金属模样在铸造中的应用优势

金属模样是用金属材料制成的模样。它具有强度高、尺寸精确、表面光洁、耐磨耐用等优点。采用金属模样不仅能提高劳动生产率，而且能提高铸件的尺寸精度和表面质量。金属模样用于大批量机械化生产。它的制造工艺过程可分为工艺技术准备、制造母模样、铸造金属模样毛坯、机械加工、装配成形等。其制作周期长、成本高。设计和制造金属模样时应考虑工艺是否成熟，不能盲目行事，必要时先用木模样做工艺试验，待工艺方案确定后再进行设计和制造。

1.金属模样材料的选择

用于制造金属模样的材料有铝合金、铜合金、灰铸铁、铸钢及钢材等。它们具有不同的加工性能和力学性能，应根据具体情况合理选用。

（1）铝合金 铝合金是金属模样中应用最多的一种材料。铝合金密度小，有足够的强度和硬度，易加工，模样表面光滑，不生锈、不易粘砂，具有良好的使用性能。常用来制造模样的铝合金有，ZAlSi12、ZAlSi9Mg、ZAlSi7Mg、ZAlCu4、ZAlZn11Si7等。

（2）灰铸铁 用灰铸铁制造的金属模样强度高，耐磨性好，成本较低。但灰铸铁模样重量大，容易生锈，使其使用性能受到影响。在有较大起重设备的铸造车间，可用灰铸铁制造尺寸较大的模样和模底板。常用于制作模样的灰铸铁牌号是HT150和HT200。

（3）铜合金 这种材料有较高的强度和耐磨性，不生锈，加工后模样表面特别光滑，不粘砂。但铜合金价格较贵，一般只用来制造一些细小而复杂的模样，或模样上的肋条、活块及镶片等。常用于制作模样的铜合金有ZCuZn40Mn3Fe1、ZCuSn5Pb5Zn5等。

此外，制造强度要求高，且需经受冲击的模样或出气冒口、通气针等时，也可选用铸钢和其他钢材等。

2.金属模样尺寸的计算

金属模样的尺寸除了考虑零件的尺寸外，还要考虑零件的铸造工艺尺寸和零件材料的收缩率。零件尺寸可以从零件图上得到。零件的铸造工艺尺寸包括机械加工余量、起模斜度、工艺补正量、芯头尺寸、浇冒口系统尺寸等，可在铸造工艺图上查到。零件材料的收缩率在铸造工艺图上已给定。金属模样尺寸的计算公式为

L=（L₀+L₁）（1+ε） （2-1）

式中 L——金属模样的尺寸（mm）；

L₀——零件尺寸（mm）；

L₁——零件的铸造工艺尺寸（加工余量+起模斜度+其他工艺余量）（mm）；

ε——零件材料的线收缩率（视铸件材质、结构及其他有关条件而定）（%）。

金属模样尺寸是指模样上与形成铸件有关的尺寸，不包括模样本身的结构尺寸。由铸造工艺图可知，起模斜度值只加在与起模方向相垂直的有关尺寸上。

金属模样大多是由铸造毛坯机械加工而成的，因此先要做一个母模样来浇注金属模样的毛坯。做母模样时，把金属模样看作一个铸造零件，再进行铸造工艺设计。母模样的尺寸计算同样可用式（2-1），即

L_母=（L_模+L_艺）（1+ε_模材） （2-2）

式中 L_母——母模样的尺寸（mm）；

L_模——金属模样尺寸（mm）；

L_艺——金属模样的铸造工艺尺寸（mm）；

ε_模材——金属模样材料的线收缩率（%）。

例2-1 图2-2为法兰零件的铸造工艺图。零件材料为HT200灰铸铁，线收缩率取1%，现采用铝合金来制造金属模样，铝合金的线收缩率取1.2%，试计算铝模样和母模样的尺寸（以尺寸ϕ192mm为例进行说明）。

由图2-2可知，零件最大外形尺寸为ϕ192mm，铸造工艺尺寸为8mm（加工余量及起模斜度每边各4mm），零件材料的线收率为1%，代入式（2-1）得模样直径为

L=（192mm+8mm）×（1+1%）=202mm

对母模样而言，已求得模样最大外形尺寸为202mm，模样材料的线收缩率为1.2%，假设模样毛坯的机械加工余量每边各为3.5mm，代入式（2-2）得母模样直径为

图2-2 法兰零件的铸造工艺图(www.xing528.com)

L_母 =（202mm+7mm）×（1+1.2%）≈211.5mm

用同样的方法可计算出其余各尺寸。

3.金属模样的结构

金属模样的结构首先要满足造型时便于紧实型砂和起模，具有足够的强度和刚度，经久耐用，不致在填砂、紧实过程中发生变形和破坏；其次要尽量减轻重量，节约金属材料，便于制造，降低成本。

（1）金属模样的壁厚及加强肋 金属模样有实体和空心两种结构。一般模样的平均轮廓尺寸小于50mm或高度小于30mm时，做成实体模样；当平均轮廓尺寸大于50mm或高度大于30mm时，均采用空心结构。空心模样应尽量减小壁厚，并在内腔设加强肋以增加其强度和刚度。

模样壁厚可参考图2-3所示线图来确定。

图2-3 确定金属模样壁厚的线图

1—铝合金 2—铸铁 3—黄铜

除用上面的线图确定金属模样壁厚外，也可用经验公式求得。

d=K（1+0.0008L₂） （2-3）

式中 d——模样壁厚（mm）；

K——经验因数，铝合金模样取6，铜合金和铸铁模样取5；

L₂——模样的平均轮廓尺寸（mm）。

从线图查得或用公式计算所得的壁厚应取成整数，一般应使壁厚稍大，以便更改和修正模样尺寸时有一定的余量。这样，即使尺寸变小，也会有足够的壁厚来保证模样的强度和刚度。当铝合金模样的平均轮廓尺寸小于1000mm时，壁厚取8mm、10mm和12mm是合适的。

（2）金属模样的活块 模样上妨碍起模的部分应做成活块。活块应能很好地在模样上定位和固定，起模时又便于脱开。常用的定位固定方式有三种，即燕尾槽式、滑销式和榫式，如图2-4所示。

图2-4 活块的定位固定方式

a）燕尾槽式 b）滑销式 c）榫式

1—活块 2—滑销或榫头 3—模样

（3）金属模样的装配凸耳 在机器造型时，金属模样通常与模底板装配成模板使用。所以，在设计装配式模板上用的金属模样时，要考虑模样在模底板上的装配形式、定位和紧固等问题。必要时应在模样的适当位置上设计出装配用的凸缘、凸耳等结构，以供装配时打定位销和安装紧固螺钉用。

模样在模底板上的装配形式有平放式（见图2-5a、b、c）和嵌入式（见图2-5d、e、f）两类。当模样上没有低于分型面以下的凹坑时，均采用平放式装配，并尽量利用外凸缘来定位紧固，如图2-5a所示。否则，在模样内侧专门设计凸台来进行定位紧固，如图2-5c所示。在模样上有低于分型面以下的凹坑，或分型面处有圆角，或边缘较薄时，则采用嵌入式装配，此时，一般都要设计出凸缘或凸肩供装配用。图2-5d所示为浅嵌入式，适用于分型面处有圆角、凸缘细薄或者要求定位稳固的模样。图2-5e所示为上深嵌入式，适用于分型面以下虽有凹坑，但有现成凸耳可利用的模样。图2-5f所示为下深嵌入式，适用于分型面以下有深凹坑，且没有现成的凸耳可以利用的模样。

（4）金属模样的制造 金属模样的制造比较复杂，机械加工工序多，尤其是钳工和铣工的工作量较大，制造周期长，要求操作者的技术水平较高，成本也高。设计模样时，要力求符合机械加工的工艺性，尽可能减少钳工工作量和简化机械加工工艺，最大限度地发挥车削加工的作用，缩短金属模样的加工周期，以便它能尽快投入使用。

图2-5 金属模样的装配形式和凸缘结构

a）、b）、c）平放式装配凸耳 d）、e）、f）嵌入式装配凸耳