机械制造基础第三章砂型铸造

第三章砂型铸造•砂型铸造是传统的铸造方法，由于适应于各种形状、大小、批量及各种合金铸件的生产，也是使用最广的一种铸造方法。•本章围绕铸造工艺方案的制定，介绍有关造型方法的选择、浇注位置和分型面的选择、工艺参数选择等内容。用于核反应堆的大型铸件，重量达60多吨。第一节造型方法的选择•造型是砂型铸造最基本的工序，造型方法的选择对铸件质量和成本有着重要的影响。•根据自动化程度的不同，造型方法可分为:1.手工造型2.机器造型配制的型砂模样砂型配制的芯砂芯盒砂芯合箱熔化的合金浇注检验冷却落砂清理合格的铸件砂型铸造基本工艺过程一、手工造型特点(1)操作灵活，大小铸件均可适用。(2)对模样要求不高（一般木模，刮板）(3)对砂箱要求不高但是(4)生产率低(5)对工人的技术要求较高(6)铸件的尺寸精度及表面质量较差手工造型操作灵活，大小铸件均适应；主要用于单件、小批量生产。手工造型方法造型方法适用范围整模造型适用于铸件最大截面靠一端且为平面的铸件；分模造型常用于生产最大截面在中部（或圆形）的铸件；挖砂造型用于分型面不是平面的单件、小批铸件的生产；假箱造型用于成批生产需要挖砂造型的铸件；活块造型主要用于生产带有突出部分且难以起模的、单件、小批铸件的生产；刮板造型用于等截面或回转体的大、中型铸件的单件、小批量生产，如带轮、飞轮等。压环及其分型面•为了适应不同的铸件和不同批量的生产，手工造型的具体工艺是多种多样的。•图2—21所示为压环及其分型面。由于压环的内径大、高度小，这样便可利用起模后形成的砂垛(即自带型芯)制出铸件的内腔，不需另制型芯。但在不同的生产条件下，采用的造型方法也将有所不同。1．单件、小批生产•由于铸件的尺寸较大，又属回转体，故在单件、小批条件下压环宜采用刮板一地坑造型(图2—22)。•刮板造型虽较实体模样造型费工，要求工人的技术水平高，但制造刮板可节省许多工时和木材，因而铸件成本显著降低。•地坑造型因省去下箱，使砂箱的准备及运输简化，故在大、中型铸件生产中时常被采用。2．成批生产•在铸件的生产批量较大、又缺乏机械化生产的条件下，上述压环仍可采用手工造型。此时，由于均摊到每个铸件上的模具费用较少，而造型工时对铸件的成本影响变得显著，故宜采用实体模样(木模或金属模)进行两箱造型，这不仅简化了造型和合箱操作，还因型砂紧实度较为均匀，铸件的表面质量得到提高。二、机器造型•机器造型是指用机械设备实现紧砂和起模等主要工序的造型方法。•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、射砂造型和抛砂造型等。•其中，以压缩空气驱动的震压式造型方法最为常见。震压造型以压缩空气为动力；通过震击使砂箱下部的型砂在惯性力下紧实，上部松散的型砂再用压头压实。所以，震压造型方法，型砂紧实度不高，造型表面粗糙，造型时噪声较大(1)填砂打开砂斗门，向砂箱中放满型砂。(2)震击紧砂•先使压缩空气从进气口l进入震击气缸底部，活塞在上升过程中•关闭进气口，接着又打开排气口，使工作台与震击汽缸顶部发生一次震击。如此反复进行震击，使型砂在惯性力的作用下被初步紧实。(3)辅助压实•由于震击后砂箱上层的型砂紧实度仍然不足，还必须进行辅助压实。•此时，压缩空气从进气口2进入压实气缸底部，压实活塞带动砂箱上升，在压头的作用下，使型砂受到压实。(4)起模当压缩空气推动的压力油进入起模油缸，四根顶杆平稳地将砂箱顶起，从而使砂型与模样分离。震压式造型机特点•价格较低，生产率为每小时30～60箱，目前主要用于一般机械化铸造车间。•主要缺点是型砂紧实度不够高、噪声大、工人劳动条件差，且生产率不够高。•在现代化的铸造车间，一般震压式造型机已逐步被其它先进造型机所取代。微震压实造型•型砂在压实的同时进行微震，所以其紧实度比震压造型机的高而且均匀。•震动频率600～800次／min、振幅2～6mm)。•因而型砂紧实度的均匀性和型腔表面质量均优于震压造型机，且噪声较小。高压造型•高压造型机采用液压压头，每个小压头的行程可随模型自行调节，砂型各部位的紧实度均匀，且在压实的同时还可进行微震，使砂型紧实度提高且均匀，因而铸件的尺寸精度和表面质量大大提高，且噪声更小。•高压造型机在汽车、拖拉机零部件等大批量生产中甚有发展前途压实力高，噪音小且生产率高，适用于型芯较多、形状复杂的中小型铸件大批量的生产高压造型机射砂造型射砂造型是采用射砂与压实相结合的方法将型砂紧实。该方法压实力较高，铸件尺寸精确，适用于形状不大的中、小型铸件的大批量生产射砂造型机工作过程（1）射砂•压缩空气使型砂从射砂头射入造型室内(图2—24a)，造型室由左右两块模板(又称压实板)组成。（2）压实通过右模板(即右压实板)水平施压，以进行压实(图2—24b)。（3）合型•左模板向左移动，起模一定距离后向上翻起，以让出空间。•右模板前移、推出砂型，并与前一块砂型合上，形成空腔。（4）复位左右模板恢复原位，准备下一次射砂机器造芯•机器造芯除可采用前述的震击、压实等紧砂方法外，最常用的是吹芯机或射芯机。•开始时，将芯盒9置于工作台上，并向压紧缸l0通入压缩空气，使芯盒上升，以便与底板6压紧。射砂时，打开射砂阀2，使储气筒l中的压缩空气通过射砂筒4上的缝隙进入射砂筒内，于是型芯砂形成高速的砂流从射砂孔7射入芯盒，并将砂紧实，而空气则从射砂头上的排气孔8排人大气。•射砂紧实是将填砂与紧砂两个工序同时完成，故生产率很高。射砂紧实不仅用于造芯，也开始用于造型。造芯工艺的改进•近些年来，由于采用以合成树脂为粘结剂的树脂砂来造芯，使机器造芯工艺发生了变革。此时，采用电热的芯盒(或其它硬化措施)，使射入芯盒内的树脂砂快速硬化，这不仅省去了型芯骨和烘干工序、降低了型芯成本，而且由于型芯是在硬化后才从芯盒中取出，因此，型芯变形小、精度高。2.机械造型的工艺特点(1)生产率高。(2)改善了劳动条件(3)铸件的尺寸精度及表面质量较高，加工余量相对较小。但是(4)所需设备、模板、专用砂箱及厂房的投资较大。(5)采用模板只能进行两箱造型•图2—26所示的轮形铸件，由于轮的圆周面有侧凹，在生产批量不大的条件下，通常采用三箱手工造型，以便分别从两个分型面取出模样。但在大批量生产条件下，由于采用机器造型，故应改用图中所示的环状型芯，使铸型简化成只有一个分型面，这尽管增加了型芯的费用，但机器造型所取得的经济效益可以补偿而有余。铸造工艺方案的确定铸造工艺方案通常按以下步骤和原则进行（1）选择浇注位置（2）确定分型面（3）确定铸造工艺参数（4）画铸造工艺图第二节浇注位置和分型面的选择•浇注位置是指浇注时铸型分型面所处的空间位置。•铸型分型面是指铸型组元间的结合面。1.浇注位置的选择原则钳工平板(1)铸件的重要加工面应朝下因为铸件的上表面容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，组织也不如下表面致密。如果这些加工面难以朝下，则应尽力使其位于侧面。当铸件的重要加工面有数个时，则应将较大的平面朝下。车床床身铸件的浇注位置方案•由于床身导轨面是关键表面，不容许有明显的表面缺陷，而且要求组织致密，因此通常都将导轨面朝下浇注。起重机卷扬筒的浇注位置方案•因为卷扬筒的圆周表面质量要求高，不允许存有明显的铸造缺陷。若采用卧铸，圆周的朝上表面的质量难以保证；反之，若采用立铸，由于全部圆周表面均处于侧立位置，其质量均匀一致，较易获得合格铸件。(2)铸件的大平面应朝下•铸件的大平面若朝上，容易产生夹砂缺陷，这是由于在浇注过程中金属液对型腔上表面有强烈的热辐射，型砂因急剧热膨胀和强度下降而拱起或开裂，于是铸件表面形成夹砂缺陷。•因此，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•为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔缺陷，应将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。图2—29为油盘铸件的合理浇注位置。(4)对于容易产生缩孔的铸件，应使厚的部分放在铸型的上部或侧面，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•铸钢卷扬筒，浇注时厚端放在上部是合理的；反之，若厚端放在下部，则难以补缩。2.分型面的选择原则•(1)应使造型工艺简化尽量使分型面平直、数量少，避免不必要的活块和型芯等图2—30为一起重臂铸件，图中所示分型面为一平面，故可采用简便的分开模造型。如果采用顶视图所示的弯曲分型面，则需采用挖砂或假箱造型。在大批量生产中应尽量采用图中所示的分型面，这不仅便于造型操作，且模板的制造费用低。单件、小批生产中，由于整体模样坚固耐用、造价低，故也常采用弯曲分型面。应尽量使铸型只有一个分型面，以便采用工艺简便的两箱造型四箱三箱两箱避免活块支架分型方案•按图中方案1，凸台必须采用四个活块方可制出，而下部两个活块的部位甚深，取出困难。•当改用方案Ⅱ时，可省去活块，仅在A处稍加挖砂即可。选择分型面时应尽量避免不必要的型芯。•型芯通常用于形成铸件的内腔，有时还可用它来简化铸件的外形，以制出妨碍起模的凸台、凹槽等。但制造型芯需要专门的芯盒、芯骨，还需烘干及下芯等工序，增加了铸件成本。图2—33为一底座铸件。•若按图中方案1分开模造型，其上、下内腔均需采用型芯。•图中方案Ⅱ，采用整模造型，则上、下内腔均可由砂垛形成，省掉了型芯。(2)应尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的精度。•图2—34为一床身铸件，其顶部平面为加工基准面。图中方案a在妨碍起模的凸台处增加了外部型芯，因采用整模造型使加工面和基准面在同一砂箱内，铸件精度高，是大批量生产时的合理方案。若采用方案b，铸件若产生错型将影响铸件精度，但在单件、小批生产条件下，铸件的尺寸偏差在一定范围内可用划线来矫正，故在相应条件下方案b仍可采用。应使铸件的全部或大部放在同一砂型中，以减少错箱、飞边毛刺，提高铸件尺寸精度管子堵头分型面位置的选择实例(3)为便于造型、下芯、合箱和检验铸件的壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。•但型腔也不宜过深，并尽量避免使用吊芯和大的吊砂。•图2—35为一机床支柱的两个分型方案。•方案Ⅱ的型腔大部分及型芯位于下箱，这样便可减少上箱的高度，故较为合理。抓住主要矛盾、全面考虑•上述诸原则，对于具体铸件来说多难以全面满足，有时甚至互相矛盾。•例如，质量要求很高的铸件(如机床床身、立柱、钳工平板、造纸烘缸等)，应在满足浇注位置要求的前提下考虑造型工艺的简化。•没有特殊质量要求的一般铸件，则以简化工艺、提高经济效益为主要依据，不必过多地考虑铸件的浇注位置。•机床立柱、曲轴等圆周面质量要求很高、又需沿轴线分型的铸件，在批量生产中有时采用“平作立浇”法，此时，采用专用砂箱，先按轴线分型来造型、下芯，合箱之后，将铸型翻转90度，竖立后进行浇注。第三节工艺参数的选择为了绘制铸造工艺图，在铸造工艺方案初步确定之后，还必须选定铸件的工艺参数。•机械加工余量•起模斜度•收缩率•型芯头尺寸一、机械加工余量和最小铸孔•在铸件上为切削加工而加大的尺寸称为机械加工余量。•余量过大，切削加工费工，且浪费金属材料；余量过小，制品会因残留黑皮而报废，或者，因铸件表层过硬而加速刀具磨损。•机械加工余量的具体数值取决于铸件的生产批量、合金的种类、铸件的大小、加工面与基准面的距离及加工面在浇注时的位置等。–大量生产时，因采用机器造型，铸件精度高，故余量可减小；–手工造型误差大，余量应加大。–铸钢件因表面粗糙，余量应加大；–非铁合金铸件价格甚贵，且表面光洁，所以余量应比铸铁小。–铸件的尺寸愈大或加工面与基准面的距离愈大，铸件的尺寸误差也愈大，故余量也应随之加大。–此外，浇注时朝上的表面因产生缺陷的机率较大．其加工余量应比底面和侧面大。表2—9列出了灰铸铁件的机械加工余量。灰铸铁件的机械加工余量铸件的孔、槽•铸件的孔、槽是否铸出，不仅取决于工艺上的可能性，还必须考虑其必要性。•一般来说，较大的孔、槽应当铸出，以减少切削加工工时、节省金属材料，同时也可减小铸件上的热节。但较小的孔、槽则不必铸出，留待加工反而更经济。•灰铸铁件的最小铸孔(毛坯孔径)推荐如下：–单件生产30～50mm–成批生产15