铸造浇注系统一

第8章铸造8.1概述将液态金属（或合金）浇注到铸型中，经冷却凝固、清除整理后得到具有预定形状、尺寸和性能的铸件的方法，称为铸造。铸造成型与其它加工方法相比具有下列优点：(1）适用范围广。(2）铸造可以生产各种形状复杂的毛坯，特别适用于生产具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、缸体、叶片、叶轮等。(3）铸件的形状和大小可以与零件很接近，既节约金属材料，又省切削加工工时。(4）铸件一般使用的原材料来源广、铸件成本低。(5）铸造工艺灵活，生产率高，既可以手工生产，也可以机械化生产。8．2砂型铸造在铸造生产中，将金属液浇入到砂质型腔中，待其冷却凝固后，得到铸件的方法称为砂型铸造。8.2.1型砂和芯砂1.型（芯）砂的性能①强度型砂抵抗外力破坏的能力称为强度。型（芯）砂必须具备足够高的强度。②透气性型（芯）砂能让气体透过的性能称为透气性。铸型的透气性受砂的粒度、粘土含量、水分含量及砂型紧实度等因素的影响。第8章铸造③可塑性型（芯）砂在外力作用下变形，去除外力后能完整地保持已有形状的能力称为可塑性。④耐火性型（芯）砂抵抗高温热作用的能力称为耐火性。耐火性差，铸件易产生粘砂。⑤退让性铸件在冷凝时，型砂可被压缩的能力称为退让性。型砂越紧实，退让性越差。第8章铸造在铸造车间里，常用“手捏法”来粗略判断型砂的某些性能，如图8.1所示。型砂湿度适当时可将其捏成砂团将手松开可看到清晰的手纹折断后断面没有碎裂现象，同时有一定强度图8.1“手捏法”检验型砂第8章铸造2．型（芯）砂的组成型砂和芯砂的组成基本相同，都是有原砂、粘结剂、附加物和水组成。（1）原砂主要以硅砂（SiO2）为主，硅砂最可取处是储量丰富、价廉易得。（2）粘结剂常用的粘结剂为粘土和特殊粘结剂。粘土是配制型砂和芯砂的主要粘结剂，特殊粘结剂多用于芯砂，它主要有水玻璃、树脂、桐油等。（3）附加物常用的附加物有煤粉、木屑等。煤粉可降低铸件的表面粗糙度，木屑可提高型（芯）砂的退让性与透气性。第8章铸造8.2.2砂型铸造基本工艺过程和铸型的组成1．砂型铸造基本工艺过程砂型铸造的基本工艺过程,如图8.2所示。清理浇注合型型砂配制溶炼金属模样制作芯盒制作造型制芯检验落砂铸件芯砂配制第8章铸造图8.2砂型铸造的工艺过程1-芯盒；2-模样；3-芯砂；4-造型；5-砂芯；6-型砂；7-造型；8-砂型；9-合型；10-铸型；11-浇注；12-落砂清理；13-铸件第8章铸造2．铸型的组成铸型是根据零件形状用造型材料制成的，铸型可以是砂型，也可以是金属型。砂型是由型砂（型芯砂）做造型材料制成的。主要由上型、下型、型芯、型腔、浇注系统和出气孔等组成，铸型装配图，如图8.3所示。

图8.3铸型装配图1-分型面；2-上型；3-出气孔；4-浇注系统；5-型腔；6-下型；7-型芯通气孔；8-型芯第8章铸造8.2.3浇冒口系统1.浇注系统浇注系统是将金属液导入型腔的通道。其作用是：①平稳、迅速地导入金属液；②阻止砂粒、熔渣等进入型腔；③调节铸件各部分温度，补充金属液在冷却和凝固时的体积收缩。典型的浇注系统由外浇口、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成。

第8章铸造图8.4典型浇注系统第8章铸造2.冒口常见的缩孔、缩松等缺陷是由于铸件冷却凝固时体积收缩而产生的。为防止缩孔和缩松，往往在铸件的顶部或厚实部位设置冒口。冒口是指在铸型内特设的空腔及注入该空腔的金属。冒口中的金属液可不断地补充铸件的收缩，从而使铸件避免出现缩孔、缩松。冒口是多余部分，清理时要切除掉。冒口除了补缩作用外，还有排气和集渣的作用。第8章铸造8.2.4造型（芯）方法1.手工造型手工造型是指全部用手工或手动工具完成的造型工序。(1)整模造型整模造型是指用整体模样造型，分型面为模样的一端，使模样可以直接从砂型中取出的方法。其造型基本过程如图8.5所示。第8章铸造图8.5整模造型第8章铸造(2)分模造型当铸件的最大截面不在铸件的端部时，为了便于造型和起模，模样要分成两半或几部分，这种造型称为分模造型。第8章铸造图8.6分模造型过程示意图a)铸件图；b)模样；c)造下型；d)造上型；e)起模、放型芯、合型第8章铸造(3)三箱分模造型铸件形状为两端截面大、中间截面小，如带轮、槽轮、车床四方刀架等，为保证顺利起模，应采用三箱分模造型，如图8.7所示。

c)

图8.7三箱分模造型第8章铸造(3)三箱分模造型铸件形状为两端截面大、中间截面小，如带轮、槽轮、车床四方刀架等，为保证顺利起模，应采用三箱分模造型。

图8.7三箱分模造型

第8章铸造(4)活块模造型铸件上妨碍起模的部分（如凸台）做成活块，用销子或燕尾结构使活块与模样主体形成可拆连接。起模时先取出模样主体，活块模仍留在铸型中，再从侧面取出活块的造型方法称为活块模造型。

图8.8活块模造型工艺过程第8章铸造(5)挖砂造型和假箱造型当铸件的外部轮廓为曲面，其最大截面不在端部，且模样又不宜分成两半时，应将模样做成整体，造型时挖掉妨碍取出模样的那部分型砂，这种造型方法称为挖砂造型。图8.9手轮的挖砂造型的工艺过程第8章铸造图8.10假箱造型a)在假箱上造型；b)在成型底板上造型第8章铸造(6)刮板造型尺寸大于500mm的旋转体铸件，如带轮、飞轮、大齿轮等单件生产时，为节省木材、模样加工的时间及费用，可以采用刮板造型。刮板是一块和铸件截面形状相适应的木板。造型时将刮板绕着固定的中心轴旋转，在砂型中刮制出所需的型腔，如图8.11所示。

第8章铸造图8.11刮板造型第8章铸造2.机器造型机器造型与手工造型的本质是一样的，主要区别就在于机器造型是把紧砂和起模两个重要工序实现了机械化。机器造型根据紧砂和起模方式的不同，有气动震压式造型、射压造型、高压造型、抛砂造型等，其中以气动震压式造型应用较广。气动震压式造型工作示意图，如图8.12所示。第8章铸造图8.12气动震压式造型

第8章铸造3.造芯型芯一般是用芯盒制成的，其开式芯盒制芯是常用的手工制芯方法，适用于圆形截面的较复杂型芯。其制芯过程见图8.13。定位销和定位孔

图8.13对开式芯盒制芯a)准备芯盒；b)夹紧芯盒，分次加入芯砂、芯骨，舂砂；c)刮平、扎通气孔d)松开夹子，轻敲芯盒；e)打开芯盒，取出砂芯，上涂料a)b)c)d)e)第8章铸造8.2.5合型和浇注1.砂型的合型合型是指将铸型的各个组元如上型、下型、砂芯等组合成一个完整铸型的操作过程，又称合箱。合型工作包括：(1)清洁型腔和下芯(2)合型(3)铸型的紧固

第8章铸造2.浇注浇注是指将熔融金属从浇包注入铸型的操作。(1)浇注工具浇注常用工具有浇包、挡渣钩等，如图8.14所示。图8.14浇包a)手用浇包b)抬包c)吊包第8章铸造(2)浇注工艺①浇注温度②浇注速度③浇注的操作④浇注时应注意事项·浇注是高温操作，必须注意安全，必须穿着白帆布工作服和工作皮鞋；·浇注前，必须清理浇注时行走的通道，预防意外跌撞；·必须烘干烘透浇包，检查砂型是否紧固；·浇包中金属液不能盛装太满，吊包液面应低于包口100mm左右，抬包和端包液面应低于包口60mm左右。第8章铸造8.2.6落砂和清理落砂是指用手工或机械使铸件与型砂、砂箱分开的操作。清理是指落砂后从铸件上清除表面粘砂、型砂、多余金属(包括浇冒口、氧化皮)等过程的总称。第8章铸造8.3合金的铸造性能铸造性能通常用合金的流动性、收缩性、吸气性等来衡量。8.3.1合金的流动性1.流动性概念图8.15螺旋形流动试样液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。图8.15螺旋形流动试样第8章铸造2.影响流动性的因素影响流动性的因素有很多，如合金的种类、成分和结晶特征及其它物理量等。(1)合金成分(2)浇注条件①浇注温度②充型压力（3）铸型的充型条件（4）铸件的结构第8章铸造8.3.2合金的收缩性1.铸造合金收缩的概念从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸会缩减的现象为收缩，收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原因。铸造合金从浇注到铸型开始到冷却至室温，经历了三个收缩阶段。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的主要原因；而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。第8章铸造2.合金的收缩对铸件质量的影响(1)缩孔与缩松浇入铸型中的液态合金，在随后的冷却和凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩引起的容积缩减得不到合金液的补充，则在铸件上最后凝固的部位形成一些孔洞。其中容积较大且集中的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫缩松。第8章铸造①缩孔的形成一般出现在铸件上部或最后凝固的部位，形状多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，如图8.16e）所示。

a)b)c)d)e)图8.16缩孔形成过程示意图第8章铸造②缩松的形成缩松是铸件最后凝固的区域没能得到液态合金补充造成的分散、细小的缩孔。缩松的形成过程，如图8.17所示。

图8.17缩松形成示意图a)b)c)第8章铸造③缩孔和缩松的防止防止缩孔和缩松产生的方法通常采用冒口、冷铁等，实现铸件定向凝固，补充金属液体体积收缩。图8.18定向凝固

图8.19冷铁的应用

第8章铸造8.3.8铸造应力铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造应力。（1）铸造应力的形成铸造应力按产生的原因不同，可分为热应力、收缩应力和相变应力。“+”表示拉应力；“-”表示压应力图8.20热应力的形成

a)b)c)图8.21收缩应力的产生

第8章铸造（2）变形和裂纹当铸件内的应力达到一定大小时，将会使铸件产生变形和裂纹图8.22T形铸刚件的变形第8章铸造8.3.4常用合金的铸造性能1.铸铁的铸造性能铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。它的铸造性能良好，即具有好的流动性、小的收缩量。（1）灰铸铁灰铸铁熔点低，流动性好，可以浇注出形状复杂和壁厚较小的铸件。灰铸铁凝固时石墨析出能使各种收缩减小，所以铸件不易产生缩孔、缩松，裂纹倾向也较小。此外，由于灰铸铁的熔点低，因此对型砂的耐火性和熔化设备要求不高。

第8章铸造（2）球墨铸铁球墨铸铁是经球化、孕育处理后制成的石墨呈球状的铸铁。但由于球化处理时铁水温度的下降使其流动性比灰铸铁差，易产生浇不足、冷隔等缺陷。球墨铸铁凝固时球状石墨的析出会使铸件外壳胀大，使得后续收缩中容易形成缩孔、缩松。球墨铸铁容易产生较大的铸造应力，其变形、裂纹的倾向较大。球墨铸铁的机械性能近于碳钢，大大超过灰铸铁，球墨铸铁的铸造工艺性能比钢好得多。第8章铸造（3）蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近几十年来发展起来的一种铸铁，其石墨形态介于片状和球状之间，呈短片状，端部钝而圆，类似蠕虫。所以，蠕墨铸铁在性能上同时具有灰铸铁和球墨铸铁的一系列优点，主要用来代替高强度灰铸铁、铁素体球墨铸铁等，生产一些大型的复杂铸件，如大型柴油机机体和大型机床立柱等。

第8章铸造（4）可锻铸铁可锻铸铁是用低碳、低硅的铁水浇注出白口组织的铸件毛坯，然后经高温（900~950℃）石墨化退火使白口铸件中的渗碳体分解为团絮状石墨，从而得到由团絮状石墨和不同基体组织的铸铁。由于团絮状石墨对基体的割裂作用大大减小，其抗拉强度得到显著提高，可达到300~400MPa，而且具有较高的塑性、韧性和耐蚀性。可锻铸铁由于含碳、硅量低，凝固时没有石墨析出，凝固收缩大，熔点比灰铸铁高，结晶温度范围较宽，故其流动性差，所以易产生浇不足、冷隔、缩孔、缩松、裂纹等缺陷。

第8章铸造2.铸钢的铸造性能铸钢也是一种重要铸造合金。按照化学成分，铸钢可分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类。铸造碳钢应用最广，占总产量的80%以上。铸钢的综合力学性能高于各类铸铁，不仅强度高，且具有优良的塑性和韧性。此外，铸钢的焊接性好，可实现铸焊联合，制造重型零件。铸钢件晶粒粗大、组织不均，且常存有残余内应力，致使铸件的强度、特别是塑性和韧性不够高。

第8章铸造3.铝合金的铸造性能铝硅合金是应用最广泛的铸造铝合金。其成分在共晶点附近，熔点低，流动性好，可以铸造出壁较薄、形状复杂的铸件。铝硅合金的收缩率不大，采取一定的工艺措施后即可获得致密、合格的铸件。4.铜合金的铸造性能铸造黄铜和铝青铜的结晶温度范围小，流动性较好，但容易形成集中缩孔，必须设置较大的冒口进行充分补缩。铸造锡青铜的结晶温度范围很大，流动性较差。液态收缩和凝固收缩容易形成分散度很大的缩松，补缩比较困难。第8章铸造

8.4铸造工艺设计及铸件结构工艺性8.4.1浇注位置的选择为了保证铸件质量，浇注位置的选定原则如下：1．铸件的重要表面应朝下上下下上（a）不合理（b）合理

图8.23圆锥齿轮的浇注位置第8章铸造2．铸件上的大平面应尽可能朝下上下图8.24平台铸件的浇注位置上下图8.25薄壁盖的浇注位置3．铸件的薄壁部位应置于下部第8章铸造8.4.2分型面的选择分型面是指上、下砂型的接合面。分型面的设置是为了造型时能将模样从铸型中取出。选择铸件分型面应满足造型工艺的要求，同时考虑有利于铸件质量的提高。选择原则如下:（1）应选择在模样的最大截面处，以便于取模。（2）应尽量减少分型面数目，成批量生产时应避免采用三箱造型。（3）应使铸件中重要的机加工面朝下或垂直于分型面，便于保证铸件的质量。（4）使铸件全部或大部分在同一砂型内，以减少错箱、飞边和毛刺，提高铸件精度，如图8.26。第8章铸造

不合理合理图8.26分型面位置尽量减少错箱、飞边第8章铸造8.4.3铸造工艺参数的确定铸造工艺参数是与铸造工艺过程有关的某些工艺数据。其内容主要包括：机械加工余量、铸件线收缩率、起模斜度、最小铸出孔、芯头尺寸等。选择不当会影响铸件的精度和成本。1.加工余量2．铸造收缩率3．起模斜度4．铸造圆角5．型芯头第8章铸造8.4.4绘制铸造工艺图铸造工艺图是表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施(如放置冷铁)等的图样。

图8.29滑动轴承零件图与铸造工艺图第8章铸造8.4.5铸件质量对铸件结构的要求1.铸件的壁厚应合理、均匀2.铸件壁与壁的连接要合理(1)设计结构圆角(2)铸件的厚壁与薄壁的连接应逐步过渡(3)壁与壁连接应避免交叉和锐角(4)铸件结构应能减少变形和受阻收缩第8章铸造不合理b)合理图8.30采用加强肋减小铸件壁厚不合理b)合理

图8.31铸件壁厚设计第8章铸造

图8.33接头结构

a)直角结构b)圆角结构图8.32铸造圆角第8章铸造

a)不合理b)合理图8.34防止变形的结构

8.35轮辐的设计

第8章铸造8.4.6铸造工艺对铸件结构的要求为高效率、低成本生产出合格铸件，不仅要采用先进而合理的铸造工艺及设备，而且应使铸件的结构设计符合铸造工艺的要求。结构和工艺之间的关系，通常称为“结构工艺性”。其基本要求如下：1．应尽量减少分型面的数目2．尽量使分型面为平面3．尽量少用或不用型芯4．铸件结构应便于起模5．应便于型芯的固定、排气和清理第8章铸造8.5特种铸造技术简介8.5.1熔模铸造熔模铸造又称“精密铸造”或“石蜡铸造”，在我国具有悠久的历史，它是一种无分型面的特种铸造方法，是利用蜡料制成模样，然后在蜡模表面涂覆多层耐火材料，待硬化干燥后，将蜡模熔去，而获得具有与蜡模形状相应空腔的型壳，再经焙烧后进行浇注而获得铸件的铸造方法。第8章铸造图8.42熔模铸造的工艺过程第8章铸造8.5.2金属型铸造将金属液在重力状态下浇入用金属制成的铸型型腔中，以获得铸件的方法，称为金属型铸造。由于金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸造。a)b)c)图8.43金属型的结构a)水平分型；b)垂直分型；c)复合分型第8章铸造8.5.3压力铸造金属液在高压下高速充填铸模型腔，并在压力下凝固成形的办法，称为压力铸造，简称压铸。压力铸造是在压铸机上进行的，是近年来金属加工工艺中发展较快的一种少屑、无屑加工工艺。压力铸造的充型压力一般在几MPa到几十MPa，充型时间为0.01～0.2秒，充型速度为0.5～50m/s。第8章铸造

a)b)c)图8.44卧式冷压室式压铸机的工作原理图a)合型并注入金属液；b)压射；c)开型取出铸件第8章铸造8.5.4低压铸造采用比压力铸造低的压力（0.02～0.06MPa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法，如图8.45所示。图8.45低压铸造工作原理图1—铸型；2—密封盖；3—坩埚4—金属液；5—升液管压缩空气第8章铸造8.5.5离心铸造将金属液浇入旋转的铸型中，使之在离心力作用下充填铸型并凝固成形的铸造方法，称为离心铸造。

a)b)图8.46离心铸造示意图a)立式离心铸造；b)卧式离心铸造第8章铸造8.5.6实型铸造实型铸造又称“气化模造型”或“消失模铸造“，其实质是采用聚苯乙烯发泡材料制得的模型（气化模）代替木模造型，不用起模直接将金属液浇注到气化模上，使其燃烧、气化并形成空腔来容纳金属液，从而获得铸件的方法。实型铸造示意图，如图8.47所示。

第8章铸造图8.47实型铸造示意图a)聚苯乙烯泡沫塑料模；b)填砂紧实；c)浇注；d)铸件第8章铸造8.6现代铸造方法简介8.6.1其他特种铸造方法1.挤压铸造挤压铸造是对定量浇入铸型型腔中的液态金属施加较大的机械压力，使其成形、凝固而获得零件毛坯的一种工艺方法。又可称之为“液态金属模锻”、“液态金属冲压”、“液态金属锻造”等。(1)挤压铸造的分类(2)挤压铸造的工艺过程第8章铸造挤压铸造的工艺过程如图8.48所示。其步骤如下：①铸型准备清理型腔，喷刷涂料，对铸型预热(或冷却)，将铸型温度控制在所需的温度范围内，并使铸型处于待浇的状态。②浇注将定量的金属液浇入铸型内。③合型加压将上下型锁紧，依靠冲头的压力使液态金属充满型腔，升压并在预定的压力下保持一定时间，使液态金属在较高的机械压力下结晶凝固。④卸压、开型、顶出铸件。第8章铸造a)b)c)d)图8.48挤压铸造工艺过程a)准备铸型；b)浇注；c)合型加压；d)压型、取铸件

第8章铸造2.悬浮铸造悬浮铸造又叫悬浮浇注，分外生和内生悬浮铸造。外生悬浮铸造是在浇注过程中，将一定量的金属粉末与金属液流掺和、并一起充入铸型，以增加外来晶核、获得组织细小铸件的方法。内生悬浮铸造是采用各种特殊的工艺方法，以强制的手段，使合金液中形成结晶核心的固相质点；或由于合金组元间的化学反应，使铸件在凝固时获得晶核。

第8章铸造图8.49悬浮铸造浇注系统结构

第8章铸造3.磁型铸造磁型铸造是在实型铸造的基础上发明的一种新的铸造方法。它是用聚苯乙烯泡沫塑料制成气化模，并在其表面刷上涂料，放进特制的砂箱内，填入磁丸(又称铁丸)并微震紧实，再将砂箱放在磁型机里通电，使磁丸相互吸引，形成强度好、透气性高的铸型。

线圈气化膜铁丸砂箱微型机第8章铸造8.6.2计算机在铸造方面的应用由计算机、网络技术、传感技术、人工智能等所构成的信息技术近年来在铸造生产中得到更为广泛的应用。这正在改变着铸造生产的面貌。可以说，现代铸造技术的主要特征就是将传统的铸造工艺与信息技术溶于一体。第8章铸造8.7铸件质量检验、缺陷分析8.7.1铸件质量检验1.铸件质量(1)铸件外观质量(2)铸件内在质量