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第七章材料的液态成形工艺液态成形是指将液态（或熔融态、浆状）材料注入一定形状和尺寸的铸型(Mold)（或模具）型腔(MoldCavity)中，凝固后获得固态毛坯或零件的方法，本章主要介绍金属的铸造成形。第一节金属铸造工艺简介金属铸造(Foundry,Casting)是指将固态金属熔炼成液态，浇入与零件形状相适应的铸型型腔中，冷凝后获得铸件的工艺过程。根据造型材料不同，可将铸造方法分为砂型铸造(SandCastingProcess)和特种铸造(SpecialCastingProcess)两类。图7-1所示为砂型铸造工艺过程示意图。第一节金属铸造工艺简介第二节铸造工艺基础知识一、液态金属的充型能力液态金属的充型能力(MoldFillingCapacity)是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。1.金属液的流动性液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性越好的金属液，充型能力越强。流动性的好坏，通常用在特定情况下金属液浇注的螺旋形试样的长度来衡量，如图7-2所示。图7-3为铁－碳合金的流动性与成分的关系。2.浇注(Pouring)条件3.铸型特性为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚(WallThickness)不小于规定的“最小壁厚”(如表7-1所示)。第一节金属铸造工艺简介二．合金的凝固特性合金从液态到固态的状态转变称为凝固(Solidification)或一次结晶(Crystallization)1.逐层凝固纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，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，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”，如图7-4a。2.体积凝固当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，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”（或称糊状凝固），如图7-4c。第一节金属铸造工艺简介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”方法，如图7-4b。合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固，如图7-5。第一节金属铸造工艺简介三、合金的收缩性1.收缩及其影响因素铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为收缩，它是铸造合金固有的物理性质。金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩阶段：液态收缩——从浇注温度冷却至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。不同成分合金的收缩率不同，表7-2列出几种铁碳合金的体积收缩率。第一节金属铸造工艺简介2．收缩导致的铸件缺陷(1)缩孔和缩松铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积较大而集中的称缩孔，细小而分散的称缩松。缩孔和缩松的形成过程示意图分别见图7－6和图7－7。使铸件的凝固按薄壁－厚壁－冒口的顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从而获得致密的铸件，如图7-8所示。第一节金属铸造工艺简介(2)铸造应力、变形和裂纹铸造应力按其形成原因的不同，分为热应力、机械应力等。减少铸造应力就应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，即采取同时凝固原则，如图7-9所示。铸造应力是导致铸件产生变形和开裂的根源。图7-10为“T”形铸件在热应力作用下的变形情况，虚线表示变形的方向。当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹，裂纹有热裂纹和冷裂纹两种。第一节金属铸造工艺简介四、合金的吸气性及气孔液态金属在熔炼和浇注时能够吸收周围气体的能力称为吸气性。气孔是铸件中最常见的缺陷。1.析出性气孔溶入金属液的气体在铸件冷凝过程中，随温度下降，合金液对气体的溶解度下降，气体析出并留在铸件内形成的气孔称为析出性气孔。2.侵入性气孔造型材料中的气体侵入金属液内所形成的气孔称为侵入性气孔。3.反应性气孔反应性气孔主要是指金属液与铸型之间发生化学反应所产生的气孔。第一节金属铸造工艺简介五、常用铸造合金的铸造性能特点1.铸铁(1)灰口铸铁(2)球墨铸铁(3)可锻铸铁2.铸钢铸钢的铸造性能差。铸钢的流动性比铸铁差，熔点高，易产生浇不足、冷隔和粘砂等缺陷。铸钢的收缩性大，产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大。3.铸造有色金属常用的有铸造铝合金、铸造铜合金等。它们大都具有流动性好，收缩性大，容易吸气和氧化等特点，特别容易产生气孔、夹渣缺陷。六、新型材料－金属间化合物及其铸造性能特点第一节金属铸造工艺简介第三节砂型铸造砂型铸造（SandCasting）就是将液态金属浇入砂型的铸造方法。一、造型方法的选择1．手工造型2．机器造型(1)震压造型图7-11所示为震压造型过程。(2)抛砂造型图7-12为抛砂机的工作原理。(3)射砂造型射砂紧实方法除用于造型外多用于制芯。图7-13为射砂机工作原理。二、砂型铸造常见缺陷表7-3列出了铸件常见的几种缺陷及其产生的主要原因。第三节砂型铸造第四节特种铸造在生产实践中发展出一些区别于砂型铸造的其它铸造方法，我们统称为特种铸造（SpecialCastingProcesses）。一、金属型铸造金属型铸造（PermanentMouldCasting）是将液态金属浇入金属铸型，以获得铸件的铸造方法。图7-14为活塞的金属型铸造示意图。二、熔模铸造1．基本工艺过程熔模铸造的工艺过程如图7-15所示。主要包括蜡模（Waxpattern）制造、结壳、脱蜡（Dewax）、焙烧和浇注等过程。2．熔模铸造的特点和应用第四节特种铸造三、压力铸造压力铸造(DieCasting)是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种，图7-16为立式压铸机工作过程示意图。四、低压铸造低压铸造(Low-PressureDieCasting)是介于金属型铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。是在较低的压力下，将金属液注入型腔，并在压力下凝固，以获得铸件，如图7-17所示。五、离心铸造离心铸造(CentrifugalCasting)是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种，如图7-18所示。六、铸造方法的选择表7-4列出了几种常用的铸造方法，供选择时参考。第四节特种铸造第五节铸件结构工艺性一、铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷1.壁厚合理通常情况下，设计铸件壁厚时应首先保证金属液的充型能力，在此前提下尽量减小铸件壁厚。若铸件壁的承载能力或刚度不能满足要求时，可采用加强筋等结构。图7-19为台钻底板设计中采用加强筋的例子。2.铸件壁厚力求均匀铸件壁厚均匀，可防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大等缺陷，并能减少铸造热应力及因此而产生的变形和裂纹等缺陷。如图7-20所示铸件的结构设计，铸件上的筋条分布应尽量减少交叉，以防形成较大的热节，如图7-21。第五节铸件结构工艺性3.铸件壁的连接铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡（见表7-5）。拐弯和交接处应采用较大的圆弧连接（如图7-22），避免锐角结构而采用大角度过渡（如图7-23），以避免因应力集中而产生开裂。4.避免较大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7-24所示。第五节铸件结构工艺性二、铸件结构应利于简化铸造工艺1.铸件外型应尽量简单在满足铸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。图7－25所示铸件的外型设计。铸件上的凸台、加强筋等要方便造型，尽量避免使用活块。图7-26所示的凸台设计。铸型的分型面若不平直，如图7-27所示铸件的设计。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。图7-28为悬臂支架的两种设计方案。在必须采用型芯的情况下，应尽量做到便于下芯、安装、固定以及排气和清理。如图7-29所示的轴承架铸件。第五节铸件结构工艺性3.铸件的结构斜度铸件上垂直于分型面的不加工面最好具有一定的结构斜度，以利于起模，同时便于用砂垛代替型芯（称为自带型芯），以减少型芯数量。如图7-30中的设计比较。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。图7-31为大型坐标镗床床身（图4-31a）和水压机工作缸（图4-31b）的组合结构示意图。第五节铸件结构工艺性三、铸件结构要便于后续加工大多数铸件都要经过切削加工才能满足使用要求。因此，铸件结构设计应考虑减少加工量和便于加工。图7-32所示为电机端盖铸件。第五节铸件结构工艺性第六节计算机在铸造生产中的应用简介图7-33为传统的铸造过程与实现了CAD、CAM的铸造过程比较。一、系统组成微机测试与控制系统的组成如图7-34所示。二、测试系统的工作过程在铸造测试技术中，应用微型计算机测试系统可以对温度、压力、流量和湿度等物理量进行检测或多参数巡回检测、数据处理，并给出必要的打印或显示输出等。其优点是速度快、效率高、精度高。微型计算机测试系统的简单框图如图7-34所示。第六节计算机在铸造生产中的应用简介三、控制系统1.控制方式(1)离线控制(2)在线控制2.直接数字控制系统(DDC)DDC系统是当前计算机控制的主要形式之一。生产过程各参数经计算机测量运算后，以数字形式输出，直接控制执行机构的动作，以控制生产过程。如图7-35所示。第六节计算机在铸造生产中的应用简介本章学习指南：1.重点内容：铸造工艺基础部分。应掌握合金成分、工艺条件对液态合金充型能力、合金收缩性、吸气性等铸造性能的影响，以便能够分析不同合金获得优质铸件的难易程度，并分析应采取的工艺措施。2.难点内容：注意有些防止铸件缺陷的工艺措施是相互矛盾的，如高温浇注有利于金属液充型，但易产生粘砂缺陷；铸件顺序凝固有利于补缩，但易产生热应力，等。因此，应综合考虑铸件合金、结构等因素，先解决主要矛盾，再采取措施解决其他问题。3.本章与其他章节的联系：材料的液态成形是最基本的成形方法，在金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料中被广泛应用，与材料的固态塑性变形、连接（粘接）成形及粉末冶金成形一起成为制造工业获得坯件的主要手段。本章学习指南图7-1图7-2金属流动性式样图7-3Fe-C铁碳合金流动性与含碳量关系图7-4铸铁的流动方式图7-4铸铁的凝固方式图7-5温度梯度对凝固区域的影响图7-6缩孔形成示意图图7-7缩松形成示意图图7-8顺序凝固示意图图7-9同时凝固示意图图7-10热应力引起的变形图7-11震压造型过程表图7-12抛砂紧实原理图7-13射砂机工作原理图图7-14金属型铸造示意图7-15图熔模铸造工艺过程b)a)c)图7-16压铸机工作过程示意图a)浇注b)压射c)开型图7-17低压铸造工作原理图图7-18离心铸造示意图图7-19加强筋设计图7-20铸件壁厚设计实例图7-21金条的分部图7-22圆角连接图7-23避免锐角结构图7-24避免较大水平面图7-25铸件外形的设计图7-26图台的设计图7-27使分型面平直的铸件结构图7-28悬臂支架结构图7-29轴承架结构图7-30结构斜度的设计图7-31组合结构铸件图7-32端盖设计图7-33传统的铸造过程与显示CAD、CAM的铸造过程图7-34微计算机测试与控制系统图7-35DDC系统示意图表7-1一般砂型铸造条件下铸件的最小厚度