型芯的作用及形成

第2章　铸造成型方法

2.1　砂型铸造

用型砂紧实成型进行铸造的方法，称为砂型铸造。砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的80%以上，而在砂型铸造中，重要而大量的工作是制造铸型。

2.1.1　砂型铸造工艺过程

砂型铸造的基本步骤

为了获得健全的铸件、减少铸型制造的工作量、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。

铸造工艺图是指导模型（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，结合所选定的造型方法，便可绘制出模型图及合箱图，如图2.2.1。铸造工艺图主要包括：铸件的浇注位置、铸型分型面、型芯的数量、形状及其固定方法、加工余量、拔模斜度、收缩率、浇注系统、冒口、冷铁的尺寸和布置等。

图2.2.1　支座的铸造工艺图、模型图及合箱图
1—浇注系统　2—上箱　3—下箱　4—型芯　5—铸件

2.1.2　砂型铸造工艺的基本内容

在确定铸造工艺时，首先应考虑的是铸件的浇注位置及分型面。

浇注时，铸件在铸型中所处的位置称为浇注位置。浇注位置和分型面对铸造工艺及铸件质量影响很大，须认真考虑。从保证铸件质量上讲，选择浇注位置主要考虑以下原则。

①重要的面应处于型腔的底面或侧面。如车床床身铸件在浇注时，应使其导轨面处于铸型的下方。

②铸件的薄壁部分应置于铸型的下部或侧面，以保证金属液能顺利充满这一部分。

③铸件的厚实部分应放在上部或侧面，以便于安置浇、冒口进行补缩。

④铸件的大平面尽可能朝下。

铸型分型面的选择原则为：

①应便于起模，使造型工艺简化。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。此外，应尽量使分型面平直，避免不必要的活块和型芯等。

②应尽量使铸件的全部或大部置于同一箱铸型内，以保证铸件精度。

③为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。

上述这些原则，对于某个具体铸件多难以全面满足，有时甚至互相矛盾。因此，必须抓主要矛盾，全面综合考虑，在确定了浇注位置及分型面后，还应确定工艺参数，工艺参数主要有加工余量、拔模斜度、铸造收缩率、不铸孔、型芯等。

铸件生产的一般工艺过程如图2.2.2所示。

图2.2.2　铸造生产一般工艺流程

2.1.3　造型和制芯材料

（1）造型材料的组成、性能

砂型铸造所用的型（芯）砂由原砂和黏结剂组成，必要时，还加入各种附加物。原砂是耐高温材料。常用的是含SiO2较多的硅砂。常用的黏结剂有黏土、水玻璃等。根据黏结剂的种类不同，可分为黏土砂、水玻璃砂、树脂砂等。

型砂和芯砂应具有以下性能：①透气性；②强度；③耐火度；④可塑性；⑤退让性。

上述性能要求是最基本的，有时又是互相矛盾的，因此，要求型砂具有良好的综合性能。

生产中常采用沙子、黏土（常用膨润土）和水等经混制而成的黏土砂。为满足透气性、型砂中还可加入锯末、煤粉等。

（2）造型材料简述

①黏土砂　型砂用黏土作为黏结剂时称为黏土砂。黏土常用膨润土、高岭土等。在常温下，黏土只有在水参与情况下才具有黏结性，因此应使黏土砂在配制和使用时必须保持有一定的水分。此外，为了防止铸件粘砂，还需在型砂中添加一定数量的煤粉或其他附加物。

黏土砂在铸型制作完成后根据浇注金属液时的干燥情况分为湿型、表干型及干型3种。表干型和干型通常铸型强度较高，水分较低（或基本没有），因而适合于铸造一些大型复杂件。而一般生产中、小铸件则采用湿型。

湿型铸造法的基本特点是砂型（芯）无须烘干，不存在硬化过程。其主要优点是生产灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现生产过程的机械化和自动化；材料成本低；节省了烘干设备、燃料、电力及车间生产面积；延长了砂箱使用寿命等。但是，采用湿型铸造，也容易使铸件产生一些铸造缺陷，如：夹砂、结疤、鼠尾、粘砂、气孔、砂眼、胀砂等。随着铸造科学技术的发展，对型砂质量的控制更为有效，使得湿型铸造方法应用范围进一步扩大。

②水玻璃砂　水玻璃砂是用水玻璃作黏结剂的型（芯）砂。它的硬化过程主要是化学反应的结果，并可采用多种方法使之自行硬化，因此也称为化学硬化砂。

目前国内用于生产的化学硬化砂有：二氧化碳硬化水玻璃砂、硅酸二钙水玻璃砂、水玻璃石灰石砂等。而其中尤以二氧化碳硬化水玻璃砂用得最多。

水玻璃是硅酸钠或硅酸钾与水的组成物，由硅酸钠组成的称为钠水玻璃，由硅酸钾组成的称为钾水玻璃。它们在液态时具有黏性，并在一定条件下能转变成凝胶状态，因而在造型材料中用它来作为型（芯）砂的黏结剂。作为黏结剂来使用的水玻璃，目前主要是钠水玻璃。

钠水玻璃的模数及密度是两个重要的参数。水玻璃中所含SiO2与Na2 O的物质的量之比值称为水玻璃的模数，用“M”来表示。水玻璃的模数可通过向水玻璃中添加适量的NaOH或NH4 Cl来调整。水玻璃模数可通过化学分析的方法来测定。水玻璃的密度实际上表示了水玻璃中含水量的多少，含水量越多，密度越低，可用密度计来测定。通常铸造用水玻璃的密度为1.3～1.6，模数为2.3～2。

2.1.4　铸型的构造

铸型一般由上型、下型、型芯、浇注系统等几部分组成。图2.2.3为常用两箱造型的铸型示意图。

图2.2.3　两箱造型的铸型示意图
1—上模　2—下模　3—砂芯　4—浇口　5—砂芯通气孔

2.1.5　型芯的作用及形成

型芯是砂型中的重要组成部分，在制造中空铸件或有妨碍起模的凸台铸件时，往往要使用型芯。常用的型芯有：水平型芯、垂直型芯、悬臂型芯、悬吊型芯、引申型芯（有利于取模）、外型芯（可使三箱造型变为两箱造型）等。图2.2.4为上述几种型芯的示意图。

图2.2.4　常见型芯形式

2.2　特种铸造

砂型铸造虽然应用十分广泛，但也存在着一些缺点，如铸件表面质量不高，铸造缺陷较多导致废品率较高，劳动条件差等。随着生产的发展，逐渐出现了许多新的铸造方法。所谓特种铸造，是指除砂型铸造外的其他铸造方法。目前特种铸造已经发展到数十种，其中应用较多的有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造。

与砂型铸造比较，特种铸造铸件的尺寸精度高，表面粗糙度较低，可以减少或不需要切削加工即可作零件装配使用；铸件的机械性能较好，生产率高，成本低等优点。

2.2.1　金属型铸造

将熔炼好的金属液浇注到用金属材料制成的铸型中，以获得铸件的铸造方法称为金属型铸造。由于金属铸型可反复使用几百乃至上万次，故又称永久型铸造。

金属型的结构主要取决于铸件的形状、尺寸和合金的种类及生产批量等。

按照分型面的方位，金属型可分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型4种。其中，垂直分型式便于开设浇口和取出铸件，也易于实现机械化生产，所以应用最广。

由于金属型导热快，且没有退让性和透气性，为获得合格的铸件和延长金属型的使用寿命，必须严格控制其生产工艺。

2.2.2　压力铸造

压力铸造简称压铸，它是在高压下（30～70 MPa）快速地（充型时间为0.01～0.2 s）将液态或半液态金属压入金属铸型中，并使液态金属在压力作用下凝固而获得铸件的方法。

压铸是在压铸机上完成的，它所用的铸型称为压型。压型与垂直分型的金属型相似，其半个型是固定的，称为定型（静模）；另半个可水平移动，称为动型（动模）。压型上还装有抽芯机构及顶出铸件的机构。

图2.2.5为卧式压铸机的工作过程示意。

图2.2.5　卧式压铸机的工作过程

（1）注入金属

先闭合压型，将定量的金属液通过压室上的注液孔向压室内注入。

（2）压射

压射冲头向前推进，金属液被压入压型中。

（3）取出铸件

铸件凝固之后，右半压型（亦称动型）右移开型，铸件借顶杆的前伸动作与左半压型（亦称静型）脱离。此后，在动型继续打开过程中，由于顶杆停止移动，故在顶杆作用下铸件脱离动型。

2.2.3　低压铸造

低压铸造是介于金属型铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。它是在较低压力（20～60 kPa）作用下，将金属液注入型腔，并在压力下凝固以获得铸件的一种方法，如图2.2.6所示。

图2.2.6　低压铸造工艺示意图

2.2.4　熔模铸造

熔模铸造是用易熔材料制成模型，然后在模型上涂挂耐火材料，经硬化之后，再将模型熔化、排出型外，从而获得无分型面的铸型。

由于熔模广泛采用蜡质材料来制造，故又常把它称为“失蜡铸造”。因此法所得铸件尺寸精度及表面质量好，故又称其为“熔模精密铸造”。熔模铸造工艺流程图如图2.2.7所示。

2.2.5　离心铸造

将液态金属浇入高速旋转（250～1 500 r／min）的铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并凝固，这种铸造方法称为离心铸造。

离心铸造特别适用于生产圆筒形（如管、缸体类铸件）。为使铸型旋转，离心铸造必须在离心铸造机上进行。根据铸型旋转轴空间位置的不同，离心铸造机可分为立式和卧式两大类。铸型多用金属型，也可用非金属型（如砂型、熔模壳型等）。

在立式离心铸造机上铸型是绕垂直轴旋转的，当浇注圆筒形铸件时（图2.2.8（a）），金属液并不填满型腔，而在离心力的作用紧靠在铸型的内表面并冷凝，而铸件的壁厚则取决于浇入的金属量。因此，主要用于高度小于直径的圆环类铸件。

图2.2.7　熔模铸造工艺流程图

图2.2.8　圆筒件的离心铸造

在卧式离心铸造机上铸型是绕水平轴旋转的（图2.2.8（b））。这种方法铸出的圆筒形铸件无论在轴向还是径向壁厚都是相同的，因此适合于生产长度较大的管类铸件，这也是最常用的离心铸造方法。

离心铸造也可用于生产成形铸件，此时多在立式离心铸造机上进行，如图2.2.9所示。铸型紧固于旋转工作台上，浇注时金属液充满铸型，故不形成自由表面。成形铸件的离心铸造虽未省去型芯，但在离心力作用下，提高了金属液的充型能力，便于薄壁铸件的成形，而且浇口可起补缩作用，使铸件组织致密。

图2.2.9　成形铸件的离心铸造

离心铸造是铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承的主要生产方法，铸件的最大重量可达几十吨。在耐热钢辊道、特殊钢的无缝管坯、造纸机烘缸等铸件生产中，离心铸造已被采用。

和砂型铸造相比，特种铸造的共同特点是这些方法一般都能提高铸件的外在质量（形状、尺寸精度及表面质量）和内在质量（减少铸造缺陷、提高机械性能），提高生产率，金属材料利用率及改善劳动条件，所以得到了迅速发展。常用的特种铸造特点及适用范围见表2.2.1。

表2.2.1　常用的特种铸造特点及适用范围

第3章　铸件的结构设计

进行铸件设计时，不仅要保证其工作性能和力学性能要求，还必须认真考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求，并使铸件的具体结构与这些要求相适应。铸件的结构是否合理，即其结构工艺性是否良好，对铸件的质量，生产率及其成本有很大的影响。下面以砂型铸造为例，讨论铸件结构设计中的一些问题。

3.1　铸造工艺对铸件结构的要求

3.1.1　铸件外形应便于取出模型

铸件的外形应能满足使用要求、外形美观，但又能简化造型工艺，尽量避免操作费时的三箱、挖砂、活块造型以及使用外部型芯。

（1）避免外部侧凹

铸件侧壁若有凹入部分必将妨碍起模，增加了铸造工艺的复杂性，故应力求避免。如图2.3.1（a）所示的端盖，由于上部法兰边缘伸出而形成了侧凹，使铸件形成了两个分型面，通常要采用三箱造型。图中2.3.1（b）改进了设计，使其仅有一个分型面，故造型简便。

图2.3.1　端盖铸件

（2）分型面尽量平直

平直的分型面不仅使造型省工、铸件误差小，且铸件的飞边、毛刺少，减轻了铸件清理的工作量。

图2.3.2（a）所示的支臂铸件，其最大截面在中间，而带长孔的支臂厚度甚小。由于木模的强度所限，因此在单件、小批生产时，不能采用较为简便的分模造型，必须进行挖砂造型。若按图2.3.2（b）改进设计，则可采用最为简便的整模造型。

图2.3.2　支臂分型面的简化

图2.3.3　凸台的改进

（3）改进凸台、筋条结构

铸件立壁上的凸台常常妨碍起模，以致必须采用活块造型，或者，增加外部型芯（图2.3.3（a））。若凸台与分型面距离较近，则应将凸台延伸到分型面（图2.3.3（b）），这样便可顺利地取出模型，简化了工艺。有的设计人员在凸台、筋条设计中，忽略了起模的可能性，使得造型困难。

3.1.2　铸件内腔结构应使型芯数量少，并有利于型芯的固定和排气

铸件的内腔通常要由外加型芯形成，这样就增加了型芯盒和型芯骨的制造、型芯砂制备、制芯、烘干、下芯等许多工序，这不仅增加了铸件成本，还延长了生产周期，这在单件、小批生产中影响尤为显著。因此，铸件的内腔结构应少用、甚至不用型芯。图2.3.4（a）所示的圆盖铸件是在凸边内部加厚，这就必须采用大的型芯；若能将凸边移到外廓（图2.3.4（b）），则该深度不大的内腔可由砂垛（自带型芯）来形成。

图2.3.4　节省型芯的设计

在某些情况下，型芯呈较大的悬臂（图2.3.5（a））或呈悬空状，缺乏必要的型芯头。此时，若过多地依靠型芯撑来加固，不仅增加了下芯、合箱的困难，而且，型芯难以排气，铸后型芯砂和型芯骨也难以脱出。为克服上述困难，可在铸件上设计出适当的孔洞（图2.3.5（b）），以增加型芯头。由于上述孔洞并非工件所需，仅是为便于铸造而设，故称工艺孔。

图2.3.5　用工艺孔取代型芯撑

铸件上的工艺孔铸后是否保留，要视具体情况而定。如果铸件不允许有此孔洞，则可用螺钉和塞柱来堵死，铸钢件还可焊死。

图2.3.6为一轴承座，它可设计成不同的结构。图2.3.6（a）、（b）为封闭结构，其支臂须采用芯来形成内腔。图2.3.5（a）轴孔和支臂内腔必须分别采用两个型芯来形成，其中支臂型芯呈悬臂式，必须用型芯撑来加固，使下芯、合箱费工。若按图2.3.6（b）所示结构，将上述两个型芯改进设计成一个整体，这不仅降低型芯成本，而且型芯位置牢固，下芯、合箱简便，型芯排气通畅。当采用图2.3.6（c）的开式结构来取代前述之闭式结构，则可省去支臂型芯，使铸造更加简便。

图2.3.6　轴承座

图2.3.7　结构斜度

3.1.3　铸件应有结构斜度

许多铸件在设计过程中，便可初步确定其分型面。在此前提下，应使垂直于分型面的不加工表面留有一定斜度（图2.3.7），这种斜度称为结构斜度。

具有结构斜度的外壁，不仅使造型时便于起模，还可美化铸件的外观。具有结构斜度的内腔，有利于形成自带型芯，因此，在一定条件下可减少型芯的数量。

铸件结构斜度的大小，视铸件立壁的高度而定。高度越小、斜度越大。

3.2　合金的铸造性能对铸件结构的要求

3.2.1　合理设计铸件壁厚

每种铸造合金都有其适合的壁厚范围，如果选择适当，既能满足铸件力学性能的要求，又便于铸造生产。

由于各种铸造合金的流动性不同，所以在相同的铸造条件下，所能浇注出来的铸件最小壁厚不同。如果所设计铸件的壁厚小于铸件的“最小壁厚”，则易于产生浇不足、冷隔等缺陷。铸件的最小壁厚主要取决于合金的种类、铸件大小和复杂程度等。表2.3.1为在一般砂型铸造条件下铸件的最小壁厚。

表2.3.1　在一般砂型铸造条件下铸件的最小壁厚　mm

注：如有特殊需要，在改善铸造条件下，铸件的最小壁厚可比表中所列数值小。

3.2.2　铸件壁厚应尽可能均匀

若铸件各部分的厚度差别过大，则厚壁处形成金属积聚的热节，致使厚壁处易于产生缩孔、缩松等缺陷。同时，由于铸件各部分的冷却速度差别较大，还将形成热应力，这种热应力有时可使铸件薄厚连接处产生裂纹。如果铸件的壁厚均匀，则上述缺陷常可避免。必须指出，所谓铸件壁厚的均匀性是使铸件各壁厚处的冷却速度相近，并非要求所有的壁厚完全相同。例如，铸件的内壁因散热慢，故应比外壁薄些，而筋的厚度则应更薄。

检查铸件壁厚的均匀性时，必须将铸件的加工余量考虑在内，因为有时不包括加工余量时比较均匀，但包括加工余量后热节却很大。

3.2.3　铸件的转角应采用圆角连接

铸件的转角应以圆为宜。因直角连接的转角处承载时将形成应力集中，同时，还形成了热节，使冷却速度较慢的内侧，易于产生缩孔或缩松（2.3.8（a））。此外，对于某些容易产生柱状晶的金属，在直角处的晶间结合力较弱。显然，上述诸因素均使转角处的力学性能下降，易于产生热裂。当采用圆角结构时，可使热节减少或消除（图2.3.8（b））并使应力集中现象大为缓和。因此，圆角是铸件结构的基本特征，不容忽视。此外，对于薄、厚壁之间的连接也应逐步过渡（注意：铸件壁之间应避免锐角连接），这对于收缩较大的合金尤应注意，如图2.3.9所示。

图2.3.8　不同转角的热节

图2.3.9　壁间的过渡形式

3.2.4　增设防裂筋

为防止热裂，可在铸件易裂处增设防裂筋（亦称割筋或拉筋），如图2.3.10所示。为了使防裂筋起到应有的防裂效果，其方向必须与机械应力方向相一致，厚度为所连接壁厚的1／4～1／3。由于防裂筋很薄，凝固迅速，故在冷却过程中防裂筋很快达到较高强度，从而增强了壁间的连接力，防止了热裂的产生。

图2.3.10　铸钢件的防裂筋

防裂筋可在铸件清理时予以去除，若不影响使用，也可保留。

3.2.5　注意缓解收缩应力

铸件（特别是带有筋、辐的铸件）在凝固和随后的冷却过程中，会产生不同程度的收缩。如在收缩时受到强烈的阻碍，则会由于应力过大而产生裂纹。在设计铸件时应予以充分考虑。

图2.3.11　不同形式的轮辐

例如，对于轮形铸件（如带轮、齿轮、飞轮等），不同形式的轮辐抗裂效果不同。当轮辐呈偶数时（图2.3.11（a）），因制模和刮板造型时分割轮辐简便，故较为常用。但当合金的收缩较大、轮缘和轮辐尺寸比例不当、形成较大内应力时，对称的轮辐使铸件无法通过变形自行缓解，易于产生裂纹。为克服偶数轮辐抗裂能力不足的缺点，可采用图2.3.11（b）的奇数轮辐。此时，若内应力很大，可通过轮缘的微量变形来缓解。此外，还可采用图2.3.11（c）所示的弯曲轮辐，此时，铸件的内应力可通过轮辐本身的微量变形来缓解，从而避免裂纹的产生。

图2.3.12综合示出铸件结构设计中易于产生的一些不良结构设计以及改进后的合理结构。

图2.3.12　铸件结构设计中不合理的结构及其改进的综合示例

复习思考题

1.合金铸造性能主要有哪些？对铸件质量有何影响？

2.铸件产生缩孔和缩松的原因是什么？怎样防止？

3.如何防止和减小铸造内应力？

4.砂型铸造有什么优越性？为什么说它是铸造技术中最基本的方法？

5.金属型铸造有何特点？为什么金属型铸造未能广泛取代砂型铸造？

6.什么是离心铸造？它在圆筒件铸造中有哪些优越性？

7.低压铸造的工艺原理与压铸有何不同？

8.下列铸件在大批量生产时采用什么铸造方式为好？为什么？

铝活塞　车床床身　汽缸套　大口径铸铁管　缝纫机头　汽轮机叶片　摩托车汽缸体