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铸 造 工 艺 知 识 及对产品设计的要求 铸造有限公司 王在荣 2014年10月9日摘 要 1、概述 2、铸造工艺 3、铸铁件的热时效处理 4、铸造工艺对产品设计的要求 5、铸铁件的铸造缺陷一、概述 1、铸造的定义 铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。 铸造是工业之母，是现代装备制造工业的基础工艺之一。 2、铸造的分类 ①普通砂型铸造：又称砂铸，翻砂，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。 砂型铸造的方法又可分为：湿型砂机器造型、自硬树脂砂造型制芯、水玻璃砂造型制芯、干型和表干型、实型铸造、手工造型等。 ②特种铸造：如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、连续铸造、离心铸造等。 3、铸件的分类 按其所用金属材料的不同，分为铸铁件、铸钢件、铜合金件、铝合金件、镁合金件、锌合金件、钛合金件等。 每类铸件又按其化学成分或金相组织进一步分成不同的种类。如铸铁件可分为灰铸铁件、球墨铸铁件、蠕墨铸铁件、可锻铸铁件、合金铸铁件等；铸造铜合金件分为铸造青铜和铸造黄铜两大类，铸造青铜又常分为锡青铜（ZQSn）和特殊青铜。特殊青铜包括铝青铜（ZQAl）、铅青铜（ZQPb）和其他青铜。 铸铝合金件有铝硅系（ ZL1 ）、铝铜系（ZL2）、铝镁系（ZL3）等。 铸造方法有砂型铸造，金属型铸造和压力铸造。 Al—Si系合金的铸造性能一般要比其他系铝合金好，充型能力较好，热裂、缩松倾向也都比较小。还有良好的机械性能。 Al—Cu系合金的性能特点是：耐热性好，室温机械性能高，但铸造性能和抗性蚀均较差。所以铝铜系合金常用作在250~350℃工作的耐热铝合金和高强度合金。 在各种铸铝合金中，铝铜系合金的重要性和应用范围仅次于铝硅系合金。 4、目前铸造公司现状 ①铸铁件：铸造公司现在使用的是树脂砂造型、电炉熔炼、手工造型工艺生产铸铁件，主要生产灰铸铁件、球墨铸铁件、耐磨铸铁件。 灰铸铁件(HT)最大可生产140吨； 球墨铸铁件(QT)最大可生产110吨； 耐磨铸铁件主要是生产压力机用圆盘和活塞类铸件。 ②有色金属铸件：主要生产铜合金铸件和铝合金铸件。铜合金铸件以压力机铜套为主，采用电炉熔炼、离心铸造工艺。铝合金铸件采用砂型（红砂）、电炉熔炼工艺。二、铸造工艺 铸造工艺就是应用铸造有关理论和系统知识生产铸件的技术和方法。包括造型材料制备、造型、制芯、配模、金属熔炼、浇注和凝固控制等。 铸造工艺装备是造型、造芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。 优质铸件的生产需要有合理的铸造工艺和先进的铸造工艺装备。 1、铸造工艺流程 2、铸造工艺方案 铸造合金的种类、零件的结构与技术要求、生产批量的大小和生产条件是确定铸造工艺方案的依据。 确定铸造工艺方案主要是选择合理的浇注位置和分型面。 分型面的选择应尽量与浇注位置一致，以避免合型后翻转砂型。但平做立浇的铸件除外，如压力机导套。 重要面要保证在浇注位置的下面。 3、铸造工艺参数 铸造工艺参数是指铸造工艺设计时需要确定的工艺参数，工艺参数的选择是铸造工艺设计的重要内容，对指导铸造工艺设计与铸造生产具有重要作用。主要包括以下内容： ⑴铸件最小铸出壁厚 金属液的流动性、铸件的轮廓尺寸和铸造方法，决定了金属液的充型能力。为了避免铸件浇不到和冷隔等铸造缺陷，应要求铸件壁厚不小于最小壁厚。对于砂型铸造，铸件最小壁厚见下表： ⑵铸件最小铸出孔 通常，零件图上较大的孔应铸出，以节约金属和机械加工工时；较小的孔和槽，或铸件的壁很厚，则不宜铸出，直接用机械加工成孔反而方便。对中心线位置要求高的孔，不宜铸出，这是因为铸出后很难保证中心度精确，用钻头扩孔无法纠正其中心位置。但是无法用机械加工形成的弯曲孔及铸件的薄窄内腔，必须想办法铸出。 ⑶铸件的尺寸公差 铸件的尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。在这两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械加工、装配和使用要求。 影响铸件尺寸精度的主要因素有：铸造合金，铸件结构，铸造方法，铸造工艺设计水平，操作水平，造型、制芯设备及工装的精度，造型、制芯材料的性能，铸件的精整和表面质量，生产技术管理和质量控制手段等。 铸件尺寸精度要求越高，对上述影响因素的要求和控制应越严，但铸件的成本也越高。因此，产品设计，必须用价值工程的理念考虑铸件的尺寸公差等级；生产厂家必须从实际出发综合考虑各种因素，达到既保证铸件质量有不过多地增加生产成本的目的。 不同生产方式和生产规模的铸件尺寸公差等级不同。 ⑷机械加工余量 要求的铸件机械加工余量是为保证铸件机械加工面尺寸和零件加工精度，在设计铸件和编制铸造工艺时预先增加并在机械加工时应予切除的金属层厚度。其代号用字母“RMA”表示，并由精到粗分为A、B、C、D、E、F、G、H、J、K共10个等级。 见下表： 使用上表时的几点规定： ①当铸件尺寸公差等级和铸件机械加工余量等级确定后，其加工余量数值应按有加工要求的表面上最大基本尺寸和该表面距它的加工基准间尺寸两者中较大的尺寸所在范围，从表2中选取加工余量数值。 ②确定旋转体加工余量时，铸件基本尺寸取其直径或高度（长度）中较大的尺寸。 ③当砂型铸件底、侧面所采用的加工余量等级选定后，其顶面的加工余量等级原则上采用降一级所对应的数值。 ④砂型铸造孔的加工余量等级由铸造工艺的保证性确定，可适当加大。原则上降一级。 ⑤一般情况下一种铸件只能选取一个尺寸公差等级，当有特殊要求时，可由供需双方商定采用非标准的加工余量。检验与评定时，当铸件实际测量尺寸位于铸件基本尺寸的公差带内时，应认为加工余量合格。结合本公司和铸造厂的实际，决定选定H级为铸件机械加工余量等级。特殊情况另有规定。 几点特殊规定： 1、铸件放激冷块的加工面的加工余量不能低于10mm。 2、飞轮、垫板类特厚球墨铸铁件，其顶面加工余量允许适当放大，但飞轮顶面加工余量不能大于35mm，垫板顶面加工余量不能大于25mm。 3、导柱、导套、柱塞等圆筒类、比较高、立浇的铸件，为保证铸件质量，铸造上面的加高不作为加工余量限制，由工艺员视情况确定，一般不少于80mm。 4、对于需要分型负数的铸件，顶面的加工余量可适当放大，由工艺员视具体情况决定。 5、大型机床用工作台的台面，为避免出现气孔及放激冷块的需要，其加工余量可根据情况选用J级，其导轨面可根据情况选用K级。 6、易变形的长形铸件，为防止因铸件变形而导致加工余量不足，其加工余量每米可加大0.5～1mm。 7、一般球铁件的上面，为避免石墨漂浮，加工余量可以脱离本要求，由工艺员视情况确定。 8、用湿型砂生产的铸铁件，最大尺寸≤400mm的，其底、侧面加工余量选用J级，其顶面加工余量选用K级；最大尺寸＞400mm的，其底、侧面加工余量选用H级，其顶面加工余量选用J级。 9、本要求与铸件典型工艺要求相冲突时，按典型工艺要求。 10、以上要求必须以保证铸件质量为前提。 ⑸铸造收缩率 铸造合金由凝固态转变为固态要产生收缩；合金成分与其含量不同，收缩率也不同，这是铸造合金的特性。铸件结构复杂，砂型和砂芯的退让性差，都要阻碍铸件由液态转变为固态的收缩。简单厚实的铸件，其铸造收缩率比结构复杂的铸件大。结构复杂的大型铸件，其立体三维方向的收缩率各不相同。 为获得尺寸精确的铸件，必须选择适宜的铸造收缩率，一般是依据铸件的主要尺寸或大部分尺寸，次要尺寸用加工余量或工艺补正量调整。 我公司使用的铸铁件的收缩率是1%。 ⑹起模斜度 模样的起模斜度，应不致使铸件超出尺寸公差。 有的厂家在模样制造守则中有统一规定，则铸造工艺设计时不必考虑起模斜度。 ⑺非铸件壁厚负余量 对于手工造型和制芯，为了起模和起芯方便，需要敲动模样和芯盒内的筋板，以及由于模样和筋板吸潮而引起的膨胀，这都会增厚铸件的非加工壁厚，致使铸件壁厚超差和重量超重。为了保证铸件尺寸精确，对形成铸件非加工壁厚的木质模样、筋板的尺寸给予减小，所减小的尺寸称为非铸件壁厚负余量。数值根据经验施放。 ⑻反变形量 为消除铸件因壁厚不均或结构原因在收缩过程中引起的变形，工艺设计时要规定反变形量，使铸件冷却收缩变形的结果将其抵消。或采用工艺筋的措施来加以防止，以得到符合图纸要求的铸件。 一般长形铸件如床身反变形量为1000：1~1.5 ⑼工艺补正量 工艺补正量是用于防止铸件的局部位置，由于工艺因素（例如铸造收缩率选用值与铸件局部位置的收缩率不符、变形、有规律的操作偏差等）的影响而超差，在相应部位的非加工面上增加的金属层厚度。 如铸件的凸台和法兰边等， ⑽分型负数 因起模后的修型和烘干引起砂型变形，致使分型面凹凸不平，使合型不严密。为防止浇注时从分型面跑火，合型时需在分型面上放耐火泥条或石棉绳，这就增高了型腔的高度。为了保证铸件尺寸，模样上必须减去相应的高度，减去的数值称为分型负数。 ⑾铸件在砂型内的冷却时间，即保温时间 铸件在砂型内的冷却时间短，容易产生变形、裂纹等缺陷。为使铸件在出型时有足够的强度和韧性，铸件在砂型内应有足够的冷却时间。 铸件在砂型内的冷却时间与铸件的材质、重量、壁厚和结构有关。 在砂型内的冷却时间是根据开箱时铸件的温度来确定，铸铁件一般为300~500℃ ⑿压铁重量的计算及去压铁载荷时间 为防止上型在金属液静压力和砂型浮力作用下被抬起，上下砂型要紧固在一起。其方法有压铁法和螺栓或弓形卡等紧固方法。 一般地坑造型生产大型铸件，由于没有砂箱，无法使用螺栓紧固法，只能用压铁法。压铁重量的计算有一套方法，这里就不介绍了。 铸件浇注后，应按规定时间去除压铁载荷。去除压铁载荷时间太迟，会增加铸件在凝固冷却中的内应力，产生裂纹。但去除太早，也易造成抬箱跑火和铸件变形。 去除压铁载荷时间的确定，是一个经验数值，需根据冷却条件和铸件结构情况及天气情况确定。 压铁重量和去压铁载荷时间在工艺卡片中要注明。 ⒀起吊重量的计算和铸件上吊耳的设计 大型铸件多采用地坑造型，从地坑中取出铸件时，由于铸件的浇冒口尚未清除，再加上型、芯砂重量及与铸件之间的粘附力，容易使行车超载，因此必须计算起吊重量，以选定起吊方法。 大型铸件为了便于从砂型中取出铸件和以后的搬运、翻转，要在铸件上铸出吊耳（吊把）。吊耳与铸件连结处不允许有缩孔、缩松、裂纹等缺陷。吊耳一般在铸件最后清整时割除。 现在使用的吊耳的尺寸规格见下图： 4、铸造工艺图 在零件图上用铸造工艺规定的符号和颜色表示出：浇注位置、分型面、加工余量、线收缩率、起模斜度、反变形量、分型负数、工艺补正量、浇注系统、冒口、补贴、冷铁、砂芯形状、数量、芯头尺寸和砂芯负数等 用途是：制造模样、模板、芯盒等，并作为生产准备和模样验收依据；是用于生产的指导性技术文件及铸件尺寸验收依据。 铸造工艺卡片 三、铸铁件的热时效处理 对于不进行特殊热处理的重要铸铁件，特别是机床铸件都要进行低温退火以降低或去除残余应力，从而保持零件的尺寸精度，这种热处理又称为热时效。 热时效是将铸件加热至弹塑性温度范围，为使铸件各部分温度均匀和残余应力在此区间得到松弛和稳定化而予以保温，然后缓慢冷却至弹性变形的温度范围内，出炉空冷。 铸件装炉时必须要垫平，直弯铸件留好空位。 热时效工艺曲线： 四、铸造工艺对产品设计的要求 零件的结构首先要满足产品的要求，在这个前提下，要充分考虑其结构的铸造工艺性。 具体要求为： 1、壁厚尽可能均匀、合理，防止形成热节； 2、铸造圆角合理； 3、开设合理铸孔，便于出气、清理、坭芯连接和支撑； 4、内壁厚度应小于外壁。 五、铸铁件的铸造缺陷常见的铸铁件的铸造缺陷主要有以下六种： 1、气孔 2、砂孔 3、渣孔 4、缩孔、缩松 5、裂纹 6、变形
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