上篇砂型铸造工艺设计

第1章 铸造工艺设计概述1

1.1 铸造工艺设计的依据1

1.2 铸造工艺设计内容1

1.3 铸造工艺设计的一般步骤2

1.4 铸造工艺符号及其表示方法3

第2章 铸造工艺方案的确定14

2.1 零件结构的铸造工艺性14

2.1.1 从避免铸造缺陷方面确定铸件的合理结构14

2.1.2 从简化铸造工艺方面确定铸件的合理结构23

2.2 造型和制芯方法的选择27

2.3 浇注位置的确定29

2.4 分型面的确定31

第3章 铸造工艺参数35

3.1 铸造收缩率35

3.2 铸件尺寸公差和机械加工余量38

3.2.1 铸件尺寸公差38

3.2.2 机械加工余量40

3.3 最小铸出孔和槽42

3.4 起模斜度44

3.5 工艺补正量45

3.6 分型负数和反变形量47

3.6.1 分型负数47

3.6.2 反变形量48

3.7 砂芯负数、分芯负数和非加工壁厚的负余量50

3.7.1 砂芯负数50

3.7.2 分芯负数50

3.7.3 非加工壁厚的负余量51

第4章 砂芯设计52

4.1 砂芯设置的基本原则52

4.2 砂芯的固定和定位55

4.2.1 垂直砂芯56

4.2.2 水平砂芯的固定57

4.2.3 砂芯的定位58

4.3 芯头的尺寸和间隙60

4.3.1 芯头的结构60

4.3.2 芯头承压面积的核算65

4.4 芯撑和芯骨65

4.4.1 芯撑65

4.4.2 芯骨75

4.5 砂芯的排气76

第5章 浇注系统设计78

5.1 浇注系统的组成和作用78

5.1.1 浇口杯78

5.1.2 直浇道和浇口窝80

5.1.3 横浇道81

5.1.4 内浇道85

5.2 浇注系统的类型和适用范围87

5.2.1 按断面积比例关系分类88

5.2.2 按内浇道的位置分类88

5.3 浇注系统结构尺寸的设计92

5.3.1 公式法设计的基本原理93

5.3.2 对浇注系统设计结果的校核99

5.4 灰铸铁件浇注系统尺寸设计101

5.4.1 浇注时间的确定101

5.4.2 浇注系统截面尺寸计算102

5.5 可锻铸铁件浇注系统设计108

5.5.1 浇注时间的计算109

5.5.2 浇注系统设计109

5.6 球墨铸铁件浇注系统设计112

5.6.1 浇注时间的确定112

5.6.2 浇注系统设计113

5.7 铸钢件浇注系统设计115

5.7.1 用转包浇注时浇注系统的设计116

5.7.2 用底注包浇注时浇注系统的设计118

5.7.3 浇注系统设计工程实例119

5.8 有色合金铸件浇注系统设计123

5.8.1 铝合金铸件、镁合金铸件浇注系统设计123

5.8.2 铜合金铸件浇注系统设计128

第6章 冒口设计135

6.1 概述135

6.1.1 冒口的种类135

6.1.2 冒口的形状136

6.1.3 冒口的位置137

6.1.4 冒口的有效补缩距离139

6.2 补贴140

6.2.1 均匀壁上的补贴140

6.2.2 局部热节的补贴143

6.3 铸钢件冒口设计145

6.3.1 铸钢件冒口的补缩距离145

6.3.2 模数法设计铸钢件冒口148

6.3.3 补缩液量与热节圆法计算冒口190

6.3.4 比例法计算冒口尺寸201

6.4 铸铁件冒口设计207

6.4.1 灰铸铁件冒口设计207

6.4.2 可锻铸铁件冒口设计213

6.4.3 球墨铸铁件冒口设计213

6.5 有色合金铸件冒口设计219

6.5.1 铜合金铸件冒口设计219

6.5.2 铝合金铸件冒口设计224

第7章 冷铁、拉筋和出气孔设计229

7.1 冷铁的分类与作用229

7.2 铸钢件用冷铁230

7.2.1 铸钢件外冷铁设计230

7.2.2 铸钢件内冷铁设计238

7.3 铸铁件冷铁设计247

7.3.1 铸铁件外冷铁设计247

7.3.2 铸铁件内冷铁设计250

7.4 铝合金、铜合金铸件冷铁设计252

7.4.1 外冷铁252

7.4.2 铝合金、铜合金铸件的内冷铁253

7.5 铸筋的设计253

7.6 出气孔设计256

下篇砂型铸造铸件缺陷控制

第8章 缩孔和缩松缺陷261

8.1 铸造合金的收缩261

8.1.1 铸造合金收缩的一般规律261

8.1.2 铸钢的收缩262

8.1.3 铸铁的收缩263

8.2 铸件中缩孔与缩松的形成及影响因素265

8.2.1 铸件中的缩孔266

8.2.2 铸件中的缩松268

8.2.3 灰铸铁和球铁件的缩孔和缩松269

8.3 防止铸件产生缩孔和缩松的途径271

8.3.1 控制铸件的凝固方式271

8.3.2 采用合理的铸造工艺274

第9章 气孔和非金属夹杂物275

9.1 概述275

9.1.1 金属中气体的来源275

9.1.2 气体在金属中的存在形式275

9.1.3 气体在金属中的溶解度276

9.1.4 气孔的分类277

9.2 侵入性气孔的形成和防止措施279

9.2.1 侵入性气孔的形成279

9.2.2 影响侵入性气孔形成的因素279

9.2.3 防止侵入性气孔的措施281

9.3 析出性气孔的形成和防止措施281

9.3.1 金属液中析出气泡的条件281

9.3.2 气体溶质再分配和析出气孔的关系283

9.3.3 影响析出性气孔形成的因素285

9.3.4 防止和消除析出性气孔的途径285

9.4 反应性气孔的形成和防止287

9.4.1 内生式反应气孔的形成和防止287

9.4.2 外生式反应气孔的形成和防止289

9.5 非夹杂物的形成和防止296

9.5.1 概述297

9.5.2 一次非金属夹杂物的形成和防止298

9.5.3 二次氧化夹杂物的形成和防止299

第10章 粘砂、夹砂、胀砂与砂眼300

10.1 粘砂的分类及防止措施300

10.1.1 粘砂的分类300

10.1.2 机械粘砂301

10.1.3 化学粘砂307

10.2 夹砂的形成及其防止措施309

10.2.1 概述309

10.2.2 夹砂缺陷的形成310

10.2.3 防止夹砂缺陷的措施312

10.3 胀砂缺陷的形成及防止措施315

10.4 砂眼的形成及防止措施315

第11章 应力、变形和开裂317

11.1 铸造应力317

11.1.1 铸造应力的分类317

11.1.2 热应力317

11.1.3 相变应力320

11.1.4 机械阻碍应力320

11.1.5 减小或消除铸造应力的途径321

11.2 铸件的变形和冷裂321

11.2.1 铸件的变形321

11.2.2 铸件的冷裂323

11.2.3 防止铸件产生变形和冷裂的途径324

11.3 铸件的热裂325

11.3.1 概述325

11.3.2 热裂的形成机理及影响因素326

11.3.3 防止热裂的途径331

参考文献334 2100433B

《铸造工艺设计及铸件缺陷控制》从工程实际出发，详细地阐述了砂型铸造工艺设计原理和方法，并介绍了生产常见铸件缺陷的形成原因和防止方法。书中既收集了国内外行之有效的技术成果和经验，也简要介绍了对提高铸件质量有借鉴意义的研究成果。

解决铸件缩松缺陷的方法，最根本的着眼点就是“热平衡”。其方法是：

（1）在机床铸件结构形成的厚处与热节处，实行快速凝固，人为地造成机床铸件各处温度场的基本平衡。采用内外冷铁，局部采用蓄热量大的锆英砂，铬铁矿砂或特种涂料。

（2）合理的工艺设计。内浇道设在机床铸件相对溥壁处，数时多且分散。使最早进入厚壁处的金属液率先凝固，薄壁处后凝固，使各处基本达到均衡凝固。对于壁厚均匀的机床铸件，采用多个内浇道和出气孔。内浇道多，分散与均布，使整体热量均衡。出气孔细且多，即排气通畅又起散热作用。

（3）改变内浇道的位置

（4）选用蓄热量大的造型材料，这对用消失模生产抗磨产品极为重要！铬铁矿砂取代石英砂等蓄热量小的其它砂种，会取得良好的效果，浇毕微震更优！

（5）低温快烧，开放式浇注系统。使金属液快速，平稳，均衡地充满铸型。这要因件制宜。

（6）球铁的机床铸型强度大，表面硬度≧90，砂箱刚性大，对消除缩松有利。

（7）需要冒口时，当首迁热冒口，且离开热节。若将冒口置于热节上，必将加大冒口尺寸，形成“热上加热”。弄不好，非但缩松难除，还会产生集中性缩孔，又降低了工艺出品率。

（8）铸型倾斜摆放与合金化，都获益。消除机床铸件缩松缺陷是一个复杂的认识与实施过程。应以“热平衡”为基本原则，对雎体铸件做科学分析，制订合理的工艺方案，迁择好适宜的造型材料，工装及正确操作且标准化。那么任何机床铸件的缩松缺陷都可以解决。

由于多种因素影响，常常会出现气孔、针孔、夹渣、裂纹、凹坑等缺陷。常用的修补设备为氩弧焊机、电阻焊机、冷焊机等。对于质量与外观要求不高的铸件缺陷可以用氩弧焊机等发热量大、速度快的焊机来修补。但在精密铸件缺陷修补领域，由于氩焊热影响大，修补时会造成铸件变形、硬度降低、砂眼、局部退火、开裂、针孔、磨损、划伤、咬边、或者是结合力不够及内应力损伤等二次缺陷。冷焊机正好克服了以上缺点，其优点主要表现在热影响区域小，铸件无需预热，常温冷焊修补，因而无变形、咬边和残余应力，不会产生局部退火，不改变铸件的金属组织状态。因而冷焊机适用于精密铸件的表面缺陷修补。冷焊的焊补范围为Φ1.5-Φ1.2mm焊补点反复熔化堆积的过程，在大面积缺陷修补过程中，修复效率是制约其广泛推广应用的唯一因素。对于大缺陷，推荐传统焊补工艺与铸造缺陷修补机的复合应用。可有时我们的缺陷没有很多，就不必要投入较大的成本，我们用一些修补剂就可以修补好的，方便简单，例如铁质材料的，我们可以用（劲素成）JS902修补一下就可以了，用不完可以放到以后再用，这样可以为我们的厂家节省成本啊，让我们的铸造厂家把更多的资金投入到提高产品本身质量上，让使用者创造更多的财富。

砂型铸造铸件缺陷有：冷隔、浇不足、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂等。

1）冷隔和浇不足

液态金属充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停止流动，将使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。浇不足时，会使铸件不能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力学性能严重受损。防止浇不足和冷隔：提高浇注温度与浇注速度。

2）气孔

气体在金属液结壳之前未及时逸出，在铸件内生成的孔洞类缺陷。气孔的内壁光滑，明亮或带有轻微的氧化色。铸件中产生气孔后，将会减小其有效承载面积，且在气孔周围会引起应力集中而降低铸件的抗冲击性和抗疲劳性。气孔还会降低铸件的致密性，致使某些要求承受水压试验的铸件报废。另外，气孔对铸件的耐腐蚀性和耐热性也有不良的影响。防止气孔的产生：降低金属液中的含气量，增大砂型的透气性，以及在型腔的最高处增设出气冒口等。

3）粘砂

铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒称为粘砂。粘砂既影响铸件外观，又增加铸件清理和切削加工的工作量，甚至会影响机器的寿命。例如铸齿表面有粘砂时容易损坏，泵或发动机等机器零件中若有粘砂，则将影响燃料油、气体、润滑油和冷却水等流体的流动，并会玷污和磨损整个机器。防止粘砂：在型砂中加入煤粉，以及在铸型表面涂刷防粘砂涂料等。

4）夹砂

在铸件表面形成的沟槽和疤痕缺陷，在用湿型铸造厚大平板类铸件时极易产生。

铸件中产生夹砂的部位大多是与砂型上表面相接触的地方，型腔上表面受金属液辐射热的作用，容易拱起和翘曲，当翘起的砂层受金属液流不断冲刷时可能断裂破碎，留在原处或被带入其它部位。铸件的上表面越大，型砂体积膨胀越大，形成夹砂的倾向性也越大。

5）砂眼 在铸件内部或表面充塞着型砂的孔洞类缺陷。

6）胀砂 浇注时在金属液的压力作用下，铸型型壁移动，铸件局部胀大形成的缺陷。 为了防止胀砂，应提高砂型强度、砂箱刚度、加大合箱时的压箱力或紧固力，并适当降低浇注温度，使金属液的表面提早结壳，以降低金属液对铸型的压力。

铸造工艺设计涉及零件本身工艺设计，浇注系统的设计，补缩系统的设计，出气孔的设计，激冷系统的设计，特种铸造工艺设计等内容。

零件本身工艺设计涉及到零件的加工余量，浇注位置、分型面的选择，铸造工艺参数的选择，尺寸公差，收缩率，起模斜度，补正量，分型负数等的设计 。

浇注系统是引导金属液进入铸型型腔的通道，浇注系统设计得合理与否，对铸件的质量影响非常大，容易引起各种类型的铸造缺陷，比如：浇不足、冷隔、冲砂、夹渣、夹杂、夹砂等等铸造缺陷。浇注系统的设计包括浇注系统类型的选择、内浇口位置的选择及浇注系统各组元截面尺寸的确定。此外，浇注系统的选择也非常重要，那么怎样才能选择正确的浇注系统呢？

对于机械化流水线、大批量生产，为了方便生产并有利于保证铸件的质量，内浇道一般设置在铸型的分型面处，根据该铸件毛坯的浇注位置及分型面的选择，将内浇道开设在铸型的分型面处是属于“中间注入式”浇注系统。液态金属在浇注过程中难免会包含有一定的“熔渣”，为了提高浇注系统的挡渣能力，适合于采用“封闭式”浇注系统。

在铸造工艺中，铸造工艺的设计对铸造产品的质量影响很大，但是浇注系统的选择方法的选择也不容忽视。

补缩系统的设计是合理的设计冒口和补贴，以补偿铸件在凝固过程中产生的液态和凝固态的体收缩，以获得健全的铸件的一项工程技术 。

出气孔用于排出型腔内的气体，改善金属液填充能力，排除先填充到型腔的过冷金属液和浮渣，还可作为观察型腔是否浇满的的标志 。