第四章-砂型铸件的结构设计

第五章 特种铸造
• •
第一节 熔模铸造 它是用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂耐火材料， 经硬化之后，再将模型熔化、排出型外，从而获得无分型 面的铸型。由于熔模广泛用蜡质材料来制造，故又称“失 蜡铸造”。 • 一、熔模铸造的工艺过程 • 熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、型壳制造、焙烧和 浇注等步骤，如图8-3所示。
• 三、熔模铸造的特点和适用范围 • 熔模铸造的主要特点如下。 • 1.由于铸型精密、型腔表面光洁，故铸件的精度及表面 质量较高，尺寸精度IT11～14,表面粗糙度Ra25～3.2µm。 • 2．适用于生产各种合金铸件，从铜、铝等有色合金到 各种合金钢均可铸造，尤其适用于那些高熔点及难以切削 加工的合金铸件，如耐热合金、磁钢等。 • 3．生产批量不受限制，从单件小批量生产到大量生产 均可。 • 4．由于熔模铸造不需要分型面，故可铸出形状比较复 杂的铸件。有时可将由几个零件组合而成的部件，通过改 变设计由熔模铸造整体铸出，如图8-6所示。
• 2.型壳制造 • 它是在蜡模组上涂挂耐火材料，以制成具有一定强度的耐 火型壳的过程。型壳质量的好坏对铸件的精度和表面粗糙 度有着决定性的影响，因此型壳的制造是熔模铸造的关键。 • (1)浸涂料 • (2)撒砂 • (3)硬化 • 如以水玻璃为粘结剂时，将蜡模组浸在NH4Cl溶液中1-3 分钟。由于氯化铵与水玻璃发生化学反应，使分解出来的 SiO2迅速以胶态析出，将石英砂粘得十分牢固。此后，在 空气中干燥7～10分钟，形成1～2mm厚的薄壳。为使型 壳具有较高的强度，故结壳过程要重复进行4～6次，最后 制成5～12mm厚的耐火型壳(图8-3(e))。型壳面层所用的 石英砂粒度较细，而以后各层(加固层)所用的石英砂粒度 较粗。
• 四、金属型铸造的特点和应用范围 • 与砂型铸造相比，金属型铸造有许多优点。 • 1.铸件的精度和表面质量较高，尺寸精度ITl2～16，表面 粗糙度RA25一12.µm。 • 2．金属型铸件冷却快，结晶组织致密，铸件的力学性能 较高，如铝合金金属型铸件，屈服强度平均提高约20％， 同时，抗蚀性和硬度也显著提高。 • 3．浇冒口尺寸较小，液体金属耗量减少，一般可节约15 ％一30％。 • 4．不用砂或少用砂，可节约造型材料80%～100%，减 少砂处理和运输设备，减少粉尘污染，改善劳动条件，使 铸造车间面貌大为改观。 • 金属型铸造的主要缺点是制造金属型的成本高、生产周 期长。同时，铸造工艺要求严格，否则容易出现浇不足、 冷隔、裂纹等铸造缺陷，而灰铸铁件又难以避免白口缺陷。 • 金属型铸造主要用于铜、铝合金铸件的大批量生产，如 铝活塞、气缸盖、油泵壳体、铜合金轴瓦、轴套、轻工业 产品等。
• 2．合理设计铸件内腔 • (1)尽量不用或少用型芯 图9-5。 • 铸件的内腔也可以利用型腔内的砂垛(上箱 砂垛称吊砂)来形成。图9-6。
• (2)便于型芯固定、排气和铸件清理 图9-7所示轴承架。 • 对于因型芯头不足难以固定的铸件，在不影响使用的前 提下，可增加芯头数量，为此可设计出适当大小和数量的 工艺孔。如图9-8所示铸件，因底面没有型芯头，只好用 型芯撑固定；改为图9-8(b)后。铸件底面上增设两个工艺 孔，型芯为一整体，稳定性提高，下芯简便，易于排气和 清理。如果铸件上不允许有些工艺孔，可以用螺钉或柱塞 堵住．
• 金属型一般由铸铁制成，有时也采用铸钢制造。为使金属型芯能在铸 件凝固后迅速从内腔中抽出，金属型还没有抽芯机构。 • 二、金属型的铸造工艺 • 1．金属型预热 金属型在浇注之前要预热，保持一定的工作温度。 • 2．喷刷涂料 金属型的型腔和金属型芯表而必须喷刷一层耐火涂料 (厚度为0.3～0.4mm)，以保护型壁表面，免受金屑液的直接冲蚀和热 击；利用涂料层的厚薄可改变铸件各部分冷却速度；还可起蓄气和排 气作用。 • 3．浇注温度 • 由于金属型的导热能力强，因此浇注温度应比砂型铸造高20-30℃。 • 铝合金为680～740℃，铸铁为1300～1370℃，锡青铜为11001150℃，薄壁小件取上限，厚壁大件取下限。 • 4.开型时间 • 铸件在金属型内停留的时间愈长，铸件的出型及抽芯愈困难，且铸件 产生内应力和裂纹的倾向愈大。同时，铸件的白口倾向增加，金属型 铸造的生产率降低。为此，应使铸件凝固后尽早出型。通常铸铁件的 出型时间为10～60s，铸件温度为780～950℃。
•
为了充分发挥合金的效能，使之既能避免厚大截面，又 能保证铸件的强度和刚度，应当根据载荷性质和大小，选 择合理的截面形状，如丁字形、工字形、槽形和箱形结构， 并在脆弱的部位安置加强筋。为了减轻铸件的重量，便于 型芯的固定，排气和铸件的清理，常在铸件的壁上开设窗 口。图9-11为导架铸件的结构实例。
• 3．脱蜡和造型 • (1)为了从型壳中取出蜡模以形成铸型空腔，还必 须进行脱蜡。 • (2)造型 为了提高型壳的强度，防止浇注时变形 或破裂，将脱蜡后的型壳置于铁箱中,周围用干砂 填紧，有时也叫填砂。 • 4．焙烧和浇注 • (1)焙烧 将型壳送入加热炉内，加热到800～ 1000℃进行焙烧，使其所含的残余挥发物得到进 一步排除。 • (2)浇注 为了提高液态合金的填充能力，防止浇 不足、冷隔等缺陷，要在焙烧后起热(600--700℃) 进行浇注。
第四章 砂型铸件的结构设计
•
第一节 铸件结构与铸造工艺的关系
• 铸件结构应尽可能使制模、造型、造芯、合箱和清理过程 简化，并为实现机械化生产创造条件。 • 1．铸件外形应便于取出模样 • (1)避免外部侧凹，如图9-1(a)所示的端盖，由于存在法兰 凸缘，铸件外部侧凹，使铸件具有两个分型面，所以常采 用三箱造型，或者增加环状外型芯，使造型工艺复杂。图 9-1(b)所示为改进设计后的铸件外型，取消了上部法兰凸 缘，使铸件仅有一个分型面，因而便于造型．
• 二、压铸件的结构特点 • 根据压铸成型特点，设计压铸件时应注意以下问题。 • 1．壁厚和筋的设计要合理，尽可能采用薄壁件并保证壁 厚均匀。压铸件的表层组织虽细密，但随着壁厚的增加， 气孔、缩孔等缺陷也逐渐增多，铸件的性能显著降低。 • 2．尽量消除侧凹和深腔。在无法避免的情况下，也应便 于抽芯，以便铸件能从压型中顺利地取出。 • 图8—8为压铸件的两种设计方案。图8—8(a)的结构因侧 凹朝内，铸件无法取出。按图8—8 (b)改进后，使侧凹朝 外，取出铸件时，可先向右方向从压型侧面抽出外型芯， 这样铸件便可从压型内顺利取出。 • 图8—9(a)原为砂型铸造件，因内腔采用砂芯，故铸造并 无困难。若改为压铸件，既难出型，也无法抽芯；如能按 图8—9(b)改为两件组合，则出型和抽芯可顺利进行。
• 三、金属型铸件的结构特点 • 由于金属型无退让性和溃散性。所以，设计金属型铸件结 构时，一定要保证铸件顺利出型，铸件结构斜度应较砂型 铸造大。如图8-2(a)所示，铸件内腔内大外小，金属型芯 难以抽出；而Φ8*11O(mm)的小孔也因过深难以抽芯。在 不影响使用的条件下，若将其改为图8-2(b)的结构，并增 大内腔的结构斜度，则可使型芯顺利抽出。
• 3.为防止浇不足、冷隔等缺陷，铸件壁厚不宜过薄，一般 应为2～8mm。 • 4．由于熔模型壳的高温强度较低，型壳易变形，故熔模 铸件应尽量避免有较大的平面。为防止上述变形，可在大 平面上设计工艺孔或工艺肋，以增加型壳的刚度，如图85所示。 • 5．熔模铸造工艺上一般不用冷铁，少用冒口，多用直浇 口直接补缩，故要铸件壁厚应尽可能满足顺序凝固要求， 不要有分散的热节。
• 图9-2所示为机床上一铸件。图9-2(a)在A-B截面两侧设计 成凹坑，造型时必须采用两个较大的外型芯才能取出模 样．若改为图9-2(b)所示结构，将凹坑扩展成通到底部的 凹槽则可省去外部型芯。显然，后一方案是比较合理的。
• (Hale Waihona Puke Baidu)分型面尽量平直 如图9-3所示的托架。 • (3)凸台、筋条的设计应考虑便于造型。图 9-4。
• • • •
1.蜡模的制造 制造压型要经过以下程序。 (1)压型制造 压型一般用钢、铜和铝经切削加工制成，这种压 型的使用寿命长，制出的蜡模精度高，但压型成 本高，生产准备时间长，主要用于大批量生产。 对于小批量生产，则可采用易熔合金(Sn、Pb、 Bi等组成的合金)、塑料或石膏直接向模样(母模) 上浇注而成。 • (2)蜡模的压制 • 料冷却凝固便可从压型中取出，然后修去分型面 上的毛刺，即得单个蜡模(图8—3(c))。 • (3)蜡模组装
• •
第一节 金属型铸造 金属型铸造是将液态金属浇入金属铸型以获得铸件的方 法。由于铸型用金属制成，可以反复使用几百次到几千次， 故称永久型铸造。 • 一、金属型的构造 • 金属型有多种型式，按照分型面的不同，金属型可分为整 体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式。其中垂直 分型式使用方便，对浇口的开设和取出铸件极为有利，也 易于实现机械化生产，应用最广。图8-1
• 5．落砂和清理 待铸件冷却凝固后 • 对于熔模铸造的结构，除满足一般铸造工艺要求外，还 应注意以下问题。 • 1．为便于浸挂涂料和撒砂，孔、槽不宜过小或过深。 • 便于从压型中取出蜡模和型芯。图8-4为便于从压型中抽 出金属型芯的示例。图8-4(a)由于带孔凸台朝内，注蜡后 无法从压型内抽出型芯，而图8-4(b)克服了上述缺点。
•
3．铸件结构斜度
• 铸件上凡垂直于分型面的不加工表面，最好有结构斜度， 如图9-9所示。 • 图9-10所示为缝纫机边脚，由于铸件各部分均有30°左右 的结构斜度(见A-A视图)，使各沟槽均不需型芯，起模也 方便。
• 铸件结构斜度大小随垂直于分型面的直壁高度而不同。直 壁高度愈小，角度愈大，具体数值参考表9-1。由表可见， 铸件的凸台或壁厚过渡处的斜度达30～45°。
• •
第二节 铸件结构与合金铸造性能的关系 铸件的一些主要缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、浇不足、 冷隔等，有时是由于铸件结构不合理，未能充分考虑合金 的铸造性能所致。为此，在设计铸件时，必须考虑如下几 个方面的因素。 • 1．合理设计铸件壁厚 • 表9-2 是砂型铸造条件下铸件的最小壁厚。
• 表9-3为灰铸铁件壁厚的参考值。
• 厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡 见表9-5。
• 4．防裂筋的应用 • 为防止热裂，可在铸件易裂处增设防裂筋(图9-16)。
• 5．减缓筋与辐收缩时的阻力 • 设计铸件的筋与辐时，应尽量使其得以自由收缩，以防 止产生裂纹。 • 图9-17为常见的轮形铸件，其轮辐为直线形、偶数，这种 轮辐易于制造模样。 • 图9-18为筋的几种布置形式.
• 2.铸件的壁厚应尽可能均匀 • 如图9-12
• •
3.铸件壁的连接 设计铸件壁的连接或转角时，也应尽力避免金属的积聚 和内应力的产生。 • 铸件的结构圆角 铸件壁与壁之间的转角处一般应具有结 构圆角。如图9-13 9-14所示
• 铸造内圆角的具体数值可参阅表9-4。
• 避免锐角联接 图9-15。
• 5．铸件的重量不宜太大，一般不超过25kg。 最大不超过45kg。 • 熔模铸造的主要缺点是原材料价格昂贵、 工艺过程复杂，生产周期长(4～15天)，铸 件成本高。 • 熔模铸造是少切削、无切削加工工艺的重 要方法之一，目前在航空、船舶、汽车、 拖拉机、机床、农机、汽轮机、电讯机械、 仪表、刀具和兵器等制造业得到了广泛的 应用。
• • • • • • • • •
第三节 压力铸造 压力铸造简称压铸。它是在高压下(比压为5～150MPa)将 液态或半液态合金快速压入金属铸型中，并在压力下结晶， 以获得铸件的方法。 一、压力铸造的工艺过程 压铸过程主要是在压铸机上进行的，它所用的铸型称为 压型。 压铸机主要由压射机构和合型机构所组成。压射机构的 作用是将金属液压入型腔；合型机构用于开合和紧固铸型， 通常以合型力的大小表示压铸机的规格。 压铸机按压射部分的特征分为热压室和冷压室式两大类。 卧式冷压室式压铸机的工作过程见图8-7。 (1)注入金属 先闭合压型，将勺内金属液通过压室上的注 液孔向压室内注入，图8-7(a)。 (2)压铸 压射冲头向前推进，金属液被压入压型中，图87(b)。 (3)取出铸件 铸件凝固后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时 抽出，动型左移开型，铸件则借冲头的前伸动作离开压室， 图8-7（c)。此后，在动型继续打开过程中，由于顶杆停 止了左移，铸件在顶杆的作用下被顶出动型，图8-7(d)。