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1、 2008级机电一体化专业毕业论文 铸件结构工艺性设计问题研究摘 要：铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一，因此铸造机械业的发展标志着一个国家的生产实力. 近年来由于国内经济稳定运行，在巨大的市场需求和良好的国家大环境下，我国铸造机械行业保持高速增长态势。但目前由于国内铸造机械产品的技术水平仍然与市场需求差距较大，使铸造机械行业的发展存在巨大的发展潜力和扩展空间，为铸造机械行业的快速发展带来机遇。铸件是由铸造方法所得的毛坯，其实质是将液态金属浇到预先制好的与所需铸件毛坯形状和大小相符合的形腔内，待液态金属冷却后便得到所需毛坯。因此利用铸造方法可以很容易获得具有特别复杂内腔的铸件毛坯。例如箱体、
2、内燃机、气缸体、气缸盖、机床机身等。这充分体现了铸造具有很强的适应性，特别是在机械制造业中，铸造方法更是得到了广泛应用，并且在机械设备中铸件占很大比例。本课题主要针对铸件在制造过程中出现的缺陷进行研究并给出解决方案,力求在铸造中不出现废品,保证生产的效率和效益。关键词：铸件;缺陷;方案1 铸造技术概述1.1 铸造技术简介铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一，因此铸造机械业的发展标志着一个国家的生产实力. 近年来由于国内经济稳定运行，在巨大的市场需求和良好的国家大环境下，我国铸造机械行业保持高速增长态势。但目前由于国内铸造机械产品的技术水平仍然与市场需求差距较大，使铸造机械行业的发展存在巨大的发
3、展潜力和扩展空间，为铸造机械行业的快速发展带来机遇。铸件是经液态成形的铸造方法得到的，故可制成形状复杂并且具有内腔的毛坯，如箱体、内燃机、气缸体、气缸盖、机床机身等。铸造方法具有适应性强，并且成产成本低、投资少、原材料价格低、来源广、废料的重复利用率高等优点。利用铸造方法加工出近似所需工件外形的铸件又可以提高生产的加工效率，这些优点使得铸件在机械设备中占有重大比例。进入新世纪，社会对机械生产的成本，机械加工的效率等发面提出了更高要求，故铸件机构的合理性设计受到人们的高度重视。1.2 铸造技术的发展现状1.2.1我国铸造技术的发展现状铸件是由铸造方法所得的毛坯，其实质是将液态金属浇到预先制好的与
4、所需铸件毛坯形状和大小相符合的形腔内，待液态金属冷却后便得到所需毛坯。因此利用铸造方法可以很容易获得具有特别复杂内腔的铸件毛坯。例如箱体、内燃机、气缸体、气缸盖、机床机身等。这充分现实了铸造具有很强的适应性，特别是在机械制造业中，铸造方法更是得到了广泛应用，并且在机械设备中铸件占很大比例。数据显示，铸件在机床、内燃机等重型机器中占7090，在拖拉机、农业机械中占4070，在汽车中占2030。随着我国国民生产总值的不断提高，铸件在我国的机械设备中必然得到更快的发展。1.2.2发达国家铸造技术发展现状发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如
5、在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。 广泛应用合金包芯线处理技术，使球铁、蠕铁和孕育铸铁工艺稳定、合金元素收得率高、处理过程无污染，实现了微机自动化控制。 在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺,砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。 用自动化压铸机生产铸铝缸体、缸盖；已经建成多条铁基合金低压铸造生产线。用差压铸造生产特种铸钢件。所生产的各种口径的离心球墨铸铁
6、管占铸铁管总量95%以上，球铁管占球铁年产量30%-50%。成功地采用EPC技术大批量生产汽车4缸缸体、缸盖等复杂铸件，生产率达180型/小时。在工艺设计、模具加工中，采用CAD/CAM/RPM技术；在铸造机械的专业化、成套化制备中，开始采用CIMS技术。1.2.3铸造技术发展趋势铸件质量既影响机械加工效率，制约产品质量、寿命和效益。随着制造业的发展，凝固成形技术面临着更深层次的要求和严峻挑战。要求铸件要向精（近无切削）、强（强韧、可靠）、秀（薄、轻、光洁）和特（特殊使用功能）方向发展已成为趋势。另外利用计算机的精确控制功能对铸件加工过程进行控制，也将成为铸造技术前进的方向。1.半固态凝固方法
7、。在金属凝固过程中进行剧烈搅拌，或控制固液态的温度区间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定固相组织的固液混合浆料，这种固液混合浆料具有很好的流动性，易于通过普通的方法制成产品。2.计算机技术在铸造中的应用。利用计算机对液态金属的冷却过程进行实时控制，保持铸件化学成分均匀，使铸件更稳定，利用计算机在应力场的模拟计算能帮助人们预测和分析铸件变形、裂纹、残余应力，等缺陷，优化铸造工艺，提高铸件尺寸精度及稳定性。1.3 小结我国的铸造技术相比其他的发达国家还比较落后, 我国铸造行业的技术水平比发达国家落后约20年，无法满足国民经济快速发展的需要。技术落后、设备陈旧、能耗和原材料消耗高、环境污染严重以
8、及工人作业环境恶劣等问题，已经成为行业的共识。防止在铸造技术过程中出现的缺陷可以明显地改善铸件的性能。2 铸件结构缺陷及预防措施2.1 铸件结构的缺陷2.1.1铸件的缩孔与缩松液态金属充满型腔以后，在冷却过程中，当液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些孔洞，其中大而集中的孔洞称为缩孔；小而分散的孔洞称为缩松。缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载截面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。在要求气密性高、不能渗透的铸件（如泵体、阀门、容器）中，或存在于铸件的主要配合面的部位，则会使铸件成为废品。因此缩孔与缩松是严重的铸造缺陷，必须采取措施予以防止。2.1
9、.1.1 缩孔与缩松的形成缩孔的形成 恒温或很窄温度范围内结晶的合金，铸件壁以逐层凝固方式进行凝固的条件下，容易产生缩孔。如 下图所示。液态金属充满型腔以后（如图2.1a）。因铸型吸热，靠近型腔表面的金属液率先冷却凝固，形成一层封闭的外壳，壳中金属液因收缩不能得到补足，故液面开始下降（如图2.1b）。温度继续下降，合金的逐层凝固层加厚，内部的剩余液体因液态收缩和补充凝固层的收缩，体积缩减，液面继续下降（如图2.1c）。此过程一直延续到凝固终了，结果在铸件上部的最后凝固部位形成了倒圆锥的缩孔（如图2.1d）。继续冷却至室温，整个铸件发生固态收缩，缩孔的体积也略有减少（如图2.1e）。图2.1 缩
10、孔形成示意图缩孔通常出现在铸件上部或最后凝固部位，其形状不规则，孔壁粗糙。由缩孔的形成过程可知，纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成集中缩孔，合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，越易形成缩孔。铸件中温差大而由低温到高温凝固的厚壁部位易出现缩孔（2） 缩松的形成 结晶温度范围宽的合金，以糊状凝固方式进行凝固的条件下，容易产生缩松。如图所示，在凝固过程中的液固两相区，树枝状晶不断长大，枝晶分叉间的熔融合金被分离，彼此孤立隔开，其凝固收缩时难以得到补缩，便形成许多微小的孔洞，并且大部分分布在铸件中心轴线处，热节处，冒口根部，内浇口附近或缩孔下方。结晶温度范围宽的固溶体合金，倾向于糊状凝
11、固，易形成缩松。铸件中因温差小而同时凝固的厚壁中心部位，易形成缩松图2.2缩松形成示意图2.1.2铸造应力铸造在凝固之后的继续冷却过程中，若固态收缩受到阻碍，将会在铸件内部产生内应力，称为铸造内应力。铸造内应力有热应力和机械应力两类，他们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。2.1.2.1 热应力的形成由于铸件的壁厚不均匀，各部分在冷却过程中的冷去速度不一致，以致在同一时期铸件各部分的收缩不一致而相互约束引起的内应力。为了分析热应力的形成，需要了解金属自高温冷却到室温时应力状态的变化。固态金属在弹塑性临界温度以上的较高温度时，处于塑性状态，在应力作用下会产生塑性变形，变形之后应力可自行消除；而在弹塑
12、性临界温度以下，金属呈弹性状态，在应力作用下发生弹性变形，变形之后应力继续存在，形成残余应力。图2.3残余应力温度随时间变化关系示意图如图2.4所示，铸件中的杆1较粗，杆2较细，与上下横梁铸成一体，形成一个框形铸件。它用来分析热应力的形成过程，称为应力框。应力框中粗细杆的冷却曲线分别为图2.4中的1和2，因粗杆1和细杆2的截面尺寸不同，冷却速度不一致，使两杆收缩不一样，产生了内应力，其具体过程分为如下三个阶段进行：第一阶段（t0-t1）：粗细杆温度均高于弹塑临界温度，处于塑性状态，尽管两个杆的冷却速度不同，收缩不一致，但产生的应力可通过塑性变形自行消失。第二阶段（t1-t2）：细杆2的温度已冷
13、却至弹塑临界温度以下，进入弹性状态；而粗杆1温度仍在弹塑临界温度以上，呈塑性状态。虽然细杆2的冷却速度和收缩大于粗杆1（如图5b）但产生的内应力仍可通过粗杆1的压缩塑性变形自行消失（如图2.4c）第三阶段（t2-t3）：粗杆1也冷却至弹塑临界温度以下，进入弹性状态。但此时粗杆1的温度较高，还需进行较大的收缩，而细杆2的温度较低，收缩已趋停止，而应力框又是一个刚性整体，因此，粗杆1的收缩必然受到细杆2的强烈阻碍，从而使粗杆1受弹性拉伸，细杆2受弹性压缩，直到室温，形成了残余应力，粗杆1受拉应力，细杆2受压应力（如图2.4d）图2.4热应力形成示意图由以上分析可知，不均匀冷却使铸件大的缓冷处（厚壁
14、或心处）受拉应力，快冷处（薄壁或表层）受压应力。铸件冷却时各处的温差越大（如壁厚差别愈大），定向凝固越明显，合金的固态收缩率愈大。2.1.2.2 机械应力的形成机械应力是合金的线收缩受到铸型或铸芯等的机械阻碍而形成的内应力。套类铸件在冷却收缩时，轴向受砂型阻碍，径向受型芯阻碍，从而在铸件内产生机械应力。显然，机械应力主要是拉伸和剪切应力，其大小取决于铸型和型芯的退让性，当铸件落砂后，这种内应力便可自行消失，但是落砂前，如果机械应力在铸型中与热应力共同起作用，则将增大某些部位的拉应力，从而增大铸件产生裂纹的倾向。2.1.3铸件的变形残余内应力使铸件处于一种不稳定的状态，使铸件产生全面变形以缓解内
15、应力。如上图所示框形铸件，粗杆1受拉应力，细杆2受压应力，但两杆都有恢复自由状态的趋势，即粗杆1总是力图缩短，细杆2总是力图伸长。如果连接两杆的横梁刚度不够，便会出现翘曲变形。如上图e所示，变形使铸造应力重新分布，残余内应力会减小一些，但不可能完全消失。铸件变形尤以厚薄不均，截面不对称的细长杆类（如梁、床身等）、薄大板类（如平板等）铸件的弯曲或翘曲变形最为明显。如下图所示，T型梁铸钢件，梁1部位厚，梁2部位薄，厚的梁1部位受拉应力，薄的梁2部位受压应力，各自都有力图恢复原来状态的趋势，即厚的梁1部位力图缩短，薄的梁2部位力图伸长。若T型梁的刚度不够，将发生向厚的梁1部位方向的弯曲变形，反之，如下图梁1的部位薄，梁2的部位厚，则将发生与图2.5（1）相反的向厚的梁2部位方向的弯曲变形图2.5T型梁铸件变形示意图2.1.4铸件的裂纹当铸造内应力超过金属材料的抗拉强度时，铸件便会产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止，根据温度的不同，裂纹可分为热裂纹和冷裂纹两种。2.1.4.1 热裂纹当铸件凝固末期接近固相线的高温下时将形成热裂纹，
