第一章砂型制造

材料成形工藝

重慶文理學(xué)院張杰材料成形工藝一切用物理、化學(xué)、冶金原理制造機(jī)器零部件工程結(jié)構(gòu)，并以改進(jìn)相應(yīng)化學(xué)成分、微觀組織及性能的方法和技術(shù)。緒論

Introduction一、中國材料成形工藝的發(fā)展情況材料成形工藝—由液態(tài)金屬的鑄造成形、固態(tài)金屬的塑性成形、金屬材料的焊接成形和高分子材料成形組成。材料成形工藝是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)其生產(chǎn)能力及其工藝水平對國家的工、農(nóng)、國防和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有重大影響。中國材料鑄造成形已有6000年悠久的歷史，是世界上較早掌握鑄造技術(shù)文明古國之一，2500多年以前(公元前513年)就鑄出270kg的鑄鐵刑鼎，商朝起就已創(chuàng)造了燦爛的青銅文化。河南安陽晚商遺址出土司母戊鼎重量：857kg外形尺寸:長×寬×高（133×78×110cm）此鼎重量是迄今為世界上最古老的大型青銅器司母戊鼎商代青銅獸商代中期獸面紋甲戰(zhàn)國青銅馴獸人材料成形工藝（鑄造和焊接）是中國在世界上應(yīng)用最早的國家之一，1975年甘肅東鄉(xiāng)林家馬家窯文化遺址(約公元前3000左右)出土一件青銅刀，這是目前在中國發(fā)現(xiàn)的最早的青銅器，早期中國古代兵器的制造是鍛和鑄并存，商朝晚期雙頭龍蜈蚣紋戈吳越復(fù)合劍制造技術(shù)：對兵器不同部位分別制造，用鑄接技術(shù)連接。春秋戰(zhàn)國時代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復(fù)合材料很好的例子梯度材料古代劍刃截面圖越王勾踐劍吳越青銅兵器技術(shù)三絕1、菱形紋飾：表面滲金屬技術(shù)，2、劍首同心圓：精密鑄造技術(shù)，3、青銅復(fù)合劍合金化技術(shù)曾侯乙編鐘：編鐘為公元前433年楚惠王時期的鑄品，1978年出土于隨州曾侯乙墓內(nèi)，曾侯乙編鐘由64件分8組組成，最大鐘重203.6kg，最小的鐘重2.4kg，全套總重約5t多，鐘面鑄有變體龍紋和花卉紋飾，有的細(xì)如發(fā)絲。鐘上鑄有鍍金銘文2800多字。曾侯乙編鐘編鐘的鐘音、音階與現(xiàn)代C大調(diào)七聲音階相同全套鐘音域?qū)挾瓤?個八度，十二律半音均齊，每個鐘均能發(fā)正鼓音與側(cè)鼓音，這套編鐘鑄造技術(shù)精湛，發(fā)音準(zhǔn)確，雄居古編鐘之首。滄洲鐵獅五代后周廣順三年（公元953年）鑄造，重40噸山西晉祠鐵人北宋紹圣四年（公元1097年）鑄造黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)中國的鑄、鍛成形，歷史悠久，在明朝以前，處于領(lǐng)先水平，由于長期手工作坊，不重視科技，處于落后狀態(tài)。

美國M3中型坦克炮塔為整體鑄造成型，生產(chǎn)容易,根據(jù)炮塔的形狀制作模具，將鋼水澆入模具，冷卻后進(jìn)行必要的修整，炮塔鑄造就完成了。鑄造和焊接的炮塔炮塔構(gòu)采用鑄造，發(fā)揮整體鑄造結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在主迎彈面上采用焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)合裝甲模塊，把面、背板和復(fù)合夾層組合成整體的裝甲模塊組件。美國M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克

中國96式和99式坦克采用了鑄、焊混合結(jié)構(gòu)炮塔和復(fù)合裝甲改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，鑄、鍛、焊生產(chǎn)突飛猛進(jìn)，取得了輝煌成就。殲10飛機(jī)殲11飛機(jī)東風(fēng)41導(dǎo)彈殲-20隱形戰(zhàn)機(jī)火炮中國99型主戰(zhàn)坦克094戰(zhàn)略核潛艇中國預(yù)警飛機(jī)岸艦導(dǎo)彈潛艇發(fā)射導(dǎo)彈中國激光武器中國激光武器鞍鋼攀鋼夜景新中國的大型鋼鐵基地一萬二千噸水壓機(jī)三萬噸模鍛水壓機(jī)中國第一顆人造衛(wèi)星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸“神舟二號”飛船運(yùn)往發(fā)射工位

“神舟”一號飛船

“神舟”一號發(fā)射成功“神舟”二號發(fā)射成功“神舟”三號發(fā)射成功“神舟”四號發(fā)射成功“神舟”三號飛船

“神舟”四號飛船楊利偉升空返回全人類共同的家園飛天返回艙天宮一號突破對接技術(shù)天宮一號的實(shí)驗艙和資源艙中國是鑄、鍛、焊成形的大國，不是強(qiáng)國，存在問題:

生產(chǎn)效率低，技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱二、材料成形工藝的作用和地位機(jī)械、石油化工、冶金、航天航空、輕工等汽車的零件有80%～90%為成形工藝生產(chǎn)發(fā)動機(jī)罩（鋼板，沖壓）前燈：透鏡（玻璃）聚光罩（鋼板沖壓）前窗玻璃（鋼化玻璃或夾層玻璃）車門（鋼板，沖壓）頂蓋（鋼板、沖壓）輪胎（橡膠，壓出）擋泥板（鋼板，沖壓）儀表板（鋼板，沖壓）（塑料，注射）（鎂合金，鑄造）激光焊接底板，及側(cè)框與車頂橫梁的固定焊接三、材料成形工藝的特點(diǎn)（1）、材料在熱態(tài)成形澆注零件鑄造成形零件鍛造成形正在焊接零件高分子材料注射成型（2）、材料利用率高（3）、產(chǎn)品性能好（4）、產(chǎn)品尺寸規(guī)格一致（5）、勞動生產(chǎn)率高（6）、熱加工精度比冷加工精度低四、材料成形工藝的分類液態(tài)金屬鑄造成形固態(tài)金屬塑性成形金屬材料連接成形高分子材料成形五、材料成形工藝的發(fā)展趨勢1、精密成形工藝發(fā)展趨勢：以輕代重，以薄代厚，少無切削精密化，高效自動化。如精密鑄件、精密鍛件、板材精密沖裁

精密鑄件軸方法蘭板材精密沖裁產(chǎn)品2、復(fù)合成形工藝復(fù)合成形工藝有：鑄、鍛復(fù)合；鍛、焊復(fù)合；鑄、焊復(fù)合。3、材料成形過程的計算機(jī)數(shù)值模擬4、模具、模型及工裝的計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）美國M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克

鑄造和焊接混合結(jié)構(gòu)的炮塔中國98式主戰(zhàn)坦克鑄、焊混合結(jié)構(gòu)炮塔和復(fù)合裝甲六、課程的性質(zhì):是一門從生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來，而又直接為生產(chǎn)服務(wù)的科學(xué)，是一門密切結(jié)合實(shí)際的科學(xué)，它是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程

七、課程的目的：1.掌握材料成形工藝的基本過程與特點(diǎn)2.掌握材料成形工藝設(shè)計的基本內(nèi)容和思路3.掌握鑄、鍛、焊及高分子成形工藝（包括新技術(shù)）的原理和方法教學(xué)基本要求教學(xué)安排平時成績(40%)，期末考試(60%)本課程學(xué)習(xí)建議1、認(rèn)真聽講,作好筆記2、課后看書,完成作業(yè)第一篇鑄造工藝與鑄造工裝設(shè)計【學(xué)習(xí)指導(dǎo)】

以砂型鑄造與鑄造工藝設(shè)計為主線。

重點(diǎn)掌握砂型鑄造工藝設(shè)計的原則、工藝分析、工藝計算、工裝設(shè)計和應(yīng)用。課后能夠承擔(dān)中等復(fù)雜程度鑄件的工藝、工裝設(shè)計任務(wù)。

緒論

第一章砂型與砂芯制造

第二章鑄造工藝方案的確定

第三章澆注系統(tǒng)的設(shè)計

第四章冒口、冷鐵與鑄肋

第五章鑄造工藝圖與實(shí)例分析

第六章鑄造工藝裝備設(shè)計

第一節(jié)鑄件綜合質(zhì)量觀交貨期1.鑄件綜合質(zhì)量觀內(nèi)在質(zhì)量外觀質(zhì)量價格↓

第一章砂型與砂芯制造

2.鑄件質(zhì)量三個等級

（JB/JQ82001—1990）質(zhì)量品牌一等品：鑄件質(zhì)量達(dá)到當(dāng)代工業(yè)發(fā)達(dá)國家20

世紀(jì)80年代初水平，滿足出口要求。優(yōu)等品：達(dá)到國際同類鑄件的當(dāng)代先進(jìn)水平。

合格品：鑄件質(zhì)量滿足用戶（甲方）要求；鑄件生產(chǎn)過程中（乙方）質(zhì)量穩(wěn)定。3.鑄造廠商三大經(jīng)營準(zhǔn)則效率優(yōu)先

質(zhì)量第一

成本低廉第二節(jié)鑄型工作條件及其與金屬的相互作用第二節(jié)鑄型工作條件及其與金屬的相互作用熱的作用1.鑄型工作條件惡劣力的作用壓鐵壓鐵化學(xué)作用2.處于惡劣工作條件的部分是砂型接觸區(qū)

砂型接觸區(qū)——與金屬液直接接觸及其受影響的薄層（面砂層），與鑄件壁厚相當(dāng)。3.金屬與砂型接觸區(qū)的相互作用

機(jī)械作用——沖擊與沖刷等；

熱的作用——由熱交換引起；

化學(xué)作用——有機(jī)物、炭粉燃燒。

結(jié)果：1）導(dǎo)致鑄件尺寸、形狀和性能改變；

2）鑄件可能出現(xiàn)表面夾砂、內(nèi)外孔洞（氣孔、砂眼）、裂紋和變形等缺陷。第三節(jié)砂型與砂芯1.型（芯）砂的性能要求

1）強(qiáng)度（濕態(tài)抗壓強(qiáng)度、干態(tài)抗拉強(qiáng)度）

2）可塑性

3）透氣性

4）對鑄件收縮的退讓性

5）耐火度和化學(xué)穩(wěn)定性

6）出砂性（潰散性）2.常用鑄鐵濕型砂配料1）原砂硅砂（SiO2，熔點(diǎn)：1713℃）以圓形顆粒為優(yōu)。按wSiO2(≥80﹪~95﹪)分成7級(GB/T9442—1998)，泥含量越少越好。硅砂主要應(yīng)用于鑄鐵和鑄造有色合金。

粘土型砂結(jié)構(gòu)示意圖

1-原砂粒2-孔洞

3-附加物4-粘土、水分膠體

粘土水濕后使型砂具有粘結(jié)性和可塑性。干態(tài)下具有一定強(qiáng)度。粘土的粘結(jié)力基于粘土質(zhì)點(diǎn)的水化作用，形成水化膜，對原砂粒起著“橋”的作用而使之連結(jié)起來。

加入適量的蘇打(Na2CO3)

水對粘土進(jìn)行活化處理可提高粘土的粘結(jié)性和可塑性。

2）粘土（Al2O3-2SiO2-2H2O）與水分

粘土型砂中水分

控制原理圖3）附加物（煤粉、渣油、淀粉等）作用：改善鑄件表面質(zhì)量。機(jī)理：在合金液的高溫作用下于鑄型表面產(chǎn)生大量還原性氣體（CO）,防止金屬液被氧化，使金屬液表面的氧化物被還原。加入量：3﹪-8﹪（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

東風(fēng)汽車公司鑄造工廠濕型砂性能及成分配比實(shí)例見表一、表二。表一：東風(fēng)汽車公司鑄造工廠鑄鐵濕型砂性能用途

鑄件型砂性能

W水分（﹪）緊實(shí)度（﹪）透氣率濕壓強(qiáng)度/KPaW泥分（﹪）干拉強(qiáng)度

/KPa

其他

高壓造型單一砂

氣缸體（HT250）

3.8-4.632-46≥110

130-17010-15

有效煤粉6-8有效粘土7-9

曲軸（QT700-2）3.6-4.032-40≥100120-150≤15有效煤粉4-6有效粘土7-9

橋殼（QT400-10）5.0-6.035-45≥120110-14010-13.5有效粘土

8-10

擠壓造型

單一砂

灰鑄鐵小件3.5-4.4

36-44≥100120-150≤14有效煤粉4-6有效粘土7-9

球鐵小件4.6-5.334-45≥100120-150

表二：東風(fēng)汽車公司鑄造工廠濕型砂配比用途

鑄件型砂配比舊砂新砂粘土

煤粉

蘇打

（以粘土為基）

其他

高壓造型單一砂

氣缸體（HT250）

965.01.321.24

水液3-4

曲軸（QT700-2）965.01.35-1.80.75-1.1

水液3

橋殼（QT400-10）95.25.51.00.8

水液3

擠壓造型

單一砂

灰鑄鐵小件965.01.35-1.80.75-1.1

水液3

球鐵小件93-955.51.0-1.50.3-0.5

水液33、鑄鋼用砂1)粘土砂要求：高的耐火度，好的透氣性，低的容讓性和低的發(fā)氣性等。特點(diǎn)：

新砂比例大，顆粒粗，泥分少；重要的大型鑄鋼件用鎂砂（MgO）、鋯砂（ZrSiO2），盡管價格較貴；一般用干型，表面刷涂料。成分配比：見表三。

2)

水玻璃砂

用鈉水玻璃（Na2O·mSiO2·nH2O）作粘結(jié)劑，以CO2快速硬化，形成CO2硬化砂。常用于鑄鋼件。

反應(yīng)式：

Na2O·mSiO2·

(n+1)H2O+CO2=Na2CO3+mSiO2·pH2O+(n-p)H2O

水玻璃模數(shù):

M=nSiO2/nNa2O=1.033(WSiO2/WNa2O)

水玻璃密度：水玻璃溶液中硅酸含量。一般控制在1.45-1.6g/cm2

表三：鑄鋼用粘土砂成分與性能

種類成分（質(zhì)量比）（﹪）性能新砂舊砂膨潤土粘土水分其他濕透氣率濕壓強(qiáng)度/104Pa

干拉強(qiáng)度

/104Pa粒度用量

濕型3020～3080～703-85-6紙漿1-1.5≥100

4.9-5.88

干型85505010-146.8-8糖漿

3≥806.37-7.84≥9.8

水玻璃砂（M=2-3）

粗100燒堿水0.74-54-5水玻璃

8-9≥1002.45-2.94≥1474、有機(jī)粘結(jié)劑砂

——主要用于芯砂配制。

分為植物油砂、合脂砂和樹脂砂1）植物油砂（桐油、亞麻油、豆油等）

特性：高的干強(qiáng)度，低的發(fā)氣量，小的吸濕性。流動性好，不粘模。但濕強(qiáng)度低。砂芯具有良好的容讓性、透氣性和潰散性。

油砂配制工藝：

選中等粒度的原砂；桐油加入量1﹪-3﹪（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；粘土量控制在1﹪左右（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；

水分控制在3﹪左右（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；烘干溫度

200-250℃/1-2小時

應(yīng)用：

因桐油資源寶貴，現(xiàn)在很少用于大量生產(chǎn)，主要用在小批量復(fù)雜砂芯制造中。2）合脂砂

合脂為制皂殘液。經(jīng)煤油或汽油稀釋用作粘結(jié)劑，價格較低。稀釋比為10：6～10：10。多用來制造非鐵合金鑄件的制芯?？蛇m量加入紙漿、粘土和水分。烘干溫度：200-240℃/1-3小時3）樹脂砂（錄象）

用人工合成樹脂替代植物油、合脂作芯砂粘結(jié)劑是一大發(fā)明，使型芯質(zhì)量和制芯效率明顯提高。鑄造用人工合成樹脂，常用熱塑性樹脂。市場供應(yīng)主要有酚醛樹脂和呋喃Ⅰ、Ⅱ型樹脂。使用時另加一定量的化學(xué)固化劑。樹脂砂按制芯工藝和硬化方法不同分為：

殼芯樹脂砂；

熱芯盒樹脂砂；

冷芯盒樹脂砂。●殼芯樹脂砂及其制芯

殼芯樹脂砂配方實(shí)例原砂原砂粒度酚醛樹脂

烏洛托品水/烏洛托品硬脂酸鈣干拉強(qiáng)度/104Pa

應(yīng)用占砂量占樹脂100100.741：10.35245-343中小殼芯10021或156-7151：1245-343大型殼芯10021或156

1：10.2-0.3245-343

細(xì)長芯16

用殼芯樹脂砂制芯可得到薄殼芯

殼芯樹脂砂又稱覆膜砂。

酚醛樹脂在芯盒模壁溫度200-280℃時熔化而包覆砂粒表面，起到連橋作用，形成相對堅硬的薄殼。

●

模腔中部樹脂未能熔化，對眾多砂粒形成不了連橋而松散，它們將隨芯盒旋轉(zhuǎn)、搖擺回送砂斗，可繼續(xù)使用。這樣能夠得到薄殼中空型芯。

好處：既節(jié)約原材料，又可利于型芯排氣?！裼脷ば緲渲爸菩镜姆椒?/p>

用頂吹法或底吹法將殼芯樹脂砂吹入預(yù)熱至200-280℃的金屬芯盒中受熱固化薄層。

芯盒旋轉(zhuǎn)、搖擺而將砂芯內(nèi)未能固化的松散樹脂砂回送砂斗。

殼芯在芯盒內(nèi)進(jìn)一步固化后即可開模取芯?！駸嵝竞袠渲凹捌渲菩?/p>

用原砂2﹪-3﹪（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的呋喃Ⅰ、Ⅱ型樹脂作粘結(jié)劑。用20﹪樹脂量的氯化銨、尿素水溶液作固化劑。

氯化銨：尿素：水=1：3：3（質(zhì)量配比）即可得到熱芯盒樹脂砂。（混砂錄象）●熱芯盒樹脂砂制芯工藝

方法：用射芯機(jī)制芯；芯盒預(yù)熱溫度：180-260℃；硬化時間：

30-40秒。缺點(diǎn)：有少量氨氣放出，污染車間環(huán)境。建議用無氮樹脂，即呋喃Ⅰ、Ⅱ型樹脂作粘結(jié)劑。●冷硬樹脂砂制芯工藝

用冷硬樹脂砂