铸件设计的工艺性和铸件结构要素

发布日期:[15-12-29 19:40:18] 浏览人次:[]

铸造技术发展趋势及新一代精确铸造技术

发展方向

轻量化、精确化、强韧化、高效化、数字化、网络化和清洁化

一、铸件轻量化

近年来,对通过降低产品自重,以降低能源消耗和减少环境污染,提出了更迫切的需要,由于铝、镁合金的质量轻以及它们的优异性能,受到各国的普遍重视,尤其是镁合金是金属中最轻的,而且其产品材料回收率高,被认为是一种最具开发和发展前途的“绿色材料”。例如,美国福特汽车公司新车型中使用的主要材料中钢铁用量将大幅度减少,将从978kg降低到218kg,而铝及镁合金将显著增加,铝合金将从129kg增加到333kg,镁合金将从4.5kg增加到39kg。专家预测,到2009年,74%的汽车发动机汽缸体及98%的缸盖将用铝合金铸造。

二、铸件的精确化——新一代的精确铸造技术

名称

原理和特点

适用生产的铸件

出品率

毛坯

利用率

应    用

材料

(1)质量

(2)最小壁厚/mm

(1)尺寸公差

(2)表面粗糙度/μm

形状

特征

批量

/%

消 失 模 铸 造

是先用成形机获得零件形状的泡沫塑料模型(代替铸模进行造型),接着涂抹耐火涂料及干燥,然后放入砂箱中填砂,并直接浇注液体金属,烧去塑料模型,得到铸件的方法。是一种近无余量,精确成形的新工艺

它无需取模,无分型面,无砂芯,并减少了由于型芯组合、合型而造成的尺寸误差,因此,铸件没有飞边、毛刺和超模斜度,尺寸精度高;工序简单,生产效率高;生产清洁,工人劳动强度低,要求技术熟练程度低;零件设计自由度大;投资少,成本低;但生产准备较复杂

合肥合力叉车集团公司生产的这类铸件,已达国际先进水平

铝合金、铜合金、铁、钢

(1)从数克到数吨

(2)铝合金2~3,铸铁4~5,铸钢5~6

(1)CT6~CT

9级

(2)Ra=6.3~12.5,加工余量最多为1.5~2mm

干砂振动造型,大批量,中、小件;自硬砂造型,单件,小批量,中、大件

40~75

70~80

铸件结构越复杂,砂芯越多,越能体现其优越性和经济性。目前国外多用在汽车发动机缸体、缸盖、进气歧管等铝合金铸件上,国内多是管件、耐磨耐热件、齿轮箱等钢铁铸件

顺 序 凝 固 熔 模 铸 造

由于科学技术的发展,传统的失蜡铸造技术已发展成为顺序凝固熔模铸造新技术,可以直接生产高温合金单晶体燃气轮机叶片

(见图),这是精确铸造成形技术在航空、航天工业中应用的杰出范例。从20世纪60年代初期等轴晶高温合金实心涡轮叶片发展到20世纪90年代中期单晶高温合金空心涡轮叶片,叶片的承温能力提高了400℃左右。单晶高温合金涡轮叶片已在航空发动机上获得广泛应用(见图1)。美国第四代战斗机F22所用的推重比为10的发动机的第二代单晶合金高压涡轮空心工作叶片是材料与铸造成形制造技术高度集成的杰出体现。在这方面,我国与美国等工业发达国家相比,仍有较大差距。

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图1  单晶高温合金涡轮叶片的应用

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熔模铸造(又称失蜡铸造)

它是用可熔(溶)性一次模和一次型(芯)使铸件成形的方法。其铸件接近零件最后形状,可不加工,或加工量很小,就可直接使用,是一种近净形生产金属零件的先进工艺

它可以铸造形状复杂的铸件;产品精密;合金材料不受限制;生产灵活性高,适应性强

但生产铸件尺寸不能太大,工艺流程烦琐,铸件冷却速度较慢,生产周期长

铝、镁、铜、钛四种合金,铸铁、碳钢、不锈钢、合金钢、贵金属、镍、钴基高温合金

(1)1g到1t

(2)最小壁厚

0.5mm,最小孔径05mm,轮廓尺寸从几毫米到上千毫米

(1)CT4~CT6级

(2)Ra=0.4~3.2μm

复杂

铸件

小、中、大批量

30~60

90

主要用于精密复杂的中、小铸件,目前几乎已应用于所有工业部门,如航空航天、造船、汽轮机、燃气轮机、兵器、电子、石油、化工、交通运输、机械、泵、阀、纺织、医疗、仪器仪表、家电等

半  固  态  金  属  铸  造

是利用球状初生固相的固液混合浆料铸造成形;或先将这种固液混合浆料完全凝固成坯料,再根据需要将坯料切分,并重新加热至固液两相区,利用这种半固态坯料进行铸造成形。这两种方法均称为半固态金属铸造。其工艺过程主要分为两大类工艺过程

由于半固态金属及合金坯料的加热、输送很方便,并易于实现自动化操作,因此,当固态金属触变压铸和触变锻造已成为当今金属半固态成形中的主要工艺方法。但流程更短、成本更低的半固态金属及合金的流变成形技术也正在逐步进入实际商业应用

例如,利用触变铸造法,1997年美国两家半固态铝合金成形工厂的生产能力分别达到每年5000万件,近年来,它的一些主要零件毛坯年产量为:制动总泵体240万件,油道和发动机支架各100万件,摇臂座150万~200万件,同步带托座20万件。另一公司利用镁合金触变射铸技术生产了50余万件半固态镁合金汽车零件。北京科技大学也成功连续铸出球状初生晶粒的AlSi7Mg合金坯料,并触变成形出汽车制动总泵壳及其他零件,触变成形实验达到中试水平等

工 艺 过 程 分 类

(1)流变铸造 是利用剧烈搅拌等方法制出预定固相分散的半固态金属料浆进行保温,然后将其直接送入成形机,铸造或锻造成形。采用压铸机成形的称为流变压铸,采用锻造机成形的,称为流变锻造

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图2  半固态金属流变压铸示意图

1—搅拌棒;2—合金液;3—加热器;4—冷却器;5—搅拌室;

6—半固态合金浆料;7—压射冲头;8—压铸压射室;9—压铸型

(2)触变铸造 也是利用剧烈搅拌等方法制出球状晶的半固态金属料浆,并将它进一步凝固成锭坯或坯料,再按需要将坯料分切成一定大小,重新加热至固液两相区,然后利用机械搬运将其送入成形机,进行铸造或锻造。根据采用成形机不同,也可分为触变压铸、触变锻造等

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图3  半固态金属触变压铸示意图

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图4  半固态金属触变压铸设备平面布置图

1—坯料搬运机器人;2—H-630SC型压铸机;3—铸件抓取机器人;

4—浇注系统锯切机构;5—铸件冷却箱;

6—涂料喷涂装置;7—加热系统

①在重力下,重熔加热后的黏度很高,可机械搬运,便于实现自动化,在高速剪切作用下,黏度又可迅速降低,便于铸造;②生产效率高;③改善了金属的充型过程,不易发生喷溅,减少了合金的氧化和铸件裹气,提高了铸件的致密性,可通过热处理进一步强化,其强度比液体金属压铸件更高;④减少了凝固收缩,铸件收缩孔洞减少,可承受更高液体压力;⑤铸件不存在宏观偏析,性能更均匀;⑥其固相分散,便于调整,借此改变半固态金属料浆或坯料的表面黏度以适应不同工件的成形要求;⑦铸件为近终化成形,大幅度减少毛坯加工量,降低了生产成本;⑧充型温度低,减轻了对模具的热冲击,提高了模具寿命;⑨节约能源25%~30%;⑩操作更安全,工作环境更好;(11)半固态金属的黏度较高,便于加入增强材料(颗粒或纤维)廉价生产复合材料;(12)充填应力显著降低,因此,可成形很复杂的零件毛坯,其铸件性能与固态锻件相当,而降低了成本

不同铸件力学性能比较

A356和A357合金半固态触变压铸件与其他铸件的力学性能比较

合金

种类

成形

工艺

热处

理工

屈服

强度

/MPa

抗拉

强度

/MPa

伸长

/%

硬度

HBS

合金

种类

成形

工艺

热处

理工

屈服

强度

/MPa

抗拉

强度

/MPa

伸长

/%

硬度

HBS

A356

SSM

SSM

SSM

SSM

SSM

PM

PM

CDF

铸态

T4

T5

T6

T7

T6

T51

T6

110

130

180

240

26

186

138

280

220

250

255

320

310

262

186

340

14

20

5~10

12

9

5

2

9

60

70

80

105

100

80

A357

SSM

SSM

SSM

SSM

SSM

PM

PM

铸态

T4

T5

T6

T7

T6

T51

115

150

200

260

290

296

145

220

275

285

330

330

359

200

7

15

5~10

9

7

5

4

75

85

90

115

110

100

注:SSM—半固态触变压铸件,PM—金属型铸件,CDF—闭模锻件。

快  速  铸  造

快速铸造是利用快速成形技术直接或间接制造铸造用熔模、消失模、模样、模板、铸型或型芯等,然后结合传统铸造工艺快捷地制造铸件的一种新工艺

快速铸造与传统铸造比较有下列特点:

(1)适宜小批量、多品种、复杂形状的铸件

(2)尺寸任意缩放,数字随时修改,所见即所得

(3)工艺过程简单,生产周期短,制造成本低

(4)返回修改容易

(5)CAD三维设计所有过程基于同一数学模型

(6)设计、修改、验证、制造同步

快速铸造可以将CAD模型快速有效地转变为金属零件。它不仅能使过去小批量、难加工、周期长、费用高的铸件生产得以实现,而且将传统的分散化、多工序的铸造工艺过程集成化、自动化、简单化。它的推广应用对新产品开发试制和单件小批量铸件的生产,产生积极的影响,SLA或SL适合成形中、小件,可直接得到类似塑料的产品

快速成形技术 是指在计算机控制与管理下,根据零件的CAD模型,采用材料精确堆积的方法制造原型或零件的技术,是一种基于离散/堆积成形原理的新型制造方法

原   理

它是先由CAD软件设计出所需零件的计算机三维实体模型,即电子模型。然后根据工艺要求,将其按一定厚度进行分层,把原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面信息)。再将分层后的数据进行一定的处理,加入加工参数,生成数控代码,在微机控制下,数控系统以平面加工方式,顺序地连续加工出每个薄层模型,并使它们自动粘接成形。这样就把复杂的三维成形问题变成了一系列简单的平面成形问题

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图5  快速成形的原理

特   点

它是一种新的成形方法,不同于传统的铸、锻、挤压等“受迫成形”和车、铣、钻等“去除成形”。它几乎能快速制造任意复杂的原型和零件,而零件的复杂程度对成形工艺难度、成形质量、成形时间影响不大

(1)高度柔性 它取消了专用工具,在计算机的管理和控制下可以制造任意复杂形状的零件,将信息过程和物理过程高度相关地并行发生,把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集中到一个制造系统中,使制造成本完全与批量无关

(2)技术高度集成 是计算机技术、数控技术、激光技术、材料技术和机械技术的综合集成。计算机

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图6  快速成形的过程

和数控技术为实现零件的曲面和实体造型、精确离散运算和繁杂的数据转换,为高速精确的二维扫描以及精确高效堆积材料提供了保证;激光器件和功率控制技术使采用激光能源固化、烧结、切割材料成为现实;快速扫描的高生产率喷头为材料精密堆积提供了技术条件等

(3)设计、制造一体化 由于采用了离散/堆积的加工工艺,工艺规划不再是难点,CAD和CAM能够顺利地结合在一起,实现了设计、制造一体化

(4)快速性 从CAD设计到原型加工完毕,只需几小时至几十小时,复杂、较大的零部件也可能达几百小时,从总体看,比传统加工方法快得多

几 种 典 型 工  艺

(1)液态光敏聚合物选择性固化成形

(简称SLA或SL) 这种工艺的成形机原理如图7所示,由液槽、升降工作台、激光器(为紫外激光器,如氦隔激光器、氩离子激光器和固态激光器)、扫描系统和计算机数控系统等组成。液槽中盛满液态光敏聚合物,带有许多小孔的升降工作台,在步进电动机的驱动下,沿Z轴作往复运动,激光器功率一般为10~200mW,波长为320~370nm,扫描系统为一组定位镜,它根据控制系统的指令,按照每一截面轮廓的要求作高速往复摆动,从而使激光器发出的激光束发射并聚焦于液槽中液态光敏聚合物的上表面,并沿此面作X-Y方向的扫描运动。在受到紫外激光束照射的部位,液态光敏聚合物快速固化形成相应的一层固态截面轮廓

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图7  液态光敏聚合物选择性固化成形机原理

1—激光器;2—扫描系统;3—刮刀;4—可升降工作台

1;5—液槽;6—可升降工作台2

它的成形过程如图8所示,升降工作平台的上表面处于液面下一个截面层厚的高度,该层液态光敏聚合物被激光束扫描发生聚合固化,并形成所需第一层固态截面轮廓后,工作台下降一层高度,液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层,刮刀按设定的层高,刮去多余的聚合物,再对新铺上的一层液态聚合物进行扫描固化,形成第二层所需固态截面轮廓,它牢固地黏结在前一层上,如此重复直到整个工件成形完成

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图8  液态光敏聚合物选择性固化成形过程

1—液槽;2—刮刀;3—可升降工作台;4

—液态光敏聚合物;5—制件

(2)薄形材料选择性切割成形(简称LOM) 这种工艺的成形机原理如图9所示,它由计算机、原材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。其成形过程如图10所示,计算机接受和存储工件的三维模型,沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线,向数控系统发出指令,原材料存储及进给机构将存于其中的原材料逐步送至工作台上方,热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线,逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线,并将无轮廓区切割成小方网格,这是为了在成形之后能剔除废料,可升降工作台支承正在成形的工件,并在每层成形之后,降低一层材料厚度,以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令,使一段段的材料逐步送至工作台的上方,然后粘合、切割,最终形成三维工件

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图9  薄形材料选择性切割成形机原理

1—计算机;2—激光切割系统;3—热粘压机构;

4—导向辊1;5—原材料;6—原材料存储及送进机构;

7—工作台;8—导向辊2

最适合成形中、大件以及多种模具

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图10  薄形材料选择性切割成形过程

(3)丝状材料选择性熔覆成形(简称FDM) 这种工艺的成形机的原理图如图11所示,加热喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓的信息作X-Y平面运动和Z方向运动。丝状热塑性材料,如ABS及MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂丝、尼龙丝、聚酰胺丝等由供丝机构送至喷头,并在喷头中加热至熔融态,然后被选择性地涂覆在工作台上,快速冷却后形成截面轮廓。完成一层成形后,喷头上升一截面层的高度,再进行下一层的涂覆,如此循环,最终形成三维产品。为提高成形效率,可采用多个热喷头进行涂覆。由于结构的限制,加热器的功率不能太大,因此,实芯柔性丝材一般为熔点不太高的热塑性塑料或蜡料

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图11 丝状材料选择性熔覆成形机的原理

1—供丝机构;2—丝状材料;

3—制件;4—加热喷头

适合制造中、小塑料件和蜡件

(4)粉末材料选择性黏结成形(简称TDP) 是用多通道喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息在铺好的一层粉末材料上有选择性地喷射黏结剂使部分粉末黏结,形成截面轮廓。一层成形完成后,工作台下降一截面层的高度,再进行下一层的黏结,如此循环,最终形成三维工件。一般情况下,黏结得到的工件必须放在加热炉中,进一步固化或烧结,以便提高黏结强度。其工艺原理如图12所示

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图12  粉末材料选择性黏结工艺原理

图13是按上述原理设计用于制作陶瓷模的TDP型快速成形机,它有一个陶瓷粉喷头1,在直线步进电动机的驱动下,沿Y方向作往复运动,向工作台面喷洒一层厚度为100~200μm的陶瓷粉;另一个黏结剂喷头2,也用步进电动机驱动,跟随1,有选择性地喷洒黏结剂,黏结剂液滴的直径为15~20μm

适合成形小件

几种典型工艺 该工艺成形工件表面不够光洁,必须对整个截面进行扫描黏结,成形时间较长。采用多喷头可提高成形效率

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图13  TDP型快速成形机

1—陶瓷粉喷头;2—黏结剂喷头;3—导轨1;

4—导轨2;5—驱动电动机;6—制件

三、数字化铸造——铸造过程的模拟仿真

原  理  和  特  点

应   用

计算材料科学随着计算机技术的发展,已成为一门新兴的交叉学科,是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第三个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致,可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此,模拟仿真成为当前材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算,它可以大幅度提高产品质量,增加材料出品率25%,降低工程技术成本13%~30%,降低人工成本5%~20%,增加投入设备利用率30%~60%,缩短产品设计和试制周期30%~60%等

多学科、多尺度、高性能、高保真及高效率是模拟仿真技术的努力目标,而微观组织模拟(从毫米、微米到纳米尺度)则是近年来研究的热点课题(图14)。通过计算机模拟,可深入研究材料的结构、组成及其各物理化学过程中宏观、微观变化机制,并由材料化学成分、结构及制备参数的最佳组合进行材料设计

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图14  未来的多尺度模拟仿真

在国外,多尺寸模拟已在汽车及航天工业中得到应用。福特汽车公司提出了虚拟铝合金发动机缸体研究,其目标是能预测缸体的疲劳寿命。国内在相场法研究铝合金枝晶生长、无脆自动机法研究铝合金组织演变及汽车球墨铸铁件微观组织与性能预测等方面均已取得重要进展。最近,成功地采用CA方法研究单晶体叶片的结晶过程及组织演变

铸造过程的宏观模拟在工程应用中已是一项十分成熟的技术,已有很多商品化软件如MAGMA、PROCAST、DEFORM及中国的铸造之星(FT-STAR)等,并在生产中取得显著的经济及社会效益

①长江三峡水轮机重62t的不锈钢叶片已由中国二重集团铸造厂,采用模拟仿真技术,经反复模拟得到最优化铸造工艺方案

,一次试制成功(2000年)

②一片重218t的热轧薄板用轧机机架铸件到全部18片冷热轧机机架铸件由马鞍山钢铁公司制造厂与清华大学合作,采用先进铸造技术和凝固过程计算机模拟技术,优质完成,仅用10个月,且节约了上千万元生产费用

 

(1)

产品及铸造工艺设计集成系统

现代的产品设计及制造开发系统是在网络化环境下以设计与制造过程的建模与仿真为核心内容,进行的全生命周期设计。美国汽车工业希望汽车的研发周期缩短为15~25个月,而20世纪90年代汽车的研发周期为5年。美国先进金属材料加工工程研究中心提出了产品设计/制造(铸造)集成系统在网络化环境下,产品零部件的设计过程中同时要进行影响产品及零部件性能的铸造等成形制造过程的建模与仿真,它不仅可以提供产品零部件的可制造性评估,而且可以提供产品零部件的性能预测。因此,在网络化环境下,铸造过程的模拟仿真将在新产品的研究与开发中发挥重要作用。图15为产品虚拟开发与传统方法比较

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图15  产品虚拟开发与传统方法比较

(2)

虚拟制造

虚拟制造是CAD、CAM和CAPP等软件的集成技术。其关键是建立制造过程的计算模型、模拟仿真制造过程。虚拟制造的基础是虚拟现实技术。所谓“虚拟现实”技术是利用计算机和外围设备,生成与真实环境一致的三维虚拟环境,使用户通过辅助设备从不同的“角度”和“视点”与环境中的“现实”交互

(3)

集成的设计、制造与管理信息系统是未来铸造企业取得成功的必要条件(见图16)。所有工程、铸造与管理系统无缝连接,确保在正确的时间与地点能实时作出正确的决定。可在异地进行实时、协同的分布式生产,建成“虚拟企业”

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图16  集成的设计、制造与管理信息系统

五、洁净化铸造——绿色铸造

美国在展望2010年的制造业前景时,进一步把“精确成形工艺”发展为“无废弃物成形加工技术(waste-freeprocess)”。所谓“无废弃物加工”的新一代制造技术是指加工过程中不产生废弃物;或产生的废弃物能在整个制造过程中作为原料而利用,并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量消耗,并对环境有利,从而成为今后推广的重要绿色制造技术。绿色铸造是长期的努力方向及目标,最近日本铸造工厂提出了3R的环境保护新概念(见图17),即:减少废弃物(reduce)、再利用(reuse)及再循环(recvcle)。德国制定了《产品回收法规》

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图17  与环境友好的3R日本铸造厂

铸铁和铸钢的特性与结构特点

材  料  特  性

结  构  特  点

综合力

学性能

壁厚变

化对力

学性能

的影响

冷却速

度的敏

感性

流动性

线收缩率

与体积收

缩率

缺口敏

感性

热稳

定性

综合力学性能低,抗压强度大,为本身抗拉强度的3~4倍,消震能力比钢大10倍,弹性模量较低

很大

很好

(1)可获得比铸钢更薄而复杂的铸件,铸件中残余内应力及翘曲变形较铸钢小

(2)对冷却速度敏感性大,因此薄截面容易形成白口和裂纹,而厚截面又易形成疏松,故灰铸铁件当壁厚超过其临界值时,随着壁厚的增加其力学性能反而显著降低

(3)表面光洁,因而加工余量比铸钢小,表面加工质量不高对疲劳极限不利影响小

(4)消震性高,常用来做承受振动的机座

(5)不允许用于长时间在250℃温度下工作的零件

(6)不同截面上性能较均匀,适于做要求高,而截面不一的较厚(大型)铸件

蠕墨铸铁

介于灰铸铁与球墨铸铁之间,冲击韧性及伸长率均比球墨铸铁低,而高于灰铸铁

比灰铸

铁小

 

加蠕化剂去硫去氧后,流动性良好

蠕化率越高,体积收缩率越小,接近灰铸铁。蠕化率越低,体积收缩率越大,接近球墨铸铁

 

热导率在球墨铸铁与灰铸铁之间

具有介于灰铸铁和球墨铸铁之间的良好性能, 如抗拉强度及屈服强度高于高强度灰铸铁而低于球墨铸铁,热传导性、耐热疲劳性、切削加工性、减振性近似一般灰铸铁,疲劳极限和冲击韧度不如球墨铸铁,但明 显地优于灰铸铁。铸造性能接近灰铸铁,因而铸造工艺简单,成品率高。由于蠕墨铸铁所具有的这些优异的综合性能,使其具有广泛应用的条件

(1)由于强度高,对断面的敏感性小,铸造性能好,因而可用来制造复杂的大型零件

(2)由于蠕墨铸铁具有较高的力学性能,同时还具有较好的导热性,因而常用来制造在热交换以及有较大温度梯度下工作的零件,如汽车制动盘、钢锭模、金属型等

(3)由于蠕墨铸铁的强度较高:致密性好,可用来代替孕育铸铁件,不仅节约了废钢,减轻了铸件重量(碳当量较高,强度却比灰铸铁高),铸件的成品率也大幅度提高,而且使铸件的气密性增加,这一点特别适用于液压件的生产

(4)加工蠕墨铸铁时的刀具寿命介于灰铸铁和球墨铸铁之间

(5)加工表面的表面粗糙度值通常比灰铸铁大

强度、塑性和弹性模量均比灰铸铁高,抗磨性好,比灰铸铁约大一倍,消震能力比灰铸铁低

与灰铸铁相近

比灰铸铁体积收缩率大而线收缩率小,易形成缩孔、缩松

与铸钢相近

(1)铸件多设计成均匀厚度,尽量避免厚大断面

(2)相连壁的圆角,不同壁厚的过渡段与铸钢相似

(3)球墨铸铁体积收缩率与铸钢相近,因此,其结构设计与铸钢相近;由于其流动性好,在某些情况下可代替铸钢作薄壁零件

(4)可制造在300~400℃温度下使用的零件

(5)可锻铸铁往往因化学成分控制不当引起铸件不合格而报废,但球墨铸铁的化学成分可在较宽范围内变动而不致引起极大的力学性能变化

退火前很脆,综合力学性能稍逊于球墨铸铁,冲击韧性比灰铸铁高3~4倍,是韧性与冲击值最好的一种铸铁

比灰铸铁差,比铸钢好

体积收缩率比铸钢还大,退火后最终线收缩率比灰铸铁小得多

较高

(1)体积收缩率大,目前只宜做厚度不大的零件,最合适厚度为5~16mm范围,避免十字形截面

(2)可锻铸铁是由白口铸铁热处理(退火或韧化)而得,故其不同厚度截面中的力学性能有很大变化,因此加工余量很小(尺寸<500mm的铸件为2~3mm)。同一铸件的厚度一定要均匀,厚度之比为1:1.6~1:2较合适

(3)一些薄截面、形状复杂、工作中又受震动的零件,如用铸钢,因其铸造性能差,不易得到合格品,且价格贵,用灰铸铁又嫌其塑性、韧性不足,可用可锻铸铁,如汽车后桥

(4)可以在300~350℃温度下使用

(5)铸件表面比一般灰铸铁光洁,表面韧性较好,适用于力学性能要求较高的表面不加工的毛坯件

(6)突出部分都要用筋加固

综合力学性能高,抗压强度与本身抗拉强度相等,消震性能低

不大

不好,其中低碳钢比高碳钢差,低合金钢又比碳钢差,但高锰钢较好

大,线收缩率约为2%,而灰铸铁只有0.5%~1%

(1)铸件壁厚比铸铁大,内应力翘曲较大,不易铸出复杂零件

(2)可做出大厚度铸件,其力学性能大厚度增加时没有显著降低,但必须使铸件保持顺序凝固的条件(即使铸件壁保持有一定的斜度和节点位于铸件上部等),以防止疏松与缩孔,但对一些壁较薄而且均匀的铸件,则应创造同时凝固的条件

(3)相连壁的圆角,不同壁厚的过渡段均比灰铸铁大

(4)减少节点及金属积聚比灰铸铁要求严格

(5)气体饱和倾向大,流动性差,表面杂质及气泡多,故加工余量比灰铸铁大

(6)含碳量增高,收缩率增加,导热性能降低,故高碳钢件容易发生冷裂,低合金钢比碳钢易裂,高锰钢导热性很差,收缩率大,很容易开裂,设计时更应强调,壁厚要均匀,转角要圆滑

用灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁制造汽车零件和钢锭模的技术经济比较

名称

6110柴油机(104kW)缸盖

集 成 块

EQ140汽车发动机排气管

毛坯质量

80kg,897mm×249mm×110mm,主要壁厚5.5mm,最大壁厚40mm

最小12kg(壁厚92mm)

最大136kg(壁厚280mm)

14.2kg,总长676.5mm,主要管壁5mm局部最大壁厚22mm

技术要求

该铸件结构复杂,系六缸一盖连体铸件,工作时受较高机械热应力,要求材质具有良好力学性能、抗热疲劳性能、铸造性能和气密性

要求铸件致密、耐高压(7~32MPa)、耐磨,表面粗糙度小、加工性能好

该零件服役温度差别大(室温~1000℃),承受较大的热循环载荷,要求材质有良好的抗热疲劳性能

原设计材质为灰铸铁

(1)缸盖上喷油嘴座旁的气道壁因热疲劳最易开裂,该部位加工后壁厚仅3~4mm,工作温度250~370℃

(2)缸盖渗漏严重,在导杆孔、螺栓孔等热节处(均为非铸出孔)易产生缩松(孔)缺陷,经加工钻孔后铸壁有微孔穿透造成渗漏

(3)因铸件热节多达50处,尺寸精度高,内腔结构复杂,难以采用冒口补缩和内外冷铁工艺

(4)HT250(CuMo合金铸铁)

(1)由于HT300高牌号灰铸铁碳硅质量分数低,所以铸造性能差,铸件易产生缩裂或晶间缩松而报废,废品率高达60%

(2)工艺出品率低,只有55%左右,压边浇冒口的质量是铸件质量的80%以上

(3)HT300

(1)寿命短,汽车行驶不到10000km,管壁开裂严重;若改用球墨铸铁排气管,虽不发生开裂,但变形严重,通道口错开漏气

(2)HT150

蠕墨铸铁

(1)由于蠕墨铸铁的抗拉强度、抗蠕变能力和塑性均明显优于原材质,故采用蠕墨铸铁缸盖,开裂倾向大为降低,使用寿命显著提高

(2)缸盖渗漏率下降15%,当蠕化率大于50%时,其体收缩率小于HT250低合金铸铁,其气密性又与球墨铸铁相近

(3)低合金灰铸铁的抗热疲劳性能、气密性和铸造性能、加工性等对碳当量和合金元素的敏感性大,尤其对薄壁复杂件更为突出,而蠕墨铸铁的上述性能对碳当量敏感性小,加之采用稀土蠕化剂又有较宽的蠕化范围,冲天炉生产条件下缸盖质量也易于控制

(4)节省贵重合金元素,成本下降21%

(1)废品率大幅度下降,总废品率约16.9%(其中夹砂、夹杂物气孔占9%)

(2)工艺出品率提高到75%,压边浇冒口质量比原来的减少2/5

(3)经济效益明显,扣除蠕墨铸铁生产成本比HT300灰铸件增加约8%外,仅废品率下降、工艺出品率提高两项,使蠕墨铸铁件成本降低1/3以上

(1)提高寿命3~5倍以上,根本上解决了排气管开裂问题

(2)取消了加强肋,铸件自重减轻了10%

技术要求

钢锭模制作目前一般采用普通灰铸铁和球墨铸铁

钢锭模在反复受热、冷却的恶劣条件下工作,所以其材质的特性直接影响使用寿命。在热应力的作用下,脆性材质可能发生断裂,塑性材料则会发生永久变形。热应力的大小与温度梯度、热膨胀系数和弹性模量有关。材质的导热性好(可降低温度梯度)、弹性模量低、强度高(特别是高温强度)、韧性好都有利于承受热循环载荷。在非常快的热循环条件下,导热性是主要影响因素,在缓慢热循环的条件下,高强度则更为重要。对于不同结构和冷却方式的钢锭模,对其材质的要求也不尽相同。它要求材质具有良好力学性能、抗热疲劳性能

蠕墨铸铁的力学性能比灰铸铁高,导热性能比球墨铸铁好,所以它也是一种生产钢锭模的良好材质

灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁

(1)某钢铁厂采用蠕虫状石墨10%~55%的蠕墨铸铁制作中小型钢锭模(用冲天炉熔炼),在雨淋及空冷的冷却条件下,得到最佳的使用效果,使炼钢车间的钢锭模消耗量明显下降

(2)图为各种材质钢锭模的对比试验结果,可见在空冷条件下球墨铸铁寿命最长,消耗最少,次之是体积分数为10%~50%的蠕虫状石墨铸铁;在喷水雨淋冷却条件下体积分数为10%~50%蠕虫状石墨铸铁最佳;浸水冷却条件下灰铸铁最好

(3)生产中发现,空冷的断面厚50.8cm的钢锭模因断面厚,石墨难以全部球化。即使石墨全部球化时,锭模底部圆角处出现缩孔,其上部石墨漂浮也严重;而体积分数为10%~50%蠕虫状石墨,可以避免这些缺陷,给铸造工艺带来方便,其使用寿命与球墨铸铁相差不大

(4)该厂采用体积分数为10%~50%蠕虫状石墨的蠕墨铸铁生产空冷断面厚50.8cm和雨淋冷却断面厚28cm钢锭模,经过一年左右的实际使用,其模耗与原使用的灰铸铁锭模相比明显降低(见右表),每年节约钢锭模数千吨,价值百万元以上

b1d2d1n

蠕虫—蠕虫石墨;球—球状石墨;团—团球状石墨;百分数为体积分数

车间

锭模类型

吨钢消耗量

/kg

每吨钢消

耗降低/kg

备  注

平炉

厚50.8cm

空冷锭模

8.06

11.9

包括体积分数为55%~80%蠕虫状石墨铸铁锭模

转炉

厚28cm

雨淋开口模

11.32

3.62

常用铸造有色合金的特性与结构特点

材料

分类

材  料  特  性

结 构 特 点

铸造性良好,流动性好,线收缩率不大,缩松及偏析倾向小,生成集中性缩孔,生成气孔倾向较小。在大气及低速、干燥纯净的蒸气中腐蚀极微,在纯净淡水中腐蚀速度为0.0025~0.25mm/a,海水中约0.0075~0.1mm/a;在含CO2、H2S、SO2、NH3等气体的水溶液中腐蚀速度剧增。普通黄铜的强度与塑性,在含锌较低时,随含锌量增加而提高,含锌32%塑性最高,含锌40%~50%强度最高。所有工业黄铜在200~700℃间存在低塑性区,热加工不低于700℃

(1)类同铸钢件

(2)不须另外脱氧处理,可获得致密铸件

(3)含锌较高的α黄铜或β黄铜中常出现脱锌腐蚀破裂(季节性破裂),可加Al、Sn、Ni、Si等防止。另外,黄铜还有应力腐蚀破裂(自动破裂),但可能性较小

铸造性比黄铜差:流动性不好,结晶范围大,容易偏析,易产生缩松,线收缩率不大,体积收缩率小,高温性能差,易脆,强度随截面增大,显著下降。耐磨性好。耐低温。含Sn8%时,在大气中腐蚀速度<0.00015~0.002mm/a,随锡含量的增加,耐蚀性提高,锡青铜腐蚀速度,在淡水及海水中<0.05mm/a,在浓硝酸中约0.5mm/月,在浓度为2mol/L的HCl中含Sn5%时约50mm/a,在浓度为2mol/L的NaOH中<0.025mm/a

(1)可用作铸造各种厚薄不均、尺寸准确的铸件和花纹清晰的工艺美术品,壁厚不得过大,零件突出部分应用较薄的加强筋加固以免热裂

(2)不能用来铸造要求高密封性的铸件

(3)采用金属型或离心铸造可以大大减少缺陷,质量较有保证(大量生产用),单件、小批量生产仍用砂型铸造

流动性很好,结晶范围小,偏析很少,不易生成缩松,但生成集中缩孔,体积收缩率大。铝青铜容易吸收气体及氧化而形成氧化铝薄膜造成微裂。无锡青铜具有高的强度、耐磨性、耐热性,在大气、海水、硫酸及大多数的有机酸中耐蚀性较好

(1)类同铸钢件

(2)铝青铜具有很高的强度(可与钢比)和高的冲击韧性,高的疲劳强度,耐磨,耐低温,耐热,冲击不产生火花,可获得致密铸件,在很多情况下,可代替不锈钢

ZL102、ZL104、ZL101、ZL103(这些铝合金不能进行阳极化处理,只能涂漆处理)、ZL105五种铝合金铸造性能良好,ZL203,ZL301两种铝合金则比较差。它们之间的性能特点比较如下:5—最好,1—最差

(1)ZL102力学性能不高,只能做受力不大的零件,可以铸造薄壁、形状复杂、尺寸大的铸件

(2)ZL104广泛用于汽车、航空发动机,以及一般机械电气器具等形状复杂的铸件

(3)ZL101、ZL103吸气倾向大,极易形成细小的针孔,对于大型厚壁铸件最好在加压下进行结晶,多用来铸造形状复杂的中型和大型铸件

(4)ZL301做的铸件厚大截面易出现黄褐色到暗黑色的显微疏松,使强度急剧下降,对厚薄截面变化敏感性大

(5)铝合金铸件的强度随壁厚增大,下降得更显著。可铸出壁薄而形状比较复杂的铸件

牌号

线收缩率/%

耐蚀性

砂模

铁模

ZL102

5

0.9~

1.1

0.5~

0.8

4

5

3

3

5

4(在潮湿大气中很好)

ZL104

5

0.9~

1.0

0.5~

0.8

4

4

3

3

5

3(在潮湿大气中好)

ZL101

5

0.8~1.1

4

5

4

3

5

3(同上)

ZL103

4

0.9~1.1

4

4

4

5

3

2

ZL105

4

0.9~1.1

4

4

4

4

4

3

ZL203

2

1.3~1.5

2

3

3

3

1

2

ZL301

3

1.0~1.3

1

1

3

1

3

5(在水中最高)

ZL303

3

1.0~1.3

2

2

3

5

3

4

(1)纯镁在20℃时的密度仅为1.738g/cm3,镁合金为1.75~1.85g/cm3,是钢、铁的1/4,铝的2/3,是常用结构材料中最轻的金属,与塑料相近

(2)具有优良的力学性能,比强度和比刚度高,优于钢、铝;比弹性模量与高强铝合金、合金钢大致相近

(3)弹性模量较低,受外力作用时,应力分布更为均匀,可避免过高应力集中,在弹性范围内承受冲击载荷时,所吸收的能量比铝高50%左右,可制造承受猛烈冲击的零部件

(4)极佳的防振性,耐冲击、耐磨性好;镁合金在受到冲击或摩擦时,表面不会产生火花

(5)镁的体积热容比其他所有金属都低,因此,镁及其镁合金加热升温与散热降温,都比其他金属快

(6)铸造性能优良,可以用几乎所有铸造工艺来铸造成形

(7)加工切削性能好,切削速度大大高于其他金属,不需磨削、抛光处理,不使用切削液,即可以得到粗糙度很低的表面

(8)非磁性金属,抗电磁波干扰,电磁屏蔽性好

(9)镁在液态下容易剧烈氧化燃烧,因此镁合金必须在熔剂覆盖下或保护气氛下熔炼。镁合金铸件的固熔处理也要在SO2、CO2或SF6气体保护下进行,或在真空下进行。镁合金的固溶处理和时效处理时间均较长

(10)镁的化学活泼性高。而且在室温下,镁的表面能与空气氧化形成氧化薄膜,但比较脆,疏松多孔,耐蚀性很差,因此,镁及其合金使用时常需进行表面处理

(1)密度低,便于产品轻量化,降低能源消耗;运动零部件惯性低,高速时尤为明显

(2)为满足零件对刚度的要求,可增大壁厚,勿需用加筋、肋等复杂结构

(3)镁合金压铸件可将多种部件组合一次成形,大大提高生产率,并可减少制造误差,减少部件间的摩擦、振动,降低噪声

(4)镁牺牲阳极可用于延长各种金属装置的寿命

(5)优良的热传导性,可改善电子产品散热

(6)它对X射线和热中子的低透射有阻力,特别适用于X射线

(7)它的中温性能使其能在飞机等上面替代工程塑料和树脂基复合材料

(8)替代工程塑料,解决零件老化、变形和变色等问题,而且尺寸稳定,收缩率小

(9)加工成品性好,产品美观,质地好,(相对塑料)无可燃性

(10)具有良好的刻蚀性能和力学性能,又耐磨损,故适于制造光刻板

(11)由于含铝小于30%的细小镁铝合金颗粒在燃烧时能产生耀眼的白光,比自然光线更有利于照相,因此被广泛用于照相用闪光灯

(12)材料回收率高,符合环保要求,由于它的优良性能,被认为是21世纪最具开发应用价值的“绿色材料”

铸件最小壁厚                                        mm

铸造

方法

铸件尺寸

铸 钢

灰铸铁

球墨

铸铁

可锻

铸铁

铝合金

镁合金

铜合金

高锰钢

砂型

≤200×200

6~8

5~6

6

4~5

3

 

3~5

20

(最大壁厚不超过125)

>200×200~500×500

10~12

6~10

12

5~8

4

3

6~8

>500×500

18~25

15~20

   

5~7

   

金属型

≤70×70

5

4

 

2.5~3.5

2~3

 

3

>70×70~150×150

 

5

 

3.5~4.5

4

2.5

4~5

>150×150

10

6

   

5

 

6~8

注:1.一般铸造条件下,各种灰铸铁的最小允许壁厚:

HT100,HT150   δ=4~6mm;HT200  δ=6~8mm;HT250  δ=8~15mm;HT300,HT350   δ=15mm。

2.如有特殊需要,在改善铸造条件下,灰铸铁最小壁厚可达3mm,可锻铸铁可小于3mm。

铸件外壁内壁与筋的厚度                                mm

零件重量

/kg

零件最大

外形尺寸

外壁

厚度

内壁

厚度

筋的

厚度

零  件  举  例

<5

300

7

6

5

盖、拨叉、杠杆、端盖、轴套

6~10

500

8

7

5

盖、门、轴套、挡板、支架、箱体

11~60

750

10

8

6

盖、箱体、罩、电机支架、溜板箱体、支架、托架、门

61~100

1250

12

10

8

盖、箱体、搪模架、油缸体、支架、溜板箱体

101~500

1700

14

12

8

油盘、盖、壁、床鞍箱体、带轮、搪模架

501~800

2500

16

14

10

搪模架、箱体、床身、轮缘、盖、滑座

801~1200

3000

18

16

12

小立柱、箱体、滑座、床身、床鞍、油盘

铸件壁的连接

连 接 示 意 图

连 接 尺 寸

连 接 示 意 图

连 接 尺 寸

baα<75°

R1=R+a

b>1.25a,对于铸铁h=4c

cb-a,对于铸钢h=5c

α<75°

R1=R+mR+a+cR+b

190

b≈1.25aα<75°

R1=R+b

190-5

三壁厚相等时

b≈1.25a,对于铸铁h≈8c

,对于铸钢h≈10c

α<75°

壁厚ba

a+cbc

对于铸铁h≥4c

对于钢h≥5c

190-2

两壁厚相等时

R1≥R+a

190-7

壁厚ba

b+2cac≈1.5

对于铸铁h≥8c

对于钢h≥10c

壁厚b≤2a

ba相差不多

α<90°

r=1.5a(不小于25mm)

Rr+a

R=1.5r+a

190-4

壁厚b>2a

a+cbc

对于铸铁h≥4c

对于钢h≥5c

190-9

ba大得多

α<90°

r(不小于25mm)

Rr+a

R1=r+b

注:1.圆角半径标准整数系列为:2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、50mm、60mm、80mm、100mm。

2.当壁厚大于20mm时,R取系数中的小值。

铸件壁厚的过渡                                        mm

b≤2a

铸铁

钢、可锻铸铁、有色金属

<12

12

~

16

16

~

20

20

~

27

27

~

35

35

~

45

45

~

60

60

~

80

80

~

110

110

~

150

R

6

8

10

12

15

20

25

30

35

40

191-1

b>2a

铸铁

L≥4(b-a)

L≥5(b-a)

b<1.5a

191-3

b>1.5a

R=4aL=4(a+b)

铸件最小铸孔                                mm

材料

孔壁厚度

<25

26~50

51~75

76~100

101~150

151~200

201~300

≥301

孔的深度

最    小    孔    径

加工

不加

加工

不加

加工

不加

加工

不加

加工

不加

加工

不加

加工

不加

加工

不加

≤100

75

55

75

55

90

70

100

80

120

100

140

120

160

140

180

160

101~200

75

55

90

70

100

80

110

90

140

120

160

140

180

160

210

190

201~400

105

80

115

90

125

100

135

110

165

140

195

170

215

190

255

230

401~600

125

100

135

110

145

120

165

140

195

170

225

200

255

230

295

270

601~1000

150

120

160

130

180

150

200

170

230

200

260

230

300

270

340

310

孔壁厚度

<50

51~100

≥101

最小孔径

20

30

40

灰铸

大量生产:12~15。成批生产:15~30。小批、单件生产:30~50

注:1.不透圆孔最小允许铸造孔直径应比表中值大20%,矩形或方形孔其短边要大于表中值的20%,而不透矩形或方形孔则要大40%。

2.难加工的金属,如高锰钢铸件等的孔应尽量铸出,而其中需要加工的孔,常用镶铸碳素钢的办法;待铸出后,再对镶铸的碳素钢部分进行加工。

铸造内圆角及过渡尺寸(JB/ZQ 4255—1997)

image007192-2image005image001

内   圆   角   α

<50°

51°~75°

76°~105°

106°~135°

136°~165°

>165°

过  渡  尺  寸 R/mm

≤8

4

4

4

4

6

4

8

6

16

10

20

16

9~12

4

4

4

4

6

6

10

8

16

12

25

20

13~16

4

4

6

4

8

6

12

10

20

16

30

25

17~20

6

4

8

6

10

8

16

12

25

20

40

30

21~27

6

6

10

8

12

10

20

16

30

25

50

40

28~35

8

6

12

10

16

12

25

20

40

30

60

50

36~45

10

8

16

12

20

16

30

25

50

40

80

60

46~60

12

10

20

16

25

20

35

30

60

50

100

80

61~80

16

12

25

20

30

25

40

35

80

60

120

100

81~110

20

16

25

20

35

30

50

40

100

80

160

120

111~150

20

16

30

25

40

35

60

50

100

80

160

120

151~200

25

20

40

30

50

40

80

60

120

100

200

160

201~250

30

25

50

40

60

50

100

80

160

120

250

200

251~300

40

30

60

50

80

60

120

100

200

160

300

250

>300

50

40

80

60

100

80

160

120

250

200

400

300

和 

/mm

b/a

<0.4

0.5~0.65

0.66~0.8

>0.8

c

≈0.7(b)

0.8(b)

b

 

h

c

c

注:对于锰钢件应比表中数值增大1.5倍。

铸造外圆角(JB/ZQ 4256—1997)

image001

表面的最小边尺寸

P/mm

过  渡  尺  寸  R/mm

外     圆     角 α

≤50°

51°~75°

76°~105°

106°~135°

136°~165°

>165°

≤25

2

2

2

4

6

8

>25~60

2

4

4

6

10

16

>60~160

4

4

6

8

16

25

>160~250

4

6

8

12

20

30

>250~400

6

8

10

16

25

40

>400~600

6

8

12

20

30

50

>600~1000

8

12

16

25

40

60

>1000~1600

10

16

20

30

50

80

>1600~2500

12

20

25

40

60

100

>2500

16

25

30

50

80

120

注:如果铸件按上表可选出许多不同的圆角“R”时,应尽量减少或只取一适当的“R”值以求统一。

铸造斜度

斜度bh

角度β

使用范围

1∶5

11°30'

h<25mm时钢和铁的铸件

1∶10

1∶20

5°30'

h在25~500mm时钢和铁的铸件

1∶50

h>500mm时钢和铁的铸件

1∶100

30'

有色金属铸件

注:当设计不同壁厚的铸件时,在转折点处的斜角最大增到30°~45°(参见表中下图)。

法兰铸造过渡斜度(JB/ZQ 4254—1997)                  mm

适用于减速机、机盖连接管、汽缸及其他各种机件连接法兰等铸件的过渡部分尺寸

铸铁和铸钢件的壁厚

δ

K

h

R

10~15

3

15

5

>15~20

4

20

5

>20~25

5

25

5

>25~30

6

30

8

>30~35

7

35

8

>35~40

8

40

10

>40~45

9

45

10

>45~50

10

50

10

>50~55

11

55

10

>55~60

12

60

15

>60~65

13

65

15

>65~70

14

70

15

>70~75

15

75

15

铸件凸出部分最小尺寸(JB/ZQ 4169—1997)                               mm

193-2

公称尺寸(壁厚)δ

≤180

>180~500

>500~1250

>1250~2500

>2500

a

(凸台)

铸 钢

5

8

12

16

20

灰铸铁

球墨铸铁

4

6

10

13

17

铸件加强筋

中  部  的  筋

两  边  的  筋

1-193

1-193-1

H≤5A

a=0.8A

(铸件内部的筋与外壁厚应为a≈0.6A)

S=1.25A

r=0.5A

r1=0.25A

R=1.5A

H≤5A

aA

S=1.25A

r=0.3A

r1=0.25A

筋的布置与形状

带有筋的截面的铸件尺寸比例

dD/4,h≤4D

dD/2,h≤1.5D

d=3/4Dh≤0.5D

1-193-3

表中尺寸为 的倍数

断  面

H

a

b

c

R

r

r1

S

十字形

3

0.6

0.6

0.3

0.25

1.25

叉  形

1.5

0.5

0.25

1.25

环形附筋

0.8

0.5

0.25

1.25

同上,但为方孔

1.0

0.5

0.25

0.25

1.25

铸件孔边凸台

铸孔边缘凸台

r=0.25 a

R=0.75 a

h=0.2 a

b=1.5 a

壁中窗口凸边

1-194-1

r=0.25 a

铸件内腔                                       mm

内腔最小尺寸与零件的尺寸及造型方法等有关,大致比例是:

BA

L≤3B

不用型芯所能铸出的凹腔尺寸

194-1

造型方法

H/d

h/d

机器造型

1

0.25~0.3

手工造型

0.5

0.2

铸件凸座

b1d2d18a

c1=1.5 c

h1=(0.75~1) c

r1=0.25 cr2=c1

α=30°~45°

ab随螺栓大小而定

b1d2d18b

凸座与壁距离很近时最好使其连接起来,c的最小尺寸如下表:

h

/mm

<10

10

~18

18

~30

30

~50

>50

c最小

/mm

20

25

30

40

50

铸铁件铸钢件有色金属铸件尺寸公差(GB/T 6414—1999)         mm

铸件毛坯基本尺寸

公  差  等  级

CT8

CT9

CT10

CT11

CT12

CT13

CT14

CT15

CT16

10

10

16

1.0

1.1

1.5

1.6

2.0

2.2

2.8

3.0

4.2

4.4

16

25

40

25

40

63

1.2

1.3

1.4

1.7

1.8

2.0

2.4

2.6

2.8

3.2

3.6

4.0

4.6

5.0

5.6

6

7

8

8

9

10

10

11

12

12

14

16

63

100

160

100

160

250

1.6

1.8

2.0

2.2

2.5

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

5.0

5.6

6.0

7.0

8.0

9

10

11

11

12

14

14

16

18

18

20

22

250

400

630

400

630

1000

2.2

2.6

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

5.0

6.0

6.2

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12

14

16

16

18

20

20

22

25

25

28

32

1000

1600

1600

2500

3.2

3.8

4.6

5.4

7.0

8.0

9.0

10.0

13.0

15.0

18

21

23

26

29

33

37

42

2500

4000

4.4

6.2

9.0

12.0

17.0

24

30

38

49

4000

6300

7.0

10.0

14.0

20.0

28

35

44

56

6300

10000

11.0

16.0

23.0

32

40

50

64

注:1.铸件尺寸公差不包括拔模斜度。

2.凡图样及技术文件未作规定时,对铸铁件、有色金属铸件小批和单件生产铸件的尺寸公差等级按框内推荐的等级选取(黑线框内为铸铁件;灰底框内为铸钢件;虚线框内为有色金属铸件);成批和大量生产比单件、小批生产相应提高两级选取公差等级。

3.对铸钢件、毛坯铸件基本尺寸不大于16mm的CT13~CT15级,其公差值均按CT12级选取;毛坯铸件基本尺寸大于16~25mm的CT13~CT15级,其公差等级提高一级。

铸件设计的一般注意事项(JB/ZQ 4169—1997)

注  意  事  项

不  好  的  设  计

改 进 后 的 设 计

一、必须针对不同的铸造材料的性能、铸造方法等考虑合理的结构

二、铸件的壁厚变化对金属的力学性能均有影响,查阅手册时必须注意它随壁厚变化的指标。一般在壁厚增加时,铸铁的抗弯强度和硬度下降,壁厚太薄又会发生白口;锡青铜的强度和韧性均下降;铝合金则强度下降,塑性提高

三、铸件的最小壁厚必须结合零件的复杂程度、尺寸大小、材料以及制造工艺来确定

四、简化模型设计

1.铸件结构或泥心形状力求简单,在可能情况下尽量采用直线形的轮廓

图a的外形及泥心的形状与泥心的支承、造型都比图a'困难

图b是有曲面的泥心,制造比改成平面的b'图要贵

2.在满足使用要求前提下,应尽可能缩小轮廓尺寸,这样既可以降低制造工作量和造型费用,又可以使结构更加紧凑

195-2

195-3

3.在使用和制造许可条件下,应考虑用刮板造型代替砂模

图a垂直方向的撑筋须用撑筋模型,而且三角形孔的泥心须用特别的木框做成,对小而窄的轮子可用图a'代替,采用刮板造型

五、易于造型及合理确定分型面

1.拔模方向应留适当的结构斜度和圆角,便于拔模,保证砂型质量,提高劳动生产率

2.避免出现使造型发生困难的死角(如内凹)

左边两图都存在内凹,容易发生撞砂,砂型质量无法保证,难于造型

195-8

195-9

3.分型面形状力求简单,数目力求减少

图a需要复杂的分型面,图b则需要有特制的型芯或可拆卸的模子,而图a'、图b'只需一个分型面,简化了造型。图c'适当改变外形,方便了分型

图d、e需两个分型面,改成图d'、e'后只需一个分型面

196

196-1

196-2

196-3

4.合理设置凸台和圆座,以利于造型和加工,并可使铸造偏差不致影响结构的性能要求

图a'不需设活块模造型,图b'使凸台在同一平面,图c'侧壁留有f/h≥3的沟槽,便于加工,图d'可防止因铸造偏差影响使用,图e因为四个凸台(T)的局部阻碍沿   BA分模造型,而只能采用图示分型面,使得上箱很高,造型和落砂都费劲,改成图e'后,将四凸台局部削薄,而能采用图示分型面,从而大大简化了造型和减少落砂劳动量

5.增加砂型强度

图a'将小头法兰改成内法兰,大头法兰改成外法兰,并适当增加法兰厚度

图b凸台离侧边太近,砂型不牢,改为图b'较好

196-6

196-7

图c两凸台相距太近,容易掉砂,可改为图c'形式

6.尽量避免或减少采用型芯

图a'取消了穿透的细长孔和中间空腔的内凹部分,便可以不用型芯了。图b是左右上托板的原设计,由于外形有圆弧曲面A,因此需采用两块型芯,改成图b'后,将曲面改为平面B,省去两个型芯

197-2

197-3

7.保证型芯能牢固地安置在铸型里。一般用型芯头定位,尽量不用型芯撑或吊挂型芯的方法。采用型芯撑如图a易使铸件不紧密,并发生硬块,对受压、耐火和耐腐蚀的铸件,以及在滑动的平面上,都不能使用。图b采用两个孤悬的型芯,很不容易安设;改为图b',采用一个型芯或两个型芯、两端分别设置型芯头的方法,安设就很方便。图d改为图d',减少了型芯,不用芯撑。图e改为图e',可不用吊芯和芯撑。图f下芯十分不便,需先放入中间芯,放芯撑固定后,再从侧面放入两边型芯,芯头处需用干砂填实;改为图f'后两边型芯可先放入,不妨碍中间型芯的安放;图c'在铸件内部增加一个工艺孔,不影响使用性能,但改善了型芯的固定,并使型芯中的气体易于排出,也有利于出砂

8.型芯形状要简单,出砂要方便

图a是XC624万能铣头本体原设计,需要四个型芯,改进成图a'后,只要一个型芯。图b有一厚度仅25mm且有双曲面的型芯,制造困难,费用很大,由于这是没有特别大压力的冷却夹层,故可改用图b'的结构,既简化了型芯,也便于支撑和出砂

198

198-1

9.型芯的透气性要好。左图透气孔未设在最上端,使型芯中逸出的气体,都向上集中在空间b内,渗入铁液中,而形成铸件的气孔,而且出砂比较困难;改成右图后,将透气孔移至最上端便克服了这些缺点

10.铸件两壁之间的型芯厚度,一般应不小于两边壁厚的总和,以免两壁熔接在一起

198-4

198-5

六、考虑浇铸的特点

1.避免水平设置较大的薄壁平面,以利于气体和熔渣等的排出,并防止冷却时造成冷隔

2.壁厚应尽可能地均匀,避免金属局部积聚和厚度的突变,否则容易产生缩孔、缩松和裂纹

图a、b、c由于处理过渡不同,应力顺序依次减少,强度依次增加;图d'、e'减少了金属过多的积聚

198-8

198-9

在交叉区内的最大圆的直径不应大于1.5S(壁厚),两交叉区并应逐渐过渡,图f、g应改为图f'、g'

过渡圆太大,如图h,也会产生缩孔,应改成图h'

筋的配置和厚度不当,也会产生缩孔、缩松等,如图i、j、k,应改为图i'、j'、k′

3.内部壁厚比外壁应适当减薄,使整个铸件能均匀冷却,防止产生内应力和裂纹,如图a'

断面要逐渐过渡,并要有适当的过渡圆弧,如图b'

图c会因轮圈收缩,使两孔之间产生裂纹,可如图c'所示通过增加孔圆周凸缘束避免,相关尺寸,如表所示

S/

mm

5~

8

>8

~12

>12

~20

>20

rmin/

mm

4

6

8

10

b-h=(0.5-0.6)S

199-2

199-3

4.在条件允许时,可改变铸件的结构或设置防裂筋来增加铸件过热处的强度,以防止热裂。右图两截面交接处,由直角形转弯改成圆弧形,以减少应力集中,防止热裂

5.细长件和大平板应正确选择截面形状,如采用对称截面,或合理设置加固筋,细长件如图a'所示,大平板如图b'所示,以防止翘曲,重要铸件须经时效处理

200

200-1

6.应使铸件在冷却时能自由收缩,特别要使受力最大的部位冷却时能不受阻变形;通常皮带轮和飞轮铸件内应力很大可用曲线轮辐,如图a',以及采用曲线轮廓的加固筋,如图b';对于大型轮类铸钢件的轮毂部分,可作出缝隙,这对防止辐板裂纹和对装配均有利,如图c

图d为内部设筋的框架形内腔铸件,不能自由收缩,图d'取消了加固筋后,可克服这一缺点

7.铸件角部设计也应考虑均匀冷却,所以应将角顶壁厚减少20%~25%,使角的内部不致因为迟迟不能凝结而造成热裂纹

200-4

200-5

8.铸件的结构应使分型面便于安置在加工面或加工面的边缘上

左图锥体表面不加工,但需保持光洁的外观,按结构分型面放在AA上最简单,但易错箱产生裂缝破坏外观,消除很费劲,不改结构要克服此缺点便要增加砂箱,提高了成本,因此最好改成右图结构

9.结构应便于将铸件上质量要求高的部分或加工面放在铸型内的下面,以利用液态金属静压补缩

例如圆锥齿轮及套筒就应如右图所示位置浇铸

200-8

200-9

七、充分发挥材料的特性和考虑材料的不同特性

1.充分利用铸铁的抗压强度,将加固筋布置在受压的部位,或采用非对称形的截面

2.可锻铸铁体积收缩很大,在结构的厚大部分容易产生缩孔,因此,要避免十字形截面,如图a

球墨铸铁线收缩率与灰铸铁相似,但体积收缩率很大,和铸钢相似,因此结构中壁厚尽量均匀,如图b'

201-2

201-3

3.合理选用筋的截面形状。在要求高刚性、抗弯和抗扭强度的零件内,可应用壁上有尽量多的窗口的封闭截面,如图j

八、考虑铸造方法的影响

铸造方法改变,铸件设计必须随着作相应的改变,如由砂型铸造改为压力铸造就必须采用更圆滑的铸件形状,既便于液态金属在铸型内流动,又便于出砂

砂型铸造

压力铸造

九、铸件结构形状在满足功能要求同时力求简化,以方便制作和加工,降低成本,并避免废品

1.相邻孔的凸台较小时,可铸成一个,如尺寸较大,则可用一根辅筋将其连接起来。浇铸斜度1:20,不必标出

2.为简化铸造工艺,加固凸台应布置在臂的外侧

201-10

201-11

3.左图设有筋的预留孔,提高了型芯箱的费用

4.为避免夹砂,对于支承面采用锪孔或刮平,以保证夹紧长度 尺寸

202-2

202-3

5.并排的数个凸台,板块或平面应尽可能组合在一个平面上

6.需加工的平面,应平行或垂直地放置在定位平面上

202-6

202-7

7.平行布置的加工面,应尽可能在一个平面内

8.防止钻头断裂,钻孔不能布置在交接处,必要时应扩大法兰或配置加固凸台

202-10

202-11

9.当型芯直径减小时,只有在d2>50mm,d1≥d2+30mm时,才能采用图示结构,否则应做成直通孔

10.圆形铸件的加工面必须与不加工处留有充分的间隙a,以提高铸件的圆度

203-3

203-2

铸铁件(JB/T 5000.4—1998)

铸钢件(JB/T 5000.6—1998)

有色金属铸件(JB/T 5000.5—1998)等铸件通用技术条件

序  号

通  用  技  术  条  件

(1)

灰铸铁件应符合GB/T 9439—1988的规定;球墨铸铁件应符合GB/T 1348—1988的规定;耐热铸铁件应符合GB/T 9437—1988的规定;耐磨铸铁应符合JB/ZQ 4304—1997的规定;可锻铸铁件应符合GB/T 9440—1988的规定。

(2)

一般工程用铸造碳钢件应符合GB/T 11352—1989的规定;大型低合金钢铸件应符合JB/T 6402—1992的规定;耐热钢铸件应符合GB/T 8492—1987的规定;高锰钢铸件应符合GB/T 5680—1998的规定;焊接结构用碳素钢铸件应符合GB/T 7659—1987的规定;大型不锈钢铸件应符合JB/T 6405—1992的规定。

(3)

铝合金铸件应符合GB/T 1173—1995的规定;锌合金铸件应符合GB/T 1175—1997的规定;铜合金铸件应符合GB 1176—1987的规定。

(4)

铸件尺寸公差按GB/T 6414—1986,常用等级代号与公差见表铸铁件、铸钢件、有色金属铸件尺寸公差(JB/T 5000.4—1998)。同一铸件应选用同一种公差等级,公差等级按铸件毛坯最大尺寸选取。公差带应对称于铸件毛坯基本尺寸配置,即公差的一半位于正侧,另一半位于负侧。有特殊要求时,公差带也可非对称配置,但应在图样上标注。斜面公差带应沿斜面对称配置。

(5)

铸铁件和有色金属铸件的非机械加工铸造内、外圆角或圆弧,其最小极限尺寸为图样标注尺寸,最大极限尺寸为图样标注尺寸加公差值,壁厚尺寸公差等级可降一级选用。如果图样上一般尺寸公差为CT12,则壁厚尺寸公差为CT13。

(6)

铸件尺寸公差在图样上标注时采用公差等级代号标注,如GB/T 6414—1986CT10。有特殊要求时,公差应直接在铸件基本尺寸的后面标注,如95±1。

(7)

铸件表面上的粘砂、夹砂、飞边、毛刺、浇冒口和氧化皮等应清除干净。不允许有影响铸件使用性能的裂纹、冷隔、缩孔、夹渣、穿透性气孔等。允许存在的缺陷种类、范围、数量以及缺陷的修补技术条件由供需双方商定,并注明。

(8)

铸件非加工表面粗糙度

铸铁件:手工干型和机器干型Ra≤50μm,湿型Ra≤100μm;有色金属件:砂型Ra≤50μm;金属型和离心铸造Ra≤25μm。

铸钢件(表面喷丸处理后):铸件重≤5000kg, Ra≤100μm;铸件重>5000kg,Ra≤800μm。

(9)

对化学成分、热处理有要求时,由供需双方协商确定,并注明。

(10)

铸件在保证使用性能和外观质量的情况下,经技术检验部门同意及需方认可才能进行补焊。对于铸钢件,焊补应按JB/T 5000.7(铸钢件补焊通用技术条件)的规定执行。在补焊后应进行消除应力的热处理(对铸铁件冷加工后发现的缺陷采用铸308焊条补焊的除外)。

(11)

对磁粉探伤、超声波检验、射线检验等有要求时,应注明。

铸钢件无损探伤标准为JB/T 5000.14—1998。

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