砂型铸造的基本过程 Jun-2014.docx

· 砂型铸造的基本过程

· 砂型铸造有六个基本步骤:
　　1) 把模样放入砂中制成一个模具。
　　2) 在浇注系统中把原型和砂子接合起来。
　　3) 把模样去掉。
　　4) 把模具的空隙用熔化了的金属填充起来。
　　5) 让金属冷却。
　　6) 把砂型模具敲掉取出铸件。

砂型铸造案例
项目导入：轴承座铸件的造型工艺方案。
铸件简图：轴承座如图2-1所示。
铸件材料：HT150。
体积参数：轮廓尺寸240mm´65mm´75mm，铸件重量约5kg。
生产性质：单件生产。
项目要求：确定铸件的造型工艺方案并完成造型操作。

图2-1 轴承座
将液体金属浇入用型砂捣实成的铸型中，待凝固冷却后，将铸型破坏，取出铸件的铸造方法称为砂型铸造。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。套筒的砂型铸造过程如图2-2所示，主要工序包括制造模样型芯盒、制备造型材料、造型、制芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。

图2-2 套筒的砂型铸造过程
铸件生产前需根据零件图绘制出铸造工艺图，铸造工艺图是在零件图上用各种工艺符号及参数表示出铸造工艺方案的图形。其中包括：浇注位置，铸型分型面，型芯的数量、形状、尺寸及其固定方法，加工余量，收缩率，浇注系统，起模斜度，冒口和冷铁的尺寸和布置等。铸造工艺图是指导模样(型芯盒)设计、生产准备、铸型制造和铸件检验的基本工艺文件。砂型铸造主要工序包括：
(1) 根据零件图制造模样和型芯盒；
(2) 配制性能符合要求的型(芯)砂；
(3) 用模样和型芯盒进行造型和造芯；
(4) 烘干型芯(或砂型)并合型；
(5) 熔炼金属并进行浇注；
(6) 落砂、清理和检验。
2.1.1 常用造型工模具
1. 砂箱
制造砂型时，需要用一种无底、无盖并围绕砂型的框架，以防型砂捣实时向外挤出，这种框架就叫做砂箱，砂箱的作用是便于造型，便于翻转砂型及搬运砂型。砂箱可紧固着在它里面所捣实的型砂，它的四壁可承受金属液对型砂的侧压力，砂箱附有合型时的对准装置及吊运翻箱和夹紧装置，如图2-3所示。
砂箱的结构和尺寸做得是否合理，对获得优质铸件、提高生产率、减轻劳动强度都有着重要的意义。在选择砂箱大小时，要根据模样的大小和数量来定。也就是说，模样应该有足够的吃砂量(模样边与砂箱内壁的距离)，吃砂量太小，舂不紧，砂型强度低，易造成冲砂、漏箱缺陷；吃砂量太大，则浪费人力及型砂，降低生产率。砂箱选用多大合适，应根据具体情况而定。

图2-3 砂箱
2. 模底板
模底板是一块具有光滑工作面的平板，如图2-4所示。造型时用来托住模样、砂箱和砂型。模底板通常是用硬木材料制成，也可采用铝合金或铸铁、铸钢铸成。

图2-4 木制模底板
3. 模样与型芯盒
用来获得铸件外形的模具称为模样，用来获得铸件内腔的模具称为型芯盒，如图2-2中所示。有时型芯盒制成的型芯，也可以用来获得铸件的外形。按制造模样和型芯盒所用材料的不同，可分为木模、金属模和塑料模3类。
l 木模。用木材制成的模样和型芯盒。木材质轻，易于加工成型，生产周期短、成本低。但不耐用、易变形，是单件或小批量生产中应用最广泛的模样材料。
l 金属模。用金属材料制作的模样和型芯盒。常用的金属材料有铝合金、铜合金和灰口铸铁等。铝合金具有质轻、易于加工成型、不易生锈等优点，是最常用的金属材料。
l 塑料模。塑料模的性能介于木模与金属模之间。
在实际生产中，木模的应用最为广泛。由于木模形成铸型的型腔，故木模的结构一定要考虑铸造的特点。如为便于取模，在垂直于分型面的木模壁上要做出斜度(称拔模斜度)；木模上壁与壁的连接处应采用圆角过渡；在零件的加工部位上，要留出切削加工时切除的多余金属层(称加工余量)，考虑金属冷却后尺寸变小，木模的尺寸要比零件尺寸大一些(称收缩余量)；而在零件上有孔的部位，木模上是实心无孔，且凸起一块(称型芯头)。可见木模与零件是有区别的，因此，木模一般不直接按照零件图纸来制造，但须以零件图为基础，对零件进行铸造工艺设计，并绘制出铸造工艺图后，再制造木模和型芯盒。
以上工装(模样及芯盒等)在使用时须注意维护其精确度，如舂砂时避免捣着它们的表面；在起模或起芯盒后要立即用毛刷清理，并用棉纱擦干净，否则粘模的型(芯)砂风干后不好清除，用硬物清除时刮坏工作表面；用毕后整理好，放在架上防止受潮。
大型复杂件常靠多个砂芯及砂型分部组成其几何形状，下芯时需用样板来检验相互间位置尺寸是否正确。复杂的砂芯往往分块制造，有时须用下芯夹具使之装配好后一起下入型腔。
4. 造型工具
常用的造型工具有下列几种。
l 铁锹。又称铁锨，用来铲运和拌和型(芯)砂(图2-5)。
l 筛子。有方形和圆形两种；方形筛用来筛分原砂或型砂(图2-6)；圆形筛一般为手筛，用于将面砂筛到模样表面。

图2-5 铁锹

图2-6 方形筛子
l 砂舂。用来舂实型砂，砂舂的头部分扁头和平头两种，一般将它们分别做在砂舂的两端，扁头用来舂实模样周围及砂箱靠边处或狭窄部分的型砂，平头用以舂平砂型表面(图2-7)。
l 刮板。又称刮尺，用平直的木板或铁板制成，长度应比砂箱宽度长些(图2-8)。在砂型舂实后，用来刮去高出砂箱的型砂。

(a) 地面造型用砂舂 (b) 一般造型用砂舂
图2-7 砂舂

图2-8 刮板
l 通气针。又称气眼针，有直的和弯的两种，用来扎出通气的孔眼，一般为f2～8mm，用铁丝或钢条制成(图2-9)。
l 起模针和起模钉。用来起出砂型中的模样。工作端为尖锥形的叫起模针，用于起出较小的模样；工作端为螺纹形的叫起模钉，用于起出较大的模样(图2-10)。

图2-9 通气针

图2-10 起模针和起模钉
l 掸笔。用来在起模前润湿模样边缘的型砂，或在小的砂型和砂芯上涂刷涂料(图2-11)。
l 排笔。用来在砂型大的表面刷涂料或清扫砂型(芯)上的灰砂(图2-12)。

图2-11 掸笔

图2-12 排笔
l 粉袋。用来在型腔表面抖敷石墨粉或滑石粉。
l 皮老虎。用来吹去砂型上散落的灰土和砂粒，使用时不可用力过猛，以免损坏砂型，如图2-13所示。
l 风动捣固器。又称风冲子或风枪，如图2-14所示。它由压缩空气带动，用来舂实较大的砂型和砂芯，以减轻劳动强度，提高劳动生产率。

图2-13 皮老虎

图2-14 风动捣固器
l 钢丝钳。用来绑扎芯骨或弯曲砂钩等。
l 活动扳手。在合型紧固工作中用来松紧螺母或螺钉。
5. 修型工具
制好的砂型(芯)还要用各种形状的修型工具把其缺陷修补好，使砂型(芯)质量合格。常用的修型工具有以下几种。
l 镘刀。又称刮刀，一般用工具钢制成，头部形状有平头的、圆头的、尖头的几种，手柄用硬木制成，如图2-15所示。用以修理砂型(芯)的较大平面，开挖浇冒口，切割大的沟槽及在砂型插钉时把钉子拍入砂型等。
l 提钩。又称砂钩；用工具钢制成，见图2-16所示。用于修理砂型(芯)中深而窄的底面和侧壁及提出落在砂型中的散砂。

图2-15 镘刀

(a) 直提钩 (b) 带后跟提钩
图2-16 提钩
l 半圆。又叫竹爿梗或平光杆，用来修整垂直弧形的内壁和它的底面，如图2-17所示。
l 法兰梗。又称光槽镘刃，由钢或青铜制成，如图2-18所示。供修理砂型(芯)的深窄底面及管子两端法兰的窄边用。

图2-17 竹爿梗 图2-18 法兰梗
l 成型镘刀。用钢或铸铁制成，形状不一，往往根据实际生产中所修表面的形状而定，如图2-19所示。用来修整镘光砂型(芯)上的内外圆角、方角和弧形面等。

图2-19 成型镘刀
l 压勺。多由钢制成，一端为弧面，另一端为平面，勺柄斜度为30°，如图2-20所示。供修理砂型(芯)较小平面，开设较小浇口时使用。
l 双头铜勺。又称秋叶，是一种铜制的、两头均为匙形的修型工具，如图2-21所示。用来修整曲面或窄小的凹面。

图2-20 压勺 图2-21 双头铜勺
6. 常用量具
l 卷尺。用来测量长度。
l 钢板尺。是测量长度、外径和内径等尺寸的常用量具(图2-22)。

图2-22 钢板尺
l 铁角尺。用来划线或检查被测物体的垂直度(图2-23)。
l 水平仪。用来测量被测平面是否水平(图2-24)。

图2-23 铁角尺 图2-24 水平仪
l 卡钳。是一种常用的量具，不能直接看出尺寸数字，须与钢板尺配合使用。卡钳用来测量砂型(芯)的外径与内径、凹槽宽度等，如图2-25所示。
l 湿态砂型硬度计。如图2-26所示，用来测量砂型(芯)表面硬度。一般砂型紧实后的硬度为70～80，紧实度高的砂型表面硬度为85～90；砂芯的硬度为70～80。

(a) 外径卡钳 (b) 内径卡钳
图2-25 卡钳

图2-26 湿态砂型硬度计
湿态砂型硬度计是用钢球被压入的深度来表示硬度的大小。钢球压入0.05mm的深度算一度，从硬度计的指针可直接读出硬度值。

“砂型铸造”

砂型铸造
　　到目前为止，砂型铸造仍然是应用最广泛的铸造方法。原因是砂型铸造不受合金种类、铸件 形状和尺寸的限制，适应各种批量的生产，尤其在单件和成批生产中，具有操作灵活、设备 简单、生产准备时间短等优点。目前我国砂型铸造 件仍占铸件总产量的80%以上。
　　砂型铸造的基本工艺过程如图所示。掌握砂型铸造的基本规律是正确进行铸件结构设计和合理制定铸造工艺方案的基础。
　　根据完成造型工序的方法不同，砂型铸造可以分为手工造型和机器造型两大类。

图C-1 砂型铸造工艺过程示意图
砂型铸造——手工造型
　　手工造型定义---全部用手工或手动工具完成的造型工序称为手工造型。
　　优点、缺点---手工造型操作灵活、工艺装备(模样、芯盒、砂箱等)简单、生产准备时间短、适应性强，造型质量一般可满足工艺要求，但生产率低、劳动强度大、铸件质量较差，所以主要用于单件小批生产。
分类应用范围----手工造型方法多种多样，实际生产中可根据铸件的结构特点、生产批量和生产条件选用合适的造 型方法。常用的手工造型方法的特点及应用范围如表C-1所示。

表C-1 常用手工造型方法的特点及应用范围
造 型 方 法
主 要 特 点
适 用 范 围
按
砂
箱
特
征
分
类
两箱造型
它是造型的最基本方法，铸型由上箱和下箱构成，操作方便
各种生产批量和各种大小铸件
三箱造型
铸型由上、中、下三箱构成。中箱高度须与铸件两个分型面的 间距 相适应。三箱造型操作费工，且需配有合适的砂箱
单件小批生产。具有两个分型面 的铸件
脱箱造型
(无箱造型)
在可脱砂箱内造型，合型后浇注前，将砂箱取走 ，重 新用于新的造型。用一个砂箱可重复制作很多铸型，节约砂箱。需用型砂将铸型周围填实， 或在铸型上加套箱，以防浇注时错型
生产小铸件。因砂箱无箱带，所以砂箱尺寸小于400 mm×400 mm×150 mm
地坑造型
在地面以下的砂坑中造型，不用砂箱或只用上箱，大铸件需在砂床 下面 铺以焦炭，埋上出气管，以便浇注时引气。减少了制造砂箱的费用和时间，但造型费工、劳动量大，要求工人技术较高
砂箱不足，或生产批量不大、质量要求不高的铸件，如 砂箱压铁、炉栅、芯骨等
按
模
样
特
征
分
类
整模造型
模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在一个砂箱内。造型简单， 铸件不会产生错型缺陷
最大截面在一端，且为平面的铸件
挖砂造型
模样是整体的，分型面为曲面。为起出模样，造型时用手工挖 去阻碍起模的型砂。造型费工、生产率低，要求工人技术水平高
单件小批生产。分 型面不是 平面的铸件
假箱造型
克服了挖砂造型的缺点，在造型前预先做一个与分型面相吻合的底胎，然后在底胎上造下型。因底胎不参加浇注，故称假箱。它比挖砂造型简便，且分型面整齐
在成批生产中需要挖砂的铸件
分模造型
将模样沿最大截面处分为两半，型腔位于上、下两个砂型内， 造型简单，节省工时
最大截面在中部的铸件
活块造型
铸件上有妨碍起模的小凸台、筋条等。制模时将这些部分做成活动 的(即活块)。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。造型费工，工人技术水平要求高
单件小批生产。带有突出部分难以起模的铸件
刮板造型
用刮板代替实体模样造型。可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期 。但生产率低，要求工人技术水平高
等截面的或回转体的大、中型铸件的单件小批 生产，如带轮、铸管、弯头等

砂型铸造——机器造型
　　机器造型--由造型机完成造型过程中的填砂、紧实和起摸等主要动作。与手工造型相比，可大大提高生产率，改善劳动条件，提高铸件精度和表面质量。
　　机器造型方法的分类、优点、缺点及应用范围如表C-2所示。
表C-2 机器造型方法的特点及适用范围
紧实方法
型砂紧实方式及砂型特征
适用范围
震击
借机械震击赋予型砂动能和惯性紧实成形，砂型上松下紧，常需补压
用于精度要求不高的中小铸件成批大量生产
压
实
单纯压实
型砂借助于压头或模样所传递的压力紧实成形，按比压大小可分为低压(0.15～0.4 MPa)、中压(0.4～0.7 MPa)、高压(＞0.7 MPa)三种
中低压用于精度要求不高的简单铸件中小批生产；高压用于精度要求高、较复杂铸件的大量生产
单向压实
直接受压面砂型紧实度较高，但不均匀，若比压不足则紧实度低
用于精度要求不高、扁平铸件的中小批量生产
差动
压实(双向)
首先压头预压(上压)，其次模样面补压(下压)，然后压头终压，其砂型的紧实度及均匀性均优于单向压实
用于精度要求较高、较复杂铸件的大 量生产
震
压
普通震压
震击加压实 ，其砂型视在密度的波动范围小，可获得紧实度较高的砂型
用于精度要求较高、较复杂铸件的大量成批生产
微震压实
震击频率400～300 Hz，振幅小，可同时微震压实，也可先微震后压实，比单纯压实可获得较高的砂型紧实度，均匀性也较高
可用于精度要求较高、较复杂铸件的成批大量生产
射压
借助压缩空气赋予型砂动能预紧之后再用压头补压成形，紧实度及均匀性较高，有顶射、底射和侧射之，顶射结构简单
用于精度要求不高、一般中小件的成批大量生产
抛砂
借高速旋转的叶片把砂团抛出，打在砂箱内的砂层上，使型砂 逐 层紧实，砂团的速度越大，砂型紧实度越高。若供砂情况和抛头移动速度稳定，则砂型各部 分紧实度较均匀
用来紧实砂型或砂芯，既适用于中大件砂箱造型，也可用于地坑造 型,单件、小批、成批均可使用，但铸件精度较低
气
流
紧
实
静压
其过程包括：(1)在砂箱内填砂(模板上有通气塞)；(2)对型砂施以压缩空气 进行气流加压(一般0.3 s)，通入的压缩空气穿过型砂经通气塞排出，此时越靠近模板处型砂视在密度越高；(3)用压实板在型砂上部压实，使砂型上下紧实度均匀。此法砂箱吃砂量 较小，起模斜度较小
可用于精度要求高的各种复杂铸件的大量生产
气流冲击及其种类
具有一定压力的 气体瞬时膨胀释放出来的冲击波作用在型砂上使其紧实，且由于型砂受到急速的冲击产生触 变(瞬时液化)，克服了粘土膜引起的阻力，提高了型砂的流动性。在冲击力和触变作用下迅速成形，其砂 型特点是紧实度均匀且分布合理，靠模样处的紧实度高于砂型背面
可用于精度要求高的各种复杂铸件的大量生产，比静压造型具有更大的适应性
空气冲击：采用普通压缩空气作为动力，通过调节压缩空气压力来调节砂型紧实度
用于砂箱平面积≤1.2～1.5 m2
燃气冲击：用天然气、 丙烷气、甲烷和乙烷按一定比例和空气混合后，点火引爆，可通过调节风机转速来调节砂型紧实度
用于砂箱平面积≥1.5 m2
爆炸气流冲击：用高压电流的电弧放电，点燃液态或固态物质，使之爆炸，产生高压气体紧实型砂
尚未投入使用