材料成型特種鑄造與工藝第部分第1頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

大多數特種鑄造方法鑄件精度高、表面粗糙度值小；易實現少、無切削加工；鑄件內部組織致密，力學性能較好；金屬液消耗少，工藝簡單，生產效率高；是今后發展的方向。1.5少、無切削的鑄造方法（特種鑄造）1.實型鑄造5.離心鑄造2.金屬型鑄造6.熔模鑄造3.壓力鑄造7.連續鑄造4.低壓鑄造第2頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

制模材料常用聚苯乙烯泡沫塑料。型砂多為無粘接劑的干硅砂。(1)模樣和型砂圖2.2.26實型鑄造工藝過程1.實型鑄造（消失模、氣化摸鑄造。“模樣-鑄型”）（P36）磁型鑄造：造型材料鐵丸或鋼丸。第3頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(2)實型鑄造的特點和應用

1)特點：不必起模和修型，無型芯，無分型面，因而無飛邊毛刺，不錯箱，涂光潔和耐火涂料。泡沫塑料粘合，為鑄件結構設計提供充分的自由度。使造型效率比砂型鑄造提高2~5倍。

①鑄件尺寸精度高、表面粗糙度值小;易實現少、無切削加工;②工序少,生產效率高;③采用無粘接劑的干砂造型,勞動強度低，無粉塵污染，作業環境好，被榮為“綠色鑄造”技術。

2)應用：實型鑄造幾乎不受鑄件結構、尺寸、質量、批量和合金種類的限制。目前正在大力推廣。

用于不易起模的復雜鑄件的生產。缺點：模樣（一套設備）用一次，易變形，氣體有一定的污染。

第4頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2.金屬型鑄造（砂型：一型一件，塵、強度大，勞動條件差，且小型復雜件，批量大時，砂型有一定缺陷。“鑄型”）

即在重力作用下將熔融金屬澆入金屬型腔中獲得鑄件的方法。(1)金屬型

金屬型可分為整體、水平、垂直和綜合分型四種，其中垂直分型便于開設澆冒口和安放金屬芯，易于排氣便于實現機械化，應用較廣。

(2)工藝特點(與砂型比特點：散熱塊)1)鑄型預熱;2)型腔噴刷涂料;3)澆鑄溫度較高;4）及時開型取件第5頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1．噴刷涂料（耐火、隔熱緩沖）金屬型的型腔和金屬型芯表面必須噴刷涂料。涂料可分襯料和表面涂料兩種，前者以耐火材料為主，厚度為0．2—1．0mm；后者為可燃物質(如燈煙、油類)，每次澆注噴涂一次，以產生隔熱氣膜。2．金屬型應保持一定的工作溫度（第一次要預熱）通常鑄鐵件為250～350℃，非鐵金屬件100～250℃。其目的是減緩鑄型對澆入金屬的激冷作用，減少鑄件缺陷。同時，因減小鑄型和澆入金屬的溫差，（避免急冷急熱，“熱疲勞”）提高了鑄型壽命。3、嚴格控制澆鑄溫度金屬型冷卻快，澆鑄溫度比砂型通常要高20—30攝氏度，過低，易產生冷隔、澆不到等缺陷，過高影響金屬型壽命。第6頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五4．適合的出型時間澆注之后，鑄件在金屬型內停留的時間愈長，鑄件的出型及抽芯愈困難，鑄件的裂紋傾向加大。同時，鑄鐵件的白口傾向增加，金屬型鑄造的生產率降低。為此，應使鑄件凝固后盡早出型。通常小型鑄鐵件出型時間為10—60s，鑄件溫度約為780—950℃。此外，為避免灰鑄鐵件產生白口組織，除應采用碳、硅含量高的鐵水外，涂料中應加入些硅鐵粉。對于已經產生白口組織的鑄件，要利用出型時鑄件的自身余熱及時進行退火。第7頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.2.27垂直分型式金屬型的結構第8頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(3)金屬型鑄造的優缺點及應用

1)優點

①金屬型鑄造一型多鑄,節省造型材料且減少了環境污染;②工藝簡單,易于實現機械化和自動化;③鑄件精度高、表面粗糙度值小；④力學性能好。2)缺點

不宜鑄造結構復雜、薄壁或大型鑄件;用于熔點較高的合金時,鑄型壽命短;灰鐵件鑄造時還易產生白口組織。3)應用

金屬型鑄造主要用于成批、大量生產(熔點較低)鋁合金、銅合金等非鐵合金的中、小型鑄件,如活塞、缸體、液壓泵殼體、軸瓦和軸套等。

第9頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.壓力鑄造（金屬型容易出現澆不足、冷隔、裂紋等，充型能力差。“充型”）

壓力鑄造是指金屬液在高壓下高速充型，并在壓力下凝固的鑄造方法。

(1)壓鑄機和壓鑄工藝過程

壓鑄機是壓力鑄造生產的主要設備，按壓室（壓射室）分,一般分熱壓室壓鑄機（壓室浸于金屬液中）和冷壓室壓鑄機（壓室與金屬液保溫爐分開）兩大類。

目前應用較多的是臥式冷壓室壓鑄機。

臥式冷壓室壓鑄機的壓鑄工藝過程如圖所示。圖2.2.28臥式冷壓室壓鑄機的工作過程第10頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(2)壓力鑄造的特點和應用特點：

①生產率比其他鑄造方法都高；操作簡便,易于實現自動化；②鑄件質量好,尺寸精度高，不需要進行切削加工即可直接裝配；（因為鑄件的冷卻速度快，又是在壓力下結晶，其表層晶粒細密。壓鑄件強度和硬度都較高，抗拉強度比砂型鑄件提高20%～40%）

第11頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

③（因壓力）可生產形狀復雜、薄壁鑄件,可直接鑄出螺紋、齒形、文字等；④可鑄造出鑲嵌件；設備投資大,壓鑄型費用高,生產周期長,只適用于大批量生產。缺點：（卷氣-吸氣）皮下氣孔—不能大余量切削，不能熱處理；鑄型材料的選用要防“蠕變”（T工作大于T再結晶時）。應用:

壓力鑄造主要用于大批量生產鋁、鋅、鎂、銅等非鐵合金的中、小型鑄件，儀表殼體等。第12頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

低壓鑄造是指金屬液在氣體壓力作用下完成充型和凝固的鑄造方法。其壓力為0.02～0.06MPa。是介于重力鑄造(如砂型鑄造、金屬型鑄造)和壓力鑄造之間的一種鑄造方法。它是使液態合金在壓力下，自下而上地充填型腔，并在壓力下結晶、以形成鑄件的工藝過程。4.低壓鑄造

（低壓、下而上—充型平穩。“充型”）第13頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(1)低壓鑄造的工藝過程向坩堝中通壓縮空氣→金屬液上升充型→保壓、凝固→將坩堝上部與空氣相通→取出鑄件。如圖。自下而上充型，壓力下凝固。

圖2.2.29低壓鑄造工藝過程第14頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五特點:①可人為的調整壓力,適應性強;②可用于各種鑄型--適用于各種合金及各種大小的鑄件;③鑄件組織致密,力學性能好，對于鋁合金能有效地克服鑄件的針孔等缺陷，對于薄，有耐壓，防滲漏，氣密性要求的鑄件尤為重要，可生產形狀復雜、輪廓清晰、薄壁鑄件；④澆注時壓力較低,底注充型,平穩且易控制，無飛濺沖擊，不易夾渣，砂眼，氣孔;⑤金屬的實際利用率高;⑥設備簡單,投資少,操作簡便,勞動條件好,易于實現機械化、自動化。應用:

低壓鑄造目前主要用于生產鑄造質量要求高的鋁、鎂合金鑄件。(2)低壓鑄造的工藝特點和應用第15頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(1)離心鑄造機

離心鑄造機是離心鑄造所用的設備,按其旋轉軸空間位置的不同分為立式、臥式兩種。圖2.2.30離心鑄造示意5.離心鑄造

（“充型”）

離心鑄造是將金屬液澆入繞水平、傾斜或立軸旋轉的鑄型中，在離心力的作用下凝固的鑄造方法。鑄型可用金屬型、砂型、陶瓷型、熔模殼型等。第16頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1)特點①鑄件組織致密,無縮孔、縮松、氣孔、夾渣等缺陷,力學性能好;②鑄造圓形中空鑄件時,不用型芯和澆注系統,降低了金屬消耗;③提高了金屬液的充型能力,可澆注流動性差的合金及薄壁鑄件;④可生產雙金屬鑄件,如鋼套內鑲銅軸承等,其結合面牢固;⑤離心鑄造適應性較廣,鑄造合金的種類幾乎不受限制;⑥既適于鑄造中空件,又可以鑄造成形鑄件，適應性強。2)應用

離心鑄造主要用于生產各種管、套、環類鑄件，也可用于生產齒輪、葉輪、渦輪等成形鑄件。(2)離心鑄造的特點和應用第17頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

熔模鑄造是指在易熔模樣的表面包覆多層耐火涂料,待其干燥硬化后熔出模樣而制成型殼,型殼經高溫培燒后即可澆注的鑄造方法。熔模鑄造又稱失蠟鑄造。(1)熔模鑄造的工藝過程

用鋼或銅合金等制造壓型的母模→制造壓型→制造模樣→制造殼體,熔去蠟模→造型、澆注。如圖所示。6.熔模鑄造

（金屬型鑄造高熔點金屬“熱疲勞”，壓鑄“蠕變”低壓鑄造用金屬型、砂型、陶瓷型，普通砂型鑄造對于小零件要分模、起模，易錯箱，粗糙只有金屬型是造型材料的改革但金屬型高溫下會“熱疲勞”、“蠕變”，又想到Sio2）（“鑄型”）第18頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.2.31熔模鑄造工藝過程第19頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(2)熔模鑄造的特點和應用

1)特點

①可生產形狀復雜、輪廓清晰、薄壁鑄件；②鑄件精度高,表面質量好，實現了少、無切削加工;③適用于各種合金,尤其適用于高熔點合金及難以切削加工的合金(許多高質量鑄造法無此特點);④生產批量不受限制,可實現機械化流水生產。但是工序繁多,工藝過程復雜,生產周期長,鑄件不能太大、太長。

2)應用

熔模鑄造主要用于生產汽輪機、水輪機上小型的葉片和葉輪、切削刀具及汽車、拖拉機、船舶、機床和風動工具上的小型零件等,目前,其應用范圍還在不斷擴大。第20頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(1)連續鑄造的工藝過程圖2.2.32連續鑄造示意

7.連續鑄造

連續鑄造是指將金屬液連續的澆入水冷金屬型(結晶器)中,連續凝固成形的方法。第21頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

①組織致密,力學性能好;②不用澆注系統,中空鑄件不用型芯,降低了金屬的損耗，簡化了造型工序,降低了勞動強度,減少了生產占地面積;③設備比較簡單,生產過程易于實現機械化、自動化；④幾乎適用于各種合金;⑤但連續鑄造不適于截面有變化,壁厚不均勻的鑄件生產,而且鑄管的質量較離心鑄造差。

連續鑄造主要用于大批量生產具有等截面的鑄錠、鑄管、板坯、棒坯等長鑄件。其中鑄錠直徑可由幾十毫米至500毫米，鑄管直徑為100～1300mm；長度可達5～10m。(2)連續鑄造的特點及應用1)特點（了解）2)應用第22頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五8、陶瓷型鑄造

陶瓷型鑄造是以陶瓷作為鑄型材料的一種鑄造方法。1．基本工藝過程陶瓷型鑄造有不同的工藝方法，較為普遍的如圖2—49所示。(1)砂套造型為節省昂貴的陶瓷材料和提高鑄型的透氣性，通常先用水玻璃砂制出砂套(相當于砂型鑄造的背砂)。制造砂套的木模B比鑄件的木模A應增大一個陶瓷料的厚度(圖a)。砂套的制造方法與砂型鑄造雷同(圖b)。第23頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五陶瓷型鑄造工藝過程第24頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(2)灌漿與膠結即制造陶瓷面層。其過程是將鑄件木模固定于平板上，刷上分型劑，扣上砂套。將配制好的陶瓷漿通過澆口注入型腔(圖c)，經數分鐘后，陶瓷漿便開始膠結。陶瓷漿由耐火材料(如剛玉粉、鋁釩土等)、粘結劑(硅酸乙酯水解液)、催化劑(如Ca(OH)2·MgO)、透氣劑(雙氧水)等組成。(3)起模與噴燒灌漿5～15min后，趁漿料尚有一定彈性便可起出模樣。為加速固化過程，必須用明火均勻地噴燒整個型腔(圖d)。(4)焙燒與合箱陶瓷型要在澆注前加熱到350～550℃焙燒3～5h，以燒去殘存的乙醇、水分等，并使鑄型的強度進一步提高。(5)澆注。澆注溫度可略高，以便獲得輪廓清晰的鑄件。第25頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2．陶瓷型鑄造的特點及適用范圍

(1)陶瓷型鑄造具有熔模鑄造的許多優點。因為起模是在陶瓷層處于彈性狀態下進行的，同時，陶瓷型高溫時變形小，故鑄件的尺寸精度和表面粗糙度與熔模鑄造相近。此外，陶瓷材料耐高溫，故也可澆注高熔點合金。

(2)陶瓷型鑄件的大小幾乎不受限制，如鑄件重量可從幾千克到數噸，而熔模鑄件最大僅幾十千克。

(3)在單件、小批生產條件下，需要的投資少、生產周期短，在一般鑄造車間較易實現。陶瓷型鑄造的不足之處是：不適于批量大、重量輕或形狀復雜鑄件，且在生產過程難以實現機械化和自動化。目前陶瓷型鑄造主要用于生產厚大的精密鑄件，廣泛用于鑄造沖模、鍛模、玻璃器皿模、壓鑄模、模板等，也可用于生產中型鑄鋼件。第26頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

項目砂型鑄造金屬型鑄造壓力鑄造低壓鑄造離心鑄造熔模鑄造實型鑄造連續鑄造鑄件特征材質各類合金非鐵合金為主非鐵合金各類合金各類合金各類合金各類合金各類合金尺寸大小各種尺寸中、小件為主中、小件中、小件各種尺寸小件為主各種尺寸各種尺寸結構復雜一般較復雜較復雜一般復雜較復雜簡單鑄件質量尺寸精度(CT)7-136-94-86-96-94-77-97-9內部質量組織較松,晶粒較粗組織致密,晶體細小組織致密,晶體細小,有氣孔組織致密,晶體細小組織致密,晶體細小組織較松,晶粒較粗組織較松,晶粒較粗組織致密,晶體細小技術經濟指標生產效率低或一般較高很高較高較高低或一般一般高設備費用低或中中高中中或高低或中中中或較高生產準備周期短較長長較長較長較長較長較長表2.2.9常用鑄造方法的特點和適用范圍1.5.7

常用鑄造方法的比較第27頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.6現代鑄造技術的發展

1.6.1快速成型(原型)及快速鑄造技術

1.6.2近凈成形技術—半固態加工

1.6.3鑄造工程專家系統技術第28頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.6.1.1快速原型技術簡介

1.快速原型技術的概念快速原型（RP&M）技術是由CAD模型直接驅動的快速制造復雜形狀三維實體零件技術的總稱。RP&M技術的成形原理不同于傳統制造的去除法（切削加工、電火花加工等）和變形法（鑄造、鍛壓等），而是一種分層制造的材料累加方法。從成形角度看，零件可視為“點”或“面”疊加而成。RP&M技術從CAD三維模型中離散得到點、面的幾何信息，再與成形工藝參數信息結合，控制材料有規律、精確地由點到面，由面到體地堆積零件。從制造角度看，它根據CAD造型生成零件三維幾何信息，控制多維系統，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。第29頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2.快速原型技術的特征

RP&M技術是CAD技術、數控技術、激光技術以及材料科學技術的高度集成，在成形概念上以離散、堆積為指導，在控制上以計算機和數控為基礎，以最大的柔性為目標。CAD技術實現零件的曲面和實體造型，能夠進行精確的計算和復雜的數據交換；數控技術使精確的運動控制、能量傳輸控制、材料轉移控制等成為可能；激光的極高能量密度和極小光斑直徑的特性是實現切割、燒結、聚合反應等工藝的保證；材料科學則提供滿足各種性能要求的材料，如光敏材料、熱敏材料等。此外RP&M技術還有以下特征：第30頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

（l）高度柔性。它取消了專用工具，在計算機管理和控制下可以制造出任意復雜形狀的零件。（2）設計制造一體化。RP&M技術采用了離散、堆積分層制造工藝，能夠克服傳統的CAD/CAM技術中成型思想的局限性，很好地將CAD/CAM一體化。（3）快速性。RP&M技術中，從CAD設計到原型的加工完成只需幾小時至幾十小時，比傳統的成型方法速度要快得多，適合于新產品的開發與管理。第31頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

（4）自由成形制造。RP&M技術的這一特點是基于自由成形制造的思想。自由的含義有兩個方面：一是指根據零件的形狀，不受任何專用工具（或模腔）的限制而自由成形；二是指不受零件任何復雜程度的限制。（5）材料的廣泛性。由于各種RP&M工藝的成形方式不同，因而材料的使用也各不相同，如金屬、紙、塑料、光敏樹脂、蠟、陶瓷，甚至纖維等材料在快速原型領域已有很好的應用。

第32頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

因此RP&M技術與傳統加工技術相比，有如下優勢：

（l）從設計角度可以設計制造任意復雜的三維幾何實體，不用考慮毛坯形狀、工裝卡具、時間和成本的限制；減少零件數量，不受刀具加工能力的限制，同時用于精度、裝配的時間減少。

目前已發展出多種多樣的RP&M方法。各種RP&M方法工藝過程基本相同（圖10.1.1），先由CAD軟件設計出所需要零件的計算機三維曲面或實體模型，然后根據工藝要求，將其按照一定厚度進行分層，把原來的三維電子模型變成二維平面信息（截面信息），再將分層后的數據進行一定的處理，加入工藝參數，產生數控代碼；最后數控系統以平面加工方式有序地加工出每個薄層并使它們自動粘結而成形。第33頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

（2）從制造角度CAD模型直接驅動，成形過程無需人干預或較少干預；通用成形設備無需專用夾具或工具；減少材料浪費，降低原材料儲存運輸費用等；參數化設計、參數化制造，零件一致性好。圖10.1.1快速原型工藝基本過程

第34頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

（3）從市場和用戶角度避免傳統方法中復雜的中間加工制造環節和設計失誤造成的損失，實時地根據市場需求低成本、少風險地改變產品；產品多樣化，面向訂單生產。第35頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.6.1.2快速原型工藝

發展新型的先進成形工藝是RP&M的核心。目前市場上推出的RP&M成形方法已有十余種，并還在迅速發展，常見的有立體平版印刷法、逐層輪廓成形法以及選擇性激光燒結法、光掩膜法、熔化堆積法和直接制模鑄造法等。第36頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.激光燒結（SLS）法

SLS法的基本原理是依靠CAD軟件，在計算機中建立三維實體模型及其表面，由CO2激光器發出的光束在計算機的控制下，根據幾何形體各層橫截面的坐標數據對材料粉末層進行掃描，在激光照射的位置上，粉末熔化并凝固在一起。再鋪上一層新的粉末，再用激光掃描、燒結，新的一層和前一層自然地燒結在一起，最后就可制造出所需零件。第37頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

SLS法與立體平版印刷法生產過程相似，只是將液態激光固化樹脂換成在激光照射下可燒結成形的粉末燒結材料。其工藝過程如圖10.1.2所示，用紅外線板將粉末燒結材料加熱至恰好低于燒結點的溫度，然后用計算機控制激光束，按零件的截面形狀掃描平臺上的粉末燒結材料，使其受熱熔化燒結，繼而平臺下降一個厚層，用滾子將粉末燒結材料均勻地分布在燒結層上，再用激光燒結，如此反復進行，逐層燒結成形。第38頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

SLS技術所用的材料除金屬粉末外，還可以使用聚合物和陶瓷，從而使所成形的模樣性能符合設計要求，適應不同的需要，也可以制造出高強度的零件。因為粉末是經過壓實的，所以SLS技術不需要支撐。但是SLS模型是一種燒結技術產品，燒結過程中單位面積的吸收功率要非常準確，控制有一定難度，此外模型表面相對粗糙，要進行適當的焙燒固化并經打磨處理。當粉末粒徑為0.1mm以下時，SLS法成形后的模樣精度可達±1％。圖10.1.2選擇性激光燒結法工藝原理第39頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

SGC是立體平版印刷法的擴展，與立體平版印刷法激光直接在樹脂液面掃描成形不同，而是讓激光通過一個可編程的光掩膜照射樹脂成形。如圖10.1.3所示，光掩膜上的圖形是掩膜機在模型片層參數的控制下，利用電傳照相技術在平板玻璃上調色或靜電噴涂而成零件斷面圖形，零件截面部分可透過紫外光。

SGC法采用高能紫外激光器，成形速度快，可以省去支撐結構。SGC法的模型精度可達±0．l％。圖10.1.3光掩膜法

2.光掩膜（SGC）法第40頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

FDM技術是在SLS技術的基礎上發展起來的新型成形技術。FDM技術不采用激光，而采用一個加熱頭將熱塑性材料細絲加熱成半液態，計算機控制下的FDM噴嘴根據CAD模型所確定的幾何信息將半液態的熱塑性材料擠出，沉積成薄層，層層堆積，將零件的幾何設計變成真實零件。3.熔化堆積（FDM)法第41頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

FDM的大致工作過程如圖1.1.4所示，FDM噴嘴在計算機的控制下作零件堆砌所需的運動，而整個過程中所需的成型材料則由噴嘴以半熔融狀態擠壓出來。通過正確控制成型材料的熔化溫度和成型的工作環境溫度，使從噴嘴中擠壓出的半熔融狀態的成型材料在離開噴嘴的瞬間開始凝固，即當噴嘴離開成型位置后，成型位置處留下的是已（或接近）凝固的成型材料。經過噴嘴以一定的厚度填充出一個個截面的薄層，然后在高度方向堆砌出成型零件的三維實體。由于液流非常細小，所以固化十分迅速，不會發生流淌。

第42頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖1.1.4熔化堆積法工藝原理

第43頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

FDM技術可以最大限度地利用成型材料，但由于必須使噴嘴按一定的軌跡運動，所以成型時間較長。同時，由于噴嘴有一定的質量，運動時有慣性，其動態性能與運動速度有關，這在很大程度上限制了成型速度的提高。FDM技術做出的模型，從材料的性能以及外觀上都非常接近實際，制得的石蠟模樣可以直接用作熔模鑄造的蠟模，所以在制造概念模型和驗證產品功能方面有獨特的優勢，其應用范圍越來越廣泛。第44頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五4.直接制模鑄（殼型制造）（DSPC）

DSPC法得到的是一個型腔形狀、尺寸與零件一致的陶瓷模殼，可直接用來澆注，因此又稱為陶瓷殼法。DSPC法首先把零件的CAD模型輸入模殼設計裝置，選擇零件的鑄造收縮率、鑄造圓角、加工余量等.圖10.1.5DSPC法工藝過程

第45頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

設計各個模殼的模腔數和澆注系統類型等，模殼設計裝置就產生一個達到規定厚度、需要時配有模芯的模殼組件的電子模型；把模殼的電子模型輸人模殼制造裝置，由電子模型驅動制成固體的三維陶瓷模殼。陶瓷模殼的制造過程如圖10.1.5所示，先涂敷一層陶瓷粉末，噴頭在計算機控制下根據零件截面形狀噴粘結劑（印刷一次），形成一層凝結粉末層，沒有噴到粘結劑的粉末仍為分散狀在成形部分間起支撐作用，一層一層重復循環，最終粘結形成一個三維實體，即直接得到一個陶瓷殼，燒結后即可用于澆注（再構成機器造型的模板）。第46頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.1.3快速原型技術在熱加工中的應用

RP&M技術自20世紀80年代初問世以來得到迅速發展，成為先進制造技術的重要組成部分，并得到廣泛應用。目前RP&M技術的應用領域已遍及機械、電子、汽車、醫療、建筑等行業。

RP&M技術在熱加工中的應用主要有以下幾方面：第47頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

（1）直接制造形狀復雜的單個零件快速原型工藝制作樹脂模樣或石蠟原型，可用熔模鑄造或實型鑄造方法直接澆注鑄件，例如航空航天工業中特種鑄造產品的生產，或新產品試制。（2）中小批量生產時利用原型翻制模具后再制造零件快速原型工藝制作的原型采用熔模鑄造、石膏型鑄造或砂型鑄造等方法翻制母模，然后制蠟模或直接澆注成鑄件。美國克萊斯勒公司用選擇性激光燒結法制成蠟模，生產形狀很復雜的汽車進排氣管。第48頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

（3）批量生產時利用原型模樣制造模具利用快速原型技術制得的模具原型直接鑄造出金屬模具，也可以將低熔點合金噴涂在原型表面用作熔模鑄造壓蠟模具。此外，利用陶瓷殼法制作的陶瓷型可直接用來澆注金屬模具。美國福特汽車公司采用逐層輪廓成形法制造長685mm的汽車曲軸陶瓷原型，將先后制作的三部分拼裝成砂型鑄造用的模板，尺寸精度達到±0.13mm第49頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

傳統模具制造往往是靠切削加工和特種加工的方法，有時還需要鉗工修整，費時耗資，且精度不高，尤其是形狀復雜的薄壁鑄件，例如渦輪發動機的葉片、船用螺旋漿、汽車拖拉機的缸體、缸蓋等。采用數控機床、仿型銑等先進設備加工模具的周期長。與之相比，快速原型技術以較低的費用迅速由圖紙直接得到零件的實物原型，并能方便地進行修改，使模具開模制造的風險降低到最低限度。第50頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.6.2近凈成形技術—半固態加工

指零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機械構件的成形技術。它是建立在新材料、新能源、機電一體化、精密模具技術、計算機技術、自動化技術、數值分析和模擬技術等多學科高新技術成果基礎上，改造了傳統的毛坯成形技術，使之由粗糙成形變為優質、高效、高精度、輕量化、低成本的成形技術。該項技術包括近凈鑄造成形、精確塑性成形、精確連接、精密熱處理改性、表面改性、高精度模具等專業領域，并且是新工藝、新裝備、新材料以及各項新技術成果的綜合集成技術。第51頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五（液固共存區）半固態加工：

1、原理：利用半固態—攪拌—近球狀晶體。

2、特點：

①（流動性）壓鑄充型平穩，降低卷氣、縮

松，晶粒小、組織致密。

②（收縮）澆注溫度低，壓力下充型和結

晶，減小收縮，變形小，縮松少，余量小，

精度高。

③澆注溫度低，提高金屬型壽命。第52頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.6.3專家系統

1.專家系統的概念

專家系統是一種計算機軟件，它把有關領域的專家知識表示成計算機能夠利用的形式。傳統程序通過一套算法處理數據，以達到在有限步驟內解決問題的目的。與之不同，專家系統利用產生式結構來解決問題，產生式結構包括，包含事實的知識庫、規則和如何應用規則的推理機構。一般專家系統包括知識獲取模塊、知識庫、推理機構及人機接口四個核心部分（圖10.2.3）。圖10.2.3專家系統結構第53頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

1）知識獲取模塊實現專家系統的自學習，使專家系統的“業務水平”進一步提高。

2）知識庫存儲領域專家提供的專門知識，含有與領域問題相關的理論知識、常識性知識和專家憑經驗得到的啟發性知識。

3）推理機構是在一定的控制策略下針對當前問題的信息，識別、選取、匹配知識庫中的產生式規則，以得到問題求解結果的一種機制。

4）人機接口將專家和用戶的輸入信息翻譯成系統可接收的內部形式，同時把系統向專家或用戶的輸出信息轉換為人類易于理解的形式。其中，知識庫是整個專家系統的重要支柱。知識庫的建立是通過收集、整理、歸納和提煉現有的生產數據和專家經驗的基礎上，補充發展新的信息，使其形成一種資源。建立盡可能完整、豐富的知識庫，就可以使計算機專家系統對所遇到的問題進行全面、綜合的分析，并可從浩渺的數據海洋中得到人工分析不可能得出的有用的結果。知識庫水平的高低，在很大程度上決定專家系統的知識水平和工作能力。第54頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

專家系統分為診斷型、規劃設計型和實時控制型等類型。它們分別解決生產故障、廢品分析與改進；生產狀況與產品的預測和規劃、生產工藝過程的優化與設計；生產過程的自動控制與監測等任務。專家系統與人類專家相比，具有以下特點：

1）在知識的廣度方面，一個專家系統只是人類專家知識極為有限的一部分，并且在求解方面基本上還是以模仿的方式進行，而對于其他領域則一無所知。另外，系統的知識獲取主要靠人工輸入，現有的專家系統自學能力有限。

2）在知識的深度方面，專家系統缺乏對基本原理的理解，知識層次不夠，所以有些專家系統盡管在限定范圍內問題求解的性能上達到專家水平，但仍不能稱其實現專家思維的高度模擬。

3）在速度和精度方面，在一些需要結合大量數據處理或多因素協調控制的問題領域，專家系統能在速度和精度方面克服人類專家的不足，還可以克服人類專家的遺忘、疲勞、緊張、粗心，以及各種外界干擾和心理因素的偏見等不利影響。隨著專家系統技術的逐步成熟，目前已在醫療診斷、化學工程、資源勘探、工程技術、語音識別、圖像處理、金融決策、軍事科學等領域中研制了大量的專家系統，有的在性能上已達到、甚至超過同領域人類專家的水平。第55頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2.專家系統在熱加工中的應用

國內研制的“型砂質量管理專家系統”，可處理大批量砂型鑄造鑄鐵件生產裂安全評定專家系統結構框圖中，型砂質量的各種問題。其功能，一是分析由于型砂質量引起的各種鑄造缺陷產生的原因；二是根據當前及以前型砂性能的數據，分析得出當前型砂狀況的結論，以及應注意的問題。“鑄件質量分析專家系統”可根據鑄造生產中各種缺陷的特征，分析該缺陷的類型，并由此提出該缺陷產生的原因和防止措施。圖10.2.4為焊接結構斷它由無損檢測、材料性能分析和應力分析等部分組成。圖10.2.4焊接結構斷裂安全評定專家系統結構框圖第56頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

熱成形工藝過程復雜，許多生產環節至今還難以找到全部的影響因素，難于建立準確的定量模型，單純依靠理論或數值計算仍然不能滿足全面的要求。許多問題，如鑄件缺陷的產生與防止，金屬材料力學性能與合金元素的關系，以及焊接熔池中冶金因素對焊縫強度的影響等，都還停留在半定量、甚至是經驗的分析上。因此，發展熱成形專家系統，總結和提煉熱成形專家的知識和工作經驗，去解決實際生產中的這些既復雜、又難以定量描述的問題，具有重要的意義。1.6.4—1.6.5（自學）第57頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五5.1鑄件結構工藝性（設計）與工藝設計（制造）

5.1.1

零件結構的鑄造工藝性一、合金的鑄造性能對鑄件結構的要求二、鑄造工藝對鑄件結構的要求三、不同鑄造方法對鑄件結構的要求

零件結構的鑄造工藝性：指零件采用鑄造方法制坯時，其結構能否用最經濟的方法制造出來并符合設計要求的能力.（同學還要看書中圖）第58頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五一、合金的鑄造性能對零件結構的要求收縮、流動性鑄件（或零件）都是由不同的“壁”構成的局部看----大小、厚薄、內外、連接整體看----對稱與否因此，避免大的水平面；要合適、要均勻（但若考慮縮孔應符合順序凝固原則）；內薄外厚（同時凝固原則避免應力裂紋等）；圓滑、避免突變、交叉、銳角；

對稱不易變形，但有時會有應力、裂紋。第59頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五一、合金的鑄造性能對零件結構的要求1.鑄件壁厚(1)壁厚應適當，不能太厚或太薄圖2.3.1鑄件壁厚應適當圖2.3.2鑄件壁厚應力求均勻(2)壁厚應均勻，但若考慮縮孔應符合順序凝固原則（P147圖5-4）第60頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(3)內壁厚應小于外壁厚

圖2.3.3鑄件內壁應比外壁薄a)不合理結構b)合理結構

第61頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五a)不合理b)合理圖2.3.5鑄件壁的轉角圖2.3.4鑄件的轉角結構2.鑄件壁的連接(1)壁間的連接應采用圓角過渡第62頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.6鑄件接頭結構(3)應避免壁厚突變圖2.3.7厚、薄壁的連接(2)應避免壁的交叉和銳角連接第63頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3防止鑄件產生變形圖2.3.8細長鑄件的設計圖2.3.9平板鑄件的設計第64頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五4.鑄件應避免有過大的水平面5.鑄件結構應有利于自由收縮圖2.3.10過大水平面的設計圖2.3.11輪輻的設計第65頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二、鑄造工藝對零件結構的要求前述：防止缺陷要注意的問題；現在：好操作（如手工造型多種，其中之一好起模）（也有利于防止缺陷）降低成本----手工造型1.鑄件外形（分型面應平直、少；結構斜度；外凸要便于起模；避免內凹）(1)應利于減少和簡化鑄型的分型面(2)凸臺、筋條不應妨礙起模；避免側凹(3)垂直于分型面的非加工面應具有結構斜度2.鑄件內腔（內腔由型芯形成，所以：不用少用；安放穩定、易排氣易清理；避免封閉的空腔。）(1)內腔形狀應利于制芯或省去型芯；避免封閉空腔(2)應利于型芯固定、排氣和清理(3)大件和形狀復雜件可采用組合結構第66頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五（1）利于減少和簡化鑄件分型面第67頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.13肋條的設計a)不合理結構b)合理結構（2）筋條不應妨礙起模第68頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.14凸臺的設計凸臺不應妨礙起模第69頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五（3）垂直于分型面的非加工面應具

有結構斜度

圖2.1.35應有結構斜度的示例第70頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.17懸臂支架的結構設計圖2.3.16鑄件內腔的結構設計（1）內腔形狀應利于制芯或省去型芯

第71頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

（3）大件和形狀復雜件可采用組合結構

（2）應利于型芯固定、排氣和清理

第72頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五三、不同鑄造方法對鑄件結構的要求1.壓鑄件的結構設計

2.熔模鑄件的結構設計3.金屬型鑄件結構設計

第73頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

壓鑄件的結構盡量消除側凹和深腔，在無法避免時，應便于抽芯，以便鑄件能從鑄型中順利取出。（1）便于抽芯、壁厚均勻、可薄、不宜厚（因不易產生澆不到、冷隔等缺陷）

1.壓鑄件的結構設計圖2.3.20便于取出鑄件的設計第74頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.21鑲嵌件的應用

鑲螺母鑲銅襯鑲寶石（2）注意嵌件連接

為使壓鑄件中嵌件連接牢固，應在嵌件鑲入鑄件的表面預制出凹槽、凸臺或滾花。第75頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五設計熔模鑄件的結構時應考慮到：

為便于熔模鑄造浸漬涂料和撒砂，孔、槽不宜過小或過深。通常，孔徑應大于2mm(薄壁件的孔徑應大于0．5mm)。對于通孔，孔深／孔徑≤4～6；對于盲孔，孔深／孔徑≤2。槽寬應大于2mm，槽深為槽寬的2～6倍。2．熔模鑄件的結構設計孔、槽不宜過小或過深第76頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.22在大平面上設工藝孔和筋(2)盡量避免大平面

熔模型殼高溫易變形，應盡量避免大平面。或在大平面上設工藝孔或加強筋，可增加型殼剛度。第77頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.23金屬型鑄件結構和抽芯的關系a)結構不合理b)結構合理

3．金屬型鑄件結構設計（1）應保證鑄件能順利抽出金屬型芯。第78頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五表2.3.2金屬型鑄件的最小壁厚鑄件尺寸鑄鋼灰鑄鐵鋁合金鎂合金銅合金可鍛鑄鐵＜70X70542～33370X70～150X1508542～54～64＞150X15010656～8

（2）金屬型鑄件壁厚應大于最小壁厚第79頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五表2.3.3金屬型鑄造最小鑄孔／mm鑄造合金可鑄的最小孔徑/mm孔深/mm盲孔通孔鋅合金６～８９～１２１０～２０鎂合金６～８９～１２１２～２０鋁合金８～１０１２～１５１５～２５銅合金１０～１２１０～１５１５～２０（3）為便于型芯的安放及順利抽出鑄件，孔徑不能過小、過深。第80頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

①澆注位置的選擇（質量第一）通常遵循以下原則：

澆注位置是澆注時鑄件在鑄型內所處的位置。分型面是鑄型砂箱間的結合面。一、澆注位置與分型面的選擇

液態合金中金屬密度大，而非金屬雜質、氣體等密度小，易于上浮。鑄件上表面易于產生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷。錐齒輪鑄件的澆注位置

a.鑄件的重要加工面或主要工作面應處于底面或側面(對單個面而言)；鑄件的重要加工面或大部分加工面、加工基準面放在同一砂箱中，以免錯箱等(對多個面而言)5.1.2鑄造工藝設計（開始具體鑄造，如鑄件如何放、分型面、模樣尺寸等。第一步：鑄件如何放、分型面在那）第81頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五b.鑄件大平面應朝下c.鑄件的薄壁應朝下、垂直、傾斜，免澆不足、冷隔；厚壁應朝上、分型面附近上部或側部，利安放冒口，順序凝固.大平面澆注位置圖2.2.7殼體鑄件澆注位置

夾砂示意圖第82頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五②分型面的選擇（方便工作）

分型面一般應取在鑄件的最大截面上，否則難以取出模樣。分型面選擇應遵循下述原則：a.鑄件的加工面及加工基準表面盡量放在同一砂型中，以保證鑄件的加工精度。上下上下圖2.2.9管子堵頭分型面分型面要：一大、三少、一平直第83頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

b.應盡量減少分型面數量，并力求采用平面（前工藝性也有但前主要是設計時考慮）。

c.應盡量減少型芯、活塊的數量。

d.主要型芯應盡量放在下半鑄型中.

圖2.2.10殼體分型面選擇圖2.2.11彎臂分型面的選擇

第84頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五端蓋澆注位置和分型面的選擇：上下方案一上下方案二第85頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二、確定工藝參數（第二步：畫鑄件圖-畫模樣圖-制模樣等）

為了繪制鑄造工藝圖，在鑄造方案確定后，還需要選定如下工藝參數。①收縮率②機械加工余量③鑄造圓角④起模斜度⑤最小鑄出孔、槽尺寸⑥型芯頭

a.芯頭高（或長）度和斜度

b.芯頭裝配間隙

第86頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五①收縮率（模樣比鑄件大一收縮量）

由于合金的線收縮，鑄件冷卻后的尺寸將比型腔尺寸略為縮小，為保證鑄件的應有尺寸，模樣尺寸必須比鑄件尺寸放大一個該合金的收縮量。不同的鑄造合金，其收縮率大小不同。砂型鑄造時的鑄件線收縮率如表2.2.4所示。

第87頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五合金種類鑄件線收縮率/%自由收縮受阻收縮普通灰鑄鐵中小件大中件特大件1.00.90.80.90.80.7孕育鑄鐵1.0～1.50.8～1.0碳素鑄鋼1.6～2.01.3～1.7鋁硅合金1.0～1.20.8～1.0錫青銅1.41.2表2.2.4砂型鑄造時鑄件線收縮率端蓋是小型普通灰鑄鐵件，且結構簡單，查表得線收縮率為1%。

第88頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五②機械加工余量（鑄件比零件大？）機械加工余量是鑄件上為切削加工而加大的尺寸。

大量生產時余量可減小；單件小批量生產時，余量應加大；表面粗糙時，余量應加大（如鑄鋼）；位于鑄型上部的面、孔面余量應大些；

非鐵金屬表面光潔且材料價格昂貴，余量應減小；

鑄件尺寸越大，加工余量越大；

加工面與基準面距離越大，加工余量越大。

要求的機械加工余量RMA等級有10級，稱之為A、B、C、D、E、F、G、H、J和K級（見表2.2.5）。推薦用于各種鑄造合金和鑄造方法的RMA等級列在表2.2.6中。第89頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五最大尺寸①要求的機械加工余量等級大于至A②B②CDEFGHJK—400.10.10.20.30.40.50.50.711.440630.10.20.30.30.40.50.711.42631000.20.30.40.50.711.422.84101600.30.40.50.81.11.52.23461602500.30.50.711.422.845.582504000.40.70.91.31.42.53.557104006300.50.81.11.52.234691263010000.60.91.21.82.53.5571014注：①最終機械加工后鑄件的最大輪廓尺寸。表2.2.5機械加工余量(用書上表5-3)第90頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五方法要求的機械加工余量等級鑄件材料鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵銅合金鋅合金輕金屬合金鎳基合金鈷基合金砂型鑄造手工造型G～KF～HF～HF～HF～HF～HF～HG～KG～K砂型鑄造機器造型和殼型E～HE～GE～GE～GE～GE～GE～GF～HF～H金屬型（重力鑄造和低壓鑄造）—D～FD～FD～FD～FD～FD～F——壓力鑄造————B～D—B～D——熔模鑄造EEE—E—EEE表2.2.6毛坯鑄件典型的機械加工余量等級(用書上表5-3)第91頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五注意：1、先選公差等級CT；2、再選加工余量等級；3、加工余量表中的基本尺寸是指加工表面上最大基本尺寸和該面與它的加工基準之間距離較大的一個；4、頂面、孔的加工余量等級應降一級使用。第92頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五端蓋的機械加工余量

端蓋零件材質為灰鑄鐵，且采用砂型鑄造手工造型。由表2.2.5查得，其機加工余量等級為F～H級，由于批量不大，故選為H級。零件最大尺寸為165mm，查表2.2.4得：大端面外圓直徑φ72mm及端面的機加工余量為4mm，孔內余量應稍大，取為5mm。國家標準規定，加工余量用紅線畫出輪廓，剖面處全涂以紅色（或細紋格），機加工余量數值用數字在圖紙上直接標出。第9