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機械工藝和技術----鑄造

鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里,經冷卻凝固、清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造是現代機械制造工業的基礎工藝之一。 

    鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝,已有約6000年的歷史。中國約在公元前1700~前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期,工藝上已達到相當高的水平。中國商朝的重875公斤的司母戊方鼎,戰國時期的曾侯乙尊盤,西漢的透光鏡,都是古代鑄造的代表產品。 

    早期的鑄件大多是農業生產、宗教、生活等方面的工具或用具,藝術色彩濃厚。那時的鑄造工藝是與制陶工藝并行發展的,受陶器的影響很大。 

    中國在公元前513年,鑄出了世界上最早見于文字記載的鑄鐵件—晉國鑄型鼎,重約270公斤。歐洲在公元八世紀前后也開始生產鑄鐵件。鑄鐵件的出現,擴大了鑄件的應用范圍。例如在15~17世紀,德、法等國先后敷設了不少向居民供飲用水的鑄鐵管道。18世紀的工業革命以后,蒸汽機、紡織機和鐵路等工業興起,鑄件進入為大工業服務的新時期,鑄造技術開始有了大的發展。 

    進入20世紀,鑄造的發展速度很快,其重要因素之一是產品技術的進步 ,要求鑄件各種機械物理性能更好,同時仍具有良好的機械加工性能;另一個原因是機械工業本身和其他工業如化工、儀表等的發展,給鑄造業創造了有利的物質條件。如檢測手段的發展,保證了鑄件質量的提高和穩定,并給鑄造理論的發展提供了條件;電子顯微鏡等的發明,幫助人們深入到金屬的微觀世界,探查金屬結晶的奧秘,研究金屬凝固的理論,指導鑄造生產。 

    在這一時期內開發出大量性能優越,品種豐富的新鑄造金屬材料,如球墨鑄鐵,能焊接的可鍛鑄鐵,超低碳不銹鋼,鋁銅、鋁硅、鋁鎂合金,鈦基、鎳基合金等,并發明了對灰鑄鐵進行孕育處理的新工藝,使鑄件的適應性更為廣泛。 

    50年代以后,出現了濕砂高壓造型,化學硬化砂造型和造芯,負壓造型以及其他特種鑄造、拋丸清理等新工藝,使鑄件具有很高的形狀、尺寸精度和良好的表面光潔度,鑄造車間的勞動條件和環境衛生也大為改善。 

    20世紀以來鑄造業的重大進展中,灰鑄鐵的孕育處理和化學硬化砂造型這兩項新工藝有著特殊的意義。這兩項發明,沖破了延續幾千年的傳統方法,給鑄造工藝開辟了新的領域,對提高鑄件的競爭能力產生了重大的影響。 

    鑄造一般按造型方法來分類,習慣上分為普通砂型鑄造和特種鑄造。普通砂型鑄造包括濕砂型、干砂型、化學硬化砂型三類。特種鑄造按造型材料的不同,又可分為兩大類:一類以天然礦產砂石作為主要造型材料,如熔模鑄造、殼型鑄造、負壓鑄造、泥型鑄造、實型鑄造、陶瓷型鑄造等;一類以金屬作為主要鑄型材料,如金屬型鑄造、離心鑄造、連續鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造等。 

    鑄造工藝可分為三個基本部分,即鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理。 鑄造金屬是指鑄造生產中用于澆注鑄件的金屬材料,它是以一種金屬元素為主要成分,并加入其他金屬或非金屬元素而組成的合金,習慣上稱為鑄造合金,主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。 

    金屬熔煉不僅僅是單純的熔化,還包括冶煉過程,使澆進鑄型的金屬,在溫度、化學成分和純凈度方面都符合預期要求。為此,在熔煉過程中要進行以控制質量為目的的各種檢查測試,液態金屬在達到各項規定指標后方能允許澆注。有時,為了達到更高要求,金屬液在出爐后還要經爐外處理,如脫硫、真空脫氣、爐外精煉、孕育或變質處理等。熔煉金屬常用的設備有沖天爐、電弧爐、感應爐、電阻爐、反射爐等。 

    不同的鑄造方法有不同的鑄型準備內容。以應用最廣泛的砂型鑄造為例,鑄型準備包括造型材料準備和造型造芯兩大項工作。砂型鑄造中用來造型造芯的各種原材料,如鑄造砂、型砂粘結劑和其他輔料,以及由它們配制成的型砂、芯砂、涂料等統稱為造型材料造型材料準備的任務是按照鑄件的要求、金屬的性質,選擇合適的原砂、粘結劑和輔料,然后按一定的比例把它們混合成具有一定性能的型砂和芯砂。常用的混砂設備有碾輪式混砂機、逆流式混砂機和葉片溝槽式混砂機。后者是專為混合化學自硬砂設計的,連續混合,速度快。 

    造型造芯是根據鑄造工藝要求,在確定好造型方法,準備好造型材料的基礎上進行的。鑄件的精度和全部生產過程的經濟效果,主要取決于這道工序。在很多現代化的鑄造車間里,造型造芯都實現了機械化或自動化。常用的砂型造型造芯設備有高、中、低壓造型機、拋砂機、無箱射壓造型機、射芯機、冷和熱芯盒機等。 

    鑄件自澆注冷卻的鑄型中取出后,有澆口、冒口及金屬毛刺披縫,砂型鑄造的鑄件還粘附著砂子,因此必須經過清理工序。進行這種工作的設備有拋丸機、澆口冒口切割機等。砂型鑄件落砂清理是勞動條件較差的一道工序,所以在選擇造型方法時 ,應盡量考慮到為落砂清理創造方便條件。有些鑄件因特殊要求,還要經鑄件后處理,如熱處理、整形、防銹處理、粗加工等。 

    鑄造是比較經濟的毛坯成形方法,對于形狀復雜的零件更能顯示出它的經濟性。如汽車發動機的缸體和缸蓋,船舶螺旋槳以及精致的藝術品等。有些難以切削的零件 ,如燃汽輪機的鎳基合金零件不用鑄造方法無法成形。 

    另外,鑄造的零件尺寸和重量的適應范圍很寬,金屬種類幾乎不受限制;零件在具有一般機械性能的同時,還具有耐磨、耐腐蝕、吸震等綜合性能,是其他金屬成形方法如鍛、軋、焊、沖等所做不到的。因此在機器制造業中用鑄造方法生產的毛坯零件,在數量和噸位上迄今仍是最多的。 

    鑄造生產經常要用的材料有各種金屬、焦炭、木材、塑料、氣體和液體燃料、造型材料等。所需設備有冶煉金屬用的各種爐子,有混砂用的各種混砂機,有造型造芯用的各種造型機、造芯機,有清理鑄件用的落砂機、拋丸機等。還有供特種鑄造用的機器和設備以及許多運輸和物料處理的設備。 

    鑄造生產有與其他工藝不同的特點,主要是適應性廣、需用材料和設備多、污染環境。鑄造生產會產生粉塵、有害氣體和噪聲對環境的污染,比起其他機械制造工藝來更為嚴重,需要采取措施進行控制。 

    鑄造產品發展的趨勢是要求鑄件有更好的綜合性能,更高的精度,更少的余量和更光潔的表面。此外,節能的要求和社會對恢復自然環境的呼聲也越來越高。為適應這些要求,新的鑄造合金將得到開發,冶煉新工藝和新設備將相應出現。 

    鑄造生產的機械化自動化程度在不斷提高的同時,將更多地向柔性生產方面發展,以擴大對不同批量和多品種生產的適應性。節約能源和原材料的新技術將會得到優先發展,少產生或不產生污染的新工藝新設備將首先受到重視。質量控制技術在各道工序的檢測和無損探傷、應力測定方面,將有新的發展。 

    鑄造工作者在電子技術和測試手段不斷進步的條件下,將對金屬結晶凝固和型砂緊實等理論進行更深入的探索,以研究提高鑄件性能和內部質量的有效途徑。機器人和電子計算機在鑄造生產和管理領域里的應用,也將日益廣泛。
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