金属的液态成形工艺

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1、材料成形技术基础三峡大学机械与动力学院 主讲教师：叶喜葱第一章：金属的液态成形v1.1 金属液态成形的铸造基础v1.2 金属的液态成形工艺v1.3 液态成形金属件的工艺设计v1.4 液态金属成形件的结构设计1.2 金属的液态成形工艺金属的液态成形工艺实际上主要是指铸造成形工 艺，其中最基本，应用最广泛的是砂型铸造工艺。一、砂型铸造砂型铸造是传统的液态成形方法之一，它适用于各 种形状、大小及各类合金铸件的生产。砂型铸造最基 本的工序就是造型与制芯，造型方法通常分为手工造 型和机器造型两大类。1、手工造型2）常见手工造型方法分模、整模、活块、刮板、三箱、挖砂、 假箱砂箱刮砂板底板砂舂通气针起模针皮

2、老虎镘刀镘勺提勾1）砂箱及造型工具分模造型最大截面在中间截面 ；一个或两个分型面；两箱或三箱；操作简便，适用于形 状较复杂的铸件，特 别广泛用于有孔或带 有型芯的铸件，如套 筒、水管、阀体、箱 体、曲轴、立柱等。整模造型整体模，铸型的型 腔一般只在下箱；最大截面在端面处 ；操作简单；不会错箱。适用于外形轮廓上 有一个平面可作分 型面的简单铸件， 如齿轮坯、轴承、 皮带、轮罩等。活块造型将模样上妨碍起模的部 分，如凸台、肋、耳等 ，做成活动的，称为活 块。活块用销式燕尾与模样 的主体连接，在起模时 须先取出模样主体，然 后取出活块。单件或小批生产；效率低下。刮板造型用与铸件截面 相适应的刮板代

3、替实体模样造型 的方法。只适用于中小 批生产尺寸较大 的回转体铸件， 如皮带轮、齿轮 等。大、中型回 转类零件；三箱造型两个分型面；分型面在大截面处；三箱；易错箱。挖砂造型当铸件最大截面在中部，模样又不便分成两半(如 分模后模样太薄或分面是曲面)时，只能将模样做成 整模，造型时挖掉防碍起模的砂子。最大截面靠近端面；分型面为曲面；单件小批生产；效率低下。假箱造型对于分型面为阶梯面或曲面的铸件，当生产数量较多时 ，可用成形底板代替平面底板，并将模样放置在成形底板 上造型，可省去挖砂操作。 成形底板可根据生产数量的不同，分别用金属、木材制作 ；如果件数不多，可用粘土较多的型砂春紧制成砂质成形 底板，

4、称为假箱。 1.单件、小批生产：图示件属大尺寸、回转体，可采用 刮板造型。2.成批生产：当批量大，但又无机械化生产条件时，可 采用模样两箱造型。例：给下列零件选择合适的造型方法2、机器造型手工造型中的摏箱、起模两工序不仅效率低，劳动条 件差，而且铸件尺寸不准确。机器造型将填砂、紧实和 起模等主要工序实行机械化，并组成生产流水线。(1)紧砂方法：震压紧砂 微振压紧砂高压紧砂 抛砂紧砂 (2)起模方法： 顶箱起模 漏模起模 翻箱起模 震压紧砂：这类造型机主要由震击机构、压实机构、起模 机构和控制系统组成。多通过震击和压实紧实型砂，绝大部分都是边 震边压。震击压实都采用气动，为高频率低振幅的微振 形

5、式,铸型硬度均匀。所有机器都带有起模结构，起模比较平稳。这 种造型机的特点是：机构简单、操作方便、投资 较小，适用于各种材质小件的造型。 填砂紧砂压实起模微振压紧砂：采用振击(频率150500次/分,振幅25 80mm)压实-微振(频率7001000次/分,振 幅510mm)来紧实造型。这种造型机噪音较 小,型砂紧实度均匀,生产率高。高压紧砂：由许多可单独动作的触头组成。抛砂紧砂1-抛砂头；2-皮带轮；3、4-砂团；5-型 腔顶箱起模起模方法漏模起模翻箱起模3、机器制芯在大批量生产中，最常用的机器制芯方法是射 芯机和壳(吹)芯机制芯。 为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基

6、础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。二、 特种铸造特种铸造是指与普通砂型铸造有显著区别的一些铸造 方法，如金属型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造 、离心铸造等。 特种铸造属先进铸造，是铸造技术沿精密、洁净和高效方向的发展。其中最主要的发展是铸造过程数控自动化与铸造工艺的绿色化。(1)金属型的材料金属型的材料一般采用铸铁，铸件的内腔可用金属型 芯或砂芯得到，对于薄壁复杂铸件或钢铁铸件，多采用 砂芯；对于形状简单铸件或非铁合金铸件，多采用金属 型芯。1、金属型铸造(2)金属型的铸造工艺 1)加强金属型的排气。2)在金属型的工作表面上喷刷涂料。3)

7、预热金属型并控制其温度。4)及时开型。 (3)金属型铸造的特点及适用范围 优点：1)导热性能好冷却速度快，组织致密，力学性能高。2)铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸件。3)金属型复用性好。 缺点：1)易产生气孔、应力、裂纹、浇不足、冷隔等缺陷；2)不适宜生产形状复杂、薄壁和大型铸件；3)制造成本高，周期长，铸造工艺要求严格。(1).预热金属型浇注前预热金属型，可减缓铸型的冷却能力，有利 于金属液的充型及铸铁的石墨化过程。生产铸铁件， 金属型预热至250350；生产有色金属件预热至 100250。 金属型铸造型的工艺特点金属型的导热速度快和无退让性，使铸件易产生 浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺

8、陷。此外，金属型反 复经受灼热金属液的冲刷，会降低使用寿命，为此应 采用以下辅助工艺措施。(2).刷涂料 为保护金属型和方便排气，通常在金属型表面喷刷耐火涂料层，以免金属型直接受金属液冲蚀和热作用。调 整涂料层厚度可以改变铸件各部分的冷却速度，并有利 于金属型中的气体排出。浇注不同的合金，应喷刷不同 的涂料。如铸造铝合金件，应喷刷由氧化锌粉、滑石粉 和水玻璃制成的涂料；对灰铸铁件则应采用由石墨粉、 滑石粉、耐火粘土粉及桃胶和水组成的涂料。 (3)浇注 金属型的导热性强，因此采用金属铸型时，合金的浇 注温度应比采用砂型高出2030。一般的，铝合金为 680740；铸铁为13001370；锡青铜为

9、 11001150。薄壁件取上限，厚壁件取下限。铸铁件 的壁厚不小于15mm，以防白口组织。 (4)开型 开型愈晚，铸件在金属型内收缩量愈大，取出铸件困 难，而且铸件易产生大的内应力和裂纹。通常铸铁件的 出型温度700950，开型时间为浇注后1060秒。2、熔模铸造熔模铸造是在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形方法。 1)熔模的制造 2)型壳的制造 3)脱模 4)型壳焙烧 5)浇注 (1)熔模铸造的工艺过程 3）、制造熔模：将糊状的蜡基材料（50%石蜡和50%硬脂 酸组成），在压力下充满压型，冷凝后取出，经修整毛刺 便获得一个熔模

10、。为一次能浇出多个铸件，可将多个熔模 焊成熔模组。(1)熔模铸造的工艺过程 2）、制造压型：压型是制造蜡模的模具，有很高的精度 和光洁度。制造压型要考虑蜡模及铸件的双重线收缩率。 成批、大量生产时，压型通常用金属材料制成；单件、小 批时，常用石膏来制造。1）、制造母模：母模是铸件的基本模型，制造压型。4）、型壳的制造 a）结壳：先在熔模上涂挂耐火涂料（一般由水玻璃和石英粉制成 或硅酸乙酯水解液和刚玉粉制成的），然后撒上一层细石英砂，将 其放入氯化铵水溶液中硬化或通氯气硬化。重复进行挂涂料、撒砂 和硬化过程3至7次，直至结成510mm厚的型壳为止。(1)熔模铸造的工艺过程 b）脱模：通常将型壳浸

11、泡在8595的热水中，蜡模自行熔化后 从型壳中脱出，获得与铸件形状一致的型腔。熔模也可在高压蒸气 熔化脱出。 c）焙烧：将型壳在8001000下加热，以清除型壳内的残余物 和水份，并进一步提高型壳的强度。5）、填砂：为加固型壳以防它在浇注时变形或破裂，需在焙烧后的型壳周围用干砂填紧。6）、 金属液的浇注、落砂和清理型壳经焙烧后应马上浇注，以保证金属液有足够的充型能力。铸件凝固后落砂，并对其进行清理和检验。(1)熔模铸造的工艺过程 熔模铸造熔模铸造视频(2)熔模铸造的特点铸件的精度高，表面粗糙度低（尺寸精度IT1113，表面粗 糙精度Ra1.6一12.5）。铸件合金种类不受限制，钢、铸铁和有色合

12、金均可。可生产形状复杂的薄壁铸件，最小壁厚可达0.3mm，最小铸 孔直径达0.5mm。生产工序复杂，生产周期长。原材料价格贵，铸件成本高。铸件不能太大、太长，否则蜡模易变形。熔模铸造是一种少无切削的先进的精密铸造工艺。它最适合 25kg以下的高熔点、难以切削成形的合金铸件的大批量生产。广 泛应用于航天、飞机、汽轮机、燃汽轮机叶片、泵轮、复杂刀具 、汽车、拖拉机和机床上的小型铸件生产。3、压力铸造熔融金属在高压下高速充型 ，并在压力下凝固的铸造方法 称为压力铸造，简称压铸。压 铸时所用的压力高达数十兆帕 （甚至超过200MPa），其速度 约为5100ms，熔融金属充 满铸型的时间为0.010.2

13、s， 高压和高速是压铸区别于一般 金属型铸造的重要特征。(1)压铸机和压铸工艺过程 (2)压力铸造的特点 优点：铸件的尺寸精度和表面质量最高。铸件的强度和表面硬度高。可压铸出形状复杂的薄壁件。生产率高。缺点：设备投资大，制造成本高，工艺准备时间长， 不适用于单件、小批生产。不适用于铸铁、铸钢等高熔点合金的铸造。压铸件不宜热处理，并尽量避免切削加工（为什么？ ）答：由于压铸的金属液注入和凝固速度过快，型腔气体难以及时 完全排出，故铸件内部易存有气孔等铸造缺陷。 所以，不宜热 处理。4、低压铸造低压铸造是是在0.020.07MPa的低压下将金属液注入 型腔，并在压力下凝固成形，以获得铸件的方法。(

14、1)低压铸造的工艺过程 (2)低压铸造的特点1)浇注压力和速度便于调节，可适应不同材料的铸型 。2)充型平稳、铸型冲刷力小，气孔、夹渣等缺陷较少 。3)便于实现定向凝固，铸件组织致密、力学性能高。4)金属的利用率高，铸件的尺寸和表面精度高。设备 费用较低。 5、离心铸造离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在 离心力作用下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按 铸型旋转轴线的空间位置不同，离心铸造分为立式和卧式 两种。 特点： 1）生产空心旋转铸件时，可以省去型芯、浇 注系统和冒口。 2）补缩条件好,使铸件致密,力学性能好。 3）铸件内表面粗糙,尺寸误差大,质量差。 4）不适合比重偏析

15、大的合金。离心铸造适用于大批量生产管、筒类铸件 ，如铁管、筒套、缸套、双金属钢背铜套， 轮盘类铸件，如泵轮、电机转子等。 三、金属液态成形方法的合理选择各种铸造成形工艺方法均有其优缺点和适用范围，因此必须结合具体情况，对铸件大小、结构形状、合金种类、质量要求、生产批量和生产条件等进行全面的分析、比较，才能正确的选择出合理的成形方法。 几种常用凝固成形方法比较：成本计算：铸件成本 C=Cs+CMN式中C铸件成本；Cs除模具和专用设备费用外的铸件成本；CM模具和专用设备费用；N生产件数。铸件总成本 CN=NCs+CM练习：分析下图四零件应采用何种手工造型方法？型(芯)砂造型用砂称型(芯)砂。一、

16、型(芯)砂组成型砂及芯砂是制造铸型和型芯的造型材料,它主 要由原砂、粘结剂、附加物和水混制而成。 型(芯)砂按粘结剂的种类可分为：1、粘土砂 粘土砂是以粘土为粘结剂配制成的型砂 。由原砂(应用最广的是硅砂,主成分 SiO2)、粘土、水及附加物按一定比例配 制而成。粘土砂是迄今为止铸造生产中应用最广 泛的型砂。可用于制造铸铁件、铸钢件及 非铁合金的铸型和不重要的型芯。 2、水玻璃砂 水玻璃砂是以水玻璃（硅酸钠的水溶 液）为粘结剂配制成的化学硬化砂。它 是除粘土砂外用得最广泛的一种型砂。水玻璃砂铸型或芯无需烘干、硬化速 度快、生产周期短、易于机械化、劳动 条件改善。3、油砂和合脂砂 油砂是以桐油、亚麻仁油等植物油为 粘结剂配制成的型砂。合脂砂以合成脂 肪酸残渣经煤油稀释而成的合脂作粘结 剂。油砂或合脂砂制造结构复杂、要求高 的型芯。4、树脂砂 树脂砂是以树脂为粘结剂配制成的型砂 。又分为热硬树