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1、,上海大学机自学院,“材料与成形A(2)”讲稿,SHANGHAI UNIVERSITY,姚勤,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,第二章 铸造成形,2-1 概述,铸造将液态金属浇入铸型中，冷凝后 获得铸件的成形方法。,铸件,金属液,铸型,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,铸造的特点及应用,1.成本低,2.工艺灵活,3.制件形状复杂,特 点,应 用,形状复杂的、受力不大的或主要承受 静载荷的零件或毛坯的成形。,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY, 铸造方法的种类,铸造,手工 砂型 铸造,机器 砂型 铸造,砂型铸造,熔 模 铸 造
2、,离 心 铸 造,压 力 铸 造,低 压 铸 造,特种铸造,.,.,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,2-2 铸件成形理论基础,一、金属的充型,1.金属的充型能力：,液态金属充满铸型型腔， 获得形状完整、轮廓清晰 的优质铸件的能力。,2.充型能力对铸件质量的影响：,充型能力不足,轮廓不清、花纹模糊,浇不足、冷隔,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,3.影响充型能力的因素：,合金流动性：共晶成分的合金或结晶间隔小的 合金流动性好，充型能力强。,铸型条件：铸型的蓄热系数越小，铸型的温度 越高，则充型能力越好；铸型中有 适量的气体将有利于提高充型能力，
3、但气体过量则妨碍充型。,浇注条件：浇注温度越高，浇注压力越大，浇 注系统结构越简单，充型能力越强。,（灰口铸铁、硅黄铜铝硅合金铸钢）,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,铸件结构：铸件的折算厚度（体积/表面积） 越大，铸件结构形状越简单，其 充型能力越好。,4.防止浇不足和冷隔的措施：,尽可能采用共晶合金或结晶间隔小的合金,适当提高浇注温度和压力,改善浇注系统和铸型条件（如加高直浇道、扩 大内浇口，预热铸型，增加型砂中煤粉含量以 减少阻力等）,改变铸件结构（如加大壁厚）,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,二、铸件和铸型的温度场,在金属结晶过程中，铸
4、件和铸型间的传热将 使铸件金属的温度不断下降和铸型温度的上升， 从而造成铸件截面上固相区的不断扩大和液相区 的逐渐缩减，最终完全凝固。因此，研究每一个 瞬间，铸件和铸型的温度分布规律，将对合理确 定铸造工艺、消除铸造缺陷、获取优质铸件具有 十分重要的作用。,温度场-铸件和铸型中的温度分布规律。 （不同时间、不同空间的温度情况）,上海大学机自学院,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,-0.2,-0.3,-0.4,-0.1,X=0 铸件与铸型交界面,铸件,铸型,浇注后5分钟,浇注后10分钟,浇注后60分钟,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,三、金属的凝固（又称结晶）,纯
5、金属、共晶合金及结晶 间隔很窄的合金的凝固方式。,逐层凝固,糊状凝固合金结晶间隔很宽、铸件 （体积凝固）温度场平坦时的凝固方式。,中间凝固,绝大多数合金的凝固方式。,金属的凝 固 方式,铸件究竟采用何种凝固方式取决于合金的结晶间隔和铸件断面的温度梯度，即应由合金相图和温度场分布曲线综合分析。,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,相图,合金 1,合金 2,合金 3,合金1,合金2,合金3,中心,表层,中心,中心,表层,表层,逐层凝固,中间凝固,糊状凝固,S,L,L,S,L+S,L,S,L + S,L+S,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,四、合金的收
6、缩,铸件在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。,1.收缩过程及收缩率,收缩,液态收缩,固态收缩,凝固收缩,体积收缩，用体收缩率V表示,尺寸收缩，用线收缩率l表示,2.收缩对铸件质量的影响,液态和凝固收缩得不到补偿缩孔和缩松,固态收缩受到阻碍应力、变形、裂纹,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,3.影响收缩的因素：,化学成份：铸钢的收缩大，且碳量越高，收缩越大；,铸铁的收缩小，且随碳量、硅量的增加，收缩越小。,浇注温度：浇注温度越高，收缩量越大,铸件结构和铸型条件：实际收缩率自由收缩率,五.缩孔和缩松,缩孔-由收缩引起的大而集中的孔洞,缩松-由收缩引起的小而分散的孔洞,
7、*铸铁收缩小是因为石墨析出时的体积膨胀抵消了部分收缩,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,1.产生原因：合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩， 且得不到补偿。,2.后果,缩孔+宏观缩松,纯金属和结晶间隔小的合金 （逐层凝固方式）,结晶间隔大的合金 （糊状凝固方式）,显微缩松,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,适当降低浇注温度和浇注速度。,尽可能采用共晶合金或结晶间隔小的合金，以防止 产生缩松。,3.防止措施,冒口,浇口,合理设置浇口、冒口、冷铁等，实现定向凝固（顺序 凝固），将缩孔转移。,定向凝固原则适用于收缩大的合金或壁厚差别 较大的铸件（即必须
8、补缩的场合）,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,顶冒口,侧冒口,冷铁,方案1 （2冒口）,方案2 （1冒口、1冷铁）,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,六.铸造应力、变形和裂纹,1.铸造应力,产 生 原 因,铸型或型芯阻碍铸件自由收缩收缩应力 （机械应力）,*收缩应力是临时的（清砂后消失），而热应力将残留在 铸件内部，称为残余应力，这种应力会在铸件放置过程 中或受到切削加工时通过变形得到部分释放，但不会完 全消除，只有通过去应力退火或自然时效才能消除。,某些合金在铸造过程中由于发生相变而引起的体积 膨胀或收缩，产生相互阻碍相变应力,铸件壁厚不均匀
9、，造成冷速不一致，收缩有先有 后、有大有小，引起相互阻碍热应力,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,防 止 措 施,改善铸型和型芯的退让性，以减少机械应力,合理设置浇口、冒口和冷铁，实现同时凝固， 以防止热应力,铸件结构上尽可能减少互相牵制（如壁厚均匀、 逐步过渡等）,尽可能选择线收缩率小的合金 对已残留铸造应力的铸件，必须进行去应力退火 或自然时效后，方能进行切削加工或投入使用。,冷铁,浇口,同时凝固原则适用于收缩小的合金或壁厚均匀的铸件 （不须补缩）、结晶间隔大的合金（无法补缩）,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,残余应力规律：,厚壁部分或心部
10、（后凝固）受拉应力,薄壁部分或表层（先凝固）受压应力,圆柱体 （表层受压，心部受拉）,+ + + + + + + + + +,- - - - -,- - - - -,T形梁 （厚部受拉，薄部受压）,+ + + + + + + +,- - - - - - - - - -,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,2.铸件的变形,铸造应力超过了材料的屈服强度,切削加工破坏了应力平衡,产生 原因,防止 措施, 同应力防止（变形是由应力引起的）,反变形法（应预知变形的方向和大小）,变形趋势的判断：,厚壁部分或心部（拉应力）缩短,薄壁部分或表层（压应力）伸长,上海大学机自学院,SHANG
11、HAI UNIVERSITY,+ + + + + + + + + +,- - - - -,- - - - -,例1：将有残余应力的圆柱体铸件进行如下加工， 会如何变形？,车外圆,钻孔,刨去一侧,缩短,伸长,弯曲,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,+ + + + + + + +,- - - - - - - - - -,例2：下图铸造T形梁内有残余应力，经时效或 去应力退火后将会如何变形？,3.铸件的开裂,铸造应力超过了材料的强度极限,原因,分类,热裂-高温时形成的裂纹（发生在薄壁或表层）,冷裂-低温时形成的裂纹（发生在厚壁或心部）,防止措施,同应力防止（变形和开裂都是由应
12、力引起的）,上海大学机自学院,作业题： 试分析下图所示各种截面的铸钢梁，其凝固收缩是自由 收缩还是受阻收缩？收缩时是形成热应力还是机械应力？ 并分析其应力性质（拉、压）和变形趋势。,上海大学机自学院,2-3 砂型铸造工艺分析,一、砂型铸造的工艺流程,造型和芯,熔炼合金,合箱 浇注,落砂 清理,后处理,检验,二、造型方法的选择,1.手工造型,单件小批生产或大型铸件的生产,整模造型 分模造型 三箱造型 挖砂造型 假箱造型 活块造型,上海大学机自学院,上,下,上,下,上,上,上,下,下,下,中,两箱整模造型 （一样大，一头大）,两箱分模造型 （两头小中间大）,三箱分模造型 （两头大中间小）,下箱,平底板,模样,挖砂造型 （曲面分型）,成形底板 （木、金属）,假箱 （水泥、石膏）,or,假箱造型 （曲面分型） ? 假箱为什么称为假箱? 假箱只参与造型, 假箱不参与浇注 !,活块造型 （局部妨碍）,活块,小批量,大批量,模样,模样,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,2.机器造型（紧砂、起模由机器完成）,适合大批大量生产中小型铸件,气动微振压实造型,多触头高压造型,垂直分型无箱射砂造型,注意：机器造型不能三箱、挖砂，尽量不用活块, , , , ,上,下,外型芯块,
