液態(tài)成型工藝基礎(chǔ)

第5章 金屬材料成形第一節(jié) 金屬液態(tài)成型工藝基礎(chǔ)第二節(jié) 金屬塑性成形工藝基礎(chǔ)第三節(jié) 金屬連接成形工藝基礎(chǔ)金屬材料鑄造粉末冶金壓力加工熱處理焊接切削加工零件毛坯裝配機器機械設(shè)備制造過程示意圖：第一節(jié) 金屬液態(tài)成型工藝基礎(chǔ)金屬液態(tài)成形又稱為鑄造，是將液態(tài)金屬在重力或外力作用下充填到型腔中，金屬液態(tài)成形又稱為鑄造，是將液態(tài)金屬在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷卻后，獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件的方法。待其凝固冷卻后，獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件的方法。金屬材料在液態(tài)下一次成形，具有很多金屬材料在液態(tài)下一次成形，具有很多優(yōu)點：優(yōu)點：（1）適應(yīng)性廣，工藝靈活性大。工業(yè)上）適應(yīng)性廣，工藝靈活性大。工業(yè)上常用的金屬材料如鑄鐵、碳素鋼、合金常用的金屬材料如鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、非鐵合金等，均可在液態(tài)下成形。鋼、非鐵合金等，均可在液態(tài)下成形。（2）最適合形狀復雜的鑄件。具有復雜）最適合形狀復雜的鑄件。具有復雜內(nèi)腔的毛坯或零件的成形，如復雜箱體、內(nèi)腔的毛坯或零件的成形，如復雜箱體、機架、閥體、泵體、缸體等。機架、閥體、泵體、缸體等。（3）成本較低。鑄件與最終零件的形狀）成本較低。鑄件與最終零件的形狀相似、尺寸相近，節(jié)省材料和加工工時。相似、尺寸相近，節(jié)省材料和加工工時。汽缸體汽缸體鑄鐵鑄鐵曲軸曲軸砂型鑄造砂型鑄造鑄造可分為鑄造可分為砂型鑄造砂型鑄造和和特種鑄造特種鑄造兩大類。其中砂兩大類。其中砂型鑄造工藝如圖所示。型鑄造工藝如圖所示。一、熔融合金的流動性及充型一、熔融合金的流動性及充型1.流動性概念熔融合金的流動性指其自身的流動能力。2.充型能力概念充型能力是指熔融合金充滿型腔，獲得輪廓清晰、形狀完整的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。二、液態(tài)合金的收縮二、液態(tài)合金的收縮液態(tài)合金在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減小液態(tài)合金在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為合金的收縮合金的收縮。收縮是絕大多數(shù)合金的。收縮是絕大多數(shù)合金的物理本性之一。收縮可使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、物理本性之一。收縮可使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、變形和內(nèi)應(yīng)力等缺陷，影響鑄件質(zhì)量。裂紋、變形和內(nèi)應(yīng)力等缺陷，影響鑄件質(zhì)量。1.收縮的概念收縮的概念合金的收縮經(jīng)歷如下三個階段：合金的收縮經(jīng)歷如下三個階段：(1)液態(tài)收縮從澆注溫度(T澆)到凝固開始溫度(即液相線溫度TL)間的收縮。(2)凝固收縮從凝固開始溫度(TL)到凝固終止溫度(即固相線溫度TS)間的收縮。(3)固態(tài)收縮從凝固終止溫度(TS)到室溫間的收縮。(2)合金的收縮率為上述三個合金的收縮率為上述三個階段收縮率的總和。階段收縮率的總和。(3)常用合金中，鑄鋼的收縮常用合金中，鑄鋼的收縮率最大，灰鑄鐵最小。率最大，灰鑄鐵最小。2、鑄件的縮孔和縮松、鑄件的縮孔和縮松液態(tài)合金充滿型腔后，在冷卻凝固過程中，若液態(tài)液態(tài)合金充滿型腔后，在冷卻凝固過程中，若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補足，則在鑄收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補足，則在鑄件的最后凝固部位會形成一些孔洞。按照孔洞的大件的最后凝固部位會形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類。小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類。(1)縮孔的形成恒溫或很窄溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的合金，鑄件壁以逐層凝固方式進行凝固的條件下，容易產(chǎn)生縮孔。(2)縮松的形成結(jié)晶溫度范圍寬的合金，以糊狀凝固方式進行凝固的條件下，容易產(chǎn)生縮松?？s孔是指集中在鑄件上部或最后凝固部位、容積縮孔是指集中在鑄件上部或最后凝固部位、容積較大的孔洞。縮孔多呈倒圓錐形，內(nèi)表面粗糙；較大的孔洞。縮孔多呈倒圓錐形，內(nèi)表面粗糙；縮松是指分散在鑄件某些區(qū)域內(nèi)的細小縮孔?？s松是指分散在鑄件某些區(qū)域內(nèi)的細小縮孔。三、砂型鑄造造型（造芯）方法三、砂型鑄造造型（造芯）方法砂型鑄造是以型砂為造型材料、用人工或機器在砂箱內(nèi)造出所需的型腔及必要的澆注系統(tǒng)的一類歷史悠久、應(yīng)用最為廣泛的鑄造方法。砂型鑄造工藝過程示意圖如下：四、鑄件結(jié)構(gòu)工藝性四、鑄件結(jié)構(gòu)工藝性 進行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要保證其使用進行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要保證其使用性能和力學性能要求，還必須考慮鑄造工藝性能和力學性能要求，還必須考慮鑄造工藝和合金鑄造性能對鑄件結(jié)構(gòu)的要求，鑄件結(jié)和合金鑄造性能對鑄件結(jié)構(gòu)的要求，鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否，對鑄件的質(zhì)量、生產(chǎn)率及構(gòu)設(shè)計合理與否，對鑄件的質(zhì)量、生產(chǎn)率及其成本有很大的影響。其成本有很大的影響。(一)鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)使鑄造工藝過程簡化(二)鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)合金鑄造性能的要求(一)鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)使鑄造工藝過程簡化1.鑄件的外形結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單雖然根據(jù)液態(tài)金屬流動成形的特點，鑄件外形可很復雜，但仍應(yīng)在滿足使用要求的前提下，力求簡單，以方便起模，簡化造型，盡量避免三箱、挖砂、活塊造型及不必要的外部型芯。2.鑄件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單適用，避免不必要的復雜結(jié)構(gòu)1.鑄件的外形結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單(1)盡量避免鑄件外表側(cè)凹，減少分型面這樣可以減少使用的砂箱或外型芯數(shù)量，減少造型工時，也可減少因錯箱、偏芯而產(chǎn)生的鑄造缺陷。鑄件避免外表側(cè)凹的結(jié)構(gòu)圖1-32應(yīng)使分型面平直a)、b)小支架c)、d)、e)杠桿(2)盡可能使鑄件分型面平直包括注意避免分型面上的圓角結(jié)構(gòu)。圖鑄件加強肋與凸臺的設(shè)計a)、b)加強肋c)、d)凸臺(3)鑄件外表加強肋、凸臺的設(shè)計應(yīng)便于起模若設(shè)計不當，加強肋、凸臺常會妨礙起模，而需采用活塊造型或增加外型芯等解決起模問題，如圖a與c所示結(jié)構(gòu)。(4)鑄件側(cè)壁應(yīng)具有結(jié)構(gòu)斜度鑄件上凡垂直于分型面的非加工表面應(yīng)給出結(jié)構(gòu)斜度，以便于起模和提高鑄件精度，如圖，結(jié)構(gòu)斜度的大小與鑄件的垂直壁高度有關(guān)，如表1-8所示。表1-8鑄件的結(jié)構(gòu)斜度結(jié)構(gòu)斜度的設(shè)計2.鑄件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單適用，避免不必要的復雜結(jié)構(gòu)(1)應(yīng)盡量少用或不用型芯型芯增加材料消耗，且使生產(chǎn)工藝過程復雜，成本提高，還會因型芯組裝間隙影響鑄件尺寸精度，容易產(chǎn)生由型芯導致的鑄造缺陷。圓蓋鑄件不用型芯的內(nèi)腔設(shè)計鑄件的內(nèi)腔需用兩個型芯形成，其中大的型芯呈懸臂狀，必須用型芯撐作輔助支撐，型芯撐容易導致鑄造缺陷(如因型芯不穩(wěn)而偏芯導致壁厚不勻、因型芯撐處冷凝快而出現(xiàn)冷隔等)，而且因型芯不連通導致排氣不暢、清砂不便。軸承支架便于型芯固定的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)(2)應(yīng)便于型芯的固定、排氣、定位和清理如圖a所示軸承支架(二)鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)合金鑄造性能的要求1.鑄件的壁厚鑄件壁厚大，有利于液態(tài)合金充型，但隨壁厚增加，鑄件晶粒愈粗大，且易出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷。2.鑄件壁間的連接要考慮減少熱節(jié)，防止應(yīng)力集中等。3.盡可能避免鑄件上的過大水平面大的水平面(按澆注位置)不利于金屬液的充填，易產(chǎn)生澆不到、冷隔等缺陷，同時還有易產(chǎn)生夾雜、不利于氣體和非金屬夾雜物排除等缺點，應(yīng)盡可能避免。4.采用對稱或加強肋結(jié)構(gòu)如細長、薄大鑄件為防止翹曲變形，常采用對稱或加強肋結(jié)構(gòu)，如圖1-46所示。1.鑄件的壁厚鑄件壁厚大，有利于液態(tài)合金充型，但隨壁厚增加，鑄件晶粒愈粗大，且易出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷。(1)鑄件的最小壁厚指在某種工藝條件下，鑄造合金能充滿型腔的最小厚度。表1-9砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(單位：mm)(2)鑄件壁厚不宜過厚過大的壁厚，會引起晶粒粗大，且易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷(見圖a)，使其承載能力不再隨壁厚增加而成比例提高。鑄件壁厚應(yīng)盡量均勻(3)鑄件壁厚應(yīng)盡可能均勻以使鑄件各處的冷卻速度趨于一致。制動鼓制動鼓鑄件壁厚大小適當；鑄件壁厚大小適當；灰鑄鐵流動性好；壁厚最小可達灰鑄鐵流動性好；壁厚最小可達 4-5 mm;鑄鋼流動性差，最小壁厚不應(yīng)鑄鋼流動性差，最小壁厚不應(yīng)小于小于 8-10 mm；最大臨界壁厚一般；最大臨界壁厚一般不得超過最小壁厚的三倍。不得超過最小壁厚的三倍。鑄件壁厚大小主要與合金種類及鑄件鑄件壁厚大小主要與合金種類及鑄件輪廓尺寸有關(guān)。輪廓尺寸有關(guān)。對于重載壁，切忌盲目增大壁厚，寧對于重載壁，切忌盲目增大壁厚，寧可用加強肋結(jié)構(gòu)?？捎眉訌娎呓Y(jié)構(gòu)。鑄件內(nèi)壁應(yīng)薄于外壁內(nèi)、外壁厚差約為：鑄件內(nèi)壁應(yīng)薄于外壁內(nèi)、外壁厚差約為：10-30。鑄件壁厚力求均勻，取消不必要的厚大壁部，鑄件壁厚力求均勻，取消不必要的厚大壁部，采用加強肋結(jié)構(gòu)。避免壁或加強肋的十字交叉。采用加強肋結(jié)構(gòu)。避免壁或加強肋的十字交叉。（1）鑄件內(nèi)外表面轉(zhuǎn)角連接處應(yīng)為圓角，以免產(chǎn)生裂紋、縮孔等缺陷。2.鑄件壁間的連接要考慮減少熱節(jié)，防止應(yīng)力集中等。熱節(jié)是在凝固過程中，鑄件內(nèi)比周圍金屬凝固緩慢的節(jié)點或局部區(qū)域。這個部位凝固慢，容易產(chǎn)生縮孔！容易產(chǎn)生疏松缺陷，一般需要做探傷檢查。(2)不同壁厚之間要逐步過渡當鑄件壁厚難以均勻一致時，為減少應(yīng)力集中，防止不同壁厚連接處產(chǎn)生裂紋，應(yīng)采用逐步過渡的連接型式，避免壁厚突變。表1-11鑄件的內(nèi)圓角半徑R值(單位：mm)表1-12幾種壁厚的過渡形式及尺寸圖1-43壁間連接結(jié)構(gòu)a)十字形連接b)銳角連接c)交錯連接d)環(huán)狀連接e)垂直或鈍角連接(3)壁間連接應(yīng)避免交叉和銳角如圖a、b所示的十字形交叉連接與銳角連接，易形成熱節(jié)和應(yīng)力集中，鑄件容易產(chǎn)生縮孔、縮松和裂紋等缺陷(4)輪輻設(shè)計應(yīng)避免收縮受阻輪形鑄件(如帶輪、齒輪、飛輪等)的輪轂和輪緣間由輪輻連接，輪輻形式不同，收縮受阻程度不同，產(chǎn)生裂紋的傾向也不同。輪輻的連接形式a)偶數(shù)對稱直輪輻b)奇數(shù)輪輻c)彎曲輪輻3.盡可能避免鑄件上的過大水平面圖1-45頂蓋鑄件大平面的傾斜設(shè)計鑄件壁的連接和過渡要科學合理鑄件壁的連接和過渡要科學合理圓圓弧弧連連接接輪輻及輻板的改進設(shè)計輪輻及輻板的改進設(shè)計加大壁的交接夾角加大壁的交接夾角內(nèi)內(nèi)直直角角改改圓圓弧弧過過渡渡特種鑄造特種鑄造砂型鑄造具有適應(yīng)性廣，應(yīng)用最為普遍，但砂型鑄件砂型鑄造具有適應(yīng)性廣，應(yīng)用最為普遍，但砂型鑄件的精度低，表面粗糙；對薄壁非鐵合金鑄件、高尺寸的精度低，表面粗糙；對薄壁非鐵合金鑄件、高尺寸精度鑄件、管狀鑄件和高溫合金飛機葉片等特殊零件，精度鑄件、管狀鑄件和高溫合金飛機葉片等特殊零件，往往難以用砂型鑄造方法來生產(chǎn)，或者生產(chǎn)效率低，往往難以用砂型鑄造方法來生產(chǎn)，或者生產(chǎn)效率低，為解決這類零件的制造，出現(xiàn)了用砂較少或不用砂、為解決這類零件的制造，出現(xiàn)了用砂較少或不用砂、采用特殊工藝裝備的鑄造方法，如熔模鑄造、金屬型采用特殊工藝裝備的鑄造方法，如熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造和實型鑄造等，這些鑄造方法統(tǒng)稱為和實型鑄造等，這些鑄造方法統(tǒng)稱為“特種鑄造特種鑄造”。熔模鑄造熔模鑄造熔模鑄造也稱失蠟鑄造，因為熔模鑄件具有較高熔模鑄造也稱失蠟鑄造，因為熔模鑄件具有較高的尺寸精度和較好的表面質(zhì)量又稱為精密鑄造。的尺寸精度和較好的表面質(zhì)量又稱為精密鑄造。a)撥叉鑄件b)制造壓型c)制造蠟模d)焊成蠟模組e)制造型殼f)填砂、澆注金屬熔模鑄造的工藝過程（一）熔模鑄造工藝過程（一）熔模鑄造工藝過程 1.制造蠟模制造蠟模 2.制造型殼制造型殼 3.脫蠟脫蠟5.澆注澆注4.型殼的焙燒型殼的焙燒6.脫殼和清理脫殼和清理（二）熔模鑄造的特點是：（二）熔模鑄造的特點是：（1）鑄件尺寸精度高、表面質(zhì)量好，是少、無切削加工）鑄件尺寸精度高、表面質(zhì)量好，是少、無切削加工工藝的重要方法之一，表面粗糙度為工藝的重要方法之一，表面粗糙度為Ra12.51.6m。如熔模鑄造的渦輪發(fā)動機葉片，鑄件精度已達到無加工如熔模鑄造的渦輪發(fā)動機葉片，鑄件精度已達到無加工余量的要求。余量的要求。（2）可制造形狀復雜的鑄件，其最小壁厚可達）可制造形狀復雜的鑄件，其最小壁厚可達0.3mm，最小鑄出孔徑為，最小鑄出孔徑為0.5mm。對由幾個零件組合成的復雜。對由幾個零件組合成的復雜部件，可用熔模鑄造一次鑄出。部件，可用熔模鑄造一次鑄出。3）鑄造合金種類不受限制，用于生產(chǎn)高熔點和難切削）鑄造合金種類不受限制，用于生產(chǎn)高熔點和難切削合金鑄件，更具顯著優(yōu)越性。合金鑄件，更具顯著優(yōu)越性。（4）生產(chǎn)批量基本不受限制，既可成批、大批量生產(chǎn)，）生產(chǎn)批量基本不受限制，既可成批、大批量生產(chǎn)，又可單件、小批量生產(chǎn)。又可單件、小批量生產(chǎn)。但熔模鑄造也有一定的局限性，工序繁雜，生產(chǎn)周期長，但熔模鑄造也有一定的局限性，工序繁雜，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本較高。另外，受蠟模與型殼強度、剛度的限制，生產(chǎn)成本較高。另外，受蠟模與型殼強度、剛度的限制，鑄件的重量一般限于鑄件的重量一般限于25kg以下。以下。熔模鑄造主要用于生產(chǎn)汽輪機及燃氣輪機的葉片，泵熔模鑄造主要用于生產(chǎn)汽輪機及燃氣輪機的葉片，泵的葉輪，切削刀具，以及飛機、汽車、拖拉機、風動工的葉輪，切削刀具，以及飛機、汽車、拖拉機、風動工具和機床上的小型零件。具和機床上的小型零件。