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1、1,机械制造工艺基础,主讲教师：周世权,2,1.2砂型机器造型铸造工艺Sand Mold Casting Process of Machine molding,-型砂和芯砂-造型和制芯；下芯并合型；金属液浇入铸型中，冷却凝固，经落砂清理和检验-铸件的工艺过程。一、型砂和芯砂原砂、粘结剂、水及其他附加物(如煤粉、重油、木屑等)按一定比例混制而成。根据粘结剂的种类不同，可分为粘土砂、水玻璃砂、树脂砂等。1粘土砂以粘土作粘结剂的型(芯)砂称为粘土砂。常用的粘土为膨润土和高岭土。粘土砂应保持一定的水份。型砂中应添加一定数量的煤粉或其他附加物。,砂型铸造,3,2水玻璃砂用水玻璃作粘结剂的型(芯)砂称为水
2、玻璃砂。也称为化学硬化砂。化学硬化砂与粘土砂相比具有型砂的强度高、透气性好、流动性好，易于紧实，铸件缺陷少，内在质量高。造型(芯)周期短,耐火度高，适合于生产大型铸铁件及所有铸钢件。3树脂砂以合成树脂作粘结剂的型(芯)砂称为树脂砂。酚醛树脂、尿醛树脂和糠醇树脂三类。对原砂的质量要求较高，价格较贵，树脂硬化时会放出有害气体，对环境有污染，所以树脂砂常用于制作形状复杂的、质量要求高的中、小铸件的型芯及壳型(芯)。,1.2砂型机器造型铸造工艺,4,二、造型方法手工造型和机器造型两大类。手工造型主要用于单件小批生产，机器造型主要用于成批大量生产。1.手工造型手工造型是工人通过模样、芯盒和砂箱等工装生产
3、砂型和砂芯的工艺过程。,1.2砂型机器造型铸造工艺,5,2.机器造型机器造型是用造型机和模板等设备生产砂型和砂芯的工艺过程。震压造型：这种方法所用机器结构简单，价格低廉，但造型时噪声大，压实比压较低，为0.150.4Mpa,型砂紧实度不够高,铸件质量和生产率不能满足日益增长的要求。微震压实造型机：即在对型砂压实的同时进行微震，提高了铸型的紧实度。,1.2砂型机器造型铸造工艺,6,1.2砂型机器造型铸造工艺,图3-18造型生产线示意图,机械化铸造车间，以造型机为核心，配以其他机械，如翻箱机、合箱机、压铁机、落砂机等辅助设备和砂处理及运输系统组成的机械化、自动化程度较高的铸造生产流水线。图3-18
4、所示为一条造型生产线示意图，上、下箱造型机为两台微震压实造型机，该生产线效率为130150型/小时。,7,1.2砂型机器造型铸造工艺,3机器造芯热芯盒射芯机制芯采用射砂方式填砂和紧砂。射砂紧实原理是将芯砂悬浮在压缩空气的气流中，以高速射人芯盒中而紧实。如图3-19所示：,图3-19,8,1.2砂型机器造型铸造工艺,3壳芯机制芯采用吹砂方式填砂和紧实。壳芯机的工作过程如图3-20所示。其主要缺点是酚醛树脂的价格昂贵，固化时间长，生产效率较热芯盒法低，制芯时有臭味产生。,图3-20,9,1.2砂型机器造型铸造工艺,三、铸件浇注位置和分型面的选择,铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型内所处的位置，分型
5、面是指两半铸型相互接触的表面。一般情况下，应先保证铸件质量选择浇注位置，后简化造型工艺决定分型面。,10,1浇注位置的选择原则(1)铸件的重要加工面应处于型腔底面或侧面。因为浇注时气体、夹杂物易漂浮在金属液上面，下面金属质量纯净，结构致密。图3-21所示为床身导轨面朝下，图3-22所示为卷筒内、外圆表面侧立。,1.2砂型机器造型铸造工艺,11,图3-23,1.2砂型机器造型铸造工艺,(2)铸件的大平面应尽量朝下。由于在浇注过程中金属液对型腔上表面有强烈的热辐射，铸型因急剧热膨胀和强度下降易拱起开裂，从而形成夹砂缺陷。所以大平面应朝下，如图3-23所示。,12,1.2砂型机器造型铸造工艺,(3)
6、铸件的薄壁部分应放在铸型的下部或侧面，以免产生浇不到或冷隔缺陷。(4)对于合金收缩大、壁厚不均匀的铸件，应使厚度大的部分朝上或置于分型面附近，以利于安放冒口对该处补缩，如图3-22所示。,13,1.2砂型机器造型铸造工艺,2分型面的选择原则：（1）应便于起模，简化造型工艺。图3-24所示起重臂采用平面分型，可以避免挖砂造型，提高生产率。图3-25所示绳轮铸件在大批量生产时加一个环状型芯，使三箱造型改为两箱造型，简化了操作，提高了生产率和铸件精度，利于采用机器造型。,图3-24,图3-25,14,图3-26,(2)尽量使铸件全部或大部分放在同一个砂箱内。图3-26为一床身铸件，其顶部平面为加工基
7、准面。图中方案a)因易错型而影响铸件尺寸精度。采用方案b)使加工面和基准面在同一个砂箱内，即不会错型也能够保证铸件精度，适用于批量生产。,1.2砂型机器造型铸造工艺,15,1.2砂型机器造型铸造工艺,(3)尽量减少型芯和活块的数量。图3-27所示支座有两种工艺方案。方案a)采用分模造型，轴孔下芯方便，但底板上四个凸台必须采用活块，操作麻烦且容易产生错型缺陷。,方案b)采用整模造型，铸件的重要工作面朝下，利于保证铸件的尺寸精度和质量。中间下一个型芯，即可成形轴孔，又避免了取活块。操作简单，适合于各种批量的生产。,16,四、铸造工艺参数的确定,主要工艺参数分述如下:1铸造收缩率由于合金的线收缩，铸
8、件冷却后的尺寸将比型腔的尺寸小，为了保证铸件的应有尺寸，模样和芯盒的制造尺寸应比铸件放大一个该合金的线收缩率。,1.2砂型机器造型铸造工艺,式中：L模模样尺寸；L件铸件尺寸。收缩率的大小取决于铸造合金的种类及铸件的结构、尺寸等因素。通常灰铸铁为0.7%1.0%，铸造碳钢为1.3%2.0%，铝硅合金为0.8%1.2%，锡青铜为1.2%1.4%。,17,1.2砂型机器造型铸造工艺,四、铸造工艺参数的确定,2加工余量加工余量是指在铸件的加工面上留出的准备切削除的金属层厚度。,18,图3-28,3起模斜度为了方便取模，在垂直于分型面的立壁上所增加的斜度称起模斜度(见图3-28)，一般用角度或宽度a表示
9、。模样越高，斜度取值越小，内壁斜度比外壁斜度大，手工造型比机器造型的斜度大。,1.2砂型机器造型铸造工艺,四、铸造工艺参数的确定,19,1.2砂型机器造型铸造工艺,四、铸造工艺参数的确定,4铸造圆角铸件上相邻两壁之间的交角，应设计成圆角，防止在尖角处产生冲砂及裂纹等缺陷。圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/31/2,20,3-29,1.2砂型机器造型铸造工艺,四、铸造工艺参数的确定,5型芯头(tz158,tz163)为了保证型芯在铸型中的定位、固定和排气，模样和型芯都要设计出型芯头。它们之间的尺寸和形状要留有装配用的芯头间隙，如图3-29所示。,21,五、铸造工艺图的绘制,1.2砂型机器造型
10、铸造工艺,铸造工艺图是在零件图上用规定的符号表示铸造工艺内容的图形，是制造模样和铸型、进行生产准备和铸件检验的依据，是铸造生产的基本工艺文件。现以前轮毂（见图3-30）为例，说明绘制铸造工艺图的步骤：,22,图3-30,五、铸造工艺图的绘制,23,五、铸造工艺图的绘制,1.分析铸件质量要求和结构工艺性前轮毂装于拖拉机前轮中央，和前轮一起做旋转运动并支撑拖拉机。两内孔(90和100)装有轴承，是加工要求最高的表面，不允许有任何铸造缺陷。前轮毂结构为带法兰盘的圆套类零件。铸件主要壁厚为14mm，法兰盘厚度19mm。法兰盘和轮毂本体相交处形成厚实的热节区。法兰盘上五个35mm、厚度为34mm的凸台，
11、也是最厚实的部分。2.选择造型方法铸件重136N，材料为球墨铸铁QT400-15，大批量生产，故选择机器造型(芯)。若生产量很少可用手工造型(芯),24,3选择浇注位置和分型面浇注位置有两种方案：一是轮毂(轴线)呈垂直位置，两轴承孔表面处于直立状态，利于金属液体充型和补缩，使铸件质量稳定。二是轮毂呈水平位置，虽方便造型和下芯，但两轴承孔的上表面易产生气孔、渣孔、缩孔等缺陷。故此方案不合理，应选择方案一，并使法兰盘朝上。分型面选在法兰盘的上平面处，使铸件大部分位于下箱，便于保证铸件的尺寸精度，合型前便于检查壁厚是否均匀、型芯是否稳固，同时使浇注位置与造型位置一致。,五、铸造工艺图的绘制,25,五
12、、铸造工艺图的绘制,4.确定工艺参数根据铸件的质量要求和生产条件，参照有关手册确定(1)加工余量铸件底面为3m，顶面和侧面为4m。(2)起模斜度铸件外壁斜度30，内壁斜度30。(3)不铸出孔法兰盘上5个18小孔与其余小螺纹孔不铸。(4)铸造收缩率取1。5.设计型芯铸件内腔只需一个直立型芯，为保证型芯稳固、定位准确，型芯上下均做出芯头。6.设计浇、冒口系统对于球铁件，可以采用压边冒口，以避免出现缩孔及缩松缺陷。压边冒口放置于轮毂上部厚实处，压边宽度4m。铁水由横浇道经过冒口进入型腔,26,7绘制铸造工艺图,五、铸造工艺图的绘制,27,7铸造工艺实例,28,型砂和芯砂：原砂，粘结剂和水分；粘土砂，
13、水玻璃砂和树脂砂。造型方法：手工造型：整模，分模，活块，假箱，三箱等；单件小批量生产。机器造型：两箱整模和分模，型板（有模型，浇注系统），大批大量生产。铸件浇注位置：重要加工面？大平面？薄壁部分？壁厚不均匀？分型面的选择：应便于起模，简化造型工艺。全部或大部分放在同一个砂箱内。尽量减少型芯和活块的数量。铸造工艺参数：收缩率，加工余量，起模斜度，圆角，芯头。铸造工艺图的绘：质量要求和结构工艺性，选择造型方法，浇注位置和分型面，确定工艺参数，设计型芯，设计浇、冒口系统，绘制铸造工艺图。,本节课程小结,29,复习思考题,1.机器造型与手工造型相比具有哪些优点?具体有哪些方法?简述震压造型机的工作过程
14、。2.确定下图所示铸件的铸造工艺方案，要求如下:按大批量生产条件分析最佳方案；按所选方案确定浇注位置、分型面、分模面,(轴承座零件图),30,(双联齿轮零件图),31,3试确定下图所示铸件的分型面,32,1.3特种铸造 Special Casting,一、熔模铸造,熔模铸造是用易熔材料(如石蜡)制成精确的模样,在其表面涂敷耐火涂料制成壳型，熔去模样,经过焙烧后即可浇注液态金属获得铸件的铸造方法,又叫消失模铸造或精密铸造。,1.熔模铸造的工艺过程压型用来压制蜡模的金属模型制作蜡模将50石蜡和50硬脂酸熔制的蜡料压入压型中，冷却凝固后，开型取出蜡件，修光分型面毛刺，得到蜡模。,33,一、熔模铸造,
15、制作蜡模组将单个蜡模粘结在蜡制的浇注系统上，成为蜡模组。涂挂涂料用石英粉与水玻璃或钢玉粉硅酸乙酯水解液制成涂料，将蜡模组浸泡在耐火涂料中，使其涂挂均匀。撒砂将涂挂好涂料的蜡模组表面撒一层石英砂。硬化用氯化铵溶液制成硬化液，将撒好砂的蜡模组放入硬化液中硬化10-几10秒钟。重复涂挂涂料撒砂硬化数次，便在蜡模表面结成所需厚度的硬壳；脱蜡将结好壳的蜡模组放人85-95的热水或蒸气中，熔去蜡模组，便得到无分型面的型壳。型壳烘干焙烧将脱蜡后的型壳先经过200左右的烘干，再加热到850左右焙烧，以便除去水分，残余蜡料，提高型壳强度。,34,图1-33,填砂浇注将焙烧后的型壳置人砂箱中，四周填砂，即可进行浇
16、注，待金属冷凝后，敲掉型壳，便获得带浇铸系统的一组铸件。如图1-33所示,一、熔模铸造,35,一、熔模铸造,2熔模铸造的特点和适用范围熔模铸造的优点:(1)铸件尺寸精度高(可达CT4CT7)，表面粗糙度低(Ra1.66.3um)，可实现少、无切削加工。(2)适合于各种合金的铸造，特别是高熔点和难以切削加工的合金。如高合金钢、耐热合金等。(3)可铸出形状复杂的薄壁铸件，如铸件上的凹槽（3mm宽）、小孔（2.5mm）均可直接铸出。熔模铸造的缺点：工序繁多，生产周期长，铸件成本高，适用于大量生产的25kg以下的高熔点、难以切削加工的合金铸件。应用：在航空、船舶、汽车、拖拉机、汽轮机、仪表、工模具和机
17、床等制造行业中得到了广泛的应用。,36,二、金属型铸造,金属型铸造-金属铸型的铸造方法。由于金属型可以反复使用，所以又称为永久型铸造。1金属型的构造及铸造工艺金属型的材料一般采用铸铁。型芯可用金属型芯或砂芯，有色金属铸件常用金属型芯。金属型的结构可分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式等。图1-34为铝活塞的金属型。,图1-34,37,2金属型铸造的特点及应用范围金属型铸造的优点：(1)铸型可连续重复使用，提高了生产率，节约了工时、成本和造型材料的消耗。(2)金属型尺寸稳定，表面光洁，提高了铸件的尺寸精度(CT6CT9)和表面质量(Ra6.312.5um)，切削加工余量减少。(3)铸件
18、冷却速度快，结晶组织致密，提高了铸件的力学性能。(4)金属型铸造过程没有混砂、造型工序，劳动条件好。,二、金属型铸造,38,金属型铸造的缺点,金属型的成本高、制作周期长，不适宜单件小批生产，也不能生产大型铸件。金属型导热快，不适宜铸造形状复杂的薄壁铸件，铸铁件容易产生白口组织。,应用：主要适用于像活塞、气缸盖、油泵壳体等形状不太复杂的铝合金中、小铸件的大批量生产。,39,三、压力铸造,压力铸造-高压充型，并在压力下结晶而获得铸件的方法。压力铸造工艺过程:卧式压铸机压铸,图1-35,40,压型是用合金工具钢来制造，并要进行严格的热处理。压型工作时应保持120280度的工作温度，并定期喷刷涂料。,
19、三、压力铸造,41,压力铸造的优点：(1)生产率高，生产过程易于机械化和自动化。(2)铸件质量高，铸件精度达CT4CT8，表面粗糙度Ra0.83.2um，一般压铸件可不经过机械加工而直接使用。(3)铸件力学性能好。表面晶粒细小而致密，其抗拉强度比砂型铸造提高2530。便于采用镶嵌法铸造，实现一件多材质，改善铸件某些部位的性能。,压力铸造的特点及应用范围,42,压力铸造的特点及应用范围,压力铸造的缺点：表皮下方出现皮下气孔。铸件含气量大，所以不能加工，热处理或在高温下使用。压力铸造应用：主要用于汽车、拖拉机、仪器仪表、医疗器械等行业中。常用于生产10kg以下的低熔点合金铸件.,43,四、低压铸造
20、,低压铸造是在2070kPa的压力下，将金属液注入型腔，并在压力下凝固的铸造方法。1低压铸造工艺过程,图1-36,44,四、低压铸造,2低压铸造的特点及应用范围低压铸造的主要优点是：1)浇注时压力和速度便于调节，充型平稳气体较易排除。2)便于实现顺序凝固，以防止缩孔和缩松.3)铸件的表面质量高于金属型，可生产出壁厚为152mm薄壁铸件。4)由于不用冒口，金属的利用率可提高到9098。低压铸造应用：用于生产气缸体、气缸盖、活塞、曲轴箱、壳体等高质量铝合金、镁合金铸件；船用螺旋桨、内燃机球铁曲轴等。此外，还有离心铸造、消失模铸造、挤压铸造等,45,复习思考题,1金属型铸造为什么要严格控制开型时间?
21、在铸件结构设计方面有何要求?2.试比较压力铸造、低压铸造方法的异同点及应用范围。本讲小结：主要内容：铸造工艺基础，砂型铸造，砂型铸造工艺，特种铸造。重点内容：流动性、缩孔与缩松的形成与防止、热应力与变形的形成与防止、顺序凝固与同时凝固，浇注位置与分型面选择，金属型铸造、压力铸造、低压铸造方法的特点与应用,46,1.4 铸件结构设计 Design of Casting Structure,铸件结构设计。一、铸造工艺对铸件结构的要求1.铸件的外形应便于取出模型（1）避免外部侧凹铸件有侧凹，必将增加分型面的数量，使铸件容易产生错型，影响铸件的外形和尺寸精度。,图1-41,47,图1-42,（2）分型
22、面尽量平直-可避免操作费时的挖砂造型，在机器造型时，分型面平直可方便模板的制造。,1.铸件的外形应便于取出模型,48,（3）凸台、肋板的设计-设计铸件侧壁上的凸台、肋板时，要考虑到起模方便，尽量避免使用活块和型芯。,1.铸件的外形应便于取出模型,49,2合理设计铸件的内腔,（1）尽量避免或减少型芯，不用或少用型芯。可简化生产工艺过程，提高铸件的尺寸精度和品质。,50,图1-47轴承支架结构的改进,2合理设计铸件的内腔,（2）型芯要便于固定、排气和清理,51,图1-48 高炉风口铸件内腔结构的改进,（2）型芯要便于固定、排气和清理,52,3铸件要有结构斜度,铸件上垂直于分型面的不加工表面，应设计
23、出结构斜度。铸件的结构斜度与起模斜度不容混淆。结构斜度是在零件的非加工面上设置的，直接标注在零件图上，且斜度值较大。起模斜度是在零件的加工面上放出的，在绘制铸造工艺图或模样图时使用。,53,二、合金铸造性能对铸件结构的要求,1合理设计铸件壁厚不同的合金、不同的铸造条件，对合金的流动性影响很大。为了获得完整、光滑的合格铸件，铸件壁厚设计应大于该合金在一定铸造条件下所能得到的“最小壁厚”。表1-2列举了在砂型铸造条件下铸件的最小壁厚。,表1-2 砂型铸造条件下铸件的最小壁厚,54,为了保证铸件的承载能力，对强度和刚度要求较高的铸件，应根据载荷的性质和大小，选择合理的截面形状，如图1-49所示。必要
24、时可在薄弱部位设置加强肋板，从而避免厚大截面，如图1-50所示。,1合理设计铸件壁厚,55,2.铸件壁厚应尽可能均匀,铸件各部分壁厚若相差过大，厚壁处易产生缩孔、缩松等缺陷。同时各部分冷却速度不同，易形成热应力，使铸件薄弱部位产生变形和裂纹。此外，为了有利于铸件各部分冷却速度一致，内壁厚度要比外壁厚度小一些，肋板厚度比铸件壁厚要小一些.,图1-50,56,图1-51,57,图1-52,3铸件壁的连接方式要合理,（1）铸件壁之间的连接应有结构圆角。如无圆角，直角处热节大，易产生缩孔缩松，如图1-52所示；在内角处易产生应力集中，裂纹倾向增大；直角内角部分的砂型为尖角，浇注时容易冲垮而形成砂眼。,
25、58,(2)铸件壁要避免交叉和锐角连接,铸件壁连接时应采用图1-53的形式。当铸件两壁交叉时，中、小铸件采用交错接头，大型铸件采用环形接头，如图1-53a所示。当两壁必须锐角连接时，要采用图1-53b、c所示正确的过渡方式。其主要目的都是尽可能减少铸件的热节。,图1-53,59,1-54,铸件壁厚不同的部分进行连接时，应力求平缓过渡，避免截面突变，减少应力集中，防止产生裂纹。当壁厚差别较小时，可用上述的圆角过渡。当壁厚之比差别在两倍以上时，应采用楔形过渡，如图1-54所示。,(3)厚壁与薄壁连接,60,4避免铸件收缩阻碍,在设计铸件时，应尽量使其能自由收缩。特别是在产生内应力叠加时，应采取措施
26、避免局部收缩阻力过大。图1-55为轮形铸件，轮缘和轮毂较厚，轮辐较薄，铸件冷却收缩时，极易产生热应力。奇数轮辐，利用铸件微量变形来减小内应力。,1-55,61,5避免大的水平面,图1-56为罩壳铸件，大平面受高温金属液烘烤时间长，易产生夹砂；金属液中气孔、夹渣上浮滞留在上表面，产生气孔、渣孔；而且大平面不利于金属液充填，易产生浇不足和冷隔。,图1-56,62,三不同的铸造方法对铸件结构的要求,1熔模铸件(1)便于从压型中抽出金属型芯(2)孔、槽不应过小、过深。(3)尽量避免大平面,(4)熔模铸造工艺上一般不用冷铁，少用冒口，多用直浇口直接补缩，故要求铸件壁厚均匀，或使壁厚分布满足顺序凝固要求，
27、不要有分散的热节。,63,2.金属型铸件,1）结构斜度应较砂型为大。图1-59(a)所示铸件结构不合理，金属型芯难以抽出，应改为图1-59(b)所示铸件结构。铸件壁厚差别不能太大，也不能过薄，如铝硅合金铸件的最小壁厚为24mm，铝镁合金为35mm。2）铸孔的孔径不能过小、过深。通常铝合金的最小铸出孔为810mm，镁合金和锌合金均为68mm,64,3压铸件,(1)尽量避免侧凹、深腔，使其能顺利地从压型中取出。下图为压铸件的两种设计方案。图a）的结构因侧凹朝内，侧凹处无法抽芯。改为图b）结构后，使侧凹朝外，可按箭头方向抽出外型芯，这样铸件便可从压型内顺利取出,65,(2)壁厚要合理。在保证铸件有足够的强度和刚度的前提下，压铸件应尽可能采用薄壁，并且壁厚要均匀，以减少气孔、缩孔等铸造缺陷。(3)注意嵌件的连接为使压铸件中的嵌件牢固，压铸前应在与嵌件连接的铸件表面预制出凹槽、凸台或滚花，然后再进行压铸加工。,66,本讲小结,主要内容：砂型铸件结构工艺设计，特种铸造件的结构工艺性。重点内容：铸件的外形设计、铸件的内腔设计、结构斜度设计、铸件壁厚设计，铸件壁的连接方式设计，避免铸件收缩阻碍、避免大的水平面。,67,复习思考题,试分析图45-47所示铸件的结构不合理之处，并加以修改，说明修改理由.,
