砂型铸造工艺设计(doc20页)

第二节砂型铸造砂型铸造是传统的铸造方法， 它适用于各种形状、 大小及各种常用合金铸件的生产。一、砂型铸造造型（造芯）方法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）手工造型手工造型特点： 操作方便灵活、适应性强，模样生产准备时间短。但生产率低，劳动强度大，铸件质量不易保证。只适用于单件小批量生产。各种常用手工造型方法的特点及其适用范围见表1-5 。表 1-5常用手工造型方法的特点和应用范围造型方法主要特点适用范围铸型由上型和下型组成，适用于各种生产造型、起模、修型等操作方便批量，各种大、中、小铸件按砂箱铸型由上、中、下三部分组成，主要用于单件、特中型的高度须与铸件两个分型面的小批量生产具有两征间距相适应。三箱造型费工，应尽区量避免使用个分型面的铸件分在车间地坑内造型，用地坑代常用于砂箱数量替下砂箱，只要一个上砂箱，可减不足，制造批量不大少砂箱的投资。但造型费工，而且的大、中型铸件要求操作者的技术水平较高铸型合型后，将砂箱脱出，重新用于造型。浇注前，须用型砂将主要用在生产小脱箱后的砂型周围填紧，也可在砂铸件，砂箱尺寸较小型上加套箱模样是整体的，多数情况下，适用于一端为最型腔全部在下半型内，上半型无型大截面，且为平面的腔。造型简单，铸件不会产生错型铸件缺陷模样是整体的，但铸件的分型面是曲面。为了起模方便，造型时用于单件或小批用手工挖去阻碍起模的型砂。每造量生产分型面不是一件，就挖砂一次，费工、生产率平面的铸件低为了克服挖砂造型的缺点，先用于成批生产分将模样放在一个预先作好的假箱型面不是平面的铸按上，然后放在假箱上造下型，省去件模挖砂操作。操作简便，分型面整齐样特将模样沿最大截面处分为两征常用于最大截面半，型腔分别位于上、下两个半型区在中部的铸件内。造型简单，节省工时分铸件上有妨碍起模的小凸台、主要用于单件、肋条等。制模时将此部分作成活块，小批量生产带有突在主体模样起出后，从侧面取出活出部分、难以起模的块。造型费工，要求操作者的技术铸件水平较高用刮板代替模样造型。可大大主要用于有等截降低模样成本，节约木材，缩短生面的或回转体的大、产周期。但生产率低，要求操作者中型铸件的单件或的技术水平较高小批量生产（二）机器造型机器造型特点： 大批量生产砂型的主要方法， 能够显著提高劳动生产率， 改善劳动条件，并提高铸件的尺寸精度、表面质量，使加工余量减小。1.基本原理图 1-18 所示为顶杆起模式震压造型机的工作过程。图 1-18 震压造型机的工作过程填砂震击紧砂辅助压实起模2. 工艺特点 机器造型工艺是采用模底板进行两箱造型。模底板是将模样、 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：当制作空心铸件， 或铸件的外壁内凹， 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。 型芯可用手工制造， 也可用机器制造。形状复杂的型芯可分块制造，然后粘合成形。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。二、砂型铸造工艺设计目的：为了获得健全的合格铸件，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， 必须合理地制订出铸造工艺方案， 并绘制出铸造工艺图。铸造工艺图：在零件图中用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形， 其中包括：铸件的浇注位置 ；铸型分型面；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。铸造工艺图是指导模样 （芯盒）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，便可绘制出模样图及合箱图。图 1-19 为支座的铸造工艺图、模样图及合箱图。图 1-19支座的铸造工艺图、模样图及合型图a) 零件图b) 铸造工艺图（左）和模样图（右）c) 合型图（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，选择原则如下：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 1-20 车床床身的浇注位置图 1-21 为起重机卷扬筒的浇注位置方案。采用立式浇注，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。图 1-21 卷扬筒的浇注位置1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。2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。图 1-22 为油盘铸件的合理浇注位置。图 1-22薄壁件的浇注位置3 对于容易产生缩孔的铸件， 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。 如前述之铸钢卷扬筒，浇注时厚端放在上部是合理的； 反之，若厚端在下部，则难以补缩。（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，使造型工艺简化尽量使分型面平直、数量少，避免不必要的活块和型芯。图 1-23 为一起重臂铸件，按图中所示的分型面为一平面，故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， 而在大量生产中则使机器造型的模底板的制造费用增加。图 1-23起重臂的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。 多一个分型面，铸型就增加一些误差，使铸件的精度降低。图 1-24a 所示的三通，其内腔必须采用一个 T 字型芯来形成， 但不同的分型方案， 其分型面数量不同。 当中心线 ab 呈垂直时（图 1-24b ），铸型必须有三个分型面才能取出模样， 即用四箱造型。当中心线 cd 呈垂直时（图 1-24c ），铸型有两个分型面，必须采用三箱造型。当中心线 ab 和 cd 都呈水平位置时（图 1-24d ），因铸型只有一个分型面，采用两箱造型即可。显然，图 1-24d 是合理的分型方案。图 1-24三通的分型方案图 1-25 所示支架分型方案是避免用活块的例子。按图中方案 I ，凸台必须采用四个活块制出， 而下部两个活块的部位较深， 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。图 1-25支架的分型方案铸件的内腔一般是由型芯形成的， 有时可用型芯简化模样的外形， 制出妨碍起模的凸台、侧凹等。但制造型芯需要专门的工艺装备，并增加下芯工序，会增加铸件成本。因此，选择分型面时应尽量避免不必要的型芯。如图 1-26 所示的轮形铸件，由于轮的圆周面外侧内凹，在批量不大的生产条件下，多采用三箱造型。但在大批量生产条件下，采用机器造型，需要改用图中所示的环状型芯， 使铸型简化成只有一个分型面， 这种方法尽管增加了型芯的费用，但可通过机器造型所取得的经济效益得到补偿。图 1-26使用型芯减少分型面2尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件精度如图 1-27 所示。图 1-27车床床身铸件3尽量使型腔及主要型芯位于下型这样便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚。但下型型腔也不宜过深，并尽量避免使用吊芯和大的吊砂。如图1-28所示。图 1-28机床支架注意：选择分型面的上述诸原则，对于某个具体的铸件来说难以全面满足，有时甚至互相矛盾。因此，必须抓住主要矛盾、全面考虑，至于次要矛盾，则应从工艺措施上设法解决。（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 在铸件上为切削加工而加大的尺寸称为机械加工余量。数值取决于： 铸件生产批量、合金的种类、铸件的大小、加工面与基准面之间的距离及加工面在浇注时的位置等。采用机器造型，铸件精度高，余量可减小；手工造型误差大，余量应加大。铸钢件因表面粗糙，余量应加大；非铁合金铸件价格昂贵，且表面光洁， 余量应比铸铁小。 铸件的尺寸愈大或加工面与基准面之间的距离愈大， 尺寸误差也愈大， 故余量也应随之加大。 浇注时铸件朝上的表面因产生缺陷的机率较大， 其余量应比底面和侧面大。 灰铸铁的机械加工余量见表 1-6 。表 1-6灰铸铁的机械加工余量（ mm）铸件最大尺寸浇注时位置加工面与基准面之间的距离50501201202602605005008008001250 120顶面3.54.54.04.5底、侧面2.53.53.03.5120260顶面4.05.04.55.05.05.5底、侧面3.04.03.54.04.04.5260500顶面4.56.05.06.06.07.06.57.0底、侧面3.54.54.04.54.55.05.06.0500800顶面5.07.06.07.06.57.07.08.07.59.0底、侧面4.05.04.55.04.55.55.06.06.57.08001250顶面6.07.06.57.57.08.07.58.08.09.08.510底、侧面4.05.55.05.55.06.05.56.05.57.06.57.5铸件的孔、槽： 一般来说，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。最小铸出孔的参考数值见表1-7 。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。表 1-7铸件毛坯的最小铸出孔（ mm）生产批量最小铸出孔的直径 d灰铸铁件铸钢件大量生产1215成批生产15303050单件、小批量生产3050502. 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， 此倾斜度称为起模斜度，如图 1-29 所示。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 1-29 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 表达式为：式中模样或芯盒工作面的尺寸，单位为mm；铸件的尺寸，单位为mm。通常，灰铸铁的铸造收缩率为0.7%1.0%，铸造碳钢为 1.3%2.0%，铸造锡青铜为 1.2%1.4%。4.型芯头型芯头可分为垂直芯头和水平芯头两大类，如图1-30 所示。图 1-30型芯头的构造a）垂直芯头b ）水平芯头（四）铸造工艺设计的一般程序铸造工艺设计： 在生产铸件之前，编制出控制该铸件生产工艺的技术文件。铸造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。一般大量生产的定型产品、 特殊重要的单件生产的铸件， 铸造工艺设计订得细致，内容涉及较多。单件、小批生产的一般性产品，铸造工艺设计内容可以简化。在最简单的情况下，只须绘制一张铸造工艺图即可。铸造工艺设计的内容和一般程序见表1-8 。表 1-8铸造工艺设计的内容和一般程序项目内容在零件图上用规定的红、兰等各色符号表示出：浇注位铸 造置和分型面，加工余量，收缩工 艺率，起模斜度，反变形量，浇、图冒口系统，内外冷铁，铸肋，砂芯形状、数量及芯头大小等把经过铸造工艺设计后，铸 件改变了零件形状、尺寸的地方图都反映在铸件图上表示出浇注位置，型芯数铸 型量、固定和下芯顺序，浇冒口装 配和冷铁布置，砂箱结构和尺寸图大小等铸造说明造型、造芯、浇注、工艺打箱、清理等工艺操作过程及卡片要求用途及应用范围设计程序产品零件的技术条件和结构工艺性分析是制造模样、 模底板、选择铸造及造型方法芯盒等工装以及进行生产确定浇注位置和分型准备和验收的依据面适用于各种批量的生选用工艺参数产设计浇冒口、冷铁和铸肋型芯设计是铸件验收和机加工夹具设计的依据。适用于在完成铸造工艺图的成批、大量生产或重要铸基础上，画出铸件图件的生产是生产准备、合箱、检验、工艺调整的依据通常在完成砂箱设计适用于成批、大量生后画出产的重要件，单件的重型铸件是生产管理的重要依据综合整个设计内容根据批量大小填写必要条件（五）实例分析以 C6140车床进给箱体为例分析毛坯的铸造工艺方案如下：C6140车床进给箱体，该件质量约35Kg，如图 1-31 所示，该零件没有特殊质量要求的表面，仅要求尽量保证基准面D不得有明显铸造缺陷，以便进行定位。它的材料为铸造性能优良的灰铸铁（HT150），勿需考虑补缩。在制订铸造工艺方案时，主要应着眼于工艺上的简化。图 1-31 车床进给箱体零件图1. 分型面 进给箱体的分型面，有如图 1-32 所示的三个方案供选择：方案 I ：分型面在轴孔的中心线上。此时，凸台 A 因距分型面较近，又处于上型，若采用活块，型砂易脱落，故只能用型芯来形成，槽 C可用型芯或活块制出。本方案的主要优点是适于铸出轴孔，铸后轴孔的飞边少，便于清理。同时，下芯头尺寸较大，型芯稳定性好，不容易产生偏芯。其主要缺点是基准面 D朝上，使该面较易产生气孔和夹渣等缺陷，且型芯的数量较多。方案 II ：从基准面 D分型，铸件绝大部分位于下型。此时，凸台A 不妨碍起模，但凸台 E 和槽 C妨碍起模， 也需采用活块或型芯来克服。它的缺点除基准面朝上外，其轴孔难以直接铸出。轴孔若拟铸出，因无法制出型芯头，必须加大型芯与型壁的间隙，致使飞边清理困难。方案 III ：从 B 面分型，铸件全部置于下型。其优点是铸件不会产生错型缺陷；基准面朝下，其质量容易保证；同时，铸件最薄处在铸型下部，金属液易于充满铸型。缺点是凸台 E、 A 和槽 C 都需采用活块或型芯，而内腔型芯上大下小稳定性差；若拟铸出轴孔，其缺点与方案 II 相同。图 1-32车床进给箱体分型面的选择方案上述诸方案各有其优缺点，需结合具体生产条件，找出最佳方案。大批量生产条件下，为减少切削加工工作量，九个轴孔需要铸出。此时，为了使下芯、合箱及铸件的清理简便， 只能按照方案 I 从轴孔中心线处分型。 为了便于采用机器造型、 尽量避免活块， 故凸台和凹槽均应用型芯来形成。为了克服基准面朝上的缺点，必须加大D 面的加工余量。单件、小批量生产条件下， 因采用手工造型， 使用活块造型较型芯更为方便。同时，因铸件的尺寸允许偏差较大， 九个轴孔不必铸出， 留待直接切削加工而成。此外，应尽量降低上型高度，以便利用现有砂箱。显然，在单件生产条件下，宜采用方案 II 或方案 III 。2. 铸造工艺图 分型面确定后，便可绘制出铸造工艺简图，采用分型方案 I 时的铸造工艺图如图 1-33 所示。图 1-33 车床进给箱体铸造工艺图（局部）三、铸件结构设计铸件结构设计： 保证其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）砂型铸造工艺对铸件结构设计的要求造型工艺对铸件结构设计的要求，见表1-9 。表 1-9造型工艺对铸件结构设计的要求对铸件结构的要求不好的铸件结构较好的铸件结构1. 铸件的外形必须力求简单、造型方便铸件应具有最少的分型面，从而避免多箱造型和不必要的型芯铸件加强肋的布置应有利于取模铸件侧面的凹槽、凸台的设计应有利于取模，尽量避免不必要的型芯和活块铸件设计应注意避免不必要的曲线和圆角结构，否则会使制模、造型等工序复杂化凡沿着起模方向的不加工表面，应给出结构斜度，其设计参数见表1-102. 铸件的内腔必须力求简单、尽量少用型芯尽量少用或不用型芯型芯在铸型中必须支撑牢固和便于排气、固定、定位和清理（图中A 处需放置型芯撑）为了固定型芯，以及便于清理型芯，应增加型芯头或工艺孔表 1-10铸件的结构斜度斜度（ a： h）角度（ ）使用范围1 511 301 105 30 1 2031 5011 10030h 25 铸钢和铸铁件h 25500 铸钢和铸铁件h 25500 铸钢和铸铁件h 500 铸钢和铸铁件非铁合金铸件（二）合金铸造性能对铸件结构设计的要求缩孔、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。 合金铸造性能与铸件结构之间的关系见表 1-11 。表 1-11合金铸造性能与铸件结构之间的关系对铸件结构的要求不好的铸件结构较好的铸件结构铸件的壁厚应尽可能均匀，否则易在厚壁处产生缩孔、缩松、内应力和裂纹铸件内表面及外表面转角的连接处应为圆角，以免产生裂纹、缩孔、粘砂和掉砂缺陷。铸件内圆角半径 R 的尺寸见表1-12铸件上部大的水平面（按浇注位置）最好设计成倾斜面，以免产生气孔、夹砂和积聚非金属夹杂物1-13为了防止裂纹，应尽可能采用能够自由收缩或减缓收缩受阻的结构，如轮辐设计成弯曲形状在铸件的连接或转弯处，应尽量避免金属的积聚和内应力的产生，厚壁与薄壁相连接要逐步过渡，并不能采用锐角连接，以防止出现缩孔、 缩松和裂纹。几种壁厚的过渡形式及尺寸见表对细长件或大而薄的平板件，为防止弯曲变形，应采用对称或加肋的结构。 灰铸铁件壁及肋厚参考值见表 1-14表 1-12铸件的内圆角半径R值（ mm）（ a+b ）8/2812121616202027273535454560铸466810121620R 铁值铸6681012162025钢表 1-13几种壁厚的过度形式及尺寸图例尺寸铸铁R(1/61/3)(a+b)/2b 2a铸钢R(a+b)/4b 2a铸铁L 4(b-a)铸钢L 5(b-a)R(1/61/3)(a+b)/2；R1 R+(a+b)/2b 2aC 3(b-a)1/2 ， h （45 ） C表 1-14灰铸铁件壁及肋厚参考值铸件质量 / 最大尺 寸 / 外壁厚度 / 内壁厚度 / 肋的厚度 / 零件举例5300765盖、拨叉、轴套、端盖610500875挡板、支架、箱体、闷盖11607501086箱体、电动机支架、溜板箱61100125012108箱体、液压缸体、溜板箱101500170014128油盘、带轮、镗模架5018002500161410箱体、床身、盖、滑座80112003000181612小立柱、床身、箱体、油盘（三）砂型铸造铸件最小壁厚的设计最小壁厚：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，见表1-15 。表 1-15砂型铸造铸件最小壁厚的设计mm铸件尺寸铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金 200 2005835463533.535200 200500 1012410812684668500152010151220 500 500以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中， 应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。