱高度。确定时要考虑一箱内放置铸件的个数和吃砂量，数据见表3-6-5。（长宽是50或100的倍数，高度是20或50倍数）,箱壁,箱带,砂箱定位,搬运、翻箱结构,砂箱的紧固,手把用于小型砂箱,吊轴用于中大砂箱,吊环用于重型砂箱,箱壁,1、普通砂箱壁形式见图3-6-13；高压气冲造型砂箱壁形式见图3-6-14。 2、经验：1）简易手工造型砂箱，常用较厚的直箱壁，不设内外突缘，制造简便，容易落砂；2）普通机器造型砂箱，常用向下扩大的倾斜壁，底部设突缘，防止塌箱，保证刚性，便于落砂，箱壁上留出气孔；3）中箱箱壁多为直壁，上下都设突缘。大砂箱内应有箱带以防止塌箱。中箱因无贯通的箱带，刚度小，故应加厚； 4）高压造型和气冲造型用砂箱，尽量不加箱带，以便落砂。因受力大，要求刚度大。小砂箱用单层壁，大砂箱用双层壁。箱壁上不设出气孔。,箱壁,箱带（箱档、箱肋）,砂箱定位,砂箱紧固,芯盒,其他工艺装备,
