铸造工艺学第9章课件

1、第9章 铸造工装设计9.1.1模样1. 模样的类型按模样的材质、结构和尺寸分类如表9-1所示。9.1 模样及模板2. 材质的选择（1）木模 具有轻便、容易加工、来源广、价格低廉的优点，但其强度低、易吸潮而变形、精度低、寿命短。适用于单件、小批量生产的各种铸件。（2）菱苦土模（芯盒） 8万千瓦水轮机泄水锥铸件的模样采用菱苦土制作，模样实例参见图9-1。（3）金属模 表面光洁，尺寸精确，强度高，刚性大，使用寿命长，但难以加工，生产周期较长，成本高，制造前应经过专门的设计，适用于大量、成批生产的各种铸件。常用金属模材料、特点及使用范围见表9-2。（4）塑料模 大多为环氧树脂玻璃钢结构，制造、修理简便

2、，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模样。（5）聚苯乙烯泡沫塑料模（消失模） 由可发性聚苯乙烯珠粒直接发泡制成模样或板材，造型后不取出模样，直接浇注，模样遇金属液气化烧去。 使用泡沫塑料模能简化造型，节约砂芯，铸件尺寸精度较高，易实现机械化、自动化生产，但模样只能用一次。由于模样容易变形，故多用于不舂砂的实型造型法、磁丸造型的中、小铸件和单件生产的中、大型铸钢件。3. 金属模的结构设计 金属模样设计的主要内容包括：模样材料的选择、结构设计、尺寸确定、对模样技术要求的制定等。结

3、构设计总的原则是在满足铸造工艺设计要求的前提下，便于加工制造，对于特别复杂、难于加工的模样，可采用陶瓷型铸造法、电铸法等，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9-3进行选择。 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，如模样部分表面凹入分型面以下（图9-2a），分型面以上模样过薄，加工、固定困难（图9-2b），分型面通过模样圆角（图9-2c），很小的金属模样（图9-2d），为便于加工、定位和固定等。（2）模样壁厚和加强筋 应尽量减轻金属模样质量，除了薄小模样（模样平均轮廓尺寸小于50mm，高度小于30mm）可制成实心以外，一般都应制成空心结

4、构。平均轮廓尺寸大于150mm的模样，内部设加强筋，加强筋形式和模样壁厚选择见图9-3。 高压造型用模样壁厚应比图9-3所给的尺寸加大50%100%，加强筋应采用落地式，具体见表9-4。 模样加强筋的布置及其间距见表9-5，加强筋的厚度与斜度见表9-6。（3）模样非工作表面圆角半径 见表9-7。（4）模样活块结构 见表9-8。（5）固定和定位孔 模样向模底板上固定，可用螺钉或螺栓，用定位销定位。 模样上钻通孔，螺钉穿过模样与模底板固定，称为上固定法，如图9-4a。 模底板上钻通孔，模样上攻螺纹孔的固定方法称为下固定法，如图9-4b。4. 模样（芯盒）尺寸的计算及标注 模样（芯盒）的尺寸可分两类

5、：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。凡与铸件有关的尺寸，都应把铸件尺寸按铸造收缩率加以放大。 模样的尺寸标注，应以所铸零件的加工基准面作为基准，特别是往模板上安装的定位基准线更应服从铸件图，以确保铸件的尺寸精度。 对于大量生产的定型产品，金属模样（芯盒）工作表面尺寸偏差要求见表9-9，分模面平面度要求见表9-10。9.1.2模板1. 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。2. 模板种类 常用模板种类见表9-11，实例见图9-6、图9-7、图9-8。3. 模底板结

6、构 单面模底板的典型结构见图9-7。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、供运输用的吊轴或手把、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。 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9-12。4. 模样在模底板上的装配（1）模样在模底板上的装配形式 装配形式及其图例见表9-13所示。（2）模样在模底板上的定位 单面模板上下两半模样必须准确定位，以免铸件错位（错箱），其定位必须以模板上的导向销和定位销为定位基准，参见图9-9。（3）模样在模底板上的紧固 单面和双面模板模样在模底板上的紧固形式如表9-14和表9-15。紧固螺

7、钉的规格及间距见表9-16。（4）浇冒口系统和芯头模样在模底板上的装配 直浇道模样的装配方式如图9-10和图9-11，图9-10直浇道模样滑动销钉的尺寸规格见表9-17；横浇道模样的紧固见图9-12，直浇道窝模样的紧固见图9-13，出气孔（出气销的出气片）模样的紧固见图9-14，冒口模样的定位见图9-15。 为方便加工，芯头模样常单独制造，装配时，水平芯头模样一面用沉头螺钉与模样本体连接，一面用销钉与模底板定位，如图9-16。对垂直芯头，尺寸较小时可用螺纹直接拧入模样本体，较大时可用嵌入式，分别见图9-17a和图9-17b。5. 模板和砂箱的定位 直接定位法：定位销（套）直接安装在模底板上；间

8、接定位法：定位（套）装在模板框上。模板和模板框之间另有定位（见图9-18）。 定位销与销套的配合精度，大批大量生产一般采用H8/d8，成批生产采用H9/d9，单件小批生产采用H10/d10。依砂箱名义尺寸大小，定位销及销套的名义直径可分别选用20、25、30、35、40mm等，模板和砂箱间的定位元件实例见图9-19。6. 底板上的吊轴及手把 对于平均尺寸小于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调运要设计吊轴，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。7. 设计模板图的注意事

9、项1）模样和浇冒口模的位置、尺寸是否符合铸造工艺图的要求，吃砂量是否合适。2）上、下模板上的模样布局、方向、尺寸标注等是否一致，能否满足合箱的要求。3）根据造型机的具体要求，验算模板高度应低于起模高度等。4）直浇道的位置，合箱后应靠近浇注平台一侧。5）各种螺钉、定位元件位置是否合适，装卸方便与否。9.2.1设计和选用砂箱的基本原则1）满足铸造工艺要求。2）尺寸和结构应符合造型机、起重设备、烘干设备的要求。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）对型砂有足够的附着力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂。5）应尽可能标准化、系列化和通用化，便于制造。9.2 砂箱9.2.2砂箱类

10、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。例如发动机缸体的专用砂箱。通用砂箱：凡是模样尺寸合适的各种铸件均可使用的砂箱，多为长方形。2. 依制造方法分类可分为整铸式、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。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类 分为手工造型用砂箱、机器造型用砂箱，高压、气冲造型用砂箱等。图9-20为手工造型用整铸式大型铸钢砂箱。图9-21为近代高压造型用整铸式双层壁通用砂箱。4. 依砂箱尺寸大小和

11、重量不同分类 分为小型砂箱（内框尺寸300250 mm500400mm，质量不超过25kg），中性砂箱（内框尺寸500350mm1200900mm，质量不超过65kg），大型砂箱三类（内框尺寸大于1200900mm），各类砂箱各有特点和使用范围，应依铸件结构大小和生产性质合理选择砂箱类型。9.2.3 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的尺寸（长度宽度）和砂箱高度。砂箱内框尺寸的确定，主要依模样大小、箱内放置铸件个数，浇冒口尺寸和位置，并应在四周留有合适的吃砂量。吃砂量的最小数据参照表9-18，算出的尺寸应进行标准化和系列化，即将算出的尺寸从数字上进到系列尺寸上。所

12、设计的砂箱长度和宽度应是50或100mm的倍数，高度应是20或50mm的倍数。2. 箱壁结构 砂箱壁的断面形状及尺寸影响砂箱的强度和刚度，要根据砂箱的工作条件、内框大小和材质参照有关资料确定。普通砂箱壁的断面形状见图9-22，高压、气冲造型用的箱壁断面形状如图9-23。3. 箱带（箱档、箱筋） 箱带又名箱档或者箱筋，其主要作用是增加型砂的附着面积和附着力，提高砂型总体强度和刚性，防止塌箱和掉砂，延长砂箱使用期限，但使型砂紧实和落砂困难，限制浇冒口的布局，故一般只用于中、大砂箱。设计箱带时应注意以下几点：1）为了减轻砂箱的重量，便于舂砂和落砂，对于手工造型500mm400mm以下的砂箱可不设箱带

13、，长度大而宽度小于500mm的长方形砂箱，只做出横向箱带，其间距一般取150200mm；当砂箱宽度大于600mm时，即要设横箱带，又要设纵箱带，普通机器造型的下砂箱可不设箱带。2）大砂箱的箱带可以布置成方格形状或长方格形状，圆形砂箱的箱带可布置成扁格形状，大砂箱带也可用装配式，箱带间距一般取120600mm。3）箱带与模样之间应留有合适的吃砂量，砂带布置不应妨碍浇冒口的布局和铸件的收缩。箱带厚度一般取箱壁厚度的75100%，箱带与箱壁连接处应圆滑过渡。4）专用砂箱箱带随模样形状而起伏，各方向至模样表面距离（吃砂量）为：顶面a为1540mm，侧面b 为2045mm，底部距模板c为2545mm。大

14、砂箱取上限，为减轻质量和增加对型砂的附着力，高箱带部位开窗口，见图9-24。5）通用箱带高度取0.250.3倍砂箱高度，以适应不同模样，箱带至冒口、浇口杯模的距离应大于3040mm。4. 砂箱定位 上、下箱之间的定位方法有泥号、楔榫、箱垛、箱锥、止口及定位销等多种，机器造型时只用定位销定位，如图9-25。分插销和座销两种，插销多用于成批生产的矮砂箱，座销用于大量生产的各种砂箱。a、b、c型属于插销，d、e型属于座销。 普通砂箱用的合箱销套的典型结构见图9-26，为更换磨损过度的销套，同种销套的外径可做成三种规格。5. 搬运、翻箱结构 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

15、砂箱。设计这些吊运结构时，应使吊运平衡，翻箱方便，特别强调安全可靠，要严格杜绝人身事故。设计时要考虑最大的负荷，以一次起吊一叠铸型的最大质量作为计算吊轴或吊环的依据，给出较大的安全系数。 吊环、吊轴和手把一般用钢材制造，用铸接法同砂箱相连接，小手把也可用螺纹连接。铸接必须牢靠，吊轴、吊环上的铸接部分应加工出沟槽或倒刺，也可用整铸法，但应保证无缩孔、裂纹等缺陷，为此，箱轴常设计成中空的，或应用内冷铁。6. 砂箱的紧固 常见紧固方式有上箱自重法、压铁法、手工夹紧（箱卡）法和自动卡紧法等，生产方式不同，紧固方式也不尽相同。设计紧固件时应注意以下几点：1）对于铝、镁合金铸造或平均轮廓尺寸大于2500m

16、m以上的大砂箱，靠上箱自重或者压铁来紧固。2）单件、小批量生产，手工造型大砂箱常用螺栓或螺栓卡具紧固，平做立浇的铸型常用M16M30的螺栓紧固。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。常见紧固法实例见图9-27、图9-28和图9-29。芯盒设计一般应满足如下要求：（1）芯盒材料和结构形式应与生产批量相适应，且应具有必要的强度、刚度和耐磨性，以保证达到要求的使用寿命。（2）确保砂芯的几何形状和尺寸精度。（3）有利于安放芯骨、开设排气道等。（4）尽可能减轻芯盒质量，满足选用的制芯设备的装

17、配和操作要求；（5）简化芯盒的制造工艺，减少加工工时，降低制造成本。9.3 芯盒9.3.1普通金属芯盒的类型和材质 普通金属芯盒用于手工制芯和普通制芯机制芯。依制芯方法分普通芯盒、热芯盒、壳芯盒和冷芯盒。几种普通金属芯盒的常用结构见图9-30。9.3.2芯盒结构设计1、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

18、于制造。在多数情况下，都以砂芯的最大断面作为分盒面，有时为了适应砂芯的形状，可采用曲折分盒面，甚至多个分盒面。2、芯盒的主体结构 普通金属芯盒结构的实例如图9-31。 芯盒本体的结构包括芯盒材料、壁厚、加强筋、边缘、活块、镶块等，外围结构包括定位、夹紧装置、手柄、吊轴、同造芯机连结的耳子等，附件有气孔针、通气板和填砂板等。（1）芯盒本体材料的选择 芯盒本体材料及其应用范围见表9-19。（2）壁厚、加强筋和边缘 通常根据芯盒的平均轮廓尺寸及芯盒材料来决定壁厚，见表9-20。壁厚确定后，芯盒外壁即可按砂芯形廓随形而就，应尽量避免过大的热节。 为了加强芯盒的强度和刚度，芯盒外壁上要设置加强筋。此外，

19、加强筋还可增加芯盒高度，以便安放手柄，使芯盒在工作台上放置平稳。设计加强筋时，通常让加强筋随芯盒周边布置，中间适当加筋，呈封闭状或半封闭状，以保证芯盒放置平稳。加强筋的数量依芯盒平均轮廓尺寸而定，见表9-21。（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，活块重心落入芯盒窝座之内，以保持稳定。一般先加工窝座，然后钳工用涂色法修配活块，使之松紧适度。为加工方便，常将芯盒内某些局部镶块分开加工，然后镶装本体上，故叫镶块。关于活块和镶块的结构设计及尺寸要求可参看相关手册。（4） 定位、夹紧结构 对开芯盒常用定位销、铰链及止口定位，定位销是标准件，精度高

20、，应用广。（5）手柄、吊轴 为了搬运、翻转方便，小芯盒可利用突耳当作手柄，中、大芯盒上设置手柄或吊轴。手柄、吊轴可采用铸接式、整铸式及装配式，位置应使芯盒搬运时保持平衡，形式如图9-33。9.3.3 一般金属芯盒的精度 分盒面间隙应小于0.1mm，对开芯盒的重合性尺寸偏差见表9-22。 芯盒的典型结构如图9-34，包括芯盒本体、定位、出芯机构。芯盒本体上有芯腔、射（吹）砂口、排气槽、排气塞或孔等。除芯盒外，还需要设计加热板、水冷射砂板、射头内的导砂块等。9.4 热芯盒和壳芯的特点9.4.1 芯盒材质 芯盒本体材质一般多用灰铸铁，镶块用钢或导热性高的铜合金，定位销、套、顶芯杆、回位导杆等可用T8

21、或T10钢，也可用45钢，淬火达5055HRC。9.4.2 分盒面的确定 依制芯机机型选用垂直分盒或水平分盒面。ZZ863、ZZ8612及K85、K87、K89等机型为垂直分开的芯盒，ZZ8612、ZZ8625及ZZ8640等为水平分开的芯盒。9.4.3 射（吹）砂口 射砂口的位置应优先选择芯头处，这可免去修补砂芯。射口位置的选取应保证砂气流畅通，减少窝气的死角，便于排气。9.4.4 加热方式和芯盒壁厚 电加热方便、清洁、易控制，但费用高；煤气加热便宜，但不易控制，且容易污染环境。当采用电热时，芯盒体多制成厚实的立方体形状，储热量大，使用中温度波动小，最薄处约2030mm。很厚大的芯盒体内直接

22、放入电加热管，管壁距芯盒内腔应大于10mm；煤气加热的芯盒壁厚均匀，厚2025mm。芯盒背面应有足够大的内腔，作为煤气燃烧室，燃烧室高度4560mm。加强筋不应分割燃烧室，并留有进气孔和烟火逸出口。9.4.5 工作内腔尺寸 热（壳）芯盒内腔尺寸通常只考虑铸造收缩率。对中小砂芯，可粗略认为芯盒因升温内腔尺寸的扩大和砂芯出盒后冷却所导致的尺寸缩小相互抵消。实际上，芯盒的热膨胀稍大于砂芯冷却至室温收缩值；对于大芯盒，为了避免砂芯尺寸增大，设计芯盒内腔时，使用较小的铸造收缩率。例如对铸铁件，模样1%的缩尺，热（壳）芯盒用0.8%0.9%的缩尺进行计算，以实际测定的数据设计芯盒最可靠。9.4.6 芯盒的定位 芯盒多用定位销定位，在静芯盒上装销，在动芯盒上装套。为防止两半芯盒因温度不同而将销子“咬死”，销套分圆孔、椭圆孔两种。其结构及布置原理见图9-35和图9-36。小芯盒用2个销，大芯盒（平均轮廓尺寸超过450mm）用34个定位销。9.4.7 排气方式 分盒面上开排气槽，内腔死角处装排气塞，钻排气孔，利用镶块、顶芯杆的间隙也可进行排气。加强排气，可改善砂芯紧实度。芯盒内总排气道面积应为射口面积的0.10.2倍。9.4.8 尺寸精度