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1、第五章 凝固成形技术,5-1 砂型铸造,砂型铸造是一种最基本的铸造方法，其工艺过程有制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干合箱、熔化几个步骤。,一、造型方法：造型是砂型铸造的重要工序，大体分手工和机器造型两大类。手工造型主要用于单件或小批量铸件的生产，而机器造型则主要用于大批量的铸件制造。,手工造型：手工造型操作灵活、大小铸件均能适应。手工造型对模型的要求不高，一般采用成本较低的木模。对于尺寸较大的回转体或等截面的铸件，还可以采用成本更低的刮板造型法。因此，尽管手工造型的生产率较低、获得铸件的尺寸精度及表面质量也较差，但对工人的技术水平要求较高，且在实际生产中很难完全以机器造型取代。尤其是对于
2、单件、小批铸件的生产。,机器造型 机器造型是将手工造型中的紧砂和起模工步实现了机械化的方法。与手工造型相比，不仅提高了生产率、改善劳动条件而且提高了铸件精度和表面质量。但是机器造型所用的造型设备和工艺装备的费用高、生产准备时间长，只适用于中、小铸件成批或大量的生产。根据紧砂原理的不同，机器造型分为震压造型、微震压实造型、高压造型、射砂造型、抛砂紧实造型等。,5-1 砂型铸造,5-1 砂型铸造,震压造型,微震压实造型,5-1 砂型铸造,高压造型,5-1 砂型铸造,压力油,射砂造型,5-1 砂型铸造,抛砂紧实造型,5-1 砂型铸造,3.起模方法：型砂紧实以后就要进行起模，以获得完整的型腔。大部分机
3、器造型机均带有起模机构。大体有顶箱起模、漏模和翻箱起模三类。,5-1 砂型铸造,c）,二、砂型铸造工艺设计：,浇注位置、分型面及分模面,用蓝线或红线和箭头表示，其中汉字及箭头表示浇注位置，直线尾端开叉表示分模面，曲折线表示分型面。,5-1 砂型铸造,上,上,下,下,中,中,用红线划出轮廓，剖面处涂以红色（或细网纹格）加工余量值用数字表示，有起模斜度时，一并画出。,机械加工余量和起模斜度,5-1 砂型铸造,下,上,不铸出的孔和槽,用红“X”表示，剖面处涂以红色（或细网纹格表示）,5-1 砂型铸造,型 芯,用蓝线划出芯头，注明尺寸，不同型芯用不同剖面线。型芯应按下芯顺序编号。,5-1 砂型铸造,活
4、 块,用红线表示，并注明“活块”,5-1 砂型铸造,型芯撑,用红色或蓝色表示,5-1 砂型铸造,浇注系统,用红线绘出，并注明主要尺寸,5-1 砂型铸造,直浇道,冷铁,用绿色或蓝色绘出，注明“冷铁”,5-1 砂型铸造,下图为设计好的铸造工艺图。它主要用于指导生产准备、制造模型和铸型、及验收铸件。,5-1 砂型铸造,绘制铸造工艺图是进行铸造工艺设计的核心，通常按以下骤和原则进行。,1.浇注位置和分型面的选择原则浇注位置的选择 浇注位置是指铸件在浇注时、在铸型中所处的空间位置。浇注位置的正确与否，对铸件的质量影响很大，因此应考虑以下几个原则：铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸型的下部或处
5、于侧立位置。因为在液体金属的浇注过程中，其中的气体和熔渣往上浮；而且由于静压力较小的原因也使铸件上部组织不如下部的致密。,5-1 砂型铸造,如图为车床床身的浇注位置：床身的导轨面是关键部分，要求组织致密且不允许有任何铸造缺陷，因此通常采用导轨面朝下的浇注位置。,5-1 砂型铸造,a）床身浇注位置,b）卷扬筒浇注位置,上,将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷。因为在金属液的充型过程中，灼热的金属液会对砂型上表面有强烈的热辐射作用，使该表面的型砂拱起或开裂，导致金属液钻进裂缝处，这将使铸件的该表面产生夹砂缺陷，如图所示，方案（b）则可以防止这种缺陷。,5-1 砂型铸造,具有大面积薄
6、壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷。如图所示。,5-1 砂型铸造,为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件上易产生缩孔的厚大部位置于铸型顶部或侧面，以便安放冒口进行补缩。如图中的卷扬筒，其厚端位于顶部是合理的。,5-1 砂型铸造,卷扬筒浇注位置,分型面的选择原则,尽可能将铸件的重要加工面或大部分加工面及加工基准面置于同一砂箱中，以保证其精度。如图为一床身铸件，其顶部为加工基准面、导轨部分属于重要加工面，若采用分型方案（b），错箱对铸件精度影响很大。而方案（a）在凸台处增加一个外型芯以便整模造型，使其加工面和加工基准面处于同一砂箱内，以保证铸件的尺寸精度，是床
7、身大批量生产时的合理方案。,5-1 砂型铸造,选择分型面应方便起模和简化造型工序。尽可能减少分型面和活块的数目，如图为不合理的三通分型面方案。,5-1 砂型铸造,芯头,此外，分型面应尽可能平直，如图的起重臂的分型方案，采用（b）方案分模造型，可避免挖砂或假箱造型如图（a）。,5-1 砂型铸造,分型面的选择应考虑尽可能减少型芯的数目，如图为接头铸件的分型面方案。按图方案（a）其内孔的形成需要型芯；而按方案（b）是通过自带型芯来形成，省去了造芯工序及芯盒费用。,5-1 砂型铸造,b）,分型面的选择，应便于下芯、扣箱（合型）及检查型腔尺寸。如图方案a）无法检查铸件厚壁是否均匀；而方案b）通过增设一中
8、箱，可在扣箱前检查壁厚以保证铸件壁厚均匀。,5-1 砂型铸造,2.浇注系统设计,浇注系统是指将金属液引入铸型内所经过的一系列通道。一般由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。,5-1 砂型铸造,浇注系统的组成,浇注系统的分类：按内浇道位置来分有顶注式、中注式、底注式及阶梯式等类型。,5-1 砂型铸造,a）顶注式浇注系统 它的优点是容易实现顺序凝固和进行补缩；缺点是金属液对铸型的冲击大，易产生飞溅、氧化和卷入空气。只适合于高度不大、形状简单、薄壁或中等壁厚的铸件采用，不适宜于易氧化合金的铸件。b）中注式浇注系统 其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，并便于控制金属液的流量分布和铸型的热分布。
9、所以这种型式的浇注系统广泛应用，主要用于重量中等、高度不大和壁厚也中等的铸件。c）底注式浇注系统 其优点是金属液的充型过程平稳、无飞溅、型腔中的气体易于排出，且挡渣效果好。缺点是不能利用金属液的自重进行补缩。一般多用于易氧化合金铸件的浇注。d）阶梯式浇注系统 它兼有底注式和顶注式浇注系统的优点，即金属液的充型平稳，又利于补缩。缺点是其结构较复杂、增加了造型和铸件清理的难度。一般用于高度较大、结构较复杂或质量要求较高的铸件上。,5-1 砂型铸造,按浇注系统中最小截面的位置来分，浇注系统有封闭式、开放式和封闭开放式三种，以便于计算浇注系统各组元的尺寸。,5-1 砂型铸造,垂直芯头的形式,芯头的构造
10、,a)封闭式浇注系统 浇注系统各组元截面相比较，内浇道的总截面积最小。即F直F横F内，其比例一般为F直:F横:F内=1.15:1.1:1。它的优点是挡渣能力好；防止浇注时卷入气体；易清理。缺点是金属液进入铸型的流速高、易喷溅和冲砂，从而造成金属液氧化。所以主要用于铸铁件的浇注，但不适用于易氧化的有色合金铸件、压头大的铸件及用柱塞包浇注的铸钢件。b)开放式浇注系统 浇注系统的最小截面在直浇道，即F直F阻F内。它兼有封闭式和开放式浇注系统的优点，应用也比较广泛。,5-1 砂型铸造,内浇道的设计要求 a）内浇道的位置、数目的确定，应符合铸件凝固方式的要求，即顺序凝固时，内浇道应开设在铸件厚壁处，以利
11、补缩；同时凝固时，则应开设在铸件的薄壁处，以减小铸造内应力、变形或裂纹。b）内浇道的开设应避开铸件的重要部位。因内浇道附近易产生晶粒粗大和疏松等缺陷。c）内浇道的开设位置，应使金属液能顺着型壁注入，而不直接冲击型芯、型壁、冷铁和芯撑等。d）内浇道的设置应不妨碍铸件收缩。如图所示,5-1 砂型铸造,不阻碍收缩的内浇道设计图,e）内浇道的设置应方便金属液的充填、排气和挡渣。f）内浇道的截面应尽量薄、且开设在铸件上易清理部位，以便清理和打磨。如下图所示，其内浇道就很难清理。,5-1 砂型铸造,3.冒口、冷铁及补贴的设计,冒口的设计 冒口是用以贮存补缩金属液的空腔。冒口常设置在铸件的厚壁处或热节部位，
12、以防止缩孔和缩松的产生。冒口的形状多采用圆柱形（因其散热慢、对缩效果好，且易取模）。冒口的种类很多，按其与外界相通与否分为明冒口和暗冒口如图。,5-1 砂型铸造,明冒口还具有出气、浮渣和用于观察的作用，使用得较多，但由于它存在散热快、消耗金属多等缺点，又出现暗冒口形式，如上图中的“3”。当铸件的热节不在铸型的最高处时，常采用暗冒口补缩。若按冒口与铸件的相对位置分有顶冒口（如上图中的“2”）和侧冒口（上图中的“3”）。顶冒口的补缩能力较强，即金属液可在重力作用下直接进行补缩。冒口的设计应注意以下几点：a）冒口的尺寸应保证冒口中的金属液比铸件需要补缩部位的凝固得晚，并有足够量的金属液供给。b）冒口
13、的数目应根据有效补缩距离和铸件上需要补缩部位的多少而定。所谓冒口的有效补缩距离是指冒口能补缩到的最大距离。如下图所示为铸钢平板的有效补缩距离（L）。,5-1 砂型铸造,c）为增大冒口的有效补缩距离L，常与冷铁配合使用、或采用补贴工艺。,5-1 砂型铸造,无补贴,增加补贴,冷铁的应用 冷铁是用铸铁、钢或铜等金属材料制成的、用增大铸件局部冷却速度的激冷物。一般在造型时设放在需要提高冷却能力的局部铸型处，以调节铸件的凝固方式。若铸件上的热节不止一处时，可在远离冒口的热节处安放冷铁，如下图中的“4”所示，以加快此处金属液的凝固，以利于实现顺序凝固进行补缩。补贴的应用 对于一些壁厚均匀的薄壁件，只单方面
14、地增加冒口的直径和高度来增大冒口的有效补缩距离，效果是有限的。如上图a）所示，被补缩部位仍然有缩孔和缩松缺陷。,5-1 砂型铸造,若在铸件垂直壁上部与冒口根部的联接处，增加一个楔形厚度，使铸件的壁厚朝冒口方向逐渐增大，就会形成一个从铸件到冒口逐渐增大的温度梯度，从而增大冒口的有效补缩距离，消除该处的缩孔和缩松，如下图b）。所谓补贴就是指从铸件到冒口所增加的楔形部分。,5-1 砂型铸造,4.铸件工艺分析示例,以拖拉机的轮毂为例,5-1 砂型铸造,拖拉机轮毂,浇注位置的选择 拖位机轮毂的浇注位置有两种方案如上页图)（a）垂直浇注 由零件图看出，轮毂上100孔和90孔的表面粗糙度要求较高Ra为3.2
15、 m，其内部安装轴承，对尺寸精度要求也较高，再加上法兰处有补缩的需要，需采用垂直浇注才能保证其质量。（b）水平浇注 采用水平浇注，位于上箱的上半轮毂的质量难于保证，易产生气孔、夹渣和砂眼等缺陷。分型面的选择（a）选择法兰的上侧面分型，这样轮毂的绝大部分位于下砂箱内，容易保证其尺寸精度要求，而且下芯后也易于检查壁厚是否均匀。（b）选择过中心线的平面为分型面，虽然造型、下芯和合箱都较方便，但难免产生借箱缺陷，使轮毂的尺寸和形状精度难于保证。通过比较可知，铸造拖位机轮毂应选择垂直浇注，并沿法兰的上侧面处分型较为合理,5-1 砂型铸造,问题：,单件生产如下图所示轴承盖铸件，要求铸后120、90、及74
16、柱面同心，试选择分型面和造型方法。,5-1 砂型铸造,确定如图所示铸件在单件、小批时和大批量生产时的铸造工艺方案。以家用煤气炉燃烧器为例，绘制其铸造工艺图。,5-1 砂型铸造,5-1 砂型铸造,c）支座,5-1 砂型铸造,d）轴承座,5-1 砂型铸造,5-1 砂型铸造,f）轴承座,5-1 砂型铸造,一、熔模铸造,熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法。,5-2 其它铸造方法,二、金属型铸造,将金属液浇注到金属铸型中，待其冷却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于金属型
17、能反复使用很多次，又叫永久型铸造。,5-2 其它铸造方法,三、压力铸造,压力铸造是在专用设备压铸机上进行的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固获得铸件的方法。常用的压力为几个至几十个兆帕，充型时间为0.010.2秒，充型速度为0.550m/s。,5-2 其它铸造方法,5-2 其它铸造方法,5-2 其它铸造方法,立式压室压铸机,嵌铸,5-2 其它铸造方法,嵌铸件,四、低压铸造低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.020.06Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法，如图所示。,带保温炉,不带保温炉,1-坩埚；2-升液管；3-金属液；
18、4-进气管；5-密封盖；6-浇道；7-型腔；8-铸型,5-2 其它铸造方法,五、离心铸造,离心铸造是将金属液浇入高速旋转（2501500r/min）的铸型中，并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型，也可以是砂型。既适合制造中空铸件，也能用来生产成形铸件。,5-2 其它铸造方法,5-2 其它铸造方法,卧式离心铸造机,六、真空吸铸,真空吸铸是利用真空系统装置，在结晶器内造成负压，将熔融金属从坩埚吸入圆筒形石墨铸型或金属型中，并保持一定时间而获得铸件的方法。如下图所示。,5-2 其它铸造方法,抽真空,七、陶瓷型铸造,陶瓷型铸造是将金属液浇注到陶瓷铸型中获得铸件的方法，是在砂型铸造和熔模铸造基础上发展起来的一种精密铸造。,5-2 其它铸造方法,5-2 其它铸造方法,八、连续铸造,连续铸造是将金属液不断地浇入被称为结晶器的铸型的一端，并另一端将凝固了的铸件连续不断地拉出，从而获得任意长度或特定长度的等截面铸件的方法。,5-2 其它铸造方法,5-2 其它铸造方法,连续铸造示意图,九、实型铸造,实型铸造又称“气化模造型”或“消失模铸造“，其实质是采用聚苯乙烯发泡材料制得的模型（气化模）代替木模造型，不用起模直接将金属液浇注到气化模上，使其燃烧、气化并形成空腔来容纳金属液，从而获得铸件的方法。如图2.13所示,5-2 其它铸造方法,实型铸造示意图,感谢您的听课！,
