第四章-砂型鑄件的結構設計

1、第四章第四章 砂型鑄件的結構設計砂型鑄件的結構設計 第一節(jié)第一節(jié) 鑄件結構與鑄造工藝的關系鑄件結構與鑄造工藝的關系 鑄件結構應盡可能使制模、造型、造芯、合箱和清理過程簡化，并為實現(xiàn)機械化生產創(chuàng)造條件。 1鑄件外形應便于取出模樣 (1)避免外部側凹，如圖9-1(a)所示的端蓋，由于存在法蘭凸緣，鑄件外部側凹，使鑄件具有兩個分型面，所以常采用三箱造型，或者增加環(huán)狀外型芯，使造型工藝復雜。圖9-1(b)所示為改進設計后的鑄件外型，取消了上部法蘭凸緣，使鑄件僅有一個分型面，因而便于造型 圖9-2所示為機床上一鑄件。圖9-2(a)在A-B截面兩側設計成凹坑，造型時必須采用兩個較大的外型芯才能取出模樣若改

2、為圖9-2(b)所示結構，將凹坑擴展成通到底部的凹槽則可省去外部型芯。顯然，后一方案是比較合理的。 (2)分型面盡量平直 如圖9-3所示的托架。 (3)凸臺、筋條的設計應考慮便于造型。圖 9-4。 2合理設計鑄件內腔 (1)盡量不用或少用型芯 圖9-5。 鑄件的內腔也可以利用型腔內的砂垛(上箱砂垛稱吊砂)來形成。圖9-6。 (2)便于型芯固定、排氣和鑄件清理 圖9-7所示軸承架。 對于因型芯頭不足難以固定的鑄件，在不影響使用的前提下，可增加芯頭數(shù)量，為此可設計出適當大小和數(shù)量的工藝孔。如圖9-8所示鑄件，因底面沒有型芯頭，只好用型芯撐固定；改為圖9-8(b)后。鑄件底面上增設兩個工藝孔，型芯為

3、一整體，穩(wěn)定性提高，下芯簡便，易于排氣和清理。如果鑄件上不允許有些工藝孔，可以用螺釘或柱塞堵住 3鑄件結構斜度 鑄件上凡垂直于分型面的不加工表面，最好有結構斜度，如圖9-9所示。 圖9-10所示為縫紉機邊腳，由于鑄件各部分均有30左右的結構斜度(見A-A視圖)，使各溝槽均不需型芯，起模也方便。 鑄件結構斜度大小隨垂直于分型面的直壁高度而不同。直壁高度愈小，角度愈大，具體數(shù)值參考表9-1。由表可見，鑄件的凸臺或壁厚過渡處的斜度達3045。 第二節(jié)第二節(jié) 鑄件結構與合金鑄造性能的關系鑄件結構與合金鑄造性能的關系 鑄件的一些主要缺陷，如縮孔、縮松、裂紋、澆不足、冷隔等，有時是由于鑄件結構不合理，未能

4、充分考慮合金的鑄造性能所致。為此，在設計鑄件時，必須考慮如下幾個方面的因素。 1合理設計鑄件壁厚 表9-2 是砂型鑄造條件下鑄件的最小壁厚。 表9-3為灰鑄鐵件壁厚的參考值。 為了充分發(fā)揮合金的效能，使之既能避免厚大截面，又能保證鑄件的強度和剛度，應當根據(jù)載荷性質和大小，選擇合理的截面形狀，如丁字形、工字形、槽形和箱形結構，并在脆弱的部位安置加強筋。為了減輕鑄件的重量，便于型芯的固定，排氣和鑄件的清理，常在鑄件的壁上開設窗口。圖9-11為導架鑄件的結構實例。 2.鑄件的壁厚應盡可能均勻 如圖9-12 3.鑄件壁的連接 設計鑄件壁的連接或轉角時，也應盡力避免金屬的積聚和內應力的產生。 鑄件的結構

5、圓角 鑄件壁與壁之間的轉角處一般應具有結構圓角。如圖9-13 9-14所示 鑄造內圓角的具體數(shù)值可參閱表9-4。 避免銳角聯(lián)接 圖9-15。 厚壁與薄壁間的聯(lián)接要逐步過渡 見表9-5。 4防裂筋的應用 為防止熱裂，可在鑄件易裂處增設防裂筋(圖9-16)。 5減緩筋與輻收縮時的阻力 設計鑄件的筋與輻時，應盡量使其得以自由收縮，以防止產生裂紋。 圖9-17為常見的輪形鑄件，其輪輻為直線形、偶數(shù)，這種輪輻易于制造模樣。 圖9-18為筋的幾種布置形式.第五章第五章 特種鑄造特種鑄造 第一節(jié)第一節(jié) 熔模鑄造熔模鑄造 它是用易熔材料制成模樣，然后在模樣上涂掛耐火材料，經硬化之后，再將模型熔化、排出型外，從

6、而獲得無分型面的鑄型。由于熔模廣泛用蠟質材料來制造，故又稱“失蠟鑄造”。 一、熔模鑄造的工藝過程 熔模鑄造的工藝過程包括：蠟模制造、型殼制造、焙燒和澆注等步驟，如圖8-3所示。 1.蠟模的制造 制造壓型要經過以下程序。 (1)壓型制造 壓型一般用鋼、銅和鋁經切削加工制成，這種壓型的使用壽命長，制出的蠟模精度高，但壓型成本高，生產準備時間長，主要用于大批量生產。對于小批量生產，則可采用易熔合金(Sn、Pb、Bi等組成的合金)、塑料或石膏直接向模樣(母模)上澆注而成。 (2)蠟模的壓制 料冷卻凝固便可從壓型中取出，然后修去分型面上的毛刺，即得單個蠟模(圖83(c)。 (3)蠟模組裝 2.型殼制造

7、它是在蠟模組上涂掛耐火材料，以制成具有一定強度的耐火型殼的過程。型殼質量的好壞對鑄件的精度和表面粗糙度有著決定性的影響，因此型殼的制造是熔模鑄造的關鍵。 (1)浸涂料 (2)撒砂 (3)硬化 如以水玻璃為粘結劑時，將蠟模組浸在NH4Cl溶液中1-3分鐘。由于氯化銨與水玻璃發(fā)生化學反應，使分解出來的SiO2迅速以膠態(tài)析出，將石英砂粘得十分牢固。此后，在空氣中干燥710分鐘，形成12mm厚的薄殼。為使型殼具有較高的強度，故結殼過程要重復進行46次，最后制成512mm厚的耐火型殼(圖8-3(e)。型殼面層所用的石英砂粒度較細，而以后各層(加固層)所用的石英砂粒度較粗。 3脫蠟和造型 (1)為了從型殼

8、中取出蠟模以形成鑄型空腔，還必須進行脫蠟。 (2)造型 為了提高型殼的強度，防止?jié)沧r變形或破裂，將脫蠟后的型殼置于鐵箱中,周圍用干砂填緊，有時也叫填砂。 4焙燒和澆注 (1)焙燒 將型殼送入加熱爐內，加熱到8001000進行焙燒，使其所含的殘余揮發(fā)物得到進一步排除。 (2)澆注 為了提高液態(tài)合金的填充能力，防止?jié)膊蛔恪⒗涓舻热毕?，要在焙燒后起?600-700)進行澆注。 5落砂和清理 待鑄件冷卻凝固后 對于熔模鑄造的結構，除滿足一般鑄造工藝要求外，還應注意以下問題。 1為便于浸掛涂料和撒砂，孔、槽不宜過小或過深。 便于從壓型中取出蠟模和型芯。圖8-4為便于從壓型中抽出金屬型芯的示例。圖8-

9、4(a)由于帶孔凸臺朝內，注蠟后無法從壓型內抽出型芯，而圖8-4(b)克服了上述缺點。 3.為防止?jié)膊蛔?、冷隔等缺陷，鑄件壁厚不宜過薄，一般應為28mm。 4由于熔模型殼的高溫強度較低，型殼易變形，故熔模鑄件應盡量避免有較大的平面。為防止上述變形，可在大平面上設計工藝孔或工藝肋，以增加型殼的剛度，如圖8-5所示。 5熔模鑄造工藝上一般不用冷鐵，少用冒口，多用直澆口直接補縮，故要鑄件壁厚應盡可能滿足順序凝固要求，不要有分散的熱節(jié)。 三、熔模鑄造的特點和適用范圍 熔模鑄造的主要特點如下。 1.由于鑄型精密、型腔表面光潔，故鑄件的精度及表面質量較高，尺寸精度IT1114,表面粗糙度Ra253.2m。

10、 2適用于生產各種合金鑄件，從銅、鋁等有色合金到各種合金鋼均可鑄造，尤其適用于那些高熔點及難以切削加工的合金鑄件，如耐熱合金、磁鋼等。 3生產批量不受限制，從單件小批量生產到大量生產均可。 4由于熔模鑄造不需要分型面，故可鑄出形狀比較復雜的鑄件。有時可將由幾個零件組合而成的部件，通過改變設計由熔模鑄造整體鑄出，如圖8-6所示。 5鑄件的重量不宜太大，一般不超過25kg。最大不超過45kg。 熔模鑄造的主要缺點是原材料價格昂貴、工藝過程復雜，生產周期長(415天)，鑄件成本高。 熔模鑄造是少切削、無切削加工工藝的重要方法之一，目前在航空、船舶、汽車、拖拉機、機床、農機、汽輪機、電訊機械、儀表、刀

11、具和兵器等制造業(yè)得到了廣泛的應用。 第一節(jié)第一節(jié) 金屬型鑄造金屬型鑄造 金屬型鑄造是將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型以獲得鑄件的方法。由于鑄型用金屬制成，可以反復使用幾百次到幾千次，故稱永久型鑄造。 一、金屬型的構造 金屬型有多種型式，按照分型面的不同，金屬型可分為整體式、垂直分型式、水平分型式和復合分型式。其中垂直分型式使用方便，對澆口的開設和取出鑄件極為有利，也易于實現(xiàn)機械化生產，應用最廣。圖8-1金屬型一般由鑄鐵制成，有時也采用鑄鋼制造。為使金屬型芯能在鑄件凝固后迅速從內腔中抽出，金屬型還沒有抽芯機構。二、金屬型的鑄造工藝1金屬型預熱 金屬型在澆注之前要預熱，保持一定的工作溫度。 2噴刷涂料 金屬

12、型的型腔和金屬型芯表而必須噴刷一層耐火涂料(厚度為0.30.4mm)，以保護型壁表面，免受金屑液的直接沖蝕和熱擊；利用涂料層的厚薄可改變鑄件各部分冷卻速度；還可起蓄氣和排氣作用。 3澆注溫度由于金屬型的導熱能力強，因此澆注溫度應比砂型鑄造高20-30。鋁合金為680740，鑄鐵為13001370，錫青銅為1100-1150，薄壁小件取上限，厚壁大件取下限。 4.開型時間鑄件在金屬型內停留的時間愈長，鑄件的出型及抽芯愈困難，且鑄件產生內應力和裂紋的傾向愈大。同時，鑄件的白口傾向增加，金屬型鑄造的生產率降低。為此，應使鑄件凝固后盡早出型。通常鑄鐵件的出型時間為1060s，鑄件溫度為780950。

13、三、金屬型鑄件的結構特點 由于金屬型無退讓性和潰散性。所以，設計金屬型鑄件結構時，一定要保證鑄件順利出型，鑄件結構斜度應較砂型鑄造大。如圖8-2(a)所示，鑄件內腔內大外小，金屬型芯難以抽出；而8*11O(mm)的小孔也因過深難以抽芯。在不影響使用的條件下，若將其改為圖8-2(b)的結構，并增大內腔的結構斜度，則可使型芯順利抽出。 四、金屬型鑄造的特點和應用范圍 與砂型鑄造相比，金屬型鑄造有許多優(yōu)點。 1.鑄件的精度和表面質量較高，尺寸精度ITl216，表面粗糙度RA25一12.m。 2金屬型鑄件冷卻快，結晶組織致密，鑄件的力學性能較高，如鋁合金金屬型鑄件，屈服強度平均提高約20，同時，抗蝕性

14、和硬度也顯著提高。 3澆冒口尺寸較小，液體金屬耗量減少，一般可節(jié)約15一30。 4不用砂或少用砂，可節(jié)約造型材料80%100%，減少砂處理和運輸設備，減少粉塵污染，改善勞動條件，使鑄造車間面貌大為改觀。 金屬型鑄造的主要缺點是制造金屬型的成本高、生產周期長。同時，鑄造工藝要求嚴格，否則容易出現(xiàn)澆不足、冷隔、裂紋等鑄造缺陷，而灰鑄鐵件又難以避免白口缺陷。 金屬型鑄造主要用于銅、鋁合金鑄件的大批量生產，如鋁活塞、氣缸蓋、油泵殼體、銅合金軸瓦、軸套、輕工業(yè)產品等。 第三節(jié)第三節(jié) 壓力鑄造壓力鑄造 壓力鑄造簡稱壓鑄。它是在高壓下(比壓為5150MPa)將液態(tài)或半液態(tài)合金快速壓入金屬鑄型中，并在壓力下結

15、晶，以獲得鑄件的方法。 一、壓力鑄造的工藝過程 壓鑄過程主要是在壓鑄機上進行的，它所用的鑄型稱為壓型。 壓鑄機主要由壓射機構和合型機構所組成。壓射機構的作用是將金屬液壓入型腔；合型機構用于開合和緊固鑄型，通常以合型力的大小表示壓鑄機的規(guī)格。 壓鑄機按壓射部分的特征分為熱壓室和冷壓室式兩大類。臥式冷壓室式壓鑄機的工作過程見圖8-7。 (1)注入金屬 先閉合壓型，將勺內金屬液通過壓室上的注液孔向壓室內注入，圖8-7(a)。 (2)壓鑄 壓射沖頭向前推進，金屬液被壓入壓型中，圖8-7(b)。 (3)取出鑄件 鑄件凝固后，抽芯機構將型腔兩側型芯同時抽出，動型左移開型，鑄件則借沖頭的前伸動作離開壓室，圖

16、8-7（c)。此后，在動型繼續(xù)打開過程中，由于頂桿停止了左移，鑄件在頂桿的作用下被頂出動型，圖8-7(d)。 二、壓鑄件的結構特點 根據(jù)壓鑄成型特點，設計壓鑄件時應注意以下問題。 1壁厚和筋的設計要合理，盡可能采用薄壁件并保證壁厚均勻。壓鑄件的表層組織雖細密，但隨著壁厚的增加，氣孔、縮孔等缺陷也逐漸增多，鑄件的性能顯著降低。 2盡量消除側凹和深腔。在無法避免的情況下，也應便于抽芯，以便鑄件能從壓型中順利地取出。 圖88為壓鑄件的兩種設計方案。圖88(a)的結構因側凹朝內，鑄件無法取出。按圖88 (b)改進后，使側凹朝外，取出鑄件時，可先向右方向從壓型側面抽出外型芯，這樣鑄件便可從壓型內順利取出

17、。 圖89(a)原為砂型鑄造件，因內腔采用砂芯，故鑄造并無困難。若改為壓鑄件，既難出型，也無法抽芯；如能按圖89(b)改為兩件組合，則出型和抽芯可順利進行。 3充分發(fā)揮鑲嵌件的優(yōu)越性，以便制出復雜件、改善壓鑄件某些部位的性能，如強度、耐磨性、絕緣性、導電性等，并使裝配工藝大為簡化。為使嵌件在鑄件中的聯(lián)接可靠，應將嵌件鑲入鑄件部分制出凹槽、凸臺或滾花等，如圖8-10所示。 三、壓力鑄造的特點和適用范圍 與其他鑄造方法相比，壓力鑄造有以下優(yōu)點。 1鑄件的尺寸精度最高，表面粗糙度Ra值最小。 2鑄件強度和表面硬度都較高。 3可壓鑄形狀復雜的薄壁件，或直接鑄出小孔、螺紋、齒輪等(參見表8-1)。 4壓

18、鑄的生產率較其他鑄造方法均高，生產過程易于機械化和自動化。壓力鑄造的主要缺點是： 1. 壓鑄設備投資大，制造壓型費用高、周期長，只有在大量生產的情況下，經濟上才合算。 2壓鑄高熔點合金(如銅、鋼，鑄鐵)時，壓型壽命很低，難以適應。 3由于壓鑄的速度極高，型腔內氣體很難排除，凝固后在鑄件表皮下形成許多氣孔，故壓鑄件不宜進行較大余量的切削加工，以免氣孔暴露出來。4由于上述氣孔是在高壓下形成的，熱處理加熱時，氣孔內氣體膨脹會使鑄件表面鼓泡或變形，所以壓鑄件不能用熱處理方法來提高性能。必須指出，隨著加氧壓鑄、真空壓鑄和黑色金屬壓鑄等新工藝的出現(xiàn)，使壓鑄的某些缺點有了克服的可能性。目前，壓力鑄造已在汽車、拖拉機、航空、兵器、電器、儀表、計算機、輕紡機械，日月品等制造業(yè)得到了廣泛應用，如氣缸體、箱體、化油器、喇叭外殼等鋁、鎂、鋅合金鑄件生產。 第四節(jié)第四節(jié) 離心鑄造離心鑄造 離心鑄造是將金屬液澆入旋轉的鑄型中，使其在離心力的作用下填充鑄型并凝固成形的鑄造方法。 立式離心鑄造機 如圖8-12(a)，臥式離心鑄造機 如圖8-12(b)。 與砂型鑄造相比較，離心鑄造有如下優(yōu)點。 (1)工藝過程簡單 利用自由表面生產圓筒形或環(huán)形鑄件時，省去了型芯和澆注系統(tǒng)，因而省工、省料，降低了鑄