1、材料成形技术基础 Fundamental of Materials Forming 第8章 铸造成形工艺 Casting Forming,8-1 铸造成形理论基础 金属液态成形铸造（casting ）：液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。 优点：适应性广 ；成本较低 ，易于成形。能够形成复杂的内腔 。,一、 熔融合金的流动性及充型能力1. 流动性液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。,影响合金流动性的因素 合金成分 共晶成分的合金 凝固温度最低，恒温下结晶。逐层凝固（共晶合金和纯金属） 逐层凝固 ：表层逐渐
2、向中心凝固，固液界面比较滑，对液态合金的流动阻力较小。 糊状凝固 ：合金在一定温度范围内凝固，由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降。结晶温度区间越宽，流动性越差。,2、充型能力考虑铸型及工艺因素影响时熔融金属的流动性。影响充型能力的因素（1）流动性：熔融金属本身的流动能力，是影响充型能力的主要因素之一。（2）浇注温度及铸型条件浇注温度：铸钢为15201620；铸铁12301450；铝合金为680780。浇注温度高，液态合金的粘度下降；过热多大，液态合金所含热量增加，因而液态合金传给铸型的热量增多，减缓了合金的冷却速度，这大大提高了充型能
3、力。因此，提高合金的浇注温度，是改善充型能力的重要工艺措施。,铸型条件对充型能力有很大影响。铸型中凡是能增加金属流动阻力、降低流速和提高金属冷却速度的因素，均会降低合金的充型能力。铸型压力、畜热系数；铸件与浇铸系统结构。,二、合金的收缩 合金的收缩：合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。液态收缩：（T浇）-液相线温度Tl间的收缩。凝固收缩：（Tl）-固相线温度Ts间的收缩。固态收缩：（Ts）到室温间的收缩 缩孔：集中在铸件上容积较大的孔洞。 缩松 ：分散在铸件某些区域内的细小孔洞。防止缩孔、缩松的方法：1、选用结晶温度范围窄的合金。2、顺序凝固顺序凝固：冒口放在厚大部位，冒口本身最后凝
4、固。 为了实现顺序凝固，安放冒口（补缩） 和增设冷铁 （钢和铸铁，加快某些部位 的冷却速度）。,铸造应力：固态收缩受到阻碍产生的应力 。 铸造热应力：壁厚不均匀、各部分收缩不一致产生的力。 铸造机械应力：合金线收缩受到铸型或型芯的机械阻碍形成的内应力。 减小应力的措施： 1、使铸件同时凝固同时凝固 ：铸件各部分热量分布趋于一致，同时凝固收缩。2、改善退让性 3、去应力退火,三、铸件常见缺陷 冷隔、浇不足充型能力不足。预防：提高浇注温度、浇注速度 气孔在金属液结壳前气体未逸出，在铸件内生成的孔洞。预防：降低金属液含气量；增大型砂的透气性；在型腔的最高处增设出气冒口。 粘砂粘附铸件表面上难以清除的
5、砂粒。机械粘砂、化学粘砂 夹砂在铸件表面形成的沟槽和疤痕 砂眼铸件内部充塞的砂洞。预防：提高型砂的强度；增大模样起模斜度。,胀砂在金属液的压力作用下铸件局部胀大 变形铸造应力大于屈服强度。 预防：反变形量 ，加大加工余量 裂纹铸造应力大于强度极限。热裂：高温下产生热裂。裂纹短、缝隙宽、形状曲折、氧化色。冷裂：在较低温度下形成的裂纹。裂纹细小、呈直线状、裂缝内呈蓝色。大而薄的铸件容易产生冷裂 防止裂纹：减小铸造应力、如铸件壁厚要均匀；增加型砂的退让性；降低合金的脆性控制硫、磷量 。,8-2 砂型（sand mould）铸造工艺,铸 造 生 产 过 程,铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处18
6、5毫米，最薄处94毫米，重w约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54、锡16.40、铝1.12，为泥范铸造。,永乐大钟,一、造型（造芯）方法 手工造型、机器造型手工造型：填砂、紧实和起模都用手工来完成。优点：操作方便灵活、适应性强。生产率低，劳动 强度大，质量 不易保证。故只适用单件、小批量生产。型（芯）砂的性能：强度、透气性、耐火度、退让 性、可塑性。造型：加砂、紧砂和起模用造型机完成大批量生产砂型的主要方法。造芯：制作铸件空心、内凹部分型芯。,铸件生产过程：备砂 造型（芯） 修型（芯） 烘干 下芯 合箱 浇铸（金属熔炼）落砂清理检验。 手工造型常用方法：过程
7、：准备砂箱、 模型 填砂紧实 扎气孔起模开浇口整模造型；分活块造型；挖砂造型；假箱造型；三箱造型；刮板造型。型芯制造：放芯骨紧砂开通气道刷涂料烘干,型砂moulding sand配制造型砂型干燥 工装准备炉料准备合金冶炼 芯砂core sand配制造芯core making型芯干燥,工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇注,落砂shakeout 清理cleaning 铸件检验入库,砂型sand mould铸造工艺流程图,合型浇注凝固冷却,砂型铸造工艺简图,浇注金属,造型、芯,做木模,铸件,空心圆柱的铸造工艺流程,二、砂型铸造工艺设计 铸造工艺图 指导模样（芯盒）设计、生产准备、造型和铸件检验的工艺文
8、件。 在零件图上用规定的红、兰等各色符号表示：浇注位置、分型面、加工余量、收缩率、起模斜度、反变形量、浇、冒口系统、冷铁，铸肋，砂芯数量及芯头大小、下芯次序等。 （一）选择浇注位置遵循原则： 1、重要加工面朝下或位于侧面。 2、铸件的大平面应朝下。 3、面积大的薄壁置于铸型下部、垂直或倾斜位置。 4、厚大部分放上部或侧面 ，以便 定向凝固 。,（二）铸型分型面的选择原则 1、简化工艺、便于起模，使造型工艺简化 尽量使分型面平 直、数量少，避免不必要的活块和型芯。 2、尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱 3、尽量使型腔及主要型芯位于下型 （三）工艺参数的确定 机械加工余量、起模斜度、收缩率、型芯头
9、尺寸等具体参数 灰铸铁加工余量表1-6 、最小铸孔表1-7、型芯头 收缩率,（四）铸造工艺设计的一般程序 1、铸造工艺设计、画铸造工艺图： 产品零件的技术条件和结构工艺性分析。 选择铸造及造型方法。 确定浇注位置和分型面。 选用工艺参数。 设计浇冒口、冷铁和铸肋。 型芯设计。 2、画铸件毛坯图在铸造工艺图基础上 。 3、铸型装配图 4、铸造工艺卡片：说明造型、造芯、浇注、打箱、清理等工艺操作过程及要求,C6140车床进给箱铸造工艺方案分析,车床进给箱铸造工艺图,三、铸件结构设计 1、铸造工艺对铸件结构设计的要求 铸件的外形必须力求简单、造型方便 ，不加工表面，应给出结构斜度， 铸件的内腔必须力
10、求简单、尽量少用型芯 2、合金性能对铸件结构设计的要求 壁厚均匀 内表面及外表面转角的连接处应为圆角 铸件上部大的水平面（按浇注位置）设计成倾斜面 采用能够自由收缩或减缓收缩受阻的结构 厚壁与薄壁相连接要逐步过渡 应采用对称或加肋的结构,8-3 特种铸造 一、熔模铸造（失蜡铸造） 1熔模铸造的工艺过程 制造蜡模 制造型壳 熔化蜡模脱蜡 焙烧浇注 脱壳和清理 2、熔模铸造的特点 （1）铸件形状复杂精度高。（尺寸精度达IT11IT14，表面粗糙度Ra12.51.6m，最小壁厚为0.3mm，最小孔径为0.5mm. （2）铸造合金不受限制， （3）铸件生产批量不受限制 （4）工序繁杂，生产周期长、成本
11、较高； 应用：叶片、泵的叶轮、切削刀具等25kg以下铸件,二、金属型铸造（铸型用金属制成） 种类垂直分型式、水平分型式、复合分型式 金属型铸造的工艺过程表面喷刷涂料 预热金属型浇注 开型 金属型铸造的优缺点及应用 1、有较高的尺寸精度（IT12IT16）2、铸件冷却速度快，晶粒较细，3、可实现一型多铸，劳动生产率高。4、金属型制造成本高 ，不适宜熔点高、形状复杂和薄壁铸件；铸铁件表面易产生白口 应用：大批量生产的铜合金、铝合金铸件，活塞、连杆、汽缸盖等。,三、压力铸造将熔融合金在高压、高速条件下充型的精密铸造方法。（比压： 3070MPa） 压铸机热压室、冷压室（立式、卧式）两类。 压力铸造的
12、优缺点及其应用 1、铸件尺寸精度高，IT11IT13，Ra6.31.6m。 2、可铸壁薄、形状复杂、具有小孔、螺纹的铸件。 3、铸件内部组织极细密， 4、生产率高，可实现半自动化及自动化生产。 5、压铸件皮下易产生气孔，易产生缩孔和缩松； 6、设备投资大，铸型制造周期长、造价高，不宜小批量生产。,四、低压铸造 液体金属在压力（0.020.06MPa）作用下，由下而上 充 填型腔的铸造工艺。特点 ： 压力和速度可以调节；充型平稳无飞溅现象；铸件组 织致密；铸件合格率高，节省金属；设备投资少，劳动条件好。用途：发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等。 五、离心铸造 液体金属在离心力作用下充填铸型并凝固成形
13、的一种铸 造方法 。铸型转速在2501500r/min 特点： 铸中空铸件不用型芯； 提高金属充型能力 ； 补缩条件 好 ； 无浇注系统和冒口，节约金属 。用途：铸铁管、汽缸套、铜套、双金属轴承、无缝管坯、造纸机滚筒等 铸件 。,六、陶瓷型铸造 工艺过程 ：砂套造型 灌浆胶结起模、喷烧 焙烧合型 浇注 特点：尺寸精度和表面粗糙度等与熔模铸造相近 ；铸件的大小不受限制 ；投资少、生产周期短；不适于生产批量大、重量轻或形状复杂的铸件 ； 主要用于：生产厚大的精密铸件,8-4 常用合金铸造生产 一、铸铁 灰铸铁:铸造性能优良，铸造工艺简单，生产中多采用同时凝固原则 灰铸铁主要在冲天炉、电炉熔炼。 孕
14、育处理：铁液中冲入硅铁合金孕育剂处理方法。石墨分布均匀细小，含碳量愈少、石墨愈细小，铸铁的强度愈高。 球墨铸铁 铁液：高碳（Wc=3.6%4.0%） 、低硫、磷、锰。 球化处理：（冲入法）1.0%1.6%稀土镁合金。 孕育：的主要作用是促进铸铁石墨化,二、铸钢件的生产 铸造性能差、熔点高，易氧化；流动性差；收缩大 铸钢的熔炼：电弧炉、平炉、感应电炉 铸造工艺特点： 1、型砂强度、耐火度、透气性要求高人造石英砂。 2、采用定向凝固原则 3、严格控制浇注温度 热处理：wC0.35%均匀化退火；wC0.35%正火。 三、非铁合金铸件的生产 铸件收缩大、实现定向凝固。坩锅炉来熔化。四、常用铸造方法的选
15、择 常用铸造方法比较见表1-18。,第9章 金属塑性成形 塑性成形：利用金属材料的塑性变形规律,在外力的作用下获得具有一定形 状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。 塑性成形的方法：自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制 特点： （1）能改善金属的组织，提高金属的力学性能 （2）可提高材料的利用率 （3）具有较高的生产率 （4）可获得精度较高的毛坯或零件 （5）压力加工不能加工脆性材料（如铸铁）,9-1 金属塑性变形理论基础 一、金属塑性变形的实质金属塑性变形的概念金属塑性变形的实质：晶体内部产生滑移的结果。塑性成形实质：金属在固态下，通过 力使坯料塑性流动（晶体内部产生滑移）。,二、金
16、属塑性变形对组织和性能的影响 （一） 金属在常温下塑性变形后，组织将发生以下变化： 晶粒沿最大变形方向伸长； 晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力； 晶粒间产生碎晶。 （二） 塑性变形对力学性能的影响1、产生加工硬化金属在常温下随着变形量的增加，强度和硬度上升，而塑性和韧性下降的现象，称冷变形强化，又称加工硬化。回复：温度升高时，原子因获得热能，使原子得以回复正常排列，消除了晶格扭曲，部分的消除加工硬化。这一过程叫回复。,再结晶：当温度升高时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶 或杂质为核心，按变形前的晶格结构结晶形成新的晶粒，从而消除了全部 的冷变形强化现象，这个过程叫再结晶。这时的温度叫再结
17、晶温度。在实际生产中，采用加热的方法使金属发生再结晶，再次获得良好的塑性，以便于使金属继续塑性变形产生加工硬化，来提高其强度和硬度。塑性变形产生加工硬化回复再结晶提高塑性塑性变形提高强度和硬度塑性变形有以下两种：冷变形：在再结晶以下的变形叫冷变形。变形过程中无再结晶现象。变形后的金属具有冷变形强化现象。热变形：在再结晶温度以上的变形叫热变形。,2、纤维组织的利用纤维组织对金属的力学性能有很多的 影响，使金属在性能上有了方向性。 （1）变形程度的影响纤维组织的明显程度与金属的变形程度有关。变形程度越大，纤维 组织越明显，金属在纵向（平行于纤维方向）上塑性和韧性越高，而在 横向（垂直纤维方向）上塑
18、性和韧姓降低。常用锻造比来表示变形程度： 锻造比Y锻：拔长Y锻=S0/S；镦粗Y锻=H0/H 碳钢Y锻= 23；合金钢Y锻= 34； 高合金工具钢（高速钢）（Y锻=512）；型材Y锻= 1.11.3,（2）纤维组织的利用 零件工作时正应力方向与 纤维方向一致，切应力方向 与纤维方向垂直。纤维方向的分布与零件 的外形轮廓相符合不被切断 。,三、金属的可锻性（塑性变形性）衡量金属材料在塑性变形时获得优质制品的难易程度。金属的可锻性：塑性和变形抗力来衡量。 1、影响金属可锻性的内在因素化学成分：Wc；合金元素金属组织 ： 2、影响金属可锻性的加工条件变形温度；变形速度；应力状态；,四、金属变形的规律
19、,1、体积不变规律 （1）塑性变形只有形状和尺寸的改变，无体积的变化； （2）不论应变状态如何，必有一个主应变与其它两个主应变的符号相反， 且绝对值最大。 （3）根据两个主应变值，可算出第三个主应变大小。2、最小阻力定律金属在塑性变形过程中，如果金 属质点有向几种方向移动的可能时，则金属各质点将 向阻力最小的方向移动。,9-2 自由锻 一、自由锻工序 基本工序：镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割等 辅助工序：压钳口、压钢锭棱边、切肩等 修整：校正、滚圆、平整 二、自由锻工艺规程的制定 1、绘制自由锻件图 （1）敷料 （2）锻件余量 （3）锻件公差 2、确定坯料质量尺寸 G坯料= G锻件+G烧损+G料
20、头 3、选择锻造工序 4、选择锻造设备 5确定锻造温度范围,三、自由锻件的结构设计 设计原则：满足使用性能，形状应尽量简单。 1锻件上不应具有锥体 或斜面结构。 2锻件几何体的交接处 不应形成空间曲线。3锻件上不应设计出加强筋、 凸台、工字形截面或空间曲线形表面 4设计成由简单件构成的组合体。,9-3 模锻 模锻：在模锻设备上，利用金属锻模使坯料在模膛内受压发生塑性变形的锻造方法。一、锤上模锻的工艺特点 1、可多次连续锤击，逐步成型。 2、锤头的行程、打击速度或打击能量均可调节。 3、金属在上模模膛中具有更好的充填效果 4、适应性广，可生产多种类型的锻件 5、不适合低塑性材料（如镁合金等）。
21、二、锤上模锻锻模结构 制坯模膛：拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛、切断模膛 模锻模膛：终锻模膛、预锻模膛,三、锤上模锻工艺规程的制定 工艺规程：绘制模锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步（模膛）、选择锻造设备、确定锻造温度范围等 1绘制模锻件图 （）分模面 1）应选在模锻件最大水平投影尺寸的截面上。 2）分模面应使上下模模膛轮廓一致。 3）分模面应使零件所加的敷料最少 。 （）加工余量、公差和敷料 （）模锻斜度 斜度为515；内壁比外壁大25,（4）设计时尽量避免有深孔或多孔结构 （5）对复杂锻件，为减少敷料，简化模锻工艺，在可能条件下，应采用锻造焊接或锻造机械连接组合工艺。 五、其它模锻方法 胎模
22、锻是在自由锻设备上用胎模生产模锻件的工艺方法 模锻生产的压力机有摩擦压力机、平锻机、水压机、曲柄压力机,9-4 板料冲压 利用冲模在压力机上 使板料分离或变形， 获得冲压件的加工 方法。 冲压设备：剪床冲床,一、冲压工序及工艺设计 （一）分离工序 分离工序是使板料的一部分与另一部分分离 1冲裁变形过程 （a）弹性变形阶段 （b）塑性变形阶段 （c）剪裂分离阶段 冲裁凸模、凹模锋利， 间隙=510板厚。 冲裁件断面： 1圆角带（塌角） 2光亮带（光面） 3剪裂带；4毛刺。,2整修与精冲 整修：利用模具将冲裁件的边缘切去一小层金属(0.10.4mm) ，从而提高冲裁件断面质量与精度。工件精度：IT
23、76级 精密冲裁：无间隙(负间隙冲裁 )整修 精密冲裁,（二）弯曲工序 1弯曲变形过程与特点 （1）弯曲变形区 （2）最小弯曲半径rmin ：弯曲半径大于rmin （3）中性层：计算弯曲件展开长度的依据。（4）回弹 2、弯曲工艺设计（1）弯曲件的结构工艺性 直边高H2t； L12t （2）毛坯展开尺寸计算 （3）弯曲力的计算 （4）弯曲件的工序安排,（三）拉深 平板形成中空形状的冲压工序 1拉深变形过程与质量控制 衡量拉深变形程度大小的主要工艺参数是拉深系数，它是用拉深件直径与毛坯直径的比值m表示，即m=d/D0。 极限拉深系数：保证拉深正常进行的最小拉深系数。 当冲件的拉深系数小于极限拉深系
24、数时，不能一次拉出，应分几次拉深。 材料第一次拉深的极限拉深系数用m1表示，材料第二次拉深的极限拉深系数用m2表示，以后各次的拉深系数分别为m3、m4 mn。,2筒形件的拉深工艺 （1）拉深件毛坯尺寸计算 （2）拉深系数、拉深次数的确定：保证拉深正常进行，拉深系数应为：表2-13为低碳钢筒形件带压边圈的极限拉深系数。Do毛坯直径，单位为mm； d工件直径，单位为mm，t1mm时取中径. （3）拉深件结构工艺性在变形工序中还有翻边、胀形、缩口等工序,二、冷冲压模具 简单冲模；连续模 ；复合模,图2 简单冲模 1-固定卸料板 2-导料板 3-挡料销 4-凸模 5-凹模 6-定位销 7-上模板 8-
25、凸模固定板 9-凹模固定板 10-导套 11-导柱 12-下模板,图3 连续模 1-模柄 15-螺钉 4、5-冲孔凸模 12-落料凸模 15-导正销 10-固定挡料销 6-卸料板,图4 复合模1-顶件板 2-拉深凸模 5-落料、拉深凸凹模 3-落料凹模 4-弹性压边圈,冷冲模组成： （1）工作零件 使板料成形的零件，有凸模、凹模、凸凹模等。 （2）定位、送料零件 使条料或半成品在模具上定位、延工作方向送进的零部件。主要有挡料销、导正销、导料销、导料板、侧刃、定位板等。 （3）卸料及压料零件 防止工件变形，将工件从模具上卸下或推出的零件。主要有卸料板、顶件器、压边圈、推板、推杆等。 （4）结构零
26、件 在模具的制造和使用中起装配、固定作用的零件，一级在使用中期导向作用的零件。主要有上、下模座，模柄，凸、凹模固定板，垫板，导柱、导套、导筒、导板等。,四、冲压工艺过程制定 制定冲压工艺过程的步骤： （1）分析冲压件的工艺性； （2）拟定冲压件的总体工 艺方案； （3）确定毛坯形状、尺寸 和下料方式； （4）拟定冲压工序性质、 数目和顺序； （5）确定冲模类型和结构形式； （6）选择冲压设备； （7）编写冲压工艺文件。 制定托架工艺实例,方案一：复合冲10孔与落料；弯两边外角和中间两45角；弯中间两角；冲4-5孔。方案二：复合冲10孔与落料（同方案一）；弯两外角；弯中间两角，冲4-5孔（同方案一）。,方案三：复合冲10孔与落料：弯四角：冲4-5孔，方案四：全部工序采用带料连续冲压成形。填写冲压工艺卡,
