机械制造基础-铸造.pptx

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1、机械制造基础机械制造基础 4242学时（理论）学时（理论）课程性质课程性质性质：机械制造基础性质：机械制造基础(金属工艺学金属工艺学)是一门有关制造金属零件常用是一门有关制造金属零件常用的加工及工艺方法的综合性技术基础课。的加工及工艺方法的综合性技术基础课。加工方法加工方法l铸造铸造l压力加工压力加工l焊接焊接l热处理热处理 l切削加工切削加工用材（金属及合金）用材（金属及合金）l钢材、锻件、铸件等。钢材、锻件、铸件等。热加工工艺热加工工艺毛坯毛坯金属材料金属材料冷加工工艺冷加工工艺零件零件金属材料或毛坯金属材料或毛坯改善金属材料或毛坯的加工性能和力学性能改善金属材料或毛坯的加工性能和力学性能

2、课程主要内容课程主要内容金属材料导论金属材料导论(工程材料工程材料)铸造铸造金属压力加工金属压力加工焊接焊接切削加工切削加工金属材料导论金属材料导论铸铸造造压压力力加加工工焊焊接接切削加工切削加工汽车生产物流示意图汽车生产物流示意图压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配 车身安装 最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理第二篇第二篇 铸造铸造定义：定义：l将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛

3、坯或零件的生产（成形）方法，称为铸造（成形）方法，称为铸造，是生产金属零件和毛坯的，是生产金属零件和毛坯的主要形式之一。主要形式之一。铸造的特点铸造的特点 2 2铸件本钱低铸件本钱低原材料：来源广、价格低、投资少、易生产原材料：来源广、价格低、投资少、易生产铸件：机械加工量相对较小，本钱低铸件：机械加工量相对较小，本钱低 缺点缺点:1 1废品率较高，生产过程难以操作；废品率较高，生产过程难以操作；2 2铸件力学性能较差；铸件力学性能较差；3 3砂型铸造铸件精度较差。砂型铸造铸件精度较差。优点：优点：1 1具有较强的适应性具有较强的适应性 与其他零件成形工艺相比，铸造成形具有生产本钱低，工艺灵与

4、其他零件成形工艺相比，铸造成形具有生产本钱低，工艺灵活性大，不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度限制等特点。铸造活性大，不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度限制等特点。铸造不仅是生产毛坯的基本方法，而且用精密铸造还可制得精度高和外不仅是生产毛坯的基本方法，而且用精密铸造还可制得精度高和外表粗糙度低的零件。表粗糙度低的零件。本篇的内容本篇的内容铸造工艺基础铸造工艺基础l液体合金的充型液体合金的充型l凝固与收缩凝固与收缩l铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹常用合金铸件的生产常用合金铸件的生产l砂型铸造砂型铸造l特种铸造特种铸造l铸件结构设计铸件结构设计第一章第一章 铸造工艺基础铸造工艺基础（

5、一）合金的铸造性能（一）合金的铸造性能 合金的铸造性能是合金铸造成型所表现的工艺性能，主要包括合金的铸造性能是合金铸造成型所表现的工艺性能，主要包括流动性、收缩性等。流动性、收缩性等。合金的铸造性能是选择铸造合金、确定铸造工艺合金的铸造性能是选择铸造合金、确定铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据，合金铸造性能的好坏，直接影响铸方案及进行铸件结构设计的依据，合金铸造性能的好坏，直接影响铸件质量。件质量。v 充型能力充型能力 液态金属充满铸型，获得尺寸精液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清楚的铸件，取决于充型能确、轮廓清楚的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴力。在液态合金充型过程

6、中，一般伴随着结晶现象，假设充型能力缺乏，随着结晶现象，假设充型能力缺乏，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，铸件将产生浇缺乏或冷隔等缺陷。铸件将产生浇缺乏或冷隔等缺陷。第一章第一章 铸造工艺基础铸造工艺基础 充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。影响充型能力的因素：影响充型能力的因素：合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型合金的流动性、铸型的蓄热系数、

7、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等。铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等。如表如表2-12-1所示。所示。表表1-1 1-1 影响充型能力的因素和原因影响充型能力的因素和原因7 续表续表1-1 1-1 影响充型能力的因素和原因影响充型能力的因素和原因8液态合金的充型液态合金的充型一、合金的流动性（合金的本质属性）一、合金的流动性（合金的本质属性）是指液态金属的流动能力，在铸造时即表现为液态是指液态金属的流动能力，在铸造时即表现为液态金属充填铸型的能力。金属充填铸型的能力。流动性好：合金液体在挠注

8、后不仅可以获得轮流动性好：合金液体在挠注后不仅可以获得轮廓清楚、尺寸精确、薄而复杂的铸件，而且有助于合廓清楚、尺寸精确、薄而复杂的铸件，而且有助于合金在铸型中收缩时得到补充。有利于液态金属中的非金在铸型中收缩时得到补充。有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体的上浮与排除。金属夹杂物和气体的上浮与排除。流动性不好：则铸件会产生浇缺乏或冷隔缺陷，流动性不好：则铸件会产生浇缺乏或冷隔缺陷，其他如气空、夹渣和缩孔等缺陷也容易产生。其他如气空、夹渣和缩孔等缺陷也容易产生。流动性判定方法：流动性判定方法：以以“螺旋形螺旋形”试样长度来衡量。试样长度来衡量。相同浇注条件相同浇注条件:合金的流动性越好合金的流动

9、性越好,所浇出的试样越长。所浇出的试样越长。实验得知实验得知:灰铸铁、硅黄铜的流动性为最好；铝合金其次；灰铸铁、硅黄铜的流动性为最好；铝合金其次；铸钢的流动性最差。铸钢的流动性最差。流动性判定方法流动性判定方法液态合金的充型液态合金的充型l一一 合金的流动性合金的流动性l影响流动性的主要因素：影响流动性的主要因素：合金的化学成分、浇注温度以及铸合金的化学成分、浇注温度以及铸型的充填条件。型的充填条件。合金对流动性影响：合金对流动性影响：1)1)熔点熔点 合金的熔点越高流动性越差。合金的熔点越高流动性越差。这是因为金属液与环境温差大热量容这是因为金属液与环境温差大热量容易散失，保持液态时间短；易

10、散失，保持液态时间短；2)2)结晶区间结晶区间 合金结晶温度区间越大流合金结晶温度区间越大流动性越差。因为合金凝固时存在一个宽动性越差。因为合金凝固时存在一个宽的液固两相共存区，增大了金属液的粘的液固两相共存区，增大了金属液的粘度和流动阻力。因此，纯金属或共晶成度和流动阻力。因此，纯金属或共晶成分的合金流动性最好；分的合金流动性最好；3)3)杂质元素杂质元素 合金成分中凡能形成高熔点合金成分中凡能形成高熔点夹杂物的元素，均会降低合金的流动性。夹杂物的元素，均会降低合金的流动性。图图2-2 2-2 合金流动性与含碳量关系合金流动性与含碳量关系 液态合金的充型液态合金的充型二二 浇注条件浇注条件1

11、.1.浇注温度浇注温度浇注温度高浇注温度高 合金的粘度下降，流动性增强，充型能力提高合金的粘度下降，流动性增强，充型能力提高对薄壁铸件或流动性较差的合金适当提高浇注温度，可以防止浇对薄壁铸件或流动性较差的合金适当提高浇注温度，可以防止浇缺乏和冷隔缺陷。缺乏和冷隔缺陷。浇注温度过高浇注温度过高:金属的收缩量增加吸气增多，氧化也越严峻。金属的收缩量增加吸气增多，氧化也越严峻。铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，保证充型能铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，保证充型能力前提下，浇注温度不宜过高。力前提下，浇注温度不宜过高。2.2.充型压力充型压力液态合金流动方向压力大液态合金流动

12、方向压力大 充型能力强充型能力强液态合金的充型液态合金的充型 三三 铸型填充条件铸型填充条件 铸型中凡能增加金属流动阻力，降低流速和加快冷却速度的因素，铸型中凡能增加金属流动阻力，降低流速和加快冷却速度的因素，均能降低合金的流动性。均能降低合金的流动性。l铸型材料铸型材料 铸型材料导热系数和比热容高铸型材料导热系数和比热容高 对液态合金激冷能力强对液态合金激冷能力强 充型能力低充型能力低 l铸型温度铸型温度由于铸型预热由于铸型预热 金属液冷却速度低金属液冷却速度低 充型能力强充型能力强 l铸型中气体铸型中气体 （铸型中将产生大量气体，阻碍液态合金的充型）（铸型中将产生大量气体，阻碍液态合金的充

13、型）铸型排气能力强铸型排气能力强 透气性高透气性高 充型能力强充型能力强 一铸件的凝固方式一铸件的凝固方式 液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过程的关键问题，在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸程的关键问题，在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸造缺陷的形成，冷却与凝固对铸件质量，特别是铸件力学性能，造缺陷的形成，冷却与凝固对铸件质量，特别是铸件力学性能，起决定性的作用。起决定性的作用。一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、糊一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。铸件的状凝固方式和中间凝固方式。铸件的“凝固方

14、式凝固方式”是依据凝固是依据凝固区的宽窄来划分的。区的宽窄来划分的。12铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图2.3 2.3 铸件的凝固方式铸件的凝固方式铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即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，其中对铸件质量影响较大的主固相区、凝固区和液相区，其中对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩铸件的凝固方式铸件的凝固方式l逐层凝固逐层凝固纯金属或共晶成分合金在凝固过程中，不存在液、固并存的凝纯金属或共晶成分合

15、金在凝固过程中，不存在液、固并存的凝固区，断面上外层的固相和内层的液相由一条界限分开。随着固区，断面上外层的固相和内层的液相由一条界限分开。随着温度的下降，固体层不断加厚、液体层不断减少，直到铸件的温度的下降，固体层不断加厚、液体层不断减少，直到铸件的中心，称为逐层凝固，充型能力强。中心，称为逐层凝固，充型能力强。l糊状凝固糊状凝固合金的结晶温度范围越宽，铸件的温度分布较均衡，在凝固的合金的结晶温度范围越宽，铸件的温度分布较均衡，在凝固的某段时间内，不存在固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个某段时间内，不存在固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面，称为模糊凝固。易产生缺陷。断面，称为模糊凝固

16、。易产生缺陷。l中间凝固中间凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式，称为中间凝固。介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式，称为中间凝固。铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩铸件的凝固方式铸件的凝固方式铸件质量与凝固方式密切相关铸件质量与凝固方式密切相关 逐层凝固，充型能力强，便于防止缩孔、缩松逐层凝固，充型能力强，便于防止缩孔、缩松 灰铸铁和铝硅合金等倾向于逐层凝固灰铸铁和铝硅合金等倾向于逐层凝固 糊状凝固，难以获得结晶紧实的铸件糊状凝固，难以获得结晶紧实的铸件 球铁倾向于糊状凝固球铁倾向于糊状凝固铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩铸造合金的收缩铸造合金的收缩 合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积

17、或尺寸缩减的现象，称收缩。合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称收缩。收缩是多种收缩是多种铸造缺陷的根源，如缩孔、缩松、裂纹、变形和剩余应力等。铸造缺陷的根源，如缩孔、缩松、裂纹、变形和剩余应力等。收缩的三个阶段收缩的三个阶段 (1)(1)液态收缩液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度间的收缩。表现为型腔内液面从浇注温度到凝固开始温度间的收缩。表现为型腔内液面的降低的降低(体积收缩体积收缩)。(2)(2)凝固收缩凝固收缩 从凝固开始温度到凝固终止温度间的收缩。表现为型腔内从凝固开始温度到凝固终止温度间的收缩。表现为型腔内液面的降低液面的降低(体积收缩体积收缩)，是缩松，是缩松(

18、孔孔)的基本原因的基本原因 (3)(3)固态收缩固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。表现为三个方向线尺寸从凝固终止温度到室温间的收缩。表现为三个方向线尺寸的缩小，即三个方向的线收缩，是铸造应力和变形、裂纹基本原因。的缩小，即三个方向的线收缩，是铸造应力和变形、裂纹基本原因。铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩n铸件的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。铸件的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。影响铸造合金收缩的因素影响铸造合金收缩的因素l化学成分化学成分:不同种类的合金，不同种类的合金，其收缩率不同。在常用的铸其收缩率不同。在常用的铸 造合金中铸钢的

19、收缩最大，造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小（表灰铸铁最小（表-）。）。l铸件结构与铸型条件铸件结构与铸型条件:铸件在铸型中各局部冷却速度不一，彼此相铸件在铸型中各局部冷却速度不一，彼此相互制约，产生收缩阻力。铸型和型芯对铸件收缩产生机械阻力互制约，产生收缩阻力。铸型和型芯对铸件收缩产生机械阻力(如图如图)，故实际线收缩率比自由线收缩率小。设计模样时，须根据合金的种，故实际线收缩率比自由线收缩率小。设计模样时，须根据合金的种类，铸件的形状、尺寸等，选择收缩率。类，铸件的形状、尺寸等，选择收缩率。l浇注温度浇注温度:浇注温度愈高，液态收缩愈大，一般浇注温度每提高浇注温度愈高，液态收缩愈大，一般浇

20、注温度每提高100100度，体积收缩将会增加度，体积收缩将会增加1.61.6左右。左右。0.80.81.01.01.01.01.21.2铝硅合金铝硅合金1.61.61.71.71.71.71.81.8硅黄铜硅黄铜1.61.61.81.82.02.02.22.2无锡青铜无锡青铜1.21.21.41.4锡青铜锡青铜1.31.31.71.71.61.62.02.0碳钢和低合金钢碳钢和低合金钢0.80.81.01.0球墨铸铁球墨铸铁0.90.90.80.80.70.71.01.00.90.90.80.8中小型铸件中小型铸件中大型铸件中大型铸件特大型铸件特大型铸件灰铸铁灰铸铁受阻收缩受阻收缩自由收缩自由

21、收缩铸造收缩率（）铸造收缩率（）合金种类合金种类表表2-22-2砂型铸造时几种合金的铸造收缩率的经验值砂型铸造时几种合金的铸造收缩率的经验值铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩铸件中的缩孔与缩松铸件中的缩孔与缩松缩孔与缩松的形成：合金液在铸型内冷凝过程中，体积收缩得不缩孔与缩松的形成：合金液在铸型内冷凝过程中，体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固部位形成空洞。按空洞的大小和分布到补充时，将在铸件最后凝固部位形成空洞。按空洞的大小和分布分为缩孔和缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性分为缩孔和缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之

22、一。能大大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之一。（）（）缩孔缩孔 集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的空洞。形状不集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的空洞。形状不规则，多呈倒锥形，内外表粗糙。规则，多呈倒锥形，内外表粗糙。l形成过程形成过程图图-缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩（）缩松（）缩松 缩松的形成缩松的形成 缩松是分散在某区域内的细小缩孔。产生缩松的原因缩松是分散在某区域内的细小缩孔。产生缩松的原因是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足或者是由于合金的结晶是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足或者是

23、由于合金的结晶区间太宽，被树枝状晶分隔开的小液体难以得到补缩所致。如下图，缩区间太宽，被树枝状晶分隔开的小液体难以得到补缩所致。如下图，缩松隐藏于铸件内部，外观难以发现。松隐藏于铸件内部，外观难以发现。不同铸造合金的缩孔和缩松倾向不同。纯金属、共晶合金或窄结晶不同铸造合金的缩孔和缩松倾向不同。纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金的缩孔倾向大、缩松倾向小：反之，结晶区间大的合金缩温度范围合金的缩孔倾向大、缩松倾向小：反之，结晶区间大的合金缩孔倾向虽小，但极易产生缩松。采用一些工艺措施可以操作铸件的凝固孔倾向虽小，但极易产生缩松。采用一些工艺措施可以操作铸件的凝固方式方式,缩孔和缩松可在一定范围内

24、使其互相转化。缩孔和缩松可在一定范围内使其互相转化。集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但缩松，特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发缩松，特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发现现。合金液态收缩和凝固收缩愈大合金液态收缩和凝固收缩愈大(如铸钢、白口铸铁、铝青如铸钢、白口铸铁、铝青铜等铜等),),收缩的容积就愈大，愈易形成缩孔。合金浇注温度愈收缩的容积就愈大，愈易形成缩孔。合金浇注温度愈高，液态收缩也愈大高，液态收缩也愈大(通常每提高通常每提高100100，体积收缩增加，体积收缩增加1.6%1.6%左右左右)，愈易产生缩

25、孔。结晶间隔大的合金，易于产生缩松；，愈易产生缩孔。结晶间隔大的合金，易于产生缩松；纯金属或共晶成分的合金，易于形成集中的缩孔纯金属或共晶成分的合金，易于形成集中的缩孔。图表示相图表示相图与缩孔、缩松和铸件致密性的关系。图与缩孔、缩松和铸件致密性的关系。25铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图2-6 2-6 相图与缩孔相图与缩孔/缩松和铸件致密性的关系缩松和铸件致密性的关系26铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止缩孔和缩松都会使铸件的机械性能下降。缩松还影响缩孔和缩松都会使铸件的机械性能下降。缩松还影响铸件的气密性和物理、化学性能。因此，必须根据技术要铸件的气密性

26、和物理、化学性能。因此，必须根据技术要求，采取适当的工艺措施，予以防止。求，采取适当的工艺措施，予以防止。基本原则：基本原则：针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，地方。这样，在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方

27、直接补缩，就可以获得健全的铸件。接补缩，就可以获得健全的铸件。(1)(1)使缩松转化为缩孔的方法使缩松转化为缩孔的方法 缩松转化为缩孔的途径可从两方面考虑：缩松转化为缩孔的途径可从两方面考虑：第一，尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层第一，尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固，从根本上解决缩松的生成条件；凝固，从根本上解决缩松的生成条件；第二，对一些凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温第二，对一些凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度方法度梯度方法，使合金尽可能地趋向于逐层凝固。使合金尽可能地趋向于逐层凝固。32铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩(2)(2)防止缩孔的

28、方法防止缩孔的方法 要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过操要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过操作铸件的凝固方向使之符合作铸件的凝固方向使之符合“定向凝固原则定向凝固原则”。铸件的定向凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各局铸件的定向凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各局部，按照远离冒口的局部最先凝固，然后朝冒口方向凝固，最后部，按照远离冒口的局部最先凝固，然后朝冒口方向凝固，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即使铸件上远离冒口或浇口的才是冒口本身凝固的次序进行，亦即使铸件上远离冒口或浇口的局部到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，如图局部到冒口或浇口之间建

29、立一个递增的温度梯度，如图2-72-7所示。所示。铸件按照定向凝固原则进行凝固，能保证缩孔集中在冒口中，获铸件按照定向凝固原则进行凝固，能保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。得致密的铸件。33铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩定向凝固方式示意图定向凝固方式示意图 定向凝固的优点是：定向凝固的优点是：冒口补缩作用好，可防止缩冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。因此对孔和缩松，铸件致密。因此对于凝固收缩大，结晶温度范围于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。原则以保证铸件质量。定向凝固的缺点是：由于铸件各局部有温差，在凝固期间容定向

30、凝固的缺点是：由于铸件各局部有温差，在凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固原则需加冒口和补贴（在靠近冒口的铸件壁上逐渐增加的厚度）原则需加冒口和补贴（在靠近冒口的铸件壁上逐渐增加的厚度），工艺出品率低，且切割冒口费工。，工艺出品率低，且切割冒口费工。34图图2-7 2-7 定向凝固方式示意图定向凝固方式示意图铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力铸造内应力l定义：铸件在凝固后继续冷却时，假设在固态收定义：铸件在凝固后继续冷却时，假设在固态收缩阶段受到阻碍，则将产生内应力，称为铸造内缩阶段受到阻碍，

31、则将产生内应力，称为铸造内应力。产生铸件变形、裂纹等缺陷的主要原因。应力。产生铸件变形、裂纹等缺陷的主要原因。l种类：按照内应力产生原因分热应力和机械应力。种类：按照内应力产生原因分热应力和机械应力。1)1)热应力热应力 铸造热应力是由于铸件壁厚有厚薄，铸造热应力是由于铸件壁厚有厚薄，冷却有先后，造成铸件的厚壁或心部受冷却有先后，造成铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差异愈大，合金的线收缩率愈高，弹性差异愈大，合金的线收缩率愈高，弹性模量愈大，热应力也就愈大。模量愈大，热应力也就愈大。28 2)2)机械应力机械应力 铸件在固态收缩时，因受到铸

32、型、型芯、浇铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力阻碍而产生的应力称为机械应力，见图冒口、箱挡等外力阻碍而产生的应力称为机械应力，见图2-82-8。机械应力使铸件产生拉应力或切应力。当铸件落砂清。机械应力使铸件产生拉应力或切应力。当铸件落砂清理，障碍消除后，这种机械应力也随之消失。理，障碍消除后，这种机械应力也随之消失。如果在某一瞬间机械应如果在某一瞬间机械应力和热应力同时作用超过力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸了铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。件将产生裂纹。29铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹 2.2.防止应力和变形的方法防止应力和变形的方法 铸造热

33、应力是由于铸件壁厚有大小，冷却有先后，致使铸件收缩铸造热应力是由于铸件壁厚有大小，冷却有先后，致使铸件收缩不一致而形成。防止热应力和变形的方法就是创造一个凝固条件，保证不一致而形成。防止热应力和变形的方法就是创造一个凝固条件，保证铸件结构的温度尽量均匀一致。铸件结构的温度尽量均匀一致。同时凝固原则同时凝固原则 如下图，为使铸件各局部温度均匀，同时进行凝固，如下图，为使铸件各局部温度均匀，同时进行凝固，将内浇道设在薄壁处使薄壁处铸型在浇注过程中的升温较厚壁处高，将内浇道设在薄壁处使薄壁处铸型在浇注过程中的升温较厚壁处高，可补偿薄壁处的冷速快的现象。另外，在厚壁处设置冷铁，使厚壁处的可补偿薄壁处的

34、冷速快的现象。另外，在厚壁处设置冷铁，使厚壁处的冷却速度加快。冷却速度加快。铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹图图2-8 同时凝固原则示意图同时凝固原则示意图 冷铁的作用是加快冷铁的作用是加快铸件某处的冷却速度，铸件某处的冷却速度，以操作或改变铸件的凝以操作或改变铸件的凝固顺序。固顺序。2.2.防止应力和变形的方法防止应力和变形的方法 同时凝固原则同时凝固原则 为了实现定向凝固，为了实现定向凝固，除在铸件的厚大部位安放冒口外，还可除在铸件的厚大部位安放冒口外，还可以在铸件上某些厚大部位增设冷铁。如以在铸件上某些厚大部位增设冷铁。如下图，由于铸件上容易产生缩孔的厚大下图，由于铸件上容易

35、产生缩孔的厚大部位即热节不止一个，仅靠铸件顶部的部位即热节不止一个，仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔。为此，在该处设置冷铁，不出现缩孔。为此，在该处设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。实现自下而上的顺序凝固。铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹图图2-8 冷铁的应用冷铁的应用 同时凝固原则的优点：同时凝固原则的优点：凝凝固固期期间间不不容容易易产产生生热热裂裂，凝凝固固后后也也不不易易引引起起应应力力、变变形形；由由于于不不用用冒冒口口或或冒冒口口很很小小而而节

36、节省省金金属属，简简化化工工艺艺、减减少少工工作作量。缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。量。缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。同时凝固一般用于以下情况：同时凝固一般用于以下情况：(1)(1)碳硅含量高的灰铸铁，其体积收缩较小甚至不收缩，合金本碳硅含量高的灰铸铁，其体积收缩较小甚至不收缩，合金本身不易产生缩孔和缩松。身不易产生缩孔和缩松。(2)(2)结晶温度范围大，容易产生缩松的合金（如锡青铜），对结晶温度范围大，容易产生缩松的合金（如锡青铜），对气密性要求不高时，可采用同时凝固。气密性要求不高时，可采用同时凝固。36铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸件的变形铸件的变

37、形:当铸件厚薄不均时，当铸件厚薄不均时，因冷却速度不同，各处的温度不因冷却速度不同，各处的温度不均匀，在铸件中将产生热应力。均匀，在铸件中将产生热应力。厚的部位受拉伸。薄的部位受压厚的部位受拉伸。薄的部位受压缩。这样处于缩。这样处于应力屈服应力屈服的铸的铸件是不稳定的，将通过变形以减件是不稳定的，将通过变形以减少内应力趋于稳定状态因此，少内应力趋于稳定状态因此，铸件常发生不同程度的变形，其铸件常发生不同程度的变形，其变形方向则是受压缩的部位向外变形方向则是受压缩的部位向外凸受拉伸的部位向内凹。细而凸受拉伸的部位向内凹。细而长或大而薄等刚度差的铸件变形长或大而薄等刚度差的铸件变形尤为明显。尤为明

38、显。30铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹图图2-112-11图为车床床身，导轨局部较厚，铸后产生拉应力，图为车床床身，导轨局部较厚，铸后产生拉应力，侧壁较薄，铸后产生压应力。变形的结果，导轨面侧壁较薄，铸后产生压应力。变形的结果，导轨面中心下凹，侧壁凸起。中心下凹，侧壁凸起。铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸件的变形与防止铸件的变形与防止图为平板形铸件的变形，平板中图为平板形铸件的变形，平板中心冷却比四周慢，铸后产生拉应心冷却比四周慢，铸后产生拉应力，而四周产生压应力，当平板力，而四周产生压应力，当平板上、下面有温差时，就可能

39、产生上、下面有温差时，就可能产生挠曲变形。挠曲变形。图图 平板形铸件的变形平板形铸件的变形铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸件的变形与防止铸件的变形与防止图是皮带轮的变形。皮带轮结构特点是图是皮带轮的变形。皮带轮结构特点是轮缘和轮辐比轮毂薄，当轮毂进入弹性轮缘和轮辐比轮毂薄，当轮毂进入弹性状态时，轮缘和轮辐的温度比轮毂低，状态时，轮缘和轮辐的温度比轮毂低，轮毂的继续收缩受到轮缘和轮辐的阻碍、轮毂的继续收缩受到轮缘和轮辐的阻碍、轮缘受压应力，轮毂和轮辐受拉应力。轮缘受压应力，轮毂和轮辐受拉应力。如图（如图（b b）所示，）所示，P1P1为轮毂和轮辐把轮为轮毂和轮辐把轮缘向里拉的力，缘

40、向里拉的力，P2P2是铸型阻碍轮缘收缩是铸型阻碍轮缘收缩的力。的力。结果有可能把轮缘拉成波浪形。在切削结果有可能把轮缘拉成波浪形。在切削加工时加工时A A处可能会出现加工余量缺乏，处可能会出现加工余量缺乏，B B处加工后轮缘可能变得过薄。处加工后轮缘可能变得过薄。铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸件的变形与防止铸件的变形与防止 铸件的变形往往使铸件精度降低，严峻时可能使铸件报铸件的变形往往使铸件精度降低，严峻时可能使铸件报废必须予以防止。废必须予以防止。防止：防止：l设计铸件时，力求壁厚均匀、形状简单而对称。设计铸件时，力求壁厚均匀、形状简单而对称。l对于细而长、大而薄等易变形铸件

41、，可将模样制成与铸对于细而长、大而薄等易变形铸件，可将模样制成与铸件变形方向相反的形状，待铸件冷却后变形正好与相反件变形方向相反的形状，待铸件冷却后变形正好与相反的形状抵消，称的形状抵消，称“反变形法反变形法”。对不允许发生变形的机件必须进行对不允许发生变形的机件必须进行时效处理时效处理自然时效和人工时效自然时效和人工时效铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸件的裂纹与防止铸件的裂纹与防止 定义：当铸件内应力超过合金的强度极限时，铸件便产生裂纹。按裂纹定义：当铸件内应力超过合金的强度极限时，铸件便产生裂纹。按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂。形成的温度范围可分为热裂和冷裂。1.1.热

42、裂热裂 高温下形成的裂纹。特征高温下形成的裂纹。特征:缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。沿晶粒边界产生和开展。合金结晶温度愈宽，液固两相区绝对收缩量愈大，沿晶粒边界产生和开展。合金结晶温度愈宽，液固两相区绝对收缩量愈大，热裂倾向大；含硫愈高，热裂倾向大；反之，铸型退让性愈好，机械应力热裂倾向大；含硫愈高，热裂倾向大；反之，铸型退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向小。愈小，热裂倾向小。热裂是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中最常见的铸造缺热裂是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中最常见的铸造缺陷之一。防止此类缺陷的方法一般是使铸件结构合理（图），提高铸型和陷

43、之一。防止此类缺陷的方法一般是使铸件结构合理（图），提高铸型和型芯的退让性，减小浇，冒口对铸件收缩的机械阻碍，内烧口设置符合同型芯的退让性，减小浇，冒口对铸件收缩的机械阻碍，内烧口设置符合同时凝固方式，此外应尽量降低金属中有害杂质硫、磷的含量，减少低熔点时凝固方式，此外应尽量降低金属中有害杂质硫、磷的含量，减少低熔点化合物，提高金属的高温强度。化合物，提高金属的高温强度。铸造内应力、变形和裂纹铸造内应力、变形和裂纹铸件的裂纹与防止铸件的裂纹与防止 2.2.冷裂冷裂 较低温下形成的裂纹。特征较低温下形成的裂纹。特征:裂纹细小、呈连续直线状。常发生裂纹细小、呈连续直线状。常发生在形状复杂工件受拉伸

44、部位、特别是应力集中处。塑性好的合金，冷裂倾在形状复杂工件受拉伸部位、特别是应力集中处。塑性好的合金，冷裂倾向小；反之，脆性大，冷裂倾向大。防止冷裂的措施，消除内应力，操作向小；反之，脆性大，冷裂倾向大。防止冷裂的措施，消除内应力，操作含磷量。含磷量。冷裂常出现在铸件受拉应力部位，尤其是应力集中的地方。图是带轮冷裂常出现在铸件受拉应力部位，尤其是应力集中的地方。图是带轮和飞轮铸件的冷裂现象。带轮的轮缘、轮辐比轮毂薄，冷却速度较快，比和飞轮铸件的冷裂现象。带轮的轮缘、轮辐比轮毂薄，冷却速度较快，比轮毂先收缩，并对轮毂施加压力，轮毂产生塑性变形。但当轮毂温度冷至轮毂先收缩，并对轮毂施加压力，轮毂产

45、生塑性变形。但当轮毂温度冷至较低温度进行收缩时，却受到先已冷却的轮缘的阻碍，轮辐中就会产生拉较低温度进行收缩时，却受到先已冷却的轮缘的阻碍，轮辐中就会产生拉应力，拉应力过大时轮毂发生断裂，形成冷裂。飞轮的轮缘较厚轮辐和应力，拉应力过大时轮毂发生断裂，形成冷裂。飞轮的轮缘较厚轮辐和轮毂较薄，易在轮缘中产生拉应力引起冷裂。轮毂较薄，易在轮缘中产生拉应力引起冷裂。作业作业:P48:(2),(4),(5),P48:(2),(4),(5),(6),(7),(6),(7),(8).(8).第三章第三章 砂型铸造砂型铸造铸造方法可分为砂型铸造和特种铸造两大类铸造方法可分为砂型铸造和特种铸造两大类 砂型铸造是

46、将熔化的金属注入砂型，凝固后获得铸件的方法，砂型铸造是将熔化的金属注入砂型，凝固后获得铸件的方法，砂型在取出铸件后便损坏。所以砂型铸造也称一次型铸造。砂型砂型在取出铸件后便损坏。所以砂型铸造也称一次型铸造。砂型铸造的工序较多，其基本工艺过程如下图。铸造的工序较多，其基本工艺过程如下图。3.1 3.1 砂型铸造工艺过程砂型铸造工艺过程 第三章第三章 砂型铸造砂型铸造其工艺流程如下图其工艺流程如下图砂型铸造砂型铸造铸造工艺图：铸造工艺图：在零件图上用各种工艺符号及参数表示出铸造工艺方案在零件图上用各种工艺符号及参数表示出铸造工艺方案的图形。的图形。铸造工艺图的作用：铸造工艺图的作用：指导模样（芯盒

47、）设计、生产设备、铸型制造和铸件指导模样（芯盒）设计、生产设备、铸型制造和铸件检验的基本工艺文件检验的基本工艺文件铸造工艺图所含内容（铸造工艺图所含内容（9 9项）项）浇注位置，铸型分型面，型芯的数量、形状、尺寸及浇注位置，铸型分型面，型芯的数量、形状、尺寸及其固定方法，加工余量，收缩率，浇注系统，起模斜度，其固定方法，加工余量，收缩率，浇注系统，起模斜度，冒口和冷铁的尺寸和布置等。冒口和冷铁的尺寸和布置等。砂型铸造砂型铸造砂型铸造主要工序包括：型砂、芯砂的制备、造芯、挠注等砂型铸造主要工序包括：型砂、芯砂的制备、造芯、挠注等 造型造型 用模样形成用模样形成砂砂型的内腔，在浇注后形成铸件外部轮

48、廓。型的内腔，在浇注后形成铸件外部轮廓。它是砂型铸造的最基本工序，分为手工造型和机器造型两大类。它是砂型铸造的最基本工序，分为手工造型和机器造型两大类。型芯型芯 主要用于形成铸件的内腔。浇注时，型芯易受金属液的冲主要用于形成铸件的内腔。浇注时，型芯易受金属液的冲击并处于液态金属的包围之中，因此，型芯应具有更高的强度、击并处于液态金属的包围之中，因此，型芯应具有更高的强度、透气性、耐火性和退让性，以确保铸件的质量。生产中，通常选透气性、耐火性和退让性，以确保铸件的质量。生产中，通常选用新砂，以桐油、合脂或树脂等作粘结剂。型芯需经烘干处理，用新砂，以桐油、合脂或树脂等作粘结剂。型芯需经烘干处理，其

49、目的是增加强度和透气性，减少型芯的发气量。其目的是增加强度和透气性，减少型芯的发气量。造芯造芯 将芯砂填人芯盒，经舂紧、修整等工序后即制成造芯。将芯砂填人芯盒，经舂紧、修整等工序后即制成造芯。砂型铸造砂型铸造造型方法的选择造型方法的选择l手工造型手工造型 用手工或手开工具完成紧砂、起模、修型用手工或手开工具完成紧砂、起模、修型工序。操作灵活，可按铸件尺寸、形状、批量与现场工序。操作灵活，可按铸件尺寸、形状、批量与现场条件灵活选用造型方法，生产准备周期短，效率低，条件灵活选用造型方法，生产准备周期短，效率低，质量稳定性差，对工人技术要求高，劳动强度大。质量稳定性差，对工人技术要求高，劳动强度大。

50、l适用范围：单件、小批量铸件或难以用造型机械生产适用范围：单件、小批量铸件或难以用造型机械生产的形状复杂的大型铸件。的形状复杂的大型铸件。砂型铸造砂型铸造手工造型手工造型 （1 1）整模造型）整模造型 整模造型过程如下图。整模造型的特点是：模样是整整模造型过程如下图。整模造型的特点是：模样是整体结构，最大截面在模样一端为平面；分型面多为平面；操作简单。体结构，最大截面在模样一端为平面；分型面多为平面；操作简单。整模造型适用于形状简单的铸件，如盘、盖类。整模造型适用于形状简单的铸件，如盘、盖类。(a)(a)造下砂型、添砂、舂砂造下砂型、添砂、舂砂 (b)(b)刮平、翻箱刮平、翻箱 (c)(c)造