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铸造工艺设备
Casting Equipment
摘 要:铸造生产是用液态合金形成产品方法，将液态合金注入造型中使之冷却，凝固。绝大多数铸件用作毛坯，需要经机械加工后能成为多种机械零件；少数铸件当达成使用尺寸精度和表面粗糙度要求时，可作为成品或零件而直接使用。
Abstract ：Casting is the formation of products of the liquidalloy, the liquid alloy into the shape manipulation of the cooling, freezing. Rough castings for the vast majority need to be processed by mechanicalmachinery parts; a few to use when castingdimensional accuracy and surface roughnessrequirements, can be used as finished products or components directly used.
引 言：砂型铸造是铸造方法中一个，砂型铸造关键是用型砂和型芯制造铸型铸造方法进行铸造，砂型铸造关键分为：制造型砂，制造型芯，合箱，浇注。铸造用砂关键成份是：赤泥，自硬沙，水玻璃，黏结剂等。
关键词：型砂，型芯，浇道，冒口，砂箱，合箱。
Keywords ：Molding sand ，Core ，Runner ，Riser ，Sand box ，Hop Box
2铸造设备
2.1砂型结构
在造型过程中，型砂在外力作用下成型并达成一定紧实度而成为砂型。它是由原砂和黏结剂组成一个含有一定强度微孔—多孔系，原砂是骨干材料，占型砂总质量82%—99%；黏结剂起粘结沙粒作用，以粘结薄膜形式包覆砂粒，使型砂含有必需强度和韧性。
2.2原砂关键作用
用原砂作为型砂关键骨干材料，更关键是它能为砂型提供必需耐高温性能和热物理性能，有助高温金属液顺利充型，和是金属液在铸型中冷却，凝固并得到所要求形状和性能铸件。其次，原砂砂粒能为砂型提供孔隙，确保型芯透气性，在浇注过程中，使金属液在型腔内受热急剧膨胀形成气体和铸型本身产生大量气体能顺利逸出。但孔隙大小要合适，砂型孔隙率n用微孔容积Vn对砂型总体积Vo比来表示，即
n=（Vn/Vo）X 100%

2.3型（芯）砂应含有性能要求
依据液态金属和铸型相互作用可见，用于制造砂型（芯）型砂和芯砂性能优劣直接影响到铸件质量。型芯砂性能关键有强度、透气性、耐火度和化学稳定性、退让性和工艺性能等。砂芯处于金属液体包围之中，其工作条件较型砂更恶劣，所以对芯砂性能要求比型砂高。
1、强度
型（芯）砂应含有一定强度，以确保在浇注时铸型在液体金属冲刷和压力作用下不掉砂、不变形和在造型、合箱和搬运过程中不损坏。型（芯）砂强度大小和水分、黏结剂含量和紧砂程度相关。水分过多或过少，全部使强度降低。黏结剂含量越多，砂粒度越细和紧实度越大，则强度越高。不过型（芯）砂强度太高，又会使铸（芯）型太硬，透气性变差，阻碍铸件收缩而使铸件形成气孔和裂纹等缺点。
2、透气性
型（芯）砂含有良好透气性，以确保在液态金属作用下，铸（芯）型生产大量气体能经过砂粒间空隙顺利排出型外，从而消除或降低铸件内气孔等缺点。通常砂粒大、黏结剂含量少、水分合适、混合均匀及紧实度小时，型砂透气性全部有得到有效改善。
3、耐火度和化学稳定性
型（芯）砂应含有一定耐火度和化学稳定性，以确保在高温液态金属作用下不软化、不熔化、不和液态金属发生化学反应，使铸件不易粘砂和不产生过量气体。影响耐火度原因有原砂化学成份、形状、大小和黏结剂种类等。通常型砂中石英含量高而杂质少时，其耐火度好。圆形和大颗粒砂比多角形和细小颗粒耐火度要好。为提升型（芯）砂耐火度，预防粘砂，常加入部分附加物或在型腔（芯）表面涂刷料。
4、退让性
型（芯）砂应含有良好退让性，这是因为铸件在凝固和随即冷却过程中将伴随者体积和收缩。为了不使铸件生产内应力、变形和裂纹，要求铸型在高温下丧失部分强度。当铸件发生收缩时，能发生对应变形和退让。影响退让性关键原因是黏结剂种类和数量。
5、工艺性能
型（芯）砂应含有良好工艺性能，即在造型时不粘模，含有良好流动性和可塑性，使铸型有清楚轮廓，从而确保铸件有正确轮廓尺寸。另外，型砂在铸件落砂和清理时含有好出砂性。需要指出是，在实际生产条件下，要求型（芯）砂全部满足上述要求是不可能，也无须要，而是应依据铸造合金种类和铸件技术要求，在一些性能方面有所侧重；不然不仅会使铸造工艺过程复杂化，而且还使生产成本大大提升。
2.4 砂箱
砂箱是长方形、方形、圆形坚实框子，有时依据铸件结构做成特殊形状。砂箱作用是牢靠围紧型砂，便于铸型搬运及浇注时承受合金压力。砂箱能够用木材、铸铁、钢、铝合金制成，通常由上箱和下箱组成一对砂箱，并用销子定位。

砂箱示意图
3、铸造方法
3.1砂型铸造
砂型铸造是适用面最广一个凝固成型方法，它几乎适适用于全部零部件生产。但因为砂型导热系数较低，液态金属在砂型中凝固速度较慢，尤其是对部分壁厚较大铸件，会造成铸件内部晶粒粗大，易于产生组织及成份偏析等，从而降低了材料力学性能。其次，砂型铸造生产铸件表面粗糙度较其它凝固成型方法高。
砂型铸造基础工艺过程以下图所表示关键工序有制造模样和芯盒、配置型砂和芯砂、造型、造芯、合型、浇注、落砂清理和检验等。其中造型（芯）是砂型铸造基础工序。
模样芯盒
炉料准备
金属熔炼
合型浇注
铸件检验
落砂
清理
型砂配置
芯砂配置
造芯
砂芯干燥
型砂干燥

造型
铸件热处理
铸件

砂型铸造生产工序步骤
3.2手工造型
紧砂和起模由手工完成。手工造型优点是操作灵活，工艺装备简单，生产准备时间短，适应性强，可用于多种大小形状铸件。手工造型对人工技术水平要求高，生产率低，劳动强度大，铸件质量不稳定，关键用于单件、小批量生产。手工造型方法很多，有整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、刮板造型等。
1） 整模造型 模样是整体结构，最大截面在模样一端且是平面，分型面多为平面。铸型型腔全部在半个铸型内，操作简单，铸件不会产生错型缺点。适适用于简单形状铸件。
2） 分模造型 将模样外形最大截面分成两半，型腔在上下两个砂箱内。分模造型适适用于形状较复杂铸件。
3） 活块造型 模样上可拆卸或活动部分叫活块。为起模方便，将模样方便，将模样上妨碍起模部分做成活动。起模时，先起出主体模样，再单独取出活块。
4） 挖砂造型 模样是整体，分型面为曲面，为了便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模型砂，每造一型需挖砂一次，生产率低，要求操作技术水平高。适适用于形状复杂铸件单件生产。
5） 假箱造型 为克服挖砂造型挖砂缺点，在造型前预先做个底胎，然后在底胎上制下箱，因底胎不参与浇注，故称假箱。假箱造型比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。
6） 刮板造型 用刮板替换实体模样造型，能够降低模样成本，节省木材，缩短生产周期，但要求操作者技术水平高，适适用于有等截面或回转体铸件。
3.3机械造型
机器造型指紧砂和起模两个关键工序采取机械完成。机械造型实现了机械化，所以生产率高，铸件质量好。但设备投资大，适适用于中、小型铸件批量生产。机器造型按紧实方法分为：
1） 压实造型 压实造型是利用压头压力将砂箱型砂紧实，先把型砂填入砂箱辅助框内，压头向下将型砂紧实，辅助框是用来赔偿紧实过程中型砂被压缩高度。
2） 震击造型 利用震动和撞击对型砂进行紧实，砂箱填砂后，震击活塞将工作台连同砂箱举起一定高度，然后下落，和缸体撞击，依靠型砂下落时冲击力产生紧实作用。
3） 抛砂造型 抛砂头转子上装有叶片，型砂由皮带输送机连续送入到叶片上，高速旋转叶片将型砂分成一个个砂团，当砂团随叶片转到出口处时，由离心力作用，型砂高速抛入砂箱，同时完成填砂和紧实。
4） 射砂造型 储气筒中压缩空气快速进入射堂，将型砂由射砂孔射入芯盒空腔中，而压缩空气经射砂上排气空排出，射砂过程是在短临时间内同时完成填砂和紧实。
3.4合箱
在整个铸造过程中，合箱是最关键一步，合箱就是将造好型箱和砂芯组合成一个整体过程。依据合箱计划，按材质，砂箱大小将砂箱放平稳，摆箱应将水口按天车纵向横走向对齐。大活应在箱底下面开沟排气，或将砂箱垫高。
4、铸造辅助材料
4.1铸造用涂料
1涂料基础组成
铸造涂料由多个不一样性质材料组成分散系，通常由耐火粉料、载液、悬浮剂、粘接剂和改善一些性能添加剂所组成。
2涂料作用
砂型铸造用涂料涂敷在砂型型腔和砂芯表面形成薄层材料其作用：
1） 填塞了砂型和砂芯表面孔隙，避免铸件表面粗糙、机械粘砂、化学粘砂，使铸件表面粗糙度得到最好改善。
2） 可预防或降低铸件生产和砂子相关其它铸造缺点或质量问题。
3） 用涂料来产生冶金效应，改善铸件局面表面性能和内在质量。
4.2机械油用途
在造型（芯）过程中，型（芯）模表面会有粘砂现象，造成模面粗糙，从而给脱模带来一定影响，使砂型（芯）表面存在一定缺点，影响铸件表面质量。所以在造型（芯）时，将对每层型（芯）模面进行处理，刮掉粘砂，涂刷机械油使模面光滑，轻易脱模，从而提升砂型（芯）质量。
4.3石棉绳及耐火材料作用
合箱是关键一步，合箱时两个型箱间会有缝隙，分型面凹凸不平时，缝隙会愈加显著，为填补这种缺点。在装箱前期，在下面型箱分型面涂敷一定量耐火材料或放置石棉绳，关键作用是填塞型箱之间缝隙，避免跑钢。
5、铸造常见缺点及控制
5.1缩孔和缩松
（1）缩孔 缩孔产生基础原因是合金液态收缩和凝固收缩值远大于凝固收缩值。缩孔形成条件是金属在恒温或很小温度范围内结晶。
（2）缩松 缩松实质上是将集中缩孔分散为数量极多小缩孔。它分布在整个断面上，通常出现在铸件壁轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口周围，也常分布在集中缩孔下方。形成缩松基础原因和缩孔相同，条件关键是出现在结晶温度范围宽、呈湖状凝固方法和金中。
（3）缩孔和缩松预防
为了预防铸件产生缩孔、缩松，在铸件结构设计时，应避免局部金属积聚。工艺上，针对合金凝固特点制订合理铸造工艺，常采取“次序凝固”和“同时凝固”两种方法。
（1）“次序凝固”就是在铸件可能出现缩孔或最终凝固部位设置冒口，使铸件根据远离冒口部位液体金属补缩，后凝固部位收缩是由冒口中金属液补缩，使铸件各部位收缩均得到金属补缩，而缩孔则移至冒口，最终将冒口切除。或将冒口和冷铁配合，调整铸件凝固次序，扩大冒口有效补缩距离。
（2）“同时凝固”是使铸件各部位几乎同时冷却凝固，以预防缩孔产生。在铸件厚部或紧靠厚部处铸型安放冷铁，同时凝固可减轻铸件热应力，预防铸件变形和开裂。冒口、冷铁合理利用是消除缩孔、缩松有效方法。
5.2铸造应力
铸件收缩时受阻就产生铸造应力，关键分为热应力、收缩应力。
（1）热应力 铸件在凝固和冷却过程中，不一样部位因为不均衡收缩而引发应力，热应力使冷却较慢后壁处受拉伸，冷却较快薄壁处受压缩，铸件壁厚差异愈大、合金线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。定向凝固时，因为铸件各部分冷却速度不一致，产生热应力较大，铸件易出现变形裂纹。
（2）收缩应力 是铸件在固态收缩时，因受铸型、型芯、冒口等外力阻碍而产生应力。假如铸件收缩应力和热应力共同作用，其应力大于铸件抗拉强度时，铸件会产生裂纹。
消除铸造应力方法：
1、合理地设计铸件结构 铸件形状复杂，各部分壁厚相差越大，冷却不均匀，铸造应力大，在设计铸件时应尽可能使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。
2、采取同时凝固工艺 设法改善铸型、型芯退让性，合理设置浇冒口等。
3、时效处理 时效分为自然时效、热时效和共振失效。自然时效是铸件置于露天场地六个月以上，让其内应力消除。热时效是铸件加热到550度至650度，保温2至4小时，随炉温冷却至150至200度，然后出炉。共振法将铸件在其共振频率下振动，消除铸件残余应力。
5.3气孔
在铸件内部、表面处出现光滑孔眼，形状不规则，颜色有白色或带一层暗色，有时覆有氧化铁皮。方法：降低熔炼时金属吸气量，降低砂型在浇注过程中发气量，改善铸件结构，提升砂型和型芯透气性，使型内气体顺利排出。
5.4渣气孔
因为浇注时挡渣不良，浇注温度太低熔渣不易上浮，浇注时断流或未充满浇口，渣和金属液一起流入型腔。造成铸件内部出现不规则孔眼，孔眼不光滑里面充塞着熔渣。预防方法：提升金属液温度，降低熔渣黏性，提升浇注系统挡渣能力。
5.5冷隔
（1）缺点特征：在铸件上有一个未完全融合缝隙或洼坑，其交界边缘是圆滑。（2）产生原因：铸件设计不合理，铸壁较薄，合金流动性差，浇注温度低，浇注速度慢，浇口大小或部署不妥，浇注时有中止。（3）预防方法：提升浇注温度和浇注速度，改善浇注系统，浇注时不停流。

结论：铸造过程中制造型芯很关键，依据型（芯）砂特点制订对应方案，关键是最终一步浇注，浇注温度、速度要适合，预防部分缺点，同时要有丰富经验和熟练地操作技术，这需要在天天实际操作中领悟。

参考文件：
《材料成型基础》 主编：宋金虎 胡凤菊 人民邮电出版社
《铸造工艺学》 主编 王文清 李魁盛 机械工业出版社