第二节　砂型铸造

第二节　砂型铸造

一、造型材料

制造砂型与型芯的材料称为造型材料。砂型铸造选用的造型材料主要是型砂和芯砂，它的性能对造型工艺、铸件质量等有着很大的影响，铸件上的砂眼、气孔和裂纹等缺陷均与型（芯）砂的质量有关。因此，合理选用型（芯）砂对提高铸件质量和降低铸件成本具有重要意义。

（一）型（芯）砂应具备的性能

1.强度 强度是指型砂和芯砂抵抗外力破坏的能力。为了使砂型在搬运、合箱和浇注时不损坏，型（芯）砂应具有足够的强度，否则可能发生塌箱、冲砂、砂眼等缺陷。但强度过高，易使型（芯）砂的透气性和退让性变差。黏土砂中黏土含量及紧实程度越高、砂粒越细，强度越高；含水量过多或过少均会使型砂的强度变低。

2.透气性 透气性是指砂粒间的空隙能够让气体通过的能力。透气性差，铸件内部易产生气孔缺陷。减小黏土含量及紧实程度或采用圆形、大小均匀的粗粒度砂，均可提高型（芯）砂的透气性。

3.耐火性 耐火性是指型砂抵抗高温热作用的能力。耐火性差，铸件表面易产生粘砂缺陷，使清理及切削加工带来不便，甚至造成废品。在型砂中混入少量煤粉及在型腔表面涂一层石墨或提高型（芯）砂中SiO2的含量、采用粗粒度砂，均可提高型（芯）砂的耐火性。

4.退让性 退让性是指型（芯）砂随着铸件冷凝可被压缩的能力。退让性差，铸件易产生内应力、变形和裂纹等缺陷。采用油类作黏结剂及降低型（芯）砂的紧实程度或在黏土砂中加入适量的木屑，均可提高型（芯）砂的退让性。

5.可塑性 可塑性是指型（芯）砂在外力作用下能形成一定的形状，外力去掉后仍能保持已有形状的能力。可塑性好，易造型，且砂型形状准确、轮廓清晰。可塑性与含水量、黏结剂的性能及数量有关。

6.溃散性 溃散性是指型（芯）砂在浇注后易溃散的性能。溃散性的好坏直接影响铸件的清理。

由于芯砂大部分被高温液态金属所包围，故对芯砂的性能要求比型砂高。

（二）型（芯）砂的组成

型（芯）砂是由原砂、黏结剂、适量的水和附加物组成的。

1.原砂 原砂（新砂）是型（芯）砂的主体，以石英砂应用最广，其主要成分为石英（SiO2），和少量泥分及杂质。原砂的颗粒形状、大小及分布对型砂的性能有很大影响。

2.黏结剂 黏结剂是用来黏结砂粒的材料。常用的黏结剂主要有黏土、水玻璃、树脂、油脂及水泥等。

3.附加物 附加物是用来改善型（芯）砂的某些性能而加入的材料。在中小型铸件用的湿型砂中加入煤粉、重油，可防止黏砂，提高铸件表面质量；在干型砂或芯砂中加入锯木屑，可改善型（芯）砂的透气性和退让性。

（三）型（芯）砂的配制

按照黏结剂的不同，型（芯）砂分为黏土砂、水玻璃砂、树脂砂及水泥砂等，其中以黏土砂应用最广。型（芯）砂的配制工艺对其性能有着很大的影响。它主要取决于型（芯）砂的配比、加料顺序和混碾时间。

小型铸铁件的型砂比例是：新砂2%～20%， 旧砂98%～80%。黏土8%～10%，水4%～8%，煤粉2%～5%。

型砂的配制是在混砂机（如图2-2所示）中进行的。先将新砂、黏土和旧砂依次加入混砂机中，干混数分钟后加入一定量的水湿混约10分钟，在碾轮的碾压及搓揉作用下混合，待均匀后出砂。使用前应过筛并使其松散。

型（芯）砂的性能可用型砂性能实验仪检测。单件小批生产时，可用手捏法检验型砂性能。

二、造型方法

造型是砂型铸造的基本工序，其工艺过程包括准备工作、安放模型、填砂、紧砂起模、修型和合箱等主要工序。造型方法分为手工造型和机器造型两大类。手工造型适用于单件小批生产，机器造型适用于大批量生产。

（一）手工造型

手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型方法。它具有操作灵活、适应性强、生产准备时间短等特点，但生产效率低、劳动强度大，操作技能要求高。

根据铸件的形状、大小、生产批量和生产条件，来采用不同的手工造型方法

1.整模造型

整模造型是用整体模型进行造型的方法。其特点是模型为整体模，分型面是平面，铸型型腔全部位于一个砂箱内，操作方便，不会错箱，铸件的精度和表面质量较好，适用于最大截面位于一端且是平面的简单铸件的单件小批生产，如齿轮坯，压盖、轴承座等。整模造型的工艺过程如图2-3所示。

2.分模造型

分模造型是用沿模型最大截面处将其分成两半，并用销钉定位的分开模型进行造型的方法。它是造型方法中应用最为广泛的。其特点是模型为分开模，型腔一般位于上、下箱内，造型简便，易于下芯和安放浇注系统，适用于套类、管类及阀体等最大截面在中间且是平面的形状较复杂的铸件的单件小批生产，如套筒、水管、立柱等。分模造型的工艺过程如图2-4所示。

受铸件形状的限制，有时必须使用三箱造型才能起模（如图2-5所示）。三箱造型要求中箱高度与模型的相应高度一致，造型过程较繁，生产效率低，易产生错箱缺陷，只适用于具有两个分型面的中、小型铸件的单件小批生产。在成批生产或用机器造型时，可用外砂芯将三箱造型改为两箱造型（如图2-6所示）。

3.活块造型

活块造型是将模型侧面妨碍起模的凸起部分做成活动的模块（称活块），起模或脱芯后，再将活块取出的造型方法。活块用销钉或燕尾榫与模型本体相连。其特点是可减少型芯及简化分型面的，但操作较复杂，操作技能要求高，生产效率低，模型、砂型易损坏且修补困难，适用于铸件的单件小批生产。活块造型的工艺过程如图2-7所示。成批生产或活块厚度大于铸件该处壁厚时，可用外砂芯代替活块（如图2-8所示），以便造型。

4.挖砂造型和假箱造型

挖砂造型是铸件的最大截面为曲面，且要求整模造型，造型时需挖出阻碍起模的型砂的造型方法。其特点是操作技能要求高，生产效率低，适用于分型面不是平面的铸件的单件小批生产。挖砂造型的工艺过程如图2-9所示。

挖砂造型一定要挖到模型的最大截面处。挖砂所形成的分型面应平整光滑，坡度不能太陡，以利于顺利地开箱。大批量生产时，常采用假箱造型（如图2-10所示）或成型底板造型（如图2-11所示）来代替挖砂造型，可大大提高生产效率和铸件质量。假箱只用于造型，不参与浇注。假箱一般用强度较高的型砂制成，要能多次使用，分型面应光滑平整，位置准确。当生产数量更大时，可用木制的成型底板代替假箱。

5.刮板造型

刮板造型是不用模型而用刮板操作的造型和造芯方法。刮板是一块与铸件断面形状相适应的木板，造型时根据砂型型腔或砂芯的表面形状，引导刮板作旋转、直线或曲线运动，从而在砂型中刮制出所需要的型腔。刮板造型的特点是节省模型材料及费用，缩短生产周期，但造型生产率低，操作技能要求高，铸件的尺寸精度差，适用于回转体或等截面大、中型铸件的单件小批生产，如皮带轮、弯管等。刮板造型的工艺过程如图2-12所示。

6.地坑造型

地坑造型是以地面或地坑作为下砂箱进行造型的方法。其特点是节省砂箱，降低工装费用，但造型操作技术要求高、生产效率低，劳动量大，适用于生产要求不高的大、中型铸件或用于砂箱不足时批量不大的中、小型铸件的单件小批生产。

小型铸件的地坑造型是直接在地面上挖坑填砂，埋入模型即可造型。大、中型铸件则需用防水材料筑成地坑壁，坑底填以焦炭或炉渣等透气物料，并覆盖草垫，埋入铁管或草绳以引出浇注时地坑中的气体，然后分层填砂、紧砂、扎气孔、修出模型底面的形状，再放上模型造型，如图2-13所示。

7.典型铸件手工造型工艺实例

皮带轮手工造型的工艺过程见如表2-1所示。

（二）机器造型

机器造型是用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型方法，是现代化铸造生产的基本方式。其特点是生产效率高，劳动条件好，环境污染小，铸件的尺寸精度和表面质量高，但设备和工艺装备费用高，生产准备时间长，适用于中、小型铸件的成批或大批量生产。机器造型的实质是用机器进行紧砂和起模，根据紧砂和起模的方式不同，有不同种类的造型机。

1.紧砂方式

目前，机器造型绝大部分都是以压缩空气为动力来紧实型砂的。常用的紧砂方式有震实、压实、震压、抛砂和射砂等，其中以震压式应用最广。如图2-14所示为震压紧砂机。抛砂紧实（如图2-15所示）同时完成填砂与紧实两个工序，生产效率高，型砂紧实密度均匀，可用于任何批量的大、中型铸件或大型芯的生产。

2.起模方式

造型机都装有起模机构，其动力也多半应用压缩空气， 目前应用广泛的起模方式有顶箱、漏模和翻转三种（如图2-16所示）。顶箱起模的造型机构比较简单，但起模时易漏砂，只适用于型腔简单且高度较小的铸型。漏模起模的造型机构一般用于形状复杂或高度较大的铸型。翻转起模的造型机构一般用于型腔较深、形状复杂的铸型。

随着现代化大生产的发展，近年来又大力发展了无箱射压造型、多触头高压式造型、薄壳压膜式造型、负压造型、真空密封造型、 自硬砂造型、流态砂造型、气流冲击造型和冷冻造型等造型新技术。

三、造芯

型芯是砂型的一部分，用来形成铸件的内腔或用于组成铸件的外形。造芯即是制造型芯的过程。

1.型芯的技术要求及工艺措施

型芯在浇注时受到高温液态金属的冲击和包围，且承受较大的浮力，因此型芯应比砂型具有更高的强度、透气性和退让性等性能，并易从铸件清除。除了芯砂满足要求外，在造芯时还应采取一定的工艺措施。

（1）在型芯内放置芯骨以提高强度。小型芯的芯骨用钢丝制成，大、中型芯的芯骨用铸铁铸成，较大的芯骨上还应制出吊环以使吊运方便，如图2-17所示。

（2）在型芯内开通气道以提高型芯的透气性，大型芯内部应放入焦炭以便排气，如图2-18所示。

（3）在型芯表面刷涂料以提高耐火性、防止粘砂并保证铸件内腔表面质量。铸铁型芯刷石墨涂料，铸钢型芯刷石英粉涂料，有色金属型芯刷滑石粉涂料。

（4）重要的型芯都需烘干，以提高型芯的强度和透气性。

2.造芯的方法

造芯分为手工造芯和机器造芯。机器造芯的生产率高，紧实均匀，型芯质量好，适用于成批大量生产。常用的造芯机有震动造芯机和射芯机。手工造芯适用于单件、小批生产。造芯一般用芯盒制芯，有时也用刮板制芯。芯盒的空腔形状与铸件的内腔相适应，通常有三种结构。整体芯盒制芯，适用于形状简单的中、小型芯；对开芯盒制芯，适用于对称形状的型芯，分为垂直式和水平式；组合式芯盒制芯，适用于形状复杂的中、大型型芯，芯盒由许多活块拼合而成。

3.型芯的固定方式

型芯在铸型中的定位主要靠型芯头。型芯头必须有足够的尺寸和合适的形状将型芯正确、牢固地固定在铸型型腔内。按其固定方式可分为垂直式、水平式和特殊式（如悬壁芯头、吊芯等）。若铸件的形状特殊，单靠型芯头不能固定时可用型芯撑予以固定。型芯撑的形状如图2-19所示。

四、造型工艺

造型工艺主要是指分型面、浇注位置的选择和浇注系统的设置，它们直接影响着铸件的质量和生产效率。

1.分型面、分模面与浇注位置

分型面是指上型与下型之间的接触表面，分模面是指模型上分开的切面，它们均可以是平面、斜面或曲面。浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。

分型面和浇注位置常在一起表示，图中用横线表示分型面，汉字“上”、“下”和箭头表示浇注位置。

2.分型面、浇注位置的选择

分型面、浇注位置的合理选择，将利于提高铸件质量，简化造型工艺，降低生产成本。选择时主要考虑以下原则：

（1）分型面应尽量选取在铸件的最大截面处，以便造型和起模。

（2）分型面的形状应简单平直、数量尽可能地减少，以利于简化造型、减少错箱。如图2-20所示的绳轮铸件，采用环状型芯以便于在大批量生产时使用机器造型。

（3）尽量使铸件全部或大部位于同一砂箱内，尽量减少型芯、活块的数量，避免吊砂，并利于型芯的定位、固定与排气。

（4）铸件上重要的加工面应朝下或处于垂直的侧面。如图2-21所示的导轨朝下。

3.模型、型腔、铸件与零件

模型是造型模具，用来形成铸件的外部形状。模型在单件小批生产中用木材制成，在大批大量生产中用铸造铝合金、塑料等制成。

铸造生产中，用模型制得型腔，将液态金属浇入型腔冷却凝固后获得铸件，铸件经切削加工最后成为零件。因此，模型、型腔、铸件与零件之间在形状和尺寸上有着必然的联系。

在尺寸上，零件尺寸＋加工余量（孔的加工余量为负值）＝铸件尺寸；铸件尺寸＋收缩量＝模型尺寸。

在形状上，铸件和零件的差别在于有无拔模斜度、铸造圆角和较小的孔、槽等；铸件是整体的，模型则可能是由几个部分（包括活块）组成的。铸件上有孔的部位，其模型则可能是实心的，甚至还多出芯头的部分。

4.浇注系统的设置

浇注系统是指在铸型中用来引导液态金属流入型腔的通道。合理地设计浇注系统的形状、尺寸和流入型腔的位置，将可以保证液态金属平稳地流入并充满型腔，有效地调节铸件的凝固顺序，防止熔渣、砂粒或其他杂质进入型腔。

1）浇注系统的组成及作用

浇注系统主要是由外浇口、直浇道、横浇道和内浇道组成的（如图2-22所示）。

（1）外浇口 外浇口又称浇口杯，形状常为漏斗形（用于中小型铸件）或盆形（用于大型铸件）。其作用是承接来自浇包的液态金属并起缓冲作用，以使液态金属平稳地流入直浇口，分离熔渣使其浮于液面并防止气体卷入浇道。

（2）直浇道 直浇道是浇注系统中的垂直通道，形状常为圆锥形，上大下小。其作用是利用本身的高度产生一定的静压力和流速，保证液态金属充满型腔。直、横浇道相接处应作成较大的圆形窝座，以利于液态金属在直浇道底部返回后平稳地流入横浇道。

（3）横浇道 横浇道是开在上箱分型面上的常为梯形截面的水平通道。其作用是挡渣和缓冲作用，使液态金属平稳地合理分流至各内浇道。

（4）内浇道 内浇道是液态金属直接流入型腔的通道，截面多为扁梯形或三角形，其作用是控制液态金属流入型腔的方向和速度，调节铸件各部分的冷却速度，对铸件的质量影响极大。内浇道通常开在下箱分型面上，其具体位置要根据铸件的结构特点来确定。一般对壁厚较均匀的铸件，内浇道应开设在其相对壁薄处并分散多开几个，以使铸件各部分均匀地冷却凝固，来减少铸件的内应力、变形及裂纹。而对壁厚不均匀的铸件，内浇道应开设在其相对壁厚处，以利于补缩；内浇道的位置和方向应尽量缩短液态金属进入铸型及在型腔中的途径，以利于挡渣和避免冲刷型芯或铸型壁（如图2-23、图2-24所示）；内浇道还应避免开设在重要的加工面及非加工面上，以免影响内在及外观质量。

2）浇注系统的类型

浇注系统的类型，是按照内浇道在铸件上开设的位置分类的，主要有顶注式、底注式、侧注式和阶梯式等（如图2-25所示）。一般根据铸件的形状、尺寸、壁厚和质量要求来选择浇注系统的类型。顶注式浇注系统适用于重量小、高度小、形状简单及不易氧化材料的薄壁和中等壁厚的铸件；底注式浇注系统适用于中大型厚壁、形状较复杂、高度较大的铸件和某些易氧化的合金铸件，如铝、镁合金大铸件和铸钢件；侧注式浇注系统适用于两箱造型的中小型铸件；阶梯式浇注系统适用于高度在400mm以上的大型复杂铸件（如机床床身）。

五、铸型

铸型是用型砂、金属材料或其他耐火材料制成的，主要是由上型（上箱）、下型（下箱）、浇注系统、型腔、型芯、 冒口和通气孔组成的整体（如图2-26所示）。用型砂制成的铸型称为砂型。砂型用砂箱支撑的，是形成铸件形状的工艺装置。

冒口是供补缩铸件用的铸型空腔，内存液态金属。 冒口一般设置在铸件厚壁处最后凝固的部位，以获得无缩孔的铸件。其形状多为球顶圆柱形或球形，分为明冒口和暗冒口两种。明冒口顶部与大气相通，还有观察、排气和集渣的作用，应用较广。暗冒口顶部被型砂覆盖，造型操作复杂，但补缩效果比明冒口好，如图2-27所示。

冷铁是在铸型、型芯中安放的金属物，以提高铸件厚壁处的冷却速度、消除缩孔和裂纹。其一般用铸钢或铸铁制成，分为外冷铁和内冷铁两种。外冷铁作为铸型的一个组成部分，内冷铁多用于厚大而不十分重要的铸件，如图2-27所示。

六、合箱

合箱是将铸型的各个组成部分组合成一个完整铸型的操作过程。合箱是制造铸型的最后一道工序，应保证铸型型腔几何形状及尺寸的准确和型芯的稳固。合箱后，应将上、下型紧扣（紧固装置）或放上压铁，以防浇注时上型被液态金属浮起，产生“跑火”或抬箱现象。