鑄造工藝設計及鑄件缺陷控制

上篇砂型鑄造工藝設計

第1章 鑄造工藝設計概述1

1.1 鑄造工藝設計的依據(jù)1

1.2 鑄造工藝設計內容1

1.3 鑄造工藝設計的一般步驟2

1.4 鑄造工藝符號及其表示方法3

第2章 鑄造工藝方案的確定14

2.1 零件結構的鑄造工藝性14

2.1.1 從避免鑄造缺陷方面確定鑄件的合理結構14

2.1.2 從簡化鑄造工藝方面確定鑄件的合理結構23

2.2 造型和制芯方法的選擇27

2.3 澆注位置的確定29

2.4 分型面的確定31

第3章 鑄造工藝參數(shù)35

3.1 鑄造收縮率35

3.2 鑄件尺寸公差和機械加工余量38

3.2.1 鑄件尺寸公差38

3.2.2 機械加工余量40

3.3 最小鑄出孔和槽42

3.4 起模斜度44

3.5 工藝補正量45

3.6 分型負數(shù)和反變形量47

3.6.1 分型負數(shù)47

3.6.2 反變形量48

3.7 砂芯負數(shù)、分芯負數(shù)和非加工壁厚的負余量50

3.7.1 砂芯負數(shù)50

3.7.2 分芯負數(shù)50

3.7.3 非加工壁厚的負余量51

第4章 砂芯設計52

4.1 砂芯設置的基本原則52

4.2 砂芯的固定和定位55

4.2.1 垂直砂芯56

4.2.2 水平砂芯的固定57

4.2.3 砂芯的定位58

4.3 芯頭的尺寸和間隙60

4.3.1 芯頭的結構60

4.3.2 芯頭承壓面積的核算65

4.4 芯撐和芯骨65

4.4.1 芯撐65

4.4.2 芯骨75

4.5 砂芯的排氣76

第5章 澆注系統(tǒng)設計78

5.1 澆注系統(tǒng)的組成和作用78

5.1.1 澆口杯78

5.1.2 直澆道和澆口窩80

5.1.3 橫澆道81

5.1.4 內澆道85

5.2 澆注系統(tǒng)的類型和適用范圍87

5.2.1 按斷面積比例關系分類88

5.2.2 按內澆道的位置分類88

5.3 澆注系統(tǒng)結構尺寸的設計92

5.3.1 公式法設計的基本原理93

5.3.2 對澆注系統(tǒng)設計結果的校核99

5.4 灰鑄鐵件澆注系統(tǒng)尺寸設計101

5.4.1 澆注時間的確定101

5.4.2 澆注系統(tǒng)截面尺寸計算102

5.5 可鍛鑄鐵件澆注系統(tǒng)設計108

5.5.1 澆注時間的計算109

5.5.2 澆注系統(tǒng)設計109

5.6 球墨鑄鐵件澆注系統(tǒng)設計112

5.6.1 澆注時間的確定112

5.6.2 澆注系統(tǒng)設計113

5.7 鑄鋼件澆注系統(tǒng)設計115

5.7.1 用轉包澆注時澆注系統(tǒng)的設計116

5.7.2 用底注包澆注時澆注系統(tǒng)的設計118

5.7.3 澆注系統(tǒng)設計工程實例119

5.8 有色合金鑄件澆注系統(tǒng)設計123

5.8.1 鋁合金鑄件、鎂合金鑄件澆注系統(tǒng)設計123

5.8.2 銅合金鑄件澆注系統(tǒng)設計128

第6章 冒口設計135

6.1 概述135

6.1.1 冒口的種類135

6.1.2 冒口的形狀136

6.1.3 冒口的位置137

6.1.4 冒口的有效補縮距離139

6.2 補貼140

6.2.1 均勻壁上的補貼140

6.2.2 局部熱節(jié)的補貼143

6.3 鑄鋼件冒口設計145

6.3.1 鑄鋼件冒口的補縮距離145

6.3.2 模數(shù)法設計鑄鋼件冒口148

6.3.3 補縮液量與熱節(jié)圓法計算冒口190

6.3.4 比例法計算冒口尺寸201

6.4 鑄鐵件冒口設計207

6.4.1 灰鑄鐵件冒口設計207

6.4.2 可鍛鑄鐵件冒口設計213

6.4.3 球墨鑄鐵件冒口設計213

6.5 有色合金鑄件冒口設計219

6.5.1 銅合金鑄件冒口設計219

6.5.2 鋁合金鑄件冒口設計224

第7章 冷鐵、拉筋和出氣孔設計229

7.1 冷鐵的分類與作用229

7.2 鑄鋼件用冷鐵230

7.2.1 鑄鋼件外冷鐵設計230

7.2.2 鑄鋼件內冷鐵設計238

7.3 鑄鐵件冷鐵設計247

7.3.1 鑄鐵件外冷鐵設計247

7.3.2 鑄鐵件內冷鐵設計250

7.4 鋁合金、銅合金鑄件冷鐵設計252

7.4.1 外冷鐵252

7.4.2 鋁合金、銅合金鑄件的內冷鐵253

7.5 鑄筋的設計253

7.6 出氣孔設計256

下篇砂型鑄造鑄件缺陷控制

第8章 縮孔和縮松缺陷261

8.1 鑄造合金的收縮261

8.1.1 鑄造合金收縮的一般規(guī)律261

8.1.2 鑄鋼的收縮262

8.1.3 鑄鐵的收縮263

8.2 鑄件中縮孔與縮松的形成及影響因素265

8.2.1 鑄件中的縮孔266

8.2.2 鑄件中的縮松268

8.2.3 灰鑄鐵和球鐵件的縮孔和縮松269

8.3 防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑271

8.3.1 控制鑄件的凝固方式271

8.3.2 采用合理的鑄造工藝274

第9章 氣孔和非金屬夾雜物275

9.1 概述275

9.1.1 金屬中氣體的來源275

9.1.2 氣體在金屬中的存在形式275

9.1.3 氣體在金屬中的溶解度276

9.1.4 氣孔的分類277

9.2 侵入性氣孔的形成和防止措施279

9.2.1 侵入性氣孔的形成279

9.2.2 影響侵入性氣孔形成的因素279

9.2.3 防止侵入性氣孔的措施281

9.3 析出性氣孔的形成和防止措施281

9.3.1 金屬液中析出氣泡的條件281

9.3.2 氣體溶質再分配和析出氣孔的關系283

9.3.3 影響析出性氣孔形成的因素285

9.3.4 防止和消除析出性氣孔的途徑285

9.4 反應性氣孔的形成和防止287

9.4.1 內生式反應氣孔的形成和防止287

9.4.2 外生式反應氣孔的形成和防止289

9.5 非夾雜物的形成和防止296

9.5.1 概述297

9.5.2 一次非金屬夾雜物的形成和防止298

9.5.3 二次氧化夾雜物的形成和防止299

第10章 粘砂、夾砂、脹砂與砂眼300

10.1 粘砂的分類及防止措施300

10.1.1 粘砂的分類300

10.1.2 機械粘砂301

10.1.3 化學粘砂307

10.2 夾砂的形成及其防止措施309

10.2.1 概述309

10.2.2 夾砂缺陷的形成310

10.2.3 防止夾砂缺陷的措施312

10.3 脹砂缺陷的形成及防止措施315

10.4 砂眼的形成及防止措施315

第11章 應力、變形和開裂317

11.1 鑄造應力317

11.1.1 鑄造應力的分類317

11.1.2 熱應力317

11.1.3 相變應力320

11.1.4 機械阻礙應力320

11.1.5 減小或消除鑄造應力的途徑321

11.2 鑄件的變形和冷裂321

11.2.1 鑄件的變形321

11.2.2 鑄件的冷裂323

11.2.3 防止鑄件產(chǎn)生變形和冷裂的途徑324

11.3 鑄件的熱裂325

11.3.1 概述325

11.3.2 熱裂的形成機理及影響因素326

11.3.3 防止熱裂的途徑331

參考文獻334 2100433B

《鑄造工藝設計及鑄件缺陷控制》從工程實際出發(fā)，詳細地闡述了砂型鑄造工藝設計原理和方法，并介紹了生產(chǎn)常見鑄件缺陷的形成原因和防止方法。書中既收集了國內外行之有效的技術成果和經(jīng)驗，也簡要介紹了對提高鑄件質量有借鑒意義的研究成果。

解決鑄件縮松缺陷的方法，最根本的著眼點就是“熱平衡”。其方法是：

（1）在機床鑄件結構形成的厚處與熱節(jié)處，實行快速凝固，人為地造成機床鑄件各處溫度場的基本平衡。采用內外冷鐵，局部采用蓄熱量大的鋯英砂，鉻鐵礦砂或特種涂料。

（2）合理的工藝設計。內澆道設在機床鑄件相對溥壁處，數(shù)時多且分散。使最早進入厚壁處的金屬液率先凝固，薄壁處后凝固，使各處基本達到均衡凝固。對于壁厚均勻的機床鑄件，采用多個內澆道和出氣孔。內澆道多，分散與均布，使整體熱量均衡。出氣孔細且多，即排氣通暢又起散熱作用。

（3）改變內澆道的位置

（4）選用蓄熱量大的造型材料，這對用消失模生產(chǎn)抗磨產(chǎn)品極為重要！鉻鐵礦砂取代石英砂等蓄熱量小的其它砂種，會取得良好的效果，澆畢微震更優(yōu)！

（5）低溫快燒，開放式澆注系統(tǒng)。使金屬液快速，平穩(wěn)，均衡地充滿鑄型。這要因件制宜。

（6）球鐵的機床鑄型強度大，表面硬度≧90，砂箱剛性大，對消除縮松有利。

（7）需要冒口時，當首遷熱冒口，且離開熱節(jié)。若將冒口置于熱節(jié)上，必將加大冒口尺寸，形成“熱上加熱”。弄不好，非但縮松難除，還會產(chǎn)生集中性縮孔，又降低了工藝出品率。

（8）鑄型傾斜擺放與合金化，都獲益。消除機床鑄件縮松缺陷是一個復雜的認識與實施過程。應以“熱平衡”為基本原則，對雎體鑄件做科學分析，制訂合理的工藝方案，遷擇好適宜的造型材料，工裝及正確操作且標準化。那么任何機床鑄件的縮松缺陷都可以解決。

由于多種因素影響，常常會出現(xiàn)氣孔、針孔、夾渣、裂紋、凹坑等缺陷。常用的修補設備為氬弧焊機、電阻焊機、冷焊機等。對于質量與外觀要求不高的鑄件缺陷可以用氬弧焊機等發(fā)熱量大、速度快的焊機來修補。但在精密鑄件缺陷修補領域，由于氬焊熱影響大，修補時會造成鑄件變形、硬度降低、砂眼、局部退火、開裂、針孔、磨損、劃傷、咬邊、或者是結合力不夠及內應力損傷等二次缺陷。冷焊機正好克服了以上缺點，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在熱影響區(qū)域小，鑄件無需預熱，常溫冷焊修補，因而無變形、咬邊和殘余應力，不會產(chǎn)生局部退火，不改變鑄件的金屬組織狀態(tài)。因而冷焊機適用于精密鑄件的表面缺陷修補。冷焊的焊補范圍為Φ1.5-Φ1.2mm焊補點反復熔化堆積的過程，在大面積缺陷修補過程中，修復效率是制約其廣泛推廣應用的唯一因素。對于大缺陷，推薦傳統(tǒng)焊補工藝與鑄造缺陷修補機的復合應用。可有時我們的缺陷沒有很多，就不必要投入較大的成本，我們用一些修補劑就可以修補好的，方便簡單，例如鐵質材料的，我們可以用（勁素成）JS902修補一下就可以了，用不完可以放到以后再用，這樣可以為我們的廠家節(jié)省成本啊，讓我們的鑄造廠家把更多的資金投入到提高產(chǎn)品本身質量上，讓使用者創(chuàng)造更多的財富。

砂型鑄造鑄件缺陷有：冷隔、澆不足、氣孔、粘砂、夾砂、砂眼、脹砂等。

1）冷隔和澆不足

液態(tài)金屬充型能力不足，或充型條件較差，在型腔被填滿之前，金屬液便停止流動，將使鑄件產(chǎn)生澆不足或冷隔缺陷。澆不足時，會使鑄件不能獲得完整的形狀；冷隔時，鑄件雖可獲得完整的外形，但因存有未完全融合的接縫，鑄件的力學性能嚴重受損。防止?jié)膊蛔愫屠涓簦禾岣邼沧囟扰c澆注速度。

2）氣孔

氣體在金屬液結殼之前未及時逸出，在鑄件內生成的孔洞類缺陷。氣孔的內壁光滑，明亮或帶有輕微的氧化色。鑄件中產(chǎn)生氣孔后，將會減小其有效承載面積，且在氣孔周圍會引起應力集中而降低鑄件的抗沖擊性和抗疲勞性。氣孔還會降低鑄件的致密性，致使某些要求承受水壓試驗的鑄件報廢。另外，氣孔對鑄件的耐腐蝕性和耐熱性也有不良的影響。防止氣孔的產(chǎn)生：降低金屬液中的含氣量，增大砂型的透氣性，以及在型腔的最高處增設出氣冒口等。

3）粘砂

鑄件表面上粘附有一層難以清除的砂粒稱為粘砂。粘砂既影響鑄件外觀，又增加鑄件清理和切削加工的工作量，甚至會影響機器的壽命。例如鑄齒表面有粘砂時容易損壞，泵或發(fā)動機等機器零件中若有粘砂，則將影響燃料油、氣體、潤滑油和冷卻水等流體的流動，并會玷污和磨損整個機器。防止粘砂：在型砂中加入煤粉，以及在鑄型表面涂刷防粘砂涂料等。

4）夾砂

在鑄件表面形成的溝槽和疤痕缺陷，在用濕型鑄造厚大平板類鑄件時極易產(chǎn)生。

鑄件中產(chǎn)生夾砂的部位大多是與砂型上表面相接觸的地方，型腔上表面受金屬液輻射熱的作用，容易拱起和翹曲，當翹起的砂層受金屬液流不斷沖刷時可能斷裂破碎，留在原處或被帶入其它部位。鑄件的上表面越大，型砂體積膨脹越大，形成夾砂的傾向性也越大。

5）砂眼 在鑄件內部或表面充塞著型砂的孔洞類缺陷。

6）脹砂 澆注時在金屬液的壓力作用下，鑄型型壁移動，鑄件局部脹大形成的缺陷。 為了防止脹砂，應提高砂型強度、砂箱剛度、加大合箱時的壓箱力或緊固力，并適當降低澆注溫度，使金屬液的表面提早結殼，以降低金屬液對鑄型的壓力。

鑄造工藝設計涉及零件本身工藝設計，澆注系統(tǒng)的設計，補縮系統(tǒng)的設計，出氣孔的設計，激冷系統(tǒng)的設計，特種鑄造工藝設計等內容。

零件本身工藝設計涉及到零件的加工余量，澆注位置、分型面的選擇，鑄造工藝參數(shù)的選擇，尺寸公差，收縮率，起模斜度，補正量，分型負數(shù)等的設計 。

澆注系統(tǒng)是引導金屬液進入鑄型型腔的通道，澆注系統(tǒng)設計得合理與否，對鑄件的質量影響非常大，容易引起各種類型的鑄造缺陷，比如：澆不足、冷隔、沖砂、夾渣、夾雜、夾砂等等鑄造缺陷。澆注系統(tǒng)的設計包括澆注系統(tǒng)類型的選擇、內澆口位置的選擇及澆注系統(tǒng)各組元截面尺寸的確定。此外，澆注系統(tǒng)的選擇也非常重要，那么怎樣才能選擇正確的澆注系統(tǒng)呢？

對于機械化流水線、大批量生產(chǎn)，為了方便生產(chǎn)并有利于保證鑄件的質量，內澆道一般設置在鑄型的分型面處，根據(jù)該鑄件毛坯的澆注位置及分型面的選擇，將內澆道開設在鑄型的分型面處是屬于“中間注入式”澆注系統(tǒng)。液態(tài)金屬在澆注過程中難免會包含有一定的“熔渣”，為了提高澆注系統(tǒng)的擋渣能力，適合于采用“封閉式”澆注系統(tǒng)。

在鑄造工藝中，鑄造工藝的設計對鑄造產(chǎn)品的質量影響很大，但是澆注系統(tǒng)的選擇方法的選擇也不容忽視。

補縮系統(tǒng)的設計是合理的設計冒口和補貼，以補償鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的液態(tài)和凝固態(tài)的體收縮，以獲得健全的鑄件的一項工程技術 。

出氣孔用于排出型腔內的氣體，改善金屬液填充能力，排除先填充到型腔的過冷金屬液和浮渣，還可作為觀察型腔是否澆滿的的標志 。