机械制造基础第3版 宋昭祥机械制造基础 第二章

机械制造基础,第二章 铸造,第二章 铸造,铸造是指熔炼金属,制造铸型,并将熔融(或液态)金属浇入铸型,凝固后获得一定形状和性能的铸件的成形方法。铸件通常作为毛坯,经机械加工制成零件。 铸造一般分为砂型铸造和特种铸造。其中砂型铸造应用最为普遍。砂型铸造是用型砂紧实成形的铸造方法。砂型在取出铸件后便已损坏,所以砂型铸造也称为一次性铸造。,砂型铸造的工艺过程如图1-2-1所示。它主要包括:制造模样和型芯盒,制备型砂和芯砂,造型、造芯,砂型和型芯的烘干,合箱,金属的熔炼及浇注,落砂、清理、检验等。,第二章 铸造,图1-2-1 砂型铸造的工艺过程,铸造是毛坯成形的主要工艺方法之一,在机械制造中占有很重要的地位。按质量计算,在一般机械设备中铸件约占40%90%;在农业机械中占40%70%;在金属切削机床中占70%80%;在重型机械、矿山机械中占85%以上。铸造能得到如此广泛的应用,是因为它具有一系列优点: 1)可以生产形状复杂、特别是内腔复杂的铸件。 2)可用各种合金来生产铸件。 3)既可用于单件生产,也可用于批量生产。 4)铸件与零件的形状、尺寸很接近,因而铸件的加工余量小,可以节约金属材料和加工工时。 5)铸件的成本低。,第二章 铸造,但是,铸造生产工艺过程复杂,工序多,一些工艺过程难以控制,易出现铸造缺陷,铸件质量不够稳定,废品率较高;铸件内部组织粗大、不均匀,使其力学性能不如同类材料的锻件高。此外,目前铸造生产还存在劳动强度大、劳动条件差等问题。随着铸造技术的迅速发展,新材料、新工艺、新技术和新设备的推广和使用,铸造生产面貌将大大改观,铸件质量和铸造生产率会得到很大提高,劳动条件也会显著改善。,第二章 铸造,砂型制造,铸铁的熔炼及浇注,铸件结构的工艺性及铸件图,特种铸造,1,2,3,4,铸造新工艺、新技术简介,5,第一节 砂型制造,第二章 铸造,第一节 砂型制造,一、砂型铸型的组成 砂型制造的任务是获得质量合格的铸型。它应使砂型从最适当的面分开(即分型面),以方便取出模样并获得清晰的型腔;模样周围应留有足够的砂层厚度(称为吃砂量),以承受金属液流的压力,并且砂型的紧实度应随所受金属的压力而变化;还应考虑金属液流入型腔的通道浇注系统及型腔中气体逸出的通道通气孔等。一般砂型铸型的组成如图1-2-2所示。,图1-2-2 砂型铸型的组成,第一节 砂型制造,二、型砂和芯砂 砂型铸造的铸型是由型砂和芯砂制成的。型(芯)砂是由原砂、粘结剂、水和附和物按一定比例配合,以制成符合造型、造芯要求的混合料,如图1-2-3所示。,图1-2-3 型砂和芯砂的组成示意图,第一节 砂型制造,铸型在浇注、凝固过程中要承受金属熔液的冲刷、静压力和高温的作用,并要排除大量气体,型芯还要承受铸件凝固时的收缩压力等,因而为获得优质铸件,型砂和芯砂应满足如下的性能要求: (1)强度 型(芯)砂抵抗外力破坏的能力称为型砂强度,包括湿强度、干强度、热强度等。型(芯)砂强度高,在搬运和浇注过程中就不易发生变形、掉砂和塌箱。型(芯)砂中粘结剂含量的提高,砂粒细小,形状不圆整且大小不均匀,以及紧实度高等均可使型(芯)砂强度提高。,第一节 砂型制造,(2)透气性 型(芯)砂能让气体透过的能力称为透气性。浇注过程中,型腔中的气体和砂型在高温金属液作用下产生的气体,都必须透过型(芯)砂排出型外,否则,就可能残留在铸件内而形成气孔。原砂颗粒越粗大、均匀,粘结剂含量越低,含水量适当(质量分数为4%6%),或加入易燃的附加物(如锯末等)均能使型(芯)砂的透气性提高。 (3)耐火度 型(芯)砂经高温金属液作用后,不被烧焦、熔融和软化的能力称为耐火度。耐火度低的型(芯)砂,易使铸件产生化学粘砂。型(芯)砂中SiO2含量越高,砂粒越粗大而圆整,粘土及碱性化合物含量越低,则型(芯)砂的耐火度越高。在湿型(芯)砂中添加少量煤粉,或在型腔表面覆盖一层耐高温的石墨涂料,可有效地防止铸件表面粘砂。,第一节 砂型制造,(4)可塑性 造型时,型(芯)砂在外力作用下能塑制成形,而当去除外力并取出模样(或打开型芯盒)后,仍能保持清晰轮廓形状的能力,称为可塑性。可塑性好,则容易变形,易于制造形状复杂的砂(芯)型,起模也容易。型(芯)砂随含水量和粘结剂含量的提高,可塑性得到提高;而砂粒的颗粒越粗,形状越圆整,可塑性越差。 (5)退让性 型(芯)砂不阻碍铸件收缩的性能称为退让性。退让性差的型(芯)砂,铸件易产生较大的内应力或开裂。型(芯)砂中的原砂颗粒越细小均匀,粘结剂含量越高,退让性就越差。如果向型(芯)砂中加入可燃性附加物,如生产大铸件时,在型(芯)砂中添加少量锯末或焦炭粒,能使型(芯)砂的退让性提高。,第一节 砂型制造,2.型砂和芯砂的组成及成分 (1)原砂 原砂是型(芯)砂的主体。其主要成分是含SiO2的质量分数为95%以上的硅砂,耐火温度高达1710。原砂中的碱性化合物(如Na2O、K2O、CaO等)含量应尽量少,原砂颗粒粗细要适当。 (2)旧砂 使用过的型(芯)砂称为旧砂。旧砂经过适当处理后,仍可掺在型(芯)砂中使用。通常生产1t铸件需用几吨型(芯)砂,故旧砂回用具有很大的经济意义。,第一节 砂型制造,(3)粘结剂 粘结剂的作用是将砂粒粘结起来使型(芯)砂具有一定的强度和可塑性。常用的粘结剂有高岭土和膨润土。高岭土也称普通粘土,膨润土也称陶土。它们的吸水性、粘结性均较强,加入少许即可显著提高型砂的湿强度。当型、芯形状复杂或有特殊要求时,可用水玻璃、亚麻仁油、糖浆等作粘结剂。 (4)附加材料 为了改善和提高型(芯)砂的性能,有时还需加入煤粉、木屑等附加材料。型(芯)砂中加入煤粉可防止铸件表面粘砂,加入木屑可改善透气性、退让性。,第一节 砂型制造,3.型砂的种类 生产中为节约原材料,合理使用型砂,按用途不同,往往将型砂分成面砂、填充砂、单一砂。 (1)面砂 经专门配制,用于与模样接触的一层型砂,称为面砂。它应具有较高的可塑性、耐火度和强度,以保证铸件的质量。面砂厚度一般为2030mm,由新砂(5%10%)、旧砂(90%76%)、膨润土(4%6%)、煤粉(1%8%)及水(5%7%)组成。,第一节 砂型制造,(2)填充砂 在模样覆盖面砂后,填充砂箱用的型砂,称为填充砂,也称背砂。它只要求有较好的透气性和一定的强度,一般是将旧砂经处理后,加适量的水即可作为填充砂使用。 (3)单一砂 单一砂是指造型时,不分面砂和填充砂,砂型由同一种型砂构成。它适合用于大批量生产、机械化程度较高的小型铸件的造型。,第一节 砂型制造,4.芯砂 在铸造过程中,型芯处于金属熔液的包围之中,工作条件比型砂更恶劣,因此芯砂除应具有更高的强度、耐火度、透气性和退让性外,还应具有较小的发气性、较低的吸湿性和较好的出砂性。,第一节 砂型制造,(一)造型方法 造型是砂型铸造的主要工艺过程之一,一般可分为手工造型和机器造型两大类。 1.手工造型 手工造型的方法很多,根据铸件的形状、大小和生产批量的不同进行选择。常用的有下列几种:,第一节 砂型制造,(1)整模造型 用整体模样进行造型的方法称为整模造型。图1-2-4所示为整模造型的基本过程。它的特点是:模样是整体的,型腔全部位于一个砂型内,分型面是平面。此方法操作简便,铸型型腔形状和尺寸精度较好,故适用于形状简单而且最大截面在一端的铸件,如齿轮坯、带轮、轴承座之类的简单铸件。,图1-2-4 整模造型的基本过程,第一节 砂型制造,(2)分模造型 模样沿最大截面处分为两半,而型腔位于上、下砂型内的造型方法称为分模造型。图1-2-5所示为分模造型的基本过程。它的特点是:模样在最大截面处分成两半,两半模样分开的平面(即分模面)通常就是造型的分型面。造型时,两半模样分别在上、下两个砂箱中进行。该造型方法操作简便,适用于最大截面在中间以及形状较复杂的铸件,如套类、管类、曲轴、立柱、阀体、箱体等零件。分模造型是应用最广泛的造型方法。,图1-2-5 分模造型的基本过程,第一节 砂型制造,(3)挖砂造型 当铸件最大截面不在端部,模样又不方便分成两半时,常将模样做成整体,造型时挖出阻碍起模的型砂,这种方法称为挖砂造型。图1-2-6所示为挖砂造型的基本过程。它的特点是:模样形状较复杂;分型面是曲面;要求准确挖至模样的最大截面处,比较费事,对工人的操作技术水平要求较高,生产率低;分型面处易产生毛刺,铸件外观及精度较差,仅适用于单件小批生产。,图1-2-6 挖砂造型的基本过程,第一节 砂型制造,当成批生产时,可用假箱造型或成形底板造型来代替挖砂造型,可大大提高生产率,如图1-2-7所示。,图1-2-7 假箱和成形底板,第一节 砂型制造,(4)活块造型 铸件上有凸起部分妨碍起模时,可将局部影响起模的凸台(或肋条)做成活块。造型时,先起出主体模样,再从侧面起出活块模,这种方法称为活块造型。图1-2-8所示为活块造型的基本过程。它的特点是:要求操作技术水平较高,且生产率较低,仅适用于单件生产。当成批生产时,可采用外型芯取代活块,使造型容易。,图1-2-8 活块造型的基本过程,第一节 砂型制造,手工造型使用的工具和工艺装备(模样、型芯盒、砂箱等)简单,操作灵活,可生产各种形状和尺寸的铸件。但劳动强度大,生产率低,铸件质量也不稳定,仅用于单件、小批量生产及个别大型、复杂铸件的生产。成批、大量生产时(如汽车、拖拉机和机床铸件的生产),应采用机器造型。,第一节 砂型制造,2.机器造型 将造型过程中的两项最主要的操作紧砂和起模实现机械化的造型方法称为机器造型。造型机的种类是多种多样的。图1-2-9所示为振压式造型机的紧砂造型过程。,图1-2-9 振压式造型机紧砂造型过程,第一节 砂型制造,它的特点是:生产率高,每小时可生产几十箱以上;对工人操作技术水平要求不高,易于掌握;造型时所用的砂箱和模板用定位导销准确定位,并由造型机精度保证实现垂直起模,铸件精度高,表面较光洁。但是机器造型的设备及工艺装备费用高,生产准备时间长,故适用于成批、大量生产。,第一节 砂型制造,(二)造芯的方法 型芯是铸型的重要组元之一,它的主要作用是形成铸件的内腔,有时也可用它形成铸件的外形。由于型芯的大部分面积处于液态金属包围之中,工作条件差,因此,除对型芯要求有好的耐火度、透气性、强度和退让性外,为便于固定、通气和装配,在型芯制造时还有一些特殊要求。,第一节 砂型制造,1.造芯的工艺要求 (1)安放芯骨 为了提高型芯的强度,在型芯中要安放与型芯形状相适应的芯骨。芯骨可用铁丝制成,也可用铸铁浇注而成,如图1-2-10所示。 (2)开通气孔 为顺利排出型芯中的气体,造芯时要开出通气孔。通气道要与铸型的出气孔贯通。对于大型型芯,其内部常填以焦炭,以便排气。常用的几种通气孔开出方式如图1-2-10所示。,图1-2-10 芯骨和型芯通气孔,第一节 砂型制造,(3)刷涂料、烘干 型芯与金属液接触的表面都要刷涂料,以防止粘砂,并提高型芯的耐火度和铸件的表面质量。对于铸铁件,常用石墨粉、粘土和水按一定比例混制成的涂料。 型芯一般都需烘干,以提高型芯的强度和透气性。,第一节 砂型制造,2.造芯方法 造芯方法与造型方法相同,既可用手工造芯,也可用机器造芯。造芯可用芯盒,也可用刮板,其中用芯盒造芯是最常用的方法。芯盒按其结构不同,可分为整体式芯盒、垂直对分式芯盒和可拆式芯盒三种。最常用的垂直对分式芯盒造芯过程如图1-2-11所示。,图1-2-11 垂直对分式芯盒造芯过程,第一节 砂型制造,3、浇注系统和冒口 引导液态金属流入铸型型腔的通道称为浇注系统。典型(标准)的浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成,如图1-2-12a所示。,图1-2-12 浇注系统和冒口 a)典型的浇注系统 b)带有浇注系统和冒口的铸造件,第一节 砂型制造,浇注系统的作用是:保证液态金属平稳、迅速地流入铸型型腔;防止熔渣、砂粒等杂物进入型腔;调节铸件各部分温度,补充铸件在冷凝收缩时所需的液态金属。正