§1.5 与液态成形相关的新工艺、新技术简介——模具行业从业者必备知识手册

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26/5/27
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第一章金属液态成形
§1.1 金属液态成形工艺基础
§1.2 砂型铸造
§1.3 特种铸造
§1.4 常用合金铸件生产及铸造方法的选择
§1.5 与液态成形相关的新工艺、新技术简介
一、砂型铸造造型（造芯）方法
二、砂型铸造工艺设计
三、铸件结构设计
§2 砂型铸造
制造砂型的工艺过程称为造型。造型是砂型铸造最基本的工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。
（一）手工造型
常用砂型的主要特点和适用范围
操作方便灵活、适应性强，模样生产准备时间短；生产率低，劳动强度大，铸件质量不易保证。只适用于单件小批量生产。
按砂箱特征：两箱、三箱、地坑、脱箱
按模样特征：整模、挖砂、假箱、分模、活块、刮板等
模样是整体的，多数情况下，型腔全部在下半型内，上半型无型腔。造型简单，铸件不会产生错型缺陷铸件最大截面在一端，且为平面。
两箱造型
铸型由上、中、下三部分组成，中型的高度须与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型费工，应尽量避免使用
三箱造型
在车间地坑内造型，用地坑代替下砂箱，只要一个上砂箱，可减少砂箱的投资大型铸件单件生产时,降低铸型高度,便于浇注操作。但造型费工，而且要求操作者的技术水平较高。
地坑造型
模样是整体的，但铸件的分型面是曲面。为了起模方便，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂。每造一件，就挖砂一次，费工、生产率低。
挖砂造型
用刮板代替模样造型。可大大降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，要求操作者的技术水平较高.
刮板造型
铸件上有妨碍起模的小凸台、肋条等。制模时将此部分作成活块，在主体模样起出后，从侧面取出活块。单件小批生产带有突起部分的铸件。
活块造型
（二）机器造型
大批量生产，劳动生产率高，劳动条件好，铸件尺寸精度高、表面质量好，加工余量小。
1.紧砂方法
以压缩空气作为动力紧实型砂，基本方式：压实、震实、震压、抛砂等基本方式。
2.起模方法
从型砂中取出模样，使砂箱内留下完整的型腔。
顶箱、漏箱和翻转
图1-15 震压造型机的工作过程
填砂→震击紧砂→辅助压实→起模
3.工艺特点采用模板进行两箱造型。
模板：是将模样、浇注系统沿分型面与底板联结成一个整体的专用模具。造型后，底板形成分型面，模样形成铸型空腔。
（三）造芯
用途：制作空心或外壁内凹的铸件，或铸件具有影响起模的外凸时，经常要用到型芯，制作型芯的工艺过程称为造芯。
注意：为了提高型芯的刚度和强度，需在型芯中放入芯骨；为了提高型芯的透气性，需在型芯的内部制作通气孔；为了提高型芯的强度和透气性，一般型芯需烘干使用。
目的：
获得合格铸件；
减小铸型制造的工作量；
降低铸件成本。
在砂型铸造的生产准备过程中，必须制订出合理的铸造工艺方案，并绘制出铸造工艺图。
铸造工艺：
在零件图中用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形，包括：浇注位置；分型面；型芯的数量、形状、固定方法及下芯次序；加工余量；起模斜度；收缩率；浇注系统；冒口；冷铁的尺寸和布置等。
工艺图：
指导模样设计、生产准备、铸型制造和铸件检验的基本工艺文件。依据铸造工艺图，结合所选造型方法，可绘制出模样图及合箱图。
支座的铸造工艺图、模样图及合箱图
a)零件图 b)铸造工艺图（左）和模样图（右） c)合箱图
（一）浇注位置的选择
浇注位置：
浇注时铸件在铸型中所处的位置。
选择原则：
1．铸件的重要加工面应朝下或位于侧面
图1-20所示为车床床身铸件的浇注位置方案。由于床身导轨面是重要表面，不允许有明显的表面缺陷，而且要求组织致密，因此应将导轨面朝下浇注。
图1-16 车床床身的浇注位置
重要加工面应朝下或位于侧面
浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。
保证导轨面质量均匀
图1-16 卷扬筒的浇注位置
侧面要求高
2．铸件的大平面应朝下
型腔的上表面除了容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷外，大平面还常容易产生夹砂缺陷。因此，对平板、圆盘类铸件的大平面应朝下。
3．面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置
可以有效防止铸件产生浇不足或冷隔等缺陷。
4．易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面
以便在铸件厚壁处直接安置冒口，
使之实现自下而上的定向凝固。
5．应尽量减少型芯数量，且便于安放、固定和排气
（二）铸型分型面的选择
铸型分型面的选择恰当与否会影响铸件质量，使制模、造型、造芯、合箱或清理等工序复杂化，甚至还可增大切削加工的工作量。
分型面的选择原则：
1．便于起模，使造型工艺简化
1）分型面应选在铸件最大截面处
（2）分型面应尽量平直
图1-21 起重臂的分型面
图示分型面为一平面，可采用较简便的分模造型；
如果选用弯曲分型面，则需采用挖砂或假箱造型
（3）应尽量减少分型面数量
（4）避免不必要的活块和型芯
2．尽量使铸件全部或大部
置于同一砂箱
以保证铸件精度
3．尽量使型腔及主要型芯位于下型
便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚
（三）工艺参数的确定
在铸造工艺方案初步确定之后，还必须选定铸件的机械加工余量、起模斜度、收缩率、型芯头尺寸等具体参数。
1.加工余量和最小铸出孔
加工余量：为切削加工而加大的尺寸。
数值取决于：批量、合金种类、大小、加工面与基准面之间的距离及浇注位置等。
机器造型：铸件精度高，余量可减小；
手工造型：误差大，余量应加大。
铸钢表面粗糙，余量应大；非铁合金表面光洁，余量应小。
尺寸大或加工面与基准面间的距离大，误差大，余量也大。
朝上表面产生缺陷的机率大，其余量应比底面和侧面大。
铸件的孔、槽：
较大的孔、槽应当铸出，以减少切削加工工时，节约金属材料，并可减小铸件上的热节；
较小的孔则不必铸出，用机加工较经济。
对于零件图上不要求加工的孔、槽以及弯曲孔等，一般均应铸出。
2.起模斜度
为了使模样（或型芯）易于从砂型（或芯盒）中取出，凡垂直于分型面的立壁，制造模样时必须留出一定的倾斜度。
在铸造工艺图上，加工表面上的起模斜度应结合加工余量直接表示出，而不加工表面上的斜度（结构斜度）仅需用文字注明即可。
图1-27 起模斜度
3.收缩率
铸件冷却后的尺寸比型腔尺寸略为缩小，为保证铸件的应有尺寸，模样尺寸必须比铸件放大一个该合金的收缩率。铸造收缩率K：
<ol>
<li> 型芯头</li>
</ol>
垂直芯头水平芯头
图1-28 型芯头的构造
a）垂直芯头 b）水平芯头
（四）铸造工艺图
铸造工艺设计：
生产之前，编制出生产工艺的技术文件。工艺设计主要是画铸造工艺图、铸件毛坯图、铸型装配图和编写工艺卡片等，它们是生产的指导性文件，也是生产准备、管理和铸件验收的依据。因此，铸造工艺设计的好坏，对铸件的质量、生产率及成本起着决定性的作用。
（五）铸造工艺设计实例分析
方案1
方案2
方案3
铸造工艺图
三、铸件结构工艺性
铸件结构：保证工作性能和力学性能要求、考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求，铸件结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。
（一）铸件结构应使砂型铸造工艺过程简化
1.铸件的外形必须力求简单、造型方便
（1）尽量避免铸件外表侧凹，减少分型面
（2）尽可能使铸件分型面平直
（3）铸件外表加强肋、凸台的设计
应便于起模
（4）铸件侧壁应具有结构斜度
2.铸件的内腔结构应简单适用，避免不必要的复杂结构
（1）应尽量少用或不用型芯
（2）尽便于型芯的固定、排气、定位和清理
（二）铸件结构应适应合金铸造性能的要求
缩孔、变形、裂纹、气孔和浇不足等铸件缺陷的产生，有时是由于铸件结构设计不够合理，未能充分考虑合金铸造性能的要求所致。
1.铸件的壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小。
1.铸件的壁厚：
（1）铸件的最小壁厚
（2）铸件壁厚不宜过厚
（3）铸件壁厚应尽可能均匀
（4）利于实现定向凝固的壁厚设计
2.铸件壁的连接：减少热节，防止应力集中等
（1）铸件壁的转弯处应为圆角
（2）不同壁厚之间要逐步过渡
（3）壁间连接应避免交叉和锐角
（4）轮辐设计应避免收缩受阻
3.尽可能避免铸件上的过大平面
4.采用对称或加强筋结构

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