NO2铸造成型电子教案 机械制造基础.doc

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1、NO2铸造成型电子教案 机械制造基础教学目标知识目标：掌握铸造成型的定义、种类及其优缺点；熟悉铸造工艺设计内容及原则、铸件结构设计原则；了解铸造成型工艺基础理论知识。能力目标：根据零件的具体形状和加工要求，确定浇注位置、分型面及加工余量和起模斜度等。素质目标： 教学重点铸造成型的定义、种类及其优缺点教学难点铸造工艺设计内容及原则教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时16教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注 释模块二 铸 造 成 型任务描述箱体是减速器的重要组成部件，它是传动零件的基座，其内腔结构复杂。试确定如何制造减速器箱体的毛坯。任务分析因为箱体是内腔结构较复杂的零件，所以要

2、采用铸造的方法来生产毛坯，在铸造时要根据零件图先画出铸造工艺图，包括浇注位置、分型面、加工余量和起模斜度等。相关知识学习情境一 铸造成型理论基础一、合金的流动性和充型能力1.合金的流动性液态合金本身的流动能力称为合金的流动性。铁碳合金的流动性与碳的质量分数之间的关系如图2-1所示。图2-1 铁碳合金的流动性与碳的质量分数的关系2.合金的充型能力1）合金的浇注条件提高合金的浇注温度和浇注速度，增大静压头的高度都会使合金的充型能力提高，但浇注温度太高，将使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，铸件会产生严重的黏砂和胀砂缺陷。因此，每种合金都有一定的浇注温度范围。一般铸钢为1 520 1 620 ，

3、铸铁为 1 230 1 450 ，铝合金为680 780 。2）合金的铸型特点铸型材料的导热性越好，液态合金的冷却速度越快，合金的流动性越差。当铸型的发气量大、排气能力较低时，合金的流动受到阻碍，会使合金的充型能力下降。浇注系统和铸型的结构越复杂，合金在充型时的阻力越大，充型能力也会下降。二、铸件的凝固和收缩1.铸件的凝固在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。2.铸件的收缩合金从浇注到凝固直至冷却到常温的过程中产生的体积和尺寸减小的现象称为收缩。三、缩孔和缩松的形成及防止1.缩孔的形成图2-2为缩孔形成过程示意图。液态合金充满铸型型腔，见图2-2（a）。由于铸

4、型吸热使液态合金温度下降，靠近型腔表面的金属凝固形成一层外壳，见图2-2（b）。温度进一步降低，凝固层加厚，内部的剩余液体由于液态补缩和补充凝固层的收缩体积缩减，液面下降，铸件内出现了空隙，见图2-2（c）；温度继续下降，外壳继续加厚，液面不断下降，到合金全部凝固后，则在铸件上部形成容积较大的缩孔，见图2-2（d）；冷却到室温时，随着铸件的固态收缩，铸件外形尺寸稍有缩小，见图2-2（e）。图2-2 缩孔形成过程示意图3.缩孔和缩松的控制1）合理选择铸造合金铸造生产中应尽量选择共晶成分附近的合金和结晶温度范围窄的合金。2）控制铸件的凝固顺序所谓顺序凝固，是在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒

5、口（为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分）等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固(图2-3中的区)，接着是靠近冒口的部位凝固(图 2-3 中的区、区)，冒口本身最后凝固。图2-3 顺序凝固3）控制浇注条件应在满足充型能力的前提下，尽量降低浇注温度和浇注速度，尤其是在浇注终止前尽量采用慢的浇注速度，是防止产生缩孔的有效措施之一。四、铸造应力、变形和裂纹1.铸造应力1）热应力热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起的。图2-5 热应力的形成过程2）机械应力金属冷却到弹性状态后，因收缩受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等的机械阻碍而形成的内

6、应力，称为机械应力。形成应力的原因一旦消失（如铸件落砂或去除浇冒口后），机械应力也就随之消失，所以机械应力是临时应力，如图2-6所示。图2-6 机械应力3.铸件的裂纹与防止1）热裂热裂的防止措施包括以下几个方面。（1）设计合理的铸件结构。（2）改善铸型和型芯的退让性。（3）减少铸造合金中的有害杂质，以提高其高温强度。2）冷裂铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹称为冷裂。五、合金的偏析和吸气1.合金的偏析枝晶偏析产生的原因是：铸件在凝固时，与型壁接触部分（包括底部）的液态金属最先凝固，于是靠近型壁部分高熔点的成分含量较多，而中心和上部容易集聚熔点较低的杂质，其结果是在铸件同一断面上出现化学成分和性能

7、的不一致。2.合金的吸气在铸造过程中，气体被液态金属所吸收的现象称为吸气。学习情境二 砂型铸造砂型铸造的基本工艺流程如图2-9所示。一、手工造型全部由手工或手动工具完成的造型工序称为手工造型。手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工来完成。手工造型操作方便灵活、适应性强、模样生产准备时间短，但生产率低、劳动强度大、铸件质量不易保证。故手工造型只适用于单件或小批量生产。二、机器造型按紧实方式不同，机器造型可分为压实造型、震压造型、抛砂造型和射砂造型。三、型芯制作当制作空心铸件、铸件的外壁内凹，或铸件具有影响起模的外凸时，经常要用到型芯，制作型芯的工艺过程称为制芯。学习情境三 特种铸造一、熔模铸造1.

8、熔模铸造的工艺过程熔模铸造的工艺过程如图2-10所示。图2-10 熔模铸造的工艺过程2.熔模铸造的特点和应用范围与普通砂型铸造相比，熔模铸造具有以下特点。（1）熔模铸造的铸型无分型面，不需要起模斜度，也不必另装型芯，型腔光滑，所以铸件精度高（IT14IT11），表面粗糙度低（Ra为12.51.6 m），熔模铸造是重要的无切削加工方法。（2）由于液态金属是在铸型处于高温时浇注，提高了液态金属的流动性，故可铸出轮廓清晰的薄壁铸件。（3）型壳经过硬化、焙烧后发气性小，透气性、退让性和出砂性较好，铸件废品率低。（4）熔模铸造可用于铸造各种合金铸件，包括铝、铜等有色金属、合金钢及熔点高、难加工的特种合金

9、等，对于耐热合金的复杂件铸造，熔模铸造几乎是唯一的生产方法。二、金属型铸造1.金属型的结构与材料根据分型面位置不同，金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式三种结构，其中垂直分型式金属型开设浇注系统和取出铸件比较方便，易实现机械化，应用较广泛。图2-11 铸造铝合金活塞用的垂直分型式金属型2.金属型铸造工艺措施1）加强金属型的排气2）在表面喷刷涂料3）预热金属型4）开型3.金属型铸造的特点（1）铸件尺寸精度高，尺寸公差等级为IT14IT12，表面质量好，表面粗糙度Ra值为12.56.3 m，机械加工余量小。（2）铸件的晶粒较细，力学性能好。（3）金属型铸造可实现“一型多铸”，提高了生产率

10、，且节约造型材料。三、压力铸造1.压铸机和压铸工艺过程工作原理如图2-12所示。图2-12 卧式冷压室压铸机的工作原理2.压力铸造的特点及应用（1）压铸件尺寸精度高，表面质量好。（2）压力铸造可以压铸壁薄、形状复杂以及具有很小的孔和螺纹的铸件。（3）压铸件的强度和表面硬度较高。（4）压力铸造生产率高，可实现半自动化及自动化生产。四、低压铸造1.低压铸造工艺过程低压铸造的工作原理如图2-13所示。图2-13 低压铸造原理图2.低压铸造的特点和应用五、离心铸造1.离心铸造的类型心铸造机的工作原理如图2-14所示。卧式离心铸造的铸型绕水平轴旋转，见图2-14（a），适合浇注长径比较大的各种管件；立式

11、离心铸造的铸型绕垂直轴旋转，见图2-14（b），适合浇注各种盘、环类铸件。图2-14 离心铸造机工作原理示意图2.离心铸造的特点及应用六、各种铸造方法的比较各种铸造方法都有其优缺点和适用范围，因此，在决定某铸件究竟采用哪种铸造方法时，必须结合生产的具体情况综合考虑，如铸件的形状、大小、合金种类、生产批量、精度和质量要求，以及车间现有设备和技术条件等，要进行全面的分析比较，才能正确选择合适的铸造方法。学习情境四 铸造工艺设计一、铸件浇注位置和分型面的选择1.确定浇注位置的原则（1）铸件的重要加工面或主要工作面应尽可能置于铸型的下部或侧立位置，避免气孔、砂眼、缩孔等缺陷出现在工作面上。（2）平板、

12、圆盘类铸件的大平面应朝下，以防止产生气孔、夹砂等缺陷。（3）铸件的薄壁部分应朝下或倾斜，以免产生浇不足、冷隔等缺陷。（4）铸件的厚壁部分应放在上面或接近分型面，以便安装冒口进行补缩。2.确定分型面的原则（1）铸件应尽可能放在一个砂箱内，或将重要加工面和加工基准面放在同一砂箱中，以保证铸件的尺寸精度。如图2-20所示为管子塞头的分型方案，根据本原则，图2-20（b）比图2-20（a）的方案合理。（2）应尽量减少分型面的数量，并力求用直分型面代替特殊形状的分型面。如图2-21所示。（3）应尽量减少型芯或活块的数目，并注意降低砂箱高度。如图2-23所示。（4）为方便下芯、合型及检查型腔尺寸，通常把主

13、要型芯放在下型中。如图2-24所示。图2-20 管子塞头的分型方案图2-21 绳轮铸件的分型方案图2-22 起重臂铸件的分型方案图2-23 端盖铸件的分型方案图2-24 机床支柱的分型方案二、工艺参数的确定1.确定机械加工余量2.确定铸件收缩率3.确定起模斜度4.确定型芯头的构造5.最小铸出孔及槽学习情境五 砂型铸造铸件结构设计一、铸造工艺对铸件结构设计的要求1）避免外部侧凹铸件在起模方向上若有侧凹，必将增加分型面的数量，增加砂箱数量和造型工时，铸件也容易产生错型，影响铸件的外形和尺寸精度。如图2-27（a）所示的端盖，由于上下法兰的存在，使铸件产生侧凹，铸件具有两个分型面，所以必须采用三箱造

14、型，或增加环状外型芯，造型工艺复杂。若改为如图2-27（b）所示的结构，取消上部法兰，使铸件只有一个分型面，则可采用两箱造型，可以显著提高造型效率。图2-27 端盖的设计2）凸台、肋板的设计设计铸件侧壁上的凸台、肋板时，考虑到起模方便，应尽量避免使用活块和型芯。如图2-28（a）、（b）所示的凸台均妨碍起模，应将相近的凸台连成一片，并延长到分型面。如图2-28（c）、（d）所示凸台就不需要活块和型芯，便于起模。图2-28 凸台的设计2.合理设计铸件内腔1）尽量避免出现或减少型芯如图2-29（a）所示悬臂支架采用方形中空截面，为形成其内腔，必须采用悬臂型芯，型芯的固定、排气和出砂都很困难。若改为

15、如图2-29（b）所示工字形开式截面，则可省去型芯。如图2-30（a）所示结构带有向内的凸缘，则必须采用型芯形成内腔，若改为如图2-30（b）所示的结构，则可通过自带型芯形成内腔，使工艺过程大大简化。图2-29 悬臂支架2）型芯要便于固定、排气和清理型芯在铸型中的支承必须牢固，否则型芯会因无法承受浇注时液态金属的冲击而产生偏心缺陷，造成废品。3）应避免出现封闭空腔如图2-32（a）所示铸件为封闭的空腔结构，其型芯安放困难、排气不畅、无法清砂、结构工艺性极差。若改为如图2-32（b）所示结构，则可避免上述问题，其结构设计合理。图2-32 铸件内腔设计方案3.分型面尽量平直分型面如果不平直，造型时

16、必须采用挖砂造型或假箱造型，导致生产率很低。若将图2-33（a）的杠杆铸件改为图2-33（b）所示的结构，则分型面变为平面，方便了制模和造型，故图2-33（b）的分型方案更合理。图2-33 杠杆铸件结构的分型方案4.铸件应有结构斜度铸件垂直于分型面的非加工表面应设计出结构斜度，如图2-34（b）所示的结构在造型时容易起模，不易损坏型腔，这样的设计是合理的。而图2-34（a）为无结构斜度的不合理结构。图2-34 铸件的结构斜度二、合金铸造性对铸件结构设计的要求1.合理设计铸件的壁厚当铸件壁厚不能满足铸件力学性能要求时，可采用加强肋结构，而不是用单纯增加壁厚的方法，如图2-35所示。图2-35 采

17、用加强肋减小铸件壁厚2.壁厚应尽可能均匀3.铸件壁的连接方式要合理1）铸件壁之间的连接应有结构圆角2）铸件壁厚不同的部分连接时过渡要平缓3）铸件壁连接处应避免集中交叉和锐角4.避免大的水平面铸件上大的水平面不利于液态金属的充填，易产生浇不足、冷隔等缺陷；而且大的水平面上方的砂型受高温液态金属的烘烤容易掉砂而使铸件产生夹砂等缺陷；液态金属中气孔、夹渣上浮滞留在上表面，产生气孔、渣孔。如将图2-39（a）所示的水平面改为如图2-39（b）所示的斜面，则可减少或消除上述缺陷。图2-39 避免大水平面的结构5.避免铸件收缩受阻铸件在浇注后的冷却凝固过程中，若其收缩受阻，铸件内部将产生应力，导致变形和裂

18、纹。因此铸件在进行结构设计时，应尽量使其能够自由收缩。如图2-40所示的轮形铸件，轮缘和轮毂较厚，轮辐较薄，铸件冷却收缩时，极易产生热应力。若轮辐对称分布，见图2-40（a），虽然制作模样和造型方便，但因收缩受阻易产生裂纹；若改为图2-40（b）所示的结构，则可利用铸件微量变形来减少内应力。图2-40 轮辐的设计方案学习情境六 铸造新技术及发展趋势一、造型技术的发展1.气体冲击造型气体冲击造型是近年发展起来的一种新的造型工艺方法，包括空气冲击造型和燃气冲击造型两类。2.真空实型铸造真空实型铸造又称为气化模铸造、消失铸造。它是采用聚苯乙烯发泡塑料模样代替普通模样，将刷过涂料的模样放入可抽真空的特

19、制砂箱内，填干砂后，震动紧实，抽真空，不取出模样就浇入液态金属，在高温液态金属的作用下，塑料模样燃烧、气化、消失，液态金属取代原来塑料模样所占据的空间位置，冷却凝固后获得所需铸件的铸造方法。二、快速成型铸造技术快速成型铸造（rapid prototyping manufacturing，RPM）技术也称为快速原型铸造技术，是以分层合成工艺为基础的计算机快速立体模型制造系统。快速成型铸造技术集现代数控技术、CAD/CAM技术、激光技术以及新型材料于一体，突破了传统的加工模式，可以自动、快速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，从而对产品设计进行快速评价、修改。目前，正在应用与

20、开发的快速成型铸造技术有激光立体光刻技术、激光粉末选区烧结成型技术、熔丝沉积成型技术、叠层轮廓制造技术等多种工艺方法。各种工艺方法原理相同，只是技术有所差别。（1）激光立体光刻技术（SLA）。采用SLA成型方法生产金属零件的最佳技术路线为SLA原型（零件型）熔模铸造铸件。SLA主要用于生产中等复杂程度的中小型铸件。（2）激光粉末选区烧结成型技术（SLS）。采用SLS成型方法生产金属零件的最佳技术路线为SLS原型（陶瓷型）铸件或SLS原型（零件型）熔模铸造铸件。SLS主要用于生产中小型复杂铸件。（3）熔丝沉积成型技术（FDM）。采用FDM成型方法生产金属零件的最佳技术路线为FDM原型（零件型）熔

21、模铸造铸件。FDM主要用于生产中等复杂程度的中小型铸件。三、计算机在铸造中的应用随着科学技术的发展，计算机也在铸造生产中得到了广泛的应用。例如，在铸造工艺设计方面，计算机可模拟液态金属的流动性和收缩性，预测与铸件温度直接相关的铸件的宏观缺陷，如缩孔、缩松、热裂纹、偏析等；可进行铸造工艺参数的计算；可绘制铸造工艺图、木模图、铸件图；还可用于生产控制。近年来应用的铸造工艺计算机辅助设计系统是利用计算机协助生产工艺设计者分析铸造方法、优化铸造工艺、估算铸造成本、确定设计方案并绘制铸造图等，将计算机的快速性、准确性与设计者的思维、综合分析能力结合起来，从而极大地提高产品的设计质量和速度。明确任务，在任

22、务的驱动下学习。思考合金流动性好坏产生的影响。学生分组讨论影响铸件凝固和收缩的化学成分。结合示意图，讲解缩孔形成过程。结合示意图讲解热应力的形成过程。理解机械应力是临时应力的原因。学生分组讨论防止冷裂的措施，教师总结。思考手工造型、机器造型、型芯制作的优点和缺点。根据图片讲解熔模铸造的工艺过程。结合实际情况，学生分组讨论熔模铸造的应用领域。结合金属型铸造的特点，学生分组讨论金属型铸造在实际中的应用。结合压力铸造的特点，学生分组讨论压力铸造在实际中的应用。教师讲解低压铸造工艺过程，学生根据工艺过程思考其特点及应用领域，教师总结。结合图片讲解确定分型面的原则。结合图片讲解铸造工艺对铸件结构设计的要求。学生分组讨论图2-29所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论图2-32所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论图2-34所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论图2-35所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论气体冲击造型的优缺点，教师总结。了解计算机在铸造中的应用。11第 页