砂型铸造工艺及其分类

1.铸型的概念及组成

铸型是由型（芯）砂、金属或其他耐火材料制成的组合体，是金属液冷却凝固后形成铸件的一个空腔，也称为型腔。装配好的铸型如图2-3所示。

2.造型材料

（1）造型材料的概念及常用造型材料

用于制造铸型型腔和型芯的材料称为造型材料。常用的造型材料有砂子、金属、陶瓷、石膏、石墨等耐高温材料。

（2）型砂与芯砂的组成

由砂子（也称为原砂）作为主体材料制成的造型材料称为型砂或芯砂。型砂用于造型，芯砂用于制芯。型（芯）砂一般是由原砂、黏结剂、附加物和水按照一定比例混制而成且具有一定性能要求的混合物，其结构示意图如图2-4所示。

图2-3　铸型装配图

1—下型；2—分型面；3—上型；4—型芯；5—通气道；6—浇注系统；7—砂箱；8—型腔

图2-4　型砂结构示意图

1—砂粒；2—黏土膜；3—空隙；4—煤粉

原砂是型（芯）砂的主要材料，一般采自海、河、山地或为人造砂，常用于铸造的砂子种类有石英砂、镁砂、石灰石砂、锆砂等。

黏结剂是在型（芯）砂中用于黏结砂粒的材料。配制型（芯）砂常用的黏结剂有黏土、水玻璃、树脂、合脂和植物油等，其中最常用的是黏土。黏土又分为普通黏土和膨润土两大类。

附加物是为了改善型（芯）砂的某些性能，根据需要在型（芯）砂中添加的一些附加材料。

水用于黏土砂。适量的水分可使黏土型（芯）砂具有所需的湿强度和韧性，以便于进行造型。

（3）型（芯）砂的性能要求

1）流动性，指型（芯）砂在外力或自身重力的作用下于砂粒间相对移动的能力。流动性好的型（芯）砂易于填充、舂紧和形成紧实度均匀、轮廓清晰、表面光洁的型腔。

2）强度，指紧实的型（芯）砂抵抗外力破坏的能力。强度过低，铸型易造成塌箱、冲砂、胀大等缺陷；强度过高，会使铸型过硬，透气性、退让性和落砂性降低。

3）透气性，指紧实的型（芯）砂能让气体通过而逸出的能力。若透气性太差，气体将留在型腔内，使铸件形成呛火、气孔等缺陷。

4）耐火度，指型（芯）砂在金属液高温的作用下不熔化、不软化、不烧结，而保持原有性能的能力。耐火度低的型（芯）砂易使铸件产生黏砂等缺陷。

5）退让性，指铸件在冷凝收缩时，紧实的型（芯）砂能相应地被压缩变形，而不阻碍铸件收缩的性能。若退让性不好，铸件易产生内应力、变形甚至开裂。

6）韧性（也称可塑性），指型（芯）砂在外力作用下变形，去除外力后仍保持已获得形状的能力。若韧性好，则造型操作方便，容易起模，便于制作形状复杂、尺寸精确、轮廓清晰的砂型。

7）溃散性，指型（芯）砂在落砂清理时容易溃散的性能。溃散性的好坏对铸件的清砂效率及工人的劳动强度有显著影响。

3.砂型铸造的概念及常用的造型方法

砂型铸造就是用模样、砂箱和型砂（芯砂）制造出紧实度均匀、尺寸与轮廓形状均符合要求的砂型（砂芯）的过程。由于铸件的形状各式各样，为了满足不同铸件的造型要求，造型方法也有多种形式。不同的造型方法适合于不同的铸件，同一个铸件也可以用不同的造型方法进行造型。

砂型铸造通常分为手工造型和机器造型两种类型。手工造型是指全部用手工或手动工具完成的造型，其特点是操作灵活、适应性强、生产成本低，应用较为普遍，但生产效率低，劳动强度大。机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序，其特点是砂型型腔质量好、生产效率高，但设备成本高，适合于成批或大批量的生产。

（1）手工造型

手工造型按照模样特征通常可分为整模造型和分模造型、活块模造型、挖砂造型、假箱造型和刮板造型等；按照砂箱特征通常可分为两箱造型、三箱造型、多箱造型、脱箱造型和地坑造型等。手工造型的常用工具如图2-5所示。

图2-5　手工造型的常用工具

（a）砂箱；（b）刮板；（c）模底板；（d）砂冲；（e）半圆；（f）起模针；（g）皮老虎；（h）镘刀；（i）秋叶；（j）提钩

1）整模造型。

将铸件的模样做成整体，分型面位于模样的最大端面上，模样可直接从砂型中起出，这样的造型方法就称为整模造型。由于整模造型的模样是位于一个砂型型腔内，因此整模造型具有造型操作简单、铸件精度较高的优点。图2-6所示为盘类铸件的两箱整模造型工艺过程。

整模造型的操作步骤及要领如下：

①造下砂型：在模底板上放好模样和下砂箱，注意模样与砂箱箱壁间应保持一定的距离，以便于安放浇口、冒口和防止浇注时跑火。

②填砂和舂砂：先往砂箱中填入一定的型砂覆盖模样，用手塞紧模样后再加入一定量的型砂，按照先周边后中央的顺序依次用砂舂锤的扁头舂实型砂，然后加砂再舂实，最后一次加砂要高出砂箱30～50 mm，并用砂舂锤的平头舂实型砂，最后以砂箱上平面为准用刮砂板将多余的砂刮掉、刮平。

③翻转下砂型：翻转前应将下砂型与模底板间错动一下。

图2-6　盘类铸件的两箱整模造型工艺过程

（a）造下砂型，填砂，舂砂；（b）刮平，翻转下砂型；（c）造上砂型，扎透气孔，做泥号；（d）开箱，起模，开设浇注口；（e）合箱；（f）落砂后带浇口的铸件

④修整分型面和撒分型砂：翻转后的下砂型视分型面的平整情况进行适当修整。上砂型的舂砂是放在下砂型上进行的，为了使上、下砂型不致粘连，在分型面上应撒一层薄的隔离材料，通常是细干原砂，称为分型砂。分型砂只能撒在砂面上，模样上的分型砂要用掸笔或手风器（皮老虎）清理掉。

⑤造上砂型：在下砂型上安放上砂箱，在上砂箱内的合适位置放置直浇口棒，填砂和舂砂方式与下砂型相同。

⑥扎透气孔：为了加强砂型的排气能力，在砂型舂实刮平后，在模样的上方用透气针扎透气孔。透气针的粗细一般是2～8 mm，透气孔的数量一般应为4～5个/dm2，透气孔的深度离模样应保持在5～10 mm的距离。

⑦定位：砂型在取出模样后还需要合型，要求上砂型必须准确地合到下砂型原来的位置上，否则会产生错箱。常用的几种定位方法有：用定位销与砂箱上的定位销孔进行定位；用内箱销进行定位；用内箱锥销进行定位；在砂箱外壁上用做泥号的方法进行定位。

⑧开箱（也称为敞箱）：为了取出模样，将上砂型从下砂型上移去的操作就是开箱。开箱时上砂型应尽量垂直提起。

⑨松模：为了使模样顺利地从型腔中取出，模样与型腔之间要有一定的间隙，要靠敲动模样的操作来实现，这个操作过程就称为松模。松模时先用水笔蘸些水将模样周围的型砂稍微湿润一下，以增加这部分型砂的韧性，防止砂型损坏。

⑩起模：将模样从砂型中取出的操作就是起模。起模时要小心细致，避免将砂型破坏，先用起模针将模样慢慢地垂直向上提起，待模样即将全部取出时要加快速度。

⑪修型：待模样取出型腔后，视型腔的完整情况对型腔进行适当的修补，使之达到牢固、准确、平整、光滑的要求。修型的顺序是先上面，然后侧面，最后底面。

⑫开设浇注口：根据铸件的结构特点，将直浇道通过横浇道和内浇道引入砂型的某一合适位置，以使金属液能够通过浇道顺利流到铸型中，且起到阻挡熔渣等杂质的作用。

⑬上敷料和涂料：造好的砂型如果是湿型，通常要用粉袋在型腔表面撒一层石墨粉等敷料；如果是干型，需要用排笔在型腔表面刷上一层液体涂料，然后烘干。其目的是防止铸件粘砂，使铸件表面光洁。

⑭合箱：将经过处理的上砂型按照定位位置放到下砂型上的操作就是合箱。合箱不准确将会使铸件产生错箱或跑火等铸造缺陷。

2）分模造型。

分模造型是用分块模样造型的方法。对于球体、各类套筒件等，一个共同的特点是存在一个过轴线的最大截面，而模样是沿着这个最大截面分为两个或多个部分，利用这种模样进行造型就称为分模造型。造型时模样由定位销进行固定。分模造型的操作方法和整模造型的操作方法基本相同，合箱时更要注意定位准确，防止错箱。图2-7所示为套筒件的两箱分模造型工艺过程。

图2-7　套筒件的两箱分模造型工艺过程

（a）造下砂型；（b）造上砂型；（c）开箱，起模；（d）开设浇注口，下芯；（e）合箱；（f）带浇口的铸件

3）挖砂造型和假箱造型。

有些铸件如手轮、法兰盘等，当最大截面不在端面，而模样又不能分开时，只能做成整模放在一个砂型内。为了起模，需要在造好下砂型并翻转后，挖掉妨碍起模的型砂至模样最大截面处，其下型分型面被挖成曲面或有高低变化的阶梯形状（称不平分型面），这种方法称为挖砂造型。手轮的挖砂造型工艺过程如图2-8所示。

挖砂造型的操作要领：先造手轮下砂型，翻转下砂型后挖出分型面，再造上砂型。挖砂造型的重点在于挖砂和修分型面，一定要挖到模样的最大截面处，并根据模样形状修出坡度，这样上砂型的吊砂浅，便于开箱和合箱的操作。

挖砂造型的生产效率低而且技术要求高。如果先用强度较高的型砂做成一个上砂型（不做浇注口），用它来作为模底板直接造下砂型，就可以省去每次挖砂的工序，因为该箱不参加浇注，故称为假箱。假箱造型较挖砂造型可以提高生产效率。手轮的假箱造型工艺过程如图2-9所示。

图2-8　手轮的挖砂造型工艺过程

（a）手轮零件；（b）放置模样，开始造下砂型；（c）反转，最大截面处挖出分型面；（d）造上砂型；（e）起模；（f）落砂后带浇口的铸件

图2-9　手轮的假箱造型工艺过程

（a）在假箱上造下砂型；（b）造下砂型；（c）起模，合箱
1—下砂型；2—假箱；3—上砂型

4）三箱造型和多箱造型的特点及其操作方法。

有些铸件的结构形状是上、下端面大而中间截面小，或者是铸件高度较大，造型时为了使模样能够顺利取出，需要设置多个分型面，这种需要用两个以上砂箱进行造型的方法就称为多箱造型。用三个砂箱、两个分型面进行造型的方法称为三箱造型。三箱造型也属于多箱造型。带轮的三箱造型工艺过程如图2-10所示。

三箱造型的操作要领是先造下砂型，翻转后造中砂型（中砂型厚度不宜太薄，避免砂型垮塌），再造上砂型，依次开箱、起模，修型后进行合箱。

5）活块模造型的特点及其操作方法。

如果模样上有妨碍正常起模的凸出部分（如小凸台），应将这部分做成可拆卸或能活动的活块，这就是活块模样，用活块模样进行造型的方法就称为活块模造型。活块一般是用销钉或燕尾槽与模样本体连接。活块的厚度不能大于模样本体的厚度，活块的位置深度也不能太深。活块模的造型工艺过程如图2-11所示。(www.xing528.com)

图2-10　带轮的三箱造型工艺过程

图2-11　活块模的造型工艺过程

1—用钉子连接活块；2—用燕尾槽连接活块

活块模造型的操作要领：将模样本体与活块连接定位后放入砂箱中进行造型，舂砂时先用手按住活块，在活块周围加砂塞紧，然后拔出销钉，再加砂舂实。舂砂时要避免砂舂锤直接舂击活块，以免发生活块移位或损坏。取模时先取出主体模样，然后再取出活块，并将其周围修成圆角。

活块造型的操作难度较大，生产率低，仅适用于单件生产。当产量较大时，可用外型芯取代活块，从而将活块造型改为整模造型，使造型容易，如图2-12所示。

6）活砂造型的特点及其操作方法。

绳轮具有上、下两个对称的大截面，而中间有一圈较薄的凹槽铸件，如果采用三箱造型，中箱砂型太薄容易垮塌，所以采用活砂造型比较合适。活砂造型如图2-13所示。

活砂造型的操作要领：造型时先在平台上放置上半模样，套上砂箱并安放浇口棒，填砂并舂实、刮平、扎透气眼，拔出浇口棒，翻转上砂型。挖出上分型面并修光，撒分型砂并安放下半模样，手工做出活砂块（舂砂时一只手按住模样，用型砂先塞紧模样，加砂后用砂舂锤舂实型砂，修整出下分型面）。在下分型面撒分型砂并安放下砂箱，填砂、舂实并刮平下砂型。在砂箱的三个侧面打定位泥号。开下砂型，活砂块被留在上砂型，将下半模样从活砂块中取出，再将下砂型合在上砂型上。同时翻转上、下砂型，使活砂块落在下砂型上，开上砂型，将上半模样从活砂块中取出，最后将上砂型合在下砂型上。

图2-12　用外型芯取代活块

（a）取模，下芯；（b）合型

图2-13　活砂造型

（a）铸件；（b）舂上砂型；（c）翻转上砂型挖出分型面，放上另一半模样，舂制活砂；（d）下砂型舂实后翻转起出下半模样；（e）下砂型合到上砂型后一起翻转，提上砂型取出上半模样；（f）合箱后的砂型

可以看出，活砂造型工序烦琐，对工人的操作技术要求高，生产效率低。因此它只适合于单件或小批量生产。

7）刮板造型。

用与铸件截面形状相适应的特制木质刮板代替模样进行造型的方法称为刮板造型。尺寸大于500 mm的旋转体铸件，如带轮、飞轮、大齿轮等单件生产时，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。皮带轮铸件的刮板造型过程如图2-14所示。

图2-14　皮带轮铸件的刮板造型过程

（a）皮带轮铸件；（b）刮板（图中字母表示与铸件的对应部位）；（c）刮制下砂型；（d）刮制上砂型；（e）合箱

8）地坑造型。

图2-15　地坑造型结构

1—通气管；2—焦炭；3—草垫；4—定位桩

直接在铸造车间的砂地上或砂坑内造型的方法称为地坑造型。大型铸件单件生产时，为节省砂箱，降低铸型高度，便于浇注操作，多采用地坑造型。图2-15所示为地坑造型结构，造型时需考虑浇注时能顺利将地坑中的气体引出地面，常以焦炭、炉渣等透气物垫底，并用铁管引出气体。

（2）机器造型

机器造型的实质是把造型过程中的主要操作——紧砂与起模过程实现机械化。为了提高生产率，采用机器造型的铸件应尽可能避免活块和砂芯，同时机器造型只适合两箱造型（因无法造出中箱，故不能进行三箱造型）。机器造型根据紧砂和起模方式不同，目前有气动微振压实造型、高压造型、射压造型和抛砂造型等。

4.造芯的目的、砂芯的结构以及常用造芯方法

（1）制作砂芯目的

1）砂芯可以构成铸件的内腔或孔洞形状，这是砂芯的主要作用。

2）砂芯也可以构成铸件的外形。当铸件形状复杂或形体较大时，也可以用砂芯来完成铸件外形。

（2）砂芯的结构

砂芯是由芯体和芯头组成的。芯体用来形成铸件的内腔、孔洞或外形；芯头起支撑、定位和排气作用。为了加强砂芯的强度和刚度，并且方便砂芯的吊运，制作砂芯时应在其内部放置芯骨，芯骨根据砂芯的大小通常有铁丝芯骨、圆钢芯骨或铸铁芯骨。为了使砂芯中的气体能够顺利和迅速排出，砂芯中必须做有通气道。

（3）砂芯的制作方法

砂芯的制作按其填砂与紧实方法的不同，可分为手工制芯和机器制芯两类；按其成型方法的不同，可分为芯盒制作和刮板制作两类。芯盒按其结构不同可分为对分式芯盒、整体式芯盒和可拆式芯盒（又称脱落式芯盒）。

1）用对分式芯盒制作粗短砂芯，如图2-16所示。

对分式芯盒制作粗短砂芯的操作要领如下：

①检查芯盒两半定位销配合是否准确，清理芯盒内表面。

②把芯盒对合夹紧放在工作台上，填一部分砂舂实。

③舂砂到50 mm厚时，将芯骨敲入，继续舂砂至满。

④刮平上端面，沿砂芯的中心部位用气孔针扎出上、下贯通的通气孔。

⑤取走芯盒上的夹紧钳，放平芯盒，轻轻敲动，使芯盒与砂芯之间产生间隙。

⑥取走一半芯盒，用手托住砂芯再取走另一半芯盒，把砂芯放在烘芯板上。

图2-16　用对开式芯盒制作粗短砂芯

2）用对分式芯盒制作长砂芯。

对分式芯盒制作长砂芯的操作要领：先分别在两个半芯盒内填砂并放芯骨制芯，将贴合面刮平，修出通气道；然后在贴合面上刷一层泥浆水，吻合两半芯盒，轻轻敲击芯盒，促使上、下两部分黏合；最后松动芯盒，将芯盒取走，把砂芯放在烘芯板上。

3）整体式芯盒制芯。

整体式芯盒制芯用于形状简单的中、小型砂芯，其制作过程如图2-17所示。

4）可拆式芯盒制芯。

对于形状复杂的大、中型砂芯，当用整体式和对分式芯盒无法取芯时，可将芯盒分成几块，分别拆去芯盒后再取出砂芯。可拆式芯盒制芯过程如图2-18所示。

图2-17　整体式芯盒制芯

（a）舂砂，刮平；（b）放烘芯板；（c）翻转，取芯
1—烘芯板；2—砂芯；3—芯盒

图2-18　可拆式芯盒制芯

（a）制芯；（b）取芯
1—砂芯；2—芯盒；3—烘芯板