《铸造教学》课件

《铸造CAD/CAE及模具技术》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：铸造CAD/CAE及模具技术英文名称：Casting CAD/CAE and Mould Technology二、课程编码及性质课程编码：817731课程性质：专业选修课，选修课三、学时与学分总学时：32学分：2.0四、先修课程计算机基础、模具CAD、有限差分基础、流体力学、工程传热学五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的选修课程之一，其教学目的主要包括：1.全面了解CAD/CAE软件技术在铸造工业中的应用，培养学生工程意识、创新思维以及利用计算机信息技术解决工程技术问题的能力。

2. 掌握铸造工艺设计的基本过程，了解CAD软件的二次开发技术，学会使用二维和三维铸造工艺CAD系统设计铸件的铸造工艺系统，熟练操作相关的CAD系统软件。

3.系统的学习数值模拟CAE技术，学习数值分析的常用方法有限元和有限差分方法的基本理论知识，掌握铸造凝固以及充型过程的数学模型与数值求解方法；了解有限元后处理系统作用，掌握后处理系统数据管理方法及图形选取。

4.了解铸造CAD/CAE系统的基本功能，并可以利用铸造CAD/CAE系统对铸件进行铸造工艺分析。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）CAD/CAE技术在铸造生产中起着越来越重要的作用，本课程主要介绍二维和三维铸造工艺CAD系统以及铸造CAE技术的基础知识。

2）在全面了解与掌握铸造工艺CAD系统的基础上，重点学习基于AutoCAD 的二维铸造工艺CAD系统的二次开发技术以及基于UG的三维铸造工艺CAD系统的二次开发技术。

3）课程将重点或详细介绍CAE技术的基本知识，着重介绍数值分析常用的方法：有限元法和有限差分法，重点介绍铸造凝固与充型过程中的数学模型以及模型的数值求解方法。

金属工艺铸造课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解金属工艺铸造的基本概念，掌握铸造工艺的种类及其特点；2. 学生能掌握金属材料的性质及选用原则，了解其在铸造中的应用；3. 学生能了解铸造过程中的关键技术，如模具设计、浇注、冷却等。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计简单的金属铸件，并进行铸造实验；2. 学生能掌握金属铸造的基本操作技巧，提高动手实践能力；3. 学生能通过观察和分析，解决金属铸造过程中出现的问题。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对金属工艺铸造的兴趣，激发探索精神和创新意识；2. 学生在团队协作中，学会沟通、交流和合作，培养集体荣誉感；3. 学生认识到金属工艺铸造在生活中的应用，增强对传统工艺的尊重和传承意识。

课程性质：本课程为实践性较强的学科，结合理论知识和动手操作，培养学生的实际应用能力。

学生特点：初三学生具备一定的物理知识和动手能力，对新鲜事物充满好奇，善于观察和思考。

教学要求：教师需引导学生将理论知识与实际操作相结合，注重培养学生的动手实践能力和创新精神。

通过课程学习，使学生能够独立完成金属铸件的设计与制作，提高综合运用知识的能力。

同时，关注学生在课程学习中的情感态度价值观的培养，使他们在学习过程中形成积极向上的人生态度。

二、教学内容1. 金属工艺铸造基本概念：包括铸造的定义、分类及其特点，使学生了解铸造工艺的广泛应用。

教材章节：第一章 金属工艺铸造概述2. 金属材料的性质及选用：介绍常见金属材料的物理和化学性质，以及选用原则，为学生设计铸件提供参考。

教材章节：第二章 金属材料及选用3. 铸造工艺过程：讲解铸造过程中的关键技术，如模具设计、浇注、冷却等，让学生掌握铸造的基本操作。

教材章节：第三章 铸造工艺过程4. 铸造缺陷及其防止：分析铸造过程中可能出现的缺陷，探讨缺陷防止措施，提高学生解决实际问题的能力。

教材章节：第四章 铸造缺陷与防止5. 铸件设计：结合所学知识，指导学生进行简单的铸件设计，培养学生的创新意识和实际应用能力。

受阻收缩(图11)。 很明显，对于同一种合金，受阻收缩率小于自由收
缩率。
图11 受机械阻碍的铸件
铸件在铸型中收缩时受到的阻力有以下几种：
1) 铸型表面的摩擦力
铸件收缩时，其表面与铸型表面之间的摩擦力的大 小与铸件重量、铸型表面的平滑程度有关。
液态收缩率用下式表示：
（5）
式中
从式中可以看出，提高浇注温度 t浇，或因合金成分 改变而降低tL，都使v液增加。v液改变时，v液 也 相应改变。
影响液态收缩系数v液 的因素很多，如合金成分、 温度、气体和夹杂物含量等。
实验所得数值往往有很大差别，计算时常取其平均 值。
例如，钢液的v液 在0.4 X 10-4到1.6 X 10-4／℃的 范围内变动，相差四倍，通常取其平均值1.0 X 10-4 ／℃。
3．固态收缩
金属的固态体收缩率用下式表示：
（6）
式中
在固态收缩阶段，铸件各个方向上都表现出线尺寸 的缩小。因此，这阶段对铸件的形状和尺寸的精度 影响最大。为方便起见，常用线收缩率表示固态收 缩，即：
式中
（7）
金属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的基 本原因。
4．线收缩的开始温度
2) 固溶体合金(图3 b) l 向熔点较低的成分B方向上，沿曲线1平滑地下降。 3) 有限固溶体合金(图3 c) 关于这类合金的l 的变化规律，可根据前两类合金
进行分析。图3 合金的线来自缩与成分的关系***二、铸钢的收缩
和任何其它合金一样，收缩过程分为液态收缩、凝 固收缩和固态收缩三个阶段。
***三、铸铁的收缩
铸铁和任何铸造合金一样，其收缩过程也分为三个 互相联系的阶段，即液态收缩、凝固收缩和固态收 缩。

切削加工方 法
机械零件 结构工艺性
机械加工 工艺过程
车削加工；钻、扩、铰、镗削加工； 刨、拉削加工；铣削加工；磨削加 工；特种加工方法；零件加工表面 方法的选择 。
零件结构设计的基本原则、切削加 工对零件结构工艺性的要求。
机械加工工艺过程的基本概念、工 件的安装与夹具的基本知识；机械 加工工艺规程的制定，典型零件工 艺过程。
课程教学 改革思路
结合地方工科高校培养应用型高级 专门人才目标和社会需求，紧紧抓 住课程内容广、实践性强、授课学 生多的课程特征，以拓宽基础知识、 优化教学内容为核心，以教学方法、 教学手段改革为抓手，“产学研” 合作强化学生工程实践和创新精神 培养，构建完备的课程教学体系， 形成覆盖面广、灵活的教学模式， 积极开展教育教学改革与实践，全 面提高课程教学质量。
初期建设阶段（1959～1977年） 恢复建设阶段（1978～1988年） 稳定发展阶段（1989～1999年） 高速发展阶段（2000年至今）
2.课程建设
教学内容
金属冷、热加工方法 金属冷、热加工方法+工程材料 金属冷、热加工方法+工程材料 +金属成形的新技术、新工艺
教学手段
黑板+粉笔+挂图 黑板+粉笔+幻灯片 黑板+粉笔+多媒体 多媒体+网络课堂
建造了内容丰富、形象生动的课 程陈列室。
以省级实验教学示范中心、工程 训练中心为基础搭建了学生工程 实践平台，强化学生基础工程实 践能力培养
以省部级重点实验室为依托，与 大型企业、科研院所密切合作建 立学生创新基地，搭建学生创新 实践平台，以课外科技制作竞赛 为途径进行创新精神培养。
四、教学设计

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剑的来历要追溯到轩辕黄帝时代。据《黄帝本纪》记载：“帝采
首山之铜铸剑，以天文古字铭之”；又有“昔葛天卢之山发而出金，蚩 尤受而制之，以为剑铠”之说。该记载表明，黄帝与蚩尤的时代，当时 尚系初入青铜器时期，但由此推知，剑之出世极为古远，历史悠久，故 后人称之“短兵之袓”，确可当之无愧。
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剑脱胎于矛形刺兵及短匕首，始原于殷商以前，形极为 短小，仅有短平茎，而无管筒。古人用此剑插腰，直刺旁击 都能运用自如，抵御匪寇与野兽都是必不可少。
经过道教的神化与文人墨 客的写意化，剑已不再是一种 单纯的兵器，而被赋予了正义、 正气的道德伦理色彩。到了人 人佩剑、家家悬剑的唐代，剑 侠小说的出现让剑文化与侠文 化融合一体，负剑行侠的形象 从此深入人心。
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晋代干宝《搜神记》 卷十一，也有内容大致相 同的记载，而叙述更为细 致。对照鲁迅的重写，可 以看出，故事情节与原本 大体上没有多大出入，鲁 迅说他的《铸剑》“写得 较为认真”，就是指的这 一点。
越王勾践剑
研究发现，越王勾践剑不锈的原因在于剑身上被镀上了一 层含铬的金属。铬提取十分不易。这种铬盐氧化处理方法，只 是近代才出现的先进工艺，德国在1937年，美国在1950年先后 发明并申请了专利 。
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早期铸造剑比铸造其他兵器难度大，特别是铸造需 经特殊工艺的宝剑更加耗时耗力，因此只有有权势的人 才能获得宝剑，剑于是成为帝王君主权利威严的象征。
在十八般传统冷兵器中，剑被称作“百刃之君”、 “百兵之帅”。在武行中剑多作为防身性兵器，由于携带 美观，所以名士贵族多佩剑，久而久之剑被大众视作有智 慧、有内涵、有身份的兵器。
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在大多数武侠小说中，名门正派的大侠总是用剑，以此区别
于使用暗器、毒药的旁门左道。

对于不同零件的使用要求，必须考虑零件 材料的工艺特性（如铸造性能、锻造性能、焊 接性能等）来确定毛坯的成形方法。
选择成形方法，要兼顾后续机加工的可加工性。
例如： • 切削加工余量较大的毛坯不能采用普通压力铸造 成形，否则将暴露铸件表皮下的孔洞； • 需要切削加工的毛坯尽量避免采用高牌号珠光体 球墨铸铁和簿壁灰铸铁，否则难以切削加工; • 一些结构复杂，难以采用单种成形方法成形的毛 坯，注意各种成形方案结合的可能性，同时要考虑 这些结合是否会影响机械加工的可加工性。
5．钻套、导向套、滑动轴承、 液压缸、螺母等
该套类零件工作中承受径向力或轴向力和摩擦力。
通常采用钢、铸铁、非铁合金材料的圆棒材、 铸件或锻件制造，有的可直接采用无缝管下料。尺 寸较小、大批量生产时，还可采用冷挤压和粉末冶 金等方法制坯。
三、机架、箱座类零件
机架、箱座类零件包括各种机械的机身、底 座、支架、横梁、工作台，以及齿轮箱、轴承座、 缸体、阀体、泵体、导轨等。
可较复杂
冲压
各种 可较复杂
粉末 冶金
粉末间原子 扩散、再结 晶，有时重结 晶
粉末流动性 较好，压缩性 中小件 较大
可较复杂
较高 较低 较高 较高
高
低～高
低 较高或 高
较高或 高
较高
型腔较复杂尤其是内 腔复杂的制件，如箱 体、壳体、床身、支座 等
传动轴、齿轮坯、炮 筒等
受力较大或较复杂， 且形状较复杂的制件， 如齿轮、阀体、叉杆、 曲轴等
二、盘套类零件
盘套类零件 中，除套类零件 轴向尺寸有部分 大于径向尺寸外， 其余零件轴向尺 寸一般小于径向 尺寸、或两个方 向尺寸相差不大。
盘套类零件在机械中的使用要求 和工作条件有很大差异，因此所用 材料和毛坯各不相同。

《工程材料及机械制造工艺基础》介绍
我主讲以下前四方面内容： 一．工程材料的基础知识； 二．铸造＿金属液态下成形的过程和方法； 三．锻造＿塑性金属受压变形或改性的过程和方法； 四．焊接＿分离金属实现永久连接的过程和方法； 五．切削加工＿使零件获得一定形状、表面和尺寸要求的过
程和方法；
建议学习方法：
１．理解和记忆名词术语； ２．抓住各章节之间的联系； ３．多看书，认真听，多找老师！
第一讲 金属材料主要性能和晶体构造
Main Properties and Structure of Metal Material
一、 金属材料性能
Properties of metal material
二、 金属晶体构造
Structure of metal material
1、晶体结构 2、金属结晶过程
1、体心立方： （Body Centred Cubic） 铬、钼、α-Fe和钨等金属。
2、面心立方： （Face） 铜、铝、银、γ-Fe和金等金属。
3、密排六方： （Hexagonal Close Packed） 铍、镁、锌、α-钛等。
晶格类型及晶格常数不同，性能就不一样。
图5：金属材料晶体结构、晶格及晶包
金属元素，经熔合而形成具有金属特性的物质。 （1）组元：组成合金的元素。 （2）相：化学成分和晶格形式相同，并与其周
边成分或晶格形式有界面分开的均匀组织。
2、合金基本组成物（constitute）
（1）固溶体：
溶质原子溶入溶剂，晶格类型等同溶剂。 按溶解度：分有限和无限固溶体； 按溶质原子位置：分置换和间隙固溶体；
1、概念： 金属晶格类型随温度改变而重新排列的过程。
2、与结晶类似： 存在过冷、包括形核和长大两个过程、 转变时有吸收或放出潜热。 所以又叫重结晶或二次结晶。

在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
流动性（cm）
温度（℃）
影响液态合金流动性的因素： 1.合金的化学成分
b a
300
200
100 0
80 60 40
20 0
Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
充型能力越强。 （3）浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
越大，充型能力越差。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
三、铸型充填条件
（1）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
铸件输送机
1）振击压实
型砂
落砂
捅箱机
压铁传送机
2）汽动微振压实
3）高压造型
加砂机
压铁
4）抛砂加紧砂机实
上箱造型机
合箱 合箱机
下箱造型机
下芯
下箱翻箱、落箱机 铸型输送机
冷却箱
浇注
冷却
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
二、机器造型
1)生产效率高; 2)铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）; 3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。
适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。

b) 气体来源 型、芯产生的气体 卷入的气体
c) 特征 数量少，容积大 孔壁光滑，表面氧化 呈梨形、椭圆形、圆形
2. 侵入性气孔 （2）形成机理
气孔形成条件
P气 P静 P阻 P腔
式中：
P气 — 界面处气泡压力 P静 — 气泡处的金属静压力 P阻 — 气泡进入金属液的阻力 P腔 — 型腔中金属液面压力
H2O、 H2、CO、CO2、N2、CH4
金属凝固析出的气体
（2）界面气氛 根据浇注时产生的各种气体含量的不同，金属与砂型的 界面可有三种气氛：
还原性气氛——CO, H2 为主
氧化性气氛——CO2, O2 为主
中铸型的界面作用。
（3）气孔分类
根据气孔中气体的来源将气孔分为三类：
热作用剧烈或时间长
1. 粘砂的类型及鉴别 （1） 类型
机械粘砂——金属渗入砂型微孔中，将砂粒钩联下来。
化学粘砂——金属氧化物渗入砂型微孔中并与砂粒起反应。 （2） 鉴别
部位 铸件表面
粘砂层
方法 肉眼观察 金相观察
测电阻 化学法
机械粘砂
化学粘砂
白色毛刺 灰黑蜂窝状
分清砂与金属 分不清
小
大
剩单个砂粒 剩连体物
晶体 晶体
玻璃状硅酸铁（mFeO.nSiO2） 玻璃体
其它尚有MnO、Na2O与硅酸铁形成的多元化合物。
上述各种硅酸铁的含量与铸件冷却速度有关。
（2） 形成机理
化学粘砂的形成包括两部分： 1 粘砂层的形成；2 粘砂层与铸件的结合
a) 金属液的表面氧化
Fe O2 FeO Fe CO2 FeO CO mMe nH2O MemOn 2nH
析出性气孔——金属液在凝固时由于溶解度的降低析 出气体而形成的气孔。