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(共29张PPT)
模块三　热加工基础
课题一　铸造
课题二　锻压
课题三　焊接
课题四　钢的热处理
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课题一　铸造
一、铸造基础知识
１.铸造及其特点　　
铸造是将熔融金属浇入型腔,凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法.用铸件方法获得的金属件称为铸件.铸造生产具有以下特点:
①铸件的形状与零件尺寸较接近,可以制成外形和内腔十分复杂的零件,可节省金属材料,减少切削加工工作量.
②原材料来源广泛,还可利用金属废料和报废的机件;工艺设备费用少,生产周期较短,成本较低.
③铸造工序较多,有些工艺过程难以控制,质量不够稳定,废品率较高,铸态组织晶粒粗大,力学性能较差.因此,对于承受动载荷的重要零件一般不采用铸件作为毛坯.
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课题一　铸造
④适用范围较广,能制造各种尺寸和形状复杂的铸件.绝大多数金属均能用铸造方法制成铸件,工业生产中常用的金属材料,如各种铸铁、非合金钢、合金钢、有色金属等都可用来铸造,有些材料(如铸铁)只能用铸造方法来制取零件,铸件的质量可以从几克到２００吨以上,铸件占机器总重量的４０％~８５％.
２.铸造方法　　
在铸造生产中最基本的方法是砂型铸造,除砂型以外的铸造方法统称为特种铸造,包括金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造、挤压铸造、陶瓷铸造、差压铸造、低压铸造、连续铸造、消失模铸造等.
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３.铸造安全技术　　
铸造是热加工车间,生产工序繁多,技术复杂,劳动条件比较差,事故的发生也比别的工种多,所以,要高度重视安全技术,严格按照操作规程生产,对保证工人的身体健康和生产的正常进行有很重要的意义.不同工种的安全要求不一样,为彻底避免事故的发生,一般要注意以下几个方面:
①熔炼、浇注、型砂处理、备料人员应穿戴专用的防护工作服、帽、皮鞋及防护眼镜.
② 混砂时,要严防铁块、铁钉等杂物混入砂中,以免造成设备损坏事故.
③砂箱堆放要平稳,搬动砂箱时要注意轻放,以防砸伤手脚.
④严禁从冒口处观察铁液,浇包对面不准站人以防铁液喷出伤人.
⑤浇注高大铸件时,要选择稳定及有退路的地方站稳,方可浇注.
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课题一　铸造
⑥接触金属熔液、炉渣的工具和浇包,必须保持干燥.挡渣用的铁棍不允许用空心棒,一定要预热,以防爆炸.
⑦浇注小件尽量采用小浇包,浇注大型铸件要有专人扒渣、挡渣、引气,以免发生爆炸.
⑧往浇包内注入金属熔液时,液面与浇包上沿的距离不得小于浇包内壁高度的八分之一.以防金属液外溢伤人.
⑨剩余铁液不得乱倒,必须倒在预热后的锭模中.
⑩所有抬浇包人的行动都要协调,抬起或放下的动作要一致.如果发现金属液飞溅甚至烫伤人时,不能将浇包随意乱丢,以免造成更大的事故.
11、不要用手脚去接触尚未冷却的铸件.
12、在炉料破碎或铸件清理时,要注意周围环境,防止伤人.
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课题一　铸造
二、砂型铸造
１.砂型铸造的工艺过程　　
砂型铸造是指用型砂紧实成形的铸造方法.砂型铸造工艺过程如图３-１所示.图３-２为齿轮毛坯的砂型铸造过程.
２.造型材料　　
制造材料型砂的基本原料是铸造砂和型砂黏结剂.最常用的铸造砂是硅质砂;型砂黏结剂,是将松散的砂粒黏结起来成为型砂.砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成,制造铸型或型芯用的材料,称为造型材料.造型材料包括型砂、芯砂及涂料等.造型材料应具备良好的性能:
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①可塑性,以便于造型;②足够的强度,以保证在修整、搬运及液体金属浇注时受冲击和压力作用下,不致变形或毁坏;③高的耐火度,以保证在高温液体金属注入时不熔化;④良好的透气性;⑤一定的退让性等.
３.造型方法　　
造型就是用型砂和模样制造铸型的过程.造型方法分手工造型和机器造型两大类.一般单件和小批量生产都用手工造型.在大量生产时,主要采用机器造型.
(１)手工造型.全部用手工或手动工具完成的造型工序称为手工造型.按砂箱特征分有两箱造型、三箱造型(图3-3)、脱箱造型、地坑造型、组芯造型;按模型特征分有整模造型(图３-４)、分模造型(图３-５)、挖砂造型(图3-６)、假箱造型、活块造型(图３-７)、刮板造型等方法.
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几种常用的手工造型方法的特点和适用范围见表３-１
(２)机器造型.机器造型是指用机器全部地完成或至少完成紧砂操作的造型工序.机器造型的实质就是用机器代替手工紧砂和起模,它是现代化铸造生产的基本方法,适用于成批大量生产.
机器造型两个主要工序是紧砂和起模.
①紧砂方法常用的紧砂方法有:压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实等,其中以震压紧实应用最广.图３-８(a)、(b)为震压紧实方法.
②起模方法常用的起模方法有顶箱、漏模、翻转三种.图３-８(c)为顶箱起模方法.随着生产的发展,新的造型设备将会不断出现,使整个造型和造芯过程逐步地实现自动化.
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４.典型浇冒系统　　
(１)浇注系统.浇注系统是指液体金属流入砂型型腔的通道.浇注系统能平稳地将金属液导入铸型型腔,控制金属液流入砂型型腔时的方向压力和速度;还可挡渣、排气;供给铸件冷凝收缩时所需补充的金属液体;调节铸件各个部分的温度及控制凝固顺序.它对保证铸件质量极为重要.浇注系统通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成,如图３-９所示.
①浇口杯是直接承接铁水且位于直浇道顶部的扩大部分.它既可方便浇注又能减缓金属液对铸型的冲击.浇口杯可单独制造或直接在铸型内制出.
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②直浇道是连接横浇道与浇口杯的垂直通道.盛满金属液后,垂直的液柱形成充型压力,使金属液迅速自动充满型腔.改变它的高度,可改变金属液的充型能力或速度.
③横浇道连接内浇道和直浇道的水平通道.位于内浇道的上方,主要起挡渣作用.
④内浇道引导金属液进入型腔的道口.内浇道的位置、方向和大小决定着金属液进入型腔的部位、速度和流向,从而可控制铸件的凝固顺序.一般开设在铸件的重要部位(重要的加工面),铸件壁厚均匀的开在薄壁处,壁厚差别大的开在厚壁处.要避免金属液流冲击砂芯或砂型的凸出部分,还要考虑便于清理.内浇道设置的好坏极大地影响着铸件的质量.
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(２)冒口.对于易产生缩孔的铸件,还需开设冒口.它是铸型内储存供补缩铸件用的熔融金属的空腔;还起排气、集渣等作用.冒口一般开设在铸件最后凝固的部位或容易产生缩孔部位的上方或侧面,一般由冒口体和冒口颈组成,冒口体主要存储金属液,冒口颈形成冒口的补缩通道.
(３)冷铁.冷铁是一块金属激冷物,利用金属导热比型砂快得多的原理,调节铸件各部分的冷却速度,控制铸件凝固顺序.
冒口和冷铁配合,可减少冒口数量,细化晶粒,提高铸件力学性能.
５.熔炼　　
金属熔炼质量的好坏对能否获得优质铸件有着重要的影响.如果金属液的化学成分不合格,就会降低铸件的力学性能和物理性能.
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金属液的温度过低,会使铸件产生冷隔、浇不足、气孔和夹渣等缺陷;金属液的温度过高会导致铸件总收缩量增加、吸收气体过多、粘砂等缺陷.铸造生产常用的熔炼设备有冲天炉(适于熔炼铸铁)、电弧炉(适于熔炼铸钢)、坩埚炉(适于熔炼有色金属)、感应加热炉(适于熔炼铸钢和铸铁等).
６.合型、浇注、落砂、清理和检验　　
合型是指将铸型的各个组元,如上型、下型、型芯、浇口杯等组合成一个完整铸型的操作过程.合型后要保证铸型型腔几何形状、尺寸的准确性和型芯的稳固性.型芯放好并经检验后,才能扣上上型和放置浇口杯.合型后应将上、下型两型紧扣或用压铁压住,以防金属液抬起上砂箱流出型外.
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将金属液从浇包注入铸型的操作,称为浇注.金属液的浇注温度对铸件质量有很大影响.若浇注温度过高,金属液吸气多,液体收缩大,铸件容易产生气孔、缩孔、裂纹及粘砂等缺陷.若浇注温度过低,金属液流动性变差,会产生浇不足、冷隔等缺陷.
落砂是指用手工或机械使铸件和型砂(芯砂)、砂箱分开的操作过程.浇注后,必须经过充分的凝固和冷却才能落砂.落砂过早,铸件易产生较大应力,从而导致变形或开裂;此外,铸铁件还会形成白口组织,从而使铸件切削加工困难.
落砂后,从铸件上清除表面粘砂、型砂(芯砂)、多余金属等操作称为清理.清理主要是去除铸件上的浇口、冒口、型芯、粘砂以及飞边毛刺等部分.
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清理后对铸件进行检验,检验合格后成为铸件.
三、特种铸造
与砂型铸造相比,特种铸造能避免砂型起模时的型腔扩大和损伤、合型时定位的偏差、砂粒造成的铸件表面粗糙和粘砂,并降低表面粗糙度,从而使铸件的质量大大提高.
１.金属型铸造　　
金属型铸造是指在重力作用下将熔融金属浇入金属型获得铸件的铸造方法.金属型一般用铸铁和铸钢制成,铸件的内腔既可用金属型芯、也可用砂芯.
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一个金属型可以浇注几百次至几万次,实现了“一铸多型”,节省了造型的工时和材料,提高了生产率,改善了劳动条件,所得到的铸件尺寸精确,表面光洁,机械加工余量小,结晶颗粒细,力学性能较高.
但金属型铸造周期较长,制造成本高,无退让性,铸型热导速度快,使金属的流动性很快降低,易产生浇不足、冷隔、气孔、裂纹等缺陷.故不适用于单件、小批生产和形状复杂的大型薄壁零件.图３-１０是垂直分型式金属型.
金属型主要用于非铁合金(铝合金、铜合金或镁合金)铸件的大批生产,如活塞、气缸体、气缸盖、液压泵壳体等.
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２.压力铸造　　
压力铸造是将熔融金属在高压下高速充型,并在压力下凝固的铸造方法.
压铸机是压力铸造的主要设备.压铸机可分为热压室式和冷压室式两类.冷压室式有立式和卧式两种,图３-１１是立式冷压室式压铸机工作原理示意图.其工艺过程为,首先使动型与定型合紧,用活塞将压塞中的熔融金属压射到型腔,凝固后打开铸型并顶出铸件.
压力铸造以金属为基础,保留了金属型铸造的一些特点.压力铸造是高压高速下注入金属液,故可铸造形状复杂、轮廓清晰的薄壁铸件,各种孔眼、螺纹、精细的花纹图案,都可采用压力铸造.压力铸造产品质量好,生产效率高,经济效果优良.
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３.离心铸造　　
将熔融金属浇入到水平、倾斜或立轴旋转的铸型,在离心力作用下凝固成铸件的方法,称为离心铸造.
离心铸造机根据转轴位置不同,分为立式、卧式和倾斜式三种,铸型的旋转轴线处于水平状态或与水平线夹角很小(４°)时的离心铸造称为卧式离心铸造.铸型的旋转轴线处于垂直状态时的离心铸造称为立式离心铸造.铸型旋转轴线与水平线和垂直线都有较大夹角的离心铸造称为倾斜轴离心铸造,但应用很少.工作原理如图３-１２所示.当当铸型绕垂直轴线回转时,浇注入铸型中的熔融金属的自由表面呈抛物线形状,因此它主要用来生产高度小于直径的圆环类短铸件.
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当铸型绕水平轴线回转时,浇注入铸型中的熔融金属的自由表面呈圆柱形,中空铸件无论在长度或圆周方向的壁厚都比较均匀.故卧式离心铸造机的应用较广,主要用来生产长度大于直径的套类和管类铸件.
铸造圆形中空铸件不用型芯,不用浇注系统,减少了金属耗材,还可以铸造双层金属铸件.离心铸造主要用于铸造钢、铸铁、有色金属等材料的各类管状零件的毛坯.
４.熔模铸造　　
熔模铸造又称失蜡铸造是指用易熔材料(如蜡料)制成模样,在模样上包覆若干层耐火涂料,制成形壳,熔出模样后经高温焙烧,即可浇注的铸造方法.包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇铸金属液及后处理等工序.熔模铸造工艺过程如图３-１３所示.
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图３-１３中母模是用钢或铜合金制成的标准铸件,用来制造压型.压型是制造蜡模的特殊铸型,为了保证蜡模质量,压型的尺寸精度和表面质量要求很高.当铸件精度高或大批量生产时,压型用钢、铝合金或锡青铜制成;铸件精度不高或生产批量不大时,可用易熔金属直接浇注出来.把配制熔化的蜡基材料压入压型,待冷却凝固后取出,即得到单个蜡模.许多蜡模连接在浇注系统上,成为蜡模组,将蜡模组浸挂由黏结剂和耐火材料配成的涂料后,然后放入硬化剂中做硬化处理,如此重复结成５~１０mm 的硬壳为止,即成形壳.再将型壳放入８５℃~９５℃热水中或高压蒸汽中,使蜡熔化流出,形成具有空腔的铸型,如图３-１３(g)所示.
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再为了提高铸型强度及排除残留挥发物和水分,需将型壳加热到８５０ ℃~９５０ ℃焙烧,然后将铸型放置在砂箱内,周围填砂,即可进行浇注。
熔模铸造的特点:铸型是一个整体,无分型面,不需起模和合箱等工序,所以浇注的铸件尺寸精确、表面粗糙度低.铸型加热到高温才能浇注,使金属液充填铸型的能力大大改善,故可浇注各种复杂形状的薄壁铸件.一般用熔模铸造制得的铸件,可减少或无须切削加工,甚至某些铸件只留打磨、抛光余量,大幅度节约金属原材料.但熔模铸造生产工艺复杂,生产周期长、成本高、铸件重量不能太大.故常用于中、小型形状复杂的精密铸件或高熔点、难以锻压或切削加工的铸件.
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５.消失模铸造　　
消失模铸造(又称实型铸造)是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型黏结组合成模型簇,刷涂耐火涂料并烘干后,埋在干石英砂中振动造型,在负压下浇注,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法.
(１)消失模铸造的工艺流程.
(２)消失模铸造与传统的砂型铸造相比有如下显著优点:
①消失模铸造不需要分型和下芯子,所以特别适用于几何形状复杂、传统铸造难以完成的箱体类、壳体类铸件、筒管类铸件.
②消失模铸用干砂埋模型,可反复使用,工业垃圾少,成本明显降低.
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②消失模铸用干砂埋模型,可反复使用,工业垃圾少,成本明显降低.
③消失模铸造没有飞边毛刺,清理工时可以减少８０％以上.
④消失模铸造可以一线多用,不仅可以做铸铁、球铁,还可以同时做铸钢件,所以转项灵活,适用范围广.
⑤消失模铸造不仅适用批量大的铸造件进行机械化操作,也适用于批量小的产品手工拼接模型.
⑥消失模铸造如果投资到位,可以实现空中无尘,地面无砂,劳动强度低,作业环境好,可将以男工为主的行业变成以女工为主的行业.
⑦消失模铸造取消了造型工序,有一定文化水平的人,经过短时间的培训就可以成为熟练的工人,特别适用技术力量缺乏的地区和企业.
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⑧消失模铸造适合群铸,干砂埋型脱砂容易,某些材质的铸件还可以根据用途进行余热处理.
⑨消失模铸造不仅适用于中小件,更适用做大型铸件,如:机床床身、大口径管件,大型冷冲模件,大型矿山设备配件等,因为模型制作周期短、成本低、生产周期也短,所以特别受到好评.
四、铸造新技术、新工艺
１.造型技术的新进展　　
(１)气体冲压造型.这是近年来发展迅速的低噪声造型方法.其主要特点是,将型砂填入砂箱和辅助框内,然后在短时间内快速释放阀门而给气,对松散的型砂进行脉冲冲击紧实成形,气体压力逐步增大(达３×１０５ Pa),可一次紧实成形,无须辅助紧实.
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空气冲击造型和燃气冲击造型两类.气体冲击造型具有砂型紧实度高、均匀合理、能生产复杂铸件、噪声小、节约能源、设备结构简单等优点,近年来发展较快,主要用于汽车、拖拉机、纺织机械所用铸件及水管的造型.
(２)静压造型.静压造型是黏土模砂生产工艺的一种,铸型的紧实方法是通过高压气体进行预紧实,然后再进行一次压头紧实的造型方式.静压造型的特点是消除了震压造型的噪声污染,型砂紧实效果好,铸件尺寸精度高.其工艺过程为:首先将填满型砂的砂箱置于装有通气塞的模板上,通以压缩空气,使之穿过通气塞排出,同时型砂被压实在模板上.越靠近模板,型砂紧实度越高.最后用压实板在型砂上部进一步压实,使其上、下紧实度均匀,起模后即成为铸型.
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(３)真空密封造型(V 法造型).真空密封造型(V 法造型)又称真空薄膜造型法、减压造型法,是一种物理造型法,其基本原理是将真空技术与砂型铸造结合,靠塑料薄膜将砂型的型腔面和背面密封起来,借助真空泵抽气产生负压,造成砂型内、外压差使型砂紧固成形,经下芯、合箱、浇注,待铸件凝固,解除负压或停止抽气,型砂便随之溃散而获得铸件.真空密封造型有利于金属液的充型,生产的铸件尺寸精度高、轮廓清晰、表面光洁,适合于铸造薄壁铸件,是目前较先进又非常具有发展前途的铸造方法.在航空、冶金、机械加工等领域,配合使用计算机技术进行辅助模拟,预测铸造缺陷的产生,能大幅度节约时间,降低生产费用,提高铸件的生产效率.
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2.快速成形技术(RPT)　　
快速成形技术是用激光作为能源的快速成形技术,它集成了现代数控技术,CAD/CAM 技术、激光技术和新型材料科学成果等多学科交叉多技术集成的先进制造技术.突破了传统的加工模式,大大缩短了产品的生产周期.快速成形属于添加成形,严格的讲是离散/堆积成形,将计算机上制作的零件三维模型进行网格化处理并储存,对齐进行分层处理,得到各层截面的二维轮廓信息,按照这些轮廓信息生成加工路径,由成形头在控制系统的控制下,选择性地固化或切割一层层的成形材料,形成各个截面轮廓薄片,并逐渐顺序叠加成三维坯件,然后进行坯件的后处理,形成零件.
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目前正在应用与开发的快速成形技术(RPT)有:SLA(激光立体光刻成形技术)、SLS(激光粉末选区烧结成形技术)、FDM(熔丝沉积成形工艺)、LOM(分层叠纸制造成形工艺)和DSPC(直接制壳生产铸件的工艺)等.每种技术都基于相同的原理,只是实现的方法不同而已.
３.计算机在铸造中的应用　　
当前,计算机在铸造过程中的管理、设计、制造、测控、工艺、凝固模拟等方面得到了广泛的应用.
一个完整的铸造工艺计算机辅助设计CAD 系统包括三个功能模块:设计计算和数值模拟;图形生成和编辑;相关数据库.设计过程包括前处理、工艺设计、校核检验和后处理四部分.
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计算机辅助设计CAD系统就是利用计算机协助制造工艺设计者确定方案、分析铸件质量、优化铸造工艺、估计铸造成本、显示并绘制铸造工艺图等,把计算机的快速性、准确性与设计人员的思维、综合分析能力结合起来,可以加快设计进程,提高设计质量,加速产品更新换代,提高产品竞争能力.
计算机在精铸业中的应用,克服了精铸生产过程的缺点,使得精铸生产技术更加灵活,适应性更强,更适应现代工业对铸件快速、优质、复杂的要求.与传统的铸造工艺设计方法相比,用计算机设计铸造工艺有如下特点:
①为技术人员设计合理的工艺方案提供依据.
②压型和熔模制造周期大大缩短.
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③DSPC法直接制造型壳,省去了传统制壳一层一层涂挂型壳的漫长周期.
④利用计算机控制激光制作陶瓷型芯,可以生产出复杂的陶瓷型芯
⑤计算机技术的应用将成为精铸业的发展趋势.
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