制造工程基础
作业1参考答案:砂型铸造工艺
问题1：
为什么纯金属或共晶成分的铸造合金在凝固后容易产生集中缩孔？而结晶温度范围宽的铸造合金在凝固后容易形成缩松？
答：因为纯金属或共晶成分的铸造合金属于恒温凝固，液体金属逐步凝固，最后凝固的部分由于液体收缩导致液体金属不足，从而形成一个孔洞，也就是缩孔。
而结晶温度范围较宽的铸造合金在凝固过程中，高熔点的金属首先析出，形成枝晶，液态金属被枝晶相互隔离，继续凝固时由于凝固收缩却无法得到液体金属的补充而形成许多微小的分散缩孔，也就是缩松。
问题2：
如果一个直浇道长25cm，顶部直径12cm，直浇道底部期望的浇注速率为650cm3/s，金属液应该从什么位置倾倒？直浇道底部的直径应该是多少？（忽略液体流动过程中的摩擦损失，并且始终保持大气压）这样设计的直浇道会不会发生吸气，为什么？
答：
（1）因为金属液的流动符合连续性法则，即各处的液体流量保持为常量（即浇注速率一致），即
假设A1为直浇道顶部的截面积，根据已知条件可知，直浇道顶部的液体流动速度为：
金属液起始倾倒点的速度为零，取直浇道顶端为参考平面，根据伯努力简化方程可知，从倾倒点到直浇道顶部的高度h0为：
所以需要从距离直浇道顶端0.0168cm的位置倾倒。
（2）取直浇道底部为参考平面，根据伯努力简化方程，则直浇道底部液体的流动速度v2为：
同样，因为金属液的流动符合连续性法则，即各处的液体流量保持为常量（即浇注速率一致），可求得直浇道底部直径d2如下：
（3）如果直浇道按照上述尺寸进行设计，可以保证直浇道顶部与底部有相同的液体体积流量，所以不会造成吸气。
问题3：
三个体积相同但是形状不同的金属铸件，分别是球形、立方体和圆柱形，圆柱形的高度等于直径，请问在凝固时，哪个铸件凝固速度最快，哪个铸件凝固速度最慢？
答：铸件的凝固时间可以由契夫里诺夫公式确定，即
由公式可知，当浇铸条件一致时，凝固速度取决于铸件的体积-表面积之比，比值越低，凝固的越慢，所以首先计算三个铸件的体积-表面积之比。
球：所以：
立方体：，所以：
圆柱体：，所以：
因为：，球的体积－表面积之比大于圆柱体，圆柱体大于立方体，所以立方体的凝固速度最快，球体的凝固速度最慢。
问题4：
请问如图1（a）（b）所示两种铸造缺陷的形成原因，并且请进一步给出改进措施？
图1（a）图1(b)
答：图１（ａ）中出现了裂纹缺陷，形成原因可以从两方面考虑，其一是结构设计方面的考虑，由于直角转弯结构在交角处的内接圆角较大形成热节，同时容易导致应力集中，使出现裂纹这样的收缩类缺陷，所以在结构设计时，应尽量设计成圆角，同时壁的相互连接处设法采取渐变过渡的方式；其二，如果对于砂型铸造，应保证铸型具有一定的溃散性，对于不具备溃散性的铸型（如金属铸型），应在铸件凝固后及早打开铸型取出铸件。
图１（ｂ）中出现了缩孔缺陷，主要由于凝固收缩中，在铸件最后凝固部位得不到足够的液体金属补充而引起的铸件表面下沉。可以在缩孔位置设计冒口防止缺陷产生。
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