第二章 铸造成型(机械制造基础)

2. 明朝永乐青铜钟 明朝永乐大钟用青铜铸 成，高6.94米，钟口直 径3.3米，钟腰最薄处为 94毫米，钟唇最厚处为 185毫米 ， 重量达到 惊 人的46.5吨！它不但形 体巨大，而且造型精美， 历时50O多年，至今仍 音响圆润宏亮，钟声可 传四五十公里，余音达 2分钟之久。
铸造的优、缺点 优点：
其工艺过程如图所示，由射砂、压实、起模Ⅰ、合 型、起模Ⅱ 、关闭造型室等过程所组成。
垂直分型无箱造型工艺的优点是：
(1) 采用射砂填砂又经高压压实 砂型硬度高且均匀、铸件 尺寸精确、表面粗糙度值低。 (2) 无需砂箱 节约了有关砂箱的一切费用。 (3) 一块砂型两面成形 既节约型砂，生产率又高。 (4) 可使造型、浇注、冷却、落砂等设备组成简单的直线系 统，占地省。
1. 影响收缩的因素
（1）化学成分 常用合金中，灰铸铁收缩最小，铸钢收缩最大。
（2）浇注温度
浇注温度增高，金属收缩增大，产生缺陷可能性增大， 保证流动性前提下，浇注温度尽可能低 （3）铸型条件和铸件结构 金属在铸型中的收缩，受铸型条件和铸件结构的制约， 实际收缩率小于自由收缩率，铸件结构越复杂，铸型强度越 高，差别越大。
1）可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯； 2）工艺灵活性大。几乎各种合金、各种尺寸、形状、重 量和数量的铸件都能生产； 3）成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。
缺点：
1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、 气孔等缺陷。 2）铸件的机械性能较低。 3）铸造工序多，难以精确控制，是铸件质量不够稳定。 4）劳动条件较差,劳动强度较大。
特点
金属型特点 铸件成形过程特点 对铸件的影响
无退让性
无透气性
铸件在凝固过程中，受阻较大， 难以自由收缩
液在充填过程中，受型内气体阻 碍，不易充满
铸件内应力大，易产生 裂纹
在金属液汇合处、对流 处或铸型凹入的死角， 易产生浇不足缺陷
导热快
速度快，在金属型传热系统中， 中间层是控制冷却速度的关键
减少活块和型芯的分型方案（动画）
（4）应使铸件全部或大部分放在同一砂型，否则错型时 易造成尺寸偏差，如图所示。
（5）应尽量使加工基准面与大部分加工面在同一砂型内 以使铸件的加工精度得以保证，如图所示。
（6）应尽量使型腔及主要型芯位于下型 以便于造型、下芯、 合型及检验。但下箱型腔也不宜过深(否则不宜起模、安放型 芯)，并力求避免吊芯和大的吊砂。
本章内容 2.1 概述 2.2 铸件成形理论基础 2.3 造型方法 2.4 铸造工艺分析 2.5 特种铸造 2.6 铸造新工艺新技术简介
2.4 铸件工艺分析
浇注位置和分型面的确定
1. 浇注位置选定原则（浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置） ① 铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或位于侧面
2.3 造型方法
砂型铸造是应用最广的铸造方法，约占总产量的80%以 上，其基本工艺过程如下：
造型和制芯是砂型铸造最基本的工序，按照紧实型砂 和起模的方法，可分为手工造型和机器造型两大类。
手工造型：全部用手工或手动工具完成的造型。 优点：操作灵活，工艺装备（模样、芯盒、砂箱）简单， 生产准备时间短，适应性强，用于各种大小形状的铸件。 缺点：对工人技术水平要求较高，生产率低，劳动强度大， 铸件质量不稳定。用于单件、小批生产。 常用手工造型：
2.5 特种铸造
与普通砂型铸造不同的其他铸造方法统称为特种铸造，如 熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、 挤压铸造、实型铸造等。 金属型铸造 定义：将液体金属注入金属制成的模型以获得铸件的方法 可重复使用，也称永久型铸造 材料：常用铸铁或铸钢制成
分类：整体型、垂直分型、水平分型和综合分型。
例：流动性不好的铸件：气孔、缩孔、冷隔（浇注时两
股金属流相遇时不能很好融合的现象）、浇不足（浇注 时金属流停止流动造成的铸件不完整现象）
浇不足
冷隔
合金的收缩 收缩：铸件在凝固和冷却过程中，体积和尺寸逐渐缩小的 现象。 液态收缩：从浇注温度冷却到凝固开始温度的收缩。 凝固收缩：从凝固开始温度到凝固终止温度的收缩金属体 积减小，称为体收缩。 固态收缩：从凝固终止温度冷却到室温的收缩铸件尺寸减 小，称为线收缩。
2. 几种常见浇注系统类型：
3. 几种常见型芯类型：
铸造工艺参数的选择
1.铸件尺寸公差 铸件公差等级由低向高递增方向为： 砂型手工造型→砂型机器造型及壳型铸造→金属型铸造→ 低压铸造→压力铸造→熔模铸造。 2.铸件质量公差 3.铸件加工余量 4.铸造收缩率
5.铸型模样起模斜度 6.最小铸出孔(不铸孔)和槽
铸件晶粒细小，组织致 密，表面光洁，力学性 能好
离心铸造
定义：将金属液浇入高速旋转的铸型中，在离心力作用
下充填铸型并凝固成形的铸造方法。
分类：立式离心铸造、卧式离心铸造。
离心铸造的特点 与砂型铸造相比，离心铸造的优缺点如下： (1)铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，力学性能好； (2)生产中空铸件时可不用型芯，简化套筒和管类铸件的生产 过程； (3)生产中几乎没有浇注系统和冒口系统的金属消耗，提高工 艺出品率； (4)便于制造筒、套类复合金属铸件，如钢背铜套、双金属轧 辊等； (5)铸造成形铸件时，可借离心力提高金属的充型能力，故可 生产薄壁铸件，如叶轮、金属假牙等； (6)对合金成分不能互溶或凝固初期析出物的密度与金属液基 体相差较大时，易形成密度偏析； (7) 铸件内孔表面较粗糙，聚有熔渣，其尺寸不易正确控制； (8) 用于生产异型铸件时有一定的局限性。
离心铸造的应用
(1)铁管（世界上每年球墨铸铁管件总产量的近一半是用 离心铸造法生产的）；
(2)柴油发动机和汽油发动机的气缸套；
(3)各种类型的铜套；
(4)双金属钢背铜套、各种合金的轴瓦。 (5)造纸机滚筒。
压力铸造
定义：金属液在高压下快速充型，在压力下凝固的铸 造方法，称为压力铸造 工艺过程：
（7）应尽量使用平直分型面，以简化模具制造及造型工 艺，避免挖砂，如图所示。
（8）应尽量使铸型总高度为最低。这样不仅节约型砂， 而且还能减轻工作量，对机器造型有较大的经济意义。
浇注系统的确定 1.浇注系统的组成及作用 浇口杯（盆）：缓解对砂型冲击 直浇道：改善合金充型能力 横浇道：一般开在分型面上 内浇道：与型腔相连
机械造型：用机器全部或至少完成紧砂操作的造型。
优点：生产效率高，劳动条件好，砂型质量好（紧实度高 而均匀，型腔轮廓清晰，铸件质量也好。
缺点：但设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长，适 于中小铸件的成批或大量生产。
1.气动微振压实造型
振动－压实－微振
优点：
达到紧实型沙的目的。
紧实效果好。
工作适应性强。 生产率较高。 对机器地基要求较低。 缺点：
（2）铸造应力：铸件因固态收缩而引起的内应力 热应力：铸件各部分因冷却收缩不一致引起的内应力 收缩应力：铸件的收缩因受到铸型、型芯或浇、冒口的 阻碍而产生的内应力 铸件产生变形或开裂，应采取措施减小或消除铸造应力
减小和消除铸造应力的措施
（1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁
厚均匀，壁之间连接均匀等。 （2）选用较好的造型工艺：改善铸型、型芯的退让性，合 理设臵浇口、冒口。 （3）采用合适的铸造工艺：符合同时凝固的原则。主要用 于收缩较小的普通灰铸铁、结晶范围大，不易实现冒口补缩， 对气密性要求不高的锡青铜铸件等。 （4）去应力退火。
的铸件的成型方法。
铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是 液态金属逐步冷却凝固成形。
涡轮喷气发动机
铸造是历史最悠久的一种工艺 1. 殷商司母戊鼎 司母戊鼎器型高大厚重 ， 故又称司母戊大方鼎， 高 133 厘 米 、 口 长 110 厘 米 、 口 宽 79 厘 米 、 重 832.84千克，鼎腹长方形， 上竖两只直耳（发现时 仅剩一耳，另一耳是后 来据另一耳复制补上 ）， 上有虎噬人图案，下有 四根圆柱形鼎足，是中 国目前已发现的最重的 青铜器。
按模样特征可分为：整模造型，分模造型、活块造型、挖 砂造型、假箱造型、刮板造型；
按砂箱特征分：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造 型。
1. 两箱造型 ① 两箱整模造型
齿轮坯两箱整模造型（动画）
② 两箱分模造型
③ 两箱挖沙造型
手轮坯两箱挖沙造型（动画）
④ 两箱假箱造型
2. 三箱造型: 铸件两端截面比中间部分大，必须采取三箱造型
砂型铸造的工艺流程
砂型铸造的工艺流程
本章内容 2.1 概述 2.2 铸件成形理论基础 2.3 造型方法 2.4 铸造工艺分析 2.5 特种铸造 2.6 铸造新工艺新技术简介
2.2 铸件成型理论基础
金属的充型 液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件， 取决于充型能力。 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。 影响充型能力的因素：流动性，浇注温度，压力，气体， 蓄热温度，铸型温度，浇注系统结构，折算厚度，铸件复 杂程度。
2.收缩对铸件质量的影响
（1）缩孔和缩松 金属液冷却过程中，由于收缩得不到补充，在铸件最后 凝固的部分形成孔洞，称为缩孔，分散的小缩孔称为缩松。
例：典型缩孔和缩松现象
铸件缺陷-缩孔
铸件缺陷-缩松
防止产生缩孔和缩松的方法 采用合理的工艺条件，使缩松转化为缩孔，并使缩孔 移至冒口中。
顺序凝固原则
（2）铸造应力：铸件因固态收缩而引起的内应力 热应力：铸件各部分因冷却收缩不一致引起的内应力 收缩应力：铸件的收缩因受到铸型、型芯或浇、冒口的 阻碍而产生的内应力
振击噪音大；
砂箱、模板的定位销和销套磨损较快。
2.多触头高压造型 多触头高压造型通常也配 备气动微振装臵，以便增加工 作适应能力。 多触头高压造型辅机多， 砂箱数量大，造价高，适用于 各种形状的中小铸件大批量生 产。
3. 垂直分型无箱造型 在造型、下芯、合型及浇注过程中，铸型的分型面 呈垂直状态(垂直于地面)的无箱造型法称为垂直分型无 箱造型。
同时凝固原则
（3）铸件的变形 残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲变形。 如图所示的框架铸件和T型梁，当刚度不够时，将产生如图 所示的变形。
框架铸件的变形
T型梁的变形
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铸造工艺图的制定 把铸造工艺设计的内容用文字和红、蓝色符号在零件 图上表示处理，所得的图形称为铸造工艺图。 表明铸件的形状、尺寸、生产方法和工艺过程，是指 导模样和铸型制造，进行生产准备和铸件检验的基本工艺 文件
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分类： 压铸机按其工作原理结构形式分为冷压式压铸机（有 卧式、立式、全立式三种）和热压式（有普通热室、卧式 热室两种）压铸机。 卧室冷压式压铸机工作原理图
2. 分型面的选择原则 分型面：指分开铸型便于取模的结合面。它决定了铸件在
造型时的位臵。通常造型位臵和浇注位臵一致。分型面对 铸件质量及铸造工艺有很大影响。
（1）分型面应选在铸件的最大截面处，保证模样能从型
腔中顺利取出；
（2）应使铸件有最少的分型面，并尽量做到只有一个分 型面； （3）应使型芯和活块数量尽量减少；
② 铸件的大平面尽可能朝下或采用倾斜浇注
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③ 尽量将铸件大面积的薄壁部分放在铸型的下部或垂直、 倾斜的位臵。
④ 热节处应位于分型面附近的上部或侧面 容易形成缩孔的铸件(如铸钢、球墨铸铁、可锻铸铁、 黄铜)浇注时应把厚的部位放在分型面附近的上部或侧 面，以便安放冒口，实现定向凝固，进行补缩。
⑤ 便于型芯的固定和排气，能减少型芯的数量
第2章 铸造成型 Chapter 2 Casting
铸造是熔融金属浇入铸
型，凝固后获得一定形状和 性能的铸件的成型方法。
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2.1 概述
什么是铸造
“神舟”四号飞船成功返 铸造:熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能 回