机械制造工程_5.3外力作用下的液态成形工艺方法(图文教程)

第三节 外力作用下的液态成形工艺方法

根据外力性质的不同，外力作用下的液态成形可分为离心力作用下的离心铸造和压力作用下的压力铸造、低压铸造及挤压铸造等。

一、离心铸造

将液态金属浇入高速旋转（通常为250～1500r/min）的铸型中，使其在离心力作用下充填铸型和凝固而形成铸件的液态成形工艺称为离心铸造。

（一）离心铸造的基本类型

1. 立式离心铸造

当铸型在立式离心铸造机上绕垂直轴旋转，在离心力作用下，金属液自由表面（内表面）呈抛物面，铸件沿高度方向的壁厚不均匀（上薄、下厚）。铸件高度差愈大、直径愈小，铸型转速愈低，则铸件上下壁厚差愈大。因此，立式离心铸造适用于高度不大的环类铸件。

2. 卧式离心铸造

当铸型在卧式离心铸造机（见图5-27）上绕水平轴旋转时，由于铸件各部分的冷却成形条件基本相同，所得铸件的壁厚在轴向和径向都是均匀的，因此，卧式离心铸造适用于铸造长度较大的套筒及管类铸件，如铜衬套、铸铁缸套、水管等。

图5-27 卧式离心铸造机

3. 成形件的离心铸造

成形件的离心铸造是将铸型安装在立式离心铸造机上，金属液在离心力作用下充满型腔，由于金属是在离心力作用下逐层凝固的，所以，浇道可取代冒口对铸件进行补缩。离心铸造的铸型可用金属型，亦可用砂型、壳型、熔模型壳，甚至耐温橡胶铸型（低熔点合金铸件的离心铸造时使用）等。

（二）离心铸造的特点及应用

1. 离心铸造的优点

⑴ 用离心铸造生产空心旋转体铸件时，可省去型芯、浇注系统和冒口。

⑵ 在离心力作用下，密度大的金属被推往外壁，而密度小的气体、熔渣向自由表面移动，形成自外向内的定向凝固，因此补缩条件好，铸件组织致密，力学性能好。

⑶ 便于浇注“双金属”轴套和轴瓦，如在钢套内镶铸一薄层铜衬套，可节省价格较贵的铜料。

2. 离心铸造的缺点

⑴ 铸件内自由表面粗糙，尺寸误差大，品质差。

⑵ 不适用于密度偏析大的合金（如铅青铜）及铝、镁等轻合金。

离心铸造主要用来大量生产管筒类铸件，如铁管、铜套、缸套、双金属钢背铜套、耐热钢辊道、无缝钢管毛坯、造纸机干燥滚筒等，还可用来生产轮盘类铸件，如泵轮、电机转子等。

二、压力铸造

压力铸造（简称压铸）是在高压作用下将液态或半液态金属快速压入金属压铸型（亦可称为压铸模或压型）中，并在压力下凝固而获得铸件的液态成形方法。

图5-28 热压室

压铸所用的压力一般为30～70 Mpa，充填速度可达5～100m/s，充型时间为0.05～0.2s。金属液在高压下以高速充填压铸型，是压铸区别于其它铸造工艺方法的重要特征。

（一）压铸机工作原理及应用

压铸机是完成压铸过程的主要设备，根据压室的工作条件不同可分为热压室压铸机和冷压室压铸机两类。

1. 热压室压铸机

热压室压铸机如图5-28所示，当压射活塞上升时，金属液通过进口进入压室内；压铸型合型后，在压射活塞下压时，金属液沿通道经喷嘴冲填铸型；冷却凝固成形后，开型取出铸件。

热压室压铸机的优点是：生产过程简单，效率高；金属消耗少，工艺稳定；压入型腔的金属液较干净，铸件品质好；易于实现自动化。但是，压室、压射活塞长期浸在金属液中，使用寿命会受到影响，并会增加金属液的铁含量。热压室压铸机目前多用来压铸低熔点金属，如锌、铅、锡等。

2. 冷压室压铸机

该类压铸机的压室不浸在金属液中，用高压油驱动，合型力比热压室压铸机大。图5-29所示的为目前应用较普遍的卧式冷压室压铸机的工作原理图。压铸所用的压铸型由定型和动型两部分组成，定型固定在压铸机的定模板上，动型固定在压铸机的动模板上，并可作水平移动，顶杆和芯棒由压铸机上的相应机构控制，可自动抽出芯棒和顶出铸件。

图5-29 卧式冷压室压铸机工作原理图

这种压铸机的压室与金属液的接触时间很短，可适用于压铸熔点较高的非铁金属，如铜合金等，还可用于钢铁金属和半液态金属的成形。

（二）压力铸造的特点及应用

1. 压力铸造的优点

⑴ 生产率高，每小时可压铸50～150次，最高可达500次，便于实现自动化、半自动化。

⑵ 铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低，并可直接铸出极薄件或带有小孔、螺纹的铸件。

⑶ 铸件冷却快，又是在压力下结晶，故晶粒细小，表层紧实，铸件的强度、硬度高。

⑷ 便于采用嵌铸法（又称为镶铸法），就是将金属或非金属的零件嵌放在压铸型中，在压铸时与压铸件铸合成一体的铸造工艺。

2. 压力铸造的缺点

⑴ 压铸机费用高，压铸型制造成本极高，工艺准备时间长，不适宜单件小批生产。

⑵ 由于压铸型寿命原因，目前压铸尚不适合钢、铸铁等高熔点合金的铸造。

⑶ 由于压铸的金属液注入和冷凝速度过快，型腔气体难以完全排出，厚壁处难以进行补缩，故压铸件内部常存在气孔、缩孔、缩松。

3. 压力铸造的应用

在压铸件的设计和使用中，应注意如下几个方面：

⑴ 应使铸件壁厚均匀，并以3～4mm的壁厚为宜，最大壁厚应小于8mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。

⑵ 压铸件不宜进行热处理或在高温下工作，以免压铸件内气孔中的气体膨胀，导致铸件变形或破裂。

⑶ 由于内部存在缩松，压铸件塑性、韧性差，所以它不适合制造承受冲击的零件。

压铸件应尽量避免机械加工，以防止内部空洞外露。近年来，已研究出真空压铸、加氧压铸等新工艺，可减少铸件中的气孔、缩孔、缩松等微孔缺陷，提高压铸件的力学性能。同时，由于新型压铸型材料的研制成功，钢、铁金属的压铸也取得了一定程度的进展，压铸的使用范围日益扩大。

三、低压铸造

低压铸造是介于金属型铸造和压力铸造之间的一种铸造方法，是在0.02～0.07 Mpa的低压下将金属液注入型腔，并在压力下凝固成形而获得铸件的方法。

（一）低压铸造的工作原理

低压铸造机如图5-30所示。将干燥的压缩空气或惰性气体通入盛有金属液的密封坩埚中，使金属液在低压气体作用下沿升液管上升，经浇道进入铸型型腔；当金属液充满型腔后，保持（或增大）压力直至铸件完全凝固；然后使坩埚与大气相通，撤消压力，使升液管和浇道中尚未凝固的金属液在重力作用下流回坩埚；最后开启上型,由顶杆顶出铸件。

低压铸造时，铸件无须另设冒口，而由浇道兼起补缩作用。为使铸件实

选择适合的增压速度、工作压力及保压时间对保证铸件质量非常重要。

图5-30 低压铸造机示意图

（二）低压铸造的特点及应用

低压铸造可弥补压力铸造的某些不足，利于获得优质铸件。其主要优点如下：

1. 浇注压力和速度便于调节，可适应不同材料的铸型（如金属型、砂型、熔模型壳等）。同时，充型平稳，对铸型的冲击力小，气体较易排除，尤能有效地克服铝合金的针孔缺陷。

2. 便于实现定向凝固，以防止缩孔和缩松，使铸件组织致密，力学性能好。

3. 不用冒口，金属的利用率可达90～98%。

4. 铸件的表面质量高于金属型铸件，可生产出壁厚为1.5～2mm的薄壁铸件。此外，低压铸造设备费用较压铸设备低。

低压铸造目前主要用于铝合金铸件（如汽缸体、缸盖、活塞、曲轴箱、壳体等）的大量生产，也可以用于球墨铸铁、铜合金等较大铸件，如球墨铸铁曲轴、铜合金螺旋桨等。

低压铸造存在的主要问题是升液管寿命短，金属液在保温过程中易产生氧化和夹渣，且生产率低于压力铸造。

四、挤压铸造

挤压铸造（简称挤铸）能够铸造大型薄壁件，如汽车门、机罩及航空与建筑工业中所用的薄板等。挤压铸造多用于铝合金，钢铁金属也可进行挤压铸造。

最简单的挤压铸造法如图5-31所示。其过程是在铸型中浇入一定量的金属液，上型随即向下运动，金属液自下而上充型。挤压铸造的主要特征是其压力（2～10 MPa）和速度（0.1～0.4m/s）较低，无涡流飞溅现象，铸件致密而无气孔。

图5-31 挤压铸造示意图

挤压铸造所采用的铸型大多数为金属型，也可以是半永久型（如挤压铸造铁锅时可用泥型）。

挤压铸造与压力铸造及低压铸造的共同点是，其增压的作用是使铸件成形、“压实”并得到致密的组织；其不同点是，挤压铸造没有浇注系统，且在铸型中停留时间较长，故应采用水冷铸型，并在型腔内壁上涂敷涂料，延长铸型寿命；应采用垂直分型式的铸型，以利于开型取出铸件和方便涂敷涂料。