第一章 绪论

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《铸造工艺及设备》讲义侯文生2011年3月12 《铸造工艺及设备》教学大纲课程编号：（00000832）课程中文名称：（铸造工艺及设备）课程英文名称：CastingIndustry&Equipment总学时：（040位）实验学时：（004位）上机学时：（000位）学分：（2.5）适用专业：金属材料工程一、课程性质、目的和任务性质：专业选修课目的：讲授有关铸造生产中常用的工艺理论及基本知识，铸造生产机械自动化常用的铸造机械的结构，工作原理和工作特点。任务：通过课程的学习使学生对铸件形成过程中所采用的工艺方法和设备对铸件质量的影响有深入的了解，基本掌握铸件生产的工艺流程，铸造方案的确定，正确选择各类型铸件的造型方法和造型生产线，并具备解决工程实际问题的能力。二、课程教学内容第一章绪论第二章铸造工艺第三章造型设备第四章造型生产线第五章砂处理设备三、教材及教学参考书教材：[1]王文清，李魁胜《铸造工艺学》.机械工业出版社，2004[2]陈士梁《铸造机械化》（第二版）．机械工业出版社，1997教学参考书：[1]曹文龙《铸造工艺学》.机械工业出版社，1997[2]铸造设备编写组《铸造设备》．机械工业出版社．198012 第一章铸造生产概论一、概述1.铸造的概念铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械工业重要的基础工艺，在国民经济中占有重要的地位。铸造：是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸和性能的金属零件毛坯的成形方法。（GB/T5611－1998）铸件：用铸造方法获得的金属毛坯或零件称为铸件。大多数铸件是毛坯，需要经过机械加工后才能成为各种机械零件；有的铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，可作为成品或零件直接应用。2.铸造的优点1）应用范围广。铸造法几乎不受铸件大小、厚度和形状复杂程度的限制，铸件的壁厚可达0.3~1000mm，长度可从几毫米到十几米，质量可从几克到300t以上。最适合生产形状复杂的零件，如箱体、阀体、叶轮、发动机汽缸体、螺旋桨等。2）适用材料多。几乎凡能熔化成液态的金属或合金材料均可用于铸造。对于有些脆性金属或合金材料（如各种铸铁件、有色合金铸件等）的零件毛坯，铸造几乎是唯一的加工方法。在工业生产中，以铸铁件应用最广，约占铸件总产量的70%以上。3）成型精度高。一般情况下，比普通锻件、焊接件成型尺寸精确。铸件的形状和大小可以与零件很接近，既节约金属材料，又省切削加工工时。4）综合成本低。铸件一般使用的原材料来源广、铸件成本低。5）铸造工艺灵活，生产率高，既可以手工生产，也可以机械化生产。3.铸造的缺点铸件组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。工作条件恶劣，容易造成环境污染4.铸造的分类从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造的铸件占总产量的80%以上，其生产过程如图1所示。12 二、铸造生产过程铸造生产是一个复杂的多工序组合的工艺过程，它包括以下主要工序： 图1铸造生产过程示意图1.生产工艺准备根据要生产的零件图、生产批量和交货期限，制定生产工艺方案和工艺文件，绘制铸造工艺图；2.生产准备包括准备熔化用材料、造型制芯用材料和模样、芯盒、砂箱等工艺装备；3.造型与制芯；4.熔化与浇注；5.落砂清理与铸件检验等主要工序。三、型砂的性能及组成1.型砂的性能型砂（含芯砂）的主要性能要求有强度、透气性、耐火度、退让性、流动性、紧实率和溃散性等。2.型砂的组成12 型砂由原砂、粘接剂和附加物组成。铸造用原砂要求含泥量少、颗粒均匀、形状为圆形和多角形的海砂、河砂或山砂等。铸造用粘接剂有粘土（普通粘土和膨润土）、水玻璃、树脂、合脂油和植物油等，分别称为粘土砂，水玻璃砂、树脂砂、合脂油砂和植物油砂等。为了进一步提高型（芯）砂的某些性能，往往要在型（芯）砂中加入一些附加物，如煤份、锯末、纸浆等。型砂结构，如图2所示。图2型砂结构示意图四、造型方法砂型铸造分为手工造型（制芯）和机器造型（制芯）。手工造型是指造型和制芯的主要工作均由手工完成，操作灵活，生产率低，主要用于单件小批量生产。机器造型是指主要的造型工作，包括填砂、紧实、起模、合箱等由造型机完成，生产率高，投资大，主要用于批量生产。五、造芯及合箱1.造型芯型芯的作用一是形成铸件的内腔，二是简化模型的外形，以制出铸件上的台和槽等。型芯采用比型砂更好的造型材料。造芯方法也有手工造芯和机器造芯两种。2.合箱铸型的装配工序简称合箱。合箱前，在铸型中放好型芯、扣上上箱、放置浇口杯。合箱后，两箱要卡紧，防止错箱和抬箱。六、铸铁的熔炼及浇注1.铸铁的熔炼设备有冲天炉和感应炉等。其原料有金属料、燃料和熔剂。2.浇注系统：引导金属液进入铸型型的通道。它包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四个部分组成。12 生产中，浇注时应遵循高温出炉，低温浇注的原则。因为提高金属液的出炉温度有利于夹杂物的彻底熔化、熔渣上浮，便于清渣和除气，减少铸件的夹渣和气孔缺陷；采用较低的浇注温度，则有利于降低金属液中的气体溶解度、液态收缩量和高温金属液对型腔表面的烘烤，避免产生气孔、粘砂和缩孔等缺陷。因此，在保证充满铸型型腔的前提下，尽量采用较低的浇注温度。把金属液从浇包注入铸型的操作过程称为浇注。浇注操作不当会引起浇不足、冷隔、气孔、缩孔和夹渣等铸造缺陷，和造成人身伤害。为确保铸件质量、提高生产率以及做到安全生产，浇注时应严格遵守下列操作要领：1）浇包、浇注工具、炉前处理用的孕育剂、球化剂等使用前必须充分烘干，烘干后才能使用。2）浇注人员必须按要求穿好工作服，并配戴防护眼镜，工作场地应通畅无阻。浇包内的金属液不宜过满，以免在输送和浇注时溢出伤人。3）正确选择浇注速度，即开始时应缓慢浇注，便于对准浇口，减少熔融金属对砂型的冲击和利于气体排出；随后快速浇注，以防止冷隔；快要浇满前又应缓慢浇注，即遵循慢、快、慢的原则。4）对于液态收缩和凝固收缩比较大的铸件，如中、大型铸钢件，浇注后要及时从浇口或冒口补浇。5）浇注时应及时将铸型中冒出的气体点燃顺气，以免由于铸型憋气而产生气孔，以及由于气体的不完全燃烧而损害人体健康和污染空气。七、落砂、清理和检验1.落砂：将浇注成形后的铸件从型砂和砂箱中分离出来的工序，它分为出箱和清砂两个过程。有手工落砂和机械落砂两种方法。出箱的温度一般不高于500度，以免铸件产生内应力或开裂。清砂是清除型砂和芯砂的过程，有水力清砂和水爆清砂两种方法。2.清理：去除浇口、冒口、飞边、毛刺以及表面粘砂的工序。去除表面粘砂的方法有滚筒清理、喷射清理和抛丸清理等方法。3.检验：其任务是确定合格的铸件，去除有缺陷的铸件。12 主要包括外观检验、内部检验、化学性能和金相检验等。八、手工造型的主要方法手工造型因其操作灵活、适应性强，工艺装备简单，无需造型设备等特点，被广泛应用于单件小批量生产。但手工造型生产率低，劳动强度较大。手工造型的方法很多，常用的有以下几种：1.整模造型对于形状简单，端部为平面且又是最大截面的铸件应采用整模造型。整模造型操作简便，造型时整个模样全部置于一个砂箱内，不会出现错箱缺陷。整模造型适用于形状简单、最大截面在端部的铸件，如齿轮坯、轴承座、罩、壳等（图3）。2.分模造型当铸件的最大截面不在铸件的端部时，为了便于造型和起模，模样要分成两半或几部分，这种造型称为分模造型。当铸件的最大截面在铸件的中间时，应采用两箱分模造型（图4），模样从最大截面处分为两半部分（用销钉定位）。造型时模样分别置于上、下砂箱中，分模面（模样与模样间的接合面）与分型面（砂型与砂型间的接合面）位置相重合。两箱分模造型广泛用于形状比较复杂的铸件生产，如水管、轴套、阀体等有孔铸件。铸件形状为两端截面大、中间截面小，如带轮、槽轮、车床四方刀架等，为保证顺利起模，应采用三箱分模造型（图5）。此时分模面应选在模样的最小截面处，而分型面仍选在铸件两端的最大截面处，由于三箱造型有两个分型面，降低了铸件高度方向的尺寸精度，增加了分型面处飞边毛刺的清整工作量，操作较复杂，生产率较低，不适用于机器造型，因此，三箱造型仅用于形状复杂、不能用两箱造型的铸件生产。3.活块模造型铸件上妨碍起模的部分（如凸台、筋条等）做成活块，用销子或燕尾结构使活块与模样主体形成可拆连接。起模时先取出模样主体，活块模仍留在铸型中，起模后再从侧面取出活块的造型方法称为活块模造型（图6）。活块模造型主要用于带有突出部分而妨碍起模的铸件、单件小批量、手工造型的场合。如果这类铸件批量大，需要机器造型时，可以用砂芯形成妨碍起模的那部分轮廓。12 图3整模造型 图4套管的分模两箱造型过程图5三箱分模造型举例12 图6角铁的活块模造型工艺过程 4.挖砂造型当铸件的外部轮廓为曲面（如手轮等）其最大截面不在端部，且模样又不宜分成两半时，应将模样做成整体，造型时挖掉妨碍取出模样的那部分型砂，这种造型方法称为挖砂造型。挖砂造型的分型面为曲面，造型时为了保证顺利起模，必须把砂挖到模样最大截面处（图7）。由于是手工挖砂，操作技术要求高，生产效率低，只适用于单件、小批量生产。 图7手轮的挖砂造型的工艺过程九、手工制芯型芯用来形成铸件内部空腔或局部外形。由于型芯的表面被高温金属液包围，长时间受到浮力作用和高温金属液的烘烤作用，铸件冷却凝固时，砂芯往往会阻碍铸件自由收缩，砂芯清理也比较困难。因此造芯用的芯砂要比型砂具有更高的强度、透气性、耐高温性、退让性和溃散性。12 手工制芯由于无需制芯设备，工艺装备简单，应用得很普遍。根据砂芯的大小和复杂程度，手工制芯用芯盒有整体式芯盒、对开式芯盒和可拆式芯盒，如图8所示。图8芯盒制芯示意图十、零件、模样、芯盒与铸件的关系模样用来形成铸件的外部轮廓，芯盒用来制作砂芯，形成铸件的内部轮廓。造型时分别用模样和芯盒制作铸型和型芯。图9分别表示零件、模样、芯盒和铸件的关系。制造模样和芯盒所选用的材料，与铸件大小、生产规模和造型方法有关。单件小批量生产、手工造型时常用木材制作模样和芯盒，大批量生产、机器造型时常用金属材料（如铝合金、铸铁等）或硬塑料制作模样和芯盒。图9 零件、模样、芯盒与铸件的关系十一、铸件常见缺陷分析铸造工艺过程复杂，影响铸件质量的因素很多，往往由于原材料控制不严，工艺方案不合理，生产操作不当，管理制度不完善等原因，会使铸件产生各种铸造缺陷。常见的铸件缺陷名称、特征和产生的原因见表1。常见铸件缺陷及其预防措施见表2。12 表1常见铸件缺陷及产生原因缺陷名称特征产生的主要原因气孔在铸件内部或表面有大小不等的光滑孔洞①炉料不干或含氧化物、杂质多；②浇注工具或炉前添加剂未烘干；③型砂含水过多或起模和修型时刷水过多；④型芯烘干不充分或型芯通气孔被堵塞；⑤春砂过紧，型砂透气性差；⑥浇注温度过低或浇注速度太快等缩孔与缩松缩孔多分布在铸件厚断面处，形状不规则，孔内粗糙①铸件结构设计不合理，如壁厚相差过大，厚壁处未放冒口或冷铁；②浇注系统和冒口的位置不对；③浇注温度太高；④合金化学成分不合格，收缩率过大，冒口太小或太少砂眼在铸件内部或表面有型砂充塞的孔眼①型砂强度太低或砂型和型芯的紧实度不够，故型砂被金属液冲入型腔；②合箱时砂型局部损坏；③浇注系统不合理，内浇口方向不对，金属液冲坏了砂型；④合箱时型腔或浇口内散砂未清理干净粘砂铸件表面粗糙，粘有一层砂粒①原砂耐火度低或颗粒度太大；②型砂含泥量过高，耐火度下降；③浇注温度太高；④湿型铸造时型砂中煤粉含量太少；⑤干型铸造时铸型未刷涂斜或涂料太薄夹砂铸件表面产生的金属片状突起物，在金属片状突起物与铸件之间夹有一层型砂①型砂热湿拉强度低，型腔表面受热烘烤而膨胀开裂；②砂型局部紧实度过高，水分过多，水分烘干后型腔表面开裂；③浇注位置选择不当，型腔表面长时间受高温铁水烘烤而膨胀开裂；④浇注温度过高，浇注速度太慢错型①模样的上半模和下半模未对准；②12 铸件沿分型面有相对位置错移合箱时，上下砂箱错位；③上下砂箱未夹紧或上箱未加足够压铁，浇注时产生错箱冷隔铸件上有未完全融合的缝隙或洼坑，其交接处是圆滑的①浇注温度太低，合金流动性差；②浇注速度太慢或浇注中有断流；③浇注系统位置开设不当或内浇道横截面积太小；④铸件壁太薄；⑤直浇道（含浇口杯）高度不够；⑥浇注时金属量不够，型腔未充满浇不足铸件未被浇满裂纹铸件开裂，开裂处金属表面有氧化膜①铸件结构设计不合理，壁厚相差太大，冷却不均匀；②砂型和型芯的退让性差，或春砂过紧；③落砂过早；④浇口位置不当，致使铸件各部分收缩不均匀 表2常见铸件缺陷及其预防措施序号缺陷名称缺陷特征预防措施1气孔在铸件内部、表面或近于表面处，有大小不等的光滑孔眼，形状有圆的、长的及不规则的，有单个的，也有聚集成片的。颜色有白色的或带一层暗色，有时覆有一层氧化皮。降低熔炼时金属的吸气量。减少砂型在浇注过程中的发气量，改进铸件结构，提高砂型和型芯的透气性，使型内气体能顺利排出。2缩孔在铸件厚断面内部、两交界面的内部及厚断面和薄断面交接处的内部或表面，形状不规则，孔内粗糙不平，晶粒粗大。壁厚小且均匀的铸件要采用同时凝固，壁厚大且不均匀的铸件采用由薄向厚的顺序凝固，合理放置冒口的冷铁。3缩松在铸件内部微小而不连贯的缩孔，聚集在一处或多处，晶粒粗大，各晶粒间存在很小的孔眼，水压试验时渗水。壁间连接处尽量减小热节，尽量降低浇注温度和浇注速度。4渣气孔12 在铸件内部或表面形状不规则的孔眼。孔眼不光滑，里面全部或部分充塞着熔渣。提高铁液温度。降低熔渣粘性。提高浇注系统的挡渣能力。增大铸件内圆角。5砂眼在铸件内部或表面有充塞着型砂的孔眼。严格控制型砂性能和造型操作，合型前注意打扫型腔。6热裂在铸件上有穿透或不穿透的裂纹（注要是弯曲形的），开裂处金属表皮氧化。严格控制铁液中的S、P含量。铸件壁厚尽量均匀。提高型砂和型芯的退让性。浇冒口不应阻碍铸件收缩。避免壁厚的突然改变。开型不能过早。不能激冷铸件。7冷裂在铸件上有穿透或不穿透的裂纹（主要是直的），开裂处金属表皮氧化。8粘砂在铸件表面上，全部或部分覆盖着一层金属（或金属氧化物）与砂（或涂料）的混（化）合物或一层烧结构的型砂，致使铸件表面粗糙。减少砂粒间隙。适当降低金属的浇注温度。提高型砂、芯砂的耐火度。9夹砂在铸件表面上，有一层金属瘤状物或片状物，在金属瘤片和铸件之间夹有一层型砂。严格控制型砂、芯砂性能。改善浇注系统，使金属液流动平稳。大平面铸件要倾斜浇注。10冷隔在铸件上有一种未完全融合的缝隙或洼坑，其交界边缘是圆滑的。提高浇注温度和浇注速度。改善浇注系统。浇注时不断流。11浇不到由于金属液未完全充满型腔而产生的铸件缺肉。提高浇注温度和浇注速度。不要断流和防止跑火。12