铸造工艺设计基础

铸造工艺设计基础铸造生产周期较长，工艺复杂繁多。

为了保证铸件质量，铸造工作者应根据铸件特点，技术条件和生产批量等制订正确的工艺方案，编制合理的铸造工艺流程，在确保铸件质量的前提下，尽可能地降低生产成本和改善生产劳动条件。

本章主要介绍铸造工艺设计的基础知识，使学生掌握设计方法，学会查阅资料，培养分析问题和解决问题的能力。

§1-1 零件结构的铸造工艺性分析铸造工艺性，是指零件结构既有利于铸造工艺过程的顺利进行，又有利于保证铸件质量。

还可定义为：铸造零件的结构除了应符合机器设备本身的使用性能和机械加工的要求外，还应符合铸造工艺的要求。

这种对铸造工艺过程来说的铸件结构的合理性称为铸件的铸造工艺性。

另定义：铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸造工艺过程和降低成本。

铸造工艺性不好，不仅给铸造生产带来麻烦，不便于操作，还会造成铸件缺陷。

因此，为了简化铸造工艺，确保铸件质量，要求铸件必须具有合理的结构。

一、铸件质量对铸件结构的要求1．铸件应有合理的壁厚某些铸件缺陷的产生，往往是由于铸件结构设计不合理而造成的。

采用合理的铸件结构，可防止许多缺陷。

每一种铸造合金，都有一个合适的壁厚范围，选择得当，既可保证铸件性能（机械性能）要求，又便于铸造生产。

在确定铸件壁厚时一般应综合考虑以下三个方面：保证铸件达到所需要的强度和刚度；尽可能节约金属；铸造时没有多大困难。

（1）壁厚应不小于最小壁厚在一定的铸造条件下，铸造合金能充满铸型的最小壁厚称为该铸造合金的最小壁厚。

为了避免铸件的浇不足和冷隔等缺陷，应使铸件的设计壁厚不小于最小壁厚。

各种铸造工艺条件下，铸件最小允许壁厚见表7-1～表7-5合金种类铸件最大轮廓尺寸为下列值时/㎜﹤200200-400400-800800-12501250-2000﹥2000碳素铸钢低合金钢高锰钢不锈钢、耐热钢灰铸铁孕育铸铁（HT300以上）球墨铸铁88-98-98-113-45-63-499-101010-124-56-84-811121212-165-68-108-1014161616-206-810-1210-1216～18202020-258-1012-1612-14202525-10-1216-2014-16铸件最大轮廓为下列值时mm铸造铝合金﹤100100-200200-400400-800800-125034-55-66-88-12表1-2 熔模铸件的最小壁厚（单位：㎜）铸件尺寸/㎜最小壁厚/㎜碳钢高温合金铝合金铜合金10~50 1.5~2.00.6~1.0 1.5~2.0 1.5~2.0 50~100 2.0~2.50.8~1.5 2.0~2.5 2.0~2.5 100~200 2.5~3.0 1.0~2.0 2.5~3.0 2.5~3.0 200~350 3.0~3.5— 3.0~3.5 3.0~3.5﹥350 4.0~5.0— 3.5~4.0 3.5~4.0表1-3 金属型铸件的最小壁厚（单位：㎜）铸件尺寸/㎜最小壁厚/㎜铝硅合金铝镁合金、镁合金铜合金灰铸铁铸钢50×50 2.23 2.535100×100 2.53338225×22534 3.5410350×350454512压铸件面积/㎝2锌合金铝合金镁合金铜合金﹤250.7~1.00.8~1.2 1.5~2.025~100 1.0~1.6 1.2~1.8 2.0~2.5100~400 1.6~2.0 1.5~2.0 2.5~3.0﹥400 2.0~2.5 2.0~2.5 3.0~3.5（2）铸件的临界壁厚在铸件结构设计时，为了充分发挥金属的潜力，节约金属，必须考虑铸造合金的力学性能对铸件壁厚的敏感性。

厚壁铸件容易产生缩孔、缩松、晶粒粗大、偏析和松软等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。

从这个方面考虑，各种铸造合金都存在一个临界壁厚。

铸件的壁厚超过临界壁厚后，铸件的力学性能并不按比例地随着铸件壁厚的增加而增加，而是显著下降。

因此，铸件的结构设计应科学地选择壁厚，以节约金属和减轻铸件重量。

在砂型铸造工艺条件下，各种合金铸件的临界壁厚可按最小壁厚的3倍来考虑。

铸件壁厚应随铸件尺寸增大而相应增大，在适宜壁厚的条件下，既方便铸造又能充分发挥材料的力学性能。

表7-5，表7-6给出砂型铸造各种铸造合金的临界壁厚。

表1-5 砂型铸造各种铸造合金的临界壁厚（单位：㎜）合金种类与牌号当铸件重量（㎏）为下列值时0.1~2.5 2.5~10﹥10灰铸铁HT100,HT150HT200,HT250HT300HT3508~1012~1512~1815~2010~1512~1515~1815~2020~2512~182525可锻铸铁KTH300-06 KTH390-8KTH350-10 KTH370-26~106~1012~1210~12----球墨铸铁QT400-15 QT450-10QT500-7 QT230-31014~1815~2018~205060碳素铸钢ZG200-400 ZG230-450ZG270-500 ZG310-570ZG340-640181515252020------铝合金镁合金锡合金6~1010~14--6~1212~186~810~14----含碳量0.100.200.300.400.50临界壁厚1113.518.52539（3）铸件的内壁厚度砂型铸造时，铸件内壁散热条件差，即使内壁厚度与外壁厚度相等，但由于它比外壁的凝固速度慢，力学性能往往要比外壁低，同时在铸造过程中易在内、外壁交接处产生热应力致使铸件产生裂纹。

对于凝固收缩大的铸造合金还易产生缩孔和缩松，因此铸件的内壁厚度应比外壁厚度薄一些。

图1-1 铸件内壁的合理结构a，b）不合理c）合理合金类别铸铁铸钢铸铝铸铜铸件内壁比外壁厚度应减少的相10~2020~3010~2015~20对值%注：铸件内腔尺寸大的取下限对于锻钢制造的轴类零件来说，增大直径便可提高承载能力。

但对铸件来说，随着壁厚的增加，中心部分晶粒粗大，承载能力并不随壁厚增加而成比例地增加。

因此，在设计较厚铸件时，不能把增加壁厚当作提高承载能力的唯一办法。

为了节约金属，减轻铸件重量，可以选择合理的截面形状，如承受弯曲载荷的铸件，可选用“T”型或“工”型截面。

采用加强筋也可减小铸件壁厚。

一般筋厚﹤内壁厚﹤外壁厚。

2 . 铸件壁应合理连接铸件壁厚不均，厚薄相差悬殊，会造成热量集中，冷却不均，不仅易产生缩孔、缩松，而且易产生应力、变形和裂纹。

所以要求铸件壁厚尽量均匀，如图1-2（a）所示结构中壁厚不均，在厚的部分易形成缩孔，在厚薄连接处易形成裂纹。

改为1-2（b）结构后，由于壁厚均匀，即可防止上述缺陷产生。

也可用薄壁加加强筋结构。

加强筋的布置应尽量避免或减少交叉，防止习惯年成热节。

例如钳工划线平台，其筋条布置如图1-3所示。

铸件各部分壁厚不均现象有时不可避免，此时应采用逐渐过渡的方式，避免截面突然变化。

接头断面的类型大致可分为L、V、K、T 和十字型五种。

在接头处，凝固速度慢,容易产生应力集中、裂纹、变形、缩孔、缩松等缺陷。

在接头形式的选用中,应优选L型接头，以减小与分散热节点及避免交叉连接。

逐渐过渡的形式与尺寸如表7-8所示。

由表可知，壁厚差别不很大时，采用圆弧过渡（）；壁厚差别很大时，采用L型过渡，在同等情况下，铸钢件的过渡尺寸比铸铁件要大。

两壁相交，其相交和拐弯处要作成圆角。

图1-2 均匀壁厚避免形成热节举例3．结构斜度进行铸件设计时，凡顺着拔模方向的不加工表面尽可能带有一定斜度以便于起模，便于操作，简化工艺。

铸件垂直度越小，斜度越大。

综合以上所述，为了保证铸件质量，铸件的合理结构为：1)壁厚力求均匀，减小厚大断面，防止形成热节。

办法是将厚大部位挖去一部分；图7-52)内壁厚度应小于外壁。

因为内壁冷却慢，适当减薄（图7-6）。

3)应有利于补缩和实现顺序凝固。

有些铸件铸锭厚度较大或厚度不均。

如果该件所用合金的体积收缩较大，则很容易形成缩孔、缩松。

此时应仔细审查零件结构，尽可能采取顺序凝固方式，让薄壁处先凝，厚壁处后凝，使在厚壁处易于安放冒口补缩，以防止缩孔、缩松。

图7-74)注意防止发生翘曲变形。

细长杆状铸件，大平板铸件，增加加强筋及改变截面形状床身一类的铸件，其截面形状不允许变化，为防止其变形可采用反挠度，即在模样上采取反变形量。

如果既不能设加强筋，又不能该变截面形状，只好采用人工失效方法消除应力减少变形。

5)应避免水平方向出现较大平面。

大平面铸件的上部型砂时间受金属液体烘烤，容易造成夹砂。

解决的办法是倾斜浇注或设计成倾斜壁。

应避免铸件收缩时受到阻碍，否则会造成裂纹，对于收缩大的合金铸件尤其要注意这一点。

4 . 铸件结构设计原则（1）设计铸件壁厚时应考虑到合金的流动性；流动性越好的合金，充型能力越强，铸造时就不容易产生浇不足、冷隔等缺陷，因此，能铸出的铸件最小壁厚尺寸也就越小。

（2）铸型型腔的形状与尺寸大小是根据铸件的形状与尺寸决定的。

不同的型腔形状和尺寸对液态金属的流动的阻力，散热情况是不同的，从而会导致液态金属在型腔内的流动与填充情况不同。

因此，铸件结构上应尽量避免突变性的转变、壁厚急剧的变化、细长结构、大的水平面、高度较大的凸台等。

（3）一个铸件在生产过程中是否出现缩孔、缩松、变形、热裂、冷裂等收缩类铸造缺陷，出现在哪个部位、严重程度如何，都与铸件结构密切相关。

由此可以得出指导铸件结构设计的原则：1)对凝固收缩大，容易产生集中缩孔的合金，如铸钢、球墨铸铁、可锻铸铁、黄铜、无锡青铜、铝硅共晶合金等，倾向于采用顺序凝固方式铸造。

这时在进行铸件结构设计时，应使铸件结构形式有利于顺序凝固。

2)对溶液产生缩松的合金，如锡青铜、磷青铜等采用冒口补缩效果不大，常采用同时凝固方式来使缩松更分散些；对收缩较小的合金，如铸铁更倾向于采用同时凝固方式铸造。

这时铸件的结构应是壁厚均匀，尽量减少金属的聚集与消除热节。

对于一些结构形状复杂的大铸件，也可将其各部分按顺序或同时凝固方式设计。

3)尽量使铸件结构有利于自由收缩，如尽量减少铸件的轮廓尺寸，减少突出部分，必要时可将一个铸件分成几个小铸件，然后用焊接或螺栓连接起来。

4)尽量避免产生应力集中的形状，如不应有尖角、不同壁厚之间的连接要平缓。

5)应考虑到各种铸造方法的工艺过程、凝固特点、铸型和型芯的特点。

尤其市使用金属铸型和型芯的铸造方法。

如金属型铸造、压力铸造，应便于铸件的抽芯和出芯。

二、从生产工艺考虑—简化工艺便于操作—角度对铸件结构提出的要求铸件结构不仅应有利于保证铸件质量，防止和减少铸造缺陷，而且应保证造型、制芯、清理等操作的方便，以利于提高生产率和降低成本。