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机械制造基础肖民（机械与动力工程学院）mxiao@ecust.edu.cn42学时（理论）课程性质性质：机械制造基础(金属工艺学)是一门有关制造金属零件常用的加工及工艺方法的综合性技术基础课。加工方法铸造压力加工焊接热处理切削加工用材（金属及合金）钢材、锻件、铸件等。热加工工艺毛坯金属材料冷加工工艺零件金属材料或毛坯改善金属材料或毛坯的加工性能和力学性能课程主要内容金属材料导论(工程材料)铸造金属压力加工焊接切削加工金属材料导论铸造压力加工焊接切削加工12543汽车生产物流示意图压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理第二篇铸造定义：将液态金属浇注到具有与零件形状、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（成形）方法，称为铸造，是生产金属零件和毛坯的主要形式之一。铸造的特点性材料材质：不限，特别是脆结构：复杂外形、内腔～壁厚：尺寸：几毫米～十几米重量：几克～几百吨mmm12.02．铸件成本低原材料：来源广、价格低、投资少、易生产铸件：机械加工量相对较小，成本低缺点:1．废品率较高，生产过程难以控制；2．铸件力学性能较差；3．砂型铸造铸件精度较差。优点：1．具有较强的适应性与其他零件成形工艺相比，铸造成形具有生产成本低，工艺灵活性大，不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度限制等特点。铸造不仅是生产毛坯的基本方法，而且用精密铸造还可制得精度高和表面粗糙度低的零件。本篇的内容铸造工艺基础液体合金的充型凝固与收缩铸造内应力、变形和裂纹常用合金铸件的生产砂型铸造特种铸造铸件结构设计第一章铸造工艺基础（一）合金的铸造性能合金的铸造性能是合金铸造成型所表现的工艺性能，主要包括流动性、收缩性等。合金的铸造性能是选择铸造合金、确定铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据，合金铸造性能的好坏，直接影响铸件质量。充型能力液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随着结晶现象，若充型能力不足，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。第一章铸造工艺基础充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。影响充型能力的因素：合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等。如表2-1所示。表1-1影响充型能力的因素和原因序号影响因素定义影响原因1合金的流动性液态金属本身的流动能力流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于对铸件的收缩进行补缩。2浇注温度浇注时金属液的温度浇注温度愈高，充型能力愈强3充型压力金属液体在流动方向上所受的压力压力愈大，充型能力愈强。但压力过大或充型速度过高时，会发生喷射、飞溅和冷隔现象4铸型中的气体浇注时因铸型发气而形成在铸型内的气体能在金属液与铸型间产生气膜，减小摩擦阻力，但发气太大，铸型的排气能力又小时，铸型中的气体压力增大，阻碍金属液的流动7续表1-1影响充型能力的因素和原因5铸型的蓄热系数铸型从其中的金属吸取并存储在本身中热量的能力蓄热系数愈大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于其中保持液态的时间就愈短，充型能力下降6铸型温度铸型在浇注时的温度温度愈高，液态金属与铸型的温差就愈小，充型能力愈强。7浇注系统的结构各浇道的结构复杂情况结构愈复杂，流动阻力愈大，充型能力愈差8铸件的折算厚度铸件体积与表面积之比折算厚度大，散热慢，充型能力好9铸件复杂程度铸件结构复杂状况结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难8液态合金的充型一、合金的流动性（合金的本质属性）是指液态金属的流动能力，在铸造时即表现为液态金属充填铸型的能力。流动性好：合金液体在挠注后不仅可以获得轮廓清晰、尺寸精确、薄而复杂的铸件，而且有助于合金在铸型中收缩时得到补充。有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体的上浮与排除。流动性不好：则铸件会产生浇不足或冷隔缺陷，其他如气空、夹渣和缩孔等缺陷也容易产生。•流动性判定方法：以“螺旋形”试样长度来衡量。•相同浇注条件:合金的流动性越好,所浇出的试样越长。实验得知:灰铸铁、硅黄铜的流动性为最好；铝合金其次；铸钢的流动性最差。流动性判定方法液态合金的充型一合金的流动性影响流动性的主要因素：合金的化学成分、浇注温度以及铸型的充填条件。合金对流动性影响：1)熔点合金的熔点越高．流动性越差。这是因为金属液与环境温差大．热量容易散失，保持液态时间短；2)结晶区间合金结晶温度区间越大．流动性越差。因为合金凝固时存在一个宽的液固两相共存区，增大了金属液的粘度和流动阻力。因此，纯金属或共晶成分的合金流动性最好；3)杂质元素合金成分中凡能形成高熔点夹杂物的元素，均会降低合金的流动性。图2-2合金流动性与含碳量关系液态合金的充型二浇注条件1.浇注温度浇注温度高合金的粘度下降，流动性增强，充型能力提高对薄壁铸件或流动性较差的合金适当提高浇注温度，可以防止浇不足和冷隔缺陷。浇注温度过高:金属的收缩量增加．吸气增多，氧化也越严重。铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，保证充型能力前提下，浇注温度不宜过高。2.充型压力液态合金流动方向压力大充型能力强液态合金的充型三铸型填充条件铸型中凡能增加金属流动阻力，降低流速和加快冷却速度的因素，均能降低合金的流动性。铸型材料铸型材料导热系数和比热容高对液态合金激冷能力强充型能力低铸型温度由于铸型预热金属液冷却速度低充型能力强铸型中气体（铸型中将产生大量气体，阻碍液态合金的充型）铸型排气能力强透气性高充型能力强一．铸件的凝固方式液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过程的关键问题，在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸造缺陷的形成，冷却与凝固对铸件质量，特别是铸件力学性能，起决定性的作用。一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。铸件的“凝固方式”是依据凝固区的宽窄来划分的。12铸件的凝固与收缩图2.3铸件的凝固方式铸件的凝固与收缩在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区，其中对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固与收缩铸件的凝固方式逐层凝固纯金属或共晶成分合金在凝固过程中，不存在液、固并存的凝固区，断面上外层的固相和内层的液相由一条界限分开。随着温度的下降，固体层不断加厚、液体层不断减少，直到铸件的中心，称为逐层凝固，充型能力强。糊状凝固合金的结晶温度范围越宽，铸件的温度分布较均衡，在凝固的某段时间内，不存在固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面，称为模糊凝固。易产生缺陷。中间凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式，称为中间凝固。铸件的凝固与收缩铸件的凝固方式铸件质量与凝固方式密切相关☆逐层凝固，充型能力强，便于防止缩孔、缩松灰铸铁和铝硅合金等倾向于逐层凝固☆糊状凝固，难以获得结晶紧实的铸件球铁倾向于糊状凝固铸件的凝固与收缩铸造合金的收缩﹡合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称收缩。﹡收缩是多种铸造缺陷的根源，如缩孔、缩松、裂纹、变形和残余应力等。收缩的三个阶段(1)液态收缩从浇注温度到凝固开始温度间的收缩。表现为型腔内液面的降低(体积收缩)。(2)凝固收缩从凝固开始温度到凝固终止温度间的收缩。表现为型腔内液面的降低(体积收缩)，是缩松(孔)的基本原因(3)固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。表现为三个方向线尺寸的缩小，即三个方向的线收缩，是铸造应力和变形、裂纹基本原因。铸件的凝固与收缩铸件的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。影响铸造合金收缩的因素化学成分:不同种类的合金，其收缩率不同。在常用的铸造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小（表２-１）。铸件结构与铸型条件:铸件在铸型中各部分冷却速度不一，彼此相互制约，产生收缩阻力。铸型和型芯对铸件收缩产生机械阻力(如图)，故实际线收缩率比自由线收缩率小。设计模样时，须根据合金的种类，铸件的形状、尺寸等，选择收缩率。浇注温度:浇注温度愈高，液态收缩愈大，一般浇注温度每提高100度，体积收缩将会增加1.6％左右。0.8～1.01.0～1.2铝硅合金1.6～1.71.7～1.8硅黄铜1.6～1.82.0～2.2无锡青铜1.21.4锡青铜1.3～1.71.6～2.0碳钢和低合金钢0.81.0球墨铸铁0.90.80.71.00.90.8中小型铸件中大型铸件特大型铸件灰铸铁受阻收缩自由收缩铸造收缩率（％）合金种类表2-2砂型铸造时几种合金的铸造收缩率的经验值铸件的凝固与收缩铸件中的缩孔与缩松１．缩孔与缩松的形成：合金液在铸型内冷凝过程中，体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固部位形成空洞。按空洞的大小和分布分为缩孔和缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之一。（１）缩孔集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的空洞。形状不规则，多呈倒锥形，内表面粗糙。形成过程图２-４缩孔形成过程示意图铸件的凝固与收缩（２）缩松缩松的形成缩松是分散在某区域内的细小缩孔。产生缩松的原因是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足．或者是由于合金的结晶区间太宽，被树枝状晶分隔开的小液体难以得到补缩所致。如图所示，缩松隐藏于铸件内部，外观难以发现。不同铸造合金的缩孔和缩松倾向不同。纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金的缩孔倾向大、缩松倾向小：反之，结晶区间大的合金缩孔倾向虽小，但极易产生缩松。采用一些工艺措施可以控制铸件的凝固方式,缩孔和缩松可在一定范围内使其互相转化。集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但缩松，特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发现。合金液态收缩和凝固收缩愈大(如铸钢、白口铸铁、铝青铜等),收缩的容积就愈大，愈易形成缩孔。合金浇注温度愈高，液态收缩也愈大(通常每提高100℃，体积收缩增加1.6%左右)，愈易产生缩孔。结晶间隔大的合金，易于产生缩松；纯金属或共晶成分的合金，易于形成集中的缩孔。图表示相图与缩孔、缩松和铸件致密性的关系。25铸件的凝固与收缩图2-6相图与缩孔/缩松和铸件致密性的关系26铸件的凝固与收缩２缩孔和缩松的防止缩孔和缩松都会使铸件的机械性能下降。缩松还影响铸件的气密性和物理、化学性能。因此，必须根据技术要求，采取适当的工艺措施，予以防止。基本原则：针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，就可以获得健全的铸件。(1)使缩松转化为缩孔的方法缩松转化为缩孔的途径可从两方面考虑：第一，尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固，从根本上解决缩松的生成条件；第二，对一些凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法，使合金尽可能地趋向于逐层凝固。32铸件的凝固与收缩(2)防止缩孔的方法要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方向使之符合“定向凝固原则”。铸件的定向凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后朝冒口方向凝固，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即使铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，如图2-7所示。铸件按照定向凝固原则进行凝固，能保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。33铸件的凝固与收缩定向凝固方式示意图定向凝固的优点是：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。因此对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。定向凝固的缺点是：由于铸件各部分有温差，