砂型铸造工艺装备设计
砂型铸造工艺装备设计
砂型铸造工艺装备是造型，制芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。包括模样、模板、模板框、砂箱、砂箱托板、芯盒、烘干板、砂芯修整模具、组芯及下芯夹具、量具及检验样板等。
对于大批量生产的铸件和批量虽小但重要的产品铸件，应经过试制阶段，证明铸造工艺切实可行后，才进行工装设计。所设计的各种模具应满足铸件要求，加工、使用方便和成本低廉。
§11—1 模样及模板
一、模样
(一) 材料的选择
(1) 木模：优点是轻便，易加工，来源广，价格低廉。但强度低，易吸潮而变形，精度低，寿命短，适用于单件、小批生产的各种铸件以及航空产品铸件的试制模具。
(2) 金属模：表面光洁，尺寸精确，强度高，刚性大，使用寿命长。但难加工，生产周期长，成本高。适用于大量、成批生产的各种铸件以及航空航天产品铸件的定型模具。制造前，应经过专门的设计。常用金属材料有铝、钢和铸铁。
(3) 塑料模：大多为环氧树脂玻璃钢结构。制造、修理简便，表面光洁，不吸潮，变形小，轻巧耐磨，寿命长，成本为金属模的20—50％。但导热性差，不能加热，不宜在型砂周转快、砂温高的流水线上应用。多用于成批生产的中小铸件。
(4) 聚苯乙烯泡沫塑料模(气化模)：造型后不取出模样，直接浇注。模样遇金属液气化烧去。要求模样气化迅速，烟尘和残留物少，密度小(0.15—0.03g／cm3)。单件生产的中大模样，一般用泡沫板粘合加工成需要的形状。常用的粘合剂为聚酯酸乙烯乳液。大批量的中、小模样，一般直接发泡成型。使用泡沫塑料模能简化造型，节约砂芯，铸件尺寸精度高，易实现机械化、自动化生产。但模样只能用一次，舂砂时模样易变形，浇注时有烟尘。用于铸铁件易产生皱皮缺陷。多用于负压实型铸造小铸件和单件生产的中大型铸钢件。
(二) 金属模样的结构设计
结构设计总的原则是在满足铸造工艺要求的前提下，便于加工制造。特别复杂，难于加工的模样，可采用陶瓷型等精密铸造法铸出。一般金属模应尽量采用机床加工，减少钳工量。
（1） 模样本体结构类型：可参照表17—1选择。平装式结构简单，容易加工，最常用。嵌入式在特殊条件下应用。选定模样结构后，便可依据铸造工艺图确定模样的外形。
（2） 壁厚及加强筋：在保证模样使用寿命和足够强度和刚度的前提下，应尽量减轻模样重量，除了小于50×50mm或高度低于30mm的薄小铸件以外，都应制成空心结构。平均轮廓尺寸大于150mm的模样，内部设加强筋。加强筋的形式和模样壁厚选择见图17—1。
金
属模样的壁厚也可用下列经验公式确定：
式中：t ―― 模样壁厚（mm）；
L ―― 模氧平均轮廓尺寸（mm）；
―― 经验系数（铝模样取6，铜合金和铸铁模样取5）
从图线查得或由公式计算的壁厚值应取整数，一般应使壁厚略偏厚—点，给更改和修正模样尺寸留有一定的余量。高压造型用模样，其壁厚应比图17—1所给的加大50～100％。
加强筋的排列取决于模样内腔的形状，可有矩形和辐射形两种，依摸样大小和使用要求来布置加强筋，筋距150～400mm，厚度一般取模样壁厚的80～100％。模榉内腔要尽量使模样毛坯铸造方便，力求壁厚均匀，内腔壁和加强筋应留有铸造斜度，非工作表面应有合适的铸造圆角。
(3) 模样在模底板上的定位与紧固：设计装配式模板上的金属模样时，要考虑模样与模底板的装配形式和定位紧固问题。其装配形式如图17—2所示。
模样和模底板的装配形式基本上有平放式(图17—2(a)、(b)、(c))和嵌入式(图17—2中(d)、(e)、(f)、(g))两种。
模样上钻通孔，螺钉穿过模样与模底板固定，称为上固定法。其优点是；便于选择螺孔位置，钻孔和装配方便。其缺点是：破坏模样的工作表面，紧固后需用塑料或铝、铅等填平模样表面上之螺钉孔坑。模底板上钻通孔，模样上攻螺丝孔的固定方法称下固定法。优点是模样工作表面不受损害。缺点是确定螺孔位置要躲开摸底板底部之筋条，还要让出扳手空间，安装不甚方便；下固定法用于模样高大且四周没有低矮的突边可利用的条件下。
螺栓孔位置应尽量靠近模样四周，并均匀分布。定位销孔的位置应选在模样上矮而平的部位，两孔间距尽量远。每块模样上至少应设2个，至多不超过4个(大模样)。
(三) 模样(芯盒)的尺寸确定
金属模样的尺寸直接影响到铸件的尺寸，因此正确地确定金属模样的尺寸极为重要。模样的尺寸有两类：一类是与铸件有关的尺寸；另一类为非关联尺寸，如芯头长度等。
（1）凡与铸件有关的尺寸，都应把铸件尺寸(包括铸件工艺尺寸)按铸造收缩率(K)加以放大。可依下式计算，并准确到0.1mm。
式中：L模 ―― 与铸件有关的模样尺寸；
L模 ―― 零件尺寸；
L艺 ―― 铸造工艺尺寸（如加工余量、铸造斜度、工艺补正量等之和），“＋”号用于凸体尺寸，“－”号用于凹体尺寸。
（2）非关联尺寸按铸造工艺图上的尺寸标注，不加放收缩率。
（3）金属模样(芯盒)工作表面均有标注尺寸偏差、粗糙度和分模面平面度等要求。其偏差一般为铸件公差的1／3～1／4。
（4）模样在模底板上的装配偏差：在保证上、下模样的装配相
对位移偏差不大于0.1mm条件下，模样在模底板上的位置偏差规定为：单画模板≤0.7mm，双面模板≤0.5mm。
（5）模样工作表面的粗糙度应不低于Ra值1.6，分模面上一般在Ra值3.2～1．6，定位销孔取Ra值1.6～0.8，固定螺钉孔在Ra值6.3～3.2。
（6）浇冒口模的尺寸偏差为：内浇道模对有箱造型为±0.3mm，对无箱造型为±0.15mm。其余部位对有箱造型为±0.7mm，对无箱造型为±0.5mm。
二、模板
模板是将模样、浇冒口系统沿分型面与模底板装配成整体的造型模具。采用模板造型，可以简化造型操作，提高造型效率，而且形成的型腔尺寸准确。所以模板不仅在大批、大量的机器造型中使用，就是在小批生产的手工造型中，如大部分航空产品铸件，为提高铸型质量也多使用模板造型。
(一) 对模板的要求
模板尺寸应符合造型机的要求，模底板和砂箱、各模样之间应有准确的定位，模板应有足够的强度、刚度和耐磨性，制作容易，使用方便，尽量标准化。
(二) 模板种类
常用模板种类见表17—2。实例见图17—3、图17—4
（三）模底板结构
航空产品铸件生产中大多采用单面模板，其单面模底板的结构见图17—5。
（1）模底板上应有与砂箱定位用的定位销、同造型机连接用的突耳、供运输用的吊轴和手把、顶杆起模用的通道等。翻转式造型机用的模板上还应有固定砂箱用的机构或突耳等。
（2）通常模底板外廓和砂箱一致，模底板的高度、壁厚和筋的有关尺寸可参见表17—3（P291）。
（3）模底板高度和模板框的高度，还应满足造型机的工艺要求。
(四) 模板与砂箱的定位
造型时，砂箱在模板上应用导销定位，两个导销分别安装在底板中心线两端的耳台上，底板上装定位销耳台的结构如图17－6所示，当底板上模样不太高时，一般设计成单层销耳台如图17—6(a)、(b)所示，当模样较高时为保持导销稳定，需设计成如图17—6(c)所示的双层销耳台。销耳台上装导销用的孔径和技术要求应与导销相配合，两个装导销孔的中心距应与砂箱上装导套孔的中心距相一致。
导销的结构见图17—7(P291)，截面是圆形的称为定位导销，截面形状呈平面形的为导向导销。定位导销与砂箱上的圆孔定位导套相配合起定位作用，导向导销与砂箱上椭圆形或平面开口导套相配合起导向作用。导销上根据各段作用不同可划分为导向段、定位段和固定段，模样较高且铸造斜度小时，定位段就要长些。
(五) 底板上的吊轴及手把
对于平均尺寸＜500mm的小型底板，可以不设吊轴，有必要时可设手把。中、大型底板为便于翻箱起模和吊运要设计吊轴。常用吊轴分为整铸式和铸接
式两类，铸铁和铸铝底板用铸接式，铸钢底板用整铸式。铸接式吊轴及手把常用A3、20和45钢制造。
底板常用螺栓固定在造型机工作台上，因此底板上应设计出供紧固用的耳台结构。
§11—2 砂 箱
砂箱是砂型的成型和运输工具，其结构和尺寸合理与否，对铸件质量、生产效率、劳动强度有很大的影响。砂箱设计的内容有：选择砂箱类型和材质，确定砂箱尺寸，结构设计，定位及紧固等。一、设计和选用砂箱的基本原则
(1) 满足铸造工艺要求。如砂箱和模样之间应有足够的吃砂量；箱带不妨碍浇冒口的安放、不严重阻碍铸件的收缩；定位装置的公差配合应保证铸件的尺寸精度等。
(2) 尺寸和结构应符合造型机、起重设备、烘干设备的要求。砂箱的吊轴、吊环、手把和紧固装置要稳定可靠。
(3) 有足够的强度和刚度，使用中保证不断裂或发生过大变形。
(4) 对型砂有足够的粘附力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂。
(5) 经久耐用，制造方便，材料来源广，价格低廉，使用轻便。
(6) 应尽可能标准化、系列化和通用化。
二、砂箱类型的选择
(1) 专用砂箱和通用砂箱
专用砂箱：专为某一复杂或重要铸件设计的砂箱。
通用砂箱：凡是模样尺寸合适的铸件均可使用的砂箱。多为长方形。
(2) 依制造方法分为整铸式、焊接式和装配式
整铸式：用铸铁、铸钢或铸铝合金整体铸造而成的砂箱。应用较广。
焊接式：用钢板或特殊轧材焊接成的砂箱，也可用铸钢元件焊接而成。
装配式：由铸造的箱壁、箱带等元件，用螺栓组装而成的砂箱。用于单件、成批生产的大砂箱。
（3）依造型方法及使用条件分为手工造型用砂箱，机器造型用砂箱，高压造型用砂箱。
（4）根据砂箱尺寸大小和重量不同，可分为小型砂箱(内框尺寸300×250mm～500×400mm，空箱重不超过25kg)，中型砂箱(内框尺寸500×350mm～1200×900mm，箱重不超过65kg)，大型砂箱(内框尺寸大于1200×900mm)三类。
各类砂箱有其特点和适用范围，应根据铸件结构大小和生产性质合理地选择砂箱类型。
三、砂箱结构设计
(1) 砂箱名义尺寸：砂箱名义尺寸是指分型面上砂箱内框尺寸(长×宽)乘砂箱高度。砂箱内框尺寸的确定，主要根据模样的大小和数量，浇冒口的尺寸和位置，并应在四周留有合适的吃砂量。吃砂量的最小数据见表17—4（P293）。算出的尺寸应进行标准化和系列化，即将算出的尺寸数字上进到系列尺寸上。
(2) 箱壁结构：箱壁的断面形状及尺寸影响砂箱强度和刚度，要根据砂箱的工作条件、内框大小和材质参照有关资料料决定。图17－8是
普通砂箱常用的断面形状，图中(a)适用于小型砂箱，图中(b)适用于中型砂箱，图中(c)适用于大型砂箱。铸钢件造型用的砂箱，由于浇注的钢水温度较高，所以箱壁应比铸铁件的厚一些。
设计和选用箱壁形式时，应注意以下几点：
① 简易手工造型砂箱，常用较厚的直箱壁，不设内外凸边，制造简单，容易落砂。
② 普通机器造型砂箱，常用向下扩大的倾斜壁，底部设凸边，防止塌箱，保证刚性，便于落砂，箱壁上留出气孔。
③ 中箱箱壁多为直壁，上下都设凸边。大砂箱内应有箱带以防止塌箱。，
④ 高压造型用砂箱，尽量不加箱带，以便落砂。因受力大，要求砂箱刚度大。小砂箱用单层壁，大砂箱用双层壁。箱壁上不设出气孔。
⑤ 为了提高箱壁的结构强度，节省材料，减轻重量，在箱壁外侧面设纵向或横向的加强筋。筋厚一般取箱壁厚度的80～100％。
(3) 箱带结构：箱带又名箱档。其作用是增加型砂对砂箱的附着面积和附着力，提高砂型总体强度和刚性，保证铸型在吊运、翻箱、合箱和浇注过程中不掉砂和不塌箱，延长砂箱的使用期限。但箱带使紧砂和落砂困难，限制浇冒口的布局，故只在中、大型砂箱中安设箱带。设计箱带时应注意以下几点：
① 为了减轻砂箱重量，便于舂砂和落砂，对于手工造型500×400mm以下的砂箱可不设箱带。长度大而宽度小于500mm的长砂箱，可只做出横向箱带，其间距一般取150～200mm；当砂箱宽度大于600mm时，既要设横箱带，又要设纵箱带。普通机器造型的下砂箱可不设箱带。
② 箱带与模样之间应留有合适的吃砂量，箱带布置不应妨碍浇冒口的布局和铸件的收缩。 ③ 箱带厚度一般取箱壁厚度的75～100％，箱带与箱壁连接处应圆滑过渡。
(4) 砂箱定位：造型合箱时，砂箱与模板，砂箱与砂箱要严格定位。上、下箱之间的定位方法有多种：泥号、楔榫、箱垛、止口及定位销等。在机器造型和湿型手工造型时常用定位销套定位，该定位装置由定位箱耳、定位套和合箱销组成，定位销套装在箱壁的定位箱耳上。定位销套及合箱销的结构见图17—9所示。
(5) 搬运、翻箱结构：箱把、吊轴和吊环是搬运和翻箱操作必需的装置。手把用于小型砂箱，吊轴广泛用于各种中大砂箱，吊环主要用于重型砂型。
(6) 砂箱的紧固：为防止胀箱、跑火等缺陷，上下箱间应紧固。生产方式不同，紧固方式也有以下几种：
① 对于铝、镁合金铸造或平均轮廓尺寸大于2500mm以上的重大砂箱，靠上箱自重或者压铁紧固。
② 单件、小批生产，手工造型中、大砂箱常用螺栓或螺栓卡具紧固。
③ 成批生
产机器造型，砂箱平均尺寸小于1500mm的中小砂箱，通常用楔形卡子紧固，大量生产流水线上用脱箱造型时，为简化锁紧操作，常用自动成型压铁压紧。
§11－3 芯 盒
芯盒是制造砂芯的专用模具。芯盒尺寸精度和结构合理与否，将在很大程度上影响砂芯的质量和造芯效率。
设计芯盒时应以铸造工艺图、生产批量以及造芯设备的条件为依据，根据砂芯的结构形状和尺寸大小，来确定芯盒的类型、材质、结构形式和尺寸。
一、芯盒的类犁和材质
(一) 芯盒的类型
（1）芯盒依制芯方法分为普通芯盒、热芯盒、壳芯盒和冷芯盒，普通芯盒应用广、有代表性。
（2）依分盒面和内腔的结构情况不同，芯盒又可分为整体式、拆开式和脱落式三大类，如图17—10所示。
(二) 芯盒的材质
(1) 中小芯盒常用ZLlO1、ZL102、ZLl04和码ZL201等铝合金铸造，铝合金芯盒轻巧，易加工，表面光洁，不生锈，应用较普遍。但强度、硬度低，不耐磨。在经常受摩擦的表面上镶装耐磨钢片， 可延长铝芯盒的使用寿命；
(2) 大型芯盒多用HTl50、HT200铸铁制造。铸铁芯盒强度、硬度高，耐磨，价格便宜。但沉重易锈；
(3) 铜合金及钢材，多用于制作芯盒中的镶块和活块，满足高耐磨性的要求。
二、芯盒的结构设计
(一) 分盒面的确定
一个砂芯往往存在几个分盒面，分盒面选择得恰当与否，直接影响砂芯质量，制芯效率及芯盒的结构等。确定分盒面主要根据砂芯的形状和尺寸，并应从以下几方面进行考虑对比：
(1) 应有较大的敞开面，便于填砂、紧砂、放芯骨、开通气道及出芯操作；
(2) 砂芯烘干时应有大平面支撑，尽量避免用成型烘干器，以简化工装；
(3) 应使芯盒结构简单，便于制造。
在多数情况下，都以砂芯的最大断面体为分盒面，有时为适应砂芯形状，可采用曲折分盒面，甚至多个分盒面。
(二) 芯盒的主体结构
芯盒主体一般都设计成带有边缘并设有加强筋的薄壁盒体结构。
(1) 壁厚及加强筋：壁厚大小及加强筋的布置应根据芯盒大小和材料选定。图17—11为确定铝合金芯盒壁厚的图线。从图止看出，中、小芯盒的壁厚都在10mm左右。为了提高芯盒强度和刚度，防止芯盒变形，在芯盒外壁上都设加强筋。如强筋的厚度取盒壁厚度的80～100％。一般根部取100％，下部取80％，使筋带斜度。筋的高度一般在15mm以内。
(2) 芯盒边缘及耐磨片：芯盒边缘要加厚加宽，以增加芯盒刚度。为防止磨损，在填砂面和刮砂面的边缘上应镶钢板耐磨片。耐磨片用30钢制成，用沉头螺钉固定在盒体边缘上。
(3) 活块、镶块：妨碍砂芯取出的部
分应制成活块。活块同芯盒本体之间可用定位销、榫及燕尾槽定位。
为加工方便，常将芯盒内某些局部 ―― 镶块分开加工，然后镶装在本体上，故叫镶块。采用镶块结构是为了尽量采用机床加工代替钳工操作，所以盒体中的圆柱体、圆锥体、平面方体以及妨碍盒体进行机加工的局部结构可设计成镶块。
(三) 芯盒外围结构
(1) 定位、锁紧结构：对开式芯盒都有定位机构。常用如图17—12所示的定位销套定位。定位销套设在芯盒两端或对角位置，销子装在下芯盒上，销套装在上芯盒上。销子、销套用工具钢制造，工作部分淬火，HRC40～45，销子直径一般为φ8、10、12以适应芯盒大小。芯盒也有用止口凸阶定位的，上半芯盒边缘上做出凸阶，下半芯盒边缘上做成凹阶相配合。这种止口凸阶定位适用于立放在平板上填砂、实砂的小芯盒。
芯盒应有操作方便、灵活耐用的锁紧装置。手工造芯的简单芯盒可用钢丝制的弓形锁紧。而成批生产的芯盒常用的锁紧装置有蝶形螺母、双螺母铰链及偏心锁等。
(2) 搬运翻转结构：为便于搬运和造芯时翻转操作，一般中、小芯盒都需设置手把，中、大芯盒需设吊轴。还有一些小芯盒也可利用锁紧耳台当手把用。图17—13为常见的手把和吊轴结构。
用于机器造芯的芯盒都设计出固定耳台，以便与造芯机台面连接，其位置和尺寸应和工作台面上的“T”形槽一致。
(四) 对金属芯盒的技术要求
(1) 为减少变形、盒体要进行人工时效处理。
(2) 盒体主要工作部位的尺寸公差一般为＋0.1/-0.2mm范围。
(3) 分开式芯盒分盒面之间的允许间隙，当芯盒平均轮廓尺寸小于300mm取0.1mm，大于300mm取0.2mm；曲折分盒面取0.3mm。
(4) 芯盒上定位销孔距公差，当不用成型烘干器的芯盒取±0.25mm；用成型烘干器的芯盒取±0.05mm。
(5) 芯盒使用过程中允许磨损量，对工作面部分允许0.4～0.6mm，其它组合面、分盒面及刮砂面允许0.4mm。
(6) 对芯盒表面粗糙度要求：内腔、活块、镶块的工作面及分盒面、刮砂面的Ra值为1.6。底面及经常接触表面Ra值为12.5—6.3。其余非工作表面不需加工。