砂型铸造 普通砂型铸造设备

砂型铸造是传统的铸造方法,它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产。

一、砂型铸造造型(造芯)方法

制造砂型的工艺过程称为造型。造型是砂型铸造最基本的工序,通常分为手工造型和机器造型两大类。

(一)手工造型

手工造型特点:操作方便灵活、适应性强,模样生产准备时间短。但生产率低,劳动强度大,铸件质量不易保证。只适用于单件小批量生产。

各种常用手工造型方法的特点及其适用范围见表1-5。

表1-5 常用手工造型方法的特点和应用范围

造型方法

主要特点

适用范围

按砂箱特征区分

铸型由上型和下型组成,造型、起模、修型等操作方便

适用于各种生产批量,各种大、中、小铸件

铸型由上、中、下三部分组成,中型的高度须与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型费工,应尽量避免使用

主要用于单件、小批量生产具有两个分型面的铸件

在车间地坑内造型,用地坑代替下砂箱,只要一个上砂箱,可减少砂箱的投资。但造型费工,而且要求操作者的技术水平较高

常用于砂箱数量不足,制造批量不大的大、中型铸件

铸型合型后,将砂箱脱出,重新用于造型。浇注前,须用型砂将脱箱后的砂型周围填紧,也可在砂型上加套箱

主要用在生产小铸件,砂箱尺寸较小

按模样特征区分

模样是整体的,多数情况下,型腔全部在下半型内,上半型无型腔。造型简单,铸件不会产生错型缺陷

适用于一端为最大截面,且为平面的铸件

模样是整体的,但铸件的分型面是曲面。为了起模方便,造型时用手工挖去阻碍起模的型砂。每造一件,就挖砂一次,费工、生产率低

用于单件或小批量生产分型面不是平面的铸件

为了克服挖砂造型的缺点,先将模样放在一个预先作好的假箱上,然后放在假箱上造下型,省去挖砂操作。操作简便,分型面整齐

用于成批生产分型面不是平面的铸件

将模样沿最大截面处分为两半,型腔分别位于上、下两个半型内。造型简单,节省工时

常用于最大截面在中部的铸件

铸件上有妨碍起模的小凸台、肋条等。制模时将此部分作成活块,在主体模样起出后,从侧面取出活块。造型费工,要求操作者的技术水平较高

主要用于单件、小批量生产带有突出部分、难以起模的铸件

用刮板代替模样造型。可大大降低模样成本,节约木材,缩短生产周期。但生产率低,要求操作者的技术水平较高

主要用于有等截面的或回转体的大、中型铸件的单件或小批量生产

(二)机器造型

机器造型特点:大批量生产砂型的主要方法,能够显著提高劳动生产率,改善劳动条件,并提高铸件的尺寸精度、表面质量,使加工余量减小。

1.基本原理图1-18所示为顶杆起模式震压造型机的工作过程。

图1-18 震压造型机的工作过程

填砂→震击紧砂→辅助压实→起模

2.工艺特点机器造型工艺是采用模底板进行两箱造型。

模底板是将模样、浇注系统沿分型面与底板联结成一个整体的专用模具。造型后,底板形成分型面,模样形成铸型空腔。

(三)造芯

用途:当制作空心铸件,或铸件的外壁内凹,或铸件具有影响起模的外凸时,经常要用到型芯,制作型芯的工艺过程称为造芯。型芯可用手工制造,也可用机器制造。形状复杂的型芯可分块制造,然后粘合成形。

注意:为了提高型芯的刚度和强度,需在型芯中放入芯骨;为了提高型芯的透气性,需在型芯的内部制作通气孔;为了提高型芯的强度和透气性,一般型芯需烘干使用。

二、砂型铸造工艺设计

目的:为了获得健全的合格铸件,减小铸型制造的工作量,降低铸件成本,在砂型铸造的生产准备过程中,必须合理地制订出铸造工艺方案,并绘制出铸造工艺图。

铸造工艺图:在零件图中用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形,其中包括:铸件的浇注位置;铸型分型面;型芯的数量、形状、固定方法及下芯次序;加工余量;起模斜度;收缩率;浇注系统;冒口;冷铁的尺寸和布置等。铸造工艺图是指导模样(芯盒)设计、生产准备、铸型制造和铸件检验的基本工艺文件。依据铸造工艺图,结合所选造型方法,便可绘制出模样图及合箱图。图1-19为支座的铸造工艺图、模样图及合箱图。

图1-19 支座的铸造工艺图、模样图及合型图
a)零件图 b)铸造工艺图(左)和模样图(右) c)合型图

(一)浇注位置的选择

浇注位置:浇注时铸件在铸型中所处的位置,选择原则如下:

1.铸件的重要加工面应朝下或位于侧面

图1-20所示为车床床身铸件的浇注位置方案。由于床身导轨面是重要表面,不允许有明显的表面缺陷,而且要求组织致密,因此应将导轨面朝下浇注。

图1-20车床床身的浇注位置

图1-21为起重机卷扬筒的浇注位置方案。采用立式浇注,由于全部圆周表面均处于侧立位置,其质量均匀一致、较易获得合格铸件。

图1-21卷扬筒的浇注位置

1.铸件的大平面应朝下

型腔的上表面除了容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷外,大平面还常容易产生夹砂缺陷。因此,对平板、圆盘类铸件的大平面应朝下。

2.面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置

可以有效防止铸件产生浇不足或冷隔等缺陷。图1-22为油盘铸件的合理浇注位置。

图1-22 薄壁件的浇注位置

3.对于容易产生缩孔的铸件,应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面

以便在铸件厚壁处直接安置冒口,使之实现自下而上的定向凝固。如前述之铸钢卷扬筒,浇注时厚端放在上部是合理的;反之,若厚端在下部,则难以补缩。

(二)铸型分型面的选择

铸型分型面的选择恰当与否会影响铸件质量,使制模、造型、造芯、合箱或清理等工序复杂化,甚至还可增大切削加工的工作量。

分型面的选择原则:

1.便于起模,使造型工艺简化 尽量使分型面平直、数量少,避免不必要的活块和型芯。

图1-23为一起重臂铸件,按图中所示的分型面为一平面,故可采用较简便的分模造型;如果选用弯曲分型面,则需采用挖砂或假箱造型,而在大量生产中则使机器造型的模底板的制造费用增加。

图1-23 起重臂的分型面

应尽量使铸型只有一个分型面,以便采用工艺简便的两箱造型。多一个分型面,铸型就增加一些误差,使铸件的精度降低。图1-24a所示的三通,其内腔必须采用一个T字型芯来形成,但不同的分型方案,其分型面数量不同。当中心线ab呈垂直时(图1-24b),铸型必须有三个分型面才能取出模样,即用四箱造型。当中心线cd呈垂直时(图1-24c),铸型有两个分型面,必须采用三箱造型。当中心线ab和cd都呈水平位置时(图1-24d),因铸型只有一个分型面,采用两箱造型即可。显然,图1-24d是合理的分型方案。

图1-24 三通的分型方案

图1-25所示支架分型方案是避免用活块的例子。按图中方案I,凸台必须采用四个活块制出,而下部两个活块的部位较深,取出困难。当改用方案II时,可省去活块,仅在A处稍加挖砂即可。

图1-25 支架的分型方案

铸件的内腔一般是由型芯形成的,有时可用型芯简化模样的外形,制出妨碍起模的凸台、侧凹等。但制造型芯需要专门的工艺装备,并增加下芯工序,会增加铸件成本。因此,选择分型面时应尽量避免不必要的型芯。

如图1-26所示的轮形铸件,由于轮的圆周面外侧内凹,在批量不大的生产条件下,多采用三箱造型。但在大批量生产条件下,采用机器造型,需要改用图中所示的环状型芯,使铸型简化成只有一个分型面,这种方法尽管增加了型芯的费用,但可通过机器造型所取得的经济效益得到补偿。

图1-26 使用型芯减少分型面

2.尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱,以保证铸件精度 如图1-27所示。

图1-27 车床床身铸件

3.尽量使型腔及主要型芯位于下型 这样便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚。但下型型腔也不宜过深,并尽量避免使用吊芯和大的吊砂。如图1-28所示。

图1-28 机床支架

注意:选择分型面的上述诸原则,对于某个具体的铸件来说难以全面满足,有时甚至互相矛盾。因此,必须抓住主要矛盾、全面考虑,至于次要矛盾,则应从工艺措施上设法解决。

(三)工艺参数的确定

在铸造工艺方案初步确定之后,还必须选定铸件的机械加工余量、起模斜度、收缩率、型芯头尺寸等具体参数。

1.加工余量和最小铸出孔 在铸件上为切削加工而加大的尺寸称为机械加工余量。

数值取决于:铸件生产批量、合金的种类、铸件的大小、加工面与基准面之间的距离及加工面在浇注时的位置等。采用机器造型,铸件精度高,余量可减小;手工造型误差大,余量应加大。铸钢件因表面粗糙,余量应加大;非铁合金铸件价格昂贵,且表面光洁,余量应比铸铁小。铸件的尺寸愈大或加工面与基准面之间的距离愈大,尺寸误差也愈大,故余量也应随之加大。浇注时铸件朝上的表面因产生缺陷的机率较大,其余量应比底面和侧面大。灰铸铁的机械加工余量见表1-6。

表1-6 灰铸铁的机械加工余量(mm)

铸件最大尺寸

浇注时位置

加工面与基准面之间的距离

﹤50

50~120

120~260

260~500

500~800

800~1250

﹤120

顶面

底、侧面

3.5~4.5

2.5~3.5

4.0~4.5

3.0~3.5

120~260

顶面

底、侧面

4.0~5.0

3.0~4.0

4.5~5.0

3.5~4.0

5.0~5.5

4.0~4.5

260~500

顶面

底、侧面

4.5~6.0

3.5~4.5

5.0~6.0

4.0~4.5

6.0~7.0

4.5~5.0

6.5~7.0

5.0~6.0

500~800

顶面

底、侧面

5.0~7.0

4.0~5.0

6.0~7.0

4.5~5.0

6.5~7.0

4.5~5.5

7.0~8.0

5.0~6.0

7.5~9.0

6.5~7.0

800~1250

顶面

底、侧面

6.0~7.0

4.0~5.5

6.5~7.5

5.0~5.5

7.0~8.0

5.0~6.0

7.5~8.0

5.5~6.0

8.0~9.0

5.5~7.0

8.5~10

6.5~7.5

铸件的孔、槽:一般来说,较大的孔、槽应当铸出,以减少切削加工工时,节约金属材料,并可减小铸件上的热节;较小的孔则不必铸出,用机加工较经济。最小铸出孔的参考数值见表1-7。对于零件图上不要求加工的孔、槽以及弯曲孔等,一般均应铸出。

表1-7 铸件毛坯的最小铸出孔 (mm)

生产批量

最小铸出孔的直径d

灰铸铁件

铸钢件

大量生产

12~15

成批生产

15~30

30~50

单件、小批量生产

30~50

50

2.起模斜度 为了使模样(或型芯)易于从砂型(或芯盒)中取出,凡垂直于分型面的立壁,制造模样时必须留出一定的倾斜度,此倾斜度称为起模斜度,如图1-29所示。

在铸造工艺图上,加工表面上的起模斜度应结合加工余量直接表示出,而不加工表面上的斜度(结构斜度)仅需用文字注明即可。

图1-29 起模斜度

3.收缩率 铸件冷却后的尺寸比型腔尺寸略为缩小,为保证铸件的应有尺寸,模样尺寸必须比铸件放大一个该合金的收缩率。铸造收缩率K表达式为:

式中——模样或芯盒工作面的尺寸,单位为mm;

——铸件的尺寸,单位为mm。

通常,灰铸铁的铸造收缩率为0.7%~1.0%,铸造碳钢为1.3%~2.0%,铸造锡青铜为1.2%~1.4%。

4.型芯头型芯头可分为垂直芯头和水平芯头两大类,如图1-30所示。

图1-30 型芯头的构造
a)垂直芯头 b)水平芯头

(四)铸造工艺设计的一般程序

铸造工艺设计:在生产铸件之前,编制出控制该铸件生产工艺的技术文件。铸造工艺设计主要是画铸造工艺图、铸件毛坯图、铸型装配图和编写工艺卡片等,它们是生产的指导性文件,也是生产准备、管理和铸件验收的依据。因此,铸造工艺设计的好坏,对铸件的质量、生产率及成本起着决定性的作用。

一般大量生产的定型产品、特殊重要的单件生产的铸件,铸造工艺设计订得细致,内容涉及较多。单件、小批生产的一般性产品,铸造工艺设计内容可以简化。在最简单的情况下,只须绘制一张铸造工艺图即可。

铸造工艺设计的内容和一般程序见表1-8。

表1-8 铸造工艺设计的内容和一般程序

项目

内容

用途及应用范围

设计程序

铸造
工艺图

在零件图上用规定的红、兰等各色符号表示出:浇注位置和分型面,加工余量,收缩率,起模斜度,反变形量,浇、冒口系统,内外冷铁,铸肋,砂芯形状、数量及芯头大小等

是制造模样、模底板、芯盒等工装以及进行生产准备和验收的依据

适用于各种批量的生产

①零件的技术条件和结构工艺性分析

②选择铸造及造型方法

③确定浇注位置和分型面

④选用工艺参数

⑤设计浇冒口、冷铁和铸肋

⑥型芯设计

铸件图

把经过铸造工艺设计后,改变了零件形状、尺寸的地方都反映在铸件图上

是铸件验收和机加工夹具设计的依据。适用于成批、大量生产或重要铸件的生产

⑦在完成铸造工艺图的基础上,画出铸件图

铸型
装配图

表示出浇注位置,型芯数量、固定和下芯顺序,浇冒口和冷铁布置,砂箱结构和尺寸大小等

是生产准备、合箱、检验、工艺调整的依据

适用于成批、大量生产的重要件,单件的重型铸件

⑧通常在完成砂箱设计后画出

铸造
砂型铸造 普通砂型铸造设备
工艺
卡片

说明造型、造芯、浇注、打箱、清理等工艺操作过程及要求

是生产管理的重要依据

根据批量大小填写必要条件

⑨综合整个设计内容

(五)实例分析

以C6140车床进给箱体为例分析毛坯的铸造工艺方案如下:

C6140车床进给箱体,该件质量约35Kg,如图1-31所示,该零件没有特殊质量要求的表面,仅要求尽量保证基准面D不得有明显铸造缺陷,以便进行定位。它的材料为铸造性能优良的灰铸铁(HT150),勿需考虑补缩。在制订铸造工艺方案时,主要应着眼于工艺上的简化。

图1-31 车床进给箱体零件图

1.分型面进给箱体的分型面,有如图1-32所示的三个方案供选择:

方案I:分型面在轴孔的中心线上。此时,凸台A因距分型面较近,又处于上型,若采用活块,型砂易脱落,故只能用型芯来形成,槽C可用型芯或活块制出。本方案的主要优点是适于铸出轴孔,铸后轴孔的飞边少,便于清理。同时,下芯头尺寸较大,型芯稳定性好,不容易产生偏芯。其主要缺点是基准面D朝上,使该面较易产生气孔和夹渣等缺陷,且型芯的数量较多。

方案II:从基准面D分型,铸件绝大部分位于下型。此时,凸台A不妨碍起模,但凸台E和槽C妨碍起模,也需采用活块或型芯来克服。它的缺点除基准面朝上外,其轴孔难以直接铸出。轴孔若拟铸出,因无法制出型芯头,必须加大型芯与型壁的间隙,致使飞边清理困难。

方案III:从B面分型,铸件全部置于下型。其优点是铸件不会产生错型缺陷;基准面朝下,其质量容易保证;同时,铸件最薄处在铸型下部,金属液易于充满铸型。缺点是凸台E、A和槽C都需采用活块或型芯,而内腔型芯上大下小稳定性差;若拟铸出轴孔,其缺点与方案II相同。

图1-32 车床进给箱体分型面的选择方案

上述诸方案各有其优缺点,需结合具体生产条件,找出最佳方案。

大批量生产条件下,为减少切削加工工作量,九个轴孔需要铸出。此时,为了使下芯、合箱及铸件的清理简便,只能按照方案I从轴孔中心线处分型。为了便于采用机器造型、尽量避免活块,故凸台和凹槽均应用型芯来形成。为了克服基准面朝上的缺点,必须加大D面的加工余量。

单件、小批量生产条件下,因采用手工造型,使用活块造型较型芯更为方便。同时,因铸件的尺寸允许偏差较大,九个轴孔不必铸出,留待直接切削加工而成。此外,应尽量降低上型高度,以便利用现有砂箱。显然,在单件生产条件下,宜采用方案II或方案III。

2.铸造工艺图分型面确定后,便可绘制出铸造工艺简图,采用分型方案I时的铸造工艺图如图1-33所示。

图1-33 车床进给箱体铸造工艺图(局部)

三、铸件结构设计

铸件结构设计:保证其工作性能和力学性能要求、考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求,铸件结构设计合理与否,对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。

(一)砂型铸造工艺对铸件结构设计的要求

造型工艺对铸件结构设计的要求,见表1-9。

表1-9 造型工艺对铸件结构设计的要求

对铸件结构的要求

不好的铸件结构

较好的铸件结构

1.铸件的外形必须力求简单、造型方便

铸件应具有最少的分型面,从而避免多箱造型和不必要的型芯

铸件加强肋的布置应有利于取模

铸件侧面的凹槽、凸台的设计应有利于取模,尽量避免不必要的型芯和活块

铸件设计应注意避免不必要的曲线和圆角结构,否则会使制模、造型等工序复杂化

凡沿着起模方向的不加工表面,应给出结构斜度,其设计参数见表1-10

2.铸件的内腔必须力求简单、尽量少用型芯

尽量少用或不用型芯

型芯在铸型中必须支撑牢固和便于排气、固定、定位和清理(图中A处需放置型芯撑)

为了固定型芯,以及便于清理型芯,应增加型芯头或工艺孔

表1-10 铸件的结构斜度

斜度(a:h)

角度(β)

使用范围

1∶5

11°30′

h<25㎜铸钢和铸铁件

1∶10

5°30′

h=25~500㎜铸钢和铸铁件

1∶20

h=25~500㎜铸钢和铸铁件

1∶50

h>500㎜铸钢和铸铁件

1∶100

30′

非铁合金铸件

(二)合金铸造性能对铸件结构设计的要求

缩孔、变形、裂纹、气孔和浇不足等铸件缺陷的产生,有时是由于铸件结构设计不够合理,未能充分考虑合金铸造性能的要求所致。合金铸造性能与铸件结构之间的关系见表1-11。

表1-11 合金铸造性能与铸件结构之间的关系

对铸件结构的要求

不好的铸件结构

较好的铸件结构

铸件的壁厚应尽可能均匀,否则易在厚壁处产生缩孔、缩松、内应力和裂纹

铸件内表面及外表面转角的连接处应为圆角,以免产生裂纹、缩孔、粘砂和掉砂缺陷。铸件内圆角半径R的尺寸见表1-12

铸件上部大的水平面(按浇注位置)最好设计成倾斜面,以免产生气孔、夹砂和积聚非金属夹杂物

为了防止裂纹,应尽可能采用能够自由收缩或减缓收缩受阻的结构,如轮辐设计成弯曲形状

在铸件的连接或转弯处,应尽量避免金属的积聚和内应力的产生,厚壁与薄壁相连接要逐步过渡,并不能采用锐角连接,以防止出现缩孔、缩松和裂纹。几种壁厚的过渡形式及尺寸见表1-13

对细长件或大而薄的平板件,为防止弯曲变形,应采用对称或加肋的结构。灰铸铁件壁及肋厚参考值见表1-14

表1-12 铸件的内圆角半径R值(mm)

(a+b)/2

<8

8~12

12~16

16~20

20~27

27~35

35~45

45~60

R值

铸铁

4

6

6

8

10

12

16

20

铸钢

6

6

8

10

12

16

20

25

表1-13 几种壁厚的过度形式及尺寸

图例

尺寸

b≤2a

铸铁

R≥(1/6~1/3)(a+b)/2

铸钢

R≈(a+b)/4

b>2a

铸铁

L>4(b-a)

铸钢

L>5(b-a)

b>2a

R≥(1/6~1/3)(a+b)/2;R1≥R+(a+b)/2
C≈3(b-a)1/2,h≥(4~5)C

表1-14 灰铸铁件壁及肋厚参考值

铸件质量/㎏

最大尺寸/㎜

外壁厚度/㎜

内壁厚度/㎜

肋的厚度/㎜

零件举例

5

6~10

11~60

61~100

101~500

501~800

801~1200

300

500

750

1250

1700

2500

3000

7

8

10

12

14

16

18

6

7

8

10

12

14

16

5

5

6

8

8

10

12

盖、拨叉、轴套、端盖

挡板、支架、箱体、闷盖

箱体、电动机支架、溜板箱

箱体、液压缸体、溜板箱

油盘、带轮、镗模架

箱体、床身、盖、滑座

小立柱、床身、箱体、油盘

(三)砂型铸造铸件最小壁厚的设计

最小壁厚:每种铸造合金都有其适宜的壁厚,不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同,主要取决于合金的种类和铸件的大小,见表1-15。

表1-15 砂型铸造铸件最小壁厚的设计mm

铸件尺寸

铸钢

灰铸铁

球墨铸铁

可锻铸铁

铝合金

铜合金

<200×200

200×200~500×500

>500×500

5~8

10~12

15~20

3~5

4~10

10~15

4~6

8~12

12~20

3~5

6~8

3~3.5

4~6

3~5

6~8

 

 

 

以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点,在特种铸造方法中,应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计

  

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