精密铸造铸件工艺及浇冒口系统设计

第六章铸件工艺设计第一节概述为了生产优质而价廉的包模铸件，做好工艺设计是十分重要的。

在做工艺设计之前，首先要考虑选用包模铸造工艺生产时，在质量、工艺和经济方面的几个问题。

1.铸件质量的可靠性对于铸件质量上的要求，一般是包括两个方面，一是保证技术要求的尺寸精度、几何精度和表面光洁度，二是保证机械性能和其它工作性能等内在质量方面的要求。

包模铸造具有少切削、无切削的突出优点。

近年来，由于冶金技术、制模、制壳材料和工艺以及检测技术等方面的发展，包模铸件的外部和内在质量不断提高，所以它的应用范围愈来愈广。

不少锻件、焊接件、冲压件和切削加工件，都可以用熔模铸造方法生产。

这对于节约机械加工工时和费用，节约金属材料，提高劳动生产率和降低成本都具有很大意义。

但是，熔模铸造生产的铸件，由于冶金质量、热型浇注引起的晶粒粗大、表面脱碳以及内部缩松等方面的原因，铸件的机械性能(尤其是塑性)，还存在一些缺陷。

对于某些受力大和气密性要求高的铸件，采用包模铸造时，应充分考虑零件在产品上的作用和性能要求，以确保其使用可靠。

有些结构件改用包模铸造生产时，必须考虑原用合金的铸造性能是否能满足零件的质量要求，否则就需要更改材质。

2.生产工艺上的可能性和简易性熔模铸造虽然可以铸造形状十分复杂的、加工量甚少甚至不加工的零件，但零件的材质、结构形状、尺寸大小和重量等，必须符合熔模铸造本身的工艺要求。

如铸件最小壁厚、最大重量、最大平面面积、最小孔槽以及精度和光洁度要求等，都要考虑到工艺上的可能性和简易性。

3.经济上的合理性采用包模铸造在经济上是否合理，要从多方面考虑。

按每公斤的价格来说，包模铸件与同类型锻件相近甚至还高些，但是由于大幅度减少了加工量，因而零件最终成本还是低的。

但也有些零件，可以利用机械化程度较高的方法生产，例如用自动机床高速加工、精密锻造、冷挤压、压力铸造等等，这时，用包模铸造法生产在经济上的优越性就不一定显著，甚至成本还可能高一些，所以在这种情况下，就不一定选用这种方法了。

总之，选择包模铸造法生产时，耍从其工艺特点出发，以零件质量为中心，并兼顾生产技术和经济上的要求。

在确定用包模铸造方法生产之后，工艺设计的任务就是要确定合理的工艺方案，采取必要的工艺措施以满足零件质量的要求。

工艺设计是理论和实践相结合的产物，是技术理论和生产经验的总结性技术资料。

还要力求使设计符合实践性、科学性。

做好工艺设计要搞好两个方面的调查研究。

首先必须对生产任务、产品零件图、材质和技术要求等方面进行深入分析：其次，要对生产条件如原材料、设备、工艺装备加工和制造能力、工人的操作技术水平等方面进行深入的了解。

只有做好这两个方面的调查研究，才能使设计符合生产实际情况。

工艺设计的好坏也要从质量、工艺和经济这三方面去衡量。

一项良好的工艺设计应当能在正常的生产条件下，稳定铸件质量，简化生产工艺，效率高而成本低。

熔模铸造工艺设计通常包括下列几项内容,(1).分析铸件结构工艺性, (2)确定工艺方案和工艺参数,(3)设计浇冒口系统, (4)绘制工艺图或铸件图。

第二节铸件结构工艺性分析铸件结构工艺性对于零件质量，生产工艺的可能性和简易性以及生产成本等影响很大。

结构工艺性不好的铸件，往往孕育着产生缺陷和废品的可能性，也会增加制造成本。

所以，做工艺设计时，首先要审查零件图，审查的目的有二：一是审查零件结构设计是否符合包模铸造的生产特点，对于那些设计不合理的部分进行修改。

第二个目的是根据已定的零件结构和技术要求，采取相应措施以保证质量。

根据熔模铸造生产特点，零件结构工艺性要考虑以下要求。

1)经济性在精密铸造的生产中，其蜡型是。

在包模铸造上，金属模的目的是在在射蜡机中，利用压力将液态、糊态或半固态的蜡‧挤射入金属模内，生产蜡型或塑料型，这些型是用来生产陶瓷模的，不论是实体模或型壳模。

所有的模型都是可逝性的。

在制模的关键性问题上，是如何将蜡型或塑料型从模具中取出，以及如何将芯子从模型中取出等。

至于其它的制模问题，用于砂模铸造的原理同样适用于包模铸造图2 铸件内角的重设计(2)在图1中，一个包模铸件因为内图1 铸件内角的重设计(1) 部有一圆角，而且需要用两个抽芯，A及B两个芯子进出的方向如图1(a) 所示，要想将有倒钩的芯子抽出而又不伤损工件是根本不可能。

于是，重新设计工件，如图1(b)，将内圆角取消，以避开这种芯子有倒钩无法抽出的困绕。

倘若要生产原设计有内圆角的工件，惟有舍弃金属抽芯，而用成本较高的水溶性芯子，随同蜡型一起自模中取出，再用酸蚀及水溶法将芯子自蜡型中除去，如此可保持工件的内圆角而又不会损伤蜡型。

图2系一个有弧形通道的工件，同样如图2(a) 的设计也无法用金属抽芯来制模，若改为图2(b) 的设计，将内圆角改为尖角，则可以用两支抽芯做出弧形通道的内孔。

图3刀具余隙的再设计为了后继的加工，往往在工件设计时，一般为避免撞机的困绕，预先留有一个让出刀具到位时的间隙，如图3(a) 所示，但无法抽出金属芯子，若改为图3(b) 的设计，就可以用金属抽芯直接做出刀具余隙。

另外如图4（a）之原始设计虽然内孔通道很圆滑，但必须要用较昂贵的水溶性芯子或陶瓷芯子，而且，在铸造后，清除孔道中陶瓷材料非常困难，若改为（b ）的设计，可直接由六个金属抽芯来射制蜡型，另在一 图4内孔通道的再设计 个多出的孔洞则可在铸件完成后再设法塞上或焊死。

可大幅度提高生产效率及降低成本。

2).现实性 精密铸造与其它的制造方法一样，有其一定的极限，因此，在铸件精度的考虑上，应面对现实，设计可以达得到的标准，否则，良品率太低，就丧失了用精密铸造降低生产成本，提高生产效率的目的了。

当铸件芯子部位因受炽热的金属围绕，内外部份的散热状况不一致，内部陶瓷受高温而膨胀，但外部因有金属包覆又无法自由伸展，陶瓷材料因而有强烈的弯曲变形的应力，此时，外部热的不均匀分布，芯部自然向高温部分扭曲变形，便使铸件的壁厚产生了不均匀的结果。

其变其设计通则：3)铸造性a) 壁薄的包模铸件包模铸造工艺几乎制造任何金属的复杂铸件，也可以在小零件的设计及生产上，有助于达到轻薄短小的目的，获得最大的强度重量比值。

在设计最小壁厚时，金属熔液的流动性是一个非常重要的考虑因素，因为它直接影响到金属液对模穴充填的能力。

几乎同等重要的另一要素，是熔液在充填模穴时，金属液的浇注补充距离，以及铸件表面积之大小，金属的凝固状况，固、液相线的差异度，都归纳于铸造性中，尤其对薄壁铸件特别重要。

可铸出的最小壁厚与合金种类、浇注工艺方法、以及铸件的轮廓尺寸等因素有关。

表 2列举的是121in.长管件对各种金属包模铸件之最小壁厚。

其实这些数值并不是真正的最小壁厚，诚如前述，金属液的浇注过热温度、浇注速率、壳模预热温度、铸件的形状及薄壁部分的表面积等都会影响最小壁厚的尺寸，这个表中之建议值为工业生产上的经验值。

在这个标准下生产，良品率最好，亦即浇不足及微缩孔的现象最少。

在Fig. 7 的上图表显示一个在最小厚度与最大长度的相互关系，而下图表则显示在铸件有通孔或盲孔时，孔径与孔深的关系。

因为铸造过程尚有许多参数会影响其最大值与最小值，但此数值仍有其参考价值。

内孔的长度 in. 壁厚的公差 in.＜22～4 ＞4±0.005 ±0.010 ±0.012 金属 最小壁厚 in. 碳钢 0.060 300系不锈钢 0.050 400系不锈钢 0.065 铝合金 0.050 镁合金 0.050 铝青铜(10%Al) 0.060 铍铜 0.040 钴-铬合金 0.050表2 121in.长管件对各种金属之最小壁厚虽然熔融金属液是浇注入已预热的型壳，但是它仍然可能如同其它的铸造工艺一样，在金属充满薄壁部分之前，先行凝固。

当有高的面积与厚度比值时，会促使金属液快速冷却及凝固，不论如何，金属液在充满模穴的过程中，所需行进的距离必须要特别注意，虽然在同样的面积与厚度比值，且厚度相同时，若要完全注满1/2in. 宽、2in. 长的模穴，自然比注满2in. 宽、1/2in. 长的模穴要难得多。

浇注温度在某一特定厚度铸件及金属上，往往选择可能状况下以较低的温度，以期避免诸如气孔，夹渣、模壁反应及其它因温度过高而产生的铸疵。

不过在浇注薄件时，为求延长金属液在注满模穴的过程中开始凝固的时间，往往还是以提高模温及金属液温来达到目的。

通常, 较低的模温因为可以加速金属液的凝固，可以减少模壁反应，而有较好的表面光洁度，在薄壁铸件生产时，则为了能使金属液充分浇满型壳，祇有牺牲表面质量，而提高模温。

在生产高尔夫球之不锈钢金属木杆头（metal-wood）时因表面积很大且厚度绝大部分仅有0.030 in.，许多厂家在没有改变浇道系统的设计情况下，为了避免浇不足，而一味的提高钢水温度（超出熔点约300℃）及型壳的预热温度（约1400℃），结果，浇不足的情况有明显的改善，但微缩孔一堆及因型壳超温软化变形而铸件厚度大于蜡件厚度的情况层出不穷，笔者在改正浇道系统，增大浇注速率，缩短浇注补充距离后，钢水温度降低了100℃，型壳预热温度保持在1150℃（低于硅氧胶的软化点），同样可铸满，而又不会有微缩孔及变形增加厚度的缺陷。

b)壁的连接当两壁相接便会产生图中所示的热截圆的变化，d大于a，b，c，换言之，就是d处热储量最大，凝固最慢，因此，在d处自然在没有冒口补充的情况下，非常容易产生缩孔。

在实际生产时，我们常常为了减弱两壁相接处的热点效应，任意加大该处内圆角(Fillet)的r，热点问题是解决了，但相对的增大热截图的直径，使缩孔移向铸件的内部，严重时甚至于会产生表面凹陷的现象。

如今将在生产上常会碰到的两壁相交的情况列举于图中，并提出改正的设计建议。

铸件壁厚设计要力求均匀,减少热节。

图6-1所示为重7.5公斤的壳体铸件，原设计如a图所示，在A、B、C、D、E、F五处壁过厚，易形成各种铸造缺陷。

后改成b图所示，即将上述五处壁厚减薄，形'成6～7mm壁厚的箱形结构。

ψ9D 及ψ17D o两孔铸出以消除该处热节。

F孔不铸，浇口设在此处。

修改后铸件壁厚均匀，重量减轻至2.3kg。

壁的交接处要做出圆角，不同壁厚间要均匀过渡，这是防止熔模和铸件产生变形和裂纹的重要条件。

图6-2所示为铸件壁的几种常用连接形式及其相关尺寸。

二、平面熔模铸件要尽可能避免大的平面，因为大平，干面上极易产生夹砂、凹陷、桔皮、蠕虫状铁刺等表面缺陷，所以铸件上的平面一般应小于200×200mm有大平面的铸件最好设计成曲面或阶梯形平面,或在平面上开设工艺槽、工艺筋、工艺孔等，以防止涂料堆积和型壳的分层、鼓胀。

图6-3所示零件在A、B、C处均有大平面,C处有盲孔。

在制壳流水在线生产时，几个平面均易产生缺陷，而且肓孔处在上涂料、撒砂和硬化时均感不便,铸件废品率较高.。