铸造
2009-03-14 22:52:36 作者：cheng 来源：互联网
学习目标
1）了解铸造的分类、特点、应用。
2）理解合金的铸造性能及对铸件质量的影响，常用铸造合金的铸造性能。
3）了解砂型铸造的工艺过程及工艺要点（分型面、浇注位置、工艺参数等的正确选择），会画简单铸件的铸造工艺简图。
4）了解其他常用特种铸造方法的特点及应用、铸造技术发展趋势。
5）初步具备合理选择典型铸件的铸造方法、分析铸件结构工艺性，具有铸件质量与成本分析的初步能力。
铸造是毛坯或零件成形的主要方法之一。本章主要介绍铸造成形的基础理论知识；砂型铸造与常用特种铸造工艺方法、特点、应用；铸造工艺设计要点、铸件的结构等内容。
铸件
第一节 铸造基本知识
一、概述
【铸造】是指将熔化后的金属液浇入铸型中，待凝固、冷却后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法。
铸造具有如下特点：
（1）对铸件形状和尺寸的适应性强。它可以生产各种形状、各种尺寸的毛坯，特别适宜制造具有复杂内腔的零件。铸件的尺寸可小至几毫米，大至几十米；质量（重量）从几克至数百吨。
（2）对材料的适应性强。可适应大多数金属材料的成形，对不宜锻压和焊接的材料，铸造具有独特的优点。
（3）铸件成本低。这是由于铸造原材料来源丰富，铸件的形状接近于零件，可减少切削加工量，从而降低铸造成本。
因此铸造是毛坯生产最主要的方法之一，如按重量计，机床中 60%～80%、汽车中50%～60%采用铸件。但由于铸造工艺环节多，易产生多种铸造缺陷，且一般铸件的晶粒粗，力学性能不如锻件。因此铸件一般不适宜制作受力复杂和受力大的重要零件，而主要用于受力不大或受简单静载荷（特别适合于受压应力）的零件，如箱体、床身、支架、机座等。
铸造分为砂型铸造和特种铸造两大类。 砂型铸造是以型砂为主要造型材料制备铸型的铸造工艺方法，它具有适应性广、生产准备简单、成本低廉等优点，是应用最广的铸造方法；特种铸造是除砂型铸造以外其它铸造方法的总称，常用的特种铸造方法有金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、离心铸造、实型铸造等。特种铸造一般具有铸件质量好或生产率高等优点，具有很大的发展潜力。
二、金属的铸造性能
【金属的铸造性能】是指铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，是材料的一项重要工艺性能。铸造性能通常用金属液的流动性、收缩率等衡量。 1．流动性
【流动性】是指金属液本身的流动能力，流动性好坏影响到金属液的充型能力。 （1）流动性对铸件质量的影响
流动性好的金属，浇注时金属液容易充满铸型的型腔，能获得轮廓清晰、尺寸精确、薄而形状复杂的铸件；还有利于金属液中夹杂物和气体的上浮排除。相反，金属的流动性差，则铸件易出现冷隔、浇不到、气孔、夹渣等缺陷。下图为冷隔。
冷隔
（2）常用金属的流动性
金属的流动性可用螺旋线长度来测定，下图为螺旋形试样。将金属液浇注入螺旋形铸型中，在相同的铸造条件下，获得的螺旋线越长，表明金属液的流动性越好。表为常用合金的流动性。
螺旋形试样 常用合金的流动性 铸造合金 w (c+Si) =6.2% 灰铸铁 w (c+Si) =5.2% w (c+Si) =4.2% 铸型材料 浇注温度（℃） 螺旋线长度（mm） 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1800 1000 600 硅黄铜 铝硅合金 锡青铜 铸钢：w c =0.4%
（3）影响流动性的因素
砂型 金属型 砂型 砂型 砂型 1100 700 1040 1600 1640 1000 750 420 100 200 1）合金的种类与化学成分 不同种类的合金具有不同的流动性，根据流动性试验测得的螺旋线长度，常用铸造合金中，灰铸铁的流动性较好，而铸钢的流动性较差。
同类合金中，化学成分不同，合金的结晶特点不同，其流动性也不一样。一般合金的结晶是在一个温度区间内完成，结晶时先形成的初晶会阻碍金属液的流动；而共晶合金是在恒温下结晶，无初晶形成，对金属液的阻力较小，另外共晶合金的熔点低，在同样的浇注温度下，共晶合金结晶前有足够的时间充满铸型的型腔，所以共晶合金的铸造性能优良。合金的成分越远离共晶点，结晶温度范围越宽，其流动性越差。因此在满足使用性能的前提下，铸造合金应尽量选用共晶合金或接近共晶成分的合金。
2）浇注工艺条件 提高浇注温度可改善金属的流动性。浇注温度越高，金属保持液态的时间越长，其粘度也越小，所以流动性也就越好。因此适当提高浇注温度是改善流动性的工艺措施之一。 另外铸型材料的导热性、铸型内腔的形状和尺寸等因素对流动性也有影响。 2．收缩率
【收缩】是铸造合金从液态凝固和冷却至室温过程中产生的体积和尺寸的缩减。包括液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。
【液态收缩】是金属液由于温度的降低而发生的体积缩减。
【凝固收缩】是金属液凝固（液态转变为固态）阶段的体积缩减。液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，通常称为“体收缩”。
【固态收缩】是金属在固态下由于温度的降低而发生的体积缩减，固态收缩虽然也导致体积的缩减，但通常用铸件的尺寸缩减量来表示，故称为“线收缩”。
合金收缩的三个阶段
（1）收缩对铸件质量的影响
液态收缩和凝固收缩若得不至到补足，会使铸件产生缩孔和缩松缺陷；固态收缩若受到阻碍会产生铸造内应力，导致铸件变形开裂。 1）缩孔与缩松
【缩孔】是由于金属的液态收缩和凝固收缩部分得不到补足时，在铸件的最后凝固处出现的较大的集中孔洞，见下图。
【缩松】是分散在铸件内的细小的缩孔。
缩孔的形成过程
缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降，缩松还使铸件在气密性试验和水压试验时出现渗漏现象。生产中可通过在铸件的厚壁处设置冒口的工艺措施，使缩孔转移至最后凝固的冒口处，从而获得完整的铸件，如下图所示，冒口是多余部分，切除后便获得完整、致密的铸件；也可以通过合理地设计铸件结构，避免铸件局部金属积聚，来预防缩孔的产生。
阀体的冒口补缩
2）变形与开裂 铸件凝固后继续冷却过程中，若固态收缩受到阻碍就产生铸造内应力，当内应力达到一定数值，铸件便产生变形甚至开裂。
铸造内应力主要包括收缩时的机械应力和热应力二种，机械应力是铸型、型芯等外力的阻碍收缩引起的内应力；热应力是铸件在冷却和凝固过程中，由于不同部位的不均衡收缩引起的内应力。 生产中为减小铸造内应力，经常从改进铸件的结构和优化铸造工艺入手，如铸件的壁厚应均匀，或合理地设置冷铁等工艺措施，使铸件各部位冷却均匀，同时凝固，从而减小热应力；铸件的结构尽量简单、对称，这样可减小金属的收缩受阻，从而减小机械应力。 （2）影响收缩率的因素
1）合金的种类和成分 合金的种类和成分不同，其收缩率不同，铁碳合金中灰铸铁的收缩率小，铸钢的收缩率大。下表为常用铸造合金的线收缩率。
常用铸造合金的线收缩率(%) 合金种类 灰铸铁 自由收缩 0.7~1.0 受阻收缩 0.5~0.9 球墨铸铁 铸钢 1.0 0.8 1.6~2.3 1.3~2.0 铝硅合金 普通黄铜 锡青铜 1.0~1.2 0.8~1.0 1.8~2.0 1.5~1.7 1.4 1.2 注：金属的体收缩约等于线收缩的 3倍。
2）工艺条件 金属的浇注温度对收缩率有影响，浇注温度越高，液态收缩越大；铸件的结构和铸型材料对收缩也有影响，型腔形状越复杂、铸型材料的退让性越差，对收缩的阻碍越大，当铸件结构设计不合理，铸型材料的退让性不良时，铸件会因收缩受阻而产生铸造应力，容易产生裂纹。
第二节 砂型铸造
砂型铸造是在砂型中生产铸件的铸造方法。由于其造型材料来源广泛，成本低廉，是最常用的铸造方法，目前我国砂型铸件约占铸件产量的 80%。
砂型铸造造型生产线
砂型铸造工艺过程如下图所示。主要包括以下几个工序：模样与芯盒准备、型砂与芯砂配制——造型、造芯——熔炼、浇注——落砂、清理——检验入库。
砂型铸造生产工艺流程(点击动画)
一、模样和芯盒
模样和芯盒是用来造型和造芯的基本工艺装备。如图所示模样用于形成铸型的型腔，它和铸件的外形相适应；芯盒用于制造芯（芯子），其内腔与芯子的形状和尺寸相适应。在单件或小批生产时，模样和芯盒可用木材制作，大批、大量生产时，可用铝合金、塑料等材料来制作。
模样
芯盒 芯子
二、造型材料
造型材料是指用于制造砂型（芯）的材料，主要包括型砂和芯砂。
型砂主要由原砂、粘结剂、附加物、水、旧砂按比例混合而成。根据型砂中采用粘结剂种类的不同，型砂可分为粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等。
型砂与芯砂应具备如下性能：①足够的强度；②较高的耐火性；③良好的透气性；④较好的退让性。
三、造型与造芯
1．造型
【砂型】铸型用于形成铸件的外形等，用型砂制成的铸型称为砂型。根据生产性质不同 ,造型方法可分别采用手工造型或机器造型。 (1) 手工造型
【手工造型】是全部用手工或手动工具完成的造型工序。根据铸件的形状特点，可采用整体模造型、分块模造型、挖砂造型、活块造型、三箱造型、刮板造型等。下表为几种手工造型方法的特点及应用。 造型方法 简 图 主要特点 应 用 最大截面在端部且为一平面的铸件，应用较广 整体模造型 模样为整体，分型面为平面，型腔在同一砂箱中，不会产生错型缺陷，操作简单 最大截面在中分模造型 模样在最大截面处分开，型腔位于上、部的铸件，常用下型中，操作较简单 于回转体类等铸件 适宜中小型、分型面不平的铸件单件、小批生产 用于单件小批生产，带有凸起部分的，难以起模的铸件 整体模样，分型面为一曲面，需挖去阻挖砂造型 碍起模的型砂才能取出模样，对工人的操作技能要求高，生产率低 将妨碍起模的部分做成活动的，取出模活块造型 样主体部分后，再小心将活块取出，造型费工时 刮板造型 刮板形状和铸件截面相适应，代替实体单件小批生产，大、中型轮类、模样，可省去制模的工序，操作要求高 管类铸件 用上、中、下三个砂箱，有两个分型面，单件小批生产，三箱造型 铸件的中间截面小，用两个砂箱时取不适合于中间截出模样，必须分模，中箱高度有一定要面小，两端截面求，操作复杂 大的铸件 (2) 机器造型
【机器造型】是用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。主要用于成批大量生产。按紧砂方式不同，常用的造型机有震压造型、微震压实造型、高压造型、抛砂造型、射砂造型、气流冲击造型等。其中以震压式造型机最为常用，震压式造型机适合于中、小型铸型，主要优点是结构简单、价格低，但噪音大、生产率不够高、铸型的紧实度不高。
震压造型示意图
下图为多触头高压造型工作原理。当压实活塞向上移动时，触头将型砂压实，触头自身可在多触头箱体相互联通的油腔内浮动，可适应不同形状的模样。使整个砂箱的紧实度均匀。高压造型型砂的紧实度、铸件的精度和表面质量都比较高，噪音小，生产率高；但结构较复杂、造价高，适用于各种形状中小型铸件的大批量生产。
多触头高压造型
2．造芯
芯的主要作用是形成铸件的内腔或局部外形。制芯也可分为手工造芯或机器造芯。 将铸型的各组元（上型、下型、芯、浇口杯等）组合成一个完整的铸型便可用于浇注。
四、熔炼与浇注
【熔炼】是指使金属由固态转变成熔融状态的过程。熔炼的主要任务是提供化学成分和温度合适的熔融金属。
1．熔炼 铸铁的熔炼设备主要有冲天炉、电炉等。 2．浇注
金属液应在一定的温度范围内按规定的速度注入铸型。浇注时铸铁液应以适宜的流量和线速度定量地浇入铸型，速度过快，铸型中的气体来不及排出易产生气孔，并易形成冲砂。浇注速度过慢，使型腔表面烘烤时间过长，导致砂层翘起脱落，产生结疤、夹砂等缺陷。浇注时既可采用手动浇注，也可采用自动烧注，自动浇注通常用于自动造型线、离心铸管机等。
五、落砂、清理、检验
【落砂】是指用手工或机器使铸件与型砂、砂箱分开的操作。
【清理】是采用铁锤敲击、机械切割或气割等方法清除铸件表面粘砂、型砂、多余金属（包括浇冒口、飞翅和氧化皮）的过程。
【检验】就是用肉眼或借助于尖嘴锤找出铸件表层或皮下的铸造缺陷，如气孔、砂眼、粘砂、缩孔、冷隔、浇不到等，对铸件内部的缺陷还可采用耐压试验、磁粉探伤、超声波探伤、金相检验、力学性能试验等方法。铸件的常见缺陷如下表所示。 名称 缺陷特征 产生原因分析 ? 流动性差，浇注温度低 浇不铸件残缺或轮廓不? 铸件设计不合裂在铸件转角处或厚薄纹 壁交接处条状裂纹 完整，边角圆且光理，壁太薄 ? 浇时断流或浇到 亮 注速度过慢 ? 浇注系统截面过小 ? 铸件壁过薄 冷边缘呈圆角状的缝? 合金流动性差 缩最后凝固处形状不规隔 隙 ? 铸件结构设计不当，有热节 ? 铸件壁厚不均匀，收缩不一致 ? 合金含硫和磷过高 ? 型（芯）砂的退让性差 ? 浇注温度过高 名称 缺陷特征 产生原因分析 ? 浇注温度过高 ? 浇注温度低、浇孔 则的孔洞、内腔极粗糙 ? 冒口设计不合理或冒注速度慢 口过小 ? 合型时定位不准 ? 造型时上、下模有错移 ? 铸型透气性差，紧实度过高 气孔洞内表光滑，大孔孤? 铸型太湿、起模涮水错铸件在分型面处发型 生错移 过多。芯子、浇包未烘干 孔 立存在、小孔成群出现 ? 上、下型未夹紧 ? 浇注系统不正确，气? 定位销或记号不准 体排不出去 ? 砂芯通气孔堵塞 ? 芯子变形 铸件内孔位置、形? 下芯时位置不砂内部或表面带有砂粒芯 状和尺寸发生偏移 准确 眼 的孔洞 ? 砂芯固定不良，偏浇注时被冲偏 ? 落砂过早或过晚 变铸件发生弯曲或扭? 铸件壁厚不均匀 ? 铸件形状设计不合理
第三节 铸造工艺图
? 型砂的耐火性差 ? 浇注温度太高 ? 型砂紧实度不够，型腔表面不致密 粘表面或内腔附有难以砂 清除的砂粒 形 曲变形
铸造生产时，首先要根据铸件的结构特征、技术要求、生产批量、生产条件等因素，确定铸造工艺方案。其主要内容包括浇注位置、分型面、铸造工艺参数（机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、收缩率、芯头等）的确定，然后用规定的工艺符号或文字绘制成铸造工艺图。铸造工艺图是指导铸造生产的技术文件，也是验收铸件的主要依据。
一、浇注位置的确定
【浇注位置】浇注时铸件在铸型中所处的位置称为浇注位置。铸件的浇注位置对铸件的质量、尺寸精度、造型工艺的难易程度都有很大的影响。通常按下列基本原则确定浇注位置。
(1) 铸件的重要工作面或主要加工面朝下或位于侧面。浇注时金属液中的气体、熔渣及铸型中的砂粒会上浮，有可能使铸件的上部出现气孔、夹渣、砂眼等缺陷，而铸件下部出现缺陷的可能性小，组织较致密。如图所示机床床身的浇注位置，应将导轨面朝下，以保证该重要工作面的质量。如图所示的卷扬筒，其圆周面的质量要求较高，采用立浇方案，可使圆周面处于侧面，保证质量均匀一致。 如图机床床身的浇注位置，应将导轨面朝下，以保证该重要工作面的质量。
床身的主要工作面朝下 卷扬筒的工作面置于侧壁
（2） 铸件的大平面朝下或倾斜浇注。由于浇注时炽热的金属液对铸型的上部有强烈的热辐射，引起顶面型砂膨胀拱起甚至开裂，使大平面出现夹砂、砂眼等缺陷。大平面朝下或采用倾斜浇注的方法可避免大平面产生铸造缺陷。下图为平板铸件的浇注位置。
大平面朝下
（3） 铸件的薄壁朝下、侧立或倾斜。 为防止铸件的薄壁部位产生冷隔、浇不到缺陷，应将面积较大的薄壁置于铸件的下部，或使其处于侧壁或倾斜位置，如图所示。
薄壁铸件的浇注位置
（4） 铸件的厚大部分应放在顶部或在分型面的侧面。主要目的是便于在厚处安放冒口进行补缩,如图阀体的冒口补缩和图卷扬筒的重要面位于侧面所示。
二、分型面的选择
【分型面】是铸型组元间的接合面。为便于起模，一般分型面选择在铸件的最大截面处。分型面的选定应保证起模方便、简化铸造工艺、保证铸件的质量。确定分型面应遵循如下原则。 （1） 分型面应选择在模样最大截面处，以便于起模。如图所示。
分型面选在最大直径处
（2） 尽量减少分型面。分型面少则容易保证铸件的精度，并可简化造型工艺。对机器造型来说，一般只能有一个分型面，下图所示的绳轮铸件，大批量生产时，为便于机器造型，可按a分型方案，采用环状型芯，将二个分型面减少为一个分型面。当然在单件生产时，采用手工造型时，为减少工装的制造，采用b方案，三箱造型，二个分型面也是合理的。
（ａ）
（ｂ）
绳轮铸件的分型面
（3） 尽量使分型面平直。为了使模样制造和造型工艺简便，如图所示弯曲连杆的分型面，不应采用弯曲的分型面（ｂ方案），而应采用平直的分型面（ａ方案）。
弯曲连杆的分型面
（4） 尽量使铸件的全部或大部分位于同一砂箱中。铸件处于同一砂箱中，既便于合型，又可避免错型，以保证铸件的精度。下图水管堵头的二种分型方案，图中a分型方案较合理，使基准面与加工面位于同一砂箱中，铸件的精度易保证。
水管堵头的分型面
（5） 尽量使型芯位于下箱，并注意减低砂箱的高度。这样可简化造型工艺、方便下芯和合型、便于起模和修型。如图缩示机床立柱的分型方案，采用Ⅱ方案比较合理，可使型腔和型芯大部分处于下箱中，便于起模、下芯、合型。
机床立柱的分型面
三、工艺参数的选定
（1）机械加工余量和公差
【机械加工余量】是指铸件加工面上预留的、准备切除的金属层厚度。加工余量取决于铸件的精度等级，与铸件材料、铸造方法、生产批量、铸件尺寸、浇注位置等因素有关。
铸件的尺寸公差 cT，其精度等级从高到低有1、2、3.．．．．．16共16个等级；加工余量等级MA，从精到粗可分为A、B、c、D、E、F、G、H、J共9个级别。下表为砂型铸造常用铸造合金单件和小批生产时公差等级及与之配套的加工余量等级。 单件和小批生产时铸件公差等级及与之配套的加工余量等级（摘自GB/T1350-89） 造型材料 干、湿砂型 自硬砂
铸件的公差等级和加工余量等级确定后，加工余量数值可根据 GB/T11350-1989选取；公差的数值可按 GB6414—86 选取。
为简化铸造工艺，铸件上的小孔和槽可以不铸出，而采用机械加工。一般铸铁件上直径
【起模斜度】为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在模样（或芯盒）上与起模方向平行的壁的斜度称为起模斜度，可用角度 α 或宽度 a表示，提倡使用宽度a。模样的起模斜度可采用增加壁厚、加减壁厚、减小壁厚三种取法，如图所示。 对于需要机械加工的壁必须采用增加壁厚法。
cT/MA 铸钢 13-15/J 12-14/J 灰铸铁 13-15/H 11-13/H 球墨铸铁 13-15/H 11-13/H 可锻铸铁 13-15/H 11-13/H 铜合金 13-15/H 10-12/H 轻金属合金 12-14/H 9-11/H 起模斜度需要增减的数值可按有关标准选取，采用粘土砂造型时的起模斜度可按 JB/T5105—1991确定。一般木模的斜度 α =0.3°~3°，a=0.6~3.0mm；金属模的斜度α=0.2°~2°，a=0.4~2.4mm。模样越高，斜度越小。当铸件上的孔高度与直径之比小于1（H/D
起模斜度的取法
(a) 增加铸件厚度 （b）加减铸件厚度 (c)减小铸件厚度 （壁厚12mm）
（3）收缩率
为补偿铸件在冷却过程中产生的收缩，使冷却后的铸件符合图样的要求，需要放大模样的尺寸，放大量取决于铸件的尺寸和该合金的线收缩率。一般中小型灰铸铁件的线收缩率约取 1%；非铁金属的铸造收缩率约取1.5%；铸钢件的铸造收缩率约取2%。 （4）铸造圆角
【铸造圆角】模样壁与壁的连接和转角处要做成圆弧过渡，称为铸造圆角。铸造圆角可减少或避免砂型尖角损坏，防止产生粘砂、缩孔、裂纹。但铸件分型面的转角处不能有圆角。铸造内圆角的大小可按相邻两壁平均壁厚的 1/3~1/5选取，外圆角的半径取内圆角的一半。 （5）芯头
【芯头】是指砂芯的外伸部分，用来定位和支承砂芯。如图所示。芯头有垂直和水平芯头两种。芯座是指铸型中专为放置芯头的空腔。芯头和芯座尺寸主要有芯头长度 L（高度H）、芯头斜度 α 、芯头与芯座装配隙s等，其数值与型芯的长度（高度）和直径有关，应查阅相关资料后确定（本书略）。
芯头的结构
（a）垂直芯头 （b)水平芯头
四、浇注系统
【浇注系统】是为填充型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道。
（1）浇注系统的组成与作用 通常有浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道和冒口等组成。合理地设计浇注系统，可使金属液平稳地充满铸型型腔；控制金属液的流动方向和速度；调节铸件上各部分的温度，控制冷却凝固顺序；阻挡夹杂物进入铸型型腔。冒口起补缩、排气和集渣作用。
（2）浇注系统的类型 按金属液导入型腔的位置，浇注系统可分为底注式、顶注式、中注式、阶梯式等，见下图。
浇注系统的类型
五、铸造工艺图绘制举例
【铸造工艺图】是表示分型面、浇注位置、型芯结构和尺寸、浇注系统、工艺参数等的图样，可按规定工艺符号或文字标注在铸件图上或另绘工艺图。
例：下图为衬套零件图，材料为HT200，采用砂型铸造，年生产量200件，试绘出铸造工艺图。 (1)结构分析、确定造型方法、浇注位置和分型面。零件上φ 48mm的孔要铸出，但内孔的小台阶不铸出，故采用简单的圆棒型芯；为简化铸造工艺，φ8mm的小孔和铸件侧壁的小台阶和小凹槽均不铸
出。铸件高度不大，可采用两箱整体模造型、垂直浇注。分型面选在φ160mm的端面处，采用二箱整体模造型。 (2)工艺参数确定。
加工余量 铸件各个面都要加工，故都应有余量。砂型铸造灰铸铁件的公差及配套的加工余量等级为14/H。顶面和孔的加工余量等级降一级（取J级），加工余量数值可查GB/T11350-1989选取，φ160mm和φ104mm圆周面双侧加工，每侧余量为6.0mm，底面的加工余量为6.0mm，顶面的加工余量为7.0mm，内孔的每侧的加工余量为6.0mm。
起模斜度 在垂直于分型面处（平行于起模方面），按增厚法确定起模斜度。取宽度a=1.0mm。图9-21b中“7/6”表示考虑了加工余量和起模斜度后，上端与下端的余量。
线收缩率 由于是小批生产，铸件各尺寸方向的铸造收缩率可取相同的数值，取铸造收缩率为1%。 芯 头 该芯头为垂直芯头。查有关手册（本书略）得芯头尺寸，如铸造工艺图所示。 铸造圆角 铸造圆角按（1/3~1/5）壁厚的方法，取R内为8mm；R外为4mm。 (3)绘出铸造工艺图。如下图所示（不含浇注系统）。
六、铸件图
【铸件图】是反映铸件实际尺寸、形状和技术要求的图形，是铸造生产验收和检验的主要依据。铸件图应在完成铸造工艺图的基础上绘制，下图为衬套的铸件图。
衬套零件图、铸造工艺图、铸件图
零件图 铸造工艺图 铸件图
第四节 铸件的结构设计
铸件的结构设计不仅要考虑符合使用的要求，还必须考虑是否符合铸造工艺及铸造性能的要求。合理地设计铸件结构，可简化铸造工艺、提高生产效率、改善铸件质量、降低生产成本。以下主要从铸件的外形、内腔、壁厚及壁间连接几方面，讨论铸件设计的原则。
一、铸件的外形
铸件外形应尽量采用规则的易加工平面、圆柱面、垂直连接等，避免不必要的曲面，以便于制模和造型，除此以外，还应考虑如下方面： 1．铸件上的凸台不应妨碍起模以减少活块
对箱体、缸盖等零件上的凸台、肋板设计时，分布应合理、厚度应适当，这样可使造型时起模方便，少用或不用活块造型，简化铸造工艺。下图a和c上的凸台一般要用活块或型芯才能取出模样，采用图b结构，将凸台延伸至分型面后，可采用简单的两箱造型，避免了活块；图d将邻近的三个凸台连成一片，即可将三个活块减少为一个活块。
避免或减少活块
2.铸件应避免外部侧凹以减少分型面
外壁侧凹的铸件一般要采用砂芯、三箱或多箱造型，增加了分型面数量，造型难度较大。而避免侧凹可采用二箱造型，减少分型面和砂箱的数量，从而简化铸造工艺，还能减少错型和偏芯，以提高铸件的精度。 如图所示。
减少分型面
3．设计结构斜度以便于起模
造型时为便于起模，在垂直于分型面的非加工侧壁，一般应设计 1 o ～3 o 的结构斜度。结构斜度的大小随壁的高度增加而减小；并且内壁的斜度大于外壁的斜度。下图为结构斜度示例。
结构斜度
4．铸件结构应有利于自由收缩以防裂纹
下图为手轮轮辐的三种设计方案。其中a方案采用偶数直轮辐，易在轮辐和轮缘处产生裂纹，故结构不合理； b、c方案采用弯曲轮辐或奇数轮辐后，可防止开裂，结构较合理。
轮幅设计方案
5．避免过大水平面以防铸造缺陷
过大的平面不利于金属液的填充，易产生浇不到和冷隔；在大平面上方，铸型受金属液的高温烘烤使型砂拱起，铸件易产生夹砂的缺陷。将大的水平面改为倾斜面，可防止上述缺陷的产生。
二、铸件的孔和内腔
铸件上的孔和内腔是用型芯来形成的。合理的内腔设计既可减少型芯数量，又有利于型芯的固定、排气和清理。从而简化工艺，防止偏芯、气孔等铸造缺陷。 1．减少型芯数量
下图为悬臂支架的设计，图中a方案铸件为封闭结构，内腔需要用型芯铸出；改进为b方案开式结构，可省去型芯，从而简化铸造工艺。
悬臂支架
下图为端盖铸件的二种设计方案，该铸件的内腔直径D大于高度H，采用a结构必须要用一个型芯，而采用b结构可采用砂垛代替型芯，使造型工艺简化。
铸件的内腔设计
2．便于型芯的固定、排气和铸件清理
下图为轴承支架，a结构有两个互不连通的内腔，分别要用两个芯形成，其中较大的为悬臂状，装配时必须用芯撑来固定；若连通中间部分，改为b结构，将内腔连为一体，只用一个整体芯，不仅下芯方便、型芯稳定性提高，而且利于排气和清理。
（a）不合理 （b)合理
轴承支架
三、铸件的壁厚与壁间连接
1．壁厚应均匀，避免“热节”
铸件各部分壁厚相差过大，不仅容易在较厚处产生缩孔、缩松，还会使各部位冷速不均，产生较大的铸造内应力，造成铸件开裂。可采用加强肋或工艺孔等措施使铸件壁厚均匀。下图为使铸件壁厚均匀的设计例子。
铸件壁厚力求均匀
2．壁的厚度应合理
铸件的壁不宜太薄，否则浇注时金属液在狭窄的型腔内流动性受到影响，易产生浇不到、冷隔等缺陷。在一定的铸造条件下，铸造合金能充满铸型型腔的最小厚度称为该合金的“最小壁厚”。铸件的最小壁厚与金属的流动性有关，还与铸件尺寸大小有关，见下表。 砂型铸造铸件的最小壁厚
砂型铸造铸件的最小壁厚 铸件最大轮廓尺寸 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铸钢 铸铝合金 铸造锡青铜 铸造黄铜
（a）不合理 （b)合理
铸件加强肋的应用
3．铸件的壁间连接、交叉应合理
铸件壁与壁的连接或转角处应设有结构圆角，避免直角或尖角连接，以免造成应力集中而产生裂纹；如结构上确有要求厚、薄壁相连时，应采用逐步过渡，避免尺寸突变，以防产生铸造内应力和出现应力集中；壁与壁应避免十字形交叉，交叉密集处金属液集聚较多，产生热节后易出现缩孔等铸造缺陷，可改为交错接头或环形接头。如图所示。
铸件壁与壁的连接与交叉设计
第五节 特种铸造
特种铸造是指与砂型铸造不同的其它铸造方法。可列入特种铸造的方法有近二十种，常用的有金属型铸造、压力铸造、低压铸造、熔模铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造等。特种铸造
在提高铸件精度和表面质量、提高生产率、改善劳动条件等方面具有独特的优点。
一、 金属型铸造
【金属型铸造】是指在重力的作用下将液态金属浇入金属型中获得铸件的方法。金属型可连续使用几千次至数万次，所以也称“永久型”。 1．金属型的材料与结构
金属型常采用铸铁或铸钢制造，按分型面不同，金属型有整体式、垂直分型式、水平分型式等。下图为垂直分型式金属型的结构。由底座、定型、动型等部分组成，浇注系统在垂直的分型面上，为改善金属型的通气性，在分型面处开有 0.2mm~0.4mm深的通气槽。移动动型、合上铸型后进行浇注，铸件凝固后移开动型取出铸件。
垂直分型式金属型
2．金属型铸造工艺要点
由于金属型的导热快、无退让性、无透气性，使铸件易出现冷隔与浇不到、裂纹、气孔等缺陷。因此金属型铸造必须采取一定的工艺措施：浇注前应将铸型预热，并在内腔喷刷一层厚 0.3mm~0.4mm的涂料，以防出现冷隔与浇不到缺陷，并延长金属型的寿命；铸件凝固后应及时开型、取出铸件，以防铸件开裂或取出铸件困难。 3．金属型铸造的特点及应用范围
金属型使用寿命长，可“一型多铸”，提高生产率；铸件的晶粒细小、组织致密，力学性能比砂型铸件高约２５％；铸件的尺寸精度高、表面质量好；铸造车间无粉尘和有害气体的污染，劳动条件改善。金属型铸造的不足之处是金属型制造周期长、成本高、工艺要求高，且不能生产形状复杂的薄壁铸件，否则易出现浇不足和冷隔等缺陷；受铸型材料的限制，浇注高熔点的铸钢件和铸铁件时，金属型的寿命低。
目前金属型铸造主要用于大批量生产形状简单的铝、铜、镁等非铁金属及合金铸件。如铝合金活塞、油泵壳体，铜合金轴瓦、轴套等。
二、 压力铸造
【压力铸造】是指熔融金属在高压下快速压入铸型中，并在压力下凝固的铸造方法，简称“压铸”。常用的压射比压为 5~150MPa，充型速度为0.5~50m/s，充型时间为0.01~0.2s。
1、压力铸造工艺过程
压铸工艺是在专门的压铸机上完成的，压铸机的主要类型有冷压室压铸机和热压室压铸机两类。下图为卧式冷室压铸机工艺过程示意图。冷室压铸机的熔化炉与压室分开，压室和压射冲头不浸于熔融金属中，浇注时将定量的熔融金属浇到压室中，然后进行压射。压铸机主要由合型机构、压射机构和顶出机构组成，压铸机的规格通常以合型力的大小来表示的。
卧式冷室式压铸机
注入金属 压铸 抽芯 顶出铸
件
卧式冷室式压铸机工作原理图
2、压力铸造的特点及适用范围
压力铸造具有如下特点：生产率高，便于实现自动化；铸件的精度高、表面质量好；组织细密、性能好；能铸出形状复杂的薄壁铸件。但压力铸造设备投资大，压铸型制造周期长、成本高；受压型材料熔点的限制，目前不能用于高熔点铸铁和铸钢件的生产；由于浇注速度大，常有气孔残留于铸件内，因此铸件不宜热处理，以防气体受热膨胀，导致铸件变形破裂。
目前压力铸造主要用于大批量生产铝、锌、铜、镁等非铁金属与合金件。如汽车、仪表、计算机、航空、摩托车、日用品等行业各类中小型薄壁铸件，如发动机气缸体、气缸盖、仪表壳体、电动转子、照相机壳体、各类工艺品、装饰品等。
常见压铸件
三、熔模铸造
【熔模铸造】是用易熔材料制成模样，在模样上涂挂若干层耐火涂料，待硬化后熔出模样形成无分型面的型壳，经高温焙烧后即可浇注获得铸件的方法。由于易熔材料通常采用蜡料，故这种方法又称为“失蜡铸造”。 1、 熔模铸造的工艺过程
熔模铸造的主要工艺过程如图所示。
（1）蜡模制造 首先根据铸件的形状和尺寸，用钢、铜或铝合金制造压型；然后把熔化成糊状的蜡质材料（常用50%石蜡+50%硬脂酸）压入压型中，待冷却凝固后取出，修去分型面上的毛刺后得到单个的蜡模；为能一次铸出多个铸件，可将多个蜡模粘合在一个蜡制的浇注系统上，构成蜡模组。 （2）型壳制造 在蜡模组上涂挂耐火涂料层以制成具有一定强度的耐火型壳。首先将蜡模浸入涂料中（石英粉+水玻璃、硅酸乙酯等）；取出后撒上石英粉（砂）；再浸入氯化铵的溶液中进行硬化。重复上述过程4~6次，制成5~10mm厚的耐火型壳。待型壳干燥后，置于90~95℃的热水中浸泡，熔出蜡料即得到一个中空的型壳。
（3）焙烧、浇注 将型壳在850~950℃的炉内进行焙烧，去除残留的蜡料和水份，并提高型壳的强度；将焙烧后的型壳趁热置于砂箱中，并在其周围填充砂子或铁丸固定之，即可进行浇注。 熔模铸造的主要工艺过程如图所示。
熔模铸造工艺示意图
2、 熔模铸造的特点及应用
熔模铸造是一种精密铸造工艺，铸件的尺寸精度高、表面质量好；适应性强，能生产出形状特别复杂的铸件，适合于高熔点和难切削合金，生产批量不受限制。但熔模铸造的工艺复杂、生产周期长、成本高，不适宜大件铸造。
熔模铸造适合于形状复杂、精密的中小型铸件（质量一般不超过 25kg）；可生产高熔点、难切削的合金铸件。如用于形状复杂的涡轮发电机、增压器、汽轮机的叶片和叶轮，复杂刀具等，可生产各种不锈钢、耐热钢、磁钢等的精密铸件。
四、离心铸造
【离心铸造】是指将金属浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型，在离心力的作用下凝固成铸件的铸造方法。 离心铸造多用于简单的圆筒体，铸造时不用型芯便可形成内孔。 1．离心铸造方法
离心铸造机按旋转轴的方位不同，可分为立式、卧式和倾斜式三种类型。下图为立式和卧式离心铸造法。立式机适宜铸造直径大于高度的圆环类铸件，卧式机适宜铸造长度大于直径的套类和管类铸件。
卧式离心铸造机
离心铸造方法
2．离心铸造的特点及应用
离心铸造可省去浇注系统和型芯，比砂型铸造省工省料，生产率高，成本低；铸件在离心力的作用下结晶，组织致密，基本上无缩孔、气孔等缺陷，力学性能好；便于双金属铸件的铸造。但铸件的内孔尺寸误差大、表面粗糙；铸件的比重偏析大，金属中的熔渣等密度小的夹杂物易集中在内表面。 离心铸造广泛用于大口径铸铁管、缸套、双金属轴承、活塞环、特殊钢无缝管坯等的生产。
五、陶瓷型铸造
【陶瓷型铸造】是指用陶瓷质耐火材料制成铸型而获得铸件的方法。是在砂型铸造和熔模铸造的基础上发展起来的一种精密铸造新工艺。 1．陶瓷型铸造的工艺过程
为节省价高的陶瓷材料，先用砂套模样、普通水玻璃砂制成一个型腔稍大于铸件的砂套；然后用铸件模样、陶瓷材料（如锆英粉、刚玉、铝钒土 +硅酸乙脂水解液），经灌桨、结胶、焙烧等工艺制成陶瓷铸型。工艺过程如图所示：
（a）模样 （b）砂套造型 （c）灌桨 （d）喷烧 （e）合型 （f)铸件
陶瓷型铸造工艺过程
2．陶瓷型铸造特点及应用
陶瓷型的材料与熔模铸造的壳型相似，故铸件的精度和表面质量与熔模铸造相当；可适合于高熔点、难加工材料的铸造；而且与熔模铸造相比，铸件大小基本不受限制，工艺简单、投资少、生产周期短。但陶瓷型铸造原材料价格贵，因有灌桨工序，不适宜于铸造大批量、形状复杂的铸件，且生产工艺过程难以实现自动化和机械化。
陶瓷型铸造适宜于制造小批量、较大尺寸的精密铸件，较多用于各种模具的生产（如金属型、压铸模、塑料模、锻模等），还用于生产喷嘴、压缩机转子、阀体、齿轮、钻探用钻头、开凿隧道用刀具等。
六、实型铸造
【实型铸造】又称消失模铸造或气化模铸造。英文名为 Expendable Pattern casting或缩写EPc。其原理是用泡沫塑料代替木模和金属模样，造型后不取出模样，当浇入高温金属液时泡沫塑料模样气化消失，金属液填充模样的位置，冷却凝固后获得铸件的方法。下图为实型铸造工艺过程示意图。 实型铸造时不用起模、不用型芯、不合型，大大减化了造型工艺，并减少了由制芯、取模、合型引起的铸造缺陷及废品；由于采用了干砂造型，使砂处理系统大大简化，极易实现落砂，改善劳动条件；由于不分型，铸件无飞翅毛刺，使清理打磨工作量减少 50%以上。但实型铸造气化模造成空气污染；泡沫塑料模具设计生产周期长，成本高，因而要求产品有相当的批量后才有经济效益；生产大尺寸的铸件时，由于模样易变形，须采取适当的防变形措施。
实型铸造适用于各类合金（钢、铁、铜、铝等合金），适合于结构复杂（铸件的形状可相当复杂）、难以起模或活块和外芯较多的铸件，如模具、气缸头、管件、曲轴、叶轮、壳体、艺术品、床身、机座等。
实型铸造过程示意图
