第13章铸造.docx
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第13章铸造
课题：
铸造概述砂型铸造
授课时数：
2
教学目的、要求：
1．掌握铸造的基本概念、工艺过程
2．了解砂型铸造工艺过程、造型材料
3．掌握手工造型方法和浇注系统
教学重点、难点：
重点：
砂型铸造的手工造型
难点：
各浇道的作用
教学过程：
（一）复习提问
1．常用金属表面强化处理方法
2．金属防腐的种类和特点，金属防腐处理的方法
3．金属表面装饰加工方法
（二）导入新课、授新课
第13章铸造
一、基本概念：
将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。
用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。
二、铸造工艺过程
主要包括：
金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。
铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、有色合金等。
三、特点
与其它金属加工方法相比，铸造具有如下优点：
（1）原材料来源广。
（2）生产成本低。
（3）铸件形状与零件接近，尺寸不受限制。
因此，铸造在机器制造业中应用极其广泛。
但铸造生产目前还存在着若干问题，如铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致铸件力学性能不如锻件高。
铸造工序多，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高。
13.1砂型铸造
一、砂型铸造
砂型铸造指铸型由砂型和砂芯组成，而砂型和砂芯是用砂子和粘结剂为基本材料制成的。
二、生产过程：
（1）根据零件图制造模样和芯盒
（2）制备型砂及芯砂
（3）利用模样及芯盒进行造型及造芯
（4）烘干型芯（或铸型）
（5）合型浇注、
三、造型
用型砂及模样等工艺设备制造铸型的过程叫造型。
1．模样
模样用来形成铸件外部轮廓，模样的外形尺寸与铸件外形相适应。
2．造型材料
制造铸型或型芯用的材料，称为造型材料。
型砂和芯砂应具备以下基本性能：
（1）可塑性目的为了在铸型中得到清晰的模样印迹，以便得到合格的铸件。
（2）强度砂型承受外力作用而不易破坏的性能。
（3）耐火性型砂在高温液体金属注入时，不熔化、不软化、不易烧结并粘附在铸件表面上的性能。
（4）透气性型砂由于内部砂粒之间存在空隙，能够通过气体的能力。
（5）退让性铸件冷却收缩过程中，砂型和砂芯的体积也能随之缩小的性能。
3．造型方法
造型就是用型砂和模样制造铸型的过程。
造型方法分手工造型和机器造型两大类。
一般单件和小批量生产都用手工造型。
在大量生产时，主要采用机器造型。
（1）手工造型
全部用手工或或手动工具完成的造型工序称为手工造型。
特点：
操作灵活，无论铸件大小、结构复杂程度如何，都能适应，模样成本低，生产准备简单。
但劳动强度大，生产效率低。
常用的造型方法：
①整模造型
将模样做成与零件形状对应的整体结构进行造型的方法，模样只在一个砂箱内（下箱），分型面是平面。
特点：
整个铸件在一个砂箱内完成，造型方便，铸件不会由于上下砂型错位而产生错型缺陷，它用于制造形状比较简单且最大截面在端部的铸件。
②分模造型
将木模沿最大截面处分成两半，并用销钉定位，造型时模样分别在上、下型内进行造型的方法。
特点：
分模造型操作简便，应用最广，适用于生产形状复杂，带孔的、最大截面在中部的铸件。
③挖砂造型
挖砂造型的模样是整体的，但分型面为曲面，为了能起出模，造型时用手工将阻碍起模的型砂挖去。
特点：
挖砂造型费工，生产率低，只适用于单件小批生产，分型面不是平面的铸件。
④假箱造型
利用预先制备好的半个铸型简化造型操作的方法，此半型称为假箱．其上承托模样，可供造另半型，但不用来组成铸型。
特点：
是比挖砂造型操作简便，且分型面整齐，生产率大大提高。
适用于小批或成批生产需要挖砂的铸件。
⑤刮板造型
造型时不用模样而用一个与铸件截面形状相应的刮板代替，来刮出所需铸型的型腔，称为刮板造型。
特点：
模样制造简化，可以显著地降低模样制作成本，缩短生产准备时间，但造型费工，要求工人操作技术水平较高，只适用于等截面的大、中型回转体铸件的单件、小批量生产，如带轮、大齿轮、飞轮、弯管等。
⑥活块造型
制模时将妨碍起模部分（如小的凸台、肋条等）做作活块，起模时先将主体模样起出，再从侧面取出活块的造型方法。
特点：
活块造型费工，要求工人操作技术较高，适用于单件小批生产带有突出部分，难以起模的铸件。
⑦三箱造型
如果模样的外形两端截面大而中间截面小，只用一个分型面取不出模样时，需要从小截面处分开模样，并用两个分型面，三个砂箱进行造型，这种方法称为三箱造型。
特点：
三箱造型操作比较繁琐，操作技术要求较高。
适用于单件小批生产具有两个分型面的铸件。
⑵机器造型
机器造型用机器全部地完成或至少完成紧砂操作的造型工序。
实质：
用机器代替手工紧砂和起模。
特点：
与手工造型相比，改善了劳动条件，提高了生产率，铸件尺寸精度高，表面质量好。
适用于成批大量生产。
机器造型两个主要工序是紧砂和起模。
①紧砂方法常用的紧砂方法有：
振实、压实、振压、抛砂、射压等几种型式，其中以振压式应用最广。
②起模方法常用的起模方法有顶箱、漏模、翻转三种。
4．造芯
制造型芯的过程称为造芯，型芯用来形成铸件内部轮廓，制造型芯采用芯盒，用芯盒的内腔形状应与铸件内腔形状相适应制造型芯，用芯盒制造型芯的工艺同造型过程相似。
四、浇注系统
为填充型腔和冒口而开设在铸型中的一系列通道，称为浇注系统。
1．浇注系统组成
通常浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。
（1）浇口杯：
承接并导入液态金属，并使液态金属在浇口杯内有短暂的停留，减弱对砂型的冲击，同时使熔渣上浮，阻止熔渣进入型腔。
（2）直浇道：
浇注系统中的垂直通道，引导液态金属流入型腔，其高度可使金属液产生静压力，以便迅速充满型腔。
（3）横浇道：
浇注系统中的水平通道，截面常为梯形，一般设在内浇道上面，起到挡渣和分配金属液流进内浇道的作用。
（4）内浇道：
与型腔直接相联，可控制金属液流入型腔的速度和方向。
。
五、熔炼
六、合型、浇注、落砂、清理
1．合型
将铸型的各个组元，如上型、下型、型芯、浇口杯等组合成一个完整铸型的操作过程。
2．浇注
将金属液从浇包注入铸型的操作，称为浇注。
3．落砂
用手工或机械使铸件和型砂（芯砂）、砂箱分开的操作过程。
4．清理
落砂后，从铸件上清除表面粘砂、型砂（芯砂）、多余金属等操作称为清理。
（三）课堂练习
略
（四）归纳小结
1．铸造的基本概念、工艺过程
2．砂型铸造工艺过程、造型材料
3．手工造型方法和浇注系统
（五）课堂作业
略
课题：
合金的铸造性能铸造应力、变形和裂纹
授课时数：
2
教学目的、要求：
1、掌握合金铸造性能和铸铁的铸造特性
2、掌握铸件的常见缺陷及预防措施。
教学重点、难点：
重点：
铸件的常见缺陷及预防措施
难点：
合金铸造性能和铸铁的铸造特性
教学过程：
（一）复习提问
1．铸造的基本概念、工艺过程
2．砂型铸造工艺过程、造型材料
3．手工造型方法和浇注系统
（二）导入新课、授新课
13.2合金的铸造性能
合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能称为合金的铸造性能。
一、流动性
流动性指浇注时金属液的流动能力，是影响金属液充型能力的主要因素之一。
1．流动性对铸件质量的影响
（1）易获得形状复杂、轮廓清晰的薄壁件；
（2）有利于气体和夹杂物的上浮和排除；
（3）有利于补缩；
因此，能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷。
2．影响合金流动性的因素
⑴化学成分
不同种类、不同成分的合金，其流动性也不同。
随着凝固温度范围的增大，合金流动性减小。
在常用的铸造合金中，铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。
⑵浇注温度的影响
浇注温度高，有利于流动性的提高。
浇注温度过高会增大金属的吸气量和总收缩量，使铸件产生易产生缩孔、缩松和气孔等缺陷。
故在保证足够的流动性条件下，浇注温度不宜过高。
⑶铸型特点的影响
铸型的导热性越强，金属液的散热越快，流动性就越差。
二、收缩性
合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的特性称为收缩性。
1．合金的收缩方式
（1）液态收缩
金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩，收缩所减少的体积与浇注温度至开始凝固温度的差值成正比是形成缩孔、缩松的基本原因之一。
（2）凝固收缩
金属液在凝固阶段的体积收缩。
一般情况下，凝固收缩使型腔内液面降低，是铸件产生缩孔的基本原因。
（3）固态收缩
金属在固态由于温度降低而发生的体积收缩，固态收缩表现为三个方向线尺寸的缩小，属于线收缩，它使铸件尺寸缩小，影响铸件尺寸精度，是产生内应力、变形和裂纹的基本原因。
2．影响收缩性的因素
⑴化学成分
化学成分是影响收缩性的本质因素。
同一种合金，因化学成分不同，其收缩率也不相同。
不同的合金其收缩率也不同。
由于铸铁中的碳大部分是以石墨形式存在，而石墨比容大，故灰铸铁比碳素铸钢收缩率小。
⑵浇注温度
浇注温度越高，液态收缩越大。
⑶铸件结构和铸型条件
3.收缩性对铸件质量的影响
⑴缩孔和缩松
缩孔是金属液在凝固过程中，由于补缩不良，在铸件最后凝固的部分产生的孔洞。
缩孔的的形状极不规则，孔壁粗糙并带有枝状晶，通常出现在铸件最后凝固部位。
要防止缩孔和缩松，最常用的方法是：
①改进浇注系统和冒口设置。
②合理控制铸件的凝固，使之实现顺序凝固，获得致密铸件。
13.3铸造应力、变形和裂纹
一、铸造应力
铸件在固态收缩过程中由于收缩不均匀和相变等因素而引起的内应力称为铸造应力。
1．热应力
铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于收缩不均衡而引起的应力，铸件固态收缩越大，壁厚差越大，形状越复杂，产生的热应力越大。
热应力是铸件产生变形和开裂的主要原因。
减少热应力产生的基本途径：
（1）尽量减少铸件各部分的温度差，使其尽可能均匀地冷却。
设计铸件时，应尽量使其壁厚均匀，避免铸件产生较大的温差。
（2）在铸造工艺上，采用同时凝固的原则。
2．收缩应力
铸型、型芯等阻碍铸件收缩而产生的内应力，收缩应力一般都使铸件产生拉伸或剪切应力。
3．相变应力
固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。
二、变形
变形是指铸件的尺寸与图样不符的现象。
1．产生原因
铸件或热处理冷却速度不一、收缩不均匀、模样与铸型形状发生变化。
2．防止铸件变形的根本措施
减小铸造应力。
（1）合理设计铸件的结构，力求铸件壁厚均匀，形状对称；
（2）在铸造工艺上采用同时凝固原则，合理设计浇冒口、冷铁等，使铸件冷却均匀；
（3）增加型砂和芯砂的退让性；
（4）重要的铸件，如车床床身等，必须采取自然时效或去应力退火，以消除内应力。
三、裂纹
当铸造应力超过铸件材料的强度极限时，铸件就会产生裂纹。
1．热裂
特征：
裂纹断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。
特点：
在高温下形成的，一般产生在尖角、断面突变处等应力集中部位或热节处。
热裂是铸钢和一些铝合金铸件的常见缺陷。
防止措施：
合理设计铸件结构，尽量使铸件厚薄均匀；合理选择型砂和芯砂的粘结剂，大的型芯可制成中空的或内部填以焦炭，以改善型砂的退让性，减少对铸件的机械阻碍。
2．冷裂
特征：
容易发现的长条形而且宽度均匀的裂纹。
裂纹常穿过晶粒延伸到整个断面。
特点：
在较低温度下形成的，常出现在铸件受拉伸部位，特别是应力集中部位。
防止措施：
减小铸造应力或降低合金脆性。
（三）课堂练习
略
（四）归纳小结
1．合金铸造性能和铸铁的铸造特性
2．铸件的常见缺陷及预防措施。
（五）课堂作业
略
课题：
铸件的结构设计简介铸造工艺图的制定
授课时数：
2
教学目的、要求：
1．基本掌握铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。
2．较熟练地运用浇注位置和分型面的选择原则、工艺参数的确定原则来分析实际问题。
教学重点、难点：
重点：
1、铸型分型面选择的原则
2、工艺参数的选择
3、砂型铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构设计的要求
难点：
1、工艺参数的选择
2、砂型铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构设计的要求
教学过程：
（一）复习提问
1．合金铸造性能和铸铁的铸造特性
2．铸件的常见缺陷及预防措施。
（二）导入新课、授新课
13.4铸件的结构设计简介
铸件的结构工艺性是指铸件结构在满足使用要求的前提下，能用生产率高、劳动量小、材料消耗少和成本低的方法进行制造的衡量指标。
一、铸造工艺对铸件结构的要求
1．铸件外形应力求简单
铸件外形尽可能采用平直轮廓，尽量少用非圆曲面，以便于制造模样。
2．铸件应有起模斜度
铸件上垂直于分型面的不加工表面（尤其是大件），为起模方便，应具有起模斜度。
3．铸件应尽量不用或少用活块
4．型芯的设置要稳固并有利于排气与清理
二、合金铸造性能对铸件结构的要求
1．铸件应有合理的壁厚
2．铸件壁的连接应合理
3．铸件应尽量避免有过大的水平面
4．铸件结构应利于自由收缩
5．铸件结构应符合凝固原则的要求
13.5铸造工艺图的制定
铸造工艺图是表示铸件浇注位置、分型面、浇冒口系统、型芯结构尺寸、控制凝固措施（冷铁、保温衬板）等内容的图样。
一、浇注位置的确定
浇注位置是指浇注时铸型分型面所处的位置，分型面为水平、垂直或倾斜时，分别称为水平浇注、垂直浇注或倾斜浇注。
浇注位置的选定，是铸造工艺设计中重要的一环，对铸件质量的影响很大，确定浇注位置应考虑如下基本原则。
（1）铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或在侧面。
（2）尽可能使铸件的大平面应朝下
（3）浇铸具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分朝下或在侧面，以保证金属充满型腔，防止铸件产生浇不足、冷隔等缺陷。
（4）对于质量要求较高，壁厚薄不均匀，易形成缩孔、缩松的铸件，应使铸件的厚实部分在分型面的上部或侧面。
⑸尽量减少型芯数量，便于型芯的检验、固定和排气。
二、分型面的选择
分型面是指铸型组元间的接合面。
分型面的选定在很大程度上影响铸件的质量和工序的复杂程度。
分型面的选择应考虑如下原则：
⑴尽量使铸件的全部或大部分位于同一砂箱内，以保证铸件上各表面之间的位置精度。
⑵应减少分型面的数量，最好使得铸件位于下型中。
这样可以简化操作过程，提高铸件的尺寸精度。
⑶尽量选用平面为分型面，少用曲面为分型面，简化制模和造型工艺。
⑷尽量减少型芯和活块数量，以保证起模方便。
⑸尽量使型腔和主要型芯处于下型，以便于造型、下芯、合型及检验型腔尺寸。
⑹分型面一般都取在铸件的最大截面处，充分利用砂箱高度，不要使模样在一箱内过高，以保证起模方便，不损坏铸型。
⑺铸件的分型面时应尽可能与浇注位置一致，或者使二者相互协调起来。
三、工艺参数的选择
1．加工余量
加工余量是指为了保证铸件加工面尺寸和零件精度，在进行铸件工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。
其大小取决于合金的种类、铸件的尺寸和结构、铸造方法所能达到的铸件精度、加工表面所处的浇注位置等。
灰铸铁件加工余量小于铸钢件，有色金属件小于灰铸铁件。
2．起模斜度
起模斜度是为了使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度。
大小取决于模样的材料、垂直壁的高度、造型材料的特点和造型方法等。
通常为0.5°~3°。
3．线收缩率
收缩余量一般根据铸件线收缩率来确定
式中，L模、L铸件分别表示同一尺寸在模样、铸件上的长度。
4．铸造圆角
在设计制造模样时，对相交壁的交角处要做成圆弧过渡，这种圆弧称为铸造圆角。
其目的是防止铸件交角处产生缩孔及应力集中而引起裂纹。
5．芯头
芯头是型芯的伸出部分，芯头设计时应考虑型芯定位准确，安放牢固，装配、排气，合型与清砂方便。
（三）课堂练习
略
（四）归纳小结
1．铸造工艺对铸件结构的要求
2．合金铸造性能对铸件结构的要求
3．浇注位置的确定
4．分型面的选择
5．工艺参数的选择
（五）课堂作业
略
课题：
特种铸造
授课时数：
2
教学目的、要求：
掌握常见特种铸造的方法、特点和用途
教学重点、难点：
常见特种铸造的方法、特点和用途
教学过程：
（一）复习提问
1．铸造工艺对铸件结构的要求
2．合金铸造性能对铸件结构的要求
3．浇注位置的确定
4．分型面的选择
5．工艺参数的选择
（二）导入新课、授新课
13.6特种铸造
一、概述
与砂型铸造不同的其他铸造方法称为特种铸造
特点：
1．能避免砂型起模时的型腔扩大和损伤，合型时定位的偏差，砂粒造成的铸件表面粗糙和粘砂，降低表面粗糙度，从而使铸件的质量大大提高。
2．提高生产率，改善工作条件，所得到的铸件都与成品零件的尺寸十分接近，提高铸件尺寸精度，减少切削加工余量，甚至无需切削加工即能作为成品使用。
二、常用的特种铸造方法
1．金属型铸造
方法：
在重力作用下将熔融金属浇入金属型获得铸件的方法。
特点：
（1）实现了一型多铸
（2）铸件的力学性能高
（3）铸件的精度高
（4）局限性：
铸型制造成本高，周期长；
透气性差，无退让性，铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷；
铸造合金的熔点不能太高，质量不能太大；
应用范围：
主要用于制造有色合金铸件，如铝活塞、汽缸体、缸盖等。
2、压力铸造
方法：
将熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固而获得铸件的方法。
特点：
（1）铸件尺寸精度高
（2）铸件的强度和表面硬度高
（3）可压铸形状复杂的薄壁铸件，可嵌铸其他材料
（4）生产效率高
（5）设备投资大，压型制造成本高
（6）铸件内部有大量气孔
（7）压铸件不能大余量加工和热处理
应用：
适宜压铸低熔点合金
压力铸造主要用于熔点较低的锌、铝、镁及铜合金铸件的生产。
3、离心铸造
方法：
将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方法。
特点：
（1）工艺过程简单
（2）铸件力学性能高
（3）便于铸造双金属铸件
（4）铸件内表面质量差，孔的尺寸不易控制。
应用：
目前主要用于制造铁管、缸套和滑动轴承。
4．熔模铸造
方法：
模铸造又称失蜡铸造，它是在蜡模表面包以造型材料，待其硬化后，再将其中的蜡模熔去，从而获得无分型面铸型的铸造方法。
蜡模铸造工艺过程：
（1）母模:
钢或黄铜制成的标准铸件,用来制造压型.
（2）压型：
易熔合金压型，利用母模作模样，由易熔合金（Sn、Pb、Bi等的合金）直接浇注制成的。
（3）蜡模的制作
模料：
分低温模料、中温模料和高温模料。
压蜡：
将调好的模料压入压型中，待其凝固后取出蜡件，放入水中冷却。
修蜡模：
修去飞边毛刺。
组合：
将多个蜡件粘到蜡质浇棒上。
（4）铸型的制造
制壳在蜡模组上涂挂耐火材料，以制成一定强度的耐火型壳过程。
脱蜡取出蜡模以形成铸型空腔。
焙烧将脱蜡后的型壳送入加热炉内，加热到800～1000℃进行焙烧，以去除型壳中的水分、残余蜡料及其他杂质，还能增大型壳强度。
浇注焙烧出炉后趁热（600～700℃）浇注，以提高铸造合金的充型能力，同时也防止浇不足、冷隔等缺陷。
特点：
（1）铸件精度高，表面光洁。
（2）能够铸造各种合金铸件。
（3）铸件形状可以比较复杂。
（4）铸件质量不宜太大。
（5）生产工艺复杂
用途：
熔模铸造主要用于制造形状复杂、精度要求较高的小型零件，如涡轮机叶片和叶轮、高速钢刀具等。
（三）课堂练习
略
（四）归纳小结
1．特种铸造的特点
2．金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造的方法、特点和用途
（五）课堂作业
略
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