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1、材料成型工艺学全册配套最完材料成型工艺学全册配套最完 整精品课件整精品课件(上）上） 材料成形工艺学（上）材料成形工艺学（上） 章章 节节内内 容容学学 时时 第一章第一章金属液态成形工艺概述金属液态成形工艺概述4 4 第二章第二章金属液态成形工艺原理金属液态成形工艺原理4 4 第三章第三章金属液态砂型成形工艺金属液态砂型成形工艺2222 第四章第四章金属液态成形特种工艺金属液态成形特种工艺 （连铸工艺、电磁连铸、金属型等）（连铸工艺、电磁连铸、金属型等）10 40 主主 讲讲 辛啟斌辛啟斌 材料成型研究所材料成型研究所 联系方式联系方式 15802499007， u 课程内容：课程内容： l

2、 金属液态成形工艺金属液态成形工艺 l 金属固态成形工艺金属固态成形工艺 l 金属重熔成形工艺金属重熔成形工艺 l 金属半固态成形工艺金属半固态成形工艺 内容繁多，技术复杂内容繁多，技术复杂 铸造方法、连铸铸造方法、连铸 轧制、压加、锻造轧制、压加、锻造 焊接方法焊接方法 教材：教材： 材料成形工艺学材料成形工艺学 齐克敏等主编齐克敏等主编 冶金工业出版社冶金工业出版社 2006.1 教材：教材： 主要教学参考书：主要教学参考书： 材料成形原理材料成形原理 陈平昌等主编陈平昌等主编 机械工业出版社机械工业出版社 2003.3 材料成形基本原理材料成形基本原理 刘全坤主编刘全坤主编 机械工业出版

3、社机械工业出版社 2005.3 材料成形工艺学材料成形工艺学 齐克敏等主编齐克敏等主编 冶金工业出版社冶金工业出版社 2006.1 第一章第一章 金属液态成形工艺概述金属液态成形工艺概述 u 轧制、压力加工轧制、压力加工 u 铸造铸造 材料成形工艺形成的产品：材料成形工艺形成的产品： 半成品或成品半成品或成品 毛坯或成品毛坯或成品 截面形状一致（板、带、型、线、管）截面形状一致（板、带、型、线、管） 截面形状不一致（铸件）截面形状不一致（铸件） 截面形状一致截面形状一致 （连铸坯）（连铸坯） 引引 言言 金属液态成形工艺通常称为金属液态成形工艺通常称为铸造。铸造。 鋳造：鋳造： 是将是将浇注到

4、具有和机械零件形状浇注到具有和机械零件形状 相适应的相适应的中，经过中，经过之后，获之后，获 得毛坯或零件的金属材料加工成形方法。得毛坯或零件的金属材料加工成形方法。 引引 言言 铸造产品称为：铸造产品称为： 铸件、铸锭、铸坯、铸带等铸件、铸锭、铸坯、铸带等 轻型货车四缸发动机缸体轻型货车四缸发动机缸体 轧钢机轧辊轧钢机轧辊 不锈钢冲击叶轮，不锈钢冲击叶轮，4.3吨吨 分体铸造的钢圈分体铸造的钢圈 分体铸造的齿轮分体铸造的齿轮 整体铸造的三峡电站整体铸造的三峡电站 水轮发电机组下环水轮发电机组下环 高中压外缸，高中压外缸，40吨吨 73D-9气缸，气缸，70吨吨 装饰件装饰件 铸铜工艺品铸铜工

5、艺品 后母辛方鼎后母辛方鼎 商代后期商代后期 高高80.180.1厘米，口横长厘米，口横长6464厘米厘米 19761976年河南安阳小屯出土年河南安阳小屯出土 中国国家博物馆藏中国国家博物馆藏 鼎：鼎： 礼器、炊器礼器、炊器 地位象征：地位象征： 天子天子 9 9 鼎鼎 诸侯诸侯 7 7 鼎鼎 大夫大夫 5 5 鼎鼎 最大的鼎：司母戊鼎最大的鼎：司母戊鼎 875kg875kg 东周时期东周时期 高高118118厘米，重厘米，重64.2864.28公斤公斤 19231923年河南新郑南门出土年河南新郑南门出土 北京故宫博物院藏北京故宫博物院藏 壶：壶： 酒器酒器 商朝晚期的礼器商朝晚期的礼器

6、高高58.358.3厘米，重厘米，重3434公斤公斤 19381938年湖南年湖南宁乡县黄村宁乡县黄村出土出土 中国国家博物馆藏中国国家博物馆藏 商代青铜方尊中最大的商代青铜方尊中最大的 一件，是国家特级文物一件，是国家特级文物. 四羊方尊四羊方尊 周周厉厉王时期的铸器王时期的铸器 高高20.620.6厘米，口径厘米，口径54.654.6厘米厘米 台北故宫博物院藏台北故宫博物院藏 西周晚期西周晚期 高高65.665.6厘米厘米 铭文铭文123123字，字，记录记录周周厉厉王王 亲亲征南国征南国事事件件 台北故宫博物院藏台北故宫博物院藏 宗周钟宗周钟 毛公鼎、散氏盘、宗周钟毛公鼎、散氏盘、宗周钟

7、 （青铜器三大镇馆之宝）（青铜器三大镇馆之宝） 中国最具有艺术成就的是曾侯乙编钟中国最具有艺术成就的是曾侯乙编钟 一套一套6565件，最大的高件，最大的高1.5341.534米，重米，重203.6203.6公斤。公斤。 19781978年湖北随州市曾都区城西出土年湖北随州市曾都区城西出土 青铜铸造，乐器青铜铸造，乐器 总音域达到五个八度，略次于现代的钢琴。可以奏出五声、六声或七声总音域达到五个八度，略次于现代的钢琴。可以奏出五声、六声或七声 音阶的音乐作品。音阶的音乐作品。 中国最大的是中国最大的是 “永乐大钟永乐大钟”，高，高6.756.75米，钟口外径米，钟口外径3.33.3米，重达米，重

8、达46.546.5吨。吨。 明朝永乐年间制造，钟体遍布佛经咒语明朝永乐年间制造，钟体遍布佛经咒语100100多种，达多种，达2323万余字，仍是世界铭万余字，仍是世界铭 文最多的大钟。文最多的大钟。 永乐大钟沿袭了我国三大传统铸造工艺之一的泥范法，永乐大钟沿袭了我国三大传统铸造工艺之一的泥范法， 具体说是地坑造型表面陶范的泥范法。具体说是地坑造型表面陶范的泥范法。 先按设计好的大钟模型分先按设计好的大钟模型分7 7截制出供铸造使用的外范，截制出供铸造使用的外范， 低温阴干，焙烧成陶。接着在地上挖出低温阴干，焙烧成陶。接着在地上挖出1010米见方的深坑巨穴，米见方的深坑巨穴， 再根据钟体不同断面

9、的半径和厚度设计车刮板模，做出大钟再根据钟体不同断面的半径和厚度设计车刮板模，做出大钟 的内范。然后将的内范。然后将7 7个陶质外圈依次对接套在内范上拼装成型，个陶质外圈依次对接套在内范上拼装成型， 将熔化的金属通过顶部的浇口浇进铸型。将熔化的金属通过顶部的浇口浇进铸型。 永乐大钟的铸造方法：永乐大钟的铸造方法： 永乐大钟的铸造方法：永乐大钟的铸造方法： 直径 23.4点 厘米。唐代铜镜， 现藏于中国历史博物馆。 花鸟花鸟人物螺人物螺钿钿镜（唐）镜（唐） 银背菱花银背菱花镜（唐）镜（唐） 南山大佛（山东龙口）：南山大佛（山东龙口）： 高高38.66米，重米，重380吨，这座锡青铜释迦牟尼大坐佛

10、，为目前世界第一吨，这座锡青铜释迦牟尼大坐佛，为目前世界第一 大铜铸坐佛。大铜铸坐佛。 大佛采用分体铸造总体焊接的方法建造。大佛采用分体铸造总体焊接的方法建造。 峨眉山金顶四面十方普贤金像峨眉山金顶四面十方普贤金像 高高48米，重米，重660吨，为世界上最高的金佛。吨，为世界上最高的金佛。 金佛采用铜铸镏金工艺。金佛采用铜铸镏金工艺。 我国的铸造地位：我国的铸造地位： 19811981年我国的铸件年产量约年我国的铸件年产量约 500500 万吨万吨 20002000年我国的铸件年产量达到年我国的铸件年产量达到 13951395 万吨（居世界第一位）万吨（居世界第一位） 20022002年我国的

11、铸件年产量达到年我国的铸件年产量达到 16261626 万吨万吨 20042004年我国的铸件年产量达到年我国的铸件年产量达到 19781978 万吨（全万吨（全球球75007500万吨）万吨） 20052005年我国的铸件年产量达到年我国的铸件年产量达到 2442 2442 万吨（全万吨（全球球85708570万吨）万吨） 20062006年我国的铸件年产量达到年我国的铸件年产量达到 2809 2809 万吨（全万吨（全球球91379137万吨）万吨） 20072007年我国的铸件年产量达到年我国的铸件年产量达到 31273127 万吨（全万吨（全球球94929492万吨）万吨） 20082

12、008年我国的铸件年产量达到年我国的铸件年产量达到 30003000 万吨（全万吨（全球球95009500万吨）万吨） 20102010年我国的铸件年产量年我国的铸件年产量 30003000 万吨（全万吨（全球球90009000万吨）万吨） 我国的铸造地位：我国的铸造地位： 铸件种类分布：铸件种类分布： 一、金属液态成形工艺特点一、金属液态成形工艺特点 1. 适应性强适应性强 u 铸件重量：几克铸件重量：几克 几百吨几百吨 u 铸件壁厚：铸件壁厚：0.5 毫米毫米 1 米米 u 铸件长度：几毫米铸件长度：几毫米 十几米十几米 u 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、铸件材质：铁碳

13、合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、 镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等 变速箱体（灰口铸铁）变速箱体（灰口铸铁） 精密铸造件（不锈钢）精密铸造件（不锈钢） 水轮机铸件（铜合金）水轮机铸件（铜合金） 箱体（铝合金）箱体（铝合金） 叶轮（钛合金）叶轮（钛合金） 一、金属液态成形工艺特点一、金属液态成形工艺特点 1. 适应性强适应性强 u 铸件重量：几克铸件重量：几克 几百吨几百吨 u 铸件壁厚：铸件壁厚：0.5 毫米毫米 1 米米 u 铸件长度：几毫米铸件长度：几毫米 十几米十几米 u 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、铸件材质：铁碳合金（鋳铁、

14、鋳钢）、铝合金、铜合金、 镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等 铸造方法几乎不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制。铸造方法几乎不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制。 轧辊轧辊 异型件异型件 装饰件装饰件 工艺品工艺品 一、金属液态成形工艺特点一、金属液态成形工艺特点 2. 尺寸精度高尺寸精度高 铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。 一、金属液态成形工艺特点一、金属液态成形工艺特点 2. 尺寸精度高尺寸精度高 铸件比锻件

15、、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。 例如，精确成形技术可以例如，精确成形技术可以 节约金属材料节约金属材料5090% 减少机械加工工时减少机械加工工时3070% 常见铸造方法的尺寸精度和表面粗糙度常见铸造方法的尺寸精度和表面粗糙度 铸造方法铸造方法尺寸精度等级尺寸精度等级CT表面粗糙度表面粗糙度Ra /m 普通砂型普通砂型11 1550 400 高压造型高压造型8 1012.5 40 压力铸造（有色）压力铸造（有色）5 70.4 50 熔模铸造（钢）熔模铸造（钢

16、）5 70.8 12.5 低压铸造低压铸造5 9 壳型铸造壳型铸造1.6 25 金属型铸造金属型铸造5 8（黑色（黑色7 9）0.8 100 一、金属液态成形工艺特点一、金属液态成形工艺特点 2. 尺寸精度高尺寸精度高 一、金属液态成形工艺特点一、金属液态成形工艺特点 3. 成本低成本低 铸件重量：铸件重量： 在一般机械装备总重量中占在一般机械装备总重量中占404080%80% 在金属切削机床中占在金属切削机床中占707080%80% 在汽车及农业机械中占在汽车及农业机械中占404070%70% 但它的成本仅占总成本的但它的成本仅占总成本的252530%30% 钢的连铸工艺：钢的连铸工艺： 普

17、通连铸坯、异型坯、薄板坯、薄带等，使钢水的成形收得普通连铸坯、异型坯、薄板坯、薄带等，使钢水的成形收得 率提高率提高612%，成材的成本降低，成材的成本降低510%以上；以上； 连铸管坯轧管成本降低连铸管坯轧管成本降低15%以上。以上。 一、金属液态成形工艺特点一、金属液态成形工艺特点 4. 不足之处不足之处 u 存在结构缺陷存在结构缺陷 液态金属成形件一般组织疏松，晶粒粗大，铸件内部有时出现液态金属成形件一般组织疏松，晶粒粗大，铸件内部有时出现 缩孔、缩松、裂纹、偏析等缺陷，导致铸件的某些力学性能降低。缩孔、缩松、裂纹、偏析等缺陷，导致铸件的某些力学性能降低。 u 废品率较高废品率较高 液态

18、金属成形工艺过程使用的原材料复杂，涉及的工序多，每液态金属成形工艺过程使用的原材料复杂，涉及的工序多，每 道工序过程难以精确控制。道工序过程难以精确控制。 u 工作环境需要改善工作环境需要改善 工作环境较差，劳动强度高，对周围环境有一定程度的污染。工作环境较差，劳动强度高，对周围环境有一定程度的污染。 二、金属液态成形主要工艺方法二、金属液态成形主要工艺方法 1. 成形过程成形过程 u 普通铸造普通铸造 二、金属液态成形主要工艺方法二、金属液态成形主要工艺方法 1. 成形过程成形过程 u 普通铸造普通铸造 材料的准备材料的准备合金熔炼合金熔炼造型、制芯造型、制芯合箱浇注合箱浇注 金属凝固、冷却

19、金属凝固、冷却打箱清理打箱清理 生产工序多，周期较长生产工序多，周期较长 u 特种铸造特种铸造 生产工序减少，周期缩短生产工序减少，周期缩短 二、金属液态成形主要工艺方法二、金属液态成形主要工艺方法 2. 成形方法成形方法 u 按铸型材料分为：按铸型材料分为： 砂型铸造（普通铸造）砂型铸造（普通铸造） 特种铸造特种铸造 u 按铸件材质分为：按铸件材质分为： 鋳铁、鋳钢、铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金铸鋳铁、鋳钢、铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金铸 造等造等 大型铝合金铸件大型铝合金铸件 船用螺旋浆（铸铜）船用螺旋浆（铸铜） 二、金属液态成形主要工艺方法二、金属液态成形主要工艺方法

20、 2. 成形方法成形方法 u 在砂型铸造中，按造型方法分为：在砂型铸造中，按造型方法分为： 手工造型手工造型 一般机器造型一般机器造型 高压造型（高密度造型）高压造型（高密度造型） u 在特种铸造中，按成形方法分为：在特种铸造中，按成形方法分为： 金属型铸造金属型铸造 压力铸造压力铸造 离心铸造离心铸造 低压铸造低压铸造 熔模铸造熔模铸造 连续铸造连续铸造 真空吸鋳真空吸鋳 挤压铸造挤压铸造 负压实型铸造等负压实型铸造等 各种铸造方法都有其特点和应用范围各种铸造方法都有其特点和应用范围 熔模铸造生产的铸件熔模铸造生产的铸件 卧式压铸机卧式压铸机 铝合金压铸件铝合金压铸件 负压实型铸造负压实型铸

21、造 金属液态成形过程金属液态成形过程 铸件性能：铸件性能： u 合金性能合金性能 u 铸型性能铸型性能 u 工艺控制工艺控制 凝固方式：凝固方式： u 重力场凝固重力场凝固 u 非重力场凝固非重力场凝固 l 压力铸造压力铸造 l 离心铸造离心铸造 l 挤压铸造挤压铸造 l 电磁场电磁场 u 快速凝固快速凝固 金属液态成形过程金属液态成形过程 铸型种类：铸型种类： u 砂型砂型 u 金属型金属型 u 陶瓷型陶瓷型 u 石膏型石膏型 u 壳型壳型 三、金属液态成形工艺的新技术三、金属液态成形工艺的新技术 1、知识经济和高技术对铸造行业的影响、知识经济和高技术对铸造行业的影响 技术特征技术特征先进制

22、造技术先进制造技术形成的先进铸造技术形成的先进铸造技术 精密、优质化精密、优质化 精密成形与加工精密成形与加工 近无缺陷成形近无缺陷成形 精确铸造成形精确铸造成形 金属熔体的纯净化、致密化金属熔体的纯净化、致密化 数字、网络化数字、网络化 数字造型数字造型 虚拟制造虚拟制造 网络制造网络制造 铸造工艺铸造工艺CAD，铸造模具，铸造模具CAD/CAM一体化一体化 铸造过程宏观模拟及工艺优化铸造过程宏观模拟及工艺优化 铸件组织微观模拟及性能预测铸件组织微观模拟及性能预测 分散网络化铸造系统分散网络化铸造系统 高效、智能化高效、智能化 快速制造快速制造 自动化制造系统自动化制造系统 智能制造智能制造

23、 快速原形及快速制模快速原形及快速制模 铸造过程自动检测与控制，铸造机器人的应用铸造过程自动检测与控制，铸造机器人的应用 人工智能在铸造生产中的应用人工智能在铸造生产中的应用 1、知识经济和高技术对铸造行业的影响、知识经济和高技术对铸造行业的影响 技术特征技术特征先进制造技术先进制造技术形成的先进铸造技术形成的先进铸造技术 柔性、集成化柔性、集成化 柔性制造柔性制造 计算机集成制造计算机集成制造 快速易重组制造快速易重组制造 铸造过程的柔性制造铸造过程的柔性制造 铸造过程的计算机集成制造系统铸造过程的计算机集成制造系统 快速换模技术快速换模技术 交叉、综合化交叉、综合化 并行制造并行制造 复合

24、成形与加工复合成形与加工 并行环境下铸造并行环境下铸造CAD/CAE/CAM一体化一体化 半固态铸造、喷铸技术、复合铸造半固态铸造、喷铸技术、复合铸造 低耗、清洁化低耗、清洁化绿色制造绿色制造清洁铸造技术，铸造废弃物的再生利用清洁铸造技术，铸造废弃物的再生利用 精益、快捷华精益、快捷华 精益生产精益生产 快捷制造快捷制造 铸造企业精益生产模式铸造企业精益生产模式 虚拟铸造企业及铸造电子商务虚拟铸造企业及铸造电子商务 快速成形技术快速成形技术 精确成形技术精确成形技术 半固态铸造、喷铸技术、复合材料铸造及复合铸造半固态铸造、喷铸技术、复合材料铸造及复合铸造 液态成形工装模具液态成形工装模具CAD

25、/CAM一体化一体化 液态成形过程宏观模拟及工艺优化液态成形过程宏观模拟及工艺优化 铸件组织微观模拟及性能寿命预测铸件组织微观模拟及性能寿命预测 液态成形过程数据库和专家系统液态成形过程数据库和专家系统 铸件电子商务铸件电子商务 绿色铸造绿色铸造 2、金属液态成形的新技术、金属液态成形的新技术 加强铸造基础理论研究加强铸造基础理论研究 发展铸造新工艺及新设备发展铸造新工艺及新设备 在稳定提高铸件质量、精度和粗糙度的前提下发展专在稳定提高铸件质量、精度和粗糙度的前提下发展专 业化生产业化生产 积极实现铸造生产过程的机械化、自动化积极实现铸造生产过程的机械化、自动化 减少公害，节约能源，降低成本减

26、少公害，节约能源，降低成本 铸造生产应该在优质、高精度前提下，实现高产、低耗、无害、铸造生产应该在优质、高精度前提下，实现高产、低耗、无害、 价廉，使铸造技术成为可与其他成形工艺相竞争的少余量、无余价廉，使铸造技术成为可与其他成形工艺相竞争的少余量、无余 量成形工艺量成形工艺 （净终成形工艺净终成形工艺）。）。 3、金属液态成形工艺技术发展趋势、金属液态成形工艺技术发展趋势 本次课结束本次课结束 谢谢大家谢谢大家 浇注现场浇注现场 超大型铸件超大型铸件 中信重工机械股份有限公司中信重工机械股份有限公司(原洛阳矿山机器厂原洛阳矿山机器厂)， 20082008年年 成功浇注毛坯重量成功浇注毛坯重量

27、520520吨，浇注重量吨，浇注重量829.5829.5吨铸件吨铸件( (目前，世目前，世 界最大界最大) )： 185MN185MN自由锻造机上油缸横梁自由锻造机上油缸横梁 金属液态成形过程金属液态成形过程 铸件性能：铸件性能： u 合金性能合金性能 u 铸型性能铸型性能 u 工艺控制工艺控制 凝固方式：凝固方式： u 重力场凝固重力场凝固 u 非重力场凝固非重力场凝固 l 压力铸造压力铸造 l 离心铸造离心铸造 l 挤压铸造挤压铸造 l 电磁场电磁场 u 快速凝固快速凝固 金属液态成形过程金属液态成形过程 铸型种类：铸型种类： u 砂型砂型 u 金属型金属型 u 陶瓷型陶瓷型 u 石膏型石

28、膏型 u 壳型壳型 三、金属液态成形工艺的新技术三、金属液态成形工艺的新技术 快速成形技术快速成形技术 精确成形技术精确成形技术 半固态铸造、喷铸技术、复合材料铸造及复合铸造半固态铸造、喷铸技术、复合材料铸造及复合铸造 液态成形工装模具液态成形工装模具CAD/CAM一体化一体化 液态成形过程宏观模拟及工艺优化液态成形过程宏观模拟及工艺优化 铸件组织微观模拟及性能寿命预测铸件组织微观模拟及性能寿命预测 铸件电子商务铸件电子商务 绿色铸造绿色铸造 围棋人机大战统计围棋人机大战统计 第二章第二章 金属液态成形工艺原理金属液态成形工艺原理 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的

29、水力学特点 液体金属充满铸型型腔的过程称为液体金属充满铸型型腔的过程称为 充型过程。充型过程。 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 液体金属充满铸型型腔的过程称为液体金属充满铸型型腔的过程称为 充型过程。充型过程。 液体金属充满铸型型腔的过程称为液体金属充满铸型型腔的过程称为 充型过程。充型过程。 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 液体金属充满铸型型腔的过程称为液体金属充满铸型型腔的过程称为 充型过程。充型过程。 在充型异常的条件下会产生液态金属成形过程的一些缺陷：在充型异常的条件下会产生液态金属成形过程的一些缺陷：

30、 浇不足、冷隔、砂眼、抬箱、侵入性气孔、夹砂结疤浇不足、冷隔、砂眼、抬箱、侵入性气孔、夹砂结疤 充型过程存在：充型过程存在： 热作用热作用 机械冲击冲刷机械冲击冲刷 物理化学反应物理化学反应 研究液态金属充型过程的研究液态金属充型过程的运动规律和特性运动规律和特性非常必要。非常必要。 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 研究方法：研究方法： 研究液态金属充型过程的研究液态金属充型过程的运动规律和特性运动规律和特性非常必要。非常必要。 u 物理模拟物理模拟 u 计算机数值模拟计算机数值模拟 u 工业试验经验总结工业试验经验总结 2.1 2.1 液态金属充型过

31、程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相）液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相） 1、多相黏性流动、多相黏性流动 u 夹杂物（非金属化合物）：夹杂物（非金属化合物）： （尺寸（尺寸 50m ） l 氧化物氧化物 Al2O3, SiO2, MnO, FeO, TiO2 , MgO 等等 l 氮化物氮化物 AlN, ZrN, TiN 等等 l 硫化物硫化物 Ni3S2, CeS, Cu2S 等等 u 气体：气体： （总量（总量 4X10-4 %） CO, CO2, H2, N2, O2 等等 例如连铸的钢水中：例如连铸的钢水中： 8 R 3C o g

32、 v 另相 另一相临界升降速度 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍 然保持一定的结合力，因此然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩液态金属在流动过程中有内摩 擦阻力擦阻力，呈现粘性流动的水利学特点。，呈现粘性流动的水利学特点。 影响因素：影响因素： l 温度温度 l 合金成分合金成分 l 金属液纯净度金属液纯净度 1、多相黏性流动、多相黏性流动 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 充型过程中液态金属的流速、

33、流态在不断变化。充型过程中液态金属的流速、流态在不断变化。 2、非稳定流动、非稳定流动 u 流路截面变化流路截面变化 u 流路方向变化流路方向变化 u 流路温度变化流路温度变化 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 2、非稳定流动、非稳定流动 u 流路截面变化流路截面变化 u 流路方向变化流路方向变化 u 流路温度变化流路温度变化 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 2、非稳定流动、非稳定流动 u 流路截面变化流路截面变化 u 流路方向变化流路方向变化 u 流路温度变化流路温度变化 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力

34、学特点液态金属充型过程的水力学特点 3、紊流流动、紊流流动 液体的流动可分为层流和紊流两种状态，并可用液体的流动可分为层流和紊流两种状态，并可用雷诺数雷诺数Re 来判断。来判断。 Dv Re （流速（流速管路直径管路直径 / 流体运动粘度）流体运动粘度） Re临 临 = 2300 大于大于Re临 临为紊流 为紊流 小于小于Re临 临为层流 为层流 例如，某钢种在连铸工艺过程中结晶器的管道直径为例如，某钢种在连铸工艺过程中结晶器的管道直径为0.15m0.15m， 如果结晶器有电磁搅拌的条件下钢水的平均旋转周向速度为如果结晶器有电磁搅拌的条件下钢水的平均旋转周向速度为 0.12m/s0.12m/s

35、，浇注温度为，浇注温度为15351535，运动粘度为，运动粘度为0.4070.40710-6m10-6m2 2/s/s， 计算出：计算出： ）（ 临 230044226 10407. 0 15. 012. 0 6e e R vD R 对于某些合金，在浇注温度下（高于液相线温度对于某些合金，在浇注温度下（高于液相线温度50100）有：）有： 铸件材质铸件材质铸铁铸铁铸钢铸钢铝合金铝合金 （m m2 2/s/s）0.551010-6 -6 0.41010-6 -6 0.61010-6 -6 在浇注系统中，即使在浇注系统中，即使 D 很小（如取很小（如取 0.4 cm），在保证充型），在保证充型 的

36、最低流速下，其雷诺数也大于的最低流速下，其雷诺数也大于Re临 临。所以： 。所以： 金属液在浇注系统中的流动为金属液在浇注系统中的流动为 紊流流动。紊流流动。 又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 4、在、在“多孔管多孔管”中流动中流动 浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性 2.1 2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属充型过程的水力学特点 综上所述综上所述 液态金属在充型过程中的水力学特点与理想液体相比液态金属在充型过程中的水力学

37、特点与理想液体相比 有明显的区别。有明显的区别。 但是，液态金属在充型时间较短的过程中，一些水力但是，液态金属在充型时间较短的过程中，一些水力 学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。 2.2 2.2 液态金属充型过程的水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构一、浇注系统的结构 2.2 2.2 液态金属充型过程的水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构一、浇注系统的结构 浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。 2.2 2.2 液态金属充型过程的水

38、力学计算液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构一、浇注系统的结构 浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。 2.2 2.2 液态金属充型过程的水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构一、浇注系统的结构 浇口杯浇口杯 直浇道直浇道 横浇道横浇道 直浇道窝直浇道窝 内浇道内浇道 浇注系统的构成（基本组元）：浇注系统的构成（基本组元）： 2.2 2.2 液态金属充型过程的水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 连续铸钢浇注系统的构成：连续铸钢浇注系统的构成： 一、浇注系统的结构一、浇注系统的结构 2.2 2.2 液态

39、金属充型过程的水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 连续铸钢浇注系统的构成：连续铸钢浇注系统的构成： 钢水包钢水包 长水口长水口 中间包中间包 浸入式水口浸入式水口 结晶器结晶器 一、浇注系统的结构一、浇注系统的结构 一、浇注系统的结构一、浇注系统的结构 根据浇注系统基本组元截面积比例关系分为：根据浇注系统基本组元截面积比例关系分为： 开放式浇注系统开放式浇注系统 F F直 直 F F横 横 F F F横 横 F F内 内 半封闭式浇注系统半封闭式浇注系统 封闭开放式浇注系统封闭开放式浇注系统 设设F F直 直、 、F F横 横、 、F F内 内分别为直、横、内浇道截面积之和。 分别为直、横

40、、内浇道截面积之和。 2.2 2.2 液态金属充型过程的水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 二、计算模型二、计算模型 液态金属充型过程计算模型：液态金属充型过程计算模型： H0金属充型压头金属充型压头 P 上型腔高度上型腔高度 C 型腔高度型腔高度 （铸件高度）（铸件高度） 2.2 2.2 液态金属充型过程的水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 二、计算模型二、计算模型 为了保证金属液顺利充满型腔：为了保证金属液顺利充满型腔： u 直浇道要有一定高度（提供充型压头）；直浇道要有一定高度（提供充型压头）； u 浇道要有合适的截面积。浇道要有合适的截面积。 2.2 2.2 液态金属充型过程的

41、水力学计算液态金属充型过程的水力学计算 三、计算结果三、计算结果 计算条件：计算条件： a. 浇注系统为充满流动浇注系统为充满流动 u 封闭式浇注系统；封闭式浇注系统； u 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。 b. 浇口杯液面保持不变浇口杯液面保持不变 c. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔 1. 充填下半型充填下半型 设充填下半型时需要金属液设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为，充填时间为t t1 1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）

42、：（能量方程）： i h g vP g vP H 2 0 2 22 0 内腔杯杯 （2 - 1） 1. 充填下半型充填下半型 设充填下半型时需要金属液设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为，充填时间为t t1 1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：（能量方程）： 式中：式中： P P杯 杯 浇口杯液面压力 浇口杯液面压力 P P腔 腔 型腔内的液面压力 型腔内的液面压力 v v杯 杯 浇口杯液面金属流动速度 浇口杯液面金属流动速度 v v内 内 内浇口出口金属流动速度 内浇口出口金属流动速度 h hi i 浇注系统中某段的流体压头损失

43、 浇注系统中某段的流体压头损失 重度（重度（=g） i h g vP g vP H 2 0 2 22 0 内腔杯杯 2. 充填上半型充填上半型 设充填上半型时需要金属液设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为，充填时间为t t2 2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程： i h g vP g vP H 2 0 2 22 0 内内杯杯 均 内 gHt m F 2 为充型平均静压头。 为流量系数； 为充填时间； ；为充填铸型所需金属液 均H t m 式中式中 这就是这就是奥赞（奥赞（Osann）公式）公式，它是浇注系统计算的基本公式。，它是浇注系统计算的

44、基本公式。 3. 充填整个铸型充填整个铸型 设充填时需要金属液设充填时需要金属液m，充填时间为，充填时间为t t，则，则 本次课结束本次课结束 谢谢大家谢谢大家 答答 题题 1. 简单说明金属液态成形工艺的特点。简单说明金属液态成形工艺的特点。 2. 金属液态成形方法中，哪种方法生产的铸件尺寸精金属液态成形方法中，哪种方法生产的铸件尺寸精 度高？哪种方法生产的铸件产量最大？。度高？哪种方法生产的铸件产量最大？。 3. 中国古代商至西周早期的铜制品已具有很好的使用中国古代商至西周早期的铜制品已具有很好的使用 价值和很高的艺术价值，请查资料说明青铜鼎的铸造过程价值和很高的艺术价值，请查资料说明青铜

45、鼎的铸造过程 （鼎包括鼎身、鼎足、鼎耳），圆鼎与方鼎的出现时间和（鼎包括鼎身、鼎足、鼎耳），圆鼎与方鼎的出现时间和 作用。作用。 u 砂型铸造是铸造生产的最重要生产方式砂型铸造是铸造生产的最重要生产方式 他的铸件产量占全部铸件的他的铸件产量占全部铸件的 80 90 %。 u 研究砂型铸造工艺，对提高铸造生产水平和研究砂型铸造工艺，对提高铸造生产水平和 铸件质量非常重要。铸件质量非常重要。 第三章第三章 金属液态砂型成形工艺金属液态砂型成形工艺 1. 液态金属与铸型的界面作用及伴生缺陷液态金属与铸型的界面作用及伴生缺陷 u 研究液态金属与铸型界面作用的现象和机理研究液态金属与铸型界面作用的现象和

46、机理 u 可能引起的铸造缺陷及防止方法可能引起的铸造缺陷及防止方法 金属液态砂型成形工艺的主要内容金属液态砂型成形工艺的主要内容 金属液态砂型成形工艺的主要内容金属液态砂型成形工艺的主要内容 2. 造型材料造型材料 u 作为材料作为材料，它包括两层内容，它包括两层内容： l 型、芯、涂料等所用的原材料型、芯、涂料等所用的原材料 l 原材料的混合料原材料的混合料 u 作为科学作为科学，它研究下列内容，它研究下列内容： l 混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法；混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法； l 原材料、混合料的性能与铸件质量的关系；原材料、混合料的性能与铸件质

47、量的关系； l 开发新的造型方法和造型材料；开发新的造型方法和造型材料； l 旧砂再生工艺和设备。旧砂再生工艺和设备。 耐火骨料耐火骨料 粘结剂、固化剂粘结剂、固化剂 附加物附加物 型砂型砂 芯砂芯砂 涂料涂料 3. 金属液态成形工艺设计基础金属液态成形工艺设计基础 u 液态金属充填铸型的方法和原理；液态金属充填铸型的方法和原理； u 液态金属补缩铸件的方法和原理；液态金属补缩铸件的方法和原理； u 液态成形工艺对铸件质量的影响。液态成形工艺对铸件质量的影响。 （如尺寸精度、表面质量、内部质量）（如尺寸精度、表面质量、内部质量） 液态成形工艺设计：液态成形工艺设计： 根据金属液态成形工艺设计原

48、理编制铸件生产工艺过程的技术文件。根据金属液态成形工艺设计原理编制铸件生产工艺过程的技术文件。 如铸造工艺图、铸型装配图、模板装配图、芯盒装配图、工艺卡铸造工艺图、铸型装配图、模板装配图、芯盒装配图、工艺卡等。 重点研究：重点研究： 金属液态砂型成形工艺的主要内容金属液态砂型成形工艺的主要内容 3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂型成形方法 原砂（或再生砂）、粘结剂（包括固化剂）和附加物经原砂（或再生砂）、粘结剂（包括固化剂）和附加物经 混制而成型砂（或芯砂）。混制而成型砂（或芯砂）。 利用机械设备把型砂（或芯砂）制成砂型（或砂芯）的工利用机械

49、设备把型砂（或芯砂）制成砂型（或砂芯）的工 艺过程称为艺过程称为造型制芯造型制芯。 造型制芯过程中，型（芯）砂在外力作用下成型并达到一造型制芯过程中，型（芯）砂在外力作用下成型并达到一 定的紧实度或密度而成为砂型（或砂芯）定的紧实度或密度而成为砂型（或砂芯） 3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂型成形方法 砂砂 型型 型砂型砂在外力作用下而成型的物体，具有一定的在外力作用下而成型的物体，具有一定的紧实度紧实度。 紧实度紧实度 砂型的密度。砂型的密度。 在砂型制造过程中，外力的大小影响砂型的紧实度：在砂型制造过程中，外力的大小影响砂型的紧实度： 粘粘土砂土砂 砂斗中砂斗中普通造型机普通造型机高压造型机高压造型机 紧紧实度实度 1.15 1.25约约1.651.7 3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂型成形方法 造型制芯是金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：造型制芯是金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为： 手工造型：手工造型： 机器造型：机器造型： 利用简单的器械进行砂型（芯）的制作利用简单的器械进行砂型（芯）的制作 利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作 3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂