工程材料及成型工艺基础

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第二节常用的铸造方法一、砂型铸造及产品生产检验砂型铸造是指用型砂紧实成型的铸造方法。砂型铸造可以制造各种尺寸、形状的金属材料。尤其是内腔复杂的零件；设备投资少；原材料易得且价格低廉等优点，使它成为工业生产中应用最广的一种铸造方法。（一）砂型铸造工艺简介1．下面以异口径管为例介绍一下砂型铸造的主要工艺过程：1 首先铸造技术人员要根据铸件的零件图，技术要求，生产批量等进行工艺设计，工艺设计的主要内容是：绘制铸造工艺图；对于成批、大量生产或重要铸件还要绘制出铸件图和铸型装配图；填写铸造工艺卡。当上述工作完成后，才能进行制模、造型、造芯、熔炼金属，合型、浇注等。即一个铸件从设计到产品大致过程如下：从上述异口径管的生产过程可知铸件的生产过程很复杂。而零件图是基础，因此在设计铸件时，在保证使用性能的前提下，要充分考虑合金的铸造性能和铸造工艺对铸件结构的要求，才能易于获得合格的铸件。下面就铸件生产过程中与机械设计、制造密切相关的几个问题加以讨论。（二）造型方法造型是砂型铸造的重要工序，造型方法有手工造型和机器造型两类。1．手工造型常用方法:2 手工造型：即紧砂与起模是由人来完成的。手工造型操作灵活，工装简单，但劳动强度大，生产率低，常用于单件和小批生产。下表为常用手工造型方法的特点和应用范围。2．常用的砂型在砂型铸造中，根据砂型不同，又可以将砂型分为湿砂型、干砂型、表面烘干型、自硬砂型四种，见下表。表2-2常用砂型的主要特点和适用范围3 3．机器造型：即用机器全部完成或至少完成紧砂和起模操作的造型工序。常用的机器造型方法有震压造型、微震压实造型、高压造型、抛砂造型、气冲造型、负压造型等。其中，气冲造型和负压造型是近年来发展很快的先进造型方法:（1）气冲造型：即用蒸气或压缩空气或爆炸产生的气体瞬间膨胀，所产生的压力波紧实型砂的造型方法。一般是通过一种特殊的快速开阀将气体迅速冲入填满型砂的砂箱上部，使型砂冲压紧实的。气冲紧实过程可分为两个阶段。第一阶段气压差使表面层型砂的紧实度迅速提高、形成初实层并迅速下压，使下面的型砂加速并初步紧实。第二阶段压力波使型砂紧实前锋与模板剧烈冲击而突然滞止，4 紧实度急剧提高，并自下而上使型砂逐层滞止而提高紧实度，如图所示。（2）负压造型：又称为真空密封造型，是利用负压将干砂紧实成型的造型方法。型砂不含粘结剂，被密封于砂箱与塑料膜之间，借助负压使其中的干砂紧实成形，其造型过程如图2-2-1所示。首先抽空使塑料薄膜吸贴到模样表面，填砂后微震压实，再刮平型面，覆以背膜，并抽真空使干砂紧实。负压造型起模、下芯、合型、浇注等的操作均在负压状态下进行，铸件凝固后恢复常压，砂子自行溃散，即可取出铸件。机器造型生产效率高，劳动条件好；铸件精度高，表面质量较好；但设备投资较大，对产品变换的适应性较差。机器造型是现代铸造生5 产的主要造型方式，适用于成批、大量生产各类铸件。常用的机器造型方法的主要特点和适用范围见表2-4。（3）模板6 机器造型使用模板，如右图。模板是铸件模样、浇注系统模样和模底板的组合体。模样形成型腔，模底板形成分型面。模板通常是单面的，上模板固定在一台造型机的工作台上，造上型，下模板固定在另一台造型机的工作台上，造下型。另外，机器造型不能用三箱造型，也不用挖沙和活块造型。三)铸造工艺设计设计内容铸造工艺设计是根据铸件结构特点、技术要求、生产批量等，确定铸造方案和工艺参数，绘制图样和标注符号以及编制工艺等。铸造工艺设计的主要内容是绘制铸造工艺图、铸件图和铸型装配图等。单件、小批量生产时只需绘制铸造工艺图。下面我们主要介绍铸造工艺图。铸造工艺图即表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、工艺参数、型芯结构尺寸、控制凝固措施（冷铁、保温衬板）等的图样。可按规定的工艺符号或文字标注在零件图上。7 绘制铸造工艺图时，首先应对零件进行结构分析，改进其结构工艺性不良的部位，然后确定浇注位置和分型面、选定工艺参数，设计型芯、浇注系统等。在此基础上，绘出铸造工艺图。支架零件的铸造工艺图和铸型装配图如下图所示。1．铸造方法和造型方法选择选择铸造方法和造型方法时、应对零件的结构特点、合金种类、生产批量等进行综合分析，以选择较为合适的方法。单件、小批量生8 产时一般采用砂型铸造（手工造型），批量较大时可采用砂型铸造（机器造型）或合适的特种铸造的方法。2．浇注位置及分型面的选择浇注位置是浇注时铸件在铸型内所处的位置。其合理与否对铸件质量影响很大。分型面是铸型砂箱间的结合面。其位置合理与否不仅影响到铸件质量，还影响到能否简化铸造工艺。浇注位置与分型面的选择密切相关，通常先选定浇注位置再选定分型面，以保证铸件质量。对于质量要求不高的支架类铸件，应以简化造型工艺为主，可先选择分型面。（1）浇注位置选择1）铸件的重要加工面或主要工作面应处于底面或侧面。以避免出现气孔、砂眼、缩孔、缩松等铸造缺陷如图2-2-4所示的锥齿轮铸件，其轮齿部位是重要加工面和主要工作面，应朝下。卷扬筒的浇注位置如图2-2-5所示。9 2）铸件的大平面应尽可能朝下或采用倾斜浇注。以避免产生夹砂、气孔、夹渣等缺陷。如下图所示平台铸件的浇注位置。两端面均为大平面的铸件，则应倾斜浇注。3）铸件的薄壁部分应放在铸型的下部或侧面。以免浇不到、冷隔等铸造缺陷，如下图所示。4）对于收缩大的铸件，为利于设置冒口进行补缩，厚实部位应置于上方。如图2-2-7所示。在这种情况下，可能会使重要加工面或主要工作面朝上，可通过加大余量来保证质量。10 （2）分型面选择分型面一般应取在铸件的最大截面上，否则难以取出模样。另外，分型面选择应遵循下述原则：1）铸件的加工面及加工基准表面尽量放在同一砂箱中，以保证铸件的加工精度。如图2-2-8所示的铸件，当浇注位置为轴线垂直时，有Ⅰ、Ⅱ两个分型面可供选择。考虑到Φ602外圆面是机械加工时的定位基准，为减少加工时的定位误差，采用分型面Ⅱ较合理。11 图2-2-9为管子堵头的分型面。方头的4个侧面是加工基准面，外圆是加工面，若是放在两半铸型内，稍有错箱，就给机械加工带来困难，甚至造成废品，如果置于同一半铸型内，就能保证铸件精度。2）应尽量减少分型面数量，并力求采用平面作为分型面，以减少砂箱数，简化造型工艺。对于机器造型，一般应只有一个分型面。如图2-2-10所示壳体沿轴线方向有两个最大截面，须采用两个分型面。通过增加外型芯，则只需一个分型面。12 上图a)所示的分型面采用曲面，不合理；上图b）所示的分型面采用平面，较合理。3）应尽量减少型芯、活块的数量。以减少成本、提高工效。机器造型时应避免使用活块替代型心，以减少成本，如下图b）所示。4）主要型芯应尽量放在下半铸型中，以利于下芯、合理和检查型腔尺寸。造型工艺参数的选定。3．铸造工艺参数的选定13 铸造工艺参数主要有铸件尺寸公差、要求的机械加工余量，线收缩率、起模斜度等。（1）铸件尺寸公差即铸件尺寸允许的变动量，共分16个等级，由精度最高到最低以CT1~CT16表示。①一般情况下，铸件的尺寸公差等级单件、小批量生产应低于大批量生产；②砂型铸造应低于特种铸造；③铸钢、铸铁件应低于非铁合金铸件；④同一尺寸公差等级，铸件的基本尺寸越大，公差值也越大。用粘土砂手工造型时铸铁、铸钢件的尺寸公差等级，单件、小批量生产时为CT11~CT14级。14 (2)要求的机械加工余量（RMA）:即在毛坯上为了随后可用机械加工方法去除铸造对金属表面的影响，并使之达到所要求的表面特征和必要的尺寸精度而留出的金属余量。其等级有10级，称之为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K级，加工余量值依次增大。通常对同一铸件所有需机械加工的表面只规定一个要求的机械加工余量等级.①砂型铸造应低于特种铸造；②手工造型应低于机器造型；15 ③铸钢应低于铸铁、铜合金及非铁合金铸件；④同一机械加工余量等级下，零件的轮廓尺寸越大，余量值也越大。表2-6铸件要求的机械加工余量（RMA）（摘自GB/T6414-1999）（单位mm）（3）铸件线收缩率:铸件从线收缩起始温度冷却到室温时线尺寸的相对收缩量，以模样与铸件的长度差占模样长度的百分比表示：ε=(L0-L1)/L0*100式中ε——铸件线收缩率；L0、L1——同一尺寸分别在模样和铸件上的长度。16 铸件线收缩率取决于合金种类，铸型种类，铸件结构和尺寸、生产批量等因素。灰铸铁件的线收缩率一般为0.7%~1.0%，球墨铸铁件一般为0.5%~1.0%,铸钢件一般为1.6%~2.0%,收缩受阻时取较小值。（4）起模斜度：即为使模样容易从铸型中取出或型心自芯盒中脱出，平行与起模方向在模样或芯盒壁上的斜度。起模斜度的形式有三种，如下图所示。增加铸件壁厚用于与其它零件配合的需机械加工的表面，加减铸件壁厚用于非配合的需机加工的表面，减少铸件壁厚用于与零件配合的非加工面。一般情况下，壁的高度越大，斜度（角度值）应越小；内壁的斜度值应大于外壁，以利于用砂垛取代型心；机器造型的斜度值应小于手工造型。粘土砂造型时起模斜度α值一般为0°30′~3′，α值一般为1~1.4mm。17 （5）最小铸出孔、槽尺寸零件上的孔、槽应尽量铸出，以节约金属和减少机械加工工作量，且减少缩孔、缩松等铸造缺陷。但当孔、槽尺寸过小时，直接铸出易产生粘砂、偏心等缺陷或增大造型难度，不如通过机械加工制出方便、经济。通常，批量越大、铸出孔、槽尺寸可越小；铸钢的最小铸出孔、槽尺寸应大于灰铸铁件。灰铸铁件最小铸出孔直径单件小批生产时为30~50mm，大量生产时为12~15mm。零件上不要求加工的孔、槽，一般均铸出。（6）芯头和芯座芯头：是型芯的外伸部分，不形成铸件轮廓，只是落入芯座内，用以定位和支承型芯。芯座：是铸型中专为放置芯头的空腔。根据型芯在铸型中安放的位置，芯头可分为垂直芯头和水平芯头两大类，如图2-2-15所示。芯头尺寸一般取决于铸件相应部位的孔、槽尺寸，且与铸造方法和铸18 型种类有关。芯头和芯座侧壁一般应有一定的斜度，芯头与芯座间一般应有一定的间隙，以利于下芯和型芯的稳固。实际生产中，芯头的尺寸、斜度和间隙可根据经验结合查表确定。在确定浇注位置、分型面和各项工艺参数之后，再经过浇注系统，冒口等的设计，即可按规定的工艺符号或文字将工艺方案、工艺参数等标注在零件图上，也可另外绘制铸造工艺图。（五）实践性教学环节一：砂型铸造生产及其性能检验1.生产目的：（1）熟悉砂型铸造的造型方法及其选用；（2）熟悉砂型铸造生产的工艺过程；（3）熟悉铸件性能检验方法；19 （4）了解铸件缺陷产生的主要原因。2.铸件的生产及检验工厂铸造车间生产端盖铸件，材质为HT150，生产100件，采用砂型铸造。零件图纸如图2.2.2所示。生产端盖零件首先要进行铸造工艺设计。1.铸造工艺设计铸造工艺设计是根据零件结构特点、技术要求、生产批量等，确定铸造方案和工艺参数，绘制图样和标注符号以及编制工艺等。绘制图样主要是绘制铸造工艺图、铸件图和铸型装配图等。单件、小批量生产时只需绘制铸造工艺图。1)砂型的选择在砂型铸造中，可将砂型分为湿砂型、干砂型、表面烘干型、自硬砂型四种。每种砂型都各有特点，应根据零件结构、质量要求、生产批量和车间生产条件等加以选择。表2.2.1列出了常用砂型的特点和适用范围。端盖铸件形状简单，生产批量较小，所用材料灰铸铁具有良好的铸造性能。因此，从表2.2.1可知，可以使用湿砂型。2)造型方法选择造型是砂型铸造的重要工序，造型方法有手工造型和机器造型两类。20 端盖铸件属于单件，小批量生产，因此选用手工造型比较合理。端盖铸件最大截面在一端，且为平面，由表2.2.2可知，适合用整模造型。根据上述浇注位置和分型面的选择原则，分析端盖的浇注位置与分型面的选择。方案Ⅰ：浇注时零件轴线呈水平位置，沿轴线水平分型。这种方案需要分模造型、容易产生错型，质量要求较高的Φ72mm外园端面和Φ62mm孔的质量无法保证，沿轴线水平分型使上、下型的宽度小而深度大，不容易起模。此外Φ62mm的孔需要型芯铸出。21 （五）实践性教学环节一：砂型铸造生产及其性能检验1.生产目的：（1）熟悉砂型铸造的造型方法及其选用；（2）熟悉砂型铸造生产的工艺过程；（3）熟悉铸件性能检验方法；（4）了解铸件缺陷产生的主要原因。2.铸件的生产及检验工厂铸造车间生产端盖铸件，材质为HT150，生产100件，采用砂型铸造。零件图纸如图2.2.2所示。22 生产端盖零件首先要进行铸造工艺设计。2.铸造工艺设计铸造工艺设计是根据零件结构特点、技术要求、生产批量等，确定铸造方案和工艺参数，绘制图样和标注符号以及编制工艺等。绘制图样主要是绘制铸造工艺图、铸件图和铸型装配图等。单件、小批量生产时只需绘制铸造工艺图。1)砂型的选择在砂型铸造中，可将砂型分为湿砂型、干砂型、表面烘干型、自硬砂型四种。每种砂型都各有特点，应根据零件结构、质量要求、生产批量和车间生产条件等加以选择。表2.2.1列出了常用砂型的特点和适用范围。端盖铸件形状简单，生产批量较小，所用材料灰铸铁具有良好的铸造性能。因此，从表2.2.1可知，可以使用湿砂型。2)造型方法选择造型是砂型铸造的重要工序，造型方法有手工造型和机器造型两类。端盖铸件属于单件，小批量生产，因此选用手工造型比较合理。端盖铸件最大23 截面在一端，且为平面，由表2.2.2可知，适合用整模造型。根据上述浇注位置和分型面的选择原则，分析端盖的浇注位置与分型面的选择。方案Ⅰ：浇注时零件轴线呈水平位置，沿轴线水平分型。这种方案需要分模造型、容易产生错型，质量要求较高的Φ72mm外园端面和Φ62mm孔的质量无法保证，沿轴线水平分型使上、下型的宽度小而深度大，不容易起模。此外Φ62mm的孔需要型芯铸出。方案Ⅱ：浇注时零件轴线呈垂直位置，沿截面积最大的顶面为分型面。从图2.2.2端盖的零件图中侧视图可知，端盖有两个截面积最大的平面，它们都可以做分型面，如果选择机加工的最大尺寸端面为分型面，铸件处于两箱中，影响了铸件尺寸精度，此外产生错型难以保证Φ72mm外圆和Φ62mm孔的质量。而选择非机加工面的顶面做分型面，整个铸件都位于下型，符合铸件位于同一砂型，保证铸件位置精度的要求；同时满足了重要的加工面应位于侧面和朝下的要求。因此，选择方案Ⅱ，将铸件轴线处于垂直位置放置，并以非加工的顶面为分型面，使整个铸件都位于下型，较为合理。4)确定工艺参数为了绘制铸造工艺图，在铸造方案确定后，还需要选定如下24 工艺参数。端盖零件材质为灰铸铁，且采用砂型铸造手工造型。由表2.2.5查得，其机加工余量等级为F～H级，由于批量不大，故选为H级。零件最大尺寸为165mm，查表2.2.4得：大端面直径φ72mm外圆及端面的机加工余量为4mm，孔内余量应稍大，取为5mm。①机械加工余量端盖零件材质为灰铸铁，且采用砂型铸造手工造型。由表2.2.5查得，其机加工余量等级为F～H级，由于批量不大，故选为H级。零件最大尺寸为165mm，查表2.2.4得：大端面直径φ72mm外圆及端面的机加工余量为4mm，孔内余量应稍大，取为5mm。国家标准规定，加工余量用红线画出轮廓，剖面处全涂以红色（或细纹格），机加工余量数值用数字在图纸上直接标出。②收缩率端盖是小型普通灰铸铁件，且结构简单，查表得线收缩率为1%。③铸造圆角设计制作模样时，相邻两壁之间的交角都应做成有过渡圆弧的铸造圆角，防止在尖角处产生冲砂而掉角或因应力集中产生裂纹等缺陷，一般中、小型铸件的铸造圆角半径为3～5mm。端盖属小型铸件，未注铸造圆角均为R3～5mm。④起模斜度端盖φ72㎜圆柱部分属于与其它零件配合的需机械加工的表面，因此应采用增加壁厚法，其高度尺寸为27mm，采用木材作模样，查表2.2.7，该部分起模斜度为1mm。φ62mm内孔的高度为42mm，而内壁的斜度应比外25 壁大，取3mm使内孔易于脱模。⑤最小铸出孔、槽尺寸端盖上有两个φ11mm孔及两个φ22mm深2mm沉孔，直径均为小于30mm，不易铸出，由机加工完成。在铸造工艺图上，该部位用红线打叉表明。⑥型芯头端盖铸件内孔的直径大于铸件的高度，可以使用砂垛代替型芯，降低了制造成本。因此没有型芯头的设计问题。5）绘制铸造工艺图26 (2)铸件的生产铸件的生产包括模样和芯盒的制备、造型材料的配制、造型和制芯、熔炼和浇注以及落砂和清理等过程。1)模样和芯盒模样和芯盒是造型和制芯所用模具。模样用来造型形成铸型型腔，其形状与铸件外形一致，仅尺寸比铸件增加一收缩量；芯盒用来制造型芯，型芯的外形相当于铸件的内腔形状，用来形成铸件的内腔。制作模样和芯盒的材料种类很多。使用最广泛的是木模，主要用于单件、小批量生产；用金属材料制作的模样和芯盒比木制品耐用，但成本较高，主要用于大批量生产，其中以铝合金模样应用最多。端盖生产只需模样，不需芯盒，而且其批量较小，故选用木制材料，根据铸造工艺图制造端盖木模样。2)造型材料①对造型材料性能的要求制造砂型与型芯的材料称为造型材料。用来制造铸型的型（芯）砂是由原砂、粘结剂及其它附加物配制而成。为保证铸件质量，型（芯）砂应具有以下基本性能。27 a.强度指型（芯）砂抵抗外力破坏的能力。足够的强度才能保证操作过程中铸型的完整性，并能在浇注中承受金属液的冲刷和压力。但型（芯）砂强度过高，会使透气性、退让性和落砂性变差。b.透气性指型（芯）砂空隙透过气体的能力。透气性不足易使铸件产生气孔等缺陷。c.退让性指型（芯）砂能被压缩而不被破坏的能力。良好的退让性可以防止铸件在凝固、冷却收缩过程中产生裂纹。d.耐火度指型（芯）砂经受高温热作用的能力。耐火度不够则会导致铸件产生粘砂。e.可塑性指型砂在外力作用下变形，且外力取消后仍能保持清晰的轮廓的性质。起模和修型时，常在分型面上沿模样周围刷水，这是为了增加局部砂型的含水量，以提高其可塑性，使操作时铸型不被破坏。②型（芯）砂的组成a.原砂常用硅砂（石英砂），也用其它颗粒耐火材料如锆砂，刚玉砂等。b.粘结剂在砂型中用粘结剂把砂粒粘结在一起。粘土是最常用的粘结剂，此外也采用水玻璃、水泥等无机物以及植物油、淀粉、合成树脂等有机物作为粘结剂。c.附加物为满足某些性能要求，型（芯）砂中加入其它附加物，如粘土砂中28 为防止铸件发生粘砂而添加煤粉，为改善退让性及透气性加入锯末等。③型（芯）砂的混制在混砂机中将原砂，粘结剂和附加物混制成型（芯）砂。粘土型砂的混制过程是：将造型材料严格按比例配料，加料顺序是：砂子→粘土→附加物→水。为使型砂中各种组分能均匀地混合，应将干料先加入混砂机中进行约2分钟干混。干料混匀后再加入水混碾，湿混时间一般为5～8分钟，然后将混好的型砂堆放2～4小时，使砂体水分分布均匀。3)造型①手工造型常用的砂箱和工具如图2.2.18所示②手工造型基本过程a.造下型安放下砂箱于底板上，将模样大端朝下置于砂箱内的合适位置，然后分批加砂舂实。第一次加砂时要轻轻放入，用于将模样周围的型砂塞紧，以免舂砂时模样移位。舂砂时箱壁附近的紧实度应大些，以免塌型。模样附近的紧实度以能承受金属液的冲刷力为宜，过紧则不利于排气。型砂紧实后刮平。29 b.造上型将造好的下型反转180o并在其上安放好上砂箱后，便可撒分型砂（分型砂的作用是防止上下型粘在一起而无法取出模样）；然后将直浇道模样安放到适当位置再添砂紧实；刮平上砂箱后，拔除直浇道模样并用浇口杯压模将浇口压实；最后在模样上方砂型处用通气针扎出通气孔，然后在砂箱壁上画出定位线。c.起模打开铸型，将起模针插入模样重心部分，并用木棒在四个方向轻击起模针下部以使模样松动，此亦称靠模。取模时应保持水平提升模样，以免碰坏型腔。若模样形状复杂不易取出时，可在靠模前用水笔蘸少许水均匀涂刷于模样四周砂型上，以增加其强度和粘结力。起模后，挖出内浇道。d.修型起模后型腔若有损坏则应进行修补。修型前应先用水笔在被修型处刷水少许，修型用的型砂湿度应较造型用砂大些。e.下芯下芯前应仔细检查型芯尺寸，型芯排气道是否合乎要求，下芯时先找正位置再缓缓放入，并检查是否偏芯和有无散砂落入型腔内。用泥条或石棉绳填塞芯头与芯座的间隙，以防浇注时金属液从其间流出或堵塞砂型的排气道。端盖铸件自带型芯，没有下芯问题。f.合型合型前将型腔和浇注系统内的散砂吹净，合型时上型保持水平，对正定位线（或定位销）缓缓落下；然后用箱卡（或压铁）将上下型卡紧以防浇注时跑火；最后用盖板盖住浇道以防砂粒落入型腔。30 4)浇注①浇注系统为了填充型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道，称为浇注系统。a.浇注系统的作用保证金属液平稳、连续、均匀地流入型腔，避免冲坏铸型；防止熔渣、砂粒或其他杂质进入型腔；调节铸件的凝固程序或补给铸件在冷凝收缩时所需的液态金属。b.浇注系统组成浇注系统通常由外浇道、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成，如图2.2.19所示。但并不是每个铸件都非要有这四个部分不可，如一些简单的小铸件，有时就只有直浇道与内浇道，而无横浇道。外浇口（又称浇口杯）的作用是承受从浇包倒出来的金属液，减轻金属液对铸件的冲击和分离熔渣。因此，浇注时应随时保持充满状态，不得断流。对大、中型铸件常用盆型外浇口（浇口盆）（如图2.2.19a）所示），对小型铸件常用漏斗形外浇口（浇口杯）（如图2.2.19b）所示）。直浇道是浇注系统中的垂直浇道，通常带有一定的锥度（上大下小），它可用来调节金属液流入铸型的速度，并产生一定的压力。直浇道高，金属液流入型31 腔的速度快，对型腔内的金属液的压力大，容易充满型腔的细薄部分。横浇道是开设在直浇道下方、内浇道上方的水平通道，其截面形状多为梯形，它能进一步起挡渣作用，同时减缓金属液流动速度，使其平稳地通过内浇道进入型腔。为了更好地起到挡渣作用，浇注过程中横浇道应该始终被充满。内浇道是浇注系统中引导液态金属进入型腔的部分，常设置在下箱的分型面上，其截面形状多为扁梯形或三角形。内浇道的作用是控制金属液流入型腔的速度和方向，调节铸件各部分的冷却速度。为避免金属液直接冲击芯子或型腔，内浇道不能正对芯子或型壁。端盖属于简单的小铸件，只用直浇道与内浇道，就可以保证铸造质量。浇道的形状和尺寸由指导生产人员确定。②浇注把液态金属浇入铸型的过程称为浇注。浇注工序操作不当，会引起浇不到、冷隔、跑火等缺陷。因此，在浇注前需检查浇包是否完好，金属液数量是否足够。如果浇包有损坏应进行清理和修补，然后将浇包和挡渣钩烘干备用。另外，应检查铸型装配是否符合要求，砂箱是否紧固，浇口、冒口、通气孔是否通畅；估计好每个铸型所需的金属液量，安排好浇注路线；清除浇注通道上的积水和杂物。浇注时必须注意以下问题：①控制浇注温度浇注温度过低时，由于铁液流动性差，易产生浇不到、冷隔等缺陷；浇注温度过高时，易产生缩孔、裂纹以及粘砂等缺陷。确定浇注温度时需考虑铸件大小及形状。对形状复杂的薄壁件，浇注温度应高一些；简单的厚壁件，浇注温度可低一些；②控制充型速度充32 型速度太慢，易产生浇不到等缺陷，同时也影响生产效率。充型速度太快，则易产生气孔，同时由于金属液的速度增大，易造成冲砂、抬箱、跑火等缺陷。因此，浇注速度应视铸件的形状而定，对于薄壁件要求较快的浇注速度；③浇注时，不允许断流，故金属液量不够时不应浇注；④应注意挡渣，为使熔渣变稠而便于扒渣或挡渣，可在浇包金属液面上加一些干砂或稻草灰；⑤及时点燃从砂型中逸出的气体，以防CO等有害气体污染空气及形成气孔。5)落砂与清理将铸件从砂型中取出的操作称为落砂。落砂时应注意铸件的温度。对铸铁件而言，落砂过早，铸件温度太高，在空气中急冷而产生白口，难以加工且易产生变形和裂纹。落砂过晚，会使生产周期延长，生产率降低，同时铸件的冷却收缩会受到铸型和型芯的阻碍，形成较大的收缩应力，增大铸件产生变形和裂纹的倾向。落砂后的铸件必须经过清理，才能使铸件外表面达到要求。清理工作主要包括：去除浇冒口、清除砂芯、清除粘砂及对铸件进行修整。(3)铸件质量检验铸造生产经造型、制芯、浇注等一系列过程，最终制成铸件，生产流程中虽设置了各种质量控制手段和各工序的中间检验环节，但铸件的最终检验，仍是不可缺少的重要环节，其目的是保证铸件质量符合交货验收条件。铸件质量检验的依据是：铸件图样、铸造工艺文件，有关标准及铸件交货验收技术条件。铸件质量主要包括以下两方面：①铸件外观质量。包括铸件尺寸公差，铸件表面粗糙度，铸件质量公差，浇冒口残留量，铸件焊补质量及铸件表面缺陷等；②铸件内在质量。包括铸件的化学成分，力学性能，金相组织，内33 部缺陷，以及其它特殊的物理、化学性能等。铸件质量检验结果分为三类：合格品、返修品和废品。合格品是指外观和内在质量符合验收条件的铸件；返修品是指铸件外观和内在质量不完全符合验收条件，但经返修后能达到标准的铸件；废品是指外观和内在质量均不合格，不允许返修或返修后仍不能达到验收条件的铸件。铸件质量检验主要有四个方面：外观质量、表面缺陷、内部缺陷、理化性能。1)铸件外观质量检验①铸件形状和尺寸检验根据铸件图样和铸造工艺文件规定提供的依据，可用划线检测的手段检查铸件的全部或部分尺寸，或用专用的工、夹、量具检测铸件的主要尺寸，根据实物与图样的符合程度，来判断铸件的质量。亦可用测量精度高、速度快的三坐标测量仪来测量铸件和工装模具的尺寸。②铸件表面粗糙度评定铸件表面粗糙度是评定毛坯铸件表面质量的重要指标。评定方法应按全国铸造标准化技术委员会标准（BWZ001?998《铸造表面粗糙度的评定方法》）的规定进行。③外观缺陷检验用肉眼或借助低倍放大镜及其它工具检查铸件表面宏观缺陷，可检验项目有：气孔、缩孔、砂眼、夹渣、粘砂、夹砂结疤、裂纹、冷隔等目视极易发现的缺陷，这是最普通最常用的方法。2)铸件表层缺陷检验铸件表层或近表面的缺陷，常用浸渗法、压力法、磁粉34 检测等无损探伤方法检验。①渗透检验渗透检验主要用于检查铸件表面开口缺陷，尤其适用于不能采用磁粉检验方法的不锈钢铸件和非铁合金铸件。其原理是：在被检铸件表面喷涂显示材料，经毛细作用，将孔隙中渗透液吸附出来并被显示。常用的检测方法有荧光检测、着色检测、浸油检测等。②压力检测压力试验是用来检验铸件壁穿透性裂纹、砂眼、气孔、缩孔等影响铸件耐压和气密性的缺陷的方法。对缸盖、缸体及其它耐压零件都要进行压力试验。压力试验是将一定压力的水、油、气压入铸件的空腔，如果铸件有穿透性缺陷，压入物将从铸件壁渗漏出来，从而发现缺陷的位置，试验压力通常要超过铸件工作压力30%～50%。生产中常用渗煤油法检验铸件的耐压能力。③磁粉探伤磁粉探伤常用于铸钢、铸铁等铁磁性材料表面或近表面缺陷的无损检测，主要用于检查裂纹以及夹渣、气孔等。35 其原理是在强磁场中缺陷和铁磁材料基体的磁导率不同，在缺陷处产生漏磁场而吸附撒在材料表面的磁粉。探伤方法是将待检验的铸件，放在电磁铁正负极之间，使磁力线通过铸件，并在铸件表面撒上细磁粉或浇上磁粉悬浮液，如铸件表层存在缺陷，会产生很大的磁阻，使磁力线在缺陷处穿出铸件表面再进入铸件，到达铸件的另一极，如图2.2.20所示。这就形成漏磁场，缺陷附近的磁粉被漏磁场吸引，在缺陷处形成肉眼可见的磁粉堆积和定向现象，形成的图案与缺陷相似，显示缺陷的位置。磁粉检测操作简便、可靠、价格便宜，应用十分广泛。3)铸件内部缺陷检测主要检验方法有射线探伤法和超声波探伤法。射线探伤较超声波探伤更利于缺陷种类的判定。随着对铸件质量要求的提高，已广泛应用于铸件缺陷检验，有的甚至配备于铸件清理流水线，对铸件全数检查。①射线检测用射线检测铸件缺陷的方法称为射线检测。原理是利用Χ射线或γ射线穿透被测材料时，材料中的原子对射线的能量不断吸收和散射，使射线能量逐渐衰减，衰减的快慢与物体的密度有关，密度越大，衰减越快，与厚度成正比。而铸件缺陷部位对射线的吸收能力大大低于金属对射线的吸收能力，因而在射线感光的胶片上，便显示出不同的黑度图象，如图2.2.21所示。36 被检铸件左端厚右端薄，射线通过右半部比左半部能量吸收少，因而底片的黑度比左半部大，铸件右端的孔洞使其有效厚度减小，因而对应的黑度较周围高，胶片冲洗后便显示出缺陷图形。射线能探测的铸件厚度与铸件材质有关，对钢材来说，X射线能探测的厚度在180mm以下，（一般工厂的设备上能探测50mm左右），γ射线能探测的厚度在300mm以下，但X射线的透视灵敏度较γ射线高。②超声波检测超声波探伤是用指向性和束射性强的超声波在介质中直线传播，遇到缺陷时在界面上会产生反射，特别是由金属传向空气或由空气传向金属时，差不多99%能量从界面上反射回去，反射信号被探头接收，经处理后显示在荧光屏上，根据反射信号的特征，判断被测材料内部有无缺陷，以及缺陷的位置、形状和大小。图2.2.22中a）表示铸37 件内没有缺陷，荧光屏上只有探测面上反射形成的始波和底面上反射形成的底波。b）表示有缺陷，它除了始波和底波，还有因缺陷反射形成的伤波，根据伤波在始波和底波之间的位置，可以推测出缺陷的位置和深度。缺陷越大，经缺陷反射的能量越多，伤波越高，而相应的底波要降低。进行超声波探伤时，应对探伤面局部打磨或机械加工，并在被测表面涂刷一层耦合剂（如机油），使超声波探头与铸件表面贴和，使超声波大部分能进入铸件内部，然后按一定的路线缓慢移动探头，并注意波屏上的图形，从而判断缺陷的种类、大小和深度，但难以探知缺陷的性质。超声波探伤适应范围广、灵敏度高，当缺陷表面与超声波传播方向垂直时，检出率更高、更灵敏。灰铸铁由于片状石墨和夹渣的存在相当于裂纹，对探伤灵敏度有影响，一般应用于球墨铸铁件。4)理化性能检验理化性能检验主要包括化学成分分析，金相组织检验，力学性能测定及特殊性能检验。①化学成分分析铸钢件、非铁合金铸件以及要求特殊性能的高合金铸件和特种铸铁件，常把化学成分作为铸件验收的条件之一。为了保证铸件质量，在生产中对一般铸铁件也要进行成分检查和控制。铸铁的成分分析，一般分为炉前检验和成品铸件终端检验。炉前分析一般用快38 速测定法，如热分析法、光谱分析法等，数分钟即可测出结果，满足连续批量生产的要求。终端检验及仲裁检验，以化学分析法为多。②金相组织检验铸件的金相组织对材料的力学性能有着决定性的影响。相同化学成分的铸件，可具有不同的金相组织和力学性能。因而在技术标准、合同文件和验收依据中，均作相应的规定。a)金相试样的制备铸件的显微组织，通常采用金相显微镜进行观测，必要时可拍成照片进行细致的分析，试样可用做过力学性能的试样，也可从铸件本体、专用或附铸试块上切取，取样的部位由供需双方商定。端盖的金相试样从内浇道，靠近铸件的部位截取。为了在金相显微镜下确切地、清楚地观察到金属内部的显微组织，金属试样必须进行精心的制备。试样制备过程包括取样、磨制、抛光、浸蚀等工序。取样：取样时必须根据检验目的和要求，选择具有代表性的部位；磨制：磨好的试样要进行磨光，磨光分粗磨和细磨。粗磨，是将取样所形成的粗糙表面和不规则的外形修整平坦、成形。一般较软的非铁金属及其合金，采用锉刀或粗砂纸磨平，其它的可在砂轮机上磨平。细磨，将粗磨磨平的试样用水冲洗干净，而后用金相砂纸由粗到细，依次进行磨光，也可在预磨机上进行。在预磨机上磨时，用力应均匀，并要用水不断冷却，以防止试样受热而引起组织变化；抛光：试样经磨光后还要进行抛光，目的是消除试样磨面上的细微磨痕，最后得到一个平整、光亮、无痕的镜面。抛光有机械抛光、化学抛光和电解抛光，最常用的是机械抛光；浸蚀：抛光后的试样表面是平整光亮的镜面，必须将抛好的试样磨面浸入化学试剂（铁碳合金常用4%硝酸酒精溶液）中或用化39 学试剂揩擦试样磨面，以显示出组织。制备好的金相试件在金相显微镜下进行组织观察,在生产及科研中得到广泛的应用。b)金相显微镜的原理和构造金相显微镜的种类和形式很多，常见的有台式、立式和卧式三大类，其构造往往由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的还附有摄影装置。现以一种台式金相显微镜（如图2.2.23所示）为例来进行说明。光学系统显微镜的光学系统如图2.2.24所示。由灯泡发出的光线经聚光镜组及反光镜聚集到孔径光阑，再经过聚光镜聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样的表面。从试样反射回来的光线复经物镜组合、辅助透镜，由半反射镜转向，经过辅助透镜以及两个棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实像。该像再经过目镜的放大，就成为在目镜视场中能看到的放大映像。显微镜的放大倍数是物镜和目镜放大倍数的乘积，且主要通过物镜来保证。通常，这种金相显微镜的物镜放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达15倍。图2.2.23XJB—1型金相显微镜的外形结构图图2.2.24金相显微镜的光学系统光学系统显微镜的光学系统如图2.2.24所示。由灯泡发出的光线经聚光镜组及反光镜聚集到孔径光阑，再经过聚光镜聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样的表面。从试样反射回来的光线复经物镜组合、辅助透镜，由半反射镜转向，经过辅助透镜以及两个棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实像。该像再经过目镜的放大，40 就成为在目镜视场中能看到的放大映像。显微镜的放大倍数是物镜和目镜放大倍数的乘积，且主要通过物镜来保证。通常，这种金相显微镜的物镜放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达15倍。照明系统在底座内装有一个6～8V的低压钨丝灯泡作为光源，由变压器降压供电。聚光镜、反光镜和孔径光阑等装置都安装在圆形底座上。视场光阑及另一聚光镜安在支架上。通过以上一系列透镜及物镜本身的作用，使试样表面获得充分均匀的照明。机械系统底座支持整个显微镜体，载物台放置试样。载物台与下面托盘之间采用粘性油膜联接，在手的推动下可使其在一定范围内移动，以改变试样的观察部位。在显微镜的两侧有粗动和微动调焦手轮，通过它可调节物镜与试样表面的距离，以得到清晰的映像。孔径光阑装在照明反射镜上面，经调整能够控制入射光束的粗细，以保证物象的足够清晰；视场光阑位于物镜支架下面，经调整可控制视场范围，使目镜中视场清晰明亮。在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光阑的中心。41 物镜转换器成球面形，上有三个螺孔，可安装三个不同放大倍数的物镜，物镜转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。目镜筒呈45o倾斜式安装在附有棱镜的半球形座上。目镜筒也可转向90o水平状态以配合照相装置进行显微摄影。图2.2.23所示为XJB?型金相显微镜的外形结构图。c)金相组织分析用光学金相显微镜，对金属磨面（磨光、抛光腐蚀后）进行观察分析，可观察到金属组织的组成物（大小、形状和分布）、非金属夹杂物、成分偏析、晶界氧化特征等。学生首先在金相显微镜下观察碳的质量分数为0.2％、0.45％、0.6％、0.8％、1.2％的钢(如果在第11章进行综合实践性教学环节则刚的组织可不观看)和常见铸铁的组织，然后观察自己制备端盖的金相组织应为（F+P）基体上面分布着片状石墨。d)电子显微镜简介要深入研究金属的显微结构，光学金相显微镜的放大倍数已不能满足需要，需采用电子显微镜进行分析。是依靠电子束在电磁场内的偏转使电子束聚焦的原理来工作的，电子显微镜具有比金相显微镜高得多的放大倍数和分辨率。高压和超高压透射电子显微镜，可以直接观察薄层晶体，也可以观察复型，获得金属构造的细节和断口的形貌。扫描电子显微镜，兼有一般金相显微镜、电子显微镜的长处，既能进行表面形貌观察，又能进行成分分析和晶体分析，是一种得到广泛应用的先进的综合分析和检测仪器。42 进行金相检验，有利于改进生产工艺、提高铸件质量，是生产高质量铸件不可缺少的手段。③力学性能检验主要指常规力学性能检验，检验项目通常包括：抗拉强度、屈服点、断后伸长率、冲击韧度、硬度等。要制取单铸试样、附铸试样或本体试样，在专门测试设备上测定，但单铸试样的制取必须在冷却条件与铸件相仿的条件进行。力学性能是对机械零件基本的性能要求。是化学成分、金相组织等内在质量因素的最终反映，是国家标准和验收条件中明确必须达到的指标。在生产实践中，力学性能检验，除了作拉伸和冲击试验外，常使用手提式布氏硬度计来检验铸铁件的硬度。手提式布氏硬度计的试验原理与固定式硬度计相同，不同之处在于它可以随身携带，使用方便。现在简单介绍一下固定式硬度计的应用。43 布氏硬度计多采用杠杆重锤式加荷机构，装有时间控制装置，用电动机带动加卸荷机构。目前常用的是HB-3000型布氏硬度计，其结构如图2.2.25所示。其主要由机体、工作台、大小杠杆、减速器和换向开关等部件组成，其作用由指导教师现场讲解。布氏硬度（HBS）试验规范可按表2.2.8进行选择。布氏硬度试验的压痕较大,试验结果比较准确,但不能测定高于450HBS(钢球压头)和高于650HBW(硬质合金压头)的材料,否则压头会发生变形及损坏,同时也不宜测定厚度太薄或表面不允许有较大压痕的零件。44 布氏硬度计的操作步骤：a.由表2.2.8中选直径为10mm淬火钢球压头，擦干净装入布氏硬度计的主轴套（11）中紧固，调整砝码（5）到所选载荷。b.将被测试样放在工作台上，顺时针转动工作台升降手轮16，使试样与压头接触并压紧（至手轮空转为止）。c.松开压紧螺钉，把时间定位器旋至所需保持时间位置。d.打开电源开关（绿灯亮），按下电机启动按钮，开始加载荷，待载荷全部加上时（红灯亮），迅速拧紧螺钉，时间定位器开始转动，达到保持时间后红灯自动熄灭。e.电机停止转动后，逆时针转动手轮（16），使工作台下降，取下试样。f.用读数显微镜测量试样表面的压痕直径d。g.根据压痕直径d和已知的F、D值，由表得该试样的布氏硬度值。注意事项：1）电机未停止转动时，不允许转动手轮(16)。2）在试验过程中，设备若发生故障应及时关掉电源开关(1)，待老师处理。质量检验合格的产品可以入库或直接交给用户。在上述实践性教学环节进行完之后，学生对铸件生产和检验的过程进行全面总结。在此基础上写出生产报告。45 (4)生产报告1）砂型铸造生产工艺文件2）端盖铸件的生产过程3）端盖的质量检验报告4）端盖铸件生产工艺的改进方案5）心得体会（四）零件结构的铸造工艺性零件结构的铸造工艺性：指零件采用铸造方法制坯时，其结构能否用最经济的方法制造出来并符合设计要求的能力，它直接影响到铸件质量和生产成本，甚至影响到能否铸造成形。下面着重从保证铸件质量和简化铸造工艺两方面分析铸件结构设计时应考虑的问题。1．合金的铸造性能对零件结构的要求（1）铸件壁厚1）铸件壁厚应:适当：若壁厚过小，金属的充型能力差，易产生浇不到、冷隔等缺陷。砂型铸件的最小允许壁厚，铸钢件一般为6~12mm，灰铸铁件一般为5~10mm，铸件尺寸小时取较小值。若壁厚过大，壁的中心部位晶粒粗大，且易产生缩松等缺陷。图2-2-17所示为改进铸件壁厚的示例。具体数值可到机械设计手册中去查。46 2）铸件壁厚应均匀：铸件各部位壁厚应均匀一致，以利于减少热节，防止产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷，如图2-2-18所示。3）内壁厚应小于外壁：铸件内部的肋、壁等，散热条件差，冷却速度较慢，故内壁应比外壁薄，以使整个均匀冷却，从而减少内应力和防止裂纹产生。图2-2-19所示内壁的示例。外壁、内壁、肋之比约为1：08：06。47 （2）铸件壁的连接1）壁间的连接应采用圆角过渡：铸件壁的转角处应采用圆角过渡，以防止形成热节而产生内应力、缩孔、缩松等缺陷，如图2-2-20、2-2-21所示。48 图2-2-21铸件壁的转角a)不合理结构b)合理结构1—易产生热节处2）应避免壁的交叉和锐角连接：铸件壁的连接应避免交叉和锐角，以减小热节和热应力，避免产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷，如图2-2-22所示。交错接头适用于中小型铸件；环形接头适用于大型铸件；若为锐角连接，可采用图2-2-22c中的过渡形式。3）应避免壁厚突变：在厚、薄壁连接处应避免壁厚突变，以防止产生应力集中而开裂。壁厚差别较小时可采用圆角过渡，壁厚差别较大时可采用模形连接，如图2-2-23所示。49 （3）防止铸件产生变形为了防止某些细长或平板类易变形的铸件产生翘曲变形，应将其截面设计为对称结构（图2-2-24）。（4）铸件应避免有过大的水平面50 铸件上过大的水平面不利于金属液的充填，不利于气体和夹杂物的排除，容易使铸件产生冷隔、浇不到、气孔、夹渣等缺陷。并且，铸型内水平型腔的上表面受高温金属液长时间烘烤，易开裂而产生夹砂、结疤等缺陷。因此，应尽量将其设计成倾斜壁（图2-2-26，2-2-27）。（5）铸件结构应有利于自由收缩铸件收缩受到阻碍时将产生应力，当应力超过合金的强度极限时，将产生裂纹。因此，设计铸件时应尽量使其自由收缩。图2-2-28所示轮形铸件的轮辐为偶数、直线型，对于线收缩很大的合金，会因应力过大而产生裂纹。如将其改为奇数轮辐，或如图2-2-28b、c所示的带孔辅板和弯曲轮辐，则可借轮辐和轮缘的微量变形来减少应力，防止裂纹。51 2．铸造工艺对零件结构的要求（1）铸件外形1）应利于减少和简化铸型的分型面：铸型的分型面应尽量少，并应尽量避免不平的分型面，以利于造型。如图2-2-29a所示，一个铸件有两个凸缘，造型时须采用两个分型面；另一个铸件端面有圆角，不得不采用曲折的分型面，须采用挖砂或假箱造型，均使操作难度增大，故应采用图2-2-29b所示的结构。52 2）侧凹和凸台不应妨碍起模：铸件侧壁上的凹槽和凸台常常妨碍起模，造型时需采用外型芯或活块，较为费工。应尽量避免外部侧凹和凸台，也可将侧凹延伸至铸件小端，凸台延伸至铸件大端，如图2-2-30，图2-2-31所示。53 3）垂直于分型面的非加工面应具有结构斜度。结构斜度是结构斜度是零件结构所具有的斜度。铸件上与分型面垂直的非加工面应有结构斜度，以便于造型时取出模样。考虑到保持铸件的壁厚均匀，内、外壁应相应倾斜，且内壁倾斜还有利于造型时以砂垛取代型芯，如图2-2-32所示。54 （2）铸件的内腔1）内腔形状应利于制芯或省去型芯。简单的内腔形状，可简化芯盒结构及便于制芯。内腔较浅时，其形状还应利于用砂垛取代型芯。如图2-2-33所示的铸件内腔，将出口处加大后即可省去型芯。对于箱形结构，还可考虑用肋板结构替代型芯，如图2-2-34，2-2-35所示。55 2）有利于型芯固定、排气和清理将轴承支架的原设计图2-2-36a改为图2-2-36b的结构，型芯为具有三个芯头的整体结构，避免了原设计中型芯难以固定、排气和清理的问题。56 图2-2-37a铸件在结构上不需要作出孔，型芯只能用型芯撑支承，型芯的稳定性不够，排气性不好，且铸件清理。在不影响铸件使用性能的前提下，将其改为图2-2-37b的结构，在铸件底部增设两个工艺孔，可简化铸造工艺。若零件不允许有此孔，可在机械加工时用螺钉或柱塞堵死，如为铸钢件可用钢板焊死。3）大件和形状复杂件可采用组合结构。在不影响铸件精度、刚度和强度的前提下，大件和形状复杂件可采用组合结构，即将其分为若干件分别铸造，再通过焊接或机械连接等方法组合为一体，以简化结构设计和制造工艺，如图2-2-38所示。．砂型铸造常用的铸造工艺符号和表示方法见下表。表2-7砂型铸造常用铸造工艺符号及表示方法57 58 59 5．铸造工艺设计示例支架零件如图2-2-16a所示，材料为HT200，单件、小批生产，工作时承受中等静载荷，试进行铸造工艺设计。（1）零件结构分析从铸造工艺性考虑，零件结构存在两个问题。一是筒壁过厚，易产生粗晶、缩孔等缺陷；二是凸缘至简壁的转角处未采用圆角过渡，易产生应力集中。修改后的结构如图2-2-16b所示。（2）选择铸造方法及造型方法该支架为普通灰铸铁件，工作时承受中等静载荷，强度、精度和质量要求均不高，且为单件、小批生产。宜采用砂型铸造（手工造型）中的两箱造型。60 （3）选择浇注位置和分型面有两种方案可供选择，如图2-2-16a所示。方案Ⅰ：采用分模两箱造型，浇注时铸件轴线处于水平位置，两凸缘端面侧立，质量较易保证。各圆柱面虽有一部分朝上，但多为非加工面，ф70mm内表面虽需加工但质量要求不高。该方案的分型面与模样的分模面重合，且芯头位于分型面上，便于下芯，型芯、排气和尺寸检查。但该方案铸件分为在两个砂箱，易产生错箱缺陷，合型时需加强砂型定位。方案Ⅱ：采用分模三箱造型，浇注时铸件轴线处于垂直位置，朝下的凸缘端面质量较好。分型面为两凸缘端面，铸件位于同一砂箱中，不会产生错箱缺陷。但需要加大加工余量以保证朝上的凸缘端面的质量，金属损耗和切削工作量均较大，且三箱造型操作费工。61 （4）确定工艺参数1）铸件尺寸公差：因精度要求不高，故取CT15。62 2）要求的机械加工余量（RMA）：同上理，余量等级H级。参考表2-6，余量取值5mm，标注为GB/T6414-CT15-RMA5（H）。3）铸件线收缩率：因为是灰铸铁件且为受阻收缩，取0.8%。4）起模:斜度因该铸件凸缘端面为需机械加工的表面，参考图2-2-14，选增加壁厚形式，斜度值取1°。5）不铸出的孔：该铸件6个ф18孔均不在铸出。6）芯头形式：参考图2-2-15，采用水平芯头。（5）设计浇注系统该铸件为灰铸铁件，铸造性能好，壁厚较均匀，故采用同时凝固原则。为均匀地引入金属液，且减小对型芯的冲击及便于造型操作，在分型面处的铸件两凸缘位置开设内浇道。（6）绘制铸造工艺图参考表2-7，绘出铸造工艺图如图2-2-16b所示（工艺参数从略）。二、少、无切削的铸造方法（特种铸造）特种铸造是与砂型铸造不同的其它铸造方法，如金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、熔模铸造、实型铸造和连续铸造等。绝大多数特种铸造方法铸件精度高、表面粗糙度值低，易实现少、无屑加工；铸件内部组织致密，力学性能较好；金属液消耗少，工艺简单，生产效率高；是今后的发展方向。63 （一）实型铸造实型铸造又称“气化模造型”、“泡沫聚苯乙烯塑料模造型”、“消失模铸造”或“无型腔铸造”等。这种铸造方法的实质是采用泡沫聚苯乙烯塑料模样代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在灼热液体金属的热作用下，泡沫塑料模气化、燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模所占据的空间位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。实型铸造工艺过程如图7-4所示。与普通铸造根本差异在于没有型腔和分型面。1．模样和型砂：制模材料常用聚苯乙烯泡沫塑料，制模方法有发泡成形和加工成形等两种。发泡成形是用蒸汽或热空气加热，使置于模具内的预发泡聚苯乙烯珠粒进一步膨胀，充满模腔成形。用于成批、大量生产。加工成形是采用手工或机械加工预制出各个部件，再经粘结和组装成形。用于单件，小批生产。模样表面应涂刷涂料，以使铸件表面光洁或提高型腔表面的耐火性。型砂有以水泥、水玻璃或树脂为粘接剂的自硬砂和无粘接剂的干硅砂等，分别应用于单件、小批生产和成批、大量生产。2．实型铸造的特点和应用：（1）特点：①实型铸造不必起模和修型，工序少，生产效率高；②铸件精度高、形状可较复杂；③可采用无粘接剂的干砂造型，劳动强度低。64 ④此方法目前尚存在模样气化时污染环境、铸刚件表层易增碳等问题。（2）应用：实型铸造应用范围较广。①几乎不受铸件结构、尺寸、重量、批量和合金种类的限制；②特别适用于形状较复杂铸件的生产。此铸造方法正在大力推广应用。（二）金属型铸造即在重力作用下将熔融金属浇入金属型获得铸件的方法。1．金属型：多采用铸铁制成，其中应用最多的是灰铸铁。铸件性能要求高时，也可采用合金铸铁、碳钢或低合金钢。金属型可分为整体型、水平分型、垂直分型和综合分型等四种类型，其中垂直分型便于开设浇冒口和安放金属芯，易于排气便于实现机械化，应用较广。因金属型导热性较好，故浇道截面积比砂型铸造大20%～25%，浇道长度也较短。金属型无透气性，故其上部应开设出气冒口，分型面上应开设排气道，难以排气的部分应增设出气孔或通气塞。图2-2-39垂直分型式金属型的结构2.金属型铸造的工艺特点65 (1)铸型必须预热：因金属型导热性较好，铸件极易产生冷隔、浇不到、气孔等铸造缺陷，故浇注前须预热。预热温度根据铸件材质确定，灰铸铁件一般为250～350℃，铝铸件一般为200～300℃。工作过程中应注意散热，以免铸型温度过高。(2)型腔须喷刷涂料：在型腔表面喷刷涂料，可以保护其免受金属液直接冲蚀和热击，且可利用涂料层的厚薄不同调节铸件各部分的冷却速度。涂料厚度通常为0.3～0.4mm。涂料成分因铸件材质不同而异，铸造铝合金件时所用的涂料常用氧化锌粉、白垩粉、水玻璃和水配制。(3)及时开型取件：铸件在金属型内停留越久，收缩量就越大，不仅增大了内应力、裂纹倾向，还使铸件取出的难度增大，故浇注后在保证铸件高温强度足够的前提下，应及早开型取件。一般中、小型铸件开型取件时间为浇注后10～60s。3.金属型铸造的优缺点及应用：(1)优点：1)金属型铸造一型多铸，节省造型材料且减少了环境污染；2)工艺简单，易于实现机械化和自动化；3)铸件精度高、表面粗糙度值低、力学性能好。但其制型费用高，铸型无透气性和退让性，且铸件冷却快。(2)缺点：66 1)不宜铸造结构复杂、薄壁或大型铸件；2)用于铸钢、铸铁等熔点较高的合金时，铸型寿命短；灰铸铁件铸造时还易于白口组织。(3)应用：金属型铸造主要用于成批、大量生产铝合金、铜合金等非铁合金的中、小型铸件，如活塞、缸体、液压泵壳体、轴瓦和轴套等。(三)压力铸造压力铸造是指金属液在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。常用的压射比5～150Mpa，充型速度约为0.5～50m/s，充型时间为0.01～0.2s。1．压铸机和压铸工艺过程压铸机是压力铸造生产的主要设备，按压室（压射室）一般分热压室压铸机（压室浸于金属液中）和冷压室压铸机（压室与金属液保温炉分开）两大类。目前应用较多的是卧式冷压室压铸机。这种压铸机主要由合型机构、压射机构、动力系统和控制系统等部分组成。合型机构用于开合压铸型和固紧铸型，压铸型是压铸时所用的金属型，由定型和动型两部分组成，定型固定在机架上，动型由合型机构带动可沿水平方向移动。压铸型上通常装有抽芯和顶出铸件的机构。卧式冷压室压铸机的压铸工艺过程如动画2-2-5所示，主要包括向型腔喷射涂料、合型、浇入金属液、压射金属、保压、冷凝后打开压铸型、顶出铸件。67 2．压力铸造的特点和应用压力铸造的主要特征是铸件在高压、高速下成形，与其他铸造方法相比，压力铸造具有以下优点：(1)优点：1)生产率比其他铸造方法都高，可达50～500次/h，操作简便，易于实现自动化。2)铸件质量好，尺寸精度高。压铸件一般不需要进行切削加工即可直接装配使用。3)可生产形状复杂、薄壁铸件，可直接铸出细孔、螺纹、齿形、花纹、文字等，也可铸造出镶嵌件。68 4)压铸件的强度和表面硬度较高，抗拉强度比砂型铸件提高20%～40%。但是压力铸造设备投资大，压铸型费用高，生产周期长，只适用于大批量生产。由于金属液在高速下充型，型内气体很难排出，压铸件内常有小气孔存在于表皮下面，故压铸件不允许有较大的加工余量以防气孔外露，也不宜进行热处理或在高温下工作，以免气体膨胀而使铸件表面突起或变形。(2)应用：主要用于大批量生产铝、锌、镁、铜等有色金属及合金的中、小型铸件。在汽车、拖拉机、仪表、医疗器械、日用五金及国防工业等部门都有广泛应用，如发动机气缸体、气缸盖、箱体、仪表壳体和支架、齿轮、电动机转子等。(四)低压铸造低压铸造是指金属液在气体压力作用下完成充型和凝固的铸造方法。其压力为0.02～0.06Mpa。1.低压铸造的工艺过程：如动画2-2-6所示，铸型一般安置在储有金属液的密封坩埚上方，向坩埚中通入干燥的压缩空气（或惰性气体），在金属液表面造成低压力，使金属液由升液管上升填充铸型，铸型充满后再保持一定压力（或适当增压），使型内金属在压力下凝固，然后将坩埚上部与大气相通，随着压力消失，升液管和浇口中尚未凝固的金属液流回坩埚，打开铸型取出铸件。69 2.低压铸造的工艺特点和应用低压铸造是介于重力铸造（砂型、金属型铸造）和压力铸造之间的铸造方法，它具有下列优点：(1)优点1)可人为地调整压力，因此适应性强。可用于各种铸型，如砂型、金属型、壳型、熔模型壳等，适用于各种合金及各种大小铸件。2)铸件在压力下结晶，浇口又能起补缩作用，故铸件组织致密，力学性能好。其抗拉强度和硬度比重力铸造件提高约10%。对于铝合金能有效地克服铸件的针孔等缺陷。3)浇注时压力较低，底注充型，平稳且易控制，减少了金属液对型腔、型芯的冲击和飞溅现象。70 4)可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件（最小壁厚为2～5mm）。5)由于简化浇冒口系统，浇口余头小，故金属的实际利用率高（可达95%）。6)设备简单，投资少，操作简便，劳动条件好，易于实现机械化、自动化。但、由于坩埚及升液管长期受金属液的侵蚀，寿命较短。低压铸造的生产率低于压力铸造。(2)应用低压铸造目前主要用于生产铸造质量要求高的铝合金、镁合金铸件，如气缸体、缸盖、高速内燃机的铝活塞、带轮、变速箱壳体、医用消毒缸等形状复杂的薄壁铸件。(五)离心铸造离心铸造是将金属液浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型，在离心力的作用下凝固的铸造方法。铸件的轴线与旋转铸型的轴线重合。铸型可用金属型、砂型、陶瓷型、熔模壳型等。1．离心铸造机离心铸造机是离心铸造所用的设备，按其旋转轴空间位置的不同分为立式、卧式二种。立式离心铸造机的铸型是绕垂直轴旋转（图2-2-41a）,由于金属液的重力作用,铸件的内表面呈抛物线形,故铸件不易过高,它主要用于铸造高度小于直径的环类、套类及成形铸件。卧71 式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转（图2-2-41b），铸件的壁厚较均匀，主要用长度大于直径的管类、套类铸件。图2-2-41离心铸造示意图2．离心铸造的特点和应用与其它铸造方法相比，离心铸造的优点是：（1）优点1）铸件组织致密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。72 2）铸造圆形中空铸件时，不用型芯和浇注系统，简化了工艺过程，降低了金属消耗。3）提高了金属液的充型能力，改善了充型条件，可用于浇注流动性较差的合金及薄壁铸件。4）可生产双金属铸件，如钢套内镶铜轴承等，其结合面牢固、耐磨，又可节约贵重金属材料。5）离心铸造适应性较广，铸造合金的种类几乎不受限制。既合适于铸造中空件，又可以铸造成形铸件。中空铸件的内径通常为8～3000mm；铸件长度可达8000mm；质量可由几克至十几吨。但离心铸造不宜生产易偏析的合金（如铅青铜等），铸件内表面较粗糙，尺寸不易控制。（2）应用离心铸造主要用于生产各种管、套、环类铸件，如铸铁管、铜套、滑动轴承、缸套、双金属钢背铜套等铸件，也可用于生产齿轮、叶轮、涡轮等成形铸件。（六）熔模铸造熔模铸造是指在易熔（如蜡料）制成的模样上包覆若干层耐火涂料，待其干燥硬化后熔出模样而制成型壳，型壳经高温培烧后即可浇注的铸造方法。熔模铸造是精密铸造方法之一。1．熔模铸造的工艺过程73 熔模铸造的工艺过程如动画2-2-7所示。（1）用钢或铜合金等加工制成用来制造压型的母模。（2）制造压型压型是制造熔模的模具。压模尺寸精度和表面质量要求高，它决定了熔模和铸件的质量。批量大、精度高的铸件所用压型常用钢或铝合金加工制成，小批量生产可用易熔合金浇注而成。（3）制造模样。模样的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用的为50%石蜡加50%硬脂酸。将其加热只熔融（糊状）状态后压入压型，凝固后取出得到蜡模组。当铸件较小时，常将单个蜡模粘焊在预制好的蜡质浇注系统上制成蜡模组。（4）制造型壳。将蜡模组浸入涂料（石英粉加水玻璃粘结剂）中，取出后在其表面撒上一层石英砂，再放入硬化剂（氯化铵熔液）中进行化学硬化。如此反复涂挂4~9层，得到厚度约5~10mm的坚硬型壳。然后将结壳后的蜡模组放入90~95℃的热水中，使蜡模熔化并从浇口流出得到中空的型壳。74 （5）造型和培烧为加固型壳，防止型壳浇注时变形或破裂，可将其竖放在铁箱中，周围用干砂填紧，此过程称为造型。对于强度高的型壳可不必填砂。为进一步排除型壳内的水分、残留蜡料及其他杂质，提高其强度，还需将装好型壳的铁箱送入加热炉内在900~950℃培烧。（6）浇注为提高金属液的充型能力，应在型壳培烧出炉后趁热（600~700℃）进行浇注。冷却凝固后清除型壳，便得到一组带有浇注系统的铸件。2．熔模铸造的特点和应用由于熔模铸造采用可熔化的一次模，无需起模，故型壳为一整体而无分型面，而且型壳是由耐火度高的材料制成，因此熔模铸造具有下列优点：。（1）可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件。其最小铸出孔的直径为0.5mm，最小壁厚为0.3mm。（2）铸件精度高，表面质量好。铸件尺寸公差等级可达：钢铁材料CT7~CT5，铜合金等CT6~CT4；R值为12.5~1.6μm；加工余量为0.2~0.7mm。实现了少、无切屑加工，节省了金属材料和加工工时。（3）适用于各种合金，尤其适用于高熔点合金及难以切削加工的合金，如耐热合金，磁钢、不锈钢等。（4）生产批量不受限制，可实现机械化流水生产。75 但是熔模铸造工序繁多，工艺过程复杂，生产周期较长（4~15天），铸件不能太长、太大（受蜡模易变形及型壳强度不高的限制），质量多为几十克到几公斤，一般不超过25kg。铸件成本比砂型铸件高。熔模铸造主要用于生产汽轮机、水轮机上小型的叶片和叶轮、切削刀具及汽车、拖拉机、船舶、机床和风动工具上的小型零件等，目前，其应用范围还在不断扩大。（七）连续铸造连续铸造是指将金属液连续地浇入水冷金属型（结晶器）中，连续凝固成形的方法。水冷金属型的结构决定铸件断面形状。1．连续铸造的工艺过程铸铁管连续铸造的工艺过程如动画2-2-8所示：水冷金属型主要由内、外结晶器组成，内、外型之间的间隙为铸件的壁厚。浇注前，升降盘上升封住水冷金属型底部。浇注时，金属液经带有小孔的环形旋转浇杯均匀地进入水冷金属型空腔，当下部铸铁已凝固一定高度时，升降盘下降，不断将凝固的部分拉出，而铁液按相应的浇注速度不断浇入，直到结束。76 2．连续铸造的特点及应用与其他铸造方法相比，连续铸造的优点是：（1）由于铸件冷却速度快，故组织致密，力学性能好。（2）不用浇注系统，中空铸件不用型芯，降低了金属的消耗，简化了造型工序，降低了劳动强度，减少了生产占地面积。（3）设备比较简单，生产过程易于实现机械化、自动化。（4）连续铸造几乎适合于各种合金，如钢、铸铁、铝合金、铜合金、镁合金等。但连续铸造不适于截面有变化，壁厚不均匀的铸件的生产，而且铸管的质量较离心铸造差。连续铸造主要用于大批量生产具有等截面的铸锭、铸管、板坯、棒坯等长铸件，如紫铜锭、铜合金锭、铝合金锭、上下水管道、煤气77 管道、板材、线材等。其中铸锭直径可由几十毫米至500毫米，铸管直径为100~1300mm；长度为5~10m。三、常用铸造方法比较在常用的铸造方法中，砂型铸造工艺适应性最强，设备费用和铸件成本较低，应用最广泛，目前世界上铸件总产量中砂型铸件约占80%~90%。但在特定的场合下，如薄壁件、精密件铸造或大批量生产时，特种铸造往往显示出独特的优越性。常用铸造方法的特点和适用范围见表2-5。四、铸造技术的发展趋势随着科学技术的迅速发展，尤其是计算机的广泛应用，铸造行业正由劳动密集型向高科技型转化，由机械化、自动化向智能化方向发展，传统工艺和材料正逐步被新工艺、新材料取代。（一）计算机的应用1．计算机辅助工艺设计（CAPP）在发达国家已得到普遍应用，如充型过程流动场、温度场、应力场、凝固组织等的模拟，铸件浇注位置、浇注系统、冒口等的优化设计，以及浇注温度、浇注时间、铸型温度等参数的计算和优化等均已应用了计算机技术。78 2．铸造过程的自动控制与检测近年来，铸造过程的控制与检测已形成了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同层次的自动化加工技术。通过集成电路取代分立元件，以可编程序控制取代继电器，已可实现铸造设备乃至整条生产线的自动控制。对各种工艺参数进行实时监控或自适应控制，已应用于型砂性能及砂处理过程、炉料配比及熔炼质量、铸型性能及造型线工作状况等的监控中。有效地提高了铸件质量和生产效率。压铸、机器造型等柔性单元（FMC）已得到开发和应用，可在规定范围内按预先确定的工艺方案不停机快速更换模具或模板，实现多品种不同批量的生产。动作功能类似人的手臂的各类操作机以及能自动控制、可重复编程、多功能的工业机器人正得到进一步开发和扩大应用。计算机集成制造系统（CIMS）也正在开发中。（二）先进制造技术的应用1．精密铸造技术随着工业生产对毛坯精度的要求不断提高，高效、高紧实度及精密铸造技术进一步得到改进和扩大应用，如高压造型、气冲造型、自硬砂造型等高紧实度砂型铸造以及压铸、熔模铸造、实型铸造等特种铸造技术。压铸和实型铸造发展迅速，压铸机正趋于大型化，轿车车门已能整体铸出。实型铸造在生产近无余量、形状复杂的铸件以及绿色生产方面的优越性已逐步显现。2．快速成形技术即采用激光固化、激光烧结或熔化沉积等多种方式，将树脂、塑料、蜡或金属等材料快速叠加获得制79 品的成形技术。图2-2-43所示为采用激光束扫描光敏树脂使其逐层固化快速成形的工作原理。该技术在铸造生产中已用于生产蜡模、铸型、型壳、型芯等。图2-2-43激光快速成形（三）金属熔炼大型冲天炉正向着热风，水冷、大吨位、连续熔炼的方向发展。小型冲天炉正向着进一步提高铁液质量的方向发展，主要是强化预热送风，加氧送风和脱湿送风等措施。大批量生产和重要铸件生产中，采用冲天炉-电炉双联熔炼日益增多，此外，感应电炉正逐步取代冲天炉，电炉熔炼将趋于熔炼与保温单一电源多炉体，以降低能耗。材料的净化与强化技术将得到进一步发展，如真空熔炼和浇注、炉外精炼、强化孕育、定向结晶和快速凝固等。（四）造型材料80 目前国内外中、小型铸件广泛采用粘土砂湿铸造，由于其工艺成熟、成本低廉、工艺适应性强、生产能力高，在今后相当长时间内仍将是主要的造型方法。干砂型国外早已淘汰，而代之以自硬砂。树脂砂成型性好，工艺简便、旧砂回用率高，且铸件表面质量较好，已经广泛用于制芯，并被公认为今后发展的方向。但因树脂含甲醛、酚等有害物质，污染环境，现在正研制比强度高的树脂，以降低其用量。适合铸钢件生产的水玻璃砂作为少、无污染的绿色铸造工艺有很好的发展前景，其溃散性差、旧砂回用率低的难题已有突破，应用面正逐步扩大。废弃旧砂全国每年有上千万吨，故采用优质原砂及提高旧砂回用率仍是降低成本、实现绿色铸造的重要课题。81