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1、,1 铸造成形技术,1.1 铸造成形理论基础,1.2 铸造方法,1.3 铸造工艺设计,1.4 铸件结构工艺性,将液态金属材料熔化成液态后，浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔（称铸型）中，待其冷却凝固后获得具有一定形状和尺寸的毛坯或零件的方法。,铸造的概念,1 铸造成形技术,铸造的特点,成形能力强 能够制造形状复杂的铸件，尤其是能制造具有复杂内腔的毛坯或零件。,工艺适应性强 铸件的合金成分、尺寸、形状、质量和生产批量等几乎不受限制。,经济性好 原材料来源广泛， 铸件的形状和尺寸与零件非常接近，可以节约金属，减少后续加工费用，因而生产成本低。,铸 造 优 点,1 铸造成形技术,铸造的特
2、点,铸 造 缺 点,用同样金属材料制造的铸件，其力学性能不如锻件。,铸造工序繁多，且难以精确控制，故铸件质量有时会不够稳定。,劳动条件较差，劳动强度较大。,1 铸造成形技术,液 态 金 属,充 型,铸 件,凝 固 收 缩,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,液态金属充满铸型型腔，获得尺寸正确、轮廓清晰的铸件的能力。充型能力首先取决于合金本身的流动性，还与外界条件，如铸型条件、铸件结构及浇注条件等因素有关。,充型能力的概念:,充型能力不足,浇不足,冷 隔,夹 砂,气 孔,夹 渣,充型能力的决定因素,（1）合金的流动性 （2）铸型性质 （3）浇注条件 （4）铸件结构,1.1.5
3、 铸件成形过程控制,1.1.5 铸件成形过程控制,1. 充型能力的控制：（1） 合金本身的流动性。流动性是指液态合金本身的流动能力，它与合金本身的化学成分、温度、杂质含量及物理性质等有关,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,1. 充型能力的控制 1） 合金本身的流动性 铸造合金流动性的好坏，通常以浇注标准螺旋线试样的方法进行测定。将金属液浇入到右图所示的螺旋形的铸型中，显然，在相同的铸型及浇注条件下，得到的螺旋形试样越长，表示该合金的流动性越好。,螺旋形试样,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,1. 充型能力的控制 1） 合金本身的流动性 合金的种类。不
4、同种类的合金因熔点、热导率和粘度等物理性质以及结晶特性的不同，其流动性也不同。 合金的化学成分。同种合金中，成分不同的合金具有不同的结晶特点，其流动性也不同。,图：不同结晶特征合金的流动性,亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,1. 充型能力的控制 1） 合金本身的流动性 杂质含量。液态金属中含有固态夹杂物，将会使液体的粘度增加，因而会降低合金的流动性；液态金属中的含气量越多，其流动性也越差。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,1. 充型能力的控制 2） 铸型条件,铸型温度： 预热铸型能减小它与金
5、 属液之间的温差，降低 换热强度，从而提高金 属液的充型能力。,铸型蓄热系数: 即从金属液中吸取 并储存热量的能力。,铸型中的气体： 浇铸时产生气体能在金属液 与铸型间形成气膜，减小流 动阻力，有利于充型。但发 气量过大,铸型排气不畅,在 型腔内产生的气体的反压力 增大，充型能力减弱。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,1. 充型能力的控制 3）铸件结构,当铸件的壁厚过小、壁厚急剧变化或 有较大的水平面等结构时，会使合金液充 型困难。因此，设计铸件结构时，铸件的 壁厚必须大于最小允许值；有的铸件则需 要设计流动通道；在大平面上设置筋条。 这不仅有利于合金液的顺利充型，亦可
6、防 止夹砂缺陷的产生。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,1. 充型能力的控制 4）浇注条件 浇注温度； 充型压力。,浇注温度,充型压力,浇注温度越高，使合金粘度下降，且保持流动的时间越长，故充型 能力强。反之，充型能力下降。但浇注温度过高，吸气、氧化现象严重。易产生缺陷，结晶组织粗大。,液态金属在流动方向上所受的压力越大,则流速越大，充型能力越强。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,2. 铸件的凝固方式及控制,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,2. 铸件的凝固方式及控制 1） 凝固方式 铸件断面一般存在三个区域，即液相区、凝固
7、区、固相区。 凝固方式有：逐层凝固糊状凝固中间凝固。,(a) 逐层凝固方式 (b) 中间凝固方式 (c) 糊状凝固方式,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,2. 铸件的凝固方式及控制 2） 凝固方式的控制 （1）合金的结晶温度范围；（2）铸件截面的温度梯度。,温度梯度对凝固区域的影响,铸件的温度梯度主要受以下以个因素的影响： 合金的性质：合金的凝固温度越高、导温系数越小或结晶潜热越小，铸件内部温度均匀化的能力就越小，温度梯度就越大。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,2. 铸件的凝固方式及控制 2） 凝固方式的控制 （2）铸件截面的温度梯度。,温度梯度
8、对凝固区域的影响,铸件的温度梯度主要受以下以个因素的影响： 铸型条件 铸型的蓄热能力和导热性越好，对铸件的激冷能力就越强，铸件的温度梯度就越大。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,2. 铸件的凝固方式及控制 2） 凝固方式的控制 （1）合金的结晶温度范围；（2）铸件截面的温度梯度。,温度梯度对凝固区域的影响,铸件的温度梯度主要受以下以个因素的影响： 浇注温度:提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。 铸件的壁厚:铸件的壁厚越小，温度梯度就越大。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,2. 铸件的凝固方式及控制 因此在选用铸造材料时，应
9、尽量选用倾向于逐层凝固的合金（如灰铸铁、铝硅合金等）。当必须采用倾向于糊状凝固的合金时，可考虑采用适当的工艺措施（如选用金属型铸造），以减小其凝固区域。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,3. 合金的收缩 1） 收缩的概念 合金从液态冷却到常温的过程中，体积和尺寸缩小的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性，它不仅影响铸件的几何形状和尺寸，以及致密性，而且还决定着铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形和裂纹等缺陷的倾向性。合金的收缩量通常用体积收缩率和线收缩率来表示。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩。金属在固态由高温到常温的线尺寸改变量称为线收缩。,1.1 铸件成形理论基础
10、,1.1.5 铸件成形过程控制,3. 合金的收缩 2） 合金收缩的三个阶段 液态收缩; 凝固收缩; 固态收缩,液态收缩。从浇注温度冷却至凝固开始温度（液相线温度）期间发生的收缩称为液态收缩。合金的液态收缩主要表现为液面的降低。 凝固收缩。从凝固开始温度至凝固终了温度（固相线温度）期间发生的收缩称为凝固收缩。凝固收缩仍主要表现为液面的下降。 固态收缩。从凝固终了温度至冷却到室温期间发生的收缩称为固态收缩。此阶段的收缩表现为铸件线尺寸的减小。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,3. 合金的收缩 合金的液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的主要原因；而固态收缩是铸件产生铸造应
11、力、变形和裂纹的根本原因，并直接影响铸件的尺寸精度。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,3. 合金的收缩 3） 影响收缩的主要因素 合金的化学成分。不同种类的合金，其收缩率不同。同类合金中，化学成分不同，其收缩率也不同。在铁碳合金中，铸钢和白口铸铁的收缩率大，灰铸铁的收缩率小。这是由于灰铸铁在凝固过程中碳大部分是以石墨状态存在的，石墨的比容大，由此产生的体积膨胀可以抵消部分凝固收缩。 浇注温度。浇注温度主要影响液态收缩。提高浇注温度，合金的液态收缩增大。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.5 铸件成形过程控制,3. 合金的收缩 3） 影响收缩的主要因素 铸型条件和铸件结构
12、:如果铸件结构复杂或壁厚不均，冷却时各部分相互牵制也会阻碍收缩。,1.1 铸件成形理论基础,1.1.6 铸件常见缺陷,、,、,1.1.6 铸件常见缺陷,铸造应力 金属在凝固和冷却过程中体积变化受到外界或其本身的制约，变形受阻而产生的应力。铸造应力可能是暂时性的，若引起应力的原因消除以后，应力便随之消失，称为临时应力；若引起应力的原因消除后应力不消失，则称为残余应力。常见的铸造应力有热应力、机械阻碍应力和相变应力三种。 （1）热应力：由于铸件各部分厚薄不同，在凝固和其后的冷却过程中，铸件各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分的收缩量不一致，而且各部分之间还存在约束作用，此时产生的内应力称为热应力
13、。,、,粗杆；细杆；横梁 tL浇注温度; tY合金线收缩开始温度; tH两杆卸载时的温差； T、 T 粗、细杆固态冷却曲线 壁厚不同的应力框铸件热应力的形成过程,、,1.1.6 铸件常见缺陷,铸造应力 （1）热应力：由于铸件各部分厚薄不同，在凝固和其后的冷却过程中，铸件各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分的收缩量不一致，而且各部分之间还存在约束作用，此时产生的内应力称为热应力。,、,、,1.1 铸件成形理论基础,1.1.6 铸件常见缺陷,1. 铸造应力 1） 铸造应力的形成 （2）机械阻碍应力：这种应力是由于铸件的收缩受到机械阻碍而产生的，是暂时性的。只要机械阻碍一消除，应力也随之消失。,、
14、,、,套筒铸件收缩受到机械阻碍,1.1 铸件成形理论基础,1.1.6 铸件常见缺陷,1. 铸造应力 1） 铸造应力的形成 （3）相变应力：固态发生的合金，由于铸件各部分冷却条件不同，它们到达相变温度的时刻不同，且相变的程度也不同而产生的应力称为相变应力。,、,、,1.1 铸件成形理论基础,1.1.6 铸件常见缺陷,、,、,1. 铸造应力 2） 减小和消除铸造应力的方法 在零件满足工作条件的前提下，尽量选择弹性模量和收缩系数小的合金材料； 在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀； 为了提高铸型和型芯的退让性；减小砂型的紧实度，或在型砂中加入适量的木屑、焦炭等，采用壳型或树脂砂型，效果尤
15、为显著。 使铸件按“同时凝固”原则进行凝固； 铸件产生热应力后，可用自然时效、人工时效和共振时效等方法消除。,铸件同时凝固示意图,1.1.6 铸件常见缺陷,2. 变形和裂纹 当铸造应力值超过合金的屈服强度时，铸件将发生塑性变形；当铸造应力值超过合金的抗拉强度时，铸件将产生裂纹。铸件产生变形以后，常因加工余量不够或因铸件放不进夹具导致无法加工而报废。 1） 铸件的变形：带有铸造应力的铸件处于不稳定状态，它会自发地通过变形使应力减小而趋于稳定状态。显然，只有受拉应力的部分缩短，受压应力的部分伸长，铸件中的应力才有可能减小或消除。,、,1.1.6 铸件常见缺陷,2. 变形和裂纹 当铸造应力值超过合金
16、的屈服强度时，铸件将发生塑性变形；当铸造应力值超过合金的抗拉强度时，铸件将产生裂纹。铸件产生变形以后，常因加工余量不够或因铸件放不进夹具导致无法加工而报废。 1） 铸件的变形：带有铸造应力的铸件处于不稳定状态，它会自发地通过变形使应力减小而趋于稳定状态。显然，只有受拉应力的部分缩短，受压应力的部分伸长，铸件中的应力才有可能减小或消除。,、,T形梁铸件的变形,1.1 铸件成形理论基础,1.1.6 铸件常见缺陷,2. 变形和裂纹 1） 铸件的变形,、,、,1.1 铸件成形理论基础,1.1.6 铸件常见缺陷,2. 变形和裂纹 1） 铸件的变形,、,、,机床床身的挠曲变形和反挠度,1.1 铸件成形理论基础,1.1.6 铸件常
