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1、铸造工艺学,主讲：河北工业大学材料加工与控制系 李日,铸造工艺学,基础部分提高部分,基础部分,铸造工艺基本概念及铸件生产的基本流程通用冒口设计浇注系统设计铸造工程师的设计任务,铸造工艺基本概念及铸件生产的基本流程,铸造工艺基本概念由大球及套筒铸件的制造过程引出的概念铸造工艺流程图浇注位置和分型面的选择对铸件零件的处理砂芯设计,铸造工艺基本概念,大球的制造过程引出的基本铸造工艺概念套筒工艺与大球工艺的差别基本铸造工艺概念作业,铸造工艺基本概念,由大球及套筒铸件的制造过程引出的概念,图12 浇注系统的典型形式1、浇口杯 2、直浇道 3、浇道窝 4、横浇道 5、集渣包 6、内浇道,图13 无冒口系统
2、时的铸件,模数法设计冒口的基本方法是：1）Mr=fMc Mr为冒口模数，Mc为铸件模数，。2）冒口要提供足够的补缩金属液：(Vc+Vr)+Ve=Vr 3）一定的补缩通道角：可利用冷铁和其他工艺措施来造成合适的补缩通道角,大球的制造过程引出的基本铸造工艺概念,成型类：分型面、分模面工艺类：浇注系统、冒口、冷铁工装类：模样、模板、砂箱等,套筒工艺与大球工艺的差别浇注位置、砂芯、外模样变化,基本铸造工艺概念,成型类：分型面、分模面、砂芯、模样工艺类：浇注系统、冒口、冷铁兼有成型与工艺特点的概念：浇注位置工装类：模样、模板、砂箱、芯盒,浇注位置和分型面的确定,浇注位置的确定分型面的确定作业：抄画教材图
3、，并说明选择图中浇注位置和分型面的原因。,作业,1、叙述球和套筒的铸造生产过程；并讨论分析该过程中需要开展的研究工作(画图)。2、分析讨论如何确定浇注位置和分型面，确定原则是什么。3、阅读第一章第一节，并找到复习思考题的答案。4、作业：抄画教材图，并说明选择图中浇注位置和分型面的原因。,5、确定下面铸件的浇注位置和分型面,浇注位置的确定,判定浇注位置的优先次序为：保证铸件质量凝固方式充型工艺操作,例1：铸件主要加工面或重要加工面，应尽量置于下部或垂直放置。,图 3-2-36,例2：能保证顺序凝固。例如，厚大部分在上部，或按一定次序厚大部分靠近冒口。,例3：铸件水平面积大的部分应尽量置于铸件下部
4、。,例4：避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯、合箱及检验。,分型面的确定,分型面一般在确定浇注位置后选择。但分析各种分型面方案的优劣之后，可能需要重新调整浇注位置。铸造分型面本质上是一种工艺方法，该方法是取出模样（砂型）、铸件（金属型）、保证（提高）精度、工艺操作简单等几个方面综合作用的结果。其优先次序为：取出铸件保证精度工艺简单,例1：加工基准面与大部分加工面在同一半型内，基准面不要在分型面上。,例2：分型面数量应尽量少。,例3：分型面尽量为平面，避免曲面，不得已用曲面，也尽可能改为折面。,例4：不使砂箱过高。,图3-2-32 减速箱盖手工造型方案,例5：受力件的分型面的选择不应消弱铸件
5、结构强度。,例6：注意减轻铸件清理和机械加工量。,砂芯设计,砂芯本体设计芯头设计,本体设计的典型实例,1、能制作出来；2、能进行烘干；3、如果自硬，则不需烘干，在型内干后直接取出使用。,砂芯本体设计的基本步骤,例1：保证铸件内腔尺寸精度：铸件内腔尺寸较严的部分应当由同一半砂芯形成，避免为分盒面分割。,保证此处孔四壁壁厚均匀：将芯子分块。,例2：保证操作方便：分割砂芯，但要防止金属钻入砂型分割面的缝隙，以防堵塞通气道。,例3：保证铸件壁厚均匀。,例4：应尽量减少砂芯数目，如将砂芯做出（砂胎，教材图3-3-4；吊砂，浅底锅。用活块代替，教材图3-3-5）；,例5：填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面。,
6、例6：砂芯形状适应造型、制芯方法，组合芯，教材图3-3-7。,芯头设计,芯头组成芯头承压面积的核算特殊定位芯头,芯头组成,芯头结构芯头长度芯头斜度芯头间隙压环、防压环和积砂槽,图3-3-10中：、1、a、a1等,图3-3-9：s、s1、s2,3-3-10中：s、s1、s2,芯头承压面积的核算,S=kF芯/压 压：湿型4060KPa;活化膨润土砂型60100KPa；干砂型0.60.8MPa。k：安全系数1.31.5,特殊定位芯头,铸造工艺流程图:,通用冒口设计普通冒口设计,正圆柱或立方体冒口设计长杆（长板）、大圆环、立柱冒口的设计真实铸件复合体冒口设计加强冒口补缩的手段冒口设计步骤冷铁设计计算,
7、正圆柱或立方体冒口设计,铸件补缩分析,当冒口体积与铸件体积成什么关系时可以使缩孔位置刚好处于铸件顶部呢？,冒口体积大于铸件体积时可以消除缩孔！,可以用体积作为冒口设计的准则吗？,冒口体积比铸件体积大，但显然冒口比铸件先冷却，因冒口散热面积大。,设计冒口尺寸的准则模数,储热量Q=mcT=Vc T，冒口和铸件同时开始凝固，V大则储热量大，但如果冒口散热面积大则不能补缩。将体积和散热表面积结合起来衡量凝固冷却能力即模数。补缩条件：MrMc,设计冒口尺寸的第二条件补缩量,当冒口体积与铸件体积成什么关系时可以使缩孔位置刚好处于铸件顶部呢？,设计冒口尺寸的第三条件补缩通道角：决定冒口位置,同样的铸件同样的
8、冒口，安放位置不同导致不同的补缩结果！,模数法设计冒口的原理,一、模数,二、模数法原理,Mr=fMc 顶冒口：Mr=(1.21)Mc 侧冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2 内浇道通过冒口：Mc:Mn:Mr=1:(11.03):1.2 冒口提供足够的金属液：(Vc+Vr)+Ve=Vr：表3-5-4，表3-5-5，注意合金钢 x；：表3-5-6；补缩通道角：可利用补贴和冷铁来造成 合适的补缩通道角。,长杆（长板）、大圆环、立柱冒口的设计,环也类似！,补缩距离：水平补缩距离和垂直补缩距离！,球铁件：表3-5-1 可锻铸铁：44.5(壁厚)有色金属：见教材,真实铸件复合体冒口设计,不可能用一个
9、冒口统一补缩，所以要划定三个补缩区域！,冒口设计的基本原则,顺序凝固同时凝固注意！冒口补缩的是整体补缩域的收缩，而不是相邻结构体！,加强冒口补缩的手段,补贴冷铁提高冒口自身补缩能力,补贴,冷铁,不加冷铁的补缩距离！与前加冷铁对比！,外冷铁之间距离为0.51倍于冷铁长度！,提高冒口自身补缩能力,大气压力冒口保温、发热冒口易割冒口,大气压力冒口,保温、发热冒口,易割冒口,冒口设计步骤,1）划分补缩区；2）计算冒口及冒口颈模数；3）确定形状和尺寸；4）检查顺序凝固条件；5）校核冒口补缩能力,铸钢45齿轮，收缩率5%。试设计其冒口,冷铁设计计算,经验法外冷铁模数计算法内冷铁模数计算法（自学）,经验法,
10、外冷铁模数计算法,无气隙外冷铁：As=A0+2Ac1,As砂型等效面积A0铸件表面积Ac冷铁工作表面积,M0铸件原模数M1使用冷铁后铸件 等效模数,有气隙外冷铁：As=A0+Ac2,As砂型等效面积A0铸件表面积Ac冷铁工作表面积,M0铸件原模数M1使用冷铁后铸件 等效模数,M1的确定,同时凝固：M1相当于热节四周薄壁部分的模数顺序凝固：M1=(0.83-0.91)Mp，Mp是热节旁补缩壁的模数。经验证明，只有满足Mp0.67M0时，才能用外冷铁消除热节影响外冷铁质量校核,内冷铁模数计算法（参考教材及文献）,浇注系统设计,浇注系统典型构造浇注系统类型浇注系统设计计算浇注系统设计步骤练习举例,浇
11、注系统典型构造,图12 浇注系统的典型形式1、浇口杯 2、直浇道 3、浇道窝 4、横浇道 5、集渣包 6、内浇道,浇注系统类型,按截面比分类按内浇口位置分类,按截面比分类,1）封闭式：S直 S横 S内 2）开放式：S直S内而S内S直 直浇道充满，用于小型铝镁合金产品。,按内浇口位置分类,顶注式浇注系统底注式浇注系统中注式浇注系统阶梯式浇注系统缝隙式浇注系统,顶注式浇注系统,底注式浇注系统,中注式浇注系统,阶梯式浇注系统,缝隙式浇注系统,浇注系统设计计算,奥占公式平均压头Hp计算浇注时间确定流量系数确定,奥赞公式,阻流处金属液流速v计算（伯努利方程）,充填下半型时，通过阻流截面的金属质量m下和浇
12、注时间有如下关系,充填上半型时，对应着最大压力头和最小压力头有平均压力头 hP，则,综合上下半型公式有,平均压头Hp计算,总功：,下半型功：,上半型功：,将上两式代入总功，则：,对于底注式P=C，故,对于顶注式P=0，故,浇注时间确定,对其他合金铸件，有经验公式,A、B、P、n系数见教材表3-4-4、表3-4-5。,用金属液在型内的上升速度来校核充填时间,铸铁铸钢的最小上升速度见教材表3-4-6、表3-4-7,流量系数确定,1、选择浇注系统类型2、确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属引入方向3、决定直浇道的位置和高度（压力角）4、计算浇注时间并核算金属上升速度5、计算阻流截面积S阻6、确定浇口
13、比并计算各组元截面积7、绘出浇注系统图形,浇注系统的计算步骤,铸造工程师的设计任务,铸造工程师应当完成的设计任务铸件零件结构的铸造工艺性对铸件零件的处理零件转化为铸件,铸造工程师应当完成的设计任务,铸造工艺图铸型装配图铸造工艺卡铸件图,铸件零件结构的铸造工艺性,零件结构是否容许制造零件结构是否容易制造,零件结构是否容许制造,做不出来的东西必须向设计者说明，必须改结构先将要填的孔填实,即小于最小铸出孔的孔填实充型中空的部位能不能下芯子,例如纯空心球和过长的单臂悬芯造型,最小容许壁厚(铸造工艺手册)充型 其他具体分析如高铬铸铁件不能进行机加工切断冒口等教材表3-2-1：砂型铸造时铸件最小容许壁厚;
14、临界壁厚=3*最小壁厚;若超过临界壁厚则铸件中心部分晶粒粗大，常出现缩孔、缩松现象。设计受力铸件时，不可单纯用增厚的办法来增加铸件强度如图3-2-1。,零件结构是否容易制造,凝固过程的要求充型过程的要求操作过程的要求,能做但不好做,尽量改但如果要求也要想办法做,凝固过程的要求,铸件结构不应造成严重的收缩阻碍,注意壁厚过渡和圆角。,铸件内壁应薄于外壁(为易于补缩可放冷铁)，教材表3-2-2。,壁厚力求均匀,减少肥厚部分,防止形成热节(可减少冒口),有利于补缩和实现顺序凝固,防止铸件翘曲变形,避免浇注位置上有水平的大平面结构,操作过程的要求,取消铸件外表侧凸,改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋板的结构,
15、改进铸件内腔结构以减少砂芯,减少和简化分型面,有利于砂芯的固定和排气,减少清理铸件的工作量,简化模具的制造;图3-2-16,大型复杂件的分体铸造和简单小件的联合铸造,对铸件零件的处理,基本原理零件结构引起的铸造工艺参数造型引起的铸造工艺参数制芯引起的铸造工艺参数凝固过程引起的铸造工艺参数加工及验收引起的铸造工艺参数,零件转化为铸件,基本原理,铸造工艺流程图是构成整体铸造工艺参数的总纲主要的影响环节有：零件结构、造型、制芯、凝固过程、机加工、铸件验收要求等。,零件结构引起的铸造工艺参数,最小铸出孔及槽（表3-3-8）,工艺补正量：e=0.002L；单件，小批生产（教材图3-3-14），大量生产修
16、改模具。,造型引起的铸造工艺参数,因模样(敲模、模样受潮膨胀)引起的铸件形状变化：非加工壁厚的负余量（表3-3-11）适用于手工造型、制芯,起模斜度:JB/T5015-91；教材图3-3-13,分型负数:图3-3-15,表3-3-9,制芯引起的铸造工艺参数,舂砂时芯盒涨开、刷涂料、烘干过程引起的芯子形状变化砂芯负数:只应用于大型粘土砂芯（表3-3-10）手工造芯,分芯负数,多用于分段制造的长砂芯和分开制造大砂芯,一般留13mm，用于手工造芯。,凝固过程引起的铸造工艺参数,铸造收缩率（表3-3-7）,反变形量；图3-3-16，图3-3-17,加工及验收引起的铸造工艺参数,铸件尺寸公差：GB641
17、4-86等效于ISO8062-1984（国际标准）教材表3-3-1铸件重量公差GB/T11351-89机加工余量GB/T11350-89 重量公差与机加工余量均与GB6414-86配套使用,提高部分,关于冒口的讨论（冒口类型）关于冷铁的讨论铸肋灰/球铁件冒口讨论关于浇注系统流动特点的讨论铸造工艺装备设计,关于冒口的讨论（冒口类型）,关于冷铁的讨论,冷铁的作用冷铁种类,在冒口难于补缩的部位防止缩孔缩松,造成人为的末端区,用冷铁防止各类接头的裂纹和缩孔,改善铸件局部的金相组织和力学性能减轻或防止厚壁铸件中的偏析,外冷铁的作用特点,铸件:127127203的碳素钢冷铁:7676Tickness,使用
18、外冷铁的注意点,直接外冷铁,直接外冷铁有气隙和无气隙,直接外冷铁的作用特点,间接外冷铁,内冷铁,通常在外冷铁激冷作用不足时才用内冷铁，主要用于壁厚大而技术要求不太高的铸件上，特别是铸钢件。,熔接内冷铁和非熔接内冷铁,内冷铁熔接过程,铸肋,割肋的形状和实例,割肋的设计,1）a/b(12),l/b2；或2）a/b(23),l/b1 不设割肋。,割肋的形状和尺寸,拉肋厚度为铸件厚度的0.40.6倍,灰/球铁件冒口讨论,灰/蠕/球铁凝固过程的体积变化灰/蠕/球铁体积膨胀是不可忽略的铸铁冒口与铸钢冒口的差异铸铁件冒口补缩的三种途径直接实用冒口控制压力冒口均衡凝固冒口理论的由来,灰/蠕/球铁凝固过程的体积
19、变化,25.4mm厚的Y形试样，1mm2面积上的石墨球数：当球数150个，为好；当球数90150个为中；90个为差。,灰/蠕/球铁体积膨胀是不可忽略的,实验表明：每析出1%质量的石墨，铸铁体积增大约2%；强度很高的湿型，抗压强度约为0.6MPa，模数为1cm的球铁或模数为1.5cm的灰铁即可超过其承压能力；1MPa=9.87atm,铸铁冒口与铸钢冒口的差异,铸铁件冒口补缩的三种途径,不计膨胀，按铸钢件方式即模数补缩；直接实用冒口：只补缩液态一次收缩，液态收缩停止，冒口颈及时冻结；控制压力冒口：综合考虑收缩与膨胀的差值进行补缩；,直接实用冒口,实用条件冒口体设计冒口颈设计冒口位置选择,实用条件,
20、薄壁铸件：球铁M0.48cm；灰铁M0.75cm；要求干型，自硬型。膨胀压力不超过0.6MPa 铸件模数高，则膨胀压力大，型壁不能承受。,冒口体设计补缩液态（一次）收缩,共晶成分铁液的液态收缩 液=液(tp-1150)=(90+304.3)*(tp-1150)10-6亚共晶如CE=3.6 共晶凝固前析出30%的奥氏体，液态铁向奥氏体转变收缩率为3%，增加30%3%=0.9%收缩率，则液=(90+303.6)(tp-1150)10-6+0.9 10-2,理想状态曲线（由上述收缩率公式算出）,实际状态曲线（实际应用时选用）,冒口颈计算,冒口位置选择关键模数确定法,也是确定冒口数量的方法：1）体积膨
21、胀正好抵偿更厚部分的液态收缩直 到其开始膨胀为止；2）关键部分的膨胀和比它厚的部分的液态收 缩同时发生，且相互关联，才能相互补 偿。,控制压力冒口,原理适用条件冒口体设计冒口颈设计冒口位置和数量的设计,原理,冒口补给铸件的液态收缩，在共晶膨胀初期冒口颈畅通，可使铸件内部铁液回填冒口以释放“压力”。控制回填程度使铸件内建立适中的内压用来克服二次收缩缺陷缩松，以使既无缩孔缩松，又无铸件膨胀变形。,控制方法：1）冒口颈及时冻结（明冒口只能用此 法）；2）暗冒口容积控制（单用暗冒口，浇 注温度不能超过T0；3）双重控制，重视浇注和冶金质量。,适用条件,1）湿砂型：球铁件 M=0.482.5cm；灰铁件
22、 M=0.752.0cm；2）干型硬度85,1、冶金质量 好：取下 限；2、冶金质量 差：取上 限；3、一般：中点；4、应靠近厚大部 位；冒口有效5、体积所需补 缩体积,冒口体设计,冒口颈设计采用短冒口颈,冒口位置和数量的设计,控制压力冒口的补缩距离冒口位置和数量的设计,控制压力冒口的补缩距离,凝固部位向冒口回填铁液的输送距离。右图为球铁补缩距离,灰铁补缩距离,冒口位置和数量的设计,冒口位置：模数大的位置 冒口数目：用铁液输送距离结合模 数体积图定（如后图）,可在M1处不放冒口,均衡凝固冒口理论的由来,较为符合实际铸铁件的凝固过程动态叠加原理图3-5-35,关于浇注系统流动特点的讨论,浇注系统
23、经典结构的由来金属液经过浇注系统进入型腔时发生的现象浇注系统的作用金属液流经浇注系统各结构单元的特点分析,浇注系统经典结构的由来,不要浇注系统，直接将金属液灌入铸型行不行？如图，显然不行。,如果只设计直浇道，则只能是顶注式，如果铸件太高，则冲击铸型，为了能从不同高度引入，所以要设置内浇道。,如果为了分配流股或流量，由单直浇道底部分出多个内浇道，造型掉砂也不易控制流股；而且如果需要从铸件不同部位引入时，则为多个直浇道，多个内浇道，操作烦琐。,直浇道横浇道内浇道比较完备。可以从任何高度引入，可以控制流速，可以灵活控制引入引入股的数量。,金属液经过浇注系统进入型腔时发生的现象,金属液冲入铸型；渣进入
24、铸型；气体被冲入铸型；,浇注系统的作用,按规定时间导入金属液；平稳引入；挡渣；挡气。,金属液流经浇注系统各结构单元的特点分析,渣特点比合金液轻的渣浮在表面，量比较大，用漏包浇注或浇注系统或过滤网挡渣；比合金液重的渣沉在浇包底部，转包不会引入，漏包会引入；与合金液相当的渣需要净化合金液：过滤网。茶壶嘴浇包可以克服轻渣和重渣的不利影响。,浇包中的流动特点,转包；漏包；茶壶嘴浇包；,浇口杯的流动特点,漏斗形：挡渣挡气均不好；盆形；,防止水平旋涡的方法,浇口杯中较好的挡渣形式,拔塞、浮塞、铁隔片式,筛网式,闸门和堤坝式,直浇道中的流动特点,直浇道窝中的流动特点,直浇道窝的设计形式,横浇道中金属的流动特
25、点,横浇道作用：稳流，捕渣（中小铸件多不用复杂的浇口杯）；渣在横浇道中的速度：上浮V浮、平动V横；存在内浇道吸动区；,如何利用横浇道阻渣,横浇道应呈充满状态；流速要低，充分上浮；圆盘形铸件内浇道旋转进入；,阻渣位置：横浇道开始段阻渣；末端延长段,封闭式和开放式的内浇道位置,强化阻渣的方法,过滤网,集渣包,内浇口特点基本无阻渣作用,浇口比影响：轻合金铸件常用开放式浇注系统；内浇道流量的不均匀性：一般情况下远离直浇道的内浇口流量大于接近直浇道的内浇口；内浇口的基本设计原则（见教材）,铸造工艺装备设计,概论模样及模板砂箱芯盒其他工艺装备,概论,铸造工艺装备（foundry rigging）是造型、造
26、芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。包括模样、模板、模板框、砂箱、砂箱托板、芯盒、烘干板（器）、砂芯修整磨具、组芯及下芯夹具、量具及检验样板、套箱、压铁等。此外，芯盒及烘干器的钻模和修整标准也属于铸造工艺装备。,优点：便于选择螺孔位置，钻孔和装配方便。缺点：破坏模样工作表面，叙用塑料或铝等填平。,优点：便于选择螺孔位置，钻孔和装配方便。缺点：破坏模样工作表面，叙用塑料或铝等填平。,砂箱结构,砂箱名义尺寸：分型面上砂箱内框尺寸乘砂箱高度。确定时要考虑一箱内放置铸件的个数和吃砂量，数据见表3-6-5。（长宽是50或100的倍数，高度是20或50倍数）,箱壁,箱带,砂箱定位,搬运、翻箱结构,砂箱
27、的紧固,手把用于小型砂箱,吊轴用于中大砂箱,吊环用于重型砂箱,箱壁,1、普通砂箱壁形式见图3-6-13；高压气冲造型砂箱壁形式见图3-6-14。2、经验：1）简易手工造型砂箱，常用较厚的直箱壁，不设内外突缘，制造简便，容易落砂；2）普通机器造型砂箱，常用向下扩大的倾斜壁，底部设突缘，防止塌箱，保证刚性，便于落砂，箱壁上留出气孔；3）中箱箱壁多为直壁，上下都设突缘。大砂箱内应有箱带以防止塌箱。中箱因无贯通的箱带，刚度小，故应加厚；4）高压造型和气冲造型用砂箱，尽量不加箱带，以便落砂。因受力大，要求刚度大。小砂箱用单层壁，大砂箱用双层壁。箱壁上不设出气孔。,箱壁,箱带（箱档、箱肋）,砂箱定位,砂箱紧固,芯盒,其他工艺装备,
