材料液態(tài)成型工藝學A142015

1、Dalian University of Technology大連理工大學大連理工大學 張興國張興國 材料成型工藝及設備材料成型工藝及設備第六章第六章 鑄型工藝方案的確定鑄型工藝方案的確定第六章第六章 鑄型工藝方案的確定鑄型工藝方案的確定6-1 零件結構的鑄造工藝性分析零件結構的鑄造工藝性分析鑄造工藝性：鑄造工藝性： 零件的本身結構應符合鑄造生產(chǎn)的要求，既便于整個鑄零件的本身結構應符合鑄造生產(chǎn)的要求，既便于整個鑄造工藝過程的順利進行，又利于保證產(chǎn)品的質量。造工藝過程的順利進行，又利于保證產(chǎn)品的質量。鑄造工藝性分析的作用：鑄造工藝性分析的作用： 1.1.審查零件結構是否符合鑄造生產(chǎn)的工藝要求；審

2、查零件結構是否符合鑄造生產(chǎn)的工藝要求； 2.2.在既定的零件結構條件下，考慮在鑄造過程中可能出在既定的零件結構條件下，考慮在鑄造過程中可能出現(xiàn)的主要缺陷，在工藝設計中應采取的工藝措施?，F(xiàn)的主要缺陷，在工藝設計中應采取的工藝措施。零件結構的鑄造工藝性分析方法：零件結構的鑄造工藝性分析方法：一、從避免缺陷方面審查零件結構的合理性一、從避免缺陷方面審查零件結構的合理性二、從簡化鑄造工藝過程方面審查零件結構的鑄造工藝性二、從簡化鑄造工藝過程方面審查零件結構的鑄造工藝性1.1.鑄件應有合理的壁厚鑄件應有合理的壁厚最小壁厚：最小壁厚：一定條件下鑄造合金能充滿鑄型的最小壁厚。一定條件下鑄造合金能充滿鑄型的最

3、小壁厚。 鑄件的設計壁厚應不小于最小壁厚鑄件的設計壁厚應不小于最小壁厚 。臨界壁厚：臨界壁厚：當鑄件的壁厚超過臨界壁厚時，鑄件的力學性能并不當鑄件的壁厚超過臨界壁厚時，鑄件的力學性能并不按比例隨鑄件厚度的增加而增加，反而是顯著地下降。按比例隨鑄件厚度的增加而增加，反而是顯著地下降。 因此，因此，設計鑄件壁需要注意的問題設計鑄件壁需要注意的問題是：是： 1 1）為防止出現(xiàn)冷隔和澆不足缺陷，鑄件應有一定的壁厚；）為防止出現(xiàn)冷隔和澆不足缺陷，鑄件應有一定的壁厚； 2 2）外形尺寸大、結構復雜、合金流動性差的鑄件）外形尺寸大、結構復雜、合金流動性差的鑄件, ,鑄件壁厚應鑄件壁厚應適當加大；適當加大；

4、3 3）厚壁會）厚壁會增加鑄件的重量和金屬的消耗增加鑄件的重量和金屬的消耗，而且容易產(chǎn)生，而且容易產(chǎn)生縮孔、縮孔、縮松縮松等缺陷。另外，厚壁鑄件等缺陷。另外，厚壁鑄件凝固速度慢凝固速度慢，會造成，會造成晶粒粗大晶粒粗大、力力學性能降低學性能降低。最好的方法是采用加強筋最好的方法是采用加強筋； 4 4）對灰鑄鐵件，最小壁厚的選擇應防止出現(xiàn)白口（）對灰鑄鐵件，最小壁厚的選擇應防止出現(xiàn)白口（考慮澆注條考慮澆注條件和孕育條件件和孕育條件）。）。一、從避免缺陷方面審查零件結構的合理性一、從避免缺陷方面審查零件結構的合理性表表6-1 不同合金的臨界壁厚不同合金的臨界壁厚合合 金金種種 類類牌牌 號號重重

5、量量(kg)(kg)0.1-2.50.1-2.52.5-102.5-101010灰鑄鐵灰鑄鐵HT100,HT150HT100,HT1508-108-1010-1510-1520-2520-25HT200,HT250HT200,HT25012-1512-1512-1512-1512-1812-18HT300HT30012-1812-1815-1815-182525HT350HT35015-2015-2015-2015-202525球球 鐵鐵QT400-15,QT450-10QT400-15,QT450-10101015-2015-205050QT500-7,QT600-3QT500-7,QT60

6、0-314-1814-1818-2018-206060碳碳 鋼鋼ZG200-400,ZG230-450ZG200-400,ZG230-45015152020-鋁合金鋁合金6-106-106-126-1210-1410-14采用加強筋減小鑄件壁厚采用加強筋減小鑄件壁厚1縮孔縮孔 2加強筋加強筋壁厚壁厚1520203030505070相對強度相對強度1.00.90.80.7表表6-2 灰鑄鐵相對強度的變化（壁厚單位灰鑄鐵相對強度的變化（壁厚單位:mm）a)不加筋結構不加筋結構b)加筋結構加筋結構 鑄件壁連接處形成熱節(jié)，易造成縮孔、縮松和應力集中。鑄件壁連接處形成熱節(jié)，易造成縮孔、縮松和應力集中。

7、設計時需注意：設計時需注意： 1 1）壁厚應該力求均勻；）壁厚應該力求均勻； 2 2）鑄件壁冷卻均勻；）鑄件壁冷卻均勻； 3 3）鑄件壁厚發(fā)生變化處應逐漸過渡；）鑄件壁厚發(fā)生變化處應逐漸過渡； 4 4）筋條應該錯開排列。）筋條應該錯開排列。2. 鑄件壁的連接應逐漸過渡鑄件壁的連接應逐漸過渡鑄件接頭結構鑄件接頭結構(a)交錯接頭交錯接頭(b)環(huán)狀接頭環(huán)狀接頭(c)兩壁夾角小于兩壁夾角小于90的連接的連接不合理不合理許可許可合理合理2. 鑄件壁的連接應逐漸過渡鑄件壁的連接應逐漸過渡2. 鑄件壁的連接應逐漸過渡鑄件壁的連接應逐漸過渡一、從避免缺陷方面審查零件結構的合理性一、從避免缺陷方面審查零件結構

8、的合理性 3結構圓角的設計結構圓角的設計 鑄件壁的轉角處一般要設計出結構圓角。鑄件壁的轉角處一般要設計出結構圓角。鑄件壁直角連接容易造成連接處的金屬堆積，形成鑄件壁直角連接容易造成連接處的金屬堆積，形成大的熱節(jié)。大的熱節(jié)。而內側的散熱條件差，往往會造成縮孔、而內側的散熱條件差，往往會造成縮孔、縮松；縮松；在載荷的作用下，直角內側往往產(chǎn)生應力集中，內在載荷的作用下，直角內側往往產(chǎn)生應力集中，內側實際承受的應力比平均應力大得多；側實際承受的應力比平均應力大得多；1)1) 若采用直角連接，在一些合金凝固的過程中將形成若采用直角連接，在一些合金凝固的過程中將形成垂直于鑄件表面的柱狀晶。垂直于鑄件表面的

9、柱狀晶。因結晶的方向性，在轉因結晶的方向性，在轉角的對角線上形成整齊的分界面。角的對角線上形成整齊的分界面。由于由于分界面上雜分界面上雜質、缺陷較多質、缺陷較多，使轉角處成為鑄件的薄弱環(huán)節(jié)，在，使轉角處成為鑄件的薄弱環(huán)節(jié)，在集中應力作用下很容易產(chǎn)生裂紋。集中應力作用下很容易產(chǎn)生裂紋。3. 結構圓角的設計結構圓角的設計 當鑄件壁采用圓角結構時，可以當鑄件壁采用圓角結構時，可以消除應力集中消除應力集中，破，破壞了柱狀晶的分界面，明顯提高轉角處的力學性能，壞了柱狀晶的分界面，明顯提高轉角處的力學性能，也防止了縮孔、縮松和裂紋的產(chǎn)生。也防止了縮孔、縮松和裂紋的產(chǎn)生。 圓角結構還有利于造型圓角結構還有利

10、于造型，澆注時可避免熔融金屬對，澆注時可避免熔融金屬對鑄型的沖刷，減少砂眼和粘砂缺陷的發(fā)生。鑄型的沖刷，減少砂眼和粘砂缺陷的發(fā)生。不同轉角的熱節(jié)和應力分布不同轉角的熱節(jié)和應力分布(a)直角連接直角連接(b)圓角連接圓角連接金屬結晶的方向性金屬結晶的方向性(a)直角連接直角連接(b)圓角連接圓角連接3. 結構圓角的設計結構圓角的設計不合理不合理合理合理不合理不合理 合理合理3. 結構圓角的設計結構圓角的設計鑄鋼件結構對熱裂的影響鑄鋼件結構對熱裂的影響(a)結構不合理結構不合理(b)結構合理結構合理鑄件的內園角半徑鑄件的內園角半徑R值值/mm4. 內壁厚度應小于外壁內壁厚度應小于外壁 鑄件內部的筋

11、和壁，散熱條件較差。鑄件內部的筋和壁，散熱條件較差。因此，鑄件的因此，鑄件的結構設計應使結構設計應使內壁比外壁薄內壁比外壁薄一些，以便使整個鑄件能一些，以便使整個鑄件能均勻地冷卻，防止產(chǎn)生內應力和裂紋。均勻地冷卻，防止產(chǎn)生內應力和裂紋。 一般地，當鑄件一般地，當鑄件外壁、內壁和筋的厚度外壁、內壁和筋的厚度按按1:0.8:0.6設計時，可以保證各部位冷卻速度均勻一致。設計時，可以保證各部位冷卻速度均勻一致?；诣T鐵外壁、內壁和筋的合理壁厚（灰鑄鐵外壁、內壁和筋的合理壁厚（mm）4. 內壁厚度應小于外壁內壁厚度應小于外壁內、外壁厚相差值約為內、外壁厚相差值約為1010-30-30是合理的。是合理的。

12、鑄件內壁壁厚相對減薄的實例鑄件內壁壁厚相對減薄的實例(a)不合理不合理(b)合理合理5. 壁厚應力求均勻壁厚應力求均勻 l 鑄件各部位壁厚如果相差太大，厚壁處會產(chǎn)生金屬局部積聚鑄件各部位壁厚如果相差太大，厚壁處會產(chǎn)生金屬局部積聚形成熱節(jié)，凝固收縮時在熱節(jié)處形成形成熱節(jié)，凝固收縮時在熱節(jié)處形成縮孔、縮松縮孔、縮松缺陷。缺陷。l 此外，各部位冷卻不均勻，易形成熱應力，致使鑄件在薄壁此外，各部位冷卻不均勻，易形成熱應力，致使鑄件在薄壁和厚壁連接處產(chǎn)生和厚壁連接處產(chǎn)生裂紋裂紋。l 因此，在進行鑄件結構設計時應做到因此，在進行鑄件結構設計時應做到壁厚力求均勻壁厚力求均勻。鑄件壁厚力求均勻鑄件壁厚力求均勻

13、(a)不合理不合理(b)合理合理鑄件壁厚應均勻鑄件壁厚應均勻(a)不合理不合理(b)合理合理5. 壁厚應力求均勻壁厚應力求均勻 鑄件壁厚避免形成大熱節(jié)舉例鑄件壁厚避免形成大熱節(jié)舉例均勻壁厚均勻壁厚防止形成尖砂防止形成尖砂筋條錯開筋條錯開避免形成大熱節(jié)避免形成大熱節(jié)d4， R=a 6. 避免水平大平面避免水平大平面 l 如果鑄件有大的水平空腔存在，當液體金屬上升到該位如果鑄件有大的水平空腔存在，當液體金屬上升到該位置時，由于置時，由于斷面突然擴大，上升速度緩慢斷面突然擴大，上升速度緩慢，高溫金屬液較，高溫金屬液較長時間烘烤頂部型面，極易造成長時間烘烤頂部型面，極易造成夾砂、澆不足夾砂、澆不足等缺

14、陷；等缺陷；l 同時也同時也不利于金屬夾雜物和氣體的排除。不利于金屬夾雜物和氣體的排除。l 因此，因此，應盡量設計成傾斜壁應盡量設計成傾斜壁。避免鑄件結構有水平大平面避免鑄件結構有水平大平面6. 避免水平大平面避免水平大平面 避免鑄件結構有水平大平面避免鑄件結構有水平大平面(a)不合理不合理(b)合理合理 7. 有利于順序凝固有利于順序凝固 l 有的鑄件因工作需要，結構設計上造成壁厚不均勻和局有的鑄件因工作需要，結構設計上造成壁厚不均勻和局部厚度較大，而且合金的體收縮又比較大，這時很容易形部厚度較大，而且合金的體收縮又比較大，這時很容易形成成縮孔和縮松縮孔和縮松缺陷。缺陷。l 因此，應仔細審查

15、零件結構實現(xiàn)因此，應仔細審查零件結構實現(xiàn)順序凝固順序凝固的可能性，使的可能性，使之便于安放之便于安放冒口、冷鐵冒口、冷鐵，以避免出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。，以避免出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。按順序凝固原則設計鑄件結構按順序凝固原則設計鑄件結構(a)不合理不合理(b)合理合理8. 鑄件結構應能防止熱裂和變形鑄件結構應能防止熱裂和變形 l 經(jīng)驗表明，某些經(jīng)驗表明，某些壁厚均勻的細長鑄件、較大面積壁厚均勻的細長鑄件、較大面積的平板鑄件，及某些壁厚不均勻的長形箱體類的平板鑄件，及某些壁厚不均勻的長形箱體類鑄件，鑄件，如床身類鑄件，都會產(chǎn)生如床身類鑄件，都會產(chǎn)生翹曲翹曲變形。變形。l細長鑄件和平板鑄件細長鑄件和平板鑄

16、件產(chǎn)生翹曲變形的主要原因是：產(chǎn)生翹曲變形的主要原因是：鑄件結構剛度差，鑄件各面冷卻條件的差別所引起的鑄件結構剛度差，鑄件各面冷卻條件的差別所引起的不大的內應力使其變形。不大的內應力使其變形。l壁厚不均勻長形箱體類壁厚不均勻長形箱體類鑄件主要是壁厚差別大，厚鑄件主要是壁厚差別大，厚壁處冷卻慢，薄壁處冷卻快，引起較大的內應力促使壁處冷卻慢，薄壁處冷卻快，引起較大的內應力促使鑄件產(chǎn)生變形。鑄件產(chǎn)生變形。l 鑄件變形可以采用改進鑄件結構、設置鑄件變形可以采用改進鑄件結構、設置加強筋加強筋提提高剛性、高剛性、人工時效人工時效、采用、采用反變形反變形等方法予以解決。等方法予以解決。8. 鑄件結構應能防止熱

17、裂和變形鑄件結構應能防止熱裂和變形 防止變形的鑄件結構防止變形的鑄件結構(a)不合理不合理(b)合理合理(a)(b)8. 鑄件結構應能防止熱裂和變形鑄件結構應能防止熱裂和變形 防裂筋的應用防裂筋的應用 輪輻的設計輪輻的設計(a)不合理不合理(b)、(c)合理合理鑄造方法鑄造方法與與鑄件結構鑄件結構砂型砂型鑄造鑄造金屬型金屬型鑄造鑄造熔模熔模鑄造鑄造壓力壓力鑄造鑄造離心離心鑄造鑄造擠壓擠壓鑄造鑄造 鑄鑄 件件 形形 狀狀可以可以很復雜很復雜不宜不宜太復雜太復雜可較可較復雜復雜不宜不宜太復雜太復雜限中空限中空回轉體回轉體不宜不宜太復雜太復雜鑄鑄 件件大大 小小不限制不限制中小件中小件100kg中小

18、件中小件3鑄鐵鑄鐵3鑄鋼鑄鋼6鋁合金鋁合金2-3，灰鑄鐵灰鑄鐵4，鑄鋼鑄鋼50.5鋁合金鋁合金0.5鋅合金鋅合金0.4銅合金銅合金0.8比同類比同類重力鑄重力鑄造薄造薄2-5拔拔 模模斜斜 度度最小最小15一般一般10 鋁合金鋁合金15鋅合金鋅合金150mm時，時，h=(1.5-1.8)D, 或或h=(1.5-1.8)H，lL, 2 2）采用芯撐或輔助砂芯。）采用芯撐或輔助砂芯。當當L1.2 D或或L1.2 H時時，應采用芯撐或輔助砂芯，應采用芯撐或輔助砂芯，使其安放牢固。使其安放牢固。 方案方案b使砂箱過長，使砂箱過長，不宜采用，多用不宜采用，多用c方案。方案。懸臂芯頭的幾種形式懸臂芯頭的幾

19、種形式加大芯頭尺寸加大芯頭尺寸常用的懸臂芯頭結構常用的懸臂芯頭結構 對對a、b和和c三種情況，當三種情況，當D或或H150mm時，時，h=D(或或H),l=1.25L當當D或或H150mm時，時，h=(1.5-1.8)D,或或h=(1.5-1.8)H，lL,懸臂芯頭的幾種形式懸臂芯頭的幾種形式3)3)采用挑擔砂芯（采用挑擔砂芯（扁擔砂芯扁擔砂芯） 將兩個或幾個相同鑄件的砂芯串聯(lián)起來，使懸臂砂芯安放牢固。將兩個或幾個相同鑄件的砂芯串聯(lián)起來，使懸臂砂芯安放牢固。爬芯頭：爬芯頭：當鑄件的芯頭在分型面以下，當鑄件的芯頭在分型面以下，其方向與拔模斜度的方向垂直時，其方向與拔模斜度的方向垂直時，為了為了便

20、于起模和簡化分型面，要將芯頭適當便于起模和簡化分型面，要將芯頭適當增大，使其伸到分型面上來，增大，使其伸到分型面上來，這種芯頭這種芯頭通常叫做通常叫做“爬芯頭爬芯頭”。懸臂芯頭懸臂芯頭 爬芯頭爬芯頭挑擔砂芯的芯頭挑擔砂芯的芯頭 懸臂砂芯、扁擔砂芯及聯(lián)合式砂芯懸臂砂芯、扁擔砂芯及聯(lián)合式砂芯 (a)懸臂砂芯懸臂砂芯(b)、（、（c）扁擔砂芯）扁擔砂芯（d）(e)聯(lián)合式砂芯聯(lián)合式砂芯芯頭尺寸的驗算芯頭尺寸的驗算l 一般情況下，小砂芯和中等尺寸的砂芯，一般情況下，小砂芯和中等尺寸的砂芯，作作用在芯頭上的重力和浮力不大，因此，用在芯頭上的重力和浮力不大，因此，不必驗不必驗算芯頭的尺寸算芯頭的尺寸（承壓面

21、積）。（承壓面積）。l 但是，但是，對于重量大或者是金屬液體的浮力較對于重量大或者是金屬液體的浮力較大而芯頭的尺寸顯得太小的砂芯大而芯頭的尺寸顯得太小的砂芯，為了確保鑄，為了確保鑄件的質量，在按經(jīng)驗數(shù)據(jù)初步確定芯頭的尺寸件的質量，在按經(jīng)驗數(shù)據(jù)初步確定芯頭的尺寸后，后，應該驗算芯頭的承壓面積應該驗算芯頭的承壓面積。芯頭尺寸的驗算芯頭尺寸的驗算驗算步驟為：驗算步驟為：1.1.計算砂芯所受的重力及浮力計算砂芯所受的重力及浮力 G=G1+G2（N）式中：式中： G-砂芯重力；砂芯重力； G1芯砂重力；芯砂重力； G2芯骨重力。芯骨重力。砂芯所受到的浮力與砂芯砂芯所受到的浮力與砂芯在砂型中的位置、砂芯的在砂型中的位置、砂芯的形狀、尺寸以及澆注系統(tǒng)類型等有關。形狀、尺寸以及澆注系統(tǒng)類型等有關。如圖所示，當金屬液上升到如圖所示，當金屬液上升到A-A斷面時的浮力最大：斷面時的浮力最大：F=/4（D12-D22）gH砂芯受金屬液體浮力示意圖砂芯受金屬液體浮力示意圖式中：式中：F砂芯所受浮力（砂芯所受浮力（kg）；）；D1 砂芯直徑（砂芯直徑（m）；）；D2 下芯頭直徑（下芯頭直徑（m）；）；H 砂芯受浮力作用的高度（砂芯受浮力作用的高度（m）；）；g 重力加速度（重力加速度（m