1、第五章 铸造成形技术 将液态金属浇铸到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，称为铸造。铸造具有下列优点： 1)能够生产形状复杂的毛坯,特别是内腔形状复杂的毛坯 如各种机器的底座、箱体、壳体和支架,以及暖气包等。2)适应性广 一方面,可以生产小至几克,大至数百吨的铸件；另一方面,钢、铸铁、铜合金与铝合金等不同金属都可以铸成毛坯或零件,而有些合金只能用铸造方法制成零件,如高锰钢。3)节省金属材料和机械加工的工作量 这是因为铸件的形状、尺寸与零件很接近。,4)生产成本较低 因为其原材料来源广泛,价格低廉；还 可利用废旧的金属,如废的机件、废钢和切屑等；其设
2、备 投资也比较少。但是,铸造生产存在着工序复杂,铸件容易产生缺陷,废 品率较高；铸件的力学性能低于锻件；劳动条件较差 等问题。 在机器设备中铸件所占比例很大，如机床、内燃机中， 铸件占总重量的70-90,压气机占60-80，拖拉 机占5070，农业机械占4070。5.1 铸造成形基本原理5.2 铸造成形方法5.3 铸件的结构设计,5.1 铸造成形基本原理铸件的质量与合金的铸造性能密切相关。 合金的铸造性是指在铸造过程中表现出来的工艺性 能，如流动性、收缩性、吸气性、各部位的成分不 均匀性等。 一、液态金属的充型能力 二、铸件的凝固特性 三、合金的收缩性 四、铸造应力及铸件的变形及裂纹五、铸造常
3、见缺陷,一、液态金属的充型能力 液态金属充满铸型容腔，获得形状完整、轮廓清晰的 铸件的能力，叫做液态金属的充型能力。1、金属液的流动性 流动性是指金属液本身的流动 能力，是金属的固有性质，主 要取决于金属的结晶特性和物 理性质。金属的流动性越好， 充型能力越强。 反之亦反。 如图所示，试样长度越长，说 明该材料的流动性越好。 常用铸造金属的流动性中灰铸 铁和硅黄铜最好，而铸钢最差。,2、浇注条件 提高浇注温度，可使液态金属粘度下降，流速加快，还能使铸型温度升高，使散热速度变慢，从而大大提高金属液的充型能力。 3、铸型条件 铸型中凡能增加金属液流动阻力、降低流动速度和加快冷却速度的因素，均能降低
4、充型能力。为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚不小于规定的“最小壁厚”（如下表），在铸造工艺上也应采取相应措施。,表 最小壁厚,二、铸件的凝固特性 合金从液态到固态的转变成为凝固或一次结晶。 许多 常见的铸造缺陷，如缩孔、缩松、热裂、气孔、夹杂、 偏析等都是在凝固过程中产生的。凝固方式有如下三种：1、逐层凝固 纯金属或共晶成分合金在恒温下结晶，凝固过程中铸件 截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明， 随着温度的下降，固相区不断增大，逐渐到达铸件中心， 这种凝固方式称为“逐层凝固”。 2、体积凝固（糊状凝固） 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度过 小，铸件凝固在
5、某段时间内，其液固共存的凝固区域很 宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积 凝固”。,3、中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”。（图）,影响铸件凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。,三、合金的收缩性 铸件在冷却过程中，其体积与尺寸缩小的现象叫做收缩, 它是铸造金属固有的特性。经历三个相互联系的收缩阶段： 液态收缩从浇注温度冷却到凝固开始温度之间的收缩； 凝固收缩从凝固开始温度冷却到凝固结束温度之间的收缩; 固态收缩从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。1、 影响
6、收缩的因素 1）化学成分 不同成分合金的收缩率不同（表） 列出了几种铁碳合金的体收缩率。,表3-3,2）浇注温度 浇注温度主要影响液态收缩。浇注温度升高，液态收缩增加，则总收缩量增加.3）铸件结构及铸件条件 铸件的收缩是受阻收缩。,缩孔形成过程示意图,2、收缩对铸件质量的影响 1）铸件的缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，由于金属的液态收缩和凝固收缩， 往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。容积大而集中 的孔洞称为缩孔；细小而分散的孔洞称为缩松。,缩孔和缩松能减小铸件的有效面积，并在该处产生应力 集中，降低其机械性能，缩松还可使铸件因渗漏而报废， 因此必须采取适当的工艺措施尽量减少铸件的缩孔和缩松。防止
7、缩孔和缩松基本方法：顺序凝固原则顺序凝固扩大了铸件各部分 的温度差，促进了铸件的变 形和裂纹倾向，因此，主要 用于必须补缩的场合，如铝 青铜、铝硅合金和铸钢件等。,2）铸造应力、变形和裂纹 铸件在凝固和随后的冷却过程中，因收缩受到阻碍而引 起的内应力称为铸造应力。这些内应力有时是在冷却过 程中暂存的，有时则一直保留到室温，后者称为残余内 应力。应力是铸件发生变形和裂纹的主要原因。按照铸造内应力的产生原因，可分为热应力、相变应力 和机械阻碍应力。 （1）热应力 铸件在凝固和其后的冷却过程中，因其壁 厚不均匀，各部分的冷却速度不同，结果造成铸件各部 分收缩量不一致，因此在铸件内产生热应力。 （2）
8、相变应力 铸件冷却过程中，有的合金要经历固态 相变，比容发生变化。新旧两相的比容差越大，相变应 力就越大。,（3）机械阻碍应力 铸件在冷却过程中，收缩会受到铸型、型芯及浇铸系统的机械阻碍，因此而产生的应力称为机械阻碍应力。 防止方法：同时凝固原则。但铸件心部容易出现缩孔或缩松。主要用于灰铸铁、锡青铜（糊状凝固）。,同时凝固原则,四、铸造应力及铸件的变形和裂纹,铸件在凝固和随后的冷却过程中，因收缩受到阻碍而引起的内应力称为铸造应力。应力是铸件发生形变和裂纹的主要原因。 1、铸造应力 按照应力的产生原因分为：热应力、相变应力和机械阻碍应力 热应力；铸件在凝固和其后的冷却过程中，因种种原因可能使各部
9、分的冷却速度不同，结果造成铸件各部分收缩量不一致，因此在铸件内产生热应力 相变应力：铸件冷却过程中，有的合金要经历固态的相变，此时比容发生变化。新旧两相的比容差越大，相变应力就越大 机械阻碍应力：铸件冷却过程中，收缩会受到铸型、型心及浇注系统的机械阻碍,2铸件的变形和防止措施,如果铸件存在内应力，则铸件处于不稳定状态，它将自发的通过变形来减小其内应力、使其趋于稳定状态，当铸造残留应力超过金属的屈服强度时，往往会产生变形 防止 除在铸件的设计时尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称外，还可以采用反变形法防止铸件的变形,3铸件的裂纹和防止措施,当铸造内应力超过金属的抗拉强度时，铸件将会产生裂纹。 按温度
10、范围：热裂纹和冷裂纹 热裂纹:铸件在凝固后期高温下形成的，裂纹沿晶粒边界产生扩散，外观形状曲折而不规则，裂纹周边呈氧化色 冷裂纹 铸件冷却到较低温度时形成的裂纹。特征是穿过晶内和晶界，呈连续直线状，表面光滑且有金属光泽,五、砂型铸造常见缺陷（下表）,5.2 铸造成形方法 铸造方法分为砂型铸造和特种铸造两大类。特种铸造 包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。砂型铸造是利用具有一定性能的原砂作为主要造型材料, 用型砂紧实成铸型的铸造方法。其适应性强，几乎不受 铸件材质、形状尺寸、质量及生产批量的限制，因此， 它是目前最基本、应用最普遍的铸造方法。,5.2.1 砂型铸造的工艺过程及特点 砂
11、型铸造的主要工序包括：制造模样、制备造型材料、 造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理和检验等。,7-1,二、造型材料 制造铸型或型芯用的材料,称为造型材料。它由型砂、 芯砂、粘结剂、水和附加物配制而成。由于铸件中常见 的气孔、砂眼、粘砂、夹砂和裂纹等缺陷都和型(芯)砂 有关，为保证铸件质量,型(芯)砂应具备下列基本性能：(1)流动性 (2)强度 型(芯)砂制成铸型或型芯后受到外力作用而不 易破坏的性能，称为强度。 (3)透气性 紧实后的砂型和型芯,能使浇注金属液时产 生的气体通过和逸走的性能,称为透气性。 (5)退让性 型(芯)砂在高温金属液体作用下不软化、 不熔融、不粘附于铸件表面的性能
12、,称为耐火性。 (4)耐火性 型(芯)砂具有随着铸件的凝固及冷却收缩 而其体积被压缩的性能，称为为退让性,三、型(芯)砂的组成及配制过程 1.型(芯)砂的组成(1)原砂 是型砂和芯砂的主要组成部分,其主要成分是 SiO2及其他氧化物。砂粒均匀且呈圆形的好,一般采自 山地、沙漠、河滩和海滨。(2)粘结剂 其作用是将砂粒互相粘结在一起,使型(芯) 砂具有一定的强度和可塑性。种类很多,常用的有陶(高 岭)土、膨润土、油类、合脂、树脂与水玻璃等。(3)附加物 为了改善型(芯)砂某些性能而附加的物质。 例如,加入煤粉可提高耐火性,加入水玻璃可提高强度, 加入木屑可改善透气性和退让性等。,型砂和芯砂的组成
13、物决定于铸造合金的种类,铸件的大小 及结构特征等。2.型(芯)砂的制备过程 主要包括：烘干篩分混砂（先干混后湿混）松砂 停放（焖砂）四、模样及芯盒的制造 模样与芯盒是铸造生产的工艺装备之一。模样用来形成 砂型的型腔；芯盒用来制造型芯，以形成铸件的内腔。1.模样的制造 一般情况,模样的外形与铸件的外形相似,其尺寸要大于 铸件。这是因为金属有冷却收缩。,模样应具有足够的强度和刚度，以及与铸件相适应的表 面粗糙度和尺寸精度。根据制造模样所用材料的不同, 分为木模样、金属模样和塑料模样等。木模样 它是模样中应用最广泛的一种，具有质轻、价廉 和容易加工等优点。但强度低,容易变形和损坏,一般用于 单件与中
14、、小批量生产。常用木材有红松、杉木、银杏等。金属模样 用铸铁、铜合金和铝合金等金属材料制造的模 样,铝模样为多见。金属模样的强度高,尺寸精确,表而光 洁,寿命长。但制造时，生产周期长,成本高,用于大批、 大量生产。,2.芯盒的制造芯盒的腔型与铸件的内腔、孔洞相似。其尺寸应考虑铸件 内腔的加工余量和收缩量。根据制造芯盒的材质不同,也 分为木芯盒和金属芯盒,金属芯盒的材料一般是铸造铝合 金。,机器造型按紧实方式不同，分为压实造型、震击造型、 抛砂造型和射砂造型 ）压实造型 是利用压头的压力将砂箱内的型砂紧实,压实造型示意图,）震击造型 是利用震动和撞击力对型砂紧实。,震击造型示意图,）抛砂造型 抛
15、砂机的工作原理图如下 ）射砂造型,七、浇注系统与冒口 在造型过程中,开设浇注系统与冒口是重要的操作。 将液态金属平稳地导入、填充型腔与冒口的通道,称为浇注系统。通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成,如图7-6所示。除导入液态金属外,浇注系统还起到挡渣、补缩与凋节铸件的冷却顺序等作用。,图7-6 浇注系统的组成,八、铸型、型芯的烘干及合箱1. 铸型和型芯的烘干 烘干的目的是提高铸型与型芯的强度、透气性，以及 减少其挥发性气体。通常，型芯都要进行烘干,而铸型 是在不能保证铸件质量时,才进行烘干。2.合箱 把铸型的各部分以及型芯装配在一起的操作,称为合箱。 其工艺要点是要保证铸型型腔的尺寸与形状
16、,以及型芯 相对位置的稳固。,*第三节* 铸造工艺图所谓铸造工艺图,是用规定的工艺符号或文字绘在零件 图样上,或另绘工艺图样,表示铸型分型面、浇冒口系统、 浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施(冷铁、保温衬 板)等的图样。它是铸造生产的重要工艺文件,是制造模 样、芯盒和造型操作的根据。一、浇注位置的确定 浇注时,铸件在铸型中所处的位置,叫作铸件的浇注位置。 其确定原则为：（1）铸件主要的加工面与工作面应朝下,或者使其处于 侧面。,（2）铸件的大平面应朝下,这样不仅减少产生气孔夹渣 的可能，而且型腔上表面因长时间受合金的烘烤,容易拱 起或开裂,造成夹砂。（3）将铸件薄而大的平面放在铸型的下部、侧
17、面或倾斜 的位置,以利于液态合金充填铸型，防止浇不足、冷隔等 缺陷。（4）对于容易产生缩孔的铸件,浇注时,将铸件厚壁处放 在上部或侧面，以保证铸件自下而上顺序凝固,使冒口充 分发挥作用。,二、分型面的选择 制造铸型时,为便于取出模样,将铸型做成几部分，其结合 而称为分型面。选择时，尽量做到既保证铸件质量,又简 化操作工艺。通常考虑以下几个方面：(1)尽可能将铸件的全部或大部分置于同一砂型内,以避免 错箱和产生较大的隙缝与毛刺。(2)分型面的数目应少,且为平面。 图7-7为槽轮的分型面，图c)比较 合理,只有一个分型面,采用了整 体模两箱型。 这样,既简化了造型操作,又保证 了铸件质量,还提高了
18、生产率。,图7-7槽轮的分型面,(3)尽量减少型芯与活块的数目。 (4)分型面的选择应有利于下芯、合箱，使型芯安放稳 固,便于检查型腔尺寸。三、工艺参数的确定 通常情况,铸件的形状、尺寸与零件是不一样的,模样的 尺寸、形状与铸件也不一样。零件、模样与铸件三者之 差异量,称为工艺参数,主要有下列各项：(1)切削加工余量 (2)起模斜度 (3)收缩量 (4)铸造圆角 (5)型芯头,第二节 特种铸造 特种铸造是指与普通砂型铸造有显著区别的一些铸造方法。一、 熔模铸造 二、 金属型铸造 三 、压力铸造 四 、低压铸造 五 、离心铸造 六 、几种铸造方法的比较,一、熔模铸造 熔模铸造也称“失蜡铸造”或“
19、精密铸造”,是指用易熔材料(通常用蜡料)制成模样，然后在模样上涂挂耐火涂料， 经硬化后，再将模样熔化、排出型外,从而获得无起模斜度、无分型面、带浇注系统的整体铸型进行铸造的方法。基本工艺过程:蜡模制造、结壳、脱蜡、培烧和浇注。,熔模铸造有如下优点： 熔模铸造生产的铸件形状、尺寸精确,公差等级为ITll 14级,表而光洁，粗糙度Rn值为 (12.51.6)m，可 实现少、无切削加工。由于型壳用高级耐火材料制成,故能适应各种合金的铸 造。这对于那些高熔点合金及难切削加工合金(如高锰钢 、磁钢、耐热合金)的铸造尤为可贵。可铸出形状复杂的薄壁铸件以及不便分型的铸件。其最 小壁厚可达0.3mm，铸出的最
20、小孔径为0.5mm。,生产批量不受限制，除适于成批、大量生产外,也可用 于单件生产。熔模造型的主要缺点是材料昂贵、工艺过程复杂、生产 周期长(415天)，成本比较高, 是砂型铸造高数倍。加 之蜡模容易变形,铸件尺寸、重量都不能太大。因此，对于形状复杂和难于切削加工的铸件更适用熔模 铸造。目前，在机械、动力、航空、汽车、拖拉机及仪 表等工业部门有着广泛的应用,适用于大量生产的小型 铸件。,二、金属型铸造 金属型铸造时将液态金属浇入金属铸型，以获得铸件的铸造方法。铸型可以重复使用，又称永久性铸型.,右图为铝活塞的金属型铸造示意图。 该金属型由左半型1和右半型2组成， 采用垂直分型，活塞内腔由组合式
21、 型腔构成。铸件冷却凝固后，先取 出中间型芯4，在取出左、右两侧 型芯3，然后沿水平方向拔出左右 销孔型芯5，最后分开两个半型， 即可取出铸件。,金属型铸造有如下优点： （1）铸件精度高 尺寸精度可达公差等级ITl4ITl2， 表面粗糙度R。值(125-6.3)m。金属型热导性强，铸 件冷却快，组织致密,力学性能明显提高，例如铜合金与 铝合金的金属型铸件的b比砂型铸造生产的提高10 20。 （2）“一型多铸” 金属铸型可铸造上万次，避免了砂型 铸造繁重的造型工作,这样既节约了大量型砂,又提高了 车间而积的利用率,还改善了劳动条件。 （3）生产工序简单,容易实现机械化、自动化,提高了生 产效率
22、由于铸件尺寸精度高，相应加工余量小,可节 省切削加工工时,或无切削加工。,但是,金属型造价高，合金冷凝快，降低了其流动性，铸 件的形状不得太复杂，壁厚也受到限制,工艺过程要求严 格。 金属型铸造主要用于大量生产的小型有色合金铸件。三、压力铸造 在高压下,将液态合金迅速地压入金属铸型,并在压力作用 下凝固而获得铸件的一种方法,简称压铸。常用比压为(5 150)MPa，金属液流速很高,充填铸型的时间只有(0.01 0.2)s。如下图。压力铸造有如下优点： 铸件的精度及表面质量较其他铸造方法均高(尺寸精度 IT1l13,表面粗糙度Ra3.20.8)。因此.压铸件不经机 械加工或仅个别部位加工即可使用
23、。,铸件的强度和硬度都较高。如抗拉强度比砂型铸造提 高2530。因压型的激冷作用，且在压力下结晶， 所以表层结晶细密。 可压铸出形状复杂的薄壁件或镶嵌件。 生产率极高,压铸虽是实现少、无屑加工非常有效的途径,但也存在许 多不足。主要是： 由于压铸型加工周期长、成本高，故压铸只适用于大 批量生产。 由于压铸的速度极高,型腔内气体很难完全排除,常以 气孔形式存留在铸件中。 由于黑色金属熔点高,压型寿命短,故目前黑色金属压 铸在实际生产中应用不多。压力铸造主要用于有色金属的中、小铸件的大量生产， 以铝合金压铸件比例最高(约3035),锌合金次之。,四、低压铸造 低压铸造是介于金属型铸造于压力铸造之间
24、的一种铸造方法。是在较低的压力下，将金属液注入型腔，并在压 力下凝固已获得铸件。,五、离心铸造离心铸造是将熔融金属 注入高速旋转的铸型中， 使其在离心力的作用下 填充铸型并结晶，从而 获得铸件的方法。离心 铸造必须在离心铸造机 立式 卧式 上进行。 离心铸造示意图,离心铸造不用型芯，不需要浇胃口，工艺简单，生产率 和金属的利用率高，成本低，在离心力作用下，金属液 中的气体和夹杂物因比重小而集中在铸件内表面，金属 液自外表面向内表面顺序凝固，因此铸件组织致密，无 缩孔、气孔、夹渣等缺陷，机械性能高，而且提高了金 属液的充型能力。但是，利用自由表面所形成的内孔， 尺寸误差大，内表面质量差，且不适于
25、比重偏析大的合 金。 目前主要用于生产空心回转体铸件，如铸铁管、气缸套、 活塞环及滑动轴承等，也可用于生产双金属铸件。,第三节 铸件结构的设计 铸件结构工艺性通常是指铸件本身结构符合铸造生产 要求，即便与整个工艺过程的进行，有利于保证产品 质量。1、铸件结构应利于简化铸造工艺 为了简化造型、造芯及减少工装制造工作量，便于下芯 和清理，对铸件结构又如下要求：,（1）铸件外形应尽量简单 铸件外形虽然可以很复杂，但在满足零件使用要求的 前提下，应尽量简化外形，减少分型面，以便于造型， 获得优质铸件。下图为端盖铸件的两种结构.,端盖铸件结构,（2）铸件内腔结构应符合铸造工艺要求 铸件的内腔结构采用型芯
26、来形成，这将延长生产周期，增加成本，因此，设计铸件结构时，应尽量不 用或少用型芯。,右图为悬臂支架的两种设计方案，图a采用方形空心截面，须用型芯，图b改为工字形截面，可以省掉型芯。,图 悬臂支架,（3）铸件的结构斜度 铸件上垂直于分型面的不加工面最好有一定的结构斜度， 以便于起模。 如下图中a、b、c、d各件不带结构斜度，不便于起模， e、f、g、h带一定斜度的结构。对不允许有结构斜度的 铸件，应在模样上留出拔模斜度。,（4）组合铸件的应用 对于大型或形状复杂的铸件，可采用组合结构，即先 设计成若干个小铸件进行生产，切削加工后用螺栓连 接或焊接成整体。 下图是大型坐标镗床身(图a)和水压工作缸
27、（图b） 的组合结构示意图。,2 铸件结构应利于避免产生铸件缺陷 铸件的许多缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、变形、浇不 足、冷隔等，有时是由于铸件结构不合理引起的，因 此在设计铸件结构时应考虑以下几个方面：（1）壁厚合理 为防止产生冷隔、浇不足或白口等缺陷， 各种不同的合金视铸件大小、铸造方法不同，其最小壁厚 应受到限制。 减小壁厚，为了保证铸件的强度，可采用加强筋等结构。,(2) 铸件壁厚力求均匀 铸件壁厚均匀，减少厚大部分，可防止形成热节及产生 缩孔、缩松、晶粒粗大等缺陷，并能减少铸造热应力及 所导致的变形和裂纹等缺陷。如图所示顶盖铸件的两种结构设计,图 筋条的分布,铸件上的筋条分布应尽量减少交
28、叉，以防止形成较 大的热节。如下图所示，将图a交叉接头改为图b 的交错接头结构，或采用图c的环形接头，以减少 金属的积聚，避免缩孔、缩松缺陷产生。,（3）铸件壁的正确连接 铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡（图23）。 拐弯和交接处应采用较大的圆角连接（图24）， 避免锐角连接（如图25），可以避免应力集中 而产生开裂。,（4）避免较大的水平面 铸件上水平方向的较大平面，在浇注时金属液面上升 较慢，长时间烘烤铸型表面，使铸件容易产生夹砂、浇不足等缺陷，也不利于夹渣、气体的排除，因此，应尽量用倾斜结构代替过大水平面， 如图所示。,3 铸件结构要便于后续加工,图27所示为电机端盖铸件。原设计图a不便于装夹，该为图b代工艺搭子的结构，能在一次装夹中完成轴孔d和定位环D的加工，并能较好的保证同轴度的要求。,
