材料液態(tài)成型工藝學(xué)-4(XXXX)

1、Dalian University of Technology 材料成型工藝學(xué)材料成型工藝學(xué)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 6-1 零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性分析零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性分析鑄造工藝性：鑄造工藝性： 零件的本身結(jié)構(gòu)應(yīng)符合鑄造生產(chǎn)的要求，既便于整個(gè)鑄造工零件的本身結(jié)構(gòu)應(yīng)符合鑄造生產(chǎn)的要求，既便于整個(gè)鑄造工藝過程的順利進(jìn)行，又利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量。藝過程的順利進(jìn)行，又利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量。作用：作用： 1.1.審查零件結(jié)構(gòu)是否符合鑄造生產(chǎn)的工藝要求；審查零件結(jié)構(gòu)是否符合鑄造生產(chǎn)的工藝要求； 2.2.在既定的零件結(jié)構(gòu)條件下，考慮在鑄造過程中可能出現(xiàn)的在既定的零件結(jié)構(gòu)條件下

2、，考慮在鑄造過程中可能出現(xiàn)的主要缺陷，在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的工藝措施。主要缺陷，在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的工藝措施。一、從避免缺陷方面審查零件結(jié)構(gòu)的合理性一、從避免缺陷方面審查零件結(jié)構(gòu)的合理性1.1.鑄件應(yīng)有合理的壁厚鑄件應(yīng)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小壁厚。 鑄件的設(shè)計(jì)壁厚應(yīng)不小于最小壁厚鑄件的設(shè)計(jì)壁厚應(yīng)不小于最小壁厚 。臨界壁厚：臨界壁厚：當(dāng)鑄件的壁厚超過臨界壁厚時(shí)，鑄件的力學(xué)性能當(dāng)鑄件的壁厚超過臨界壁厚時(shí)，鑄件的力學(xué)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。并不按比例隨鑄件厚度的增加而增加，反而是顯著地下降

3、。 因此，設(shè)計(jì)鑄件壁需要注意的問題是：因此，設(shè)計(jì)鑄件壁需要注意的問題是： 1)1)為防止出現(xiàn)冷隔和澆不足缺陷，鑄件應(yīng)有一定的壁厚；為防止出現(xiàn)冷隔和澆不足缺陷，鑄件應(yīng)有一定的壁厚； 2)2)外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合金流動性差的鑄件外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合金流動性差的鑄件, ,鑄件壁厚鑄件壁厚應(yīng)適當(dāng)加大；應(yīng)適當(dāng)加大； 3)3)厚壁會增加鑄件的重量和金屬的消耗，而且易產(chǎn)生縮孔、厚壁會增加鑄件的重量和金屬的消耗，而且易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。另外，厚壁鑄件凝固慢，會造成晶粒粗大、力縮松等缺陷。另外，厚壁鑄件凝固慢，會造成晶粒粗大、力學(xué)性能降低。最好的方法是采用加強(qiáng)筋；學(xué)性能降低。最好的方法是采用加強(qiáng)筋；

4、 4)4)對灰鑄鐵件，最小壁厚的選擇應(yīng)防止出現(xiàn)白口（考慮澆注對灰鑄鐵件，最小壁厚的選擇應(yīng)防止出現(xiàn)白口（考慮澆注條件和孕育條件）。條件和孕育條件）。一、從避免缺陷方面審查零件結(jié)構(gòu)的合理性一、從避免缺陷方面審查零件結(jié)構(gòu)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 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,HT25012-1512-1512-1512-1512-1812-1

5、8HT300HT30012-1812-1815-1815-182525HT350HT35015-2015-2015-2015-202525球球 鐵鐵QT400-15,QT450-10QT400-15,QT450-10101015-2015-205050QT500-7,QT600-3QT500-7,QT600-314-1814-1818-2018-206060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(qiáng)筋減小鑄件壁厚采用加強(qiáng)筋減小鑄件壁厚壁厚壁厚15-2020-30

6、30-5050-70相對強(qiáng)度相對強(qiáng)度1.00.90.80.7表表6-2 灰鑄鐵相對強(qiáng)度的變化灰鑄鐵相對強(qiáng)度的變化（壁厚單位壁厚單位:mm） 鑄件壁連接處會形成熱節(jié)，易造成縮孔、縮松和應(yīng)力集中。鑄件壁連接處會形成熱節(jié)，易造成縮孔、縮松和應(yīng)力集中。 設(shè)計(jì)時(shí)需注意：設(shè)計(jì)時(shí)需注意： 1)1)壁厚應(yīng)該力求均勻；壁厚應(yīng)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(yīng)逐漸過渡；鑄件壁厚發(fā)生變化處應(yīng)逐漸過渡； 4)4)筋條應(yīng)該錯(cuò)開排列。筋條應(yīng)該錯(cuò)開排列。2. 鑄件壁的連接應(yīng)逐漸過渡鑄件壁的連接應(yīng)逐漸過渡2. 鑄件壁的連接應(yīng)逐漸過渡鑄件壁的連接應(yīng)逐漸過渡2. 鑄件壁的連接應(yīng)逐

7、漸過渡鑄件壁的連接應(yīng)逐漸過渡一、從避免缺陷方面審查零件結(jié)構(gòu)的合理性一、從避免缺陷方面審查零件結(jié)構(gòu)的合理性 3 3結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì) 鑄件壁的轉(zhuǎn)角處一般要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)圓角。鑄件壁的轉(zhuǎn)角處一般要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)圓角。1)1) 鑄件壁的直角連接易造成連接處的金屬堆積，鑄件壁的直角連接易造成連接處的金屬堆積，形成大的熱節(jié)。而內(nèi)側(cè)的散熱條件差，往往會形成大的熱節(jié)。而內(nèi)側(cè)的散熱條件差，往往會造成縮孔、縮松；造成縮孔、縮松；2)2) 在載荷的作用下，直角內(nèi)側(cè)往往產(chǎn)生應(yīng)力集中，在載荷的作用下，直角內(nèi)側(cè)往往產(chǎn)生應(yīng)力集中，內(nèi)側(cè)實(shí)際承受的應(yīng)力比平均應(yīng)力大得多；內(nèi)側(cè)實(shí)際承受的應(yīng)力比平均應(yīng)力大得多；3)3) 若采用直

8、角連接，在一些合金凝固的過程中將若采用直角連接，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。形成垂直于鑄件表面的柱狀晶。因結(jié)晶的方向因結(jié)晶的方向性，在轉(zhuǎn)角的對角線上形成整齊的分界面。性，在轉(zhuǎn)角的對角線上形成整齊的分界面。由由于分界面上雜質(zhì)、缺陷較多，使轉(zhuǎn)角處成為鑄于分界面上雜質(zhì)、缺陷較多，使轉(zhuǎn)角處成為鑄件的薄弱環(huán)節(jié)，在集中應(yīng)力作用下很容易產(chǎn)生件的薄弱環(huán)節(jié)，在集中應(yīng)力作用下很容易產(chǎn)生裂紋。裂紋。3. 結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì) 當(dāng)鑄件壁采用圓角結(jié)構(gòu)時(shí)，可以當(dāng)鑄件壁采用圓角結(jié)構(gòu)時(shí)，可以消除應(yīng)力集中消除應(yīng)力集中，破壞了柱狀，破壞了柱狀晶的分界面，明顯提高轉(zhuǎn)角處的力學(xué)性能，也防止了縮孔、縮晶

9、的分界面，明顯提高轉(zhuǎn)角處的力學(xué)性能，也防止了縮孔、縮松和裂紋的產(chǎn)生。松和裂紋的產(chǎn)生。 圓角結(jié)構(gòu)還有利于造型圓角結(jié)構(gòu)還有利于造型，澆注時(shí)可避免熔融金屬對鑄型的沖，澆注時(shí)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。刷，減少砂眼和粘砂缺陷的發(fā)生。3. 結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì)3. 結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圓角的設(shè)計(jì)4. 內(nèi)壁厚度應(yīng)小于外壁內(nèi)壁厚度應(yīng)小于外壁 鑄件內(nèi)部的筋和壁，散熱條件較差。鑄件內(nèi)部的筋和壁，散熱條件較差。因此，鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因此，鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使應(yīng)使內(nèi)壁比外壁薄內(nèi)壁比外壁薄一些，以便使整個(gè)鑄件能均勻地冷卻，防一些，以便使整個(gè)鑄件能均勻地冷卻，防止產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋。止產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)

10、力和裂紋。 一般地，當(dāng)鑄件一般地，當(dāng)鑄件外壁、鑄件內(nèi)壁和筋的厚度外壁、鑄件內(nèi)壁和筋的厚度按按1:0.8:0.61:0.8:0.6設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)，可以保證各部位冷卻速度均勻一致。計(jì)時(shí)，可以保證各部位冷卻速度均勻一致。4. 內(nèi)壁厚度應(yīng)小于外壁內(nèi)壁厚度應(yīng)小于外壁5. 壁厚應(yīng)力求均勻壁厚應(yīng)力求均勻 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(shí)在熱節(jié)處形成形成熱節(jié)，凝固收縮時(shí)在熱節(jié)處形成縮孔、縮松縮孔、縮松缺陷。此外，缺陷。此外，各部位冷卻不均勻，易形成熱應(yīng)力，致使鑄件在薄壁和厚壁連各部位冷卻不均勻，易形成熱應(yīng)力，致使鑄件在薄壁和

11、厚壁連接處產(chǎn)生接處產(chǎn)生裂紋裂紋。因此，在進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到。因此，在進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到壁厚力求壁厚力求均勻均勻。5. 壁厚應(yīng)力求均勻壁厚應(yīng)力求均勻 6. 避免水平大平面避免水平大平面 如果鑄件有大的水平空腔存在，當(dāng)液體金屬上升到該位置如果鑄件有大的水平空腔存在，當(dāng)液體金屬上升到該位置時(shí)，由于時(shí)，由于斷面突然擴(kuò)大，上升速度緩慢斷面突然擴(kuò)大，上升速度緩慢，高溫金屬液較長，高溫金屬液較長時(shí)間烘烤頂部型面，極易造成時(shí)間烘烤頂部型面，極易造成夾砂、澆不足夾砂、澆不足等缺陷，同時(shí)等缺陷，同時(shí)也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。因此，因此，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成傾斜

12、壁傾斜壁。6. 避免水平大平面避免水平大平面 7. 有利于順序凝固有利于順序凝固 有的鑄件因工作需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上造成壁厚不均勻和局部厚有的鑄件因工作需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)很容易形成度較大，而且合金的體收縮又比較大，這時(shí)很容易形成縮孔和縮孔和縮松縮松缺陷。因此，應(yīng)仔細(xì)審查零件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)缺陷。因此，應(yīng)仔細(xì)審查零件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)順序凝固順序凝固的可能性，的可能性，使之便于安放使之便于安放冒口、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。8. 鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)能防止熱裂和變形鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)能防止熱裂和變形 經(jīng)驗(yàn)表明，某些經(jīng)驗(yàn)表明，某些壁厚均

13、勻的細(xì)長鑄件、較大面積壁厚均勻的細(xì)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。 前兩者前兩者產(chǎn)生翹曲變形的主要原因是：鑄件結(jié)構(gòu)剛產(chǎn)生翹曲變形的主要原因是：鑄件結(jié)構(gòu)剛度差，鑄件各面冷卻條件的差別所引起的不大的內(nèi)應(yīng)度差，鑄件各面冷卻條件的差別所引起的不大的內(nèi)應(yīng)力使其變形。力使其變形。 后者后者主要是壁厚差別大，厚壁處冷卻慢，薄壁處主要是壁厚差別大，厚壁處冷卻慢，薄壁處冷卻快，引起較大的內(nèi)應(yīng)力促使鑄件產(chǎn)生變形。冷卻快，引起較大的內(nèi)應(yīng)力促使鑄件產(chǎn)生變形。 鑄件變形可以采用改進(jìn)

14、鑄件結(jié)構(gòu)、鑄件變形可以采用改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)、設(shè)置設(shè)置加強(qiáng)筋加強(qiáng)筋提提高剛性、高剛性、人工時(shí)效人工時(shí)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(jié)構(gòu)應(yīng)能防止熱裂和變形鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)能防止熱裂和變形 8. 鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)能防止熱裂和變形鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)能防止熱裂和變形 鑄造方鑄造方法與鑄法與鑄件結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)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 狀狀可以很可以很復(fù)雜復(fù)雜不宜太不宜太復(fù)雜復(fù)雜可較可較復(fù)雜復(fù)雜不宜太不宜太復(fù)雜復(fù)雜限中空限中空回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體不宜太不宜太復(fù)雜復(fù)雜鑄鑄 件件大大 小小不限制不限制中小件中小件10

15、0kg100kg中小件中小件25kg33鑄鐵鑄鐵33鑄鋼鑄鋼66鋁合金鋁合金2-2-3 3，灰鑄，灰鑄鐵鐵4 4，鑄，鑄鋼鋼550.50.5鋁合金鋁合金0.50.5鋅合金鋅合金0.40.4銅合金銅合金0.80.8比同類比同類重力鑄重力鑄造薄造薄2-52-5拔拔 模模斜斜 度度最小最小1515一般一般1 10 0鋁合金鋁合金1515鋅合金鋅合金 150mmH150mm時(shí)，時(shí)，h=(1.5-1.8)D, h=(1.5-1.8)D, 或或h=(1.5-1.8)H,lL,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(dāng)當(dāng)L1.2 DL1.2 D或或L1.2 HL1.

16、2 H時(shí)，時(shí)，應(yīng)采用芯撐或輔助砂芯，應(yīng)采用芯撐或輔助砂芯，使其安放牢固。使其安放牢固。 3)3)采用挑擔(dān)砂芯采用挑擔(dān)砂芯 將兩個(gè)或幾個(gè)相同鑄件的砂芯串聯(lián)起來，使懸臂砂芯安將兩個(gè)或幾個(gè)相同鑄件的砂芯串聯(lián)起來，使懸臂砂芯安放牢固。放牢固。懸臂芯頭懸臂芯頭 常用的懸臂芯頭結(jié)構(gòu)常用的懸臂芯頭結(jié)構(gòu) 芯頭尺寸的驗(yàn)算芯頭尺寸的驗(yàn)算一般情況下，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，作用在芯頭上的重力和浮力不大，因此，作用在芯頭上的重力和浮力不大，因此，不必驗(yàn)算芯頭的尺寸（承壓面積）。但是，不必驗(yàn)算芯頭的尺寸（承壓面積）。但是，對于重量大或者是金屬液體的浮力較大而對于重量大或者是金屬液體的

17、浮力較大而芯頭的尺寸顯得太小的砂芯，為了確保鑄芯頭的尺寸顯得太小的砂芯，為了確保鑄件的質(zhì)量，在按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步確定芯頭的件的質(zhì)量，在按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步確定芯頭的尺寸后，應(yīng)該驗(yàn)算芯頭的承壓面積。尺寸后，應(yīng)該驗(yàn)算芯頭的承壓面積。芯頭尺寸的驗(yàn)算芯頭尺寸的驗(yàn)算驗(yàn)算步驟為：驗(yàn)算步驟為：1.1.計(jì)算砂芯所受的重力及浮力計(jì)算砂芯所受的重力及浮力 G=GG=G1 1+G+G2 2（N N）式中：式中： G-G-砂芯重力；砂芯重力； G G1 1芯砂重力；芯砂重力； G G2 2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(guān)。如

18、圖所示，當(dāng)金屬液上形狀、尺寸以及澆注系統(tǒng)類型等有關(guān)。如圖所示，當(dāng)金屬液上升到升到A-AA-A斷面時(shí)的浮力最大：斷面時(shí)的浮力最大：F=F=/4/4（D D1 12 2-D-D2 22 2）ghgh式中：式中：F砂芯所受浮力（砂芯所受浮力（N）；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/s2）；-金屬液密度（金屬液密度（kg/m3）2)計(jì)算各芯頭所承受的最大壓力計(jì)算各芯頭所承受的最大壓力如圖所示中下芯頭較大，無需驗(yàn)算。如圖所示中下芯頭較大，無需驗(yàn)算。由于沒有水平芯頭，由于沒有水平芯頭，