液态成型工艺

液态成型工艺江苏大学材料学院贾志宏2008.10液态成型即是利用将液态金属（合金）浇注入一定的铸型中，使其凝固、冷却，最终得到相应形状零件的材料成型方法，通常也称为铸造。•液态成型工艺的发展历史泥范-陶范-铁范司母戊大方鼎（商，河南安阳出土）曾侯乙尊盘（春秋，湖北随县出土）•现代液态成型工艺砂型铸造手工生产—机械化—自动化--智能化特种成型金属型压铸熔模铸造低压铸造消失模铸造半固态铸造……2005年中国铸件产量为2442万吨，为世界之冠。2倍于第二位的美国。发达国家人均铸件消耗量60~70kg/人·年，中国20kg/人·年。在机床、内燃机及重型机器中，铸件约占70%~90%；在风机、压缩机中占60%~80%；在拖拉机中占50%~70%；农业机械中占40%~70%；在汽车中占20%~30%。铸件用户1995年1996年1997年汽车铁道和铁道车辆拖拉机、柴油机、农业机械机床通用机械冶金矿山机械能源设备纺织机械铸铁管和管件建筑工程及其配件其它合计117800071400019400006870004260002026000374000200000183600045900014920001133200011900007002001901300664000407000200500035800012390016740004450001434785109031851274600690700193220065760041420019817003499001105001715000433500152054211080442我国各行业用户消耗铸件的数量（单位：t）液态成型特点适应性最广液态成型工艺几乎不受零件大小、厚薄以及复杂程度的限制。液态成型工艺可以获得任何合金的铸件成本低第一章零件结构的铸造工艺性分析从零件设计的角度分析液态成型工艺的合理性工艺性分析成型工艺方法的选择零件结构的设计1.1常用铸造方法的选用1.1.1选用依据铸件结构特点铸件材质种类尺寸精度及表面粗糙度要求生产批量交货期及生产条件1.1.2常用铸造方法的特点及应用砂型铸造方法的类别和应用铸型类别主要特点应用范围干型铸型经烘干，强度高，透气性好，但生产周期长，耗能大用于单件或小批生产中。大型铸件或质量要求高的件湿型铸型不烘干，生产率较干型高，成本低适用于单件、成批、大量生产各种类型的铸件，可采用手工或机器造型自硬型铸型不用烘干，自行硬化，强度高，铸件精度较高。种类较多，按所用粘结剂不同而各具特点用于单件或成批生产各类铸件，尤其是各类铸钢件及型芯的制造•特种铸造方法的种类和应用特种铸造达到的精度设备及工装投资准备周期应用范围压力铸造CT4~6高较长主要用于生产成批大量有色金属薄壁中小铸件，如航空仪器、仪表、电器上的零件熔模铸造CT5~7当机械化程度低时投资少。机械化程度较高时投资较高一般用于单件、小批、成批大量生产各类合金，各种复杂程度的中小铸件，尤其用于生产难加工的高温高强度的合金铸件。如导向涡轮，叶片等合金钢件金属型铸造CT5~9手工操作时投资少，机械化程度高时较高一般用于成批大量生产各种合金，形状较简单或中等复杂的中、小铸件，尤其是壁厚中等的有色金属铸件，如壳体、泵盖等件壳型铸造CT5~10一般一般用于成批大量生产各类合金的中、小铸件，并常用此法制芯低压铸造CT6~11较低一般用于成批大量生产各类合金，各种形状的大、中、小型铸件，如钢螺旋桨，机车用曲轴等1.2砂型铸造零件结构的工艺性零件结构的铸造工艺性分析主要是通过对零件图样的分析来完成的，即由零件图对产品结构及技术经济性进行审查。保证铸件质量降低生产成本遵循的原则满足工艺合理性简化工艺1.2.1满足工艺合理性铸件壁的合理结构铸件加强肋结构圆角避免水平方向出现较大平面防止铸件出现裂纹和变形利于补缩和实现顺序凝固铸件壁的合理结构最小壁厚铸造合金铸件平均轮廓尺寸/mm200200~400400~800800~12501250~20002000铸铁灰铸铁4~65~86~107~128~1610~20球墨铸铁5~76~108~1210~14——可锻铸铁3~54~65~8———铸钢碳素钢5~66~88~1010~1212~1616~20低合金结构钢6~88~1010~1212~1616~2020~25高锰钢8~1010~1212~1616~2020~25—不锈钢8~1010~1212~1616~2020~25—耐热钢8~1010~1212~1616~2020~25—铸造铜合金锡青铜3~55~76~8———无锡青铜≥6≥8————黄铜≥6≥8————特殊黄铜≥4≥6————铸造铝合金3~55~66~88~12－－铸造镁合金4~65~7－－－－铸造锌合金≥3≥4－－－－砂型铸造最小允许壁厚•临界壁厚合金种类铸件重量/kg0.1~2.52.5~1010灰铸铁HT150HT200，HT250HT300HT3508~1012~1512~1815~2010~1512~1515~1815~2020~2512~1825≤25球墨铸铁QT400-18QT400-151015~2050QT500-7QT600-314~1818~2060碳素铸钢ZG200-400ZG230-4501525—ZG270-500ZG310-570ZG340-6401820—铝合金6~106~1210~14镁合金10~1412~18—锡青铜—6~8—常用铸造合金的砂型铸件临界壁厚•铸件的内壁厚合金种类铸件内壁比外壁厚度减少的相对值/％铸铁件铸钢件铸铝件铸铜件10~2020~3010~2015~20•铸件壁的联接铸件加强肋（a）内筋（b）外筋a外筋＝0.8δa内筋＝（0.6~0.7）δH筋≤5δ结构圆角表面的最小边尺寸（mm）R值外圆角a≤50°51°~75°76°~105°106°~135°136°~165°165°≤2525~6060~160160~250250~400400~600600~10001000~16001600~250025002244668101216244688121620252468101216202530468121620253040506101620263040506080816253040506080100120避免水平方向出现较大平面防止裂纹和变形利于补缩和实现顺序凝固1.2.2简化工艺减少分型面方便起模及造型减少或简化砂芯简化分型面有利于砂芯的固定及排气便于清理分体铸造和联合铸造•带凸台铸件结构•外壁有侧凹结构的铸件•内腔结构的改进对砂芯分块的影响•利于砂芯的固定及排气1.3零件结构的铸造工艺性分析1.3.2其它铸造工艺中对铸件结构的铸造工艺性要求压铸金属型熔模铸造压铸金属型铸造熔模铸造第二章砂型工艺方案的确定明确工艺方案的内容熟悉工艺方案制定步骤掌握铸造工艺参数及其选择2.1概述2.1.1工艺设计依据及内容1．设计依据生产任务（零件图样、技术要求、生产批量等）生产条件（设备条件、原料应用及供应情况、人员素质、辅助生产条件等）2.设计任务零件图铸造工艺图铸件图合箱图工艺卡型板图芯盒图3工艺设计的基本流程2.1.2工艺设计与技术经济性和环保的关系经济性环保要求2.2砂型铸造工艺方案的制定确定造型、制芯方法选择合理的浇注位置优化分型面的选取确定砂芯分块及砂芯设计明确工艺参数2.2.1确定造型、制芯方法优先考虑湿型与生产批量相适应与生产条件和企业环境相匹配兼顾铸件精度要求与生产成本2.2.2浇注位置的确定铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型内所处的状态和位置确定原则1.铸件重要部位应位于下部2.大平面应朝下3.保证充型能力4.有利于铸件的补缩5.避免使用吊砂6.尽量保证合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置一致大平板或大平面铸件的合理浇注位置（a）大平面朝下（b）倾斜浇注•铸件的大平面应朝下•保证铸件的充型能力图曲轴箱的浇注位置（a）不合理（b）合理•有利于铸件的补缩双排链轮铸钢件的浇注位置示意图•避免使用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯便于合箱操作的浇注位置（a）不合理（b）合理•实例2.2.3分型面的选择分型面是指两半铸型相互接触的表面实例设置原则1.铸件处于同一半型2.分型面数目尽可能少3.尽量选用平面作为分型面4.避免使砂箱过高5.便于下芯、合箱和合型6.减轻铸件清理和机械加工量•带孔六面体•内燃机缸体铸件•尽可能使铸件全部或大部处于同一半型管子堵头分型方案（a）合理（b）不合理后轮毂件的分型方案•分型面数目尽可能少•尽量选用平面作为分型面起重臂的分型面设置（a）不合理（b）合理•避免使砂箱过高托架铸件分型面的设置•便于下芯、合箱和合型减速箱盖的手工造型工艺方案•注意减轻铸件清理和机械加工量摇臂铸件的工艺方案（a）平面分型面（b）曲面分型面（a）则在铸件中部两圆柱与平腹板相交处形成的披缝打磨困难，清理工作量很大；改用曲面分型的方案（b）则披缝凸出，清理较易2.2.4砂芯设计砂芯设计砂芯分块确定下芯顺序其他工艺（通气性、芯骨等）工艺文件（芯盒图、工艺卡等）校核芯头设计芯头2.2.4.1砂芯分块的基本原则保证铸件内腔的尺寸精度保证下芯、尺寸检验等操作的方便性尽量减少砂芯的数目保证铸件壁厚均匀填砂面应宽敞，烘干支撑面最好为平面•保证铸件内腔的尺寸精度内燃机缸体砂芯•保证下芯、尺寸检验等操作的方便性泵体砂芯•保证下芯、尺寸检验等操作的方便性发生器砂芯•尽量减少砂芯的数目变速箱体砂芯的分块方案•保证铸件壁厚均匀保证铸件壁厚的均匀（a）不合理（b）合理•填砂面应宽敞，烘干支撑面最好为平面烘干砂芯的工艺（a）用通用的平面烘板（b）砂胎支撑烘干（c）利用成型烘干器2.2.4.2芯头设计芯头是指伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分芯头的基本作用是定位、支撑及排气•垂直芯头和水平芯头•芯头设计主要内容芯头尺寸的确定及芯头强度校核芯头斜度芯头与芯座的配合间隙芯头定位结构的设计特殊芯头的设计芯座的附加结构芯骨芯撑砂芯的排气•芯头尺寸的确定及芯头强度校核芯头的直径或宽度与砂芯的直径或宽度一致，所以确定芯头的尺寸，对于垂直芯头来说，实际上只要确定其高度，对于水平芯头就是确定其长度。强度校核许KPF•芯头斜度便于造型、制芯、下芯及合箱操作水平芯头的斜度•芯头与芯座的配合间隙芯头与芯座的配合间隙•芯头定位结构的设计圆形砂芯常用定位结构•特殊芯头的设计悬臂砂芯的芯头结构•特殊芯头的设计三种补砂芯头型式•芯座的附加结构•芯骨铸铁芯骨1-吊环2-框架3-插齿可拆式芯骨A、B两部分通过方锥C连接组成整体芯骨•芯撑起到辅助支撑的作用芯撑防渗漏措施1-芯撑2-薄铁皮3-凸台4-砂型5-砂芯•砂芯的排气砂芯的通气孔•砂芯的排气砂芯的排气道•砂芯的排气用蜡线或尼龙管作排气孔使用填料的排气工艺2.2.5铸造工艺参数铸造工艺设计参数，简称工艺参数，是指铸型工艺设计过程中需要确定的某些数据。这些工艺数据主要与铸件的精度及造型（制芯）过程是密切相关的，一定程度上决定了模样、芯盒等工装尺寸的确定。•工艺参数种类铸件尺寸公差铸件重量公差机械加工余量收缩率起模斜度最小铸出孔和槽反变形量工艺补正量分型负数分芯负数浇冒口的切割余量•铸件尺寸公差铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。按照GB／T6414－1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》的规定，铸件尺寸公差等级分为16级，表示为CT1～CT16•铸件尺寸公差•铸件重量公差铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。国家标准GB/T11351-1989《铸件重量公差》中规定，铸件重量公差等级分为16级，用MT1~MT16表示•铸件重量公差•机械加工余量机械加工余量，简称加工余量，是为保证铸件加工面的尺寸精度，在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层的厚度。国家标准规定的机械加工余量等级有10级，分别称之为A、B、C、D、