材料的液態(tài)成形工藝.ppt

1、第四章 材料的液態(tài)成形工藝 液態(tài)成形是指將液態(tài)（或熔融態(tài)、漿狀）材料注入一定形狀和尺寸的鑄型(Mold)（或模具）型腔(Mold Cavity)中，凝固后獲得固態(tài)毛坯或零件的方法，本章主要介紹金屬的鑄造成形。,第四章 材料的液態(tài)成形工藝,第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介 金屬鑄造(Foundry, Casting)是指將固態(tài)金屬熔煉成液態(tài)，澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，冷凝后獲得鑄件的工藝過(guò)程。 根據(jù)造型材料不同，可將鑄造方法分為砂型鑄造(Sand Casting Process)和特種鑄造(Special Casting Process)兩類(lèi)。 圖4-1所示為砂型鑄造工藝過(guò)程示意圖。,第一節(jié) 金

2、屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,第二節(jié) 鑄造工藝基礎(chǔ)知識(shí) 一、液態(tài)金屬的充型能力 液態(tài)金屬的充型能力(Mold Filling Capacity)是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。 1.金屬液的流動(dòng)性 液態(tài)金屬的流動(dòng)性是指金屬液的流動(dòng)能力。流動(dòng)性越好的金屬液，充型能力越強(qiáng)。流動(dòng)性的好壞，通常用在特定情況下金屬液澆注的螺旋形試樣的長(zhǎng)度來(lái)衡量，如圖4-2所示。 圖4-3為鐵碳合金的流動(dòng)性與成分的關(guān)系。 2.澆注(Pouring)條件 3.鑄型特性 為改善鑄型的充填條件，在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)必須保證其壁厚(Wall Thickness)不小于規(guī)定的“最小壁厚”(如表4-1所示)。,第一節(jié) 金屬鑄造

3、工藝簡(jiǎn)介,二合金的凝固特性 合金從液態(tài)到固態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變稱(chēng)為凝固(Solidification)或一次結(jié)晶(Crystallization) 1.逐層凝固 純金屬、二元共晶成分合金在恒溫下結(jié)晶時(shí)，凝固過(guò)程中鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱悖孛嫔瞎桃簝上嘟缑娣置?，隨著溫度的下降，固相區(qū)由表層不斷向里擴(kuò)展，逐漸到達(dá)鑄件中心，這種凝固方式稱(chēng)為“逐層凝固”，如圖4-4a。 2.體積凝固 當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件截面溫度梯度很小，鑄件凝固的某段時(shí)間內(nèi)，其液固共存的凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個(gè)鑄件截面，這種凝固方式稱(chēng)為“體積凝固”（或稱(chēng)糊狀凝固），如圖4-4c。,第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,3中間凝固

4、金屬的結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬，但鑄件截面溫度梯度大，鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谥饘幽膛c體積凝固之間，稱(chēng)為“中間凝固”方法，如圖4-4b。 合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固；對(duì)于一定成分的合金，結(jié)晶溫度范圍已定，凝固方式取決于鑄件截面的溫度梯度，溫度梯度越大，對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固，如圖4-5。,第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,三、合金的收縮性 1. 收縮及其影響因素 鑄件在冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸縮小的現(xiàn)象稱(chēng)為收縮，它是鑄造合金固有的物理性質(zhì)。金屬?gòu)囊簯B(tài)冷卻到室溫，要經(jīng)歷三個(gè)相互聯(lián)系的收縮階段： 液態(tài)收縮從澆注溫度冷卻至凝固開(kāi)始溫度之間的收縮。 凝固

5、收縮從凝固開(kāi)始溫度冷卻到凝固結(jié)束溫度之間的收縮。 固態(tài)收縮從凝固完畢時(shí)的溫度冷卻到室溫之間的收縮。 不同成分合金的收縮率不同，表4-2列出幾種鐵碳合金的體積收縮率。,第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,2收縮導(dǎo)致的鑄件缺陷 (1)縮孔和縮松 鑄件在凝固過(guò)程中，由于金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成的體積減小得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。其中容積較大而集中的稱(chēng)縮孔，細(xì)小而分散的稱(chēng)縮松。縮孔和縮松的形成過(guò)程示意圖分別見(jiàn)圖46和圖47。使鑄件的凝固按薄壁厚壁冒口的順序先后進(jìn)行，讓縮孔移入冒口中，從而獲得致密的鑄件，如圖4-8所示。,第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,(2)鑄造應(yīng)力、變形和裂紋 鑄造應(yīng)力按

6、其形成原因的不同，分為熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等。 減少鑄造應(yīng)力就應(yīng)設(shè)法減少鑄件冷卻過(guò)程中各部位的溫差，使各部位收縮一致，如將澆口開(kāi)在薄壁處，在厚壁處安放冷鐵，即采取同時(shí)凝固原則，如圖4-9所示。 鑄造應(yīng)力是導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生變形和開(kāi)裂的根源。圖4-10為“T”形鑄件在熱應(yīng)力作用下的變形情況，虛線表示變形的方向。 當(dāng)鑄造應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋有熱裂紋和冷裂紋兩種。,第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,四、合金的吸氣性及氣孔 液態(tài)金屬在熔煉和澆注時(shí)能夠吸收周?chē)鷼怏w的能力稱(chēng)為吸氣性。氣孔是鑄件中最常見(jiàn)的缺陷。 1.析出性氣孔 溶入金屬液的氣體在鑄件冷凝過(guò)程中，隨溫度下降，合金液對(duì)氣體的溶解度下降，

7、氣體析出并留在鑄件內(nèi)形成的氣孔稱(chēng)為析出性氣孔。 2.侵入性氣孔 造型材料中的氣體侵入金屬液內(nèi)所形成的氣孔稱(chēng)為侵入性氣孔。 3.反應(yīng)性氣孔 反應(yīng)性氣孔主要是指金屬液與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔。,第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,五、常用鑄造合金的鑄造性能特點(diǎn) 1.鑄鐵 (1)灰口鑄鐵 (2)球墨鑄鐵 (3)可鍛鑄鐵 2.鑄鋼 鑄鋼的鑄造性能差。鑄鋼的流動(dòng)性比鑄鐵差，熔點(diǎn)高，易產(chǎn)生澆不足、冷隔和粘砂等缺陷。鑄鋼的收縮性大，產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋等缺陷的傾向大 。 3.鑄造有色金屬 常用的有鑄造鋁合金、鑄造銅合金等。它們大都具有流動(dòng)性好，收縮性大，容易吸氣和氧化等特點(diǎn)，特別容易產(chǎn)生氣孔、夾渣缺陷。 六

8、、新型材料金屬間化合物及其鑄造性能特點(diǎn),第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,第三節(jié) 砂型鑄造 砂型鑄造（Sand Casting）就是將液態(tài)金屬澆入砂型的鑄造方法。 一、造型方法的選擇 1手工造型 2機(jī)器造型 (1)震壓造型 圖4-11所示為震壓造型過(guò)程。 (2)拋砂造型 圖4-12為拋砂機(jī)的工作原理。 (3)射砂造型 射砂緊實(shí)方法除用于造型外多用于制芯。圖4-13為射砂機(jī)工作原理。 二、砂型鑄造常見(jiàn)缺陷 表4-3列出了鑄件常見(jiàn)的幾種缺陷及其產(chǎn)生的主要原因。,第三節(jié) 砂型鑄造,第四節(jié) 特種鑄造 在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展出一些區(qū)別于砂型鑄造的其它鑄造方法，我們統(tǒng)稱(chēng)為特種鑄造（Special Casting Pro

9、cesses）。 一、金屬型鑄造 金屬型鑄造（Permanent Mould Casting）是將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的鑄造方法。圖4-14為活塞的金屬型鑄造示意圖。 二、熔模鑄造 1基本工藝過(guò)程 熔模鑄造的工藝過(guò)程如圖4-15所示。主要包括蠟?zāi)＃╓ax pattern）制造、結(jié)殼、脫蠟（Dewax）、焙燒和澆注等過(guò)程。 2熔模鑄造的特點(diǎn)和應(yīng)用,第四節(jié) 特種鑄造,三、壓力鑄造 壓力鑄造(Die Casting)是壓鑄機(jī)上將熔融的金屬在高壓下快速壓入金屬型，并在壓力下凝固，以獲得鑄件的方法。 壓鑄機(jī)分為立式和臥式兩種，圖4-16為立式壓鑄機(jī)工作過(guò)程示意圖。 四、低壓鑄造 低壓鑄造(L

10、ow-Pressure Die Casting)是介于金屬型鑄造和壓力鑄造之間的一種鑄造方法。是在較低的壓力下，將金屬液注入型腔，并在壓力下凝固，以獲得鑄件，如圖4-17所示。 五、離心鑄造 離心鑄造(Centrifugal Casting)是將熔融金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使其在離心力作用下填充鑄型和結(jié)晶，從而獲得鑄件的方法。按鑄型旋轉(zhuǎn)軸線的空間位置不同，離心鑄造分為立式和臥式兩種，如圖4-18所示。 六、鑄造方法的選擇 表4-4列出了幾種常用的鑄造方法，供選擇時(shí)參考。,第四節(jié) 特種鑄造,第五節(jié) 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性 一、鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)利于避免或減少鑄件缺陷 1.壁厚合理 通常情況下，設(shè)計(jì)鑄件壁厚時(shí)應(yīng)

11、首先保證金屬液的充型能力，在此前提下盡量減小鑄件壁厚。若鑄件壁的承載能力或剛度不能滿足要求時(shí)，可采用加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)。圖4-19為臺(tái)鉆底板設(shè)計(jì)中采用加強(qiáng)筋的例子 。 2.鑄件壁厚力求均勻 鑄件壁厚均勻，可防止形成熱節(jié)而產(chǎn)生縮孔、縮松、晶粒粗大等缺陷，并能減少鑄造熱應(yīng)力及因此而產(chǎn)生的變形和裂紋等缺陷。如圖4-20所示鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鑄件上的筋條分布應(yīng)盡量減少交叉，以防形成較大的熱節(jié)，如圖4-21。,第五節(jié) 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性,3.鑄件壁的連接 鑄件不同壁厚的連接應(yīng)逐漸過(guò)渡（見(jiàn)表4-5）。拐彎和交接處應(yīng)采用較大的圓弧連接（如圖4-22），避免銳角結(jié)構(gòu)而采用大角度過(guò)渡（如圖4-23），以避免因應(yīng)力集中而產(chǎn)生

12、開(kāi)裂。 4.避免較大水平面 鑄件上水平方向的較大平面，在澆注時(shí)，金屬液面上升較慢，長(zhǎng)時(shí)間烘烤鑄型表面，使鑄件容易產(chǎn)生夾砂、澆不足等缺陷，也不利于夾渣、氣體的排除，因此，應(yīng)盡量用傾斜結(jié)構(gòu)代替過(guò)大水平面，如圖4-24所示。,第五節(jié) 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性,二、鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)利于簡(jiǎn)化鑄造工藝 1. 鑄件外型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單 在滿足鑄件使用要求的前提下，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化外形，減少分型面，以便于造型，獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。 圖425所示鑄件的外型設(shè)計(jì)。 鑄件上的凸臺(tái)、加強(qiáng)筋等要方便造型，盡量避免使用活塊。圖4-26所示的凸臺(tái)設(shè)計(jì)。 鑄型的分型面若不平直，如圖4-27所示鑄件的設(shè)計(jì)。 2. 鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)應(yīng)符合鑄造工藝要求 鑄件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

13、采用型芯來(lái)形成，這將延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，增加成本，因此，設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量不用或少用型芯。圖4-28為懸臂支架的兩種設(shè)計(jì)方案 。 在必須采用型芯的情況下，應(yīng)盡量做到便于下芯、安裝、固定以及排氣和清理。如圖4-29所示的軸承架鑄件。,第五節(jié) 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性,3. 鑄件的結(jié)構(gòu)斜度 鑄件上垂直于分型面的不加工面最好具有一定的結(jié)構(gòu)斜度，以利于起模，同時(shí)便于用砂垛代替型芯（稱(chēng)為自帶型芯），以減少型芯數(shù)量。如圖4-30中的設(shè)計(jì)比較。 4. 組合鑄件的應(yīng)用 對(duì)于大型或形狀復(fù)雜的鑄件，可采用組合結(jié)構(gòu)，即先設(shè)計(jì)成若干個(gè)小鑄件進(jìn)行生產(chǎn)，切削加工后，用螺栓連接或焊接成整體。圖4-31為大型坐標(biāo)鏜床床身（圖4-31a）

14、和水壓機(jī)工作缸（圖4-31b）的組合結(jié)構(gòu)示意圖。,第五節(jié) 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性,三、鑄件結(jié)構(gòu)要便于后續(xù)加工 大多數(shù)鑄件都要經(jīng)過(guò)切削加工才能滿足使用要求。因此，鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮減少加工量和便于加工。圖4-32所示為電機(jī)端蓋鑄件。,第五節(jié) 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性,第六節(jié) 計(jì)算機(jī)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介 圖4-33為傳統(tǒng)的鑄造過(guò)程與實(shí)現(xiàn)了CAD、CAM的鑄造過(guò)程比較。 一、系統(tǒng)組成 微機(jī)測(cè)試與控制系統(tǒng)的組成如圖4-34所示。 二、測(cè)試系統(tǒng)的工作過(guò)程 在鑄造測(cè)試技術(shù)中，應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)溫度、壓力、流量和濕度等物理量進(jìn)行檢測(cè)或多參數(shù)巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理，并給出必要的打印或顯示輸出等。其優(yōu)點(diǎn)是速度快、效率高、

15、精度高。 微型計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖如圖4-34所示。,第六節(jié) 計(jì)算機(jī)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介,三、控制系統(tǒng) 1.控制方式 (1)離線控制 (2)在線控制 2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC) DDC系統(tǒng)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制的主要形式之一。生產(chǎn)過(guò)程各參數(shù)經(jīng)計(jì)算機(jī)測(cè)量運(yùn)算后，以數(shù)字形式輸出，直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以控制生產(chǎn)過(guò)程。如圖4-35所示。,第六節(jié) 計(jì)算機(jī)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介,本章學(xué)習(xí)指南： 1.重點(diǎn)內(nèi)容：鑄造工藝基礎(chǔ)部分。應(yīng)掌握合金成分、工藝條件對(duì)液態(tài)合金充型能力、合金收縮性、吸氣性等鑄造性能的影響，以便能夠分析不同合金獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的難易程度，并分析應(yīng)采取的工藝措施。 2.難點(diǎn)內(nèi)容：注意有些防止鑄件缺陷的工藝措施是相互矛盾的，如高溫澆注有利于金屬液充型，但易產(chǎn)生粘砂缺陷；鑄件順序凝固有利于補(bǔ)縮，但易產(chǎn)生熱應(yīng)力，等。因此，應(yīng)綜合考慮鑄件合金、結(jié)構(gòu)等因素，先解決主要矛盾，再采取措施解決其他問(wèn)題。 3.本章與其他章節(jié)的聯(lián)系：材料的液態(tài)成形是最基本的成形方法，在金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料中被廣泛應(yīng)用，與材料的固態(tài)塑性變形、連接（粘接）成形及粉末冶金成形一起成為制造工業(yè)獲得坯件的主要手段。,本章學(xué)習(xí)指南,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表,第四章 圖表