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1、 铸件结构工艺性设计问题研究摘 要：铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一，因此铸造机械业的发展标志着一个国家的生产实力. 近年来由于国内经济稳定运行，在巨大的市场需求和良好的国家大环境下，我国铸造机械行业保持高速增长态势。但目前由于国内铸造机械产品的技术水平仍然与市场需求差距较大，使铸造机械行业的发展存在巨大的发展潜力和扩展空间，为铸造机械行业的快速发展带来机遇。铸件是由铸造方法所得的毛坯，其实质是将液态金属浇到预先制好的与所需铸件毛坯形状和大小相符合的形腔内，待液态金属冷却后便得到所需毛坯。因此利用铸造方法可以很容易获得具有特别复杂内腔的铸件毛坯。例如箱体、内燃机、气缸体、气缸盖、机床机身等
2、。这充分体现了铸造具有很强的适应性，特别是在机械制造业中，铸造方法更是得到了广泛应用，并且在机械设备中铸件占很大比例。本课题主要针对铸件在制造过程中出现的缺陷进行研究并给出解决方案,力求在铸造中不出现废品,保证生产的效率和效益。关键词：铸件;缺陷;方案1 铸造技术概述1.1 铸造技术简介铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一，因此铸造机械业的发展标志着一个国家的生产实力. 近年来由于国内经济稳定运行，在巨大的市场需求和良好的国家大环境下，我国铸造机械行业保持高速增长态势。但目前由于国内铸造机械产品的技术水平仍然与市场需求差距较大，使铸造机械行业的发展存在巨大的发展潜力和扩展空间，为铸造机械行业的
3、快速发展带来机遇。铸件是经液态成形的铸造方法得到的，故可制成形状复杂并且具有内腔的毛坯，如箱体、内燃机、气缸体、气缸盖、机床机身等。铸造方法具有适应性强，并且成产成本低、投资少、原材料价格低、来源广、废料的重复利用率高等优点。利用铸造方法加工出近似所需工件外形的铸件又可以提高生产的加工效率，这些优点使得铸件在机械设备中占有重大比例。进入新世纪，社会对机械生产的成本，机械加工的效率等发面提出了更高要求，故铸件机构的合理性设计受到人们的高度重视。1.2 铸造技术的发展现状1.2.1我国铸造技术的发展现状铸件是由铸造方法所得的毛坯，其实质是将液态金属浇到预先制好的与所需铸件毛坯形状和大小相符合的形腔
4、内，待液态金属冷却后便得到所需毛坯。因此利用铸造方法可以很容易获得具有特别复杂内腔的铸件毛坯。例如箱体、内燃机、气缸体、气缸盖、机床机身等。这充分现实了铸造具有很强的适应性，特别是在机械制造业中，铸造方法更是得到了广泛应用，并且在机械设备中铸件占很大比例。数据显示，铸件在机床、内燃机等重型机器中占7090，在拖拉机、农业机械中占4070，在汽车中占2030。随着我国国民生产总值的不断提高，铸件在我国的机械设备中必然得到更快的发展。1.2.2发达国家铸造技术发展现状发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍
5、实现机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。 广泛应用合金包芯线处理技术，使球铁、蠕铁和孕育铸铁工艺稳定、合金元素收得率高、处理过程无污染，实现了微机自动化控制。 在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺,砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。 用自动化压铸机生产铸铝缸体、缸盖；已经建成多条铁基合金低压铸造生产线。用差压铸造生产特种铸钢件。所生产的各种口径的离心球墨铸铁管占铸铁管总量95%以上，球铁管占
6、球铁年产量30%-50%。成功地采用EPC技术大批量生产汽车4缸缸体、缸盖等复杂铸件，生产率达180型/小时。在工艺设计、模具加工中，采用CAD/CAM/RPM技术；在铸造机械的专业化、成套化制备中，开始采用CIMS技术。1.2.3铸造技术发展趋势铸件质量既影响机械加工效率，制约产品质量、寿命和效益。随着制造业的发展，凝固成形技术面临着更深层次的要求和严峻挑战。要求铸件要向精（近无切削）、强（强韧、可靠）、秀（薄、轻、光洁）和特（特殊使用功能）方向发展已成为趋势。另外利用计算机的精确控制功能对铸件加工过程进行控制，也将成为铸造技术前进的方向。1.半固态凝固方法。在金属凝固过程中进行剧烈搅拌，或
7、控制固液态的温度区间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定固相组织的固液混合浆料，这种固液混合浆料具有很好的流动性，易于通过普通的方法制成产品。2.计算机技术在铸造中的应用。利用计算机对液态金属的冷却过程进行实时控制，保持铸件化学成分均匀，使铸件更稳定，利用计算机在应力场的模拟计算能帮助人们预测和分析铸件变形、裂纹、残余应力，等缺陷，优化铸造工艺，提高铸件尺寸精度及稳定性。1.3 小结我国的铸造技术相比其他的发达国家还比较落后, 我国铸造行业的技术水平比发达国家落后约20年，无法满足国民经济快速发展的需要。技术落后、设备陈旧、能耗和原材料消耗高、环境污染严重以及工人作业环境恶劣等问题，已经成为
8、行业的共识。防止在铸造技术过程中出现的缺陷可以明显地改善铸件的性能。2 铸件结构缺陷及预防措施2.1 铸件结构的缺陷2.1.1铸件的缩孔与缩松液态金属充满型腔以后，在冷却过程中，当液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些孔洞，其中大而集中的孔洞称为缩孔；小而分散的孔洞称为缩松。缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载截面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。在要求气密性高、不能渗透的铸件（如泵体、阀门、容器）中，或存在于铸件的主要配合面的部位，则会使铸件成为废品。因此缩孔与缩松是严重的铸造缺陷，必须采取措施予以防止。2.1.1.1 缩孔与缩松的形成缩孔的形
9、成 恒温或很窄温度范围内结晶的合金，铸件壁以逐层凝固方式进行凝固的条件下，容易产生缩孔。如 下图所示。液态金属充满型腔以后（如图2.1a）。因铸型吸热，靠近型腔表面的金属液率先冷却凝固，形成一层封闭的外壳，壳中金属液因收缩不能得到补足，故液面开始下降（如图2.1b）。温度继续下降，合金的逐层凝固层加厚，内部的剩余液体因液态收缩和补充凝固层的收缩，体积缩减，液面继续下降（如图2.1c）。此过程一直延续到凝固终了，结果在铸件上部的最后凝固部位形成了倒圆锥的缩孔（如图2.1d）。继续冷却至室温，整个铸件发生固态收缩，缩孔的体积也略有减少（如图2.1e）。图2.1 缩孔形成示意图缩孔通常出现在铸件上部
10、或最后凝固部位，其形状不规则，孔壁粗糙。由缩孔的形成过程可知，纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成集中缩孔，合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，越易形成缩孔。铸件中温差大而由低温到高温凝固的厚壁部位易出现缩孔（2） 缩松的形成 结晶温度范围宽的合金，以糊状凝固方式进行凝固的条件下，容易产生缩松。如图所示，在凝固过程中的液固两相区，树枝状晶不断长大，枝晶分叉间的熔融合金被分离，彼此孤立隔开，其凝固收缩时难以得到补缩，便形成许多微小的孔洞，并且大部分分布在铸件中心轴线处，热节处，冒口根部，内浇口附近或缩孔下方。结晶温度范围宽的固溶体合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。铸件中因温差小而同
11、时凝固的厚壁中心部位，易形成缩松图2.2缩松形成示意图2.1.2铸造应力铸造在凝固之后的继续冷却过程中，若固态收缩受到阻碍，将会在铸件内部产生内应力，称为铸造内应力。铸造内应力有热应力和机械应力两类，他们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。2.1.2.1 热应力的形成由于铸件的壁厚不均匀，各部分在冷却过程中的冷去速度不一致，以致在同一时期铸件各部分的收缩不一致而相互约束引起的内应力。为了分析热应力的形成，需要了解金属自高温冷却到室温时应力状态的变化。固态金属在弹塑性临界温度以上的较高温度时，处于塑性状态，在应力作用下会产生塑性变形，变形之后应力可自行消除；而在弹塑性临界温度以下，金属呈弹性状态，在
12、应力作用下发生弹性变形，变形之后应力继续存在，形成残余应力。图2.3残余应力温度随时间变化关系示意图如图2.4所示，铸件中的杆1较粗，杆2较细，与上下横梁铸成一体，形成一个框形铸件。它用来分析热应力的形成过程，称为应力框。应力框中粗细杆的冷却曲线分别为图2.4中的1和2，因粗杆1和细杆2的截面尺寸不同，冷却速度不一致，使两杆收缩不一样，产生了内应力，其具体过程分为如下三个阶段进行：第一阶段（t0-t1）：粗细杆温度均高于弹塑临界温度，处于塑性状态，尽管两个杆的冷却速度不同，收缩不一致，但产生的应力可通过塑性变形自行消失。第二阶段（t1-t2）：细杆2的温度已冷却至弹塑临界温度以下，进入弹性状态
13、；而粗杆1温度仍在弹塑临界温度以上，呈塑性状态。虽然细杆2的冷却速度和收缩大于粗杆1（如图5b）但产生的内应力仍可通过粗杆1的压缩塑性变形自行消失（如图2.4c）第三阶段（t2-t3）：粗杆1也冷却至弹塑临界温度以下，进入弹性状态。但此时粗杆1的温度较高，还需进行较大的收缩，而细杆2的温度较低，收缩已趋停止，而应力框又是一个刚性整体，因此，粗杆1的收缩必然受到细杆2的强烈阻碍，从而使粗杆1受弹性拉伸，细杆2受弹性压缩，直到室温，形成了残余应力，粗杆1受拉应力，细杆2受压应力（如图2.4d）图2.4热应力形成示意图由以上分析可知，不均匀冷却使铸件大的缓冷处（厚壁或心处）受拉应力，快冷处（薄壁或表
14、层）受压应力。铸件冷却时各处的温差越大（如壁厚差别愈大），定向凝固越明显，合金的固态收缩率愈大。2.1.2.2 机械应力的形成机械应力是合金的线收缩受到铸型或铸芯等的机械阻碍而形成的内应力。套类铸件在冷却收缩时，轴向受砂型阻碍，径向受型芯阻碍，从而在铸件内产生机械应力。显然，机械应力主要是拉伸和剪切应力，其大小取决于铸型和型芯的退让性，当铸件落砂后，这种内应力便可自行消失，但是落砂前，如果机械应力在铸型中与热应力共同起作用，则将增大某些部位的拉应力，从而增大铸件产生裂纹的倾向。2.1.3铸件的变形残余内应力使铸件处于一种不稳定的状态，使铸件产生全面变形以缓解内应力。如上图所示框形铸件，粗杆1受
15、拉应力，细杆2受压应力，但两杆都有恢复自由状态的趋势，即粗杆1总是力图缩短，细杆2总是力图伸长。如果连接两杆的横梁刚度不够，便会出现翘曲变形。如上图e所示，变形使铸造应力重新分布，残余内应力会减小一些，但不可能完全消失。铸件变形尤以厚薄不均，截面不对称的细长杆类（如梁、床身等）、薄大板类（如平板等）铸件的弯曲或翘曲变形最为明显。如下图所示，T型梁铸钢件，梁1部位厚，梁2部位薄，厚的梁1部位受拉应力，薄的梁2部位受压应力，各自都有力图恢复原来状态的趋势，即厚的梁1部位力图缩短，薄的梁2部位力图伸长。若T型梁的刚度不够，将发生向厚的梁1部位方向的弯曲变形，反之，如下图梁1的部位薄，梁2的部位厚，则
16、将发生与图2.5（1）相反的向厚的梁2部位方向的弯曲变形图2.5T型梁铸件变形示意图2.1.4铸件的裂纹当铸造内应力超过金属材料的抗拉强度时，铸件便会产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止，根据温度的不同，裂纹可分为热裂纹和冷裂纹两种。2.1.4.1 热裂纹当铸件凝固末期接近固相线的高温下时将形成热裂纹，此时结晶出来的固态金属已形成完整的骨架，开始了线收缩，但晶粒间还有少量的液体，故金属的高温强度很低。如果高温下铸件的线收缩受到铸型或型芯的阻碍，机械应力超过其高温强度，铸件便会产生热裂纹。热裂纹的尺寸较短，缝隙较宽，形状曲折，缝隙内呈严重的氧化色。合金的结晶范围愈宽，凝固收缩量愈大，热裂
17、倾向愈大。因此，热裂纹常见于铸钢和铸造铝合金，灰铸铁和球铸铁的热裂倾向较小。为防止热裂纹的产生，铸件材料应尽量选用结晶温度范围小，热裂倾向小的合金，对于铸钢和铸铁，必须严格控制硫的含量，以防热脆，另外，还应通过改善铸件结构，提高型芯砂的退让性，来减少收缩阻碍。2.1.4.2 冷裂纹当铸件冷却至较低温度，铸造内应力超 过合金的抗拉强度时，将，冷裂纹。冷裂纹细小，呈连续直线状，内表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色。冷裂纹多出现在铸件受拉应力的部位，特别是应力集中的部位，如尖角、缩孔、气孔以及非金属夹杂物等附近。铸件壁厚差别越大，形状越复杂，特别是形状复杂的大型薄壁铸件，越易产生冷裂纹。脆性大，塑性
18、差的合金，如灰铸铁、白口铸铁、高锰钢等较易产生冷裂纹，铸钢中含磷量越高，冷脆性越大，冷倾向越大。塑性好的合金，如某些铸造铝合金、铜合金，因内应力可通过塑性变形自行缓解，故冷裂倾向较小。因此，凡是能减小铸造内应力和降低合金脆性因素的措施均能防止冷裂纹的产生。2.1.4铸件其他常见的缺陷在砂型铸造中，经常产生的铸件缺陷除了缩孔、缩松、铸造内应力、变形和裂纹之外，还有冷隔、浇不足、气孔、夹砂、砂眼、胀砂等（如下表）。它们会减小铸件的有效承载截面积，降低铸件的致密性，引起集中应力，使铸件的力学性能严重下降，甚至还会影响机器的寿命，铸件的形状、尺寸、精度也会受影响，影响铸件的外观，增加铸件的清理和切削加
19、工的工作量等等。2.2 铸件缺陷的预防措施2.2.1缩孔与缩松的预防缩孔和缩松位置的确定 正确判断铸件上缩孔和缩松可能出现的位置是采取工艺措施予以防止的重要依据。缩孔和缩松易出现在铸件集中冷却凝固缓慢的厚壁热节处，因此，首先要确定铸件热节位置。在实际生产中，常画“凝固等温线法”或“内切圆法”确定热节位置。如下图，等温线未曾通过铸件中心部位或内切圆直径的最大处，均为热节。这些部位最容易产生缩孔和缩松。图2.6缩孔与缩松位置确定示意图“定向凝固”原则 对一定成分的合金，缩孔和缩松的总容积基本一定，但两者的相对容积也可以相互转化。由于大而集中的缩孔可以一致先将其移出铸件体外，因此可以针对合金的特点制
20、定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件。尽可能使缩松转化为缩孔。生产中采取主要工艺措施是按“定向凝固”原则进行凝固。定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的最大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位向冒口方向顺序地凝固。如图4a)这样，铸件上每一部分的收缩都可得到稍后凝固部位的合金液的补充，最后缩孔转移到冒口，切除冒口后便可得到无缩孔的致密铸件。实现定向凝固的措施 内浇道的引入，位置要有利于定向凝固。如从铸件最厚实处引入，尽量靠近冒口或从冒口引入。(如下图)对于形状复杂，厚大部位不止一个的铸件，在安放冒口的同时还可以在铸件其他厚大部位增放冷铁以加速该处的冷却速度
21、，从而实现定向凝固。图2.7定向凝固示意图仅靠顶部冒口，难以向底部的凸台补缩，为此在该凸台的型壁上安装了两块冷铁，冷铁加快了铸件在该处的冷却速度，使厚度较大的凸台反而最先凝固，从而实现了自下而上的定向凝固，防止了凸台处缩孔、缩松的产生。可以看出：冷铁仅是加快了某部位的冷却速度，以控制铸件的凝固顺序，本身并不起补缩的作用。冷铁通常用铸钢或铸铁加工制成。采用定向凝固虽然可以有效地防止铸件产生缩孔，但却耗费许多金属和工时，增加了铸件成本；同时定向凝固加大了铸件各部分之间的温度梯度，促使铸件的变形和裂纹的倾向加大。因此，定向凝固主要用于体积收缩大的合金，例如铸铁、球墨铸铁、铝青铜、铝硅合金等。(3)其
22、他措施 对于结晶温度范围很宽的合金，由于呈糊状凝固，即使采用冒口对热节处补缩，但由于发达的树枝晶布满了整个正在凝固的区域，堵塞了补缩通道，使冒口难以发挥补缩作用，而仍难以避免缩松的出现，显然选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金是防止缩松产生的有效措施。加大铸件的冷却速度，如采用热节处安放冷铁等局部激冷方法，可以加大该处的温度梯度，使处于液固两相区的截面变窄，从而减少缩松，加大结晶压力，可以破碎枝晶，减少其对金属液的注入阻力，从而达到部分防止缩松的效果。2.2.2铸造内应力的预防2.2.2.1减小和消除应力的措施 由于机械应力在铸件落砂后便可自行消失，而热应力仍残留在铸件 ，因此减少应力的措施
23、主要着眼于减少热应力，但要避免过大的机械应力与热应力的共同作用。同时凝固原则及实施 同时凝固原则是尽量减少铸件各部分之间的温度差异，使铸件各部位同时冷却凝固，从而减小因冷却不一、收缩不一引起的热应力。为实现铸件的同时凝固，可在厚壁处加冷铁，并将内浇口设在薄彼处，但同时凝固容易在铸件中心区域产生缩松，组织不致密，所以同时凝固原则主要用于凝固收缩小的合金（如灰铸铁）。以及壁厚均匀，合金结晶温度范围宽（如铸造锡青铜），但对致密性要求不高的铸件改善铸型及其退让性 改善铸型和型芯的退让性，以及浇注后及时打箱落砂，可以有效减少机械应力及其热应力的共同作用。(3)去应力退火 将落砂清理后的铸件加热到550-
24、650摄氏度之间保温，进行去应力退火，可消除铸件中的参与内应力。2.2.3铸造变形的预防 减小铸造内应力或形成平衡内应力凡是减小铸造内应力的措施均有利于铸件变形的防止，设计对称结构铸件可使对称两侧的内应力相互平衡而不易变形。 反变形法在铸造生产中防止铸件变形的最有效方法是采用“反变形法”，它是在铸造模样时，按铸件可能产生变形的反方向做出反变形的模样。这种在模样上做出的预变形量称为反变形量。例如箱体类铸件，壁厚虽均匀，但内部冷却速度较慢，外部冷却速度较快，因此箱体壁会发生向外凸出的变形。采用反变形法，可以使得箱体类的铸件内外冷却速度相差不大，由此可以避免裂纹的出现，提高了铸件生产的效率。(3)
25、设防变形拉筋对于某些铸件可设防变形的拉筋（有时可用浇道代替），经消除应力退火后再将拉筋去掉。为保证拉筋的防变形作用，拉筋厚度应略小于铸件壁厚，以便拉筋先于铸件凝固。 (4)去应力退火。存在内应力的铸件经切削加工后，由于内应力的重新分布，铸件还会发生微量变形导致其精度显著下降，甚至报废。为此，对于要求装配精度稳定性高的重要铸件，如机床导轨、箱体、刀架等，必须在切削加工前进行去应力退火热处理，另外，对于铸件进行振动去应力处理，可在室温下高效释放内应力2.2.4铸件裂纹的预防 热裂纹的预防热裂纹常见于铸钢和铸造铝合金，灰铸铁和球铸铁的热裂倾向较小。为防止热裂纹的产生，铸件材料应尽量选用结晶温度范围小
26、，热裂倾向小的合金，对于铸钢和铸铁，必须严格控制硫的含量，以防热脆，另外，还应通过改善铸件结构，提高型芯砂的退让性，来减少收缩阻碍。冷裂纹的预防脆性大，塑性差的合金，如灰铸铁、白口铸铁、高锰钢等较易产生冷裂纹，铸钢中含磷量越高，冷脆性越大，冷倾向越大。塑性好的合金，如某些铸造铝合金、铜合金，因内应力可通过塑性变形自行缓解，故冷裂倾向较小。因此，凡是能减小铸造内应力和降低合金脆性因素的措施均能防止冷裂纹的产生。3 其他常见铸件结构缺陷及预防措施在砂型铸造中，经常产生的铸件缺陷除了缩孔、缩松、铸造内应力、变形和裂纹之外，还有冷隔、浇不足、气孔、夹砂、砂眼、胀砂等（如下表）。它们会减小铸件的有效承载
27、截面积，降低铸件的致密性，引起集中应力，使铸件的力学性能严重下降，甚至还会影响机器的寿命，铸件的形状、尺寸精度也会受影响，影响铸件的外观，增加铸件的清理和切削加工的工作量等等。为了提高铸件质量，应采取有效措施预防缺陷的产生，最终使得铸件能够满足铸件的结构工艺性要求。表3.1 其他常见缺陷及其预防措施缺陷种类特征产生原因预防措施浇不足未充满型腔，铸件不完整液态合金的流动性、充型能力不足，铸件壁太厚提高浇注温度与速度，预热铸型，减慢其散热速度冷隔铸件有未融合接缝气孔孔内壁光滑，明亮或带有轻微氧化色熔融合金吸收的气体在冷凝前未逸出降低金属液含气量，增大砂型透气性，增设出气口，烘干铸型粘砂铸件表面粘附
28、的难以清理的砂粒 型砂耐热性不够，浇注温度过高提高型砂耐热性，降低浇注温度，砂型表面刷防止粘砂的涂料夹砂铸件表面形成内含夹砂的沟槽疤痕砂型铸造厚大平板类铸件，上表面型砂受金属液强烈热辐射作用而拱起破碎，夹入金属液中烘干铸型，铸件厚大平面朝下放置砂眼铸件内部或表面上充塞着有型砂的孔洞造型合箱和浇注时砂粒或砂块剥落或冲落而滞留在铸件内保证型砂强度和模样的起模斜度，加固铸型的细薄凸起以防砂粒掉入型腔中胀砂铸件局部胀大在金属液态压力下，铸型型壁有移动提高砂型强度，砂箱刚度，加大合箱紧固力，降低浇注温度以提早结壳，减小金属液对铸型的压力结 论铸件在实际生产加工过程中经常出现混合的缺陷即几种缺陷可能会同时出现，这就要求我们能够对铸件在加工过程中出现的任何一种缺陷的特征及其预防措施十分清楚明白。这样才能杜绝由此带来的废品，最终使产品的效益增加。当然这不仅需要很强的理论知识来导航，更需要多年的生产经验来做后盾。