第一章铸造成形工艺理论基础

1工程材料与材料成形工艺材料是人类的生活和生产赖以进行的物质基础，它直接用于制造人类所需要的各种生产工具和生活用具。机械工程材料，按化学成分可分为以下四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。任何材料在被人们制造成有用物品(无论是生活用品或是生产工具等)的过程中，都要经过成形加工;材料成形工艺是人类的生产活动中始终不可缺少的基础性技术。2在现代机械产品的制造过程中，一般是应用材料成形的方法将材料制成毛坯，再经过机械加工方法制成所需的零件。材料成形工艺是指用于把材料从原材料的形态通过加工而转变为具有所要求的形状及尺寸的毛坯或成品的所有加工方法或手段的总称。从材料到毛坯又由毛坯到零件的工艺过程是贯穿机械制造过程中的一条主线，它包含了材料成形及机械制造工艺的基本理论、基本知识、基本方法。对于一个合格的工程技术人员来说．掌握这些知识，对所从事的工作是非常重要的。3材料成形技术的发展史材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史而发展的。在人类使用材料之初，通过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器，就诞生了最原始的材料成形工艺。随着人们对金属材料(青铜、钢铁等)的使用，相应地产生了铸造、锻造、焊接等金属成形加工技术。20世纪以后，随着塑料和先进陶瓷材料的出现，这些非金属材料的成形工艺得到了迅速发展；在跨人21世纪后的今天，已进入了各种人工设计、人工合成的新型材料层出不穷的新时代，各种与之相应的先进的成形工艺也在不断涌现并大显身手。4材料成形工艺经历了从简单的手工操作到如今的复杂化、大型化和智能化生产的发展过程。蒸汽—空气锤、水压机、模锻压力机、高速冲床等的使用，使金属锻压工艺彻底改变了传统的“手工打铁”的落后方式，进入到机械化现代化生产的行列。1885年发现了气体放电电弧作为电弧焊接的热源，1886年发明了电阻焊，从此电焊便成为现代焊接技术的主流。520世纪中期以后，随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速融入，在涌现出一大批新型的成形技术的同时，材料成形加工生产已开始向着优质化、精密化、绿色化和柔性化的方向发展。6我国材料成形技术的发展历史我国的材料成形技术具有悠久的历史明朝大科学家宋应星编著的《天工开物》一书中，详细论述了冶铁、铸钟、锻铁、淬火等各种金属的加工方法。这部论著是世界上有金属材料成形及加工方法以来最早的科学论著，充分反映了我国历代劳动人民在材料成形及机械加工技术方面的卓越贡献。7我国的冶铸技术至少有4000年以上的悠久历史，前2000年是青铜的天下。到商周时代，冶铸技术已达到很高水平，形成了灿烂的青铜文化。铸造技术在我国源远流长，并有很高的水平，形成了闻名于世的以泥范(砂型)、铁范(金属型)和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。8我国也是世界上应用焊接技术最早的国家之一。河南辉县战国墓中的殉葬铜器的耳和足就是用铸焊方法与本体连接的，比欧洲早了2000多年。新中国成立以后，我国机械制造业得到了飞速发展，经历了由仿制到自行设计、制造，从生产普通机械到制造精密和大型机械，从生产单机到制造成套设备的发展过程。20世纪50年代，自行制造汽车、拖拉机及飞机；60年代，制造万吨水压机，和齿轮磨床、坐标镗床等精密机床；70年代，制造大型成套设备和万吨级远洋巨轮；直至90年代，为我国航天、原子能等工业领域提供先进的技术装备等等。我国成功地进行了耗用钢水达490t的轧钢机机架和长江三峡电站巨型水轮机的巨型铸件的铸造，锻造了196t汽轮机转子；采用铸一焊组合方法制造了12000t水压机的立柱（高18m）、底座和横梁等大型零、部件；我国已成功地生产出了用于锻造大型锻件的12000t水压机；解决了30万吨级远洋油轮船体的焊接技术；CAD/CAE/CAM等计算机技术及机器人技术在材料成形技术中得到越来越广泛的应用，粉末冶金、高分子、陶瓷、复合材料制品的应用也日益扩大等等。11材料成形加工在国民经济中的地位材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位；并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接(又说45％的金属通过焊接得以成形)制成件或产品后投入使用的；在机床和通用机械中铸件质量占70％～80％；农业机械中铸件质量占40％—70％；汽车中铸件质量约占20％，锻件质量约占70％；飞机上的锻件质量约占85％；发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；家用电器和通信产品中60％—80％的零部件是冲压件和塑料成形件。12交通工具—轿车的构成来看：发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制件，轮胎等是橡胶成形制品。因此，可以毫不夸张地说：没有先进的材料成形工艺，就没有现代制造业。13毛坯零件切削加工装配液态成形（铸造）塑性成形（压力加工）连接成形（焊接）热处理型材铸锭生铁矿石冶炼形状、尺寸、性能炼钢塑性成形（压力加工）塑性成形（压力加工）切削加工机器零件的基本生产工艺过程及工艺学本课程的学习内容14掌握主要毛坯成型方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力，具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。课程任务抓住一主线：成形原理—成形方法（工艺）及应用—成形工艺过程设计—成形件的结构工艺性学习方法：15工艺、工艺过程、工艺学的定义工艺----将原料或半成品加工成产品的方法、技术等。工艺过程----将原料或半成品加工成产品的过程。工艺学---研究工艺过程的科学。诸如机械制造工艺学（包括：铸造工艺学、锻造工艺学、焊接工艺学，机械加工工艺学）。16材料成形技术基础主要内容铸造锻压焊接非金属材料成形粉末冶金材料成形工艺的选择17学习目的及要求（1）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和应用场合，了解各种常用的成形设备的结构和用途，具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯（或零件）成形方法的初步能力。（2）具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。（3）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势。（即学会“五选”：材料、毛坯、工艺方法、热处理、结构工艺性）18第一篇金属的铸造成形工艺19铸造工艺基础铸件生产结构设计铸造工艺1234工艺性能20第一章铸造成形工艺理论基础21定义：铸造（casting）是指将熔融态的金属（或合金）浇注于特定型腔的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的成形工艺。铸造的基本过程：液态金属充型铸件凝固收缩第一节铸造成形工艺的特点和分类225/16/20094:28PM砂型铸造过程23金属液态成形在机械制造业中占有重要的地位。它是制造毛坯、零件的重要方法之一。就重量而论，铸件在一般机械设备中占45％—90％，在金属切削机床中占70％—80%，在汽车及农业机械中占40%—70％。24一、铸造工艺特点（1）适应性广。既可用于单件、小批生产，也可用于成批、大量生产；适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；壁厚1mm到1m，质量零点几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）。—材料能熔便可铸（2）可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。如箱体、床身、机架、车轮、阎体、泵体、叶轮、汽缸体、螺旋桨等。（3）成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；25（4）但也存在一些不足：组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。组织缺陷：铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低.铸件多数做为毛坯用。污染环境：铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。26©2007金工教研室机械制造基础常见铸造缺陷27铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为：重力铸造、压力铸造、离心铸造等。传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造”。砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的90％以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，其工艺流程如图1所示。二、铸件成形工艺分类按照形成铸件的铸型分可分为：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。28铸造生产主要包括以下几个过程：（1）合金的熔炼；（2）铸型的制造；（3）合金的浇注；（4）铸件的清理；（5）铸件的检验。295/16/20094:28PM砂型铸造过程3031合金的铸造性能:充型能力收缩性吸气性第二节合金的铸造性能合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。铸造性能对获得合格的铸件有很大的影响。32一、合金的充型能力充型能力：熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，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，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。3334充型能力对铸件质量的影响—①液态合金的充型能力强，则容易获得薄壁而复杂的铸件，不易出现轮廓不清、浇不足或冷隔等缺陷；②有利于金属液中气体和非金属夹杂物的上浮、排出，减小气孔、夹渣等缺陷；③能够提高补缩能力，减少产生缩孔、缩松的倾向性。35影响合金充型能力的主要因素：合金的流动性（与合金种类、合金的化学成分、温度、杂气量等有关）浇注条件（温度、压力）铸型条件（铸型的蓄热能力、铸型温度、铸型中的气体、铸件结构）361、合金的流动性流动性定义（flowability）：流动性是指液态合金的流动能力。这种能力体现在2个方面：（1）充满型腔；（2）形成符合要求的优质铸件。如果流动性不好，就不能充满型腔，就不能形成符合要求的优质铸件。也说明不同的合金具有不同的流动性特点。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？37图1-1螺旋型试样在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！螺旋形流动性试样测定方法38合金种类铸型种类浇注温度/℃螺旋线长度/㎜铸铁wC+Si=6.2%wC+Si=5.9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢wC=0.4%铝硅合金（硅铝明）镁合金（含Al和Zn）锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%）硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%）砂型砂型金属型（300℃）砂型砂型砂型16001640680~72070010401100100200700~800400~6004201000表1-1常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）39灰铸铁、硅黄铜的流动性较好；铸钢较差；铝合金居中。液态金属本身的流动能力。流动性充型能力易薄壁复杂铸件气孔、夹渣、缩孔影响合金流动性的主要因素：合金的成分与铸件的凝固方式不同成分合金的结晶特性示意图见图1-240含碳量温度，T碳钢铸铁共晶点41图1-2不同成分合金的结晶特性在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图1-2。液态金属的凝固42ab铸件的凝固方式纯金属、共晶类合金及窄结晶温度范围的合金，在恒温下以共晶团进行结晶，结晶时从表层开始向中心逐层凝固。紧靠铸型壁的外层合金，一旦冷却至凝固点或共晶点温度时，即凝固成固态晶体；而处于上述温度以上的里层合金，仍为液态。固相线成分温度表层中心液固c1.逐层凝固: