铸造工艺的条件与设计内容

铸造工艺文件直接用于指导铸造生产，对保证铸件质量起着重要的作用。一份好的铸造工艺文件，不仅可以保证铸件质量，而且可简化操作，提高劳动生产率。

1.铸造工艺设计的意义

1）有利于采用先进的工艺获得高质量、低成本的铸件。

2）根据工艺进行工序检查，产生铸造缺陷时便于寻找原因，采取纠正措施。

3）根据工艺设计进行技术准备，如准备砂箱、芯骨、必要的工艺装备和工具，有利于保证正常的生产秩序，方便生产计划调度。

4）可以不断地积累和总结经验，提高铸造生产技术水平。

2.铸造工艺设计的主要内容

在大多数情况下，铸造工艺设计包括：

1）确定铸件的浇注位置和分型面，画出标有机械加工余量和起模斜度的铸件图。两者可以在零件图内画出，也可专门画出铸件图。

2）在铸件图上标出型芯的形状、大小，分型面和分模面，完成模样工艺图。

3）确定造型、制芯工艺方案，包括重要型、芯的舂砂方向、出气方向，以及吊芯方向。

4）确定浇冒口系统和冷铁等的大小、形状和位置，以及浇注温度、浇注时间等。

5）确定各型、芯的制造材料和方法。

6）设计或选用专用的或标准的铸造装备，如砂箱、冒口模、外冷铁、刮板架等。

7）制订必要的工艺文件，如工艺卡片等。

8）确定检验方法及其他。

在不同条件下，铸造工艺设计内容是不同的，有时非常简略，如只确定分型面、机械加工余量和浇冒口系统等。

3.铸造工艺设计的步骤

铸件零件图下达后，首先是熟悉图样、读懂图样，充分了解技术要求的内容，并根据铸件材质、生产批量，认真分析铸件结构，初步确定铸造工艺方案。

（1）造型和制芯方法的选择 在砂型铸造中，制造砂型和砂芯的方法分手工和机器两大类。机器造型、制芯将在本书后续章节中进行专门介绍，本章只介绍手工造型、制芯。在全面考虑铸件结构特点、技术要求、生产批量和车间生产条件等因素后，便可选择相应的造型、制芯方法。

用手工制造砂型和砂芯是砂型铸造生产中的基本方法。由于它的工艺装备简单，灵活多样，适应性强，所以在单件或成批量生产中，特别是大型复杂铸件的生产中得到了广泛应用。

手工造型和制芯的方法很多（见表1-1和表1-2），选择时应视具体情况而定。

表1-1 手工造型的各种方法

（续）

表1-2 手工制芯的各种方法

（2）铸型种类的选择 砂型铸造所用铸型有湿型、表面烘干型、干型、自硬型等几种。各种铸型都有各自的特点，现介绍如下：

1）湿砂型：砂型做好后，在潮湿状态下进行浇注，因此叫做湿砂型。湿砂型由于型砂中所采用的黏结剂的不同又分为普通湿砂型和活化湿砂型。普通湿砂型以黏土为主要黏结剂，砂型表面不刷涂料，完全在湿态下浇注。活化湿砂型以活化膨润土为主要黏结剂。湿砂型不需要烘干，有利于组织专业化流水线生产，生产周期短，生产率高，铸件成本低。湿砂型在湿态下造型和浇注，造型过程中灰尘少，劳动条件较好，容易落砂。但是湿砂型强度低，不宜浇注大件，主要用于浇注300kg以下的小型铸件。湿砂型水分含量高，浇注时大量水分蒸发，铸件容易产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等铸件缺陷。

湿砂型广泛用于铸铁、有色金属和小型低碳钢铸件。在铸铁件湿砂型中，手工造型用于生产100kg以下的小件，个别情况下也可以生产几吨重的修配件。在机械化流水线生产中，型砂制备和造型都易于实行机械化，型砂性能稳定，砂型紧实度均匀，可以浇注300kg以下的铸件。一般来说，湿砂型在铸铁件生产中应用比较广泛，不少中、小型铸铁车间普遍采用湿砂型。

在铸钢件中，由于铸钢浇注温度高，铸件粘砂、夹砂、气孔等缺陷较严重，因此湿砂型应用较少。但是在采用机械化流水线生产的铸钢车间，湿砂型也得到了应用，可以用来浇注小型薄壁（几十千克重）的低碳钢铸件。

在有色合金铸件中，由于铜合金或铝合金的浇注温度较低，金属氧化物不与砂型发生作用，铸件一般都比较小，因此有色合金铸件广泛采用湿砂型。

2）表面烘干型：表面烘干型是指浇注前，用适当方法对型腔表面进行干燥的砂型。它兼有湿型和干型的优点。因此，在中、大型（1～5t）铸件生产中得到广泛应用。

3）干砂型：经过烘干的高黏土（其质量分数为12%～14%）砂型。在去除水分后，其强度得到提高，透气性也好，铸件质量容易得到保证，但生产周期长，铸件成本高，一般适用于单件或小批量生产的结构复杂、技术要求高的大型铸件。

4）自硬型：用自硬砂制造的砂型。它利用化学反应使型砂硬化，具有强度高、灰尘少、生产率高等优点。目前使用的自硬砂型有水玻璃（吹CO₂气体进行硬化）自硬砂型、水玻璃流态自硬砂型，以及树脂（自然干燥或加热到150℃左右烘干）砂型。

（3）铸件浇注位置的确定 浇注位置和分型面是否恰当，对铸件质量、造型方法、砂箱尺寸、加工余量都有很大影响。根据对合金凝固理论的研究和生产经验，确定浇注位置时应考虑以下原则：

1）铸件的重要部分应尽量置于下部。图1-1所示为龙门刨床床身的浇注位置，导轨面是重要表面。

2）重要加工面应朝下或呈直立状态。图1-2所示为平台的浇注位置，平台表面是重要的加工面。

图1-1 龙门刨床床身的浇注位置

图1-2 平台的浇注位置

3）使铸件的大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷。对于大的平板类铸件，可采用倾斜浇注，以便增大金属液面的上升速度，防止夹砂结疤类缺陷的产生，如图1-3所示。倾斜浇注时，依砂箱大小，H值一般控制在200～400mm。

4）应保证铸件能充满。对具有薄壁部分的铸件，应把薄壁部分放在下半部或置于内浇道以下，以免出现浇不到、冷隔等缺陷。图1-4所示为曲轴箱的浇注位置。

图1-3 大平板类铸件的倾斜浇注

图1-4 曲轴箱的浇注位置

a）不正确 b）正确

5）应有利于铸件的补缩。对于铸件的厚大部分，应将其放在上面，以便于放置冒口，造成自下而上的顺序凝固。图1-5所示为铸钢链轮的浇注位置。

图1-5 铸钢链轮的浇注位置

6）应有利于砂芯的定位、稳固和排气。应避免采用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯，以便于下芯、合型及检验。图1-6所示为齿轮箱的浇注位置。

7）应使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致。这样可避免合型后或浇注后再次翻转铸型。

（4）分型面的选择 分型面是指铸型组元之间的接合面。一般来说，在浇注位置确定后再选择分型面，但是在分析各种分型面的利弊之后，可能需要再次调整浇注位置。在生产中，浇注位置和分型面是同时确定的。分型面合理与否，对铸件质量影响很大。

图1-6 齿轮箱的浇注位置

a）不正确 b）正确

确定分型面的一般原则如下：

1）将铸件尽量放在同一砂型内。如果达不到这个要求，也应将铸件加工面和加工基准面放在同一砂型内，以便保证铸件的尺寸精度。

2）尽量减少分型面的数量。平直的分型面最为方便，应力求避免曲面分型。成批量生产时还应避免使用活块。

3）分型面应选在铸件的最大截面上，以便顺利起模。选择分型面时，模样在一只砂型内不要过高，要充分利用上、下型的高度，这样有利于填砂、紧实、起模、下芯和合型。

4）分型面的选择力求减少砂芯数目。手工造型时，可用活块代替砂芯。砂芯最好位于下型，以便下芯、合型和检验。

5）分型面的选择，不仅要考虑简化造型和制芯的工艺，而且要考虑落砂清理和机械加工工作量。

确定分型面的实例分析见表1-3。

表1-3 确定分型面的实例分析

（续）

以上简要介绍了浇注位置和分型面的选择原则。这些原则有的是相互矛盾的。一个铸件的浇注位置和分型面究竟要满足哪几项原则，需要进行方案论证和对比，并根据实践经验作出正确的判断，从中选出最佳方案，以满足铸件的各项要求。

（5）砂箱中铸件数目的确定 在一个砂箱中放置几个铸件，主要根据铸件的尺寸、吃砂量、砂箱尺寸和车间的起吊能力来确定。对于手工造型，一般利用车间现有砂箱尺寸确定铸件数目。机器造型时一般根据造型机所允许的最大砂箱尺寸，来确定一箱中的铸件数目。

在拼箱设计中，吃砂量要合理。合理的吃砂量见表1-4。

表1-4 合理的吃砂量 （单位：mm）

（6）砂芯设计 砂芯设计是铸造工艺设计的重要内容之一。它主要包括确定砂芯的形状和个数（砂芯分块）、芯头结构、砂芯的通气和加固等问题。这里着重介绍砂芯分块和芯头结构。

1）确定砂芯数目和砂芯分块。砂芯数目是指同一个铸件上需要多少砂芯。砂芯分块是指铸件上同一个内腔或外腔，用一个整体芯还是分成几块砂芯来形成。

砂芯数目和砂芯分块的确定见表1-5。

表1-5 砂芯数目和分块的确定

（续）

砂芯分块时，还应注意使每块砂芯有足够大的截面，以保证一定的强度和刚度，并使排气通畅，同时还要考虑芯盒结构简单，便于制造和使用。

2）芯头结构。芯头是指支撑砂芯而不形成铸件轮廓的砂芯外伸部分。芯头的作用，一是定位，即确定砂芯在铸型中的位置；二是排气，即浇注时把砂芯中的气体引出型外。芯头分为水平芯头和垂直芯头两类。

①水平芯头结构。如图1-7所示，它包括芯头的长度、斜度、间隙等部分。

芯头的长度一般可根据工厂的生产实践和个人的经验来确定，或者按JB/T5106—1991《铸件模样型芯头 基本尺寸》的规格来选取。

图1-7 水平芯头结构

S、S₁、S₂—间隙

若砂芯做好后能顺利从芯盒中取出，则可不做斜度，但芯头端面要做合型斜度，且上型斜度比下型大。芯头与芯座间留有合适的间隙，是为了合型方便。该间隙过小时，下芯困难；该间隙过大时，浇注时容易形成“飞边”，严重时还会堵塞排气道。水平芯头斜度和芯头与芯座的配合间隙见表1-6。

表1-6 水平芯头斜度和芯头与芯座的配合间隙 （单位：mm）

注：S₁=S₂=（1.5～α）S。

②垂直芯头结构。如图1-8所示，它包括芯头的高度、斜度、间隙等部分。

垂直芯头的高度和间隙是根据砂芯的总高度以及横截面积来确定的，一般高度为15～150mm。

图1-8 垂直芯头的结构

h—下部芯头高度 h₁—上部芯头高度 S₁、S₂、S—间隙

细而长的垂直砂芯，上下都应留有芯头，且下芯头比上芯头高。(www.xing528.com)

芯头的间隙取决于砂芯的大小和精度。机器造型（芯）时，一般间隙为0.5～1mm；手工造型（芯）时，间隙可取0.5～4mm。但应当指出，一个砂芯上有两个以上的芯头时，应取较大的间隙。对于湿砂型的小砂芯，可不留间隙，有时为了下芯稳固，甚至可用过盈（过盈量为0.2mm）的芯头。

垂直芯头的高度和芯头与芯座的配合间隙可从表1-7查得。

表1.7 垂直芯头的高度和芯头与芯座的配合间隙 （单位：mm）

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注：当芯头高度受到砂箱尺寸限制时，表中数值减小2O%～25%。当没有上部砂芯头时，下部砂芯头高度可按表中数值增加3O%～5O%。对于一些大批量生产，且对高度中心线对称的砂芯，上、下部的砂芯头尺寸可以相同。间隙S₁=S₂的值可按（1.5～2）S计算。上部砂芯头高度h₁的值可按（O.6～O.7）h计算。

垂直芯头的斜度可从表1-8查得。

表1-8 垂直芯头的斜度 （单位：mm）

垂直芯头顶面与芯座的配合间隙可从表1-9查得。

表1-9 垂直芯头顶面与芯座的配合间隙 （单位：mm）

注：芯头底面与芯座间配合间隙，需要时，湿型可取0～1.5mm，干砂型可取0～3mm，自硬砂型取0～2mm。

③特殊芯头的结构。特殊芯头结构不仅包括芯头长度、斜度和间隙，而且还带有压环、防压环和集砂槽，如图1-9所示。

图1-9 特殊芯头的结构

a）水平芯头 b）垂直芯头

压环：采用机器造型时，可在上模样的芯头上车削出一道半圆凹槽（r=1.5～6mm），造型时，在上芯座上即凸起一砂环，合型后可将砂芯压紧。

防压环：在水平芯头靠近模样的根部设置一个凸肩，其高度一般为0.5～2mm，宽度为5～12mm，称为防压环。造型后在相应处形成一个环形缝隙，下芯合型时它可防止该处砂型被压塌。

集砂槽：采用机器造型时，在下芯座的模样端面上加工出一道凸环，造型后，在砂型内形成一个环形槽，合型时可集存落下的散砂。集砂槽深度一般为2～5mm。

④芯头承压面积的计算。芯头承压面积足够，可保证在金属液最大浮力的作用下不超过铸型的许用压应力。芯头承压面积A应满足式（1-1）。

式中 F_芯——计算最大的浮力（N）；

k——安全因数，k=1.3～1.5；

[σ]——铸型的许用应力（MPa）。一般湿型取（4～6）×10^-2MPa，活化膨润土砂型取（6～10）×10^-2MPa，干砂型取（60～80）×10^-2MPa。

⑤定位芯头。在砂芯上做出专用的定位结构，一是防止砂芯产生轴向移动，二是防止砂芯绕砂芯轴线转动，三是防止砂芯下错方向。具有以上作用的芯头叫定位芯头。需要特别指出的是，当砂芯两端芯头形状、尺寸完全相同，但内腔尺寸不同或与相关尺寸有要求时，为了防止方位错乱，必须做出定位芯头，否则会使铸件报废。

常见的定位芯头结构如图1-10所示。

图1-10 定位芯头结构

a）、b）垂直芯头 c）、d）水平芯头

4.其他工艺参数的选择

所谓工艺参数，是指在铸造工艺设计过程中需要确定的一些工艺数据。在铸件的铸造工艺方案确定后，就应选择合理的工艺参数，如铸件的线收缩率、加工余量、起模斜度、工艺补正量、分型负数等。

（1）铸件线收缩率 铸件从线收缩起始温度冷却至室温时，线尺寸的相对收缩量，称为铸件线收缩率。它是以模样与铸件的长度差占模样长度的百分率来表示的。

式中 ε——铸件线收缩率；

A、B——同一尺寸分别在模样和铸件上的长度。

铸件线收缩率确定得合理与否，将直接影响铸件的尺寸精度。铸件的线收缩率与合金的自由收缩有关，也与铸件的结构、铸型种类、芯砂的退让性等有关。砂型铸造普通合金铸件的线收缩率见表1-10。

表1-10 砂型铸造普通合金铸件的线收缩率

（2）加工余量 它是为了保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而后在机械加工时切去的金属层厚度。

铸件加工余量取决于铸件尺寸、生产批量、机械加工公差等级以及材质和铸造方法。

GB/T 6414—1999中规定：铸件的加工余量等级有10级，以A～K表示，其中A级精度最高。等级的选择要根据铸造合金的种类和采用的铸造方法等因素来确定，见表1-11。

表1-11 铸件机械加工余量 （单位：mm）

①最终机械加工后铸件的最大轮廓尺寸。

②等级A和B仅用于特殊场合，例如，在采购方与铸造厂已就夹持面和基准面或基准目标商定模样装备、铸造工艺和机械加工工艺的成批量生产情况下。

除非另有规定，要求的机械加工余量适用于整个毛坯铸件，即对所有需机械加工的表面只规定一个值，且此值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸按相应的尺寸范围选取。

GB/T 6414—1999推荐的用于各种铸造合金及铸造方法的机械加工余量等级见表1-12。

表1-12 毛坯铸件典型的机械加工余量等级

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（3）起模斜度 为使模样容易从铸型中取出或砂芯自芯盒中脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度叫做起模斜度。

起模斜度取决于模样材料的表面粗糙度、模样起模高度以及造型材料的特点和造型方法等。例如，水玻璃砂（特别是流态自硬砂）、水泥砂（以水泥为黏结剂的自硬砂）、树脂自硬砂等，要求有较大的起模斜度。

起模斜度有三种不同的形式，如图1-11所示。

图1-11 起模斜度的三种形式

a）增加壁厚法 b）加减壁厚法 c）减小壁厚法

起模斜度可按JB/T 5105—1991《铸件模样 起模斜度》的规定选取。黏土砂造型时的起模斜度见表1-13和表1-14。

表1-13 黏土砂造型时模样外表面的起模斜度

（续）

表1-14 黏土砂造型时模样凹处内表面的起模斜度

注：1.当凹处过深时，可用活块或型芯形成。

2.对于起模困难的模样，允许采用较大的起模斜度，但不得超过表中数值一倍。

3.芯盒的起模斜度可参照本表。

（4）铸出孔（槽） 零件上的孔、槽、台阶是否铸出，应根据合金的特点、生产性质、孔径大小、壁厚等具体情况考虑。一般来说，较大的孔、槽应铸出来，这样不仅节约金属和加工工时，同时还避免局部过厚形成热节，防止缩孔和缩松的产生。对最小铸出孔孔径的规定见表1-15和表1-16。

表1-15 灰铸铁件不铸出孔直径 （单位：mm）

表1-16 普通碳素钢和低合金钢铸件最小铸出孔（槽）尺寸 （单位：mm）

（5）工艺补正量 由于工艺上的原因，在铸件相应部位非加工面上增加的金属层厚度称为工艺补正量。

在单件小批量生产中，由于选择的铸件线收缩率与实际的线收缩率相差太远，或由于错型、砂芯偏移、砂芯上浮等，可能造成铸件上某些部位与图样要求不符，因此，需要在铸件对应部位的非加工面上增设一定的工艺补正量。这是防止铸件局部尺寸超差而报废的一种工艺措施，但也是造成铸件超重的一个重要原因。故随着生产工艺水平的提高，应尽量少用或不用该工艺措施。

设置工艺补正量要有一定的实际经验，在生产中也要善于积累数据。表1-17～表1-20为几种典型铸件的工艺补正量参考值。

表1-17 铸铁齿轮的工艺补正量 （单位：mm）

表1-18 法兰铸件的工艺补正量 （单位：mm）

表1-19 铸钢凸台的工艺补正量 （单位：mm）

表1-20 铸钢法兰与齿轮类铸件的工艺补正量 （单位：mm）

（6）分型负数 为抵消铸件在分型面部位的增厚，在模样上相应减去的尺寸称为分型负数。

分型面由于修型，一般都不平整，合型后不严密，为了防止跑火，在分型面垫以泥条或石棉绳，都会使垂直于分型面方向的尺寸增大，故在工艺设计时预先在模样上相应地减去这个尺寸，称为分型负数，用a表示。分型负数的大小和表示方法见图1-12及表1-21。

图1-12 分型负数示意图

a）上半模样留分型负数 b）两半模样都留分型负数 c）下半模样留分型负数

表1-21 模样的分型负数 （单位：mm）

确定分型负数时要注意下列几点：

1）若模样分为两半，且上、下两半是对称的，则分型负数在上、下两半模样上各取一半（见图1-12b），否则，分型负数应在上半模样上取（见图1-12a）。

2）多箱造型时，每个分型面都要留分型负数，且以每节砂箱高度为依据。

3）湿型一般不留分型负数，但砂箱尺寸大于2m时需留分型负数，其值应较表1-21中的数值小。

4）处在分型面上的砂芯间隙b不能小于分型负数a（见图1-12c，即b≥a）