铸造工程基础教学大纲

一．课程名称：材料加工工程，TheMaterialsProcessesEngineering二．课程编码：三．课时与学分：66/3四．先修课程：材料成形原理五．课程教学目标通过对《材料加工工程》课程的学习，使学生掌握金属材料的铸造、锻压、焊接和高分子材料成形加工技术的基本理论，具备从事材料成形工艺、模具及工装设计工作的基本能力，培养技术创新能力，树立以人为本的科学技术发展理念。六．适用学科学科专业材料科学与工程，机械科学与工程七．基本教学内容与学时安排第一篇液态金属铸造成形工艺（18学时）（一）液态金属成形过程及控制（4学时）液态金属充型过程的水力学特性及流动情况浇注系统的设计液态金属凝固收缩过程的工艺分析冒口和冷铁设计（二）各种典型铸造技术的原理和方法（6学时）砂型铸造金属型铸造熔模铸造压力铸造离心铸造挤压铸造反重力铸造（三）液态金属成形件工艺设计（5学时）铸件结构的工艺性铸造工艺方案的确定铸造工艺参数的确定液态金属成型工艺设计实例（四）液态金属成形新工艺（3学时）消失模铸造技术半固态铸造技术其它液态金属成形新技术第二篇固态金属塑性成形工艺（18学时）（一）开式模锻工艺及模具设计（4学时）开式模锻工艺的变形特征模锻件的分类及表示锻件复杂程度的参数锻件图的设计终锻与预锻模膛的设计制坯工步的选择及制坯工步模膛设计锻模结构设计（二）精密模锻工艺及模具设计（2学时）精密模锻工艺的特点及应用闭式精密模锻工艺闭式精密锻模设计（三）其它体积金属塑性成形工艺（2学时）挤压工艺及模具设计等温锻造工艺（四）板料冲压工艺及冲模设计（6学时）概述冲裁弯曲拉深冲压模具设计（五）板管成形新工艺（4学时）板料旋压成形板料的介质成形板料的超塑性与电磁成形管料的塑性成形第三篇金属连接成形（18学时）（一）金属连接成形原理及途径（2学时）金属连接成形原理金属连接成形的途径和方法（二）金属连接成形的主要工艺（5学时）电弧焊接电阻焊钎焊胶接（三）连接新技术及连接相关技术（3学时）高能束焊接智能化焊接金属连接的相关技术（四）金属构件连接设计（5学时）金属构件常用材料的焊接连接方法的选择金属构件连接形式的设计（五）连接成形件的缺陷及检测（3学时）常见焊接缺陷及产生原因焊接检验方法焊接过程的检测与控制第四篇高分子材料成形工艺（10学时）（一）塑料的性能与工艺特性（2学时）塑料的性能和用途塑料的组成和分类塑料的工艺特性（二）塑料制品的设计原则（2学时）制品的材料和几何形状螺纹与齿轮设计金属嵌件的设计尺寸精度与表面粗糙度（三）注射成形工艺及注塑模（4学时）注射工艺过程注射工艺的影响因素常用塑料及其注射工艺注射模具的基本结构（四）橡胶成形工艺及模具（2学时）橡胶的特性与分类橡胶成形的基本工艺橡胶成形模具设计第五篇综合运用（2学时）零件毛坯主要种类及成形工艺比较零件毛坯及其成形工艺的选用原则典型零件毛坯成形工艺方法的选用成形工艺方案的技术经济性论证实验课（课内必做8学时，课外选做作为创新活动安排）八．教材及参考书材料成形工艺，夏巨谌，张启勋主编，机械工业出版社，2005年铸造工程基础,魏华胜主编，机械工业出版社，2002年塑性成形工艺及设备,夏巨谌主编，机械工业出版社，2001年液态金属铸造成形工艺本课程本篇的教学基本目的是：1.了解铸造成形工艺的基本过程与特点；2.了解铸造工艺设计的基本内容和思路;3.了解各种典型铸造技术（包括新技术）的原理和方法。1．绪论本章的主要内容：铸造生产的基本过程和成形方法；金属铸造成形在制造业中的地位；我国铸造技术的历史及发展；我国与世界先进国家的差距；21世纪有待开发的铸造新技术等。第1节铸造生产的基本过程和成形方法铸件是怎么铸成的?在诗人的笔下,在电影,电视画面上,都是充满诗情画意的壮观情景:奔流的铁水似红色的火龙在延伸,飞舞的钢花象无数的星星在闪耀,……什么是铸造?日本人把铸造解释为：“水随方圆之器”的技术，也就是说可以让金属液流动凝固在预先制备的铸型中,而获得任何形状的毛坯或零件(铸件)的一种技术。（图）液态金属成形有两个基本过程,充填铸型和冷却凝固两个过程.这两个基本过程可在重力场或非重力场的作用下完成.充填铸型(也称浇注)主要是一种运动速度的变化的机械过程，冷却凝固则为结晶和组织变化的热量传递过程。根据生产的铸件的需要，预先制备好铸型及一定的化学成分的液态金属或合金。然后在重力或其它力的作用下将液态合金材料注入铸型，其中充填是否充分、平稳对铸件的最终质量有重要的影响，特别是对于某些形状复杂、壁厚差异大或易氧化的合金显得更为重要。液态合金材料的结晶与凝固，是铸件形成过程的核心问题，它在很大程度上决定了铸件的铸态组织,特别是铸态力学性能，及某些铸造缺陷的形成,起着决定性的作用。控制凝固过程以提高铸件质量、获得所要求的组织与性能，是铸造技术的重要内容。(一)结晶及凝固组织的形成与控制液体金属的结构，晶核的形成与长大，晶粒的大小、方向和形态等与铸件的凝固组织密切相关，它们对铸件的物理性能和力学性能有着重大的影响。控制铸件的凝固组织的目的就是为了获得所希望的组织，欲控制凝固组织，就必须对其形成机理、形成过程和影响因素有全面的了解和深入研究。目前已建立的有效控制组织的方法有变质、孕育、动态结晶、顺序凝固、快速凝固等。(二)铸件尺寸精度和表面粗糙度控制现代制造的许多领域，对铸件尺寸精度和外观质量的要求愈来愈高，铸件的近净形化(NearNetShapeprocesses)技术改变着铸造只能提供毛坯的传统观念，其目的在于降低物耗、能耗、工耗，并且改善产品的内外质量，争取市场和高效益。铸件是液态成形的，实现近净形化具有独特的优越性，在结构方面铸件的内腔和外形用铸造方法一次成形，使其接近零件的最终形状，使加工和组装工序减至最少；在尺寸精度和表面质量方面，使铸件能接近产品的最终要求，做到无余量或小余量；另一方面，被保留的铸造原始表面有益于保持铸件的耐蚀和耐疲劳等优越性能，从而提高产品寿命。努力提高铸件的尺寸精精度和降低表面粗糙度，推进铸件近净形技术的发展是未来的方向。(三)铸造缺陷的防止与控制铸造缺陷是造成废品的主要原因，是对铸件质量的严重威胁。如液态金属的凝固收缩会形成缩孔、缩松；凝固期间元素在固相和液相中的再分配会造成偏析；冷却过程中热应力的集中会造成铸件裂纹和变形。应根据产生的原因和出现的程度不同，采取相应措施加以控制，使之消除或降至最低程度。此外，如有夹杂物、气孔、冷隔等，出现在充填过程中，它们不仅与合金种类有关，而且还与具体成形工艺有关。总之，防止、消除和控制各类缺陷是一个不容忽视的关键问题。(四)液态金属凝固成形的方法液态金属凝固成形的方法主要是指铸造成形的工艺过程，它是首先制造一个形状、尺寸与所需零件相应的铸型型腔，然后将液态金属充填入型腔，待其冷却凝固后，而获得零件(称为铸件)的方法。凝固成形的方法:1.根据金属液充填进铸型方法的不同可分为:重力铸造(液态金属靠自身重力充填型腔)，低压铸造、挤压铸造、压力铸造(液态金属在一定的压力下充填型腔)等。2.根据形成铸型材料的不同，可分为一次型(如砂型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造)及永久型(如金属型铸造)。对于砂型铸造，根据型砂粘结剂的不同，有粘土砂、树脂砂、水玻璃砂等。根据造型方法不同有手工造型和机械造型。3.此外，对于一些特殊的凝固成形件，还可采用连续铸造(等截面长铸件)、离心铸造(圆筒形铸件)、实型铸造、熔模铸造等方法。第2节铸造生产在制造业和国民经济中的地位及发展一、铸造生产在制造业中的地位铸造生产通常是指用熔融的合金材料制作产品的方法，将液态合金注人预先制备好的铸型中使之冷却、凝固，而获得毛坯或零件，这种制造过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的产品称为铸件。大多数铸件作为毛坯，需要经过机械加工后才能成为各种机器零件；有的铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，可作为成品或零件直接应用。在制造业的诸多材料成形方法中，铸造生产具有以下独到的优点：1)适用范围广。铸造法几乎不受铸件大小、厚薄和形状复杂程度的限制，铸造的壁厚可达0．3-1000mm，长度从几毫米到十几米，质量从几克到300t以上。最适合生产形状复杂，特别是内腔复杂的零件，例如复杂的箱体、阀体、叶轮、发动机汽缸体、螺旋桨等。2)铸造法能采用的材料广，几乎凡能熔化成液态的合金材料均可用于铸造。如铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、镁合金、钛合金及锌合金等铸件。对于塑性较差的脆性合金材料(如普通铸铁等)，铸造是惟一可行的成形工艺，在工业生产中以铸铁件应用最广，约占铸件总产量的70％以上。．3)铸件具有一定的尺寸精度。一般情况下，比普通锻件、焊接件成形尺寸精确。4)成本低廉、综合经济性能好、能源材料消耗及成本为其它金属成形方法所不及。·铸件在一般机器中占总质量的40％—80％，而制造的成本只占机器总成本的25％-30％。成本低廉的原因是：①生产方式灵活，批量生产可组织机械化生产。②可大量利用废、旧金属材料和再生资源。③与锻造相比，其动力消耗小。④有一定的尺寸精度，使加工余量小，节约加工工时和金属材料。铸造是机械制造工业毛坯和零件的主要供应者，在国民经济中占有极其重要的地位。铸件在机械产品中所占的比例大，如内燃机关键零件(八九种)都是铸件，占总质量70％—90％，汽车中铸件质量占19％(轿车)—23％(卡车)；机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件质量占65％—80％；农业机械中铸件质量占40％—70％。矿冶(钢、铁、非铁合金)、能源(火、水、核电等)、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中铸件都占很大的比重和起重要的作用。在日新月异的世界里，铸造是最广泛应用的金属加工技术。当今发达的工业国，铸造生产已走向机械化、自动化、计算机控制、机器入操作的时代，以生产更高品质的金属零件满足各方面的需求，作为一个最基础的行业，它所生产出来的东西为各个行业，各类产品所应用，天上地上处处可见。大到飞机、火车、汽车、舰船、电冰箱、电饭锅、缝纫机……小到锁头、皮带扣、拉链扣……几乎无处不在，它们中许许多多零件是铸造出来的。（展示多幅铸件实物图）二、我国铸造技术的发展1.历史我国的铸造技术已有6000年悠久的历史，是世界上较早掌握铸造技术的文明古国之一，2500多年以前(公元前513年)就铸出270kg的铸铁刑鼎。我国是最早应用铸铁的国家之一，我国商朝制造的铜钺具有铁刃，据考证那时的铁刃是用陨铁锻造而成，然后镶铸上铜背。自周朝末年开始有了铸铁，铁制农具发展很快，秦、汉以后，我国农田耕作大都使用了铁制农具。如耕地的犁、锄、镰、锛、锹等，表明我国当时已具有相当先进的铸造生产水平，到宋朝我国已使用铸造铁炮和铸造地雷。我国在商朝起就已创造了灿烂的青铜文化，所谓“钟鸣鼎食”，成了当时贵族权势和地位的标志。1978年湖北省随县出土的曾候乙墓青铜器重达l0t，其中有64件的一套铜编钟，分八组，包括辅件在内用铜达5to钟面铸有变体龙纹和花卉纹饰，有的细如发丝，钟上共铸有错金铭文2800多字，标记音名、音律。每钟发两音，一为正鼓音，一为右鼓音。整套编钟音域宽达五个半八度，可演奏各类乐曲，音律准确和谐，音色优美动听。铸造工艺水平极高，可称得是我国古代青铜铸造的代表作，这套编钟的铸造时代是距今2400年前的战国初期。现存于北京大钟寺内的明朝永乐大钟，铸于明永乐18年(公元1418-1422年)前后，全高6．75m，钟口外径3．3m，钟唇厚0．185m，重46．5to据考证钟体铸型为泥范，芯分七段。先铸成钟钮，然后再使钟钮与钟体铸接成一体。化学分析结果为：w(Cu)=80．54％，w(Sn)=16．4％及微量的Zn，Pe，Si，Mg，Ca等。钟体的内外铸满经文，共约227000余字。大钟至今完好，声音幽雅悦耳，距钟15-20km都能听见，是世界上罕见的古钟之一。我国古代的钟、鼎、樽等文物，有不少是熔模铸造的，其工艺复杂，铸工之精