零件结构的铸造工艺

第一章简介

1.1中国古代铸造技术发展

中华文明大致经历了石器时代、铜器时代和铁器时代三个历史阶段，这三种材质的工具和技术的创造发明，随着人类的繁衍，不断推动人类文明向高级阶段发展，金属的应用使人类文明产生了根本性的飞跃，而铸造技术的运用和金属的发展紧密联系在一起。对古代很多务农的人来说，铸造技术是一门手艺。据历史考证，我国铸造技术开始于夏朝初期，迄今已有5000多年。到了晚商和西周初期，青铜的铸造技术得到了蓬勃发展，形成了灿烂的青铜文化，遗留到今天的有一批铸造工艺水平较高的铸造产品。

中国古代的铸造方法有：石型即用石头或石膏制作铸型；泥型古称“陶范”；金属型古称“铁范”；失蜡型有出蜡法、走蜡法、脱蜡法或刻蜡法；砂型这种方法是伴随泥型一起产生的。

中国古代铸造中的精品有：沧州铁狮，司母戊方鼎，四羊方尊，曾侯乙尊盘，永乐大铜钟，大型铜编钟，铜车马仪仗队等。

1.2中国铸造技术发展现状

尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。第一,专业化程度不高,生产规模小。我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。第二,技术含量及附加值低。我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。第五,材料损耗及能耗高污染严重。中国铸铁件能耗比美国、日本高70%～120%。第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。

1.3发达国家铸造技术发展现状

发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原

辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。

在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺。砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%-5%；标准更新快（标龄4-5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。

重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂等飞速发展。

1.4我国铸造未来发展趋势

自中国加入WTO以来,我国铸造行业面临机遇与挑战。其未来发展将集中在以下几方面。第一,鼓励企业重组发展专业化生产,包括铸件大型化和轻量化生产。第二,加大科技投入切实推动自主创新,实现铸件的精确化生产和数字化铸造。第三,培养专业人才加强职工技术培训。第四,大力降低能耗抓好环境保护,实现清洁化铸造。

1．5 ZL102

材料名称： ZAlSi5Cu1Mg

合金代号： ZL105

标准：GB/T 1173-1995

特性及适用范围：

不可热处理强化，该合金的铸造性能优良,无热裂及疏松倾向，气密性较高。其密度小，耐蚀性好，可在受大气.海水腐蚀的环境中使用，可承受工业气氛的环境中浓硝酸.过氧化氢等的腐蚀作用；焊接性能也好。但该合金的力学性能低，耐热性和切削加工性差。

化学成份：

硅Si：10.0-13.0

铝Al：余量

铁(砂型铸造)：0.000～0.700

铁(金属型铸造)：0.000～1.000

铜Cu：≤0.30(杂质)

锰Mn：≤0.5(杂质)

镁Mg：0≤0.10（杂质）

锌Zn：≤0.1(杂质)

钛Ti：≤0.20(杂质)

注：杂质总和:(砂型铸造)≤2.0;(金属型铸造)≤2.2

力学性能：

抗拉强度σb (MPa)：≥145

伸长率δ5 (％)：≥4

硬度(HB)：≥50(5/250/30)

铸造方法：

砂型铸造加变质处理、金属型铸造加变质处理、熔模铸造(F 态.SB.JB.RB.KB)

第二章铸造工艺方案的确定

2．1封闭开关外体的生产条件、结构及技术要求

●产品生产性质——大批量生产

●零件材质——ZL102

●零件的外型示意图如图2.1所示，封闭开关外体的零件图如图2.2所示，封闭开关外体的外形轮廓尺寸为260mm*104mm*85.5mm，主要壁厚4mm，最大壁厚8mm，为一中小型铸件；铸件除满足几何尺寸精度及材质方面的要求外，无其他特殊技术要求。

根据Pro\E实体图的测量得铸件的体积V=311795mm3

ZL102密度由《铸造实用手册》查表1.1-90得：q=2.7 g/cm 3

铸件质量为m=0.84kg

2．2封闭开关外体结构的铸造工艺性

零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸图2.2 支座零件图

图2.1 支座外型示意图

件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。审查、分析应考虑如下几个方面：

●铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。

●铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角，铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。

●铸件内壁应薄于外壁铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。

●壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。

●利于补缩和实现顺序凝固。

●防止铸件翘曲变形。

●避免浇注位置上有水平的大平面结构。

●对于支座的铸造工艺性审查、分析如下：

●封闭开关外体的轮廓尺寸为260mm*104mm*85.5mm。砂型铸造条件下该轮廓尺寸允许的最小壁厚查《铸造工艺学》表3-2-1得：最小允许壁厚为4mm。而设计支座的最小壁厚为4mm。符合要求。

封闭开关外体设计壁厚较为均匀，两壁相连初采用了加强肋，可以有效构成热节，不易产生热裂。

2.3造芯方法的选择

●封闭开关外体的轮廓尺寸为260mm*104mm*85.5mm，铸件尺寸较小，属于中小型零件且要大批量生产。采用湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。因此，采用湿型粘土砂机器造型，模样采用金属模是合理的。

●在造芯用料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料成本较低，但是烘干后容易产生裂纹，容易变形。在大批量生产的条件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及保证铸件质量。选择使用射芯工艺生产砂芯。采用热芯盒制芯工艺热芯盒法制芯，是用液态固性树脂粘结剂和催化剂制成的一种芯砂，填入加热到一

定的芯盒内，贴近芯盒表面的砂芯受热，其粘结剂在很短的时间内硬化。而且只要砂芯表层有数毫米的硬壳即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余热可自行硬化。

2. 4浇注位置的确定

铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量，铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。

初步对封闭开关外体对浇注位置的确定有：方案一如图2.3、方案二图2.4

图2.3 浇注位置确定方案一

图2.4 浇注位置确定方案二

确定浇注位置应注意以下原则：

1.铸件的重要部分应尽量置于下部

2.重要加工面应朝下或直立状态

3.使铸件的大平面朝下，避免夹砂结疤内缺陷

4.应保证铸件能充满

5.应有利于铸件的补缩

6.避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验

对于方案一如图2.3进行综合分析如下：

1.铸件的重要加工面朝上放置容易产生气孔、非金属夹杂物等缺陷。

2.铸件的重要部分也没能全部置于下部。

对于方案二如图2.4进行综合分析如下：

铸件的重要部分全部置于下部，这样置于下部的重要部分可以得到上部金属的静压力作用下凝固并得到补缩，组织致密。

综合比较，方案二更加科学可行。

2. 5分型面的确定

分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。

选择分型面时应注意一下原则：

1.应使铸件全部或大部分置于同一半型内

2.应尽量减少分型面的数目

3.分型面应尽量选用平面

4.便于下芯、合箱和检测

5.不使砂箱过高

6..受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度

7.注意减轻铸件清理和机械加工量

初步对封闭开关外体进行分型方案如图2.5:

图2.5 分型面确定方案

2. 6砂箱中铸件数量及排列方式确定

封闭开关外体轮廓尺寸为260mm*104mm*85.5mm，质量约为0.84kg，此铸件为中小型简单件且需要大批量生产，初步采用一箱6件生产。

第三章铸造工艺参数及砂芯设计

3. 1 工艺设计参数确定

铸造工艺设计参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些数据，这些工艺数据一般都与模样及芯盒尺寸有关，及与铸件的精度有密切关系，同时也与造型、

制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。这些工艺数据主要是指加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔、型芯头尺寸、铸造圆角等。工艺参数选取的准确、合适，才能保证铸件尺寸精确，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生产率，降低成本。

3.1.1铸件尺寸公差

铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许的极限尺寸之差。在两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械加工，装配，和使用要求。

封闭开关外体为砂型铸造机器造型大批量生产，由《铸造工艺设计》查表1-10得：

封闭开关外体的尺寸公差取CT10级。

封闭开关外体的轮廓尺寸为260mm*104mm*85.5mm，由《铸造工艺设计》查表1-9得：

封闭开关外体尺寸公差数值为4.4mm。

3.1.2机械加工余量

机械加工余量是铸件为了保证其加工面尺寸和零件精度，应有加工余量，即在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度。

封闭开关外体为砂型铸造机器造型大批量生产，由《铸造工艺设计》查表1-13得：

封闭开关外体的加工余量为G级。

封闭开关外体的轮廓尺寸为260mm*104mm*85.5mm，由《铸造工艺设计》查表1-12得：

封闭开关外体的加工余量为3.5mm

但在分型面及浇注系统设置中，不得已将重要加工面底面朝上放置，这样使其容易产生气孔、非金属夹杂物等缺陷，所以将采取适当加大加工余量的方法使其在加工后不出现缺陷。将底面的加工余量调整为4.5mm。

3.1.3铸造收缩率

铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：ε=[（L1-L2）/L1]*100％

ε—铸造收缩率

L1—模样长度

L2—铸件长度

封闭开关外体受阻收缩率由《铸造工艺设计》查表1-14得：

受阻收缩率为0.8～1.0％

自由收缩率为1.0～1.2％

3.1.4起模斜度

为了方便起模，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。起模斜度应在铸件上没有结构斜度的，垂直于分型面的表面上应用。

初步设计的起模斜度如下：

选用同一起模斜度为а=5°

起模斜度的形式选用增加和减少铸件尺寸的方法。

3.1.5最小铸出孔和槽

零件上的孔、槽、台阶等，究竟是铸出来好还是靠机械加工出来好，这应该从品质及经济角度等方面考虑。一般来说，较大的孔、槽等应该铸出来，以便节约金属和加工工时，同时还可以避免铸件局部过厚所造成热节，提高铸件质量。较小的孔、槽或则铸件壁很厚则不易铸出孔，直接依靠加工反而方便。

根据封闭开关外体的轮廓尺寸260mm*104mm*85.5mm由《铸造工艺设计》查表1-5得：最小铸出孔约为15mm。

封闭开关外体的孔Φ14、Φ7、Φ10、Φ5.3、Φ1.5显然不应该铸出，机械加工较为经济方便。

3.1.6铸件重量公差

铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。

封闭开关外体的公称重量约为0.84kg，尺寸公差为CT10 级。

由《铸造工艺设计》查表1-57得：封闭开关外体的重量公差为MT7级。

封闭开关外体的重量公差数值为12%。

3.1.7工艺补正量

在单件小批量生产中，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等原因，使得加工后的铸件某些部分的壁厚小于图样要求尺寸，严重时会因强度太弱而报废。因此工艺需要在铸件相应的非加工壁厚上增加层厚度称为工艺补正量。但支座封闭开关外体在大批量生产前的小批量试产过程中将进行调整，所以设计中不考虑工艺补正量。

3.1.8分型负数

干砂型、表面烘干型以及尺寸较大的湿砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接触面很不严。为了防止浇注时炮火，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳、泥条等，这样在分型面处明显增加了铸件的尺寸。为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。而封闭开关外体是湿型且是小型铸件故不予考虑分型负数。

3.1.9反变形量

铸造较大的平板类、床身类等铸件时，由于冷却速度的不均匀性，铸件冷却后常出现变形。为了解决挠曲变形问题，在制造模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，使其于变形量抵消，这样在模样上做出的预变形量称为反变形量。而封闭开关外体没有较大平板故基本不会产生挠曲变形，所以不用设置反变形量。

3.1.10非加工壁厚负余量

在手工粘土砂造型、制芯过程中，为了取出木模，要进行敲模，木模受潮时将发生膨胀，这些情况均会使型腔尺寸扩大，从而造成非加工壁厚的增加，使铸件尺寸和重量超过公差要求。为了保证铸件尺寸的准确性，凡形成非加工壁厚的木模或芯盒内的肋板厚度尺寸应该减少，即小于图样尺寸。为减少的厚度尺寸称为非加工壁厚的负余量。封闭开关外体砂芯属于机器造芯，造型属于机器造型。故不用设置非加工壁厚负余量。

3. 2砂芯设计

砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外型不能出砂的部分。砂型局部要求特殊性能的部分有时也用砂芯。

支座砂芯的外型如图3.1所示。

图3.1 砂芯外型示意图

3.2.1芯头的设计

砂芯主要靠芯头固定在砂型上。对于垂直芯头为了保证其轴线垂直、牢固地固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸。

根据实际设计量取计算

砂芯高度：L=260mm

砂芯直径：D=65mm

形状：圆柱形

出于考虑分型面的选取等因素综合芯头选用垂直芯头。

芯头长度初步选取由《铸造工艺设计》查表1-31得：

下芯头h=35～45mm 取h=40mm

上芯头高度h1=25。

芯头间隙初步选取由《铸造工艺设计》查表1-31得：

s=0.5mm

芯头斜度选取由《铸造工艺设计》查表1-32得：

上芯头а=7

下芯头а=3.5

3.2.2砂芯的定位结构

砂芯要求定位准确，不允许沿芯头轴向移动或绕芯头轴线转动。对于形状不对称的砂芯，为了定位准确，需要做出定位芯头。定位芯头结构如图3.2

图3.2 定位芯头结构图

3.2.3压环、防压环和集砂槽芯头结构

在湿型大批量生产中，为了加速下芯、合芯及保证铸件质量，在芯头的模样上常常做出压环、防压环和集砂槽。

压环、防压环和集砂槽尺寸由《铸造工艺设计》查表1-38得：

e=1.5mm f=3mm r=1.5mm

3.2.4芯骨设计

为了保证砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不开裂、不变形、不被金属液冲击折断，生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其刚度和强度。

因为砂芯尺寸较小，而且采用树脂砂，故砂芯强度较好，砂芯内不用放置芯骨。

3.2.5砂芯的排气

砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中的有机物要燃烧（氧化反应）放出气体，砂芯中的残余水分受热蒸发放出气体，如果这些气体排不出型外，则要引起铸件产生气孔。

封闭开关外体的砂芯由于直径较大，因此需用排气装置，由《铸造工艺设计》表1-44得用扎排气孔，既能提高效率，又能使排气装置准确，深度适宜。

3.2.6砂芯负数

大型粘土砂芯在春砂过程中砂芯向四周涨开，刷涂料以及在烘干过程中发生的变形，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，这个被减去的量叫做砂芯负数。

因为砂芯负数只用于大型粘土砂芯，本设计中的砂芯为小型砂芯不设计砂芯负数。

第四章浇注系统及冒口、冷铁、出气孔等设计

4.1浇注系统的设计

浇注系统是铸型中引导液体金属进入型腔的通道，它由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道组成。

4.1.1选择浇注系统类型

浇注系统分为封闭式浇注系统，开放式浇注系统，半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。因为封闭-开放式浇注系统设在直浇道下端或在横浇道中，或在集渣包出口处，或在内浇道之前设置的阻流挡渣装置处，阻流截面之前封闭，其后开放，故既既有利于挡渣，又使充型平稳兼有封闭式和开放式的优点。适用于各类铸件，在中小件上应用较多，特别是在一箱多件时应用广泛。

4.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向

封闭开关外体结构较为简单且是小型件，铸造时采取一箱一件，每个铸件上只用一个内浇道。为了方便造型，内浇道开设在分型面上。

4.1.3决定直浇道的位置和高度

实践证明，直浇道过低使充型及液态补缩压力不足，容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到上表面缩凹等缺陷。初步设计直浇道高度等于上沙箱高度400mm。但应检验该高度是否足够。

检验依据为，剩余压力头应满足压力角的要求，如下式所列：

HM≥Ltgа

式中 HM——上型高度（mm）

L——直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离

а——压力角

由《铸造工艺学》查表3-4-11得：а为6～7 取7

Ltgа=400*tg7≈50mm

因为铸件全部位于下箱，所以剩余压力头HM等于上箱高度400mm 经过验证剩余压力头满足压力角的要求。