高效铸造成形工艺方法

砂型铸造是用型砂紧实成铸型的铸造方法。砂型铸造可分为湿砂型（不经烘干可直接进行浇注的砂型）铸造和干砂型（经烘干的高黏土砂型）铸造两种。

砂型铸造工艺过程主要由以下几个部分组成：制造模样与芯盒、造砂型、造型芯、砂型及型芯的烘干、合箱、熔炼金属、浇注、落砂和清理、检验等，如图2-1所示为齿轮毛坯的砂型铸造工艺过程。

图2-1 砂型铸造工艺过程

制造铸型的材料称为造型材料，主要指型砂和芯砂。它由砂、黏结剂和附加物等组成。型砂用于制造砂型，芯砂用于制造型芯。型砂与芯砂应具备的性能如下。

（1）可塑性

型砂与芯砂在外力作用下可塑造成型，当外力消除后仍能保持外力作用时的形状，这种性能称为可塑性。可塑性好，易于成形，能获得型腔清晰的铸型，从而保证铸件具有精确的轮廓尺寸。

（2）强度

型砂与芯砂受外力作用而不易破坏的性能称为强度。铸型必须具有足够的强度，这样在浇注时才能承受金属熔液的冲击和压力，不致发生变形和毁坏，如冲砂、塌箱等，从而防止夹砂、砂眼等缺陷。

（3）耐火性

型砂与芯砂在高温液态金属作用下不软化、不熔融烧结及不黏附在铸件表面上的性能称为耐火性。耐火性差会造成铸件表面黏砂，增加清理和切削加工的困难。

（4）透气性

型砂与芯砂在紧实后能使气体通过的能力称为透气性。当熔融金属浇入铸型后，在高温作用下，型砂中会产生大量气体，熔融金属随温度下降也会析出一些气体。如果透气性差，部分气体就留在金属熔液内不能排出，铸件中便会产生气孔等缺陷。

（5）退让性

铸件凝固时体积要缩小，型砂与芯砂随铸件收缩而被压缩的性能称为退让性。退让性好的型砂与芯砂不会阻碍铸件的收缩，减少铸件的内应力，使铸件避免产生裂纹。

（6）溃散性

型砂与芯砂在铸件冷却后应当容易解体而脱离铸件表面。

模样是指由木材、铝合金或塑料制成，用来形成铸型型腔的工艺装备，模样可获得铸件外部结构。制造型芯所用的装备称为芯盒，芯盒用以获得铸件内腔。

制造模样应注意：为了便于造型，要选择合适的分模面；为了便于起模，在垂直于分型面的模样壁上要做出起模斜度；为了防止铸件产生黏砂、裂纹缺陷，模样上凡相邻两表面的交角，都应做成铸造圆角；铸件需要切削加工的表面要留出加工余量；有内腔的铸件，在模样上应做出安放型芯的芯头；模样的尺寸要比零件尺寸大一些。

造型是砂型铸造的最基本工序，是用型砂及模样等工艺设备制造砂型的方法和过程。

（1）手工造型

手工造型是指全部用手工或手动工具完成的造型工序。砂箱及常用的手工造型工具如图2-2所示。手工造型按起模特点分为整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型等方法。

图2-2 砂箱及常用的手工造型工具

1）整模造型 其过程如图2-3所示。其特点是模样为一整体，放在一个砂箱内，能避免铸件出现错型缺陷，造型操作简单，铸件的尺寸精度高。适用于生产形状比较简单的铸件。

图2-3 整模造型过程

1—舂砂锤 2—砂箱 3—模底板 4—模样 5—刮板 6—记号 7—浇口棒 8—通气针

2）分模造型 其特点是沿模样最大截面处将其分成两部分，两个半模分别位于上、下型之中，便于造型时将模样从砂型内起出，如图2-4所示为分模造型过程示意图。这种方法适合于生产圆柱体、管件、阀体、套筒等形状较复杂的铸件。

图2-4 分模造型过程

1—下半模样 2—下砂箱 3—模底板 4—浇口棒 5—冒口棒 6—上半模样 7—上砂箱 8—压铁

手工造型方法比较灵活，工艺装备简单，适应性强，生产准备时间短。但生产率低，劳动强度大，劳动条件差，铸件质量较差。因此，手工造型多用于单件小批量生产。

（2）机器造型

机器造型是指用机器完成全部或至少完成紧砂操作的造型工序。机器造型必须使用模板造型，通过模板与砂箱机械地分离而实现起模。模板不易更换，通常使用两台造型机分别造上型和下型。因此，机器造型只能实现两箱造型。

机器造型可提高劳动生产率、铸件尺寸精度和表面质量，改善劳动条件，适应于大批量生产。

制造型芯的过程称为造芯，是用来形成铸件的内腔。一般型芯用黏土砂，要求较高的型芯用桐油砂、合脂砂或树脂砂等。芯砂中一般使用新砂，很少用旧砂。

造芯时放入芯骨以提高强度，应做出通气道使型芯产生的气体能顺利地排出。成形后的型芯表面刷上涂料，以提高型芯表层的耐火度、保温性和化学稳定性，防止铸件内腔黏砂。然后放入烘房烘干，以提高型芯的强度和透气性，减少型芯的发气量。

造芯可分为手工造芯（单件、小批量生产）和机器造芯（大批量生产）两种。

浇注系统是指为将金属液体注入型腔而在铸型中开设的一系列通道。它是在造型时利用一定的模样来形成的。浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道和冒口组成。

浇注系统的作用是：保证熔融金属能均匀连续而又平稳地引入并充满型腔，防止液态金属冲坏砂型；防止熔渣、气体和砂粒进入型腔；调节铸件凝固顺序，补给铸件冷却凝固收缩时所需的金属，防止产生缩孔、裂纹等缺陷。

（1）浇口杯

浇口杯形状多为漏斗形，与直浇道顶端连接。浇注时应保持充满状态，以便熔融金属较平稳地流到铸型内，并使熔渣、杂质上浮。

（2）直浇道

直浇道是浇口杯下面的一段垂直通道，通常带有一定的锥度。利用其高度产生一定的液态静压力，使熔融金属产生充填能力。

（3）横浇道

横浇道承接直浇道流入的熔融金属，其截面多为梯形。用以将熔融金属分配流入内浇道并起挡渣作用。

（4）内浇道

内浇道与型腔直接相连，其截面多为梯形或半圆形。其作用是控制熔融金属流入型腔的速度和方向。

（5）冒口

冒口是在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空腔，一般设置在铸件的最高处和最厚处。如图2-5所示为带有浇、冒口的法兰管铸件。

图2-5 带有浇、冒口的铸件

1—浇口杯 2—直浇道 3—横浇道4—内浇道 5—冒口

（1）合型

合型是指将铸型的各个组元如上型、下型、型芯、浇口杯装配起来的过程。合型是决定铸型型腔形状与尺寸精度的关键工序，若操作不当，会造成跑火、错箱和塌箱等缺陷。

合型前应检查砂型和型芯的形状和尺寸，清除型腔中的散砂。合型时要保证型芯的位置正确和稳固。合型后上型上应加压铁，或用夹具夹紧上、下型，防止浇注时熔融金属将上型抬起，造成熔融金属流出箱外。

（2）浇注(www.xing528.com)

浇注是指将熔融金属浇入铸型的操作过程。浇注对铸件质量有很大的影响，浇注不当，常引起浇不足、冷隔、气孔、缩孔和夹渣等缺陷。

浇注前应做好准备工作。如烘干浇包及浇注工具；保证浇注场地畅通无阻，地面干燥无积水；除尽熔融金属表面的熔渣；浇注时，须使浇口杯保持充满金属，不能断流；要控制好浇注温度和浇注速度。

（3）落砂

落砂是指用手工或机器使铸件和型砂、砂箱分开的操作过程。从铸件中去除芯砂和芯骨的操作称为除芯。落砂方法分为手工落砂和机器落砂两种。

铸型浇注后，铸件在砂型内应有足够的冷却时间。过早进行落砂，会因铸件冷却太快而使其内应力增加，易产生表面硬化，甚至变形开裂。

（4）清理

清理是落砂后从铸件上清除表面黏砂或粗糙部分、浇道和冒口多余金属等过程的总称。铸件的表面清理一般用钢丝刷、錾子、风铲、手提式砂轮等工具进行手工清理。批量生产时多采用专用机械和设备进行清理。

（5）热处理

经过清理的铸件有时要进行热处理，一般是进行去应力退火，以消除铸造应力。

常用的特种铸造方法有金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造、低压铸造、挤压铸造、陶瓷型铸造和实型铸造等。

金属型铸造是指用重力将熔融金属浇注入金属铸型获得铸件的方法。金属型是指用金属材料制成的铸型，不能称作金属模。

（1）金属型铸造过程

常见的垂直分型式金属型如图2-6所示，由定型和动型两个半型组成，分型面位于垂直位置。浇注时，先使两个半型合紧，凝固后利用简单的机构使两半型分离，取出铸件。

图2-6 垂直分型式金属型

1—底座 2—动型 3—定位销 4—定型

（2）金属型铸造特点及应用

1）金属型可以多次使用，浇注次数可达数万次而不损坏，与砂型铸造相比，省去了型砂制备、造型、落砂、清理等过程，节省了大量型砂和配砂设备与场地，显著地提高了劳动生产率并降低了生产成本。

2）金属型铸造的铸件有较高的尺寸精度和表面质量，因此，切削加工余量小。

3）金属型传热迅速，铸件结晶时冷却快，因而晶粒细，力学性能较好。

4）金属型的设计、制造、使用及维护要求高，制造成本高，加工周期长。

在大批量生产中，常采用金属型铸造方法铸造有色金属铸件，其铸件不宜过大，形状不能太复杂，如铝合金活塞、气缸体和铜合金轴瓦等。

压力铸造是指将熔融金属在高压下快速充满型腔，并在压力下凝固的铸造方法。压力铸造的铸型是金属型，用于压力铸造的机器称为压铸机。生产上以卧式压铸机应用较多。

（1）压力铸造过程

压力铸造过程包括合型浇注、压射和开型顶件，如图2-7所示。使用的压铸机机构如图2-7（a）所示，由定型、动型、压室等组成。首先，使动型与定型合紧，用活塞将压室中的熔融金属压射到型腔，如图2-7（b）所示；凝固后，打开铸型并顶出铸件，如图2-7（c）所示。

图2-7 压力铸造工作过程示意图

（2）压力铸造特点及应用

1）可以铸造形状复杂的薄壁铸件。

2）熔融金属在压力作用下凝固成形，故铸件组织致密，强度和硬度较高。

3）压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低。大多数压铸件不需要进行切削加工即可使用。

4）生产效率高，易于实现半自动化和自动化。

5）压铸机投资大，压铸型制造复杂，生产周期长，费用高。

目前压铸生产主要适用于熔点较低的有色金属铸造，在汽车、仪表、电器、航空等部门得到广泛应用。

离心铸造是指将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，在离心力的作用下凝固成形的铸造方法。这种铸件多是简单的圆筒形，铸造时不用砂芯就可形成圆筒的内孔。

（1）离心铸造过程

离心铸造过程如图2-8所示，离心铸造的铸型可以用金属型，也可以用砂型，铸型在离心铸造机上可绕垂直轴或水平轴旋转。当铸型绕垂直线回转时，浇注入铸型中的熔融金属的自由表面呈抛物线形状，因此，不易铸造轴向长度较大的铸件，如图2-8（a）所示。当铸型绕水平轴回转时，浇注入铸型中的熔融金属的自由表面呈圆柱形，常用于铸造要求均匀壁厚的中空铸件，如图2-8（b）所示

图2-8 离心铸造示意图

（2）离心铸造特点及应用

1）熔融金属在离心力作用下凝固成形，故铸件结晶组织致密，无气孔、缩孔和夹渣等缺陷，力学性能较高。

2）铸造具有圆形内腔的铸件时，不必使用型芯。

3）铸型中不需要浇注系统，减少了熔融金属的消耗量。

4）铸件的内孔尺寸不精确，且内壁非金属夹杂物多，需要增大内孔的切削加工余量。

离心铸造主要适用于铸造空心回转体，如各种管子、缸套、圆筒形铸件，也可用来生产双金属轴承以及其他成形铸件。

在铸造生产中用易熔料如腊料制成模样，在模样上包覆若干层耐火材料，制成形壳，模样熔化流出后，经高温烧结成为壳体。采用这种壳型浇注的铸造方法称为熔模铸造。

（1）熔模铸造过程

熔模铸造过程如图2-9所示，是先利用压型制出与铸件形状相同的蜡模，然后把蜡模黏合到浇注系统上组成蜡模组，将蜡模组浸入用水玻璃与硅粉配成的涂料，并在其上撒上一层硅砂，再浸入氯化氨中使其硬化。这样反复多次，一直到结成5～10mm的硬壳，这种具有足够强度的硬壳即为铸型。随后将硬壳铸型浸入到80～95℃的热水中，使蜡模熔化浮离硬壳，再将硬壳焙烧除尽杂质，得到空腔的硬壳。将硬壳铸型置于容器内并在周围填砂，以增强其强度和稳定性，最后进行浇注。

（2）熔模铸造特点及应用

1）铸件的尺寸精度和表面质量高，且可制造形状复杂件。

2）适应性广。可浇注熔点低的有色合金铸件，也可生产高熔点的合金钢铸件。

3）生产工艺复杂，生产周期长，成本较高，铸件不能太大、太长。

熔模铸造主要用于制造汽轮机、燃气轮机、涡轮发动机的叶片和叶轮，切削刀具，汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小零件等。

图2-9 熔模铸造工艺过程图

（a）母模（b）压型（c）熔蜡（d）铸造蜡模（e）单独蜡模（f）组合蜡模（g）结壳（h）填砂、浇注