《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第9章

第9章鑄造成形9.1鑄造成形理論基礎(chǔ)9.2砂型鑄造9.3特種鑄造9.4鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.5工程應(yīng)用案例———軸承座鑄造工藝習(xí)題與思考題9

9.1鑄造成形理論基礎(chǔ)

鑄造是將液態(tài)金屬或合金利用其自身重力或壓力、離心力等外力場(chǎng)，澆注到與零件的形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型內(nèi)，待其冷卻凝固后，獲得所需形狀和性能的毛坯或零件的方法。

在機(jī)械制造業(yè)中，鑄造已成為制造零件和毛坯的主要方法，尤其適合于制造內(nèi)腔和外形復(fù)雜的毛坯或零件，而且鑄件的大小、重量、批量及材質(zhì)幾乎都不受限制，適用范圍廣泛。對(duì)于塑性很差的材料如鑄鐵，鑄造是制造其零件或毛坯的唯一方法。此外，鑄造的成本較低，但是鑄造工藝復(fù)雜，廢品率較高，鑄件易出現(xiàn)晶粒粗大、縮孔、縮松和氣孔等缺陷，導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能較低。

9.1.1液態(tài)合金的流動(dòng)性與充型能力

液態(tài)合金的流動(dòng)能力稱(chēng)為合金的流動(dòng)性。液態(tài)合金的流動(dòng)性好壞，常用螺旋形試樣來(lái)測(cè)定。螺旋形試樣示意圖如圖9－1所示。將金屬液澆入螺旋形鑄型型腔中，冷卻凝固后，形成螺旋形試件，在相同鑄型及澆注條件下，澆注出的螺旋形試樣越長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性越好。圖9－1螺旋形試樣示意圖

液態(tài)合金充填鑄型獲得形狀完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件的能力稱(chēng)為合金充型能力。不同合金具有不同的充型能力。合金的充型能力差，將會(huì)導(dǎo)致澆注不足、冷隔等缺陷，從而使鑄件的力學(xué)性能大大下降。影響合金充型能力的因素主要有流動(dòng)性、澆注條件、鑄型條件及鑄件結(jié)構(gòu)。

1.流動(dòng)性

流動(dòng)性好，易于澆出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件，有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除，易于對(duì)鑄件的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮。

合金化學(xué)成分是影響合金流動(dòng)性的主要因素。如共晶成分合金凝固溫度最低，在相同澆注初始溫度條件下，合金處于液態(tài)時(shí)的溫度范圍最寬，在鑄型中以液態(tài)形式流動(dòng)的時(shí)間最長(zhǎng)，因此鑄出的螺旋形試件也最長(zhǎng)，合金流動(dòng)性最好。除共晶成分合金外，其他合金成分越遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)，結(jié)晶開(kāi)始溫度越高，在相同澆注初始溫度條件下，合金處于純液態(tài)的溫度范圍越窄，在鑄型中以純液態(tài)形式流動(dòng)的時(shí)間越短，因此鑄出的試樣長(zhǎng)度越短，流動(dòng)性也越差。由圖9－2可知，純鐵和共晶鑄鐵的流動(dòng)性最好，亞共晶鑄鐵隨含碳量的增加，流動(dòng)性提高，越接近共晶成分，流動(dòng)性越好，越容易鑄造。圖9－2鐵碳合金流動(dòng)性與相圖的關(guān)系

2.澆注條件

(1)澆注溫度。適當(dāng)提高液態(tài)金屬或合金的澆注溫度能改善其流動(dòng)性，提高充型能力。因?yàn)闈沧囟仍礁?，液態(tài)金屬或合金在鑄型中保持液態(tài)流動(dòng)的能力越強(qiáng)，所以對(duì)薄壁鑄件或流動(dòng)性較差的金屬或合金，可適當(dāng)提高澆注溫度以防澆不足和冷隔。但是，澆注溫度過(guò)高又會(huì)使液態(tài)金屬或合金嚴(yán)重吸氣、增大收縮，使鑄件產(chǎn)生氣孔、縮孔、縮松和晶粒粗大等缺陷。通常，灰鑄鐵的澆注溫度為1200~1380℃，鑄鋼為1520~1620℃，鋁合金為680~780℃。

(2)充型壓力。液態(tài)金屬或合金在流動(dòng)方向上受的壓力愈大，其充型能力愈強(qiáng)。生產(chǎn)中，壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造及真空吸鑄等工藝都利用增大充型壓力的方式來(lái)提高液態(tài)合金的充型能力，從而提高鑄件質(zhì)量。

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3.鑄型條件

凡是鑄型方面能增大液態(tài)金屬或合金流動(dòng)阻力，降低流動(dòng)速度和加快鑄型冷卻速度的因素均會(huì)降低充型能力。

(1)鑄型導(dǎo)熱系數(shù)。鑄型導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳遞熱量的速度越慢，鑄型內(nèi)液態(tài)合金保溫效果越好，流動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，充型能力也越強(qiáng)；反之，充型能力越差。

(2)鑄型預(yù)熱溫度。把鑄型預(yù)熱到適當(dāng)溫度，可以減少鑄型和液體合金之間的溫差，從而減緩合金冷卻速度，提高合金充型能力。

(3)鑄型透氣性。高溫液體合金澆入鑄型時(shí)，巨大熱量會(huì)使鑄型中的氣體膨脹，型砂中的少量水分還會(huì)汽化，煤粉、木屑或其他有機(jī)物會(huì)燃燒產(chǎn)生大量的氣體。這些氣體會(huì)使型腔中的壓力急劇升高，從而阻礙液態(tài)合金流動(dòng)，降低合金充型能力。因此，鑄型需要良好的透氣性。

(4)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。各澆道的結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，流動(dòng)阻力愈大，充型能力愈差。

4.鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件的壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，均會(huì)降低金屬或合金的充型能力。

9.1.2鑄造合金的收縮

鑄造合金從液態(tài)冷卻至室溫的過(guò)程中，其體積及尺寸減小的現(xiàn)象稱(chēng)為收縮。

收縮是鑄件中許多缺陷(如縮孔、縮松、裂紋、變形和殘余應(yīng)力等)產(chǎn)生的基本原因。為了獲得形狀和尺寸符合技術(shù)要求、組織致密的健全鑄件，必須對(duì)收縮狀況有充分了解并加以控制。

合金的收縮量通常用體收縮率(單位體積的相對(duì)變化量)或線收縮率(單位長(zhǎng)度的相對(duì)變化量)來(lái)表示。

合金收縮過(guò)程可分為三個(gè)階段:

(1)液態(tài)收縮。液態(tài)收縮是指液態(tài)金屬或合金從澆注溫度開(kāi)始到冷卻至液相線溫度為止所產(chǎn)生的收縮。它表現(xiàn)為鑄型內(nèi)液態(tài)金屬或合金的液面下降。澆注溫度差越高，體收縮越大。

(2)凝固收縮。金屬或合金從液相線溫度開(kāi)始冷卻到固相線溫度所產(chǎn)生的收縮為凝固收縮。共晶成分的合金或純金屬是在恒溫下凝固的，所以收縮較小。有結(jié)晶溫度范圍的合金，其凝固收縮隨凝固溫度范圍的變寬面增大。液態(tài)收縮和凝固收縮都會(huì)引起液態(tài)合金體積縮小，表現(xiàn)為內(nèi)液面凹陷，它是縮孔和縮松等缺陷形成的主要原因。

(3)固態(tài)收縮。自固相線溫度冷卻至室溫間所產(chǎn)生的收縮為固態(tài)收縮。它表現(xiàn)為鑄件外形尺寸的減小，通常用線收縮率表示。線收縮是鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等鑄件缺陷產(chǎn)生的重要原因。

總之，鑄造金屬或合金的總收縮量是以上三階段收縮量之和。

影響收縮的因素主要有以下三個(gè)方面:

(1)化學(xué)成分。不同的合金收縮率也不同。在常用合金中，鑄鋼收縮最大，灰口鑄鐵收縮最小。因?yàn)榛铱阼T鐵中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在的，而石墨的比體積大，在結(jié)晶過(guò)程中，石墨析出所產(chǎn)生的體積膨脹抵消了合金的部分收縮。

(2)澆注溫度。澆注溫度升高，合金液態(tài)收縮量增加，故合金總收縮量增大。

(3)鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件的影響。鑄件在鑄型中是受阻收縮而不是自由收縮。阻力來(lái)自于鑄型或型芯。此外，鑄件的壁厚不同，各處的冷卻速度不同，冷凝時(shí)鑄件各部分相互制約也會(huì)產(chǎn)生阻力。因此，鑄件的實(shí)際線收縮率比合金的自由線收縮率要小，在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，應(yīng)根據(jù)鑄造合金的種類(lèi)、鑄件的復(fù)雜程度和大小選取適當(dāng)?shù)木€收縮率。

9.1.3縮孔和縮松

澆入鑄型中的液態(tài)金屬或合金在隨后的冷卻和凝固過(guò)程中，若其由液態(tài)收縮和凝固收縮引起的容積縮減得不到補(bǔ)充，會(huì)在鑄件最后凝固的部位形成孔洞，大而集中的叫縮孔，細(xì)小且分散的叫縮松。

1.縮孔

由合金收縮產(chǎn)生的集中在鑄件上部或最后凝固部位且容積較大的孔洞稱(chēng)為縮孔?？s孔一般呈倒圓錐形(類(lèi)似心形)，內(nèi)表面比較粗糙，一般隱藏在鑄件內(nèi)部。圓柱體鑄件縮孔形成過(guò)程如圖9－3所示。圖9－3縮孔形成過(guò)程示意圖

2.縮松

由合金收縮產(chǎn)生的分散在鑄件某區(qū)域內(nèi)的細(xì)小縮孔稱(chēng)為縮松?？s松可分為宏觀縮松和顯微縮松兩種。能用肉眼或放大鏡看出的縮松稱(chēng)為宏觀縮松，這種縮松多分布在鑄件中心軸線處或縮孔下方。而分布在晶粒之間，只能用顯微鏡才能觀察出來(lái)的縮松稱(chēng)為顯微縮松，這種縮松分布面積更為廣泛，甚至遍及整個(gè)截面，很難完全避免，一般不作為缺陷對(duì)待?？s松形成過(guò)程如圖9－4所示。圖9－4縮松形成過(guò)程示意圖

3.影響縮孔、縮松的因素

影響縮孔和縮松的因素有如下幾個(gè)方面:

(1)合金成分。凝固溫度范圍越窄的合金，越容易產(chǎn)生縮孔。凝固溫度范圍越寬的合金，越容易產(chǎn)生縮松。

(2)澆注條件。合金澆注溫度愈高，液態(tài)收縮也愈大，愈易產(chǎn)生縮孔。澆注速度慢或向冒口中不斷補(bǔ)澆高溫合金液體，使鑄件液態(tài)收縮和凝固收縮及時(shí)得到補(bǔ)償，鑄件總體積收縮縮小，縮孔容積也減小。此外，鑄型金屬型比砂型冷卻能力強(qiáng)，冷卻速度也較快，使凝固區(qū)域變窄，縮松減少。

(3)鑄件結(jié)構(gòu)。鑄件復(fù)雜程度、鑄件壁厚及壁與壁的連接等，都與縮孔、縮松的形成有密切關(guān)系。

4.縮孔和縮松的防止

縮孔和縮松可使鑄件力學(xué)性能、氣密性和物理化學(xué)性能大大降低，以至成為廢品，是極其有害的鑄造缺陷之一。集中縮孔易于檢查和修補(bǔ)，便于采取工藝措施防止。但縮松，特別是顯微縮松，分布面廣，既難以補(bǔ)縮，又難以發(fā)現(xiàn)，因此，必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┘右灶A(yù)防。

生產(chǎn)中常采用順序凝固的工藝來(lái)防止縮孔和縮松的產(chǎn)生。順序凝固就是在鑄件上可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位安放冒口，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固(圖9－5中的Ⅰ部分)，然后是靠近冒口的部位凝固(圖9－5中的Ⅱ、Ⅲ部分)，最后才是冒口本身的凝固，實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)離冒口部分向冒口方向的順序凝固。這樣鑄件上各部分的收縮都能得到稍后凝固部分合金液體的補(bǔ)充，而縮孔則產(chǎn)生在最后凝固的冒口內(nèi)，切除冒口便可獲得無(wú)縮孔的致密鑄件。

圖9－5順序凝固

除采用安放冒口的措施外，還有其他一些輔助措施，如在鑄件上的厚大部位(也稱(chēng)熱節(jié))安放冷鐵。從圖9－6可以看出，鑄件上易產(chǎn)生縮孔的厚大部位即熱節(jié)不止一個(gè)，僅靠頂部冒口補(bǔ)縮難以保證底部厚大部位不出現(xiàn)縮孔，因此在該處設(shè)置冷鐵，使其實(shí)現(xiàn)自下而上的順序凝固，防止了底部熱節(jié)處縮孔、縮松的產(chǎn)生。冷鐵一般用鋼、鑄鐵或銅制成。圖9－6冷鐵的應(yīng)用

此外，還可采用設(shè)置補(bǔ)貼的方法來(lái)增強(qiáng)補(bǔ)縮效果，如對(duì)壁厚均勻的鑄件，在頂部設(shè)冒口和底部安放冷鐵后，也難以保證其垂直壁處不出現(xiàn)縮孔和縮松，需在其立壁處增加補(bǔ)貼(即一個(gè)楔形厚度)，以便形成從下而上增加的溫度梯度，利于實(shí)現(xiàn)鑄件順序凝固。

順序凝固方法雖然有效地防止了縮孔和縮松的產(chǎn)生，但也增大了鑄件各部分的溫差，增加了鑄件變形和產(chǎn)生裂紋的可能性。因此，這種方法主要用于必須補(bǔ)縮的材料，如鋁青銅、鋁硅合金和鑄鋼等。

9.1.4鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形

鑄件凝固后進(jìn)入固態(tài)收縮階段，若收縮受到阻礙，鑄件內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力為鑄造應(yīng)力。它是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因。

1.鑄造應(yīng)力

按應(yīng)力產(chǎn)生的原因，鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩種。

1)熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是指因鑄件壁厚不均勻或各部分冷卻速度不同，致使鑄件各部分的收縮不同步而引起的應(yīng)力。以框形鑄件為例，其熱應(yīng)力形成過(guò)程如圖9－7所示。其中圖(a)表示鑄件處于高溫固態(tài)，尚無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生;圖(b)表示鑄件因冷卻開(kāi)始固態(tài)收縮，兩旁細(xì)桿冷卻快、收縮早，受到中間粗桿的限制，將上、下梁拉彎，此時(shí)，中間粗桿處于壓應(yīng)力狀態(tài)，兩旁細(xì)桿處于拉應(yīng)力狀態(tài);圖(c)表示中間粗桿溫度較高，強(qiáng)度較低，但塑性較好，產(chǎn)生壓縮塑性變形使熱應(yīng)力消失;圖(d)表示兩

旁細(xì)桿冷至室溫，收縮終止，而中間粗桿冷卻慢，繼續(xù)收縮又受到兩旁細(xì)桿的限制，此時(shí)，中間粗桿處于拉應(yīng)力狀態(tài)，兩旁細(xì)桿處于壓應(yīng)力狀態(tài)并失穩(wěn)產(chǎn)生彎曲。圖－7框架式鑄件熱應(yīng)力形成示意圖

因此，對(duì)有厚薄壁和冷卻速度差別的鑄件而言，熱應(yīng)力使其冷卻速度較慢的厚壁部分或心部受到拉伸，冷卻速度較快的薄壁部分或表層受到壓縮。鑄件壁厚差越大，合金線收縮率越高，彈性模量越大，則熱應(yīng)力也越大。

2)機(jī)械應(yīng)力

當(dāng)鑄件冷固態(tài)收縮時(shí)，受到鑄型、型芯及澆、冒口等的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為機(jī)械應(yīng)力。法蘭收縮受到機(jī)械阻礙如圖9－8所示。機(jī)械應(yīng)力一般是彈性拉應(yīng)力或切應(yīng)力，形成彈性力的原因一經(jīng)消除，機(jī)械應(yīng)力也隨之消失，因此機(jī)械應(yīng)力是一種臨時(shí)應(yīng)力。但機(jī)械應(yīng)力在鑄型中可與熱應(yīng)力共同起作用，可以在某一瞬間增大某些部位的拉應(yīng)力，如果拉應(yīng)力超過(guò)了鑄件的強(qiáng)度極限，鑄件將產(chǎn)生裂紋。圖9－8法蘭收縮受到機(jī)械阻礙

鑄造應(yīng)力對(duì)鑄件質(zhì)量危害很大，能使鑄件精度和使用壽命大大降低，還會(huì)使鑄件發(fā)生翹曲變形或裂紋等缺陷，甚至降低鑄件的耐腐蝕性，因此應(yīng)盡量減小鑄造應(yīng)力。減小鑄造應(yīng)力的主要方法如下:

(1)采用同時(shí)凝固原則。

預(yù)防熱應(yīng)力的基本途徑是盡量減少鑄件各部位間的溫度差，使其均勻冷卻。在鑄造工藝中，采用同時(shí)凝固原則，可最大限度地減小和消除各部位間的溫差。同時(shí)凝固原則如圖9－9所示。圖9－9同時(shí)凝固原則

同時(shí)凝固原則的優(yōu)點(diǎn)是：凝固期間不容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也不易引起應(yīng)力、變形；由于不用冒口或冒口很小，因而節(jié)省金屬，簡(jiǎn)化了工藝，減少了工作量。但這違反了前述的順序凝固原則，易在鑄件中心區(qū)域形成縮松，使鑄件不致密。因此，這種原則一般適用于灰鑄鐵、錫青銅等縮孔、縮松傾向較小的鑄造合金。

(2)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

鑄件各部分要能自由收縮，盡量避免能產(chǎn)生牽制收縮的結(jié)構(gòu)。因此，壁厚要設(shè)計(jì)均勻，壁與壁之間要均勻過(guò)渡，采用熱節(jié)小而分散的結(jié)構(gòu)等。

(3)時(shí)效處理。

將鑄件置于室外等自然條件下，使內(nèi)應(yīng)力自然釋放，這種方法稱(chēng)為自然時(shí)效。將灰鑄鐵中、小件加熱到550~660℃的塑性狀態(tài)，保溫3~6h后緩慢冷卻，也可消除鑄件中的殘余應(yīng)力，這種方法稱(chēng)為人工時(shí)效或去應(yīng)力退火。生產(chǎn)中的人工時(shí)效通常是在鑄件粗加工后進(jìn)行的，可將原有鑄造內(nèi)應(yīng)力和粗加工后產(chǎn)生的熱應(yīng)力一并消除。

2.鑄件的變形

鑄件變形的產(chǎn)生是由于壁厚不均勻的鑄件內(nèi)部有殘留應(yīng)力，即厚的部位受拉應(yīng)力，薄的部位受壓應(yīng)力。帶有內(nèi)應(yīng)力的鑄件不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地變形，趨于穩(wěn)定。當(dāng)殘余鑄造應(yīng)力超過(guò)鑄件材料的屈服點(diǎn)時(shí)，往往會(huì)發(fā)生翹曲變形。變形的結(jié)果是受拉部位趨于縮短，受壓部位趨于伸長(zhǎng)。如圖9－10所示，圖(a)所示為床身鑄件，其導(dǎo)軌部分較厚，受拉應(yīng)力；其床壁部分較薄，受壓應(yīng)力，于是床身發(fā)生朝著導(dǎo)軌方向的彎曲，使導(dǎo)軌下凹。圖(b)所示為一平板鑄件，其中心部位散熱較邊緣要慢，所以受拉應(yīng)力；邊緣處則受壓應(yīng)力，且平板的上表面比下表面冷卻得快，于是平板發(fā)生了變形。圖9－10鑄件的變形示意圖

生產(chǎn)中，常用下面幾種方法來(lái)防止鑄件變形:

(1)設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，盡可能使鑄件壁厚均勻、形狀對(duì)稱(chēng)。

(2)澆注鑄件時(shí)，采取同時(shí)凝固方法，盡量使鑄件均勻冷卻。

(3)采用反變形法。在模樣上作出與翹曲量相等但方向相反的預(yù)變形來(lái)消除鑄件的變形。反變形法適用于細(xì)長(zhǎng)、易變形鑄件。

(4)對(duì)具有一定塑性的鑄件，在變形后可用機(jī)械方法矯正。

9.2砂型鑄造

砂型鑄造是一種傳統(tǒng)的鑄造方法，它是利用具有一定性能的原砂作為主要造型材料的鑄造方法，是最基本、也是最普遍獲得鑄件的方法。砂型鑄造過(guò)程如圖9－11所示。圖9－11砂型鑄造過(guò)程

首先根據(jù)零件的形狀和尺寸，設(shè)計(jì)制造模樣和型芯盒；接著配制型砂和芯砂；然后用模樣制造砂型，用型芯盒制造型芯，把烘干的型芯裝入砂型并合型；最后將熔化的液態(tài)金屬澆入鑄型，待凝固后經(jīng)過(guò)落砂、清理、檢驗(yàn)即可得到鑄件。

9.2.1造型方法

造型是砂型鑄造中最基本、最重要的工序，一般分為手工造型和機(jī)器造型兩種。

1.手工造型

手工造型是指造型和制芯的主要工作均由手工完成。其特點(diǎn)如下:

(1)操作靈活，可按鑄件尺寸、形狀、批量與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件靈活地選用具體的造型方法。

(2)工藝適應(yīng)性強(qiáng)。

(3)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短。

(4)生產(chǎn)效率低。

(5)質(zhì)量穩(wěn)定性差，鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量較差。

(6)對(duì)工人技術(shù)要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

手工造型主要應(yīng)用于單件、小批生產(chǎn)或難以用造型機(jī)械生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的大型鑄件生產(chǎn)中。

手工造型的方法很多，常用的有以下幾種:

1)整模造型

對(duì)于形狀簡(jiǎn)單、端部為平面且又是最大截面的鑄件，應(yīng)采用整模造型。整模造型操作簡(jiǎn)便，造型時(shí)整個(gè)模樣全部置于一個(gè)砂箱內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)箱缺陷。整模造型適用于形狀簡(jiǎn)單、最大截面在端部的鑄件，如齒輪坯、軸承座、罩、殼等(如圖9－12所示)。圖9－12整模造型

2)分模造型

當(dāng)鑄件的最大截面不在鑄件的端部時(shí)，為了便于造型和起模，模樣要分成兩半或幾部分，這種造型稱(chēng)為分模造型。當(dāng)鑄件的最大截面在鑄件的中間時(shí)，應(yīng)采用兩箱分模造型(如圖9－13所示)，模樣從最大截面處分為兩半部分(用銷(xiāo)釘定位)。造型時(shí)模樣分別置于上、下砂箱中，分模面(模樣與模樣間的接合面)與分型面(砂型與砂型間的接合面)位置相重合。兩箱分模造型廣泛用于形狀比較復(fù)雜的鑄件生產(chǎn)，如水管、軸套、閥體等有孔鑄件。圖9－13套管的分模兩箱造型過(guò)程

3)活塊模造型

將鑄件上妨礙起模的部分(如凸臺(tái)、筋條等)作成活塊，用銷(xiāo)子或燕尾結(jié)構(gòu)使活塊與模樣主體形成可拆連接。起模時(shí)先取出模樣主體，活塊模仍留在鑄型中，起模后再?gòu)膫?cè)面取出活塊的造型方法稱(chēng)為活塊模造型(如圖9－14所示)。活塊模造型主要用于帶有突出部分而妨礙起模的鑄件、單件小批量、手工造型的場(chǎng)合。如果這類(lèi)鑄件大批量生產(chǎn)，需要機(jī)器造型時(shí)，可以用砂芯形成妨礙起模的那部分輪廓。圖9－14角鐵的活塊模造型工藝過(guò)程

4)挖砂造型

當(dāng)鑄件的外部輪廓為曲面(如手輪等)，其最大截面不在端部，且模樣又不宜分成兩半時(shí)，應(yīng)將模樣作成整體，造型時(shí)挖掉妨礙取出模樣的那部分型砂，這種造型方法稱(chēng)為挖砂造型。挖砂造型的分型面為曲面，造型時(shí)為了保證順利起模，必須把砂挖到模樣最大截面處(如圖9－15所示)。由于是手工挖砂，操作技術(shù)要求高，生產(chǎn)效率低，因此挖砂造型只適用于單件、小批量生產(chǎn)。圖9－15手輪的挖砂造型工藝過(guò)程

2.機(jī)器造型

機(jī)器造型是指用機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)緊砂和起模的造型方法。與手工造型方法相比，機(jī)器造型既提高了生產(chǎn)率，改善了勞動(dòng)條件，又提高了鑄件精度和表面質(zhì)量。但是機(jī)器造型所用造型設(shè)備和工藝裝備的費(fèi)用高，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，它只適用于中、小鑄件成批或大量的生產(chǎn)。

1)震壓造型

以壓縮空氣為動(dòng)力的震壓造型機(jī)最為常用。通過(guò)震擊使得砂箱下部的型砂在慣性力下緊實(shí)，再用壓頭將砂箱上部松散的型砂壓實(shí)。震壓造型機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，但它噪聲大，砂型緊實(shí)度不高。

2)微震壓實(shí)造型

和震壓造型原理相同，微震壓實(shí)造型只是在對(duì)型砂壓實(shí)的同時(shí)進(jìn)行微震。微震是指頻率高(480~900次/分)、振幅小(小于幾十毫米)的振動(dòng)。微震壓實(shí)造型機(jī)比震壓造型機(jī)緊實(shí)砂型的緊實(shí)度更高，生產(chǎn)效率也高，但噪聲較大。

3)高壓造型

壓力大于0.7MPa的機(jī)器造型稱(chēng)為高壓造型。高壓微震造型機(jī)制出的砂型緊實(shí)度、鑄件尺寸精度和表面光潔度都比較高，噪聲和灰塵也較少，生產(chǎn)效率高。但該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

4)射壓造型

射壓造型是采用射砂和壓實(shí)復(fù)合方法緊實(shí)型砂。型砂被壓縮空氣高速射入造型室內(nèi)，再由高壓壓實(shí)，形成一個(gè)高強(qiáng)度并帶有左、右型腔的砂型塊。射壓造型法尺寸精度、生產(chǎn)效率都較高，機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)化。

5)拋砂造型

對(duì)于大砂型，可用拋砂造型機(jī)來(lái)造型。拋砂造型機(jī)中高速放置的葉片把型砂高速拋到砂箱中緊實(shí)。拋砂造型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適用于大型鑄件造型，可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力。

9.2.2鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)是生產(chǎn)鑄件的第一步，需根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、批量大小及生產(chǎn)條件等確定適宜的鑄造工藝方案。它包括澆注位置和分型面的選擇，工藝參數(shù)的確定等，并將這些內(nèi)容表達(dá)在零件圖上形成鑄造工藝圖。

1.澆注位置的選擇

澆注位置是指金屬澆注時(shí)鑄件所處的空間位置。澆注位置是否正確對(duì)鑄件的質(zhì)量影響很大，選擇澆注位置一般應(yīng)考慮下面幾個(gè)原則。

(1)鑄件的重要加工面應(yīng)朝下或位于側(cè)面。

在澆注過(guò)程中，金屬液中的氣體和熔渣往上浮，且由

于靜壓力作用鑄件下部組織致密。圖9－16所示為車(chē)床床

身鑄件的澆注位置方案。由于床身導(dǎo)軌面是重要表面，不

允許有明顯的表面缺陷，而且要求組織致密，因此應(yīng)將導(dǎo)

軌面朝下澆注。圖9－16車(chē)床床身的澆注位置

(2)鑄件的大平面應(yīng)朝下。

鑄型的上表面除了容易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷

外，大平面還常容易產(chǎn)生夾砂缺陷。因此，平板、圓盤(pán)類(lèi)

鑄件的大平面應(yīng)朝下澆注。

(3)面積較大的薄壁部分置于鑄型下部或使其處于垂直、傾斜位置。

通過(guò)增加薄壁處金屬液的壓強(qiáng)，提高金屬液的流動(dòng)性，防止薄壁部分產(chǎn)生澆不足或冷隔缺陷。薄壁件的澆注位置如圖9－17所示。圖9－17薄壁件的澆注位置

(4)應(yīng)將容易產(chǎn)生縮孔的厚大部分放在分型面附近的上部或側(cè)

面。

這是為了便于在鑄件厚壁處直接安置冒口，使之實(shí)現(xiàn)自下而上的定向凝固。如圖9－18所示的鑄鋼卷?yè)P(yáng)筒澆注位置方案，澆注時(shí)厚端放在上部是合理的；反之，若厚端在下部，則難以補(bǔ)縮。圖9－18卷?yè)P(yáng)筒的澆注位置

2.分型面的選擇

分型面是指砂箱間可分開(kāi)的接觸表面。分型面如果選擇不當(dāng)，不僅會(huì)影響鑄件質(zhì)量，而且還會(huì)使制模、造型、制芯、合箱或清理等工序復(fù)雜化，甚至還會(huì)增大切削加工的工作量。因此，在保證鑄件質(zhì)量的前提下，分型面的選擇應(yīng)遵循下面幾個(gè)具體原則。

(1)分型面應(yīng)設(shè)在鑄件最大截面處，能保證模樣從型腔中順利取出。

(2)盡量使分型面平直。

圖9－19所示為一起重臂鑄件，按圖中所示的分型面為一平面，故可采用較簡(jiǎn)便的分模造型。如果選用彎曲分型面，則需采用挖砂或假箱造型，而在大量生產(chǎn)中則使機(jī)器造型的模底板的制造費(fèi)用增加。圖9－19起重臂的分型面

(3)應(yīng)盡量使鑄型只有一個(gè)分型面，以便采用工藝簡(jiǎn)便的兩箱造型。

圖9－20(a)所示的三通，其內(nèi)腔必須采用一個(gè)T字型芯來(lái)形成，但不同的分型方案，其分型面數(shù)量不同。當(dāng)中心線ab呈垂直時(shí)(如圖9－20(b)所示)，鑄型必須有三個(gè)分型面才能取出模樣，即用四箱造型。當(dāng)中心線cd呈垂直時(shí)(如圖9－20(c)所示)，鑄型有兩個(gè)分型面，必須采用三箱造型。當(dāng)中心線ab和cd都呈水平位置時(shí)(如圖9－20(d)所示)，因鑄型只有一個(gè)分型面，采用兩箱造型即可。顯然，圖9－20(d)所示是合理的分型方案。圖9－20三通的分型方案

(4)避免不必要的活塊和型芯。

圖9－21所示支架分型方案是避免用活塊的例子。按圖中方案1，凸臺(tái)必須采用四個(gè)活塊方可制出，而下部?jī)蓚€(gè)活塊的部位較深，取出困難。當(dāng)改用方案2時(shí)，可省去活塊，僅在A處稍加挖砂即可。圖9－21支架的分型方案

(5)應(yīng)盡量避免不必要的型芯。

鑄件的內(nèi)腔一般是由型芯形成的，有時(shí)可用型芯簡(jiǎn)化模樣的外形，制出妨礙起模的凸臺(tái)、側(cè)凹等。但制造型芯需要專(zhuān)用的工藝裝備，并增加下芯工序，這會(huì)增加鑄件成本。如圖9－22所示的輪形鑄件，由于輪的圓周面外側(cè)內(nèi)凹，在批量不大的生產(chǎn)條件下，多采用三箱造型。但在大批量生產(chǎn)條件下，采用機(jī)器造型，需要改用圖中所示的環(huán)狀型芯，使鑄型簡(jiǎn)化成只有一個(gè)分型面，這種方法盡管增加了型芯的費(fèi)用，但可通過(guò)機(jī)器造型所取得的經(jīng)濟(jì)效益得到補(bǔ)償。圖9－22使用型芯減少分型面

(6)盡量使鑄件全部或大部置于同一砂箱，以保證鑄件精度。

如圖9－23所示，床身鑄件的頂部為加工基準(zhǔn)面，導(dǎo)軌部分屬于重要加工面。若采用圖(b)中所示方案2分型，錯(cuò)箱會(huì)影響鑄件精度。圖(a)中所示方案1在凸臺(tái)處增加一外型芯，可使加工面和基準(zhǔn)面處于同一砂箱內(nèi)，保證鑄件的尺寸精度。圖9－23車(chē)床床身鑄件

(7)盡量使型腔及主要型芯位于下型。

這樣做便于造型、下芯、合箱和檢驗(yàn)鑄件壁厚。但下型型腔也不宜過(guò)深，并盡量避免使用吊芯和大的吊砂。機(jī)床支架如圖9－24所示。

值得注意的是，選擇分型面的上述諸原則，對(duì)于某個(gè)具體的鑄件來(lái)說(shuō)難以全面滿(mǎn)足，有時(shí)甚至互相矛盾。因此，必須抓住主要矛盾，全面考慮，至于次要矛盾，則應(yīng)從工藝措施上設(shè)法解決。圖9－24機(jī)床支架

3.工藝參數(shù)的確定

在鑄造工藝方案初步確定之后，還必須選定鑄件的機(jī)械加工余量、起模斜度、收縮率、鑄造圓角等具體參數(shù)。

1)加工余量和最小鑄出孔

在鑄件上為切削加工而加大的尺寸稱(chēng)為機(jī)械加工余量(簡(jiǎn)稱(chēng)加工余量)。其數(shù)值取決于鑄件的生產(chǎn)批量、合金的種類(lèi)、鑄件的大小、加工面與基準(zhǔn)面之間的距離及加工面在澆注時(shí)的位置等。采用機(jī)器造型，鑄件精度高，加工余量可減小;手工造型誤差大，加工余量應(yīng)加大。

鑄鋼件表面粗糙，加工余量應(yīng)加大；非鐵合金鑄件價(jià)格昂貴，且表面光潔，加工余量應(yīng)比鑄鐵小。鑄件的尺寸愈大或加工面與基準(zhǔn)面之間的距離愈大，尺寸誤差也愈大，故加工余量也應(yīng)隨之加大。在澆注時(shí)，鑄件朝上的表面因產(chǎn)生缺陷的概率較大，其加工余量應(yīng)比底面和側(cè)面大。

一般來(lái)說(shuō)，鑄件上較大的孔、槽應(yīng)當(dāng)鑄出，以減少切削加工工時(shí)，節(jié)約金屬材料，并可減小鑄件上的熱節(jié);較小的孔則不必鑄出，用機(jī)加工較經(jīng)濟(jì)。在單件和小批量生產(chǎn)條件下，鑄鐵件的孔徑小于30mm，凸臺(tái)高度和凹槽深度小于10mm時(shí)，可以不鑄出，這些簡(jiǎn)化的部分由以后切削加工制出。對(duì)于零件圖上不要求加工的孔、槽以及彎曲孔等，一般均應(yīng)鑄出。

2)起模斜度

為了使模樣(或型芯)易于從砂型(或芯盒)中取出，凡垂直于分型面的立壁，制造模樣時(shí)必須留出一定的傾斜度，此傾斜度稱(chēng)為起模斜度，如圖9－25所示。

起模斜度的大小取決于側(cè)壁高度、造型方法、模型材料等因素。側(cè)壁越高，起模斜度越?。粰C(jī)器造型比手工造型起模斜度?。唤饘倌颖饶灸悠鹉Ｐ倍刃?。鑄件外壁起模斜度一般為0.5°~3°，鑄件內(nèi)壁為3°~10°。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單、起模無(wú)困難的模樣，可不加起模斜度;當(dāng)零件上具有結(jié)構(gòu)斜度時(shí)，可不加起模斜度。圖9－25起模斜度

3)收縮率

鑄件冷卻后的尺寸比鑄型尺寸略為縮小，為保證鑄件的應(yīng)有尺寸，模樣尺寸必須比鑄件放大一個(gè)該合金的收縮率。鑄造收縮率主要取決于合金的種類(lèi)，同時(shí)與鑄件的結(jié)構(gòu)、大小、壁厚及收縮時(shí)受阻礙情況有關(guān)。對(duì)于一些要求較高的鑄件，如果收縮率選擇不當(dāng)，將影響鑄件尺寸精度，使某些部位偏移，影響切削加工和裝配。通常，灰鑄鐵的鑄造收縮率為0.7%~1.0%，鑄造碳鋼為1.3%~2.0%，鑄造錫青銅為1.2%~1.4%。

4)鑄造圓角

鑄造圓角是指鑄件上壁和壁的交角應(yīng)作成圓弧過(guò)渡，以防止在該處產(chǎn)生縮孔和裂紋。鑄造圓角的半徑值一般為兩相交壁平均厚度的1/3~1/2。

4.鑄造工藝圖

鑄造工藝圖是鑄造過(guò)程最基本和最重要的工藝文件之一，它對(duì)模樣的制造、工藝裝備的準(zhǔn)備、造型造芯、型砂烘干、合型澆注、落砂清理及技術(shù)檢驗(yàn)等，都起指導(dǎo)和依據(jù)的作用。

鑄造工藝圖是用紅、藍(lán)兩色鉛筆，將各種簡(jiǎn)明的工藝符號(hào)，標(biāo)注在產(chǎn)品零件圖上的圖樣。具體可從以下幾方面進(jìn)行分析。

(1)分型面和分模面。

(2)澆注位置，澆冒口的位置、形狀、尺寸和數(shù)量。

(3)工藝參數(shù)。

(4)型芯的形狀、位置和數(shù)目，型芯頭的定位方式和安裝方式。

(5)冷鐵的形狀、位置、尺寸和數(shù)量。

(6)其他。

9.3特種鑄造

所謂特種鑄造，是指有別于砂型鑄造方法的其他鑄造工藝。目前特種鑄造方法已發(fā)展到幾十種，常用的有熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造、連續(xù)鑄造、消失模鑄造、磁性鑄造、差壓鑄造和半固態(tài)鑄造等。這些特種鑄造方法都不同程度地提高了鑄件質(zhì)量。

9.3.1熔模鑄造

熔模鑄造又稱(chēng)失蠟鑄造、熔模精密鑄造，是精密鑄造法的一種。熔模鑄造工藝過(guò)程示意圖如圖9－26所示。用易熔材料(蠟或塑料等)制成高尺寸精度的可熔性模型，并進(jìn)行蠟?zāi)＝M合；涂以若干層耐火涂料，經(jīng)干燥、硬化成整體型殼；加熱型殼熔失模型，經(jīng)高溫焙燒而成耐火型殼；在型殼中澆注鑄件。圖9－26熔模鑄造工藝過(guò)程示意圖

熔模鑄造有以下特點(diǎn):

(1)尺寸精度高。熔模鑄造鑄件精度可達(dá)CT4級(jí)，表面粗糙度低(Ra值為12.5~1.6μm)。

(2)適用于各種鑄造合金、各種批量生產(chǎn)，尤其在難加工金屬材料如鑄造刀具、渦輪葉片等生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。

(3)可以制造出用砂型鑄造、鍛壓、切削加工等方法難以制造的形狀復(fù)雜的零件，而且可以使一些焊接件、組合件在稍進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后直接鑄造出整體零件。

(4)可以鑄造出各種薄壁鑄件及質(zhì)量很小的鑄件。

(5)生產(chǎn)工序繁多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

9.3.2金屬型鑄造

將液態(tài)合金澆入金屬鑄型獲得鑄件的方法稱(chēng)為金屬型鑄造。和砂型鑄造相比，金屬型鑄造可重復(fù)多次使用，故又稱(chēng)永久型鑄造。圖9－27所示為澆注鋁合金活塞用的金屬型。圖9－27鋁合金活塞用的金屬型

和砂型鑄造相比，金屬型鑄造有導(dǎo)熱快、沒(méi)有退讓性等缺點(diǎn)，為了獲得合格的鑄件，必須嚴(yán)格控制其鑄造工藝，要求如下:

(1)噴刷涂料。金屬型腔和型芯表面必須噴刷一定厚度的耐火涂料，以防止高溫金屬液體對(duì)金屬型壁的直接沖刷，還可以減緩鑄件的冷卻速度。不同鑄造合金采用不同的涂料，鋁合金鑄件常采用由氧化鋅粉、滑石粉和水玻璃組成的涂料，灰鑄鐵鑄件常采用由石墨、滑石粉、耐火黏土、桃膠和水組成的涂料。

(2)預(yù)熱鑄型。鑄鐵件預(yù)熱溫度為250~350℃，有色金屬件的為100~250℃。預(yù)熱的目的是減緩鑄型對(duì)金屬的激冷作用，降低液體合金冷卻速度，減少鑄件易出現(xiàn)的冷隔、澆不足、夾雜、氣孔等缺陷。

(3)控制澆注溫度。澆注溫度比砂型鑄造高20~30℃。通常，鑄造鋁合金為680~740℃，灰鑄鐵為1300~1700℃，鑄造錫青銅為1100~1150℃。

(4)控制開(kāi)型時(shí)間。鑄件在金屬型腔內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，其收縮量越大，鑄件出型和抽芯也越困難，鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋的可能性也越大。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制鑄件在鑄型中的時(shí)間。一般情況下，小型鑄鐵件的開(kāi)型時(shí)間為10~60s。

金屬型鑄造可實(shí)現(xiàn)“一型多鑄”，能節(jié)省造型材料和造型工時(shí)；金屬型鑄造對(duì)鑄件的冷卻能力強(qiáng)，獲得鑄件的組織致密、機(jī)械性能高；金屬型鑄造的鑄件尺寸精度高，表面粗糙度較低；金屬型鑄造不用砂或用砂少，改善了勞動(dòng)條件。但是金屬型制造成本高、周期長(zhǎng)，工藝要求嚴(yán)格，主要用于熔點(diǎn)較低的有色金屬或合金鑄件的大批量生產(chǎn)，如飛機(jī)、汽車(chē)、內(nèi)燃機(jī)等用的鋁活塞、汽缸體、汽缸蓋及銅合金的軸瓦、軸套等。

9.3.3壓力鑄造

壓力鑄造簡(jiǎn)稱(chēng)壓鑄，是通過(guò)壓鑄機(jī)將熔融金屬以高速壓入金屬鑄型，并使金屬在壓力下結(jié)晶的鑄造方法。常用壓力為5~150MPa，充填速度為0.

5~50m/s，充填時(shí)間為0.01~0.2s。

壓鑄機(jī)按其工作原理結(jié)構(gòu)形式分為冷壓室壓鑄機(jī)(有臥式、立式、全立式三種)和熱壓室(有普通熱室、臥式熱室兩種)壓鑄機(jī)。冷室壓鑄機(jī)的壓室和熔爐是分開(kāi)的，壓鑄時(shí)要從保溫爐中舀取金屬液倒入壓室內(nèi)，再進(jìn)行壓鑄。熱室壓鑄機(jī)的壓室與合金熔化爐連成一體，壓室浸在保溫坩堝的液體金屬中，壓射機(jī)構(gòu)裝在坩堝上面，用機(jī)械機(jī)構(gòu)或壓縮空氣所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行壓鑄。圖9－28所示為壓鑄示意圖。

圖9－28壓鑄示意圖

壓力鑄造的特點(diǎn):

(1)生產(chǎn)效率極高，而且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量好，具有較高的尺寸精度和表面質(zhì)量，力學(xué)性能好，尺寸穩(wěn)定性好，互換性好，輪廓清晰，適用于大量生產(chǎn)有色合金的小型、薄壁、復(fù)雜鑄件。

(3)便于鑄造出鑲嵌件。將其他金屬或非金屬材料預(yù)制成嵌件，鑄前先放入壓型中，再經(jīng)壓鑄使嵌件和壓鑄合金結(jié)合成一體。這可簡(jiǎn)化零件制作過(guò)程，節(jié)省金屬材料，簡(jiǎn)化裝配工序，改善鑄件局部性能，如強(qiáng)度、耐磨件、導(dǎo)電件及絕緣性等。

(4)壓力鑄造設(shè)備投資大，壓鑄模制造復(fù)雜，周期長(zhǎng)，費(fèi)用大，一般不宜于小批量生產(chǎn)。

9.3.4離心鑄造

離心鑄造是將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中，在離心力作用下填充鑄型而凝固成形的一種鑄造方法。

按旋轉(zhuǎn)軸的空間位置，離心鑄造機(jī)可分為立式和臥式兩類(lèi)。立式離心鑄造機(jī)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，主要用于生產(chǎn)高度小于直徑的圓環(huán)鑄件；臥式離心鑄造機(jī)繞水平軸旋轉(zhuǎn)，主要用于生產(chǎn)長(zhǎng)度大于直徑的管類(lèi)和套類(lèi)鑄件。圖9－29所示為離心鑄造原理圖。圖9－29離心鑄造原理圖

與砂型鑄造相比，離心鑄造的鑄件致密度高，氣孔、夾渣等缺陷少，故力學(xué)性能較好；生產(chǎn)中空鑄件時(shí)可不用型芯，故在生產(chǎn)長(zhǎng)管形鑄件時(shí)可大幅度地改善金屬充型能力，降低鑄件壁厚對(duì)其長(zhǎng)度或直徑的比值，簡(jiǎn)化套筒和管類(lèi)鑄件的生產(chǎn)過(guò)程；生產(chǎn)中幾乎沒(méi)有澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)的金屬消耗，提高工藝出品率；可借離心力提高金屬的充型能力，故可生產(chǎn)薄壁鑄件。離心鑄造的缺點(diǎn)是內(nèi)表面較粗糙，不適合鑄造比重偏析大的合金(如鉛青銅等)和輕合金(如鎂合金等)。

離心鑄造主要用于大批量生產(chǎn)套、管類(lèi)鑄件，如鑄鐵管、銅套、缸套、雙金屬鋼背鋼套、雙金屬鑄鐵軋輥、加熱爐底耐熱鋼輥道、特殊鋼無(wú)縫鋼管毛坯、剎車(chē)鼓、活塞環(huán)毛坯、銅合金蝸輪毛坯等。

9.3.5陶瓷型鑄造

陶瓷型鑄造是把砂型鑄造和熔模鑄造相結(jié)合，發(fā)展形成的一種精密鑄造工藝。陶瓷型鑄造工藝分兩種:一種是全部采用陶瓷漿料制鑄型，另一種是采用砂套作為底套表面再灌注陶瓷漿料制作陶瓷型。

陶瓷型鑄造包括陶瓷型的制造、焙燒、合箱和澆注等主要工序。

(1)陶瓷型的制造。陶瓷型有完全陶瓷型和底套式陶瓷型兩種。底套可以是砂套(砂套陶瓷型鑄造工藝過(guò)程如圖9－30所示)，也可以是金屬套。金屬套經(jīng)久耐用，獲得鑄件尺寸精度穩(wěn)定，適合于大批量鑄件的生產(chǎn)。

(2)焙燒陶瓷型并合箱。澆注前將陶瓷型在350~550℃下焙燒2~5h，可去除殘存的乙醇和水分，并進(jìn)一步提高陶瓷型的強(qiáng)度。圖9－30砂套陶瓷型鑄造工藝過(guò)程

(3)澆注金屬液，凝固后獲得鑄件。

陶瓷型鑄造的優(yōu)點(diǎn)：陶瓷材料耐高溫，故可澆注高熔點(diǎn)合金，其大小不受限制，最大可達(dá)幾噸;和熔模鑄造相比，鑄件尺寸精度和表面粗糙度較高;對(duì)單件、小批量生產(chǎn)鑄件，其工藝簡(jiǎn)單、圖9－31連續(xù)鑄管示意圖投產(chǎn)快、生產(chǎn)周期短。陶瓷型鑄造已成為生產(chǎn)大型和厚壁精密鑄件的方法，如沖模、鍛模、玻璃器皿模、壓鑄模等，也可用于鑄造中型精密鑄鋼件。

陶瓷型鑄造的缺點(diǎn)：陶瓷漿材料價(jià)格昂貴，不適合大批量鑄件的生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

9.3.6連續(xù)鑄造

連續(xù)鑄造是指將金屬液連續(xù)不斷地澆入結(jié)晶器的一端，并從另一端將已凝固的鑄件連續(xù)不斷地拉出，從而獲得任意長(zhǎng)度或特定長(zhǎng)度的等截面鑄件的方法，也簡(jiǎn)稱(chēng)為連鑄。

連續(xù)鑄錠是先在結(jié)晶器下端插入引錠以便形成結(jié)晶器的底，當(dāng)澆入一定高度的金屬液后開(kāi)動(dòng)拉錠裝置，鑄錠便隨引錠下降，這樣金屬液不斷地從結(jié)晶器上端澆入，引錠連續(xù)地將鑄錠從結(jié)晶器下端拉出。連續(xù)鑄管的工藝與此類(lèi)似，只需在結(jié)晶器中央加一內(nèi)結(jié)晶器，以形成鑄管的內(nèi)腔，如圖9－31所示。圖9－31連續(xù)鑄管示意圖

與普通鑄造相比，連續(xù)鑄造有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：冷卻速度快，液體補(bǔ)縮及時(shí)，鑄件晶粒組織致密，力學(xué)性能好，無(wú)縮孔等缺陷；無(wú)澆注系統(tǒng)和冒口，鑄錠軋制時(shí)不必切頭去尾，節(jié)約了大量金屬并提高材料利用率；可實(shí)現(xiàn)連鑄連軋，節(jié)約能源；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，連續(xù)鑄造作為一種生產(chǎn)任意長(zhǎng)度等截面件的方法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛。

9.3.7消失模鑄造

消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫塑料模型黏結(jié)組合成模型簇，然后在其表面刷涂耐火涂料并烘干，把烘干好的模型簇埋在干石英砂中震動(dòng)造型，并在負(fù)壓下開(kāi)始澆注，高溫金屬液體一接觸泡沫塑料模型馬上使模型汽化，金屬液體占據(jù)泡沫模型原來(lái)的空間，冷卻凝固后形成鑄件。消失模鑄造示意圖如圖9－32所示。圖9－32消失模鑄造示意圖

消失模鑄造無(wú)需起模、分型和制芯，生產(chǎn)率高;鑄件質(zhì)量好，成本低;對(duì)鑄件材料和尺寸沒(méi)有限制，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，還可以大大改善作業(yè)環(huán)境、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度及減少能源消耗，被譽(yù)為綠色鑄造技術(shù)。

9.3.8磁性鑄造

磁性鑄造實(shí)質(zhì)是采用鐵丸代替型砂及型芯砂，用磁場(chǎng)作用力代替鑄造黏結(jié)劑，用泡沫塑料消失模代替普通模樣的一種新的鑄造方法。磁性鑄造原理如圖9－33所示。

與砂型鑄造相比，磁性鑄造提高了鑄件質(zhì)量，因與消失模鑄造原理相似，其質(zhì)量狀況與消失模鑄造相同，同時(shí)更比消失模鑄造減少了鑄造材料的消耗。磁性鑄造已用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上，可鑄材料和鑄件大小范圍廣，常用于汽車(chē)零件等精度要求高的中小型鑄件生產(chǎn)。

9.3.9差壓鑄造

差壓鑄造又稱(chēng)反差鑄造，其實(shí)質(zhì)是使液態(tài)金屬在壓差的作用下，澆注到預(yù)先有一定壓力的型腔內(nèi)，凝固后獲得鑄件的一種工藝方法。

差壓鑄造裝置如圖9－34所示，其工作原理是:澆注前密封室內(nèi)有一定的壓力(或真空度)，然后往密封室A中加壓或由密封室B減壓，使A、B室之間形成壓力差，進(jìn)行升液、充型和結(jié)晶。圖9－34差壓鑄造裝置示意圖

9.3.10半固態(tài)鑄造

20世紀(jì)麻省理工學(xué)院Flemings教授發(fā)現(xiàn)，金屬在凝固過(guò)程中，進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌或通過(guò)控制凝固條件，抑制樹(shù)枝晶的生成或破碎所生成的樹(shù)枝晶，可形成具有等軸、均勻、細(xì)小的初生相均勻分布于液相中的懸浮半固態(tài)漿料。這種漿料在外力作用下即使固相率達(dá)到60%仍具有較好的流動(dòng)性?？衫脡鸿T、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進(jìn)行加工，這種工藝方法稱(chēng)為半固態(tài)金屬加工技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)SSM)。

半固態(tài)鑄造成形的主要工藝路線有兩條：一條是將獲得的半固態(tài)漿料在其半固態(tài)溫度的條件下直接成形，通常稱(chēng)為流變鑄造；另一條是將半固態(tài)漿料制備成坯料，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度后加工成形，通常稱(chēng)為觸變鑄造。半固態(tài)鑄造的兩種工藝流程如圖9－35所示。對(duì)觸變鑄造，由于半固態(tài)坯料便于輸送，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因而在工業(yè)中較早得到推廣。對(duì)于流變鑄造，由于將攪拌后的半固態(tài)漿料直接成形，具有高效、節(jié)能、短流程的特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展很快。

圖9－35半固態(tài)鑄造的兩種工藝流程

半固態(tài)鑄造具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)充型平穩(wěn)，加工溫度較低，模具壽命大幅提高;凝固時(shí)間短，生產(chǎn)率高。

(2)鑄件內(nèi)部組織致密，氣孔和偏析少;晶粒細(xì)小，力學(xué)性能接近鍛件。

(3)凝固收縮小，尺寸精度高，可實(shí)現(xiàn)近凈成形、凈終成形加工。

(4)適宜于鑄造鋁、鎂、鋅、鎳、銅合金和鐵碳合金，尤其適宜于鋁、鎂合金。

半固態(tài)鑄造已在汽車(chē)業(yè)中得到廣泛重視。目前，用半固態(tài)鑄造成形技術(shù)生產(chǎn)的汽車(chē)零件包括剎車(chē)制動(dòng)筒、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、輪轂、傳動(dòng)系統(tǒng)零件、燃油系統(tǒng)零件和汽車(chē)空調(diào)零件等。

9.4鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)鑄件的質(zhì)量、生產(chǎn)率以及成本有很大的影響。鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化生產(chǎn)鑄件的制模、造型、制芯、合箱和清理等工序，并易于保證鑄件質(zhì)量和提高成品率。

9.4.1鑄件外形的設(shè)計(jì)

對(duì)鑄件外形的要求是指鑄件的外形應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以便于進(jìn)行造型時(shí)的起模。

(1)盡量避免曲面分型。

鑄件外形應(yīng)去掉不必要的外圓角，使分型面為平面。圖9－36(a)所示的托架鑄件設(shè)計(jì)有不必要的外圓角，使造型復(fù)雜;去掉外圓角，如圖(b)所示，可便于整模造型。圖9－36托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(2)避免外部側(cè)凹。

鑄件起模方向如有側(cè)凹，就必須增加分型面數(shù)量或增加外部型芯，這勢(shì)必增加了造型工作量。機(jī)床鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9－37所示。

(3)避免設(shè)計(jì)凸臺(tái)、筋條。

在設(shè)計(jì)鑄件上凸臺(tái)、筋條及法蘭時(shí)，應(yīng)考慮便于造型和起模，盡量避免不必要的型芯和活塊。凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和筋條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別如圖9－38和圖9－39所示。圖9－37機(jī)床鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖9－39筋條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(4)盡量減少型芯的使用。

型芯的制作比砂型要麻煩，而且還增加了原材料的消耗。因此，鑄件應(yīng)盡量少用型芯，尤其是批量較少的產(chǎn)品。圖9－40所示的支柱有兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，采用圖(b)所示方案可以省去型芯。圖9－40支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(5)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斜度。

結(jié)構(gòu)斜度是指在鑄件所有垂直于分型面的非加工面上設(shè)計(jì)的斜度，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斜度可使起模容易。結(jié)構(gòu)斜度如圖9－41所示。圖9－41結(jié)構(gòu)斜度

(6)避免水平放置較大的平面。

水平放置的大平面，不利于液態(tài)金屬的流動(dòng)，容易產(chǎn)生澆不足、夾渣、氣孔及夾砂等缺陷。薄壁罩殼的設(shè)計(jì)如圖9－42所示。圖9－42薄壁罩殼的設(shè)計(jì)

(7)細(xì)長(zhǎng)、易撓曲的梁形鑄件截面應(yīng)對(duì)稱(chēng)。

對(duì)稱(chēng)截面可使梁形鑄件的收縮相互抵消，梁形鑄件的設(shè)計(jì)如圖9－43所示。圖9－43梁形鑄件的設(shè)計(jì)

(8)應(yīng)在鑄件易產(chǎn)生變形或裂紋的部位設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋或防裂筋。

設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋或防裂筋的目的是防止產(chǎn)生變形或裂紋。平板鑄件的設(shè)計(jì)如圖9－44所示。圖9－44平板鑄件的設(shè)計(jì)

(9)避免鑄件收縮受阻。

鑄件收縮時(shí)受阻，鑄件內(nèi)應(yīng)力可能超過(guò)合金的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。輪軸的設(shè)計(jì)如圖9－45所示，圖中輪輻為直線且為偶數(shù)，每條輪輻與另一條成直線排列，收縮時(shí)互相牽制、彼此受阻。若改成奇數(shù)輪輻或彎曲輪輻，則更合理些。圖9－45輪輻的設(shè)計(jì)

9.4.2鑄件壁厚的設(shè)計(jì)

(1)鑄件壁厚應(yīng)適當(dāng)。

首先，壁厚不能小于規(guī)定鑄件的最小壁厚，否則容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。壁厚的設(shè)計(jì)如圖9－46所示。圖9－46壁厚的設(shè)計(jì)

其次，鑄件厚度不能太大。因?yàn)樵诤癖诓糠值男牟浚鋮s速度較慢，容易引起晶粒粗大，還會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松、偏析等缺陷，易產(chǎn)生縮孔和縮松。壁厚的設(shè)計(jì)如圖9－47所示。圖9－47壁厚的設(shè)計(jì)

(2)鑄件壁厚應(yīng)均勻。

壁厚不均的鑄件易在厚壁處產(chǎn)生縮孔和縮松，且由于冷卻速度不同，鑄造