第2章(1)砂型铸造的造型工艺

第二章铸造工艺基础知识铸造：将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造生产的特点：优点——零件的形状复杂；工艺灵活；成本较低。缺点——机械性能较低；精度低；效率低；劳动条件差。分类：砂型铸造——90%以上特种铸造——铸件性能较好，精度低，效率高我国铸造技术历史悠久，早在三千多年前，青铜器已有应用；二千五百年前，铸铁工具已经相当普遍。泥型、金属型和失蜡型是我国创造的三大铸造技术。第一节砂型铸造的造型工艺铸造可分为砂型铸造和特种铸造。砂型铸造的应用最为广泛，其基本工序是：模样和芯盒制作、配制型(芯)砂、造型造芯、合型、熔炼合金、挠注、落砂清理和检验。铸造生产常规工艺流程清理落砂浇注合型型砂配制合金溶炼模样制作芯盒制作造型制芯检验芯砂配制一、砂型铸造工艺(一)型砂和芯砂的制备砂型铸造用的造型材料主要是用于制造砂型的型砂和用于制造砂芯的芯砂。通常型砂是由原砂(山砂或河砂)、粘土和水按一定比例混合而成，其中粘土约为9％，水约为6％，其余为原砂。有时还加入少量如煤粉、植物油、木屑等附加物以提高型砂和芯砂的性能。紧实后的型砂结构如图所示。型砂结构示意图1-砂粒2-空隙3-附加物4-粘土膜芯砂由于需求量少，一般用手工配制。型芯所处的环境恶劣，所以芯砂性能要求比型砂高，同时芯砂的粘结剂(粘土、油类等)比型砂中的粘结剂的比重要大一些，所以其透气性不及型砂，制芯时要做出透气道(孔)；为改善型芯的退让性，要加入木屑等附加物。有些要求高的小型铸件往往采用油砂芯(桐油+砂子，经烘烤至黄褐色而成)。(二)型砂的性能型砂的质量直接影响铸件的质量，型砂质量差会使铸件产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷。良好的型砂应具备下列性能：①透气性型砂能让气体透过的性能称为透气性。高温金属液浇入铸型后，型内充满大量气体，这些气体必须由铸型内顺利排出去，否则将使铸件产生气孔、浇不足等缺陷。铸型的透气性受砂的粒度、粘土含量、水分含量及砂型紧实度等因素的影响。砂的粒度越细，粘土及水分含量越高，砂型紧实度越高，透气性则越差。②强度型砂抵抗外力破坏的能力称为强度。型砂必须具备足够高的强度才能在造型、搬运、合箱过程中不引起塌陷，浇注时也不会破坏铸型表面。型砂的强度也不宜过高，否则会因透气性、退让性的下降使铸件产生缺陷。③耐火性指型砂抵抗高温热作用的能力。耐火性差，铸件易产生粘砂。型砂中SiO2含量越多，型砂颗粒就越大，耐火性越好。④可塑性指型砂在外力作用下变形，去除外力后能完整地保持已有形状的能力。可塑性好，造型操作方便，制成的砂型形状准确、轮廓清晰。⑤退让性指铸件在冷凝时，型砂可被压缩的能力。退让性不好，铸件易产生内应力或开裂。型砂越紧实，退让性越差。在型砂中加入木屑等物可以提高退让性在单件小批生产的铸造车间里，常用手捏法来粗略判断型砂的某些性能，如用手抓起一把型砂，紧捏时感到柔软容易变形；放开后砂团不松散、不粘手，并且手印清晰；把它折断时，断面平整均匀并没有碎裂现象，同时感到具有一定强度，就认为型砂具有了合适的性能要求，如图所示。型砂湿度适当时手放开后可看出折断时断隙设有碎裂状可用手捏成砂团清晰的手纹同时有足够的强度(三)铸型的组成铸型是根据零件形状用造型材料制成的，铸型可以是砂型，也可以是金属型。砂型是由型砂（型芯砂）做造型材料制成的。它是用于浇注金属液，以获得形状、尺寸和质量符合要求的铸件。1-分型面2-上型3-出气孔4-浇注系统5-型腔6-下型7-型芯8-芯头芯座铸型一般由上型、下型、型芯、型腔和浇注系统组成，如右图所示。铸型组元间的接合面称为分型面。铸型中造型材料所包围的空腔部分，即形成铸件本体的空腔称为型腔。液态金属通过浇注系统流入并充满型腔，产生的气体从出气口等处排出砂型。(四)浇冒口系统浇注系统浇注系统是为金属液流入型腔而开设于铸型中的一系列通道。其作用是：①平稳、迅速地注入金属液；②阻止熔渣、砂粒等进入型腔；③调节铸件各部分温度，补充金属液在冷却和凝固时的体积收缩。正确地设置浇注系统，对保证铸件质量、降低金属的消耗量有重要的意义。若浇注系统不合理，铸件易产生冲砂、砂眼、渣孔、浇不到、气孔和缩孔等缺陷。典型的浇注系统由外浇口、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成，如下图所示。对形状简单的小铸件可以省略横浇道。典型浇注系统①外浇口其作用是容纳注入的金属液并缓解液态金属对砂型的冲击。小型铸件通常为漏斗状（称浇口杯），较大型铸件为盆状（称浇口盆）。②直浇道它是连接外浇口与横浇道的垂直通道。改变直浇道的高度可以改变金属液的静压力大小和改变金属液的流动速度，从而改变液态金属的充型能力。如果直浇道的高度或直径太大，会使铸件产生浇不足的现象。为便于取出直浇道棒，直浇道一般做成上大下小的圆锥形。③横浇道它是将直浇道的金属液引入内浇道的水平通道，一般开设在砂型的分型面上，其截面形状一般是高梯形，并位于内浇道的上面。横浇道的主要作用是分配金属液进入内浇道和起挡渣作用。④内浇道它是直接与型腔相连，并能调节金属液流入型腔的方向和速度、调节铸件各部分的冷却速度。内浇道的截面形状一般是扁梯形和月牙形，也可为三角形。冒口常见的缩孔、缩松等缺陷是由于铸件冷却凝固时体积收缩而产生的。为防止缩孔和缩松，往往在铸件的顶部或厚实部位设置冒口。冒口是指在铸型内特设的空腔及注入该空腔的金属。冒口中的金属液可不断地补充铸件的收缩，从而使铸件避免出现缩孔、缩松。冒口是多余部分，清理时要切除掉。冒口除了补缩作用外，还有排气和集渣的作用。（五）模样和芯盒的制造模样是铸造生产中必要的工艺装备。对具有内腔的铸件，铸造时内腔由砂芯形成，因此还要制备造砂芯用的芯盒。制造模样和芯盒常用的材料有木材、金属和塑料。在单件、小批量生产时广泛采用木质模样和芯盒，在大批量生产时多采用金属或塑料模样、芯盒。金属模样与芯盒的使用寿命长达10万～30万次，塑料的使用寿命最多几万次，而木质的仅1000次左右。为了保证铸件质量，在设计和制造模样和芯盒时，必须先设计出铸造工艺图，然后根据工艺图的形状和大小，制造模样和芯盒。见下图。在设计工艺图时，要考虑下列一些问题：①分型面的选择分型面是上、下砂型的分界面，选择分型面时必须使模样能从砂型中取出，并使造型方便和有利于保证铸件质量。②拔模斜度为了易于从砂型中取出模样，凡垂直于分型面的表面，都做出0.5º～4º的拔模斜度③加工余量铸件需要加工的表面，均需留出适当的加工余量。④收缩量铸件冷却时要收缩，模样的尺寸应考虑铸件收缩的影响。通常用于铸铁件的要加大1％；铸钢件的加大1.5％～2％；铝合金件的加大1％～1.5％。⑤铸造圆角铸件上各表面的转折处，都要做成过渡性圆角，以利于造型及保证铸件质量。⑥芯头有砂芯的砂型，必须在模样上做出相应的芯头。二、造型方法造型方法的选择不仅要根据生产类型，而且还要根据工厂设备条件、铸件大小和复杂程度以及质量要求，进行踪合考虑。造型方法可分为手工和机器造型两大类。手工造型主要用于单件小批生产，机器造型主要用于大批大量生产。1．手工造型(1)整模造型整模造型的特点是：模样是整体结构，最大截面在模样一端为平面；分型面多为平面；操作简单。整模造型适用于形状简单的铸件，如盘、盖类(a)造下砂型(b)刮平、翻箱(c)造上型、扎气孔(d)起箱起模开浇口(e)合型(f)带浇口的铸件齿轮整模造型过程(2)分模造型分模造型的特点是：模样是分开的，模样的分开面（称为分型面）必须是模样的最大截面，以利于起模。分模造型过程与整模造型基本相似，不同的是造上型时增加放上模样和取上半模样两个操作。分模造型适用于形状复杂的铸件，如套筒、管子和阀体等。(a)造下型(b)造上型(c)开箱、起模(d)开浇口、下芯(e)合型(f)带浇口的铸件(3)活块模造型模样上可拆卸或能活动的部分叫活块。当模样上有妨碍起模的侧面伸出部分(如小凸台)时，常将该部分做成活块。起模时，先将模样主体取出，再将留在铸型内的活块单独取出，这种方法称为活块模造型。用钉子连接的活块模造型时，应注意先将活块四周的型砂塞紧，然后拔出钉子。零件图铸件模样(a)造下型、拔出钉子(b)取出模样主体(c)取出活块活块造型1-用钉子连接活块2-用燕尾连接活块(4)挖砂造型当铸件按结构特点需要采用分模造型，但由于条件限制(如模样太薄，制模困难)仍做成整模时，为便于起模，下型分型面需挖成曲面或有高低变化的阶梯形状(称不平分型面)，这种方法叫挖砂造型。零件图(a)造下型(b)翻下型、挖修分型面(c)造上型、敞箱、(d)合箱(e)带浇口的铸件起模手轮的挖砂造型过程(5)三箱造型用三个砂箱制造铸型的过程称为三箱造型。前述各种造型方法都是使用两个砂箱，操作简便、应用广泛。但有些铸件如两端截面尺寸大于中间截面时，需要用三个砂箱，从两个方向分别起模。铸件图模样(a)造下箱(b)翻箱、造中箱。(c)造上箱(d)依次取箱(e)下芯合型带轮的三箱造型过程(6)刮板造型尺寸大于500mm的旋转体铸件，如带轮、飞轮、大齿轮等单件生产时，为节省木材、模样加工时间及费用，可以采用刮板造型。刮板是一块和铸件截面形状相适应的木板。造型时将刮板绕着固定的中心轴旋转，在砂型中刮制出所需的型腔，如下图所示。(a)皮带轮铸件(b)刮板(c)刮制下型(d)刮制上型(e)合型皮带轮铸件的刮板造型过程(7)假箱造型假箱造型是利用预制的成形底板或假箱来代替挖砂造型中所挖去的型砂，如下图所示。用假箱和成形底板造型a)假箱b)成形底板1-假箱2-下砂型3-最大分型面4-成形底板(8)地坑造型直接在铸造车间的砂地上或砂坑内造型的方法称为地坑造型。大型铸件单件生产时，为节省砂箱，降低铸型高度，便于浇注操作，多采用地坑造型。下图为地坑造型结构，造型时需考虑浇注时能顺利将地坑中的气体引出地面，常以焦炭、炉渣等透气物料垫底，并用铁管引出气体。地坑造型结构地坑造型2．机器造型手工造型生产率低，铸件表面质量差，要求工人技术水平高，劳动强度大，因此在批量生产中，一般均采用机器造型。机器造型是把造型过程中的主要操作----紧砂与起模实现机械化。根据紧砂和起模方式不同，有气动微震压实造型、射压造型、高压造型、抛砂造型。(1)气动微震压实造型是采用振击(频率150～500次/分，振幅25—80mm)——压实——微振(频率700～1000次／分，振幅5～l0mm)紧实型砂的。这种造型机噪音较小，型砂紧实度均匀，生产率高。气动微震压实造型机紧砂原理见下图。(2)射压造型其特点是利用压缩空气将型砂射入型腔进行初紧实，然后压实活塞将砂型再紧实，砂型推出后，前后两砂型之间的接触面为分型面。射压造型的铸件尺寸精确、表面粗糙度小、生产率高。每小时240-300型，常用于中、小型铸件的大批量生产。(3)高压造型是利用液压系统产生很高的压力来压实砂型。其特点是铸件尺寸精确、表面粗糙度小、生产率高。高压造型适用于形状较复杂的中、小型铸件，多品种、中等批量以上的生产。(4)抛砂造型是利用高速旋转的叶片将输送带输送过来的型砂高速抛下来紧实砂型。抛砂造型适应性强，不需要专用砂箱和模板，适用于大型铸件的单件小批生产。三、制芯为获得铸件的内腔或局部外形，用芯砂或其他材料制成的、安放在型腔内部的铸型组元称型芯。绝大部分型芯是用芯砂制成的。砂芯的质量主要依靠配制合格的芯砂及采用正确的造芯工艺来保证。浇注时砂芯受高温液体金属的冲击和包围，因此除要求砂芯具有铸件内腔相应的形状外，还应具有较好的透气性、耐火性、退让性、强度等性能，故要选用杂质少的石英砂和用植物油、水玻璃等粘结剂来配制芯砂，并在砂芯内放入金属芯骨和扎出通气孔以提高强度和透气性。形状简单的大、中型型芯，可用粘土砂来制造。但对形状复杂和性能要求很高的型芯来说，必须采用特殊粘结剂来配制，如采用油砂、合脂砂和树脂砂等。另外，型芯砂还应具有一些特殊的性能，如吸湿性要低（以防止合箱后型芯返潮）；发气要少（金属浇注后，型芯材料受热而产生的气体应尽量少）；出砂性要好（以便于清理时取出型芯）。型芯一般是用芯盒制成的，其开式芯盒制芯是常用的手工制芯方法，适用于圆形截面的较复杂型芯。(