铸造工艺设计及技术文件输出

（一）铸造工艺设计概述

1.铸造工艺及铸造工艺设计的基本概念

“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、尺寸和性能金属零件毛坯的成形方法”（GB/T 5611—1998）。“工艺”是“使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程”（GB/T 4863—2008）。

因此，“铸造工艺”可以理解为“通过铸型制造、合金熔炼、浇注与凝固，生产铸件的过程和方法”，显然，铸造工艺设计就是策划、编制铸造工艺（铸件生产的过程和方法）的一系列技术工作的总和，铸造工艺设计的输出（即铸造工艺）是用于指导铸件铸造生产的一组工艺文件（如铸造工艺图、铸件图、模样图、芯盒图、铸型装配图、铸造工艺卡等）。

2.铸造工艺的基本内容

（1）铸件生产的工艺路线。工艺路线由若干工艺过程（企业各有关部门或工序）连接而成，这些工艺过程在时间上有一定的先后顺序，一般可以用工艺流程图来展现。

（2）各工艺过程的方案及实施步骤与方法，如浇注位置、分型面怎么选，浇冒系统怎么设置，型芯怎么分块、怎么固定等，以及造型操作步骤及操作方法。

（3）各工艺过程的工艺参数及工艺参数选择与控制方法。

如果把铸造工艺设计看作一个大的作业过程，则其输入就是：

（1）生产任务：零件图样、零件技术要求、产品数量及生产期限。

（2）生产条件：设备能力、原材料供应、操作工人的技术水平和生产经验和习惯、模具加工等情况。

（3）经济性考核。

铸造工艺设计的输出是：铸造工艺图、铸件图、铸型装配图、铸造工艺卡等技术文件。

3.工艺设计应贯彻的六条基本原则

铸造工艺设计过程中应坚持贯彻下述六条基本原则：

（1）安全为天原则。“不安全，不生产”是企业生产安全管理的重要法则，确保企业生产中的人身安全和设备安全是企业获得良好经济效益的根本保证，更是企业责任的重要内容。

（2）质量第一原则。产品质量不仅是企业获取利润的基本保证，而且是保证顾客利益不受损害的基本要求。

（3）环境友好原则。生产工艺要确保综合利用资源，大力降低原材料和能源的消耗；积极采取无污染或只有轻微污染的新技术，使产品制造过程中产生的副产品或废物能重新使用或出售；保护生态环境，追求物质和能源利用效率的最大化和废物产量的最小化。

（4）适应原则。生产工艺不仅要适应所生产的产品，包括产品的数量、质量要求，及其他技术要求；而且还要适应产品生产企业的具体情况，比如设备条件、操作人员的技术水平、原材料供应情况等；铸造生产工艺还应适应生产情况在控制范围内的变化。

（5）高效原则。所设计的工艺应有利于生产效率的提高，包括单位工时、单位作业面积产出率提升，以及提高生产设备的利用率，延长模样、芯盒等工装的使用寿命，降低对生产个人的技术要求等，以获得更高的经济效益。

（6）有效指导原则。所设计的工艺应能对产品生产相关人员进行有效的指导，包括工艺正确，工艺表达规范、清晰、简洁。

在铸造工艺设计中是否贯彻了上述六条原则是所设计工艺的质量的判定准则，因此工艺设计者在初步工艺形成后应对每一个子过程、每一个操作步骤和方法用这六条原则去进行检查，必要时对工艺进行修改和补充。

4.工艺设计原则在铸造工艺设计中的运用

铸造工艺设计应以保证生产的安全、保证铸件具有所要求的质量水平、保证铸件生产成本尽可能低为目标。

充分利用车间现有的设备，减轻操作工人的劳动强度，达到高的劳动生产率。

应尽量采用价格较便宜，容易采购到的原材料。尽量采用标准的或通用的工装。必须设计专用工装时，在保证质量和劳动生产率高的前提下，尽可能设计简单、制造方便和成本较低的专用工装。

所设计的工艺应保证尽可能使大量的铸件很快离开车间的生产现场，提高车间生产面积的利用率。

使铸件生产的上、下工序（模样车间和机械加工车间等）成本最低。

必须符合技术安全和环保卫生的规定，保证操作工在较好的劳动环境下工作。

同一铸件可能有多种铸造工艺方案，在保证铸件质量和高的劳动生产率的前提下，应选择最容易、最方便的方案。使对操作工人的技术要求较低，降低劳动力成本；而且减少因操作复杂而发生的铸造缺陷。

（二）铸造方法选择

一旦选择了铸造方法，就确定了铸件生产的工艺路线，也就完成了铸造工艺第一个层次的内容设计。

铸造一般按造型方法来分类，习惯上分为：普通砂型铸造和特种铸造两大类。普通砂型铸造包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型三类。特种铸造按造型材料的不同，又可分为两大类：一类以天然矿产砂石作为主要造型材料，如熔模铸造、壳型铸造、消失模铸造、泥型铸造、陶瓷型铸造等；一类以金属作为主要铸型材料，如金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造等。本书仅介绍可实施的几种常见的铸造方法。

1.普通砂型铸造

普通砂型铸造是指将产品模样（通常是木质）埋于干砂与树脂或粘土等物质混合而成的高强度的型砂中，通过紧实和分型，在砂型内表面制造出模样的形状，再经过取模，形成型腔的过程。这种生产方式由来已久，应用于多种金属和合金的铸造过程。因为对成本低，而且不受生产规模的限制，一直被普遍使用。现有的一些新型铸造方法也大多由普通砂型铸造改进而来。

对于一些结构比较复杂尤其是有空腔的普通砂型铸造件，在铸造的过程中通常会包含型芯的制作。型芯的制作与安装也是特别重要的环节，一旦定位不准确，就有可能引起铸件的尺寸和形状发生变化。一般来说，砂型铸造用于质量要求较为宽松或者需要进行机加工的铸件。

普通砂型铸造工艺主要有以下优点：

（1）可以铸造出外形和内腔比较复杂的毛坯，如各种箱体、机床床身、机架等。

（2）适用广泛，可以生产出从几克到几百吨的铸件。

（3）成本低廉，原材料来源广，如铁屑也可以熔化成原材料。

同时，普通砂型铸造工艺也有许多不足之处：

（1）砂型铸造的制芯工艺复杂。

（2）砂芯的定位容易产生偏差。

（3）尺寸精度不高。

（4）生产效率低，废品率高。

（5）铸件中容易出现缩松和缩孔等缺陷。

普通砂型铸造工艺流程如图3.14 所示。

2.离心铸造

离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，使之在离心力的作用下，完成充填和凝固成型的一种铸造方法。

图3.14　砂型铸造生产工艺流程

为了实现这种工艺过程，必须采用专门的设备——离心铸造机（简称为离心机），来提供使铸型旋转的条件。根据铸型旋转轴在空间位置的不同，常用离心机分为立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种。

立式离心铸造的铸型是绕垂直轴旋转的，如图 3.15 所示。立式离心铸造主要用于生产高度小于直径的圆环类铸件。有时也可在离心机上浇注异形铸件，如图3.16 所示。

由于离心机安装及稳固铸型比较方便，因此，不仅可采用金属型，也可采用砂型、熔模型壳等非金属型。

卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转的，如图3.17 所示。在这种机器上的铸造过程称为卧式离心铸造。它主要用来生产长度大于直径的套筒类或管类的铸件。(www.xing528.com)

离心铸造采用的铸型有金属型、砂型、石膏型、石墨型、陶瓷型及熔模壳型等。

图3.15　立式离心铸造

1—浇包；2—铸型；3—液态金属；4—带轮和传动带；5—旋转轴6—铸件；7—电动机。

图3.16　立式离心浇注异形铸件

1—浇注系统；2—型腔；3—型芯；4—上型；5—下型。

图3.17　卧式离心铸造机

由于液体金属是在旋转状态下靠离心力的作用完成充填、成型和凝固这一过程的，所以离心铸造具有如下一些特点：

（1）铸型中的液体金属能形成中空圆柱形自由表面，不用型芯就可形成中空的套筒和管类铸件，因而，可简化这类铸件的生产工艺过程。

（2）显著提高液体金属的充填能力，改善充型条件，可用于浇注流动性较差的合金和壁较薄的铸件。

（3）有利于铸件内液态金属中的气体和夹杂物的排除，并能改善铸件凝固的补缩条件。因此，铸件的组织致密，缩松及夹杂等缺陷较少，铸件的力学性能好。

（4）可减少甚至不用冒口系统，降低了金属消耗。

（5）可生产双金属中空圆柱形铸件，如轴承套、铸管等。

（6）对于某些合金（如铅青铜等）容易产生重度偏析。

（7）在浇注中空铸件时，其内表面较粗糙，尺寸难以准确控制。

离心铸造发展至今已有近百年的历史。第一个专利是 1809 年由英国人爱尔恰尔特提出的，直到20 世纪初才逐步推广用于工业生产。20 世纪30 年代，我国开始采用离心铸造生产铸铁管。现在离心铸造已是一种应用广泛的铸造方法，常用于生产铸管、铜套、缸套、双金属钢背铜套等。对于像双金属轧辊、加热炉滚道、造纸机干燥滚筒及异形铸件（如叶轮等），采用离心铸造也十分有效。目前已有高度机械化、自动化的离心铸造机，有年产量达数十万吨的机械化离心铸管厂。

在离心铸造中，铸造合金的种类几乎不受限制。对于中空铸件，其内径最小为 8 mm，最大为 3 000 mm；铸件长度最长为 8 000 mm；质量最小为几克（金牙齿），最大可达十几吨。

3.消失模铸造

消失模铸造是实型铸造法、干砂实型铸造法、负压实型铸造法以及随之发展的磁型铸造、实型精密铸造、负压实型陶瓷型铸造等方法的总称，该技术的特点是在造型和浇注过程中不需要取模。尽管用于消失模的材料有发泡纸蜂窝、聚氯酪、石蜡等，但最实用的仍然为泡沫聚苯乙烯塑料以及其衍生材料，通常所说的消失模铸造主要指泡沫聚苯乙烯模铸造。实型铸造法、干砂实型铸造法、负压实型铸造法分别代表了消失模铸造发展的三个阶段，也是当前世界各地广泛使用的、已相互独立的三种消失模铸造方法。磁型铸造、实型精密铸造、负压陶瓷型铸造则是在实型铸造法基础上发展起来以生产一些有特定要求的铸件（如模具）的几种精密铸造方法。

在成功地应用实型铸造的基础上，结合其他新材料、新技术的试验研究，进而发展形成了实型空腔法、实型精密铸造、实型陶瓷型铸造等方法。实型空腔法就是用泡沫塑料模进行造型呈实体铸型，此后用物理或化学的方法除去泡沫塑料模以形成空腔铸型，浇入金属液后得到实型铸件。实型精密铸造或实型陶瓷型铸造就是用泡沫塑料模代替熔模铸造中的蜡模或代替原陶瓷型铸造中的金属模（或塑料模或木模），然后在铸型焙烧和浇注前气化消失，最后浇入金属液的一种铸造方法。这些方法，从本质上都没有改变原实型铸造、原熔模铸造和原陶瓷型铸造的造型特点。

20 世纪60 年代末期，德国的两位技术人员首先将真空技术引入实型铸造，并获得美国、英国专利。其原理是：先将压缩空气通入砂箱，使造型材料沸腾呈流态，然后放入泡沫聚苯乙烯模型；切断气源，型料沉积在模样四周，抽真空后浇注。1972 年，日本的植田昭二等人发明减压燃烧式铸造法，这是负压实型铸造的另一种工艺形式。1974 年，美国人R·A·奥尔生为负压实型铸造批量生产设计了专用装置。中国科学院光电所在国内首先提出了负压实型铸造的新设想，于1977 年成功浇注了一批铸铝、铸铜、铸铁和铸钢件。并在1981 年开展了负压实型铸造基础试验研究，包括液态合金充填铸型的能力、铸造成型机理的研究以及铸型强度性能和工艺方法对铸件机械性能的影响等。虽然我国提出负压实型铸造的思想比国外晚，但经过几代人艰苦努力，我国所开发的负压实型铸造工艺方法比国外要完善，采取一定的工艺措施可以保证砂箱内达到所需要的真空度。随着这项技术的深入推广，目前在国内已经有越来越多的企业开始使用，并取得良好的综合效益。上述的磁性铸造、干砂实型铸造以及负压实型铸造都是采用干燥的、没有粘接剂的造型材料，借助磁场力、重力或负压为粘接剂来紧实铸型，这种物理造型法通常称为第二代造型法。

消失模铸造的基本工艺流程，如图3.18 所示。

图3.18　消失模铸造的基本工艺流程

生产工序的减少，操作内容的简化，为消失模铸造提高生产率、减轻劳动强度创造了有利条件。负压实型铸造利用了真空密封造型法中用真空手段使松散流动的型料紧固成铸型的造型原理，但去除了该法中仍然用木模或金属模造型的拔模、下芯、合箱等操作；同时又吸收了实型铸造和磁型铸造工艺中用泡沫塑料气化模实体埋型，不起模就直接进行浇注的优点，而克服了实型铸造中型料需加粘接剂、需捣实、型料回收困难、打箱清理费劲的缺点，也克服了磁型铸造中铸件尺寸受磁极间距大小限制的缺点。

由于砂型铸造仍是我国普遍使用的铸造方法，以其为比较对象，会发现消失模铸造有非常多的优越性。概括而言，几种消失模铸造法具有以下几个共同的工艺优点。

（1）简化工序，缩短生产周期，提高生产效率。由于模样是整体的，基本上不用型芯，省去了芯盒和芯骨的制备以及芯砂的配制工序；如果选用冷固性造型材料（如水泥自硬砂或水玻璃自硬砂等），不需要烘型和铸型的一些准备工作，操作上又省去了取模、修型和配箱等许多工序，因而缩短了生产周期，提高了生产效率。

（2）减轻劳动强度，改善制模和造型工的操作条件。造型省去了拔模、修型和合箱等工序，大大减轻了劳动强度和改善操作条件。

（3）提高了铸件的尺寸精度。因模样不必从铸型中取出，没有分型面，又省去了配箱、组芯等工序，避免了在普通砂型铸造中因起模和配箱所导致的尺寸偏差，因而提高了铸件的尺寸精度。

（4）增大了零件的设计自由度。消失模铸造方法没有分型和必须取模的铸造工艺特点，减少了铸造工艺性要求，使铸件设计受到的限制减少。

（5）铸件质量好、废品率低。造型后，铸型是一个整体，没有分型面、不需取模，也不必考虑拔模斜度，所以杜绝了铸件的错箱和表面的飞边、毛刺等瑕疵。同时，还避免了像普通砂型铸造因造型操作不慎遗漏在铸型内的残砂所导致的砂眼缺陷。

（6）冒口设置方便，金属液利用率高。在砂型铸造中很难设置的球形暗冒口在消失模铸造中可以很方便地安置在任何位置，由于容易在砂箱中将塑料模串联起来实行串铸，因此，大大节约了浇注系统中的液态金属。

另外，干砂实型铸造法和负压实型铸造法不具有上述工艺优点，更具有以下突出之处。

（1）生产效率更高。由于无需配砂混砂，简化了砂处理流程，造型工序简单，打箱清理也很简单。因此，生产率进一步提高，特别对单件、形状复杂的铸件，效果更显著。

（2）工艺技术容易掌握，生产管理方便。消失模铸造简化了模样制作工艺，简化了造型操作和工艺装备，使工艺技术容易掌握和普及。且使用单一型料，不需对造型材料进行日常性能检查，也不存在模型的保管和大批砂箱的堆放问题，因此极大简化了车间的生产管理工作流程。

（3）投资少。由于生产工序少，各道工序操作简便，使工艺装备的品种和数量大大减少。消失模铸造不用庞大的砂处理设备，用振动工作台代替了各种类型的造型设备，造型材料可以完全回收使用，因此投资少。

（4）劳动强度进一步减轻，改善了作业环境。真空实型铸造不用手工捣砂，没有修型作业，不用人工打箱，从而大大地减轻了劳动强度。而且该方法在浇注时产生的废气可通过密闭管道集中排放到车间外以进行净化处理，这样，大大改善了生产现场环境。

4.消失模铸造的适用性

每种新的铸造方法出现都有一定的使用范围，消失模铸造方法也不例外。

（1）对铸型材质的适用性。理论上，凡是可以铸造的金属都可以用消失模铸造法，在这一点上其适应性甚至超过砂型铸造。例如，普通砂型铸造不能用于钛合金铸造，但采用SiC 砂的消失模铸造法可以用来浇注钛台金。从生产实践来看，目前用消失模铸造浇注过的铸件材质有普通铸钢、耐热合金钢、不锈钢、铁镍合金、普通铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、铸铝合金和铸铜等。一般来说，铸造车间常用的金属材料都可用消失模铸造来浇注。

生产实践还表明，用该法浇注铸钢件、球墨铸铁件等熔点高的铸件材质时，表面较少粘砂，无飞边毛刺，容易清理，铸件的表面质量明显优于砂型铸件。

（2）对铸件大小的适用性。砂箱大小直接决定消失模铸件的大小，因此，消失模铸造对铸件大小的适用性要广泛得多，可以在同一振动工作台上放置不同尺寸的砂箱，因此可以十分方便地生产出各种大小的铸件。由于泡沫塑料模型的强度低，加上埋型操作时填料不可能绝对均匀，模型容易变形，这就给浇注轮廓大、壁薄的铸件带来了一定困难。因此，从方便操作和现有工艺水平考虑，消失模铸造以浇注 2 t 以下，尤其是 1 t 以下的铸件为宜。

（3）对铸件生产批量的适用性。最佳的生产批量必须考虑生产塑料模所需的模具成本，对于那些不需要模具（塑料模由机械加工成型）或模具费用很低的铸件，可以不考虑生产批量问题。但对于必须采用价格高昂模具或模具数量必须很多的铸件，计算一个最佳批量是必要的，以确保铸件生产成本不会太高。

（4）对铸件结构的适用性。消失模铸造从工艺特点出发，特别适合于具有复杂结构（尤其是具有复杂内腔）、模样分型困难、造型困难的铸件。因此，消失模铸造为多品种、单件小批量、大批量生产几何形状复杂的中小型铸件提供了新的生产途径。

（三）铸造工艺图

1.铸造工艺图及其作用

铸造工艺图是在零件图上用标准规定的工艺符号表示出铸造工艺方案的图形。它是制造模样和铸型，进行生产准备和铸件检验的依据（即铸造工艺图是最基本工艺文件）。图3.19、3.20 展示了示例铸件的零件图、铸造工艺图、模样图、合型图之间的关系。

图3.19　支座的零件图、铸造工艺图、模样图及合型图

图3.20　圆锥齿轮的零件图、铸造工艺图及模样图

2.工艺符号及其表示方法

JB/T 2435—2013《铸造工艺符号及表示方法》中规定了铸造工艺图中一般的工艺符号，绘制工艺图时须按标准规定执行。