第一章 緒論

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《鑄造工藝及設(shè)備》講義侯文生2011年3月12 《鑄造工藝及設(shè)備》教學(xué)大綱課程編號(hào)：（00000832）課程中文名稱：（鑄造工藝及設(shè)備）課程英文名稱：CastingIndustry&Equipment總學(xué)時(shí)：（040位）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：（004位）上機(jī)學(xué)時(shí)：（000位）學(xué)分：（2.5）適用專業(yè)：金屬材料工程一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù)性質(zhì)：專業(yè)選修課目的：講授有關(guān)鑄造生產(chǎn)中常用的工藝?yán)碚摷盎局R(shí)，鑄造生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化常用的鑄造機(jī)械的結(jié)構(gòu)，工作原理和工作特點(diǎn)。任務(wù)：通過課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生對(duì)鑄件形成過程中所采用的工藝方法和設(shè)備對(duì)鑄件質(zhì)量的影響有深入的了解，基本掌握鑄件生產(chǎn)的工藝流程，鑄造方案的確定，正確選擇各類型鑄件的造型方法和造型生產(chǎn)線，并具備解決工程實(shí)際問題的能力。二、課程教學(xué)內(nèi)容第一章緒論第二章鑄造工藝第三章造型設(shè)備第四章造型生產(chǎn)線第五章砂處理設(shè)備三、教材及教學(xué)參考書教材：[1]王文清，李魁勝《鑄造工藝學(xué)》.機(jī)械工業(yè)出版社，2004[2]陳士梁《鑄造機(jī)械化》（第二版）．機(jī)械工業(yè)出版社，1997教學(xué)參考書：[1]曹文龍《鑄造工藝學(xué)》.機(jī)械工業(yè)出版社，1997[2]鑄造設(shè)備編寫組《鑄造設(shè)備》．機(jī)械工業(yè)出版社．198012 第一章鑄造生產(chǎn)概論一、概述1.鑄造的概念鑄造生產(chǎn)是獲得機(jī)械產(chǎn)品毛坯的主要方法之一，是機(jī)械工業(yè)重要的基礎(chǔ)工藝，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。鑄造：是指熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀、尺寸和性能的金屬零件毛坯的成形方法。（GB/T5611－1998）鑄件：用鑄造方法獲得的金屬毛坯或零件稱為鑄件。大多數(shù)鑄件是毛坯，需要經(jīng)過機(jī)械加工后才能成為各種機(jī)械零件；有的鑄件當(dāng)達(dá)到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求時(shí)，可作為成品或零件直接應(yīng)用。2.鑄造的優(yōu)點(diǎn)1）應(yīng)用范圍廣。鑄造法幾乎不受鑄件大小、厚度和形狀復(fù)雜程度的限制，鑄件的壁厚可達(dá)0.3~1000mm，長度可從幾毫米到十幾米，質(zhì)量可從幾克到300t以上。最適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，如箱體、閥體、葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體、螺旋槳等。2）適用材料多。幾乎凡能熔化成液態(tài)的金屬或合金材料均可用于鑄造。對(duì)于有些脆性金屬或合金材料（如各種鑄鐵件、有色合金鑄件等）的零件毛坯，鑄造幾乎是唯一的加工方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，以鑄鐵件應(yīng)用最廣，約占鑄件總產(chǎn)量的70%以上。3）成型精度高。一般情況下，比普通鍛件、焊接件成型尺寸精確。鑄件的形狀和大小可以與零件很接近，既節(jié)約金屬材料，又省切削加工工時(shí)。4）綜合成本低。鑄件一般使用的原材料來源廣、鑄件成本低。5）鑄造工藝靈活，生產(chǎn)率高，既可以手工生產(chǎn)，也可以機(jī)械化生產(chǎn)。3.鑄造的缺點(diǎn)鑄件組織疏松、晶粒粗大，鑄件內(nèi)部常有縮孔、縮松、氣孔等缺陷產(chǎn)生，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能，特別是沖擊性能較低。工作條件惡劣，容易造成環(huán)境污染4.鑄造的分類從造型方法來分，可分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類。砂型鑄造的鑄件占總產(chǎn)量的80%以上，其生產(chǎn)過程如圖1所示。12 二、鑄造生產(chǎn)過程鑄造生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的多工序組合的工藝過程，它包括以下主要工序：?圖1鑄造生產(chǎn)過程示意圖1.生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備根據(jù)要生產(chǎn)的零件圖、生產(chǎn)批量和交貨期限，制定生產(chǎn)工藝方案和工藝文件，繪制鑄造工藝圖；2.生產(chǎn)準(zhǔn)備包括準(zhǔn)備熔化用材料、造型制芯用材料和模樣、芯盒、砂箱等工藝裝備；3.造型與制芯；4.熔化與澆注；5.落砂清理與鑄件檢驗(yàn)等主要工序。三、型砂的性能及組成1.型砂的性能型砂（含芯砂）的主要性能要求有強(qiáng)度、透氣性、耐火度、退讓性、流動(dòng)性、緊實(shí)率和潰散性等。2.型砂的組成12 型砂由原砂、粘接劑和附加物組成。鑄造用原砂要求含泥量少、顆粒均勻、形狀為圓形和多角形的海砂、河砂或山砂等。鑄造用粘接劑有粘土（普通粘土和膨潤土）、水玻璃、樹脂、合脂油和植物油等，分別稱為粘土砂，水玻璃砂、樹脂砂、合脂油砂和植物油砂等。為了進(jìn)一步提高型（芯）砂的某些性能，往往要在型（芯）砂中加入一些附加物，如煤份、鋸末、紙漿等。型砂結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2型砂結(jié)構(gòu)示意圖四、造型方法砂型鑄造分為手工造型（制芯）和機(jī)器造型（制芯）。手工造型是指造型和制芯的主要工作均由手工完成，操作靈活，生產(chǎn)率低，主要用于單件小批量生產(chǎn)。機(jī)器造型是指主要的造型工作，包括填砂、緊實(shí)、起模、合箱等由造型機(jī)完成，生產(chǎn)率高，投資大，主要用于批量生產(chǎn)。五、造芯及合箱1.造型芯型芯的作用一是形成鑄件的內(nèi)腔，二是簡化模型的外形，以制出鑄件上的臺(tái)和槽等。型芯采用比型砂更好的造型材料。造芯方法也有手工造芯和機(jī)器造芯兩種。2.合箱鑄型的裝配工序簡稱合箱。合箱前，在鑄型中放好型芯、扣上上箱、放置澆口杯。合箱后，兩箱要卡緊，防止錯(cuò)箱和抬箱。六、鑄鐵的熔煉及澆注1.鑄鐵的熔煉設(shè)備有沖天爐和感應(yīng)爐等。其原料有金屬料、燃料和熔劑。2.澆注系統(tǒng)：引導(dǎo)金屬液進(jìn)入鑄型型的通道。它包括澆口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道四個(gè)部分組成。12 生產(chǎn)中，澆注時(shí)應(yīng)遵循高溫出爐，低溫澆注的原則。因?yàn)樘岣呓饘僖旱某鰻t溫度有利于夾雜物的徹底熔化、熔渣上浮，便于清渣和除氣，減少鑄件的夾渣和氣孔缺陷；采用較低的澆注溫度，則有利于降低金屬液中的氣體溶解度、液態(tài)收縮量和高溫金屬液對(duì)型腔表面的烘烤，避免產(chǎn)生氣孔、粘砂和縮孔等缺陷。因此，在保證充滿鑄型型腔的前提下，盡量采用較低的澆注溫度。把金屬液從澆包注入鑄型的操作過程稱為澆注。澆注操作不當(dāng)會(huì)引起澆不足、冷隔、氣孔、縮孔和夾渣等鑄造缺陷，和造成人身傷害。為確保鑄件質(zhì)量、提高生產(chǎn)率以及做到安全生產(chǎn)，澆注時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守下列操作要領(lǐng)：1）澆包、澆注工具、爐前處理用的孕育劑、球化劑等使用前必須充分烘干，烘干后才能使用。2）澆注人員必須按要求穿好工作服，并配戴防護(hù)眼鏡，工作場地應(yīng)通暢無阻。澆包內(nèi)的金屬液不宜過滿，以免在輸送和澆注時(shí)溢出傷人。3）正確選擇澆注速度，即開始時(shí)應(yīng)緩慢澆注，便于對(duì)準(zhǔn)澆口，減少熔融金屬對(duì)砂型的沖擊和利于氣體排出；隨后快速澆注，以防止冷隔；快要澆滿前又應(yīng)緩慢澆注，即遵循慢、快、慢的原則。4）對(duì)于液態(tài)收縮和凝固收縮比較大的鑄件，如中、大型鑄鋼件，澆注后要及時(shí)從澆口或冒口補(bǔ)澆。5）澆注時(shí)應(yīng)及時(shí)將鑄型中冒出的氣體點(diǎn)燃順氣，以免由于鑄型憋氣而產(chǎn)生氣孔，以及由于氣體的不完全燃燒而損害人體健康和污染空氣。七、落砂、清理和檢驗(yàn)1.落砂：將澆注成形后的鑄件從型砂和砂箱中分離出來的工序，它分為出箱和清砂兩個(gè)過程。有手工落砂和機(jī)械落砂兩種方法。出箱的溫度一般不高于500度，以免鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力或開裂。清砂是清除型砂和芯砂的過程，有水力清砂和水爆清砂兩種方法。2.清理：去除澆口、冒口、飛邊、毛刺以及表面粘砂的工序。去除表面粘砂的方法有滾筒清理、噴射清理和拋丸清理等方法。3.檢驗(yàn)：其任務(wù)是確定合格的鑄件，去除有缺陷的鑄件。12 主要包括外觀檢驗(yàn)、內(nèi)部檢驗(yàn)、化學(xué)性能和金相檢驗(yàn)等。八、手工造型的主要方法手工造型因其操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，工藝裝備簡單，無需造型設(shè)備等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于單件小批量生產(chǎn)。但手工造型生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。手工造型的方法很多，常用的有以下幾種：1.整模造型對(duì)于形狀簡單，端部為平面且又是最大截面的鑄件應(yīng)采用整模造型。整模造型操作簡便，造型時(shí)整個(gè)模樣全部置于一個(gè)砂箱內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)箱缺陷。整模造型適用于形狀簡單、最大截面在端部的鑄件，如齒輪坯、軸承座、罩、殼等（圖3）。2.分模造型當(dāng)鑄件的最大截面不在鑄件的端部時(shí)，為了便于造型和起模，模樣要分成兩半或幾部分，這種造型稱為分模造型。當(dāng)鑄件的最大截面在鑄件的中間時(shí)，應(yīng)采用兩箱分模造型（圖4），模樣從最大截面處分為兩半部分（用銷釘定位）。造型時(shí)模樣分別置于上、下砂箱中，分模面（模樣與模樣間的接合面）與分型面（砂型與砂型間的接合面）位置相重合。兩箱分模造型廣泛用于形狀比較復(fù)雜的鑄件生產(chǎn)，如水管、軸套、閥體等有孔鑄件。鑄件形狀為兩端截面大、中間截面小，如帶輪、槽輪、車床四方刀架等，為保證順利起模，應(yīng)采用三箱分模造型（圖5）。此時(shí)分模面應(yīng)選在模樣的最小截面處，而分型面仍選在鑄件兩端的最大截面處，由于三箱造型有兩個(gè)分型面，降低了鑄件高度方向的尺寸精度，增加了分型面處飛邊毛刺的清整工作量，操作較復(fù)雜，生產(chǎn)率較低，不適用于機(jī)器造型，因此，三箱造型僅用于形狀復(fù)雜、不能用兩箱造型的鑄件生產(chǎn)。3.活塊模造型鑄件上妨礙起模的部分（如凸臺(tái)、筋條等）做成活塊，用銷子或燕尾結(jié)構(gòu)使活塊與模樣主體形成可拆連接。起模時(shí)先取出模樣主體，活塊模仍留在鑄型中，起模后再從側(cè)面取出活塊的造型方法稱為活塊模造型（圖6）。活塊模造型主要用于帶有突出部分而妨礙起模的鑄件、單件小批量、手工造型的場合。如果這類鑄件批量大，需要機(jī)器造型時(shí)，可以用砂芯形成妨礙起模的那部分輪廓。12 圖3整模造型?圖4套管的分模兩箱造型過程圖5三箱分模造型舉例12 圖6角鐵的活塊模造型工藝過程?4.挖砂造型當(dāng)鑄件的外部輪廓為曲面（如手輪等）其最大截面不在端部，且模樣又不宜分成兩半時(shí)，應(yīng)將模樣做成整體，造型時(shí)挖掉妨礙取出模樣的那部分型砂，這種造型方法稱為挖砂造型。挖砂造型的分型面為曲面，造型時(shí)為了保證順利起模，必須把砂挖到模樣最大截面處（圖7）。由于是手工挖砂，操作技術(shù)要求高，生產(chǎn)效率低，只適用于單件、小批量生產(chǎn)。?圖7手輪的挖砂造型的工藝過程九、手工制芯型芯用來形成鑄件內(nèi)部空腔或局部外形。由于型芯的表面被高溫金屬液包圍，長時(shí)間受到浮力作用和高溫金屬液的烘烤作用，鑄件冷卻凝固時(shí)，砂芯往往會(huì)阻礙鑄件自由收縮，砂芯清理也比較困難。因此造芯用的芯砂要比型砂具有更高的強(qiáng)度、透氣性、耐高溫性、退讓性和潰散性。12 手工制芯由于無需制芯設(shè)備，工藝裝備簡單，應(yīng)用得很普遍。根據(jù)砂芯的大小和復(fù)雜程度，手工制芯用芯盒有整體式芯盒、對(duì)開式芯盒和可拆式芯盒，如圖8所示。圖8芯盒制芯示意圖十、零件、模樣、芯盒與鑄件的關(guān)系模樣用來形成鑄件的外部輪廓，芯盒用來制作砂芯，形成鑄件的內(nèi)部輪廓。造型時(shí)分別用模樣和芯盒制作鑄型和型芯。圖9分別表示零件、模樣、芯盒和鑄件的關(guān)系。制造模樣和芯盒所選用的材料，與鑄件大小、生產(chǎn)規(guī)模和造型方法有關(guān)。單件小批量生產(chǎn)、手工造型時(shí)常用木材制作模樣和芯盒，大批量生產(chǎn)、機(jī)器造型時(shí)常用金屬材料（如鋁合金、鑄鐵等）或硬塑料制作模樣和芯盒。圖9?零件、模樣、芯盒與鑄件的關(guān)系十一、鑄件常見缺陷分析鑄造工藝過程復(fù)雜，影響鑄件質(zhì)量的因素很多，往往由于原材料控制不嚴(yán)，工藝方案不合理，生產(chǎn)操作不當(dāng)，管理制度不完善等原因，會(huì)使鑄件產(chǎn)生各種鑄造缺陷。常見的鑄件缺陷名稱、特征和產(chǎn)生的原因見表1。常見鑄件缺陷及其預(yù)防措施見表2。12 表1常見鑄件缺陷及產(chǎn)生原因缺陷名稱特征產(chǎn)生的主要原因氣孔在鑄件內(nèi)部或表面有大小不等的光滑孔洞①爐料不干或含氧化物、雜質(zhì)多；②澆注工具或爐前添加劑未烘干；③型砂含水過多或起模和修型時(shí)刷水過多；④型芯烘干不充分或型芯通氣孔被堵塞；⑤春砂過緊，型砂透氣性差；⑥澆注溫度過低或澆注速度太快等縮孔與縮松縮孔多分布在鑄件厚斷面處，形狀不規(guī)則，孔內(nèi)粗糙①鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如壁厚相差過大，厚壁處未放冒口或冷鐵；②澆注系統(tǒng)和冒口的位置不對(duì)；③澆注溫度太高；④合金化學(xué)成分不合格，收縮率過大，冒口太小或太少砂眼在鑄件內(nèi)部或表面有型砂充塞的孔眼①型砂強(qiáng)度太低或砂型和型芯的緊實(shí)度不夠，故型砂被金屬液沖入型腔；②合箱時(shí)砂型局部損壞；③澆注系統(tǒng)不合理，內(nèi)澆口方向不對(duì)，金屬液沖壞了砂型；④合箱時(shí)型腔或澆口內(nèi)散砂未清理干凈粘砂鑄件表面粗糙，粘有一層砂粒①原砂耐火度低或顆粒度太大；②型砂含泥量過高，耐火度下降；③澆注溫度太高；④濕型鑄造時(shí)型砂中煤粉含量太少；⑤干型鑄造時(shí)鑄型未刷涂斜或涂料太薄夾砂鑄件表面產(chǎn)生的金屬片狀突起物，在金屬片狀突起物與鑄件之間夾有一層型砂①型砂熱濕拉強(qiáng)度低，型腔表面受熱烘烤而膨脹開裂；②砂型局部緊實(shí)度過高，水分過多，水分烘干后型腔表面開裂；③澆注位置選擇不當(dāng)，型腔表面長時(shí)間受高溫鐵水烘烤而膨脹開裂；④澆注溫度過高，澆注速度太慢錯(cuò)型①模樣的上半模和下半模未對(duì)準(zhǔn)；②12 鑄件沿分型面有相對(duì)位置錯(cuò)移合箱時(shí)，上下砂箱錯(cuò)位；③上下砂箱未夾緊或上箱未加足夠壓鐵，澆注時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)箱冷隔鑄件上有未完全融合的縫隙或洼坑，其交接處是圓滑的①澆注溫度太低，合金流動(dòng)性差；②澆注速度太慢或澆注中有斷流；③澆注系統(tǒng)位置開設(shè)不當(dāng)或內(nèi)澆道橫截面積太??；④鑄件壁太??；⑤直澆道（含澆口杯）高度不夠；⑥澆注時(shí)金屬量不夠，型腔未充滿澆不足鑄件未被澆滿裂紋鑄件開裂，開裂處金屬表面有氧化膜①鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，壁厚相差太大，冷卻不均勻；②砂型和型芯的退讓性差，或春砂過緊；③落砂過早；④澆口位置不當(dāng)，致使鑄件各部分收縮不均勻?表2常見鑄件缺陷及其預(yù)防措施序號(hào)缺陷名稱缺陷特征預(yù)防措施1氣孔在鑄件內(nèi)部、表面或近于表面處，有大小不等的光滑孔眼，形狀有圓的、長的及不規(guī)則的，有單個(gè)的，也有聚集成片的。顏色有白色的或帶一層暗色，有時(shí)覆有一層氧化皮。降低熔煉時(shí)金屬的吸氣量。減少砂型在澆注過程中的發(fā)氣量，改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，提高砂型和型芯的透氣性，使型內(nèi)氣體能順利排出。2縮孔在鑄件厚斷面內(nèi)部、兩交界面的內(nèi)部及厚斷面和薄斷面交接處的內(nèi)部或表面，形狀不規(guī)則，孔內(nèi)粗糙不平，晶粒粗大。壁厚小且均勻的鑄件要采用同時(shí)凝固，壁厚大且不均勻的鑄件采用由薄向厚的順序凝固，合理放置冒口的冷鐵。3縮松在鑄件內(nèi)部微小而不連貫的縮孔，聚集在一處或多處，晶粒粗大，各晶粒間存在很小的孔眼，水壓試驗(yàn)時(shí)滲水。壁間連接處盡量減小熱節(jié)，盡量降低澆注溫度和澆注速度。4渣氣孔12 在鑄件內(nèi)部或表面形狀不規(guī)則的孔眼?？籽鄄还饣?，里面全部或部分充塞著熔渣。提高鐵液溫度。降低熔渣粘性。提高澆注系統(tǒng)的擋渣能力。增大鑄件內(nèi)圓角。5砂眼在鑄件內(nèi)部或表面有充塞著型砂的孔眼。嚴(yán)格控制型砂性能和造型操作，合型前注意打掃型腔。6熱裂在鑄件上有穿透或不穿透的裂紋（注要是彎曲形的），開裂處金屬表皮氧化。嚴(yán)格控制鐵液中的S、P含量。鑄件壁厚盡量均勻。提高型砂和型芯的退讓性。澆冒口不應(yīng)阻礙鑄件收縮。避免壁厚的突然改變。開型不能過早。不能激冷鑄件。7冷裂在鑄件上有穿透或不穿透的裂紋（主要是直的），開裂處金屬表皮氧化。8粘砂在鑄件表面上，全部或部分覆蓋著一層金屬（或金屬氧化物）與砂（或涂料）的混（化）合物或一層燒結(jié)構(gòu)的型砂，致使鑄件表面粗糙。減少砂粒間隙。適當(dāng)降低金屬的澆注溫度。提高型砂、芯砂的耐火度。9夾砂在鑄件表面上，有一層金屬瘤狀物或片狀物，在金屬瘤片和鑄件之間夾有一層型砂。嚴(yán)格控制型砂、芯砂性能。改善澆注系統(tǒng)，使金屬液流動(dòng)平穩(wěn)。大平面鑄件要傾斜澆注。10冷隔在鑄件上有一種未完全融合的縫隙或洼坑，其交界邊緣是圓滑的。提高澆注溫度和澆注速度。改善澆注系統(tǒng)。澆注時(shí)不斷流。11澆不到由于金屬液未完全充滿型腔而產(chǎn)生的鑄件缺肉。提高澆注溫度和澆注速度。不要斷流和防止跑火。12