铸造工艺学第6章课件

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1、第第6章章 铸造工艺参数及砂芯设计铸造工艺参数及砂芯设计 铸造工艺参数指铸造工艺设计时需要确定的工艺数据。准确、恰当地选择铸造工艺参数，可以保证铸件尺寸及形状准确，生产效率提高，生产成本降低。1.铸件尺寸公差铸件尺寸公差 铸件尺寸公差是指铸件各部分尺寸所允许的极限偏差，铸件生产过程中的很多因素都会影响铸件尺寸公差，同时铸件尺寸公差在一定范围内会对铸件生产成本产生极大影响，因此必须采用科学的标准来协调供需双方的要求。我国的铸件尺寸公差标准GB641486铸件尺寸公差等效采用ISO80621984铸件尺寸公差制。这是铸造工艺设计和检验铸件尺寸的依据，其中具体规定了砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、压

2、力铸造、熔模铸造等方法生产的各种铸造金属及合金的铸件尺寸公差，包括铸件基本尺寸公差值、错箱值。所规定的公差是正常生产条件下通常能达到的公差，由精到粗分为16级，命名为CT1到CT16。第一节第一节 铸造工艺参数铸造工艺参数2.铸件重量公差铸件重量公差 铸件重量公差指以占铸件公称重量的百分率为单位的铸件重量变动的允许值，其中铸件公称重量包括机械加工余量和其它工艺余量，作为衡量被检验铸件轻重的基准重量。GB/T 11351-89标准中规定了铸件重量公差的数值、确定方法及检验规则。铸件重量公差的代号用字母MT表示。共分16级，MT1至MT16。重量公差数值详见国家标准。标准规定：成批和大量生产时，从

3、供需双方共同认定的首批合格铸件中随机抽取不少于10件的铸件，以实称重量的平均值作为公称重量。小批和单件生产时，以计算重量或供需双方共同认定的任一个合格铸件的实称重量作为公称重量。重量公差应与尺寸公差对应选取。3.机械加工余量机械加工余量 为了保证零件加工面尺寸和精度，在铸造工艺设计时，将加工表面上留出的、准备切去的金属层厚度，称为机械加工余量。加工余量过大，浪费金属和机械加工工时，增加铸件和零件成本；过小，则不能完全除去铸件表面的缺陷，甚至露出铸件表皮，达不到零件要求。影响机械加工余量大小的主要因素有：铸造合金种类、铸造工艺方法、生产批量、设备与工装的水平、加工表面所处的浇注位置(顶面、侧面、

4、底面)、铸件基本尺寸的大小和结构等。4.铸造收缩率铸造收缩率 金属在凝固过程中有液态收缩、凝固收缩和固态收缩，其中液态收缩和凝固收缩的结果，使铸件最后凝固的部位产生缩孔、缩松，为消除缩孔、缩松，获取组织致密的铸件，可以采取工艺措施进行补缩。固态收缩的结果，使铸件长度方向尺寸变短，其变短的量即为线收缩量。为了获取尺寸符合要求的铸件，常在制作模样或芯盒时将线收缩量加上，以保证固态收缩后铸件尺寸符合要求。铸造收缩率（生产中称缩尺）可用下式表达：式中，LM为模样(或芯盒)工作面的尺寸；LJ为铸件尺寸。铸造收缩率与合金的种类及成分、铸件冷却收缩时受到阻力的大小、冷却条件的差异等因素有关，因此，要十分准确

5、地给出铸造收缩率是很困难的。对于大量生产的铸件，一般应在试生产过程中，测定铸件各部位的实际收缩率，反复修改木模，直至铸件尺寸符合铸件图纸要求。然后再依实际铸造收缩率设计制造金属模。对于单件、小批生产的大型铸件，铸造收缩率的选取必须有丰富的经验，同时要结合使用工艺补正量，适当放大加工余量等措施来保证铸件尺寸达到合格。5.起模斜度起模斜度 为了方便起出模样或取出砂芯，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。这个斜度，称为起模斜度或拔模斜度。起模斜度应在铸件上没有结构斜度的、垂直于分型面(分盒面)的表面上应用。其大小应依模样的拔模高度、表面粗糙度以及造型(芯)方法而定。关于起模斜度的

6、大小的具体数值详见JB/T5015-91中的规定，数据可参照表6-11。对于起模困难的模样，允许采用较大的起模斜度，但不得超过表6-11中数值的一倍。芯盒的起模斜度可参照表6-11。起模斜度的形式见图6-4。原则上，在铸件上加放起模斜度不应超出铸件的壁厚公差。6.最小铸出孔及槽最小铸出孔及槽 机械零件上的孔、槽和台阶一般应尽可能铸造出来，这样既可节约金属、减少机械加工的工作量、降低成本，又可使铸件的壁厚比较均匀，减少形成缩孔、缩松等铸造缺陷的倾向，提高铸件质量。最小铸出孔或槽的尺寸与铸件的生产产量、合金种类、铸件大小、孔或槽处铸件的壁厚、孔的长度及直径等有关。铸铁件、非铁合金铸件和铸钢件的最小

7、铸出孔或槽的尺寸可分别参考表6-12和表6-13。7.工艺补正量工艺补正量 在单件、小批生产中，由于选用的缩尺与铸件的实际收缩率不符，或由于铸件产生了变形、操作中的不可避免的误差(如工艺上允许的错箱偏差、偏芯误差)等原因，使得加工后的铸件某些部分的厚度小于图纸要求尺寸，严重时会因强度太弱而报废。因工艺需要在铸件相应非加工面上增加的金属层厚度称为工艺补正量。为了防止由于铸造收缩率估计不准而削弱零件强度应采用工艺补正量，应用实例如图6-5所示。8.分型负数分型负数 砂型铸造时，由于起模后的修型和烘干过程中砂型的变形，引起分型面凹凸不平，合型时，上下两个砂型之间不能紧密接触，为了防止浇注时分型面跑铁

8、液，合型时往往要在下箱分型面上垫石棉绳或耐火泥条，这样在分型面处明显地增大了铸件垂直于分型面方向的尺寸。为了保证铸件尺寸精确，在拟订工艺参数时，为抵消铸件在分型面部位的增厚，在模样上相应减去的尺寸，称为分型负数。根据铸造条件，分型负数的选用方法可参照图6-6。确定分型负数，应注意下述几点：1)若模样分成对称的上、下两半，则上、下半模样各取分型负数的一半。2)多箱造型时，每个分型面都要放分型负数。3)自硬砂型和湿型一般不放分型负数，但砂型平面大于1.5m2时，也放分型负数。4)在分型面上的砂芯间隙不能比分型负数小。9.反变形量反变形量 铸件壁厚不均匀，或由于结构原因各部位收缩受阻的情形差别很大，

9、铸件可能产生挠曲变形。制造模样时，可按铸件可能产生变形的相反方向作出反变形量，或在各部位采用不同的缩尺，使铸件在冷却后变形的结果正好将反变形抵消，得到尺寸符合要求的铸件。这种在制造模样时预先做出的变形量称为反变形量。影响铸件变形的因素很多，例如合金性能、铸件结构和尺寸、浇冒口系统的布局、浇注温度和速度、打箱时间、造型方法、砂型刚度等等。图6-7所示，两种不同截面尺寸的T字形梁铸件冷却缓慢的一侧必定受拉应力而产生内凹变形，冷却较快的一侧必定受压应力而产生外凸变形。10.工艺筋工艺筋 为了防止铸件产生热裂和变形，通常所采取的措施是使用工艺肋（有时也和冷铁配合使用），又称铸筋，可分为两种：一种称割筋

10、(也称收缩筋)，用于防止铸件热裂，割筋通常要求在清理时去除，只有在不影响铸件使用时才允许保留在铸件上。另一种称拉筋(亦称加强筋)，防止铸件变形，而拉筋一般应在铸件热处理之后去除。易产生热裂的铸件典型结构如图6-8所示。断面呈U、V形或半圆环形的铸件，铸出后经常发现变形，其结果使开口尺寸增大。为了防止这类铸件的变形，常设置拉筋，如图6-9所示。11.砂芯负数砂芯负数 大型粘土砂芯，在舂砂力的作用下芯盒向四周涨开、刷涂料以及烘干都会使砂芯发生变形，使砂芯四周尺寸增大。为了保证铸件尺寸准确，将芯盒的长、宽尺寸减去一定量，这个被减去的尺寸称为砂芯负数(或称为砂芯减量)。12.非加工壁厚的负余量非加工壁

11、厚的负余量 在手工造型和制芯时，为了起模和出芯方便，需要震动模样和芯盒内的肋板，以及由于木模和肋板吸潮而引起的膨胀，这些都会造成铸件非加工壁的厚度增加，致使铸件尺寸超差和重量超重。为了保证铸件尺寸准确，对形成铸件非加工面壁厚的木质模样、肋板的尺寸应予以减小，即小于图纸上尺寸，所减少的尺寸称为非加工壁厚的负余量。在确定铸件线收缩率时，如果已经考虑了负余量的因素，就不用另作考虑了。13.分芯负数分芯负数 对于分段制造的长砂芯或分开制造的大砂芯，在接缝处应留出分芯间隙量，即在砂芯的分开面处，将砂芯尺寸减去间隙尺寸，被减去的尺寸，称为分芯负数。分芯负数是为了砂芯拼合及下芯方便而采用的。不留分芯负数，就

12、必须用手工磨出间隙量，这将延长工时并恶化劳动条件。分芯负数可以留在相邻的两个砂芯上，每个砂芯各留一半；也可留在指定的一侧的砂芯上。根据砂芯接合面的大小一般留l3mm。分芯负数多用于手工造芯的大砂芯。第二节第二节 砂芯设计砂芯设计 砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔及铸件外形不能出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的部分，有时也用砂芯。砂芯应满足以下要求：砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置应符合铸件的要求；具有足够的强度和刚度；在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外；铸件收缩时阻力小；容易清砂。砂芯设计的内容主要包括：砂芯类型的选择，确定砂芯的形状和个数(砂芯分块)及下芯顺序；芯头的尺寸及结构；

13、砂芯的通气和强度等。1.砂芯分类砂芯分类 砂芯的分类方法很多，通常有下述几种分类方法。按体积大小分类，分为小、中、大砂芯；按干湿程度分类，可分为湿芯和干芯；按粘结剂分类，可分为粘土砂芯、水玻璃砂芯、水泥砂芯、油脂砂芯、树脂砂芯等；按制芯工艺分类，可分为常规砂芯、自硬砂芯、热芯盒砂芯、冷芯盒砂芯、壳芯等。此外，按复杂程度，砂芯可分为以下5级：级砂芯：形状复杂，断面细薄，浇注后大部分被液体金属包围，在铸件里构成为各种小通道。级砂芯：形状较复杂，主体部分断面稍厚，但有较细的凸缘、棱角或筋片。级砂芯：一般复杂程度，没有特殊细薄面，用来形成重要的不加工表面的各种砂芯。级砂芯：一般复杂程度和不复杂的外廓砂

14、芯，构成机械加工的内腔，同时对表面粗糙度要求不高的砂芯；要求其湿强度高，退让性好，具有一定的干强度和透气性。级砂芯：大型砂芯，构成大型铸件的内腔，对砂芯的要求同级砂芯。实际中常用于大型机床的底座砂芯等。2.砂芯设计的基本原则砂芯设计的基本原则1.尽量减少砂芯数目为了减少制造工时，降低铸件成本和提高其尺寸精度，对于不太复杂的铸件，应用砂胎或吊砂常可尽量减少砂芯数目。图6-10为12vB柴油机曲轴定位套的机器造型方案，用砂胎取代砂芯。2.可分块制造复杂砂芯 复杂砂芯可分块制造，例如：图6-12中的加热炉砂封槽砂芯，因尺寸太大，制芯和下芯操作困难而分三块制造；图6-13中的砂芯是为了操作方便而分块制

15、造。3.保证铸件内腔尺寸精度和壁厚均匀 凡铸件内腔尺寸要求较严的部分应由同一半砂芯形成，避免为分盒面所分割，更不宜划分为几个砂芯。4.选择合适的砂芯形状砂芯形状的选择，应使芯盒有宽敞的捣砂面，便于填砂、舂砂、安放芯骨和设置排气等，特别注意要避免在填砂面上装活块，否则将影响砂芯尺寸精度。5.砂芯烘干支撑面最好是平面砂芯烘干支撑面最好是平面对于需要烘干硬化的砂芯尤其重要。例如图6-17a所示，从分型面处分成两半砂芯，可以放在烘干板上烘干，烘干后再粘合在一起。图6-17b用湿砂支撑烘干，尺寸不精确，操作也不方便。6.砂芯的分盒面应尽量与砂型的分型面一致起芯与起模斜度的大小与方向应尽量一致，以保证由砂

16、芯和砂型之间所形成的壁厚均匀，减少披缝，同时也有利于砂芯中气体的排出。图6-18中的阀盖砂芯，由于采用了与分型面一致的分盒面，每个砂芯的填砂面都较大，支撑面是平面，排气方便。3.砂芯的固定和定位砂芯的固定和定位 1.砂芯的固定 砂芯一般用芯头、芯撑或铁丝来固定。依据砂芯在铸型中的放置位置，芯头可分为垂直芯头和水平芯头两大类。垂直芯头的固定方式如表6-14所示。对于只做上芯头而无其它芯头的砂芯，可以采取加长上芯头、预埋砂芯、吊芯、使用盖板砂芯和芯撑等措施处理。具有两个以上水平芯头的砂芯在砂型中最稳固，对于不稳固的或易发生倾斜、转动的砂芯，要采取措施使之稳固，常用的措施见图6-19所示。2.芯头的

17、定位 砂芯不仅要求安放稳固，同时要求定位准确，不允许砂芯发生移动或转动。对于同一铸造工艺中，砂芯形状相似、芯头形状和尺寸相同时，为了避免生产中产生错放或误放现象，必须采用定位芯头设计。定位芯头通常分为以下三种形式：（1）垂直定位芯头垂直定位芯头的定位形式、用途和适用范围如表6-15所示。（2）水平定位芯头 水平定位芯头的定位形式、用途和适用范围如表6-16所示。4.芯头尺寸设计芯头尺寸设计 芯头是指砂芯的外伸部分，不形成铸件的轮廓。芯头是砂芯的重要组成部分，其作用是：使砂芯在铸型中有准确的定位；承受砂芯本身重力及浇注时液体金属对砂芯的浮力；浇注后砂芯所产生的气体，通过芯头排至铸型以外。芯头的尺

18、寸与所采用的铸造工艺有关，一般决定于铸件相应部位孔、槽的尺寸，在设计芯头时，应考虑下芯、合箱方便，上下芯头及芯号容易识别，间隙合理，搬运方便，重心平稳。因此芯头的尺寸、斜度和间隙可根据生产经验确定。一般来说，上芯头的高度比下芯头小，上芯头的斜度比下芯头大。1.垂直芯头的尺寸和间隙直立放置在砂型中的芯头称为垂直芯头，其结构见图6-20。(1)芯头的高度上下对称的垂直砂芯，上下芯头可采用相同的高度，尤其在大量生产中，不必区分上芯头与下芯头，方便下芯。在单件小批生产中，上芯头可采用不同高度。芯头高度见表6-17。决定芯头高度时，下述经验值得借鉴：a.对于细而高的砂芯，上下都有芯头，且下芯头比上芯头适

19、当取高些。b.对于粗而短的砂芯，可不用上芯头，下芯头也可做得短一些，这对造型、合箱都方便。(2)芯头的斜度为了下芯准确、方便，避免碰坏砂芯，在垂直芯头和芯座(铸型上的)部位必须设有斜度。为避免合箱时上芯头和铸型相碰，上芯头和上芯座的斜度应大些。垂直芯头的斜度见表6-18。(3)芯头的间隙为了下芯方便，通常在芯头和芯座之间留有间隙。间隙的大小与砂芯的大小、精度及芯座本身的精度等因素有关。机器造型、造芯时，间隙一般较小，而手工造型、造芯时则间隙较大。垂直芯头间隙如表6-19所示。2.水平芯头的尺寸和间隙（1）水平芯头类型一般情况下，具有两个以上水平芯头的砂芯在砂型中可以稳固的。有些砂芯只有一个水平

20、芯头，对这种不稳定砂芯，设计水平芯头时应采取必要的措施：1）独臂芯头2）挑担芯头3）爬芯头（2）水平芯头的斜度和间隙水平芯头的端面一般不留斜度，而芯座（模样上的芯头）端面必须留有斜度，并且上型斜度比下型大些。水平芯头和芯座之间要留有间隙，以使下芯、合箱方便。其尺寸可参考表6-21。3.压紧环、防压环和集砂槽湿型铸造时，为防止液体金属沿间隙钻入芯头，堵塞通气孔而在上芯座上形成的凸起砂环，称为压紧环。合箱后它能把砂芯压紧，这种方法适用于机器造型。4.定位芯头 有的砂芯有定位要求，如不允许砂芯在型内绕轴线转动、轴向移动，或下芯时容易搞错方位，这时就应采用定位芯头。定位芯头的结构可自行设计，参见图6-

21、27。5.芯撑和芯骨 1芯撑砂芯在铸型中主要靠芯头固牢，但有时无法设置芯头或只靠芯头仍难以稳固，此时常采用芯撑来稳固砂芯，起辅助支撑作用。使用芯撑时应注意：（1）芯撑材料的熔点应该比铸件材质的熔点高，至少相同。因此，对于铸铁件用低碳钢或铸铁芯撑；有色金属铸件用与铸件相同的合金材料做芯撑。（2）金属液体末凝固之前，芯撑应有足够的强度，不得过早熔化而丧失支撑作用；在铸件凝固过程中，芯撑须与铸件很好地焊合。因此芯撑的重量不能过小或过大。（3）芯撑表面最好镀锡。使用时，芯撑表面应无锈、无油、无水汽。同时芯撑在放入铸型之后，要尽快浇注，特别是湿型，以免芯撑表面因凝聚水汽而引起气孔及焊合不良。（4）应尽量

22、将芯撑放置在铸件的非加工面上或不重要的表面上。（5）为了防止芯撑陷入砂型、砂芯而造成铸件壁厚不均，必要时可在芯撑端面垫以面积较大的铁片、干砂芯或耐火砖。（6）芯撑的形状及尺寸取决于铸件相应部位的形状、壁厚及芯撑在铸型中所处的位置。在实际生产中设计和使用芯撑时，可依据生产经验和相关设计手册确定芯撑的结构和具体尺寸。2芯骨为了保证砂芯在制造、运输、合型和浇注过程中不变形、不断裂、砂芯必须具有足够的刚度和强度。因此，除了选用合适的芯砂之处，制芯时可在砂芯中放置芯骨，以提高其刚度和强度。对芯骨的要求：(1)要能够保证砂芯具有足够的强度和刚度。(2)芯骨不应阻碍铸件的收缩。因此，芯骨至砂芯的工作表面必须

23、有适当的距离，即有一定的吃砂量。(3)芯骨不应妨碍在铸件中安放冷铁、冒口和出气道。(4)大砂芯的芯骨必须便于砂芯的吊运、组合及固定，因此应做出吊环等结构。(5)对组合砂芯，芯骨应考虑组合砂芯的连结和紧固方法。(6)清砂时，芯骨最好能完整地取出，以便重复使用，降低成本。(7)在满足使用要求的前提下，芯骨必须简单，便于制造。6.砂芯的排气 浇注时，砂芯在高温金属液体作用下，由于有机物的挥发，分解和燃烧，以及水分蒸发，浇注后短时间内会产生大量的气体。在设计制造砂芯及在下芯、合型操作的过程中，都要采取必要的措施，使浇注时在砂芯中产生的气体，能够及时、顺利地通过芯头排出。为了保证砂芯的排气，降了砂芯的芯头尺寸要足够大、采用透气性好的芯砂制作砂芯外，制芯时在砂芯中开设适当的通气道，是一个很重要的措施，同时，砂型与芯头出气孔相对应的位置也应留有通气道连通。注意，排气道必须通到芯头端面，不得与砂芯工作表面连通。