模具铸造成型理论基础

第第 页页封面第第 页页 目目 录录2.1 概述 2.2 铸件形成理论基础2.2.1 金属的充型2.2.2 铸件的温度场2.2.3 金属的凝固2.2.4 合金的收缩、应力及变形2.3 砂型铸造工艺分析2.3.1 浇注位置和分型面的确定2.3.2 主要工艺参数的确定2.3.3 铸造工艺图的制定2.4 铸件的结构设计2.5 砂型铸造方法2.5.1 气动微振压实造型2.5.2 高压造型2.5.3 真空密封造型2.5.4 气流冲击造型2.5.5 消失模造型2.5.6 冷冻造型2.6 特种铸造2.6.1 金属型铸造2.6.2 离心铸造2.6.3 压力铸造2.6.4 低压铸造2.6.5 熔模铸造2.6.6 壳型铸造2.6.7 陶瓷型铸造 2.6.8 磁性铸造2.6.9 石墨型铸造2.6.10 真空吸铸2.6.11 差压铸造2.6.12 半固态金属铸造2.6.13 现代整体精铸及快速凝固成形技术2.6.14 铸造成形过程数值模拟2.6.15 铸造工程中的并行工程2.6.16 常用铸造方法比较2.7 铸造技术的发展趋势第第 页页第第2章章 铸造成形铸造成形铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在 重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性 能铸件的生产过程，是生产金属零件和毛坯的主要形式之一。与其他零件成形工艺相比，铸造成形具有生产成本低，工艺灵活性大，几乎不受 零件尺寸大小及形状结构复杂程度的限制等特点。铸件的质量可由几克到数百吨，壁 厚可由0.3 mm到1 m以上。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置。铸件 在一般机器中占总质量的4080，但其制造成本只占机器总成本的2530。铸件的质量(品质)直接影响到机械产品的质量(品质)。提高铸造生产工艺水平是 机械产品更新换代、新产品开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生产质 量(品质)和经济效益、改变行业面貌的关键之一。 在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000 多年的历史，目前我国铸件年产量已超过1 000万吨。由于历史原因，长期以来，我 国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国铸造生产 的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水 平的比较见表2-1。1 12.1 概述概述第第 页页2 2铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为重力铸造、 压力铸造、离心铸造等。按照形成铸件的铸型分可分为砂型铸 造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模 铸造、磁型铸造等。传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸 造方法统称为“特种铸造”。砂型铸造应用最为广泛，世界各 国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的80以上。砂型铸造 可分为手工造型和机器造型两种，其工艺流程如图2-1所示。 第第 页页图2-1 砂型铸造流程图 3 3第第 页页2.2 铸件形成理论基础铸件形成理论基础4 4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。在液 态金属充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，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，于是铸件将产生浇不足或冷隔 等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形， 但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。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有：合金的流动性、铸型的蓄热系数、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、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等，如表2-2所示。2.2.1金属的充型金属的充型第第 页页表2-2 影响充型能力的因素和原因5 5序号影响因素定 义影 响 原 因1合金的流动性液态金属本身的流动 能力流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件； 有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于对铸 件的收缩进行补缩2浇注温度浇注时金属液的温度 浇注温度愈高，充型能力愈强3充型压力金属液体在流动方向上 所受的压力压力愈大，充型能力愈强。但压力过大或充型速度 过高时，会发生喷射、飞溅和冷隔现象4铸型中的气体浇注时因铸型发气而形 成在铸型内的气体能在金属液与铸型间产生气膜，减小摩擦阻力，但 发气太大，铸型的排气能力又小时，铸型中的气体压 力增大，阻碍金属液的流动5铸型的蓄热系数铸型从其中的金属吸取 并存储在本身中热量的能 力蓄热系数愈大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于 其中保持液态的时间就愈短，充型能力下降6铸型温度 铸型在浇注时的温度温度愈高，液态金属与铸型的温差就愈小，充型能 力愈强7浇注系统的结构 各浇道的结构复杂情况 结构愈复杂，流动阻力愈大，充型能力愈差8铸件的折算厚度 铸件体积与表面积之比 折算厚度大，散热慢，充型能力好9铸件复杂程度 铸件结构复杂状况 结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难第第 页页2.2.3 金属的凝固金属的凝固 8 81金属的凝固方式金属的凝固方式液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过程的 关键问题，其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，冷却凝固对铸件质量， 特别是铸件力学性能，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、体积凝固（或称糊状凝固）方式和中 间凝固方式。铸件的“凝固方式”是依据凝固区 的宽窄来划分的。1） 逐层凝固方式 图2-3a 为恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金某瞬间的凝固情况，tc是结晶温度， T1和T2是铸件断面上两个不同时刻的温度场。从图中可以看到，恒温下结晶的金属， 在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固相和液相由一条界线 （凝固前沿）清楚地分开。随温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心，这 种情况称为“逐层凝固”。如果合金结晶温度范围很小或断面温度梯度很大时，铸件 断面的凝固区域很窄，也属于逐层凝固方式（图2-3b）。 图2-3 逐层凝固方式示意图第第 页页2）体积凝固方式 9 9如果合金的结晶温度范围很宽（图2-4a），或因铸件断面温度场较平坦（图2- 4b），铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面 温度尚高于tS，这种情况称为“体积凝固方式”，或称“糊状凝固方式”。3）中间凝固方式如果合金的结晶温度范围较窄（图2-5a），或因铸件断面的温度梯度较大（图 2-5b），铸件断面上的凝固区域宽度介于前二者之间时，则属于“中间凝固方式”。图2-4 体积凝固方式示意图 图2-5 中间凝固方式示意图第第 页页2.2.4 合金的收缩、应力及变形合金的收缩、应力及变形1010由上述可知，铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两 个量决定的。铸件的温度梯度主要取决于：(1) 合金的性质 合金的凝固温度愈低、导热率愈高、结晶潜热愈大，铸件内部 温度均匀化能力愈大、而铸型的激冷作用变小，故温度梯度小（如多数铝合金）。(2) 铸型的蓄热能力 铸型蓄热能力愈强，激冷能力愈强，铸件温度梯度愈大。(3) 浇注温度 浇注温度愈高，因带入铸型中热量增多，铸件的温度梯度减小。1. 合金的收缩及影响因素合金的收缩及影响因素1) 收缩 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。收缩是铸件中许多缺陷(如缩孔、缩松、裂纹、变形和残余应力等)产生的基本原 因。为了获得形状和尺寸符合技术要求，组织致密的健全铸件，必须对收缩加以控制。合金的收缩量通常用体收缩率或线收缩率来表示。金属从浇注温度冷却到室温要经历三个互相联系的收缩阶段：第第 页页2)影响收缩的因素 1111(1) 液态收缩 金属在液体状态时的收缩，其原因是由于气体排出；空穴减少； 原子间间距减小。(2) 凝固收缩 金属在凝固过程时的收缩，其原因是由于空穴减少；原子间间距 减小。液态收缩和凝固收缩在外部表现皆为体积减小，一般表现为液面降低，因此称 为体积收缩。是缩孔或缩松形成的基本原因。(3) 固态收缩 金属在固态过程中的收缩，其原因在于空穴减少；原子间间距减 小。 固态收缩还引起铸件外部尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件 形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。不同合金收缩率不同。在常用合金中，铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最小。 因为灰铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的，由于石墨的比容大，在结晶过程中，石 墨析出所产生的体积膨胀，抵消了合金的部分收缩(一般每析出1%的石墨，铸铁体积 约增加2%)。(1) 化学成分的影响 铸钢，随wC增加，收缩率增大。灰口铸铁，随wC和wSi的增 加，则石墨增加，收缩率下降。不同的合金，化学成分不同，收缩率也不一样。第第 页页表2-3 砂型铸造时几种合金的铸造收缩率的经验值1212(2) 浇注温度的影响 浇注温度升高，合金液态收缩量增加，故合金总收缩量增 大。(3) 铸件结构和铸型条件的影响 铸件在铸型中是受阻收缩而不是自由收缩。阻 力来自于铸型和型芯；铸件的壁厚不同，各处的冷却速度不同，冷凝时，铸件各部分 相互制约也会产生阻力。因此铸件的实际线收缩率比合金的自由线收缩率要小，如表 2-3所示。所以，设计铸件时，应根据铸造合金的种类、铸件的复杂程度和大小选取 适当的线收缩率。合金种类铸造收缩率/自由收缩受阻收缩灰铸铁中小型铸件 中大型铸件 特大型铸件1.0 0.9 0.80.9 0.8 0.7球墨铸铁1.00.8碳钢和低合金钢1.62.01.31.7锡青铜1.41.2无锡青铜2.02.21.61.8硅黄铜1.71.81.61.7铝硅合金1.01.20.81.0第第 页页3) 缩孔及缩松1313铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞， 大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞 称为缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、致 密性和物理化学性能大大降低，以至成为废品， 是极其有害的铸造缺陷之一。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 难以发现。合金液态收缩和凝固收缩愈大(如铸 钢、白口铸铁、铝青铜等)，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(通常每提高100 ，体积收缩增加 1.6%左右)，愈易产生缩孔。结晶间隔大的合 金，易产生缩松；纯金属或共晶成分的合金， 易形成集中的缩孔。图2-6表示相图与缩孔、 缩松和铸件致密性的关系。图2-6 相图与缩孔、缩松和铸 件致密性的关系第第 页页2.铸造应力及变形铸造应力及变形 1414图2-7 铸造应力与变形铸件凝固后继续冷却，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是铸件产 生变形和裂纹的基本原因。铸造应力分为热应力和收缩应力。 1)热应力 铸造热应力引起框架式铸件的变形过程如图2-7所示。图2-7a表示铸件处于高 温固态，尚无应力产生。图2-7b表示铸件因冷却开始固态收缩，两旁细杆冷却快， 收缩早，受到中间粗杆的限制，将上下梁拉弯。此时，中间粗杆处于压应力状态， 两旁细杆处于拉应力状态。图2-7c表示中间粗杆温度还比较高，强度较低但塑性较 好，产生压缩塑性变形使热应力消失。图2-7d表示两旁细杆冷至室温，收缩终止， 而中间粗杆冷却慢，继续收缩又受到两旁细杆的限制。此时，中间粗杆处于拉应力 状态，两旁细杆处于压应力状态并失稳产生弯曲。第第