选择发动机铸造铝活塞的铸造工艺

项目四　铸造加工技术

铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。铸件一般是毛坯，经切削加工等才成为零件。零件精度要求较低和表面粗糙度参数值允许较大的零件，或经过特种铸造的铸件也可直接使用。

铸造生产可分为砂型铸造和特种铸造两大类。铸造生产具有以下优点：

可以制成外形和内腔十分复杂的毛坯，如各种箱体、床身、机架等；

适用范围广，可铸造不同尺寸、重量及各种形状的工件，也适用于不同材料，如铸铁、铸钢、非铁合金。铸件重量可以从几克至数百吨；

原材料来源广泛，可利用报废的机件或切屑，工艺设备费用小，成本低；

所得铸件与零件尺寸较接近，可节省金属的消耗，减少切削加工工作量。

但铸件也有力学性能较差、生产工序多、质量不稳定、工人劳动条件差等缺点。随着铸造合金、铸造工艺技术的发展，特别是精密铸造的发展和新型铸造合金的成功应用，使铸件的表面质量、力学性能均有显著提高，铸件的应用范围日益扩大。铸件广泛用于机床制造、动力、交通运输、轻纺机械、冶金机械等设备。

任务一　套筒的砂型铸造

一　学习目标

知识目标

了解模样和芯盒的制造工艺；

熟悉型砂的性能要求及配制；

明确手工造型方法及应用；

明确造芯的工艺和方法；

掌握浇注系统和冒口的作用及设计原则；

了解合型、浇注、落砂、清理和检验的操作。

能力目标

能分析比较各种砂型造型方法的特点和应用，对一些典型铸件能较合理地选用造型方法；

熟悉砂型铸造工艺基本操作内容，能独立完成带型芯的简单铸件的铸造。

二 任务引入

套筒类零件是机械中常见的一种零件，它的应用范围很广，如支承旋转轴的各种形式的滑动轴承、夹具上引导刀具的导向套、内燃机气缸套、液压系统中的液压缸以及一般用途的套筒，如图4－1所示。

由于其功用不同，套筒类零件的结构和尺寸有着很大的差别，但其结构上仍有共同点，即零件的主要表面为同轴度要求较高的内外圆表面，零件壁的厚度较薄且易变形，零件长度一般大于直径等。

套筒类零件的主要表面是孔和外圆，其主要技术要求如下：

孔是套筒类零件起支承或导向作用的最主要表面，通常与运动的轴、刀具或活塞相配合。孔的直径尺寸公差等级一般为IT7，外圆是套筒类零件的支承面，常以过盈配合或过渡配合与箱体或机架上的孔相联接。

套筒类零件一般用钢、铸铁、青铜或黄铜制成。

孔径较大的套筒的毛坯常选带孔的铸件，即铸造成型。

图4-1　套筒类零件

三　相关知识

砂型铸造是指在砂型中生产铸件的铸造方法，也是最基本和应用最广泛的一种铸造方法，目前砂型铸造生产的铸件约占总产量的80%以上。砂型铸造基本工艺过程如图4－2所示。

图4-2　砂型铸造基本工艺过程

1．模样和芯盒的制造

模样是铸造生产中必要的工艺装备。模样用来形成砂型的型腔，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。

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。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）起模斜度　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0．5°～4°的起模斜度。

（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。

如图4－3所示是阀门压盖零件的铸造工艺图及相应的模样图，从图中可见模样的形状和零件图往往是不完全相同的。

图4-3　压盖零件的铸造工艺图及相应的模样图

2．造型

（1）造型材料的制备　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）、黏结剂和水按一定比例混合而成。有时还加入少量煤粉、植物油、木屑等附加物以提高型砂和芯砂的性能。

（2）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、黏砂、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、黏结剂含量、水分含量及砂型紧实度等因素的影响。砂的粒度越细，黏结剂及水分含量越高，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。在型砂中加入木屑等可以提高退让性。

（3）造型方法　造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机械造型两大类。造型的质量直接影响铸件的优劣。无论何种造型方法，其基本工艺过程是：

模样置于砂箱中→填砂→紧实→制作出气道→起模→制作浇注系统与冒口→安放砂芯→合箱。

①手工造型：手工造型时，填砂、紧实、起模和开挖浇注系统都用手工进行。手工造型具有操作灵活、适应性强、工艺装备简单、生产准备时间短、成本低等优点，但造型效率低、劳动强度大、铸件质量较差、劳动环境差，因此主要用于单件小批量生产，特别是重型和形状复杂的铸件生产。常见的造型方法有：

整模造型：整模造型过程如图4－4所示。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。

图4-4　齿轮整模造型过程

分模造型：模样分为两半，造型时模样分别在上、下型内进行造型的方法，套筒的分模造型过程如图4－5所示。此法主要用于某些没有平整的表面，而且最大截面在模样中部，难以进行整模造型的铸件，可将模样在最大截面处分开，进行分模造型。分模造型适用于形状复杂的铸件，如套筒、管子和阀体等。

图4-5　套筒分模造型过程

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，如图4－6所示为带轮的三箱造型过程。三箱造型主要用于单件、小批量生产具有两个分型面的铸件。

图4-6　带轮的三箱造型过程

活块造型：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、肋条等）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，这种方法称为活块造型。用钉子联接的活块造型时（图4－7），应注意先将活块四周的型砂塞紧，然后拔出钉子。活块造型主要用于单件、小批量生产带有突出部分、难以起模的铸件。

图4-7　活块造型

刮板造型：尺寸大于500mm的旋转体或等截面铸件，如带轮、飞轮、大齿轮等单件或小批量生产时，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，如图4－8所示。

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，手轮的挖砂造型过程如图4－9所示。挖砂造型主要用于单件、小批量生产和分型面不是平面的铸件。

图4-8　皮带轮铸件的刮板造型过程

图4-9　手轮的挖砂造型过程

②机器造型：机器造型是将紧砂、起模等工序用造型机来完成，其实质就是用机器代替了手工紧砂和起模。机器造型是大批量生产砂型的基本方法。与手工造型相比，机器造型生产效率高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度值低，并改善了劳动条件，但设备及工艺装备费用高，生产准备时间长。

机器造型用的机器称为造型机，多以压缩空气为动力。根据紧砂和起模方式不同，有气动微震压式造型、射压造型、高压造型、抛砂造型等多种类型，各自具有其特点及应用范围。

高压造型：压实造型是型砂借助于压头或模样所传递的压力紧实成形，按比压大小可分为低压（0．15MPa～0．4MPa）、中压（0．4MPa～0．7MPa）、高压（＞0．7MPa）三种。高压造型目前应用很普遍，如图4－10所示为多触头高压造型工作原理图。高压造型具有生产率高，砂型紧实度高，强度大，所生产的铸件尺寸精度高和表面质量较好等优点，在大批量生产中应用较多。

图4-10　多触头高压造型

射压造型：利用压缩空气将型砂以很高的速度射入砂箱并加以挤压而得到紧实，工作原理如图4－11所示。射压造型的特点是砂型紧实度分布均匀，生产速度快，工作无振动噪声，一般应用在中、小件的成批铸造生产中，尤其适用于无芯或少芯铸件。

图4-11　射压造型

震压造型：利用震动和加压使型砂压实，工作原理如图4－12所示，最常应用的是微震压式造型方法。震压造型相比纯压造型可获得较高的砂型紧实度，且砂型均匀性也较高，可用于精度要求高、形状较复杂铸件的成批生产。

抛砂造型：用机械的方法将型砂以高速抛入砂箱，使砂层在高速砂团的冲击下得到紧实，抛砂速度在30m/s～50m/s之间，工作原理如图4－13所示。抛砂造型特点是填砂和紧实同时进行，对工艺装备要求不高，适应性强，只要在抛头的工作范围内，不同砂箱尺寸的砂型都可以用抛砂机造型。抛砂造型可以用于小批量生产的中、大型铸件。但抛砂造型也存在砂型顶部需补充紧实，型砂质量要求较高及不适合用于小砂型的缺点。

图4-12　气动微震压式造型机造型过程

图4-13　抛砂造型

机器造型方法的选择应根据多方面的因素综合考虑，铸件要求精度高，表面粗糙度值低时选择砂型紧实度高的造型方法；铸钢、铸铁件与非铁合金铸件相比对砂型刚度要求高，也应选用砂型紧实度高的造型方法；铸件批量大、产量大时，应选用生产率高或专用的造型设备；铸件形状相似、尺寸和质量相差不大时应选用同一造型机和统一的砂箱。

③机器起模：机器起模也是铸造机械化生产的一道工序。机器起模比手工起模平稳，能降低工人劳动强度。机器起模有顶箱起模和翻转起模两种。

顶箱起模：起模时利用液压或油气压，用四根顶杆顶住砂箱四角，使之垂直上升，固定在工作台上的模板不动，砂箱与模板逐渐分离，实现起模，如图4－14所示。

图4-14　顶箱起模

图4-15　翻转起模

翻转起模：起模时用翻台将型砂和模板一起翻转180°，然后用接箱台将砂型接住，固定在翻台上的模板不动，接着下降接箱台使砂箱下移，完成起模，如图4－15所示。

3．造芯

制造型芯的过程称为造芯。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。为了满足以上性能要求，制芯时常采用如下工艺措施：放芯骨以提高型芯的强度；开通气道以提高型芯的通气性；刷涂料以防止铸件黏砂；烘干以提高型芯的强度和透气性。另外，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，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，其制芯过程如图4－16所示。

图4-16　对开式芯盒制芯

4．开设浇注系统和冒口

（1）浇注系统　为了使金属液流入型腔而开设于铸型中的一系列通道，称为浇注系统。它的作用是：平稳、迅速地导入液体金属；防止熔渣、砂粒或其他杂质进入型腔；调节铸件凝固顺序或补给铸件冷凝收缩时所需的金属液。

合理地设置浇注系统，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、浇不足、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，如图4－17所示。对形状简单的小铸件可以省略横浇道。

图4-17　典型浇注系统

①外浇口：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）。其作用是减少金属流对铸型的冲击并分离熔渣。

②直浇道：它是联接外浇口与横浇道的垂直通道。断面多为圆形，利用直浇道的高度产生一定的静压力，使金属迅速充填型腔。如直浇道的高度或直径太大，会使铸件产生浇不足的现象。

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，其截面形状多为梯形，并位于内浇道的上面。其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：它直接与型腔相连，其断面多为扁梯形或三角形，主要作用是控制金属液流入型腔的速度和方向，使之平稳地充满型腔。并可利用内浇道开设位置的不同来调节铸件的凝固顺序，故对铸件质量有较大影响。

（2）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。

5．合型、浇注、落砂、清理和检验

（1）合型（合箱）　将铸型的各个组元如上型、下型、型芯、浇口杯等组合成一个完整铸型的操作过程称为合型。合型后要保证铸型型腔几何形状、尺寸的准确性和型芯的稳固性。型芯放好并经检验后，才能扣上上型和放置浇口杯。

（2）浇注　将金属液从浇包（图4－18）注入铸型的操作，称为浇注。金属液应在一定的温度范围内按规定的速度注入铸型。若浇注温度过高，金属液吸气过多，液体收缩大，铸件就容易产生气孔、缩孔、裂纹及粘砂等缺陷。若浇注温度过低，金属液流动性差，就会产生浇不足、冷隔等缺陷。

图4-18　浇包

（3）落砂　用手工或机械使铸件和砂型（砂芯）、砂箱分开的操作过程，称为落砂。浇注后，必须经过充分的凝固和冷却才能落砂。若过早落砂，就会使铸件产生较大的应力，从而导致变形或开裂，铸件还会形成白口组织，从而使铸件切削加工困难。

（4）清理　落砂后，从铸件上清除表面粘砂、型砂（芯砂）、多余金属（包括浇口、冒口、飞翅和氧化皮）等操作称为清理。清理主要是去除铸件上的浇口、冒口、型芯、黏砂以及飞边毛刺等部分。

（5）检验　铸件清理后应进行质量检验。可通过眼睛观察（或借助尖嘴锤）找出铸件的表面缺陷，如气孔、黏砂、砂眼、缩孔、浇不足、冷隔等。对于铸件内部缺陷可进行耐压试验、超声波探伤等。

四　任务实施

套筒铸件的生产过程如图4－19所示，根据零件形状和尺寸，设计并制造模样和芯盒；配制型砂和芯砂；利用模样和芯盒等工艺装备分别制作砂型和芯型；将砂型和芯型合为一整体铸型；将熔融的金属浇入铸型，完成充型过程；冷却凝固后落砂取出铸件；最后对铸件清理并检验。

图4-19　套筒的砂型铸造过程

五　能力训练

选择机床床身造型方法

目前国产大型机床包括车床、铣床、刨床、磨床、数控机床等，各类机床床身铸件的壁厚一般在20mm～40mm，属于中厚壁铸件，重量一般在5t～50t，材质为HT250或HT300。该类铸件的最大特点是导轨较长，一般在几米甚至十几米，非常容易产生弯曲变形。且导轨非常厚大，一般在40mm～100mm，导轨容易产生组织缺陷。特别是10m长的导轨要保证无任何气孔、砂眼也是较困难的。该类铸件往往是单件小批量生产，故铸造方法常用的是砂型铸造。

要生产该类零件需有专用工装，一般铸造厂无此专用工装，而且该类零件往往都是根据订单制作，批量不大，没有规模效益。所以要生产该类零件所投工装砂箱费用比铸件的价值还要大。根据机床床身特点，应采用砂型铸造中的地坑造型或组芯造型。

六　经验交流

砂型铸造工艺设计原则

为了获得合格的铸件，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。

1．浇注位置的确定

浇注时，铸件在铸型中所处的位置称为浇注位置，即在浇注时，铸件在铸型中是处于垂直、水平或倾斜的位置。浇注位置选择正确与否，对铸件、造型方法都有重要的影响。浇注位置的选择主要考虑以下原则：

（1）铸件上重要的加工面、受力面和基准面，在浇注时应尽量朝下　因为气体、熔渣、砂粒等容易上浮，使铸件上部质量较差。例如生产车床床身铸件时，应将重要的导轨面朝下，如图4－20所示。

（2）铸件的宽大平面应朝下　这样可以防止大平面上产生气孔、夹砂的缺陷，如图4－21所示。这是由于在浇注过程中，高温的金属液对型腔上表面有强烈的热辐射，容易引起型腔上表面型砂因急剧热膨胀而拱起或开裂，从而使铸件表面产生夹砂、气孔缺陷。

图4-20　床身的浇注位置

图4-21　平板的浇注位置

（3）具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型下部　这是为了防止薄壁部分产生浇不足、冷隔等缺陷，如图4－22所示。

图4-22　薄壁件的浇注位置

（4）易形成缩孔的铸件，应把厚的部分放在分型面附近的上部或侧面　这样便于在铸件厚处直接安置冒口，以利于补缩。

2．分型面的选择

分型面是指上、下砂型的接合面，其表示方法如图4－23所示。短线表示分型面的位置，箭头和“上”、“下”两字表示上型和下型的位置。在保证铸件质量的前提下，分型面的确定原则如下：

（1）分型面应选在模样的最大截面处，便于取模，挖砂造型时尤其要注意〔图4－23（a）〕。

（2）应尽量减少分型面数目，成批量生产时应避免采用三箱造型。

（3）应使铸件中重要的机加工面朝下或垂直于分型面，便于保证铸件的质量。因为浇注时液体金属中的渣子、气泡总是浮在上面，铸件的上表面缺陷较多，铸件的下表面和侧面质量较好〔图4－23（b）〕。

（4）应使铸件全部或大部分在同一砂型内，以减少错箱、飞边和毛刺，提高铸件的精度〔图4－23（c）〕。

图4-23　分型面的确定原则

3．型芯

型芯一般由芯体和芯头两部分组成。芯体的形状应与所形成的铸件相应部分的形状一致。芯头是型芯的外伸部分，落入铸型的芯座内，起定位和支承型芯的作用。芯头的形状取决于型芯的型式，芯头必须有足够的高度（h）或长度（l）及合适的斜度（图4－24），才能使型芯方便、准确和牢固地固定在铸型中，以免型芯在浇注时飘浮、偏斜和移动。

图4-24　型芯的形式

4．工艺参数的选择

影响铸件、模样的形状与尺寸的某些工艺数据称为铸造工艺参数，主要有下列几项：

（1）加工余量　指铸件上预先增加在机械加工时切去的金属层厚度。加工余量值与铸件大小、合金种类及造型方法等有关。单件小批量生产的小型铸铁件的加工余量为4．5mm～5．5mm；小型有色金属铸件加工余量为3mm；灰铸铁件的加工余量值见表4－1。

表4-1　灰铸铁的机械加工余量（单位：mm）

（2）最小铸出的孔和槽 对过小的孔、槽，由于铸造困难，一般不予铸出。不铸出孔、槽的最大尺寸与合金种类、生产条件有关。单件小批量生产的铸铁件上直径小于30mm的孔一般不铸出。

（3）起模斜度　指平行于起模方向的模样壁的斜度。其值与模样高度有关，模样矮时（≤100mm）为3°左右，模样高时（101mm～160mm）为0．5°～1°。

（4）铸件收缩率　铸件冷凝后体积要收缩，各部分尺寸均小于模样尺寸，为保证铸件尺寸要求，在模样（芯盒）上加一个收缩尺寸，它等于收缩率乘以铸件名义尺寸（铸件图上所标注的基本尺寸）。收缩率的经验值见表4－2。

（5）铸造圆角　在设计铸件和制造模样时，对相交壁的交角处要做成圆弧过渡，这种圆弧称为铸造圆角。其目的是防止铸件交角处产生缩孔及应力集中而引起裂纹，也可以防止交角处形成黏砂、浇不足等缺陷。铸造圆角的半径一般为3mm～10mm。

表4-2　砂型铸造时部分合金收缩率的经验值

任务二　选择发动机铸造铝活塞的铸造工艺

一　学习目标

知识目标

了解特种铸造的种类；

熟悉常用特种铸造工艺、特点及应用。

能力目标

能分析比较各种特种铸造方法的特点和应用，对一些典型铸件能较合理地选用特种铸造方法。

二　任务引入

汽车发动机的核心部件是汽缸（图4－25），活塞在汽缸内进行往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能，所以说活塞是内燃发动机中最重要的部件之一，其品质的优劣对发动机进而对整车性能具有重要的影响，因而其材质、制造工艺历来受到重视。

图4-25　汽车发动机汽缸

三　相关知识

图4-26　发动机铸造铝活塞的金属型

金属型铸造是指与砂型铸造不同的其他铸造方法。随着铸造技术的发展，特种铸造在铸造生产中占有相当重要的地位，现简单介绍几种常用的特种铸造方法。

1．金属型铸造

金属型铸造是将液态金属在重力作用下浇入金属铸型内，获得铸件的方法，如图4－26所示为发动机铸造铝活塞的金属型。

铸型用铸铁、碳钢或低合金钢等金属材料制成，可反复使用。与砂型铸造相比较，金属型铸造的主要优点是：散热快、铸件组织致密，力学性能好；精度和表面质量较好；液态金属耗用量少；劳动条件好，适用于大批生产有色合金铸件。其主要缺点是：制造成本高、制造周期长、导热性好，降低了金属液的流动性，因而不宜浇注过薄、过于复杂的铸件；无退让性，冷却收缩时产生内应力将会造成铸件的开裂；型腔在高温下易损坏，因而不宜铸造高熔点合金。

2．压力铸造

压力铸造是在高压作用下将金属液以较高的速度压入高精度的型腔内，力求在压力下快速凝固，以获得优质铸件的高效率铸造方法。常用压力铸造的压力为5MPa～150MPa，充型速度为5m/s～100m/s。

图4-27　压铸工艺过程

压力铸造的基本设备是压铸机。压铸机可分为热室压铸机和冷室压铸机两大类，冷室压铸机又可分为立式和卧式等类型。压铸型是压力铸造生产铸件的模具，主要由活动半型和固定半型两大部分组成。固定半型固定在压铸机的定型座板上，由浇道将压铸机压室与型腔连通。活动半型随压铸机的动型座板移动，完成开合型动作。完整的压铸型组成包括：型体部分、导向装置、抽芯机构、顶出铸件机构、浇注系统、排气和冷却系统等部分。压铸工艺过程如图4－27所示。

压铸的优点是：铸件质量高，致密性好，很多情况下无需切削加工；可以压铸形状复杂、壁薄的铸件；生产率高。其缺点是：不宜压铸厚壁件；设备和模具费用高；模具生产周期长。因此，压力铸造适用于大批量生产壁薄的有色金属中小型铸件。

3．离心铸造

将液态合金注入旋转的铸型中，在离心力作用下充型、冷凝而获得铸件的铸造方法，称为离心铸造。其铸型多用金属型，也可以用砂型，是在离心铸造机上进行的。铸型在离心铸造机上根据需要可以绕垂直轴旋转，也可以绕水平轴旋转，如图4－28所示。

图4-28　离心铸造

离心铸造的优点是：由于离心力的作用，铸件没有气孔、缩孔，组织致密，强度高；无浇口、冒口，节省材料；制造圆筒形铸件，可以不用型芯；可铸造薄壁圆筒和双金属铸件。其缺点是：圆筒形铸件的内表面质量较差，不适合铸造易产生偏析的合金（如铅青铜）铸件。

离心铸造目前主要用于回转体铸件的生产，如轴套、缸套、活塞环等。

4．熔模铸造

用易熔材料（蜡或塑料等）制成精确的可熔性模型，并涂以若干层耐火涂料，经干燥、硬化成整体型壳，加热型壳熔失模型，经高温焙烧而成耐火型壳，在型壳中浇注铸件。熔模铸造的工艺过程如图4－29所示。

图4-29　熔模铸造工艺过程

熔模铸造的优点是：铸件的尺寸精度和表面质量都很高，一般可不进行切削加工，可以铸造形状很复杂的铸件，在航空航天、兵器、船舶、机械制造、家用电器、仪器仪表等行业都有应用，如铸铝热交换器、不锈钢叶轮、铸镁金属壳体等。所需设备简单、投资少、不受生产批量的限制。其缺点是：工艺过程复杂，生产周期长；由于受蜡模、型壳强度和刚度的限制，铸件质量一般不超过25kg。

四　任务实施

铸造活塞材质多为Al－Si系列合金，由金属型铸造方法生产，其铸造工艺流程如下：

五 能力训练

选择大批量生产汽车联合器盘的铸造方法

如图4－30所示的汽车联合器盘材质为铸造铝合金，根据零件结构特点等因素选用压力铸造。

图4-30　汽车联合器盘

六　经验交流

1．铸造方法选择的原则

（1）优先采用砂型铸造　主要原因是砂型铸造较之其他铸造方法成本低，生产工艺简单，生产周期短。

（2）铸造方法应和生产批量相适应　低压铸造、压铸、离心铸造等铸造方法，因设备和模具价格昂贵，所以只适合批量生产。

（3）造型方法应适合工厂条件　例如同样是生产大型机床床身，一般采用组芯造型法，不制作模样和砂箱，在地坑中组芯；而另外的工厂则采用砂箱造型法，制作模样。不同的企业生产条件（包括设备、场地、员工素质等）、生产习惯、所积累的经验各不一样，应该根据这些条件考虑适合做什么产品和不适合（或不能）做什么产品。

（4）要兼顾铸件的精度要求和成本

2．铸造缺陷的判断及预防措施

在实际生产中，常需对铸件缺陷进行分析，其目的是找出产生缺陷的原因，以便采取措施加以防止。铸件的缺陷很多，常见的铸件缺陷名称、特征、产生的主要原因及预防的措施见表4－3。

表4-3　常见的铸件缺陷及产生原因

续表

任务三　确定铸造材料的熔炼方法与浇注工艺

一　学习目标

知识目标

掌握合金的铸造性能评定指标；

明确影响合金流动性、收缩性的因素；

熟悉铸造应力产生原因及减小与消除的措施；

了解铸铁、铸钢、铝合金等常用铸造材料的熔炼设备及熔炼过程；

明确铸铁、铸钢、铝合金等铸造材料浇注工艺要点。

能力目标

能分析判断合金的铸造性能优劣；

熟悉常用铸造材料的熔炼设备、熔炼过程，能确定铸造合金的浇注工艺。

二　任务引入

铸造合金熔炼和铸件的浇注是铸造生产的主要工艺，浇注工艺选择是否合理决定铸件的质量。

三　相关知识

1．铸铁的熔炼与浇注

在铸造生产中，铸铁件占铸件总量的70%～75%，其中绝大多数采用灰铸铁。为获得高质量的铸铁件，首先要熔化出优质铁水。

（1）铸件的熔炼要求　铁水温度要高；铁水化学成分要稳定在所要求的范围内；提高生产率，降低成本。

（2）铸件的熔炼设备　冲天炉是铸铁熔炼的设备，如图4－31所示。炉身是用钢板弯成的圆筒形，内砌以耐火砖炉衬。炉身上部有加料口、烟囱、火花罩，中部有热风胆，下部有热风带，风带通过风口与炉内相通。从鼓风机送来的空气，通过热风胆加热后经风带进入炉内，供燃烧用。风口以下为炉缸，熔化的铁液及炉渣从炉缸底部流入前炉。冲天炉的大小是以每小时能熔炼出铁液的重量来表示，常用的为1．5t/h～10t/h。

图4-31　冲天炉的构造

（3）冲天炉炉料及其作用

①金属料：金属料包括生铁、回炉铁、废钢和铁合金等。生铁是铁矿石经高炉冶炼后的铁碳合金块，是生产铸铁件的主要材料；回炉铁是浇口、冒口和废铸件等，利用回炉铁可节约生铁用量，降低铸件成本；废钢是机加工车间的钢料头及钢切屑等，加入废钢可降低铁液碳的含量，提高铸件的力学性能；铁合金如硅铁、锰铁、铬铁以及稀土合金等，用于调整铁液化学成分。

②燃料：冲天炉熔炼多用焦炭作燃料。通常焦炭的加入量一般为金属料的1/12～1/8，这一数值称为焦铁比。

③熔剂：熔剂主要起稀释熔渣的作用。在炉料中加入石灰石（CaCO3）和萤石（CaF2）等矿石，会使熔渣与铁液容易分离，便于把熔渣清除。熔剂的加入量为焦炭的25%～30%。

（4）冲天炉的熔炼原理

在冲天炉熔炼过程中，炉料从加料口加入，自上而下运动，被上升的高温炉气预热，温度升高；鼓风机鼓入炉内的空气使底焦燃烧，产生大量的热。当炉料下落到底焦顶面时，开始熔化。铁水在下落过程中被高温炉气和灼热焦炭进一步加热（过热），过热的铁水温度可达1 600℃左右，然后经过过桥流入前炉。此后铁水温度稍有下降，最后出铁温度为1 380℃～1 430℃。

冲天炉内铸铁熔炼的过程并不是金属炉料简单重熔的过程，而是包含一系列物理、化学变化的复杂过程。熔炼后的铁水成分与金属炉料相比较，含碳量有所增加；硅、锰等合金元素含量因烧损会降低；硫含量升高，这是焦炭中的硫进入铁水中所引起的。

（5）浇注工艺要点　正确地进行浇注，不仅可以减少废品，而且是安全生产的必要条件。其工艺中主要掌握浇注温度与浇注速度。

①浇注温度：铁水注入铸型时的温度，称为浇注温度。控制浇注温度的原则是：在保证铁水有足够流动性的前提下，尽量降低浇注温度。铁水温度高，流动性好，有利于熔渣的聚积与排除，因而减少铸件夹渣的可能性。但是，温度过高，会使铸件产生缩孔和缩松，组织的晶粒粗大，力学性能下降。温度过低，铁水流动性差，容易产生浇不足和冷隔等缺陷。

②浇注速度：即单位时间内浇入铸型中的金属液质量，单位为kg/s。一般情况，用浇注时间来控制浇注速度，以分钟计算，也可通过浇注系统进行控制。

2．铸钢的熔炼与浇注

对于力学性能要求较高，或要求具有特殊力学、物理、化学性能的重要铸件，要用铸钢制造，如汽车后桥壳，轧钢机机座，化工设备的泵壳、阀体，以及推土机、坦克的履带板等。铸钢在铸造生产中的应用，仅次于铸铁，居第二位。

图4-32　三相电弧炉的构造

（1）铸钢的熔炼设备　熔炼铸钢的设备主要有平炉、电弧炉和感应电炉等，在一般机械厂的铸钢车间里，电弧炉和感应电弧炉应用最多。

（2）铸钢的熔炼

铸钢的熔炼一般采用电弧炉（图4－32），通电后三根石墨电极与金属炉料间产生强烈的电弧。利用电弧热进行钢的熔炼。电弧炉的容量为1t～5t，熔炼时间约为2h～4h。电弧炉炼钢具有温度高、合金元素烧损较少、操作方便、开炉停炉方便、设备投资少；金属炉料的适应性强，质量要求不严；可炼多种钢，并能严格控制钢水成分；消耗电能多、成本较高。

电弧炉炼钢，大致要经过补炉、装料（主要是废钢）、熔化期、氧化期、还原期和出钢等几个阶段。整个过程要严格要求控制钢水的碳含量及降低杂质中的硫、磷含量。与此同时，不得使钢水中的氧与氧化铁太多，所以炉料熔化后，要经过氧化期与还原期，以降低钢水的碳含量与硫、磷含量，以及去除氧，达到要求后，方可出钢浇注。

（3）浇注工艺要点　由于钢的熔点高，铸钢的浇注温度一般为1 500℃～1 600℃，小的薄壁及形状复杂的铸钢件，浇注温度还要高些。若浇注温度过高，浇注速度又低，铸型表面会受钢水的热辐射，产生剥落和开裂。但浇注速度太快，会造成钢水喷溅，因而控制铸钢的浇注速度比铸铁严格。

3．铝合金的熔炼与浇注

铸铝是工业生产中应用最广泛的铸造非铁合金之一。由于铝合金的熔点低，熔炼时极易氧化、吸气，合金中的低沸点元素（如镁、锌等）极易蒸发烧损，故铝合金的熔炼应在与燃料和燃气隔离的状态下进行。

（1）铝合金的熔炼设备　铝合金的熔炼一般是在坩埚炉内进行，根据所用热源不同，有焦炭加热坩埚炉、电加热坩埚炉等不同形式，如图4－33所示。

图4-33　铝合金熔炼设备

（2）铝合金的熔炼

在熔炼铝合金时，铝氧化生成Al2O3呈固态夹杂物悬浮在合金液中，很难去除，既恶化了铝合金的铸造性能，又降低了铝合金的力学性能。与此同时，合金液容易吸气（主要是氢气），在铸件凝固时形成细长的气孔，使铸件致密性降低，从而使铝合金的熔炼工艺控制较为复杂。主要工艺措施是使铝合金在熔剂层下熔炼和精炼。

将炉料（铝锭、回炉废铸铝件与中间合金）紧密地放入坩埚中，上面撒入熔剂（NaCl、KCl 或Na2AlF6等）。当合金熔化后，熔剂浮在合金液的上面，从而使合金液与炉气隔离。即便是这样，也难以完全避免吸收与溶解气体，因为气体的来源是多方面的，所以需要进行精炼。常用ZnCl2（氯化锌）或通入氯气精炼。氯化锌加入铝合金液后，生成AlCl3气体，在其上浮过程中将铝合金液中的气体，以及Al2O3、SiO2等夹杂物带到液体表面，而后可方便除掉。

炼好的铝合金液，一般在730℃～740℃出炉，然后加入氯化物（NaCl、KCl）和氟化物（NaF）等，进行变质处理，以690℃～730℃浇注成铝铸件。

（3）浇注工艺要点 对于一般要求的铸件在检查其含气量后就可浇注。浇注时视铸件厚薄和铝液温度高低，分别控制不同的浇注速度。浇注时浇包对准浇口杯先慢浇，待液流平稳后，快速浇入，见合金液上升到冒口颈后浇速变慢，以增强冒口补缩能力。对有型芯的铸件，在即将浇入铝液时用火焰在通气孔处引气，可减少或避免“呛火”现象和型芯气体进入铸件的机会。

四　任务实施

由于每种材料的铸造性能不同，所以，进行铸造的材料经常选用铸造性能相对比较好的铸铁、铸钢、铝合金、铜合金等，在进行熔炼和浇注时按上面陈述相关要点进行。

五　能力训练

选择生产机床床身铸件的熔炼设备和浇注工艺

机床床身采用灰铸铁铸造，熔炼设备为冲天炉。

浇注工艺：用炉前孕育和浇注时瞬时孕育相结合的方法，一般浇注采用两包同时浇注。要调整好铁液成分，保证铁液温度。

六　经验交流

合金铸造性能的判定方法

液态合金在铸造生产过程中所表现出来的工艺性能，常称为铸造性能，铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力。铸造性能是一个非常重要的工艺性能，对铸件质量、铸造工艺及铸件结构有显著的影响，通常用流动性、收缩性和偏析等来衡量。

1．合金的流动性

液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为合金的流动性，又叫做“充型能力”。液态合金的流动性愈好，不仅易于铸造出轮廓清晰、薄而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷。

影响合金流动性的因素有：

（1）合金的成分　成分不同的合金具有不同的结晶特点，其流动性也不同。一般凝固温度范围越小，合金流动性越好。如纯金属和共晶成分的合金，由于它们是在恒温下结晶的，所以流动性最好。

（2）铸型的特点　铸型材料的导热速度愈大，使液态合金的冷却速度加快，从而使流动性变差。如液态合金在金属型中的流动性比在砂型中差；铸件壁厚过小，形状复杂，会增加液态合金的流动阻力，故会降低合金的流动性。因此，设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值，并力求形状简单。

（3）浇注条件　浇注温度愈高，液态合金的黏度愈低，保持液态的时间愈长，故液态合金的流动性提高。但浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、黏砂、气孔、粗晶等缺陷，在保证铸件薄壁部分能充满的前提下，浇注温度不宜过高。各种合金的浇注温度范围是：铸铁为1 230℃～1 450℃；铸钢为1 520℃～1 620℃；铝合金为680℃～780℃。薄壁复杂件取上限，厚大件取下限。

2．合金的收缩性

合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性，是铸件中缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等缺陷产生的主要原因。

影响合金收缩的因素有：

（1）合金的化学成分　常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小。灰铸铁收缩小是由于其中大部分碳是以石墨状态存在的，石墨的比容大，在结晶过程中，析出石墨所产生的体积膨胀抵消了部分收缩所致。故含碳量越高，灰铸铁的收缩越小。

（2）浇注温度　合金的浇注温度愈高，过热度愈大，液态收缩量愈大。

（3）铸型条件和铸件结构　铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，铸型和型芯也对铸件收缩产生阻碍，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率，会增大铸造应力。

3．铸造应力

随着温度的下降，铸件会产生固态收缩，有些合金甚至还会因发生固态相变而引起收缩或膨胀，这些收缩或膨胀若受到阻碍或因铸件各部分互相牵制，都将在铸件内部产生应力。

铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的应力称热应力；铸型、型芯对铸件收缩的阻碍引起的应力称机械应力（收缩应力）。这两种应力得不到及时消除，同时产生作用会引起铸件的变形。若超过铸件材料的强度极限，将使铸件产生裂纹。

减小与消除应力的方法：一是铸造工艺方面采用退让性好的型砂和芯砂，合理设置浇注系统和冒口，使铸件各部分冷却温差减小；二是及时对铸件进行消除应力退火，以消除其铸造应力。

铸造生产新工艺

随着科学技术的进步和国民经济的发展，对铸造提出优质、低耗、高效、少污染的要求。目前，一些新的科技成果正逐步走出试验室，与传统工艺结合创造出新的铸造方法，以不断满足机械制造方面新的特殊需要。

一、低压铸造

低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。低压铸造是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。浇注时压力和速度可人为控制，故可适用于各种不同的铸型；充型压力及时间易于控制，所以充型平稳；铸件在压力下结晶，自上而下定向凝固，所以铸件致密，力学性能好，金属利用率高，铸件合格率高。

如图4－34所示为J45低压铸造机，其工艺过程（图4－35）是：在密封的坩埚（或密封罐）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使开液管中未凝固的金属液流入坩埚，再由气缸开型并推出铸件。

低压铸造具有液体金属充型比较平稳，铸件成形性好，铸件组织致密，机械性能高，劳动条件好，设备简单，易实现机械化和自动化等优点。

图4-34　J45低压铸造机

图4-35　低压铸造

二、实型铸造

实型铸造是用聚苯乙烯泡沫塑料制成带有浇冒口的铸模，造型时填入砂型不需取模。浇注时，铸模被高温金属液气化，金属液便取代原铸模的位置而凝固成铸件。实型铸造又称“气化模铸造”或“全模铸造”。实型铸造没有分型面不用取模，可大大简化造型操作工艺。但同时它对型砂、造型方法、涂料及浇冒口也提出了新的要求。其工艺过程如图4－36所示。

图4-36　实型铸造工艺过程

实型铸造的优点是：能节约大量木材；由于聚苯乙烯泡沫塑料的密度小，所以使制模操作方便、工序简化，大大减轻劳动强度，并提高劳动生产率；泡沫塑料模表面光洁，可提高铸件的表面粗糙度。主要缺点是模样只能使用一次，模样易变形以及模样汽化、蒸发产生的气体会污染环境。适于铸造大、中型各种金属合金的铸件，最大铸件可达数吨，目前能浇注质量较好的铸铁件，并逐步应用于铸钢件的生产。

三、垂直分型无箱射压造型

在造型、下芯、合型及浇注过程中，铸型的分型面呈垂直状态（垂直于地面）的无箱射压造型法称为垂直分型无箱射压造型，其工艺特点如图4－37所示，主要适用于中小铸件的大批量生产。垂直分型无箱射压造型工艺的优点是：采用射砂填砂又经高压压实，砂型硬度高且均匀，铸件尺寸精确，表面粗糙度低；无需砂箱，从而节约了有关砂箱的一切费用；一块砂型两面成形，既节约型砂，生产效率又高；可使造型、浇注、冷却、落砂等设备组成简单的直线流水线，占地省。其主要缺点是：下芯不如水平分型时方便，下芯时间不允许超过7s～8s，否则将严重降低造型机的生产效率；模板、芯盒及下芯框等工装费用高。

图4-37　DISA垂直分型无箱射压造型机工艺过程

四、多触头高压造型

高压造型的压实比压大于0．7MPa，砂型紧实度高，铸件尺寸精度较高，铸件表面粗糙度低，铸件致密性好，与脱箱或无箱射压造型相比，高压造型辅机多，砂箱数量大，造价高，需造型流水线配套。比较适用于汽车制造类生产批量大、质量要求高的现代化生产，我国各大汽车制造厂已有这类生产线的引进。

多触头由许多可单独动作的触头组成，可分为主动伸缩的主动式触头和浮动式触头。使用较多的是弹簧复位浮动式多触头，如图4－38所示。当压实活塞向上推动时，触头将型砂从余砂框压入砂箱，而自身在多触头箱体的相互连通的油腔内浮动，以适应不同形状的模样，使整个型砂得到均匀的紧实度。多触头高压造型通常也配备气动微振装置，以便增加工作适应能力。

图4-38　多触头高压造型工作原理

五、真空密封造型

真空密封造型主要用于生产汽油机缸体、缸盖及铁路机车配件等。真空密封造型是一种全新的物理造型方法，其基本原理是在特制的砂箱内，填入无水无黏结剂的干石英砂，用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助铸型内外的压力差（约40kPa）使型砂紧实和成形。真空密封造型又称真空薄膜造型、减压造型、负压造型，适用于生产薄壁、面积大、形状不太复杂的扁平铸件。主要优点是：铸件尺寸精确，能浇出2mm～3mm的薄壁部分；铸件缺陷少，废品率可控制到1．5%以下；砂型成本低、损耗少，回用率在95%以上；噪声小、粉尘少，工作环境比较好，劳动强度低。缺点是：对形状复杂、比较高的铸件覆膜成形困难，工艺装备较复杂，造型生产率比较低。

真空密封造型过程（图4－39）：通过抽气箱抽气，将预先加热好的塑料薄膜吸贴到模样表面上；放置砂箱，充填型砂，微振紧实；刮平，覆背膜，抽真空，使砂型保持一定的真空度；在负压状态下起模、下芯、合型浇注；铸件凝固后恢复常压，型砂自行溃散，取出铸件。

图4-39　真空密封造型过程

问题讨论

1．什么是铸造？铸造生产有哪些优缺点？

2．简述砂型铸造的生产过程。

3．型（芯）砂应具有哪些性能？这些性能对铸件质量有何影响？

4．手工造型的方法有哪几种？选用的主要依据是什么？

5．制芯时应采用哪些工艺措施？

6．制造模样和芯盒时应注意哪些问题？

7．机器造型的实质是什么？紧砂与起模有哪些方式？

8．浇注系统有哪几部分组成？其主要作用是什么？

9．冒口的作用是什么？其设置的原则是什么？

10．试述金属型铸造的特点和应用范围。

11．试述压力铸造的特点和应用范围。

12．简述熔模铸造的工艺过程。它有何特点？用于何种场合？

13．合金的铸造性能有哪些？其影响因素是什么？

14．何谓铸造应力？如何减小和消除应力？

15．冲天炉的炉料有哪几部分组成？各起什么作用？

16．铸件有哪些常见的缺陷？它们产生的主要原因是什么？

17．何谓浇注位置？确定铸件浇注位置的基本原则是什么？

18．何谓分型面？选择铸件分型面时，应考虑哪些原则？

19．下列铸件在大批量生产时，采用什么铸造方法为宜？

车床床身　汽车发动机叶片　铸铁污水管　煤气罐安全阀　气缸套　生活用铁锅　滑动轴承