特种铸造教学配套课件作者陈维平特种铸造第4章-反重力铸造4-5学时-王猛PPT文件格式下载.ppt

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,4）、压力降低，型内气泡易于上浮外逸，可降低合金含气量，有利于抑制铸件气孔；

但未完全析出的气体在较低压力下膨胀，则可能加重针孔缺陷。

5）、真空条件下较低的凝固压力可能导致铸件补缩不利，产生较常压浇注更为严重的疏松缺陷。

6）、提供的压差低于其它反重力铸造方法，仅适用于小型精密铸件的生产。

7）、采用真空吸铸方案生产空心铸件时，内孔尺寸难于精确控制。

4-8,4-9,低压铸造是通过将气体压力作用于金属液面，而铸型型腔与大气均压，进而使金属液在压力驱动下自下而上完成型腔充填，并在压力作用下凝固而获得铸件的一种铸造方法。

图4-4低压铸造系统示意图（教材图4-4）1-压室，2-熔化炉，3-坩埚，4-金属液，5-升液管，6-隔板，7-铸型，8-通气塞，9-大气截止阀，10-流量调节阀，11-增压截止阀，12-空气压缩站，13-储气罐,三、低压铸造,与真空吸铸相比：

1）可使铸件在较高压力条件下完成凝固，气体析出量及体积较小，可以抑制气孔或针孔缺陷；

2）型内存在气体反压，需通过强化铸型透气来改善铸件充填性能。

与压力铸造相比：

3）充型平稳，补缩可控；

4）可与砂型、熔模型壳、金属型等多种铸型匹配进行生产。

充型压力通常为20-60kPa。

4-10,4-11,在对金属液面和铸型型腔同步增压后，建立压差，将金属液由坩埚中压入型腔，实现充型；

充型完毕后，保持系统压力，强化凝固补缩，抑制气体析出，获得更高的铸件致密度。

图4-5差压铸造系统示意图（教材图4-5）1-下压室，2-熔化炉，3-升液管，4-互通阀，5-隔板，6-泄压阀，7-上压室，8-铸型，9-上压室进气阀，10-下压室进气阀，11-坩埚，12-金属液,四、差压铸造,压室同步增压压力可达500kPa以上：

1）改善补缩，抑制疏松，显著提高铸件的致密度和机械性能；

2）提高凝固压力，有效抑制气体析出，针孔缺陷产生几率下降；

3）铸件含气量较真空吸铸及低压铸造件高；

4）型腔内有高压气体存留，降低充型效率，薄壁充型存在障碍；

5）为了保证型腔排气，对铸型透气性能有较高要求；

6）适合壁厚较大的有色合金铸件的高性能生产。

4-12,4-13,増压法差压铸造通过下压室进气获得充型压差；

减压法差压铸造通过上压室排气获得充型压差。

图4-6差压铸造过程示意图（教材图4-6）（a）增压，（b1）增压法充型，（b2）减压法充型，（c）保压，（d）泄压,五、调压铸造,调压铸造技术是在差压铸造的基础上而提出的一种新型薄壁铸件成形方法。

这种方法汲取了传统反重力铸造方法的优点并加以改进提高，使充型平稳性、充型能力和顺序凝固条件均优于普通差压铸造，因而可铸造壁厚更薄、力学性能更好的大型薄壁铸件，适用于大型复杂薄壁铸件的生产。

调压铸造装置如图4-7所示，其与差压铸造最大的区别在于不仅能够实现正压的控制，还能够实现负压的控制。

4-14,4-15,首先对上下抽真空并保持负压；

对下压室充入气体建立压差，使金属液沿升液管压入处于真空的型腔；

充型结束后同步对上下压室加压并保持压差，直至金属液在压力下凝固成形；

卸除压力，未凝固的金属液回流进入坩埚中。

图4-7调压铸造装置结构示意图（教材图4-7）1-压力罐，2-正压控制系统，3-上压室，4-铸型，5-负压控制系统，6-真空罐，7-金属液，8-保温炉，9-下压室,三个重要的技术特征及优势：

真空除气充分去除金属液及铸型内的气体；

负压充型充型时型内无气体阻碍；

正压凝固促进补缩并进一步抑制气孔。

4-16,图4-7调压铸造装置结构示意图（教材图4-7）1-压力罐，2-正压控制系统，3-上压室，4-铸型，5-负压控制系统，6-真空罐，7-金属液，8-保温炉，9-下压室,虽然凝固压力较大，但压室间压差保持较低水平，不会对铸型的强度提出更高的要求；

负压充型降低了对铸型透气性的要求，不必进行排气结构的强化设计；

调压铸造方法对铸型的适应性较强，可适用于金属型、砂型、石膏型、熔模精铸型壳等各类铸型的应用。

4.2反重力铸造工艺参数,一、压力调控二、浇注温度及铸型温度,4-17,4-18,一、压力调控,低压铸造,真空吸铸,差压铸造,调压铸造,图4-8反重力铸造铸型及金属液环境压力示意图（教材图4-8）P1-铸型环境气压P2-金属液环境气压,4-19,压差是控制充型及补缩的重要参数：

1、为了驱动金属液沿反重力方向完成充型，需提供足够的压差；

2、要考虑铸型结构强度，给定最大压差应小于铸型的破坏极限；

3、压差的建立应在一定时限内完成，以保证有效充型；

4、为了保证充型的平稳性，应适当降低压差的建立速度；

5、为了保证充型效率，应适当增大压差的建立速度。

保证金属液完整充填型腔的必要条件为：

式中金属液的密度为，型腔顶端到坩埚液面的高度H，g为重力加速度。

4-20,为了更好地实现充型及补缩流动控制，可将压差建立过程划分升液、充型、结壳、增压四个阶段进行，实现分阶段的增压操作：

图4-9反重力铸造过程中各阶段的压差控制1-升液时间，2-充型时间，3-结壳时间，4-增压时间，5-保压时间，6-卸压时间,升液充型结壳增压保压卸压,升液阶段：

充型阶段：

：

阻力系数，取值可在11.5之间,结壳阶段：

3可控制在1020s之间,附加增压阶段：

k：

增压系数，取值可在0.31.0之间,4-21,压力及真空度控制：

对于低压铸造及真空吸铸工艺来说，一旦确定压差变化曲线，则系统的最大压力或真空度也就同时确定，而差压铸造以及调压铸造工艺则需要进一步给定系统的压力及真空度控制条件。

差压铸造最大保压压力：

500600kPa，补缩能力较低压铸造可提升45倍。

调压铸造真空阶段压力：

-95kPa-80kPa，保持1015分钟，气体充分析出；

最大保压压力：

100200kPa，抑制针孔析出并强化铸件补缩。

500600kPa,100200kPa,-95kPa-80kPa，1015min,4-22,二、浇注温度及铸型温度,浇注温度确定规范：

在保证铸件成形的条件下，尽可能降低浇注温度，减少金属液的吸气和收缩，抑制气孔、缩孔、缩松、应力及裂纹等各类缺陷的产生；

反重力铸造条件下金属液的流动得到了外加压力的驱动，充型能力更易于保证，浇注温度可较常规铸造工艺低1020C。

简单厚壁零件通过降低浇注温度来提高冷却速度，获得良好凝固组织；

复杂薄壁铸件通过提高浇注温度来强化充型，保证铸件完整充填。

真空吸铸及调压铸造因采用了真空负压充型工艺，型内无气体反压或反压较低，热量散失较小，浇注温度可适当降低；

差压铸造条件下，因型内存在高压气体阻碍，且金属液更易于通过空气散热，应适当提高浇注温度，保证铸件充型。

4-23,铸型温度确定规范：

根据铸型种类、铸件结构来合理选择铸型温度；

在保证有效充型的前提下，适当降低铸型温度。

对于砂型、石膏型等低热导率铸型，可以进行无预热浇注，或将铸型预热至150200C；

对于金属型反重力铸造，由于铸型激冷能力强、导热性能高，应将铸型预热至200350C后浇注；

对于金属型复杂薄壁铸件，铸型温度可进一步提高到400450C后再进行浇注。

4.3反重力铸造工艺方案,一、浇注位置及分型面二、浇注系统及冒口设计三、铸型排气设计四、铸型涂料,4-24,4-25,

（1）优先保证充型的有效性和平稳性：

1）金属液应由型腔底部引入，液面沿反重力方向上升，直至完整充填型腔；

2）保证型腔顶部的排气通畅，防止铸件局部出现憋气现象；

3）严格控制金属液在型腔局部的自由下落，减少气体或氧化夹杂的卷入；

4）匹配型腔截面上的金属液流量，以获得最佳的液流形态；

5）将厚大部位置于型腔底部，有利于提高充型平稳性和铸件补缩；

6）将对称铸件结构轴线沿垂直方向放置，通过分布式的浇注系统引入金属液，提高流动均衡度，强化铸件对称部位性能的一致性。

一、浇注位置及分型面,4-26,

（2）优化凝固顺序及补缩效果：

1）液面沿反重力方向上升获得朝升液管方向温度提升温度场分布2）将厚大部位置于型腔底部有利于建立凝固顺序强化铸件补缩；

3）采用辅助手段强化朝向升液管的凝固顺序;

图4-11建立凝固顺序的措施（教材图4-11）（a）安置冷铁，（b）改变金属型壁厚，（c）使用局部激冷1-厚冷铁，2-铸件型腔，3-薄冷铁，4-金属型，5-水冷装置,图4-10使用加工余量调整凝固顺序（教材图4-10）1-铸件，2-工艺余量,4-27,（3）铸件大平面的处理：

对于有较大平面的铸件，应当避免将水平面水平放置，以防止注入平面的金属液分成多股流路充填，合流时卷入气体及氧化膜。

（4）分型面的设计：

在反重力铸造过程中，铸型被安放于中间隔板上，为便于开合型以及铸型紧固等操作，在分型面的选择上，多采用水平分型方案。

4-28,反重力铸造降低了液流飞溅及氧化夹渣卷入的可能性，浇注系统的主要任务是合理分配液流，同时保障补缩。

简单结构铸件，可设置直通式浇口（即中心锥形浇口）构成点式浇注系统；

复杂结构铸件，可増设横浇道、集渣槽等，以合理分配液流并净化金属液；

避免内浇口直接朝向型芯，防止造成型芯破坏或型芯局部过热；

生产大尺寸铸件时，可将内浇口置于短边面，强化高度方向上的温度梯度；

使用多个内浇道时，要合理设置各内浇口的位置、朝向及截面面积，使内浇道液流分配均匀，避免不利的金属液汇流。

二、浇注系统及冒口设计,4-29,浇注系统一般采用收缩式结构，以FN、FH、FS分别表示内浇道、横浇道及升液管的断面积，其应具备如下关系：

使得升液管口的金属液最后凝固，有利于卸压过程中的液面与铸件脱离。

对于易氧化的浇注金属液来说，可以采用扩张式浇注系统，即：

有助于获得平稳液流，避免金属液氧化膜卷入，但同时应给定如下限制条件：

既可以稳定液流，同时又可保证升液管口的金属液最后凝固。

4-30,

（1）点式浇注系统：

不使用横浇道，直接将升液管口与内浇道连接。

图4-12采用点式浇注系统的金属型（教材图4-12）,4-31,

（2）分流式浇注系统：

对于长条形状、大圆筒形状、壳体形状的铸件，常需要设置多个内浇道，并通过横浇道把内浇道与升液管连接。

图4-13分流式浇注系统结构（教材图4-13）（a）板状厚壁件浇注系统，（b）水套浇注系统，（c）汽缸体浇注系统,4-32,（3）分流式浇注系统：

图4-13分流式浇注系统结构（教材图4-13）（d）箱体浇注系统，（e）圆筒浇注系统，（f）壳体浇注系统,4-33,（4）冒口的设计和应用：

1）为避免影响凝固顺序，反重力铸造一般不设计冒口，在必要的情况下可在型腔顶端设置集渣包以容纳最初充型的冷污金属，但须严格控制集渣包分布及尺寸，避免其成为局部热节；

2）部分铸件具有上下两端较厚，中部较薄的特点，可首先考虑在上端放置冷铁的工艺方案；

3）若存在局部补缩效果不良，可以考虑在特定位置使用暗冒口进行补缩，但需要严格控制暗冒口的补缩区域，避免对铸件整体凝固顺序产生过大影响，造成“倒补缩”现象。

4-34,三、铸型排气设计,反重力铸造铸型中通常没有冒口或朝上的浇注系统，金属液充填型腔时，若型腔内的气体不能迅速排出，可能导致充型压差不足或局部憋气，造成铸件浇不足缺陷。

可采取如下措施：

（1）在铸型配合处或分型面上预留排气间隙或排气沟槽；

（2）在距离金属液入口的最远处、铸件型腔深凹部位的死角及铸型型腔最高部位上，采取排气措施，如排气孔、通气塞等；

（3）充型速度与排气速度之间应良好匹配。

4-35,四、铸型涂料,

（1）抗粘砂型涂料：

主要用于砂型铸造，以刚玉粉、硅藻土的细小粉料配制，降低铸型壁面粗糙度，抑制机械粘砂，同时不与金属氧化物形成低共熔点产物，抑制化学粘砂；

（2）脱模型涂料：

主要用于金属型铸造，以石墨或滑石粉为主要成分，减小铸型与铸件之间的摩擦和磨损，达到润滑效果；

（3）表面调节剂型涂料：

包括晶核型涂料及合金化涂料，前者可起到促进形核的作用，细化铸件组织，后者中的某些成分可通过扩散进入铸件表层，获得表面合金化效应，使铸件表面性能得到强化。

4-36,（5）蓄热效应型涂料：

通过不同蓄热能力涂料的应用，对反重力铸造过程中的凝固顺序进行调整，这包括：

1）降低铸型导热性能的绝热型涂料：

以硅藻土、石棉粉、云母等热导率及比热较低的多孔耐热物质为主要原料2）强化铸型导热的传热型涂料：

以石墨粉、刚玉粉、锆石粉、甚至高温合金粉作为主要原料（6）焓变型涂料：

通过添加在特定温度范围内产生足够焓变的物质，利用其在高温下发生吸热或放热反应的特性，获得对凝固顺序的高强度干预，如：

1）吸热反应：

2）放热反应：

4.4反重力铸造设备及自动化,一、反重力铸造设备二、压力控制系统三、保温炉结构设计四、升液管结构设计五、电磁低压铸造,4-37,4-38,一、反重力铸造设备,

（1）真空吸铸机：

真空吸铸方法获得的压差小，适合于贵金属小尺寸铸件精密铸造，应用范围受到一定限制，目前其生产应用的规模相对较小。

图4-14一种小型真空吸铸机（教材图4-14）,图4-14所示的吸铸机内部包括合金熔化、真空度控制以及真空吸铸机构，合金熔化炉及真空泵置于机体内部，升液管下端伸入坩埚，上端连接到机体上部钟罩内的铸型浇口。

生产时，将物料加入坩埚，开启熔化炉进行物料熔化，达到一定温度后，开启真空泵，调节手柄抽取钟罩内的气体，大气压即可将金属液压入铸型，实现充型。

应根据熔化方式、融化温度、真空控制、真空室尺寸等指标进行设备选型。

4-39,

（2）低压铸造机：

是目前应用最为广泛，完备程度最高的反重力铸造设备。

图4-15低压铸造机设备主机结构（教材图4-15）,图4-15是一种顶铸式低压铸造设备，包括机体（保温炉、承压密封器）、机架（包括工作台、铸型开合机构、铸件顶出机构等）；

驱动机械装置动作的液压控制系统及驱动金属液的液面气压控制系统。

适用于机械、汽车、内燃机、航空等行业锌、铝、铜合金中小型铸件的生产，设备自动化程度较高，根据零件的形状及大小，生产率一般为1520件/小时。

根据坩埚容量、熔化温度、加热功率、压差控制范围、型板尺寸、拉杠内间距、动型板行程、模具最大厚度、铸件最大投影面积、开合型力等进行设备选型。

4-40,（3）差压铸造机：

适用于产品质量要求严格的场合。

图4-16差压铸造机设备主机结构（教材图4-16）1-下压室，2-坩埚，3-保温炉，4-升液管，5-滚珠，6-定位销，7-中隔板，8-卡环，9-铸型，10-上压室，11-压力表，12-安全阀，13-吊耳，14-气缸，15-O型圈,图4-16给出了一种差压铸造机的设备主机简图，整个主机的主体部分由上下两个压室构成。

铸型置于上压室内，熔炼（保温）炉则置于下压室内，金属液通过升液管与铸型型腔连接。

熔炼（保温）炉与温度控制系统连接，上下压室与压力控制系统连接。

压室工作压力达到500600kPa，在上压室上安装了压力表及安全阀以保证压力不致超限，避免设备损伤或人身伤害。

对于压室及管道的耐压能力应作可靠核算，保证其在给定工作温度下能够正常承压；

对于压力容器，应严格年检制度，避免不良事故发生。

（3）差压铸造机：

图4-17美国CPC公司和保加利亚LLinden公司联合生产的差压铸造机1-底座，2-下压室，3-中隔板，4-取件机械手，5-上压室，6-动型板，7-顶件型板8-顶件液压缸，9-拉杠，10-合型顶杆，11-锁定液压缸，12-上机架，13-主液压缸,4-41,4-42,（4）调压铸造机：

主要用于高性能需求的复杂薄壁铸件小批量生产应用。

主机需承受抽真空时的外部大气压力和增压时100200kPa内部压力，不仅需要核算耐压能力，还需核算系统刚度，避免压室在真空条件下变形；

调压铸造系统要求实现从负压到正压的连续稳定控制，控制特点为：

“高精度、大动态”；

图4-18西北工业大学研制的TYM-1型调压铸造设备系统（教材图4-18）,二、压力控制系统,

（1）通过闭环自反馈系统来实现压力的自动化控制。

图4-19自反馈压力控制系统结构示意图（教材图4-19）,将需实现的压力控制目标曲线输入程序控制器，并以压力传感器从控制对象取得当前压力值；

若测得的压力值低于设定目标值，则通过正向输出端作用于调节阀1，将正压源内的气体输入封闭容器，使容器压力升高；

若测得的压力值高于设定目标值，则通过负向输出端作用于调节阀2，将容器内的气体由排气口输出封闭容器，使容器压力降低。

4-43,4-44,

（2）压力传感器是反重力铸造压力控制系统中的重要气路检测元件，用以获取管路或压室内的压力信息。

图4-20压力传感器,压力变送器：

将压力转换成为420mA电流；

或将压力数值转换为05V电压。

图4-20压力传感器,4-45,（3）调节阀反重力铸造压力控制系统中的重要气路动作执行部件，用以实现管路上的气体流量控制，包括膜片式调节阀和组合式调节阀两种类型。

图4-21膜片式调节阀及其内部结构,图4-22组合式调节阀及其工作原理,4-46,（4）差压铸造及调压铸造设备中，单路压力控制系统往往不能满足控制需要。

下图给出了一种双路双闭环压力控制系统，可实现包括差压铸造、调压铸造在内的四种反重力铸造压力控制。

图4-23双路双闭环压力控制系统,4-47,图4-24一种双路双闭环反重力铸造压力控制系统（教材图4-20）112-单向电磁阀，H1、H2-互通电动阀，TB1、TB2-常闭调节阀，TK1、TK2-常开调节阀，P1P6-压力传感器A-压缩空气，B-附加气体，C-排气口，D-混气罐，E-空气罐，F-上压室，H-下压室，I-真空罐，J-真空泵,为满足某些金属对加压气氛的要求，系统设置保护气体罐和空气罐，分别实现合金液面加压和铸型空间加压；

常规电磁阀仅具备单向导通能力，使用了互通电动阀以满足双向气体交换的要求；

使用传感器对气路关键点压力参数进行检测，传输到工业控制计算机中，进而控制各阀门的动作，完成备气、抽真空、加压、保压、卸压等各项功能操作。

4-48,（5）西北工业大学通过应用一种特殊设计的压差控制器，建立了一种适用于调压铸造压力控制的简化方案，其控制系统结构如图4-25所示。

图4-25一种简化的调压铸造压力控制系统（教材图4-21）（a）压差控制阀，（b）基于该控制阀的调压铸造压力控制系统1-压差调节手柄，2-预紧弹簧，3-上测压口，4-膜片阀，5-下测压口，6-阀杆，7-阀体，8-阀芯，9-下压室，10-上压室，11-负压罐，12-上压室排气阀，13-下压室排气阀，14-互通阀，15-压力主控阀，16-压差控制阀，17-正压罐,4-49,三、保温炉结构设计,部分反重力铸造设备中加热炉兼具熔化和保温双重效用，此时加热炉应具备足够功率；

若金属液熔炼在其它独立设备上完成，加热炉仅需按保温所需的较小功率设计。

图4-26保温炉与下压室一体化设计的侧铸式低压铸造机（教材图4-22）,采用电阻坩埚炉对金属液进行温度控制，保温炉或者与压室均为独立结构并加以组装，或者与下压室采用一体化设计。

采用闭环系统对金属液温度进行控制热电偶测温元件测量金属液的温度，温度控制器按算法控制加热功率，对温度偏差作出反馈。

4-50,四、升液管结构设计,适当的升液管材质、形状及结构，有助于延长其使用寿命，保证铸件质量，降低生产成本。

（a）（b）（c）（d）图4-27常见的升液管结构（教材图4-23）（a）直筒式，（b）正锥式，（c）倒锥式，（d）潜水钟式,升液管常用材料为铸铁，某些条件下可替换为氮化硅、碳化硅陶瓷；

升液管必须具备良好的气密性；

可对升液管进行保温、或加热处理，防止升液管冻结，保证有效补缩。

4-51,五、电磁低压铸造,近年来，也有采用除气体压力以外的其它方法来驱动金属液进行反重力充型的新技术被提出。

图4-28电磁低压铸造（教材图4-24）1-铸型，2-机架，3-电磁泵，4-保温炉，5-输液管,以电磁低压铸造技术为例：

通过陶瓷输液管连接金属液与铸型，在输液管外侧安装电磁泵，利用电磁泵驱动金属液流动进入型腔。

调整电磁泵以控制液流速度及压力，实现有序充型和有效补缩，保证铸件质量。

4.5反重力铸造缺陷与对策,一、缩孔与缩松二、气孔缺陷三、浇不足及铸件空壳四、铸件披缝、鼓胀及跑火五、铸件变形及裂纹六、粘砂,4-52,4-53,一、缩孔与缩松,产生的主要原因是补缩通道不畅，或补缩强度不足。

解决措施有：

（1）凝固应由远离浇注系统端朝向浇注系统而进行；

（2）当铸件存在不良凝固顺序时，应调控凝固顺序，使之满足上述原则；

（3）避免在远离浇注系统的区域设置冒口，优先考虑采用冷铁加快远端凝固；

（4）可以应用各类涂料对铸件凝固顺序进行干预。

（5）合理调控凝固压力及压差，有助于抑制缩孔缩松。

4-54,二、气孔缺陷,根据来源的不同，可划分为析出性气孔、反应性气孔、侵入性气孔。

解决措施如下：

（1）降低金属液含气量、提高凝固压力及凝固速度，有利于抑制析出性气孔，合理的差压铸造及调压铸造工艺可显著抑制析出性气孔；

（2）分析反应性气孔的产生来源，充分去除反应物、合理使用铸型涂料，避免铸型中的反应物与金属液直接作用，以抑制反应性气孔；

（3）铸型及型芯