華中科技大學材料學院材料成形及控制工程專業(yè)核心課程華中科技大學精品課及責任教授課程材料成形裝備及自動化

EquipmentandAutomationofMaterialsProcess2024-2025學年第二學期

2目錄第一章

緒

論（2學時）

第二章金屬液態(tài)成形裝備及自動化（10學時，5次）

第三章

金屬塑性成形裝備及自動化（10學時）

第四章

金屬連接成形裝備及自動化（10學時）

第五章

高分子材料成形設(shè)備及自動化（2學時）

第六章

快速成形裝備及控制（6學時）第七章

其它材料成形裝備（4學時）第八章熱處理工業(yè)爐及其控制（2學時）第九章材料加工中的環(huán)境保護裝備（2學時）EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

3第二章

金屬液態(tài)成形裝備及自動化2.1概述2.2金屬熔化及澆注裝備2.3砂處理裝備及自動檢測系統(tǒng)2.4造型設(shè)備及自動化生產(chǎn)線2.5制芯設(shè)備及自動控制系統(tǒng)2.6鑄件落砂與清理裝備及自動化2.7特種鑄造裝備及自動化2.8消失模精密鑄造裝備及生產(chǎn)線2.9半固態(tài)鑄造成形裝備及生產(chǎn)線2.10典型鑄造工業(yè)機器人及無人工廠EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院2.4造型設(shè)備及自動化生產(chǎn)線常用緊實型砂的方法（簡稱實砂）有震擊緊實、壓實緊實、射砂緊實、氣流緊實等。根據(jù)其緊實原理造型機可分為震擊/震壓造型機、高壓造型機、射壓造型機、靜壓造型機、氣沖造型機等。

以下主要介紹：氣流緊實（又有：氣流滲透緊實、氣流沖擊緊實），及靜壓造型機、氣沖造型機。

4EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

5(4)靜壓造型機

利用壓縮空氣氣流滲透預(yù)緊實并輔以加壓壓實型砂的一種造型機。

氣流滲透緊實方法，是用快開閥將貯氣罐中的壓縮空氣引至砂箱的砂粒上面，使氣流在較短的時間內(nèi)透過型砂，經(jīng)模板上的排氣孔排出。氣流滲透實砂法的工作原理

6a.靜壓造型機的工作原理

靜壓造型法的優(yōu)點是：具有機器結(jié)構(gòu)簡單、實砂時間短、噪音和振動小等優(yōu)點。為克服氣流實砂的缺點（緊實度不均），獲得緊實度高而均勻的砂型，型砂經(jīng)過氣流緊實后再實施加壓緊實。靜壓造型機的工作原理

7b.靜壓緊實的鑄型強度分布靜壓緊實的鑄型強度分布

8c.靜壓造型機靜壓造型機照片

9(5)氣沖造型機

氣流沖擊緊實是先將型砂填入砂箱內(nèi)，然后壓縮空氣在很短的時間內(nèi)（10~20ms）以很高的升壓速度（dp/dt=4.5~22.5MPa/s）作用于砂型頂部，高速氣流沖擊將型砂緊實，其工作原理如圖所示。氣流沖擊緊實過程示意圖氣沖緊實的工作原理

10a.氣沖緊實的工作原理氣沖緊實的砂型強度分布砂型頂部的砂層必須刮去。氣沖緊實時最底層的砂所受的沖擊力最大，因而緊實度最高；砂層越高，所受沖擊力越小，緊實度越低。優(yōu)缺點：靠近型面處緊實度高且均勻，較符合鑄造工藝要求；生產(chǎn)率高，噪音較低；機器結(jié)構(gòu)簡單；但也存在沖擊力大，模板磨損快及模型反彈降低鑄型尺寸精度，對地基影響大等缺點。

11b.氣沖裝置（關(guān)鍵部件）BMD液控柵格式氣沖裝置結(jié)構(gòu)圖BMD液控柵格式氣沖裝置結(jié)構(gòu)圖1-貯氣室2-氣動鎖緊凸輪3-控制閥盤啟閉的液壓缸4-活塞5-控制閥盤啟閉的氣缸6-活塞桿7-動閥板8-定閥板9-預(yù)填框10-砂箱11-模板

12柵格式氣沖造型機的結(jié)構(gòu)1-底座 2-液壓舉升缸3-機座4-支柱5-輔助框輥道及驅(qū)動電機6-氣沖閥7-氣動安全鎖緊缸8-膠膽閥9-阻流板10-輔助框11-砂箱12-模樣及模板框13-工作臺14-模板輥道

13靜壓造型機及生產(chǎn)線—最新的現(xiàn)代造型方法與設(shè)備氣流滲透緊實（靜壓造型）、氣流沖擊實緊（氣沖造型）的主要區(qū)別是：氣流速度，差~10倍。氣流沖擊造型，目前已淘汰了！

142.4.2

樹脂砂（水玻璃砂）振動緊實臺與粘土砂相比，樹脂砂和水玻璃砂的流動性好，易于緊實；加之它們硬化后的強度更高，不需要非常高的緊實度。因此，水玻璃砂的緊實方法較為簡單，普通的振動緊實(或人工緊實)加手工刮平即可滿足水玻璃砂造型緊實的要求。

除氣動震動臺可用于樹脂砂和水玻璃砂的造型緊實外，常用水玻璃砂振動緊實臺。

15振動緊實臺1－振實臺面

2－振動電機

3－隔振彈簧

4－底座充氣時臺面升起承接砂箱進行振實工作。造好型后，空氣彈簧排氣，柵床臺面下降，輥道突出并承托砂箱。結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、動力消耗小。并能調(diào)節(jié)充氣壓力，以改變空氣彈簧的剛度。2.4.2

樹脂砂（水玻璃砂）振動緊實臺

162.4.3造型生產(chǎn)線

造型生產(chǎn)線是根據(jù)生產(chǎn)鑄件的工藝要求，將造型機和輔助機械（如翻箱機、合型機、壓鐵機、捅箱機、落砂機等）按照工藝流程用運輸機械（鑄型輸送機、輥道等）連接起來，并采用一定的控制方法組成的機械化或自動化造型生產(chǎn)體系。(1)造型生產(chǎn)線的輔機

在造型生產(chǎn)線上，為完成整個工藝過程須設(shè)置必要的輔助機械，如翻箱機、合型機、扎氣孔機、捅箱機等。

17典型鑄造自動生產(chǎn)線示意圖(2)鑄型輸送機

鑄型輸送機是造型生產(chǎn)線各工序之間的主要運輸連接設(shè)備，常見的鑄型輸送機有水平連續(xù)式、脈動式和間歇式鑄型輸送機。

18

19連續(xù)式鑄型輸送機圖2-61SZ-60型連續(xù)式鑄型輸送機1—輸送小車2—傳動裝置3—張緊裝置4—軌道系統(tǒng)5—鏈輪6—驅(qū)動鏈條7—推塊8—導(dǎo)輪9—牽引鏈條10—車面11—車體12—走動輪

20鑄型輸送機

21自動化生產(chǎn)線實例圖2-62造型生產(chǎn)線平面布置實例1—造型機2—合箱輸送3—澆注4—下芯及砂型檢查

22樹脂砂造型生產(chǎn)線

232.5

制芯設(shè)備及自動控制系統(tǒng)制芯設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式與芯砂粘結(jié)劑及制芯工藝密切相關(guān)；常用的制芯設(shè)備有：熱芯盒射芯機、冷芯盒射芯機、殼芯機三大類。發(fā)動機缸體砂芯

24(1)熱芯盒射芯機

2.5.1

熱芯盒射芯機熱芯盒法制芯，是采用液態(tài)熱固性樹脂和催化劑配制芯砂（又稱覆膜砂或殼型砂），通過射砂緊實方式填入加熱到一定溫度的芯盒內(nèi)，貼近芯盒表面現(xiàn)象的砂芯受熱，其黏結(jié)劑在很短時間即可縮聚而硬化（其固化時間只需幾分鐘）。它為快速生產(chǎn)尺寸精度高的中小砂芯（砂芯最大壁厚一般為了50-75mm）提供了一種非常有效的方法，特別適用于汽車、拖拉機或類似行業(yè)大量流水生產(chǎn)中小型砂芯。

251-振動電機 2-閘板3-射砂筒 4-射砂頭5-排氣塞 6-氣動托板7-工作臺及其升降氣缸8-底座 9-立柱10-閘板氣缸 11-閘板密封圈12-砂斗 13-減震器14-排氣閥 15-加熱板16-夾緊器 17-夾緊氣缸18-工作臺 19-開關(guān)控制器20-取芯桿 21-砂芯22-薄膜閥 23-芯盒(1)熱芯盒射芯機

ZZ8612熱芯盒射芯機2.5.1

熱芯盒射芯機

26(1)熱芯盒射芯機

ZZ8612熱芯盒射芯機①

加砂：振動電動機1工作，砂斗振動向射環(huán)筒3加砂。②

芯盒夾緊：夾緊氣缸17推動夾緊器16完成芯盒的合閉，長降氣缸7驅(qū)動工作臺上升完成芯盒夾緊。③

射砂：落膜22上部排氣，壓縮空氣由b密進入助射腔a，再通過射砂筒3的縫進入射砂筒，完成射芯?？焖倥艢忾y14打開排除射砂筒內(nèi)余氣。

④

加熱硬化：加熱板15通電加熱，砂芯是受熱硬化。⑤

開盒取芯：加熱延時后，升降氣缸7下降，夾緊缸17打開，取芯。2.5.1

熱芯盒射芯機

27ZZ8625型射芯機（射芯工位）氣動系統(tǒng)原理圖圖2-59ZZ8625型射芯機（射芯工位）氣動系統(tǒng)原理圖

28(1)熱芯盒射芯機

熱芯盒射芯機，與普通射芯機（烘干硬化）比較有以下優(yōu)點：

1）生產(chǎn)效高：填砂與緊實同時完成，并立即在熱的芯盒中硬化，一個循環(huán)周期僅需十幾秒至幾十秒，便可生產(chǎn)出供澆鑄用的砂芯。

2）砂芯質(zhì)量好：能射制任何復(fù)雜砂芯，而且尺寸精確、表面光潔，從而可以減少鑄件加工余量。

3）可以省去很多制芯用輔助設(shè)備及工具，烘干器、芯骨等。

4）減輕勞動強度、操作靈活輕便、容易掌握，采用電加熱，溫度可自動控制，工作地易保持清潔，易于機械化、自動化。

5）如選配氣體發(fā)生系統(tǒng)，可滿足冷芯盒制芯的要求。2.5.1

熱芯盒射芯機

29鐵型覆砂自動化生產(chǎn)線（錄像）2.5.1

熱芯盒射芯機

302.5.2冷芯盒射芯機

冷芯盒制芯是指采用氣體硬化砂芯，即射砂后通以氣體（三乙胺、SO2或CO2等）使砂芯硬化。冷芯盒射芯機的結(jié)構(gòu)與熱芯盒射芯機的結(jié)構(gòu)類似，只需增設(shè)一個吹氣裝置取代原有的加熱裝置。

31吹氣冷芯盒射芯機1—底座

2—控制板

3—工作臺

4—抽風管

5—射砂機構(gòu)

6—橫梁

7—加砂斗

8—振動電動機

9—加砂筒10—吹氣機構(gòu)

11—抽氣罩

12—立柱

13—供氣柜

14—旋轉(zhuǎn)手輪

15—壓力表

16—轉(zhuǎn)盤冷芯盒射芯機有射芯機、氣體發(fā)生器、凈化裝置以及液壓、電氣控制系統(tǒng)等組成。射芯機將芯砂吹入芯盒，然后由氣體發(fā)生器將液態(tài)硬化劑蒸發(fā)成氣態(tài)吹入芯盒，通過氣態(tài)硬化劑與芯砂樹脂膜之間的化學反應(yīng)，使芯盒中的芯砂迅速硬化成所需形狀和尺寸精度的砂芯，殘留在砂芯中的有害氣體則被干燥的壓縮空氣吹出。2.5.2冷芯盒射芯機

32冷芯盒射芯機用冷芯盒制芯機制備側(cè)架鑄鋼件整體砂芯照片2.5.2冷芯盒射芯機

33冷芯盒制芯裝備系統(tǒng)組成，通常包括：一臺高速混砂機，一臺全封閉射芯機，一臺胺氣發(fā)生裝置、吹氣控制系統(tǒng)及相應(yīng)工裝模具。冷芯盒射芯機具有如下優(yōu)點：

（1）砂芯精度高，表面粗糙度低。砂芯常溫下芯盒內(nèi)實現(xiàn)硬化，模具尺寸穩(wěn)定、砂芯精度高、變形小，鑄件精度高。（2）硬化時間短、硬透性好，生產(chǎn)率高。砂芯硬化速度以秒計算，遠遠快于熱芯盒、殼芯制芯工藝（3）不需加熱，節(jié)省能耗；常溫下工作，改善了勞動條件。（4）出芯后不到一小時即可澆注，減少貯存面積。（5）沒有過硬化問題，容易制作壁厚差異大的砂芯。（6）對芯盒的材料要求較低，可用多種材料的模具；澆筑后易潰散，落砂性能好。2.5.2冷芯盒射芯機

342.5.3殼芯機

殼芯機基本上是利用吹砂原理制成的。其過程如圖所示，依此經(jīng)過芯盒合攏、翻轉(zhuǎn)吹砂、加熱結(jié)殼、回轉(zhuǎn)倒出余砂、芯盒分開取芯等工序。殼芯機工作原理示意圖a)起始位置b)芯盒合攏吹砂斗上升c)翻轉(zhuǎn)吹砂加熱結(jié)殼d)轉(zhuǎn)回搖擺倒出余砂e)芯盒分開頂芯取芯

35殼芯照片殼芯是相對于實體芯而言的中空殼體芯。它以強度較高的酚醛樹脂為粘結(jié)劑的覆膜砂、經(jīng)加熱硬化而制成。砂粒細，鑄件表面光潔，尺寸精度高，芯砂用量少；加之砂芯中空，增加了型芯透氣性和潰散性。在大型芯上廣泛應(yīng)用。2.5.3殼芯機

36K87型殼芯機為廣泛使用的殼芯機，它由加砂裝置、吹砂裝置、芯盒開閉機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、頂芯機構(gòu)和機架等組成。2.5.3殼芯機

37自動翻轉(zhuǎn)式殼芯機普通水平脫模殼芯機3D打印型芯錄像！2.5.3殼芯機

382.6鑄件落砂與清理裝備及自動化2.6.1鑄件落砂

落砂就是待鑄件冷卻到一定溫度后，將鑄型破碎，使鑄件從砂型中分離出來。落砂工序通常由落砂機完成。目前工業(yè)化國家比較廣泛使用：普通式落砂滾筒；振動式落砂滾筒；機械手等。振動落砂法是由周期振動的落砂柵床將鑄型拋起，然后鑄型又自由下落與柵床碰撞，經(jīng)過反復(fù)撞擊，砂型破壞，最終鑄件和型砂分離。EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

392.6.1鑄件落砂單軸慣性振動落砂機結(jié)構(gòu)簡圖

雙軸慣性振動落砂機結(jié)構(gòu)簡圖1-彈簧2-柵床3-主軸4-偏心塊5-鑄型1-偏心塊2-柵床3-彈簧EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

40(1)雙側(cè)激振輸送落砂機1—柵床2—振動電動機3—彈簧振動落砂機的結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，但是噪音大，灰塵多，工作環(huán)境差。

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41振動電機振動篩EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院(1)雙側(cè)激振輸送落砂機

42振動落砂振動緊實雙振動電機驅(qū)動設(shè)備EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院(1)雙側(cè)激振輸送落砂機

43雙振動電機驅(qū)動設(shè)備雙電機驅(qū)動時產(chǎn)生的水平方向上的合力為零，垂直方向上的合力疊加。即：Fx=Fx1-Fx2=0Fy=Fy1+Fy2=2Fy1EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院(1)雙側(cè)激振輸送落砂機

44(2)振動式落砂滾筒的工作原理振動式落砂滾筒的工作原理1-工作部分2－增幅機構(gòu)3－激振源4－振動電機滾筒+振動EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

45(3)落砂機械手機械手的動作示意圖機械手的主從操縱方式示意圖1，3—速度/位移傳感器2—伺服電機EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

462.6.2鑄件清理

鑄件清理包括表面清理和除去多余的金屬兩部分。前者是除去鑄件表面的砂子和氧化皮；后者主要包括去除澆冒口、飛邊毛刺等。鑄件表面清理的常用方法有：拋丸清理、噴丸清理等。拋丸清理：利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將彈丸拋向鑄件，靠彈丸的沖擊打掉鑄件表面粘砂和氧化皮。該清理方法效果好，生產(chǎn)率高，勞動強度低，自動化程度高，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。其缺點是拋射方向不能任意改變，靈活性差。噴丸清理：利用壓縮空氣將彈丸噴射到鑄件表面來實現(xiàn)的。噴槍的操作靈活，可清理復(fù)雜內(nèi)腔和深孔的鑄件；但生產(chǎn)效率低，工作環(huán)境惡劣，不易實現(xiàn)自動化，一般用于清理復(fù)雜鑄件或作為拋丸清理的補充手段。EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

47拋丸清理示意圖1-氧化皮繡斑體2-塑性變形區(qū)3-彈性變形區(qū)高速丸流的形成拋丸清理的工作原理:撞擊會使零件表面產(chǎn)生壓痕，其內(nèi)層為塑性變形區(qū)，更深處為彈性變形區(qū)。在彈性力作用下，塑性變形區(qū)受到壓縮應(yīng)力，彈丸被反彈回去。附著層、塑性變形層與彈性變形層厚薄決定了所需的彈丸數(shù)量與速度。EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院（1）拋丸清理

48拋丸清理的分類:按照設(shè)備結(jié)構(gòu)形式可分為：拋丸清理滾筒、拋丸清理振動槽、履帶式拋丸清理機、拋丸清理轉(zhuǎn)臺、拋丸清理轉(zhuǎn)盤、臺車式拋丸清理室、吊鉤式拋丸清理室、懸鏈式拋丸清理室、鼠籠式拋丸清理室、輥道通過式拋丸清理室、橡膠輸送帶式拋丸清理室、懸掛翻轉(zhuǎn)器拋丸清理室、組合式拋丸清理室、專用拋丸清理室等。按作業(yè)方式可分為：間隙式拋丸清理設(shè)備和連續(xù)式拋丸清理設(shè)備。按工藝要求可分類為：表面拋丸清理、拋丸除銹、拋丸強化與拋丸落砂等。EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院（1）拋丸清理

49常用清理裝備的型式及其特點EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

50常用清理裝備的型式及其特點EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院

51拋丸生產(chǎn)線及拋丸設(shè)備(鋼鐵鑄件)EAMP金屬液態(tài)成形裝備及自動化華中科技大學材料學院（1）拋丸清理

52拋丸落砂:拋丸落砂是一種以拋丸方法清除鑄件內(nèi)外表面型砂的清砂工藝。這種工藝與一般清砂工藝不同，可以同時完成落砂、表面清理、砂再生、除塵除灰砂子回用等四道工序。拋丸落砂與表面拋丸清理的區(qū)別在于：拋丸落砂采用強力拋丸器與高效丸砂分離器，拋丸速度70-75m/s，單臺拋丸器的拋丸量不低于200kg/min，甚至高達500-1200kg/min，丸砂分離率達99.5%以上。而